Çekirdek Tepkimeleri/çekirdeklerin Bazı özellikleri

Çekirdek Tepkimeleri

Bilindiği gibi atomlarda bir çekirdek bulunduğunu 1911′de Rutherford ve öğrencileri Geiger ile Marsden, alfa parçacıklarının saçılması deneyi ile göstermişlerdiFakat çekirdek kimyasının ve fiziğinin doğuşu 1896 yılına dek geri götürülebilir Çünkü bu yıl,Becquerel’in uranyum bileşiklerindeki radyoaktiviteyi keşfettiği yıldır


Radyoaktifliğin keşfinden sonra, rayoaktif maddelerden yalılan ışımalar üzerine çeşitli araştırmalar yapılmış ve Rutherford bu çalışmaları birleştirerek yayınlanan ışımalar alfa, beta ve gamma olarak adlandırılmıştır Bu ışımalar, elektrik yüklerine, maddelerdeki giriciliklerine ve havayı iyonlaştırıp iyonlaştırmamalarına göre sınıflandırılmışlardır Sonradan yapılan çalışmalar alfa ışınlarının helyum çekirdekleri, beta ışınlarının elektron ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları göstermiştir


1911 yılının iki büyük olayı var: Atom fiziğinin kurucularının ilk toplantısı Solvay Konferansının yapılması Bu toplantıda tarihin en büyük kadınlarından biri de vardı: Marie Curie Fotoğrafta ön sırada, soldan ikinci (oturan) Rutherford


“Üzümlü kek” içinde ne olduğunu anlamının yolu onun içine “bakmak”tır Bu işi, Yeni Zelandalı bilimci Ernest Rutherford (1871-1937) başardı O, JJ Thomson’un yönettiği ünlü Cavendish Laboratuvarına alınan ilk yabancı araştırma öğrencisiydi Patronunun tersine el becerisi yüksek bir deneyciydi Ayıbalığı şekilndeki bıyıkları,iri yapısı ve küfürbazlığıyla ün saldı Bir deneye küfretmenin onu daha iyi sonuç vereceğine inanmış olsa gerek! Yeni Zelanda’dan 1895’te geldi Mesleki başarılarda (hatta evlenmemizde) şans önemli bir yer tutar O şanslıydı Bu başarıda doktora öğrencisi Hans Wilhelm Geiger (1882-1945)ve mezun olmamış bir tufeyli Sir Ernest Marsden(1888-1970) yardım etti


Onlar, bir deney düzenlediler 1911′de Manchester Üniversitesinde yaptıkları ünlü deneyde, şimdi helyum atomlarının çekirdeği olarak bildiğimiz pozitif yüklü,hızlı alfa parçacıklarıyla ince altın yaprağı bombardıman ettiler Deneyin sonuçları çok şaşırtıcıydı Bu deneyin yorumunu anlamak için bu arada nelerin bilindiğini belirtmeliyiz: Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan üç tip ışıma(radyasyon) konusunda ayrıntılı çalışmalar yapmış, bu ışımalardan alfa ve betayı kendisi bulmuştu(1908) 1908’de radyoaktiflik üzerindeki çalışmasıyla Nobel ödülü almıştı


1900 yılında Villard da gama ışınlarını bulmuştu Onlara gama ışıması adını 1903’te, Rutherford verdi Gama ışınları ışın tedavisinde ve mühendislikte kalite kontrolünde kullanılır Sonradan yapılan deneyler sonucunda alfa ışınlarının gerçekte helyum çekirdeği, beta ışınlarının çekirdekten çıkan elektronlar ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları gösterilmişti Alfa parçacıkları, iki elektronunu kaybetmiş helyim çekirdekleriydi ve +2 yüklüydü Rutherford, alfa parçacıklarının pozitif elektrikle yüklü parçacıklar olduğunu biliyordu Alfa parçacıkları artı yüklü olduklarından atomun eksi yüklü bölümü tarafından çekilmeli, artı yüklü bölümü tarafından ise itilmelidir Ama elektronlar,hidrojen atomuna göre 1840 kat hafif, alfa parçacıkları ise hidrojen atomunun dört katı kadar ağırdı Eğer elektronu bir pinpon topu ile gösterirsek, alfa parçacığı 12 cm çapında bir gülleye karşılık gelirdi Böylece bir alfa parçacığı bir atomun içinden ya da yakınından geçtiğinde, o atomun elektronları,alfa parçacığının hareketini hiç etkilemeden tüm yönlerde dağılırAlfa parçacıklarının çoğu sanki boş uzayda gidiyormuş gibi metal yapraktan geçip gidiyordu Bazıları da sanki bir duvara çarpıp yansıyormuş gibi gerisin geriye geliyordu Geiger, bazı alfa parçacıklarının geriye doğru da saçıldığını vurgulayarak Rutherford’a bilgi verdi(1909) Rutherford, 1911’in başlarında sorunu çözdü ve öğrencilerine “atomun neye benzediğini biliyorum ve güçlü geriye saçılmayı anladım” dedi


O yılın Mayıs ayında atomda çekirdek bulunduğunu bildiren makalesi yayımlandı Bu olayın üzerinde duran Rutherford şöyle yazdı: “ Bu olay şu ana kadar yaşamımda karşılaştığım en inanılmaz olaydır Bu olay, öyle ki 35 santimlik (15 inç kalınlığında) bir parça kağıt dokuya tabancayla ateş etmenizden sonra, merminin kağıt dokudan geri gelerek sizi vurmasına benzeyen inanılmaz bir olaydır”Üzümlü kek modeli temel alındığında, Rutherford deneyinde görülen büyük sapmaların olmaması gerekiyordu
Çünkü pozitif yüklü bir alfa parçacığının üzümlü kek modelindeki yük hacmine büyük açılı sapmalar yapacak kadar yaklaşması mümkün değildir Saçıcı metal yapraktan floresans(çinko sülfürlü) ekrana gelen alfa parçacıklarının birim yüzeye düşen sayısı, metal yaprağın kalınlığıyla, metal yaprakta birim hacimdeki atom sayısıyla ve atomdaki çekirdek yükünün karesiyle doğru orantılıdır Rutherford gözlemlerini pozitif yükün atomun boyutuna göre küçük olan bir bölgede yoğunlaştığını varsayarak açıkladı Rutherford pozitif yüklü bu yoğun bölgeye atomun çekirdeği adını verdi
Deneyler, pek çok çekirdeğin yaklaşık küresel geometriye sahip oldukları ve tüm çekirdeklerin yaklaşık aynı yoğunluğa sahip olduğunu gösterdi

Aristoteles, “doğa boşluktan nefret eder “ demişti, oysa atomlar çok büyük oranda boşluk içeriyordu Doğanın boşluktan nefret ettiği saptaması Aristo’nun hüsnü kuruntusuydu!


Thomson, kendi atom modelinde elektronların atomu dolduran pozitif yüklü madde içinde gömülü olduğunu ve bu nedenle hareket edeyeceğini düşünmüştü Rutherford modelinde ise elektronlar durgun olamaz Atomdaki elektronların çekirdekten epeyce uzakta olduğu varsayıldı Elektronlar niçin pozitif çekirdeğin üzerine düşmüyor sorusunu yanıtlamak için Rutherford, güneş sistemine benzeyen bir model önerdi Yani nasıl gezgenler,Güneş çevresinde dolanıp duruyor ve Güneş’in üzerine düşmüyorsa elektronlar da çekirdek çevresinde öyle dolanıp durmalıdırRutherford’un önerdiği atomun gezgen modelinde iki temel güçlük vardır:


