Atom ve Atomaltı Dünyası | İnovatif Kimya Dergisi

İnsanlar doğdukları andan itibaren devamlı olarak evrenin ne olduğu ve nelerden oluştuğu
konusunda devamlı olarak kafa yormuşlar ve fikir yürütmüşlerdir,öyle ki bu düşünceler
yıllar boyu değişmiş ve en nihayetinde deneysel kanıtlara gelmiştir.
Milattan önce bir çok filozof bu konuda kendi fikirlerini söylemiştir.Tarihte ilk filozof olarak
tanımlanan Thales bu konuda şu düşünceleri ortaya atmıştır.’Her şey suda oluşmuştur ve
mıknatıs demiri çeker,öyleyse mıknatıs canlıdır’ düşüncelerini ortaya atan filozof,her şeyin
sudan oluştuğunu söylemiştir,oysa su ateşi söndürebilir fakat bir sel baskınını önleyemez,bu
yüzden evrenin arkhesi yani tohumu su olamaz,daha sonraki yıllarda Thales’in öğrencileri
Anaksimandros ve Anaksimenes bu konuda bir çok düşünce ortaya atmışlardır,bunlardan
biri de Anaksimenes’in ‘hava’ düşüncesidir,fakat bu olgununda zamanla etkin olmadığı
görülmüştür.Çok yıllar sonra Empedokles adında bir filozof bu düşünceleri birleştirerek (ki
daha önceden Herakleitos ateş demiştir arkheye) dört unsuru elde etmiştir.Bunlar
hava,su,toprak ve ateştir.Peki bunlar nasıl bir araya geliyor ve ayrılıyorlar,buna da iki unsur
diyen filozof,bunları iki şekilde ayırır ; Sevgi ve nefret,bunlardan sevgi bu dört unsuru
birleştirirken,nefret ise ayırmaktadır.Derken yıllar geçiyor bu unsurların gerçek
olamayacağını bazı filozoflar söylüyor,bunlardan biride yunan filozofu
Demokristos’tur.Evrenin çok küçük yapıdaki atomlardan oluştuğunu söyleyen filozof,bilim
açısından oldukça önemli bir adım atan bu yapı,atoma olarak bilinir ki,modern atom
teorisinin adı buradan gelmektedir,fakat bir ayrım yapma gerekiyor burada,Demokritos’un
atomu bölünemezdir ama şimdi biliyoruz ki atom bölünüyor ve temel parçacıklarına
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
ayrılıyor.Demokritos’u atomu oldukça da durağandır,onda boşluk vardır ama hareket
yoktur.Atomun boşluklu yapıda olduğunu daha sonra ünlü bilim insanı E.Rutherford
söyleyecektir.Şimdilik düşünce tarihini burada bitiriyor ve bilimin teorik ve deneysel
boyutuna adım atıyoruz.
Şimdi ise geldik asıl konumuz olan modern atom teorisine ve bunu kronolojik olarak takip
eden atom modellerine.
Yıllar geçiyor,bilim ilerliyor fakat atoma dair kanıtlar nedense birikmiyordu.1805 yılında
J.Dalton yaptığı bir çok deneyde direkt olarak atom hakkında değil de atomun yarattığı
etkiler üzerine araştırma yapmıştır.Bunlardan biride kütlenin korunumu yasasıdır.Bir
reaksiyonda girenlerin kütlesi,toplam kütleye eşit olan bu yasa daha öncede
yinelenmiştir,fakat yeterli veri ve deneysel kanıt yoktu,Dalton’un diğer bir katkısı ise bir
kimyasal reaksiyonda toplam kat sayılar yine toplamda aynı değeri vermektedir..Bir çok
eksiği olan bu teori,Thomson’ın ufkunu açması açısından önemli bulgular taşımaktadır.Bu
eksiklerden bazıları ise,atomun bölünemez olduğu ve aynı elementin atomları aynı,farklı
elementin farklı,fakat bugün biliyoruz ki izotop atomlar bu duruma uyarlar.
Diğer bir modelimiz ise 1900’lü yılların başına doğru atılan J.J.Thomson atom modelidir.Bu
modelde elektron keşfedilmiş (1897) ve ona göre yorumlar yapılmıştır,şöyle ki Thomson
atom modeli artı yüklü olup elektronlar atoma gömülü ve hareket etmez
durumdadırlar.Thomson’ın atomu küre şeklinde olup elektronlar buralara rastgelen
dağılmışlardır (meşhur üzümlü kek modeli) Fakat burada elektronun keşfi bilim adına
önemli olduğundan bu konu üzerinde biraz duralım.Thomson 1897 yılında yaptığı bazı
deneylerde (Thomson esasında kuramsalcıdır ama bu deneyleri asistanlarıyla birlikte
yapmıştır.) ki bu deneyin adı katot ışınları deneyidir.(Bu deney Cavendish laboratuarında
yapılmıştır.) Bir düzenek hazırlayan Thomson katot ışınlarına yüklü parçacıklar göndererek
bunları sapmasına neden olmuştur,şöyle ki katot ışınları bu zıt yükte sapmış ve negatif yüklü
parçacıkların olduğu konusunda hem fikir olmuşlardır.Daha sonra buna elektron denmiştir
ve keşfedilen ilk atomaltı parçacıktır,özelliklerinin daha sonra uzun uzun açaçağız fakat
şimdilik konuyu burada bırakıyorum.
Yıllar geçtikçe bazı durumlarda eksiklikler çıkıyor ve atom hakkında söylenenler hiçte
geçmişteki gibi olmadığı görülüyordu.Bu eksikliklerin bazı kısımlarını gören ünlü bilim
insanı E.Rutherford 1911 yılında kendi atom modelini ortaya atmıştır.Rutherford’a göre
atom içerisinde çekirdek olan ve büyük boşluğa sahip bir yapıdır.Proton ve nötronun varlığı
da zaten Rutherford’tan sonra keşfedilmiştir.Bu deneyleri isterseniz biraz açalım.Rutherford
yaptığı bir deney sonucu çekirdeği keşfetmiş ve güneş sistemini andıran bir model
önermiştir.Rutherford’un deneyini kısaca tanımlarsak,Rutherford çinkosülfit tabakasında bir
levhaya kurşun kaynaktan fırlatılan alfa parçacıkları etki etmiştir,büyük bir hızla çarpan
parçacıkların çoğu levhadan geçerken,bir kısmı da daha büyük hızla geri
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
saçılmaktadır.Bunun sonucunda Rutherford şu sonuca varmıştır.Atomun içinde çekirdek
denilen bir yapı vardır ve bu yapı büyük bir boşluktan oluşmaktadır.
Elektron fikrini Thomson’ın ortaya atmasından sonra Rutherford’ta bu durumu birleştirerek
atomun proton sayısı kadar elektron olabileceği kanısına varmıştır.Bu teorinin de eksiklerini
1913 yılında N.H.Bohr görerek kendi adıyla anılan atom modelini ortaya atarak modern
kuantum teorinin zeminini atacaktır.
1913 yılında ünlü bilim insanı N.Bohr yaptığı bazı kuramsal çalışmalarda atomun hiçte
Rutherford’un sandığı gibi bir yapıda olmadığını göstermiştir.Bohr’a göre atom çekirdek
denilen (proton ve nötron ki nötron daha sonra Chadwick tarafından
keşfedilecektir,Rutherford’un öğrencisidir aynı zamanda Chadwick) bir yapıda
oluşmaktadır,elektronlar ise belli dairesel yörüngelerle çekirdeğin etrafında
dolaşmaktadırlar.Fakat bu konuda bir açıklama yapmayan Bohr sadece bazı durumları klasik
mekaniğe göre açıklama durumunda kalmıştır,bunlardan biride momentumdur (hızın
kütleye olan çarpımı demektir)birde Bohr çok elektronlu atomları açıklayamamıştır.Bohr’un
teorisi ise şu dört varsayıma dayanmaktadır.
1. Elektronlar belli bir yörüngede dururlar ve h/2π gibi bir açısal momentum oranına
sahiptir.
2. Elektronlar kararlı enerji seviyesinde belli bir yörüngede hareket ederler.
3. Elektron kararlıyken ışık yayınlamaz.Anacak yüksek enerji durumundan,düşük enerji
durumuna geçerse yayınlar.
4. Elektron oldukça kararlı bir yapıda bulunmak ister ve enerji düzeyi 1 olmak üzere,her
enerji düzeyi t gibi + gibi bir tam sayıya denk gelir.
Bugün artık biliyoruz ki,modern atom teorisi bu dört atom modelinden hiç biri
değildir,sadece bir yaklaşımdır ve eksiklikleri vardır.Bu eksiklikler nedir,buna da başka bir
yazımızda kuantum atom modelinde değinebiliriz,konuyu şimdilik burada bırakıp atomaltı
parçacıkları dünyasına giriş yapıyorum.
