7.8: Belirsizlik İlkesi

Werner Heisenberg, bir elektronun veya diğer mikroskobik parçacıkların özelliklerinin ne kadar doğru ölçülebileceğinin sınırlarını değerlendirdi. Bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu aynı anda ne kadar doğru ölçebileceğinin temel bir sınırı olduğunu belirledi. Bir parçacığın momentumunun ölçümü ne kadar doğru biliniyorsa, o zamandaki konum o kadar az bilinir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak adlandırılır. Konumdaki belirsizliği ve momentumdaki belirsizliği matematiksel olarak Planck sabitini içeren miktarla ilişkilendirdi.

Bu denklem, bir nesnenin hem eşzamanlı konumunu hem de momentumunu ne kadar kesin olarak bilebileceğinin sınırını hesaplar.

Bu nedenle, elektronun konumu ne kadar doğru olursa, hızı o kadar az doğrudur ve bunun tersi de geçerlidir. Örneğin, bir beyzbol topunun ilk pozisyonunu ve hızını not ederek ve yerçekimi ve rüzgarın vb. etkisini dikkate alarak sahada nereye ineceği tahmin edilebilir. Beyzbol topunun yörüngesi tahmin edilebilir.

Ancak bir elektron için konum ve hız aynı anda belirlenemez. Bu nedenle, bir atomun elektronunun yörüngesi belirlenemez. Bu davranış belirsizdir. Bir elektronun kesin konumu yerine, atomun belirli bir bölgesinde bir elektron bulma olasılığı, yani olasılık yoğunluğu açısından bahsedilebilir. Psi kare (ψ²) olarak gösterilebilir. Belirli bir bölgede bir elektron bulma olasılığı ne kadar yüksekse, psi karesinin değeri o kadar büyük olur. Buradan hareketle atomlar, bir elektron bulutu ile çevrili bir çekirdekten oluşuyor olarak tanımlanır.

Heisenberg ilkesi, bilimde bilinebilir olana nihai sınırlar koyar. Belirsizlik ilkesinin, modern kuantum teorisini klasik mekanikten ayıran şeyin merkezinde yatan dalga-parçacık ikiliğinin bir sonucu olduğu gösterilebilir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.

Elektron, m kütlesi olan bir atom altı parçacıktır. Ama aynı zamanda de Broglie ilişkisinin gösterdiği gibi v hızına sahip bir dalga gibi davranır. Yani, bir elektronun hem dalga hem de parçacık benzeri özellikleri vardır.

Ancak, elektronun aynı anda hem belirli bir konuma sahip bir parçacık hem de bilinen bir hız veya momentuma sahip bir dalga olduğuna şahit olmak mümkün değildir. Bir elektronun ikili doğasını gözlemlemek için bir deney kurulduğunda ne olur? İlk olarak, birbirine yakın aralıklarla yerleştirilmiş iki açıklığın olduğu çift yarık deneyini yeniden düşünelim.

Bir elektron demeti yarıklardan geçtiğinde, bir girişim deseni üretilir. Bu, dalgaların benzersiz bir özelliğidir. Elektronlar tek tek geçtiklerinde aynı model gözlenir.

Bir elektron bir parçacık olduğu için, içinden geçtiği yarık veya yarıkların izlenmesi mümkün olmalıdır. Bunu incelemek için, yarıkların hemen arkasında bir lazer ışını yerleştirilir. Bir elektron bir yarıktan geçtiğinde, geçtiği yarığı gösteren küçük bir parlama üretir.

Deney sırasında, bir seferde sadece bir yarıkta flaşlar gözlenir, ancak hiçbir zaman aynı anda her iki yarıkta gözlenmez. Ayrıca, girişim modeli artık gözlenmez;bunun yerine iki parlak çizgi görülür. Elektronun parçacık yapısını gözlemlemeye çalışırken dalga doğası kaybolur.

Başka bir deyişle, elektron ya bir parçacık ya da bir dalga olarak gözlenir, ancak ikisi birden asla aynı anda görülmez. Bir elektronun parçacık-doğası ve dalga-doğası ve buna bağlı olarak konumu ve momentumu, bu nedenle tamamlayıcı özelliklerdir. Bu, bir elektronun doğru konumunu ve hızını aynı anda gözlemlemenin de imkansız olduğu anlamına gelir.

Werner Heisenberg, delta-x ve m-delta-v ile temsil edilen bu özelliklerdeki belirsizliğin sonlu bir nicelikten büyük veya ona eşit olması gerektiğini belirtmiştir:Planck sabiti bölü 4 pi. Bu, Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi olarak bilinir. Elektronun konumu ne kadar doğru biliniyorsa ve delta-x ne kadar küçükse, elektronun hızı o kadar az kesin olur ve delta-v o kadar büyük olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Şimdi, yuvası üzerinde duran bir golf topunu düşünün. Klasik fiziğe göre, golf topunun yolu veya yörüngesi, başlangıç konumu, vurulduğu kuvvet ve yerçekimi, rüzgar ve hava direnci gibi diğer faktörlerin etkisi bilinerek tahmin edilebilir. Bu verilerle golf topunun konumu ve hızı her an belirlenebilir.

Ancak, golf topunun yalnızca ilk konumu biliniyorsa, son konumu çıkarmak mümkün değildir. Benzer şekilde, bir elektron için konumu ve hızı aynı anda bilinemediğinden yörüngesi de tahmin edilemez. Bu, bir elektronun belirsizlik davranışı olarak bilinir.

Mevcut konumu gelecekteki konumunu belirleyemez. Bundan dolayı, bir elektron için kesin bir konum tanımlamak yerine, onu atomun belirli bir bölgesinde bulma olasılığı veya ihtimali kullanılır. Bu, her bir noktanın bir atom içindeki bir elektronun potansiyel konumunu temsil ettiği bir olasılık yoğunluğu olarak bilinir.

Noktaların yoğunluğu, bir elektron bulma olasılığı ile orantılıdır. Dolayısıyla, bir elektron atomun çekirdeğine yakın olma ihtimali uzak olma ihtimalinden yüksektir. Böylece, atomun daha doğru bir temsili, elektron bulut modeli olarak da bilinen elektron olasılık yoğunluğu ile çevrili çekirdek ile tasvir edilir.