19. yüzyıl sonlarında bilim insanlarının çoğu kimyasal elementlerin atomlardan oluştuğu fikrini kabul etmişlerdi. Ancak atomun ne olduğu hakkında tam anlamıyla bir fikirleri yoktu. İlk öğrenilen şey, bütün atomların elektronlar içermesiydi. Atomların nötr olmasına rağmen elektronların negatif yük taşımaları atomların içinde bir anlamda pozitif yüklü bir şeylerin olmasını gerektiriyordu kuşkusuz. Peki, bu pozitif madde nasıl açıklanabilirdi? Tam olarak ne idi?
J.J. Thomson
1898 yılında İngiliz fizikçi J. J. Thomson elektronun keşfi nedeniyle önemli bir bilim insanı hâline gelmişti ve bu nedenle atomların pozitif yüklü madde topakları gibi davrandığı elektronların da bir kekte olduğu gibi üzüm taneleri olarak bu madde topaklarının içine serpiştirildiğini öne sürdüğü fikir ciddiye alındı. Ancak sonraları görüldü ki gerçekte atom böyle değildi.
1911 yılında Ernest Rutherford’un önerisi üzerine, Hans Geiger ve Ernest Marsden belli radyoaktif elementler tarafından yayımlanan hızlı alfa parçacıklarını Thomson’un önerdiği üzümlü kek modeline atomun uyup uymadığını görmek için kullandılar. Alfa parçacıkları, her biri iki elektronunu kaybetmiş, +2e’lik bir yüke sahip helyum atomlarıdır.
Yapılan bu deneyde alfa parçacıklarının kaynağı olan bir radyoaktif madde ince bir yarığa sahip olan kurşun bir ekranın arkasına koyuldu. Radyoaktif maddeden gelen alfa parçacıkları kurşun ekrandaki bu yarıktan sanki bir ışık demeti gibi geçerek ince bir altın levha üzerine gönderildi. Levhaya çarpan alfa parçacığı çinko sülfür ekran üzerinde görünür bölgede ışımalara neden olur ve bunu görmek için de bir mikroskop kullanıldı.
Atomun nötr yani yüksüz olduğu biliniyor, Thomson’a göre de negatif yüklü elektronlar pozitif yüklü madde topaklarının içinde yerleşecek şekilde bulunuyor. Dolayısıyla pozitif yüklü alfa parçacıkların bu levhanın içinde geçip gitmeleri bekleniyordu. Böylelikle Thomson’un modeli doğrulanmış olacaktı. İnce bir lehvadan geçen alfa parçacıkları, modele göre üzerlerine sadece zayıf elektrik kuvvetleri uygulanacağından 1º’lik veya daha küçük sapmalara uğrayıp gitselerdi üzümlü kek modeline uyan atomların varlığından söz edebilecektik. Fakat, Geiger ve Marsden’in buldukları ise farklıydı.
Alfa parçacıklarının çoğunluğunun fazla sapmamasına rağmen, birkaç tanesi çok büyük açılarla saçılıyorlardı. Hatta bazıları geldikleri gibi geri saçılıyordu. Bu, Rutherford’un söylediği gibi,
“Bir kağıt mendile doğru ateşlediğimiz 40 cm’lik bir merminin geriye dönüp sizi vurması kadar şaşırtıcıydı.”
Şaşırtıcı olanı açıklamak için şu bilgilere başvurmak gerekir. Alfa parçacıkları elektron kütlesinden 8000 katı kadar bir kütleye sahiptir ve hızları da 2×107 m/s kadar yüksektir. Buradan yola çıkarak ince bir levhadan geçip gitmelerini beklemek mantıklıdır çünkü çok büyük bir momentuma sahip bu parçacıkların saçılması için yeğin kuvvetlerin nasıl olacağını açıklamaya yönelik bir görüş öne sürdü, atomun pozitif yük ve hemen hemen tüm kütlenin yoğunlaştığı çok küçük bir çekirdek ile bir miktar uzaktaki elektronlardan oluştuğu şeklindeydi bu görüş. Atomun büyük kısmının boş uzaydan oluşması ince bir levhadan sapmadan geçen alfa parçacıklarının durumunu açıklarken atomun çekirdeğinin yakınına gelen alfa parçacığın oradaki şiddetli elektrik alandan dolayı bu parçacıkların büyük bir açıyla saçılmalarını da açıklamış oldu. Elektronlar için ise onların çok hafif ve dağınık olmalarının alfa parçacıklarını etkilemeyeceğini ileri sürüyordu.
Bu ve daha sonra yapılan deneyler, bir alfa parçacığının bir çekirdeğin yakınından geçerken sapmasının çekirdekteki yükün büyüklüğüne bağlı olduğunu gösterdi.
Sonra, herhangi bir elementin tüm atomlarının aynı bir çekirdek yüküne sahip oldukları görüldü. Çekirdek yüklerinin her zaman +e’nin katları olduğu ortaya çıktı; bugün bir elementin çekirdeğindeki birim pozitif yüklerin sayısı olan Z’ye elementin atom sayısı denmektedir. Şimdi biliyoruz ki, bir çekirdeğin yükünü her biri +e yüküne sahip olan protonlar sağlarlar, bu nedenle bir elementin atom sayısı atomlarının çekirdeklerindeki proton sayısı ile aynıdır.
Dolayısıyla Thomson’un üzümlü kek atom modelinden Geiger ve Marsden’in deneyleri ile Rutherford’un çekirdekli atom modeline bir geçiş oldu ama atom gerçekten aydınlatılabilmiş miydi?
Rutherford Atom Modelinin Sınırları
Rutherford atom modelinde elektronlar, Güneş Sistemi’ne benzeyen, çekirdeğin Coulomb alanındaki yörüngelerde hareket ederler. Eğri bir yörünge üzerinde hareket eden bir parçacık ivmelidir ve ivmelenen yüklü parçacık elektromanyetik dalga yayar ve enerji kaybeder. Klasik fizik yasaları – Newton’un hareket kanunları ve Maxwell’in elektromanyetik denklemleri, Rutherford atomuna uygulanırsa, atomun tüm enerjisinin 10-10 s mertebesindeki bir zamanda yayınlanacağını ve elektronların çekirdeğe düşeceğini gösterir. Bu açıkça, deneylere terstir ve hareket kanunlarının, atom ölçeğindeki olaylara uygulandığında değiştirilmesi gerçeği ortadadır. Rutherford atom modeli ile açıklanamayan bir diğer gerçek atomların çizgi spektrumlarıdır.
Isaac Newton bir prizma vasıtasıyla beyaz ışığı renklere ayıran ilk kişiydi. Ancak, beyaz ışığın, ışıma çizgileri denilen çok sayıda kesikli frekansların birleşimi olduğunu, ilk defa 1752’de S. Melvill gösterdi. Sonraları, atomların beyaz ışığa maruz kaldıklarında, soğurma çizgileri denilen yalnız belirli frekanslardaki ışığı soğurabildikleri bulundu. G.R. Kirchoff, bir element tarafından yalnız belirli bazı frekansların yayınlanabildiğini ya da soğurulabildiğini ve yayınlanan frekansların soğurma frekanslarıyla çakıştığını gösterdi. Her elementin çizgi spektrumu, kendisine has bir özellik olup büyük öneme sahiptir. Örneğin, Güneş ve yıldızlardaki belirli elementlerin varlığı bu yolla bulunabilinir.
Dolayısıyla gerçek bir atom modeli için dalga ve parçacık ikililiğini göz önünde bulundurmak gerekiyordu. Ancak klasik fizik düşüncesi ile bu pek mümkün değildi. Niels Bohr tarafından 1913 yılında geliştirilen yeni bir atom modeli ile dalga ve parçacık ikililiği atom üzerine uygulanmış ve bu açıdan ilk önemli sonuçlar elde edilmişti. Ardından kuantum mekaniğinin geliştirilmesi ile gerçeğe daha yatkın günümüz atom modelleri ortaya çıkarılmış oldu.
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynaklar:
- http://www.kuark.org/2012/08/bohr-atom-modeli/
- Arthur Beiser, Modern Fiziğin Kavramları, Akademi Yayıncılık