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
Atomaltı Dünyası
J.Dalton’un atom hakkında söylediklerini daha önceki bölümden biliyoruz.J.J.Thomson
yaptığı bir çok deney sonucunda nihai parçacık olan elektrona ulaşmış ve bu durum modern
atomun temeli olarak önemli bir adım olarak görülmüştü.Cavendish laboratuarında
keşfedilen bu parçacık,aynı zamanda keşfedilen ilk atom altı parçacıktır.Elektron üzerinde
biraz duracak olursak,elektron leptonlar grubu bir parçacığıdır.1897 yılında J.J.Thomson
tarafından keşfedilen bu parçacık oldukça hafif ve zayıf bir yüke sahiptir.Sayısal olarak ise
şu değerlere sahiptir;
Kütlesi:9,1091.10-²⁸ g
Yükü ise=1,6021.10-¹⁹
Elektron elektromanyetik kuvvetle çekirdeğe bağlanmıştır ve bütün kimyasal olaylar bu
parçacık tarafından gerçekleştirilir.
Protona dönecek olursak,proton çekirdeği oluşturan ve kuarklarca bir araya gelip oluşan bir
yapıdır.İki yukarı bir aşağı kuarktan oluşan proton bir fermiyondur yani spini
kesirlidir.Protonun keşfi ise atomun nötr olduğu düşüncesinden çıkmıştır.Eğer ortamda bir
denge söz konusu ise,birde bunu dengeleyen durum olmalı,bu durumun adı da
protondur.E.Goldstein 1886 yılında yapılan deney sonucu bu yüklü parçacığa kanal ışınları
demiştir,Bu isim daha sonra E.Rutherford tarafından 1920 de değiştirilerek ve daha
kapsamlı olarak belirlenerek proton adı verilmiştir.Kütlesi elektrondan 1836 kat daha büyük
olan bu yapı aynı zamanda radyoaktivitede büyük görev almaktadır.
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
(İki yukarı,bir aşağı kuarktan oluşan proton )
Çekirdek ve nötrona gelecek olursak,çekirdek atomun merkezinde küçük bir hacme sahip
pozitif yüklü atomaltı bir parçacık bütünüdür (hadron). Çekirdeği daha öncede
hatırlayacağımız gibi E.Rutherford keşfetmiş,alfa parçacıkları saçılması esasında dayanan
bu durum,çekirdeğin varlığını onaylamıştır.
Nötron ise yüksüz bir atomaltı parçacıktır.İki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşan bu
yapı,atomun çekirdeğinin bir parçasıdır.Chadwick tarafından 1932 yılında keşfedilen nötron
,protondan hafif elektrondan ağır bir parçacıktır,radyoaktif bozunmaların çoğu burada
gerçekleşmektedir.
(iki aşağı,bir yukarı kuarktan oluşan nötron)
Kuarklar
Kuarklar maddenin yapıtaşını oluşturan proton ve nötronun yapı birimleridir.Proton iki
yukarı bir aşağı kuarktan oluşur,nötron ise iki aşağı bir yukarı kuarktan oluşur ve bunlar
birer baryon ailesidir.(Baryonlar 3’lü kuarklara denir ve bunlara proton,nötron,ksi ve omega
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
örnektir.)
Bir fermiyon olan baryonlar proton hariç tamamı kararsızdır ve bozunarak diğer
parçacıklara ayrışırlar.Nötron ise iki aşağı bir yukarı kuarktan oluşur ve bir baryondur.Peki
bu kuarklar nasıl bir arada duruyor? Bununda yanıyı gulondur ,tutkal anlamına gelen bu
yapı,merkezden uzaklaştıkça çekim arttığından bu derece bir enerjiye sahip bir hızlandırıcı
şimdilik bulunmuyor.Peki kuarkların varlığından nasıl bu kadar emin olabiliyoruz ? bununda
cevabı;Protonları elektronlarla bombardımana tabi tutulduklarında oluşan durumun 3 tane
parçacığın topaklandığıdır.Bu kuarkların hangi kuarklara ait olduğunu nereden biliyoruz
soruna da yanıtımız;kuarkların davranışları ve bozunma hızlarıdır.
