Einstein Atomu Nasıl Parçaladı Gerçek atom kütlesi

BİLİM KAYNAĞI

  Atom çok küçük olduğu için, 19. yüzyılın sonuna kadar onun hakkında bilinenlerin çoğu, oldukça yüksek bir hata payıyla teori veya deneyin sonucuydu. Atom, maddeyi oluşturan bölünmez ve kararlı bir yapı olarak kabul edilir. Görünmez atomların iç yapısı hakkında bir bilgi olmadığı gibi, bu iç yapıyı ve atomları oluşturan parçacıkları inceleyecek herhangi bir deneysel teknoloji ve ekipman da yoktur. Ancak teknolojinin ve sanatın gelişmesi  sayesinde  beklenmedik deneysel cihazlar gerçek oldu. Her şeyin başlangıcı  basitti: Cam üfleme ve cam yapımının gelişmesi sayesinde, gazın neredeyse tamamen boşaltıldığı cam tüpler Avrupa'da üretilebildi. O cam tüplerden biri 

 Bir uca bir plaka, diğer uca bir plaka yerleştirildi ve  sistemden yüksek voltajlı bir akım geçirildi. İçerdiği ince gaza bağlı olarak cam tüpten farklı renklerde ışık yayılır. Katot ışınları adı verilen bir levhadan diğerine geçen parçacıklara ne olduğu büyük bir gizemdir. Alman fizikçi Johann Hittorf, 1869'da katot ışınlarını keşfetti.

  J. J. Thomson 1897'de katot ışınının aslında şimdiye kadar bilinmeyen negatif yüklü bir parçacık olduğunu fark etti. Atomun temel bir parçacık olmadığını, başka parçacıklardan oluştuğunu gösterdiği için önemlidir. Ama şimdi yeni bir sorun ortaya çıktı. Atomlar tamamen boşalmıştır, ancak negatif yüklü parçacıklar içerir. Bu sorunu çözmek için Thomson, elektronların ve pozitif yüklü parçacıkların birbirine dolandığı bir model önerdi. Bu modelde, negatif yükler, pozitif yüklü bir pudingdeki eriklerle karşılaştırılır. Thomson'ın atom modeli Türkiye'de kuru üzümlü turta modeli olarak bilindiğinden, erik pudingi Türk fizikçilerini memnun etmeyecektir. 

 

 Erik pudingi veya üzümlü kek modelinin raf ömrü  uzun sürmez. Atomun yapısını öğrenmeye can atan Hans Geiger ve Ernest Marsden, 1909'da bir deney yaptılar: Alfa parçacıklarını (helyum atomunun çekirdeğini), çocukların kaşıkla pudingi kemirmeleri gibi, ince bir altın tabakasının üzerine yerleştirdiler. Alfa parçacıkları bir elektronun yaklaşık 8.000 katı ağırlığında ve  ortalama 16.000 km/s hıza sahip olduğundan, parçacıkların bir peçeteye sıkıştırılmış altın benzeri kurşun tabakasından geçmiş olması gerekirdi. Bu hızda bir parçacık bir Thomson atomuna yaklaştığında, dağınık pozitif yük tarafından hafifçe itilir ve birçok elektron tarafından hafifçe çekilir. Ama sonunda çok az yön değiştirecek ve yoluna devam edecek. Geiger ve Marsden deneylerinde, bu beklentinin aksine her 8.000 alfa parçacığından 1'inin geldiği yönden 90 derecenin biraz üzerinde dağıldığını gözlemlediler. İşte harika bir keşif: Bazı alfa parçacıkları duvara çarpıyormuş gibi saçılıyor, neredeyse kurşun bir havludan sekiyor! Bu, Thomson'ın atom modeliyle açıklanamaz. Geiger ve Marsden'in öğretmeni Rutherford, gözlemi hayatının en önemli görüşü olarak tanımladı ve teorik olarak açıklamak için bir kağıt parçası çıkardı. En olası açıklama, Thomson'ın tüm atoma dağıttığı kütle ve pozitif yükün bir merkezde toplanmış olmasıdır. Böylece Rutherford, atomun  yarıçapı  atomunkinden çok daha küçük olan pozitif yüklü bir çekirdeğe sahip olduğunu öne sürdü ve mevcut verileri kullanarak bu çekirdeğin yarıçapını  hesapladı.

Çekirdeklerin alfa parçacıklarını nasıl saçtığını hesaplayan "saçılma formülü", deneyde gözlenen saçılma açılarını açıkladı. 

 Rutherford'un 1911'de önerdiği model, bir anlamda atomik bir güneş sistemi modeliydi. Çekirdekler güneşe, elektronlar ise gezegenlere karşılık geliyordu. Elbette burada temel bir sorun vardı. Elektronlar daha önce keşfedilmişti, ancak çekirdeği oluşturan bir veya daha fazla parçacık  henüz keşfedilmedi. Sonraki yıllarda bu parçacıkların proton (Rutherford, 1919) ve nötron (Chadwick, 1931) olduğu bulundu. 

 

 Danimarkalı doktora sonrası  Niels Bohr, Rutherford ile işbirliği içinde atomun yapısı hakkında düşünmeye başladı.  Güneş sisteminin atom modeliyle ilgili ciddi bir sorun vardı. Artı yüklüyse 

 Çekirdek ve negatif yüklü elektronlar güneş sistemi gibi hareket ediyorsa ve bu hareket elektromanyetik kuvvetten kaynaklanıyorsa, atomun ömrü saniyenin on milyarda biri kadar olmalıdır. 19. yüzyılda fizikçiler, hızlandırılmış yüklü parçacıkların elektromanyetik dalgalar yaydıklarını önce teorik, sonra da deneysel olarak keşfettiler. Aslında daha önce de belirtildiği gibi radyo bu keşif sonucunda icat edilmiştir. Hızlandırılmış ve elektromanyetik dalgalar, yüksek hızlı döner elektron dairesel hareketinde dağıtılır ve yaklaşık 2000 km / s'lik atomların atomlarında elektron dairesel hareketinde dağıtılır. Kısa sürede, yüksek enerjili daha fazla elektromanyetik dalgaları genişleterek toplam enerjisini kaybetmelidir. 

 Klasik fiziğe göre, kısa hesaplar atomların böyle olmadığını gösteriyor. Bu durumda, klasik fiziğe göre atomları çağırın.

19. yüzyıl fizikçileri gerçekten de atomların ışık tayfını çok detaylı bir şekilde incelediler. Buldukları  maddeyi ısıtıp yaratacaklar, ışığı bir prizmadan geçirecekler ve kaydedecekler. Bu maddeler sofra tuzu içerir. Kirchoff sofra tuzunu yaktı, sararmasını izledi ve sodyum spektrumunu inceledi. Aslında, güneş ışığını incelerken, Güneş'in atmosferinde de sodyum olması gerektiğini keşfetti. 20. yüzyılın başında, atomun spektrumu üzerine 5000 sayfadan fazla bir çalışma yapıldı. Aslında, birçok element doğrudan spektral analiz sonuçlarından bulunur. Örneğin, periyodik tablonun ikinci elementi olan helyum, kendine özgü parıltısıyla Güneş'te ilk kez 1868'de keşfedildi. Bu ismine bakılarak anlaşılabilir: Yunanca helios, Güneş anlamına gelir. Daha sonra bu element 1882'de yeryüzünde de bulundu. Birçok deneysel araştırmaya rağmen atomun renkli dünyası henüz teorik olarak açıklanamadı. 

 Rutherford'un atom modeliyle ilgili önemli bir sorun, her atomun benzersiz bir ışık spektrumuna sahip olmasıdır. Bu, klasik fizikle tasavvur edilebilecek bir durum değildir. Örneğin, hidrojen atomu  4 farklı dalga boyunda (kırmızıdan maviye) ışık yayar. Klasik fiziğin öngördüğü gibi neden tüm renkler veya tüm frekanslar değil?

  Bohr, atomların kararlılığını ve spektrumunu açıklamak için bir teori aramaya başladı. Galileo, Newton, Maxwell gibi 17., 18. ve 19. yüzyıllarda  pek çok bilim insanının katkılarıyla şekillenen ve görünür dünyada bu kadar iyi işleyen klasik fizik, atom düzeyinde çalışmadı! Temel soru şuydu. Bu ölçekte klasik fizik doğru sonuçlar vermiyorsa, hangi fizik yasaları doğrudur? 1913'te Bohr, atom için uygun teorinin kuantum fiziği teorisi olduğunu fark etti. Atomları anlamak için Bohr, Planck ve Einstein'ın (1905) fikirlerini kullandı. Işığın enerjisi ayrık değerler alır. Bir hidrojen atomundaki elektronların enerjilerinin süreksiz, yörüngenin de süreksiz olabileceğini söylemiş ve yaptığı hesaplamalarla hidrojen atomunun spektrumunu tanımlamıştır. Bu hesaba göre elektron, atoma en yakın mesafeydi. Bu mesafe yaklaşık 0,5 angstrom idi. Elektron bu yörüngedeyken atom en düşük enerji seviyesindeydi ve ışık yayamadı. Bohr'un hesaplamasına göre elektronun verilebileceği yörünge, r = n2 * 0,5 angstrom, n = 1, 2, 3, 4, ... olarak verilmiştir. n=1 temel durum olduğunda 

 Diğer duruma burada durumu denir. Bir elektron daha yüksek bir yörüngeden daha düşük bir yörüngeye geçtiğinde, enerji farkına karşılık gelen bir foton yayar. Enerji farkı büyükse yayılan ışık ultraviyole veya görünür tayfta, enerji farkı küçükse yayılan ışık kızılötesi tayftadır. Örneğin, bir hidrojen atomunun  görünür spektrumu, dörtlü ışık, uyarılmış n=6, 5, 4, 3 durumlarından n=2 durumuna geçiş sırasında ortaya çıkar. 

 Düşen ışığın frekansları eşleştiğinde, hidrojen atomları ışığı emer ve düşük bir seviyeden yüksek bir seviyeye yükselerek heyecanlanır. Elbette hidrojen uzun süre uyarılmış halde kalamaz, hemen parlar ve  eski haline döner.

  Bohr modeli bir elektron atomu için çok iyi sonuçlar veriyor ancak periyodik tabloyu anlamak için yeterince iyi değil. 1925-1926'da Heisenberg ve Schrödinger "yeni" bir kuantum teorisi keşfettiler. Planck ve Einstein'ın ayrık ışık enerjisi kavramına ek olarak, yeni bir teori oluşturmak için de Broglie'nin "maddenin de dalga özellikleri sergilediği" fikrini birleştirdi. Başarılı olduğunda Heisenberg 22, Schrödinger ise 39 yaşındaydı. Teorinin kurucusunun çok genç olması nedeniyle kuantum fiziği akademide bir süredir "bebek fiziği" olarak anılıyor! 

 Kuantum mekaniğine göre artık mikroskobik nesnelerin yörüngelerinden bahsetmek mümkün değildi. Parçacıklar hakkında bildiğimiz tek bir şey vardı ve bu kesin olmayan bir olasılıktı. Örneğin, "Bir hidrojen atomundaki elektronlar nerede?" sorusunun cevabı: her yerde, ama başka olasılıklar da var! Schrödinger, bu olasılıkları hesaplamak için çok faydalı bir denklem buldu. Bu denklemin çözümü, deneyle çok iyi bir uyum içinde sonuçlar verdi. Tamamen uyumlu sonuçlar elde etmek için Schrödinger'in teorisini Albert Einstein'ın özel görelilik teorisiyle birleştirmek gerekiyordu.  26 yaşındaki Dirac işi yaptı. Dirac'ın yeni teorisine göreli kuantum mekaniği denir. 

 1930'a gelindiğinde, fizik teorisinin atomların kimyasal özelliklerini teorik bir bakış açısından neredeyse mükemmel bir şekilde açıkladığı keşfedilmişti. Ancak Dirac'ın teorisinde çok ilginç bir parçacık daha vardı. Pozitif yüklü bir elektrondur. Dirac'ın evrenin elektronlarla aynı kütleye sahip ancak pozitif yüklü parçacıklar (pozitronlar) içermesi gerektiği teorisine dayanıyordu. Aslında, Anderson bu tür parçacıkları 1932'de uzay aracında keşfetti. Bu buluş için, o ve Dirac Nobel Ödülü'nü kazandı. Bunu düşün. İngiltere, Cambridge Üniversitesi'ndeki masasında Dirac, hesaplamalarını yaptı ve evrende pozitif yüklü elektronların olması gerektiğini keşfetti. Yıllar sonra, bu parçacık laboratuvarda Amerikalı bir deneysel fizikçi tarafından keşfedildi! Teorik fiziğin tahmin gücü gerçekten şaşırtıcı.

  1930'larda ana parçacıkların sayısı, elektronik, fotonlar, positron, proton ve nötronlar arttı. 

 Tabii ki, bir problemin oldu mu? Birlikte nasıl çalışabilirim? 

 Fizik küçük sokaklarda etkili olmuştur ve elektromanyetik kuvvet ve elektromanyetik kuvvet ve kütle etkisi ile zayıf ve güçlü nükleer enerji buldu. Güçlü güç çekirdeği birlikte yapıldı. Zayıf kuvvet, yıldızın kitleyi nasıl enerjiye  dönüştürdüğünü açıkladı. Yani bir yıldız, hidrojen atomlarını sıcak çekirdeğindeki helyum atomları gibi daha ağır elementlere dönüştürdüğünde zayıflar. 

 Güç çok önemli bir rol oynadı. Kısacası, bir protondan bir nötron oluşturabilecek tek mekanizma, zayıf bir kuvvet ya da zayıf bir kuvvetti. Bunu söyleyebiliriz. Vücut kütlemizin neredeyse yarısı nötronlardan oluşur, ancak nötronlar serbest hallerinde kararsız hale gelen parçacıklardır. Yaklaşık 14 dakikalık bir ömre sahiptir ve daha sonra ayrışır. Serbest nötronlar bulunmasaydı ve evrenin sıcak evresinde atomlar olmasaydı, bu nötronlar daha sonra oluşacaktı. Başka bir deyişle, nötron üretmek için bir mekanizmaya ihtiyacınız var. Zayıf etkileşimler, protonlardan nötron oluşturma olasılığını gösterir. Elbette bunun mümkün olması için, güneşin merkezi gibi yaklaşık 15 milyon derecelik bir sıcaklığa ihtiyacı olacaktır. 

 1940'larda yeni  bir parçacık keşfedildi. Ardından, "Hangi parçacık en temeldir ve bu parçacığın fiziği nedir?" sorusunun cevabını uzun süre aramaya başladı. Protonların ve nötronların alt parçacıkları olmak üzere iki tür kuark keşfedilmiştir. Bugün geldiğimiz noktada evrende maddeyi oluşturan  iki tür parçacık vardır: kuarklar (üst ve alt) ve elektronlar. Fotonlar gibi gelip giden parçacıklar da vardır. Bu parçacıklar, bu malzeme parçacıklarının etkileşime girmesine izin verir. Zayıf kuvvetler için W ve Z'nin korunumu, güçlü kuvvetler için  gluonlar. Bu parçacıkların ayrıca çok kararsız arkadaşları vardır: 4  daha ağır kuark. Bir araya geldiklerinde kararlı parçacıklar oluşturmazlar ve var oldukları anda yok olurlar, dolayısıyla somut bir madde oluşturmazlar. Elektronların ayrıca iki ortağı vardır: müonlar ve tau parçacıkları. Ömürleri de çok kısadır. Temel parçacıklara kütle veren Higgs parçacıkları da 2012 yılında keşfedildi. Kütlesi bir protonunkinin yaklaşık 130 katıdır. Sonuçta, iki kuark ve bir elektronun tüm periyodik tabloyu açıklayabilmesi gerçekten şaşırtıcı. 

 "Maddenin en temel yapısında neler var" sorusu bizi kuarklara ve elektronlara götürdü. Henüz ayrılmaz gibi görünüyor ve aslında  hiç hacminin olmadığı söylenebilir. 

 En genel anlamıyla burada özetlenen modern atom teorisi yaklaşık 2500 yıllık bir serüvene sahiptir. Atomlar yüzyıllar boyunca yavaş yavaş anlaşıldı, ancak bazen bilim adamları çalışmalarının atomları anlamamıza yardımcı olacağını düşünmediler bile. Ancak tüm bu bilim adamlarının birikmiş katkıları  sayesinde  bugün atomlar hakkında bir anlayış ve anlayışa  sahibiz. Adını anan ama adı geçmeyen tüm bu bilim adamlarına teşekkürler.