Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 5. Ünite: Çok Parçacıklı Sistemler ve Yaklaşım Yöntemleri

WKB Yaklaşımı ve Alfa Bozunması

Uranyum-238 çekirdeği, kinetik enerjisi $4{,}27\,\text{MeV}$ olan bir alfa parçacığı salar; oysa aynı çekirdeğin Coulomb bariyeri yaklaşık $35\,\text{MeV}$ yüksekliğindedir ve yarı ömür 4,5 milyar yıldır. Polonyum-212 ise yalnızca iki kat büyük enerjili alfalar salıp mikrosaniyede bozunur. Bu 24 mertebelik farkı açıklayan, Gamow'un 1928'deki tünelleme modelidir ve modelin matematiği WKB (Wentzel–Kramers–Brillouin) yaklaşımıdır. Bu konuda yavaş değişen potansiyeller için yarı-klasik dalga fonksiyonunu türetecek, bağlantı formüllerini kullanarak $\oint p\,dx = (n + \tfrac12)h$ kuantizasyon kuralını elde edecek ve Ünite 1'deki Bohr–Sommerfeld kuralını düzelteceksin; ardından tünelleme olasılığı $T \approx e^{-2\gamma}$ ile alfa bozunmasının yarı ömrünü, Geiger–Nuttall yasasını ve modelin sınırlarını hesaplayacaksın.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Alfa Bozunması Bilmecesi

  2. Yarı-Klasik Dalga Fonksiyonunun Türetilmesi

  3. Bağlantı Formülleri ve WKB Kuantizasyonu

  4. Kalın Bariyerden Tünelleme ve Gamow Faktörü

  5. Gamow Modeli ve Geiger–Nuttall Yasası

  6. Modelin Sınırları

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

WKB yaklaşımı (WKB approximation)
Potansiyel yavaş değiştiğinde Schrödinger denkleminin $\psi \approx Cp^{-1/2}\exp(\pm\tfrac{i}{\hbar}\int p\,dx)$ biçimindeki yarı-klasik çözümü.
Dönüm noktası (turning point)
$E = V(x)$ olan, klasik parçacığın yön değiştirdiği nokta; WKB çözümünün ıraksadığı ve bağlantı formüllerinin gerektiği yer.
Bağlantı formülleri (connection formulas)
Dönüm noktasının iki yanındaki WKB çözümlerini Airy fonksiyonu aracılığıyla eşleştiren, izinli bölgede $\pi/4$ faz kayması öngören kurallar.
WKB kuantizasyonu
İki eğimli duvarlı kuyuda $\oint p\,dx = (n + \tfrac12)h$; dik duvarlarda faz kayması değişir. Bohr–Sommerfeld kuralının düzeltilmiş biçimi.
Gamow faktörü (Gamow factor)
$\gamma = \tfrac1\hbar\int\sqrt{2m(V - E)}\,dx$; tünelleme olasılığını $T \approx e^{-2\gamma}$ olarak belirleyen boyutsuz bariyer kalınlığı.
Klasik yasak bölge (classically forbidden region)
$E < V(x)$ olan, klasik parçacığın giremediği, kuantum dalga fonksiyonunun üstel sönerek bulunduğu bölge.
Dış dönüm noktası $r_t$
Alfa bozunmasında Coulomb potansiyelinin $Q$'ya eşit olduğu uzaklık, $r_t = 2Z_d e^2/(4\pi\varepsilon_0Q)$; bariyerin dış kenarı.
Geiger–Nuttall yasası (Geiger–Nuttall law)
Aynı elementin alfa yayıcılarında $\log t_{1/2}$'nin $1/\sqrt{Q}$ ile doğrusal ilişkisi; Gamow modelinde $\gamma \propto Z_d/\sqrt Q$'dan çıkar.
Ön-oluşum olasılığı (preformation probability)
Alfa kümesinin çekirdek yüzeyinde önceden oluşmuş bulunma olasılığı; Gamow modelinde 1 alınır, gerçekte daha küçüktür.

Örnek soru

Klasik izinli bölgede WKB dalga fonksiyonu $\psi \approx \tfrac{C}{\sqrt{p(x)}}e^{\pm\frac{i}{\hbar}\int p\,dx}$'tir. Bu çözüm için olasılık yoğunluğu $|\psi|^2$ hakkında hangisi doğrudur?

  1. $|\psi|^2 \propto 1/p(x)$; parçacık yavaş hareket ettiği yerde daha olasıdır, klasik yoğunlukla aynı
  2. $|\psi|^2 \propto p(x)$; parçacık hızlı olduğu yerde daha olasıdır
  3. $|\psi|^2$ sabittir, çünkü üstel faz modülü 1'dir
  4. $|\psi|^2 \propto 1/p^2(x)$; dönüm noktalarında sıfıra gider
  5. $|\psi|^2 \propto e^{-2\int p\,dx/\hbar}$; bölge boyunca üstel söner

Doğru cevap: A

Çözüm

1. $|e^{\pm i\phi}| = 1$; geriye $|C|^2/p(x)$ kalır.
2. $p = mv$ olduğundan $|\psi|^2 \propto 1/v$; klasik parçacığın $dx$ aralığında geçirdiği süre $dt = dx/v$ ile aynı orantı.
3. $|\psi|^2 \propto 1/p$: yavaş bölgelerde olasılık büyük.
"Sabit" şıkkı genliği unutmaktır. Üstel sönüm yasak bölgeye aittir; dönüm noktasında $1/p$ ıraksar (sıfıra gitmez), WKB'nin bozulduğu yer burasıdır.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular