Elektron, Proton ve Nötron Nasıl Keşfedildi?

Akademik sürerliğin ve bilimsel araştırmaların her bir doktora öğrencisi tarafından bir adım daha öteye itilmesi, bilimsel devrimin en önemli atılımlarının yaşanmasını mümkün kılmıştır. Üniversitelerde emek harcayan doktora öğrencileri, akademisyenlerinin yol göstericiliğinde bilime bir nebze olsun katkı sağlamaya çabalayan emekçilerdir.

Elbette birçok bilim insanı en büyük başarılarına doktora sırasında değil, sonrasında imza atmaktadır. Ancak bir insanın doktora süresince kazandığı akademik düşünme, sorgulama ve analiz etme yetisinin bu keşiflerde ve başarılarda rolü tartışmasızdır.

İstikrar ve azimle uğraşmak, er ya da geç bilimsel atılımları insanlığa kazandırmaktadır. Bunun en harika örneği ise, yukarıdaki fotoğrafa yer verdiğimiz 3 isim ve akademik nesiller boyu süren çalışmalarıdır. Gelin buna bir bakış atalım.

Elektronun Keşfi

Elektron, negatif (eksi) yüklü atom altı taneciklerden biridir. Serbest halde de olabilirler, bir atoma bağlı halde de. Temel parçacıklardan lepton grubundadırlar. Elektron, 1897 yılında J. J. Thomson tarafından, katot ışınlarının yardımıyla keşfedildi. Bu çalışması nedeniyle 1906 yılında Nobel Ödülü'ne layık görülmüştür.

Elektriği anlamaya çalışan fizikçiler kendilerine iyi düşünülmüş ve biraz da eğlenceli bir deney aleti geliştirdiler. 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 ediliyordu. 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. Modern televizyonlara giden yol, katot ışın tüpleri sayesinde mümkün olmuştur. Ancak katot ışınlarının doğasını anlamak üzere yapılacak çalışmalar, o zamana dek "bölünemez" zannedilen atom fikrini kökünden sarsacaktı.

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.

"Peki elektron neden hareket etti?" diye sorabilirsiniz. Metal parçalara elektrik verildiği için elektronlar harekete geçtiler. Thomson bunu gördü ve merak etti: Harekete sebep olan şey neydi? Tüpün içerisindeki şeyin bir elektrik yükü var mıydı acaba?

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. Çünkü fizikten bildiğimiz gibi, zıt yükler birbirini çeker.

KhanAcademy

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.

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 değer de beklediğine oldukça yakındı; ama bir türlü tam değeri elde edemiyordu. 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, bu deney ile şu sonuçlara varmıştır:

• Katot ışını, negatif (-) yüklü parçacıklardan oluşmalı.
• Bu parçacıklar mutlaka atomun bir parçası olmalı.
• Farklı metaller kullanılsa bile aynı katot ışınını oluşur.

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.

Anlayacağınız elektron, sadece kimya için değil, bütün fen bilimleri için kritik derecede önemlidir. Elektronu anlamak bize daha büyük bir dünyanın kapılarını aralamıştır.

Elektron, bir teoriden ibarettir. Ancak doğanın nasıl çalıştığını anlamamızı o kadar kolaylaştırır ki, gerçek olduğunu bile söyleyebiliriz! - Richard Feynman

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.

Protonun Keşfi

Protonun Keşfine Giden Yol ve Radyoaktivite

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 Laboratuvarı'nda doktora öğrencisi ve 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.

Protonların keşfinin kökenlerini 1815 yılında İngiliz kimyager William Prout'un tüm atomların hidrojenden yapıldığına yönelik iddialarına kadar takip etmek mümkündür. Prout, bunlara protiller adını vermiştir. Ancak Prout, bunu deneysel olarak doğrulayamamıştır. 1886 yılında Alman fizikçi Eugen Goldstein, katot tüpleri içinde pozitif yüklü parçacıklar olduğunu keşfetmiştir. Dahası Goldstein, tüm gazlar arasında hidrojenin yük-kütle oranının en yüksek olduğunu ve hidrojen iyonunun, iyonize gazlar arasında en ufağı olduğunu fark etmiştir.

Yüzyılın sonunda Marie Curie 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.

Rutherford ve Protonun Keşfi

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. 

1899 yılında Rutherford, havaya alfa parçacıkları (α²⁺ veya He²⁺) gönderdiğinde, sintilasyon detektörlerinin hidrojen çekirdekleri tespit ettiğini gözledi. 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 çinkosülfit bir ekranla çevirdiler. Bu sayede ekrana çarpıp parlamaya neden olan alfa parçacıklarının ne kadarlık bir sapmaya maruz kaldıklarını kolaylıkla gözleyebileceklerdi.

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: 

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 gerisingeri 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.

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.

Bu tepkimenin en önemli yanlarından birisi, tarihte bilinen ilk nükleer tepkime (çekirdek tepkimesi) olmasıdır. Bu tepkimenin formülü şu şekilde verilir:

${}^{14}\text{N}+\alpha \to {}^{17}\text{O}+p$

Buradaki $\alpha$ parçacıkları içerisinde 2 proton ve 2 nötron bulunduğu hatırlanmalıdır. $p$ ise bir protona karşılık gelmektedir.

Byjus.com

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.

Nötronun Keşfi

Nötronların keşfinin kökenlerini ise 1930 yılında Alman nükleer fizikçi Herbert Becker ve Walther Bothe'nin çalışmalarına kadar takip etmek mümkündür. Bu ikili, polonyum atomundan saçılan alfa parçacıklarının kısmen daha hafif olan lityum, berilyum veya bor gibi elementler üzerine düştüğünde radyasyon ürettiğini gözlemiştir. Bu penetre edici radyasyon, elektrik alandan etkilenmiyordu ve dolayısıyla bir çeşit gama ışını olduğu düşünüldü.

1932 yılında Fransız bilim insanları Frederic Joliot-Curie ve Irene Joliot-Curie (ki ikincisi, Marie Curie'nin kızıdır), bu ilginç penetre edici radyasyonun hidrojence zengin parafin mum üzerine düşmesi halinde yüksek enerjili (~5 MeV düzeyinde) protonlar ürettiğini gözlemiştir. İtalyan fizikçi Ettore Majorana, atom çekirdeğinde nötr parçacıklar olduğunu ve bunların radyasyonun protonla etkileşme biçiminden sorumlu olduğunu ileri sürdü; ancak o da bunu deneysel olarak gösteremedi.

1920 yılında Ernest Rutherford da atom çekirdeğinde nötral parçacıklar olabileceğini ileri sürmüştü: Ona göre bu nötr yüklü parçacıklar, birbirine yapışmış bir proton ve elektrondan oluşuyordu ve atomun çekirdeğinde yer alıyordu. Bu nötral parçacıklardan söz etmek için "nötron" sözcüğünü ileri sürdü; ancak bu yapıların varlığını o da deneysel olarak gösteremedi.

Gerçekten de nötronlar, protonlarla beraber atomun çekirdeğinde bulunurlar. Kimyanın erken zamanlarında çekirdekte sadece protonların olduğu tahmin ediliyordu. Fakat çekirdeğin için sadece (+) yüklü protonlar bulunursa bunlar birbirlerini büyük bir kuvvetle iteceklerdi. Bu yüzden protonların yanında, onların bir arada kalmasına yardımcı olacak parçacıkların olduğu tahmin edildi. Bu parçacıkların gerçekten de var olduğunu, Ernest Rutherford'un yanında doktora öğrencisi olarak çalışan James Chadwick, 1932 yılında keşfetmiştir.

Byjus.com

Bunu başarabilmek için, bir polonyum kaynağında ürettiği alfa radyasyonu berilyum tabakasına ateşlemiştir. Böylece yüklü olmayan, penetre edici radyasyon üretmişti. Bu radyasyonu bolca hidrojen içeren bir hidrokarbon olan parafin mum üzerine düşüren Chadwick, protonların saçıldığını gözlemiştir. Bu özgür bırakılan protonların niteliklerini ve diğer atomlarla etkileşimini inceleyen Chadwick, bu parçacıklardan bir kısmının protonlar gibi yüklü olmadığını, ancak proton ile kabaca aynı kütleye sahip olduğunu gözlemiştir. İşte bunlara "nötron" adı verilmiştir.