Kategoriler
Bilim

Atom nasıl keşfedildi? Görünmeyeni görmek

Atom nasıl keşfedildi? Kimyager John Dalton 1808'de bilim dünyasını derinden sarsan son derece ikna edici bir argümanla ortaya çıktı: Düşüncesine göre etrafımızdaki ve evrendeki tüm maddeler aynı küçük parçalardan meydana gelmekteydi. Bölünemez, en temel parça, yani atom. Atom konsepti Antik Yunan'ın Demokritos'undan bu yana birkaç bin yıldır ortalıkta dolaşıyordu ve sonunda kanıtlanmış olabilirdi. Peki atomları göremiyorsak var olduklarını nasıl bilebildik?

Atomun keşfine giden süreç

Antik Yunanlılar tam olarak neyin bir element olduğu konusunda fikir ayrılığına düşmüş olsa da atomun varlığına inanıyorlardı. Daha doğrusu bölünemez küçük parçacıkların şaşırtıcı bir verimlilikle bir araya gelerek karmaşık nesneler oluşturduğunu biliyorlardı. Ancak bir soru en az 2000 yıl boyunca cevaplanmadı: Bir elementi ikiye bölersek, sonra o yarımları da ikiye bölersek ve bu böyle devam ederse, sonunda en küçük element parçasını mı bulurduk yoksa yalnızca sonsuza kadar devam mı ederdi? Evren bir temel üzerine inşa edilmemiş miydi?

Yıllarca yaptığı dikkatli incelemeden sonra Dalton elementler arasında şaşırtıcı bir ilişki buldu. Kalay ve oksijen örneği gibi bazen iki element farklı oranda birleşerek çeşitli bileşikler oluşturabiliyordu. Ancak bu kombinasyonlardaki her elementin oranı her zaman çok küçük sayılardan ibaretti. Eğer madde hiçbir zaman en küçük parçaya ulaşmadan sonsuz kez bölünebiliyorsa o zaman her orantının mümkün olması gerekiyordu.

Dalton bu yüzden belirli bir miktarda elementin ancak eşit miktarda başka bir elementle birleşebileceğini buldu. Buna diğer elementin iki veya üç katı ile birleşmesi de dahildi. Dalton tüm durumları araştırdı ve her zaman, her yerde basit oranlarla karşılaştı. Eğer madde bölünemezse, yani atomlar varsa, o zaman elementler meydana gelirken yalnızca bu basit oranlarla oluşabilirdi. Atomun varlığına dair güçlü bir teori ortaya atılmıştı.

Yüzyıl geçti ve bu "atomik" madde teorisi hala bilime uygunluk taşıyordu. Bununla birlikte en zorlayıcı noktalardan biri atomların görülemeyecek kadar küçük olmalarıydı. Atom, ışığın dalga boyundan daha küçük olduğundan mikroskopla göremezsiniz. Doğrudan gözlemleyemediğiniz bir şeyin varlığını nasıl kanıtlayabilirdiniz?

İLGİLİ:  İbni Heysem: İlk modern bilim insanı ve optiğin babası

Görülmeyen bir şeyi kanıtlamak

Atomların varlığına dair bir ipucu o zamanlar yeni kurulan termodinamik çalışmalarından geldi. Fizikçiler, sıcaklık, basınç ve entropi gibi tüm kavramların yanında bir ısı motorunun nasıl çalıştığını anlamak için gazı ve sıvıyı neredeyse sayısız küçük, mikroskobik parçacıktan oluşuyormuş gibi düşünmenin mümkün olduğunu fark etti. Örneğin, sıcaklık aslında termometreye çarpan ve enerjisini ona aktaran tüm bu gaz parçacıklarının hareketiyle ölçülüyordu.

Termodinamik oldukça zorlayıcıydı ve Albert Einstein bu fiziğin büyük hayranıydı. Tıpkı hayranı olduğu diğer tüm fizik alanları gibi, Einstein termodinamiği kökten değiştirdi.

