Atom Dünyasına Kısa Bir Bakış
Tarihçe
İnsanlar, maddenin en küçük parçasını her zaman merak etmişlerdir. Bilimin ve teknolojinin gelişmemiş olduğu dönemlerde bile bu konuyu felsefe çerçevesinde ele almışlardı. Maddenin parçalı yapıda olduğuna ilişkin ilk görüşün, MÖ. 5. yüzyılda Leukippos ve Demokritos tarafından ileri sürüldüğü biliniyor. Bu iki filozof,maddenin en küçük parçasına ‘bölünmemiş’ anlamına gelen atomos adını verdiler. Bir elementin bütün kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük birimi olduğu ve bölünebilirliliği ancak 20. yüzyılda anlaşılmıştır. Leukippos ve Demokritos’un görüşleri 200 yıl sonra Epikuros tarafından benimsendi. Onun düşünceleri de Romalı şair Lucretius’un MÖ. birinci yüzyılda yazdığı Evrenin yapısı adlı yapıtıyla sonraki kuşaklara aktarıldı. Lucretius, bu kitabında maddenin gözle görülemez atomlardan oluştuğunu, maddedeki tüm değişmelerin atom gruplaşmalarındaki değişmelerden başka bir şey olmadığını ve nesne özelliklerinin atomların boyut ve biçimlerindeki farklılıklardan kaynaklandığını ileri sürmüştü. Ancak ortaçağda bilimsel düşüncenin gerilemesi ile birlikte atomcu yaklaşım da unutuldu. Yüzyıllar sonra Bruno, Bacon ve Descartes gibi düşünürler konuyu yeniden ele aldılar. 17. yüzyılda Galilei, Newton, Boyle ve Huygens gibi bilim adamları da atomcu görüşü dile getirdiler.
Nihayet 1808 yılında John Dalton,bütün elementlerin, ağırlığı ve bütün öbür özellikleri bakımından özdeş olan çok küçük ve bölünemez parçacıklardan oluştuğunu öne sürdü. Aslında bu konuya bulunduğu katkı,atomların göreli büyüklükleri, karakterleri ve bir araya geliş süreçleri üzerine düşünmekti. Hidrojenin en hafif element olduğunu bildiği için ona bir değerinde atom ağırlığı vermişti. Bu şekilde diğer bilinen elementlere de verdiği değerlerin bir kısmı yanlıştı. Ama atom fikrini modern çağa taşıyan kişi oldu.
Avogadro’nun gazların molekül yapısına ilişkin varsayımları, Mendeleyev’in periyodik tabloyu düzenlemesi ve çeşitli bilim adamlarının katkıları ile ışığın dalga kuramının kanıtlanması, atomcu yaklaşımı destekliyordu.
1900’lü yıllara gelindiğinde artık atomların varlığı herkes tarafından kabul edilmişti. Gene de şüphe edenler vardı. Örneğin ses hızına adını veren Ernst Mach bile atomların sadece düşünceden ibaret olduğunu ileri sürüyordu.
Birbiri ardına atomun yapısına ilişkin modeller geliştirildi.
1902 yılında Lord Kelvin tarafından önerilen, sonra J. Thomson’ca geliştirilen modele göre atom, çok küçük çaplı bir küre biçimindedir. Bu küre, düzgün olarak dağılmış artı yüklerden oluşur. Elektronlar da tıpkı üzümlü bir kekteki üzüm taneleri gibi bu yapının içine gömülüdür. J. Thomson, elektronu da bulan kişidir.
Gene de atomun kaç parçadan oluştuğu,bu parçaların nasıl bir araya geldiği tam olarak bilinmiyordu. Bazı fizikçiler atomların küp şeklinde olabileceği görüşündeydi. Zira geometrik olarak küpler, alan kaybına yol açmadan bir araya gelebilirlerdi.
1904 yılında Japon fizikçi Hantaro Nagoka’nın önerdiği modelde ise,artı yük atomun merkezinde yoğunlaşmıştır. Elektronlar,bu merkezin çevresinde Güneş’in gezegenleri gibi dönerler. Bu görüş yanlış olmasına rağmen bugün bile bazı kaynaklar tarafından kullanılmaktadır. Bugün biliyoruz ki elektronlar yörüngede dolanan gezegenlere benzemez. Daha çok fırıldak gibi dönen bir pervanenin kanatlarını andırır. Bu kanatlar yörüngeleri içindeki her yeri aynı anda doldurur. Aslında arada bir fark vardır. Bir pervanenin kanatları her yeri birden doldururmuş gibi görünür.Elektronlar ise gerçekten doldurur.
1911 yılında Rutherford, alfa parçacıklarının ince bir altın levhadan doğrultularını değiştirmeden geçip gittiklerini gözlerken bir kısmının geliş doğrultuları ile büyük açılar yapacak şekilde saçıldığını gördü. Hatta bazıları yön değiştirip kaynağa geri dönüyordu. Alfa parçacıklarının kütleleri, elektronların kütlesinden yaklaşık 7.000 kat fazladır ve artı yüklü parçacıklardır. Rutherford,bu kadar büyük itme etkisinin sadece artı yüklü ve büyük kütleli bir hedefin, yani çekirdeğin varlığı ile açıklanabileceğini düşündü. Artı yüklü çekirdeğin yükünü dengeleyen eksi yüklü elektronların, çekirdek çevresinde dairesel yörüngelerde dolandıklarını öngördü. Bu durumda atomun çok büyük kısmı boşluktur, alfa parçacıkları bu nedenle doğrultularını değiştirmeden geçip gitmişlerdi. Ancak bu modelin, elektromagnetik kuramıyla çelişen önemli yanlışlıkları vardı. Hem çekirdeğin hem de yörüngede dolaşan elektronun, yani atomun kararlı yapısını açıklayamıyordu.
Rutherford’un bulgusu hiçbir elektronun bir çekirdek etrafında çarpışmaksızın nasıl döndüğünü de açıklayamıyordu. Dönmekte olan bir elektronun enerjisini çabucak tüketmesi ve çekirdeğe düşüp hem kendisini hem de çekirdeği yok etmesi gibi bir düşünceye yol açıyordu. Bir diğer sorun da protonların pozitif elektrik yükleriyle birlikte nasıl olup ta kendilerini ve atomun geri kalan kısmını patlatmadan çekirdeğin içinde kalabildiğiydi.
Rutherford’un atom modelindeki sorun 1913 yılında Niels Bohr tarafından çözüldü.
Uzun süredir kafaları meşgul eden bir problem, hidrojenin dalga boylarının spektrospik ölçümleriyle ilgiliydi. Hidrojen atomlarının belli dalga boylarında enerji salıp, bazılarında salmadığı gözlenmişti. Takip edilen bir kişinin belli noktalarda durmadan ortada gözükmesi,ama bu noktalar arasında gidip gelirken kimseye görünmemesi gibi tuhaf bir durumdu.
Bohr, modelinde kuvantum kuramını kullanmıştı. Bu modelde elektronların özellikleri bir dizi olanaklı değerler cinsinden ifade edilir. Atomun, ışının soğurması ya da ışınım salması, ancak elektronların durağan hallerinin birinden ötekine sıçramasıyla gerçekleşir. Bohr öncesi modellerde atom, küçük pozitif yüklü ve ağır bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde dolanan elektronlardan oluşuyordu. Bu yörüngelerin yarıçapları herhangi bir değerde olabilirdi. Bohr, bu modelleri, hidrojen atomlarının saldığı ışığın tayfındaki çizgilerin oluşturduğu düzenli seri ile uyumlu olacak şekilde değiştirdi.
Elektronların hareketini belirli yarıçapları olan bir dizi dairesel yörüngeyle sınırladı. Elektronların nasıl olup ta çekirdeğe düşmediğine,sadece belli bazı tanımlı yörüngeleri işgal ettikleri şeklinde açıklama getiriyordu.Yörüngeler arasında hareket eden bir elektron, yörüngelerin birinde ortadan kayboluyor ve aradaki boşluğa uğramadan hemen bir diğer yörüngede yeniden ortaya çıkıyordu. Böylece elektronlar çekirdeğe düşmüyorlardı. Elektronların sadece belli bazı yörüngelerde ortaya çıkmalarının nedeni, sadece belli bazı yörüngelerde var olabilmeleridir.
