Ana Sayfa Fizik Modern Atom Kuramının Gelişimi

Modern Atom Kuramının Gelişimi

342
0
  Okuma Süresi:   Bu yazıyı  " 7 "  dakikada okuyabiliriniz.
MODERN ATOM KURAMI
Sitemin tek geliri olan reklamları görüntülemek için AdBlock eklentinizi kapatırsanız sevinirim 🙂

Bölüm 1: Madde Nedir?

Maddenin tanımını yapmak aslında çok kolay değil. İlkokuldan hatırladığımız basit tarifi kullanmak en iyisi: Kütlesi ve hacmi olan her şeye madde diyoruz. Madde hakkında pek çok şey biliyoruz. Örneğin dört hali var: Katı, sıvı, gaz, plazma.

Başka? Atomlardan oluşur. Maddenin atomlardan oluştuğu çıkarımı Antik Çağlar’dan beri vardı. Bir tahtayı ikiye böldüğümüzde parçaların ikisi de tahtadır. Parçaları bölmeye devam ettiğimiz sürece parçalarda hep tahta olacaktır. Burada önümüze iki seçenek çıkıyor: Ya maddenin sonsuza kadar bölünebileceğini kabul edeceğiz ya da maddeyi oluşturan temel bir veya daha fazla sayıda parçacık olduğunu kabul edeceğiz.

Eski Yunan’da oluşan bir düşünceye göre maddenin artık daha fazla bölünemeyen bir temel yapıtaşı vardıve bu yapıtaşının adı da “bölünemez” anlamına gelen “atom” idi. 21. yüzyılın başına kadar, yani deneysel olarak atomların varlığı ispat edilene kadar, bir kısım bilim insanı atomların varlığına inanıyor ama bir kısmı da inanmıyordu.

Bugün artık elektron mikroskobu ile 10 milyon defa büyütüp tek bir atomu görebiliyoruz. Atomların bölünebildiğinive birleşerek molekülleri oluşturabildiğini de biliyoruz. Hatta atom çekirdeğinin bölünmesi ve birleşmesi sırasında çok büyük enerji ortaya çıkıyor. Yıldızlar yanarken atom çekirdekleri birleşiyor, uranyum ve plütonyum bombalarında da ağır atom çekirdekleri parçalanıyor.

Maddenin enerji olarak karşılığını Einstein’ın meşhur E=mc2 formülü sayesinde biliyoruz. Bütün bunlardan öğrendiğimiz atomun da temel bir parçacık olmadığı. Atom elektron, proton ve nötron gibi parçacıklardan oluşuyor. Elektron temel bir parçacık, onu daha fazla bölmemiz mümkün görünmüyor, ancak atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötron temel parçacık değil, onlarıda oluşturan temel parçacıklar var.

Bunlar kuarklar ve gluonlar diye isimlendirilmiş. Bu temel parçacıklara geçmeden önce cevaplamamız gereken başka sorular var. Farklı birçok madde olduğuna göre bu maddeleri oluşturan farklı birçok atom olduğunu kabul edebiliriz. Bugün periyodik tabloda, hidrojenden 2013 yılında bulunan ununpentiyuma kadar, 92’si doğal, 115 element yer alıyor.

İzotopları yani proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan atomları düşünmezsek, demek ki doğada en az 92 tane birbirinden farklı atom var. Gerçi evrendeki maddenin çok önemli bir kısmı en basit atom olan hidrojen atomu biçiminde. İnsan vücudunda periyodik tablodaki elementlerden yaklaşık 60 tanesi bulunsa da çoğu eser miktarda, örneğin dişlerimiz için vazgeçilmez olan flor atomu kütlemizin sadece milyonda 37’si kadar!

Vücut kütlemizin %65’i oksijen, %18’i karbon, %10’u hidrojen, % 3’ü azot. Peki, atomları birbirinden farklı kılan ne? Bunun için atomları oluşturan parçaları bilmek zorundayız. Sonuçta bölünebiliyorsa, parçalardan oluşmuşlardır.

Bölüm 2: Öncü Çalışmalar

Bilim insanları temel parçacıkları ve atomu incelemek için gerekli cihazlara modern zamanlara kadar sahip olmadı. Fakat bu,maddenin doğasını anlamaya çalışmadılar anlamına gelmiyor.

2.1 Gazlar

Katıları inceleyerek maddenin doğası hakkında fikir edinmek çok zor. Bu yüzden bu alandaki modern anlamda bilimsel sayabileceğimiz çalışmalar, ilk önce etrafımızı saran gaz halindeki hava ile başladı. 17. yüzyılda havanın özellikleri anlaşılmaya başlandı. Evangelista Toricelli cıva barometresini buldu.

Bu önemli bir ölçüm aleti idi. Robert Boyle basınç kavramını buldu. Boyle ve Mariottesabit sıcaklıkta tutulan tüm gazlariçin basıncınve hacmin çarpımının sabit olduğunu buldu (pxv=sabit). Daniel Bernoulli, Boyle-Mariotte yasasını açıklamak için gazları küçük toplar olarak kabul edip basınç hacim çarpımının sabit olduğunu kuramsal olarak gösterdi.

