Çevremizde gördüğümüz her şeyi; ağaçları, nehirleri, cıvıldayan kuşları, bizleri, yıldızları oluşturan her şeyin temel taşı atom.

Kitaplarda ve derslerde gördüğümüz atom, çekirdeğinde proton ve nötronu olan, etrafında elektronlar dolanan temsili bir şekil olarak zihnimize yerleşmiş.

Bir atomun ders kitaplarında gerçek oranlarıyla çizilmeye çalışılması imkansız; zihnimizde gerçek boyutlarında görselleştirebilmemiz bile o kadar kolay değil.

Atomun çapı 10^-10 metre düzeyinde, atom çekirdeğinin 10^-14, elektronun ise 10^-15 metre.  Atom çekirdeği, atomun kendi boyutundan 10,000 kat daha küçük. Arada inanılmaz ölçüde büyük bir boşluk var.

Şöyle görselleştirelim: Bir futbol sahası düşünün, ortada minik bir çakıl tanesi (1 cm çapında olsun); futbol sahası bu durumda 10,000 cm (100 m) olacaktır. Etrafta rasgele koşuşturan futbolcuları, kum tanesi ölçeğinden çok daha küçük olan elektronlar olarak hayal edin. Ne görürsünüz?

Yani maddenin en temel yapı taşı olan atomun yüzde 99'u boştur. Bu demek oluyor ki, madde olarak deneyimlediğimiz her şey yüzde 99 oranında boşluktan ibaret. Kalan yüzde 1 ise bir ışık oyunu.

Bizler de dahil her şeyin de yapı taşı atom olduğuna göre ve nesnelerin de yüzde 99'u boş ise neden biz bunu hissetmiyoruz?

Neden her şey birbirinin içinden geçemiyor?

Bunun yanıtı yine elektronlarda gizli. Bunun için de atomik yapıyı iyi anlamak gerekiyor. 

Atom kuantum modeli

1913 yılında kuantum fiziğinin kurucularından Niels Bohr, elektronların atom çekirdeği etrafında yalnızca belirli enerjilere sahip yörüngeleri işgal edebileceğini öne sürüyordu.

Bohr modeli, atomdaki elektronların dağılımını tanımlamak için tek boyutlu bir modeldi ve yörüngelerin boyutu  "n temel kuantum sayısı" ile tanımlanıyordu. Her yörünge çekirdekten yukarıya doğru K, L, M, N gibi harflerle isimlendirilmişti.

Temel kuantum sayısı arttıkça elektron çekirdekten uzaklaşıyordu.

Yörüngeler arası, elektronlar için yasak bölgeydi. Elektronlar bir üst enerji seviyesine sıçrayarak çıkarlar ve bunun için enerji emerler; aşağı inerken de aynı miktarda enerji salarlar (Kuantum sıçrama). 

Bohr atom modeli

Daha sonra geliştirilen atom modelinde 'Bohr' modelindeki gibi yörüngeler yoktu ve onun yerine bir elektron bulutu olan enerji katmanları (veya kabukları) bulunuyordu.

Elektronların bulunabileceği enerji seviyelerini tanımlamak için Schrödinger dalga denklemi üç koordinat (veya üç kuantum sayısı) çıktısı verdi. Bunlardan ilki Bohr modelinde tanımlanan "temel kuantum sayısı (n)" idi.

Eksik olan diğer iki uzaysal kuantum sayısının tanımı ise 1916 yılında Almanya'nın Münih kentinde bir teorik fizikçi olan Arnold Sommerfeld'den geldi.

Atom kuantum modeli

Sommerfeld efsanesi

Kuantum fiziği alanında efsane öncülerden biri olan Arnold Sommerfeld, Nobel Ödülüne en çok sayıda aday gösterilen ama alamayanlar arasında birinci; en çok Nobel ödülü kazanan öğrenciye sahip bilim insanları arasında da İngiliz J.J. Thomson'ın ardından ikinci durumdadır.

Bu büyük fizikçinin Nobel Ödülü'ne 84 kez (tarihte en fazla kez) aday gösterilme kaydı var ama o bu ödülü hiç almadı! 

Ancak öğrencileri Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye, Linus Pauling ve Hans Bethe Nobel ödüllerini aldılar. Sommerfeld, öğrencilerine yakın, bilim tarihinin tartışmasız en iyi ve en etkin danışman hocasıdır. Albert Einstein'ın, Sommerfeld'e şunları dediği söylenir:

"Seninle ilgili özellikle hayran olduğum şey, bu kadar çok sayıda genç yeteneği adeta topraktan çıkarmış olman."

Arnold Sommerfeld, atomu biraz farklı bir şekilde görselleştirerek Bohr modelinde yer alan temel kuantum sayısı (n) yanında "yörüngesel açısal momentumu (l)"  ve "manyetik kuantum sayısı (m)" olarak bilinen iki kuantum sayısı önerdi. Bu kuantum sayıları, bir elektronun yörünge şeklini ve yönelimini tanımlıyordu.

Açısal kuantum sayısı (l), yörüngenin şeklini "manyetik kuantum sayısı (m)" ise alt kabukları orbitallere (enerji seviyelerine) bölerek ve bu orbitallerin uzaydaki yönelimini belirliyor. 

Dışlama ilkesi

Ancak bu model aynı katmanda bulunan elektronların niye farklı enerji seviyelerinde bulunduğunu tam olarak açıklamıyordu. Periyodik tablonun yapısını ve atomik spektrumu açıklamada yetersizdi.

Arnold Sommerfeld ve öğrencisi Wolfgang Pauli

Bilim dünyası bu sorularla boğuşurken Wolfgang Pauli Münih Üniversitesi'nde Arnold Sommerfeld'in en parlak öğrencisi idi.

Pauli oldukça tuhaf bir öğrenciydi; canı istediği saatte derse geldiği, ders sırasında canı sıkıldığında Einstein'ın görelilik üzerine makalelerini okuduğu söylenir. Dehasının farkında olan hocaları onun bu davranışlarını hoşgörü ile karşılarlardı. Ayrıca son derece eleştireldi; pek tutarlı bulmadığı çalışmaları "yanlış bile değil" diye eleştirdiği; kaza eğilimli olduğu, bu nedenle laboratuvarda çalışmasında büyük sorunlar yarattığı yönünde hikayeler anlatılır.

Ama sonuçta onun gerçekten olağanüstü bir zihin yapısı olduğu konusunda kimsenin şüphesi yoktu.

1924'ün sonlarında Pauli, bir elektronun iki değerlikli olması gerektiği fikrini ileri sürdü ve beraberinde "kuantum spin" kavramsallaştırıldı (s, spin kuantum sayısı).

Böylece bir atomik yapı içinde elektronların her biri dört kuantum sayısı (n, l, m, s) ile tanımlı bir kimliğe sahiptiler.

Ama hala bir eksik vardı.

Pauli Ocak 1925'te, "dışlama ilkesi"ni açıkladı. Buna göre bir atom içinde aynı kuantum sayısı setine sahip ikinci bir elektron bulunamazdı. Yani atom içinde her elektronun dört kuantum sayısından en az birisinin farklı olması gerekiyordu.  Dahası elektronlar eşleşmiş olarak bir "kuantum dolanık" durumda bulunmalıydılar.

Pauli'nin başlangıçta atomik yapıdaki elektronlar için geliştirdiği dışlama ilkesi, daha sonra spini yarı tamsayı olan diğer parçacıklara da yansıtılarak geliştirildi.

Bu ilke; atomların ve moleküllerin birbiri ile çarpışmadan, neden belli bir mesafede kaldıklarını açıklıyor. Ve yine bu yüzden atom içinde elektronları birbirine yaklaştırmak için çok güçlü ve imha edici kuvvetler gerekmekte.

Tekrar başlangıçtaki sorumuza dönüyoruz: Madem atomik yapı içinde bu denli büyük bir boşluk var,  o zaman nesneler birbirinin içinden niye geçmezler?

Bunun yanıtını Pauli "dışlama ilkesi" ile veriyor:

Dışlanan parçacıklar asla bir araya gelemez ve dolayısıyla birbirinin içinden de geçemezler.

Aynı dışlanan her şeyde olduğu gibi!

Kaynakça

https://www.quantum-field-theory.net/discovery-electron-spin/

https://www.aps.org/publications/apsnews/200701/history.cfm

https://byjus.com/chemistry/quantum-numbers/

https://towardsdatascience.com/supervisors-in-the-history-of-science-deec27d19519