Elektronlar neden çekirdeğe düşmezler ?

 Proton pozitif, elektron negatif yüklü olmasına karşın, elektronlar neden çekirdeğe düşmüyor?


Aslında bu soru, bir zamanlar fizik dünyasında çok önemli bir problemdi. İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, 1910’lu yıllarda yaptığı deneylerle atomların yapısının bugün okullarda öğrendiğimiz şekilde olduğunu, yani elektronların çekirdek etrafında döndüğünü bulmuştu. O güne kadar atomlar “üzümlü kek” gibi düşünülüyordu: Pozitif yükler keki, negatif yüklü elektronlar da bu kek üzerinde hareketsiz duran üzümleri oluşturuyordu. Rutherford, bu görüşün yanlış olduğunu göstermekle kalmadı, çekirdeğin ne kadar küçük olduğunu da buldu.
Pozitif yüklü çekirdeğin çapı, atomun çapının yaklaşık yüz binde biri kadardır. Yani, çekirdeği bir fındık büyüklüğünde düşünürsek, en yakın elektron 500 m uzakta olmalı!
İşte bu aşamada yukarıdaki soru gündeme geldi. Çünkü, uzun zamandan beri bilinen, herkes tarafından kabul görmüş fizik yasalarına göre, bir merkez etrafında dönen elektronların ışıma yapması, bu nedenle de enerjilerini kaybetmeleri gerekiyordu.



Elektronların sürekli enerji kaybetmesi, giderek çekirdeğe yaklaşmalarına, en sonunda da çekirdeğe çarpmalarına neden olmalıydı. Neden böyle olmadığı, elektronların nasıl dönmeye devam ettiği sorusu büyük bir paradoks olarak gündeme oturdu.
Buradaki en önemli nokta, olayın klasik fizik yasalarıyla açıklanamaması. Dolayısıyla, bu soruyu cevaplayabilmek için, bugün kuantum yasaları olarak bilinen yeni yasalara ihtiyacımız var. Doğal olarak, o günlerde kuantum yasaları tam olarak bilinmiyordu. Rutherford, bu yeni yasaları bulma görevini Danimarka’dan yeni gelmiş doktora öğrencisi Niels Bohr’a havale etti. Bu problem üzerinde yaptığı çalışma ve getirdiği açıklama Bohr’a Nobel ödülü kazandıracak ve onu, kuantum fiziği üzerinde daha sonra çalışacak olan bilim insanlarının danıştığı bir otorite haline getirecekti.



Bohr’un kuramı yerine, Heisenberg’in yıllar sonra geliştireceği belirsizlik ilkesini kullanmak yanıtın anlaşılabilirliğini kolaylaştıracaktır. Belirsizlik ilkesine göre, herhangi bir parçacığın hem konumunda hem de hızında belli bir düzeyde belirsizlik olmalıdır. Eğer konumdaki belirsizlik düşerse, hızdaki belirsizlik yükselmeli; buna karşın hızdaki belirsizlik azalırsa konumundaki belirsizlik artmalı.



Bu da neden elektronun çekirdeğe çarpmadığını, daha doğrusu çarpsa bile orada kalmadığını açıklıyor. Eğer elektron çekirdek boyutlarında bir bölgeye girerse, konumundaki belirsizlik önemli ölçüde azalmış demektir. Bu nedenle hızındaki belirsizlik artmak zorunda. Bu da elektronun yüksek hızlara sahip olma olasılığının arttığı anlamına geliyor.



Yüksek hız da elektronun çekirdekten kaçmasına olanak sağlıyor. Başka bir şekilde ifade etmek gerekirse, elektronları “klaostrofobik” olarak düşünebiliriz. Küçük bir yere sıkıştırılmaya gelemiyorlar; hemen oradan kaçmak istiyorlar.
Belirsizlik ilkesi, atomların nasıl var olabildiğini açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda bunların neden çok zor sıkıştırıldıklarını da açıklıyor. Katı veya sıvı bir madde üzerindeki basıncı kat kat artırsanız da, maddenin hacmi çok az miktarda değişir. Buna karşın gazların hacmi çok daha kolay değiştirilebilir. Neden? Olayın temeli yine belirsizlik ilkesi. Örneğin, atomların hacminin iki kat azaltıldığını düşünün. Yani elektronları, çekirdeğin çapının 100,000 katı uzaklıkta değil de 50,000 katı uzaklıkta dönmeye zorladınız. Bu durumda, konumdaki belirsizlik iki kat azaldığı için, hızdaki belirsizlik iki kat artacaktır. Sonuç olarak elektronlar, daha da hızlandıkları için, merkezcil kuvvet etkisiyle çekirdekten uzaklaşacak ve tekrar eski yörüngelerine dönecektir.



Peki elektronları daha az bir hacme sıkıştırmak neden hızlarını artırıyor? Bu soru oldukça karışık ve sıkıştırmayı nasıl yaptığınıza göre değişiyor. Örneğin elektronu bir kutuya koyarsanız ve kutunun duvarlarını yavaş yavaş yaklaştırırsanız, elektronların duvarlara her çarpışından sonra daha da hızlanarak yansıdığı ortaya çıkıyor. Heisenberg’in öne sürdüğü mikroskop deneyinde, elektronun yerini belirlemek için kullanılan ışık, hızda kontrol edilemeyen bir değişim yaratıyordu. Maddenin basınç altında sıkıştırılmasında da daha farklı bir açıklama getirilmeli. Belirsizlik ilkesinin söylediği, konum ve hızdaki belirsizliklerin arasında bu garip ili.kinin olması gerektiği. Birini azaltmanın diğerini nasıl bir mekanizmayla artırdığıysa çok daha farklı bir soru.

Elektronikte Devrim Yaratacak Buluş

Max Planck Esititüsü Kuantum Optik Bölümü ve Lawrence Berkly Ulusal Labratuvarı işbirliği ile fizilçiler bir atomun değerlik/en dış elektronlarının gerçek zamanda hareketliliğini ilk kez yoğun laser pulsu tarafından atomdan çıkan elektronun incelenmesiyle gözlemlediler.

Deneylerde Kripton atomundaki bir elektronu dört femtosaniyeden (bir femtosaniye bir saniyenin milyarda birinin milyonda birisir) daha az bir süre sonunda bir laser pulsuyla söktüler.Bu süreç atomun ardında değerlik kabuğunda titreşen pozitif yüklü bir deşik(hole) bırakıyor.

Aşırı ultraviyole ışık pulsu kullanan bilim insanları ilk kez değerlik elektronunun hareketini 150 attosaniye (bir attosaniye bir saniyenin milyarda birinin milyonda biridir) süresinde yakaladılar ve fotoğrafladılar.

Bu araştırma yüksek hızlı elektroniği ve karbon içermeyen enerji kaynaklarını geliştirecek malzemelerin ve daha iyi kontrol süreçlerinin elde edilmesinde bilim insanlarına olanaklar sunuyor.

Bir femtosaiyede karmaşık bir katıda veya kimyasal reaksiyonlar sırasında elektronların hareketi ve kimyasal reaksiyonlardaki moleküler bağların değiştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar,yüksek hızlı elektroniğin geliştirilmesine katkıda bulunuyor.Böylece bu alanda yapılacak yeni çalışmalar,daha verimli güneş hücrelerinin yapımında ya da çok yüksek seviyelerde elektronik veri işlenmesinde elektron kayıp süreçlerinin indirgenmesi ve anlaşılmasına yardımcı olacak

JENERATÖR

Bir jeneratör,örneğin sabit bir mıknatısın manyetik alanı içerisinde döndürülen iletken bir bobinden oluşur.Bobin bir türbin tarafından döndürülür ve ikisi birlikte,bir ‘türbin-jeneratör’ ya da ‘türbin alternatör’ sistemi oluşturur.Şekil 1’de böyle bir düzeneğin  alternatör kısmı var.Çizimibasit tutmak amacıyla,bobin tek sarımlı olarak gösterilmiş.Bobin,şekilde görülmeyen türbin tarafından , açısal hızıyla saat yönünde döndürülüyor.Mıknatısın manyetik alanı Bm, yön ve büyüklükçe sabit.Sarımın sınırlandığı A yüzeyine dik olan birim vektör k, Bm, ile α açısını yapıyor.Bobin saat yönünde döndürüldüğünden,bu açı,sarım döndükçe büyüyor.Başlangıç değeri  0 olarak alınırsa: α=ωt .Manyetik alan  Bm’ nin gördüğü ‘etkin sarım alanı’ A.cos.‘ya eşit ve zamanla değişiyor.Dolayısıyla,sarımdan geçen ‘etkin akı’ miktarı  φ, A.Bm.cosα=A.Bm.cos(ωt)’ye eşit olup,zamanla değişmektedir.Bu durumda bobin,Faraday Yasası gereği,içinden geçen manyetik akı miktarındaki değişime karşı koyan bir tepki oluşturur.Şöyle ki,sarımdan geçen

manyetik akı,örneğin gösterilen durumda olduğu gibi,yukarı doğruyken azalmakta ise;bobinin uçları arasında;akıdaki bu azalmayı frenlemeye,yani yukarı yöndeki akıyı arttırmaya yönelik bir manyetik alanı üretecek olan akıma yol açacak şekilde bir gerilim oluşur.Gösterilen tepki aslında,bobinin yapıldığı iletkenin yapısındaki taşıyıcı yüklerden kaynaklanmaktadır ve cisimlerin kütleleri nedeniyle ivmelenmeye karşı gösterdikleri tepkiye benzetilebilir.Sonuç olarak

endüklenmesine çalışan manyetik alan Be, sarımının sınırladığı yüzeye dik olan birim k vektörünün yönünde olduğundan,bu manyetik alanı üretebilecek olan akım ve dolayısıyla da endüklenen gerilim,sağ el kuralına göre;sağ elin başparmağı Be yönünde dikleştirildiğinde,kıvrılan diğer başparmakların işaret ettiği yönde olmak zorundadır.Şekildeki sağ el çizimi,akımın yönünü gösteriyor.Fakat bu akım ancak,sarımdan güç çekildiği taktirde oluşacak,aksi halde bobinin uçları arasındaki gerilim ɛ,sarım içerisindeki herhangi bir akım dolaştıramayacaktır.Gerilimin büyüklüğü,Faraday Yasası’na göre,N sarımlı bir bobin için ɛ=-N.dφ/dt ifadesiyle verilir. Yani: ɛ=-N.d/dt(A.Bm.cosωt)=N.d.A.Bm.ω.sinωt.

Bu gerilimin yönü,bobinin her turunda iki kez yön değiştiriyor olmakla beraber,bobinin uçlarındaki kesikli halkaya dokunan fırçalar,yarım halkalara kah bir,kah da diğer sırada değdiklerinden,fırça uçlarındaki gerilim,üstteki V-t grafiğinde görüldüğü gibi hep aynı yönde,yani DC’dir. Dolayısıyla,şekilde gösterilen düzenek,bir DC jeneratörü oluşturur.Fırçalar genellikle grafikten yapılmıştır ve yarım halkalarla temas ettikleri yüzeylerde,sık sık elektrik arkları oluşur.Örneğin bir matkapın sırtındaki yarıkların içinde görülen kıvılcımları bu arklardan kaynaklanmakta ve temas yüzeylweini aşındırmaktadır.DC jeneratörleri bu yüzden,sorunlu ve görece kısa ömürlüdür.Oysa fırçalar  kullanılmadığında,bobinin uçları arasında, AC gerilimi elde edilir.Böyle bir AC jeneratörü ,yapısı  görece basit olduğundan ,daha az sorunlu ve daha uzun ömürlü olur.AC gerilimin tercih nedenlerinden birisi budur.

