Atomlar Görünemiyorsa, Bilim İnsanları Maddenin Atomlardan Oluştuğunu Nasıl Anladı?
Atomlar çıplak gözle göremiyor olsak da, var olduklarını binlerce yıldır biliyoruz. M.Ö. 5. Yüzyılda eski Yunan filozofu ve bilim insanı Demokritos, parçalarına ayrılmaya devam edildiği sürece, maddenin mümkün olan en küçük miktarına, yani atomuna ulaşılabileceğini iddia etmişti.
Demokritos’un haklı olduğu ortaya çıkmıştır. Bir atom kalsiyum, bir bardak sütteki en az kalsiyum miktarıdır. Bir atom altın, alyanstaki en küçük altın parçasıdır. Bir atom sodyum ise tuzluktaki en ufacık sodyum parçacığıdır.
Atomlar yok denecek kadar küçük olmalarına rağmen % 99’u boşluktur. Eğer Güneş, bir atomun çekirdeği olsaydı, atomun en dış yörüngesindeki elektronlar 16 milyar kilometreden daha fazla uzaklıkta olurdu. Bu da Plüton’un Güneş’e olan uzaklığının neredeyse üç katıdır. ( Bir futbol sahasını atom kabul edersek, sahanın ortasındaki bir tenis topu çekirdeği temsil eder, gerisi boşluktur).
Demokritos atomların gerçekten var olduğunu kanıtlayamamış olsa da, bu kanı yüzyıllardır defalarca kez ele alınmış, tekrar tekrar gündeme gelmiştir. Neden mi? Çünkü bilim insanlarının deneylerde gördüklerini açıklamaya yardımcı olmuştur. 1800’lü yılların başında İngiliz kimyager John Dalton, iki maddenin kimyasal bir reaksiyonla birleşmesi sırasında, yemek tarifinde olduğu gibi, bu maddelerin ağırlıklarının sabit oranlarda kullanıldığını bulmuştur.
Bu şu anlama geliyordu: Bir maddenin atomları başka bir maddenin farklı ağırlıktaki atomlarına özdeş ve eşit ağırlıkta bağlanır.
Dalton, atomları minik yuvarlak toplar gibi düşünmüştür. Ancak sonradan gerçekleştirilen deneyler; kalsiyum, civa veya başka bir element olsun, her bir atomun çok daha küçük parçalardan oluştuğunu göstermiştir.
1900’lü yılların başlarında Ernest Rutherford adlı bilim insanı, atomun iç kısmının nasıl olabileceğini gösteren deneyler tasarlamıştır. Bilim insanları, pozitif yüklü parçacıkları çok ince bir altın folyo üzerine, yüksek hızda fırlatmışlardır. Parçacıklardan bazıları vınlayarak doğrudan folyodan geçmiş ama diğerleri esrarengiz şekilde yön değiştirerek yanlara sapmıştır. Bazıları da sekerek deney yapanların üzerine sıçramıştır. Rutherford bunu, ‘’ Peçete kağıdına fırlatılan ağır bir mermi topunun geri sekip size çarpması gibiydi’’ diyerek tarif etmiştir.
Neden pozitif yüklü tüm parçacıklar folyodan geçmemiştir? Bilim insanları birçoğunun geri püskürttüğünü fark ettiler. Utherford’un deneyi, atomların protonlar adı verilen pozitif yüklü parçacıklardan oluşan bir çekirdek ihtiva ettiğini kanıtlamışlar.
Sonraki deneylerde elektriksel olarak nötr parçacıkların, yani nötronların, atom merkezlerinde toplandığı anlaşılmıştır. Görece büyük bir mesafede, çekirdek etrafında vızıldayanlar, negatif yüklü ( elektron) parçacıklarıdır. Bu elektronlar, çiçek özünün peşindeki arılar gibi, pozitif protonların cazibesine kapılarak çekirdek etrafında toplanır.
Peki Atomları Nasıl Görebilir ve Etrafa Saçabiliriz ?
Bilim insanları öteden beri atomların var olduklarını bilmelerine rağmen, onları bizzat göremedikleri için hayal kırıklığı yaşamışlardır. Günümüzde ise bilim insanları, taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak bilgisayar ekranı üzerinde atomların görüntülerini toplayabilir ve bir yüzey üzerinde gerçek atomları hareket ettirebilirler.
Atomlar 0.1016 ile 0.4064 nanometre büyüklüğünde, yani çok küçük olduklarından sıradan mikroskoplarla görülmeleri imkansızdır. Kolunuzdaki bir kıl, bir atomdan bir milyon ke daha büyüktür. Bir atomu aydınlatmak için gözle görülebilir ışık da kullanamayız. Sıradan bir ışığın dalga boyu, atomdan yaklaşık olarak 2.000 ile 5.000 kez daha büyüktür.
Taramalı tünelleme mikroskobu, içine bakılan bir mikroskop değildir. Madde yüzeyinin hemen üzerinde, dikkatlice hareket ettirilebilecek iletken bir ucu olan bilgisayar donanımlı bir alettir. Bu uç hareket ederken, elektronlar uç ve yüzey arasındaki boşluğa atlayarak minik bir elektrik akımı meydana getirir.
Uç ve yüzey arasındaki mesafe değişirken, bu akım da değişikliğe uğrar. Pürüzsüz görünen bir yüzey, atomik seviyede bombelidir. Uç, atomların üzerinden birer birer geçer, tıpkı engebeli bir arazide tepelerin üzerinden geçer gibi. Bilgisayar, madde yüzeyinin haritasını çıkararak atomları görüntüler. İşte böylece atomları görmüş oluruz.
Bilim insanları atomları manipüle etmek için de bu mikroskobu kullanırlar. Öncelikle -269,4 santigrat derecede atomları soğuturlar. Bu sıcaklık, neredeyse, parçacıkların hareket etmeyi resmen bıraktığı ‘’ mutlak sıfır ‘’ ( -273,15 santigrat derece ) derecesi kadar soğuktur. Bir iğneyi mıknatıs kullanarak dokunmadan hareket ettirir gibi, taramalı tünelleme mikroskobunu kullanan bilim insanları da atomları, sözcükleri okuyan çeşitli şekillere doğru itmişlerdir. Sözcükler bir çeşit atomik Braille alfabesi gibi sadece taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak okunabilir.