Planck Sabiti, kuantum mekaniğinin doğuşunda önemli bir rol oynayan bir fiziksel sabittir. Kuantum mekaniği, atom ölçeğindeki parçacıkların ve dalgaların davranışını tanımlayan bir fizik dalıdır. Kuantum mekaniği, 20. yüzyılın başlarında bir dizi deneysel ve teorik buluşun sonucunda ortaya çıkmıştır. Bu buluşlardan biri de Planck’ın siyah cisim ışıması problemine verdiği çözümdür. Uluslararası Birimler Sisteminde (SI), sabit değer 6,62607015×10 – 34 joule-hertz – 1 (veya joule-saniye) şeklindedir.
Siyah cisim ışıması, ısıtıldığında elektromanyetik dalgalar yayınlayan idealize edilmiş bir cismin ışımasıdır. Siyah cisim ışıması, cismin sıcaklığına ve frekansına bağlı olarak değişen bir spektruma sahiptir. Siyah cisim ışımasının spektrumu, 19. yüzyılın sonlarında deneysel olarak ölçülmüştür. Ancak, o zamanki klasik fizik teorileri, bu spektrumu doğru bir şekilde açıklayamamıştır. Özellikle, yüksek frekanslarda, klasik teoriler, siyah cisim ışımasının sonsuz enerjiye sahip olması gerektiğini tahmin etmiştir. Bu tahmin, morötesi felaketi olarak adlandırılan mantıksız bir sonuca yol açmıştır.
Morötesi felaketini çözmek için Max Planck, 1900 yılında siyah cisim ışımasının spektrumunu açıklayan ampirik bir formül önermiştir. Planck’ın formülü, siyah cisim ışımasının enerjisinin frekansla orantılı olduğunu varsaymaktadır. Ancak, Planck bu formülü türetmek için klasik fizikten radikal bir sapma yapmıştır. Planck, siyah cisim içindeki elektrik yüklü salınıcıların enerjilerinin sadece belirli miktarlarda değişebileceğini ve bu miktarların frekansa orantılı olduğunu varsaymıştır. Bu varsayım, enerjinin nicemlenmesi olarak bilinir ve Planck’ın formülünde yer alan orantılılık sabiti de Planck Sabiti olarak adlandırılır. (Nicemlenme: sinyal işleme veya kuantalama)
Planck’ın formülü, deneysel verilerle çok iyi uyum sağlamıştır. Ancak, Planck bu formülün fiziksel anlamını tam olarak anlayamamıştır. Planck, enerjinin nicemlenmesini sadece matematiksel bir numara olarak görmüştür ve klasik fizikten tamamen vazgeçmemiştir. Planck’ın formülünün gerçek anlamını ortaya çıkaran kişi Albert Einstein olmuştur.
Einstein, 1905 yılında fotoelektrik etki deneyini açıklamak için Planck’ın formülünü kullanmıştır. Fotoelektrik etki deneyi, ışığın metal üzerine düştüğünde elektronları koparabildiğini gösteren bir deneydir. Ancak, deneyde gözlenen şey, elektronların kopma hızının ışığın şiddetine değil, frekansına bağlı olduğudur. Bu gözlem, klasik fizikte ışığın dalga olarak kabul edilmesiyle çelişmektedir.
Einstein, fotoelektrik etkiyi açıklamak için ışığın hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterdiğini öne sürmüştür. Işık parçacıklarına foton adı verilmiştir. Einstein, bir fotonun enerjisinin Planck Sabiti ile çarpılan frekansına eşit olduğunu belirtmiştir. Bu formül, Planck’ın formülü ile uyumludur. Einstein, Planck’ın enerjinin nicemlenmesi varsayımını genelleştirmiş ve ışığın kendisinin de nicemli olduğunu göstermiştir. Einstein, Planck Sabiti’nin sadece siyah cisim ışıması için değil, tüm elektromanyetik dalgalar için geçerli olduğunu kanıtlamıştır.
Einstein’ın buluşu, kuantum mekaniğinin gelişiminde önemli bir kilometre taşı olmuştur. Einstein, Planck Sabiti’nin fiziksel anlamını ortaya çıkarmış ve ışığın kuantum doğasını keşfetmiştir. Einstein, Planck Sabiti’nin kütle-enerji eşdeğerliği ile ilişkisini de bulmuştur. E = mc2 formülünde, c ışık hızıdır ve m kütledir. Bu formül, kütle ve enerjinin birbirine dönüşebileceğini gösterir. Planck Sabiti, kütle ve frekans arasındaki ilişkiyi verir. Bu ilişki, kütlenin de nicemli olduğunu ima eder.
Planck Sabiti’nin Ölçüm Yöntemleri
Planck Sabiti, kuantum mekaniğinin temel bir sabiti olmasına rağmen, ölçümü oldukça zordur. Planck Sabiti’nin değeri çok küçüktür ve hassas deneyler gerektirir. Planck Sabiti’nin ölçümü için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden bazıları şunlardır:
Kibble dengesi: Bu yöntem, elektrik akımı ile manyetik alan arasındaki kuvvet dengesini kullanarak Planck Sabiti’ni ölçer. Kibble dengesi, daha önce watt dengesi olarak biliniyordu ve elektrik gücünün standart birimi olan watt’ı tanımlamak için kullanılıyordu. Ancak, 2019 yılında SI birim sistemi yeniden tanımlandığında, watt yerine kilogram tanımlamak için kullanılmaya başlandı. Kibble dengesi, kilogramın tanımını Planck Sabiti’ne bağlar.
Atomik saatler: Bu yöntem, atomların titreşim frekanslarını kullanarak Planck Sabiti’ni ölçer. Atomik saatler, atomların frekanslarını çok hassas bir şekilde ölçebilen cihazlardır. Atomik saatler, zamanın standart birimi olan saniyeyi tanımlamak için kullanılır. Saniye tanımı, sezyum atomunun frekansına bağlıdır. Atomik saatler, sezyum atomunun yanı sıra diğer atomların da frekanslarını ölçebilir. Bu sayede, farklı atomların kütleleri arasındaki ilişkiyi bulabilir ve Planck Sabiti’ni hesaplayabilirler.
X-ışını kristalografisi: Bu yöntem, kristallerin x-ışınları ile etkileşimini kullanarak Planck Sabiti’ni ölçer. X-ışını kristalografisi, kristallerin atomik yapısını belirlemek için kullanılan bir tekniktir. Kristaller, x-ışınlarını belirli açılarda yansıtır veya kırar. Bu açılar, kristalin yapısına ve x-ışınlarının dalga boyuna bağlıdır. X-ışınlarının dalga boyu, Planck Sabiti ile frekansları arasındaki ilişki ile verilir. Bu nedenle, x-ışınlarının dalga boyunu ve açılarını ölçerek, Planck Sabiti’ni bulabiliriz.
Planck Sabiti’nin Uygulamaları ve Önemi
Planck Sabiti, kuantum mekaniğinin birçok uygulamasında rol oynayan bir sabittir. Planck Sabiti, atomik ve moleküler fizik, optik, kimya, nanoteknoloji, kuantum bilgi işlem ve kuantum metroloji gibi alanlarda kullanılır. Planck Sabiti’nin bazı uygulama ve önemleri şunlardır:
Kuantum fiziği
Planck Sabiti, kuantum fiziğinin temel denklemlerinde yer alır. Örneğin, Schrödinger denklemi, bir parçacığın kuantum durumunu tanımlayan bir denklemdir. Schrödinger denklemi, indirgenmiş Planck Sabiti’ni içerir. Schrödinger denklemi, atomların ve moleküllerin yapısını, kimyasal bağları, spektral çizgileri ve elektronik geçişleri açıklamak için kullanılır. Ayrıca, Heisenberg belirsizlik ilkesi, bir parçacığın konumu ve momentumu arasındaki temel bir sınırlamayı verir. Heisenberg belirsizlik ilkesi, indirgenmiş Planck Sabiti ile orantılıdır. Heisenberg belirsizlik ilkesi, kuantum fiziğinin temel bir özelliği olan belirsizlik ve olasılık kavramlarını ortaya çıkarır.