Rutherford modeli şu iki soruyu yanıtlayamıyordu:1 Elektronlar, çekirdeki üzerine düşmeden nasıl hareket ediyor?Her element atomu,elektromanyetik spektrumda kendine özgü belli frekansları yaymakta ve bunların dışındakileri yaymamaktadır Bunun gezgen modeliyle ilgisi nedir? Klasik kurama göre ivmeli bir yükün yani elektronların elektromanyetik ışıma yapması zorunluluğudur Bu modele göre elektron çekirdek etrafında dolanırken enerji yayar,enerji yaydıkça yörüngesinin yarıçapı sürekli olarak küçülür,buna karşın dolanım frekansı büyür Bu da yayılan ışınım frekansının sürekli artışına karşılık gelir Sonunda elektron çekirdek üzerine düşmeli ve atom çökmelidir
Elektronlar elektrostatik çekim sonucu spiral bir hareketle çekirdeğe düşecektir(klasik fizik yasalarına göre) Oysa atomlar yadsınamaz kararlılıklarıyla ortadadır
2 Çekirdek boyutu on üzeri eksi ondört metre ve daha küçük boyutlarda olduğu halde pozitif yük, bu küçük ve yoğun hacimde nasıl dağılmadan durabiliyordu? Artı yükün doğası gizdi Rutherford’un öğrencileri Geiger ve Marsden, alfa kaynağını, üzerinde küçük bir delik bulunan kurşun perdenin arkasına yerleştirdiler Böylelikle hedefi küçültmek ve ince bir alfa parçacıkları demeti elde etmek amaçlanmıştı Altın yaprağın öbür yanına,kendisine alfa parçacığı çarptığı zaman görünür ışık parıltısı veren, hareketli, çinko sülfürlü ekran yerleştirilmişti Beklenen şey, alfa parçacıklarının çoğunun yaprak içinden doğrudan geçeceği, belki bazılarının çok küçük sapmalara uğrayacağıydı Bu beklenti Thomson atom modelinin sonucudur


Çünkü Thomson atom modeli doğruysa, ince metal levhadan geçen alfa parçacıkları üzerine yalnızca zayıf elektriksel kuvvetler etkir ve alfa paçacıklarının momentumları, bunların ilk yollarından çok küçük sapmalar olacak şekilde ilerlemelerini sağlarGeiger ve Marsden, alfa parçacıklarının çoğunun sapmadan ilerlediğini, bazılarınını çok geniş açılarda saçılıdığını, hatta çok az bir kısmının gerisin geriye döndüğünü gördüler Geliş doğrultusuyla 180 derece açı yapacak şekilde geri saçılan bu parçacıklar, direkt olarak bir çekirdeğe yönelir ve kafa kafaya çarpışma olurBu modelde pozitif yüklü alfa parçacıklarıyla atomdaki elektronların ilişkisi merak edilir Elektronlar pek küçük kütleli olduğu için alfa parçacıklanının hareketine bir etki yapamazAlfa parçacıkları, elektronlardan yaklaşık 7000 defa daha ağır kütleli parçacıklardı Üstelik bu deneyde kullanılan alfa parçacıklarının hız yüksekti Alfa parçacıklarını bu derece saptırabilmek için büyük kuvvetler uygulanması gerektiği açıktı Bu kuvvetlerin Thomson atom modelindeki elektriksel kuvvetlere göre 100 milyon kat güçlü olduğu hesaplanıyordu!Rutherford, sonuçları açıklamak için, bir atomun pozitif yüklü bir çekirdek ile biraz uzaktaki elektronlardan oluştuğunu önerdi Buna göre atomun pozitif yükü ve kütlesi atom çekirdeğinde toplanmıştı


Geiger ve Marsden’in deneyleri, daha sonraki benzer çalışmalar, hedefleri oluşturan değişik metallerin çekirdekleri hakkında bilgiler verdi Bir alfa parçacığının, bir çekirdek yakınından geçerken uğradığı sapma(karşılaştığı elektriksel alan), çekirdek yükünün büyüklüğüne bağlıdır Bu sapmalardan yanrarlanılarak çekirdek yükü ve çekirdek boyutu konusunda bilgiler elde edildi Rutherford, 19 Ekim 1937’de sessiz sedasız ölüverdi Bohr, ertesi gün öğretmeni ve arkadaşı olan Rutherford’un anısına yaptığı konuşmada şöyle dedi:


Vaktiyle Galileo’nun dediği gibi… o bilimi bulduğundan farklı bir aşamada bıraktı… Yokluğu herhalde şimdiye kadar yitirilmiş herhangi bir bilim işçisinden daha çok hissedilecek Lederman, Tanrı Parçacığı’nda(1994) onun işlevini şöyle özetler:“Klasik fizikle çelişen bir çok denel sonuçtan sonra gelen Rutherford’un keşfi tabutun son çivisiydi” Çekirdek kuvvetleri çok kısa mesafeli kuvvetlerdi Atom çekirdeğiyle ilgili kilometre taşı sayılan diğer olaylar şunlardır:


1 1930 yılında Cockroft ve Walton hızlandırılmış parçacıkların kullanılmasıyla çekirdek tepkimeleri gözlendi
2 1932 yılında Chadwick’in(1891-1974) nötronu buldu
3 1933 yılında, Joliot ve İrene Curie’nin yapay radyoaktifliği buldular
4 1938′de Hahn ve Strassman’ın çekirdek bölünmesini (çekirdek fisyonunu) keşfettiler
51942 yılında Fermi ve ekibi, kontrol edilebilen ilk fisyon reaktörünün geliştirdiler


ÇEKİRDEKLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ


Yalnızca hidrojen elementinde çekirdek deyince bir proton bulunan bir izotop durumu vardır Onun da döteryum izotopunda bir proton bir nötron, trityum denen izotopunda ise bir proton ve iki nötron bulunur Öteki tüm element atomlarının çekirdeklerinde proton ve nötron vardır Çekirdek tepkimelerini izleyebilmek ve anlatabilmek için atomun yapısından bildiğimiz bazı terimleri anımsamalıyız:
1 Z, atom numarasını, yani çekirdekteki proton sayısını gösterir
2 N, çekirdekteki nötron sayısını gösterir
3 A, çekirdekteki proton ve nötron sayıları toplamını, yani kütle numarasını gösterir
Yaygın olarak kullanılan simgelemede element simgesinin sol altına Z, sol üstüne A yazılır:




Rutherford’un atom modeli bir anda fazlasıyla kuramsal zorlukla getirdi Onun keşfi, Leon Lederman’ın deyişiyle bir bakıma “klasik fiziğin tabutuna çakılan son çivi” idi
Aslında negatif elektrik yüküne sahip olan ve çekirdeğin etrafında hızla dönen elektronların, çevrelerindeki uzaya elektromanyetik dalgalar yayan küçücük istasyonlar gibi davranmaları bekleniyordu Bu ışımanın hesaplanan dalga boyu,ışığın dalga boyuna uyuyordu ki bu da güven vericiydi Ama bir türlü açıklanamayan durum, elektronların bu yörüngelerde kalabilmesiydi Klasik kurama göre, elektromanyetik ışımanın,yörüngedeki elektronların enerjisini tüketmesi ve bunun sonucu olarak da elektronların daralan bir spiral hareketle 10-8 saniye içinde çekirdeğe düşmeleri gerekiyordu Böylece deneyler sonucu elde edilen Rutherford modeline göre atomlar saniyenin yüz milyonda biri kadar bir ömüre sahip olmalıydı Oysa bunların sınırsızca yaşadıklarını biliyoruz Atomların kararlılığını nasıl açıklayacağız? Bunu Rutherford ile çalışmaya gelen Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1963)1913’te açıkladı Bohr, atomların kararlılığını açıklamak için Planck’ın kuantum önerisiyle bağ kurmayı başardı


Hidrojen atomunun gözlenen kararlılığı, klasik fizik ilkeleriyle bağdaşmıyordu Çünkü klasik elektromanyetik kurama göre elektron bir spiral çizerek çok kısa bir zanman içinde(saniyenin milyarda biri kadar bir zaman içinde) çekirdek üzerine düşerdi Hidrojen atomunda elektronun yörüngesi kendi üzerine kapanmış bir tam elektron dalgasına karşılık gelir Tel bir halkanın titreşimini gözönüne alalımTitreşimler,oluşan dalga boylarının tam katları olsaydı bu titreşimler sonsuz olarak sürüp giderdi Eğer halka boyunca kesirli sayıda dalga boyu yerleştirilirse,dalgalar halka üzerinde hareket ederken yok edici girişim oluşacak ve titreşimler giderek sönecektir Hidrojen atomundaki elektron dalgalarının davranışını bir tel halkanın titreşimlerine benzetirsek şu varsayımı ileri sürebiliriz: yörüngesi bir tam sayı kadar dalga boyu içermek koşuluyla bir elektron, enerji ışımaksızın,bir çekirdek çevresinde sürekli olarak dolanabilir Bu varsayım, atomu anlamada anahtar rol oynar Çünkü bu varsayım, elektronun parçacık ve dalga özelliklerini tek bir ifadede birleştiriyor Elektronun dalga boyu, çekirdek ile elektron arasındaki elektrostatik çekimi dengelemek için gereken yörünge hızından hesaplanmıştır Bu karşıt özellikleri aynı anda hiçbir zaman gözleyemeyiz; ama bunlar doğada birbirinden ayrılmaz özelliklerdir


