Atomların Yapısı

Atomlar doğanın Lego taşlarıdır. Çeşitli şekil ve boyutlarda olan atomlar birçok farklı yoldan bir araya getirilerek bir çiçek, altın külçesi veya bir insan oluşturulabilir. Her şey kombinasyonlarda gizlidir.

Nobel ödüllü Amerikalı bilim adamı Richard Feynman, “Büyük bir afette sahip olduğumuz tüm bilimsel mirası kaybetsek ve gelecek nesillere aktarabileceğimiz tek bir cümle olsa, hangi ifade en az kelimeyle en çok bilgiyi aktarırdı?” diye sormuş ve cevabı kesin olmuştur: “Her şey atomlardan oluşmaktadır. “

Atomların doğanın Lego taşları olduğunu kanıtlamada temel adım, farklı türlerdeki atomları tespit edebilmekti.

Fakat atomların duyular tarafından doğrudan algılanamayacak kadar küçük olması bu sürecin her adımını, atomların maddenin sürekli hareket halindeki en küçük tanecikleri olduğunu ispatlamak kadar zorlaştırıyordu.

Farklı türlerdeki atomları tespit etmenin tek yolu, tek bir tip atomdan oluşan maddeler bulmaktı.

1789 yılında Fransız aristokrat Antoine Lavoisier, herhangi bir şekilde bileşenlerine ayrılamayacağına inandığı maddelerin bir listesini yaptı. Lavoisier’in listesinde 23 “element” vardı. Bazılarının element olmadığı sonraki yıllarda ortaya çıksa da, pek çoğu (altın, gümüş, demir ve cıva da dahil olmak üzere) öyleydi. Lavoisier’in l794’te giyotinde gelen ölümünün ardından 40 yıl içinde, element listesi 50 maddeye yaklaşmıştı. Günümüzde, en hafifi hidrojenden en ağırı uranyuma dek uzanan 92 element olduğunu biliyoruz.

Peki ama, bir atomu diğerinden farklı kılan nedir? Söz gelimi, bir hidrojen atomunun uranyum atomundan farkını nasıl anlayabiliriz? Yanıta ancak bu elementlerin iç yapılarını inceleyerek ulaşabiliriz. Fakat atomlar olağanüstü küçük boyutlardadır. Geçmişte, birisinin çıkıp da atomun içine bakmanın bir yolunu bulması imkansız görünüyordu. Ancak bunu bir kişi başardı: Ernest Rutherford adında bir Yeni Zelandalı. Rutherford’un dahiyane fikri, atomların içine bakmak için yine atomları kullanmaktı.

Atomların yapısını açığa çıkaran olay, 1896 yılında Fransız kimyager Henri Becquerel tarafından keşfedilen radyoaktivite oldu. 1901 ve 1903 yılları arasında, Rutherford ve İngiliz kimyager Frederick Soddy, radyoaktif bir atomun aslında aşırı enerjiyle kaynaşan ağır bir atom olduğuna dair güçlü kanıtlar buldu. Kaçınılmaz bir şekilde bir saniye, bir yıl veya milyonlarca yıl sonra, bu atom sahip olduğu fazla enerjiden , bir tür parçacığı kendisinden yüksek bir hızda fırlatarak kurtuluyordu. Fizikçiler bu durumu, atomun biraz daha hafif bir elemente dönüşecek şekilde parçalandığını veya “bozunduğunu” söyleyerek açıklamaktadır. Bu bozunma parçacıklarından biri, Rutherford ve genç Alman fizikçi Hans Geiger tarafından , hidrojenden sonra en hafif ikinci element olan helyum atomu olduğu ortaya konulan , alfa parçacığıdır.

1903 yılında Rutherford, radyoaktif radyum atomlarından dışarı atılan alfa parçacıklarının hızını ölçtü ve insanı hayrete düşürecek bir sonuca ulaştı: saniyede 25.000 kilometre – bir diğer deyişle, alfa parçacıklarının hızı günümüzün jetlerinden 100.000 kat daha yüksekti.

Bu noktada Rutherford, alfa parçacıklarının, atomlara çarparak derinlerde yatanın ne olduğunu ortaya çıkarmaya yarayacak mükemmel “mermi” olduğunu anladı.

Fikir basitti: alfa parçacıklarını atomun içine ateşlemek. Yollarını kapatan sert bir şeyle karşılaşırlarsa , rotalarından sapacaklardı. Binlerce ve binlerce alfa parçacığını ateşleyerek ve rotalarından nasıl saptıklarını gözlemleyerek, atomun iç yapısını detaylı bir şekilde resmetmek mümkün olabilirdi.

Rutherford’un deneyi, 1909 yılında , Geiger ve Yeni Zelandalı genç fizikçi Ernest Marsden tarafından gerçekleştirildi. “Alfa – saçılımı” deneylerinde, alfa parçacıklarını mikroskobik havai fişekler gibi ateşleyen küçük bir radyum örneği kullanılıyordu. Radyum örneği, dar bir yarığı olan kurşun bir levhanın arkasına yerleştirildi; böylece diğer uçta sicim kalınlığında alfa parçacıkları akımı beliriyordu.

Ortaya çıkan şey, mikroskobik mermiler ateşleyen dünyanın en küçük makineli tüfeğiydi.

Geiger ve Marsden, ateş hattına yalnızca birkaç bin atom kalınlığında altın bir folyo yerleştirdi. Bu folyo, minyatür makineli tüfekten çıkan tüm alfa parçacıklarının içinden geçebileceği kadar zayıftı. Fakat aynı zamanda, geçiş sırasında parçacıklardan bazılarının rotalarından hafifçe saparak altın atomlarına yaklaşmasına imkan tanıyacak kadar da kuvvetli.

Geiger ve Marsden’in deney yaptıkları dönemde, atomun içindeki bir parçacık halihazırda tespit edilmişti. Söz konusu elektron, 1895 yılında İngiliz fizikçi J.J. Thomson tarafından keşfedildi ve anlamsız küçüklükteki bu parçacıkların (her biri hidrojen atomundan bile 2000 kat daha küçüktü) elektriğin ele avuca gelmeyen parçacıkları olduğu ortaya çıktı. Atomlardan serbest kalan milyarlarcası bakır bir kablo boyunca dalgalanarak elektrik akımını oluşturuyordu.

Elektron ilk atomaltı parçacıktı ve eksi elektrik yükü taşıyordu. Kimse elektrik yükünün tam olarak ne olduğunu bilmese de, yalnızca iki biçimde bulunduğu biliniyordu: eksi ve artı. Atomlardan oluşan sıradan maddenin net bir elektrik yükü yoktur. O halde, sıradan atomlarda elektronların eksi elektrik yükü her zaman başka bir şeyin artı yüküyle kusursuz bir şekilde dengeleniyor demekti. Zıt kutuplar birbirini çekerken , aynı kutupların birbirini itmesi elektrik yükünün doğal bir özelliğidir.

Atomda, eksi yüklü elektronlarla artı yüklü başka bir şeyin arasında çekim kuvveti vardır ve atomu bir arada tutan şey de işte bu çekim kuvvetidir.

Elektronun keşfinin üzerinden çok uzun bir zaman geçmeden , Thomson bu öngörüleri atomun o güne kadarki ilk bilimsel portresini çizmek için kullandı. İngiliz fizikçi atomun bu portresini, artı yüklerin dağılmış olduğu bir kürenin için de, kekin içindeki üzümler gibi gömülü olan küçük elektron yığınları olarak canlandırdı. Geiger ve Marsden alfa-saçılımı deneyiyle, Thomson’un “atomun üzümlü kek modeli”ni teyit etmeyi umuyordu.

Bu noktada hayal kırıklığına uğrayacak, fakat bambaşka bir şey keşfedeceklerdi. Üzümlü kek modelinin sonunu getiren , nadiren gerçekleşebilecek, dikkate değer bir olay oldu. Minyatür makineli tüfekten ateşlenen her 8000 alfa parçacığından biri, altın folyosundan sekerek geri dönüyordu!

Thomson ‘un üzümlü kek modeline göre atom, artı yüklerin oluşturduğu küreye gömülü, iğne başı büyüklüğünde elektron yığınlarından ibaretti. Öte yan dan Geiger ve Marsden’in bu zayıf düzeneğe ateşledikleri alfa parçacıkları ise, her biri neredeyse 8000 elektron ağırlığındaki durdurulması imkansız atomaltı ekspres trenler olarak düşünülebilir. Böyle kütleli bir parçacığın yolundan bu derece sapabilme olasılığı, gerçek bir trenin bir bebek arabasına çarparak yoldan çıkması olasılığına eşdeğerdir.

Rutherford’un dediği gibi: “Neredeyse bir defter yaprağına ateşlediğiniz 4 santimlik fişeğin geri sekerek sizi vurması kadar inanılmaz bir olay!”

Geiger ve Marsden’in sıradışı bulguları tek bir anlama gelebilirdi: atom pek de dayanıksız bir şey değildi. Derinliklerine gömülü bir şey, atomaltı ekspres trenini kesinkes durdurup geri yollayabiliyordu. Bu şey ancak atomun tam merkezinde konuşlanmış ve yaklaşan alfa parçacığının artı yükünü iten bir artı yük külçesi olabilirdi. Bu külçe yok olmaksızın büyük kütleli alfa parçacığına dayanabiliyorsa, kendisi de en az alfa parçacığı kadar kütleli olmalıydı. Aslında atomun kütlesinin neredeyse tümünü barındırıyor olması gerekiyordu.

Rutherford atom çekirdeğini keşfetmişti.

