Tarihçe
Evrenin yapısı ve dünyamızın, etrafımızdaki nesnelerin nelerden yapılmış olduğu sorusu, insan aklını öteden beri meşgul etmiştir. Konuyla ilgili olarak kayda geçmiş ilk düşünceler, eski Grek dönemine ait. Örneğin, doğal mıknatıs taşının ve sürtünme sonrasında amberin çekim kuvvetleriyle de tanışık olduğu anlaşılan Miletli Tales (M.Ö.624-547), dünyamızın özünün su olduğunu söyler. Bu düşünce Sümer ve Babil mitolojilerinden izler taşımaktadır. Döneme hakim olan anlayış, bu özün yaratılıp yok olabildiği şeklindedir. Anaxagoras (M.Ö.500-428) bu görüşe karşı çıkarak, maddedeki değişikliklerin, maddeyi oluşturan 'bölünmez parçacık'ların farklı biçimlerde düzenlenmesinden kaynaklandığını öğretir. Empedokles (M.Ö.484-424) bu bölünmez parçacıkları; toprak, hava, ateş ve su olmak üzere, dört element altında toplar. Halbuki Demokritus (M.Ö.460-370), evrenin boşluktan ve neredeyse sonsuz sayıda, bölünmez parçacıktan oluştuğunu önermektedir. Atom denilen bu bölünmez parçacıklar; şekil, konum ve düzenleniş açılarından birbirlerinden farklı olup, her türlü maddenin temel yapıtaşlarını oluşturmaktadır. Daha sonra gelen ve o zamana kadarki tüm insanlık bilgisini derleyen Aristo (M.Ö.384-322 ); toprak, hava, ateş ve sudan oluşan dört element fikrine onay verir. Onun bu ve diğer pek çok konudaki görüşü, izleyen 1000 yıl boyunca, düşünce dünyasını hakimiyeti altına alan, sarsılması güç bir otorite haline gelecektir. Nitekim, kendisinden sonra gelen Aristarchus'un (M.Ö.310-230) önerdiği güneş merkezli bir gezegenler sistemi, Aristo'nun desteklediği dünya merkezli sistem karşısında, ta ki 2000 yıl sonra Copernicus ortaya çıkıncaya kadar yenik düşecektir. Zamanın optik bilgilerini derleyen İskenderiyeli astronom ve matematikçi Claudius Ptolemy (M.S.70-147), güneşin ve diğer gezegenlerin dünyanın etrafında kusursuz daireler üzerinde dolaştığını savunan karmaşık bir kuram geliştirmiş ve yazdığı Almagest başlıklı kitabında kayda geçirmiştir.

Antik Akdeniz'in 2000 yıl süren görkemli matematik ve bilim dönemi artık sona erecek ve Ptolemy'nin bu sistemi daha sonra, Kilise'nin kanonlaştırdığı dogmalar arasına girecektir. M.S.415 yılında; ünlü bir öğretmen, matematikçi ve astronom, aynı zamanda İsis rahibesi olan İskenderiyeli Hipatia'nın, halka açık bir din ayini sırasında, öfkeli Hıristiyan keşişleri tarafından kaçırılarak acımasızca öldürülmesi olayı, Karanlık Çağlar'ın ilk habercisi olur. Dönemin ünlü kütüphaneleri birer birer kapatılırken, eski Grek eserleri toplu halde yakılmaya başlanır.
Bundan sonraki parıltılar Doğu'dadır. 628 yılında, Hintli matematikçi ve astronom Brahmagupta, sayılar teorisini incelemeye başlamış ve 'Evrenin Açılışı' ('Brahma-sphuta-siddhanta') başlıklı kitabını yazmıştır. 7. ve 8. yüzyıllarda İslamiyet'in yayılmasıyla birlikte, Arapça güçlü bir yazılı dil haline gelir. Hint eserlerinin yanı sıra, eski Grek eserleri de Arapçaya çevrilerek, yok olmaları önlenir. Oluşan matematik ve astronomi kültürünün zirvesini, Bağdat'taki 'Bilgelik Evi'nde çalışan ve matematiğin cebir dalını geliştiren Al-Horezmi'nin, "Hesab el-cebr w'al-mukabele" başlıklı kitabı oluşturur. 1000 yılına gelindiğinde, Alhazen adındaki Arap asıllı bir fizikçi, optik konusunda 7 ciltlik bir eser yayınlamıştır. Bu gelişmelerden Avrupa, çoğunlukla Endülüs üzerinden haberdar olur. Bath'li Adelard 12. yüzyılda, Öklid ve Horezmi'nin eserlerini Latince'ye çevirerek, Avrupalı düşünürlerin yararına sunmuştur. İngiltere Adaları'ndan gelen bir başka tepki sesi, Avrupa'nın bundan sonraki düşünce hayatını derinden etkileyecektir. Roger Bacon (1214-1294) doğanın sırlarını öğrenmek için, önce gözlemlememiz gerektiğini söyleyerek; doğal yaşamdan toplanan kanıtlardan hareketle kuramların türetilip geliştirilebileceği bir yöntem önermiştir.

1450 yılında Gutenberg'in baskı makinasını keşfiyle birlikte, Avrupa'nın eğitim ve düşünce hayatında bir hareketlilik başlamış, 1482 yılında Öklid'in 'Unsurlar' ('Elements') adlı geometri kitabı yayınlanmıştır. Hakim otoriteler, hızla yayılmaya başlayan bilgiyi kontrol altında tutmakta güçlük çekmektedir. Kilise'nin kutsal sayıp ayakta tuttuğu dünya görüşünün temel direkleri sallanmaya başlar. Nicholaus Copernicus (1473-1543), dünyanın diğer gezegenlerle birlikte güneş etrafında döndüğünü savunan 'Semai Kürelerin Döngüleri Hakkında' ('De revolutionibus orbium coelestium') başlıklı bir kitap yazmıştır. Ancak, suçlanıp yargılanmaktan korktuğu için, vasiyeti üzerine kitap, ölümünden sonra 1543 yılında yayınlanır. Bilim ve felsefe dünyasında, inanç ve düşünce hayatında tam bir deprem yaşanacaktır. Başlayan 'Bilimsel Devrim'le birlikte, yeni bir anlayış doğmuştur. Bilimsel kuramlar artık, bağımsız bireylerin düşünce dünyalarında kolay kolay gelişemeyecek, ayrıntılı sınama ve sorgulamalardan geçmedikçe kabul edilemeyecektir. Bilim insanları arasındaki iletişim artar ve bu etkileşim hızla, çok sayıda yeni keşfe yol açar.
1589 yılında, Piza Üniversitesi matematik profesörlerinden Galileo Galilei (1564-1642), cisimlerin hareketi üzerinde yaptığı çalışmaları anlattığı, 'Hareket Hakkında' ('De Motu') başlıklı bir kitap yazmaya başlar. Bu kitabını asla bitiremeyecek; fakat eski varsayımları, bilimsel türetimlere dayalı yenileriyle değiştirme konusundaki esnekliğiyle, modern fiziğe ve bilimsel devrime babalık edecektir. 1602 yılında, bir sarkaçın periyodunun genliğinden bağımsız olduğunu gözlemlemiş, mekanik konusundaki çalışmalarıyla Newton'a zemin hazırlamıştır. Tycho Brahe (1546-1601) ise hayatının büyük bir kısmını, gezegenlerin hareketi üzerinde yaptığı titiz gözlemlerle geçirir. Ölüm döşeğinde iken, topladığı verileri Johannes Kepler'e aktarmış ve bu verileri inceleyip sonuçlarını yayınlayarak hayatına anlam kazandırması için, kendisine adeta yalvarmıştır.