Hidrojen atomlarındaki ışık,ancak bir elektron bir dış yörüngeden çekirdeğe daha yakın bir iç yörüngeye atladığı zaman yayılıyordu. Bu hızlı geçiş sırasında elektronun kaybettiği enerji,yayılan ışık kuvantumunun enerjisine tam olarak eşittir.
Ancak atom çekirdeğinin yapısı henüz tam çözüme ulaşmış değildi. Örneğin neden patlamıyordu? Rutherford, çekirdeklerin nötrleştirici özelliğe sahip bazı parçacıklar tarafından dengelendiğini anlamış ve bunlara nötron adını vermişti. Nötronların varlığı 1932 yılında James Chadwick tarafından kanıtlandı.
Karşı karşıya kalınan daha temel bir sorun, elektronun bazen parçacık, bazen de dalga gibi davranmasıydı. Fransa’da Prens Louis-Victor de Broglie, elektronları dalgalar olarak ele aldığımızda, elektron davranışındaki bazı anormalliklerin ortadan kalktığını buldu. Bu gözlem Erwin Schrödinger’i etkiledi.
Çalışmaları sonucu dalga mekaniği olarak adlandırılan bir sistem geliştirdi. Hemen hemen aynı zamanda Werner Heisenberg de matris mekaniği denilen alternatif bir kuram öne sürdü. 1926 yılında Heisenberg, kuvantum mekaniği adıyla anılacak olan yeni bir disiplin üretti. Bu kuramın özünde, elektronun bir parçacık olduğunu, ama dalgalar bağlamında tanımlanabilen bir parçacık olduğunu söyleyen Heisenberg Belirsizlik İlkesi yatar. Bir elektronun boşlukta hareket ederken izlediği yolu bilebiliriz. Veya onun belli bir anda nerede olduğunu bilebiliriz. Ama ikisini birden bilemeyiz. Bunlardan birini ölçme çabası, öbürünü değiştirir. Bu sorun kullanılan araçlarla ilgili değildir, evrenin bir özelliğidir. Olayın pratik anlamı, bir elektronun belli bir anda nerede olacağının tahmin edilemeyeceğidir. Sadece belli bir yerde olma olasılıkları sayılabilir. Şu halde bir elektron gözlemlenene dek var olamaz. Veya bir elektrona gözlemlenene dek,aynı anda her yerde varmış ve hiçbir yerde yokmuş gözüyle bakılmalıdır.
Atom Hakkında
Atomların oluşturduğu en temel birim, küçük kütle anlamındaki bir Latince sözcükten üretilen moleküldür. Molekül deyince az veya çok dengeli bir birlik içinde bulunan iki ya da daha fazla atom anlarız. Bütün evreni göz önünde tutacak olursak, molekül sayısının ne denli çok olduğunu algılamak gerçekten zor bir iştir. Deniz seviyesinde ve sıfır derecede bir santimetre küp, yani bir küp şeker hacmindeki hava, 45 milyar kere milyar molekül içerir. Bu sayıdaki molekül, bizim etrafımızdaki her santimetre küp içinde vardır. Giderek tüm dünyamızda ve evrenin tümünde de vardır. Bu, işin molekül yönü. Bir de atomların sayısı düşünülürse, mesele gerçekten ürperticidir.
Atomlar aynı zamanda çok dayanıklıdır. Bir insanın sahip olduğu herbir atom, o insana gelene kadar pekala birkaç yıldızdan geçmiş olabilir. Hele, geçmişte milyonlarca organizmanın parçası olduğu kesindir. Her bir insanın atom sayısı o kadar fazladır ki, bunların önemli kısmı büyük ihtimalle eskiden yaşamış olan ünlü bir şahsiyete aitti. Her insan ölünce atomları dağılır. Her biri başka bir oluşum içinde yer alır. Ömürleri ise, bir bilim adamının hesabına göre 10 üzeri 35 yıldır.
