Britanyalı fizikçi Bryan Kibble’nin adı verilen Kibble terazisi ilk olarak 1975 yılında Birleşik Krallık’ın Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda (NPL) geliştirilmişti. Daha sonraları dünya genelindeki çeşitli laboratuvarlarda da Kibble terazileri kuruldu ve kullanılmaya başlandı.
Kibble terazileri, başlangıçta Planck sabitinin değerini hassas bir biçimde ölçmek için kullanılıyorlardı. Teraziye bir kütle standardı yerleştiriliyor ve yapılan ölçüm sonuçları kullanılarak Planck sabitinin değeri hesaplanıyordu. Daha sonra ABD’deki Ulusal tandartlar ve Teknolojiler Enstitüsü’nde (NIST) çalışan Peter Mohr ve Barry Taylor, süreci tersine çevirmeyi önerdi. Eğer Planck sabitinin değeri kesin olarak tanımlanırsa Kibble terazisi kullanılarak kütlesi bilinmeyen nesnelerin kütleleri ölçülebilirdi. Kibble terazisinde bir tekerleğin üzerinde hareket edebilen bir sicim vardır. Sicimin bir ucuna L uzunluğunda bir bobin, diğer ucunaysa bir motor bağlanır. Kütlesi ölçülecek nesne bobinin üzerindeki bir kefeye yerleştirilir. Motor ise kütlenin ve bobinin asıldığı sicimin hareketlerini hassas bir biçimde kontrol eder.
İngiliz fizikçi
Kibble terazisiyle kütle ölçümü iki aşamada gerçekleştirilir. İlk aşamada kütlesi ölçülecek nesne terazinin kefesine yerleştirilir ve bobin şiddetli bir manyetik alana maruz bırakılır. Elektromanyetik teori, B şiddetindeki bir manyetik alanda bulunan bir bobinden manyetik alana dik yönde bir i akımı geçirildiğinde bobine BLi büyüklüğünde bir elektromanyetik kuvvet etki edeceğini söyler.
Kütlesi m olan bir cisme etki eden yerçekim kuvvetiyse, g yerçekim ivmesi olmak üzere, mg büyüklüğündedir. Ölçümün bu ilk aşamasında akımın büyüklüğü ayarlanarak bobine etki eden elektromanyetik kuvvetin cisme etki eden yerçekim kuvvetini dengelemesi sağlanır. İki kuvvetin birbirini dengelemesi mg=BLi ya da m=BLi/g olduğu anlamına gelir. Eğer bu eşitlikteki B, L, i ve g’nin
tamamını hassas bir biçimde ölçmek mümkün olsaydı, tek başına bu aşama bile nesnenin kütlesini ölçmek için yeterli olurdu. Ancak BL çarpımını hassas bir biçimde ölçmek çok zordur. Ölçümün ikinci aşaması bu zorluğun üstesinden gelmek için yapılıyor. Elektromanyetik teori, L uzunluğundaki bir bobin u hızıyla B büyüklüğündeki bir manyetik alanın içine girdiğinde (hızın ve manyetik
alanın yönü bobin düzlemine dik) V=BLu büyüklüğünde voltaj üreteceğini söyler. Dolayısıyla bobinin hızını ve ürettiği voltajı ölçerek BL çarpımını hesaplamak mümkündür. Böylece m=Vi/ug eşitliği elde edilir. Bu eşitliğin sağ tarafındaki değişkenlerin hepsini doğrudan ya da dolaylı olarak hassas bir biçimde ölçmek mümkündür. Peki, tüm bu ölçümlerin Planck sabitiyle ne alakası var? Makro ölçekte karşımıza çıkan kuantum mekaniksel olgulardan biri AC Josephson olayıdır. İki süperiletkenin ince yalıtkan bir katmanla birbirine bağlandığını düşünelim. Sistemin iki ucuna sabit bir V voltajı uygulandığında bir AC (dalgalı) akım ortaya çıkar. Akımın frekansı
(f) ile uygulanan voltaj (V) arasında, e temel elektrik yükü olmak üzere, şu ilişki vardır: V=2eh/f.
Bu eşitlik uygulanan voltaj ile ortaya çıkan dalgalı akım arasında doğrusal bir ilişki olduğunu söyler. Dolayısıyla akımın frekansını ölçerek voltajı hesaplamak mümkündür. Art arda n özdeş Josephson jonksiyonu birbirine bağlandığında voltaj da n katına çıkar. Temel birimler arasında en hassas biçimde ölçülebileni zamandır. Modern atom saatleri milyarlarca yılda sadece bir saniye sapar. Dolayısıyla Planck sabitinin değerinin kesin olarak tanımlanması, zaman (frekans) ölçümü yaparak voltajın da çok hassas bir biçimde belirlenmesini sağlar. Kibble terazisinde de bobinin hareketi sonucunda üretilen voltajı ölçmek için AC Josephson olayından yararlanılıyor.
Makro ölçekte karşımıza çıkan bir diğer kuantum mekaniksel olgu olan Hall olayından da akımı belirlemek için yararlanılıyor. Aşırı düşük sıcaklıklara ve aşırı yüksek manyetik alanlara maruz bırakılmış iki boyutlu elektron sistemlerinin direnci (R) ancak belirli değerler alabilir: R=h/e2p. Bu eşitlikte p, deney koşulları tarafından belirlenen bir tam sayıdır. Bir direncin üzerinden geçen akım ile
iki ucu arasındaki voltaj arasında V=iR ilişkisi olduğu için voltajı ve direnci ölçerek akımı hesaplamak mümkündür. Kibble terazisinde de akımı belirlemek için AC Josephson olayından ve Hall olayından yararlanılarak voltaj ve direnç ölçümleri yapılıyor. Voltaj ve direnç ile ilgili eşitlikler yerine konduğunda kütle ile Planck sabiti arasında şu ilişki ortaya çıkıyor: m=(n2f2p/4ug)h.
Böylece, Planck sabitinin değerini kesin olarak tanımlayarak ve f, u, g değişkenlerini deneysel olarak tespit ederek bir nesnenin kütlesini ölçmek mümkün oluyor. Frekansı, hızı ve yerçekim ivmesini çok hassas biçimde ölçen cihazlar var olduğu için bu durum kütlenin de çok hassas bir biçimde ölçülmesine imkân veriyor. Kibble terazisiyle yapılan kütle ölçümleri, voltajın ve akımın lçülmesine dayalı olduğu için gelecekte Kibble terazisiyle hazırlanacak kütle standartları “elektronik kilogram” olarak adlandırılıyor.
Yorum Ekle