Atom Teorisi ve Evrimi: Atom Nedir? Atomları Nasıl Keşfettik? Maddenin Yapıtaşına Yönelik Açıklamalarımız Zamanla Nasıl Değişti?

Antik Yunan'dan Kuantuma, Atomların Doğasını ve Davranışlarını Nasıl Açıklıyoruz?

Atom Teorisi ve Evrimi: Atom Nedir? Atomları Nasıl Keşfettik? Maddenin Yapıtaşına Yönelik Açıklamalarımız Zamanla Nasıl Değişti? ThoughtCo
Çağrı Mert Bakırcı Editör Çağrı Mert Bakırcı  Şaban Tarıkİnay Görsel Çevirmeni Şaban Tarık İnay
36 dakika
105,737 Okunma Sayısı
Notlarım
Reklamı Kapat

Bu yazı, Fizik: Newton'dan Kuantuma yazı dizisinin 2. yazısıdır. Dizinin ilk yazısına gitmek için buraya, dizideki tüm yazıları görmek için buraya tıklayınız. Yazı dizileri, EA Akademi'nin bir parçasıdır.

Yazı dizisi içindeki ilerleyişinizi kaydetmek için veya kayıt olun.

İnsanlık düşünsel evrimini gerçekleştirdiği ilk zamanlardan beri maddeyle sürekli etkileşim halinde oldu. Zaman içerisinde maddeye şekil verdi ve kendi ihtiyacı doğrultusunda kullandı. Hiç kuşku yok ki uygarlık çevreyle kurulan uyumun sonucunda oluşturulabildi. İlk toplumların oluşmasıyla artan refah düzeyi ve kazanılan bilincin eşsiz bir getirisiyle insanlık, çevreye dair felsefi sorular sormaya başladı.

Yapısı gereği bilim ve antik çağlarda henüz bilimin ayrışmadığı haliyle felsefe, özgür düşünce ortamına muhtaçtır. Tarihimiz önemli bilimsel atılımlar gerçekleştiren toplumların daha sonra devamını sağlayamadıkları hoşgörü ortamlarının neticesinde yüzyıllarca aydınlanmanın gerisinde kalmalarına şahit olmuştur. Bu doğrultuda yazılı tarihimizin düşünce özgürlüğünü barındıran ilk toplumlarından birinin Antik Yunan toplumu olduğu söylenebilir. Bugün doğaya ilişkin zihnimizi dolduran nice bilgiler, bu toplumda yaşamış filozofların sordukları sorulara verilmiş nihai yanıtlardan oluşuyor. Bu anlamda bilimsel ilerleyişimiz, tarihin kaydettiği bütün aydın fikirli insanlarımızın omuzlarında yükselmiş katı bir bütünsellik arz etmekte. Atomla tanışma maceramız da bilimin bu sistematik özelliğinden muaf olmayarak Antik Yunan’da sorgulayıcı bir zihin tarafından sorulmuş “ilk soru” ve ona sezgisel yolla verilmiş “ilk cevap”la başlıyor.

Thales ve "Arkhe"si

Antik Yunan toplumunun bu sorgulayıcı zihni, tarihimizin ilk filozoflarından olan ve felsefenin babası sayılan Thales’tir. Günümüze ulaşan hiçbir eseri bulunmayan ve düşüncelerini dönemin diğer yazarlarının yapıtlarından elde edebildiğimiz Thales’i binyıllara yayan ve onu insanlığın atomla tanışma serüveninin ilk adımına koyan özelliği birtakım şeyleri merak etmesiydi. Çevresinde neler olup bittiğini öğrenmek istiyordu ve maddeyi oluşturan “şey”in ne olduğu sorusunu sordu. Ona göre bu şey su olmalıydı. Kuşkusuz bu sezgisel bir cevaptı fakat gözlemsel boyutu da vardı. Thales ezilen bazı şeylerden su çıktığını ve bitkilerin büyümesi için suya ihtiyaçları olduğunu gözlemleyerek bu yargıya varmıştı. 

Thales (MÖ 624-546)
Thales (MÖ 624-546)

Başka bir söylenceye göre Thales bu düşünceye dağların tepelerinde bulduğu bazı deniz canlısı fosiller aracılığıyla ulaşmıştı. Maddenin temel öğesinin su olduğunu düşünmesi onu, dünyanın, denizde yüzen bir gemi gibi suyun üzerinde yüzdüğü görüşüne götürdü. Bu kadarla kalmadı ve depremlerin, dünyanın üzerinde yüzdüğü suda meydana gelen birtakım hareketlilikler neticesinde oluştuğunu savundu. Thales’i dünyanın suda yüzdüğünü düşündüren şey ne olursa olsun onun getirdiği cevap doğal olanı açıklamak için doğaüstüne başvurmayıp yine doğal olan üzerinden gitmesiyle önem taşır ve bilimsel düşünceyi oluşturan ilk adım olarak görülür. Şaşırtıcı olan ve bilimi sarsılmaz kılan şudur ki; yazılı tarihimizde ilk olarak Thales’in sorduğu maddenin temel öğesi nedir sorusu bugün hala parçacık fizikçilerini yeni gizemlere götüren temel dürtüyü sağlıyor.

Reklamı Kapat

Aslında Thales’in düşüncesi “Her şeyin arkhesi sudur.” şeklindeydi ve bu ifadede doğaya dair önemli bir terim barınıyordu. “Arkhe”yi, Thales ve onun ardından bu soru üzerine kafa yoran dönemin diğer filozofları “temel”, “ana madde” anlamlarında kullanmışlardı.

Antik Yunan’da maddenin temel öğesine ilişkin kafa yoran yalnız Thales değildi. Thales’in öğrencisi Anaksimandros da son derece önemle karşılanacak bir cevap verdi. 

Anaksimandros, Anaksimenes ve Heraklitos

Anaksimandros’a göre arkhe, apeiron’du. Eski Yunancada peiron sınırlı anlamına gelir ve sözcüğün başındaki “a” eki olumsuzluk anlamı taşır. Anaksimandros’u bu düşünceye iten Thales’in arkhe’si olan su’yu yetersiz bulmasıydı. Ona göre maddenin temel öğesi somut olarak belirlenemezdi ve dünyada gözlenememesi gerekliydi. Anaksimandros apeiron kavramını oluşturarak zıtların birleşimine vurgu yapıyordu. Ateş ve su gibi çiftlerin birbirini yok etmesiyle apeiron oluşuyordu. Dolayısıyla her şeyin başında bütün maddeler zıtlığın güdümüyle apeiron’dan meydana gelmişti. Bu önermeyle birlikte bütün maddelerin bir zıttı olduğu fikri ortaya çıkıyordu ve bu bugün itibariyle bize oldukça tanıdık geliyor. 

Anaksimander (MÖ 611-546)
Anaksimander (MÖ 611-546)

Anaksimandros, madde ile karşı madde birleşince ortaya saf enerji çıkması gerçekliğini ilkel düzeyde de olsa açıklayarak düşünsel bir zirveye oturmuştur. Onun bu görüşü zamanının haylice ilerisindeydi ve çağdaşları tarafından anlaşılmaktan uzaktı. Nitekim takipçisi sayılabilecek Anaksimenes, Thales’in yorumuyla benzer nitelikte arkhe’yi somut olarak belirtti ve onun hava olduğunu söyledi.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Anaksimenes’in neden havayı tercih ettiği anlaşılabilir. Hava, suya oranla yaşamsal anlamda daha büyük bir zorunluluk teşkil eder. Hava sıkışıp gevşeyebilen bir şeydir ve bu şekilde suyu ve ateşi meydana getirebilir. Sonrasında su da sıkışarak toprağı ve nihayetinde taşı meydana getirebilir. Anaksimenes arkheyi hava olarak belirlerken neyi düşünmüş olursa olsun bilimsel argümanların yeni yeni filizlendiği coğrafyada önemli bir düşünür ve sorgulayıcı olmuştur.

Anaximenes (MÖ 585-528)
Anaximenes (MÖ 585-528)

Antik Yunan felsefesinde çok önemli bir yeri olan Heraklitos da bu konuyla ilgili görüş bildirmekten uzak durmadı. Ona göre de her şey ateşten meydana geliyordu. Dünyamız ve tüm evren sonsuz olarak yanan bir ateşten oluşmuş ve bir vakit sonra her şey tekrar ateşe dönüşecekti.

Heraclitus (MÖ 535-475)
Heraclitus (MÖ 535-475)

Daha sonrasında sahneye Empedokles çıktı. O temel öğe olarak tek bir nesne belirlemedi kendinden öncekilerden de yola çıkarak sayıyı dörde çıkardı. Ona göre doğanın temel dört öğesi vardı ve bütün maddeler bu dört öğenin çeşitli birleşimlerinden meydana gelmişti. Hepimizin aşina olduğu şekilde bu dört temel öğe, ateş, su, hava ve topraktı. Empedokles’e göre bu dört temel öğe evrenin başlangıcından beri vardır ve miktarı hiç değişmemiştir. Diğer tüm maddeler bunlar arasındaki birleşimlerden meydana gelmiştir. İlk birleşme çatışma olarak tanımladığı su ve ateş arasında meydana gelmişti. İkinci birleşmeyse toprak ve su arasında gerçekleşmiş ve Empedokles bunu sevgi olarak tanımlamıştı. Getirdiği önemli bir yorum ise diğer tüm maddelerin bu birleşmelerin farklı oranlarda gerçekleşmesiyle oluştuğu düşüncesidir. Empedokles bu düşüncesiyle elementlerin farklı oranlarda bir araya gelerek farklı bileşikler oluşturduğu günümüz gerçekliğine önemli bir yaklaşım sergilemiştir.

Empedokles’in ortaya attığı fikir, dönemi açısından değerlendirildiğinde kayda değerdi fakat önemli bir simetri sorunu vardı. Bu simetri sorunu tarif ettiği birleşmelerde değil bütünlükte bazı sorunlar çıkarıyordu. Empedokles’in dört arkhesi olan toprak, su, ateş ve havayı karıştırınca onun tarifleriyle ilgisi olmayan bir bütünleşme meydana geliyordu. Maddeyi oluşturan temel öğelerden bahsederken birleşmeleri bütünlükte de görebilmek teoriyi daha da güçlendirebilirdi.

Reklamı Kapat

Empedokles (MÖ 490-430)
Empedokles (MÖ 490-430)

Henüz hiçbiri günümüzde temel aldığımız önermeyi oluşturamamış olsa da bu antik Yunan filozofları bilimsel ilerleyişin önemli bir taşıyıcısı olmuşlardır. Nihayetinde soruyu soran onlardır fakat bazı durumlarda, daha sağlıklı cevaplar edinebilmek adına elinizde bulundurduğunuz soruyu önemli gözlemsel sonuçları doğurabilecek ikinci bir soruyla desteklemek faydalı olabilir. İkinci soruyu ilk kimin sorduğunu bilemeyiz fakat kimin bu sorunun ne derece üstüne gittiğini anlayabiliriz çünkü bu sorunun üstüne gitmek sorgulayıcı bir zihni kaçınılmaz olarak bir bilimsel devrime götürecektir.

Maddenin temel öğesini ararken soracağımız soru basittir. Herhangi bir cismi parçalarına ayırabiliriz. Parçalardan herhangi birini alıp tekrar parçalarına ayırabiliriz. Belki bir kez daha aynısını yapabiliriz. Peki, bu işlemi nereye kadar sürdürmek mümkündür?

Demokritos: Maddeyi Anlamada Devrim

M.Ö. 4. yüzyılda yaşamış olan Demokritos’u bilimsel anlamda devrimci yapan şey, bu sorunun üstüne gitmesi ve doğru bir yaklaşım sergileyebilmesiydi. Demokritos öncesinde maddenin temel öğesini arayan filozoflar parçalama işlemini sonsuza kadar yapabileceklerini düşünmüşlerdi. Çünkü onların madde anlayışı sürekliydi. Oysa Demokritos’a göre parçalama işleminin son bulacağı bir nihai öğe olmalıydı. Daha küçük parçalara ayrılamayacak olan bir nihai parça. Demokritos bu temel öğeye “bölünemeyen” anlamına gelen “atomos” yani “atom” ismini verdi. Doğadaki bütün madde çeşitleri atomların birleşiminden meydana gelmişti ve atomlarla her nesne yapılabilirdi. Demokritos’u önemli kılan bu kadarla kalmaz ve teorisini sağlamlaştırmaya yönelik başka sorularla da muhatap olur: Peki, atomlar tüm maddeleri oluştururken neredeler? Neyin içinde hareket ederek birleşiyorlar? 

Demokritos (MÖ 460-370)
Demokritos (MÖ 460-370)

Demokritos atom kavramını ortaya atmasıyla kuşandığı bilimsel devrimci unvanını zedelemeyecek şekilde bu sorunun altından da ustalıkla kalkmayı başarır. Atomların içinde oldukları şeyi boşluk olarak tanımlar. Onun boşluğu tanımlaması, bunu zihninde canlandırabilmesi önemli bir düşünsel harekettir. Demokritos’un üstün bir kavrayışla oluşturduğu boşluğun içinde var olan, hareket eden ve birleşen atomları, günümüzde pek az eklemeyle gerçekliğe oturttuğumuz bir olgudur. Bu anlamda Demokritosla gerçekleşen düşünsel hareket, insanlığın atomla tanışma serüveninde attığı ilk sağlam adımdır. Kuşkusuz bu atılım daha öncesinde hedefi tam anlamıyla bulamamış önceki filozofların yol göstericiliğiyle gerçekleşebilmişti çünkü bilimsel ilerleyişler başarılı veya başarısız birçok öngörüyle ayrılmaz bir bütünlük teşkil etmektedir.

Reklamı Kapat

Karanlığa Gömülüş ve Aydınlanma: Orta Çağ'daki Duraklama

Demokritosla birlikte Antik Yunan döneminde zirveye oturan maddenin temel öğesine yönelik kavrayış daha sonrasında tamamıyla terkedildi. Platon ve Aristo’yla birlikte materyalist düşünce yerini idealizme bıraktı. Bu nedenle bilimsel ilerlemeyi kamçılayan gözlemsel araçlara başvurma ihtiyacı önemini yitirdi. Atomları gözlemek veya teoriyi sınamak adına hiçbir şey yapılmadı. Antik Yunan’dan sonra birtakım hurafelerin benimsendiği dönemde hoşgörü ve özgür düşünce terkedildi. Avrupa, Orta Çağ karanlığına gömülürken İslam dünyası bilimi devraldı. Önemli atılımlar gerçekleşti ancak maddenin temel öğesiyle ilgili atom teorisini sınamaya veya geliştirmeye yönelik kayda değer bir çalışma orada da yapılmadı.

Böylelikle Demokritos’un ortaya attığı atom fikri sınanmak ve geliştirilmek için yüzyıllarca bekledi. Dinler, imparatorluklar, savaşlar, kıyımlar arasında geçen zaman insanlığa acıdan başka bir şey vermemişti. İslam dünyası ilk birkaç yüzyılından sonra bilimsel atılımlarına yavaş yavaş son verirken Avrupa toplumu karanlığın içinden zorlu da olsa sıyrılıyordu. 17. yüzyılla birlikte birçok değerli aydının önderliğinde başlayan düşünsel bir hareketle deyim yerindeyse Avrupa kabuklarını sonunda kırmıştı. Yeni yeni filizlenen düşünce özgürlüğü ortamında yine bildik sorgulayıcı zihinler çokça zamandır duraksamış olan bilimsel ilerleyişi devraldılar. 

Başlarda Kopernik, Bruno ve Galilei gibi öncüler dönemin kalıplaşmış düşünceleri tarafından baskı altına alınmış hatta acımasızca mahkûm edilmiş olsalar da uyanış toplumsal boyuttaydı. Kısa zamanda doğanın gerçeklikleri karşısında baskıcı unsurlar geri plana itildi ve bu ortamda yeniden bilimsel ilerlemeler birbiri ardına gerçekleşmeye başladı.

Atom teorilerinin gelişimi için kabuğunu kırmakta olan Avrupa’da ilk adım Lavoisier tarafından atıldı. Fransa’da varlıklı bir ailenin çocuğu olarak dünyaya gelen Lavoisier kendi imkânlarıyla bir laboratuvar kurdu ve burada önemli deneyler gerçekleştirdi. Öyle ki bu deneyler onun kimyanın babası olarak değerlendirilmesine yol açtı. Aslında o dönemde onun gibi kimyayla ilgili çalışmalar yapan başka insanlarda vardı fakat onu önemli kılan uyguladığı deneylerinin sonuçlarını bir teoriye oturtabilmesiydi. Bu anlamda çeşitli gazları elde etmeyi başaran Cavendish ve Priestley hidrojen ve oksijenin birleşerek su oluşturduğunu 1781’de gözlemlediler. Daha sonra bu deney çalışmalarını öğrenen Lavoisier deneyleri tekrarladı ve sonuçlarını 1783’te Bilim Akademisine sundu.

Lavoisier (26 Ağustos 1743 - 8 Mayıs 1794)
Lavoisier (26 Ağustos 1743 - 8 Mayıs 1794)

Deney sonuçları hayli sarsıcıydı çünkü o dönemde hala Empedokles’in dört temel elementi kabul görüyordu. İki ayrı gazın kapalı bir kap içerisinde birleşerek su oluşturması suyun temel öğe olmadığı anlamına geliyordu. Bu durumda ya bu dört temel öğenin içinden su çıkartılacak ya da bu fikir topyekûn terkedilecekti. Henüz ortada Demokritos’un unutulmuş atomlarını tartışan kimse yoktu. Eldeki delillerde buna yetersizdi. Bu aşamada Joseph Proust çalışmaları ilerletti. 1799 yılında, kapalı kapta su oluşurken hidrojen ve oksijenin yalnız belli oranlarda birleştiklerini fark etti. Örneğin; 18 gram suyu oluşturmak için 16 gram oksijen ve 2 gram hidrojen gerekiyordu. Kaba daha fazla oksijen veya hidrojen gönderilmiş olsa dahi fazla olan kısım suyun oluşumuna hiçbir katkı sağlamıyordu. Proust önemli bir yasayı keşfetmişti ve buna “sabit oranlar yasası” denildi.

John Dalton: Sistematik İlk Atom Modeli

Atom düşüncesine giden yolda sistemli bir model oluşturan ilk kişi John Dalton oldu. Dalton, Proust’un yasası üzerine çalışırken bir sorunla karşılaştı. Zaman zaman iki elementin birleşiminde farklı bileşikler ortaya çıkabiliyordu. Örneğin karbon ve oksijen üzerine çalıştığında kimi zaman biri çok zehirli olan karbonmonoksit kimi zamanda yaşamsal olarak ihtiyaç duyduğumuz karbondioksit oluşuyordu. Bu çelişkinin üzerine gitmeyi denedi ve deneyini her tekrarladığında kaba gönderdiği karbon ve oksijenden birini sabit tutarak diğerini kontrollü olarak arttırdı. Çok geçmeden önemli bir yasa keşfettiğini fark etti ve 1804 yılında “katlı oranlar yasası” doğmuş oldu. Yasayı anlamak adına örnek vermek gerekirse karbondioksitin 44 gramında 12 gram karbon 32 gram oksijen, karbonmonoksidin 28 gramında ise 12 gram karbon 16 gram oksijen vardır. Bu doğrultuda her iki bileşikte de 12 gram karbona karşılık karbondioksitte 32 gram oksijen karbonmonoksitte 16 gram oksijen olmuş olur. İki bileşikteki oksijen kütleleri arasında 32/16=2 olmak üzere katlı bir oran vardır.

Agora Bilim Pazarı
Cerrahi Anatomi 2 Cilt (Skandalakis)

ISBN: 9789944341523
Sayfa Sayısı: 1720
Baskı Sayısı: 1
Ebatlar: 20 X 28
Basım Yılı: 2008

Devamını Göster
₺850.00 ₺1,008.00
Cerrahi Anatomi 2 Cilt (Skandalakis)

John Dalton (6 Eylül 1766 - 27 Temmuz 1844)
John Dalton (6 Eylül 1766 - 27 Temmuz 1844)

Dalton, Proust’un yasasının üzerine yeni bir yasa keşfedince maddenin doğası üzerine düşünmeye koyuldu. Elementlerin birbirleriyle belli oranlarda birleşmesi maddenin temelinde bölünemeyen parçacıklara yani atomlara işaret ediyordu. Elementler arasındaki bu “basit, sabit, tam sayılar” aslında atomların oranıydı. Düşüncesinde son derece haklıydı ve bu doğrultuda 1805 yılında ilk atom modelini geliştirdi:

  1. Bütün maddeler atom adı verilen çok küçük parçalardan oluşur ve bu atomlar bölünemez, var edilemez ve yok edilemezdir.
  2. Bir elementin bütün atomları şekil, kütle ve hacim gibi özellikleri bakımından birbirinin aynı olmakla birlikte diğer elementlerin atomlarından farklıdır.
  3. Kimyasal reaksiyonlar farklı element atomlarının birleşmesinden ibarettir. Bu atomlar birbirleri ile basit ve tam sayılarla ifade edilebilecek oranlarla birleşirler.
Dalton'un "küresel" atom modeli...
Dalton'un "küresel" atom modeli...

Dalton bu kadarla yetinmeyerek 1808’de yayımladığı “Yeni Kimya Felsefesi Sistemi” isimli kitabında atom fikrini biraz daha ileriye taşıdı. Deneylerinde elde ettiği bileşiklerinin kütle oranlarını birbirleriyle karşılaştırarak birtakım basit matematiksel oran uğraşı sonucunda en hafif atomun hidrojen olduğunu saptadı. Suyun oluşumunun iki hidrojen atomunun bir oksijen atomuyla birleşerek gerçekleştiğini gördü. Bir element listesi hazırladı ve atom ağırlıklarını hidrojenin katları cinsinden belirtti.

Dalton'un Bilimde Açtığı Kapı: İlk Periyodik Cetvelin Geliştirilmesi

Fikirsel temeli çok eskilere dayanmış olmasına karşın atom kavramını bir hayli dolaylı olan yöntemlerin neticesinde ortaya koyabilmiş olması Dalton’a üstün bir hayalgücü ve kavrayış yüklüyor. Onun bu üstün niteliklerine rağmen her bilimsel atılım gibi atom fikri de bir takım dirençle karşılaştı. Üstelik bu dirençler yine bilim camiasından geldi. Birçok filozof ve bilim adamı algılanamaz ve bölünemez parçacıkların varlığını düşünmekten uzaktı. Dönemin ünlü filozofu Willam Whewell 1840’ta yayımlanan “Philosophy of the Inductive Science” adlı çalışmasında şöyle diyordu: 

Ama eğer atomik kuram öne sürülecekse ki buna göre kimyasal elementler bölünemeyen parçacıklardan oluşmaktadır, şunu belirtmeden geçemeyiz ki, kimyasal araştırma bunu kanıtlamamıştır ve hatta hiçbir doyurucu kanıt ortaya koyamamıştır.

Atom görüşünü benimsemeye yanaşmayan kimyacılarsa, atom fikrinin kimyasal birleşimleri açıklamakta yalnızca basit bir kolaylık sağladığı, fiziksel gerçekliğinin olmadığı görüşündeydiler. Nitekim 1867’de ünlü kimyacı Friedrich August Kekule da atom fikrini benimsemekten uzaktı: 

Atomların var olup olmadığı sorusu kimyasal bakış açısıyla hiçbir önem taşımamaktadır; bu tartışma metafiziğe ait bir tartışmadır.

Tüm bu olumsuz fikirlere rağmen atom düşüncesi üzerinde çalışılmaya değerdi. Bilim insanları sürekli devam ettirdikleri deneylerinde yeni kimyasal atom türleri keşfediyordu. Günden güne kabaran liste doğanın zarafetine gölge düşürmek istercesine kabarıklaşıyordu. Acaba bütün bu elementleri birbirine bağlayan basit ve tekrarlanan bir uyum var mıydı? Giderek büyüyen element listesi nasıl sadeleştirilerek bir sisteme oturtulabilecekti?

Bu defa bilimsel sıçrayış, sorgulayıcı bir zihnin dahiyâne fikirlerinden değil yalnızca düzenli bir sistem kurabilme çabasının sonucu olarak gerçekleşti. Bu uğurda bir endüstri kimyacısı olan John Alexander Newlands 1864’te atom ağırlıklarına göre sıraladığı atomların ilk 8’inden sonra benzer fiziksel ve kimyasal özelliklerin tekrar ettiğini keşfetti ve bir tablo hazırladı.

Newlands ilk periyodik tabloyu hazırlayan kişi olsa da onu geliştirenler Julius Lother Mayer ve Dimitri Mendeleyev oldu. Mayer ve Mendeleyev benzer sonuçlara gitmelerine karşın Mendeleyev henüz bulunmamış elementleri öngörmesiyle periyodik tablonun babası kabul edilir. Mendeleyev’in 1869’da oluşturduğu tabloda henüz keşfedilmemiş olduğunu düşünerek boş bıraktığı yerler birkaç yıl içinde onun öngördüğü şekilde dolduruldu.

Reklamı Kapat

Mendeleyev'in ilk hazırladığı periyodik cetvel taslağının orjinali...
Mendeleyev'in ilk hazırladığı periyodik cetvel taslağının orjinali...

Kimyacılara Güç Katan Dehalar: Fizikçilerin Konuya Dahil Oluşu

Periyodik tablonun oluşumuna kadar atom düşüncesiyle uğraşanlar hep kimyacılar olmuştu. Maddenin doğasını, maddeler arasındaki ilişkileri araştırıyor olmaları onları doğrudan atoma götürmüştü. Buraya kadar bilim adamlarının zihninde atomun yapısına dair bilgiler içeren herhangi bir resim yoktu. Fakat diğer taraftan onyıllardır doğanın temel bir kuvvetini; elektriği anlamaya çalışan fizikçilerin yolları da atoma dair yapılacak keşiflere doğru gidiyordu. Onların keşifleri, “bölünemez” zannedilen atom fikrini kökünden sarsacaktı.

Elektriği anlamaya çalışan fizikçiler kendilerine iyi düşünülmüş ve biraz da eğlenceli bir deney aleti geliştirirler. William Crookes tarafından geliştirildiğinden Crookes tüpü olarak bilinen bu alet, havası boşaltılmış uzun cam bir tüpün içine istenilen gazın düşük basınçta verilmesi ve tüpün iki ucuna yüksek gerilim uygulanmasıyla elde edilir. Tüplü televizyonların çalışma mantığını içeren ve günümüzde kendine ancak laboratuvarlarda yer bulabilen bu alette uygulanan yüksek gerilim nedeniyle eksi uçtan (katottan) artı uca doğru (anoda) giden ışınlar görülür. Bu ışınlara katot ışınları denir ve bu doğrultuda Crookes tüpü zaman zaman katot ışınları tüpü olarak da adlandırılır.

Elektronun Keşfi ve Thomson'un Atom Modeli

1897’de katot ışınlarının doğasını anlamaya çalışan bir fizikçi atoma dair önemli bir keşfe imza attı. İngiliz fizikçi Joseph John Thomson laboratuvarında bir katot ışın tüpü oluşturdu ve beklediği üzere katottan çıkan ışınlar anoda doğru yöneliyorlardı. Thomson bu ışınları biraz incelemek istedi ve anotta küçük bir delik açarak karşısına floresan bir ekran koydu. Floresan ekrana çarpan katot ışınları ekranda küçük noktaların parlamasına neden oluyordu. Bu doğrultuda ışınların parçacıklı yapıda olduklarını anladı. Parçacıkların bir elektrik yüke sahip olup olmadığını ortaya çıkarmak için yolları üzerine birbirine paralel iki adet metal levha yerleştirerek ikinci bir pille levhaları zıt olarak yükledi. Böylelikle levhalar arasında bir elektrik alan yaratmış oldu ve eğer katottan çıkıp anota giden ışınlar bir elektrik yüküne sahiplerse yollarının sapması gerekecekti. Deneyini gerçekleştirdiğinde katot ışınlarının yollarının saptığını gördü ve sapma artı yüklü levha yönünde oluyordu. Zıt yükler birbirini çekeceğinden katot ışınlarını meydana getiren parçacıkların eksi yüklü olduğu anlaşılıyordu.

Joseph John Thomson (18 Aralık 1856 - 30 Ağustos 1940)
Joseph John Thomson (18 Aralık 1856 - 30 Ağustos 1940)
Thomson'ı elektronun keşfine götüren deney düzeneği...
Thomson'ı elektronun keşfine götüren deney düzeneği...

 Thomson katot ışınlarının elektrik yüklü olduğunu görmüştü fakat ona dair daha temel özelliklere sahip olabilmesi için biraz daha bilgiye gereksinim duyuyordu. Amacı parçacığın karakteristik özelliklerini belirleyebilmekti ve hız bilgisi işine yarayabilirdi. Bu doğrultuda katottan çıkan ve elektriksel alan dolayısıyla yolundan sapan parçacığın, sapmasına engel olacak ölçüde etkiyecek şekilde bir manyetik alan oluşturdu. Böylelikle parçacık sanki hiçbir etki altında değilmiş gibi doğrusal olarak gidecekti. Zıt yönde oldukları için parçacığı yolundan saptırmayan elektrik ve manyetik kuvvetlerin büyüklüğünü kullanarak enerji denkliği sayesinde hız bilgisini elde edebilecekti. Daha sonrasında ise kuvvetlerin denkliğiyle de parçacığın yük/kütle değerine ulaşacaktı. Hesabı ve düşüncesi tamamıyla doğruydu. Bulduğu değerse gerçeğe oldukça yakındı. Deneyini farklı şartlar altında özellikle de katot malzemesini ve tüpün içindeki gazı değiştirerek de defalarca tekrarladı fakat sonuç hiç değişmedi. Her seferinde aynı yük/kütle değerine ulaşıyordu. Bu eksi yüklü parçacık, malzeme ne olursa olsun değişmediğine göre temel bir parçacıktı ve Thomson ona “elektron” ismini vermeyi uygun gördü.

Thomson’ın bu deneyi ve sonrasındaki temel fizik hesabı atom düşüncesinin önemli bir adımı olarak görülür. Çünkü sonucunda yeni bir atom modeli oluşabilmiştir. Thomson elektronu keşfetti ve bu keşif elbette Dalton’un bölünemez atomlarına ağır bir darbe vurdu. Deneyde kullandığı malzeme ne olursa olsun sonuç değişmediğinden Dalton’un savunduğu şekilde her elementin atomları birbirinden tamamıyla farklı olmamalıydı. Her atomda, keşfettiği elektron kendine yer bulabilmeli ve bu elektron, atomunu terk edip tüpün içinde gezebildiğinden atomun bölünemezliği düşüncesi terk edilmeliydi. Öte yandan elektron eksi yüklü bir parçacıktı fakat atomlar yüksüzdü. Öyleyse atomun içinde bu yük dengesini sağlayacak artı yükler olmalıydı. Diğer bir tespitse elektronun yük/kütle oranının çok yüksek olmasıydı. Bu elektronun kütlece çok küçük olduğu anlamına geliyordu. Bütün bu bilgiler ışığında Thomson yeni bir atom modeli oluşturdu ve modelinde atomun artı yükten oluştuğunu içinde eksi yüklü gömülü elektronlar barındırdığını söyledi:

  1. Atom artı yüklü maddeden oluşmuştur.
  2. Elektronlar bu artı madde içinde gömülüdür ve hareket etmezler.
  3. Elektronların kütleleri çok küçüktür bu yüzden atomun tüm kütlesini artı yüklü madde oluşturur.
  4. Atom küre şeklindedir.
Thomson'un "Üzümlü Kek" Atom Modeli...
Thomson'un "Üzümlü Kek" Atom Modeli...

Thomson’ın atom modeli elektronları hareketsiz ve atomun içerisinde homojen biçimde dağılmış olarak aldığından üzümlü kek modeli olarak da bilinir. Onun oluşturduğu atom modeli günümüz bilinenleriyle karşılaştırıldığında çok farklı bir yapı çizer. Modelin elbette birçok hatası vardır fakat atomun yapısını ortaya çıkarmaya dair kayda değer bir ilerleme sağlamıştır. Elbette bilim hiçbir zaman gerçeği tam anlamıyla bulduğunu söylemeyecektir.

Reklamı Kapat

Çekirdeğin Keşfi: Rutherford'un Çekirdekli Atom Modeli

19. yüzyılın sonlarında fizikçiler birkaç küçük detayın ötesinde bilinmeyenlerin kalmadığı, fiziğin sonuna gelindiği gibi bilimin karakteriyle uyuşmayan bir düşünceye kapıldılar. Aslında bunda kısmen haklı da olabilirlerdi. Galilei ve Newton’un mekanik alanındaki araştırmalarıyla başlayan bilimsel ilerleyiş süreci yaklaşık üç yüz sene öylesine yoğun geçmişti ki bilim insanları bile ortaya çıkan gerçekliklerin haricinde doğanın herhangi bir saklı yüzünün kalmadığını düşünmekte haklıydılar. Fakat elbette, işin aslı böyle değildi. Bunun böyle olmadığını gösterecek kişilerden biri de Cambridge’te Thomson’ın Cavendish Laboratuvarında asistanı olarak çalışan Ernest Rutherford idi. Rutherford, Thomson’ı elektronun keşfine götüren çalışmaları sırasında onun yanında bulunmuş, yardımcısı olarak çalışmıştı. Şimdi hocasından aldığı bilim meşalesini daha ilerilere taşıyacaktı.