Cambridge’de JJ Thomson’un bir öğrencisi olan Niels Bohr, kendi memleketine, Kopenhag’a dönmeden önce, Manchester’da altı aydan az bir süre kaldı Ancak, kısa ziyaretine rağmen, Rutherford, genç Danimarka’lı üzerinde etkili oldu
Her atomun bir çekirdeği ve elektronları olduğu anlaşılmıştı Thomson, atomik hacmin pozitif elektrik yüküyle dolu olduğunu elektronların da bu pozitif yüklü ortamda gömülü, hareket edemez durumda bulunduğunu tasarlamıştı Rutherford’un modelindeki elektronlar ise durgun olamaz Bu elektronlar, kütlenin ve pozitif yükün yoğunlaştığı çekirdek tarafından çekilir Buna göre elektronları çeken elektrostatik kuvvete karşı onları yerinde tutacak hiçbir kuvvet yoktur Klasik fizik ( o zamana dek bilinen fizik yasalarına) açısından eletronlar ivmelendirilmiş elektrikle yüklü parçacıklar olarak ışıma yaparak saniyenin yüz milyonda biri kadar bir sürede(yol bu kadar) spiral bir hareketle çekirdek üzerine düşmeledirDoğrudan denendiği başka olgularda başarılı olan elektromanyetik kuram, bu öngörüde başarılı olamadı Çünkü çekirdekli atımunu yaşadığı bir gerçekti Bu çelişki şu anlama geliyor: Makroskopik dünyada geçerli olan fizik yasaları, atomal boyutta, yani mikroskopik dünyada geçerli olmamaktadır İncelenen olayın ölçeği küçüldükçe klasik fizğin geçerliliği de azalıyor ve atom anlaşılmak istenirse kenislikle dalgaların parçacık gibi, parçacıkların da dalgalar gibi davrandığını dikkate almalıyız Günlük yaşantımızdan edinilenn kavramlarla kuantum kuramının kavramları arasında hiç bir bağlantı yok ne yazık ki! Işığı ve elektronu, “hem dalga, hem parçacık” gibi, yani bu ikili tabiatta kavramaktan başka bir seçeneğimizin olmadığını anımsatmalıyım Yine ileri gittik galiba Daha ileri gideceğiz de gitmeden önce genç Danimarkalı’nın- o zaman henüz 23 yaşındaydı-Bohr’ un 1913′te ortaya koyduğu kuramın temellerini ve kendisini bir araştıralım


Niels Bohr, zamanındaki çağdaş bulguları birleştiren bir kuram üretti Onun önünde biriken denel sonuçlar ve kendi buluşları şöylece özetlenebilir:


1 Rutherford’un 1911′de varlığını kanıtladığı çok yoğun, çok küçük hacimde istiflenmiş, pozitif yüklü atom çekirdeği; bu çekirdek çevresinde dolanan elektronlar


2 Gaz halindeki atomların verdiği çizgisel tayf ve tayf çizgileriyle ilgili daha önce bulunmuş yasalar


3 Her elementin, insanlardaki parmak izi gibi, kendine özgü x-ışınları tayfı oluşturması (Bohr, hidrojen atomunun tayfını ayrıntılı olarak incelemişti)
4 Bütün bunları birbirine bağlamayı olanaklı kılan, Planck’ın 1900′de açıkladığı kuantum kuramı ve Einstein’in 1905’teki foton kavramı(fotoelektrik olayın açıklaması)
Sürekli enerji kaybeden klasik elektron probleminden kurtulmak için Planck’ın kuantumlu enerji düzeyleri düşüncesini yörüngede dolanan elektronlara uyguladı Bohr, atomdaki elektronların kararlı durumlar denen ve elektronlar oradayken ışıma yapmadığı,kararlı enerji düzeylerinde bulunduğunu öngördü Daha da ileri giderek elektronların bir kararlı durumdan başka bir kararlı duruma geçmesi halinde yayınlanan ışığın frekansını ifade etmek için de Einstein’in foton kavramını kullandıBohr kuramının önermeleri şunlardır:


