ATOM FİZİĞİNDE DENEL YENİ BİR YÖNTEM: IŞIN YAPRAK TAYFLAMASI

UDK: 638.56.028: 589.1.01:544.6

Atom Fiziğinde Denel Yeni Bir Yöntem: Işın - Yaprak Tayflaması

Yazan:

Prof. Dr. Oktay Sinıuıoğlu ODTÜ — YALE

ÖZET Bu yazıda ışın tayflarımdan gök cisimlerindeki kimyasal öğelerin dağılımının bulunması için geçiş olasılığı A 'in hesaplanması üzerine önce alışılmış denel ve kuramsal yöntemler verilmiş, sonra da son bir yıl içindeki clcnel ve kuramsal atom fiziği gelişmeleri anlatılmıştır.

SUMMARY in this article, the Iheoretical and ezperımental methods to find the transition probability A{f of the dlstribution of the oîıemicol elements in the planets by means of speetrum of their lights are given and later developments in 'the field of atömic physics related to thıs subfect are explained.

1. OtRİŞ

Yıldızlarda, güneşte kimyasal öğelerin dağılımı, bollukları bize kadar gelen ışınların tayflarına bakılarak bulunur. Demir olsun, oksijen, azot olsun, öğelerin bollukları, evrenin oluğumu kuramları için gökbilimde gerekli verilerdir, ö ğ e bolluklarını tayflarda.1 çıkarmak içinse, ışık veren atomların uyarı hallerden ^ alt hallere(f) geçiş olasılıklarını (A)f) bilmeliyiz. Bu temel veriler atom fiziğinden gelir.

2. ALIŞILMIŞ DENEL VE KURAMSAL YÖNTEMLER

Bir atom gazından gelen ışığın yeğinliği, I, atomun önceki ( i ) halindeki yoğunluğu (N,) ile son (f) haline geçiş olasılığı (A|f) çarpımına bağlıdır.*

: N, A|f h V | (

(D

Eskiden A|f'lerin bulunması için, laboratuvarda, gazlar fırınlarda, elektrik arklarında yüksek sıcaklıkta atomlaştırılır, ordan gelen ışığın yeğinliği ölçülürdü. Denklem (Dk) (1) gösteriyor ki böyle bir ölçmede N( de kesinlikle bilinmelidir. N'yi hesaplamak için ışıldevlngen (termodinamik) denge varsayılırdı ki. atomların ayrıca çarpışırak ışıksız düşürgenmeleri işe

karışmasın. Pakat birkaç yıldır görüyoruz ki, meğer bu şekille ölçülen pekçok atom geçiş olasılığı, çok kez, iki kat, hatta on kat bile hatalıymış, denge varsayımları yapılamazıma.. Aşağıda bahsedeceğimiz yeni deney ve kuramlar bunu son <bir iki yılda gösterdi ve sonunda yem ve güvenilir geçiş olasılıkları verecek yöntemleri sağladı. Yeni veriler, gökbilimde hatalı verilerden doğan bazı çıkmazları yoketti.*1*

Peki yeni deneylerden önce, alışılagelmiş kuramsal hesaplarla coğru -A.|f'ler bulunamıyor muydu? Hayır. Alışılmış atom yapı kuramları bağımsız elektron hareketlerine, yörüngeçlero dayanıyordu.*** Fakat burda da elektronların

* i ile f arası erke farklı £Je kargın V | f titreşim sayılı (renkli) her ışık taneciği €|f ı= hVıf kadar erke taşır.

•* örneğin, gökcisimlerinde, güneşin retikküresi ile ısı küresinde demir bolluklarının aynı olması gerekirken 10 kat farklı çıkıyordu. Şimdi bolluklar tutuyor.

"••En kesin yörüngeç yöntemi, elektronların ortalama hareketlerini birbirine bağdaştıran Hartree - Fock yöntemidir. Bu bile, elektronlararası itişmeleri, yani «elektron kaçınımını» ele almadığı için yeterli sonuçlar vermez.

birbirine olan her an itme etkileri, yani «elektron kaçınımı» [1, 2] hesaba katılmadığından, geçig olasılıkları çok hatalı çıkıyordu. Demek ki gökbilimcilerin yetecek kadar, geçig olasılığı verileri bulup kullanmaları çok güçtü.

1965'te, deney ve kuramda birbirinden habersiz fakat sonradan başa baş giden, iki ayrı gelişme oldu. Deneyde «Işın - Yaprak Tayfölçümü» keşfedilirken, kuramda da, yeni «Açık Kabuk Çok Elektron Kuramı» bulundu. Bu iki gelişmenin sağladığı A|( verileri şimdi % 3—10 kesinliktedir. Birbirlerini tuttukları gibi, gökbilimde de birbirini tutan bollukların bulunmasına faydalı oldular.

