Atom Modeli Yıllar İçinde Nasıl Evrimleşti?

Atom Modeli Yıllar İçinde Nasıl Evrimleşti?

Antik Yunan felsefesi çağından modern kuantum mekaniğine kadar, atom teorisi, her biri kendi zamanı için oldukça devrim niteliğinde olan birçok güncellemeye sahipti.

Çevremizdeki şeylerin doğasına ilişkin anlayışımız sürekli bir değişim içindedir. Şimdi oldukça açık görünen şeyler, bir asır önce var olmayabilir veya gelecek on yıllarda modası geçmiş olabilir. Zaman içinde kendini geliştiren mükemmel bir bilim örneği, atom teorisinin evrimi olmuştur.

Bilimin kanıta dayalı olmadığı, daha çok bir felsefe biçimi olduğu eski güzel günlerden başlayalım; insanlar her şeyin sadece dört elementten oluştuğuna inanıyorlardı: su, ateş, toprak ve hava. O zamanlar kimyanın ne kadar kolay olacağını hayal edin!

Konuyla Alakalı: Atomun Boyutları Ne Kadardır?

Demokritos

MÖ 400 civarında, Demokritus adlı bir Yunan filozofu, dünyadaki her şeyin “kesilemez” anlamına gelen “atomos” adı verilen küçük, yok edilemez parçacıklardan oluştuğu teorisini ortaya attı. Malzemelerin özelliklerinin, yapıldıkları atomların türüne bağlı olduğuna inanıyordu. Örneğin, ekşi veya keskin tadı olan şeyler sivri uçlu parçacıklardan, tatlı şeyler daha yuvarlak ve pürüzsüz atomlardan, metaller ise sert atomlardan yapılmıştır. Bu şeklin yanlış yorumlanmasının yanı sıra, Demokritos, bir maddenin özelliğini dikte eden atomik bileşim konusunda oldukça doğru yoldaydı.

Bununla birlikte, bu teori, gezegendeki her şeyin dört elementten oluştuğuna inanan Aristoteles tarafından büyük ölçüde gözden düştü: toprak, ateş, su ve hava.

Konuyla Alakalı: Prometheus Kimdir?

John Dalton

Sürekli değişen atom teorisindeki bir sonraki durak, neredeyse 2000 yıl sonra, John Dalton adlı bir İngiliz kimyager ve meteoroloji meraklısından geldi. İki gazı karıştırdığı ve davranışlarını gözlemlediği deneyler yaptı. Test ettiği gazların çoğu, diğerinin varlığından rahatsız olmadan bağımsız olarak var olmuştur. Ancak, nitrik oksidin atmosferik oksijenle etkileşime girmesine izin verildiğinde farklı bir şey buldu. 36 ölçü saf azot gazı, 100 ölçü hava ile reaksiyona girerek ne azotlu ne de oksijenli olan 80 ölçü yeni bir gaz verdi.

Bu merakını uyandırdı, bu yüzden aynı deneyi farklı hacimlerde gazla yaptı. Gazların birbirleriyle sadece sabit bir oranda reaksiyona girdiğini gözlemledi, bu da çoklu oranlar yasasına ve atomizm teorisine yol açtı.

Dalton, bu dünyadaki her şeyin atomlardan oluştuğunu – her element için benzersiz olan küçük yok edilemez katı küreler – teorileştirdi. Farklı elementlerin atomları, farklı bileşikler oluşturmak üzere birleşir ve kimyasal reaksiyonlar sırasında yeniden düzenlenir. 200 yıl sonra bile, bu kavramın bir kısmı gerçekliğini koruyor.

JJ Thompson

19. yüzyılın sonlarına kadar atomlar bölünemez parçacıklar olarak resmedildi; Bu görüşü ilk kıran kişi İngiliz fizikçi JJ Thompson ve onun güvenilir katot ışın tüpüydü. Bir cam tüp vakumunun içinde, metal elektrotlara yüksek voltaj uygulanarak görünür bir parçacık demeti veya katot ışınları üretildi. Metalden üretilen partikül akımı negatif yükten uzaklaştı ve pozitif yüke yöneldi.

Bu deneyi diğer metallerle birkaç kez tekrarladıktan sonra ilk atom modelini buldu. Onun ünlü erik pudingi modeli, atomu pozitif yüklü bir kütleden (puding) yapılmış ve içinde küçük negatif yükler (erik gibi) bulunan bir parçacık olarak tanımladı.

Ernest Rutherford

1900’lerin başında, radyoaktivite çok modaydı ve Rutherford, radyoaktif bozunma üzerine yaptığı çalışmalar sırasında alfa, beta ve gama ışınlarını keşfetti. Alfa parçacıkları üretmek için bir yöntem geliştirmek ve bunu bir atomun yapısını araştırmak için kullanmak istedi.

Zamanında her fizikçinin yaptığını yaptı – bir deney buldu. Geiger-Marsden deneyi olarak da bilinen altın folyo deneyi, arkasında bir alfa parçacığı her çarptığında yanıp sönen dairesel Çinko Sülfür kaplı bir ekrana sahip ince bir altın yaprak tabakasından oluşuyordu. Rutherford, parçacıkların folyodan geçmesini ve arkasındaki ekrana çarpmasını bekledi. Parçacıkların çoğu beklendiği gibi davranırken, bazıları 90 dereceden daha büyük bir açıyla sapmıştı.

Gözlemleriyle desteklenerek, öncekini çürüten yeni bir atom modeli buldu. Atomun kütlesinin çoğunun pozitif yüklü bir merkezde (daha sonra çekirdeğe “ceviz” anlamına gelen Latince adını verdi), elektronların güneş etrafındaki gezegenler gibi yörüngede döndüğü bir atomik yapı önerdi.

Niels Bohr

Rutherford’un atom teorisinin yayınlanmasından bir yıl sonra, Niels Bohr modelde bir tutarsızlık buldu. Elektronlar pozitif yüklü bir merkezin etrafında yörüngede dönerlerse, bir noktada bu elektronlar enerjilerini kaybeder ve çekirdeğe çökerek atomları kararsız hale getirir. Ancak, çoğu atomun oldukça kararlı olduğu kanıtlandığı için durum böyle değildi (radyoaktif olanlar dışında).

Kuantum fiziğinin resme girdiği yer burasıdır. Bohr, elektronların çekirdeğin etrafında sabit yörüngelerde veya kabuklarda hareket ettiğini önermek için nicelenmiş enerji kavramını kullandı. Çekirdeğe yakın olan kabukların enerjisi daha düşük, en uzak olanın enerjisi ise en yüksek olanıdır. Bir elektron daha düşük bir enerji yörüngesine atlarsa, ekstra enerjiyi radyasyon şeklinde verir ve böylece atomik kararlılığı korur.

Bohr’un modeli karmaşık çok elektronlu sistemler için geçerli olmasa da, bu model hala çoğu ders kitabında atomik yapının en popüler temsilidir.

Schrödinger modeli

Ne kadar denersek deneyelim, kuantum mekaniğinin karmaşıklıklarından kaçış yok. Elektronlar gibi varlıkların kuantum davranışlarının kurulmasıyla, Bohr’un atom modelinin Heisenberg Belirsizlik ilkesini karşılamadığı oldukça açık hale geldi. Belirsizlik ilkesine göre, bir atomdaki elektronların tam konumunu ve yörüngesini bilmek imkansızdır, bu da Bohr’un varsaydığı gibi sabit yörüngelerde var olamayacakları anlamına gelir.

Dalga-parçacık ikiliği kavramını ve belirsizlik ilkesini birleştiren Erwin Schrödinger, bir atomun kuantum mekanik modelini buldu. Bu modelde, elektronlar dairesel yörüngelerde çekirdeğin etrafında dönmezler, daha çok bir atomik yörüngede elektron bulutları olarak dönerler – elektron bulma olasılığının en yüksek olduğu atomun içinde bir bölge. Ayrıca, bir atomdaki elektron seviyelerinin enerjisini doğru bir şekilde hesaplamamıza yardımcı olacak Schrödinger dalga denklemlerini formüle etti. Bu yeni ve geliştirilmiş atom modeli bize bir elektronun nerede olduğunu değil, nerede olabileceğini söylüyor.

Atom teorisinin evrimindeki her adım, bizi canlı ve hayat dolu dünyamızı yöneten atom altı parçacıkların sırlarını anlamaya biraz daha yaklaştırdı. Ve yine de… her zaman öğrenecek daha çok şey var!

Konuyla Alakalı: Kuantum Dünyasında Nanometre Nedir?
Konuyla Alakalı: Kafası Karışıklar İçin “Kuantum Fiziği”

Atom Modeli Yıllar İçinde Nasıl Evrimleşti?