Bu gerçekten önemli bir gelişme idi. Gazların makroskopik özeliklerinin, örneğin basınçlarının, bu şekilde gaz atomlarının ve moleküllerinin hareketi ile açıklanmasına kinetik kuramı diyoruz. Bu kuram, ileride tekrar karşımıza çıkacak.

2.2 Isı

Bilim insanlarının anlamaya çalıştığı bir diğer kavram ısıydı. Önceleri cisimlerin etrafındaonları tıpkı atmosfer gibi saran, “kalorik” adı verilen bir sıvı olduğu düşünülüyordu. O zamanki kurama göre, gözle görülmeyen bu sıvı, birbirini iten “parçacıklardan” oluşuyordu. O yüzden kendi haline bırakılan bir madde zamanla soğuyordu.

18. yüzyılda bilim insanları kalorik sıvının özelliklerini araştırmaya başladı. Örneğin kalorik sıvının kütlesi varsa ısınan cisimler ağırlaşmalıydı. Ama deneyler tam aksini gösteriyordu, cisimler ısındığında ağırlaşmıyor, soğuduğunda hafiflemiyordu. Böylece ısının bir madde olduğu savı sorgulanmaya başlandı.

Joule, 1847 yılında yaptığı deneylerin sonucu olarakısının bir madde değil, madde içindeki hareketin ölçüsü olduğunu ortaya çıkarmıştı. Sanayi Devrimi esnasında çok ilgi çeken bu konuda, Joule çok önemli bir sonuç buldu. Hareket enerjisi ısıya dönüşüyordu,ama toplam enerji her zaman korunuyordu. 19. yüzyılda elde edilen bu önemli sonuç,amatör birçok mucidin hayallerini suya düşürmüştü.

Enerji üretmek, devridaim makineleri yapmak imkânsızdı. Bir sistemdeki toplam enerji daima korunuyordu, ne yok olması ne de enerji üretilmesi mümkündü. Enerji sadece biçim değiştiriyordu. Ardı ardına bugün “termodinamik yasaları” adını verdiğimiz evrensel yasalar keşfedildi. Clausius 1865 yılında entropi yani düzensizlik kavramını ortaya attı.

Fiziksel süreçlerde, kendi haline bırakılan bir sistemin düzensizliği hiçbir zaman azalmıyordu. Buz düzenli, su daha düzensiz, buhar çok daha düzensizdi. Tabii akla şu gelebilir: Buzdolabında su buza dönüşüyor, yani düzensizliği azalıyor! Ama buzdolabı mutfaktaki havayı ısıttığı için elektrik enerjisi odadaki moleküllere dağılıyor ve toplam entropi yani düzensizlik artıyor.

2.3 Küçükten büyüğe doğru

Maxwell ve Boltzmann“ nasıl ki gaz basıncını, gaz molekülerinin gazın içinde bulunduğu kabın çeperine çarpması ile anlayabiliyoruz, termodinamikteki diğer büyüklükleri de moleküllerin hareketleri ile anlayabiliriz” düşüncesiyle 1879’dakinetik kuramını geliştirdi. Örneğin sıcaklık, gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisine karşılık geliyordu.

Bir başka deyişle “bu oda çok sıcak” dediğimizde aslında gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin fazla olmasından şikâyet ediyoruz. Boltzmann entropiyi de bu şekilde anlamaya karar verdi. Termodinamik dengeye oturmuş bir sistemin mümkün olan en düzensiz sistem olduğunu, bu düzensizliğinde o sistemi oluşturan parçaların, örneğin moleküllerin veya atomların bulunabileceği hallerin (mikroskobik haller) çokluğu ile ortaya çıktığını buldu.

Bu doğruysa, entropinin her zaman artması mutlak bir durum değildi, istatistiksel olarak en fazla gerçekleşme ihtimali olan durumdu. Örneğin bir odada açılan kolonya şişesinin içindeki koku molekülleri yaklaşık 500 m/sn ortalama hızla kısa sürede odaya yayılır ve düzensizlik artar. Clausius ve termodinamiğin 2. yasası böyle öngörür. Boltzmann‘a göre ise, koku moleküllerinin hepsinin tekrar şişenin içine girme ihtimali sıfır değildir; çok düşüktür, ama sıfır değildir.

Dolayısıyla entropi genelde artar, ama azalma ihtimali de vardır. Planck Boltzmann’ın bu fikirlerini sevmez ve entropinin mutlak bir kural olarak daima arttığının ispat edilebileceğini düşünür. Bunun için kara cisim ışımasını çalışmaya başlar. Ama bu çalışmanın hiç kimsenin öngöremeyeceği sonuçları olacaktır..

Kaynak : http://www.physics.metu.edu.tr/~btekin/modern_atom_kuraminin_gelisimi.pdf

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz