Proton’un Manyetik Momenti

[Nergiz Kaplan]

Otto Stern ismini muhtemelen duymuşsunuzdur duymayanlar için kendisi ilk kez -ya da ciddi anlamda deneyle ilgilenen kişisi olarak- protonun manyetik momentini ölçmesiyle tanınır. Konuya giriş yapmadan önce birkaç şey eklemek istiyorum izin verirseniz. Niels Bohr atom teorisi bilindiği gibi ilk kuantum atom modelidir. Daha sonra Sommerfeld takip eder ve kuantum koşullanma dışında bu atom modelinin bir geçerliliği yoktur (sebebi ise spin denilen bir iç açısal momentumun varlığıdır).

Bohr tek bir kuantum sayısıyla bütün meseleyi hallederken (çünkü yörüngeler daireseldir burada) Bohr teorisini geliştiren Sommerfeld’te iki kuantum sayısı vardır. Nedeni de yörüngeleri elips şeklinde ifade etmesinden ileri gelir. Burada Sommerfeld elipsin iki çakışan ekseni olduğu için iki kuantum sayısı belirlemiştir (birisi bilindiği gibi ‘n’).

Bohr teorisinden spektrum çizgilerinin açıklanmasında daha elde tutulur veriler vermiştir. Diğer kuantum sayısı da ‘k’dır. Burada Stern Bohr teorisi için ‘eğer bu teori kanıtlanırsa fiziği bırakacağım’ demiştir. Tabi daha sonra fiziği bırakmadığı gibi, birde 1943 yılında Nobel almıştır. Neyse bunlar özel konular biz çalışmalarına bakalım (bu arada aynı şeyleri von Laue’da söylemiştir).

Stern-Gerlach deneyi Sommefeld’in alan kuantumlanması denilen bir olayı açıklamak için kullandığı bir ifadeyi deneyle uygulanmasından ileri gelir. Sommerfeld spektrum çizgilerinin ayrışmasının imkansız olduğunu ifade etmiş, daha sonra Hollanda’lı bilim insanı Peter Zeeman bu olayı kanıtlamıştır.

Nedir bu kanıtlanan olay?

Bir spektrum manyetik alana maruz bırakıldığında çizgiler kırılır. Bu olaya kısaca Zeeman olayı ya da diğer adıyla anormal Zeeman olayı denir. Burada Stern-Gerlach bir deney tasarlarlar, moleküler ışın; bu olay atomların yapısını açığa çıkarmada etkili bir yöntemdir. İçi boş bir silindir içerisine atomlar dağılır. Daha sonra bunlar silindir boyunca ilerler ve en son kaynakta (dedektörle) tespit edilirler. Sterm-Gerlach ise dedektörlerle değilde, manyetik alanda incelerler. Tabi bu teknik diğer bilim insanları tarafından pek ciddiye alınmaz ama yinede Stern deneyinde ısrarlıdır.

Deneyi şu şekilde tasarlar: Bir ısıtıcı (bu bazı kaynaklarda fırın olarak geçer) gümüş atomlarını ısıtır. Gümüş atomlarının bir çekirdeği ve 47 elektronu vardır. En son elektron yani 47. elektronun manyetik momenti ile elektronun spini orantılıdır. Demek oluyor ki ısıtıcıda atomlar rastgele yayılmışlardır ve diğer şekilde -klasik anlamda- bu durum belirli bir yere yönlenmiş olacaktı. Oysa bu durum iki yöne de sapmış durumdadır (yani aşağı ve yukarı olarak) bu klasik fiziğin açıklayamadığı bir durumdur.

Esasında deney bu şekilde gerçekleşmez, en son aşamadır bu. Çünkü protonun manyetik ölçümü demek kütlesi ile bir oranın yıkılması anlamına gelir.

Yerleşik bir düşünce protonun manyetik momenti (bu duruma kısaca nükleer manyeton) ile elektronun manyetik momenti (buna da kısaca elektron manyetonu denir) elektronun manyetik momentinin kütlesi ile tersini verir. Örneğin protonun kütlesi elektronun kütlesi oranı 1/1836’dır buna göre manyetik momentte bununla orantılıdır şeklinde bir düşüncedir.

Ama durum deneysel olarak tam olarak protonun 2,5 katı daha ağır olmasıdır. Şöyle ki protonun kütlesi (atıyorum) 2.10^-18 ise bunu 1836 ile bölün elektronun kütlesini bulacaksınız. Tam tersi yani 2.10^18 elektronun manyetik momenti diğer şekilde 1836’ya bölün ve çıkan sonucu 2,5 ile çarpın bu durum (yani gerçel olarak protonun kütlesi alınarak manyetik moment bulunabilir) protonun manyetik momentini verecektir, bu zorluğun nedeni elektron gibi protonunda bir iç açısal momentuma sahip olmasıdır. Yani spine oysa elektron için bu durum basittir zorluk ise protonun manyetik momentinin küçük olmasından kaynaklanır.

[1]. Prof.Dr.Erol Aygün – Prof.Dr.D.Mehmet Zengin – Kuantum Fiziği (Bilim Yayınları-2009)

[2]. Hidrojen – John. S. Ridgen – ODTÜ Yayınları (2013)