Yüzyılın sonunda Marie ve Pierre Curie uranyum ve toryum elementleri üzerinde çalışmaya başladılar ve kısa zamanda bu elementlerin fiziğe yeni bir bakış açısı getirmeye gebe olduklarını anladılar. Uranyum ve toryumun kendiliğinden bozunma özelliği gösterdiklerini keşfettiler ve bu olaya “rakyoaktivite” ismini verdiler. Daha sonrasında polonyum ve radyumun da böyle bir özelliği olduğunu gözlemlediler. Radyoaktivite atomun keşfi sürecinde fizikçilerin çok işine yarayacaktı. 

Bu anlamda Rutherford fiziğin yeni alanıyla ilgilenmeye başladı. Rakyoaktivite özelliği gösteren rakyoaktif atomların bozunma süreci birtakım ışımalar yaparak gerçekleşiyordu. Rutherford bu ışımaları kategorize etti. Işınları bir manyetik alanın içerisine gönderdiğinde kimisinin katot ışınlarıyla (elektronlarla) aynı yönde kimisininse ters yönde saptığını gözlemledi. Ters yönde sapma gösteren ışımaların elektrik yüklerinin katot ışınlarıyla zıt olması gerekirdi ve bu ışımaya alfa ismini verdi. Aynı yönde sapanlara ise beta dedi. Bir de manyetik alandan hiç etkilenmeyen ışıma türü vardı. Bunun yüksüz olacağını düşündü ve gama ismini uygun gördü.

Alfa ışınları kağıt ya da eliniz gibi maddelerin içerisinden bile geçemeyecek kadar güçsüzdür. Ancak beta ve gama ışınları bu tür maddelerin içinden sorunsuzca geçer. Beta ışınları alüminyum gibi metalleri geçemezken, gama ışınlarını kurşun gibi metallerle durdurabiliriz.
Alfa ışınları kağıt ya da eliniz gibi maddelerin içerisinden bile geçemeyecek kadar güçsüzdür. Ancak beta ve gama ışınları bu tür maddelerin içinden sorunsuzca geçer. Beta ışınları alüminyum gibi metalleri geçemezken, gama ışınlarını kurşun gibi metallerle durdurabiliriz.

Rutherford radyoaktivitenin sırlarını keşfetmeye çalışırken atomun yapısıyla ilgili ciddiye alınması gereken bir önerme geldi. 1903 yılında Japon fizikçi Hantaro Nagaoka, Satürn Modeli dediği bir atom tarifi yaptı. Ona göre elektronlar artı yüklü bir parçacık etrafında aynı düzlem üzerindeki dairesel yörüngelerde dolaşıyorlardı. Onun modeli ne derece kayda değer bulundu bilinmez fakat 1909 yılında Hans Geiger ve Ernest Marsden, Rutherford’un laboratuvarında ve onun gözetiminde atomun yapısını çözmeye koyuldular. 

Bunun için Rutherford’un alfa ismini verdiği parçacıkları kullandılar. Yaptıkları deney, esas itibariyle çok basitti. Atoma alfa parçacıklarını fırlatacak ve içinde ne olduğunu öğrenmeye çalışacaklardı. Yapacakları deney, bir iğne yardımıyla bir şeftalinin içerisindeki çekirdeği incelemek gibi bir şeydi. İğneyi şeftaliye batırarak içindeki “çekirdek”i keşfedeceklerdi.

Deneyde alfa parçacıklarını elde edebilmek için bir radon kaynak kullandılar. Radyoaktif olduğundan kendiliğinden alfa ışıması gerçekleştirebilecek olan radon kaynağı bir yüzünde küçük bir delik olan ağır metal bir kutuya yerleştirdiler. Böylelikle alfa parçacıklarını bir istikamette odaklandırabileceklerdi. Kutudan çıkacak olan alfa parçacıklarının tam karşısına 0.00006 cm inceliğinde bir altın levha yerleştirdiler. Her şey neredeyse tamamdı; ama altın levhayla etkileşecek alfa parçacıklarının bu etkileşme sonucunda hangi yöne sapacağını tayin edebilmek gerekiyordu. Bunun için altın levhanın etrafını, üzerine alfa parçacıkları çarptığında ışınlar yayan çinkosülfid bir ekranla çevirdiler. Bu sayede ekrana çarpıp parlamaya neden olan alfa parçacıklarının ne kadarlık bir sapmaya maruz kaldıklarını kolaylıkla gözleyebileceklerdi.

Geiger-Marsden Deney Düzeneği: Deney sonuçları Rutherford tarafından yorumlanmıştır.
Geiger-Marsden Deney Düzeneği: Deney sonuçları Rutherford tarafından yorumlanmıştır.

Deney sonuçları oldukça enteresandı. Parçacıkların neredeyse tamamı çok küçük sapmalarla altın levha engelinden geçiyordu fakat sekiz binde biri hareket yönü ters istikamette değişecek şekilde yöneliyordu. Bir hayli düşük bir oranla da olsa parçacıkların sanki bir yansıma yaparmış gibi geriye yönelmeleri Rutherford’u da fazlasıyla şaşırtmıştı. Sonucu şöyle yorumladı: 

Reklamı Kapat

Tıpkı bir peçeteye 15 inçlik bir mermi sıkmışsınız da mermi gerisin geri size dönmüş gibi.

Rutherford meseleyi incelemeye koyuldu ve kısa zamanda deney sonuçlarını doğru olarak yorumlamayı başardı. Artı yüklü alfa parçacıklarının çok düşük bir oranda gerisin geri saçılması atomun ortasında küçük bir hacimde artı yükün yoğunlaşmasını gerektiriyordu. Bu yoğun kütleye çekirdek adını verdi. Alfa parçacıklarının yüksek bir oranda küçük açılı sapmalar göstermesi ise atomun çekirdek haricinde boşluklu bir yapıda olduğu gerçeğini gözler önüne seriyordu.

Sol tarafta, Thomson'ın modeline göre olması gereken davranış görülmektedir. Sağ tarafta ise, Rutherford'un gözlemlediği durum gösterilmektedir. Dolayısıyla Thomson'ın modelinin hatalı olduğu anlaşılmıştır.
Sol tarafta, Thomson'ın modeline göre olması gereken davranış görülmektedir. Sağ tarafta ise, Rutherford'un gözlemlediği durum gösterilmektedir. Dolayısıyla Thomson'ın modelinin hatalı olduğu anlaşılmıştır.

Rutherford alfa parçacıklarıyla çeşitli atomları bombardıman altına almanın daha başka keşiflere yol açabileceğini düşündü. Bu sefer alfa parçacıklarını nitrojen gazına yöneltti ve çinkosülfür ekranda alfa parçacıklarının haricinde hidrojen atomlarının ışımaya neden olduğunu gözlemledi. Hidrojen atomu ancak nitrojen atomlarından gelebilirdi ve bu durum nitrojen çekirdeklerinin hidrojen atomuna benzeyen artı yüklü parçacıklardan meydana geldiğini gösteriyordu. Bu parçacık daha sonraları “proton” olarak isimlendirilecekti. Her element atomunun yapısını belirleyen de çekirdek içerisinde sahip olduğu artı yüklü parçacık sayısıydı. Atom nötr yapıda olduğundan artı yüklü parçacık sayısı kadar da elektron sahibi olmalıydı. Artık Rutherford kendi atom modelini oluşturmaya hazırdı ve 1911 yılına gelindiğinde çekirdekli atom modeli olarak da anılan atom modelini duyurdu:

  1. Atomda pozitif yükler çekirdek adı verilen çok küçük bir hacimde toplanmıştır.
  2. Atomda pozitif yüklü tanecikler kadar elektron vardır ve bu elektronlar çekirdek etrafındaki dairesel yörüngelerde dolanırlar.
  3. Elektronlar çekirdekten oldukça uzakta yer alırlar ve atom büyük oranda boşluktan oluşur.
Rutherford'un Çekirdekli Atom Modeli
Rutherford'un Çekirdekli Atom Modeli

Eksik Parçaları Tamamlayan Keşif: Niels Bohr ve Kuantum'un Doğuşu

Rutherford modeli oldukça mantıklı görünmesine rağmen bazı çıkmazlara sahipti. İlk etapta Rutherford’u elektronların çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolandığı düşüncesine iten sebep neydi anlaşılamadı. Ortada elektronların yörüngelerde dolandığına dair hiçbir kanıt yoktu. Öte yandan yörüngede dolaşan elektronlar, ışıyarak enerjilerini kaybettiğinden protonların çekim etkisiyle spiral yaparak çekirdeğe düşmeliydiler. Rutherford’un atomu hesaplamalarda çok fazla yaşayamadan çöküyordu. Ama pratikte böyle bir şey gözlenmiyordu. 

Rutherford atom modeli katot ışınlarının oluşmasına neden olan elektronları da açıklayamıyordu. Atomun yapısı, elektronların özgürce yörüngesini terk ederek atomun dışına çıkmasına elverişli şekle sahip olmalıydı. Bütün bu sorular çok kısa bir süre içinde fiziğe yeni bir soluk getiren kuantum düşüncesiyle ve yine bu yeni kuantum akımının öncülerinden sayılan Niels Bohr tarafından cevaplandırılacaktı.

20. yüzyılın başlarında Rutherford atomu alfa parçacıklarıyla bombalarken, onun deneyleri sonucunda oluşturacağı modelinin çıkmazlarını çözüme kavuşturacak yepyeni bir araştırma konusu doğuyordu. Bu konu fiziksel meselelere yepyeni bir yaklaşım sergileyen kuantum düşüncesiydi. 

Fizikte bir süredir ışığın bazı garip davranışlarının anlaşılmasına çalışılıyordu. İlk gariplik 1815 yılında Fraunhofer tarafından gözlenmişti. Güneş ışığını bir prizmadan geçiren Newton ortaya çıkan muhteşem güzellikteki yedi rengin karşısında çok muhtemel ki büyük bir heyecan duymuştur. Çünkü onun için her şey tamamıyla kusursuz görünüyordu. Fakat Fraunhofer bu tayfı mikroskopla incelemek istedi ve sonucun heyecanlandırıcı olduğu kadar garipliklerle dolu olduğunu gördü. Tayfın bazı yerlerinde karanlık çizgiler vardı. Nedeninin anlaşılması için uzun bir zaman gerekecekti.

Takip eden yıllarda kara cisim ışıması denen bir anlaşılmazlıkla karşılaşıldı. Kara cisimler ışığı çok büyük oranda soğuran, aldığı enerjiyi biriktiren ve bu enerjiyle ışıyan cisimlerdir. Bu cisimlere kara denmesinin sebebi de tüm ışığı soğurduklarından siyah görünmeleridir. Bir kara cisim ısıtıldığında tıpkı metal bir teli ısıtıyormuş gibi ışımanın enerjiye bağlı olarak renk değiştirdiği gözlemlenir. Işıma önce kırmızı renktedir ve ısıtma devam ettikçe ışıma tayf boyunca maviye doğru kayar. Buraya kadar hiçbir sorun yok fakat mesele ışımalara matematiksel denklemlerle yaklaşmaya gelince ortaya büyük sorunlar çıkar. O zamana kadar bugün bizim “klasik fizik” diye tabir ettiğimizden başka bir fizik yoktur. Olaya klasik fizik denklemleriyle yaklaşılınca ışıma maviye doğru gittikçe (dalgaboyu küçüldükçe) şiddetin sonsuza gittiği görülür. 

Denklemler deney sonuçlarıyla tamamıyla bir uyumsuzluk içindedir. Adeta klasik fizik tıkanmıştır. Kara cisim ışıması üzerine Alman fizikçi Max Planck çalışır ve sonuçlara matematiksel bir farklılık getirir. Öyle ki kara cisimlerden yayılan enerji sürekli değil de bir tamsayının katları olarak ele alındığında denklemler sonuçlarla tamamıyla uyuşmaktadır. Bu bakış açısı ve getirdiği yeni fikirler Planck’ın öncülüğünde fizikte yeni bir alan doğurmuştur. Enerjinin kuantumlu (kesikli) olabileceği fikri bütün anlaşılmazlıkları çözer ve birim enerji paketleri fikriyle ulaşılan tamsayı bugün Planck sabiti olarak anılan sayıdır.

Yüzyıllar önce Demokritos maddenin sürekli olduğu fikrini nasıl bir kenara ittiyse 1901 yılında Planck da enerjinin sürekliliğine bir darbe vuruyordu. Kuantum düşüncesi hiç şüphesiz fizikte bir devrimi başlatmıştı ve bu devrim atom teorilerinin gelişmesini doğrudan etkileyecekti. Enerjinin kesikli oluşu kara cisim problemini aşmamızı sağlıyordu ama Fraunhofer’ın gözlemi hala soru işaretleriyle doluydu. Bunun çözümü için yeni bir atom teorisi gerekecekti.

Reklamı Kapat

1911 yılında Rutherford yeni atom modelini oluşturduğunda kuantum düşüncesi birçok fizikçiyi olduğu gibi çok muhtemeldir ki onu da pek etkilememişti. Bu yüzden atom modelini kuantum düşüncesiyle yorumlamayı hiç düşünmedi. Diğer taraftan sadece kuantum düşüncesiyle hareket ederek de yeni bir atom modeli geliştirmek imkânsızdı. Rutherford’un modelinin tüm kazanımlarını ve çıkmazlarını kuantum fikriyle değerlendirip yeni bir model oluşturacak kişi Niels Bohr’du.

Niels Bohr (7 Ekim 1885 - 18 Kasım 1962)
Niels Bohr (7 Ekim 1885 - 18 Kasım 1962)

Bohr 1913 yılında Rutherford’un atom modelini ve enerjinin kuantumlu olduğu fikrini alıp bir potada eriterek yeni bir model oluşturdu:

  1. Elektronlar çekirdek çevresinde rastgele dairesel bir yörüngede değil, belli enerjiye sahip olan dairesel yörüngelerde bulunabilirler.
  2. Elektronlar bulundukları enerji seviyesinin enerjisine sahiptir. Enerji seviyeleri atom çekirdeğine yakınlığına göre n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 gibi tamsayılarla veya K, L, M, N, O, P, Q gibi harflerle ifade edilirler.
  3. Yüksek enerji düzeyinde bulunan bir elektron daha düşük enerji düzeyine geçerse fotonlar halinde ışık enerjisi yayar, tersi bir şekilde bir elektron bulunduğu enerji düzeyinden daha yüksek bir enerji düzeyine geçebilmek için dışardan enerji almalıdır. Bir atomun elektronları dışardan enerji alarak yüksek enerji düzeyine yükselirse bu atoma "uyarılmış atom" denir.
Bohr Atom Modeli'nin 3 boyuytlu gösterimi
Bohr Atom Modeli'nin 3 boyuytlu gösterimi
Bohr Modeli'nin 2 boyutlu gösterimi
Bohr Modeli'nin 2 boyutlu gösterimi


Bohr atom kuramı Fraunhofer’ın gözlemini açıklayabiliyordu. Güneş ışınlarının bir kısmı atmosferdeki atomların elektronlarınca emilerek tayftan siliniyordu. Üstelik tayfın karanlık çizgilerinin sürekli değil de birkaç tane olması Bohr’un modelindeki elektronların ancak belli yörüngelerde bulunabileceği fikrini destekliyordu. Elektronların yalnız belli yörüngelerde bulunması fikri enerjilerini kaybetmedikleri ve neden çekirdeğe düşmediklerini açıklıyordu fakat modelin hala yetersiz olduğu yerler vardı.

Sonraki yıllarda Bohr, modelini periyodik tablodaki periyodikliği de açıklayacak biçimde genişletti. Elektronlar belli yörüngelerde (ilkinde 2 ve sonrakilerde 8 olmak üzere) ancak belli sayılarda bulunabiliyorlardı. Yörüngelerden biri dolunca elektronlar bir üst yörüngeye yerleşiyorlar ve kimyasal özellikler dış yörüngedeki elektron sayısıyla açıklanabiliyordu. Dış kabuğu dolu olan element tepkimeye girmiyordu. Bohr’un modeli önemli açıklamalar getirmişti fakat hala bir şeyler eksikti. Her şeyin ötesinde elektronlar neden sadece belli yörüngelerde bulunabiliyordu? Elektron bir parçacıktı ve belli enerji düzeyleri fikri ışıma için yani dalga için düşünülebilirdi.

Atomun "Boşluklarını" Doldurmak: Kuantum Fizikçileri ve Keşifleri

1923 yılında Arthur Compton yeni bir keşif gerçekleştirdi. Compton Etkisi veya Compton Saçılımı denilen ve kendisine Nobel ödülünü getiren bu keşifte Compton, ışık demetinin elektronlara çarpıp bir kısım enerjilerini aktardıklarını ve elektronların ivmelenmelerine neden olup geriye kalan enerjileriyle yansıdıklarını gördü. Aslında bu etki daha önceleri de biliniyordu fakat ışık bir dalga olarak ele alındığından, teorik çözümlerde dalga denklemleri kullanılıyordu ve denklemler bir kez daha gözlemlerle uyuşmuyordu. Compton, bu etkinin, enerjinin ve momentumun korunumu gibi fiziğin bilinen olgularıyla açıklanabileceğini gösterdi ve bu durum kimi zaman ışığın bir parçacık gibi değerlendirilebileceğinin ispatıydı.

Compton Saçılımı
Compton Saçılımı

Hem dalga hem parçacık özellikler gösteren ışığın bu ikiliğinden yola çıkan Fransız fizikçi Louis de Broglie eğer dalgalar parçacık özelliği gösterebiliyorsa parçacıklarında dalga özelliği gösterebileceklerini düşündü. 1923’te yayınladığı doktora tezinde her parçacığın bir dalga özelliği taşıyabileceğini ortaya koydu ve elektronun dalga boyunu hesapladı. Yaptığı hesap elektron yörüngelerinin neye göre belirlendiğine mantıklı bir çözüm getirebiliyordu. Hesapları herhangi bir yanlışlık taşımıyor olsa bile parçacık özellikleri tamamıyla bilinen elektronun dalga özelliği gösterebileceğine dair henüz hiçbir deneysel kanıt yoktu.

Wolfgang Pauli 1925 yılında elektronların neden aynı kuantum durumunu paylaşamadıklarını açıklayan bir yasa keşfetti. Pauli dışlama ilkesi olarak bilinen bu yasa, Bohr atom modelinde elektronların neden farklı yörüngelerde olmaları gerektiğini açıklıyor fakat neden her yörüngede iki elektron olduğunu açıklayamıyordu. İki elektronun aynı yörüngeyi paylaşabilmeleri için bir farklılıkları olması gerekiyordu. Bu sorun George Uhlenbeck ve Samuel Goudsmit’in ortaya attığı spin kavramıyla aşıldı. Spin kavramı elektronların açısal momentumunun bir ifadesiydi. Bu kavrama göre aynı enerji düzeyini paylaşan elektronlar birbirlerine göre ters spin değerlerine sahipti ve böylelikle neden her yörüngede iki elektron bulunduğu açıklanmış oluyordu.

Broglie’nin varsayımından hareket eden Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger 1926 yılında harikulade bir denklem oluşturdu. Öyle ki bu denklemin çözümleriyle bütün parçacıkları ifade etmek mümkündü. Tamamıyla yeni bir mekanik alanı olan Kuantum Mekaniği'ni sistematik bir şekilde önemini ortaya koyan bu denklem, Schrödinger dalga denklemi olarak bilinen denklemdir. 

Schrödinger'in Denklemi: Denklemde "i" sanal sayı, "h" Planck sabiti, "psi" dalga denklemi, "m" kütle, "nabla kare" Laplasyen operatörü, V ise parçacığı etkileyen potansiyel enerjidir.
Schrödinger'in Denklemi: Denklemde "i" sanal sayı, "h" Planck sabiti, "psi" dalga denklemi, "m" kütle, "nabla kare" Laplasyen operatörü, V ise parçacığı etkileyen potansiyel enerjidir.

Parçacıkların dalgalar gibi görülebileceği fikri giderek güç kazanıyordu fakat Schrödinger’in dalga denklemine yeni ve mantıklı bir yaklaşım sergilenmesi gerekliydi. Bu yeni yorum Max Born tarafından getirildi ve Born kendi ismiyle anılan yakınsama metotlarıyla dalga fonksiyonunun karesinin, parçacığın herhangi bir zamanda herhangi bir yerde bulunma olasılığını verdiğini gösterdi.

Reklamı Kapat

Born’un getirdiği yoruma göre bir parçacığın herhangi bir noktada kesin olarak bulunacağını söyleyebilmek olanaksızdır. En fazla yapacağınız parçacığın o noktada hangi olasılıkla bulunabileceğini belirlemektir. Daha sonrasında yaptığınız ölçümle bu olasılığı kırıp parçacığın nerede olduğunu gözlemleyebilirsiniz. Yeni bir ölçümde parçacık yer değiştirmiş olabilir çünkü ölçümü her tekrarladığınızda parçacığın belli yerlerde belli bulunma olasılıkları olduğu gerçeği değişmez.

Parçacıkların Dünyasında Gözlem Yapmak: Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi

Kuantum dünyası aklın ötesine geçen hayaller doğuruyordu. Bir parçacığın nerede olduğunun asla kesin olarak belirlenemeyeceğini ancak olasılıklarla ifade edilebileceğini öğrenen fizikçiler bütün bu kuantum sonuçları üzerine bir de belirsizlik ilkesiyle tanıştılar. Atomu tanıma süreci, birbiri ardına gelen gerçeklerle insanlığı kuantum dünyasına taşıyordu.

Herhangi bir nesnenin konumunu belirleyebilmemiz için onu gözleyebilmemiz gerekir. Yani onu görebilmemiz. Nesneye çarpıp gözümüze veya herhangi bir algılayıcıya gelen ışıkla bu görme faaliyetini gerçekleştiririz. Peki, bir elektronu gözlemek istersek işler nasıl değişir?

Küçüklerin dünyasında da bizim çevremizdeki gözlemlere benzer sonuçlar elde edilebilir mi? 

Işığın bir dalga olduğunu dolayısıyla bir dalgaboyu değerine sahip olduğunu biliyoruz. Elektron çevremizdeki herhangi bir nesneyle asla karşılaştırılamayacak kadar küçük bir boyutta olduğundan onu görebilmek için kullanacağımız ışığın dalgaboyuyla elektronumuzun boyutlarını mukayese etmeliyiz. Sonuç itibariyle ışığımızın dalgaboyu elektron çapımızdan büyük olmamalı aksi halde onu net bir şekilde göremeyiz. Pekâla, dalgaboyu elektron çapından küçük olan bir ışığı göndersek ne olur? 

Cevap Compton etkisinde saklı: Işığın dalgaboyu küçüldükçe enerjisinin arttığını, ışığın bir parçacık olarak düşünülebileceğini ve bu parçacıklara da foton ismi verildiğini biliyoruz. Küçük dalgaboylu ve yüksek enerjili foton elektrona çarptığında enerjisinin bir kısmını aktarır ve elektronun momentumu değişir. Dolayısıyla elektronun momentumunda değişikliğe sebep vermeden konumunu öğrenmek mümkün değildir. 

Peki, ışığın dalgaboyunu büyütsek ve dolayısıyla daha düşük enerjili fotonlar göndersek ne olur? Bu seferde dalgaboyu elektron çapından büyük olduğundan her ne kadar elektronun momentumunda daha düşük bir değişime sebep versek de konumunu belirlemeye yönelik belirsizliğimiz artar. Elektron, ışığın dalgaboyunun, kendisinden büyüklüğü oranında belirsiz konumlara sahip olabilir. 

İşte 1927 yılında Werner Heisenberg de aynen böyle düşündü ve belirsizlik ilkesini öne sürdü: 

Herhangi bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez.

Birbiri ardına gelen tüm bu gelişmeler atom teorisinin kuantum düşüncesiyle açıklanabileceğini gözler önüne seriyordu fakat hala bu düşünceden şüphe duyanlar vardı. Bir parçacık nasıl dalga özelliği gösterebilirdi? Cevap Heisenberg’in belirsizlik ilkesini geliştirdiği aynı yılda, 1927’de, elektronların varlığını ortaya koyan J. J. Thomson’ın oğlu George Paget Thomson’dan geldi.

Paget Thomson’ın yaptığı deneyi anlayabilmek için biraz eskilere gitmek gerekir çünkü deneyin neredeyse aynısını 1801 yılında Thomas Young yapmıştır. Young, iğne deliğinden geçirdiği ve böylelikle tek bir merkezde odakladığı güneş ışığının yolu üzerine, üstünde iki küçük yarık bulunan bir plaka koymuştu. Düzeneğin sonuna ışığın yarıklarla olan etkileşiminin sonucunu görmek için de bir perde yerleştirmişti. Yarıklardan geçen ışık perdede aydınlık ve karanlık saçaklar oluşturacak şekilde bir girişim deseni meydana getirmişti ve girişim deseni ancak dalgalar tarafından gözlenebilecek bir olgu olduğundan deney açıkça ışığın dalga özelliği gösterdiğini kanıtlamıştı. 

Paget Thomson benzer bir deneyi fakat bu sefer elektronları kullanarak gerçekleştirmek istedi. Sonuç oldukça şaşırtıcıydı. Perdede tıpkı dalga özelliğiyle bilinen ışığın oluşturduğu gibi aydınlık ve karanlık saçaklarıyla bir girişim deseni vardı ve bu durum Broglie’nin elektronların dalga özelliği gösterebileceğine dair geliştirdiği fikrini açıkça destekler nitelikteydi.

Çift yarık deneyinin şematik gösterimi
Çift yarık deneyinin şematik gösterimi

Atom Ailesine Katılan Son Üye: Nötron

Atomun kuantum modelini birbirini kovalayan keşiflerin ardından neredeyse oluşturmuş bulunuyoruz. Yalnızca bir eksik var: atomun çekirdeğini protonla paylaşan nötron. Nötron yüksüz olduğundan gözlenen en son parçacık oldu. Aslında nötronun var olması gerektiği daha öncelerden fark edilmişti. Atom nötrdü ve elektron sayısı kadar proton olması gerekliydi. Fakat çekirdek var olması gereken protonlardan çok daha ağırdı. Öyleyse çekirdeğin içinde yükü olmadığı için gözlenemeyen en az proton kadar kütlesi olan bir parçacık daha olmalıydı. 

Gözlem 1932’de James Chadwick’ten geldi. Chadwick alfa parçacıklarıyla bombardıman ettiği berilyum folyonun yaydığı ışının, karşısına çıkan çekirdeklerdeki protonlara çarpıp dışarı fırlamalarına yol açtıklarını gözlemledi. Enerji ve momentum korunumu yasalarıyla hareket ederek bu ışının, protonun kütlesine yakın bir kütleye sahip fakat yüksüz parçacıklardan oluştuğunu belirledi. Parçacıkların ismini de kendisi önerdi.

Büyük Final... Mi?: Modern Atom Teorisi (Kuantum Atom Modeli)

Atomun kuantum modeli artık oluşturulmaya hazırdır. Bu model Modern Atom Teorisi olarak da anılır ve herhangi bir şekilde resmedilmesi elektron davranışları sebebiyle pek mümkün olmayan düşünsel bir modeldir. Kuantum modeli Bohr’un modelinin devamı niteliğinde olup onun açıklayamadığı elektronların neden sadece belli yörüngelerde dolandığı gerçeğini açıklar. Elektronlar, dalga karakterlerinin bir özelliği olarak çevresi, elektron dalgaboyunun ancak tamsayı katında olan yörüngelere yerleşebilirler. Dolayısıyla çevresi üç buçuk elektron dalgaboyu büyüklüğünde bir yörüngeden söz edilemez. Bunun yanı sıra dışlama ilkesi gereği elektronlar farklı yörüngelerde olmak zorundadır ve Born’un olasılık kuramı gereği bir elektronun yerini kesin olarak ifade etmek mümkün değildir. Bütün bunların ışığında elektronlar çekirdeğin etrafında ancak bir elektron bulutu içinde resmedilebilirler.

Kuantum Atom Modeli
Kuantum Atom Modeli

Bunların yanı sıra Paul Dirac birtakım matematiksel hesaplama sonucu bilinen bütün bu parçacıkların birer karşı parçacığı olduğunu öne sürdü. Sonraki yıllarda bu karşı parçacıkların tamamı gözlendi. 1964’te Gell-man ve Zweig, elektron ve foton gibi temel parçacıklar haricinde diğer parçacıkların daha temel yapılardan oluşması gerektiğini öne sürdüler. Gell-man bu daha temel parçacıklara kuark ismini önerdi. 1968’de Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde protonların yüksek enerjili elektronlarla bombalanması sonucu kütle yoğunluğu sergileyen üç küçük noktanın varlığı anlaşıldı. Daha sonra bu üç küçük noktanın kuarklar olduğu ve proton ile nötronun üç kuarkın birleşmesiyle oluştuğu öğrenildi.

Parçacık fiziğindeki gelişmeler bugün hala atom teorilerine ışık tutuyor. Maddeyi oluşturan, rakyoaktiviteyi taşıyan, doğanın temel kuvvetlerinden sorumlu olan birçok parçacık ortaya çıkarıldı. Bu parçacıklar bize evrenin sırlarını da fısıldıyorlar. Bilim bitmek tükenmek bilmeyen merakı sonucu aydınlattığı atom fikri gibi bugün doğanın birçok gizli kalmış yanını ortaya çıkarmak için uğraşıyor. Hiç şüphesiz bugünün uğraşları ileride yeni bilimsel öykülere konu olacak.

doi: 10.47023/ea.bilim.109

Okundu Olarak İşaretle
Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Merak Uyandırıcı! 48
  • Muhteşem! 44
  • Bilim Budur! 43
  • Tebrikler! 33
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 14
  • İnanılmaz 14
  • Umut Verici! 14
  • Güldürdü 2
  • Üzücü! 1
  • Grrr... *@$# 1
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  • D. Halliday, et al. (2004). Fundamentals Of Physics. ISBN: 9780471232315. Yayınevi: Wiley.
  • S. Sekmen. (2007). Parçacık Fiziği: En Küçüğü Keşfetme Macerası. ISBN: 9789944344166. Yayınevi: ODTÜ Yayıncılık.
  • C. Yıldırım. (2016). Bilim Tarihi. ISBN: 9789751417244. Yayınevi: Remzi Kitabevi.
  • M. Taşkan. (2011). Fizikte 10 Teori. ISBN: 9786051273433. Yayınevi: Cinius Yayınları.
  • L. Buescher. Atomic Structure Timeline. (25 Mart 2019). Alındığı Tarih: 25 Mart 2019. Alındığı Yer: Atomic Timeline | Arşiv Bağlantısı
  • LeMoyne College. A New System Of Chemical Philosophy. (25 Mart 2019). Alındığı Tarih: 25 Mart 2019. Alındığı Yer: LeMoyne College | Arşiv Bağlantısı
  • American Institute of Physics. The Discovery Of The Electron. (25 Mart 2019). Alındığı Tarih: 25 Mart 2019. Alındığı Yer: American Institute of Physics | Arşiv Bağlantısı

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 15/04/2021 07:56:20 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/109

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Reklamı Kapat
Güncel
Karma
Agora
Makale
Etimoloji
Hominid
Acı
Deri
Popülasyon
Uzay
Avrupa
Davranış
Mit
Taklit
Habercilik
Biyolojik Antropoloji
Odontoloji
Genel Halk
Mantar
Balık
Wuhan Koronavirüsü
Çekirdek
Transkripsiyon
Malzeme
Basınç
Küresel Isınma
Komplo Teorisi
Dalga
Daha Fazla İçerik Göster
Daha Fazla İçerik Göster
Yazı Geçmişi
Okuma Geçmişi
Notlarım
İlerleme Durumunu Güncelle
Okudum
Sonra Oku
Not Ekle
Kaldığım Yeri İşaretle
Göz Attım

Evrim Ağacı tarafından otomatik olarak takip edilen işlemleri istediğin zaman durdurabilirsin.
[Site ayalarına git...]

Filtrele
Listele
Bu yazıdaki hareketlerin
Devamını Göster
Filtrele
Listele
Tüm Okuma Geçmişin
Devamını Göster
0/10000

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
Geri Bildirim Gönder
Reklamsız Deneyim

Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, Evrim Ağacı'nda çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.

Kreosus

Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.

Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.

Patreon

Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.

Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.

YouTube

YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.

Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.

Diğer Platformlar

Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.

Giriş yapmayı unutmayın!

Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.

Destek Ol

Devamını Oku