YazarPhysicist
-
138Okuma Süresi: Bu yazıyı " 7 " dakikada okuyabiliriniz.
Modern Atom Kuramı Yazımızı okumadan önce Modern Atom Kuramı Gelişimi ve Modern Atom Kuramı Başlangıcı Makalelerine göz atmanızı tavsiye ederiz. Bu yazı diğer makalelerin devamı niteliğindedir.
Bohr atomun kararlılığını ve tayfını açıklayacak bir kuram aramaya başladı. 17.,18. ve 19. yüzyıllarda Galileo, Newton, Maxwell gibi pek çok bilim adamının katkılarıyla oluşmuş, görünür dünyada çok iyi çalışan klasik fizik, atom düzeyinde işlemiyordu! Temel soru şuydu: Bu ölçekte klasik fizik doğru sonuçlar vermiyorsa, hangi fizik kuralları geçerliydi?
1913 yılında Bohr atom için uygun olan kuramın kuantum fiziğinin kuramlarıolduğunu anladı. Bohr atomu anlamak için, Planck’ın ve ardından Einstein’ın (1905) ışığın enerjisinin kesikli değerler aldığı fikrini kullandı. Hidrojen atomundaki elektronların enerjilerinin kesikli, yörüngelerinin de kesikli olabileceğini söyledi ve yaptığı hesaplarla hidrojen atomunun tayfını açıkladı.
Bu hesaplara göre elektronun atoma en yakın olabileceği bir uzaklık vardı;bu uzaklık yaklaşık 0,5 Angstrom idi. Elektron bu yörüngede dönerken atom en düşük enerji seviyesinde oluyordu, ışık yayması da mümkün değildi. Elektronun bulunabileceği yörüngeler Bohr’un hesabına göre r = n^2* 0,5 Angstrom, n =1, 2, 3, 4, … şeklinde veriliyordu. n=1 temel hal iken diğerhaller uyarılmış haller olarak adlandırılıyordu.
Üst seviyedeki bir yörüngede bulunan elektron aşağıdaki bir yörüngeye geçerken aradaki enerji farkına karşılık gelen bir foton salıyordu. Enerji farkı fazla ise yayılan ışık morötesi ya da görünür ışık tayfında, enerji farkı az ise kızılötesi ışık tayfında oluyordu. Örneğin hidrojen atomunun gözle görünür tayfı olan 4 renk ışık n=6,5,4,3 uyarılmış hallerinden n=2 haline geçişlerde ortaya çıkıyordu.
Hidrojen atomu,üzerine düşen ışığın frekansı uygunsa ışığı emerek alt seviyelerden üst seviyelere çıkar ve uyarılmış olur. Tabiiki hidrojen uyarılmış durumda çok fazla duramaz, hemen ışık yayar ve tekrar eski haline döner.
Bohr’un modeli tek elektronlu atomlar için hayli iyi sonuçlar verse de, periyodik tabloyu anlamak için yetersizdir. 1925-1926 yılında önce Heisenberg, ardından Schrödinger “yeni” bir kuantum kuramı buldu.
Planck’ın ve Einstein’ın kesikli ışık enerjisi fikrinin yanı sıra De Broglie’nin “madde de dalga özellikleri gösterir” fikrini de işin içine katıp yeni bir kuram oluşturdular. Heisenbergbu işi başardığında 22 yaşında, Schrödinger de 39 yaşındaydı. Hatta kuramı oluşturanların çok genç olması nedeniyle, kuantum fiziği o zamanlar akademik çevrelerde bir süre “çocuk fiziği” diye anılmıştır!
Kuantum mekaniğine göre artık mikroskobik cisimlerin yörüngelerinden bahsetmek mümkün değildi. Bir parçacık ile ilgili bileceğimiz tekşey vardı, o da kesin olmayan bir ihtimal idi. Örneğin “hidrojen atomunda elektron nerede bulunur” sorusuna verilecek cevap şudur: Her yerde, ama farklı ihtimallerle! Schrödinger bu ihtimallerin hesap edilebilmesine yarayan, gayet kullanışlıbir denklem buldu.
Bu denklemin çözümleri,deneylerle çok uyumlu sonuçlar veriyordu. Tam uyumlu sonuç için, Schrödinger’in kuramı ile Albert Einstein’ın özel görelilik kuramını birleştirmek gerekiyordu. Bu işi 26 yaşındaki Dirac yaptı. Dirac’ın ortaya koyduğu bu yeni kurama Relativistik Kuantum Mekaniği diyoruz.
