Atomun Tarihsel Gelişimi

Atom ve Modelleri  Atom Nedir ?  Atom (Yunanca atomos, bölünemez anlamına gelir.) bir kimyasal elementin bütün özelliklerini taşıyan en küçük parçacığıdır. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır  Atom modellerinin Gelişimi :  Eski çağlardan günümüze kadar gözle görülemeyen atom hakkında çeşitli bilim adamları deneyler yapmışlardır, atom hakkında elde ettikleri bilgileri açıklamak için çeşitli bilimsel modeller ortaya koymuşlardır. Atom hakkında ortaya konan her yeni model bir önceki modelin eksikliğini gidermiştir. Atom hakkında yapılan yeni deneyleri açıklayamayan modelin yerine de yeni bir model geliştirilmiştir.  Eski atom modellerinin bugün geçerli olmamasının nedeni, o modelleri geliştiren bilim adamlarının iyi düşünememesinden değil, o dönemde bilinenlerin bugün bilinenlere göre daha az olmasından kaynaklanır.

 Eski çağlardan bugüne kadar maddenin nelerden meydana geldiği merak konusu olmuştur. Ancak bazı bilim adamları ve düşünürler bunun anlaşılmasında büyük adımlar atmışlardır.  Atomun küçük ve bölünemez parçacıklardan oluştuğu fikrini ilk olarak yunanlı filozof Democritus (M.Ö. yaklaşık ) ortaya atarak bu parçacıklara Yunanca bölünemez manasına gelen "atom" ismini vermiştir

Democritus (Demokritos) (MÖ ):  Demokritos Yunan medeniyetinde yaşamış bir filozoftur. Maddenin taneciklerden oluştuğunu savunmuştur ve maddeyi oluşturan bu taneciklere ilk olarak atom ismini veren kişidir. Filozofun atom ile ilgili düşünceleri MÖ 400’lü yıllarda ortaya çıkmıştır. O dönemde bu kadar küçük parçacıklarla ilgili bir deney yapmak mümkün olmadığından o gözlemlerine dayanarak böyle bir görüş ortaya atmıştır. Bu görüş zemininde diğer bilim adamları da çalışmaya başlamış ve atom ile ilgili başka araştırmalar yapılmıştır. Democritus, atom hakkındaki görüşlerini deneylere göre değil varsayımlara göre söylemiştir.

Democritus’ a göre:  Madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilir ve bu tanecik atomdur.  Bütün maddeler aynı tür atomlardan oluşur.  Maddelerin farklı olmasının nedeni maddeyi oluşturan atomların sayı ve dizilişi biçiminin farklı olmasıdır.  Atom görülemez.  Atom görülemediği için bölünemez.  Maddedeki değişmelerin bölünemeyen bu taneciklerin sayı; biçim ve dizilişlerindeki değişmeye bağlı olduğunu kabul etmiştir.

John Dalton (6 Eylül 1766 – 27 Temmuz 1844):  John Dalton İngiltere’de yaşamış bir fizik adamıdır. Maddenin temel yapı taşı atom üzerine yaptığı çalışmalar, onu elementlerin atomlardan meydana geldiği kanısına vardırmıştır. Element ve bileşikler ile ilgili bugün bile kullanılan bazı görüşler ortaya atmıştır. Bilim adamına göre bir bileşiğin birden fazla element bileşeni vardır ve bu elementler de aynı atom boyutlarından oluşmuştur. Atom konusunda yaptığı çalışmaları Demokritos’tan sonra büyük ilgi görmüştür.

Dalton’a Göre  Maddenin en küçük yapı taşı atomdur. (Maddeler çok küçük, bölünemez, yok edilemez berk taneciklerden oluşur.)  Atom parçalanamaz.  Atom içi dolu küre şeklindedir.  Bütün maddeler farklı tür atomlardan oluşmuştur.  Maddelerin birbirlerinden farklı olmasının nedeni maddeyi oluşturan atomların farklı özellikte olmasıdır.  Bir maddeyi oluşturan atomların tamamı birbirleriyle aynı özelliklere sahiptir.

Henri Becquerel (15 Aralık 1852 – 25 Ağustos 1908):  Fransız bir bilim adamı ve fizikçi olan Henri Becquerel, 1886 yılında yaptığı çalışmalar sonucu, uranyum elementinin çevresine birtakım ışınlar yaydığının farkına varmıştır. Uranyumun radyoaktif olduğunun henüz bilincinde olmayan bilim adamı farkında olmadan radyoaktiviteyi de bulan kişi olmuştur ancak vücudunda bazı hasarlar oluşmuştur. Radyasyonun zararları da o dönemde bilinmediğinden uranyum ile ilgili çalışmaları sırasında büyük miktarlarda radyasyona maruz kalmıştır ve vücudunda radyasyondan dolayı görülen yanıklar meydana gelmiştir. Yani Becquerel radyoaktiviteyi keşfettiği gibi radyasyonun zararlı olduğunu da keşfetmiştir.

Marie Curie (1867 – 1934):  Polonyalı olan bu kadın fizikçi, aynı dönem atom üzerinde çalışmalar yapan Becquerelin çalışmaları ile ilgilenmiştir. Becquerel tarafından Becquerel’in Işınları olarak adlandırılan radyoaktif çalışmaları daha da geliştirerek Radyoaktivite olarak yeniden isimlendirmiştir. Bu çalışmalar dışında radyum elementiyle ilgili çalışmaları da olmuştur. 1898’de ise atom çekirdeğini parçalamak ve başka bir elemente ait atom oluşturmak üzerine çalışmaları olmuştur.

Joseph John Thomson (18 Aralık 1856 – 30 Ağustos 1940):  Bugün hala kullanılan görüşlere sahip olan İngiliz fizikçi 1898 yılından başlayan atom çalışmaları ile adından söz ettirmiştir. Atom ile ilgili temel kavramlar olan elektron, izotop atom ve kütle spektrometresi gibi bazı buluşlara imza atmıştır. O dönemin şartlarında bu buluşları ve atomla ilgili ortaya attığı görüşler diğer bilim insanlarına da ilham kaynağı olmuştur.

Thomson’ a göre;  Atom küre şeklindedir. (Çapı 10–8 cm)  Atomda (+) ve (–) yüklü tanecikler bulunur.  Thomson’a göre atom; dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup negatif yüklü olan elektronlar kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre içerisine gömülmüş haldedir.  Atomlar, daha küçük taneciklerden oluştuğu için parçalanabilirler. Not ;  Thomson, İngiliz fizik âlimlerinden biri olup, elektronlar hakkındaki çalışmalardan dolayı 1906 da Nobel fizik ödülünü almıştır. 1885’te içi boş bir cam tüp içerisinden elektrik akımları üzerinde çalışırken ışınları tüpün negatif (katot) kutbundan geldiğini görmüş ve ilk defa katot ışınlarını bulmuştur. Böylece elektronları da bulmuştur. Ve sonuç olarak elektronların her atomun tabiatında var olan temel parçacıklar olduğunu söylemiştir.

ELEKTRON’UN KEŞFİ  Maddenin yapısına ilk olarak modern yaklaşım Thomson’un katot ışınlarını inceleyerek elektronun keşfi ile başlar. Thomson: elektriksel gerilim uygulanan katot ışınları tüpünde katot ışınların negatif kutup tarafından itildiğini pozitif kutba doğru çekildiğini tespit etti.  Aynı cins elektrik yüklerinin bir birini itmesi ve farklı yük elektrik yüklerinin birbirini çekmesi nedeniyle Thomson katot ışınlarının negatif elektrik yüklerinden olduğu sonucu çıkardı.  Thomson deneyinde katot için farklı madde kullandığında ve deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda da katot ışınlarının aynı (bilgi yelpazesi.net) davranışta bulunduğunu gördü. Böylece elektronun maddenin cinsinin karakteristik bir özelliği olmadığını bütün atom cinsleri için elektronun her birinin aynı olduğunu neticesini ortaya koydu.  Elektron negatif yüklü olduğundan elektriksel alanda pozitif kutba doğru saparlar. Elektriksel alandaki bu sapmalar taneciğin yükü (e)ile doğru, kütlesi(m) ile ters orantılıdır. Yükün kütleye oranı (e/m) bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir.

PROTONUN KEŞFİ  Katot tüpleriyle elektron elde edildiği gibi, elektrik deşarj (boşalma ) tüpleri ile de pozitif iyonlar elde edilir. Bu tüplerde uygulanan yüksek gerilim sonucunda atomdan elektronlar koparılarak pozitif iyonlar oluşturulur. Oluşan bu pozitif iyonlar bir elektriksel alanda elektronun ters yönünde hareket ederek negatif elektrota (katota) doğru ilerler. Bu iyonların büyük bir kısmı hareketleri sırasında ortamdaki elektronlara çarparak nötral atomlar oluştururlar.  Çok az bir kısmı ise yollarına devam ederek katota erişirler. Eğer ortası delikli bir katot kullanılırsa, pozitif parçacıklar delikten geçerler. Bu ışınlara pozitif iyonlar ya da kanal ışınları denir.  Pozitif iyonlar için e/m nin saptanmasında katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı. Katot ışınlarında katot maddesi ne olursa olsun elde edilen ışınların e/m oranı hep aynı bulunmuştu. Oysa pozitif ışınlarda elde edilen e/m oranı tüpteki gazın oranına göre farklı olduğu bulundu

 Protonlar ve elektronlar yüklü parçacıklardır. Bunlar yük bakımından eşit, işaretçe zıttılar. Protonlar +1 birim yüke, elektron ise –1 birim yüke eşittir.  Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler toplamı sıfıra eşittir.  Atom yarı çapı cm olan bir küre şeklindedir. Söz konusu küre içerisinde proton ve elektronlar atomda rasgele yerlerde bulunurlar. Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer.  Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bu nedenle atomun ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder.  Nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson atom teorisinin eksikliklerinden biridir.  Proton ve elektronların atomda rasgele yerlerde bulunduğu iddiası ise teorinin hatalı yönüdür.

Ernest Rutherford (30 Ağustos 1871 – 19 Ekim 1937):  Thomson’un atom ile ilgili teorilerini 1911 yılında deneyerek atom modelini yeniden geliştiren İngiliz fizikçi, ortaya çıkardığı yeni atom modeline Rutherford Atom Modeli ya da Çekirdekli Atom Modeli olarak adlandırmıştır. Bu teoriden sonraki yıllarında yaptığı araştırmalarda da nötron adı verilen nötr atom parçacıklarını keşfetmiştir.  1911 yılında atomun kütlesinin çoğunu içine alan çok küçük bir merkezinin olduğunu ortaya attı ve buna çekirdek adını verdi.

Rutherford’a Göre  Atom kütlesinin tamamına yakını merkezde toplanır, bu merkeze çekirdek denir.  Atomdaki pozitif yüklere proton denir.  Elektronlar çekirdek etrafında gezegenlerin Güneş etrafında dolandığı gibi dairesel yörüngelerde sürekli dolanırlar. Çekirdekle elektronlar arasında çekim kuvveti olduğu için elektronların çekirdeğe düşmemeleri için dolanmaları gerekir. (Yörünge daire şeklinde değil, enerji seviyesine karşılık gelen orbitallerde dolanır).  Elektronların bulunduğu hacim çekirdeğin hacminden çok büyüktür.  Çekirdekteki protonların sayısı (yük miktarı) bir maddenin bütün atomlarında aynı, fakat farklı maddenin atomlarında farklıdır.  Çekirdekteki proton (yük) sayısı, elektron sayısına eşittir.  Çekirdekteki pozitif yüklerin kütlesi yaklaşık atom kütlesinin yarısına eşittir.

BOHR ATOM MODELİ (NİELS DAVİD BOHR 1875–1962) :  Çekirdeğe en yakın enerji seviyesine dairesel hareket yapan elektron kararlıdır, ışık yaymaz. Eletkron'a yeterli enerji verilirse elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine sıçrar. Atom bu durumda kararsızdır. Kararlı hale gelmek için elektron tekrar eski enerji seviyesine dönerken almış olduğu enerji seviyesini eşit enerjide bir Foton (ışın taneciği) fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yapar.

