Tarihçe

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 (MÖ624-547), dünyamızın özünün su olduğunu söyler Bu düşünce Sümer ve Babil mitolojilerinden izler taşımaktadır Döneme hakim olan anlayış, bu özün yaratılıp yok olabildiği şeklindedir Anaxagoras (MÖ500-428) bu görüşe karşı çıkarak, maddedeki değişikliklerin, maddeyi oluşturan 'bölünmez parçacık'ların farklı biçimlerde düzenlenmesinden kaynaklandığını öğretir Empedokles (MÖ484-424) bu bölünmez parçacıkları; toprak, hava, ateş ve su olmak üzere, dört element altında toplar Halbuki Demokritus (MÖ460-370), 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 (MÖ384-322 ); 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 (MÖ310-230) 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 (MS70-147), 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 MS415 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

Johannes Kepler (1571-1630) bu vasiyete uyar ve 1609 yılında, 'Yeni Astronomi' ('Astronomia Nova') adlı dergide, Mars'ın yörüngesinin, odak noktalarından birisinde Güneş'in bulunduğu bir elips şeklinde olduğunu ve eşit zamanlarda eşit alanlar taradığını ileri sürer Galileo bu güneş merkezli sistemi etkin bir biçimde savunmakta, dünya merkezli görüşü cesurca eleştirmektedir Aynı yıl ilk teleskopunu yapar ve ayı gözlem altına alır Gözlemleri, ayın görüntüsünün hiç de öyle söylenildiği gibi; 'kusursuzca parıldayan, ilahi düzgünlüğe sahip, Platonik bir semai küre' olmayıp; girintili çıkıntılı dev bir kayaya benzediğini ortaya koymuştur Onun bu buluş ve görüşleri, Batı kültürü ve dini açısından, ağır sancılı yankılara yol açacak ve kendisi Kilise tarafından yargılanacaktır Kepler bu arada, Copernicus sistemine destek veren bulgularını, 'Gezegenlerin Hareketinin Üç Kanunu' olarak genelleştirir Bir yandan da, cadı suçlamasıyla aranan annesinin yakalanıp işkenceyle ('ad torturam') yargılanmasını önlemek için çaba sarfetmektedir
1727 yılına gelindiğinde, Sir Isaac Newton, nesnelerin hareketini matematiksel terimlerle açıklayan mekanik kanunlarını geliştirir Bu kanunlara dayanan ve artık 'klasik mekanik' olarak anılan kurama göre; başlangıç koşulları bilinen herhangi bir cismin, o andan sonra izleyeceği patika tümüyle öngörülebilir, yani 'herşey' 'deterministik'tir Mekanik yasaları, hayatın tüm yönlerine yansımaya başlar Yatay ve dikey atış problemleri çözülmüş olup, belli bir hız ve açıyla fırlatılan bir parçacığın izleyeceği parabolik yörüngeler hesaplanabilmektedir Tablolar halinde düzenlenip, savaş alanlarına taşınır Bundan sonradır ki, Osmanlı İmparatorluğu'nun Batı'yla savaşları hakkındaki tarih kayıtlarında sık sık; "tam kente girilecekken, Avusturya topçusu şansına öyle bir tutturdu ki, cephaneliğimizi tek atışta havaya uçurdu" veya "düşmanın top ateşi tam köprüye isabet etmiş ve son kaçış yolumuzu da kesmişti" türünden anlatımlarla karşılaşılacaktır Halbuki gelişmelerin, şansla doğrudan ilgisi yoktur Artık herşey 'deterministik'tir Kader

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, 166 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

Bu değişik olgular üzerinde, birbirinden bağımsız olarak çalışılıyor, fakat her birinin nereden kaynaklandığı veya bu olgulara maddenin hangi unsurlarının yol açtığı bilinmiyordu Çünkü maddenin yapısı, hala bir sırdı Gerçi ortada Dalton'un kapalı kutu benzeri bir atom modeli vardı Ama bu kutuların iç yapıları bir yana; birbirleriyle nasıl etkileştikleri ve çeşitli malzemelerde birbirlerine göre nasıl düzenlendikleri bilinmiyordu 1869 yılında, Rus kimyacı Dimitri Mendelyev, alanındaki yeni gelişmeleri kapsayan bir kitap yazmaya başlamıştı Elementleri; isim, ağırlık ve kimyasal özelliklerini ayrı ayrı kartlara yazdıktan sonra, artan ağırlıklarına göre sıraladığında, benzer kimyasal davranış sergileyenlerin, belli aralık veya periyotlarla tekrarlandığını gördü Tekrar sayısı 7 idi ve bu sefer elementleri, benzer kimyasal özellik taşıyanlar alt alta gelecek şekilde, 7 yatay sıra halinde dizdi Periyodik 'elementler tablosu'nu keşfetmişti Arada bazı boşluklar vardı ve bunların, henüz keşfedilmemiş olan elementlerden kaynaklandığını öne sürdü Nitekim, varlığını önerdiği galyum ve germanyum elementleri, çok geçmeden keşfedildi Bunlar iyi güzeldi de; periyodik davranışın bir de, neden ve nasılı vardı Mendelyev gerçi elementlerin kimyasal davranışlarındaki düzeni yakalamış, ama bir yandan da, yanıtlanmayı bekleyen bir dizi soruya yenilerini katmıştı Örneğin, elementleri kimyasal özelliklerinin benzerliğine göre sıraladığında, atom ağırlıkları çoğunlukla artarken, bazı yerlerde azalıyordu Bunu açıklayamadı Çünkü sıralamanın kütleye göre değil, henüz bilinmeyen atom numarasına göre yapılması gerekiyordu

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 GJ 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

Ayrıca, tüpteki akım, elektrotlar arasında köprü kurarken, gazda parıldayan ışımalara yol açmaktaydı Bu ışıklar prizmadan geçirilip incelendi Güneşin beyaz ışığı bir prizmadan geçirildiğinde sürekli bir spektrum verirken, katot ışını tüplerinden yayılan ışık prizmadan geçirilip karanlık bir zemine düşürüldüğünde, zemin üzerinde aralıklı çizgiler oluşuyordu Bunlara spektrum çizgileri dendi

Öte yandan; sodyum, potasyum, kalsiyum gibi elementler, bir alevde ısıtıldıklarında, keza ışık yayıyorlardı Bu ışıklar da dar bir yarıktan geçirilip prizma üzerine düşürüldüğünde, keza aralıklı çizgilerden oluşan spekrumlara yol açıyodu Hem de, her elementin kendisine özgü bir spektrumunun olduğu saptandı Aslında, bir spektrumdaki her çizginin, belli bir dalgaboyuna karşılık gelen, kendisine özgün bir enerjisi vardı Atomların ışıma spektrumlarının incelenmesi sırasında, dalga boyu ölçümlerinde kullanılan en basit aygıtlar dahi, beklenmedik bir duyarlılıkla çalışmıştı Spektroskopi dalı zamanla, ölçüm hatası payını 10,000'de 1'lere indirecek ve kimya çalışmalarında başı çekeceği gibi, atomun yapısıyla ilgili kuram veya önerilerin, sınava tabi tutulup ayıklandığı sert bir kayaya dönüşecekti

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 WC 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 JJ 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

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 WH 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, 000006 cm incelikteki bir altın folyo üzerine odaklamışlardı Parçacıkların hemen hepsi folyonun öte tarafına geçer ve bunların büyük çoğunluğu hiçbir sapmaya uğramazken, %01 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, RA Millikan, yağ damlacığı deneyiyle, elektronların yükünü ölçtü Hepsi de aynı yükü taşıyordu Yükün kütleye oranı (e/m) Thompson deneyinden biliniyor olduğundan, elektronun kütlesi 910 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, HGJ 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