Atomların ne denli küçük olduğu da algılarımızı zorlayan bir başka konudur. Yarım milyon atom yanyana dizilse bile bir insan tüyünün arkasına rahatça saklanabilir. Bir milimetrenin binde birine bir mikron denir. Mikroskopik canlıların boyutu hemen hemen bu kadardır. Terliksi adı verilmiş olan bir mikroorganizma iki mikron boyutundadır. Bu canlı belli ki çok küçüktür. Onu bir damla su içinde yüzerken çıplak gözle görmek istiyorsak, damlayı büyütmek ve çapını 12 metreye yükseltmek zorunda kalırız. Aynı damladaki atomları görmek istersek, damlanın çapını 24 kilometreye yükseltmemiz gerekir. Şu halde bir atomun ölçeği, bir milimetrenin on milyonda biri kadardır. Bu sayıyı gözümüzün önüne getirmek oldukça zordur. Ama bir atomu bir milimetre ile karşılaştırmak istersek, bir toplu iğne ile bir gökdeleni karşılaştırmaya benzetebiliriz.
Bugünkü bilgilerimizle atom konusuna genel olarak ve kısaca bakacak olursak,her atomun üç temel parçacıktan oluştuğunu görürüz. Pozitif elektrik yüklü protonlar, negatif elektrik yüklü elektronlar ve hiç elektrik yükü taşımayan nötronlar. Protonlar ve nötronlar çekirdeğin içindedir. Elektronlar ise çekirdek dışında dönerler. Elektronlar, Güneş’in etrafında dolanan gezegenler gibi çekirdek etrafında dönmezler. Daha çok biçimsiz bulutları andırırlar. Bir atomun kabuğu sert bir kılıf değildir, bulanık elektronlar bulutunun en dış çeperidir. Bu bulutun kendisi, elektronun içinde dolandığı alanı belirleyen bir istatistiksel olasılık bölgesidir. Bir atoma kimyasal kimliğini proton sayısı verir. Proton sayısı, o elementin atom numarasıdır. Tek protonlu bir atom,hidrojen atomudur. Çift protonlu bir atom, helyumdur. Üç protonlu bir atom, lityumdur, vb. Proton sayısı her arttığında yeni bir element elde edilir. Bir atomdaki proton sayısı her zaman eşit sayıda elektronla dengelendiği için bazı kaynaklarda bir elementi tanımlayan özelliğin, elektron sayısı olduğu da söylenir.
Nötronlar bir atomun kimliğini etkilemez. Ama kütlesine katkıda bulunur. Nötron sayısı genellikle proton sayısıyla aynıdır.Ama bu sayı bazen oynar. Bu durumda,yani atoma nötron eklenmesinde izotop oluşur. Başka bir deyişle, nötronların sayısı değişebilir, atom numarası aynı olduğu halde değişik sayıda nötron içeren atomlara o elementin izotopları denir. Bir çekirdeğin yarıçapı, atom yarıçapının 1/10.000’ni kadardır. Ama bu çekirdek olabildiğince yoğundur, öyle ki, atom ağırlığının hemen hemen tümünü içerir. Bir atomu gökdelen büyüklüğüne dek genişletirsek çekirdek bir sinek büyüklüğünde kalır, ama gökdelenin binlerce misli ağırlığında olur. Atomların büyük bölümünü boşluğun oluşturduğu ve etrafımızda algıladığımız yoğunluğun bir yanılsama olduğu oldukça çarpıcıdır. İki cisim bir araya geldiği zaman aslında birbirine çarpmaz. Örneğin iki bilardo topunun negatif elektrik yüklü alanları birbirini iter. Bir sandalye üzerine oturduğumuzda, aslında sandalyenin hemen üzerinde santimetrenin yüzmilyonda biri kadar yükseklikte asılı kalırız. Zira bizim elektronlarımız ile sandalyenin elektronları, yakın bir temasa karşı koyarlar.
Nötron ve protonların toplam sayısı, bir elementin atom kütle sayısını verir.
Çekirdeğin kararlı bir bütün olmasını sağlayan iki ayrı kuvvet vardır.
1- Çekirdek kuvveti, çekme özelliği gösterir ve hem nötronlar hem de protonlar arasında rol oynar.
2- Elektrostatik kuvvet, sadece protonlar arasında vardır. Protonlar benzer yükler taşıdığı için bu kuvvet itme özelliklidir. Her elektron eksi elektrik yükü taşıdığından, tümü protonlardaki artı yükleri dengeler, bu nedenle atom, elektrik yükü açısından nötrdür. Bir atomun, artı yüklerinden daha çok ya da daha az sayıda elektronu bulunabilir. Böyle eksi veya artı yüklü atomlara iyon denir. Son düzenleyen Safi; 8 Nisan 2016 17:19
