Max Planck

Tıbbi bir vakıf olan Max Planck Topluluğu ile karıştırılmamalıdır.

Max Planck
Nobel Fizik Ödülü sahibi Alman fizikçi
Doğum	23 Nisan 1858 Kiel Almanya
Ölüm	4 Ekim 1947 Göttingen Almanya

Max Karl Ernst Ludwig Planck (23 Nisan 1858, Kiel - 4 Ekim 1947, Göttingen), Alman fizikçi. 1918 Nobel Fizik Ödülü sahibi.

"Kuantum Kuramı"nı geliştirmiştir. Termodinamik yasaları üzerine çalıştı. Kendi adıyla bilinen "Planck sabiti"ni ve "Planck ışınım yasası"nı buldu. Ortaya attığı kuantum kuramı, o güne değin bilinen fizik yasaları içinde devrimsel ve çığır açıcı nitelikteydi.

Hayatı

Almanya'nın Kiel şehrinde entelektüel bir ailenin çocuğu olarak dünyaya geldi. Babası Kiel Üniversitesi'nde hukuk profesörüydü. Orta öğrenimini Münih'te Max Millian Lisesi'nde tamamlayan Planck, bilime gönül vermiş bir öğretmenin etkisinde fiziğe özel bir ilgiyle bağlandı; bir yandan da ailesinin sağladığı olanakla piyano dersleri aldı.

Fizik öğrenimi için üniversiteye başvurduğunda, dönemin büyük fizikçisi Hermann Helmholtz, "Fizik'te artık yapılacak fazla bir şey kalmamıştır; ilerlemeye açık başka bir bilim dalını seçsen daha iyi olur." demişti. Ama Max, çocukluk hayalinden kopmamaya kararlıydı. Üstelik, üniversite öğreniminde, Helmholtz ve Kirchhof gibi gerçekten seçkin profesörlerin öğrencisi olmanın kendisi için kaçırılmaz bir fırsat olduğunu biliyordu.

Münih ve Berlin üniversitelerinde öğrenimini sürdüren genç fizikçinin hidrojen çözülümüne ilişkin doktora tezi, tüm meslek yaşamındaki tek deneysel çalışması olarak kalacaktı. Asıl ilgi alanı matematiksel fizik olan Planck, olağanüstü yeteneğiyle kısa sürede meslek çevresinin dikkatini çeker; daha otuz yaşında iken Berlin Üniversitesi fizik kürsüsüne atanır.

Bilimsel çalışmaları

Planck'ın uzmanlık alanı, termodinamik teori diye bilinen ısı bilimiydi. Işık radyasyonu üzerinde çalışırken Planck bir sorunla karşılaşır. Klasik fiziğin, "Enerjinin Eşit-bölünme Teoremi"ne göre kor halindeki bir cisimden salınan radyasyonun, hemen tümüyle, dalga uzunluğu olası en kısa dalgalardan ibaret olması gerekiyordu. Bu, küçük bir ısının bile son derece parlak bir ışık vermesi demekti. Öyle ki, vücut ısımızın bizi bir ampul gibi aydınlatması beklenirdi. Radyasyon enerjisi sürekli bir akış olarak varsayıldığından, spektrumun kısa dalga (yüksek frekans) kesiminin alabildiğine geniş olması, hatta sınırsız uzaması gerekirdi.

Başka bir deyişle dalga uzunluğunun giderek kısalmasıyla enerjinin sonsuza doğru artması söz konusuydu. Fizikçiler bu beklentiyi mor ötesi facia diye niteliyorlardı. Oysa, deney sonuçları spektrumda çok değişik bir enerji dağılımı ortaya koymaktaydı. Bir kez deney, hiçbir maddenin, ne denli akkor haline getirilirse getirilsin, sonsuz enerji salacağını kanıtlamıyordu. Sonra çıkan enerjinin büyük bir bölümünün orta dalga uzunluktaki kesimde olduğu görülüyordu.

Yerleşik kuram ile deney sonuçları arasındaki tutarsızlık gözden kaçmayacak kadar açıktı. Sorun deneysel verilere dayalı hesaplamalarda bir hatadan kaynaklanmıyor idiyse, yerleşik kuramın yetersizliği söz konusu olmalıydı.

Planck'ın yetkin örnek olarak aldığı kara-cisim üzerinde yürüttüğü kuramsal çalışması 1900'de yayımlanır. Çalışmanın dayandığı temel düşünce şuydu: Madde her biri kendine özgü titreşim frekansına sahip ve bu frekansla radyasyon salan vibratörlerden ibarettir. Gerçi bu düşüncenin yürürlükteki kurama ters düşen yanı yoktu: Ne var ki, Planck aynı zamanda vibratörlerin enerjiyi sürekli bir akıntı olarak değil, bir dizi kesik fışkırmalarla saldığı görüşünü de ileri sürmekteydi. Bu demekti ki, belli bir frekanstaki bir osilatörün saldığı veya aldığı enerji ancak tam birimler biçimde olabilir; birim kesirleriyle olamazdı. 1900 yılında Kuantum Mekanigini keşfetmiştir. Planck'ın çözüm arayışında başvurduğu istatistiksel yöntemin de, inceleme konusu ilişkilerin sayılabilir olmasını gerektirmesi, radyasyon enerjisinin bireysel bölümlerden oluştuğu varsayımını kaçınılmaz kılıyordu.

Önerilen çözüm basitti: Gözlem sonuçlarıyla bağdaşmayan sürekli akış varsayımından vazgeçmek! Ne var ki, şimdi oldukça açık ve mantıksal görünen bu çözümün o dönemde hemen benimsenmesi bir yana, akla yakınlığı bile kolayca düşünülemezdi. Doğanın sürekliliği bir hipotez ya da sıradan bir varsayım olmanın ötesinde doğruluğu sorgulanmaz bir inançtı adeta! Newton mekaniği gibi Maxwell'in elektromanyetik teorisi de doğanın sürekliliğini içeriyordu.

Nitekim elektromanyetik teoriyi deneysel olarak doğrulayan Hertz, ışığın dalga teorisine değinerek bu teoriyle fiziğin değişik kollarının sağlam, tutarlı bir bütünlük kazandığını belirtmekten geri kalmaz.

Yerleşik bir kuramı sorgulamak kolay değildir gerçekten. Hele yeni bir kuram oluşturmak, üstün zeka ve hayal gücünün de ötesinde yüreklilik ister. Doğrusu, Planck'ın, getirdiği çözümle devrimsel bir gelişmeyi başlattığının farkında olduğu; dahası çözümünün, bağlı olduğu klasik fiziği sarsabileceğini öngördüğü söylenemez. Ama onun yadsınamaz yanı, karşılaştığı soruna gösterdiği olağanüstü duyarlılıktı.

Bir özelliği de özentisiz olmasıydı: Çözümüne deneysel verileri matematiksel olarak dile getiren masum bir formül gözüyle bakıyordu. Oysa, "kuvantum" dediği bir enerji paketi ile bir dalga frekansı arasındaki ilişkiyi belirleyen denklemi $E = h \cdot \nu$, bilimde yeni bir devrimin temel taşıydı [Denklemde E enerjiyi, ν radyasyon frekansını, h ise Planck sabiti denen sayıyı
($h = 6{,}62607 \cdot 10^{-34}\,\rm{J\,s} = 4{,}13567 \cdot 10^{-15} \rm{eVs} ,$) göstermektedir]. Buna göre, bir enerji kuvantumu, dalga frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir (ışık hızı gibi doğanın temel değişmezlerinden sayılan h, herhangi bir radyasyon enerji miktarının dalga frekansına orantısını simgelemektedir).

Planck'ın önerdiği hipotez başlangıçta hiç değilse ışığın dalga teorisine doğrudan bir tehlike oluşturmuyordu, belki. Ama klasik fiziğin önemli bir ilkesi olan doğanın sürekliliği varsayımı sarsılmıştı. "Doğa asla sıçramaz" anlamına gelen eski Latince özdeyiş, Natura non facit saltus geçerliliğini sürdüremezdi artık!

Kaldı ki, çok geçmeden Einstein'in 1905'te ortaya koyduğu "Fotoelektrik etki" diye bilinen teorisiyle ışık da kuvantum teorisinin kapsamına girer. Böylece ısı, ışık, elektromanyetizma vb. radyasyon türlerinin tümünün kuvanta biçiminde verilip alındığı hipotezi doğrulanmış olur. Bu hipotez daha sonra Bohr, Schrödinger, Heisenberg vb. bilim adamlarının önemli katkılarıyla çağımız fiziğine egemen kuvantum mekaniğine dönüşür. Planck, istemeyerek de olsa bu büyük devrimin öncüsüydü.

Çağımızın ünlü fizikçisi Born, Planck'ın bilimsel kişiliğini kısaca şöyle belirtmişti: "Yaratılıştan tutucu bir kafa yapısına sahipti; "devrimsel" diyebileceğimiz hiçbir eğilim ve özentisi yoktu. Olguları aşan spekülasyonlardan da hoşlanmazdı. Ne var ki, salt deney verilerine olan saygısı nedeniyle, fiziği temelinden sarsan en devrimci düşünceyi ileri sürmekten de kendini alamadı."

Bu erdemli kişi, ne yazık ki, uzun yaşamını trajik bir kararla noktalamak zorunda bırakılır. Yedi çocuğundan yaşamda kalan tek oğlu 1944'te Hitler'e suikast suçlamasıyla yakalananlar arasındaydı. Nazi yöneticilerinin yaşlı Planck'a önerileri "basit" olduğu kadar korkunçtu: "Nazizme inanç ve bağlılık duyurusunu imzala, oğlun idamdan kurtulsun!" Planck, tek umudu olan oğlunun ölümü pahasına, yaşam anlayışına ters düşen duyuruyu imzalamaz!

Dış bağlantılar

• Max-Planck-Gesellschaft

Wikimedia Commons'ta

Max Planck ile ilgili çoklu ortam belgeleri bulunur.

PLANCK KANUNU, KUANTA ŞEKLİNDE IŞIMA

   Planck’ın adını aslında ampirikti. Planck, Wien formülünün paydasına eksi bir eklemek ve Wien’in sabitlerini de ayarlamak suretiyle bir formül elde etti.Uzun dalga boylarında Rayleigh formülüne de indirgenebilen bu formül,bütün dalga boylarında deneysel eğri ile uygunluk gösterdi.Plancki doğru formülü bulunduğunu ve bunun türetileceğine inandı.Planck’ın durumu,cevap için çantasındaki kitaplara bakmak lüzumunu hisseden bir öğrencininki gibi idi ve yapılacak iş buluğu formülü mantıklı olarak ifade etmekten ibaretti.Planck,doğru olan bu formülü türetebilmek için düşündüğü bütün klasik fizik metotlarını denedi.Sonuç olarak Rayleigh’in hesabında bir kusur bulunmadığını ve kusurun klasik fiziğin kendisinde olduğunu gördü.
   Planck, Rayleigh formülüne, ışınım kararlı dalgalarının ana modla birlikte sonsuz sayıda harmoniklerinin ihtiva ettiği kabulünden ileri gelen mor ötesi felaket denilen durumun oluştuğunu ve bunun giderilmesi gerektiğini ifade etti.Her mod ortalama olarak  kT enerjisine sahipti.Planck, mod başına ortalama enerjisinin  kT olduğu hususunu daha geniş olarak inceledi.
    Aranılan ortalama, her enerji seviyesindeki ossilatör sayısı ile o seviyedeki enerji değerlerinin çarpımlarının toplamını, bütün seviyelerdeki ossilatörlerin sayısına bölmek suretiyle bulunabilir.
   Herhangi bir ossilatörün serbestlik derecelerinin her biri ile ilgili enerjinin, küçük bir enerji birimi olan u nun m tam katı olduğunu kabul edelim. Öyleki bu enerji birimi mümkün olduğu kadar küçük seçilerek sıfıra yaklaştırılabilsin.(Bu noktada uygulanan metot, Boltzmann tarafından 1877 de gaz moleküllerinin kinetik enerji dağılımları için kullanılan yöntemi takibetmektedir.) Enerjileri mu olan ossilatörlerin sayısı Boltzman dağılım kanunu ile verilmiştir.Bu da,
                         n m=noe-mu/kT                                                                    (1)

dir. n m adet ossilatör tarafından verilen enerji de aşikar olarak

                    munm=munoe­mu/kT                (2)
 dir.m bir tam sayı olduğu için denklemi
                     ϖ=(O+u e-u/kT+2u e-2u/kT+3ue-3u/kT+⋯)/(1+e­u/kT+e-2u/kT+ e-3u/kT+⋯)               (3)

olur. x=e-u/kT kabul ederek (3) denklemi

                  ϖ=ux.(1+2x+3x2+⋯)/(1+x+x2+⋯)                     (4)

olarak yazılabilir. Bu yakınsak serinin (x<1) limitleri, bilinen usullerle bulunulabilir. Paydaki serinin yakınsaklık limiti 1/(x-1)2dir.Doğruluğu bu ifadeyi binom teoremine göre açmakla araştırılabilir. Paydadaki ise basit bir geometrik seri olup 1/(x-1) e yaklaşmaktadır. Bu limitleri (4) denklemde yerine koyarsak

