BÖLÜM 1

KUANTUM MEKANİĞİ NİÇİN GEREKLİDİR?

              Temelleri, 17. yüzyılın sonlarında Newton tarafından kurulan klasik mekanikte, bir bileşke kuvvetinin etkisinde bulunan kütleli bir noktasal parçacığın hareketi, parçacığın hızı, parçacığın momentumu olmak üzere denklemi ile verilir. Hareketleri çeşitli bağlar ile kısıtlanmış kesikli veya sürekli mekanik sistemlerin incelenmesini de mümkün kılmak üzere, klasik mekaniğin iki yeni formülasyonu, Lagrange ve Hamilton formülasyonları, 18. yüzyılın sonlarında ve 19. yüzyılın başlarında yapılmıştır. Kütleçekim yasası, esnek yay yasası gibi kuvvet yasaları kullanılarak küçük kütleli bir cisimden, gezegenlere ulaşıncaya dek pek çok cisim hareketi bu mekanik çerçevesinde incelenebilmektedir. Klasik mekaniğin en önemli niteliği deterministik olmasıdır. Bir parçacığın belli bir anında konumu ve hızı biliniyor ve ona etki eden bileşke kuvvet verilmiş ise, parçacığın daha sonraki herhangi bir anda davranışı (konumu ve hızı) tam olarak belirlenebilir.

             19. yüzyılın sonlarına gelindiğinde, elektromanyetik olayları açıklamak için elektrik alan vektörü ile manyetik alan vektörleri tanımlanmış ve bunların uzay-zaman içindeki gelişimleri de Maxwell denklemleri ile verilmiş bulunuyordu. Bu denklemler, boş uzayda ve kaynaklardan uzakta şu şekildedir: (Gauss birim sisteminde)

	(Gauss yasası)	(1.1a)
	(Faraday yasası)	(1.1b)
	(Ampere-Maxwell yasası)	(1.1c)
		(1.1d)

                 Burada 3.10 ışığın boşluktaki süratidir. Bu denklemlerden ve herhangi bir vektörü için geçerli olan vektör özdeşliğinden rahatlıkla gösterilebileceği gibi ve alanları

	(1.2a)
	(1.2b)

klasik dalga denklemlerini sağlarlar. Bu dalga denklemlerinin en önemli çözümleri momentum, enerji ve açısal momentum taşıyan,

	(1.3a)
	(1.3b)

şeklinde düzlem dalga çözümleridir. ’in gerçel kısmını belirtmektedir). Bunların (1.2) denklemlerini sağlayabilmesi için olmalıdır. Burada, dalga vektörünün büyüklüğünü, dalga boyunu, açısal frekansı ve çizgisel fekansı gösterir. ( cm cinsinden, cinsinden ifade edilir. ve ’nin birimleri sırası ile rad/cm ve rad/s dir.)

                     19. yüzyılın sonlarına gelindiğinde doğadaki bu iki tür hareket, yani kütleli cisimlerin hareketleri ve elektromanyetik dalgaların hareketleri, klasik fizik çerçevesinde incelenebiliyordu. Bu iki tür hareketin bağımsız oldukları fakat Lorentz kuvvet yasası ile etkileşmelerinin anlatılabileceği biliniyordu. ve alanları içinde hareket eden yüklü ve hızı olan bir parçacığa etki eden Lorentz kuvveti şu şekildedir:

(1.4)

               Klasik fiziğin tüm bu önemli gelişimine karşın, 20. Yüzyılın başlarına gelindiğinde artık klasik fizik ile açıklanamayan bir dizi gözlem bulunmaktaydı. Üstelik bu gözlemlerin anlaşılması için, klasik fizikte yeri olmayan, ışığın parçacık özelliği, maddenin dalga özelliği ve fiziksel niceliklerin kesikli (kuantumlu) yapısı gibi yeni kavramlardan söz edilmekteydi. Problemler özellikle atomlar ve elektronlar gibi küçük parçacıkların işe karıştığı ve bunların elektromanyetik alanlar ile etkileştiği süreçlerde ortaya çıkmaktaydı. Bu bölümün esas konusunu oluşturan bu olayların en önemlileri şunlardır: (i) Siyah cisim ışıması, (ii) katıların ısı sığası (iii) fotoelektrik olay, (iv) Compton olayı, (v) elektronlarla kırınım ve (vi) atomların ışıma ve soğurma spektrumları.

Başlangıçta bu olaylar, amaca uygun özel ve o zamanlar garip görünen bir takım (ad hoc) varsayımlarla açıklandı. Bu varsayımların sayıları arttıkça ve aralarındaki ilişkiler belirginleştikçe artık mekaniğin yepyeni bir formülasyonu gerekti. Sonuç, bütün bu varsayımları doğal olarak kapsayan, uygarlığın ulaştığı bugünkü aşamada vazgeçilmez yeri bulunan, insan beyninin mükemmel ürünü kuantum mekaniğidir.