On dokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru, mevcut fizik teorilerinin tüm fiziksel olayları açıklamakta yeterli olduğu sanılıyordu. Newton yasaları mekanik olayları, Maxwell yasaları ise elektromanyetik olayları açıklayabiliyordu. Fakat bu yıllarda yapılan bir takım deneysel çalışmalar, klasik çerçevesinde açıklanamayan bazı sonuçlara yol açtı ve klasik çerçeve çatırdadı. Bu sonuçları açıklamak için yetersiz kalan mevcut teorilerin yanında, fiziğe artık yeni teoriler ve fikirler katma zorunluluğu icap etti.
Uzun uğraşlar neticesinde 1930’lara doğru Kuantum Mekaniği denilen yeni bir fizik kuramı inşa edildi. Kısaca denilebilir ki; Kuantum Mekaniği, mikroskobik sistemlerin (atom, çekirdek, atomaltı parçacıklar, …) dalga fonksiyonları kullanılarak matematiksel nesneler olarak temsil edildiği ve bu matematiksel nesneler üzerindeki işlemler için belli kuarallar tanımlandığı bilimsel bir yöntemdir.
Kuantum Mekaniğinin doğmasında ve gelişmesinde ehemmiyet arz eden bazı kilometre taşlarından bahsedelim:
Karacisim Işıması
Karacisim, üzerine düşen bütün ısı radyasyonunu soğuran bir cisimdir. Hiçbir ışını yansıtmaz ve geçirmez, bu sebeple kara bir görüntüsü olur.
Karacisim ışıma spektrumunu açıklamak için 1900 yılında Rayleigh ve Jeans, klasik fizik argümanlarından elektrodinamik ve termodinamik kullanarak bir formül önerdiler.
Karacisim ışıması için klasik fiziğin ortaya atabildiği en iyi formül olan Rayleigh-Jeans formülü açıkça görülüyor ki yüksek frekanslarda deneyle bağdaşmıyor. Bunun üzerine yine 1900 yılında Max Planck, Wien yasasını temel alarak karacisim ışıma spektrumunu tam olarak açıklamayı başaran formülünü yayınladı.
Bu formülün temelindeki varsayıma göre; atomların radyasyon alışverişleri sürekli bir sürece sahip değildir, kesikli miktardaki paketçikler (kuantumlar) alışverişi ile olmaktadır. Plack’ın bu çalışmasıyla birlikte enerji kuantumlanması fikri ilk kez kullanılmış oldu ve h Planck sabiti literatürde yerini almış oldu.
Fotoelektrik Olay
Metal bir yüzeye düşen ışık ışınları, yüzeyden elektronları kopararak serbest hale geçmesine yol açarlar. Bu sayede devrede akım oluşur. İlk defa 1890 yılında Hertz tarafından gözlenen bu hadiseye Fotoelektrik olay deniyor.
Fotoelektrik olayın Klasik Fizik çerçevesinde açıklanamayan iki özelliği;
- Ancak düşen ışığın frekansı bir eşik değerin üzerinde ise yüzeyden elektron kopabilir.
- Kopan elektronların kinetik enerjisi gelen ışığın şiddetinden bağımsız fakat ışığın frekansına lineer lineer olarak bağlıdır.
1905 yılında Einstein tarafından ortaya atılan ışığın dalga olmayıp enerji kuantumu paketlerinden oluştuğu fikri ile Fotoelektrik olay açıklanmış oldu.
Newton’dan beri girişim ve kırınım hadiseleri ışığın dalga karakterinde olduğunu düşündürüyordu. Şimdi ise Fotoelektrik olayı açıklamak için ışığın parçacık gibi davranması gerektiği görüldü. Dalga-parçacık ikilemi denilen bu ‘çelişki’, ışık olaylar bazında farklı karakterler gösterir şeklindeki modern yorum ile çözüldü.
Compton Saçılması
Işığın parçacık olarak kendini gösterebileceği fikrinin bir başka delili 1922’de Compton tarafından bulundu.
Compton X-ışınlarını kullanarak grafit üzerinde yaptığı deneylerde saçılan ışınların dalgaboylarının gönderdiklerininkinden daha büyük olduğunu gördü. Saçılma açısı büyüdükçe dalgaboyu da büyüyordu.
Klasik teoriye göre elektrik yükü, üzerinde gelen elektromanyetik dalganın titreştirmesiyle değişik yönlerde elektromanyetik dalga yaymaya başlar. Fakat değişik yönlerdeki tüm bu dalgaların dalgaboyu başlangıçta gelen dalganın dalgaboyuna eşit olmalıdır.
Compton, Einstein’ın foton teorisine başvurarak bu sonucu şu şekilde açıkladı: Fotonlar enerji taşıyabildiğine göre, momentum da taşıyor olabilirler. Enerji ve momentumun korunumu yasaları böylece foton-elektron çarpışmasına da uygulanabilmeliydi.
Bu aşamadan sonra ışığın hem dalga hem de parçacık özelliği gösterebileceği şu iki denklemle gösterilmiş oldu.
Bu eşitliklerde sağ taraf dalga ile alakalı büyüklükleri, sol taraf ise parçacık özelliği ile ilgili büyüklükleri gösteriyor.
