Məktəb kitablarında öyrədilənlərin əksinə olaraq, elektronlar bir planet kimi atom nüvəsi ətrafında fırlanmır. Bəs həqiqi atomlar kvant mexanikasında nəyə oxşayır və biz atomları dünya gözü ilə görə və onun şəklini çəkə bilərikmi?
Klassik Atomlar və Kvant Atomları
Filosof Demokrit 2400 il əvvəl bölünməz atom anlayışını işləyib hazırlamışdı, lakin yanılırdı, çünki bu gün biz atomu parçalamaqla nüvə enerjisi istehsal etməyin mümkün olduğunu bilirik. Bəs, ən məşhur sicim nəzəriyyəçilərdən biri olam Brian Greene’nin dediyi kimi, atomların 99 faizi həqiqətən boşdurmu və atomların içi boşdursa, niyə asfaltda gəzərkən ruh kimi yola batıb qalmırıq?
Ancaq qədim yunan filosofu Demokritdən ilham alınan və 1911-ci ildə Ernest Rutherfod tərəfindən hazırlanan planetar atom modeli doğru ola bilməz. Əgər doğru olarsa, atomların orbitindəki mənfi yüklü elektronlar nüvədəki müsbət yüklü protonlarla toqquşardı; çünki əks yüklər bir-birini cəzb edir.
Üstəlik, elektronlar atomun ətrafında fırlandıqları üçün daim işıq (fotonlar) yayaraq enerjilərini itirəcəkdilər. Enerji itirərkən orbitdə daralan spirallar cızan elektronlar, nəticədə protonlardan ibarət olan atomun nüvəsi ilə toqquşardılar. Bu da, bütün elektron və protonların neytrona çevrilməsinə səbəb olardı. Beləliklə, atomlar yox olardı, bir sözlə bizi meydana gətirən elementlər, planetlər və ulduzlar əmələ gəlməzdi. Bəs niyə atomlar var və onlar kvant mexanikasında nəyə bənzəyirlər?
Kvant Mexanikası Necə Kəşf Edildi?
Bütün bunlar 1900-cü illərin əvvəllərində İngilis fizik Ernest Rutherfod müasir atom nəzəriyyəsinin əsasını təşkil edən modeli hazırladığında başladı. Atomları izah etməyə çalışan nüvə fizikası da kvant mexanikasının əsasını qoyacaqdı. Beləliklə, Max Planck 1905-ci ildə kvant fizikasının əsasını qoydu və Eynşteyn həmin il günəş şüalarından elektrik enerjisi istehsal etməyə imkan verən fotoelektrik effektini izah etdi, ancaq hələ də həqqi atom nəzəriyyəmiz yox idi. Ruterford, John Dalton-un 1805-ci ildə hazırladığı atom modelini yeniləmək istəyirdi, amma bunun fizikada inqilab yaradacağından xəbəri yox idi.
Beləliklə, böyük fiziklər, təbiətdə heç kimin görə bilmədiyi əlaqələri görməyə başlayır və gerçəkliyə baxış bucağımızı kökündən dəyişdirəcək nəzəriyyələr inkişaf etdirirdilər. Kvant mexanikasının inkişafı da elm tarixində Nyuton Mexanikasının oynadığı rola bənzəyən belə bir inqilabdır. Newton, düşən alma və top gülləsini idarə edən hərəkət qanunlarının Günəşin ətrafındakı planetlərin hərəkətlərini də idarə etdiyini başa düşdü. Bununla da yer üzünü göylərlə birləşdirən ən böyük alim oldu.