1 Elektron, protonun etrafında Coulomb çekim kuvvetinin etkisi altında, dairesel bir yörüngede hareket eder



2 Hareket, ancak sonlu (kesikli) adımlarla değişime uğrar Yalnızca belirli yörüngeler kararlıdır Bu kararlı yörüngeler,elektronun ışıma yapmadığı yörüngelerdir
3 Elektron yüksek enerjili bir durumdan daha alçak kararlı bir duruma “düştüğünde”, atomdan ışık yayınlanır Bu düşme, klasik olarak gösterilemez ya da ele alınamaz Özellikle sıçramada yayınlanan fotonun frekansı, elektronun yörüngesel hareketinin frekansından bağımsızdır
4 Elektron yörüngesinin izin verilen büyüklüğü, elektronun yörüngesel açısal momentumuna dayanan ek bir kuantum koşulu ile belirlenir Elektronların açısal momentumu yalnızca h/2π ‘nin tam katı değerleri alabilir
Bohr, atomik yapı konusunda, yaratıcı cesaretli bir adım attı: klasik fiziğin bazı kurallarını bıraktı ve onun yerine atomik yapı problemine Planck’ın ve Einstein’in kuantum kuramını uyguladı Bohr, basitçe, çekirdek etrafındaki kararlı yörüngelerdeki elektronların ışık yaymadıklarını ve atomların yaydığı ışığın bir başka fiziksel yapının sonucu olduğunu varsaydı Bohr, Planck’ın enerjinin kuantlaşması fikrinin, elekronlar için ancak belli yörügelerin mümkün olduğu anlamına geldiğini gösterdi Atomların kararlılığını korumak için Bohr, yörüngedeki elektronun onun altına düşemeyeceği en düşük enerjili yörünge konusunda bir önermede bulundu Bir elektron daha yüksek enerjili bir yörüngeden,daha düşük enerjili yörüngeye düşerken, atom ışık yayar Yalnızca belli elektron yörüngelerine izin verildiği için,elektronların yörüngeler arasında yalnız belli sıçramalar olabilir ve sonuç olarak,yayılan ışığın enerjisi kuantlaşır Işığın enerjisi rengi ile bağlantılı olduğu için,atomlar tarafından ancak belli renklerde ışık yayılabilir Bu şekilde Bohr’un atom modeli, tayf çizgilerinin gizemini açıklamaktadır Bohr yeni fikirlerini, tek bir protonla onun çevresinde yörüngede tek bir elektronu olan en basit atoma, hidrojene uyguladı Böyle basit bir atom incelemenin avantajı,elektronun izin verilen yörüngelerinin kesin olarak hesaplanabilir olması ve bu nedenle de hidrojenden çıkan ışık tayfının belirlenebilmesidir Ayrıca hidrojen atomunun spektrum içzgileri konusunda elde bazı bilgiler vardı Bohr’un kendi atom modeline dayanan hidrojen ışık tayfı ile ilgili hesapları, deneysel olarak gözlemlenmiş olan tayfa yeterince uygun sonuç verdi Deneysel destek , kuramı,bir başarı destanına dönüştürdü Einstein 1913’te bunu “en büyük buluşlardan biri” diye niteledi Bohr’un 1913’teki atılımını, Einstein, otuz yıl sonra Özyaşam Öyküsü Notları’nda şöyle değerlendirmişti:
“Bütün girişimlerim… tümüyle başarısız kaldı Toprak insanın altından kayıyormuş gibiydi,hiçbir yerde üzerine bir şeyler kurulabilecek sağlam bir temel yokmuş gibi görünüyordu Bu güvenilmez ve tutarsız zemin, Bohr gibi eşsiz yetenekli ve duyarlı bir adamın,spektral çizgileri ve bana bir mucize gibi görünen- bugün bile mucize gibi geliyor-onların kimya için anlamlarıyla birlikte atomların elektron zarflarının(kabuklarının) o çok önemli yasalarını bulmaya güç yetirebilmesine yetti Bu, düşünce dünyasındaki müzikalitenin en üstün biçimidir”
Atomda Enerji Düzeyleri
James Franck(1882-1964) ve Gustav Hertz(1887-1975) deneyleri atomun temel durumda ve sıçramalı enerji düzeylerinde bulunduğunu kanıtlamakta gecikmedi
Atom spektrumları, atom içinde ayrık enerji düzeylerinin varlığının kantıydı; ama tek kanıtı değil Atomik dünyada kesikli durum dizilerinin varlığının en kestirme ispatlarından birisi 1914’te James Franck ve Gustav Hertz,’in yaptığı uyarılma deneyleridir Franck ve Hertz, farklı elementlerin buharlarını elektronlarla bombardıman ederek, atomlarda belirli durum değişikliklerinin, ancak bombardıman eden elektronların belli enerji değerlerine ulaştıkları zaman gerçekleştiğini gözlediler Bir atom, bir elektrondan çok daha ağır olduğundan, bu süreçte elektron hemen hemen hiç kinetik enerji kaybetmez Öte yandan, elektronların enerjisi belirli bir kritik değere ulaşınca, plaka akımı birdenbire düşer Bu olayın yorumu şudur: atomlardan birisiyle çarpışan bir elektron, kinetik enerjisinin bir kısmını veya tamamını,bir atomun temel düzeyinden yukarıdaki bir enerji düzeyine uyarmak için verebilir Kritik elektron enerjisi,atomun uyarılma enerjisine karşılık gelir Franck-Hertz deneyleri, Bohr’un kendi hidrojen atomu kuramının açıklanmasından hemen sonra yapılmıştı ve Bohr’un temel fikirlerine bağımsız destek sağlamışlardır Bu çalışmaları için Frank ve Hertz 1925 Nobel fizik ödülünü paylaştılar
Bohr Kuramının Sorunları
Bohr, elektronların her enerjiyi değil, belirli enerjileri alabildiğini benimseyerek yeni atom kuramını geliştirmişti Ancak Bohr kuramı , çok elektronlu atomların karmaşık tayf çizgilerini açıklayamıyordu Kuramsal fizikçiler, Bohr’un fikirlerini aldılar ve daha karmaşık atomlara uyguladılar Ancak, her büyük bilimsel ilerleme gibi, Bohr’un modeli pek çok yeni soruya-daha önce sorulamayan sorulara- yol açtı Bir elektron ne zaman yörüngesini değiştirip atomdan ışık yayılmasına yol açar? Yayılan ışık hangi doğrultuda ilerler ve neden? Bu sorular, Einstein’ı zorladı Klasik fiziğe göre, hareketin yasaları atom gibi bir fiziksel sistemin gelecekteki davranışını kesin olarak belirler Fakat ışık yayan atomlar ani ve önceden belirlenmemiş şekilde hareket ediyor görünüyorlardı Atomlar sıçrıyor Fakat neden ve hangi yönde? Einsitein, aynı aniliğin radyoaktivitenin de özelliği olduğunu kavradı Başlangıçta fizikçiler, atomların davranışını klasık elektromanyetizm teorisi çerçevesine uydurmaya çalıştılar ve ışık kuantumu kavramını kullanmadan kuantum sıçramaları bilmecesini yanıtlamak için umutsuz girişimlerde bulundular Kuantum kuramının anlaşılması doğrultusunda ilk ve pek ilgi çekici adım 1924′te Niels Bohr, Hendrik Kramers ve John Slater tarafından atıldı;onlar,atom düzeyinde enerji ve momentumun korunumu yasalarını terketme pahasına bu yaklaşımı savunan bir yazı yazdılar- bu devrimci bir öneriydi Onlar görünürdeki çelişkiyi “olasılık dalgaları” kavramını ortaya atarak çözmeyi denidiler Buna göre elektromanyetik dalgalar artık gerçek dalgalar olarak değil, olasılık dalgaları olarak yorumlanacaktı Bu dalgaların yoğunluğu her noktada belirlenebilecekti Bu yorum şekli,enerji ve hareket miktarının korunumu ile ilgili yasaların da bazı durumlarda geçerli olmayabileceğini,bunların da istatistiksel olabileceği düşünücesine götürdü( Bu sonuç doğru değildi)Çünkü bu yasalar en iyi test edilmiş fizik yasalar arasında bunuyorlardı Bu önerinin yapıldığı zamanda, korunum (sakınım ) yasalarını tek tek atomik süreçler için geçerli olduğunu gösteren hiçbir doğrudan deneysel kanıt olmamıştı Ancak bu kısa sürede gerçekleşti1922-23’te Arthur Holi Compton(1892-1962) ve A W Simon elektronlardan tek tek fotonlar, ışık parçacıkları saçılmasını sağladılar Tek tek elektronların izlerini görüntüleyen bir cihaz olan Wilson Sis Odası’nı kullanarak, yüksek duyarlık derecesi ile tek tek atomik süreçler için korunum yasalarını doğruladılar 1920’lerin ilk yarısında yapılan bu deneyler, ayrıca Einstein’ın 1905 yılındaki ışık kuantumu önerisini destekledi Rutherford ve Compton’unkiler gibi çok sayıda yeni atomik deneyle atomun yapısı açığa çıkarılmıştı Bu deneyler, teorik fizikçileri yeni ve bilinmeyen bir dünyaya geçmeye zorladı;alışılmış olar klasik fiziğin yasaları artık işlemiyor görünüyordu Atomda insan zihni yeni bir mesajı almıştı-atomik mikrodünyanın yapısında yeni bir fizik açığa çıktı Yüzyıllarca deney ve fiziksel teorilerle desteklenen determinizmin dünya görüşü yıkılmak üzereydi Bohr, Compton ve Simon’un deneylerinin sonuçlarının, hem korunum yasalarını doğruluğu, hem de ışık kuantumu veya fotonun varlığı anlamına geldiğini kabul etti Temmuz 1925′te sonucu şöyle özetledi: “Klasik elektrodinamik teorinin gerekli genelleşmesinin, doğanın tanımını bu güne kadar üzerine kurulmuş olduğu kavramlarda köklü bir devrimi gerektirdiği gerçeğine hazır olunmalıdır” Bohr bu devrime hazırdı Bu, kısa sürede gerçekleşti İzotoplar
Dalton, verilen bir elementin her atomunun kütle, büyüklük, kimyasal özellik gibi her bakımdan aynı olduklarını öne sürmüştü 1914-1916 arasında birbirlerinden bağımsız olarak Amerikalı Thedore William Richards(1868-1928, Kimya 1914 Nobel) ve İngiliz Frederic Soddy(1877-1956,Nobel Kimya 1921) radyoaktif maddelerden elde edilen kurşun elementi örneklerini incelerken,bunların ortalama atom kütlelerinin filizlerinden elde edilen kurşunun atom kütlesine uymadığını görerek titiz denemelerden sonra şu sonuca vardılar: Bir elementin bütün atomları aynı kütlede olmayabilir Bir elementin farklı kütleli atomlarına izotop atomlar denir İzotop atomlarda atom numarası(Z) aynıdır;kütle numarası (A) farklıdır İzotop atomların kimyasal özellikleri aynıdır Bu kütle farkının nötron sayısı farkından ileri geldiği daha sonra anlaşılacaktır
Kütlenin yoğunlaşmış bir enerji olduğu görüşü 1927′ de denel olarak da destek buldu Aston, kütle spektrometresi denen bir aygıtı geliştirmişti Bu aygıt atom kütlelerinin çok duyarlı olarak ölçülmesini sağladı Yine bu aygıt yoluyla, özellikle nükleer tepkimelerde bir kısım kütlenin enerjiye dönüştüğü ve bu dönüşümün Einstein’ in ünlü denklemine (enerji= kütlex ışık hızının karesi) uyduğu kanıtlandı
“Modern” Atom Kuramı, 1925-1930
Burada anlatacaklarım, atomun giderek modellenmekten uzaklaştığını gösterecek Bilimin sağ duyuya dayanmayan, akıl yürütmenin değil de matematiksel akıl yürütmenin sonucunda oluştuğunu şaşarak göreceğiz
Bir elektrik alan, bir atomun spektrum çizgilerini, değişik frekanslarda, birkaç çizgiye daha ayırır(Stark Olayı) Bu durum spin olayı kavranmadan açıklanamaz
Atomların ışıması bir manyetik alan içinde incelendiği zaman oluşan tayf çizgilerinin herbirinin bir kaç çizgiye ayırılması olayına “yarılma” denir Çizgilerin ayrıklığı manyetik alanın şiddetine bağlıdır Bir manyetik alanda tayf çizgilerinin yarılması olayını 1896’da Hollandalı fizikçi Pieter Zeeman (1865-1943) keşfetti Zeeman olayı, uzay kuantumlanmasının –atomlardaki orbitallerin varlığının- etkili bir kanıtıdır

