Atom teorisi

Kimya ve fizik biliminde atom teorisi; maddenin atom adı verilen süreksiz ve ayrık yapılardan oluştuğunu belirten, maddenin doğası üzerine bir bilimsel teoridir. Antik yunanda felsefi bir kavram olarak başlayan bu düşünce, 19. yy başlarında kimya alanındaki keşiflerin de maddenin gerçekten atomlardan oluştuğunu destekleyen bulgularıyla kendisine ana akım bilimde yer edinmiştir.
Atom kelimesi, Eski Yunanca'da "bölünmez" anlamına gelen atomos sıfatından türemiştir. 19. yüzyılda kimyagerler bu terimi daha fazla küçültülemeyen kimyasal elementler için kullanmaya başladılar. İlk başlarda gayet uygun görünen bu kullanım, 20. yüzyıla geçerken elektromanyetizma ve radyoaktivite gibi çeşitli deneyler ışığında, fizikçiler sözde "bölünemez atom"un aslında birbirinden ayrı olarak da bulunabilen türlü atomaltı parçacıklardan (özellikle, elektron, proton ve nötron) meydana gelen kümelenmiş bir yığın olduğunu keşfettiler.
Atomların bölünebilir olduğu anlaşıldıktan sonra fizikçiler "bölünemez" olanı ifade etmek için "temel parçacık" terimini kullanmaya başladılar, Atomun bölünemez olan kısımları, yok edilemez değil. Atom altı parçacıkları çalışan bilim alanı olan parçacık fiziğinde, fizikçiler maddenin gerçek temelini keşfetmeye çalışmaktadırlar.
Tarih
Felsefi olarak atomculuk
Maddenin ayrık birimlerden oluştuğu fikri, Yunan ve Hint gibi eski kültürlerde göze çarpmakta ve dolayısıyla çok eskiye dayandığı bilinmektedir. "Atom" kelimesi antik Yunan filozofları Leukippos ve onun öğrencisi Demokritos tarafından literatüre kazandırılmıştır. Democritos'un düşünce sisteminde atomlar ezeliydi, sonsuz sayıdaydı, yaratılmamıştı ve maddelerin özellikleri onu oluşturan atomlara bağlıydı. Democritos'un atomculuğu daha sonra Yunan filozof Epikür (M. Ö. 341 M. Ö. 270)ve Epikürcü Romalı şair Lucretius (M. Ö. 99 - M. Ö. 55) tarafından geliştirildi ve detaylandırıldı. Erken Orta Çağ'da atomculuk çoğunlukla unutulmuştu, ancak 12. Yüzyilda Aristoteles'in yeniden keşfedilen yazılarındaki atomculuğa dair alıntılar sayesinde tekrar bilinir hale geldi.
14. Yüzyılda, Lucretius'un De rerum natura ve Laertios Diogenes'in Seçkin Filozofların Yaşamları ve Fikirleri kitapları gibi Atomcu öğretileri anlatan eserlerin tekrar keşfedilmesi konuya akademik ilgiyi arttırdı. Ama Atomculuk, ortodoks Hristiyan öğretileriyle çelişen Epikürcü Felsefeyle bağdaştığından çoğu Avrupalı filozoflar tarafından kabul edilmedi. Fransız rahip Pierre Gassendi (15921655) atomların Tanrı tarafından yaratıldığını ve çok fazla sayıda olsalar da sonsuz olmadıklarını savunarak Atom fikrini canlandırdı. Ayrıca birden fazla atomun birleşkesine "molekül" adını veren ilk kişiydi. Gassendi'nin geliştirdiği atom teorisi Fransada hekim François Bernier ve İngilterede doğa filozofu Walter Charleton tarafından popülerleştirildi. Kimyacı Robert Boyle (16271691) ve Fizikçi Isaac Newton (16421727) da atomculuğu savundu ve 17. Yüzyılın sonlarına doğru bilimsel cemiyetlerin önemli bir kısmı tarafından kabul edildi.
John Dalton
18. yüzyıl sonlarına doğru, atom teorisinin yardımı olmadan kimyasal reaksiyonlarla ilgili iki kanun ön plana çıkmıştır. Bunlardan ilki kütlenin korunumu yasası, Antoine Lavoisier tarafından 1789 yılında formüle edilmiştir. Bir kimyasal reaksiyonda toplam kütlenin sabit kalacağını ifade eder (tepkimeye giren toplam kütle miktarı ile oluşan ürünlerin toplam kütlesi aynıdır). İkinci kanun Joseph Louis Proust tarafından öne sürülen sabit oranlar yasasıdır. Yine ilk defa Joseph Louis Proust tarafından 1799 yılında doğrulanmıştır. Bu kanuna göre bir bileşik kendisini oluşturan elementlere ayrıştırıldığında, ayrıştırılan elementlerin kütlesi, reaksiyona giren ilk madde miktarından bağımsız, her zaman aynı oranda olacaktır
John Dalton kendinden önceki bu çalışmaların üzerinde durmuş, çalışmayı daha da geliştirerek katlı oranlar yasasını geliştirmiştir: belirli bir sayıda bileşik oluşturabilen iki element bir araya getirilirse, sabit kütlede tutulan birinci element ile reaksiyona girecek olan ikinci element, küçük tam sayıların oranları ile birleşirler. Örneğin: Proust kalay oksit üzerinde çalışmaktaydı. Kütlelerinin oranlarının her zaman ya %88.1 kalay - %11,9 oksijen ya da %78.7 kalay - %21.3 oksijen olduğunu fark etti (bunlar sırasıyla kalay (II) oksit ve kalay dioksit idi). Dalton bu yüzdelerden yola çıkarak 100 gram kalayın ya 13.5 gram ya da 27 gram oksijenle birleşeceğini öngördü: 13.5 ve 27 arasındaki oran 1:2. Dalton, maddenin atom teorisinin bu düzeni mükemmel bir şekilde açıklayabileceğini fark etti. Proust'un kalay oksit örneğinde olduğu gibi; bir kalay atomu ya bir ya da iki oksijen ile reaksiyona girmektedir.
Dalton, suyun farklı gazları farklı oranlarda soğurmasınının sebebini atom teorisinin açıklayabileceğine inanmaktaydı - örneğin, Dalton suyun karbon dioksiti azotdan daha fazla soğurduğu fark etti. Dalton, bunun sebebinin gazların içindeki parçacıklarının kütle ve yapısal olarak birbirinden farklı olmasından dolayı olduğunu belirten hipotezini kurdu. Gerçekten de, karbon dioksit (CO2) moleküllerinin, azot moleküllerinden (N2) ağır ve daha büyük olduğu bilinmektedir.
Dalton, elementlerin kimyasal anlamda değiştirilemeyip yok edilemese dahi, daha karmaşık yapıları (bileşik) oluşturmak üzere birleşebilen tek tip ve benzersiz atomlardan meydana geldiğini öne sürdü. Elde ettiği sonuçlara deneysel yöntemle ulaştığı için, onun çalışmaları atom teorisinin ilk bilimsel yorumu olarak kabul edilmektedir.
1803 yılında Dalton sözlü olarak ilk defa bazı atomların birbirine göre ağırlıklarınının bulunduğu listesini sundu. Bu çalışma 1805 yılında yayımlandı, fakat çalışmasında bu figürlere tam olarak nasıl ulaştığıyla ilgili bilgi yer almamaktaydı. Bu metot ilk olarak 1807 yılında, tanıdığı olan isim Thomas Thomson tarafından Thomson'ın ders kitabının (A System of Chemistry) üçüncü baskısında verildi. Sonrasında, Dalton bunu tümüyle kendi ders kitabında (A New System of Chemical Philosophy, 1808 -1810) yayımladı.
Dalton, hidrojen atomunu birim alarak birbirleriyle birleştiği oranlara göre atom ağırlıklarını hesaplamıştır. Ancak Dalton, bazı element atomlarının molekül olarak bulunduğunu tahayyül edememiştir örneğin saf oksijen O2 olarak bulunabilmektedir. Dahası hatalı olarak iki elementin yapabileceği en basit bileşiğin her zaman iki elementten birer atom şeklinde olduğunu düşünmüştür (yani suyu H2O olarak değil HO olduğunu düşünmüştür.) Kullandığı aparatların da kaba olmasıyla birlikte bunlar sonuçlarını kusurlu kılmıştır. Örneğin, 1803 yılında, oksijen atomlarının hidrojen atomlarından 5.5 kat ağır olduğuna inanıyordu. Bunun sebebi; suyun içerisinde her 1 gram hidrojene karşılık 5.5 gram oksijen olduğunu ölçmüş olması ve suyun formülünün HO olduğuna inanmasıdır. 1806 yılında, daha iyi verilere ulaştıkça oksijenin aslında 5.5 değil 7 olduğu sonucuna varmış ve hayatının sonuna kadar da böyle kalmıştır. Bu tarihlerde diğerleri ise çoktan oksijenin ağırlığının hidrojene göre 8 olması gerektiği sonucuna ulaşmıştır; eğer Dalton'un su formülüne bakarsak (HO) 8, modern formüle (H2O) göre ise 16.
Avogadro
Dalton'un teorisindeki kusur 1811 yılında Amedeo Avogadro tarafından düzeltilmiştir. Avogadro, eşit hacimdeki herhangi iki gazın eşit sıcaklık ve basınç altında aynı sayıda molekül içereceğini öne sürmüştür (diğer bir deyişle gaz parçacıklarının kütlesi kapladığı hacimi etkilememektedir). Avogadro yasası; birçok gazın hangi hacimde tepkimeye girdiğine bakarak, gazların iki atomlu yapısıyla alakalı sonuçlara ulaşabilmesine olanak sağlamıştır. Örneğin: iki litre hidrojen sabit sıcaklık ve basınç altında sadece bir litre oksijen ile tepkimeye girip 2 litre su buharı oluşturur. Bunun anlamı; iki partikül suyu oluşturmak için tek bir oksijen molekülü iki parçaya ayrılmaktadır. Dolayısıyla, Avogadro, oksijen ve daha birçok element için daha hatasız ölçümler sunabilmiş ve atom ile molekül arasındaki ayrımı kesin bir biçimde yapmıştır.
Brown Hareketi
1827 yılında, İngiliz botanist Robert Brown suda yüzen polen tanelerinin içindeki toz parçacıklarının görünen bir sebep olmaksızın sürekli titreştiğini gözlemledi. 1905 yılında ise, Albert Einstein bu Brown hareketinin su moleküllerinin polen taneleriyle sürekli olarak çarpışmasından dolayı olduğunu teori haline getirdi ve bunu açıklamak için tahmini bir matematiksel model geliştirdi. Bu model Fransız fizikçi Jean Perrin tarafından 1908 yılında deneysel olarak doğrulandı ve dolayısıyla parçacık teorisi için ekstra doğrulanma sağladı.
Atom altı parçacıkların keşfi
J. J Thomson'un katot ışınları üzerine çalışmalarıyla elektronu 1897 yılındaki keşfine kadar atomların mümkün olan en küçük parçacık olduğu düşünülüyordu.
Crookes tüpü, iki elektrotun boşlukla ayrıldığı camdan yapılan bir koruyucudur. Bu elektrotlar arasına bir potansiyel fark uygulandığında, katot ışınları elde edilir ve bu ışınlar tüpün son kısmında cama vurduklarında parlayan bir iz bırakır. Deneyler sonucunda Thomson, bu ışınların bir elektrik alan altında saptırılabildiğini fark etti (zaten bilinmekte olan manyetik alana ek olarak). Thomson, bu ışınların ışığın yeni bir formu olmadığını, daha çok "küçük tanecik" (daha sonrasında bilim adamları tarafından elektron olarak yeniden adlandırılacaktı) adını verdiği negatif yüklü ve oldukça hafif parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Kütle-yük oranlarını hesapladı ve bilinen en küçük atom olan hidrojeninkinden 1800 kat daha küçük olduğunu gördü. Bu küçük tanecikler, daha önce bilinen hiçbir parçacığa benzemiyordu.
Thomson daha sonra atomların bölünebilir olduğunu ve bu küçük taneciklerin de yapı taşı olduğunu öne sürdü. Atomun bütünündeki nötr yapıyı açıklamak için ise, bu küçük taneciklerin, düzgün bir şekilde dağılmış pozitif yük denizinde aralara dağıtılmış şekilde bulunduğunu savundu, açıklama genel nötr sorumlu olan atom, teklifini yaptı, o yuvarları dağıtıldı önlük deniz pozitif. Elektronlar, pozitif yükler arasında aynı bir tatlıdaki meyveler gibi gömülü bulunduğu için bu modele erikli puding modeli denmiştir. (Aslında Thomson modelinde sabit değillerdir).
Çekirdeğin keşfi
Thomson'un erik puding modeli, eski öğrencilerinden biri olan ve kütlenin büyük kısmının ve pozitif yükün atom içerisinde çok küçük bir hacimde yoğun olarak bulunduğunu keşfeden ve bunun da atomun merkezi olduğunu düşünen Ernest Rutherford tarafından çürütülmüştür.
GeigerMarsden deneyinde, Hans Geiger ve Ernest Marsden (Rutherford'ın emrinde çalışan meslektaşları) ince metal levhalara alfa parçacıkları fırlattılar ve sapmalarını floresan ekran kullanarak ölçtüler. Erikli Puding modelin öngördüğü üzere; çok küçük kütleye sahip elektronlar ve yüksek momentuma sahip alfa parçacıkları her yere dağıldığı için az yoğunlukta olan pozitif yük dağılımı bilgileriyle, deneyciler bütün alfa parçacıklarının metal levhayı kayda değer bir sapma olmadan geçmesini beklediler. Şaşkınlığa uğratacak şekilde, alfa parçacıklarının küçük bir kısmı yüksek sapmaya uğramıştı. Rutherford, bu deney sonucunda pozitif yükün atomun içerisinde tek bir yerde konsantre olarak bulunması gerektiği sonucuna vardı, böylelikle görece yeterli ve yoğun elektrik alan oluşabilecek ve alfa parçacıklarını güçlü bir şekilde saptırabilecekti.
Bunun sonucunda Rutherford, elektron bulutlarının küçük pozitif bir çekirdek etrafında bulunduğu gezegen modelini öne sürdü. Ancak böyle küçük bir alandaki yük yoğunluğu yüksek sapmaya sebep olabilecek bir elektrik alanı oluşturabilirdi.
Atomun kuantum fiziksel modeline yönelik ilk adımlar
Atomun gezegen modelinde iki önemli eksiklik vardı. İlki; güneşin etrafındaki gezegenlerin aksine, elektronlar yüklü parçacıklardı. İvmeli bir hareket yapan elektrik yükünün klasik elektromanyetizma içerisinde Larmor formülüne göre elektromanyetik dalga yaydığı biliniyordu. Yörüngesel bir hareket yapan yük, sürekli olarak enerji kaybetmeli ve spiral hareketi yaparak çekirdek üzerine saliseler içerisinde çökmeliydi. İkinci önemli eksiklik ise gezegen modeli; gözlemlenen atomun emisyon ve soğurma tayfında (spektrum) bulunan grafiksel anlık yüksek çizgileri (pik) açıklayamamaktaydı.
20. yüzyılın başlarında Kuantum teorisi; Max Planck ve Albert Einstein ışığın enerjisinin quanta(tekil, kuantum) adı verilen, sadece belirli miktarlarda yayılıp, soğurulabildiğini bilimsel olarak ortaya koymasıyla, fizik dünyasında devrime yol açmıştır. 1913 yılında ise, Niels Bohr bu fikir ile klasik fiziği kullanarak atom için Bohr modelini oluşturmuştur. Bohr modelinde, bir elektron çekirdeği sadece açısal momentum ve enerjisi sabit belirli yörüngeler etrafında bulunabilir, çekirdeğe olan uzaklığı (yani yarıçapı) ile enerjisi arasında oran vardır. Bu modele göre, elektron çekirdeğe doğru spiral yapamaz çünkü enerjisini sürekli bir şekilde kaybedemez. Onun yerine sadece enerji seviyeleri" yapabilir. Bu olduğunda ise, enerji değişimiyle orantılı olarak belirli bir frekansta foton soğurur ya da yayımlar (dolayısıyla soğurma ve emisyon spektrumunda keskin çizgiler gözlemlenir).
Bohr modeli mükemmel değildi. Sadece hidrojenin spektral çizgilerini tahmin edebilmiştir. Birden fazla elektronu olan atomları tahmin edememiştir. Dahası, spektrografik teknolojinin gelişmesi ile birlikte, Bohr modelinin açıklayamayacağı hidrojenin ekstra tayf çizgileri bulunmuştur. 1916'da, Arnold Sommerfeld bu ekstra tayf çizgilerini açıklayabilmek için Bohr modeline eliptik yörüngeler eklemiş, fakat bu da modeli kullanılması çok zor bir hale sokmuştur ve yine de daha karmaşık atomları açıklayamamıştır.
İzotopların keşfi
Radyoaktivite ile oluşan ürünler üzerine deneyler gerçekleştirirken, 1913 yılında radyokimyacı Frederick Soddy, periyodik tablodaki yerlerde birden fazla elementin olabildiğini fark etmiştir. İzotop kelimesi literatüre Margaret Todd tarafından uygun bir isim olarak kazandırılmıştır.
Aynı yıl, J. J. Thomson'ın neon iyonlarını elektrik ve manyetik alanlardan geçirerek diğer uçta fotografik levhalara düşürdüğü bir deney yapmaktaydı. Thomson, levha üzerinde iki parlayan nokta gördü, bunun anlamı iki ayrı sapmaya uğranmasıydı. Thomson daha sonra bunun bazı neon atomlarının farklı kütleye sahip olmasından dolayı olduğu sonucuna vardı. Bu farklı kütlelerin kaynağı daha sonra 1932 yılında nötronların keşfiyle açıklanabilecekti.
Nükleer parçacıkların keşfi
1917 yılında Rutherford, azot gazını alfa parçacıklarıyla bombaladı ve gazın içerisinden hidrojenin yayıldığını gözlemledi (Rutherford hemen fark etti, çünkü daha önce hidrojeni alfa parçacıklarıyla bombalamış ve hidrojen çekirdeğinin son oluşan ürünler arasında olduğunu gözlemlemişti) Rutherford bu hidrojen çekirdeklerinin bizzat azot çekirdeklerinden ayrıldığı sonucuna vardı. (aslında, Rutherford azotu bölmüştü).
Hem kendi çalışmaları hem de öğrencileri Bohr ve Henry Moseley'in çalışmaları sonucunda, Rutherford herhangi bir atomun çekirdeğinin her zaman belirli tam sayıda hidrojen çekirdeğine eşit olabileceğini biliyordu. Bu ve herhangi bir atomun kütlesinin belirli sayıda hidrojen atomun kütlesine kabaca eşit olmasıyla - o zamanlar parçacıkların en hafifi olarak biliniyordu - şu sonuca vardı; hidrojen atomunun çekirdekleri tekil parçacıklardı ve tüm atom çekirdeklerinin temel bir bileşeniydi. Bu parçacıklara proton adını verdi. Daha sonra yapılan deneylerde Rutherford, çoğu atomun çekirdek ağırlığının sahip olduğu proton ağırlığından çok fazla olduğunu görmüştür. Bu ağırlığın daha önce bilinmeyen yüksüz bir parçacıklardan dolayı olduğunu iddia etmiş ve geçici olarak "Nötron" kelimesini kullanmıştır.
1928 yılında, Walter Bothe alfa parçacıklarıyla bombalanan berilyumun yüksek derecede penetrasyonu olan ve elektriksel olarak yüksüz bir ışıma yaydığını gözlemlemiştir. Daha sonraları bu ışımanın parafinden hidrojenleri sökebileceği keşfedilmiştir. Gama ışımasının metallerdeki elektronlara benzer etkiyi yaptığı göz önüne alındığında, ilk başlarda yüksek enerjili gama ışıması olduğu düşünülmüştür. Fakat daha sonra James Chadwick enerji ve momentum korunumuna bağlı kalarak elektromanyetik radyasyon sebebiyle oluşabilmesi için iyonlaşma etkisinin çok güçlü olduğunu görmüştür. 1932 yılında Chadwick bu gizemli berilyum ışımasına hidrojen ve azot gibi çeşitli elementleri maruz bırakmış ve geri seken yüklü parçacıkların enerjilerini ölçmüştür. Bu radyasyonun aslında elektriksel olarak yüksüz parçacıklardan oluştuğu ve gama ışını gibi kütlesiz olamayacağı sonucuna varmıştır. Onun yerine protona yakın bir kütlesinin olması gerektiğini belirtmiştir. Chadwick bu parçacıkların Rutherford'un bahsettiği nötronlar olduğunu öne sürmüştür. Nötronun keşfinden dolayı Chadwick, 1935 yılında Nobel ödülü almıştır.
Atomun kuantum fiziksel modeli
1924'te Louis de Broglie, her hareket eden parçacığın -özelde elektron gibi atomaltı parçacıkların- bir parça dalga-benzeri davranış gösterdiğini öne sürdü. Erwin Schrödinger bu fikirden etkilenerek bir elektronun atomda parçacık mı yoksa dalga olarak mı daha iyi açıklanabileceğini araştırdı. 1926'da yayınlanan Schrödinger denklemi; elektronu, noktasal parçacıktan ziyade bir dalga fonksiyonu olarak tanımlar. Bu yaklaşım, Bohr'un modelinin açıklayamadığı birçok tayf fenomenini öngörebildi. Yaklaşım matematiksel olarak uygun olsa da görselleştirilmesi zor olduğundan karşıtlığa maruz kaldı. Eleştirenlerden biri, Max Born, Schrödinger'in dalga fonksiyonunun bir elektronu değil bütün olası durumlarını tanımladığını, bu yüzden bir elektronun çekirdeğin etrafındaki herhangi bir konumda bulunma olasılığını hesaplamak için kullanılabileceğini söyledi. Bu, parçacık ve dalga elektron teorilerinin karşıtlığını uzlaştırdı ve dalga-parçacık çiftliği fikrini getirdi. Bu teoriye göre elektronlar hem dalga hem de parçacık özelliklerini gösterebilirdi. Örneğin bir dalga gibi yansıtılabilirdi ve bir parçacık gibi kütleye sahipti.
Elektronları dalga fonksiyonları ile açıklayabilmenin bir sonucu olarak, bir elektronun konumunu ve momentumunu eş zamanlı elde edebilmek matematiksel olarak imkansızdır. Bu durum, bunu ilk kez 1927 yılında tanımlayıp yayımlayan ünlü teorik fizikçi Werner Heisenberg'e ithafen Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak adlandırılır. Bu, düzgün ve keskin dairesel yörüngelerle tanımlanmış Bohr'un modelini geçersiz kılmıştır. Atomun modern modelinde ise elektronların konumları olasılıklar olarak tarif edilmiştir. Teorik olarak bir elektron çekirdekten herhangi bir uzaklıkta bulunabilir. Fakat elektronun enerji seviyesine bağlı olarak, çekirdeğin etrafında bazı bölgelerde diğer bölgelere göre özellikle daha sık bulunur. Bu düzene atomik orbital adı verilir. Orbitaller; çekirdek merkezde olmak üzere küre, dambıl, simit gibi birçok şekilde bulunabilir.