Rutherford'un Atom Modeli

Rutherford'un Atom Modeli




Rutherford'un öğrencileri Geiger ve Marsden, alfa kaynağını, üzerinde küçük bir delik bulunan kurşun perdenin arkasına yerleştirdiler. Böylelikle hedefi küçültmek ve ince bir alfa parçacıkları demeti elde etmek amaçlanmıştı. Altın yaprağın öbür yanına, kendisine alfa parçacığı çarptığı zaman görünür ışık parıltısı veren, hareketli, çinko sülfürlü ekran yerleştirilmişti.

Beklenen şey, alfa parçacıklarının çoğunun yaprak içinden doğrudan geçeceği, belki bazılarının çok küçük sapmalara uğrayacağıydı. Bu beklenti, Thomson Atom Modeli'nin sonucudur. Çünkü Thomson Atom Modeli doğruysa, ince metal levhadan geçen alfa parçacıkları üzerine yalnızca zayıf elektriksel kuvvetler etkir ve alfa parçacıklarının momentumları, bunların ilk yollarından çok küçük sapmalar olacak şekilde ilerlemelerini sağlar.

Geiger ve Marsden, alfa parçacıklarının çoğunun sapmadan ilerlediğini, bazılarının çok geniş açılarda saçıldığını, hatta çok az bir kısmının gerisin geriye döndüğünü gördüler. Geliş doğrultusuyla 180 derece açı yapacak şekilde geri saçılan bu parçacıklar, direkt olarak bir çekirdeğe yönelir ve kafa kafaya çarpışma olur.

Bu modelde, pozitif yüklü alfa parçacıklarıyla atomdaki elektronların ilişkisi merak edilir. Elektronlar pek küçük kütleli olduğu için alfa parçacıklarının hareketinde önemli bir etkide bulunmaz.

Alfa parçacıkları, elektronlardan 7.000 defa daha ağır kütleli parçacıklardı. Üstelik bu deneyde kullanılan alfa parçacıklarının hızı yüksekti. Alfa parçacıklarını bu derece saptırabilmek için büyük kuvvetler uygulanması gerektiği açıktı. Bu kuvvetlerin Thomson Atom Modeli'ndeki elektriksel kuvvetlere göre 100 milyon kat güçlü olduğu hesaplanıyordu.

Rutherford, sonuçları açıklamak için, bir atomun pozitif yüklü bir çekirdek ile biraz uzaktaki elektronlardan oluştuğunu önerdi. Buna göre atomun pozitif yükü ve kütlesi atom çekirdeğinde toplanmıştı.

Geiger ve Marsden'in deneyleri, daha sonraki benzer çalışmalar, hedefleri oluşturan değişik metallerin çekirdekleri hakkında bilgiler verdi. Bir alfa parçacığının, bir çekirdek yakınından geçerken uğradığı sapma (karşılaştığı elektriksel alan), çekirdek yükünün büyüklüğüne bağlıdır. Bu sapmalardan yanrarlanılarak çekirdek yükü ve çekirdek boyutu konusunda bilgiler elde edildi.

Çekirdek kuvvetleri çok kısa mesafeli kuvvetlerdi. Atom çekirdeğiyle ilgili kilometre taşı sayılan diğer olaylar şunlardır:

1930 yılında Cockroft ve Walton hızlandırılmış parçacıkların kullanılmasıyla gerçekleştirlen çekirdek tepkimelerinin gözlenmesi

1932 yılında Chadwick'in nötronu bulması

1933 yılında Joliot ve İrene Curie'nin yapay radyoaktifliği bulması

1938'de Hahn ve Strassman'ın çekirdek bölünmesini (çekirdek fisyonunu) bulması

1942 yılında Fermi ve ekibinin kontrol edilebilen ilk fisyon reaktörünün geliştirilmesi

Rutherford’un saçılma deneyleri ilgi çekici idiyse de, klasik fizik açısından onun gezegensel resmi sanıldığı kadar dengeli değildi. Doyurucu olmayan durum kısa sürede değişti. 1912 cıvarında Rutherford, Manchester’dan arkadaşı Boltwood’a şöyle yazıyordu: "Bir Danimarkalı olan Bohr, Cambridge’den çıkmış, radyoaktif çalışmada bazı deneyler yapmak üzere buraya geliyor".

Cambridge’de, J.J. Thomson’un bir öğrenci olan Niels Bohr, kendi memleketine, Kopenhag’a dönmeden önce, Manchester’da yarım yıldan az bir süre kaldı. Ancak, kısa ziyaretine rağmen, Rutherford genç Danimarkalı üzerinde etkili oldu.

Bohr'un ilgisini çekmiş olan atomik yapı problemi, yaratıcı cesaretli bir adım attı: Klasik fiziğin bazı kurallarını bıraktı ve onun yerine atomik yapı problemine Planck’ın ve Einstein’in Kuantum Kuramı'nı uyguladı. Dikkate değerdir ki o zamanlar bilinen Kuantum Kuramı'nın birkaç özelliği problemi çözebilirdi (Klasik fizikle çelişki konusuna aldırış edilmediği sürece).

Bohr, basitçe, çekirdek etrafındaki yörüngelerdeki elektronların ışık yaymadıklarını ve atomların yaydığı ışığın bir başka fiziksel yapının sonucu olduğunu varsaydı. Bohr, Planck’ın enerjinin kuantlaşması fikrinin, elekronlar için ancak belli yörüngelerin mümkün olduğu anlamına geldiğini gösterdi. Atomların kararlılığını korumak için Bohr, yörüngedeki elektronun onun altına düşemeyeceği en düşük enerjili yörünge konusunda bir önermede bulundu.

Bir elektron daha yüksek bir yörüngeden, daha alçağına düşerken, böylece enerji kaybederken, bu elektronu taşıyan atom ışık yayar, bu da kaybedilen enerjiyi taşır. Yalnızca belli elektron yörüngelerine izin verildiği için, elektronların yörüngeler arasında yalnız belli sıçramalar olabilir ve sonuç olarak, yayılan ışığın enerjisi kuantlaşır (Nicelik olarak ifade edilebilir).

Işığın enerjisi, rengi ile bağlantılı olduğu için, atomlar tarafından ancak belli renklerde ışık yayılabilir. Bu şekilde Bohr’un teorik Atom Modeli, gizemli tayf çizgilerinin varlığını açıklamaktadır. Her farklı atomun tek ve belli renklerde ışık yaydığını ifade eden deneysel olarak gözlemlenmiş gerçek, atomların kuantum yapısını açığa çıkarmıştır.

Bohr’un atomunun enerji düzeylerini imgelemenin bir yolu, harp gibi, yaylı bir müzik enstürmanı düşünmektir. Çalındığı zaman her yaydan belli bir titreşim veya ses çıkar. Benzer şekilde bir elektron, atomdaki yörüngelerde atlarken, belli bir titreşimi veya rengi olan ışık yayılması olur. Bu da kesintili ışık tayfının kaynağıdır.

Bohr yeni fikirlerini, tek bir protonla onun çevresinde yörüngede tek bir elektronu olan en basit atoma, hidrojene uyguladı. Böyle basit bir atom incelemenin avantajı, elektronun izin verilen yörüngelerinin kesin olarak hesaplanabilir olması ve bu nedenle de hidrojenden çıkan ışık tayfının belirlenebilmesidir.

Bohr’un kendi teorik Atom Modeli'ne dayanan hidrojen ışık tayfı ile ilgili hesapları, deneysel olarak gözlemlenmiş olan tayfa yeterince uygun sonuç verdi. Teori ile deney arasında böyle uyum rasgele olamazdı. Bu durum, Bohr’un, Kuantum Teorisi'nden aldığı fikirler bileşiminin doğru çıktığı anlamına geliyordu.

Kuramsal fizikçiler, Bohr’un fikirlerini aldılar ve daha karmaşık atomlara uyguladılar. Ancak, her büyük bilimsel ilerleme gibi, Bohr’un modeli pek çok yeni soruya (Daha önce sorulamayan sorulara) yol açtı. Bir elektron ne zaman yörüngesini değiştirip atomdan ışık yayılmasına yol açar? Yayılan ışık hangi doğrultuda ilerler ve neden?

