Foton ve Parçacıklar

 

Birçok fiziksel olayı ve olguyu açıklamak için parçacık veya dalga tanımı kullanılır, bu iki model birçok fiziksel olguyu açıklamamıza yardımcı olmuştur. Buna rağmen bir elektronun ve fotonun tam olarak ne olduğunu ne parçacık ne de dalga modeli tam olarak açıklayabilmektedir. Belirli durumlarda dalga özellikleri, diğer durumlarda ise parçacık özellikleri ön plana çıkmaktadır. Fakat bütün durumları açıklayacak tek bir fiziksel model bilinmemektedir.

Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr ve daha birçok bilim insanının zamanla ortaya koyduğu çalışmalar sonucu, foton, elektron ve diğer parçacıkların sadece dalga ya da sadece parçacık şeklinde açıklanamayacak kadar karmaşık oldukları ortaya çıkmıştır. Bu durum Dalga-Parçacık İkiliği (İng. Wave–particle duality) şeklinde tanımlanmıştır [1].

Elektronu ve fotonu açıklayacak basit bir fiziksel model bilmememize rağmen, kuantum mekaniği fotonun ve parçacığın momentumunu (ρ), dalga boyunu (λ) ve hızını (ν) özel görelilik sayesinde aynı genel denklemler içinde verileceğini öngörür [2].

Burada “E” enerji, “h” Planck sabiti, “c” ışık hızıdır. Kinetik enerjiyi tanımlarken Newton’un hareket yasalarını kullanırız. Bu yasayı görelilik ilkesine uygun genelleştirebilmemiz için   ifadesiyle tekrardan kurmamız gerekir ve yeni göreli kinetik enerji denklemi aşağıdaki hali alır:

Denkleme göre hız, ışık hızına yaklaşırken kinetik enerji sonsuza gider. Ayrıca hızın, ışık hızına göre çok küçük olduğu durumlarda (v<<c) denklem Newton mekaniğindeki   ifadesine dönüşür.

 

Parçacık olarak tanımladığımız elektronları ve nötronları fotondan ayıran önemli bir fark fotonların sıfır durgun kütleye sahip olmalarıdır. Bu durumda (1-1) ve (1-3) denklemleri fotonlar için daha basit bir biçime dönüşürler:

Böylece elektronlar gibi durgun kütlesi olan parçacıkların limit hızı c iken, fotonlar gibi sıfır kütleye sahip parçacıkların sabit “c” hızı ile hareket ettikleri (denklem 1-7) anlaşılmaktadır. Bir fotonun enerjisi süratinin bir fonksiyonu değildir daha ziyade (1-5) ve (1-6) daki denklemlerde ifade edildiği gibi frekansının fonksiyonudur. Bu durum foton için toplam enerji ile kinetik enerji arasında bir fark olmadığını gösterir. Bunun sebebi fotonun durgun bir kütleye sahip olmamasıdır.

Elektronlar ile fotonlar arasında diğer önemli bir fark da: bir sitemde iki elektron aynı durumda bulunamaz yani aynı fiziksel özelliklere sahip olamaz bu durum Fermi-Dirac istatistiği ile açıklanmaktadır. Fotonda ise böyle bir kısıtlama yoktur ve aynı enerji, momentum ve kutuplanmaya sahip fotonlar bir arada bulunabilir (lazerde olduğu gibi) bu durum Bose-Einstein istatistiği ile açıklanır.

Kuantum mekaniğinin ilkelerini özel görelilik teorisi ile birleştiren, Kuantum Elektrodinamiği Teorisi’nde fotonlar sadece yüklerle etkileşirler (QED). Örneğin bir elektron hem foton yayma hem de soğurma kapasitesine sahiptir. Ayrıca bu teoride dalga-parçacık ikiliği problemini aşmak için, hem klasik dalgaların (ışık) hem de klasik parçacıkların (elektron) aynı temel doğaya sahip olarak görülmeleri anlamında bir adım atılmıştır.

Sonuç olarak aynı genel ilkelere tabi olan fotonlar ve elektronlar arasındaki farklar belirlenmiştir. Işığın dalga ve parçacık özelliklerinin tamamlayıcı tarafları da ifade edilmiştir. Karşılaşılan durumun özelinde uygun olan yaklaşım kullanılmalıdır.

[1] Wave–particle duality

[2] Introduction to Optics (3rd Edition)

Kapak fotoğraf kaynak : bigbangpage

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir