Kuantumu anlamak-3: Var olmaması gereken atom

Geçen yazıyı ağır bir cümleyle bitirmiştim: klasik fiziğe göre atomun var olması mümkün değildi.

Bu bir abartı değil. Hesap gayet açıktı ve sonucu şuydu: her atom, saniyenin yüz milyonda biri kadar bir sürede kendi içine çökmeli. Ne taş olmalı ne su, ne demir, ne de bu satırları okuyan siz.

Niye böyle düşünüldüğünü anlamak için biraz geriye gitmemiz gerekiyor.

Üzümlü keke atılan mermiler

1900'lerin başında atomun içinde ne olduğu bilinmiyordu. J. J. Thomson 1897'de elektronu keşfetmişti; atomun içinde negatif yüklü minik parçacıklar vardı. Atom bütün olarak yüksüz olduğuna göre, bir de pozitif bir şey bulunmalıydı.

Thomson'ın önerdiği resim şuydu: atom, pozitif yüklü yumuşak bir hamurdur ve elektronlar bu hamurun içine serpiştirilmiştir. Üzümlü keke benzetildi.

1909'da Manchester'da Ernest Rutherford'un öğrencileri Hans Geiger ve Ernest Marsden bunu sınamaya karar verdi. Çok ince bir altın yaprağa, hızlı ve ağır parçacıklar — alfa parçacıkları — gönderdiler. Beklenti basitti: yumuşak hamurun içinden geçerken hafifçe sapacaklardı.

Parçacıkların büyük çoğunluğu beklentilere ters şekilde hiç sapmadan geçti. Ama arada bir, bazıları sert biçimde saptı. Birkaçı ise doğrudan geri sekti.

Rutherford bunu sonradan hayatının en inanılmaz olayı olarak anlattı; bir mermiyi ince bir kâğıt mendile sıkıp geri sekmesine benzetti.

Sonuç açıktı: atomun içi hamur değildi. Atom neredeyse tamamen boştu ve bütün pozitif yük, akıl almaz derecede küçük bir merkeze sıkışmıştı. Çekirdek böyle keşfedildi.

Boşluğun oranını hissedin: çekirdeği bir futbol topu büyüklüğünde düşünürseniz, en yakın elektron birkaç kilometre uzaktadır. Aradaki her yer boştur. Şu anda oturduğunuz koltuk da sizin bedeniniz de esas olarak boşluktan ibarettir.

Rutherford'un resmi, güneş sistemine benzetildi: ortada çekirdek, çevresinde dolanan elektronlar. Ders kitaplarındaki o meşhur şekil buradan gelir.

Ne var ki bu resim, bilinen fizikle bir araya geldiğinde anında çöküyordu.

Maxwell'in denklemlerinden biliyoruz: ivmelenen bir elektrik yükü elektromanyetik dalga yayar. Yani enerji kaybeder. Ve dairesel hareket, hızı sabit olsa bile bir ivmelenmedir — sürekli yön değiştirdiği için.

O hâlde çekirdeğin çevresinde dolanan elektron sürekli ışıma yapmalı, sürekli enerji kaybetmeli, dolayısıyla yörüngesi giderek daralmalıydı. Suyu boşalan bir lavabodaki girdap gibi içeri doğru burgu çizerek çekirdeğe düşmeliydi.

Hesap yapıldı. Bu çöküş için geçecek süre: yaklaşık on milyarda bir saniye. Sürenin kısalığını fark ettiniz herhâlde.

Üstelik elektron içeri doğru spiral çizerken dönüş frekansı sürekli artacağı için, yaydığı ışık da bütün frekansları kesintisiz taramalıydı. Yani her element, kesintisiz bir gökkuşağı yaymalıydı.

İki öngörü. İkisi de ölçümle taban tabana zıt.

Elementlerin parmak izi

İkinci yanlışın deneysel karşılığı, o tarihte zaten elli yıldır masadaydı.

Bir gazı ısıtıp yaydığı ışığı prizmadan geçirdiğinizde, kesintisiz bir gökkuşağı görmezsiniz. Karanlık bir zemin üzerinde, birbirinden ayrık, keskin renkli çizgiler görürsünüz.

Ve bu çizgiler her element için farklıdır. Hidrojenin çizgileri bellidir, sodyumunki başka, demirinki başka. Hiç şaşmaz, hiç karışmaz. Bir elementin parmak izi gibidir.

Bunun ne kadar güçlü bir araç olduğunu görün: Güneş'e gidip örnek alamayız, ama ışığını prizmadan geçirip çizgilerine bakarız ve içinde hangi elementlerin bulunduğunu söyleriz. Helyum elementi, Dünya'da bulunmadan önce Güneş'in tayfında keşfedilmiştir.