Ruherfordun atom modeli səhv idi, ancaq onu düzəltmək istəyən Niels Bohr kimi fiziklər kvant mexanikasını inkişaf etdirdilər. Buna baxmayaraq, hələ də Ruterfordun atom modelini ibtidai sinif şagirdlərinə öyrədirlər. Bunun, inkişaf psixologiyası baxımından öyrənməni asanlaşdırdığını söyləyirlər, amma mən bununla razı deyiləm. Əksinə, deyə bilərəm ki, məktəb kitablarındakı atom modeli məni yanlış yönləndirmişdi və kvant fizikasını öyrənməyimi çox çətinləşdirmişdi. Bu yazıda həqiqi atomları və kvant mexanikasının əsaslarını daha asan bir dildə izah etməyə çalışacam.
Ruterford həm Nyuton mexanikası, həm də Maksvellin elektromaqnetizm tənliklərindən ilhamlanaraq planetar atom modeli nəzəriyyəsini inkişaf etdirdi. Buna əsasən, elektronlar planetlər kimi atom nüvəsi ətrafında fırlanırdı və nüvəni meydana gətirən protonlar da bir növ günəş rolunu oynayırdı. Planetləri Günəşə cəlb edən şey cazibə qüvvəsi, elektronları nüvəyə cəlb edən şey isə elektromaqnit cazibə qüvvəsi idi. Bu məntiqli görünürdü; çünki Nyutonun universal cazibə qüvvəsi qanunu və Coulombun elektrik qüvvəsi qanunu bir-birilə çox oxşar idi. Ancaq Günəş sisteminə bənzəyən atom modeli bizə bir çox problem yaratdı:
Gerçək Atomlar və Rəngli Elektronlar
Coulomb və Newton qanunları arasında çox zərif bir simmetriya var idi, amma bu həqiqi ola bilməyəcək qədər qüsursuz idi. Məsələn, atomların nüvəsi ətrafında fırlanan elektronları görmək üçün onlara bir işıq salsanız, elektronlar enerji qazanaraq sürətlənər və bir pinball maşını topu kimi nüvənin ətrafında dairəvi bir orbitdə irəliyə və geriyə hərəkət edərlər. Atomik pinball oynamaq istəsəniz bu gözəl ola bilər, amma əslində elektronlar elektromaqnit dalğaları yayacaq və daim enerji itirəcəkdilər.
Maksvellin tənliklərinə görə proses nəticəsində elektronlar enerjisini itirəcək və nüvəyə yaxınlaşacaqdı. Cismlərin bərabər əraziləri bərabər zamanda skan etdiyi Kepler qanununa görə, elektron nüvənin yaxınlığında fırlandıqca daha yüksək tezlikli və qısa dalğalı fotonlar yayacaqdır və beləliklə elektronlar göy qurşağının bütün rənglərini aldıqdan sonra ultrabənövşəyi şüalar yaymağa başlayacaqdılar. Nəticədə, nüvə ilə toqquşacaq və neytron əmələ gətirəcəkdilər.
Ancaq gerçək həyatda lampanı yandırdıqda, divardakı atomların birdən-birə diskoteka topları kimi fərqli işıqlar saçdığını və neytronlara çevrildiyini görmürük. Bunu izah etmək üçün fizikada yeni bir inqlab tələb olunurdu ki, Maks Plank 1900-cü ildə bu cəsarətli addımı atdı və 1905-ci ildə elektronun enerjisini kvantlaşdırdı. Buna görə, elektronlar serrated bir səthdə xətt çəkirmiş kimi yalnız kəsikli enerji yaya bilərdilər. Bu, E=hf şəklində yazılırdı, yəni Enerji, Plank sabiti x tezliyə bərabər idi(E=hf).
Sonra kvant fizikasının qurucularından olan Niels Bohr gəldi və göstərdi ki, Ruterfordın günəş sistemi modelini və Plank tənliyini birləşdirərək, elektronlar davamlı radiasiya yaymadan yalnız müəyyən orbitlərdə fırlana bilirlər. Bu, atomların dağılmasının və neytronlara çevrilməsinin qarşısını alırdı. Elektronlar fotonları sabit orbitlərdə yaya və nüvəyə düşmədən enerjilərini itirə bilərlər, ancaq yalnız müəyyən orbitlərdə! Bəs niyə müəyyən orbitlər?
Bohr göstərdi ki, Plank sabiti bucaq sürətinə tətbiq oluna bilər. Bu, nüvənin ətrafında elektronların fırlanmasını mərkəzəqaçma qüvvəsi ilə izah etmək demək idi. Bohr, elektronların yalnız Plank sabitinin tam sayılardakı orbitlərində fırlana biləcəyini gördü. Digər aralıq orbitlərdə isə, Rutherfordun proqnozlaşdırdığı kimi, davamlı işıq yayaraq enerjisini itirəcək və aşağı enerjili bir alt sabit orbitə enəcəkdir.
Bohr, Plank sabitini bucaq sürətiylə birləşdirdi. Beləliklə, orbitlərin enerjisini h / 2pi ilə yazdı. Beləliklə, ilk sabit orbitin enerjisi h / 2pi olarsa, növbəti orbit 2 x h / 2pi, sonrakı isə 3 x h / 2pi olacaqdır. Bu belə davam edəcək, amma əbədi deyil; çünki elektromaqnit qüvvəsinin diapazonu məhduddur. Buna görə bir elektron atom nüvəsindən 1 km məsafədə dönə bilməzdi (Bu zaman 2pi də dairənin riyazi hesablamasından gəlir. Dairənin çevrə uzunluğu 2pi x dairənin radiusuna bərabərdir). Bohr, elektronların çəyirtkə kimi bir orbitdən digər orbitə atlanacağını da proqnozlaşdırmışdı.
Kvant mexanikasının ilk atom modeli bu idi! Bohr, elektronların, modelin işləməsi üçün hər dəfə yuxarı və ya aşağı bir orbitə keçə biləcəyini söylədi. Beləliklə, elektronlar orbitləri dəyişdirərkən yalnız foton yayırdılar. Niyə belə olduğunu soruşsanız, bunu 1910-cu illərdə Bohr da bilmirdi! Lakin, Plank sabitini götürəndə, ən kiçik elektron orbitinin 5,29 x 10^-9 metr, yəni 5,29 metrin milyardda biri olduğunu gördü!
İndi keçərli elektron orbitlərini proqnozlaşdıran Bohr dərhal orbit elektronunun yayacağı enerjini hesabladı və həqiqi atom müşahidələri ilə müqayisə etdikdə bunun doğru olduğunu gördü! Kvant mexanikasının atom modeli işləyirdi!
Bəs atomlar nəyə bənzəyirdi? Əlbəttə ki, elektronların bir planet kimi atom nüvəsi ətrafında fırlandığı Günəş sistemi modelinə bənzəmir. Bir atoma baxmadığınız zaman, elektronlar bir növ ehtimal buludu yaradaraq nüvənin ətrafında fırlanacaqdır. Qısacası, bir atomu dəyişdirmədən ona baxmaq mümkün olsaydı, atomu əhatə edən elektronların, ola biləcəyi bütün mümkün vəziyyətlərdə olduğunu və daim bir milçək buludu kimi atomun ətrafında titrədiyini və fırlandığını görərdiniz.
“Hələlik, yazını burada saxlayacağıq. Gələcəkdə çox daha maraqlı yazılar sizləri gözləyəcək. Hələ yeni-yeni kvant fizikasına giriş etməyə başlayırıq və bu möhtəşəm məlumat axtarışında sizlərin də mənə qoşulacağınızı ümid edirəm. Atomu əmələ gətirən zərrəciklər bizə yeni bir fizika bölməsi qazandırdı və hər dəfə dərinə getdikcə hər şeyin necə də mükəmməl şəkildə hərəkət etdiyini daha yaxşı başa düşəcəksiniz. İndilik sizinlə sağollaşıram :)”
İstinadlar :
https://khosann.com/kuantum-mekaniginde-atomlar-neye-benziyor/
Big Bang 