Newton, diğer pek çok konu arasında, optikle da ilgilenmiş ve beyaz ışığın, kırıcı bir ortamdan oluşan bir prizmadan geçirildiğinde, gökkuşağına benzeyen renkli ve sürekli bir spektruma ayrıştığını keşfetmiştir. Daha önce kırılma ve yansıma olayları incelenerek, optik yasaları belirlenmiş ve ışık hakkındaki hemen herşey bilinir hale gelmiş gibidir. Ancak yapısı hakkında, öteden beri süregiden tartışmalar vardır. Bazıları ışığın dalga yapısında olduğunu savunurken, diğerleri, 'korpuskül' denilen parçacıklardan oluştuğu görüşündedir. Tayftaki farklı renklere değişik türden korpüsküllerin yol açtığını savunan Newton, ağırlığını 'korpüskülcü'lerden yana koyunca, tartışmayı parçacık yanlıları kazanır. Geçici olarak...
Newton'un formüllendirdiği yasalar, elektrik olaylarının incelenmesinde de kolaylık sağlar. Ebonitten yapılmış bir çubuğun ipek bir kumaşa sürtülmesi sırasında kıvılcımların çıktığı, antik dönemden beri bilinmekte ve çubuğun bir şekilde 'yük'lenmiş olduğu söylenmektedir. Aynı kumaşa sürtülen iki çubuk birbirlerini ittiklerinden, halbuki kumaşı kendilerine doğru çektiklerinden; bu iki tür malzemenin farklı şekillerde yüklendikleri ve benzer yüklerin birbirini ittiği, zıt yüklerin ise birbirini çektiği sonucuna varılmıştır. Çubukta birikene eksi, kumaştakine artı yük denir. Olayın neden ve nasılları, doğaldır ki bilinememekte, yalnızca yüklü cisimler arasındaki kuvvetlerin yön ve büyüklükleri incelenmektedir. 1772 yılında, varlıklı bir İngiliz Lordu olan Henry Cavendish, elektrik yükleri arasındaki elektrostatik kuvvetin, Newton'un yerçekimi yasasına benzer şekilde, uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azaldığını göstermiştir. Fakat bundan kimseye söz etmez. Halbuki, bir Fransız aristokratı olan Charles-Augustin de Coulomb, Fransız Devrimi'nin başladığı 1789 yılında, Bastille'in basılmasından sonra kaçarak gizlenmek zorunda kalmış ve bu sıralarda, statik yüklü kürelerle yaptığı deneylerde aynı yasayı keşfetmiştir. Yasa adına mal olur.

Öte yandan Orta Çağ'ın, 'adi metalleri' altına çevirme arayışlarından oluşan 'simya'sı, kabuk değiştirip kimyaya dönüşmekte, fakat fiziğe oranla geç gelişmektedir. Henüz bileşiklerin yapısı bir yana, elementin ne olduğu dahi tartışma konusudur. Modern kimyanın kurucusu sayılan Antoine-Laurent Lavoisier, başta gazlar olmak üzere, doğal maddelerin bileşimlerini incelemiş, elementin ne olduğu sorusuna da, "kimyasal süreçlerle başka bir maddeye dönüştürülemeyen" tanımını getirmiştir. Bu tanımdan hareketle, doğal elementler saf olarak elde edilip, listelenmekte, fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenmektedir. Newton kütlenin önemli olduğuna işaret ettiğinden, en başta gelen ve yoğun olarak araştırılan özellik, atom ve moleküllerin ağırlıklarıdır. Bu arada Lavosier 1793 yılında, 'Terörün Hükümranlığı' sırasında tevkif edilen matematikçi Lagrange'ı kurtardıktan sonra, bir başka ünlü matematikçi olan Jean Baptiste Joseph Fourier tarafından giyotine gönderilir.
1802 yılında Thomas Young (1773-1829), yaptığı bir deneyle, ışık konusundaki tartışmaların seyrini değiştirir. Tek renkli bir ışık demetini, üzerinde birbirine yakın iki yarık bulunan bir plakaya doğru yönlendirmiş ve yarıklardan geçerek bölünen ışık demetinin, plakanın arka tarafındaki bir ekran üzerinde girişim örüntüsüne yol açtığını göstermiştir. Işığın dalga kuramını geliştirir. Parçacık yanlıları kaybetmiştir. Geçici olarak...




1803 yılına gelindiğinde, İngiltere'de bir öğretmen ve bilim insanı olan John Dalton, maddenin 'bölünmez kürecikler'den oluştuğunu savunan, 'çağdaş atom modeli'ni önerir. Bu modele göre, elementler atomlardan oluşmaktadır ve belli bir elementin tüm atomları aynı iken, farklı elementlerinki, büyüklük ve diğer özellikler açısından farklı farklıdır. Küreciklerin üzerinde kancalar bulunmakta ve farklı elementlere ait atomlar, bu kancalar aracılığıyla birbirine bağlanıp, molekül veya bileşikleri oluşturmaktadır. Atomlar kimyasal tepkimeler sırasında; yoktan var veya yok edilmedikleri gibi, hiçbir değişikliğe uğramazlar. Belli bir kimyasal bileşiği oluşturan atomların, türleri ve sayısı hep aynıdır. Ancak, aynı iki elemente ait atomların bazen, farklı sayılarla birleşerek farklı bileşiklere vücut verebilmesi, model için sorun oluşturmaktadır. Hidrojenle oksijenin farklı sayılarla birleşerek, su veya hidrojen peroksit oluşturması örneğinde olduğu gibi... Çünkü model; herhangi bir molekülü oluşturan elementlerin türlerini göz önünde bulundurmakla beraber, moleküldeki atom sayılarını öngörememektedir. Dolayısıyla aynı iki elementin nasıl olup da farklı bileşiklere yol açabildiği açıklanamamakta, örneğin su molekülündeki oksijen atomu sayısının bir mi yoksa iki mi olduğu bilinememektedir. Bu sorunun halli, molekül ve atom kütlelerinin ölçülme yöntemlerinin gelişmesini bekleyecek ve atom modelinin gelişerek çağdaşlaşması, kimyanın ve fiziğin çeşitli dallarından gelen katkılarla gerçekleşecektir. Bu gelişme sürecindeki en önemli üç unsur; atom kavramı, kütlesinin ölçümü ve elementlerin kimyasal özellikleri arasındaki periyodik ilişkilerdir. Dalton modeli tüm yetersizliklerine karşın, zamanın kimyasına temel oluşturur. Halbuki Kilise, maddenin yapısıyla ilgili olarak Aristo'nun görüşlerini dogma saymakta ve 'atomcu görüş'lere karşı çıkmaktadır. Olası tepkilerden çekinen Dalton, bu çalışmasını yayınlamayı geciktirir. Kuramı önce kulaktan kulağa yayılır, sonradan yayınlanır.

Bölünemez nitelikteki bir atom aslında, pek de ilginç bir nesne değildir. Kimyacılar açısından merak edilen tek özelliği, ağırlığıdır. Çünkü, eğer elementlerin atom ağırlıkları belirlenebilirse, moleküllerin hangi atomlardan oluştuğunu belirlemek kolaylaşacaktır. Dolayısıyla, özellikle gaz halindeki elementler, değişik hacimlerle birleştirilmekte ve ortaya çıkan bileşiklerin, türleri ve ağırlıkları incelenmektedir. Gazlarla bu doğrultuda olan İtalyan kimyacı Amadeo Avogadro, sıcaklık ve basıncın aynı tutulması halinde, gazların belli hacim oranlarında tepkimeye girdiklerini farketti. Örneğin amonyak gazının (NH3) oluşması sırasında; bir hacim nitrojen, üç hacim hidrojenle tepkimeye giriyordu. Avogadro'nun bu gözlemden çıkardığı sonuç, aynı basınç ve sıcaklıktaki farklı türden gazların, eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunduğu şeklindeydi. Dolayısıyla, eşit hacimdeki iki gazı tartarak, atom ağırlıklarının oranını bulabiliyordu. Örneğin, 1 litre oksijen, bir litre hidrojenin 16 katı ağırlıktaydı ve bu, oksijen atomunun hidrojene göre 16 misli ağır olduğu anlamına geliyordu. Avogadro'nun 1811 yılında yaptığı bu çalışma, önce ilgi çekmedi. Önemi yüzyıl ortalarında farkedilecek ve bu türden ölçümler elementler arasında, karbon-12'nin temel alındığı göreceli bir kütle sıralaması verecekti. Bu durumda, en hafif element olan hidrojeninki 1 alındığında, C-12'nin ağırlığı 12 çıkıyordu ve 12 gram C-12'de bulunan atom sayısına 1 mol dendi. Artık tek bir C-12 atomunun ağırlığı ölçülebilirse eğer, 1 molünde kaç tane atom bulunduğu hesaplanabilirdi. Daha sonraki çalışmalar, Avogadro sayısını verdi. C-12'nin ağırlığının 12'de birine 'atomun kütle birimi' (amu) dendi ve Dalton adı da verilen bu birimin, 1.66 x 10-24 gram olduğu belirlendi. (hafif, ama çetin ceviz).
Bu arada, elektrik olayıyla ilgili çalışmalar, statikle sınırlı olmaktan çıkmış ve sözcüğün her anlamıyla 'dinamik' bir hal almıştır. Büyük miktarlarda yük biriktirmenin yolları aranır ve aynı sürtünme ilkesinden hareketle, sürtünürken döndürülen bir kayış üzerinde oluşan yüklerin, metal çubuklara aktarılıp üzerlerinden akıtılmasına başlanır.




Elektrostatik jeneratörlerin ilkel bir öncüsü olan bu aygıtlarda, kayış ne kadar hızlı döndürülürse yük o kadar hızlı biriktirilmekte veya iletken çubukların uçları arasında, o kadar yüksek bir 'gerilim' oluşmaktadır. Bazı metallerin ısıtılmasıyla elde edilen yüklü parçacıklar, bu gerilimin üzerinden ve içi seyreltilmiş türlü gazla dolu tüplerin içerisinden geçirilmekte, gazda oluşan parıltılı boşanmalar incelenmektedir. Artık 'deney' ve 'gözlem', en güçlü ve geçerli yöntem olduğuna göre, doğal mıknatıslık üzerinde de çalışılmaktadır. Elektrik ve manyetik olayların, bağımsız olgular olduğu düşünülüyor, nedenleri ise hiç bilinmiyordu. 1820 yılında Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted, bir telden geçirilen akımın, yanındaki pusulayı saptırdığını farketti. Bu gözlem, elektrik akımının bir manyetik alana yol açtığı anlamına geliyor, elektrik ve manyetik olaylar arasında güçlü bir ilişkinin varlığına işaret ediyordu. André Marie Ampère, birbirine paralel iki tel üzerinden akım geçirerek, aralarındaki kuvvetleri incelemeye başladı ve 1826 yılında bu manyetik kuvvetin matematiksel türetimini geliştirerek, kendi adıyla bilinen kanunu ortaya koydu. Ertesi yıl Ohm'un, elektrik direnciyle ilgili kanunu yayınlandı. 1831 yılında Michael Faraday (1791-1867), Oersted'in gözlemlediği olayın bir bakıma tersini gerçekleştirdi ve iletken bir halkadan geçirdiği manyetik alanın şiddetini değiştirerek, telde akım üretti. 'Elektromanyetik endüksiyon' olarak adlandırdığı bu olayı, Faraday Yasası olarak bilinen ifadeyle formüllendirdi. Elektrik ve manyetik olayların birleşik kuramına yönelik arayışlar güç kazanmıştı. Elektrik motoru ufuktaydı. Nitekim Joseph Henry (1799-1878), Faraday'la hemen hemen eşzamanlı olarak, ilk elektrik motorunu yaptı ve elektromıknatıslarla sürdürdüğü çalışmalarla, telgrafın keşfine yol açtı. Faraday ise, elektriğin çözeltiler üzerindeki etkilerini incelemeye koyulmuştu. 1832 yılında, 'elektroliz' adını verdiği olayı keşfedip, kanunlarını yazdı ve enerjinin korunumu ilkesini ayrıntılandırdı. Ama hala, atom kuramına karşı çıkıyordu.

1873 yılında James Clark Maxwell, kendi adıyla anılan denklemleri yayınladı. Elektrik ve manyetik olayları yöneten kanunları ifadelendiren formüllerin hepsi bu denklemlerden, matematiksel olarak türetilebiliyordu. Denklemlerin çözümü, boşlukta ışık hızıyla hareket eden dalgalar şeklindeydi. Maxwell hemen, elektrik ve manyetik alanların boşluğu doldurduğu ve ışığın bu alanlardaki salınımlardan, yani elektromanyetik dalgalardan oluştuğu sonucuna vardı. Elektrik, manyetik ve ışık olguları ansızın birleşmişti. Ertesi yıl G.J. Stoney, elektriğin eksi yük taşıyan parçacıklardan oluştuğunu ileri sürdü ve 'elektron' adını verdiği bu parçacığın kütlesini öngördü. 1884 yılına gelindiğinde Heinrich Hertz, Maxwell denklemlerini, çok daha basit ve şık bir şekilde yazmıştı. Denklemlerin bu şeklinden, elektrik ve manyetik olaylar arasındaki simetri açıkça görülüyordu. Hertz ayrıca laboratuvarında, ilk radyo dalgalarını ve mikrodalgaları oluşturarak Maxwell'in, ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğu şeklindeki öngörüsünü haklı çıkardı. Bu durumda artık, ışığın tüm evreni kaplayan bir 'eter' ortamı tarafından taşındığı ve bu arada dünyamızın da, bu ortamın içinde dolaştığı konusunda, neredeyse bir görüş birliği vardı.
Elektrik ve ışık, yalnızca kuramsal olarak değil, deneylerde de birleştirilmişti. 19. yüzyılın sonlarında kimyacılar ve fizikçiler, elektrikle madde arasındaki etkileşimleri yoğun bir şekilde incelemeye başladı. Cam tüplere; düşük basınçtaki cıva buharı, hidrojen, helyum, neon veya ksenon gibi gazlar dolduruluyor ve üzerlerinden, olabildiğince yüksek gerilimli akımlar geçiriliyordu. Elektrik akımı, katot denilen eksi yüklü uçtan başlayarak, anot denilen artı yüklü uca doğru, aradaki gaz üzerinden ve parıltılı bir şekilde taşınmaktaydı. Bu ışınlara 'katot ışını' adı verildi. Atomun bölünemez olduğu düşünüldüğüne göre, bu ışınların kökenini anlamak olanaksızdı. Hiç değilse özelliklerinin belirlenmesine çalışıldı. Elektrik alanı elektrik akımına, akım da manyetik alana yol açtığına göre; bir akım oluşturan katot ışınlarının, her iki tür alandan da etkilenmesi beklenirdi. Dolayısıyla, tüpteki ışınların yönüne dik olarak, elektrik ve manyetik alan uygulanarak, tepkileri incelendi. Katot ışınları elektrik alanında sapıyor, manyetik alanda ise kıvrılıyordu. Hem de her seferinde aynı yönde...

1884 yılında Ludwig Boltzmann, spektroskopinin sağladığı sağlam verilerden hareketle ve Maxwell denklemlerini termodinamikle birlikte kullanarak, 'siyah cisim ışıması'nın kuramsal türetimini yaptı. Stefan-Boltzmann Yasası olarak bilinen bu ilişki, deneysel ölçümlerle yaklaşık olarak uyuşuyordu. Daha doğru olan çözüm ise, bir sonraki yüzyılın başlarında kuantum kuramının doğmasını bekleyecekti. 1886 yılında E. Goldstein, bir 'katot ışını tüpü' ('CRT') kullanarak ürettiği çeşitli ışınları inceledi ve bunlardan bazılarının manyetik alanda, diğerlerine göre zıt yönde saptığını belirledi. Elektrik ve manyetik özellikleri diğerlerinin tersi olan bu ışınlara, 'kanal ışınları' adını verdi. Ertesi yıl Michelson ve Morley, yaptıkları deneyle ışığın hızını; dünyanın güneş etrafındaki yörüngesi üzerindeki hareketinin zıt yönlerde olacağı zamanlarda, 6 ay aralıkla ölçtü. Sonuçların aynı çıkması, gözlemlenen ışık hızının, dünyanın hareketinden etkilenmediğini ortaya koyuyordu. Bu, ışığı taşıyıp ilettiği düşünülen 'eter' diye bir tabakanın var olmadığı ve ışık hızının, tüm referans sistemlerindeki gözlemciler için aynı olduğu anlamına geliyordu.
Atomların kütlesi yanında, boyutları da merak konusu olmaya başlamıştı. 1890 yılında W.C. Roentgen ve Lord Rayleigh, hiç değilse moleküllerin boyutunu ölçmeye yönelik, çok basit bir yöntem önerdi. Suyun yüzeyine biraz tebeşir pudrası serpildikten sonra, üzerine hacmi bilinen minik bir yağ zerresi damlatılıyor ve yağın su üzerinde, olabildiğince yayılması bekleniyordu. Yağ lekesinin, dağılırken çeperi boyunca sürükleyip biriktirdiği tebeşir tozlarından, kapsamını görüp alanını öçmek mümkündü. Lekenin tek bir molekül kalınlığında olduğu varsayımından hareketle, damlacığın hacmi lekenin alanına bölündüğünde, molekülün yüksekliği yaklaşık olarak hesaplanmış oluyordu. Bu yöntemle yapılan ölçümler atomun boyutu için, 10-10 m gibi hiç de fena olmayan değerler verdi. (minicik kutucuk)



1895 yılında, 'kanal ışınları'nın sır perdesi biraz aralandı. Wilhelm Roentgen katot ışını tüpünde elde ettiği ışınların, eksi yüklü parçacıklardan oluştuğunu saptamıştı. Aslında elektronu keşfetmiş, fakat ışınları 'katot ışınları' olarak isimlendirmeye devam etmişti. Bu ışınları metal parçaları üzerine düşürünce, farklı bir tür ışın yayınladıklarını farketti. Manyetik alandan etkilenmeyen bu yeni ışınlara 'x ışını' adını verdi. İki ay sonra, Henri Becquerel x-ışınlarının fotoğraf filmi üzerindeki etkilerini incelerken, çekmecesindeki, içi siyah kaplı ve kapalı zarflarda bulunan açılmamış filmlerin, sanki daha önce kullanılmışlar gibi yanık çıkması dikkatini çekti. Önce filmlerin bozuk olduğunu zannetmiş, fakat sorun devam edince, aynı çekmecede uranyum örneklerini saklamakta olduğunu hatırlayıp, filmerle arasında kurduğu cesur bağlantı sayesinde yepyeni bir olay keşfetmişti. Bu ışınlar malzemede, diğerlerine göre çok daha derin bir girginliğe sahipti. Demek ki, uranyum gibi bazı maddelerin iç yapıları kararsızdı ve bozunarak, hiçbir enerji girdisi olmaksızın, yüksek enerjili ışınlar yayıyordu. Radyoaktivite keşfedilmişti.
1897 yılında J.J. Thomson, bir katot ışını tüpü kullanarak ürettiği ışınlar üzerinde, o zamana kadarki en kapsamlı deneyi yaptı. Gözlemlerinden türettiği sonuçlar, çarpıcı ve sağlamdı. Tüp bir elektrik alanına yerleştirildiğinde katot ışınları saptırılıyor, manyetik alana yerleştirildiğinde ise, dairesel biçimde kıvrılıyordu. Işınların eksi yüklü parçacıklardan oluştuğu kanaatine vardı. Gerçi bu zaten biliniyordu. Fakat Thompson, elektrik ve manyetik alanların ışınlara uyguladığı kuvvetlerden hareketle, katot ışınları için 'elektrik yükü bölü kütle' (q/m) oranını belirledi. Tüpteki katot hangi malzemeden yapılmış veya tüpün içi hangi tür gazla doldurulmuş olursa olsun, karşısına hep aynı q/m oranı çıkıyordu. Demek ki bu eksi yüklü parçacıkların, hepsi de aynıydı. Gerçi bu parçacıklara 'korpüskül' adını vermiş, ama aslında elektronu keşfetmişti. Bu elektronlar, gazdaki veya metal elektrotun içindeki atomlardan geliyor olmalıydı. Onca farklı türdeki atomların hepsi aynı parçacığa yol açtıklarına göre, elektronlar bütün atomların temel bir parçasıydı. Öte yandan, q/m oranı çok yüksek olduğuna göre, elektron çok küçük bir parçacıktı. Elektronlar eksi yüklü, halbuki atomlar nötür olduğuna göre, atomun bir yerlerinde artı yükler bulunmalıydı. Elektronlar atomlardan çok daha küçük veya hafif olduğuna göre, bu artı yüklü parçacıklar atomdan çok daha ağır olmak zorundaydı. Thomson bu sonuçlardan hareketle, atomu 'karpuz'a benzeten modelini önerdi: Artı yüklerin oluşturduğu etli kırmızı kısım üzerinde, çekirdeklere benzeyen eksi yüklü elektronlar. Aynı yöntemleri kullanarak ayrıca, 'kanal ışınları'nın H+ iyonlarından oluştuğunu saptadı. Atom parçalanmıştı. Pandora'nın kutusu açıldı...

Atomun yapısının anlaşılabilmesi için, yapıtaşlarının neler olduğunun ve birbirlerine göre nasıl düzenlendiğinin bilinmesi gerekiyordu. Çekirdek hakkında yeni bilgiler gelmeye başladı. Marie ve Pierre Curie 1898 yılında, uranyum ve toryum üzerinde çalışmaya başlamış ve kendiliğinden bozunma süreçlerine 'radyoaktivite' adını vermişlerdi. Elementleri ayrıştırırken, polonyum ve radyumun da radyoaktif olduğunu keşfettiler.

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...tislasapma.jpg

Ertesi yıl Ernest Rutherford, radyoaktivite kaynaklı ışınlardan bazılarının manyetik alanda, katot ışınlarının tersi yönde kıvrıldığını belirledi. Demek ki elektrik yükleri farklı işaretler taşıyordu. Birincisine alfa, katot ışınlarıyla aynı yönde sapanlara da beta ışınları adını verdi. Radyoaktivite kökenli ışınlardan bazıları ise, manyetik alandan etkilenmiyordu. Yüksüz olması gereken bu ışınlara da, gama ışınları dendi. Malzemelere girginlik yetenekleri farklı farklıydı. Alfa parçacıkları bir kağıt parçası, beta ışınları ise bir aluminyum plaka tarafından durdurulabilirken, gama ışınları ancak kurşun levhalarla durdurulabiliyordu. Rutherford daha sonra, alfa parçacıklarının helyum çekirdeklerinden oluştuğunu keşfetti. 1900 yılına gelindiğinde, Soddy, bazı radyoaktif elementlerin kendiliğinden bozunma sonucunda; ya aynı elementin 'izotop' adını verdiği başka türlerine veya tümüyle yeni elementlere dönüştüğünü saptadı. Yarı ömrü keşfetmiş, bozunma sırasında açığa çıkan enerji miktarları üzerinde bazı hesaplamalar yapmıştı.

Yüzyıl dönemecinde bilimsel gelişmeler, köktenci varsayımlara gebeydi ve bunların birer birer ortaya çıkmasıyla, ivme kazanacaktı. Işığın maddeyle etkileşimi alanındaki çalışmalar kuantum mekaniğine yol açacak ve atomun yapısı probleminin çözümüyle sonuçlanacaktı. Nitekim 1901 yılında Max Planck, sıcak cisimlerin ışımasını incelerken, enerjinin sürekli olarak değil de, sıçramalar halinde değiştiği düşüncesini kullandı. Enerjinin sürekli bir akış içerisinde olmayıp, 'kuanta' denilen bölünmez birimler halinde taşındığı anlamına gelen bu varsayım, 'siyah cisim ışıması'nı betimleyen Planck Yasası'nı başarıyla türetmesini sağladı. Ancak 'kuantum varsayımı'nın henüz deneysel bir desteği yoktu. Öngördüğü kuantum birimi Planck sabiti (h) olarak anılmaya başlandı. Genel kabul görmemekle beraber, en azından Albert Einstein tarafından ciddiye alınmıştı.
1903 yılında Japon fizikçi Hantaro Nagaoka, atomun Satürn modelini önerdi. Bu modele göre elektronlar, artı yüklü bir parçacık etrafında ve aynı düzlem üzerindeki dairesel yörüngelerde dolaşıyordu. Ertesi yıl Richard W.H. Abegg, asal gazların kararlı bir elektron yapısına sahip olduklarını ve onların kimyasal pasifliğine, bu kararlılığın neden olduğunu keşfetti. 1905 yılında ise, Einstein fotoelektrik olayını, Planck'ın kuantum varsayımından hareketle ele almıştı. Işığın enerjisini taşıyan ve parçacık gibi davranan bir unsurun varlığını öneren çalışmasıyla, bu olayın ardında yatan fiziği açıkladı. 'Kuantum mekaniği' doğmuş ve ışığın 'dalga-parçacık ikili davranışı'ndan söz edilmeye başlanmıştı. Aynı yıl 'Özel Relativite Kuramı'nı yayınlayarak, enerji ve kütlenin eşdeğerliğini ortaya koydu. 20. Yüzyıl fiziğinde devrim yaratan bu çalışmasını sadece, fizik yasalarının ve ışık hızının tüm referans sistemlerinde aynı olduğu şeklindeki iki varsayımdan hareketle geliştirmişti.






1906 yılında Hans Geiger, radyoaktif bir malzemeden ışınlanan alfa parçacıklarının çarpması halinde 'klik' sesleri çıkaran elektrikli bir 'dedektör' geliştirdi. Hareket noktası, yük taşıyan bu parçacıklardan akım üretmenin mümkün olup olmadığı sorusu olmuştu. 1909 yılında Ernest Marsden'le birlikte, Rutherford'un laboratuvarında, atomun yapısını incelemeye başladılar. Yaptıkları deneyde alfa parçacıklarını, 0.00006 cm incelikteki bir altın folyo üzerine odaklamışlardı. Parçacıkların hemen hepsi folyonun öte tarafına geçer ve bunların büyük çoğunluğu hiçbir sapmaya uğramazken, %0.1 kadarı sapıyor veya saçılıyor, bazıları ise folyonun gerisine doğru, neredeyse 180 derecelik açılarla sektiriliyordu. Rutherford'un bu verilerden hareketle vardığı sonuca göre; atom neredeyse 'fos', pardon yani bomboş çıkmıştı. Alfa parçacıklarının ezici çoğunluğuna geçit veren altın atomlarının, büyük oranda boşluktan oluşması, fakat küçük bir kısmının da, alfa parçacıklarını saptıracak kadar sert ve yoğun olması gerekiyordu. Bu yoğun kısma 'çekirdek' adını verdi ve çekirdeğin, atomun kütlesinin büyük bir kısmını oluşturduğu kanaatine vardı. Alfa parçacıklarını saptırdığına göre, çekirdeğin de artı yüklü olması gerekiyordu. Aynı yıl, R.A. Millikan, yağ damlacığı deneyiyle, elektronların yükünü ölçtü. Hepsi de aynı yükü taşıyordu. Yükün kütleye oranı (e/m) Thompson deneyinden biliniyor olduğundan, elektronun kütlesi 9.10 x 10-28 gram olarak hesaplandı. (amma diyet)
Rutherford ise bu arada, nitrojen atomlarını alfa parçacıklarıyla bombardıman etmiş ve alfa parçacıklarından daha hafif, artı yüklü bir parçacık elde etmişti. 'Proton' adını verdiği bu parçacıkların, çekirdekleri oluşturan temel bir parçacık olduğunu farketti. 1911 yılına gelindiğinde, 'atomun çekirdek modeli'ni önerdi. Bu model merkezdeki, 'proton' adını verdiği artı yüklü parçacıklardan oluşan ağır bir çekirdekle, çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde dolaşan hafif elektronlardan oluşuyordu. Model mantıklı görünse de, iki temel sorunu vardı. Ortada, elektronların yörüngelerde dolaştığına dair hiçbir kanıt yoktu ve neden farklı yörüngelerde dolaştıkları ise, hiç anlaşılamamıştı. Model açısından bu, ciddi bir başka sorun daha yaratıyordu. Çünkü daireler içinde dolaşan, dolayısıyla ivmelenen elektronların ışıyarak enerji kaybetmesi ve protonların çekim gücüne kapılarak çekirdeğe düşmesi gerekiyordu. Yapılan hesaplamalar, Rutherford atomunun milyarda bir saniye içerisinde çökmesi gerektiğini gösterdi. Ama çökmüyordu...

1913 yılında Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, atomların ışıma spektrumlarıyla Rutherford'un bulgularını bir araya getirip, yeni bir model önerdi ve ikinci sorunun yanıtını, kuantum varsayımından hareketle verdi. Bohr, atom yörüngelerinde dolaşan elektronların, Rutherford modelinde önerildiği gibi sürekli enerji değerlerinden herhangi birine sahip olabilmek yerine; çekirdekten ancak belli uzaklıklarda bulunabilip, ancak belli enerjilere sahip olabildiklerini düşünmüştü. Bu 'kuantum modeli'nde; yörüngedeki bir elektronun enerjisi, Planck sabiti h'nin tamsayı katlarıyla değişebiliyor ve açısal momentumun değeri, ћ'ýn tamsayı katları olabiliyordu. Işın tüpleri içindeki gaz atomları elektrik akımından enerji soğuruyor, uyarılan yörünge elektronları daha üst enerji düzeylerine sıçrayıp, sonra da eski düzeylerine inerken kaybettikleri enerjiyi ışık olarak yayıyorlardı. Enerji düzeyleri arasında belli miktarlarda farklar bulunduğundan, ışınan spektrumda da belli dalgaboylarında ışık görülüyordu. Model, hidrojenin ışıma spektrumunu veren Balmer Formülü'nü başarıyla üretiyor olmakla beraber, daha sonra Arnold Sommerfeld tarafından geliştirilen haliyle dahi, spektrumun relativite kaynaklı ince yapısını açıklayamıyordu. Birden fazla elektronu olan atomlar içinse, hiç çalışmıyordu. Kaldı ki, yörüngedeki elektronların niçin, ivmelenen her yük gibi ışıyarak çekirdeğe düşmediği sorusu hala yanıtsızdı.
1914 yılında, H.G.J. Moseley x-ışını tüpünü kullanarak, atom çekirdeklerinden çoğunun yükünü belirlemişti. Çekirdekteki proton sayısını 'atom numarası' olarak tanımladı ve periyodik tablo, elementlerin atom numaralarına göre yeniden düzenlendi.

Öte yandan, fotoelektrik olayının açıklığa kavuşmasıyla anlaşılmış olduğu üzere, yine fotonlar için E=hv olduğuna göre, p=hv/c, yani p=h/λ olmalıydı. DeBroglie 1924 yılında, maddenin de dalga davranışı sergilediğini ve p=h/λ ilişkisinin elektron için de geçerli olduğunu öne sürdü. Varsayımı kısa zamanda deneylerle doğrulandı. İnce bir yarığa doğru yönlendirilen elektron demetleri, tıpkı ışığın yaptığı gibi, yarıktan geçerken bükülmüş ve sonuç olarak girişim örüntüsü üretmişti.
Mikro ölçekteki madde, dalga gibi davranıyordu. Ancak, örneğin elektronun bu davranışını betimleyecek herhangi bir denklem yoktu ortada. Newton'un klasik mekanik denklemleri parçacıklar içindi. Onlar da zaten değişikliğe uğramıştı. Kuantum görüşü tartışılır olmaktan çıkmış ve ifadesi için matematik formüllerinin aranmasına yönelik, hızlı bir süreç başlamıştı. 1925 yılı başlarında Wolfgang Pauli, atomdaki elektronların aynı kuantum durumunu paylaşmasını yasaklayan 'dışlama ilkesi'ni keşfetti. Bu ilke, Bohr Modeli'ndeki elektronların neden farklı yörüngelerde bulunmaları gerektiğini açıklıyor, fakat niye her yörüngede iki elektron bulunduğu sorusunu yanıtlayamıyordu. İki elektronun aynı yörüngeyi paylaşabilmeleri için, aralarında bir farkın olması gerekiyor ve bu, elektronların o zamana kadar bilinmeyen 'gizli' bir kuantum sayısının daha var olmasını gerektiriyordu. Hollandalı fizikçilerden George Uhlenbeck ve Samuel Goudsmit'in elektrona ћ/2 büyüklüğünde bir iç yapısal açısal momentumun atfedilmesini önermesiyle sorun aşıldı. Spin keşfedilmişti.




Bu arada Werner Heisenberg, kuantum sonuçları veren dinamik operatörleri geliştirdi ve 1925 yılında bunların, komutatif olmayan bir cebir sistemi oluşturduğunu gösterdi. Fizikçiler o zamanlar matris cebrini pek bilmiyorlardı. Born ve Jordan, bunun matris cebri olduğuna işaret edince, kuantum mekaniğinin matrisler şeklindeki anlatımı doğdu. Aynı yılın başında, Nisan ayında ise, Walther Bothe ve Hans Geiger, doğmuş olan onca belirsizlik arasında, atom süreçlerinde kütle ve enerjinin korunduğunu gösterdi. Fakat bütün bu gelişmelerin, Newton yasalarıyla pek bir ilgisi yoktu. Elektronları yöneten ve bu şekilde davranmaya yönelten yasa neydi? Onların bu davranışını betimleyen bir denklem olmalı ve çözüm olarak, yörüngelerde durağan elektron dalgaları vermeliydi. 1926 yılında Erwin Schrodinger, de Broglie'ın varsayımından hareketle, elektronlar için bir 'dalga denklemi' yazdı. Diferansiyel nitelikteki bu denklemiyle, Heisenberg'in matris denklemleri arasındaki bağlantıyı da açıklamıştı. Denklemin hidrojen atomu için elde edilen çözümleri; belli dalgaboylarına sahip birer durağan dalga oluşturuyor ve dalgalar, Bohr'un enerji düzeylerine karşılık gelen frekanslara sahip bulunuyordu. Hareketli bir yıl başlamıştı...

Gerçi; her (n, l, mz) takımı bir dalga fonksiyonu veriyordu ama, fonksiyonların uzaydaki dağılım şeklini belirleyen l kuantum sayısıydı. l=0'ın verdiği fonksiyonlar hep, küresel simetrikti ve bunlara 's dalgaları' dendi. Her n değeri için 1 tane vardı. l=1'in verdiği 3 fonksiyon ise; koordinat eksenleri üzerinde oturmuş simetrik loblar şeklindeydi ve bunlara p dalgaları dendi. l=2 ve 3 için fonksiyon şekilleri daha karmaşıktı ve bunlara da sırasıyla, d ve f dalgaları dendi. Dolayısıyla, hidrojen atomunda elektron yörüngeleri; n=0'ın verdiği ve 'temel durum' denilen tek bir fonksiyonla başlıyor, n değeriyle birlikte artan enerji değerlerine göre; çoğalan sayılarla, birbirinin üzerinde yükseliyordu. Yörüngeler; n değerinin ardından, l değerine işaret eden ve dalga şeklini belirleyen harflerle gösterilmeye başlandı: 1s, 2s2p, 3s3p3d, 4s4p4d4f, 5s5p5d5f5g gibi...
Hidrojen atomu için elde edilmiş olan bu çözümlere sırasıyla, artan sayıda elektron yerleştirmek suretiyle, diğer atomların yörünge şemalarını elde etmek de mümkündü. Pauli'nin dışlama ilkesi elektronların aynı 'kuantum durumu'nu paylaşmasını yasakladığından, aynı yörüngede en fazla iki elektron bulunabiliyor ve bunların da hiç değilse, 'spin kuantum sayıları'nın farklı olması, yani spinlerinin zıt yönlerde kutuplanması gerekiyordu. Buna göre; 2 elektronu olan helyumun yörünge şeması 1s2, sonra gelen lityumun 1s22s1 idi. Berilyumun 1s22s2, boronun 1s22s22p1 vs. Taşlar hızla yerine oturmaya başlamıştı...
Hemen ardından şu soru geldi: Peki, eğer elektron bir dalga olarak seyahat ediyorsa, acaba dalga içindeki konumu kesin olarak belirlenebilir miydi?

Werner Heisenberg aynı yıl içerisinde, bu soruya olumsuz yanıt veren belirsizlik ilkesini keşfetti. Çünkü elektronun yörüngedeki konumunu belirleyebilmek için, üzerine kendisininkinden daha kısa dalgaboylu bir ışık fotonu göndermek gerekiyordu. Küçük dalgaboyu yüksek enerji demekti ve elektronun bu enerjiyi soğurması, konumunu değiştirirdi. Hal böyle olunca bir elektronun, konumunu ve momentumunu aynı anda ölçmek, dolayısıyla da bilmek imkansızdı. Heisenberg'e göre, elektronları çekirdek etrafındaki belli yörüngelerde dolaşan parçacıklar gibi düşünmemek gerekiyordu. İlke enerji için olduğu kadar, momentum ve konum vektörlerinin bileşenleri için de geçerliydi. Heisenberg aynı yıl, atomları ışınım spektrumundaki çizgileri frekanslarına bağlı olarak tanımlayan bir formül geliştirmiş, G.N. Lewis, ışık kuantumu için 'foton' adını önermişti.
Kuantum mekaniği ve relativite kuramları, artık oldukça yerleşmiş gibidir ve proton, elektron, foton olmak üzere, üç tür parçacık vardır. 1928 yılında Paul A.M.Dirac, elektron için relativite kuramına uygun bir kuantum denklemi yazar ve denklemin çözümlerine dayanarak; 'pozitron' adını verdiği, artı yüklü elektronun varlığını öngörür. Bu, karşıt parçacıkların ilk örneğidir. Max Born'un tepkisi, 'Bildiğimiz şekliyle fizik, altı ayda sona erecek' şeklinde olur. Dirac ayrıca, manyetik monopollerin varlığının, yükün kuantumlaşması sonucuna yol açacağını gösterir. Aynı yıl; Werner Heisenberg, Hermann Weyl ve Eugene Wigner, kuantum mekaniğindeki simetri gruplarını incelemeye başlamıştır. Ertesi yıl Edwin Hubble, uzak galaksilerden gelen ışınlardaki 'kırmızıya kayma'yı gözlemlemiş ve evrenin genişlemekte olduğu sonucuna varmıştır.

Bazı çekirdeklerin elektron ışıyarak 'beta' bozunmasına uğradıkları öteden beri biliniyor ve bu bozunma türü üzerinde yapılan ölçümler, herhangi bir aktif maddenin ışıdığı elektronların, süreklilik gösteren enerji değerlerine sahip olduğunu gösteriyordu. Halbuki kuantum mekaniğine göre, atom veya çekirdekler belli enerji düzeylerinde bulunabildiğinden, ışınlanan elektronların kesintili enerji değerlerine sahip olması gerekliydi. 1930 yılında Wolfgang Pauli, beta bozunmasındaki elektron spektrumunun sürekliliğini açıklamak için, nötrinonun varlığını önerdi. Bozunma sırasında kuantum mekaniğine uygun olarak, belli miktarda enerji açığa çıkmakta, ancak bu enerji, elektronlarla nötrinolar arasında, değişebilen oranlarda paylaşılmaktadır. Nötrinonun aranmasına başlanır.
Atomun kuantum modeli oluşturulmuş, ancak arada önemli bir şey unutulmuş gibidir. Çünkü çekirdeğin yalnızca protonlardan oluşması mümkün değildir. Herhangi bir element, elektron sayısıyla belirlendiğine ve atom nötür olduğuna göre, çekirdekte elektron sayısı kadar proton olması gerekirken; çekirdek, bu sayıda protondan daha ağırdır. Dolayısıyla, çekirdekte yüksüz bir üçüncü parçacığın daha olması gerekmekte, ancak belirlenmesinde güçlük çekilmektedir. Çünkü yüklü parçacıklar, örneğin elektronlar, katot ışını tüplerinde bol sayılarla üretiliyor, proton ise hidrojenin iyonlaştırılmasıyla elde edilebiliyordu. Keza radyoaktif maddelerden bazıları, yüklü alfa ve beta parçacıklarını, sürekli olarak ışınlıyordu. Öte yandan bu yüklü parçacıkları, elektrik ve manyetik alanlarla yönlendirip biriktirmek suretiyle, küçük de olsa akımlar üreterek veya floresan yüzeylerle çarpıştırarak, varlıklarını belirleyip özelliklerini incelemek, görece kolaydı. Halbuki yüksüz parçacıklar, çekirdeğin bir yerlerinde gizliydi ve ortaya çıkartılabilmeleri için, çekirdeğin parçalanması gerekiyordu. Gerçi alfa parçacıklarının bombardımanıyla bunu başarmak mümkün olabilirdi. Fakat aranan parçacıklar hem az sayılarla ortaya çıkacak, hem de yüksüz olduklarından, çevreleriyle etkileşime girip iz bırakamayacaklardı. Dolayısıyla, doğrudan gözlenmeleri mümkün görünmüyor, o halde de, gözlenmesi daha kolay yüklü parçacıklara yol açmalarının sağlanması gerekiyordu.

Bu düşüncelerden hareketle, James Chadwick 1932 yılında, alfa parçacıklarıyla bombardıman ettiği berilyum folyonun, farklı bir ışın yaydığını farketti. Işınlar, yolları üzerine herhangi bir malzeme konulduğunda, çekirdeklerdeki protonlara çarpıp dışarı fırlamalarına yol açıyordu. Chadwick, enerji ve momentumun korunumu ilkesinden hareketle; bu ışınların, protonun kütlesine yakın bir kütleye sahip, yüksüz parçacıklardan oluştuğunu belirledi. Nötronu keşfetmişti. Adını önerdi.
http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...e/img/carl.gifÖte yandan, Dirac'ın öngördüğü pozitronun aranması çalışmalarına devam edilmektedir. Ancak bu parçacığın, ortalıkta bolca dolaştığı görülmediğinden ve hangi koşullar altında oluştuğu bilinmediğinden, akla, güneşten gelen kozmik ışınlarda bulunabileceği fikri gelir. Bu amaçla, seyrek olarak ve az sayıda oluşan yüklü parçacıkların gözlemlenebilmesi için, sis odaları geliştirilmiştir.
Bu dedektörler, içi buharlaşma sıcaklığının altına kadar soğutulmuş buhar dolu odalardan oluşuyor ve yüklü parçacıklar buharın içinden geçerken, civardaki moleküllerle etkileşip, sıvı hale geçmelerine neden oluyordu. Böylelikle parçacık patikalarını, sis odası içindeki sıvı zerrecikleri şeklinde belirlemek mümkündü. 1932 yılında Carl Anderson böyle bir aygıtı kullanarak, kozmik ışınlarda pozitronun varlığını keşfetti. Karşıtmadde gerçekti...




1930'lu yılların başlarında, atom hakkındaki görüşler kritik bir aşamaya gelmişti. Kuantum mekaniği elementlerin kimyasal etkinliklerini ve davranışlarındaki periyodikliği, yani periyodik tabloyu, atomların ışıma spektrumlarını açıklayabiliyordu. Bu; kimya, elektrik ve manyetik, radyoaktivite ve kuantum mekaniği alanlarında, 19. yüzyılın sonlarından başlayarak yer alan ve 20. yüzyılın başlarında devam eden bir dizi keşif sayesinde mümkün olmuştu. Atomun parçalarının anlaşılması için; kimya ve elektromanyetik alanlarından elektron hakkında, radyoaktivite alanından da çekirdek, proton ve nötron hakkında bilgilerin edinilmesi gerekmişti. Bu yapıtaşlarının birbirlerine göre nasıl düzenlendiği ise; atomların ışıma spektrumunun Bohr'un atom modeline, 'parçacık-dalga davranışı'nın da kuantum modeline yol açmasıyla anlaşılmıştı. Bu durumda atomlar, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdekle, etrafındaki elektron bulutlarından oluşuyor; dolayısıyla bu üç parçacık, maddenin temel yapıtaşlarını oluşturuyordu. Atomun yapısı oldukça iyi anlaşılmış olduğuna göre, sıra çekirdeğe gelmişti. İçine bir çomak sokulup, neler olup bittiğine bakmak gerekmekteydi. Bu amaçla şimdiye kadar, doğal ve özellikle de radyoaktivite kökenli parçacıklar kullanılmıştı. Halbuki çekirdek, protonların birbirini itiyor olmasına karşın, her nasılsa çok sağlam bir yapıya sahipti. Dolayısıyla, iç yapısının kurcalanabilmesi için, doğal radyoaktivitenin sağlayabildiğinden daha girgin ve sağlam bir çomak arandı. Akla, yüklü parçacıkların hızlandırılıp, çekirdeklere doğru yönlendirilmesi fikri gelir...

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...kkesifleri.jpg

1954 Berkeley'in, Bevatron adı verilen 6GeV'luk dairesel hızlandırıcısı devreye girmiş, 1955 yılında Emilio Segre ile Chamberlain, karşıtprotonu keşfetmişti. Ertesi yıl, 1930 yılında Dirac tarafından önerilmiş olan elektron nötrinosunun varlığı belirlendi. Beta bozunmasıyla ilgili kuramsal çalışmalar da ilk sonuçlarını vermeye başlamıştı. 1957-59 yılları arasında, Julian Schwinger, Sidney Bludman ve Sheldon Glashow bağımsız olarak, zayıf etkileşimlerin aracılığının yüklü ağır bozonlar (W+, W-) tarafından yapıldığını ileri sürdü. Aslında bozon alışverişinden ilk kez, 20 yıl önce Yukawa söz etmiş, fakat zayıf etkileşimin aracısı olarak pionu önermişti.





http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...img/murray.gifBu arada önemli bir parçacık özelliği daha keşfedildi. Yüksek enerjili çarpışmalarda artık, çok sayıda K mezonu üretiliyor ve bu parçacıklar, bir hayli garip davranıyordu. Ömürleri o kadar uzundu ki, bozunmalarını engelleyen bir kuralın var olması gerekirdi. Murray Gell-Mann, K-mezonları ve diğer bazı parçacıklar için, 'gariplik' adını verdiği yeni bir özelliğin varlığını önerdi.
Sonra da, bununla birlikte diğer parçacık özelliklerini, bir matematiksel sınıflandırma aracı olarak kullandı. Bilinen parçacıkların, 'baryonlar' ve 'mezonlar' olarak iki grupta toplanabileceği sonucuna varmıştı. Ancak yöntem tümüyle doğru görünmüyor, çünkü henüz keşfedilmemiş olan bir Ω- parçacığının varlığını öngörüyordu.

Ertesi yıl, leptonların sergilediği düzene bakan bazı araştırmacılar, kuarklar arasında da benzer bir düzenin var olması gerektiği düşüncesinden hareketle, dördüncü bir kuarkın varlığını önerir. Çünkü, yukarı ve aşağı kuarklar, elektronla nötrinosuna, yani iki leptona karşı gelmekte ve bu dördü, I. Nesil olarak nitelendirilen grubu oluşturmaktadır. Muonla nötrinosu ise II. Nesil'e ait olup, simetrinin kurulabilmesi için, bu nesilde de iki kuarkın bulunması gerekmektedir. Dolayısıyla yeni kuarkın varlığı, garip kuarka II. Nesil'de eşlik etmesi için önerilmiştir. Bu öneri pek az fizikçi tarafından ciddiye alınır. Bunlardan Sheldon Glashow ve James Bjorken, dördüncü kuarka 'tılsım' ('charm') adını verir. Peter Higgs, Francois Englert ve R. Brout aynı yıl, parçacıklara kütle kazandırmaya yönelik 'Higgs yöntemi'ni önermiştir. 1965 yılında ise, O.W. Greenberg, M.Y. Han ve Yoichiro Nambu, kuarklar için 'renk yükü' kavramını ortaya atar. Gözlemlenen hadronların hepsi, nötür renk yüküne sahiptir. Kuarklar gözlenemediğinden, model yavaş kabul görmektedir.
1967 yılında, Steven Weinberg ve Abdus Salam, bağımsız olarak, elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri elektrozayıf etkileşimde birleştiren bir kuram önerir. Bu kuram, o zamana kadar gözlenmemiş olan bir zayıf etkileşim türüne aracılık eden yüksüz bir bozonun (Z0) varlığına gereksinim duymaktadır. Ayrıca parçacıklara kütle kazandırmak amacıyla 'Higgs yöntemi'ni kullanmış olup, 'Higgs Bozonu' denilen ağır bir parçacığın varlığını öngörmektedir. Keşfedilmiş olan parçacıklardan hareketle ve Glashow'un da katkılarıyla; temel parçacıkları ve kuvvetleri açıklayan Standart Model oluşturulmuştur. Modelin matematiği, üç kuarkı yeterli görmüyor ve dördüncü bir kuarkın varlığını gerektiriyordu. Henüz böyle bir kuarkı içeren hiçbir parçacık gözlenmemiş olmakla beraber, varlığına yönelik işaretler güç kazanmıştı. Gabriele Veneziano ertesi yıl, 'güçlü etkileşimlerin düal reazonans modeli' hakkındaki çalışmasıyla, çağdaş sicim kuramını başlatır.

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...ilmasiprot.jpg

Gerçi kuarklar yalnız başlarına bulunamadıklarından, doğrudan gözlenemezlerdi. Fakat yüksek enerjilere hızlandırılmış elektronları kullanmak suretiyle, protonun içindeki varlıkları hakkında, deneysel kanıtlar elde edilebilirdi. Nitekim, 1968-69 yıllarında Stanford'daki doğrusal hızlandırıcıda yapılan 'elektron-proton çarpıştırması' deneylerindeki elektronların saçılma biçimlerinde, protonun içindeki bazı sert bölgeler tarafından saptırıldıklarına işaret eden bulgular belirlendi. Jerome I.Friedman, Henry W.Kendall, and Richard E.Taylor'un gerçekleştirdikleri bu deney, Rutherford'unkine çok benzerdi. Ancak bu kez hedef, protonlar ve nötronlar, bombardıman eden ışın ise, Rutherford'un alfa parçacıklarından binlerce kez daha yüksek enerji düzeylerine hızlandırılmış elektronlardı. Elektronların saçılma açıları, maddenin bir alt yapı düzeyini ortaya çıkardı. Proton ve nötronların derinliklerinde, kuarkların fiziksel izleri bulunmuştu. 70'li yıllarda diğer hadronlarla tekrarlanan deneyler de benzeri sonuçlar verecekti.

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bil...ilmasiprot.jpg

Gerçi kuarklar yalnız başlarına bulunamadıklarından, doğrudan gözlenemezlerdi. Fakat yüksek enerjilere hızlandırılmış elektronları kullanmak suretiyle, protonun içindeki varlıkları hakkında, deneysel kanıtlar elde edilebilirdi. Nitekim, 1968-69 yıllarında Stanford'daki doğrusal hızlandırıcıda yapılan 'elektron-proton çarpıştırması' deneylerindeki elektronların saçılma biçimlerinde, protonun içindeki bazı sert bölgeler tarafından saptırıldıklarına işaret eden bulgular belirlendi. Jerome I.Friedman, Henry W.Kendall, and Richard E.Taylor'un gerçekleştirdikleri bu deney, Rutherford'unkine çok benzerdi. Ancak bu kez hedef, protonlar ve nötronlar, bombardıman eden ışın ise, Rutherford'un alfa parçacıklarından binlerce kez daha yüksek enerji düzeylerine hızlandırılmış elektronlardı. Elektronların saçılma açıları, maddenin bir alt yapı düzeyini ortaya çıkardı. Proton ve nötronların derinliklerinde, kuarkların fiziksel izleri bulunmuştu. 70'li yıllarda diğer hadronlarla tekrarlanan deneyler de benzeri sonuçlar verecekti.