Önce bazı kısa hatırlatmalar yapmak istiyorum;
Mıknatıs’ın iki zıt kutupları, N ve S birbirlerini çekerler.
İki zıt elektrik yükü Artı (+) ile Eksi (-) birbirlerini çekerler. (Statik elektrik deşarjlarla çarpılmayanımız yoktur sanırım).
Bu çekim kuvvetleri iki kutbun aralarındaki uzaklığın karesiyle orantılı olarak azalır. Yani tersi de doğrudur. Yakınlığın karesi kadar da bu çekim kuvveti artar. Yüklerin büyüklükleri çekim kuvvetini doğru orantılı olarak arttırır.
Hem klasik hem de Kuantum Fiziğinde tanımlanan atom modelinde, negatif yüklü elektronlar, çizgisel ya da bulutsu tarzda pozitif yüklü çekirdeğin etrafında dönerler. Mutlak sıcaklıkta yani bütün gazların sıvı halde olduğu -273oC soğukta bile elektronlar durmazlar ve bulundukları yörünge yani enerji seviyelerini terk etmezler.
Hâlbuki bütün eksi yüklü elektronların dönme enerjilerini zamanla yitirip, pozitif yüklü çekirdeğin üzerine hızla çekilip düşerek hareketsiz olarak kalmaları gerekmez miydi?
Öyleyse elektronları bunu yapmaya yani çekirdeğin etrafında dönmeye ne zorluyor?
Bunu Kuantum Teorisi Heisenberg’in “Belirsizlik İlkesi” ile açıklıyor. Belirsizlik İlkesine göre; “Elektronun yerini ve konumunu biliyorsak, hızı ve momentumu belirsizdir, elektronun hızı ve momentumunu biliyorsak, yeri ve konumu belirsizdir”.
Basit ve günlük olaylarla daha anlaşılır ifade etmeye çalışalım; elektronun yerini bilmeyi bir nevi anlık fotoğrafını çekmek gibi düşünelim ve çok kısa deklanşör süresiyle çekilen fotoğrafta sabit görülen yani bulunduğu konumu net gördüğümüz elektronunun hızı hakkında bir fikir sahibi olmayız çünkü elektron sabit yani duruyor gözükecektir.
Deklanşör hızını ve fotoğraftaki hareketin iz aralığını kullanarak elektronun hızını ölçebiliyorsak bu kez elektronun yeri konusunda kesin bir ifadede bulunulamaz. Yeri hakkında ancak belirli bir aralıktan söz edilebilir yani “şu” ve “şu” konumlar arasında gibi.
Belirsizlik İlkesi”ne göre elektronun hem konumunda hem de hızında belirli bir düzeyde belirsizlik olmalıdır. Eğer konumunda belirsizlik azalırsa, hızındaki belirsizlik artmalı, ya da tersi hızındaki belirsizlik azalırsa konumundaki belirsizlik artmalıdır”.
Bu ilkeden yola çıkarak elektronun neden çekirdeğin üzerine düşmediği şu şekilde açıklanmaktadır;
Eğer elektron çekirdeğe doğru yaklaşırsa, konumundaki belirsizlik büyük ölçüde azalmış demektir, öyle ya artık yeri netleşiyor, bu nedenle hızındaki belirsizlik artmak zorundadır. Bu da elektronun daha yüksek hızlara çıktığı anlamına gelmektedir. Yüksek hız da elektronun çekirdekten kaçmasına sebep olur.
Bu “açıklamayı” anlayabilen bir kimse atomun bütün sırlarını çözdüğünü düşünmektedir. Artık bir malzemeyi sıkıştırdığınızda da neler olduğunu hemen bu kuramı kullanarak açıklayabiliriz, mesela !!!