Henüz 1930 yılına gelmeden atomların kimyasal özelliklerini kuramsal açıdan neredeyse mükemmel olarak veren fizik kuramı bulunmuştu. Yalnız Dirac’ın kuramında çok ilginç bir parçacık daha vardı: Artı yüklü elektron. Dirac kuramına güveniyordu, evrende elektronla aynı kütleye sahip ama yükü artı olan bir parçacık (pozitron) olmalıydı. Nitekim Anderson 1932 yılında kozmik ışınlar arasında böyle bir parçacık buldu.
Bu buluş hem kendisine hem Dirac’a Nobel Ödülü kazandırdı. Düşünsenize, Dirac İngiltere’de, Cambridge Üniversitesi’ndeki masasında hesap yaparak evrende pozitif yüklü elektron olması gerektiğini buluyor, ondan birkaç yıl sonra bu parçacık ABD’deki bir deneysel fizikçi tarafından laboratuvarda bulunuyor! Kuramsal fiziğin tahmin gücü gerçekten çok etkileyici.
1930’larda temel parçacıkların sayısı artmıştı: Elektron, foton, pozitron, proton, nötron. Tabii bir de şöyle bir problem vardı: Çekirdek dağılmadan nasıl bir arada duruyordu? Fizikçiler uzun çalışmalar sonucunda elektromanyetik kuvvetin ve kütle çekimi kuvvetinin yanı sıra, daha küçük mesafelerde etkili olan zayıf ve güçlü nükleer kuvvetleri buldu.
Güçlü kuvvet çekirdeği bir arada tutuyordu. Zayıf kuvvet ise yıldızların kütleyi enerjiye nasıl dönüştürdüğünü açıklıyordu. Yani bir yıldız sıcak çekirdeğinde hidrojen atomunu helyum atomu gibi daha ağır elementlere çevirirken zayıf kuvvet çok önemli bir yol oynuyordu.
Kısacası, protondan nötron yapabilen tek mekanizma zayıf kuvvet ya da daha doğru bir ifade ile zayıf etkileşimdi. Bunu şöyle de anlatabiliriz: Vücut kütlemizin hemen hemen yarısı nötronlardan oluşur, buna rağmen nötron serbest olduğunda kararsız hale gelen bir parçacıktır.
Ömrü yaklaşık 14 dakikadır, daha sonra bozunur. Serbest halde nötron bulunamıyorsa ve evrenin sıcak evrelerinde atomlar yoksa demek ki bu nötronlar daha sonra oluşmuş olmalı. Yani nötronu oluşturacak bir mekanizma gerekli. Zayıf etkileşim tam da protondan nötron oluşmasının mümkün olduğunu gösterir.
Tabii bunun gerçekleşmesi için, yaklaşık 15 milyon derecelik sıcaklık Güneş’in merkezinde olduğu gibi gerekir. 1940’larda yeni parçacıklar bulundu. Ardından uzun süren bir “en temel parçacıklar hangileri ve bu parçacıkların fiziği nedir” sorularına cevap arayışı başladı. Proton ve nötronun daha alt parçacıkları olan iki çeşit kuark bulundu.
Bugün geldiğimiz noktada evrendeki maddeyi oluşturan parçacıklar iki çeşit: Kuark (üst ve alt) ve elektron. Bir de fotonlar gibi, bu madde parçacıklarının etkileşmesini sağlayan,arada gidip gelen parçacıklar var: Zayıf etkileşim için W ve Z bozonları, kuvvetli etkileşim için de gluonlar.
Bu parçacıkların da haylikararsız arkadaşları var: 4 tane daha, daha ağır kuark. Bunlar bir araya geldiğinde kararlı parçacıklar oluşturamıyor ve var olur olmaz yok oluyorlar, dolayısıyla elle tutulur madde oluşturmuyorlar. Elektronun da iki tane partneri var: Muon ve tau parçacıkları. Onlarında ömürleri çok kısa.
Bir de temel parçacıklara kütle kazandıran ve 2012 yılında keşfedilen ve kütlesi protonun kütlesinin yaklaşık 130 katı olan Higgs parçacığı var. Sonuçta 2 kuark ve 1elektronla bütün periyodik tablonun açıklanabilmesi gerçekten muazzam bir şey. “Maddenin en temel yapısında ne var” sorusu bizi kuarklara ve elektrona getirdi. Öyle görünüyor ki bunlar daha bölünemiyor, aslında bir anlamda hiç hacimleri yok diyebiliriz.
Kaynak: Prof. Dr Bayram Tekin, ODTÜ, Fizik Bölümü http://www.physics.metu.edu.tr/~btekin/modern_atom_kuraminin_gelisimi.pdf