Neils Bohr’un Nitrojen atomu modeli.
Atomu Matt Williams’la biraz tanıyalım… Williams, “universetoday.com”da 15 Aralık 2015 tarihinde yayımlanan bir yazısıyla bu konuya biraz açıklık getirdi…
Maddenin gözle görünemeyen (ve daha küçük parçalara bölünemeyen) küçük parçacıklardan oluştuğu düşüncesinin tarihi oldukça eskiye dayanıyor…
Atom için yaygın şekilde kabul görecek bir model oluşturulması ise ancak yirminci yüzyıla gelindiğinde mümkün olabildi…
Son on yılda ise, varlığı teorik olarak ileri sürülen atomaltı (subatomic) parçacıkların neredeyse tamamının doğrulanması mümkün olabildi…
Bugünkü araştırmalar maddenin yapı ve fonksiyonunu atomaltı seviyede incelemekle kalmayıp, onları yöneten kuvvetlerin anlaşılmasına da odaklanmış durumda…! Bu kuvvetler “güçlü nükleer kuvvetler” (strong nuclear forces), “zayıf nükleer kuvvetler” (weak nuclear forces), “elektromanyetizma” (electromagnetism) ve “kütleçekimi” (gravity)…
Günümüzün Standart (Parçacık) Modelinde bir atom pozitif yüklü (positive charge) proton, negatif yüklü elektron ve yüksüz nötrondan oluşmakta…Protonlar ve nötronlar atomun çekirdeğini oluştururken, elektronlar ise, çekirdeği saran bir “bulut” içinde yer almakta…
Bir atomun içinde, elektromanyetik kuvvet elektronları protonlara doğru çeker…Dışarıdan bir enerji uygulandığı taktirde elektronların bu elektromanyetik kuvveti yenerek, yörüngelerinden (buluttan) ayrılarak atomdan uzaklaşmaları mümkündür…
Bir elektron çekirdeğe ne kadar yakın bir yörüngede dolanırsa, bu elektronla çekirdek arasındaki çekim gücü de o kadar büyüktür… Dolayısıyla, bu (yakın) elektronu atomdan koparmak için o kadar daha büyük enerjiye ihtiyaç olacaktır…
Elektronlar çekirdeklerin etrafında, belirli enerji seviyelerini gerektiren yörüngelerde dolanır… Bir elektron, bir üst enerji seviyesine (kuantum durumuna-quantum state) ulaşması için gerekli enerjiye sahip bir fotonu absorblayarak, daha yüksek enerji seviyesine ulaşabilir…
Tersine olarak, bir elektron sahip olduğu enerjinin bir kısmını foton halinde yayımlayarak (foton radyasyonu) daha düşük enerji seviyesindeki bir yörüngeye transfer olabilir…
Atomlar, eşit miktarda elektron ve protona sahipse, elektriksel olarak nötrdür… Elektron eksiği veya fazlası bulunan atomlara iyon adı verilmiştir… Çekirdekten en uzak konumda dolanan elektronlar komşu başka atomlara transfer olabilir veya komşu bir atomla ortak olarak kullanılabilir… Bu mekanizma ile atomlar birleşerek molekülleri veya başka bileşikleri oluşturabilir…
Elementer (elektronlar) veya protonlar ve nötronlar gibi kompozit olan bu üç atomaltı parçacığa “fermion”lar adı verilmiştir… Elektronların (henüz) bilinen bir iç yapısı mevcut değilken, protonların ve nötronların “kuark” (quark) adı verilen atomaltı parçacıklardan oluştuğu bilinmektedir..
Atomlarda çok küçük elektrik şarjı mevcut olan “kuark”ların da iki farklı tipinin mevcut olduğu belirlendi…
Protonların bünyesinde (+2/3) şarjlı iki adet “up” kuark ve (-1/3) şarjlı bir adet “down” kuark mevcut iken, nötronların bünyesinde ise bir adet “up” kuark ile iki adet “down” kuark mevcuttur…
Bu mevcut kuarkların elektriksel yükleri o parcacığın sahip olduğu nihai yükü de belirler… Elktronların yükü “-1”dir…!
Fermiyonlarla birleşerek maddenin yapıtaşlarını oluşturan diğer atomaltı parçacıklar içinde “Lepton”lar yer alır… Mevcut atom modelinde elektron, muon ve tau adı verilen parçacıklar ile bunların “ilişkili” nötrinolarından oluşan altı adet lepton mevcuttur…
Leptonların “flavor” adı verilen farklı durumları (variety) bunların elektromanyetik etkileşim seviyelerini etkileyen büyüklük ve şarjları ile ayrıştırılır…
Atomaltı parçacıklar içinde, fiziksel kuvvetleri oluşturan ve “kuvvet taşıyıcıları” (force carriers) olarak adlandırılan “gauge Boson”lar da mevcuttur…
Örnek olarak, “gluon”lar kuarkları bir arada tutan “güçlü nükleer kubvveti” oluştururken, W ve Z bozonlarının, elektromanyetizmin arkasındaki zayıf nükller kulvveti oluşturduklarına inanılmaktadır…
Fotonlar ışığı oluşturan elementer parçacıklar iken, varlığı yakın geçmişte ispatlanan “Higgs Bozonu” ise W ve Z parçacıklarına kütle kazandıran parçacıktır…!
Standard Parçacık Modelinde elementer parçacıklar.
Bir atomun kütlesinin büyük kısmı çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar tarafından oluşturulur… Elektronlar 9.11 x 10-31 kg kütleleriyle atomun en küçük kütleli olan ve bugünkü teknik imkanlarla doğrudan görüntülenmesi mümkün olamayan parçalarıdır…
Bir protonun kütlesinin elektronun kütlesinin 1836 katı olduğu ölçüldü…! Protonun kütlesi 1.6726×10-27 kg, nötronun kütlesi ise (elektronun 1839 katı) 1.6929×10-27 kg’dır…
Bir atomun çekirdeğindeki toplam proton ve nötron sayısı onun “kütle numarası”nı oluşturur… Bir örnek olarak, Karbon-12 elementinin çekirdeğinde altı adet proton ve altı adet nötron olmak üzere 12 adet “nucleon” (proton ve nötron) mevcuttur…
Atomlar Periyodik Tabloda “atom numarası”na göre dizilir ki, bu numara aynı zamanda çekirdekteki proton sayısıdır…! Karbonun “atom numarası” 6’dır…
Statik durumdaki (atom at rest) bir atomun kütlesini ölçmek çok zordur… Kütlesi çok büyük olan atomlar bile mevcut ölçü birimleriyle tanımlamak için çok hafiftir… Bilim insanları doğal bir atom olan Karbon-12’nin kütlesininin on ikide biri olan 1.66×10-27 kg’ı “atom kütle birimi” (unified atomic mass unit (u) veya dalton (Da)) olarak kullanır… Kimyacılar, her zaman aynı sayıda atom barındıran “mol”ü (moles; 6.022×1023 atom) ölçü birimi olarak kullanır…
Bu durumda, atomik kütlesi “1 u” veya “1 mol” olan bir elementin kütlesi yaklaşık “1 gram” kadardır…! Her bir Karbon-12 atomunun “atomik kütlesi” 12u kadardır. Bu durumda, Karbon-12 atomunun “1 mol”ü tam olarak 0.012 kilogramdır…
Aynı miktarda protona sahip olan iki atom aynı kimyasal elemente aittir… Fakat, eşit miktarda protona sahip olan atomların çekirdeklerinde farklı sayıda nötron mevcut olabilir… Bunlara aynı elementin farklı “izotopları” denir… Genelde kararsız (unstable) durumda bulunan bu izotoplardan atom numarası 82’den büyük olanlar “radyoaktif” olarak bilinmektedir…
Uranyum izotoplarının alfa-beta bozunması.
(Kaynak: energy-withoutcarbon.org)
Bir element bozunmaya (decay) başladığında çekirdeği radyasyon yayımlayarak enerji kaybeder… Bu radyasyon Helyum atomlarından oluşan “alfa” parçacıkları, pozitronlardan oluşan “beta” parçacıkları, yüksek frekanslı elektromanyetik enerji olan gama ışınları ve dönüşüm elektronlarıdır (conversion electrons) … (Gerçekte, “beta bozunması” için iki süreç sözkonusudur: Bunlardan birincisi “beta minus” bozunması olup, nötron proton, elektron ve antinötrinoya bozunur…! İkincisi olan “beta plus” bozunmasında ise proton nötron, pozitron ve nötrinoya dönüşür…)
Bir radyoaktif elementin bozunma hızına “yarı-ömür” (half-life) adı verilmiştir… Bir “yarı-ömür” bu elementin başlangıçtaki kütlesinin yarısı kalıncaya kadar, bozunması için geçen süredir…
Bir izotobun kararlılığı protonların nötronlara oranından etkilenir… Dünyada doğal olarak oluşan 339 elementten 254’ü, (kendi kendine çözünmeyen,) “kararlı izotoplar” olarak tanımlanmıştır… Dünyada, ilave olarak mevcut olan 34 radyoaktif element (promordial elements) Güneş Sisteminin ilk oluşum döneminden beri mevcuttur…!
Son olarak, Dünyada kısa-ömürlü olarak tanımlanan ve doğal olarak ortaya çıkan, 51 ilave element daha mevcuttur… Bu elementler Uranyumun Radyuma dönüşmesi gibi, nükleer reaksiyonların yan ürünü olarak ortaya çıkar… Bu “yan-ürün” elementler kozmik ışınların atmosferi bombalaması esnasında ortaya çıkan Karbon-14 gibi, başka bir doğal süreç esnasında da ortaya çıkabilmektedir…
*
Atom teorisinin ilk örnekleri eski Yunan ve Hindistandan geldi…! Luecippus gibi filozoflar maddenin bölünemez çok küçük parçacıklardan oluştuğunu ileri sürdü… “Atom” kelimesi eski Yunanda ortaya çıktı ve “atomism” (düşünce) okulunun doğmasına yol açtı…! Bu, bilimsel olmaktan ziyade, bir “felsefi” düşünce tarzıydı…
Atom hakkındaki teorinin, ilk kanıta-dayalı deneyler gerçekleştirilerek, bilimsel bir konu olarak ele alınması ancak 19. Yüzyılda mümkün olabildi… Bir örnek olarak, 1800’lü yılların başlarında, İngiliz bilim insanı John Dalton kimyasal elementlerin gözlenebilir ve önceden tahmin edilebilir yollarla gerçekleşen reaksiyonlarını açıklamada atom modelini kullandı…!
Dalton, elementlerin neden “tam sayılar”ın oranlarıyla reaksiyona girişlerini sorgularken, bunun altında “atom”ların yatmakta olduğu sonucuna vardı…!
Gazları da içeren bir seri deney sonunda Dalton, modern fiziğin ve kimyanın temel taşı olarak kabul edilen “Dalton’un Atom Modeli”ni geliştirdi…!
Dalton’un “atom” modeline göre, elementler atomlardan oluşur… Bir elementin tüm atomları birbirinin aynısıdır… Farklı elementlerin atomları “atom ağırlıkları”na göre ayırdedilebilir…Elementlerin atomları kimyasal bileşikleri oluşturmak üzere birleşirler… Atomlar kimyasal reaksiyonlarla yaratılamaz veya yok edilemezler; sadece yeni gruplar oluştururlar…
Bilim insanları, 19. Yüzyılın sonlarına doğru, atomların birden fazla temel “birim”den (unit) oluştuğunu ileri sürmeye başladı… Ancak, birçok bilim insanı bu “birim”in bilinen en küçük atom olan Hidrojen Atomu kadar olabileceğini ileri sürdü… 1897’ye gelindiğinde, birçok deney gerçekleştirdikten sonra, fizikçi J. J. Thompson hidrojen atomundan 1000 defa daha küçük ve 1800 defa daha hafif olan bir “birim”i keşfettiğini duyurdu…!
Onun deneylerinde ölçtüğü parçacıklar fotoelektrik etki (photoelectric effect) deneylerinde belirlenen ve radyoaktif maddelerden açığa çıkan parçacıklara denkti…!
Daha sonra yapılan deneylerde bu parçacığın, atomlar içinde negatif yükü ve elektrik telleriyle elektrik akımı taşıdığı anlaşıldı… Bu parçacığa başlangıçta “corpuscle” denmesinden sonra, adının “elektron” olarak değiştirilmesinin sebebi buradan gelmekte…
Thompson, elektronların atomun pozitif şarjlı denizinde üniform olarak yayıldığını da ileri sürdü…
Fizikçi Hans Gieger ve Ernest Marsden’in, Ernest Rutherford’un nezareti altında, 1909’da gerçekleştirdikleri (metal folyo/alfa parçacıkları) deneyler sonunda, “Üzümlü Puding Modeli” (plum pudding model) olarak anılan bu modelin yanlış olduğu anlaşıldı…!
Bu araştırmacılar Dalton’un atom modeli ile uyumlu olarak, alfa parçacıklarının folyonun içinden küçük bir sapma ile geçtiğini düşündüler… Ancak, birçok parçacığın 90 dereceden daha büyük açılarla saptığı görüldü…! Bunu izah etmek üzere Rutherford, atomun pozitif yükünün merkezdeki çok küçük bir çekirdekte yoğunlaştığını ileri sürdü…
1913’te fizikçi Niels Bohr elektronların çekirdeğin etrafında ve belirli sayıdaki yörüngelerde dolandığını ileri sürdü… Bohr ayrıca, elektronların foton absorblayarak veya ışıyarak, yörünge değiştirebileceklerini de ileri sürdü…
Bohr’un bu açıklaması Rutherford’un önerdiği modeli geliştirmekle kalmadı, “maddenin birbirinden ayrı paketler halinde davrandığı” konseptini de doğurdu…
Kütle spektrometresinin icadıyla birlikte, atomun kütlesini daha hassas bir şekilde ölçmek mümkün oldu… Bu ekipmanı kullanan kimyacı Francis William Aston izitopların farklı kütlelerinin olduğunu gösterdi…!
Fizikçi James Chadwick, 1932’de, nötronun bilinen izotopları açıklamada bir araç olduğunu ileri sürdü…!
20. yüzyılın başlarında atomun “tanecikli” (quantum) yapısı daha da geliştirildi… 1922’de, Alman fizikçiler Otto Stern ve Walther Gerlach, bir manyetik alana gönderdikleri gümüş atomlarının açısal momentumlarını göstermek için deneyler gerçekleştirdi… “Stern-Gerlach Deneyi” (Stern-Gerlach Experiment) olarak bilinen bu deneyde, atom ışınının (beam), atomların” spin”inin yukarı veya aşağı yönlendirilmesine bağlı olarak , ikiye ayrıldığını gösterdiler…
1926’da, fizikçi Erwin Scrodinger elektronların dalga olarak hareketlerini kullanarak, elektronların sadece parçacıklar olmayıp, üç boyutlu dalga-formları (waveform) olduklarını kabul eden bir matematik model oluşturdu…
Bu modelde, parçacıkların hareketini dalga-formlarıyla ifade etmenin sunucu olarak, bir parçacığın belirli bir andaki pozisyonu ve momentumunu kesin bir şekilde belirlemek imkansız hale geliyordu…!
Aynı yıl, Werner Heisenberg bu problemi “belirsizlik problemi” (uncertainity problem) olarak tanımladı… Heisenberg’e göre, belirli bir “pozisyon ölçümünde” momentum için ancak “olası değerler” tanımlanabilir…!
1930’larda, fizikçiler nükleer fisyonu keşfetti… Otto Hahn tarafından gerçekleştirilen deneylerde, yeni bir element (transuranium element) keşfi amacıyla, Uranyum 92 atomları üzerine nötrinolar yöneltilince, Baryum 56 ve Krypton 27 elde edildi…!
Uranyum 92’nin nükleer fisyonu.
(Kaynak: physics.stackexchange.com)
Lise Meitner ve Otto Frisch tarafından doğrulanan bu deneyde uranyum atomlarının aynı toplam atom ağırlığına sahip iki ayrı elemente ayrıştığı, ayrıca, bu süreçte atomik bağların parçalanması esnasında önemli miktarda enerjinin açığa çıktığı anlaşıldı…!
Takibeden ylllarda araştırmalar bu sürecin atom bombası yapımında kullanılmasına yoğunlaştı…! İlk atom bombası 1945 yılında geliştirildi…!
1950’li yıllarda parçacık hızlandırıcılarının ve parçacık dedektörlerinin geliştirilmesiyle bilim insanları daha yüksek hızlı atom çarpışmalarını izleme imkanına kavuştu… Bundan da, çekirdeklerin özelliklerini, atomaltı parçacıkları ve bunların etkileşmesini sağlayan kuvvetleri açıklayan Standart Parçacık Fiziği Modeli geliştirildi…
2012’de Higgs Bozununun varlığı CERN deneyleriyle doğrulandı… Geçen son on yılda, kütleçekimi, kuvvetli ve zayıf nükller kuvvetler ile elektromanyetik kuvvetin birlikte etkileşmesini öngören “Birleştirilmiş Alan Teorisi” (Unified Field Theory) üzerinde önemli araştırmalar yapıldı…
“Kütleçekimi (gravity) Teorisi” Einistein’in görecelik teorisi ile ve nükleer kuvvetler ile elektromanyetizma “Kuantum Teorisi” ile anlaşılabilirken, bu teorilerin hiç biri (henüz) bu dört kuvveti birlikte açıklayamamakta/bütünleştirememekte…! Bu çözüm için Sicim Teorisi (String Theory), “Loop Quantum Gravity” gibi yeni teoriler geliştirilmekte ise de, bu teorilerin hiç biri henüz bu sahadaki ihtiyacı karşılayamadı…
Atomun anlaşılması hususunda birçok bilinmeyene açıklık kazandırılırken birçok yeni (ve daha zorlayıcı) sorulara da kapılar açılmış oldu…
Ne yapalım…bilim böyle gelişiyor…!
Yararlanılan Kaynaklar:
https://www.youtube.com/watch?v=N-FfVLOBccI
http://www.universetoday.com/82128/parts-of-an-atom/
HAVACILIK VE UZAY 
Yorum yazabilmek için oturum açmalısınız.