Optik
Planck Sabiti, optikte ışığın enerjisi ve frekansı arasındaki ilişkiyi verir. Bu ilişki, ışığın renklerini ve spektrumunu açıklamak için kullanılır. Ayrıca, Planck Sabiti, ışığın parçacık yönünü de gösterir. Işık parçacıkları olan fotonlar, optikte önemli bir rol oynar. Fotonlar, lazerler, LED’ler, güneş pilleri, optik fiberler ve optik iletişim gibi teknolojilerde kullanılır. Fotonlar ayrıca kuantum optiği ve kuantum bilgi işleminde de kullanılır. Kuantum optiği, fotonların kuantum özelliklerini inceleyen bir fizik dalıdır. Kuantum bilgi işlemi ise fotonları kuantum bitleri olarak kullanarak bilgi işlemek için yeni yöntemler geliştiren bir bilim dalıdır.
Metroloji
Planck Sabiti, metrolojinin temel sabitlerinden biridir. Metroloji, ölçüm bilimidir ve standart birimleri tanımlamak için sabitleri kullanır. 2019 yılında SI birim sistemi yeniden tanımlandığında, Planck Sabiti kilogramın tanımında kullanılmaya başlandı. Kilogram artık Kibble dengesi ile ölçülen Planck Sabiti’ne bağlı olarak tanımlanmaktadır. Bu tanım, kilogramın daha hassas ve kararlı olmasını sağlamaktadır. Ayrıca, Planck Sabiti diğer birimlerle de ilişkilidir. Örneğin, Planck Sabiti ile ışık hızı çarpıldığında Planck birimleri olarak adlandırılan doğal birimler elde edilir.
Planck birimleri, fiziksel sabitleri 1 olarak alan ve kuantum mekaniği ile genel görelilik arasındaki ilişkiyi gösteren birimlerdir. Planck birimleri, Planck uzunluğu, Planck zamanı, Planck kütlesi, Planck sıcaklığı ve Planck yükü gibi temel fiziksel nicelikleri tanımlar.
Planck Sabiti: Evrenin En Küçük Ölçeği
Planck Sabiti, kuantum mekaniğinin temel bir fiziksel sabitidir. Planck Sabiti, 1900 yılında Max Planck tarafından siyah cisim ışıması problemine bir çözüm olarak öne sürülmüştür. Planck Sabiti, enerjinin nicemlenmesi varsayımını içerir ve ışığın hem dalga hem de parçacık gibi davrandığını gösterir.
Planck Sabiti, kuantum fiziği, optik, metroloji ve diğer alanlarda birçok uygulamaya sahiptir. Planck Sabiti, kuantum mekaniğinin gelişiminde ve anlaşılmasında önemli bir rol oynamıştır.
Kaynakça:
BIPM. (2019). The International System of Units (SI).
CGPM. (2018). Resolution 1 of the 26th CGPM.
NIST. (2019). The kilogram and the Kibble balance.
Nobel Media AB. (2021). Max Planck – Biographical.
NIST. (2021). Fundamental Physical Constants: Planck constant over 2 pi times c in eV m.
NIST. (2021). Fundamental Physical Constants: Planck constant over 2 pi in eV s.
NIST. (2021). Fundamental Physical Constants: Planck constant over 2 pi.
Nobel Media AB. (2021). Albert Einstein – Biographical.
NIST. (2022). The Planck Constant.
Encyclopædia Britannica, Inc. (2021). Planck’s constant | Definition, Units, Symbol, & Facts.
Wikipedia contributors. (2022, January 4). Planck constant. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 18:02, January 4, 2022