Bu sorular Einstein’ı zorladı. Klasik fiziğe göre, hareketin yasaları atom gibi bir fiziksel sistemin gelecekteki davranışını kesin olarak belirler. Fakat ışık yayan atomlar ani ve önceden belirlenmemiş şekilde hareket ediyor görünüyorlardı. Atomlar sıçrıyor. Fakat neden ve hangi yönde? Einstein, aynı aniliğin radyoaktivitenin de özelliği olduğunu kavradı.

Başlangıçta fizikçiler, atomların davranışını klasık elektromanyetizm teorisi çerçevesine uydurmaya çalıştılar ve ışık kuantası kullanmadan, kuantum sıçramaları bilmecesini yanıtlamak için umutsuz girişimlerde bulundular. 1924'te Niels Bohr, Hendrik Kramers ve John Slater, atom düzeyinde enerji ve momentumun korunumu yasalarını terketme pahasına bu yaklaşımı savunan bir yazı yazdılar.

Bu devrimci bir öneriydi. Çünkü bu yasalar en iyi test edilmiş fizik yasalar aasında bunuyorlardı. Bu önerini yapıldığı zamanda, korunum (sakınım) yasalarını tek tek atomik süreçler için geçerli olduğunu gösteren hiçbir doğrudan deneysel kanı olmamıştı. Ancak bu kısa sürede gerçekleşti.

Arthur H. Compton ve A. W. Simon, elektronlardan tek tek fotonlar, ışık parçacıkları saçılmasını sağladılar. Tek tek elektronların izlerini görüntüleyen bir cihaz olan Wilson Bulut Bölmesi kullanarak, yüksek hassaslık derecesi ile tek tek atomik süreçler için korunum yasalarını doğruladılar. Fizikçilerin çoğu için 1925'te yapılan bu deneyler, Einstein’ın 1905 yılındaki ışık kuantumu önerisini destekledi.

Rutherford ve Compton’ununkiler gibi çok sayıda yeni atomik deneyle, atomun yapısı açağa çıkarılmıştı. Bu deneyler, teorik fizikçileri yeni ve bilinmeyen bir dünyaya geçmeye zorladı; alışılmış olar klasik fiziğin yasaları artık işlemiyor görünüyordu. Atomda insan zihni yeni bir mesajı almıştı. Atomik mikrodünyanın yapısında yeni bir fizik açığa çıktı. Yüzyıllarca deney ve fiziksel teorilerle desteklenen determinizmin dünya görüşü yıkılmak üzereydi.

Bohr, Compton ve Simon’un deneylerinin sonuçlarının, hem Korunum Yasalarının doğruluğu, hem des Işık Kuantumu veya fotonun varlığı anlamına geldiğini kabul etti. Temmuz 1925'te şu sonucu özetledi: "Klasik elektrodinamik teorinin gerekli genelleşmesinin, doğanın tanımını bu güne kadar üzerine kurulmuş olduğu kavramlarda köklü bir devrimi gerektirdiği gerçeğine hazır olunmalıdır." Bohr bu devrime hazırdı. Bu, kısa sürede gerçekleşti. Bunun ilk adımı halihazırda, kuzey denizinde bir küçük adada atılmıştı."

Saçıcı metal yapraktan, floresans ekrana gelen alfa parçacıklarının, birim yüzeye düşen sayısı, metal yaprağın kalınlığıyla, metal yaprakta birim hacimdeki atom sayısıyla ve atomdaki çekirdek yükünün karesiyle doğru orantılıdır. Deneyler pek çok çekirdeğin yaklaşık küresel geometriye sahip oldukları ve tüm çekirdeklerin yaklaşık aynı yoğunluğa sahip olduğunu gösterdi.

Thomson, kendi atom modelinde, elektronların pozitif madde içinde gömülü ve bu nedenle de hareket edemez olduğunu tasarlamıştı. Rutherford Modeli'nde elektronlar durgun olamaz. Elektronlar, elektrostatik çekim sonucu spiral bir hareketle çekirdeğe düşecektir (klasik fizik yasalarına göre). Oysa atomla,r yadsınamaz kararlılıklarıyla ortadadır.

Rutherford modeli şu iki soruyu yanıtlayamıyordu:

Elektronlar, çekirdek üzerine düşmeden nasıl hareket ediyor?

Çekirdek boyutu, on üzeri eksi ondört metre ve daha küçük boyutlarda olduğu halde pozitif yük, bu küçük ve yoğun hacimde nasıl dağılmadan durabiliyordu?