Kuarkla aynı orbitaller gibi kuantum sayılarına sahiptirler.Bunlar renklerdir yani her
kuantum sayısının bir rengi vardır,kırmızı,mev,yeşil olarak adlandırılan bu renk isimleri
esasında kuarklara renkli oldukları için konulmamıştır,sadece bazı durumları daha iyi
açıklayabilmek için bu renk isimleri verilmiştir.
Birde kuarkların hapsi var,bu da kuarklara belli derecede enerji verilirse burada kuarkları
ayıran diğer bir sanal parçacık araya girer ve bu kuarkları tekrar başka kuarklara
yönlendirir ve bu kuarklar arasında kümelenmeler oluşur,işte bu kümelere ‘kuark hapsi’
denir ve kuarkları merkeze doğru büyük bir kuvvetle çeker,bu kuvvet taşıyıcısının adı da
gluondur,gluonda İngilizcede glue yani tutkal kelimesinden gelmektedir.
Kuarkların bir diğer etkileşimi ise iki kümelerdir,bunlar mezonlardır,bir kuark birde anti
kuarktan oluşan bu yapılar birer bozundur yani spinleri tam değerdir.Baryonlar ve
mezonları bir araya getiren yapıya da hadronlar diyoruz.
Kuarkları spinlerine göre sıralayacak olursak;
Kuark
Spin
Alt
-1/3
Üst
+2/3
Tılsımlı
+2/3
Acayip
-1/3
Aşağı
-1/3
Yukarı
+2/3
Mezonlara diğer bir örnek ise pion,kaon ve etadır.Yukowa yaptığı bir çok kuramsal
çalışmada protonla nötron arasında orta kütleli bir parçacığın olabileceği düşüncesini ortaya
atmış,daha sonra buna mezo yani orta anlamında mezon adı verilmiştir.Yukowa’nın önerdiği
mezon ise kararsız bir parçacık olan pion’dur
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
Mezonlar ve baryonlar birleşerek hadronları oluşturur demiştik,mezonlar bir kuark birde
anti kuarktan oluşurlar yani birer bozondurlar hatırlanacağı gibi.Pion,kaon,eta bunlara
örnektir ve eta hariç hepsi kararsızdırlar.Baryonlar ise proton,nötron,omega,ksi,lamda gibi
parçacıklardan oluşmuşlardır,bunlarda 6 çeşit kuarkın spin istatistiğine uyan durumlarını
ifade eder ve kuantum spin kuramına uyarlar ve birer fermiyondurlar.Fermiyon ise,fermidirac istatistiğine uyan parçacıklardır yani aslında parçacıklar iki gruba ayrılılar,fermiyon ve
bozon,fermiyonlar aynı zamanda kesirli spinlidir.Daha doğrusu leptonların ve kuarkların
hepsi birer fermiyondur.Işık yani foton ve higgs bozonu (maddeye kütle kazandıran
parçacıktır aynı zamanda) bozonlara birer örnektir.Bozon ise,Bose-Einstein istatistiğine
uyarlar ve spinleri tam sayılardır,foton graviton buna örnektir.
Leptonlar
Leptonlar ise 6 çeşit parçacığın ve bunların antiparçacıklarından oluşur,bunlar
elektron,elektron nötrinosu,müun,müon nötrinosu,tau ve tau nötrinosudur,en ağır lepton ise
tau,en hafif olanı elektrondur,leptonlarda zaten kelime anlamı ‘zayıf,küçük’ demektir.Lepton
ismi ise ilk olarak 1948’de fizikçi L.Rosenfels tarafından kullanışmıştır.Müon ilk kez 1936
yılında C.D.Anderson tarafından,bir nötriona olan müon nötrinosu ise 1962 yılında
L.M.Lederman,M.Schwatz ve J.steinberger tarafından,yine bir nötrino olan tau nötrinosu ise
1974 ile 1977 yılları arasında M.L.Perl adında bir fizikçi tarafından keşfedilmişlerdir.
Bunun dışında elektron ve elektron nötrinosu var,bunlarda bazı olaylardan
sorumludurlar,bunlar;
Elektron nötrinosu:Her saniye vücudumuzdan geçer
Elektron ise daha öncede söylediğimiz gibi,kimyasal olaylardan sorumludur.Bütün
leptonların spinleri ½ dir yani hepsi birer fermiyondur.
Birde skyremiyonlar var,bunlar ise bozonlardan oluşmuş fermiyonlardır,yani bozon tam bir
spin hareketi yapamaz,bunun yerini fermiyon alır ve yarım şekil yaparak hareketini
tamamlar,bu duruma da skyrmiyon denir.Bu kuram bozonların fermiyon gibi davranmalarını
açıklar.
Atomaltı parçacıkların çoğu örneğin neredeyse kozmik ışınlardan elde edilir ve yeryüzünden
neredeyse yok denecek kadar azdırlar.
Bunları dışında birde antiparçacık-parçacık ikilemi var,bu da kuantum mekaniğinin
temellerini atan Dirac tarafından ortaya atılmıştır ve daha sonra ise doğrulanmıştır.ilk
antiparçacık elektronun karşı parçacığı olan pozitrondur.1932 yılında bulunan bu parçacık
daha sonra antiparçacık olgusunu daha da genişletmesi adına önemli bir adımdır.
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
Doğada her parçacığın birde antiparçacığı olduğuna inanılıyor,peki her parçacığın bir
antiparçacığı varsa bu iki durum neden kendini yok etmiyor? Bununda yanıtı,burada
parçacık durumu antiparçacıktan daha fazladır ve bu durum diğer parçacığı yok edip
enerjiye çevirmiyor.
Bunun dışında sürpriz bir parçacık olan nötrino W.Pauli tarafından 26 yıl önce ortaya atılmış
ve daha sonra bu doğrulanmıştır.Bunu da şu sözleriyle tamamlayan Pauli oldukça mutlu
olmuştur bu durumdan ‘Her şey beklemeyi bilen kişiye sonunda gelecektir.’ Ve sözleriyle
tamamlamıştır.
Nötrinoya gelecek olursak,nötrino beta bozunması sonucu açığa çıkan yüksüz ve bulunması
oldukça zor bir parçacıktır,ilk sürpriz yaptı dediğimiz parçacıktır,daha sonra bunları
pozitron,müon,pion,sigma,hiperon ve delta takip etmiştir.
Doğadaki temel kuvvetlere gelecek olursak,bu kuvvetler dört gruba ayrılmaktadır,bunlar;
Temel Kuvvetler
Kuvvet Taşıyıcısı
Güçlü etkileşim
Gluonlar
Zayıf etkileşim
W+,W-,W⁰
Elektromanyetik kuvvet
Fotonlar
Kütleçekim
Graviton
Kuvvet taşıyıcıları birer bozondur yani maddenin yapıtaşları değillerdir,bu yüzden madde
etkileşmelerinde yerleri yoktur graviton ise bulunması şimdilik zor görünen bir parçacık
ki,bunun için fizik kuralları geçersiz kalır diyor bazı kaynaklar diyerek yazımızı da burada
sonlandırıyoruz,vakit ayırıp okuyan tüm dostlara canı gönülden teşekkür ederiz.Başka bir
yazımızda görüşmek üzere,esen kalın.
Kaynaklar
1. Parçacık Fiziği En Küçüğü Keşfetme Macerası – Sezen Sekmen (ODTÜ Geliştirme Vakfı
Yayıncılık )
2. Yrd.Doç.Dr.Soner Ergül – Genel Kimya (Anı Yayıncılık-2009)
3. http://tr.wikipedia.org/wiki/Atom
4. http://tr.wikipedia.org/wiki/Kuark
5. http://tr.wikipedia.org/wiki/Lepton
6. http://www.yaklasansaat.com/evren/temel_parcaciklar/temel_parcacik.asp
7. http://www20.uludag.edu.tr/~epilicer/kuvvet.html#gravitasyonel
8. http://tr.wikipedia.org/wiki/Par%C3%A7ac%C4%B1k_fizi%C4%9Fi
9. http://tr.wikipedia.org/wiki/Standart_Model
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/atomaltiparcaciklar.htm
http://tr.wikipedia.org/wiki/Renk_hapsi
http://tr.wikipedia.org/wiki/Dalton_Atom_Modeli
http://tr.wikipedia.org/wiki/Thomson_atom_modeli
http://tr.wikipedia.org/wiki/Rutherford_atom_modeli
http://tr.wikipedia.org/wiki/Bohr_modeli
http://w2.anadolu.edu.tr/aos/kitap/IOLTP/2279/unite12.pdf
http://eogrenme.anadolu.edu.tr/eKitap/FEL101U.pdf
Yazar : İsmail ÇELİK
Üniversite : Abant İzzet Baysal Üniversitesi
Bölüm : Kimyager
Dergi : Sayı 1– Sayfa 25
Yorumlar
İnovatif Kimya Dergisi kaynak gösterilmeden paylaşılamaz.