Kimyasal Tepkimelerin Beklenenden Çok Daha Hızlı Çıkma Sebebi: Kuantum Tünelleme
Kuantum mekaniği genelde fizikçilerin ve matematikçilerin ilgi alanıymış gibi gözükür. Karmaşık denklemler sebebiyle anlamlandırılması zor fikirler, ve sanki kimya ile hiç ilgisinin olmadığı sanıldığı atom altı parçacıklar; herhangi bir kuantum mekaniği dersi alan kimyacının, tabiri caizse, “günlük hayatta ne yapacağım ben bunları?” demesini sağlayabilecek bir yapıyı ve formalizmi barındırır kuantum mekaniği.
Öte yandan, nanometre ve daha ufak mertebelere indikçe kuantum mekaniğinin etkilerinin arttığını düşünür ve ortalama bir atomun boyutunun 0.1 nanometre civarında olduğunu hatırlarsak, kuantum mekaniğinin kimyacıların çalıştığı temel taşların üzerinde ne kadar önemli olduğunu ucundan biraz kavrayabiliriz. Bu yazımda, kuantum mekaniğinin kimyasal reaksiyon hızları üzerine olan dramatik bir etkisinden bahsedeceğim; kuantum tünelleme.
Olasılıklar Evreni: Kuantum Mekaniği
Kuantum mekaniğini günlük hayatta alışageldiğimiz Newton (klasik) mekaniğinden ayıran en büyük özellik, kuantum mekaniğinin olasılıksal bir teori olmasıdır. Bunu şöyle açıklamaya çalışayım; herhangi bir anda belirli bir yükseklikten tenis topunu bıraktığınızda, klasik mekanik, temel olarak, tenis topunun bütün hareketini kesin bir şekilde formülize edecektir, yani siz herhangi bir anda topun tam olarak nerede olacağını ve hızının ne olacağını biliyor olacaksınız. Öte yandan aynı hesabı kuantum mekaniği ile yaptığınızda, topun pozisyonu ve hızı ile bir olasılık dağılımı elde edeceksiniz, yani topun konumu ve hızı hakkında sadece belirli olasılık değerlerinde bir fikriniz olacak; %30 ihtimalle şurada, %10 ihtimalle burada, diye. Peki, topun yerini tam olarak öğrenmemiz için ne yapmamız lazım?
Bunun için, sistemi gözlemlememiz lazım; yaptığınız gözlem olasılık dağılımının bir nokta üzerine “yoğunlaşmasını” sağlayacak ve topun nerede olduğunu bilmenizi sağlayacak. Burada önemli olan, “yoğunlaşma” işinin tamamen olasılık dağılımına bağlı olması ve tersinir olmaması. İşte kuantum mekaniği, genel olarak, bu olasılık dağılımının, veya “dalga fonksiyonunun” (aslında dalga fonksiyonunun mutlak değerinin karesi) belirlenmesi ve hesaplanması üzerine kurulu.
Potansiyelini Aşma Yöntemi: Kuantum Tünelleme
Güzel. Şimdi de bu olasılık dağılımının çökmesi (yoğunlaşması) olayının kimyaya olan etkilerinden bahsedelim. Kuantum mekaniksel olarak bulunan dalga fonksiyonu, bize bir olasılık dağılımı veriyorsa ve bu olasılık dağılımı yapılan gözlem ile olası durumlardan birisine çöküyorsa, parçacığımızı hiç “beklemediğimiz” yerlere taşıyabilir demektir. Öyle ki, parçacığımızın enerjisi yeterli olmasa bile onu, enerjisinden büyük potansiyel engellerini aşarken görebiliriz. Bunu şöyle canlandıralım; elinizdeki topu 2 metre yükseğe atıyorsanız onun 3 metre yükseklikteki duvarı aşmasını beklemezsiniz; ancak kuantum mekaniğinde 2 metre yükseğe atılan topun 3 metre yukarıdaki duvara tırmanma şansı var. İşte bu garip ama gözlemlenen olaya kuantum tünelleme diyoruz.
Dağların Üzerinden Geçmek Yerine Delerek İçinden Geçmek
Bu şekilde baktığımızda, kuantum tünellemenin kimyasal tepkimelerin hızları üzerinde dramatik bir etkisinin olması kaçınılmaz hale gelir. Günümüzde kimyasal reaksiyonların nasıl ve hangi hızlarda gerçekleştiğini anlamak için kullandığımız geçiş hali teorisine göre (transition state theory), parçacıklarımızın belirli geometrilerde ve belirli enerjilerde bir araya gelmesi ve enerjilerinin de tepkime için gereken potansiyel enerjinin üzerine çıkması gerekir. Diğer bir deyişle, eğer girenler ve ürünler arasında bir dağ olduğunu düşünürsek, geçiş teorisi bu dağın “üzerinden” geçmemizi zorunlu kılar. Elbette, bu enerjiye sahip parçacık sayısı yükseklik ile ters orantılı olduğu için, bu yükseklik arttıkça tepkimemizin hızı düşer. Halbuki, kuantum mekaniği bize bu dağın “içinden” tünel açarak geçmemize izin verdiği için, parçacıklarımız bütün o “yüksekliği” tırmanmak zorunda kalmadan tepkimeye girebiliyor ve haliyle de hızımızı artıyor.
Birkaç örnek verelim; mesela alkollerin asidik ortamda hidrojenlenmesi. Klasik bir şekilde hesapladığımızda hızımız, gerçek değerin 5-10 katı kadar altında çıkacaktır. Bunun sebebi ise yukarıda anlattığım gibi; hidronyum katyonundaki protonlar, bazen, enerjileri yetmediği halde aradaki bölgeyi tünellemekte ve alkole bağlanabilmekte. Bir başka örnek, proteinlerdeki elektron transferi, yani protein molekülündeki elektronlardan birinin ya da birden fazlasının aynı protein üzerinde başka bir yere taşınması veya başka bir moleküle aktarılması. Burada kuantum tünelleme çok temel bir rol oynar; iki protein molekülünün birebir uygun geometride çarpışması çok zor olduğu için, kuantum tünelleme elektron transferinin yapılabilmesini sağlayan yegane mekanizmalardandır.
Yeterli Enerji Olmadan Nasıl Potansiyel Engeli Geçiyor?
Konuyu bağlamadan önce, aklımıza gelmesi muhtemel iki soruyu cevaplandırmak istiyorum. Öncelikle, parçacıklarımız yeterli enerji olmadan potansiyel engelini nasıl geçiyor?
Matematiksel olarak geçme ihtimalleri var; fakat fiziksel bir resim isterseniz parçacığın “gerekli” enerji çevresinden ve boşluktaki enerji dalgalanmalarından “ödünç aldığını” düşünebilirsiniz. Bu şekliyle, tuhaf ve anlaşılması zor olan sadece bu enerjinin nasıl alındığını anlamak olacaktır ki onun cevabını bu yazıda verebilmem maalesef mümkün değil.
Tünellemede Gözlemcinin Bir Etkisi Var Mı?
İkinci sorumuz, madem tünellemenin temelinde olasılık dağılımının çökmesi var ve bu çökme gözlem ile oluyor, o halde sistemi gözlemlemesek tünelleme gerçekleşir mi?
Sonuçta, tepkimeyi başlatıp uzun süre herhangi bir ölçüm almadan çalıştırıyoruz ancak hızlar gene de beklediğimizden yüksek çıkıyor. Bu, cevabı oldukça zor olabilecek bir soru ve bizi kuantum mekaniğinde ölçümün ne olduğunu anlamaya ve irdelemeye itecektir. Yine de, kısaca şöyle söyleyeyim; incelediğimiz sistemlerde sürekli olarak meydana gelen vakum/boşluk dalgalanmaları, sistemde gözlem yapılmış etkisi uyandırıyor ve böylece “biz” gözlemlemesek de tünelleme işlemi gerçekleşiyor; sanki doğa sürekli kendini gözlemliyormuş gibi. Bu konuyu daha iyi anlayabilmek ve anlamlandırabilmek için, kuantum elektrodinamiği kaynaklarına başvurmanızı öneririm.
Tepkime Hızlarını Anlayabilmek İçin Kuantum Mekaniği Şart!
Özetle, kuantum mekaniği her ne kadar matematiksel olsa da, kimyacıların birebir uğraştığı tepkimeler ve hızları üzerinde önemli etkiler bırakmaktadır ve bundan dolayı her kimyacının kuantum mekaniğine dair temel bir anlayışının/altyapısının olması gereklidir. Kuantum mekaniği ise etkisini, pek çok farklı ve temel konuda olabileceği gibi, tünelleme etkisi ile tepkime hızlarının artması şeklinde göstermektedir.
Kaynakça ve İleri Okuma
KRÄMER, K. (2021, May 11). Call for chemists to stop ignoring quantum tunnelling. Chemistry World. Retrieved October 29, 2021, from https://www.chemistryworld.com/news/call-for-chemists-to-stop-ignoring-quantum-tunnelling/3008527.article.
McMahon, R. J. (n.d.). Chemistry. Chemical reactions involving quantum tunneling. Meta. Retrieved October 29, 2021, from
https://khepri-node.dev.meta-infra.org/papers/chemistry-chemical-reactions-involving-quantum/12574607.
Staff. (2013, September 10). Quantum tunneling allows “impossible” chemical reactions to occur in space. SciTechDaily. Retrieved October 29, 2021, from https://scitechdaily.com/quantum-tunneling-allows-impossible-chemical-reactions-occur-space/.
Kaynak gösterilmeyen görseller, Canva Pro aracılığıyla telif hakkı ödenerek kullanılmaktadır.
Bize Destek Olmak İster Misiniz?
- Dilerseniz Patreon hesabımız üzerinden bize aylık veya tek seferlik bağış yaparak destekte bulunabilirsiniz.
- Daha detaylı bilgi almak için “Bize Destek Olabilirsiniz!” sayfamızı inceleyebilirsiniz!
