Kuantum fiziğinin gelişmesindeki rolü olan deneyler Çift yarık deneyi ile başlamıştır diyebiliriz. Yirminci yüzyılın başından itibaren, fizikçiler kuantum fiziğindeki gelişmeleri büyük ilgiyle takip etmektedirler. Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından elektron demetlerinin keşfi ile yola çıkılmıştır. Bu tarihten itibaren gelişmelere ve deneylere şöyle bir bakalım.
Kuantum fiziğinin deneyleri
Thomas Young’un ışığın dalga doğasını gösterdiği Çift yarık deneyi. (1805)
Young deneyi olarak da bilinen çift-yarık deneyi, ışığın dalga özelliği sergilediğini gösterir. Fotoelektrik etkisi ışığın dalga özelliğinin yanı sıra parçacık özelliği de sergilediğini gösterir. Deneyin basit versiyonunda lazer ışını gibi bağdaşık (eş fazlı) bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır, ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga doğası ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını, ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar, ki bu sonuç ışık tamamen parçacıklı yapıda olsa beklenemez. Fakat, parçacıklardan veya fotonlardan oluşuyormuş gibi, ekranda her zaman ışığın soğurulduğu görülür. Bu durum dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen prensibi ortaya koyar.
Henri Becquerel radyoaktiviteyi keşfetti. (1896)
Becquerel yağmurlu havadan dolayı birkaç gün uranyum tuzlarını güneş ışığına maruz bırakamadı. Siyah kağıda sarılı film ve üstüne konmuş uranyum bileşiği birkaç gün çekmecesinde güneşin doğmasını ve 1 Mart günü, belli bir sebebi olmaksızın, çekmecedeki filmi banyo etti, ve uranyum kristalinin güneş ışığına maruz kalmadığı halde filme iz bıraktığını gördü. Becquerel bunun x ışınlarına benzer görünmez bir ışın olarak tanımladı. Becquerel bulduğu bu sonucu 2 Mart 1896’da kısa bir makale olarak Fransa Bilim Akademisi’ne okudu. Bu olay o tarihten itibaren 1898 yılına kadar Becquerel ışınları olarak adlandırıldı. 1898 de Marie Curie adını daha genel bir isim olan, radyoaktivite ile değiştirdi.
J.J Thomson’un Katot ışın tüpü deneyleri. (elektron ve elektronun negatif elektrik yükünü keşfetti) (1897)
Katot ışını tüpü (İngilizce: Cathode ray tube, CRT), bir veya daha fazla elektron tabancası ile fosforesans içeren ve ekran görüntüsü için kullanılan bir elektron tübüdür. Katot ışını tüpü elektron demetlerini modüle ederek, hızlandırarak ve saptırarak ekran görüntüsünü oluşturur. 2000’lerden itibaren, CRT’ler büyük ölçüde yerlerini daha düşük üretim maliyetli, az enerji tüketen, daha hafif ve az yer kaplayan LCD, plazma ekran ve OLED ekranlar gibi yeni görüntü teknolojilerine bırakmıştır.
Kuantum konseptleri olmadan açıklanamayan 1850-1900 arasındaki Siyah cisim radyasyonu çalışmaları.
Siyah cisim ışıması içinde elektromanyetik ışıma, ya da çevresinde termodinamik dengeyi sağlayan ya da siyah cisim (opak ve fiziksel yansıma gerçekleştirmeyen) tarafından yayılan ve sabit tutulan tekdüze sıcaklıktır. Işıma çok özel bir spektruma ve sadece cismin sıcaklığına bağlı olan bir yoğunluğa sahiptir.Termal ışıma, birçok sıradan obje tarafından kendiliğinden yayılan bir siyah cisim ışıması sayılabilecek türden bir ışımadır. Tamamen yalıtılmış bir termal denge ortamı siyah cisim ışımasını kapsar ve bir boşluk boyunca kendi duvarını yaratarak yayılır, boşluğun etkisi göz ardı edilebilecek kadar küçüktür. Siyah cisim oda sıcaklığında siyah görünür, yaydığı enerjinin çoğu kızılötesidir ve insan gözü ile fark edilemez.
Daha yüksek sıcaklıklarda, siyah cisimlerin özkütleleri artarken renkleri de soluk kırmızıdan kör edecek şekilde parlaklığı olan mavi-beyaza dönüşür. Gezegenler ve yıldızlar kendi sistemleri ve siyah cisimler ile termal dengede olmamalarına rağmen, yaydıkları enerji siyah cisim ışımasına en yakın olaydır. Kara delikler siyah cisim olarak sayılabilirler, ve kütlelerine bağlı bir sıcaklıkta siyah cisim ışıması yaptıklarına inanılır (Hawking Işıması). Siyah Cisim terimi, ilk olarak Gustav Kirchhoff tarafından 1860 yılında kullanılmıştır.
Fotoelektrik etki: Einstein bunu 1905 yılında foton konseptini nicemlenmiş enerji ile birlikte ışık parçacıkları kullanarak açıkladı. (ve daha sonra bu sebeple Nobel Ödülü aldı)
Fotoelektrik etki ya da fotoemisyon, ışık bir maddeyi aydınlattığında elektronların ya da diğer serbest taşıyıcıların üretimidir. Bu bağlamda yayılmış elektronlar fotoelektronlar olarak adlandırılır. Bu olay genellikle elektronik fiziğinde hatta kuantum kimyası ya da elektrokimya gibi kimya alanlarında çalışılır.Klasik elektromanyetik teoriye göre, bu etki ışıktan bir elektrona enerji transferi olarak adlandırılır. Bu açıdan bakıldığında, ışığın şiddeti veya dalgaboyundaki değişim metalden elektron yayılma oranı değişimine neden olur. Ayrıca, bu teoriye göre yeterince loş ışığın, ilk ışıma ve bir elektronun yeterince yayılması arasında geçen süreyi göstermesi beklenir. Fakat, deney sonuçları klasik teoriye göre yapılan iki tahminden herhangi biriyle ilişkilendirilemez.
Robert Millikan’ın elektrik yükünün nicemsel olarak meydana geldiğini gösteren Yağ damlası deneyi. (1909)
1909’ da Millikan, belirli bir zaman aralığında bir tek yağ damlasını gözlemleyebilecek şekilde deney düzeneğini oluşturmuştur. Millikan deneyini birçok yağ damlası için tekrarlayarak elektronun yükünü 1.592×10−19 C olarak bulmuştur. Millikan sonuçlarını “On the Elemantary Electrical Charge and the Avogadro Constant” isimli makalesini (Physical Review 32, 349) ile 1911’de yayınladı. Hemen ardından bir başka fizikçi Felix Ehrenhaft benzer bir deney yaptığını ve Millikan’ ın elemanter yük değerinden daha küçük bir yük değeri ölçtüğünü açıkladı. Bu sonuç Millikan’ı daha ileri ve titiz deneyler yapmaya götürdü. 1913 yılında Millikan orijinal sonuçlarını tekrar elde ettiği çalışmasını yayınladı ve bu çalışmasından dolayı 1923 yılında Nobel Fizik ödülünü aldı.
Bugün elektron için ölçülen en iyi yük değeri 1.60217733(49)×10−19 C , Millikan’ ın 1913’te açıkladığı değere oldukça yakındır.
Ernest Rutherford’un, atomun kütle enerjisi ve pozitif enerjisinin neredeyse eşit olarak dağıldığını ileri süren Thomson Atom Modeli’nin aksini kanıtladığı Altın folyo deneyi. (1911)
Thomson’ın bu deneyi ve sonrasındaki temel fizik hesabı atom düşüncesinin önemli bir adımı olarak görülür. Çünkü sonucunda yeni bir atom modeli oluşabilmiştir. Thomson elektronu keşfetti ve bu keşif elbette Dalton’un bölünemez atomlarına ağır bir darbe vurdu. Thomson atom modeli, atomun yapısını tanımlayan birkaç bilimsel modelden biridir. İlk defa katot ışınlarının doğasını anlamaya çalışan İngiliz fizikçi Joseph John Thomson tarafından elektronların parçacık olarak tanımlamasından kısa bir süre sonra 1904 yılında ortaya atıldı. Aynı zamanda üzümlü kek modeli olarak da bilinir.
James Franck ve Gustav Hertz’in civa atomunun enerji soğumasının nicemsel olduğunu gösterdiği Franck Hertz deneyi. (1914)
Franck-Hertz deneyi tarihsel önemi olan bir fizik deneyidir. Kuantum mekaniğine öncülük eden Bohr-atom-modeli, bu deney tarafından doğrulanmıştır. Alman fizikçiler James Franck ve Gustav Ludwig Hertz, 1914 yılında atomların enerji seviyelerini deneysel olarak ölçtüler. Böylece, Niels Bohr tarafından geliştirilen, elektronların atom çekirdekleri etrafında kesintili enerji yörüngelerinde yer aldığı atom modeli Franck-Hertz deneyi tarafından deneysel olarak kanıtlanmış oldu. Franck ve Hertz bu başarılarında dolayı 1925 yılında Nobel fizik ödülünü kazandılar.
Otto Stern ve Walter Gerlach’ın parçacık dönüşünün nicemsel doğasını gösterdiği Stern-Gerlach deneyi. (1920)
Stern-Gerlach deneyi Alman fizikçi Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından isimlendirilen taneciklerin sapmasının kuantum mekaniği alanında önemli bir deneydir. 1922 yılında Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından gerçekleştirilen bu deney, genellikle parçaçıkların saçınımını kullanarak kuantum mekaniğinin temel noktalarını açığa çıkarması açısından önemlidir. Bu deney elektronların ve atomların özünde kuantum özelliklerine sahip olduğunu ve ölçülürken kuantum mekaniğinin sistemi nasıl etkilediğini ispat etmek için yapılmaktadır.
Clinton Davisson ve Lester Gerner’ın elektronun dalga doğasını gösterdiği Elektron difraksiyon deneyi. (1927)
Broglie hipotezini doğrulayan fizik deneyi, Davisson-Germer deneyi, Amerikalı fizikçi olan Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından 1923-1927 yılları arasında yapıldı. Bu hipotez Louis de Broglie tarafından 1924 yılında ortaya konulmuştur ve hipoteze göre elektron gibi maddenin parçacıklarında dalga tipi bir özellik vardır. Bu deney ise sadece de Broglie hipotezini onaylama ve dalga-parçacık ikilisini sunmakla kalmayıp aynı zamanda quantum mekaniğine ve Schrödinger denklemi için önemli bir tarihi gelişmedir.
Clyde L. Cowan ve Frederick Reines Nötrino deneyinde nötrinonun varlığını doğruladı. (1955)
Nötron bozunumu gibi beta bozunumlarının incelenmesinden, üçüncü bir parçacığın daha var olması gerektiği 1930’larda açıkça ortadaydı. Ama nötrino adı verilen bu parçacığın yükü olmadığı ve kütlesi de neredeyse olmadığı için algılanması güçtü. 1950’lerin ortalarında, Frederick Reines ve Clyde L. Jr. Cowan, nötrinonun varlığını doğrulamak için bir deney hazırladı. Nükleer reaktörlerin, cm2 başına saniyede 10üzeri 12-10üzeri13 nötrino mertebesinde, yani radyoaktif kaynaklardan elde edilebilecek herhangi bir akıştan çok daha yüksek nötrino akışı üretmesinin beklenmesi gerçeğinden yararlandılar.
Clauss Jönsonn’un elektronlarla olan Çift yarık deneyi. (1961)
Çift-yarık deneyi ışıktan başka bir şey ile denenmemişti, ta ki1961 yılında Tübingen Üniversitesi’nden Clauss Jönsson bunu elektronlarla deneyene kadar.[4][5] 2002 yılında, Physics World okuyucuları tarafından Jönsson’un çift-yarık deneyi ’en güzel deney’ olarak seçildi.
1999’da mikroskopta görülebilecek kadar büyük parçacıkların- buckyball molekülleri (0.7 nm çağında, protondan yarım milyon kat daha büyük)- dalga-tipi girişim sergiledikleri bulundu.
Çift-yarık deneyi (ve varyasyonları) kuantum mekaniğinin temel bilmecesini açıkça ortaya koyabildiği için klasik bir düşünce deneyi haline geldi. Richard Feynman, bu tek deney üzerinde dikkatlice düşünerek tüm kuantum mekaniğinin derlenebileceğini söylemiştir.
Klaus von Klitzing tarafından 1980 yılında keşfedilen Kuantum Hall Olgusu.
İçinde elektrik akımı geçen bir metal plakaya dik olarak bir manyetik uygulanırsa, plakanın içinde hareket eden elektronların hareket yönüne dik bir kuvvet oluşur ve hareket yönü değişen elektronlar sayesinde bir voltaj farkı (Hall Voltajı) gerçekleşir. Buna Hall Etkisi adı verilir. Kuantum Hall Etkisi ise; temelde iki boyutlu kabul edilebilecek kadar ince bir yüzeyde, sistem mutlak sıfıra yakın derecede soğutulmuş olduğunda yine yüzeye dik ve çok güçlü bir manyetik alan olduğunda gözleniyor.
Alain Aspect tarafından kuantum dolanıklılığının deneysel doğrulaması. (1982)
Dolanıklık kuantum mekaniğine özgü bir olgudur. Kuantum fiziğine göre iki benzer parçacık birbiri ile eşzamanlılığa sahiptir. Bu parçacıklar ayrı yerlerde birbirlerinden çok uzak mesafelerde olsalar dahi birinde olan bir durum diğerini de aynı şekilde etkiler. Daha basit bir anlatımla ikiz kardeşlerin ayrı ülkelerde olduğu varsayıldığında, bir kardeşin sağ elini kaldırması diğer ülkedeki kardeşinde sağ elini kaldırması anlamına gelir.
Paul Kwiat, Harold Wienfurter, Thomas Herzog, Anton Zeilinger, ve Mark Kasevich tarafından yapılan Mach-Zehnder çatışma ölçeği deneyi. (1994)
Bazıları sahte olan bir bomba koleksiyonu olduğunu düşünelim. Bu bombaların şu özellikleri olduğunu varsayalım. gerçek bomblara bir foton tetiklemesiyle çalışıyorlar ve foton bombaya girdikten sonra yutuluyor ve bomba patlıyor. Sahte bombaların foton sensörleri sorunlu ve foton bomba ile etkileşime girmeden geçip gidiyor.. Yani, sahte bir bomba fotonun geldiğini algılamadığı için patlamıyor. Problem şu ki, kesinlikle sahte olmayan birkaç bobma bu koleksiyonun içinden nasıl ayıt edilebilir. Bir bomba ayıklayıcı yapılıp bunlar testten geçirilirse, foton içine girdiği anda bomba patlayacağından test etmek bütün sahte olmayan bombaların patlamasına neden olacaktır.
ÇÖZÜM: Bir çözüm gerçeklik-dışı bir gözlem yöntemi kullanan, kuantum mekaniğine dayalı bir ayıklayıcı kullanmaktır.Her defasında tek bir foton gönderen bir Mach-Zehnder interferometresi ile işe başlanabilir. Bir foton yayımlandığından ve bu yarı-varaklı aynaya ulaştığında, fotonun aynadan geçme ve yansıma şansları eşittir. Bir yolun üzerine fotonun çarpacağı bir bomba konulur . Eğer bomba sahte değilse, foton yutulur ve bomba patlar. Eğer bomba sahteyse, foton bombanın içinden etkilenmeden geçer.
Eğer fotonun durumu kuantum belirsiliğe tahvil edilirse, bir etkileşim sırasında foton aynada yansır veya içinden geçer. Bu durumda foton kuantum süperposizyon durumuna geçer, ki bu durumda tüm olasılıklar birbirleriyle etkileşim halindedir. Süperpozisyon durumu bir ‘gözlemci’ (dedektör) ile etkileşim içine girilinceye kadar devam eder. Gözlemci dalga fonksiyonunu çökertir ve foton kuantum belirsizlik durumundan çıkar.
Yorum Ekle