Ernest Rutherford’un atom modeli ve atom üzerine yaptığı çalışmalar nasıldır? Atom çağının başlaması ve sert çekirdeğin keşfi, modelin açıklaması.
Rutherford Atomu
Atomlar bir zamanlar düşünüldüğü gibi maddenin en küçük yapıtaşları değildir. 20. yüzyılın başında Ernest Rutherford gibi bazı fizikçiler onların da içine girmeyi başarmış, elektronlardan oluşan tabakaları ve protonlar ile nötronlardan oluşan sert merkezi, yani çekirdeği ortaya çıkarmışlardır. Çekirdeği bir arada tutan yeni bir temel kuvvet -güçlü çekirdek kuvveti- keşfedilmiştir. Atom çağı başlamıştır.
Maddenin çok küçük atomlardan oluştuğu fikrinin tarihi Eski Yunan’a dek uzanır. Ancak Eski Yunanlar atomun maddenin bölünemez en küçük birimi olduğunu düşünüyordu. 20. yüzyılın fizikçileri ise böyle olmadığını göstermiş ve atomun iç yapısını araştırmaya başlamışlardır.
Meyveli kek modeli
İlk iş elektronu anlamak olacaktı. Elektronlar ilk kez 1887’de Joseph John Thomson tarafından bir cam tüpteki gazın içinden elektrik akımı geçirilerek serbest bırakılmıştı. 1904’te Thomson “meyveli kek modeli” olarak bilinen atom modelini ortaya attı. Bu modele göre elektronların kuru meyve parçaları gibi, artı yüklü bir hamurun içine serpiştirilmiş eksi yükler olduğu düşünülüyordu. Thomson’ın atomu özünde artı yüklü bir buluttan ve onun içine dağılmış ve kolay biçimde serbest kalabilen elektronlardan oluşuyordu. Elektronlar ve artı yükler “kek”in içinde karışık haldeydi.
Çekirdek
Kısa bir süre sonra, 1909’da Ernest Rutherford yaptığı bir deneyde şaşırtıcı bir sonuçla karşılaştı. Altından yapılma çok ince bir folyoya ağır alfa parçacıkları fırlatınca, parçacıkların çok büyük bölümü folyonun içinden geçti. Rutherford’u hayrete düşüren şeyse çok küçük bir bölümünün geri sekmiş olmasıydı. Sanki beton bir duvara çarpmışlar gibi yönleri 180 derece değişmişti. Rutherford altın folyoyu oluşturan atomların içinde ağır alfa parçacıklarını geri sektirecek denli sert ve kütleli bir şeylerin olduğunu fark etti.
Rutherford, Thomson’ın meyveli kek modelinin bu durumu açıklayamayacağını anladı. Eğer atomlar artı ve eksi yüklü parçacıkların karışımı şeklinde bir hamur olsaydı, hiçbiri ağır alfa parçacıklarını geri sektirecek denli ağır olamazdı. Bu nedenle altın atomlarının merkezinin yoğun olması gerektiği sonucuna vardı ve bu merkeze Latince’de kabuklu yemişlerin içi anlamına gelen “nükleus” (çekirdek) adını verdi. Böylece nükleer fizik, yani atom çekirdeğinin fiziği başlamış oldu.
izotop
Fizikçiler periyodik tablonun değişik elementlerinin kütlelerini nasıl hesaplayacaklarını biliyorlardı. Dolayısıyla elementlerin birbirlerine göre ağırlıklarını da biliyorlardı. Ama yüklerin nasıl düzenlendiğini anlamak daha zordu. Rutherford yalnızca elektronların ve artı yüklü bir çekirdeğin varlığından haberdar olduğundan, yükleri dengelemek için çekirdeğin protonlardan ve biraz da elektrondan meydana geldiğini varsaydı. Pozitif yüklü protonları 1918’de hidrojenin çekirdeğini ayırarak kendisi keşfetmişti. Geri kalan elektronlar çekirdeğin çevresinde dönüyor olmalıydı. En hafif element olan hidrojenin çekirdeğinde tek bir proton vardır ve çevresinde tek bir elektron döner.
Elementlerin sıra dışı ağırlıkta başka biçimleri de biliniyor ve bunlara izotop deniyordu. Karbon genellikle 12 atom birimi ağırlığında olur ama bazen 14 atom birimi ağırlığında olanlarına da rastlanır. Karbon-14 kararsızdır ve 5730 yıllık bir yarılanma ömrü (atomlarının yarısının parçacıklar yayarak bozunması için geçen süre) vardır. Beta parçacıkları yayarak azot-14’e dönüşür. Bu tepkimeden radyokarbon tarihlendirmede yararlanılır, binlerce yıl öncesinden kalma odun ve odun-kömürü gibi kalıntıların yaşları hesaplanır.
Nötron
1930’lu yılların başında elektriksel yükü olmayan ama parafindeki protonları serbest bırakacak denli de ağır olan yeni bir tür ışıma (radyasyon) keşfedildi. Cambridge fizikçilerinden James Chadwick bu yeni ışımanın gerçekte protonla aynı kütlede, nötr bir parçacık olduğunu gösterdi. Ona nötron adı verildi ve atom modeli yeniden düzenlendi. Biliminsanları, örneğin, karbon-12’nin çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunduğunu (bunların ona 12 atom birimlik bir kütle kazandırdığını) ve çekirdeğin çevresinde dönen 6 elektron olduğunu, fark ettiler. Nötronlar ve protonlar aynı zamanda nükleon olarak da bilinir.
Güçlü kuvvet
Elektronların bulunduğu bölge göz önüne alındığında atomun hacmine göre çekirdeğin boyutu çok küçük kalır. Atomun yüz binde biri büyüklüğündeki çekirdeğin çapı yalnızca birkaç femtometredir (10″15 metre yani bir metrenin milyonda birinin milyarda biri kadar). Eğer bir atom büyütülüp Dünya boyutuna getirilebilseydi merkezdeki çekirdeğin çapı 10 kilometre yani Manhattan kadar olurdu. Çekirdek atomun bütün kütlesini tek bir noktada toplar ve onlarca proton içerebilir. Bütün bu artı yükleri böyle küçük bir hacimde sıkıca bir arada tutan nedir? Fizikçiler, çekirdekteki artı yüklerin elektrostatik itmesinin üstesinden gelen ve çekirdeği bir arada tutan yeni bir tür temel kuvvet icat ettiler ve ona güçlü çekirdek kuvveti adını verdiler.
Eğer iki proton birbirine yaklaştırılırsa, yüklerinin aynı olmasından dolayı ilk önce birbirlerini (Maxwell’in ters kare yasası gereği) iterler. Ama birbirlerine daha da yaklaştırılırlarsa, güçlü çekirdek kuvveti onları birbirine bağlar. Güçlü kuvvet çok küçük mesafelerde etkilidir ama elektrostatik kuvvetten çok daha güçlüdür. Protonlar birbirlerine doğru biraz daha itilirlerse, bu kez (katı kürelermiş gibi) daha fazla yakınlaşmaya karşı direnç gösterirler. Dolayısıyla birbirlerine ne kadar yakın olabileceklerini belirleyen katı bir sınır vardır. Bu davranış, çekirdeğin sıkıca kenetlenmiş, çok yoğun ve kaya gibi olduğunu gösterir.
1934’te Hideki Yukawa bu çekirdek kuvvetinin mezon denen ve fotonlara benzer bir şekilde davranan özel parçacıklarla taşındığını ileri sürdü. Protonlar ile nötronlar mezon alışverişiyle birbirlerine yapışık duruyorlardı. Güçlü çekirdek kuvvetinin böyle özel bir mesafede işliyor oluşu -çekirdeğin dışında neden çok zayıf ve kısa mesafede neden bu denli güçlü olduğu- hâlâ gizemini korumaktadır. Nükleonları yalnızca belli bir mesafede birbirlerine bağlıyormuş gibidir. Kütleçekim, elektromanyetizma ve zayıf çekirdek kuvveti ile birlikte güçlü çekirdek kuvveti dört temel kuvvetten biridir.
