Stern-Gerlach Deneyi: Yukarı Spin ya da Aşağı Spin, İşte Tüm Mesele Bu
1920'li yılların başına gelindiğinde, en gelişmiş kuantum teorisi Bohr modeliydi (Bkz. Bohr Devrimi: Kuantumlu Atom Modeli). Bohr'un önerdiği modele göre, atomun etrafındaki elektronlar, kesikli yörüngeler izliyorlardı. Bu kesikli yörüngeler, elektronların açısal momentumunun da kesikli olmasına yol açıyordu:
Açısal momentumun sadece kesikli değerler alabilmesi, klasik fizikte mümkün olamazdı. Eğer elektronlar klasik parçacıklar gibi davransalardı, herhangi bir açısal momentuma sahip olabileceklerdi. Diğer bir deyişle, elektronlar ufak mıknatıslar gibi davranacaklardı. 1922 yılında, Otto Stern ve Walther Gerlach, Bohr'un kesikli açısal momentumu teorisini test etmek için çok basit ve basitliğinden ötürü çok zarif bir deney tasarladılar. Deneyin temel parçaları Ag (gümüş) atomları, bu atomları bir ışın demeti haline getirmek için bir filtre, gümüş atomlarının manyetik momentini ölçmek için homojen olmayan manyetik alan ve atomların yansıtıldığı fotografik tabakaydı.
Öncelikle neden sadece elektronların kullanılmadığını açıklayalım. Sadece elektron değil, herhangi bir yüklü parçacık, homojen olmayan manyetik alan içerisinden geçerken, Lorentz kuvvetine maruz kalacaktır. Lorentz kuvvetinin deneyin sonuçlarını etkilememesi için yüksüz parçacıklar kullanılmıştır. Gümüş atomlarının tercih edilmesinin sebebi ise, nötr olmalarının yanı sıra, hidrojen atomuna benzer yapılarının bulunmaları ve kütlelerinin deneysel ölçümler için daha uygun olmasıdır. Öncelikle gümüş atomları klasik olarak davransalardı, uygulanan manyetik alanın yönü ile kendi manyetik momentleri arasındaki açıya göre bir kuvvet uygulanacaktı.
Manyetik moment ise, fizikte çok iyi bilinen formüle göre açısal momentuma bağlıydı:
Bu üç farklı değere göre, gümüş atomları üç farklı şekilde manyetik alandan etkilenebilir. = 0 durumunda, gümüş atomları, manyetik alandan etkilenmeyerek ekranın ortasında belirecekler, =1 durumlarında ise, ekranın aşağısına ya da yukarısına gideceklerdir. Stern ve Gerlach, deneylerinin sonucunda ekranda kesikli üç nokta görmeyi bekliyorlardı (bkz. Fig: 2)
Bugün biliyoruz ki, gümüş atomunun 47 elektronu vardır ve son elektronu 5s durumundadır. Diğer bir deyişle, gümüş atomunun ilk 46 elektronu kapalı kabuk (closed shell) durumunda olduğundan, 47. elektronun açısal momentum durumu, tüm gümüş atomunun açısal momentumunu ifade eder. 5s kabuğu ise L=0 kuantum açısal momentum durumundadır. Bu durumda kuantum mekaniğine göre, ekranda üç yerine sadece bir tane nokta bulunmalı ve o nokta da ekranın merkezinde (z yönüne göre simetri noktasında) olmalıydı! Deneyin sonuçları öylesine şaşırtıcıydı ki, sadece Stern ve Gerlach'ı değil, tüm fizik topluluğunu düşünmeye itti.
Stern ve Gerlach, deneylerinin sonucunda gümüş atomlarının ekranda ne klasik fizikten beklendiği gibi devamlı/kesiksiz bir profil oluşturduklarını, ne de Bohr modeline göre üç ayrı noktadan oluşan kesikli bir profil oluşturduklarını gözlemlediler. Oluşan profil sadece iki noktadan oluşuyordu. Bu sonuç, kesikli açısal momentumun yaklaşımının belli bir noktaya kadar doğru olduğunu gösterse de, eldeki teorinin kökten bir değişime ihtiyacı olduğunun da işaretini veriyordu.
1925 yılında Goudsmit ve Uhlenbeck "dönü" (spin) fikrini ortaya attılar. Bu fikre göre; herhangi bir elektron L=0 durumunda olsa dahi, spin açısal momentumu sayesinde açısal momentuma sahip olabilir ve elektronlar için spin açısal momentumu 2 sayıda farklı değer alabilir (yukarı spin ya da aşağı spin). Gümüş atomları örneğinde, gümüş atomunun ilk 46 elektronu eşit sayıda aşağı spin ve yukarı spin durumlarında bulunduğundan, toplam etkileri sıfırdır. Sadece 47. elektron s= 1/2 spin açısal momentum değerindedir. Buna göre 47. elektron
Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.
Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.
Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.
Stern-Gerlach deneyinin sonuçlarını açıklamakta mükemmeliyete yaklaşan Spin Teorisi, Kuantum Fiziği'nin net olmayan dünyasını bizler için biraz daha berraklaştırsa da, zaten kavranması zor olan Kuantum Teorisi'ni daha da zorlaştırmıştır.https://www.youtube.com/watch?v=rg4Fnag4V-E
Öncelikle Bohr'un kesikli açısal momentumu modelini test etmek için gerçekleştirilmiş Stern-Gerlach deneyi, bilimin nasıl ilerlediğinin ve hataların bile aslında ilerlemek için nasıl kullanılabileceğinin en güzel örneği belki de. Gümüş atomlarının L=0 yerine L=1 durumunda olduğu düşünülmeseydi, belki de bu deney yapılmayacaktı bile. Ancak bu deneyin gerçekleşmesi sonucunda ortaya çıkan sonuç, fizikçileri hüsrana uğratmak yerine onlara uğraşabilecekleri yeni bir problem verdi sadece. Doğayı daha derinlemesine anlamaya yaklaştığımız her gün, aslında geçmişte yapılan her doğrunun olduğu kadar, her hatanın da omuzlarına basıyoruz. Hepsine selam olsun.
Ahmet Mert Bozkurt
Referanslar
1. Koga T., Sekine Y. (2012). “Electron Spin Rotation and Quantitative Determination of Spin-Orbit Coefficients”. NTT Technical Review, Vol. 10, No:9.
2. Weinert, F. (1995). "Wrong theory—right experiment: The significance of the Stern–Gerlach experiments". Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 26B: 75–86.
3. Gerlach W., Stern O.(1922). “Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld,” Zeitschrift fur Physik A Hadrons and Nuclei, Vol 9, No. 1, 349-352.
4. Gerstner E. (2008). “Milestone 2: Answers on a Postcard.”, Nature Physics, 1.
İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.Soru & Cevap Platformuna Git
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 02/12/2022 12:02:39 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/12623
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.