Özellikle, ilk kez 1827'de Robert Brown tarafından tarif edilen Brownian hareketi sorunuyla ilgileniyordu. Bir sıvının içine büyük bir tane bırakırsanız, nesne kendi kendine hareket etme ve zıplama eğilimindedir. Brown, dikkatle yürütülen birkaç deneyden sonra bunun hava veya sıvı akımlarıyla hiçbir ilgisi olmadığını fark etti. Sudaki taneye mikroskopla bakan Brown yayılan küçük parçacıkları gördü. Önce organizma olduğunu düşündü, sonra kaya üzerinde de aynı etkiyi görünce şaşkına döndü.

Brown hareketi, hayatın açıklanamayan rastgele gerçeklerinden sadece biriydi, ancak Einstein bunda bir ipucu gördü. Sıvıdan çıkan milyonlarca molekülün cisme çarptığını düşündü yani atomlardan oluşan moleküller. Sıvı parçacıklarıyla yapılan sayısız çarpışmanın bir taneciği ne kadar sürükleyeceğine dair bir formül türetti. Ve bu bağlantıyı sağlam matematiksel zemine koyarak, görebildiğiniz bir şeyden (tanenin belirli sürede yaptığı hareket) göremediğiniz bir şeye (sıvı taneciklerinin kütlesi) ulaşmanın yolunu açtı.

Başka bir deyişle, Einstein bize bir atomun ağırlığını ölçmenin yolunu gösterdi.

Atomdan küçük madde olduğu keşfedilir

Artık bilim dünyası atomların varlığı bir yana onların ağırlığına dair kanıtlara sahipti ve bu minicik madde parçalarının mümkün olan en küçük şey olduğunu kabul ederek artık rahatlayabilirdi. Ancak birileri henüz arkasına yaslanmaya hazır değildi ve işler bir kez daha karmaşıklaşmaya başladı.

İLGİLİ:  Iceye uyduları dünyanın her bir karesini izlemeye alıyor

Einstein ile paralel olarak çalışan, J.J. Thomson 1800'lerin sonlarında, katot ışınları olarak bilinen hayalet ışık huzmeleriyle büyülenmişti. Bir cam tüpün içine birkaç elektrot koyup, tüpteki tüm havayı makineyle emer ve elektrot üzerindeki voltajı yükseltirseniz elektrotlardan biri olan katottan çıkan efervesan parıltı elde ediyordunuz. Yani katot ışınını. Uygulanan elektrik akımı eksi yüklüydü ve tüpteki eksi yüklü elektronları koparmaya ve tüp boyunca hareket ettirmeye yeterliydi. Tüp kısmen havasız olduğundan elektronlar devasa atomlara çarpmadan diğer uca gidiyordu. Tüpün sonundaki cama çarpan elektronlar o kadar yüksek enerji oluşturdu ki ortaya yeşil-sarı bir parıltı çıkardı.

Thomson'ın elektronları saatte 59.500 kilometre hızla yol aldı.

Bu fenomen fizikçiler için yeni soru işaretleri uyandırdı. Bu parlamayı ne yaratıyordu? Elektrik o zamanlar çoktan keşfedilmişti ve o ışığın tür elektrik olduğu düşünülüyordu ancak kaynağı anlaşılamıyordu. Thomson bu gizemi iki yolla aydınlattı: Önce gelmiş geçmiş en büyük vakum tüpünü yaptı ve ardından tüm aparatı süper güçlü elektrik ve manyetik alanın içine soktu. Yüklü parçacıklar katot ışını ile buluştuğunda çıkan ses Thomson'ı etkilemişti.

Katot ışını hem elektrik hem de manyetik alanının etkisi altında bükülmüştü. Büyüleyiciydi. Yani parıltı aslında görünmez yüklü parçacıklardan geliyordu. Eğer ışık bir şekilde yüklerden arındırılsaydı yükler alan girişimine bakılmaksızın dümdüz ilerlerdi. Ayrıca katot ışınının elektrikle aynı maddeden yapıldığı da anlaşılmıştı.

Thomson, elektrik alanındaki ışın sapması miktarını manyetik alanla karşılaştırarak bazı matematiksel işlemler elde etti ve söz konusu yüklerin bazı özelliklerini hesapladı. J.J. Thomson'ın Nobel Ödülü kazandığı yer burası olmuştur: Onun sözüyle, "Bu zerreler hidrojenden yaklaşık 2.000 kat daha küçük, bilinen en hafif element ve dolayısıyla en küçük atom. Bu "elektronlar" (Johnstone Stoney'nin terimi) gerçekten dikkate değerdi."

Atom çekirdeği keşfedilir

Thomson'ın elde ettiği sonuçların yol açtığı bulmacaları çözmek sonraki bilim adamlarına kalmıştı. En önemli soru, bir şey nasıl bir atomdan daha küçük olabilirdi ve bu durum, atomların yapısı için ne anlama geliyordu?

Thomson'ın eski öğrencisi Ernest Rutherford, kendi öğrencileri Hans Geiger ve Ernest Marsden ile birlikte altını bombardımana tutmaya ve neler olacağını görmeye karar verdiler. Bilim adamları altını seçmişti çünkü bu malzemeden çok ince tabakalar yapmak mümkündü, bu da atom fiziğini araştırmayı mümkün kılıyordu. Mermileri çok küçüktü: Helyum atomlarıyla yüklü alfa parçacıkları. Bu parçacıklar küçük, ağır ve hızlıydı, dolayısıyla bilim için mükemmeldi.

İLGİLİ:  Akıllı kedi barınağı yapay zeka ile çalışıyor

Araştırmacılar hedef alıştırmasına başladı ve alfa parçacıklarının çoğu altının üzerinden kağıt parçası gibi geçiverdi. Ancak arada bir bazı parçacıklar rastgele yöne sürükleniyordu. Dahası çok nadiren (her 20.000 atıştan 1'inde, evet, bilim adamları tek tek saydılar), bir alfa parçacığı altından sekerek geldiği yönde dönüyordu.

İnanılmazdı. Araştırmacılar bu küçük parçacıklar bize altın atomlarına dair ne anlatıyor diye sordu. Mantıklı olan tek açıklama, atomun kütlesinin büyük çoğunluğunun çok küçük bir hacimde yoğunlaştığı sonucuydu. Buna "çekirdek" denildi ve pozitif yüklü olduğu önerildi. Mıknatıstan yola çıkarak, atomun yükünün nötr olması gerektiğine ve çok çok küçük elektrik yüklü elektronların çekirdeğin etrafındaki yörüngede dolanarak veya dans ederek eksi çekim ürettiğine karar verildi.

Bu yüzden alfa parçacıkları mermi gibi atılırken neredeyse her zaman koca bir boşluktan geçiyor ve düz şekilde hareket ediyordu. Ancak arada bir çekirdeğe çarparak yön değiştirenler ve son derece nadir durumda ise çekirdeğe dik açıyla çarparak (20.000'de 1) geldiği yöne geri dönenler oluyordu.

Atomdan da küçük parçacık var

Böylece Thomson ve Rutherford atomun hiç de bölünemez olmadığını keşfettiler. Aslında kendisinden de küçük parçalardan oluşuyordu. İkili bunu Dalton'un bölünmez bir atomun olduğunu tartışmasından neredeyse 100 yıl sonra ve Einstein ise bu atomları doğrudan ölçmenin yolunu sunduğu aynı zamanda yapmıştı.

Böylece hem atom teorisi sağlamlaştırıldı hem de ilk kez atom altı dünyanın kapıları aralandı. Dolayısıyla işler çok daha karışık bir hal aldı. Bugün atom çekirdeğinin içinde nötron ve protonun (elektrondan 1830 kat büyüktür) olduğu ve onların da içinde kuarkların olduğu biliniyor. Kuark evrendeki bilinen en küçük maddedir ve bölünemezdir. Demokritos bir konuda haklıydı.