S. IŞIN - YAPRAK TAYFLAMASI

1965'te Bashkin'in bulduğu bu yeni yöntemde [3], atomların geçiş olasılıkları (l/saniye) veya uyan hal ömürleri (Tsaniye), Dk. (l)'e lüzum kalmadan, doğrudan doğruya ölçülür.

T—

(2)

Birkaç bin elektron - voltluk (keV) devim erkesiyle bir kaynaktan çıkan atomlar bir ışın halinde gelip, çok ince (200 A kadar) bir karbon yaprağına çarparlar, ince yaprak, bu erkeli ışını durduramaz, atomlar gelir geçerler. Yalnız geçerken biraz uyarılırlar. İlk birkaçı uyan hale geçerler. Tabii iyonla<jıp, uyan halde iyonlara dönenleri de olur.

Şekil lJde görüldüğü gibi, şimdi bu uyarık atomlar, karbon yaprağın öbür yanına geçer geçmez, başlarlar düşürgenmeğe, düşürgenip ışık salmağa. Hem giderler hem ışık salarlar artık. Bu ara unutmayalım ki, örneğin 1 keV, devim erkesi ile gelen kütlesi m, bir atomun hızı,* saniyede 107 santimetre, yani saatte 400.000 km. Bir yandan da bu atomun uyank halinde kalış ömrü ı « , 10 "8 saniye. Demek ki, ömrü bitinceyedek, birkaç cm yol katedecek, ederken de ışığını salıp sönecek.

* 1 keV = 1,6x10 " l 2 x i o ' erg = — mv2 ve ^» 1,4 xlO7 cm/saniye.

İYON KAYNAĞI

Şekil 1.

T7

YAPRAK

IŞIN

,TAYF Ö1ÇER

İyon cn

Nn

NH OT Nm Nra ora ora orv

Çizelge 1. Atom halleri geçiş olasılıklarım ölçen titreşir - kuvveti fin kuramsal ve deneysel değerlerinin karşılaştırılması:

Geçiş

A (A ) (ışın dalga boyu)

f Hartree-Fock

Yörüngeç Yöntemi (RHF)

f (NBS)m (eski değerler)

fb (Çok-Elektron kuramı) (Yeni Yöntem)

f (Deneysel değerler)

İS2 2s2 2p (2P) -> Is2 2s2p2(2D)

İS2 2s2 2p2(3p) -» is2 2s 2p3(3D)

İS2 2S2 2p2(3p) -* Igî 2s2p3(3P) lS2 2s2 2 P 2 ( 3 P ) ^ l S 2 2s2p3(3S) İS2 2S2 2p (2P) -> İS2 2s 2p2(2D) l32 2S2 2 p ( 2 P ) ^ l 3 2 2s2p2(2P) İS2 2s2 2p2(3P) -> İS2 2s2p3(3D) Is2 2s2 2p2 (İD) -• Is2 2s2p3(iD) İS2 2S2 2p (2P) -• 132 2s2p2(2D)

916 645 991 686 834 600 789

0.263

0.236

0.170 0.334 0.213 0.577 0.200 0.534 0.179

0.17 (0.121)

0.17 ,

0.125 0.100

0.22 0.23 0.18 0.45 ' 0.15 0.37 0.15

-\ 0.137 0.218 0.114 , 0.399 0.100 0.297 0.106

0.114(±0.011)

0 109 (± 0.011 ) c 0.101 (±0.006)d

0.131(±0.007)d

0.189(±0.016)d

0.103 (±0.010)d

- 0.416(±0.075)d

0.102 (±0.002)e

0.091 (±0.002)e '

a. önceden kullanılan metinde, kaynak 4'te gösterilen NBS değerleri

b. Yeni Atom-Yapısı Kuramıyla (Kaynak 5-7) bulunan değerler. Kaynak-: O. Sınanoğlu, «Atom Fiziği» (Birinci Uluslararası Atanı Fiziği Çağrılı Bildirileri) (V. Hughes yayımcıları) (Plenurru Basımevi, New York 1969), Kaynak 7*deki hesaplar.

c. G. M. Lawrence ve B.D. Savage; Phys. Rev. 141, 67 (1966).

d. L. Heroux; Phys. Rev. 153, 156 (1967).

e. W. S. Bickel, Phys. Rev. 162, 7 (1967).

O.

ET

"•

Bu biçim bir atom ig'tunın saldığı ışık yeğinliği karbon yaprakta kuvvetli başlar, birkaç cm boyunca gitgide azalır. Biz, bu zayıflayan ışın kalemine yandan bir tayf ölçerle bakarsak, bildiğimiz çizgisel bir tayf görürüz. Yalnız belli bir çizgi, boylu boyunca aynı kalınlık ve yeğinlikte olacağma gitgide cılızlaşan bir çizgi olur. Yeğinliğin uzaklığa (x) karsın çizenekleşrırılmesiyle, Dk (3)'ten,

I (x) = I

(3)

t x_

V. T

kolayca bulunur.

ömür, T 'dan, A[f'in Dk. (l)'e göre bulunması için V{ titreşim sayılı, yani bu renkli ışığın hangi uyarı halden hangi alt hale geçiş sonucu salmdığmı bilmeliyiz.

Bu çoğunlukla bilinebiliyor. Yalnız bazan, birkaç hal arası geçişler karışabiliyor. O zaman «basamaklaş.ma» olayı var diyoruz ve -c 'dan asıl gerekli Apf*leri kolay çıkaramıyoruz.

Çizelge l'de bazı C,N,O, v.b. geçişleri olasılıkları gösterilmiştir. Eski yöntemlere dayanan NBS değerleri ile, yeni yöntem sonuçları arası farklar özellikle görülüyor.

4. YENİ ATOM - YAPI KURAMI SONUÇ-

LARI ÎLE KARŞILAŞTIRMA

ı,

Dediğimiz gibi, bilinen yörüngeç, H. F. gibi yöntemler de, yem olasılık ölçmelerini tutan sonuçlar vermiyordu. 1965'ten bu yana atomların uyarık halleri için önemli elektron kaçınımı etkilerini içine alan yeni bir atom-yapı kuramı geliştirildi [1, 2, 5]. Burda Schrödınger denkleminin çözümü olan, N-elektronlu dalga işlevlerine çok yaklaşılıyor, elektron - elektron itmeleri incelikle işitiliyor. Diyoruz ki, dalgaişlevin (ıh), ancak «yük dalga işlevi» (J>c) adlı [6] büyük bir kısmı geçiş olasılıkları hesaplarım etkiler Bu kısım J/C'ler, uyarık ve alt hal ler için kesinlikle, bilgi işlemde kullanılarak, yeni kuramın yönterrleri i'e, hesaplanılabiliyorlar. Geçiş olasılığı, «elektrik çıftucay işleri» nın (e 2| r,) iki hal arası bir matris öğesi karesiyle orantılı:

:-<!;_(1> I E*1, | J, (0 >i

(4)

Elektrik Mühenûlsllği 190

Bu yazıda Y"eni Atom-Yapı Kuramına daha fazla değinmeyeceğiz. O konuyu daha. yakından tanımak İsteyen okuyucu, başka bir yazımıza başvurabilir. Burada şu kadarı ile yetinelim ki, Kuramla Dk. (4) yoluyla bulunan A>f değerleri, yeni deneyleri, ufak deney sapmaları sınırlan içinde, Çizelge l'de gösterildiği gibi, tutuyor. Bazı hesaplar 1968'den beri, deneylerden önce yapılmış, bu suretle o A|('ler ilk kez, kuramsal yoldan bulunmuştu. Sonraki deneyler, böylece kuramı da doğrulamış oldu.

5. SONUÇ

Görülüyor ki son bir iki yılda, eski durumun tersine, artık, hem yeni Atom Kuramı, hem yeni denel yöntemler, atom geçiş olasılıklarını kesinlikle verebiliyorlar. Bu atom verileri, böylece, gökbilimde olsun, havaküre, iyonküre fiziğinde, etomfiziğinde ve kımyadolsun, daha kesinlikle kullanılabiliyorlar.

KAYNAKLAR

1. Elektron kaçınımı temel kuramlar için bk.: O. Sinanoğlu; «Atom ve Moleküllerin Çok Elektronlu Kuramı», a) Advs. Chem. Phys. 6 316 (1964); b) Advs. Chem. Phys. 14,237(1968), ve

2. O. Sinanoğlu ve K. A. Brueckner; «Atomlarda Elektron Kaçınımı» (Yale Üniversitesi Basımevi, New-Haven, A.B.D. ve Londra, ingiltere, 1970).

3. S. Baskkin; «Bilinci Işın - Yaprak Tayflaması Uluslararası Toplantısı Bildirileri» (Academic Presa Yayınevi, New York, 1965).

4. NBS (A. B. D. -jlusal özölçemleme Kurumu) Atom Geçiş Olasılıkları Cetvelleri (NBS. Vaşington, 1969).

5. «Yeni Nicem Kimyası (Modern •CJuantum Chemistry) — ts.anbul Dersleri» (Uluslar arası Nato - Yaz Okulu, İstanbul 1964) (J. Wiley Co., Ne w-York 1965) (Yayımcı : O. Sinanoğlu) (O. Sinanoğlu ve H. J. Sınanoğlu Bölümleri).

6. O. Sinanoğlu; «Atom Fiziği» (1. Uluslararası Atom Fiziği Çağrılı Bildirileri), (V. Haykes yayımcıları) (Plenum Basımevi, New York, 1969).

7. P. Westhaus ve O. Sinanoğlu; Physical Review, 183, 56 (1969).