Bohr’a göre;  Elektronlar çekirdek belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler izler. Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan ( n = 1 ) K tabakası en düşük enerjilidir Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarı çapı ve kabukta bulunan elektronun enerjisi artar. Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken ( n = ∞ ) elektronla çekirdek arasında çekim kuvveti bulunmaz. Bu durumda elektronun potansiyel enerjisi sıfırdır. Elektron atomdan uzaklaşmış olur. Bu olaya iyonlaşma denir  Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektronun bir potansiyel enerjisi oluşur. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hale gelir, potansiyel enerjisi azalır. Buna göre elektronun her enerji düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur. Yani negatif olur. Bohr hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde K yörüngesi ) bulunan elektronun enerjisini –313,6 kkral/mol olarak bulmuştur.

James Chadwick (20 Ekim 1891 – 25 Temmuz 1974):  Rutherford’un öğrencisi olan İngiliz fizikçi Chadwick, hocasının keşfettiği nötronların var olduğunu 1932’de ispatlamış ve bu deneyde nötronun kütlesini de tespit etmiştir. Bu ispatıyla Nobel fizik ödülünü almıştır.

Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (15 Ağustos 1892 – 19 Mart 1987):  Fransız fizikçi atoma farklı bir bakış açısıyla yaklaşmıştır yılında elde ettiği sonuçlara göre elektrona eşlik eden bir dalga hareketi olduğu görüşünü ortaya atmıştır. Bugünkü anlamıyla elektron sadece bir atom taneciği değil bir dalga olarak da görülebilmektedir.

Clinton Davisson (22 Ekim 1881 – 1 Şubat 1958) – Lester Germer (10 Ekim 1896 – 3 Ekim 1971):  Fransız fizikçi Broglie’nin teorisini 1927’de yaptıkları deneylerle kanıtlayan ABD’li fizikçiler, bu çalışmalarıyla tarihe geçmişlerdir. Klasik fiziğe göre her şey madde ve dalgadan oluşur. Broglie atom kuramı ise dalga ve maddenin (taneciklerin) birbirinden bağımsız olmadığını ve birbirini tamamlayan parçalar olduğunu öngörür. De Broglie, hareket halindeki maddelere dalganın eşlik ettiği varsayımını öne sürmüştür. Bu bağlamda momentumu P olan bir taneciğe dalga boyu h/P olan dalgalar eşlik eder.Bu varsayımın elektronlara da uygulanabileceğini belirten Broglie, elektronların da dalgalarla beraber düşünülmesi gerektiğini savunur.De Broglie'nin elektron ve dalga etkileşimi hipotezine 'Elektron Mikroskobu' en iyi örnektir. Broglie'nin atomun sadece tanecik değil, dalga olarak da düşünülmesi varsayımı modern atom incelemelerinde bir çığır açmış ve bu alandaki araştırmalar 'Kuantum Mekaniği' ile ' Dalga Mekaniği' adı altında yapılmıştır! Broglie’nin Teorisi (Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie) :

Gerd Binnig (20 Temmuz 1947 – ) ve Heinrich Rohrer (6 Haziran 1933 – ):  İsveçli ve Alman olan bu iki bilim adamı 1981’de atomu gözle görmeyi başardılar. Bu gelişme, icat ettikleri mikroskop ile oldu. Atomu görüntüleyebilen bu mikroskoba ise taramalı tünel mikroskobu adı verilmektedir. Atomları dışarıdan gözlemleyebilmek için hala kullanılmaktadır.

MODERN ATOM TEORİSİ:  Günümüzde kullanılan atom modeli, modern atom teorisi sonucu ortaya konmuştur. Bu teoriye göre elektronlar çok hızlı hareket ettikleri için belirli bir yerleri yoktur. Yani elektronların bulunduğu kabuk kavramı yanlış bir kavramdır.  Elektronların sadece bulunma ihtimalinin olduğu bölgeler bilinebilir ve elektronların bulunma ihtimalinin olduğu bölgelere elektron bulutu denir. (Elektronların yörüngeleri kesin olarak belli değildir).  Modern atom teorisini kısaca şu şekilde özetleyebiliriz:  Atomda belirli bir enerji düzeyi vardır. Elektron ancak bu düzeyden birinde bulunabilir.  Elektron bir enerji düzeyindeki hareketi sırasında çevreye ışık yaymazlar.  Atoma iki düzey arasındaki fark kadar enerji verilirse elektron daha yüksek enerji düzeyine geçer  Atoma verilen enerji kesilirse elektron enerjili düzeyinde kalamaz daha düşük enerji düzeyinden birine geçer. Bu sırada iki düzey arasındaki fark kadar enerjiyi ışık şekline çevreye verir

 Modern atom modeli dalga mekaniğimdeki gelişmelerin elektronun hareketine uygulanmasına dayanmaktadır. Bu modelin öncüleri Werner Heisenberg ve Erwin Schrödlinger gibi önemli bilim adamlarıdır.  Erwin Schrödlinger (1887–1961) Avusturya’nın Viyana şehrinde doğmuş ve 1939 yılından 1956 yılına kadar İrlanda da çalışmıştır yılında henüz İsviçre de çalışırken Heisenberg tarafından ortaya atılıp formüllendirilen kuvantum teorisine alternatif olarak kendi adıyla anılan (Schrödlinger eşitliği ) dalga mekaniği teoremini ortaya atmıştır. Schrödlinger (bilgi yelpazesi.net) teoremi kısaca elektronların gerek atom içerisinde gerekse moleküllerdeki hareketini dalga cinsinden matematiksel bir şekilde açıkladı. Bu çalışmalarından dolayı 1933 yılında fizik Nobel ödülünü İngiliz fizikçi Paul Dirac ile paylaştı.  Werner Heisenberg (1901 – 1976) Atomların yapısını ve elektron gibi atom altı parçacıkların davranışlarını açıklayan quantum mekaniği teorisinin kurucusu olan bir Alman fizikçidir yılında kendi adı il anılan belirsizlik ilkesini ortaya atmıştır.Bu ilkesinde Heisenberg kısaca ”elektron kadar küçük olan bir parçacığın hem pozisyonunu hem de momentumunu kesin olarak bulmak mümkün değildir” demektedir. Bu çalışmalarından dolayı 1932 yılında Nobel fizik ödülü almıştır.

 1924 yılında Louis De broglie ışı ve maddenin yapısını dikkate alarak küçük tanecikler bazen dalgaya benzer özellikler gösterebilirler şeklindeki hipotezi elektron demetlerinin bir kristal tarafından X – ışınlarına benzer biçimde saptırılması ve dağılması deneyi ile ispatlandı.  1920’li yıllarda Werner Heisenberg, atomlardan küçük taneciklerin davranışlarını belirlemek için ışığın etkisini inceledi. Bunun sonucunda Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılan şu neticeyi çıkardı: “Bir taneciğin nerede olduğu kesin olarak biliniyorsa, aynı anda taneciğin nereden geldiği ve nereye gittiğini kesin olarak bilemeyiz. Benzer şekilde taneciğin nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun yerin kesin olarak bilemeyiz”  Buna göre elektronun herhangi bir andaki yeri ve hızı aynı anda kesin olarak bilinmez. Bir taneciğin yerini ve hızını ölçebilmek için o taneciği görmek gerekir. Taneciğin görünmesi de taneciğe ışın dalgası göndermekle olur. Elektron gibi küçük tanecikleri tespit etmek için düşünülen uygun dalga boyundaki ışık, elektronun yerini ve hızını değiştirir. Bu yüzden aynı anda elektronun yeri ve hızı ölçülmez. Bu nedenle de elektronların çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngeler izledikleri söylenemez. Yörünge yerine elektronun ( yada elektronların ) çekirdek etrafında bulunma olasılığından söz etmek gerekir.

Atomun İçi İlk Kez Görüntülendi (27 Mayıs 2013):  AMOLF laboratuvarlarının Hollanda’da yer alan bir kolunda yapılan deneyler sonucu kainatta çok sık görülen hidrojen atomunun içi ilk kez görüntülendi. Binlerce yıldır ilk defa bir atomun iç yapısının görülebilmesi insanlar için büyük bir gelişme olmuştur.