Jeneratörden güç çekmediği sürece,bobin sarımlarında gerilim var olmakla beraber,akım dolaşmkatadır.Güç çekildiğinde,bobin sarımlarında akım dolaşmaya başlar.Akım,sarımların iletken yapısındaki elektronlar tarafından taşınmaktadır.Hareket halindeki bu elektronla,mıknatısın sabit alanı tarafından Fe=qvxBm=-evxBm kuvveti uygulanır.O zaman şu soru doğuyor :Şekilde bir dikdörtgen olarak gösterilmiş sarımın sağ yada sol kenarı x,ön ve arka kenarları da y uzunluğunda ise,bu kenarlar üzerindeki toplam kuvvetlerin büyüklükleri nedir?... Sarımı oluşturan iletkenin yapısının,uzunluğu boyunca aynı olduğunu varsayalım.İletken içerisinde serbestçe dolaşabilen elektronların sayısı,birim

uzunluk başına n ve uzunluk boyunca ortalama hareket ,yani ‘sürüklenme hızı’ da v olsun. O halde,iletkenin herhangi bir kesitinden saniyede n.v tane elektron geçmektedir ve bu,akım şiddetinin I=n.v.e büyüklüğünde olduğu anlamına gelir.Öte yandan,iletkenin dL diferansiyel uzunluğunun tümünde,her an için dL.n=dL.I/(v.e) tane elektron vardır.Mıknatısın manyetik alanı Bm’nin ,bu elektronların tümü üzerinde etki ettirdiği kuvvetin büyüklüğü, dF ((I/v.e).dL)evxBm=-I.dL.(v/v)xBm kadardır.Sarımın herhangi bir noktasındaki elektronların hızı v,hem sarıma o noktada teğet,yani dL doğrultusunda ve hem akıma ters yönde olduğundan; -v/v, hem o noktada sarıma teğet,yani dL doğrultusunda ve hem de akım yönünde bir birim vektör oluşturur.Dolayısıyla, dL=dl.(-v/v), alınan noktada sarıma teğet ve akım yönünde bir vektör olur.Ki bu durumda ;dF=I.dLxBm eşitliğini elde ederiz.Dolayısıyla,sarımın herhangi bir parçası üzerindeki kuvveti,o parça üzerindeki diferansiyel kuvvetlerin toplamı,yani bir integral olarak elde etmek mümkündür : F=ʃI.dLxBm.I ve Bm sabit olduklarından,integral  I.(ʃdL)xBm şeklinde basitleşir : Örneğin,sağ yada sol kenar üzerindeki dL’lerin hepsi aynı yönde ve sabit bir Bm’ye dik olduklarından ; ʃdL bize x uzunluğunu verir.O halde,şekilde mavi oklarla gösterilen kuvvetler,F=I.x.Bm büyüklüğünde olup zıt yönlüdürler.Bu iki kuvvet,aynı doğru üzerinde olmadıklarından,sarım üzerinde bir ‘’kuvvet çifti’’oluşturur.Sarıma uyguladıkları tork, T=F.y.sinα=(I.x.bm).y.sinωt kadardır.Burada, x.y ,sarımın yüzey alanı A’ya eşit olduğundan, T=I.A.Bm.sinωt’dir. Oysa,sarımın ön ve arka kenarları  üzerindeki kuvvetler,keza zıt yönlü olmakla beraber,aynı doğru üzerinde olduklarından,bobini kasmaktan başk  bir sonuca yol açmazlar.Bobin ω açısal hızıyla dönmekte olduğuna göre , T torku tarafından bobin üzerine W=ω.T=ω.I.A.Bm.sinωt=-I.dφ/dt hızıyla iş yapmaktadır ve bunun için gereken enerji türbin tarafından sağlanmak zorundadır.Dikkat edilecek olursa,tek sarım için ɛ=-dφ/dt olduğundan W=ω.T aynı zamanda , I.ɛ’ye eşittir.Olması gerektiği gibi.Çünkü bu son ifade;türbin tarafından bobin üzerinde yapılan mekanik işin (W),bobinden çekilen elektrik gücüne (P) eşit olması gerektiği anlamına geliyor.