Bohr kuramı, hidrojen atomunun ve atomların çizgisel spektrumunun başarıla bir açıklamasını vermiştir Ama bu kuramın önemli yetersizlikleri de vardı Bohr,başlıca şu iki soruya yanıt verememiştir:
1 Çok elektronlu atomların spektrum çizgilerinde dalga boyu birbirine yakın çizgilerin anlamı nedir?
2 Belirli spektrumçizgilerinin ötekilerden daha şiddetli olmasını nasıl açıklayabiliriz? Yani enerji düzeyleri arasındaki belli bazı geçişlerin daha yüksek olasılıklara sahip olmasını nasıl açıklayacağız?
Bu ve başka soruların yanıtları 1925-27’lerde Erwin Schrödinger,Werner Heisenberg ve başkaları tarafından verildi 1900-1925 arasındaki dönemin anlayışına “eski kuantum kuramı”, sonraki dönem ise Yeni Kuantum Kuramı diye anılır Modern atom kuramı, tümüyle kuantum kuramı temelinde yükseliyor Artık modellenemeyen bir “matematiksel” betimlemenin içinde düşünmemiz gerek Bu kuram, öncelikle çekirdek çevresindeki elektron “davranışı”nı belirler
1Parçacıkların Dalga Özelliğine Sahip Olması(Louis de Broglie,1924)
2 Schrödinger Dalga Denklemi ve Parçacıkların Bulunma Olasılıkları(Schrödinger,1926)
3 Belirsizlik İlkesi(Heisenberg,1927)
Bu temellere Kuantum Kuramı Bölümünde ayrıntılı olarak değinildiği için burada özet bilgiler verilecektir
Elektron,Hem Parçacık-Hem Dalga
Elektron, bulunduğu zaman tümüyle bir parçacık olarak kavranmıştı Ama sonraları, onun aynı zamanda bir dalga özelliği taşıdığı anlaşıldı Elektron nedir? Parçacık mı? Evet Dalga mı? O da evet!
Elektron Nerede Bulunur?
Schrödinger, 1926 yaz aylarında dalga denklemi türetti Dalga denklemine göre,örneğin, hidrojen atomunda elektronun konumu kuantize değildir, bu bakımdan,elektronun çekirdek civarında,birim hacim başına belli bir bulunma olasılığını düşünmemiz gerekir Fakat öngörülebilen hiçbir konum, hatta klasik anlamda yörünge sözkonusu değildir Kuantum mekaniğinin,aralarında ilişkiler bulduğu nicelikler olasılıklardır Örneğin temel durumdaki hidrojen atomunda elektron yörüngesinin yarı çapı tam 53×10-11 metre diyecek yerde bunun en olasıklı yarıçap olduğunu söyleriz Eğer bir çok deney yaparsak farklı değerler elde ederiz;ama bu değerler içinde en çok verilen nicelik elde edilir
Peki çekirdek çevresindeki elektronların bulunma olasılığı yüksek olan uzay parçalarını biliyor muyuz? Evet Onlara orbital diyoruz Orbitaller s,p,d ve f harfleriyle simgeleniyor
Orbital(uzayzaman), matematiksel bir fonksiyon olmakla birlikte, ona fiziksel anlam vermeyi deneyebiliriz: Eleketronu tanecik olarak düşünürsek orbital, atom içerisinde elektronun bulunma olasılığı yüksek bir bölgeyi simgeler Elektronu bir maddesel dalga olarak düşünürsek orbital, elektron yük yoğunluğu yüksek olan bölgeyi gösterir Elektron “tanecik” olarak kabul edildiğinde,elektronun belirli noktalarda bulunma olasılığından ;elektron “dalga” olarak kabul edildiğinde ise, elektron yük yoğunluğundan söz ederiz
Yani elektronun konumu kuantize değildir,bu bakımdan,elektronun çekirdek çevresinde,birim hacimdeki bulunma olasılığını(dalga genliğinin karesini, yani dalga şiddetini) düşünmemiz gerekiyor
Eskiden gözlemci(deneyci) ile üzerinde çalışılan nesne birbirinden bağımsız sanılırdı Oysa gerçekte gözlemci,deney araçları ve nesne üçü bir bütün,bir fiziksel dizge oluşturur Böyle olduğu içindir ki elektronun konumunu duyar olarak belirtmek istersek farklı deney,momentumunu duyar olarak belirtmek istersek farklı deney düzenlememiz gerekir Radyoaktif bir madde örneğinde bir yarıömürlük zaman dilimi sonunda hangi çekirdeklerin bozunup hangi çekirdeklerin bozunmayacağını ve bunun nedenini bilemeyiz
Elektronun yerini belirleme konusunda yüzdeler veriyoruz Elektron yüzde 90 olasılıkla şu atomik uzayda bulunabilir diye hesaplarımızın sonucunu veriyoruz Bu olasılık, her ne kadar uzaya dağılmış ise de elektronun kendisi dağılmış demek değildir
Belirsizlik İlkesi
Elektronun yerini ve hızını aynı anda belirlemede sorun var mı? Var Kuantum mekaniği, atom dünyasının gözlenebilir (ölçülebilir) büyüklükleriyle ilgilenir Ama belirsizlik ilkesi, atom boyutu için “gözlenebilir büyüklük” kavramında köklü bir değişiklik yapmıştır Newton mekaniğinde bir nesnenin konumu ve momentumu her zaman kesin ölçülebilir değerlerdir Belirsizlik ilkesi ise aynı anda bunları duyarlı olarak ölçemeyeceğimizi bildirir
Elektronun atom içindeki yerini ışık kıllanarak belirleyebiliriz Belli dalga boyu olan bir ışıkla aydınlattığımız zaman, o dalga boyundan daha küçük ayrıntıları seçemeyiz
Elektronun yerini “görmek” istediğimizde “gördüğümüz yer” ,onun gerçek yeri değil de “fotonla itildiği yer” olacaktır Burada kullanılan ışığın dalga boyu düzeyinde bir belirsizlik vardır Bu belirsizlik, hiçbir zaman sıfıra indirilemeyecektir
Benzer sorun elektronun hızını ve ona bağlı olan momentumunu belirlemede de karşımıza çıkıyor
Uzatmayayım Elektronun yerini ve momentumunu aynı anda tam bir kesinlikle belirleyemeyiz Tam bir kesinlikle bilemediğimiz çok şey var Bunları sorun etmeyin Çünkü en yetkin bilim adamları bile bunları kesinlikle bilmiyor! Bu da belki daha alçakgönüllü olmamız için gerekli bilgiler
Elektron Spini
Atom kuramı,spektral çizgilerde görülen ve önceden tahmin edilenden daha fazla bileşene ayrılmayı,spin kavramına başvurmadan açıklayamaz Ayrıca spinsiz kuram, atomun birçok spektral çizgisinin gerçekte birbirine çok yakın iki çizgiden oluşmasının da açıklamasını yapamaz
Stern-Gerlach Deneyi
Otto Stern(1888-1969) ve Walter Gerlach’ın(1889-1979) ,1921’de ilk kez uzay kuantumlanması olayını gösteren bir deney yaptılar Stern – Gerlach Deneyi diye anılan bu deneyin sonuçları o zamanlarda varolan kuram ile nicel olarak uyuşmuyordu Gümüş atomlarından oluşan bir demet, homojen olmayan bir manyetik alan içinden geçirildikten sonra iki bileşene ayrılıyordu Deney, başka element atomlarıyla gerçekleştirildiğinde her durumda demetin iki veya daha çok bileşene ayrıldığı görüldü 1925 yılında Samuel Goudsmit(1902-1978) ve George Uhlenbeck(1900-1988) elektronun yörüngesel açısal momentumundan başka özünde varolan bir içsel açısal momentuma daha sahip olduğu önerisini getirdiler Klasik bakış açısıyla bu,elektronun kendi ekseni etrafındae dönmesinden ilerie gelir ve bu nedenle bu açısal momentuma elktron spini denir Elektronun spin açısal momentumu, hiç değişmez 1927 yılında Phipps ve Taylor gümüş atomu demeti yerine hidrojen atomu demeti kullanarak Stern-Gerlach Deneyini yinelediler Demet yine ikiye ayrılıyordu 1929 yılında Dirac, toplam enerjinin göreli biçimini kullanarak bir potansiyel kuyusundaki elektron için göreli dalga denklemini çözdü ve elektron spininin varlığını ve oluşumunu doğruladı
Pauli Dışarlama İlkesi