Şimdi soru şu: elektron istediği yörüngede dolanabiliyorsa, istediği frekansta ışık yayabilmesi gerekir. O hâlde niye sadece belli frekanslarda, hep aynı yerlerde, keskin çizgiler halinde ışıyor?

İsviçreli bir lise öğretmeni, Johann Balmer, 1885'te hidrojenin çizgilerinin yerlerini veren basit bir formül bulmuştu. Formül şaşmıyordu. Ama kimse niçin işe yaradığını bilmiyordu. Elli yıl boyunca, cevabı olmayan bir bilmece gibi duruyordu.

Bohr'un cüreti

1912'de Danimarkalı genç fizikçi Niels Bohr, Manchester'da Rutherford'un yanında çalışıyordu. Yirmi yedi yaşındaydı.

Yaptığı şey, fiziğin en cüretkâr hamlelerinden biridir. Klasik fiziğin atomu açıklayamadığını gördü ve onu tamir etmeye çalışmak yerine, atomun içinde geçerli olmadığını ilan etti.

1913'te yayımladığı modelde üç şey söyledi.

Birincisi: elektron her yörüngede dolanamaz. Yalnızca belli, izinli yörüngeler vardır. Aradaki mesafelerde elektron bulunamaz — orası yasak bölgedir.

İkincisi: elektron izinli bir yörüngede dolanırken ışıma yapmaz. Enerji kaybetmez. Maxwell ne derse desin, orada öyle çalışmaz.

Üçüncüsü: elektron ancak bir yörüngeden ötekine atladığında ışık yayar ya da yutar. Yaydığı fotonun enerjisi de tam olarak iki yörünge arasındaki farka eşittir.

Bu üçüncü madde bilmeceyi çözüyordu. Yörüngeler belli olduğuna göre aralarındaki enerji farkları da bellidir. Belli enerji, belli frekans demektir. Bu yüzden atom kesintisiz gökkuşağı değil, keskin çizgiler yayar. Her çizgi, belli bir atlayışın imzasıdır.

Bohr hesabı hidrojen için yaptı. Çıkan sayılar, Balmer'in elli yıl önce bulduğu formülün aynısıydı. Lise öğretmeninin bilmecesi çözülmüştü.

Merdiven

Bu modeli aklınızda tutmanın en iyi yolu bir merdivendir.

Bir rampada istediğiniz yükseklikte durabilirsiniz. Merdivende duramazsınız ya bu basamaktasınızdır ya da öteki. Basamakların arasında bir yer yoktur.

Elektronun durumu böyledir. Ve bir basamaktan ötekine geçerken aradaki mesafeyi kat etmez — birinde yok olup ötekinde belirir. Fizik buna kuantum sıçraması der.

Bu arada, gündelik dilde "kuantum sıçraması" büyük bir atılım anlamında kullanılıyor. Gerçekte tam tersidir: evrende olabilecek en küçük değişimdir.

Bir de şu: basamaklar yukarı çıktıkça birbirine yaklaşır. Elektron en alt basamaktayken sağlamdır; atomun çökmemesinin sebebi de budur. En altta bir taban vardır ve daha aşağı basamak olmadığı için elektron düşemez. Yani elektron hiç bir koşulda çekirdeğe düşemez, kendisi için 0 basamağı yoktur. Maddenin var olabilmesi bu tabana borçludur.

Ama neden?

Bohr'un modeli işe yaradı. Hidrojeni açıkladı, çizgileri açıkladı, atomun niçin çökmediğini açıkladı. Kimyanın periyodik tablosuna da ilk kez fiziksel bir zemin verdi.

Buna rağmen kimse tatmin olmadı — Bohr dahil.

Çünkü model, niçin sorusuna cevap vermiyordu. Elektron niçin sadece belli yörüngelerde durabiliyordu? Niçin oralarda ışıma yapmıyordu? Bohr bunu bir yasa olarak koymuştu, bir sebebe bağlamamıştı. Deneye uysun diye elle konmuş bir kuraldı.

Üstelik model iki elektronlu atomlarda bile zorlanıyordu; helyumu doğru hesaplayamıyordu.

Cevap, on bir yıl sonra Fransız bir aristokrattan geldi. Doktora tezinde tek sayfalık bir soru sordu ve o soru bütün tabloyu değiştirdi.

Soru şuydu: madem ışık, dalga olduğu hâlde parçacık gibi davranabiliyor — madde de parçacık olduğu hâlde dalga gibi davranamaz mı?

Yarın bunu konuşacağız.