Ama bu “Belirsizlik İlkesinin” elektronların neden çekirdek üzerine düşmediklerinin açıklamaktan çok, var olan bu olayın “formülsel” tanımlanmaya çalışılması olarak görüyorum ve kafamda şu sorular dolaşıyor:
Öncelikle, neden elektronlar kademeli enerji seviyelerinde konumlanmışlardır?
Heisenberg’in Belirsizlik İlkesinin olayı açıkladığını varsaysak bile hemen arkasından gelecek olan soru budur. O halde neden bütün elektronlar aynı yörünge civarlarında konumlanmayıp, belirli enerji seviyelerinde belirli sayılarda bulunmaktadırlar? Üstelik tersine çekirdekten “uzaklaştıkça” elektron yörüngelerinin enerjileri ve tabiatıyla elektronların hızları da yükselmektedir.
Bu belirsizlik ilkesi doğruysa, elektron çekirdekten uzaklaştıkça konumundaki belirsizlik artacak, dolayısıyla hızındaki belirsizlik azalacak yani yavaşlayacak ve tekrar eski dengede olduğu yörüngeye geri gelecek ve dolayısıyla bütün elektronlar çekirdekten aynı uzaklıktaki dengede kalacakları yörünge civarlarında konumlanmaları gerekmeyecek miydi? O halde, Heisenberg Belirsizlik ilkesi yalnızca çekirdeğe yakın özel bir konum için mi geçerlidir?
Başka bir deyişle eğer elektronların çekirdeğe düşememesi için hızlarının artması gerekiyorsa, en alt seviyedeki “1s” orbitalinde bulunan elektron en hızlı, çekirdekten uzaklaştıkça da her orbitaldeki elektronlar daha yavaş olmaları gerekmez mi? Hâlbuki durum bunun tam tersidir.
Heisenberg'in bu teorisi elektron çekirdeğe yaklaştıkça sanki çekirdek tarafından itildiğini anlatmıyor mu?
Normalde eksi yüklü bir parça artı yüklü bir parçaya doğru hızla çekilir ki, yakınlaştıkça da aralarındaki çekim kuvveti ara mesafenin karesi kadar artar. Sonunda da birbirlerine hızla çarparak birleşirler. N – S kutuplu mıknatısların birbirlerini nasıl çekerek sonunda çarpışarak birleştiklerini hepimiz görmüşüzdür. Yıldırım, şimşek ve statik elektrik deşarjları da buna benzer durumlardır.
Fakat bu teoriye göre, elektronlar çekirdeğe doğru hızlanmaktalar ama çekirdeği “ıskalayıp” o hızla tekrar çekirdekten uzaklaşmaktadırlar! Adeta elektron çekirdek tarafından çekilmemekte aksine yakınlaştıkça itilmektedir. Çünkü bu hızlanma yalnızca iki aynı kutuplu yüke sahip parçacıkların birbirlerine yaklaşması halinde açığa çıkacak bir durum değil midir? Oysa iki farklı kutba sahip mıknatıslar ya da yüklü parçacıklar böyle davranmazlar ve hızla birbirleriyle birleşirlerdi.
Tekrar hatırlayalım; çekirdekten “uzaklaştıkça” her orbitaldeki elektronların enerjileri daha yüksek ve hızları daha fazladır. Yani çekirdeğe doğru inildikçe elektron enerjileri düşmekte ve hızları da azalmaktadır.
Bu durumda Heisenberg belirsizlik ilkesi çekirdeğe yaklaştıkça elektron hızının arttığını iddia etmiş olmuyor mu?
Şimdi bu gezegenlerin güneşin çevresinde dönerlerken yaptıkları harekete benziyor diyeceğim ama güneşle gezegenler arasında bir artı-eksi çekim kuvvetinden bahsedilemez. Kütle çekim kuvvetleri sayesinde gezegen ve güneş birbirlerini çekerlerken, gezegenin hızından kaynaklanan merkezkaç kuvveti karşı bir kuvvet uygular. Bu kuvvetler birbirlerini dengeleyerek gezegen çizgisel düz bir yörüngede güneş çevresinde döner. Bu yörünge genelde tam bir daire şeklinde değil, eliptiktir. Gezegen “eşit zaman aralıklarında eşit yüzey alanı tarayacak şekilde bir eliptik hareket yapar” Halley kuyruklu yıldızı da Dünya da aynı şekilde hareket ederler. Bunu insanoğlu o kadar iyi anlamış ve hesaplamıştır ki artık kendi uydularını dünya çevresinde yörüngeye oturtabilmektedir.
Kısaca burada bir kütle çekim kuvveti ile merkezkaç kuvvetleri arasında bir denge oyunu vardır. Elektronlar için bu tarzda kuvvetlerin denge ilişkisinden söz edilemez. Çünkü merkeze en yakın elektronun hızı en yüksek olması gerekirken en düşüktür. O halde Heisenberfg'in Belisizlik İlkesine göre çekirdeğe yaklaştıkça neden elektronun hızı artıp çekirdekten uzaklaşmaktadır? Devamında da neden bu eliptik hareketi tıpkı Halley kuyruklu yıldızı gibi korumayıp yine eski tarzında dönmeyi sürdürmektedir?
Ayrıca en dış yörüngede bulunan elektronlar gerek fiziksel yollarla (sürtünme gibi) gerekse elektriksel yollarla (statik itme kuvveti vs.) çok kolaylıkla bir atomdan ayrılıp diğerine geçebilmektedirler. Yani elektron çekirdeğin çevresindeki yüksek hızlı merkezkaç kuvvet dengeleriyle çekirdeğe bağlı gözükmemektedir.
Bilindiği gibi Allbert Einstein da Heisenberg’in bu teorisine ihtiyatlı yaklaşmış ve hatta pek kabullenmemiştir. Bu, teoremin yanlışlığını ortaya koymaz belki ama Heisenberg’in Belirsizlik İlkesinde bana sanki her şey tam yerine oturmamış gibi geliyor.
Mıknatıs’ın iki zıt kutupları, N ve S birbirlerini çekerler.
İki zıt elektrik yükü Artı (+) ile Eksi (-) birbirlerini çekerler. (Statik elektrik deşarjlarla çarpılmayanımız yoktur sanırım).
Bu çekim kuvvetleri iki kutbun aralarındaki uzaklığın karesiyle orantılı olarak azalır. Yani tersi de doğrudur. Yakınlığın karesi kadar da bu çekim kuvveti artar. Yüklerin büyüklükleri çekim kuvvetini doğru orantılı olarak arttırır.
Hem klasik hem de Kuantum Fiziğinde tanımlanan atom modelinde, negatif yüklü elektronlar, çizgisel ya da bulutsu tarzda pozitif yüklü çekirdeğin etrafında dönerler. Mutlak sıcaklıkta yani bütün gazların sıvı halde olduğu -273oC soğukta bile elektronlar durmazlar ve bulundukları yörünge yani enerji seviyelerini terk etmezler.
Hâlbuki bütün eksi yüklü elektronların dönme enerjilerini zamanla yitirip, pozitif yüklü çekirdeğin üzerine hızla çekilip düşerek hareketsiz olarak kalmaları gerekmez miydi?
Öyleyse elektronları bunu yapmaya yani çekirdeğin etrafında dönmeye ne zorluyor?
Bunu Kuantum Teorisi Heisenberg’in “Belirsizlik İlkesi” ile açıklıyor. Belirsizlik İlkesine göre; “Elektronun yerini ve konumunu biliyorsak, hızı ve momentumu belirsizdir, elektronun hızı ve momentumunu biliyorsak, yeri ve konumu belirsizdir”.
Basit ve günlük olaylarla daha anlaşılır ifade etmeye çalışalım; elektronun yerini bilmeyi bir nevi anlık fotoğrafını çekmek gibi düşünelim ve çok kısa deklanşör süresiyle çekilen fotoğrafta sabit görülen yani bulunduğu konumu net gördüğümüz elektronunun hızı hakkında bir fikir sahibi olmayız çünkü elektron sabit yani duruyor gözükecektir.
Deklanşör hızını ve fotoğraftaki hareketin iz aralığını kullanarak elektronun hızını ölçebiliyorsak bu kez elektronun yeri konusunda kesin bir ifadede bulunulamaz. Yeri hakkında ancak belirli bir aralıktan söz edilebilir yani “şu” ve “şu” konumlar arasında gibi.
Belirsizlik İlkesi”ne göre elektronun hem konumunda hem de hızında belirli bir düzeyde belirsizlik olmalıdır. Eğer konumunda belirsizlik azalırsa, hızındaki belirsizlik artmalı, ya da tersi hızındaki belirsizlik azalırsa konumundaki belirsizlik artmalıdır”.
Bu ilkeden yola çıkarak elektronun neden çekirdeğin üzerine düşmediği şu şekilde açıklanmaktadır;
Eğer elektron çekirdeğe doğru yaklaşırsa, konumundaki belirsizlik büyük ölçüde azalmış demektir, öyle ya artık yeri netleşiyor, bu nedenle hızındaki belirsizlik artmak zorundadır. Bu da elektronun daha yüksek hızlara çıktığı anlamına gelmektedir. Yüksek hız da elektronun çekirdekten kaçmasına sebep olur.
Bu “açıklamayı” anlayabilen bir kimse atomun bütün sırlarını çözdüğünü düşünmektedir. Artık bir malzemeyi sıkıştırdığınızda da neler olduğunu hemen bu kuramı kullanarak açıklayabiliriz, mesela !!!
Ama bu “Belirsizlik İlkesinin” elektronların neden çekirdek üzerine düşmediklerinin açıklamaktan çok, var olan bu olayın “formülsel” tanımlanmaya çalışılması olarak görüyorum ve kafamda şu sorular dolaşıyor:
Öncelikle, neden elektronlar kademeli enerji seviyelerinde konumlanmışlardır?
Heisenberg’in Belirsizlik İlkesinin olayı açıkladığını varsaysak bile hemen arkasından gelecek olan soru budur. O halde neden bütün elektronlar aynı yörünge civarlarında konumlanmayıp, belirli enerji seviyelerinde belirli sayılarda bulunmaktadırlar? Üstelik tersine çekirdekten “uzaklaştıkça” elektron yörüngelerinin enerjileri ve tabiatıyla elektronların hızları da yükselmektedir.
Bu belirsizlik ilkesi doğruysa, elektron çekirdekten uzaklaştıkça konumundaki belirsizlik artacak, dolayısıyla hızındaki belirsizlik azalacak yani yavaşlayacak ve tekrar eski dengede olduğu yörüngeye geri gelecek ve dolayısıyla bütün elektronlar çekirdekten aynı uzaklıktaki dengede kalacakları yörünge civarlarında konumlanmaları gerekmeyecek miydi? O halde, Heisenberg Belirsizlik ilkesi yalnızca çekirdeğe yakın özel bir konum için mi geçerlidir?
Başka bir deyişle eğer elektronların çekirdeğe düşememesi için hızlarının artması gerekiyorsa, en alt seviyedeki “1s” orbitalinde bulunan elektron en hızlı, çekirdekten uzaklaştıkça da her orbitaldeki elektronlar daha yavaş olmaları gerekmez mi? Hâlbuki durum bunun tam tersidir.
Heisenberg'in bu teorisi elektron çekirdeğe yaklaştıkça sanki çekirdek tarafından itildiğini anlatmıyor mu?
Normalde eksi yüklü bir parça artı yüklü bir parçaya doğru hızla çekilir ki, yakınlaştıkça da aralarındaki çekim kuvveti ara mesafenin karesi kadar artar. Sonunda da birbirlerine hızla çarparak birleşirler. N – S kutuplu mıknatısların birbirlerini nasıl çekerek sonunda çarpışarak birleştiklerini hepimiz görmüşüzdür. Yıldırım, şimşek ve statik elektrik deşarjları da buna benzer durumlardır.
Fakat bu teoriye göre, elektronlar çekirdeğe doğru hızlanmaktalar ama çekirdeği “ıskalayıp” o hızla tekrar çekirdekten uzaklaşmaktadırlar! Adeta elektron çekirdek tarafından çekilmemekte aksine yakınlaştıkça itilmektedir. Çünkü bu hızlanma yalnızca iki aynı kutuplu yüke sahip parçacıkların birbirlerine yaklaşması halinde açığa çıkacak bir durum değil midir? Oysa iki farklı kutba sahip mıknatıslar ya da yüklü parçacıklar böyle davranmazlar ve hızla birbirleriyle birleşirlerdi.
Tekrar hatırlayalım; çekirdekten “uzaklaştıkça” her orbitaldeki elektronların enerjileri daha yüksek ve hızları daha fazladır. Yani çekirdeğe doğru inildikçe elektron enerjileri düşmekte ve hızları da azalmaktadır.
Bu durumda Heisenberg belirsizlik ilkesi çekirdeğe yaklaştıkça elektron hızının arttığını iddia etmiş olmuyor mu?
Şimdi bu gezegenlerin güneşin çevresinde dönerlerken yaptıkları harekete benziyor diyeceğim ama güneşle gezegenler arasında bir artı-eksi çekim kuvvetinden bahsedilemez. Kütle çekim kuvvetleri sayesinde gezegen ve güneş birbirlerini çekerlerken, gezegenin hızından kaynaklanan merkezkaç kuvveti karşı bir kuvvet uygular. Bu kuvvetler birbirlerini dengeleyerek gezegen çizgisel düz bir yörüngede güneş çevresinde döner. Bu yörünge genelde tam bir daire şeklinde değil, eliptiktir. Gezegen “eşit zaman aralıklarında eşit yüzey alanı tarayacak şekilde bir eliptik hareket yapar” Halley kuyruklu yıldızı da Dünya da aynı şekilde hareket ederler. Bunu insanoğlu o kadar iyi anlamış ve hesaplamıştır ki artık kendi uydularını dünya çevresinde yörüngeye oturtabilmektedir.
Kısaca burada bir kütle çekim kuvveti ile merkezkaç kuvvetleri arasında bir denge oyunu vardır. Elektronlar için bu tarzda kuvvetlerin denge ilişkisinden söz edilemez. Çünkü merkeze en yakın elektronun hızı en yüksek olması gerekirken en düşüktür. O halde Heisenberfg'in Belisizlik İlkesine göre çekirdeğe yaklaştıkça neden elektronun hızı artıp çekirdekten uzaklaşmaktadır? Devamında da neden bu eliptik hareketi tıpkı Halley kuyruklu yıldızı gibi korumayıp yine eski tarzında dönmeyi sürdürmektedir?
Ayrıca en dış yörüngede bulunan elektronlar gerek fiziksel yollarla (sürtünme gibi) gerekse elektriksel yollarla (statik itme kuvveti vs.) çok kolaylıkla bir atomdan ayrılıp diğerine geçebilmektedirler. Yani elektron çekirdeğin çevresindeki yüksek hızlı merkezkaç kuvvet dengeleriyle çekirdeğe bağlı gözükmemektedir.
Bilindiği gibi Allbert Einstein da Heisenberg’in bu teorisine ihtiyatlı yaklaşmış ve hatta pek kabullenmemiştir. Bu, teoremin yanlışlığını ortaya koymaz belki ama Heisenberg’in Belirsizlik İlkesinde bana sanki her şey tam yerine oturmamış gibi geliyor.