                                   ϖ=ux  (1/(x-1)2)/(1/(x-1))  =  ux/(1-x) =  u/((1/x)   ̶ 1)                 (5)

elde edilir. x in yerine değeri konursa,

                                    ϖ=u/(eu/kT  ̶1  )                    (6)

bulunur. Şimdi denklem (6) yı birim hücre boşluğundaki mod sayısı ile çarparak dλ lık dalga boyu için aşağıdaki enerji yoğunluğu elde edilir.

                      ψλdλ= 8π/(λ4  )   u/(eu/kT  ̶1  )  dλ    (7)

Tekrar hatırlamak gerekir ki, bu ifadenin türetilmesinde, bir ossilatörün enerjisinin bir bütün olduğu ve küçük bir enerji birimi u nun m tam katı olduğu kabul edilmiştir. Bu u nun sonsuz küçük olduğu ve limitinin sıfıra yaklaşması haline eşdeğerdir. Eğer denklem (6) da u=0 konursa denklem 0/0 lık belirsiz hal alır. Buna L. Hospital metodu uygulanarak pay ve paydanın u ya göre diferansiyelleri alınarak u=0 konursa,

                                         ϖ=kT                     (8)

bulunur. Bu da Rayleigh’in klasik kabulüne tamamen uymaktadır. Yukarıda (7) denkleminde verilen bağıntı Wien kanununa u nun sıfırdan farklı bir değeri için yeniden bakılmasını gerektirmektedir. Gerçekten iki eşitliğin paydaları eğer u nun değeri eksponansiyellerin üstlerini eşit yaparak şekilde seçildiği takdirde, eski bir hariç eşit olacaktır. u nun bu değerini elde etmek için,

                                                   c2/(λT  ) = u/(λT  )             (9)

veya

                                 u=c2/(λ  )=c2k/(c  ).f                                              (10)

alınır. Bu eşitlik c ışığın boşluktaki hızı, f de ossilatörün yayınladığı ısının frekansıdır. Eğer c2k/(c ) sabiti diğer bir h sabiti ile yer değiştirirse,

                                 u=hc/(λ  )=hf                                               (11)

bağıntısı elde edilir. u nun (11) deki değeri (7) denkleminde yerine konulursa siyah cisim ışınım enerji yoğunluğu için Planck kanunu elde edilir. Bu kanun,

                             ψλdλ=(8πchλ-5)/(ech/λkT-1 )dλ                       (12)

olup deneysel değerlerle uyumluluk göstermektedir. Grafiği şekil 1 de verilmiştir. Yeni sabit h, Planck sabiti olarak adlandırılmıştır. Görüldüğü üzere bu Wien’in c2 sabiti yardımı ile tayin edilebilir. Planck sabitinin değeri h=(6,6253±0,0003)×10-34 joule-sn dir.(Birimi açısal momentum birimi olduğuna dikkat etmelidir.) Böylece Planck, bir ossilatörün enerji seviyelerinin, h sabiti ile yayınladığı ışınım frekansının çarpımından ibaret bir bütün olduğu klasik olmayan kabulu ile kendi atılımlarının öncüsü oldu. E müsaade edilen en küçük enerji değişimini gösterdiğine göre Planck’ın meşhur kuantum denklemi,

                                  E=h.f                                                    (13)

dir. Planck,1900 yılında kuantum kavramını ileri sürdü ve bu kavramla ışınımın sürekli olarak yayılmadığı, kesikli ve her biri h.f ye eşit paketler halinde yayıldığı sonucuna varıldı. Bu ışınımın atomik teorisinin başlangıcı idi ve gelişerek kuantum teorisi haline geldi. Çeşitli frekanslardaki ışınımın kuantumlarının farklı büyüklüklerde olup atomik ve kesik oldukları aşikardır. Planck ilk olarak hipotezini yalnız össilatörler için ve onların yakın komşuluğunda yayınlanan ışınımlar için uygulanabilir olduğunu ve olsa olsa ışımaya ait Maxwell teorisi teorisinin hafif bir değişimi gibi düşündü. Bununla beraber ileride görüleceği üzere Planck, elektromagnetik dalgaların madde ile tesirleşmesine ait görüşleri değiştiren bir seri olayı başlatmış oldu.