Atom Teorisi ve Zaman İçinde Geçirdiği Evrim

Bu yazının içerik özgünlüğü henüz kategorize edilmemiştir. Eğer merak ediyorsanız ve/veya belirtilmesini istiyorsanız, gözden geçirmemiz ve içerik özgünlüğünü belirlememiz için [email protected] üzerinden bize ulaşabilirsiniz.

Sokağa çıkıp herhangi birine “Atom neye benzer?” diye sorduğunuzda genelde alacağınız cevap çekirdeğin etrafında dolanan bir elektron şeklinde olacaktır. Peki, bu her yerde görmeye alıştığımız imge ne kadar doğrudur ve ne şekilde günümüze kadar gelmiştir? Bunu açıklamak için olayın tarihine bir göz atmamız gerekiyor.

Atom fikrinin ne kadar eski olduğu sorusu ilk aklınıza geldiğinde bu fikrin Antik Yunan dönemine kadar dayanabileceği aklınıza gelmeyebilir. Ancak bu düşünce yazılı tarihe göre ilk olarak Demokritos tarafından milattan önce 460 yılında ortaya atılmıştır. Demokritos’a göre bütün maddeler atom denen görünmez, yok edilemez, homojen yapıya sahip parçacıklardan oluşmaktaydı. Ancak o kadar küçük boyutları incelemek o dönemlerde mümkün olmadığından bu fikir tarihin sayfalarına gömüldü.

Dalton Atom Teorisi

Atom fikrinin tekrar ortaya çıkması ise 1700’lü yılları buldu. Antoine Lavoisier tarafından 1789 yılında kütlenin korunumu yasasının bulunması ilk adım oldu. Buna göre bir kimyasal etkileşime giren madde miktarı ile bu etkileşim sonucunda oluşan madde miktarı aynıydı. Daha sonrasında ise Joseph Louis Proust tarafından 1799 yılında bulunan sabit oranlar yasası bulmacanın ikinci eksik paçasını yerine koydu. Bu yasaya göre ise bir bileşik, onu oluşturan elementlere ayrıldığı zaman bileşiğin kütlesinden bağımsız olarak bu elementlerin birbirine oranı her zaman sabit kalmaktaydı.

Buradan yola çıkarak John Dalton 1803 yılında katlı oranlar yasası fikrini ortaya attı. Bu yasaya göre de aynı elementlerden oluşan farklı bileşiklerde, o bileşiği oluşturan elementlerin birbirine oranı belli bir katsayıdan oluşmaktaydı. Su ve hidrojen peroksit (oksijenli su) için ele alacak olursak, bu iki bileşikten biri olan suda bir oksijen iki hidrojen ile bir araya gelirken; hidrojen peroksit ise iki oksijen iki hidrojenden oluşmaktadır. Burada oksijen atomlarının iki bileşikteki oranları 1:2 olmaktadır. İşte buradan yola çıkarak Dalton, her elementin birbiri ile karışmayan tek bir parçacık çeşidinden oluştuğunu ve kimyasal yollar ile değiştirilememelerine ya da yok edilememelerine rağmen bir araya gelerek karmaşık yapılar oluşturabildiklerini ileri sürdü. Bu düşünce, deneylerden yola çıkarak oluşturulmuş sınanabilen bir olgu olduğu için atom teorisinin başlangıcı sayılmaktadır. Bu bulgular 1808 yılında yayınlanarak bilim camiasına duyuruldu. Ancak bu atom modeli yaklaşık yirmi yıl sonra Michael Faraday tarafından bulunan ilginç elektrik olaylarına hiçbir açıklama getiremiyordu.

Thomson Atom Modeli

Bu atom modeli zamanın deneyler ile elde edilmiş verilerini bir araya getirerek güncel bir anlayış oluşturmak amacını güdüyordu. Bu verilerin ilki elektronların negatif yüklü parçacıklar olduğu bilgisiydi. İkincisi ise atomların yüksüz olduğu verisiydi.

Bu ilk verinin elde edilişi ise gene Thomson tarafından yapılan bir deneye dayanmaktadır. Bu deneyde elektron tabancası olarak da bilinen katot ışını tüpünü kullanmıştır. Bu cihaz eski tüplü televizyonların (CRT ekran) içinde bulunan ve görüntü oluşmasını sağlayan düzeneğin basit bir halidir. İki negatif ve pozitif yüklü kutup arasında yüksek gerilim oluşturmaya dayanır. Bir enerji kaynağına bağlanan bu kutuplar havası azaltılmış düşük basınçlı bir tüpün içine konur. Ve burada elektronlar negatif yüklü plakadan pozitif yüklü plakaya atlar. Ancak eğer pozitif yüklü plakanın ortasına bir delik açıp arkasına da fosforlu bir yüzey koyarsanız, yüzeyin arada parladığını fark edersiniz. Bunun sebebi, asıl hedefini kaçırarak pozitif yüklü plakada açtığınız delikten geçerek ekrana düşen elektronlardır. Eğer bu elektronların geçeceği yola bir manyetik alan uygularsanız, uyguladığınız alanın yüküne ve kuvvetine göre elektronların saptığını ve ekranın farklı yerlerine düştüğünü fark edersiniz. Bu şekilde manyetik alanı sürekli değiştirerek bir görüntü oluşturabilirsiniz, ya da bu sapmanın açısını kullanarak elektronun kütlesini ve yük miktarını hesaplayabilirsiniz. Thomson ikincisini yaparak elektronların yüklü parçacıklar olduğunu kanıtlamıştır.

Bu sonuçlardan yola çıkarak Thomson şu çıkarımlarda bulundu:

  • Her elektron atom içinde pozitif yüklü bir parçacık ile eşleşmektedir ve atom içinde nereye giderse gitsin bu parçacık tarafından takip edilmektedir.

  • Bu negatif yüklü elektronlar atomun merkezine doğru yoğunlaşan tüm elektronların toplam yüküne eşit miktarda yükü olan pozitif yüklü merkezi bir alanın çevresinde bulunmaktadır.

  • Negatif yüklü elektronlar, kendisi homojen bir şekilde pozitif yüklü olan bir uzayın içinde bulunmaktadırlar.

Ve bu çıkarımları görselleştirebilmek için genelde yılbaşlarında yapılan bir yiyecek olan erikli pudinge benzetmiştir. Burada elektronları pudingin içindeki eriklere, pudingin kendisini de onları bir arada tutan alana benzetmiştir. Thomson bu çalışmalarını Philosophical Magazine adlı bilimsel yayının 1904 yılında çıkan sayısında yayınlatarak çalışmasını duyurmuştur.

Sonrasında Rutherford’un alfa parçacıkları hakkında yaptığı tespitler bu görüşün hatalı olduğunu ortaya çıkarmıştır.

Rutherford Atom Modeli

Bu model Hans Geiger ve Ernest Marsden tarafından 1909 yılında Rutherford ile iş birliği halinde yapılan alfa parçacıkları saçılma deneyine dayanır. Daha önceki Thomson atom modeline göre; eğer bir atoma pozitif yüklü alfa parçacıkları (elektronsuz helyum atomları) fırlatırsanız, pozitif yüklü “puding” kısmı ile alfa parçacıklarının belli şekillerde etkileşmesini beklersiniz. Ancak Rutherford deneyde şunu gördü:

  • Atoma doğru fırlatılan alfa parçacıklarının büyük kısmı çok az ya da hiç yön değiştirmeden atomun içinden geçiyor ki bu aslında beklenen bir durum çünkü pozitif yüklü bir nesnenin içinden gene artı yüklü bir nesne geçerse sapmaya uğramaması gerekir.

  • Bu fırlatılan parçacıklardan bazıları doksan derece ve üstü seviyelerde saptı ki bunun olmaması gerekiyordu. (Deneyde ortalama olarak 8000 parçacıktan sadece 1’i sapmıştır ki bunun hiç olmaması gerekiyordu.)

  • Dahası çok küçük bir miktar alfa parçacığı olduğu gibi geri sekti, bu ise sıra dışı bir şeydi. Rutherford bu durumu bir kâğıt parçasına top mermisi ile ateş edip top mermisinin geri sekmesine benzetti.

