HAREKET VE KUVVET
Hareket, fizikte mekanik konusu içerisinde yer alır. mekanik ile nesnelerin hareketi ve durgun kalma özellikleri açıklanmaya çalışılır. Böylece evrendeki gezegen ve yıldızların hareketleri açıklanabilir, bina, köprü, gökdelen gibi binalar inşa edilebilir, uçak, gemi ve denizaltı gibi araçlar yapılabilir. Kısaca, dünya ve uzayda var olan veya var olması istenen birçok özellik mekanik konusu ile açıklanabilir.
İnsanların en iyi çok ilgilendiği ve günlük yaşamında karşılaştığı fiziksel olaylardan birisi harekettir. bu nedenle fizik bilimine genellikle hareket konusu ile başlanır.
HAREKET BİLİMİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ
Hareket çok eski zamanlardan beri insanların ilgisini çeken bir konu olmakla beraber, sistematiğinin oluşması ancak 1600'lü yıllara denk gelmektedir. Bu çağda batı dünyasında ortaya çıkan Galileo ve Newton, hareket biliminin sistematik özelliğinin oluşmasının temelini atmışlardır. 19. yüzyılın sonlarına kadar bu bilim adamlarının ortaya attığı fikirler büyük oranda kabul görmüştür. Fakat 20. yüzyılda atom ve atom altı parçacıklar üzerinde yapılan çalışmalar ve teknolojideki hızlı gelişim bu bilim adamlarının fikirlerinde bir takım değişiklikler yapılması gerektiğini ortaya koymuştur. Kuantum Mekaniği ve Görelilik Teorisi yapılan bu çalışmalar sonrası, mekaniği ve hareketi daha iyi açıklamışlardır.
HAREKET VE KUVVET KONUSU İÇİN BAZI TEMEL KAVRAMLAR
Skaler ve Vektörel Büyüklükler
Sadece bir sayı ve bir birim ile belirtilen uzunluk, kütle, zaman gibi büyüklüklere skaler büyüklükler denir. 500 metre, 50 m/s, 175 cm, 3 saat gibi büyüklükler skaler büyüklüklerdir.
Vektörel büyüklükler ise, bir sayı ve bir birim yanında yönü de olan büyüklüklerdir. A'dan B'ye 2 saate gitmek vektörel bir büyüklüğü ifade eder.
Uzunluk ve Zaman Birimleri
Hareketi iyi anlayabilmek için ilk olarak temel uzunluk ve zaman ölçülerini bilmek gerekir.
Metre uzunluğun temel ölçü birimidir. Bir metre, Paris'ten geçen, kuzey kutbu ve ekvator arasındaki boyuna çizgi boyunca ölçülen uzaklığın on milyonda birisidir. Bu bir metreyi temsil eden metal çubuk Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'nda bulunmaktadır.
Bir metrenin uzunluğunu belirlemenin bir başka yolu ise, bilimdeki hızlı gelişmelerden birisi olan ışık hızından yararlanmaktır. Buna göre 1 metre = Işığın boşlukta 1/299,792,458 saniyede yol aldığı mesafedir.
Saniye ise = Sezyum atomunun yayınladığı belli bir dalga boyundaki ışığın, 9192631770 devir yapması için geçen zamandır.
Kütle, enerji, zaman, hız, kuvvet ve sıcaklık gibi bir ölçme aracı ile ölçülebilen büyüklükler fiziksel niceliklerdir. Bu tür büyüklükler genel olarak iki kısımda incelenir. Bunlar:
1) Skaler Büyüklükler
2) Vektörel Büyüklüklerdir.
1) Skaler Büyüklükler
Yalnızca sayılarla ifade edilebilen ve bir birimi olan büyüklüklere denir. Skaler büyüklükler, kütle, sıcaklık, güç, zaman, iş vb. olarak incelenebilir. Örneğin; 3 metre, 5 kilogram, 35 oC, 600 Newton, 220 Volt gibi.
2) Vektörel Büyüklükler
Ölçülen büyüklüklerin bazılarındaki sayısal değer ve birim bazen bu veriyi anlamak için yeterli değildir. Bu büyüklüğün yönü, şiddeti, başlangıç noktası ve doğrultusu da önem kazanır. Örneğin; "Araba Ankara'dan İstanbul'a doğru saatte 90 km/sa hızla hareket ediyor" cümlesinde aracın yönü, doğrultusu ve hızı gibi kavramlar bilinmesi gereken değerlerdir.
Vektörel büyüklük; şiddeti, yönü, doğrultusu ve başlangıç noktası belirlenebilen büyüklüklerdir. Yani yönlendirilmiş doğru parçalarına vetör denir. Vektörel büyüklükleri simgesi üzerine ok işareti konularak skaler büyüklüklerden ayırt edilmektedir.
Mekanik hakkında bilgi
Cisimlerin denge ve hareketini inceleyen bilim dalı. Mekanik bütün makinaların ve yapıların projelendirilmesinde müracaat edilen ana kurallar topluluğudur. Bu bilim dalı, bir yandan kâinattaki maddî olayların kurallarını araştırırken, diğer yandan atom içindeki olayları aydınlatmaya çalışır. Fizik ve astronomide mekaniğin önemi her geçen gün artmaktadır.
Mekanik cisimlerin denge ve hareketini inceleyen bilim dalı. Mekanik bütün makinaların ve yapıların projelendirilmesinde müracaat edilen ana kurallar topluluğudur. Bu bilim dalı, bir yandan kainattaki maddi olayların kurallarını araştırırken, diğer yandan atom içindeki olayları aydınlatmaya çalışır. Fizik ve astronomide mekaniğin önemi her geçen gün artmaktadır. Mekanik, kuvvetlerin etkisi altındaki cisimlerin denge durumunu veya hareketini inceleyen bilim dalıdır. Üç ana başlık altında incelenebilir:
Katı cisimlerin mekaniği 1. Statik (dengedeki cisimler için) 2. Dinamik (hareketteki cisimler için)
Şekil değiştiren cisimlerin mekaniği ( Mukavemet)
Akışkanlar mekaniği 1. Sıkıştırılamaz akışkanlar 1.1 Hidrostatik 1.2 Hidrodinamik 2. Sıkıştırılabilir akışkanlar 2.1 Aerostatik 2.2 Aerodinamik
Mekanik, dengede bulunan cisimleri inceleyen statik ve hareket eden cisimleri inceleyen, dinamik gibi iki bölüme ayrılır. Dinamik de ayrıca, sebebini araştırmadan yalnız hareketi inceleyen kinematik ve hızı değişen cisimleri inceleyen kinetik diye iki bölüme ayrılabilir. Ancak bu ayrımlar o kadar kesin değildir. Statik de, dinamiğin özel bir hali (hızı sıfır) olarak düşünülebilir.
Tarihi
: Eski çağlarda, mekaniğin pratik uygulaması mevcutsa da kaideleri hakkında pek az şey bilinmekteydi. Kaldıraç, eğik düzlem, tekerler ve muhtemelen palanga sisteminin faydaları, eski Mısırlılar ve Babilliler tarafından bilinmekteydi. Eski Yunanlılar, ilk defa hareketi teorik olarak incelemişlerse de, teorilerini gözlemleriyle gerçekleştirmeğe çalışmışlardır. Arşimet (M.Ö. 287-212), balistik, hidrostatik, ağırlık merkezi gibi temel mekanik kavramları kullanması ve bunlardan pratik faydalar sağlaması bakımından bir istisna teşkil eder.
Her alanda olduğu gibi mekanik alanında ilk mekanik aletleri Müslüman ilim adamları yapmıştır. Sistemli olarak ilk defa Bağdat’ta yaşayan Beni Musa kardeşler dokuzuncu asırda mekanik aletler yapmışlardır. Beni Musa kardeşlerin ortancası olan Ahmed bin Musa; mekanik olarak çeşitli tartı aletleri yanında yükleri çekmek ve kaldırmakta kullanılan bazı aletler yaptı. Mekanik konular üzerinde titizlikle durdu. Ağabeyi ile birlikte büyük bir bakır saat yaptı. Ayrıca üzerine ateş yaklaştırıldığında fitili otomatik olarak ortaya çıkan kandiller yapmıştı. Kandilin fitili ortaya çıkınca yağ da hemen fitilin üzerine yanacak miktarda fışkırıyordu. Geliştirdiği ziraat ve sulama aleti, tarlada sulama yaparken, tayin edilen sulama miktarını aşınca hemen sinyal veriyordu.
On ikinci asrın sonlarına doğru Dicle ve Fırat nehirleri arasındaki Cezire bölgesinde yaşıyan Cezeri otomatik aletler yaptı. Cezeri sadece otomatik aletler yapmakla kalmayıp, otomatik olarak çalışan sistemler arasında denge kurmayı başardı. Sekiz asır gibi bir aradan sonra İngiliz nöroloji profesörü Dr. Ross Ashby ancak 1951 senesinde üstün denge durumunu ortaya koydu. Cezeri; aynı zamanda haberleşme, kontrol, denge kurma ve ayarlama ilmi olan sibernetiğin ilk kurucusudur. İnsanlarda ve makinalarda bilgi alış-verişi, bunların kontrolü ve denge durumu sibernetiğin esas konusudur. Bu ilmin gelişmesiyle elektronik beyinler ve otomasyon denilen sistemler ortaya çıktı. Bu bakımdan yaptığı mekanik makinalarla bu ilmin temeli Cezeri tarafından atıldı.
Batı alemi her alanda yaptığı gibi, Endülüs Emevileri vasıtasıyla tanıdığı İslam alemindeki buluşları mekanik alanında da kendine mal etmiştir. Müslüman ilim adamlarının yaptığı mekanik aletleri ancak on yedi ve on sekizinci asırlarda yapmışlardır.
On altıncı yüzyılda İslam alimlerinin eserlerini inceleyen Galileo Galilei (1564-1642), Tycho Brahe (1546-1601) Johannes Kepler (1571-1630) onlardan büyük ölçüde faydalanarak, bazı buluşları da kendilerine mal ederek gök mekaniğinde günümüze kadar gelen temel kuralları koymuşlardır. Galileo, düşen cisimleri ve sarkacı inceleyen, kontrollü deney yapan birisiydi. Simon Stevin (1548-1620) kuvvetlerin bileşke prensibini geliştirmiştir. Bütün bu gelişmelerden sonra Isaac Newton (1642-1727); Hareketin Üç Kanunu’nu ortaya koymuştur. Daha sonra mekanikteki gelişmelerin pek çoğu, bu kanun üzerine kurulmuştur. Daha sonra gelenler analiz metodlarını geliştirirken, daha kolay bakış açıları aramışlardır. Jean Le Rond d’Alembert (1717-1783), dinamik problemlerini ilave kuvvetlerle statik problemlere çevirmiş, Siméon Denis Poisson (1781-1840), hareket eden eksen takımında problemleri çözmeyi denemiş, Joseph Louis Lagrange (1736-1813) genelleştirilmiş koordinatları çözüme dahil etmiş, virtüelis kavramını ortaya atmış, Josiah Willard Gibbs (1839-1903), problemlerin çözümünde vektör hesabı kullanmıştır. Diğer bir arayış da, hareket kanunlarının tek bir şekilde ifade edilmesi olmuştur. Bütün bunlar, ekstremum prensiplerine yönelmeği getirmiştir.
Tarifler
Mekaniğin anlaşılmasında bir kavram birliğinin sağlanması önemlidir. “Cisim”, “kütle”si olan bir maddesel nesnedir. Kütle, relatif bir kavram olup, “ağırlık”la karıştırılmaması gerekir. Bir cismin kütlesi, “atalet”inin, yani harekete geçirilmesi sırasında veya hareket sırasında, yönü değiştirilmek istendiğinde gösterdiği direncin, seçilen cismin ivmesine oranıdır. Bir cismin kütlesi değişmediği halde yerçekiminin doğurduğu kuvvet olan ağırlığı, cismin, dünyanın merkezinden olan uzaklığına bağlıdır. Cisimler, boyutları ihmal edilebilen “noktasal kütleler”in topluluğudur.
Metodları
Mekaniğin problemleri, iki metodundan biriyle veya ikisi beraberce kullanılarak çözülür. Bu iki metodu; analitik ve grafik çözüm yollarıdır. Analitik metod, matematik formülasyonu kullanırken, grafik çözümde diyagramlar kullanılır. Grafik metodda, en çok kullanılan kavramlardan biri de “vektörler”dir. Vektörel büyüklüğün özelliği, yönü ve büyüklüğünün olmasıdır. Bunun yanında, bu büyüklükler kendilerine has olan kurallarla hesaplanırlar. Mesela, bir vektörel büyüklük verilen belirli x, y ve z eksenleri doğrultusunda bileşenlere ayrılabilir. Vektörler genellikle boyu, büyüklüğüne eşit olan bir okla gösterilir.
Hız, ivme ve kuvvet
Hareketin iki önemli kavramı “hız” ve “ivme”dir. Hız, cismin yer değiştirmesinin zamana bağlı değişimidir. Birimi cm/saniye, metre/saniye veya kilometre/saat olabilir. “Momentum” veya “hareket miktarı”, cismin kütlesiyle hızının çarpımından ibarettir. Hızın zamana göre olan değişimi ise ivme olarak isimlendirilir, birimi cm/s2 veya m/s2 olabilir.
Mekanikte kuvvet, cisimlerin karşılıklı etkilerinden doğar. Ayrıca kuvvet, cisme ivme vererek etkisini gösterir. Meydana gelen ivme a, kütle/m olmak üzere bileşke kuvvet F ile aynı yönde olup, F= ma bağıntısından hesaplanır.
Newton’un hareket kanunları
Pratik olarak mekanik, Newton’un üç kanunu ve yerçekimi teorisi üzerine kurulmuştur: 1) Bir cisme kuvvet etki etmedikçe ismin durumunda hiçbir değişiklik olmaz veya düzgün doğru hareketi yapıyorsa, buna devam eder. 2) Bir cisme bir kuvvet etki ederse, kuvvet doğrultusunda cisim ivme kazanır. Bu ivme, etkileyen kuvvetle doğru, cismin kütlesiyle ters orantılıdır. 3) Her kuvvet zıt yönde ve eşit şiddette bir tepki doğurur.
Dördüncü kanun olan kütlesel çekim kanunu, gök cisimlerinin hareketlerini açıklamak için geliştirilmiştir. Buna göre, herhangi iki cisim birbirlerini m1 ve m2 kütleleriyle orantılı, arasındaki d mesafesinin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çekerler.
F= G m1 m2/d2
Burada G, kütlesel çekim sabiti olup boyutlu bir büyüklüktür.
G= 6,670x10-8 dyne cm2/g2.
Denge
Mekaniğin bir dalı olan statik, hareketsiz cisimlerin dengesiyle meşgul olur. Bu tür problemler, kararlı denge metodu ve virtüel iş prensibi ile çözülebilir. İlk prensipte, cisme etki eden kuvvetlerin ve momentlerin, her doğrultuda dengede olduğundan hareket edilir. Yani etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır olmalıdır. Bu, pratik olarak seçilen dik eksen takımında, bütün kuvvetlerin ayrı ayrı bileşenlere ayrılması ve sonra bunların her eksen için toplanarak sıfır eşitliğinin kontrol edilmesinden ibarettir.
Moment
Şekil değiştirmeyen bir cisim, öteleme hareketi yanında, bir eksen etrafında dönme hareketi de yapabilir. Bu dönme hareketi, birbirine paralel ve eşit büyüklükte kuvvet çifti tarafından doğurulur. Kuvvet çiftinin döndürme etkisi, kuvvetlerin büyüklüğü ve aralarındaki mesafeyle doğru orantılıdır. İşte bu etki, moment olarak isimlendirilir. Böyle dengenin ikinci tür şartına gelinir. Bu şart, cisme etkiyen momentlerin bileşkesinin sıfır olmasıdır. Bu da pratik olarak, cisme etkiyen kuvvetlerin, birbirine dik seçilen eksen takımına göre olan momentlerin ayrı ayrı toplanıp, sıfır etmesi şartıyla kontrol edilir.
Dengedeki bir cisme etkiyen kuvvetler, eğer cisim şekil değiştirmez kabul ediliyorsa, etki eksenleri boyunca kaydırılabilir. Bir kuvvetler sistemi, ancak bileşkesi büyüklüğünde ve ters yönde bir kuvvet etkisiyle dengelenebildiği halde, bir kuvvet çifti ancak momenti, yani döndürme şiddeti eşit fakat ters olan bir kuvvet çiftiyle dengelenir.
Kütle merkezi ve ağırlık merkezi
Kütle merkezi, cisimdeki bütün maddesel noktaların momentlerinin toplamlarının sıfır ettiği noktadır. Denge şartları bakımından, cismin bütün kütlesi burada toplanmış gibi bakılabilir. Yerçekimi kuvveti, kütle ile orantılı olduğu için, klasik mekanikte, kütle merkezi ile ağırlık merkezi aynı kabul edilir. Eğer cisimde kütle yayılışı düzgünse bu nokta, aynı zamanda cismin geometrik merkezi ile çakışır.
Dairesel hareke
: Dairesel (dairevi) hareket, cismi devamlı yön değiştirdiği için, hızın büyüklüğünde bir değişiklik olmasa da, yönü değiştiğinden sürekli ivmelenir. Burada ivme (a), daima dönme merkezine yönelik olup, r dönme yarıçapı, v teğetsel hız ve ¥= u/r sabit açısal hız olmak üzere a= ¥2= v2/r şeklinde belirlidir. Eğer dairesel hareket düzgünse başka ivme mevcut değildir. Ancak dönme hızı zamana bağlı değişiyorsa teğetsel bir ivme mevcut olur. Bu merkezsel ivme, cismi dairesel yörüngede tutmağa yarar. Dairesel hareketin doğması için cisme dönme merkezine doğru kuvvet tatbik edilir. Bu kuvvet, cisimde hasıl olan “merkezkaç kuvveti” ile dinamik dengede bulunur. Bu iki kuvvet, etki-tepki şeklinde olup, m cismin kütlesini göstermek üzere F= mv2/r olarak ortaya çıkar. Bir cismi dairesel yörüngede bulundurmak için böyle bir kuvvetin tatbikine ihtiyaç vardır.
Basit harmonik hareket
Bir dairesel harekete, bulunduğu düzlemde bakıldığında, ortaya çıkan, gel-git yani titreşim şeklinde bir hareket türüdür. Hareketin periyodu, tam bir devrin yapılması için geçen zamandır. Harmonik harekette maddesel nokta, bir denge konumu etrafında hareket eder. Bu konumdan olan mesafesi, noktanın yerdeğiştirmesidir. Bu tür harekette, ivme yerdeğiştirme ile orantılı fakat ters yöndedir. Harmonik harekete tabiatta çok sık rastlanır. Serbest bırakılan yayların ve sarkaçın hareketi bu türdendir. Bir sarkaçın periyodunun, boyuna ve o yerdeki yerçekimi ivmesine bağlı olduğu çok eskilerden beri bilinmekteydi. Yani titreşim yerdeğiştirme küçük kalmak şartıyla, sarkaçın periyodu, yerdeğiştirme miktarına bağlı değildir. Bu sonucu kullanarak, çeşitli yerlerde yerçekimi ivmesini ölçmek mümkündür. Jeolojide gravimetre adı verilen aletler bu esasa göre çalışır.
İş
Bir kuvvetin yaptığı iş, kuvvet doğrultusunda meydana gelen yerdeğiştirmeyle kuvvetin çarpımına eşittir. Eğer kuvvet doğrultusunda bir yerdeğiştirme meydana gelmiyorsa, iş sıfırdır. Çok büyük bir ağırlığı tutan kimse onu düşey doğrultuda hareket ettirmezse, mekanik bakımından yaptığı iş, sıfırdır. Buna benzer şekilde, eğer sürtünme veya kayma yoksa dönme hareketinde de hiç bir iş yapılmaz. İşin birimi kgm, dyne-cm (erg), Newton-metre (joule) olabilir.
Virtuel iş metodu
Bu prensip, “Dengede olan bir sisteme çok küçük yerdeğiştirmeler verildiğinde yapılan iş sıfır”dır şeklinde ifade edilebilir.
Enerji
Enerji, iş yapabilme kapasitesidir. Potansiyel ve kinetik diye iki bölüme ayrılır. Potansiyel enerji, depolanmış kullanılabilecek enerjidir. Bütün cisimlerde bu tür enerji mevcuttur. Mesela, gerilen bir yay veya yükseğe kaldırılan bir cisim potansiyel enerji kazanır. Yani, boşaldığında iş yapabilirler. İkinci durumda kazanılan potansiyel enerji, cismin ağırlığı ile yüksekliğin çarpımından ibarettir. Tabii başka tür depolanmış enerjiler de mevcuttur. Mesela, kömürde, dinamitte ve bitkilerde depolananlar gibi. Bir cismin kinetik enerjisi ise kütlesi ile hızının karesinin çarpımının yarısına eşittir. Newton’un ikinci kanunu bu enerjilerin toplamının hareket boyunca korunduğunu ifade eder. Bu sonuç tabiatta enerjinin farklı şekillere girerek değişikliğe uğradığını ortaya koyar. Her ne kadar sürtünme ile enerji azalır, kaybolur gibi görünse de, halbuki bu sadece ısı enerjisine dönüşmektedir. “Güç”, yapılan işin zamana bağlı değişimidir. Mesela “Beygirgücü”, saniyede 75 kgm’lik, “Watt” ise saniyede 1 joule’lük işe karşı gelir. Dönen bir cismin kinetik enerjisi, atalet momenti ile cismin açısal hızının karesinin çarpımının yarısına eşittir. Atalet momenti cismin kütlelerinin, dönme eksenine olan uzaklıklarının kareleri ile çarpımlarının toplamlarına eşittir.
Sürtünme
Bir yüzeyin diğer yüzey üzerinde değerek hareket ederken, karşılaşılan dirençtir. Sürtünme, pekçok işin yapılabilmesini sağlar. Ancak, verimi azaltır. Bir tür enerji, diğer tür enerji şekline dönerken, bir kısmı ısı enerjisi olarak kaybolur. Sürtünme kuvveti, hareketi önleyici yönde ve yüzeye paralel olarak ortaya çıkar. Bu kuvvet, yüzeye tatbik edilen kuvvetle, değen iki yüzeyin özelliğine bağlı bir katsayıyla orantılıdır
Kuvantum Teorisi atomik olaylardaki enerjiyi açıklamaya yarayan bir fizik teorisi. Kuvantum kelimesi yalnız başına kullanıldığında bir sistemin değiştirebileceği enerjinin küçük bir kısmı anlamına gelir. Mesela foton, elektromanyetik radyasyon kuvantumudur. Kuvantum teorisi enerjinin devamlı olmadığını ve seviyelere sahip olduğunu, bu seviyelerin küçük kademeler halinde değişebileceğini matematik ifâdelerle açıklar. Mesela; bir atomda elektronların çekirdek etrafında kendi yörüngelerindeki hareketleri, siyah cismin küçük miktarlar hâlinde ısı yayması(Max Planck’ın siyah cismin radyasyonunu buluşu), fotonun elektromanyetik radyasyonu (Bohr teorisi), fotoelektrik olayı, atom spektrumu (tayfı) kuvantum teorisi ile izah edilebilir. Kuvantum teorisi üzerine yapılan çalışmalar şunlardır:
Plank’ın radyasyon teorisi: 1901 senesinde Alman fizikçisi bir cismin ufak bir oyuğundan yaydığı ısı enerjisinin frekans dağılımını (radyasyonunu), ışığın elektromanyetik teorisine benzeterek, cisme âit en küçük parçalarının titreşimler yaparak yaydığı enerjisine benzetmiş ve matematik olarak bunu ifade etmiştir. Yaptığı hesaplardan, bu titreşimlerin genliklerinin sınırlı olması gerektiğini anladı. Meselâ bir salınımın veya titreşimin genliği 1 m veya 2 m olabilmekteydi, arada bir değer alamamaktaydı. Bunun sonucu olarak, sadece belirli genlikteki salınımlara müsaade edildiğinden dolayı, enerji artık düzgün bir şekilde alınamamaktaydı veya yayılamamaktaydı. Böylece işlem sarsıntılı olarak, müsâade edilen bir genlikten diğer genliğe sıçrayarak ortaya çıkacaktı. Böyle bir sıçramayı ortaya çıkarmak için gerekli olan enerji miktarını bir “kuvantum”luk enerji olarak isimlendirdi. Ayrıca bir kuvantumluk enerjinin, salınımın frekansı ile, planck sâbiti denen sabit bir sayının çarpımına eşit olduğunu kabul etti. Bu sabite h=6,62x10-27 erg. sâniye şeklinde çok küçük bir değer olduğu için sıçramalar da çok düşüktür.
Bu kabuller o kadar değişiktir ki, Planck bile geçerliliğinden şüpheye düştü. Ancak 1905’te Albert Einstein, önemli bir adım atarak, bunları ciddi bir şekilde inceledi. Işığın kendisinin kuvantumların birleşmesinden meydana gelen tâneciklerden ibâret olduğunun kabul edilmesi gerektiğine işâret etti. Yoksa, teoride bir dengesizlik ortaya çıkmaktaydı. Şimdi bu tâneciklere “foton” denilmektedir ve bunların enerjileri, frekansları ile Planck sâbitinin çarpımına eşittir. E=hxf. Bu kabul, metalik bir yüzeye ışığın çarpmasıyla bu yüzeyden elektronların koparılması olayını açıklayarak pekiştirdi. Buna “fotoelektrik” olayı denilir. (Bkz. Fotoelektrik olay)
Dalga ve parçacık teorisi: On yedinci yüzyılda Isaac Newton, ışığın parçacıklardan meydana geldiğini kabul etmiş ve bir geometrik optik geliştirmişti. Ancak daha sonra meydana gelen gelişmeler ve ışığın hızının diğer şeffaf cisimlerde ölçülmesi, James Clerk Maxwell’in geliştirdiği elektromağnetik dalga teorisinin kabulünü zorlamıştı. Ancak Einstein’in çalışmasıyla parçacık teorisi canlanmış ve dalga teorisiyle rekabet eder duruma gelmiş oldu.
Atom spektrumu (tayfı): 1993’te Danimarkalı Niels Bohr kuvantum fikrini, klâsik teorilerin o zamana kadar açıklayamadığı, atom spektrumu teorisine tatbik ederek önemli bir adım attı. İngiliz Ernest Rutherford’un yaptığı deneylerden, atomun minyatür güneş sistemi gibi, ortasında pozitif yüklü bir çekirdek etrafından dönen elektronlardan ibâret olduğu kabûlünü getirdi. Ancak atomu tutan elektriksel kuvvetlerin, kütle çekim kuvvetlerinden farklı olduğunu iddia eden Maxwell, elektronların yörüngelerinde kararlı olmayacağını bildirdi. Buna göre elektronlar enerjilerini sürekli frekansa sâhib olan ışık şeklinde yayacaklardı. Bu ise atom spektrumunda görülen ayrık frekansları açıklamaktan uzaktı. Hattâ atomların kararlı durumu bile açıklanamıyordu.
Bohr klâsik teorinin kabullerinden ayrılarak bâzan eskiye taban tabana zıt yeni kabuller yaparak işe başladı:
a) Elektronlar kararlı yörüngeye sâhipptirler.
b) Yörüngelerinde bulundukça enerji yaymamaktaydılar.
c)Sâdece belirli yörüngeler mümkündür. (Aynen Planek belirli salınım genliklerine izin verdiği gibi.)
d) Elektronlar bir yörügneden diğer yörüngeye sıçrayabilmektedirler. Ancak bu halde meydana gelen enerji farkı, foton yaymak veya almakla karşılanacaktır. Bu fotonun “f” frekansı da “E” enerji farkının “h” Planck sâbitine bölünmesiyle elde edilecekti: f=E/h
Bu kabuller şaşırtıcı sonuçlar çıkardı. Bohr, yüksek bir yaklaşımla hidrojen atomunun spektrum frekanslarını hesapladı. Eski ve yeni kabullerin karışımı olan bu teorinin sonuçları artık herkesin dikkatini çekmekteydi.
Bir elektronun hareketinin kuvantum sayıları denilen belirli sayılara bağlı olduğu anlaşılmıştı. Kuvantum sayıları tam sayılar veya tek sayıların yarılarından ibâretti. Bu sayılar Bohr teorisindeki müsâade edilen yörüngelerle ilgiliydi. Bohr’un teorisiyle atomun içine nüfuz edilmekte olduğu için, bu teorinin önemi büyüktür. Ancak seneler sonra bilim adamları, bunun da açıklayamayacağı olaylarla karşılaştılar. Bunun sonucu olarak iki farklı yönden gelinerek bir modern teori geliştirildi.
Dalga mekaniği: 1923’te Fransız Louis de Broglie, ışığın dalgalar tarafından iletilen fotonlardan ibâret olduğunu iddiâ etti. Ona göre elektron ve diğer atomik parçacıklar da dalgalarla hareket etmekteydi. Ayrıca iddiâsının Bohr’un müsâade edilen yörüngeler kabûlüyle de uyuştuğunu gösterdiyse de pek dikkati çekmedi.
Erwin Schrödinger 1925’de bu iddianın dalga kısmını alarak, Newton’un mekaniğine tatbik etti. Bu yeni ortaya çıkan “Dalga Mekaniği”ne göre elektronlar parçacıklar olarak değil, farazi bir matematiksel uzayda yayılı dalgalar olarak belirmekteydi. Bu kabuller, Planck’ın salınımlarının kuvantum davranışlarını, hidrojen atomunun spektrumunu açıklaması ve çok önemli kuvantum sayılarını doğrudan doğruya ortaya çıkarması yönünden, ciddiye alındı. Daha sonra yapılan deneyler De Broglie’nin madde dalgalarının mevcûdiyetini de göstermiştir.
Madris mekaniği: Werner Heisenberg de 1925’de tamâmen farklı bir yol takip ederek, temel fiziksel büyüklükleri düzenli bir şekilde tablolar halinde yazdı. Bunlara matris denildiği için, teorisi de “Matris Mekaniği” olarak isimlendirildi. Bir parçacığın koordinatını ve momentumunu (kütlesiyle hızının çarpımı) q ve p ile gösterdiğinde p kere q nün, q kere p olmadığını ve aradaki farkının Planck sâbitiyle ilgili olduğunu keşfetti. Bu, günümüzde modern atom teorisinin temel taşlarından birini teşkil etmektedir. Heisenberg’in teorisi görünüşte çok farklı zannedilen Schrödinger’inkiyle aynı sonuçları vermekteydi. P. A.M. Dirac ise, her ikisinin klâsik mekaniğe çok benzeyen kuvantum mekaniğinin özel bir şekli olduğunu gösterdi.
Belirsizlik prensibi: Yukarıdaki gelişmeleri anlatan kuvantum teorisi bir başarıdan diğerine gitmekteydi. Ancak temelinin fiziksel bakımdan tutarlı olduğunda hâlâ şüpheler mevcuttur. Meselâ “p” momentum ile “q” koordinatlarının çarpımında eğer qxp çarpımı, pxq çarpımına eşit değilse bu büyüklükler alışılagelen değerler alamamaktaydılar. 1927’de Heisenberg, belirsizlik prensibini ortaya koyarak bu konuda rahatlık sağladı. (Bkz. Belirsizlik Prensibi)