Atomun iç yapısıyla ilgili ortaya çıkan tablo, Thomson’un ortaya koyduğu üzümlü kek modeline hiç ama hiç benzemiyordu. Atomun iç yapısı, eksi yüklü elektronların artı yüklü çekirdeğe çekildiği ve bu elektronların çekirdeğin yörüngesinde, güneşin çevresindeki gezegenler gibi döndüğü minyatür bir güneş sistemiydi. Atomun dışına atılmaması için, çekirdeğin kütlesi en az çarpıştığı alfa parçacığı kadar (büyük olasılıkla daha da fazla) olmalıydı. Bu sebeple de, atomun kütlesinin yüzde 99,9’undan fazlasını içermeliydi.

Çekirdek çok, çok küçüktü. Yalnızca doğa bu denli küçük bir hacme bu kadar büyük bir artı yükü tıkıştırdığında, çekirdek kendisine doğru gelen bir alfa parçacığına U dönüşü yaptıracak kadar karşı konulmaz bir kuvvet uygulayabilirdi.

Bu bağlamda, Rutherford’un atom görüşünün en çarpıcı tarafı, atomdaki korkunç boşluktu . Oyun yazarı Tam Stoppard, bu durumu Hapgood oyununda güzel bir şekilde ifade etmiştir: “Şimdi yumruğunu sık; eğer yumruğun atom çekirdeği büyüklüğündeyse, o zaman atom St. Paul Katedrali kadar büyük demektir. Ve şayet bu bir hidrojen atomuysa, etrafında uçuşan tek bir elektronu vardır, tıpkı boş katedralin içinde gezinen bir pervane böceği gibi. Kah kubbede, kah mihrapta.”

Sağlam görüntüsüne karşın, bildik dünyamız bir hayaletten daha dayanıklı değildir. Madde ister bir sandalye, ister bir insan ya da yıldız biçimini almış olsun, neredeyse tamamen boşluktan ibarettir. Bir atomun sahip olduğu tüm madde algılanması imkansız küçüklükteki çekirdeğinde barınmaktadır – atomun tamamının 100.000’de biri küçüklüğündeki çekirdeğinde.

Bir başka ifadeyle, madde aşırı ölçüde seyrek bir dağılıma sahiptir. Fazla boşluğu sıkıp çıkartmanın bir yolu olsa, madde zar zor bir yer kaplardı. Aslına bakacak olursanız, bu mümkündür de. İnsan ırkını bir şeker küpünün boyutlarına sıkıştırmanın kolay bir yolu olmasa da, kütleli bir yıldızı mümkün olan en küçük hacme sıkıştırmanın yolu bulunmaktadır. Bu sıkıştırma aşırı düzeyde kütleçekim kuvvetiyle gerçekleşir ve sonuç, bir nötron yıldızı dır. Böyle bir nesne güneş boyutlarında devasa bir kütleyi Everest dağından daha büyük olmayan bir hacme sığdırır.

İmkansız Atom

Rutherford’un, atomu, yoğun bir at om çekirdeğinin etrafında uçuşan elektronlardan oluşan minyatür bir güneş sistemi olarak açıklaması deneysel bilimin zaferiydi. Ne yazık ki ufak bir problemi vardı. Bilinen tüm fizik bilimiyle uyumsuzluk içindeydi!

Maxwell’in, tüm elektriksel ve manyetik olayları açıklayan elektromanyetizma teorisine göre, yüklü bir parçacık hızını ya da yönünü değiştirerek ivmelendiğinde elektromanyetik dalgalar, yani ışık yayar. Elektron, yüklü bir parçacıktır. Çekirdeğin çevresinde dönerken devamlı yön değiştirdiğinden dolayı, çevresine sürekli olarak ışık dalgaları yayınlayan minyatür bir fener gibi davranması gerekir. Problem şu ki, bu durum herhangi bir atom için felaket demektir. Sonuçta ışık olarak yayılan enerji bir yerlerden gelmelidir ve yalnızca elektronun kendisinden gelebilir. Enerjisi sürekli tükenen elektron, atomun merkezine giderek yaklaşan bir helezon çizer. Hesaplamalar saniyenin yüz milyonda birinde, elektronun çekirdekle çarpışması gerektiğini göstermektedir. Bu hesaba göre atomun var olmaması gerekir.

Ama atomlar vardır. Biz ve etrafımızdaki dünya bunun yeterli kanıtıdır. Saniyenin yüz milyonda birinde yok olmak bir kenara , evrenin 14 milyar yıl önceki ilk anlarından bu yana bozulmadan kalabilmişlerdir. Bu yüzden,
Rutherford’un ortaya koyduğu atom portresinde kritik bir eksiklik olmalıydı. Bu eksikliğin, çığır açıcı yeni bir fizik türü olduğu anlaşılacaktı: Kuantum Teorisi.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Abonelik için e-posta yazmalısınız. Yorumda html etiketleri kullanabilirsiniz.

Gönderen: sonsuz -->

Kategori: Bilim - Etiketler: , , , , ,