Atomun kuantum karamına göre yapısını anlatırken bir atomik orbitalin ancak zıt spinli iki elektron barındırabileceğini belirtmiştik Her bireysel kuantik durumda, yani her atomik orbitalde, yöndeş spinli iki elektron bulunmaz;ancak zıt spinli iki elektron bulunabilir Buna Pauli Dışırlama İlkesi diyoruz İki elektronun özdeş olmamasını sağlayan ya da birbirini dışarlayan şey spin durumudur İki elektrondan biri bir kuantum durumuna yerleşmişse,bir başkası o durumu paylaşamıyor ve kendine başka “yer” aramak zorunda kalıyor Burada bir kuantum durumunun enerji, yörüngesel açısal momentum ve bunun bir yöndeki bileşeni, spinin aynı yöndeki bileşeni gibi niceliklerle belirlendiğini söyleyelim Dışarlama ilkesini 1925’te Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli (1900-1958) bir varsayım olarak ileri sürdü Bu varsayımın kuantum kuramı açısından çözümlemesini 1926’da Enrico Fermi(1901-1954) ve Paul Dirac (1902-1984) gerçekleştirdi
Bir enerji düzeyine yerleştirilecek elektronların sayısı Pauli Dışarlama İlkesiyle belirlenir Bu ilkeye göre aynı atomik orbitale(uzayzamana) ancak zıt spinli iki elektron yerleşebilir Spin olayı, çok ilginç, klasik nesnelerde bulunmayan bir kuantum niceliğidir Feynman,Kuantum Elektrodinamiği’nde bu konuda şöyle der:“Elektronlar, birbirlerinden vebalı gibi kaçarlar;aynı spinli (kutuplanmalı) iki elektron aynı uzayzaman noktasında bulunamaz Buna “Pauli dışarlama ilkesi” denir Bu durum evrendeki atomların büyük çeşitliliğine yol açar Bu dışarlama ilkesinin, atomların çeşit çeşit kimyasal özelliklerinin özü olduğu anlaşılmıştır Çevresinde dans edip duran bir elektronla foton alışverişi yapan bir protona hidrojen atomu denir Zıt kutuplanmalı iki elektronla foton alışverişi yapan,aynı çekirdekteki iki protona da helyum atomu denir Görüyorsunuz ki kimyacıların karmaşık bir sayma yolu var: “bir, iki, üç, dört, beş proton” demek yerine “hidrojen, helyum, lityum, berilyum, bor” derler”
Pauli Dışırlama İlkesi, elektronların (ve kendisine bağlı öteki parçacıkların) çok garip bir özelliğini de anlatır Gerçekten günümüzde, özdeş iki parçacığın bir ve aynı duruma girmek yolunda birbirlerini karşılıklı olarak nasıl engelleyebildiklerini anlatmak neredeyse olanaksızdır Klasik fiziğinkilerden büsbütün farklı ve fiziksel yapısı henüz kavranılamayan bir çeşit etkileşim (telepati) var ortada Dışarlama ilkesinin fiziksel kökeni konusunda bize bir fikir verebilmek gelecekteki kuramsal fiziğin çok önemli ve üstelik de çok çetin bir görevi olacaktır
Elektron, Çekirdek Üzerine Neden Düşmüyor?
Hidrojen atomunda bir elektron var Dolaysıyla onun Pauli Dışarlama İlkesiyle ilgisi yok O halde elektronun çekirdek üzerine düşmeyişini nasıl açıklarız? Bunun yanıtı da Heisenberg belirsizlik ilkesinde yatıyor Çekirdek artı yüklü protondan ibaret, eksi yüklü elektronu kendine doğru çekiyor; ama elektronun hapsedileceği “yer” küçüldükçe, Belirsizlik İlkesi yüzünden “hızı” ve kinetik enerjisi artıyor Elektrostatik çekim ve Belirsizlik ilkesinin sağladığı denge, elektronu çekirdek çevresinde belli bir uzayda tutuyor!
Sonuç
Feynman diyor ki:
Atomların hepsinin aynı genel yapıda olduğu görülüyor Bir çekirdekleri ve bu çekirdek çevresinde elektronları bulunuyor Yalnızca hidrojen elementinin bazı atomlarında nötron yok; öteki hidrojen çekirdekleri, yalnızca protondan ibaret Hidrojen dışındaki atomların çekirdeğinde protonlar ve nötronlar bulunur Yıldızları görüyoruz, atomları görüyoruz ve bunlar ışık yayıyor Işık, foton denen enerji paketçikleriyle tanımlanıyor Yerçekimine gelince, eğer kuantum kuramı doğruysa, kütleçekiminin de parçacık gibi davranan bir tür dalga olması gerekir Bu parçacıklara graviton diyoruz
Bir de beta bozunması olayı var: Burada bir nötron, bir proton ile bir elektron ve bir nötrinoya (daha doğrusu anti-nötrinoya, çünkü nötrino denen başka bir parçacık da var) ayrışıyor Bildiğimizi varsaydığımız parçacıkların bir listesini çıkaralım:
Elektronlar, fotonlar, gravitonlar, nötrinolar; nötronlar, protonlar ve bunların her birinin anti-parçacıkları var
“Bilebildiğimiz kadarıyla, evrenin her yerinde gerçekleşen düşük enerjili olaylar, yani bütün normal olgular, sıraladığım bu parçacıklarla açıklanabiliyor Orada burada yüksek enerji parçacıklarının yol açtığı bazı istisnalar var, laboratuvarda da bazı “garip” şeyler yapmayı başardık Bu özel durumları saymazsak, bildiğimiz bütün olaylar bu parçacıkların etkileri ve hareketleri ile açıklanabilir Örneğin, hayatın kendisinin atomların hareketleri ile açıklanabildiği, ilke olarak varsayılır; bu atomlar da nötron, proton ve elektronlardan oluşmuştur Hemen şunu eklemem gerekir ki “ilke olarak ” dediğim zaman kastettiğim şudur: herşeyi anlayabilirsek, hayat olgusunu da anlamamız için fizikte keşfetmemiz gereken yeni bir şeye gerekisinim olmadığı kanısındayız Bir başka örnek de yıldızların enerji yaymasının (yıldız veya Güneş enerjisi) parçacıkların nükleer reaksiyonları yoluyla açıklanabileceği varsayımıdır
Bugün bilebildiğimiz kadarıyla, atomların davranma biçimleriyle iligili her türlü ayrıntı bu atom modeliyle kesin bir şekilde açıklanabilmektedir Hatta şunu söyleyebilirim: Bugün bildiğimiz bütün olgular arasında, bu yolla açıklanamayacağından emin olduğumuz veya derin bir sır içeren hiçbir olay olmadığını sanıyorum
Kaynakça
1Beiser, Arthur; Çağdaş Fiziğin Kavramları,Diyarbakır ,2Baskı- 1989
2Bernstein, Jeremy; Einstein,Çev: Nazan Hekim Tuğbay, Nar yay-1994
3Bronowski,J; İnsanın Yücelişi, Çeviren: Filiz Ofluoğlu, Milliyet Yayınları-Aralık 1975
4De Broglie, Louis; Yeni Fizik Kuantumları (1937), Çev: Yakup Şahan, Kabalcı yayı-1992
5Einstein, Albert &Infeld,Leopold; Fiziğin Evrimi(1938), Çeviren: Öner Ünalan, Onur yayınları,Üçüncü Baskı,Kasım-1994
6 Feynman, Richard P; Kuantum Elektrodinamiği (1985), Çeviren: Ömür Akyüz, Nar yayınları,Ekim -1993
7Feynman,Richard P; Altı Kolay Parça Feynman, Çeviren:Tolga Birkandan &Celal Kapkın, Evrim Yayınları,(Ocak-2002)
7Gamow, George; 1-2-3 Sonsuz (1946/1961), EvrimYayınları, Çeviren: Celal Kapkın ,Ağustos-1995
8Gamow,George, Bay Tomkinsin Serüvenleri (1940/1965), Çeviren: Tuncay İncesu, Evrim Yayınları-1998
9Gjertsen,Derek; Bilim ve Felsefe- Dün-Bugün(1989);Çeviren: Feride Kurtulmuş,Say yayınları-2000
10Gönenç,Güney; Hep Aranızda Olacağım, Sarmal Yayınevi ,Şubat- 1994
11Heisenberg,Werner; Fizik ve Felsefe (1963),Çev:MYılmaz Öner, Mayıs-1993
12Hoffman, Banes; Einstein- Yaratıcı ve Başkaldıran, Çeviri: Celal Kapkın, Evrim Yayınları-1995
13Infeld, Leopold; Albert Einstein,Çeviren: Cemal Yıldırım, Bilgi Yayınevi(1999)
14Kuhn,Thomas; Asal Gerilim (1977), Çev: Yakup Şahan, Kabalcı ya (1994)
15Lederman, Leon; Tanrı Parçacığı(1993) Çev:DrEmre Kapkın Evrim Bilim dizisi 22(2001)
16 Marshall,Ian-Zohar,Danah; Kim Korkar Schrödinger’in Kedisinden-A’dan Z’ye Yeni Bilimin Klavuzu,Çeviren: Orhan Düz-Gelenek Yayıncılık-2002
17Pagels,Heinz R; Kozmik Kod:Doğanın Dili/Kuantum Fiziği (1981), Çeviren: Nezihe Bahar, Sarmal Yayınları-Ekim 1993
18Petrucci ve Harwood, Genel Kimya, Çeviri editörü: Tahsin Uyar, Palme yayı,Ankara 1994, s: 294-295)
19 Saçlıoğlu, Cihan;Felsefenin Kuantum Mekaniksel Temelleri, TÜBİTAK-BTD( Ekim 2000)
20Serway,Raymond A;Fen ve Mühendislik İçin Fizik (1990),Çev: Kemal Çolakoğlu Editörlüğünde, Palme Yayıncılık(1995)
21Tez, Zeki ;KimyaTarihi,V Yayınları -Kasım 1986
22Weinberg, Steven; Atomaltı Parçacıklar(1990),Çeviren: Zekeriya Aydın,TÜBİTAK Yayınları(2002)
23 Yıldırım,Cemal; Bilimin Öncüleri,TÜBİTAK Yayınları-Mart 1995

Bilindiği gibi atomlarda bir çekirdek bulunduğunu 1911′de Rutherford ve öğrencileri Geiger ile Marsden, alfa parçacıklarının saçılması deneyi ile göstermişlerdiFakat çekirdek kimyasının ve fiziğinin doğuşu 1896 yılına dek geri götürülebilir Çünkü bu yıl,Becquerel’in uranyum bileşiklerindeki radyoaktiviteyi keşfettiği yıldır Radyoaktifliğin keşfinden sonra, rayoaktif maddelerden yalılan ışımalar üzerine çeşitli araştırmalar yapılmış ve Rutherford bu çalışmaları birleştirerek yayınlanan ışımalar alfa, beta ve gamma olarak adlandırılmıştır Bu ışımalar, elektrik yüklerine, maddelerdeki giriciliklerine ve havayı iyonlaştırıp iyonlaştırmamalarına göre sınıflandırılmışlardır Sonradan yapılan çalışmalar alfa ışınlarının helyum çekirdekleri, beta ışınlarının elektron ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları göstermiştir





1911 yılının iki büyük olayı var: Atom fiziğinin kurucularının ilk toplantısı Solvay Konferansının yapılması Bu toplantıda tarihin en büyük kadınlarından biri de vardı: Marie Curie Fotoğrafta ön sırada, soldan ikinci (oturan) Rutherford

“Üzümlü kek” içinde ne olduğunu anlamının yolu onun içine “bakmak”tır Bu işi, Yeni Zelandalı bilimci Ernest Rutherford (1871-1937) başardı O, JJ Thomson’un yönettiği ünlü Cavendish Laboratuvarına alınan ilk yabancı araştırma öğrencisiydi Patronunun tersine el becerisi yüksek bir deneyciydi Ayıbalığı şekilndeki bıyıkları,iri yapısı ve küfürbazlığıyla ün saldı Bir deneye küfretmenin onu daha iyi sonuç vereceğine inanmış olsa gerek! Yeni Zelanda’dan 1895’te geldi Mesleki başarılarda (hatta evlenmemizde) şans önemli bir yer tutar O şanslıydı Bu başarıda doktora öğrencisi Hans Wilhelm Geiger (1882-1945)ve mezun olmamış bir tufeyli Sir Ernest Marsden(1888-1970) yardım etti Onlar, bir deney düzenlediler 1911′de Manchester Üniversitesinde yaptıkları ünlü deneyde, şimdi helyum atomlarının çekirdeği olarak bildiğimiz pozitif yüklü,hızlı alfa parçacıklarıyla ince altın yaprağı bombardıman ettiler Deneyin sonuçları çok şaşırtıcıydı Bu deneyin yorumunu anlamak için bu arada nelerin bilindiğini belirtmeliyiz: Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan üç tip ışıma(radyasyon) konusunda ayrıntılı çalışmalar yapmış, bu ışımalardan alfa ve betayı kendisi bulmuştu(1908) 1908’de radyoaktiflik üzerindeki çalışmasıyla Nobel ödülü almıştı




1900 yılında Villard da gama ışınlarını bulmuştu Onlara gama ışıması adını 1903’te, Rutherford verdi Gama ışınları ışın tedavisinde ve mühendislikte kalite kontrolünde kullanılır Sonradan yapılan deneyler sonucunda alfa ışınlarının gerçekte helyum çekirdeği, beta ışınlarının çekirdekten çıkan elektronlar ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları gösterilmişti Alfa parçacıkları, iki elektronunu kaybetmiş helyim çekirdekleriydi ve +2 yüklüydü Rutherford, alfa parçacıklarının pozitif elektrikle yüklü parçacıklar olduğunu biliyordu Alfa parçacıkları artı yüklü olduklarından atomun eksi yüklü bölümü tarafından çekilmeli, artı yüklü bölümü tarafından ise itilmelidir Ama elektronlar,hidrojen atomuna göre 1840 kat hafif, alfa parçacıkları ise hidrojen atomunun dört katı kadar ağırdı Eğer elektronu bir pinpon topu ile gösterirsek, alfa parçacığı 12 cm çapında bir gülleye karşılık gelirdi Böylece bir alfa parçacığı bir atomun içinden ya da yakınından geçtiğinde, o atomun elektronları,alfa parçacığının hareketini hiç etkilemeden tüm yönlerde dağılırAlfa parçacıklarının çoğu sanki boş uzayda gidiyormuş gibi metal yapraktan geçip gidiyordu


Bazıları da sanki bir duvara çarpıp yansıyormuş gibi gerisin geriye geliyordu Geiger, bazı alfa parçacıklarının geriye doğru da saçıldığını vurgulayarak Rutherford’a bilgi verdi(1909) Rutherford, 1911’in başlarında sorunu çözdü ve öğrencilerine “atomun neye benzediğini biliyorum ve güçlü geriye saçılmayı anladım” dedi O yılın Mayıs ayında atomda çekirdek bulunduğunu bildiren makalesi yayımlandı Bu olayın üzerinde duran Rutherford şöyle yazdı: “ Bu olay şu ana kadar yaşamımda karşılaştığım en inanılmaz olaydır Bu olay, öyle ki 35 santimlik (15 inç kalınlığında) bir parça kağıt dokuya tabancayla ateş etmenizden sonra, merminin kağıt dokudan geri gelerek sizi vurmasına benzeyen inanılmaz bir olaydır”Üzümlü kek modeli temel alındığında, Rutherford deneyinde görülen büyük sapmaların olmaması gerekiyordu Çünkü pozitif yüklü bir alfa parçacığının üzümlü kek modelindeki yük hacmine büyük açılı sapmalar yapacak kadar yaklaşması mümkün değildir Saçıcı metal yapraktan floresans(çinko sülfürlü) ekrana gelen alfa parçacıklarının birim yüzeye düşen sayısı, metal yaprağın kalınlığıyla, metal yaprakta birim hacimdeki atom sayısıyla ve atomdaki çekirdek yükünün karesiyle doğru orantılıdır Rutherford gözlemlerini pozitif yükün atomun boyutuna göre küçük olan bir bölgede yoğunlaştığını varsayarak açıkladı Rutherford pozitif yüklü bu yoğun bölgeye atomun çekirdeği adını verdi Deneyler, pek çok çekirdeğin yaklaşık küresel geometriye sahip oldukları ve tüm çekirdeklerin yaklaşık aynı yoğunluğa sahip olduğunu gösterdi Aristoteles, “doğa boşluktan nefret eder “ demişti, oysa atomlar çok büyük oranda boşluk içeriyordu Doğanın boşluktan nefret ettiği saptaması Aristo’nun hüsnü kuruntusuydu!
Thomson, kendi atom modelinde elektronların atomu dolduran pozitif yüklü madde içinde gömülü olduğunu ve bu nedenle hareket edeyeceğini düşünmüştü Rutherford modelinde ise elektronlar durgun olamaz Atomdaki elektronların çekirdekten epeyce uzakta olduğu varsayıldı Elektronlar niçin pozitif çekirdeğin üzerine düşmüyor sorusunu yanıtlamak için Rutherford, güneş sistemine benzeyen bir model önerdi Yani nasıl gezgenler,Güneş çevresinde dolanıp duruyor ve Güneş’in üzerine düşmüyorsa elektronlar da çekirdek çevresinde öyle dolanıp durmalıdırRutherford’un önerdiği atomun gezgen modelinde iki temel güçlük vardır:


Rutherford modeli şu iki soruyu yanıtlayamıyordu:


1 Elektronlar, çekirdeki üzerine düşmeden nasıl hareket ediyor?Her element atomu,elektromanyetik spektrumda kendine özgü belli frekansları yaymakta ve bunların dışındakileri yaymamaktadır Bunun gezgen modeliyle ilgisi nedir? Klasik kurama göre ivmeli bir yükün yani elektronların elektromanyetik ışıma yapması zorunluluğudur Bu modele göre elektron çekirdek etrafında dolanırken enerji yayar,enerji yaydıkça yörüngesinin yarıçapı sürekli olarak küçülür,buna karşın dolanım frekansı büyür Bu da yayılan ışınım frekansının sürekli artışına karşılık gelir Sonunda elektron çekirdek üzerine düşmeli ve atom çökmelidir


Elektronlar elektrostatik çekim sonucu spiral bir hareketle çekirdeğe düşecektir(klasik fizik yasalarına göre) Oysa atomlar yadsınamaz kararlılıklarıyla ortadadır


2 Çekirdek boyutu on üzeri eksi ondört metre ve daha küçük boyutlarda olduğu halde pozitif yük, bu küçük ve yoğun hacimde nasıl dağılmadan durabiliyordu? Artı yükün doğası gizdi Rutherford’un öğrencileri Geiger ve Marsden, alfa kaynağını, üzerinde küçük bir delik bulunan kurşun perdenin arkasına yerleştirdiler Böylelikle hedefi küçültmek ve ince bir alfa parçacıkları demeti elde etmek amaçlanmıştı Altın yaprağın öbür yanına,kendisine alfa parçacığı çarptığı zaman görünür ışık parıltısı veren, hareketli, çinko sülfürlü ekran yerleştirilmişti Beklenen şey, alfa parçacıklarının çoğunun yaprak içinden doğrudan geçeceği, belki bazılarının çok küçük sapmalara uğrayacağıydı Bu beklenti Thomson atom modelinin sonucudur Çünkü Thomson atom modeli doğruysa, ince metal levhadan geçen alfa parçacıkları üzerine yalnızca zayıf elektriksel kuvvetler etkir ve alfa paçacıklarının momentumları, bunların ilk yollarından çok küçük sapmalar olacak şekilde ilerlemelerini sağlar


Geiger ve Marsden, alfa parçacıklarının çoğunun sapmadan ilerlediğini, bazılarınını çok geniş açılarda saçılıdığını, hatta çok az bir kısmının gerisin geriye döndüğünü gördüler Geliş doğrultusuyla 180 derece açı yapacak şekilde geri saçılan bu parçacıklar, direkt olarak bir çekirdeğe yönelir ve kafa kafaya çarpışma olurBu modelde pozitif yüklü alfa parçacıklarıyla atomdaki elektronların ilişkisi merak edilir Elektronlar pek küçük kütleli olduğu için alfa parçacıklanının hareketine bir etki yapamazAlfa parçacıkları, elektronlardan yaklaşık 7000 defa daha ağır kütleli parçacıklardı Üstelik bu deneyde kullanılan alfa parçacıklarının hız yüksekti Alfa parçacıklarını bu derece saptırabilmek için büyük kuvvetler uygulanması gerektiği açıktı Bu kuvvetlerin Thomson atom modelindeki elektriksel kuvvetlere göre 100 milyon kat güçlü olduğu hesaplanıyordu!Rutherford, sonuçları açıklamak için, bir atomun pozitif yüklü bir çekirdek ile biraz uzaktaki elektronlardan oluştuğunu önerdi Buna göre atomun pozitif yükü ve kütlesi atom çekirdeğinde toplanmıştı

Geiger ve Marsden’in deneyleri, daha sonraki benzer çalışmalar, hedefleri oluşturan değişik metallerin çekirdekleri hakkında bilgiler verdi Bir alfa parçacığının, bir çekirdek yakınından geçerken uğradığı sapma(karşılaştığı elektriksel alan), çekirdek yükünün büyüklüğüne bağlıdır Bu sapmalardan yanrarlanılarak çekirdek yükü ve çekirdek boyutu konusunda bilgiler elde edildi Rutherford, 19 Ekim 1937’de sessiz sedasız ölüverdi Bohr, ertesi gün öğretmeni ve arkadaşı olan Rutherford’un anısına yaptığı konuşmada şöyle dedi:


Vaktiyle Galileo’nun dediği gibi… o bilimi bulduğundan farklı bir aşamada bıraktı… Yokluğu herhalde şimdiye kadar yitirilmiş herhangi bir bilim işçisinden daha çok hissedilecek Lederman, Tanrı Parçacığı’nda(1994) onun işlevini şöyle özetler:“Klasik fizikle çelişen bir çok denel sonuçtan sonra gelen Rutherford’un keşfi tabutun son çivisiydi” Çekirdek kuvvetleri çok kısa mesafeli kuvvetlerdi Atom çekirdeğiyle ilgili kilometre taşı sayılan diğer olaylar şunlardır:




1 1930 yılında Cockroft ve Walton hızlandırılmış parçacıkların kullanılmasıyla çekirdek tepkimeleri gözlendi
2 1932 yılında Chadwick’in(1891-1974) nötronu buldu
3 1933 yılında, Joliot ve İrene Curie’nin yapay radyoaktifliği buldular
4 1938′de Hahn ve Strassman’ın çekirdek bölünmesini (çekirdek fisyonunu) keşfettiler
51942 yılında Fermi ve ekibi, kontrol edilebilen ilk fisyon reaktörünün geliştirdiler


ÇEKİRDEKLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ


Yalnızca hidrojen elementinde çekirdek deyince bir proton bulunan bir izotop durumu vardır Onun da döteryum izotopunda bir proton bir nötron, trityum denen izotopunda ise bir proton ve iki nötron bulunur Öteki tüm element atomlarının çekirdeklerinde proton ve nötron vardır Çekirdek tepkimelerini izleyebilmek ve anlatabilmek için atomun yapısından bildiğimiz bazı terimleri anımsamalıyız:


1 Z, atom numarasını, yani çekirdekteki proton sayısını gösterir
2 N, çekirdekteki nötron sayısını gösterir
3 A, çekirdekteki proton ve nötron sayıları toplamını, yani kütle numarasını gösterir
Yaygın olarak kullanılan simgelemede element simgesinin sol altına Z, sol üstüne A yazılır: