Açısal momentum

Açısal momentum, herhangi bir cismin dönüş hareketine devam etme isteğinin bir göstergesidir ve bu nicelik cismin kütlesine, şekline ve hızına bağlıdır. Açısal momentum bir vektör birimidir ve cismin belirli eksenler üzerinde sahip olduğu dönüş eylemsizliği ile dönüş hızını ifade eder.

Kendi dönüş eksenine kıyasla çok daha ufak olan cisimlerde (örneğin çok uzun bir ip ucunda sallanan küçük lastik top veya Güneşin etrafında dönüş yapmakta olan gezegenler) açısal momentum, lineer dönüş momentumu olarak tanımlanabilir. Bu tanımda cismin kütlesi ve hızı dönüş ekseninin yarıçapı ile çarpılarak sonuç bulunur.

Sisteme dışarıdan herhangi bir tork uygulanmadığı sürece açısal momentum her zaman korunur. Örneğin buz pateni yapan biri kollarını içeriye doğru kapar ise kendisi hızlanır bunun sebebi açısal momentumun korunumudur. Nötron yıldızlarının çok fazla miktardaki dönüşleri de açısal momentumun korunuşu ile açıklanabilir. Açısal momentum korunumu çoğu fizik ve mühendislik bölümlerinde araç gereç üretiminde yararlanılmaktadır.

Düz bir çizgi ekseninde dönüş yapan parçacık veya katı cismin açısal momentumu bir vektördür ve büyüklüğü ile yönü sabittir. Eğer dönüş ekseni cismin veya parçacığın merkezinden geçerse o noktada açısal momentum sıfırdır. Çünkü bahsi geçen noktanın dönüş hareketi mevcut değildir.

Yazılan ilk terim kütle merkezinin açısal momentumudur. Bu sonuç tek bir M kütleli cisim için kütle merkezinde v hızı ile hareket etmiş olsa idi aynı açısal momentum olurdu. Yazılan ikinci terim ise her bir parçacığın kendi içerisindeki açısal momentumlarıdır. İkinci terim daha da basitleştirilebilir. Kütle merkezindeki parçacıkların eylemsizlikleri ve açısal hızları dönüş hareketinden dolayı toplanır ve açısal momentumu verir.

sistemdeki parçacıklara etki eden torktur. Sistem içindeki kuvvetlerin Newton’unun üçüncü yasasına uyduğu kabul edilir. Bu demektirki parçacıkların birbirlerine uyguladığı kuvvetler birbirlerine eşittir. Yörüngelerde ise açısal momentum gezegenin hem kendi etrafında hem de yörüngesi etrafındaki dönüşüne dağılmıştır.

Eğer bir gezegenin beklenildiğinden daha yavaş hareket ettiği gözlemlenirse bunun sebebi gezegenin etrafında bir uydusu olmasıdır ve toplam açısal momentum gezegen ve uydusu arasında bölüşülür.

Açısal momentum genellikle kütleçekim kuvvetinin incelenmesinde kullanılmıştır. Eğer net kuvvet bir cismin sürekli olarak merkezine uygulanıyorsa bu cismin merkezine göre torku yoktur ve bu sebeple cismin açısal momentumu sabittir. Açısal momentumun sabit olması gezegenlerin yörüngelerini incelerken ve Bohr atom modelleri incelirken çok kullanışlıdır.

Açısal momentumun korunumunun en kolay açıklanabildiği olaylardan biri bir buz patencisinin hareketleridir. Kollarını dikey dönüş eksenine göre kapattığı zaman hızlanmaktadır. Kollarını kendine doğru çektiği zaman gövdesinin anlık eylemsizliğini düşürmektedir ve açısal momentum sabit olduğu için dışarıdan bir tork etki etmediği sürece açısal hız artacaktır.

Aynı olay çok hızlı dönmekte olan yıldızlar içinde geçerlidir (beyaz cüce, nötron yıldızları, kara delikler). Bu cisimler oluşurken kendilerinde daha büyük ve daha yavaş dönüş yapan yıldızlardan meydana gelmişlerdir (bir cismin boyutunun 104 azaltılması, açısal hızının 108 kat artmasına neden olur.

Dünya ve Ay arasındaki açısal momentumun korunumu aralarındaki açısal momentum transferleriyle gerçekleşir. Dünya ve Ay arasındaki bu geçişler dalga torklarında kaynaklanır. Bu olaylar dünyanın dönüş hızını yaklaşık 42 ns/gün azaltır ve Ay’ın yörüngesinin ~4.5 cm/yıl oranında artmasına neden olur.

Modern (20.yüzyılda teoremsel fizik ve açısal momentum bir iç açısal momentum olarak kabul edilmemiştir) fizikte açısal momentum daha farklı bir yolla formülize edilmiştir.

Bu formülde açısal momentum, Noether birimlerini ikinci formu olarak kabul edilir. Sonuç olarak açısal momentum uzay zamanda genellikle korunmaz ta ki asimptotik olarak dönüşü değiştirilmez ise.

Bu denklemdeki L ve ω herhangi bir boyutta doğruluğunu korur. Bu denklem geometrik matematiksel işlemlerde de görülür L ve ω bu sefer ortak vektörlerdir ve eylemsizlik arasında bir bağlantı oluşturur.

Dört vektör dilinde dört yer X ve dört momentum P yukarıda ifade edilen L yi parçacıkların kütle merkezi hareketiyle yok ederler. Yukarıda anlatılmış olan her durum için çoklu parçacıkların olduğu bir sistemdeki açısal momentum oradaki her parçacığın ayrı açısal momnetumunun toplamına eşittir.

Kuantum mekaniğindeki açısal momentum klasik fizikte anlatılmış olan açısal momentumdan biraz daha farklıdır. Göreceli kuantum mekaniğinde ise neredeyse bağlantıları kalmaz hale gelir çünkü açısal momentum artık tensörel çarpım haline gelmiştir.

kuantum mekaniği ile daha ileriye taşınabilir. r nin yerine kuantum yer işlemcisi, p nin yerine momentum işlemcisi konulur. L ise bir işlemci haline dönüşür ve orbital açısal momentum işlemcisi adını alır.

Ancak, kuantum fiziğinde bir başka açısal momentum türü vardır ve ismi dönüş açısal momentumudur ve S ile gösterilir. Neredeyse her element parçacığın dönüşü vardır. Dönüş genel olarak bir eksen üzerinde dönüş yapma olarak tanımlanır ancak bu eksik ve yanlış anlaşılma yaratan bir resimdir. Dönüş parçacıkların doğası olan bir olaydır ve orbital açısal momentumdan farklıdır. Her element parçacığın kendine ait dönüş özelliği vardır örneğin elektronların dönüşü her zaman 1/2 dir. Fotonların ise 1 dir.

Sonuç olarak toplam açısal momentum J, dönüş ve orbital açısal momentumun her parçacık için toplamını ifade eder. (bir parçacık için J= L + S). Açısal momentumun korunumu J için geçerlidir ancak L veya S e işlemez. Toplam korunduğu sürece açısal momentum S ve L arasında artıp azalabilir.

Kuantum mekaniğinde açısal momentum nicem bir yapıya sahiptir, yani sürekli olarak değişime uğrayamaz yalnız istenilen miktarlarda kuantum sıçramaları yapabilir. Herhangi bir sistem için aşağıda verilmiş uygulamalar her zaman geçerlidir. düşürülmüş Planck sabiti, herhangi bir yön vektörüdür x, y, z gibi.

Düşürülmüş Planck sabiti normal standartlarda 10−34 J s dir. Bu sebepten ötürü açısal momentumu nicem oranı mikroskobik cisimleri etkileyemeyecek kadar küçüktür. Ancak mikroskopik sistemlerde oldukça önemlidir. Örneğin kimyada işlenen elektron katman ve tabakalarında açısal momentumun nicemlenimlenmesi çok önemlidir. Açısal momentumun nicemlenimlenmesi ilk olarak Niels Bohr tarafından Bohr atom modelinde ortaya sunulmuştur.

formülünde altı adet işlem elemanı bulunmaktadır. Bunlar; yer işlemcileri , , ve momentum işlemcileri , , . Heisenberg belirsizlik kuramlarına göre formülümüzde bulunan altı işlem elemanının kesin değerlerinin hepsi için aynı anda bulunması mümkün değildir. Bu sebeple bir parçacığın açısal momentumunu bulurken bazı kısıtlamalarla karşılaşırız. Yapılabilecek en tutarlı hesaplamalar tek bir eksen ve düzlem üzerindeki açısal momentum vektörünün yön ve değerini bulmaktır. Belirsizlik yasasının ifade ettiği gibi açısal momentum işlemcisinin değişik bileşenleri bir arada bulunamaz örneğin .

Açısal momentum işlemcisi ve dönüş işlemcisi arasındaki bağıntı lie matematiği ve lie grupları ile ifade edilebilir. Açısal momentum ve dönüş arasındaki bağıntı Noether teoreminde gösterilmiştir ve açısal momentumun fizik kuralları gereğince korunduğunu ispatlamıştır.