1915 yılında Einstein, Hilbert'le yarışını önde bitirerek, Genel Relativite Kuramı'nı yayınladı Şansı yardım etmiş ve kuramı çok geçmeden, Merkür gezeninin güneş etrafındaki hareketinden ve yıldızlardan gelen ışığın güneş tarafından saptırılmasından kaynaklanan kanıtlarla desteklenmişti 1919 yılında Francis WAston, kendi geliştirdiği kütle spektrografisini kullanarak, aynı atom numarasına sahip farklı atomların, yani izotopların varlığını keşfederken, Rutherford da değişik atomlarda protonun izlerine rastlamıştı Ancak, aynı elementin izotopları arasındaki kütle farkına neyin yol açtığı ve çekirdeğin, protonların birbirini itmesine karşın nasıl bir arada durduğu, hala anlaşılamamıştı 1921 yılında James Chadwick ve ES Bieler, çekirdeğin çok güçlü bir kuvvet tarafından bir arada tutulduğu önerisinde bulundu Kuvvetlerin işleyiş biçimi merak konusu olmaya başlamıştı Aynı yıl Theodor Kaluza, Einstein'ın önerisi üzerine, kuvvetlerle ilgili bir çalışmasını yayınladı Kaluza bu çalışmasında, Maxwell'in elektrik ve manyetik olayları tek bir denklem sisteminde birleştirme başarısını bir adım daha öteye götürerek, kütleçekimiyle elektromanyetik kuvvetleri birleştirmeyi amaçlıyordu Alışılmışın dışında bir yaklaşımda bulunmuş ve uzaya, minik bir daire üzerine kapanan bir boyut daha eklemişti Daha sonra 'Kaluza-Klein kompaktlaştırması' adını alan bu yaklaşım, 60 yıl sonraki parçacık kuramı çalışmalarında temel olarak kullanılan verimli bir konu haline gelecekti




1922 yılında Niels Bohr, elementlerin kimyasal davranışlarını, atomlarının yapısındaki elektronların, birbirini izleyen yörünge kabuklarıyla ilişkilendiren modelini geliştirdi Model, atomların ışıma spektrumundaki kesikliliğin yanında, elementler tablosundaki periyodikliği de açıklamıştı Buna göre; her enerji düzeyine karşılık gelen yörünge; birinci kabuk 2 ve ikinciler 8'er olmak üzere, yalnızca belli sayıda elektron barındırabiliyordu Kabuklardan biri dolunca, elektronlar bir üst kabuğa yerleşiyordu Kimyasal özellikleri dış kabuktaki elektron sayısıyla açıklamak mümkündü
Dış kabuğu dolu olan elementler tepkimeye girmezken, diğerleri dış kabuklarını doldurmak üzere, elektron alıyor veya veriyordu Model, atom numarasına göre yeniden düzenlenmiş olan elementler tablosundaki periyodiklik açığa kavuşturmuş olmakla beraber; elektronların neden belli enerji düzeylerinde bulunmak zorunda oldukları ve niye sürekli ışıyıp enerji kaybederek çekirdeğe düşmedikleri gibi yanıtlanmamış sorulara, bir yenisini daha eklemişti: Neden birinci kabukta sadece iki ve sonraki kabuklarda sadece 8'er elektron bulunuyordu? Modelde bir şeyler eksikti


1923 yılında Arthur Compton, x-ışınlarının elektronlardan saçılmaları sırasındaki frekans değişimlerini inceliyordu Işığın dalga davranışından yararlanan bir deneyle, fotonlarının parçacık gibi davrandığını kanıtladı Çelişkili görünen bu deney aslında, fotonların ikili davranışına işaret ediyordu O sıralar doktora çalışmasını yapmakta olan Louis de Broglie, elektronların da ışık gibi, hem parçacık ve hem de dalga gibi davranabileceğini düşündü Çünkü Einstein'ın 1905 yılında ortaya attığı relativite kuramı, kütleyle enerjinin birbirine dönüşebilir olduğunu ve bir parçacığın toplam enerjisinin, momentum p cinsinden, E2=mc2+p2c2 şeklinde yazılabileceğini göstermişti Fotonlar için kütle sıfır olduğundan, bu ilişki E=pc biçimine indirgeniyordu

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, GN 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 AMDirac, 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
Öte 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

Aslında bu yöndeki çalışmalar, Rutherford'un alfa parçacıklarıyla yaptığı deneyden beri sürdürülmektedir ve RJ van de Graaf, kendi adıyla anılan elektrostatik jenaratörü, bir yıl önce imal etmiştir Aygıt, iki palanga arasındaki dönen bir kayışla, kayışın alt tarafındaki bir deşarj odası ve üst tarafındaki metal bir küreden oluşmaktadır Deşarj odasındaki yüksek gerilimle üretilen iyonların, artı yüklü olanları kayışa yapışmakta ve kayış tarafından yukarıya taşınıp, tel fırçalar aracılığıyla metal küreye aktarılmaktadır Kürede biriken büyük miktardaki yükün daha sonra, yüklü parçacıkların hızlandırılması için gereken yüksek gerilimi sağlamakta kullanılması mümkündür Prototip denemelerinde, 15x106 V gerilim düzeyine ulaşılır 1932 yılında, Cockroft ve Walton, böyle bir düzeneğe dayalı bir doğrusal hızlandırıcı inşa edip, lityumu protonlarla bombardıman ederek alfa parçacıkları üretir Aynı yıl Ernest O Lawrence, Berkeley'de, protonları 1 MeV enerji düzeyine hızlandırabilen ilk siklotronu inşa eder Çok geçmeden kapasitesi 25 MeV'a çıkartılacak ve bunu, dünyanın çeşitli laboratuvarlarında kurulan, değişik yapılardaki hızlandırıcılar izleyecektir Nötron ve proton etkileşimlerinin incelenmesi deneyleri, bazı sorulara yanıtlar getirmekle beraber, pek çok diğer parçacığın keşfiyle sonuçlanacak; bu ise, yanıtları çekirdeğin temel yapısında yepyeni bir anlayışla son bulan, bir dizi yeni sorunun doğmasına yol açacaktır


Çekirdeği bir arada tutan kuvvetlerin işleyişi ve bozunmalar, öncelikli çalışma konuları haline gelmiştir 1934 yılında Enrico Fermi, beta bozunması için, zayıf etkileşimi içeren bir kuram önerir Bu, nötrinoları ve parçacık 'tad'larının değişimi kavramını açıkça kullanan ilk çalışmadır Hideki Yukawa aynı yıl, çekirdekteki çekim kuvvetlerini, protonlarla nötronlar arasında alınıp verilen yeni bir tür parçacığın sağladığı etkileşimle açıklamak üzere, relativite ve kuantum kuramlarını birleştirir 'Pi mezonu' veya kısaca 'pion' adı verilen yeni parçacığın, çekirdeğin büyüklüğünden hareketle, 200 elektron kütlesi ağırlıkta olması gerekmektedir Nükleer kuvvetlerin 'mezon kuramı' doğmak üzeredir 1937 yılında, kozmik ışınların incelenmesi sırasında, elektronun 200 katı ağırlığında, yüklü bir parçacık keşfedilir Önce Yukawa'nın öngördüğü pion olduğu sanılan parçacığın, daha sonra muon olduğu anlaşılır(tüh) 1938 yılında, Lise Meitner, Otto Hahn ve Strassman, nötron bombardımanına tutulan ağır elementlerin kararsız hale gelerek parçalandıklarını saptar Süreçten yeni nötronların çıkıyor olması, 'zincirleme fizyon reaksiyonları'nın mümkün olduğuna işaret etmektedir 1941 yılında Glenn Seaborg, laboratuvarda yapay olarak, transuranyum elementlerinin ilkini sentezler 5 tanesini daha sentezleyecek ve elementler tablosunun değiştirilmesini önerecektir Bu arada nötron ve protonlardan 'nükleon' olarak söz edilmeye, fizik çalışmaları öncelikle savaş çabasına yöneltilmeye başlanmıştır 1942 yılında Enrico Fermi, Chicago Üniversitesi'nde inşa ettiği 'grafit yığını'nda, ilk zincirleme fizyon reaksiyonunu gerçekleştirir Ertesi yıl, Çinli matematikçi Shiing-Shen Chern, çok daha sonraları 'sicim kuramı'nda önemli bir araç haline gelecek olan, 'karakteristik sınıflar' üzerindeki çalışmasına başlar İki yıl sonra Hiroşima ve Nagasaki bombalanmıştır1946 yılında, ilk gözlendiğinde Yukawa'nın mezonu zannedilen muon parçacığının, görünür maddenin yapısında yer almayan, 'II Nesil' madde parçacıklarının ilki olduğu anlaşılır Bu beklenmedik keşif, şaşkınlık yaratmıştır Çünkü böyle bir 'üst nesil' parçacığa ne gerek vardır? Güçlü etkileşime girmeyen bu parçacıkla elektron için, 'lepton' terimi kullanılmaya başlanır 1947 yılında, yine kozmik ışınların incelenmesi sırasında, artı ve eksi yüklü iki 'pi mezonu' keşfedilmiştir Başka bir resimde V şeklinde izlere rastlanmış ve V'lerin iki ayağına yol açan yüklü parçacık çiftlerinin, yüksüz birer parçacığın bozunmasıyla ortaya çıkmış olması gerektiği sonucuna varılmıştır Bulucuları parçacıklara 'V parçacığı' adını verir

Yeni parçacıkların yapısına ve varlığına anlam verilmeye çalışılmakta; fizikçiler, elektron, pozitron ve fotonların elektromanyetik özelliklerini hesaplayabilmek için yöntemler aramaktadır Richard P Feynman, soyadıyla anılan diyagramları geliştirir 1948 yılında Berkeley senkro-siklotronunda gerçekleştirilen bir çarpışırma deneyinde, ilk yapay pion üretilir Ertesi yıl Enrico Fermi ile CN Yang, pionun bir 'nükleon' ve 'karşıt nükleon'dan oluştuğu önerisinde bulunur Böyle bir 'karmaşık parçacık' kavramı, alışılmışın dışındadır 1949 yılında, 'V parçacıkları'nın K+ ve K- mezonları olduğu anlaşılır Kozmik ışın incelemeleri, yeni tür parçacıkların keşfine yol açmaya devam etmektedir 1951 yılında, nötür K0 ve π0 mezonları keşfedilir
Sis odalarıyla 1940'lı yıllarda, epeyce sayıda yeni parçacık keşfedilmişti Fakat bu dedektörlerin iki önemli kısıtı vardı Gaz yoğunluğunun düşük olması nedeniyle, odanın gözlenen kısmında çok az sayıda etkileşim gerçekleşiyordu Öte yandan çalışma hızları yavaş olduğundan, 1950'lerde inşa edilmeye başlanan ve birkaç saniyede bir ışın çarpıştırması yapabilecek olan hızlandırıcılarda kullanılamazlardı
Doktora çalışmasını Anderson'la yapan Donald A Glaser, seyrek oluştukları için zor karşılaşılan parçacıkları daha iyi gözlemleyebilmenin yollarını aradı Molekül yoğunluğu gazınkine oranla 10'un birkaç katı faktörle daha fazla olan sıvı kullanmayı düşünmüştü

Glaser'ın parlak fikri, kaynama noktasının üstüne kadar ısıtılmış olmasına karşın henüz buharlaşamamış, dolayısıyla geçici bir süre için kararsız halde olan bir sıvı kullanmayı hedefliyordu Kullandığı teknik, sıvıyı; kaynama noktasının hemen altında iken yüksek basınçta tutmak ve hızlandırıcıdan bir parçacık demeti geldiğinde, basıncı ansızın düşürerek 'süper ısıtılmış' hale geçirmekti Yüklü parçacıklar, yolları üzerindeki moleküllerle etkileşip, buhar haline geçmelerine neden olacak ve başlayan yerel kaynamaların ürettiği kabarcıklar sayesinde iz bırakmış olacaklardı 1952 yılında, başarıyla çalışan ilk kabarcık odasını geliştirmişti Hacmi, sadece 3 cc idi ve 140 °C'deki dietil-eterle doluydu

Yüklü parçacığın odaya girmesinden birkaç milisaniye sonra, yandaki resimde izleri görülen girgin bir kozmik ışının yol açmış olduğu gibi, patika boyunca, 10-100 mikrometre çapında küçük kabarcıklar oluşuyordu İzlerin fotoğrafı çekilip, basınç yeniden ayarlanıyor ve hızlandırıcıdan gelecek bir sonraki parçacık demeti için hazır hale geliniyordu Fotoğrafın incelenmesiyle de, parçacığın yükü veya kütlesi hakkında bilgi ediniliyordu Glaser'ın bu keşfi, dünyadaki hızlandırıcı laboratuvarlarında 30 yıl sürecek bir dönem başlattı Aynı yıl /\0 ve Δ parçacıkları keşfedilmiş, ağır bir parçacık olan Δ'nın, birbirine benzer dört şekli (Δ++, Δ+, Δ0, Δ-) belirlenmişti 1952 yılında, 13 GeV'luk bir hızlandırıcı olan Brookhaven Kozmotronu'nun işletmeye alınmasıyla, tam bir 'parçacık patlaması' yaşanacaktı




Parçacıklara vücut veren yapısal düzenin anlaşılmasına çalışılıyordu 1953 yılında Murray Gell-Mann, saçılma verilerinden hareketle, 'hiperyük' adını verdiği yeni bir kuantum sayısının varlığını önerdi Nükleonların iç yapılarının yoklanabilmesi için, yoklama aracını oluşturacak parçacıkların, örneğin elektronların dalgaboylarının, ilgili boyutlara kadar küçültülebilmesi gerekiyordu Daha küçük dalgaboyu daha yüksek enerji anlamına geldiğine göre, bu; hızlandırıcıların gücünü arttırmakla mümkündü

CERN'de ve Fermi Laboratuvarı gibi merkezlerde, yeni birimler inşa edildi 1953-57 arasında yapılan, yüksek enerjili elektronların çekirdeklerden saçılması deneyleriyle, protonların ve hatta nötronların içindeki yük dağılımları incelendi Belirlenen elektromanyetik yapıları, hala temel parçacık sayılmalarına karşın, bir tür iç yapıya sahip olduklarına işaret ediyordu

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





Bu 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

Kabarcık odası tekniklerinin geliştirilmesinde, Berkeley'deki Luis Alvarez grubu başı çekiyordu 1959 yılında, 180cm uzunluğunda hidrojen dolu bir kabarcık odası; soğutma donanımı, mıknatısı ve destek yapılarıyla birlikte, tüm bir binayı doldurmuştu Odayı dolduran sıvı hidrojen, 26K (-247°C) sıcaklıkta ve 4 atmosferlik ek basınç altında tutuluyor, Bevatron'dan gelen hızlandırılmış parçacıklar için hedef oluşturuyordu
Odada güçlü bir manyetik alan vardı ve çarpışma sonucunda oluşan parçacıklar, bu manyetik alanın etkisiyle kıvrımlı izler bırakıyordu Kabarcık odasının çekilen resimleri taranıyor ve izler, çoğu kez üniversitenin farklı bölümlerindeki özel projeksiyon masalarında ölçülerek, 3 boyutlu olarak yeniden inşa ediliyordu Parçacık patikalarının eğrilme yarıçapı, parçacığın yükünü ve momentumunu açığa çıkarırken; karmaşık iz yapısının incelenmesiyle, parçacık etkileşimleri ve bozunmaları ayrıntılı olarak izlenebiliyordu Kabarcık odaları sayesinde, parçacık spektroskopisinin ayrıntıları öğrenildi Çok sayıda kısa ömürlü parçacık keşfedilmiş, güçlü etkileşimin özellikleri incelenmişti Luis Alvarez, kabarcık oadası tekniklerinin geliştirilmesine bulunduğu katkılar nedeniyle, 1968 Fizik Nobel Ödülü'nü alacaktı



İnşa edilen en büyük iki kabarcık odalarından birisi, Chicago'daki Fermilab'deydi Diğeri CERN'deki BEBC (Big European Bubble Chamber) idi İkisi de 3 m'den uzundu Odayı dolduran ve hızlandırılmış parçacıklara hedef oluşturan malzeme olarak, yalnızca serbest proton içeren hidrojen değil, çekirdekteki etkileşimleri incelemek amacıyla, propan ve xenon gibi daha ağır malzemeler de kullanıldı BEBC kabarcık odasının gövdesindeki süperiletken bir bobin, 37 m uzunluğundaki 35 m3'lük odada 35 Tesla şiddetinde manyetik alan yaratıyor ve kabarcık odası tesisin yalnızca küçük bir kısmını oluşturuyordu

1962 yılında muon nötrinosu keşfedilir ve daha önce kuramsal olarak öngörüldüğü üzere, elektron nötrinosundan farklı bir parçacık olduğu gösterildi Ardından bir dizi baryon ve mezon gelir Gell-Mann'ın parçacıkları baryonlar ve mezonlar olarak sınıflandırmış olmasına karşın, ortalıkta yüzlerce 'temel' parçacık vardı 'Atomun yapısı' derken, çekirdeğin 'suyu' çıkmıştı

Bu parçacık kalabalığından kurtulmak için bir sonraki adım, parçacık özelliklerinin gösterdiği düzenliliğin, baryonlarla mezonların başka parçacıklardan oluştuğu varsayımıyla açıklanıp açıklanamayacağını incelemektir Nitekim, parçacıkların sayısı arttıkça özellikleri, baryonlarla mezonların daha küçük yapıtaşlarından oluştuğuna işaret eden bir düzenlilik sergilemeye başlar Bu durum parçacık türlerinin, SU(3) grubu denilen matematiksel bir sınıflandırma sistemiyle düzenlenmesini sağlar 1963 yılında Gell-Mann ve George Zweig, birbirlerinden bağımsız olarak; baryon ve mezon olarak sınıflandırılan parçacıkların, kesirli yükler taşıyan daha küçük parçacıklardan oluştuğu önerisinde bulunur Gell-Mann'ın 'kuark' adını verdiği bu temel parçacıklar; yukarı, aşağı ve garip olmak üzere; üç çeşittir Spinlerinin ћ/2, elektrik yüklerinin ise sırasıyla +2/3, -1/3, -1/3 olduğu öngörülen parçacıkların, birer de karşıtı vardır Öneriye göre baryonlar üç kuarktan, mezonlar ise bir kuarkla karşıtkuarktan oluşmaktadır Gürsey ve Radicati, kuarkların 3 çeşni ve 2 spin durumunu temel alan SU(6) simetrisinin hadronların sınıflandırılmasında başarıyla kullanılabileceğini gösterirler Kuark düşüncesi ilk elde, kesirli yük hiç gözlenmediğinden, gerçek fiziksel nesnelerin temsilinden çok, parçacık kütlelerinin sergilediği düzenin matematiksel bir açıklaması olarak algılanır Halbuki daha sonraki kuramsal ve deneysel gelişmeler, yalnız başlarına gözlenememelerine karşın, kuarkların gerçek fiziksel nesneler olduğunu gösterecektir



1964 yılında, CERN'deki 2m'lik hidrojen dolu kabarcık odasında çekilmiş olan yandaki resmin incelenmesi, yeni bir parçacığın daha varlığını ortaya koydu Beyaz renkli + işaretleri, odanın üzerinde sabit olup, üç boyutlu patika çizimlerinin hazırlanmasında kullanılıyordu Odanın alt tarafından beş tane K- mezonu girmiş ve bunlardan birisi, odadaki protonlardan biriyle etkileşmişti K mezonlarının momentumu 10GeV/c düzeyinde olduğundan, hızları ışık hızının %999'u kadar ve üst düzeyde relativistikti

İnşa edilen yandaki etkileşim şeması, üç garip kuark içeren ve seyrek rastlanan yeni bir parçacığın üretilmiş olduğunu gösteriyordu Manyetik alan, yüklü parçacıkları bükmüş ve yeni parçacık, odada 10cm kadar yol katettikten sonra, nötür bir /\ parçacığı ile bir K- mezonuna bozunmuştu Gell-Mann'ın daha önce varlığını önermiş olduğu Ω- parçacığı, hem de Gell-Mann'ın hesapladığı kütleyle bulunmuştu Demek ki, 'baryon, mezon' sınıflandırması doğruydu

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, OW Greenberg, MY 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

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 IFriedman, Henry WKendall, and Richard ETaylor'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

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 IFriedman, Henry WKendall, and Richard ETaylor'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