1990’lı yılların başına kadar fizik alanında çalışan bilim insanlarının bir çoğu, doğada olup biten şeylerin fiziksel olarak açıklanabileceğini düşünmüştür. Ta ki atom altı parçacıklar ile ilgili deneyler yapılmaya başlanana kadar. Maddenin en küçük yapı taşı olan atomlarla ilgili çalışmalar başladığında bazı olaylar klasik fizikle açıklanamamaya başlamıştır. Bunun üzerine maddeleri bir araya getiren atomları ve içerisinde bulunan proton, nötron, elektron gibi parçaları inceleyen Kuantum Fiziği ortaya çıkmıştır.

Kuantum fiziğine ilk adımlar Max Planck tarafından atılmıştır. Atom altı parçacıkları incelediği çalışmalarında h sabitini bulmuştur. Günümüzde bu sabit kuantum fiziğinin temel taşıdır.

Max Planck Kimdir?

Siyah cismin ışıması çalışmalarıyla kuantum kuramının ortaya çıkışına sebep olan Max Planck, 1858 yılında Almanya’nın Kiel kentinde doğmuştur. Tam adı Max Karl Ernst Ludwig Planck’dir. Yüksek öğrenimini Münih ve Berlin’de yapmıştır. Berlin Üniversitesi’ndeyken Kirchhoff ve Helmholtz gibi fizik biliminde öne çıkan hocaların öğrencisi olmuştur.

Maddelerin atomik boyutundaki özellikleri hakkında yoğun çalışmalar yapan Plank, klasik fiziğin bu konudaki yetersizliğini fark etmiştir. Siyah cismin ışıması, fotoelektrik olay ve atomların yaptığı ışımalar gibi birçok konunun klasik fizikle açıklanamadığı o dönemlerde fizikte yeni bir kuram ortaya çıkmıştır: Kuantum Mekaniği Kuramı.

Bu kuramın temeli Plank’ın yaptığı siyah cisim ışıması deneyinin sonuçlarına dayanır. Kuantum Mekaniği Kuramı (Teorisi); atom, molekül ve atom çekirdeğiyle ilgili sorulara makul, mantıklı ve açıklayıcı cevaplar verebilecek potansiyele sahip olduğu görülmüştür.

Bu kuramı daha iyi anlayabilmek için siyah cisim ışıması deneyinin süreç ve sonucunun anlaşılması gerekmektedir.    

Siyah Cisim Işıması Nedir?

Siyah cisim ışıması deneyinde kullanılan siyah cisim, üzerine düşen tüm elektromanyetik dalgaları soğuran ideal bir cisim olarak tanımlanır. Yani siyah cisim, üzerine düşen tüm radyasyonu (elektromanyetik dalgaları) emer, hiç birini yansıtmaz. Bu cisim içi oyuk ve ufak bir deliği bulunan bir top gibidir.  

Siyah cisim ışıması, bir nesnenin herhangi bir sıcaklığa sahip olduğunda yaydığı elektromanyetik radyasyonun spektrumunu ifade eder. Siyah cisim ışıması deneyinde bir cismin yaydığı radyasyon dalgalarının frekansının sıcaklıkla olan ilişkisi gözlemlenmiştir. Yani siyah cisme gönderilen farklı frekanstaki radyasyon dalgalarıyla cismin sıcaklığının nasıl değiştiği incelenmiştir. Yaydığı ısının radyasyonunun enerjisine bakarak da günümüzde hala geçerliliğini koruyan formülü ortaya çıkarmıştır.

Max Planck, kara cismin ışımasını açıklama çalışmalarında, içi oyuk cismin duvarlarının bir alt enerji düzeyine geçtiklerinde f frekansında ışıma yaptıklarını, bir üst düzeye geçtiklerinde ise f frekansında ışıma soğurduklarını görülmüştür.

Hesaplamalarının ardından Plank şu formüle ulaşır:

E = h x f

Bu formülde E, siyah cisimden yayınlanan ışımanın enerjisi; f, yayılan ışımanın frekansı; h da Plank sabitidir. Planck sabitinin değeri 6,626.10-34 J∙s’dır.

Planck bu deneyinde elektromanyetik enerjinin paketler halinde yayıldığını gözlemler. Yani dalga boyunun klasik fizikteki gibi herhangi bir değer alamayacağını, sadece belirli değerlerde kısıtlandığını görür. Her enerji paketine, Latincede “miktar”, “ne kadar” anlamına gelen kuantum adı verilir.

Yani Planck’in çalışmasına göre bu enerji paketleri 1,2,3.. gibi değerlerde olabilir. 1.23, 5.75 gibi değerler alamaz. Yani yayılan veya soğurulan enerji E = nhf, n = 1, 2, 3, 4, … olarak verilmektedir.

Işık hakkındaki pek çok şey de Planck’in bu deneyleri sayesinde ortaya çıkmıştır. Max Planck'ın bu çalışması, kuantum fiziğinin doğuşuna önemli bir katkı sağladı. Planck'ın bulguları, kuantum teorisinin temel taşlarından birini oluşturdu ve kuantum mekaniği üzerine büyük bir etki yaptı. Ayrıca, siyah cisim ışımasının deneysel sonuçlarını kusursuz bir şekilde açıklayabilen Planck'ın teorisi, o dönemde büyük bir başarı olarak kabul edildi ve modern fiziğin temelini oluşturdu.

Planck Sabiti Nasıl Ölçülür?

Planck Sabiti, doğrudan ölçülemeyen bir sabittir. Temel sabitler olan ışık hızı (c), kütle (m), ve zaman (t) gibi sabitlerle ilişkilendirilerek hesaplanır. Planck sabitinin SI birim sistemindeki değeri ise yaklaşık olarak 6.62607015×10−346.62607015×10−34 joule saniye (J·s)( 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 662 6 j.s) olarak kabul edilir.

Günümüzde Hangi Formüller Planck Sabitine Bağlıdır?

Görüldüğü gibi Planck sabitinin değeri sıfıra çok yakındır. Ancak asla sıfır kabul edilmez. Fizikçiler, Planck sabitinin sıfır olması durumunda bir ateşin önünde ya da yakınında oturma imkânı olmayacağını ve bugünkünden farklı bir evrenin var olacağını savunurlar. Parametrenin kuantum fiziğine ait birçok eşitlik, denklem, formül ve açıklamada yer alması onu kuantum fiziğinin önemli, vazgeçilmez ve temel bir sabiti kılmaktadır. Günümüzde kullandığımız ölçü birimlerinden “kilogram” da Planck sabitine bağlıdır.

• Işık fotonlarının enerjisi (E = hf = hc/λ),

• Fotoelektrik olayda sökülen elektronun kinetik enerjisi (Ek = hf − hf0),

• Kütlesi m ve hızının büyüklüğü v olan bir cisim için de Broglie dalga boyu (λ = h/mv),

• Bir fotonun momentumu (p = h/λ),

• Compton kayması[∆λ =(h/me.c)(1 − cosθ)],

• Compton dalga boyu (λC =h/me.c),

• Bohr’un elektronların yalnızca açısal momentumu h/2π= h’ın tam katlarına eşit olan yörüngelerde bulunabileceği varsayımı(L = nh/2π= nh),

• Heisenberg’in belirsizlik ilkesi (∆x∆px ≥ h/2),

• Kutu içindeki bir parçacık için izinli enerji değerleri [En = (h2 /8mL2)n2],

• Zamandan bağımsız Schrödinger denklemi[d2ψ/ dx2 = −2m/ h2(E − U)ψ],

• Kuantum sayısı n olan bir harmonik salınıcının enerjisi[E = (n +1/2)hω],

• n baş kuantum sayısı ile belirlenen bir durumda bulunan atom için yörüngesel açısal momentum değerleri [L = √(l + 1)h,

   l = 0, 1, 2, . . ., n − 1],

• Bir elektronun spin açısal momentumu (S =h√3/2) gibi fizikte önemli yer tutan bir çok denklem Planck sabitine(h) bağlıdır.

  Bu yüzden fizikçiler, Planck sabiti daha büyük veya daha küçük bir sayı olsaydı, çevremizdeki tüm dünya tamamen farklı olacağını düşünmektedir.