Bu sonuçları yorumlamaya gelince; eğer atomdaki pozitif yüklü bölge Thomson’ın söylediği gibi homojen olsaydı sapan ya da geri seken alfa parçacıkları olmamalıydı. Bu sapmaların varlığı çok daha küçük ve merkezi konumda yoğunlaşmış bir çekirdek ile açıklanabilir. Bu şekilde atomun içinden geçen çoğu parçacık çekirdeğin yakınından geçmeyeceği için az ya da hiç etkilenmeyecek, ancak bazı parçacıklar görece yakından geçeceğinden çekirdeğe olan uzaklıkları ile orantılı bir şekilde değişen oranlarda yollarından sapacaklardır. Bu sapmaların miktarından yararlanarak Rutherford bir atom çekirdeğinin boyutlarını kabaca hesapladı. İşte bu gelişmelerin ve deneyde gözlenen olayların ne anlama geldiği Rutherford tarafından 1911 yılında derlenip yayınlamasıyla yeni atom modeli olarak geniş kabul gördü.

Hala atom denince akla gelen ilk imge genelde bu modeldir.

Bu modelin en büyük eksiği ise negatif yüklü elektronların neden pozitif yüklü çekirdeğe düşmediğini açıklayamamasıdır. Bu bir süre daha bir gizem olarak kalmaya devam etmiştir.

Bohr Atom Modeli

Bu model Rutherford atom modelinin yerini doldurmaktan çok ona eklemeler yapmıştır, bu yüzden Rutherford-Bohr modeli diye de anılmaktadır. Çekirdeğin yapısı aynı kalmıştır, ancak elektronların yörüngeleri daha ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Atomun yapısını doğru olarak yansıtmasa da basitliği sebebi ile hala öğretilmektedir.

Daha önce ele aldığımız Rutherford atom modelinde elektronların yörüngelerinin yörünge mekaniğindeki gibi olduğu, yani Güneş’in etrafında dönen gezegenler gibi hareket ettikleri var sayılmıştı. Ancak bu düşünce şekli beraberinde bazı sorunları da getirdi.

Elektronların elektromanyetik radyasyon (ışıma) yaydığı o zamanlarda da biliniyordu. Yani eğer bir elektron atomun yörüngesinde dönerken ışıma yaparsa bu enerji kaybedeceği anlamına geliyordu. Enerji kaybedince de çekirdeğe doğru düşmeye başlayacaktı. Ayrıca çekirdeğe doğru düşerken yörünge küçüleceğinden ışımanın frekansının artması gerekiyordu, yani bu olay gerçekleşirken sürekli artan frekansa sahip bir ışıma gözlenmeliydi. Ancak yapılan deneylerde böyle bir ışımaya rastlanmadı. Işımalar sadece belli aralıklarda gerçekleşiyordu ve sadece belli renkte ışık saçıyordu. (Işık da bir elektromanyetik radyasyon çeşididir.)

Bunun üstesinden gelebilmek için Bohr 1913 yılında Bohr atom modelini ortaya attı. Bu modele göre elektronlar çekirdeğin etrafında dönmekteydi ve ışıma yapmadan sadece, Bohr’un sabit yörüngeler olarak adlandırdığı belirli bir enerji seviyesine denk gelen belli yörüngelerde bulunabilmekteydi. Ayrıca bu elektronlar belirlenen yörüngeler arasında geçiş yapabilmekteydi ve buna karşılık gelen miktarda ışıma yapmaktaydı.

Bu şekilde elektronların neden çekirdeğe düşmediği açıklanmış oluyordu, ancak bu açıklamanın hatalı olduğu Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ile ortaya çıktı. Bu ilkeye göre bir kuantum parçacığının hem momentumunu hem de konumunu aynı anda bilmeniz mümkün değildir. Ancak Bohr modelinde tek bir yörüngede hareket eden elektron fikri bu ilke ile çelişmekteydi çünkü eğer konumunu biliyorsak momentumunu bilemememiz gerekir; fakat Bohr modeli sadece hangi yörüngede olduğunu değil momentumunu da ön görüyordu.

Üstelik bu tek eksikliği de değildi. Modelin ön gördüğü enerji seviyeleri her elementte gözlenemedi ve bazı elementlerde enerji seviyeleri birbirine fazla yakındı. Yani bunları açıklayacak başka bir modele ihtiyaç vardı.

Schrödinger Atom Modeli

Kuantum fiziğinin giderek daha sağlam bir yapıya oturmasıyla madde olarak adlandırdığımız olguya bakışımız değişti. Bu yeni anlayışa göre kuantum parçacıklarının davranışları bizim bildiğimiz maddeden çok farklıydı. Bu olay en belirgin hali ile tek yarık deneyinde gözlemlenmektedir.

El feneri benzeri güçlü bir ışık kaynağından çıkan bir ışının duvar gibi düz bir yüzeye vurduğunu düşünün. Ancak bu el feneri geniş bir alanı değil de sadece belli üzüm tanesi kadar küçük bir alanı aydınlatsın. Şimdi bu ışığın izlediği yolun üzerine bir engel koyalım, ancak bu engel şimdilik ışığın yolunu kapatmasın ve sadece üzüm tanesi genişliğinde bir açıklığı olsun. Şimdi bu açıklığı her iki tarafından hafifçe kapatalım. Ekranın üzerinde garip bir olay olduğunu göreceksiniz. Siz ışığın geçebileceği aralığı daralttıkça ekranın üzerine düşen ışık giderek genişlemeye başlayacak. Aralık küçüldükçe ekrana düşen ışığın genişliği artacak, ta ki siz deliği tamamen kapatana kadar.

Peki, burada tam olarak ne oldu? Heisenberg bu soruya az yukarıda da değindiğimiz belirsizlik ilkesi ile bir açıklama getirdi. Siz ışığın geçtiği aralığı daralttıkça o aralıktan geçen fotonların yerini daha kesin bir şekilde ölçmüş oluyorsunuz. Ve yerini daha kesin ölçtükçe fotonların momentumları belirsizleşiyor ve ekranda farklı noktalara düşmeye başlıyorlar. (Bu konuyla ilgili bir videoyu buradan Türkçe altyazılı olarak izleyebilirsiniz.)

Bu fikirden yola çıkarak Schrödinger elektronların da dalga gibi hareket ettiğini göz önüne alarak Bohr modelinde gösterilen yörüngelerin mümkün olamayacağını fark etti. Bunun üzerine Heisenberg’in bulgularından hareket ederek bu yörüngeler yerine paketler halinde dağılmış bulutlar içerisindeki elektronlar için gerekli hesaplamaları yaptı. Bu şekilde elektronların neden çekirdeğe düşmediğini de açıklamış oldu, çünkü elektronların çekirdek gibi küçük bir alana düşmeleri elektronların yerini tam olarak bilmemiz anlamına gelecekti, bu da belirsizlik ilkesine aykırıydı. Ve oluşturduğu Schrödinger denklemi olarak bilinen formülü 1926 yılında dünya ile paylaştı.

Bu modelde artık düzgün yörüngeler yerine elektronların bulunmasının muhtemel olduğu alanlar (elektron bulutları) bulunmaktaydı. Yani günlük hayatta alışık olduğumuz katı ve anlaşılır madde olarak tanımladığımız elektron gitmiş, yerine bir deniz yüzeyi gibi dalgalanan bir elektron alanı gelmişti. Elektron bu denizde bir yerlerdeydi, ama yerini tam olarak bilmek olanaksızdı.

Bütün bunlara rağmen hala bazı eksikler vardı. Örnek olarak neden bazı elementlerin atomlarının birbirinden farklı kütlelere sahip olduğu hala bilinmiyordu. Bunu da Chadwick 1932 yılında nötronları bularak açıkladı. İzotop elementler denen bu durum pek çok yeniliğin de önünü açtı.

Düzenleyen: Ayşegül Şenyiğit

Kaynaklar ve İleri Okuma:

1. Science World

2. Lemoyne - 1

3. Lemoyne - 2

4. WPS

5. Lawebdefisica

6. Ihep -1 

7. Ihep -2

Şempanze Kuzenlerimizin Et Tüketimi ve Av Taktikleri

Sezaryen Doğumlar İnsan Evrimine Yön Veriyor Olabilir!

Yazar

Katkı Sağlayanlar

Çağrı Mert Bakırcı

Çağrı Mert Bakırcı

Editör

Evrim Ağacı'nın kurucusu ve idari sorumlusudur. Popüler bilim yazarı ve anlatıcısıdır. Doktorasını Texas Tech Üniversitesi'nden almıştır. Araştırma konuları evrimsel robotik, yapay zeka ve teorik/matematiksel evrimdir.

Konuyla Alakalı İçerikler
  • Anasayfa
  • Gece Modu

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

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