Atom Nedir, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr atom teori kuramları ve özellikleri, atom modelleri hakkında bilgiler..

Maddenin en küçük yapı taşlarından olan atomların bilinen özellikleri, ünlü kimyacıların atom kuramları ve atomun tarihi gelişimi hakkında bilgiler…
Atom, atom modelleri, atom şekilleri, çeşitli atom kuramları, atomlar hakkında herşey buradan ulaşabilirsiniz.
dalton atom modeli, Thomson atom modeli, Rutherford atom modeli, Bohr atom modeli, atomun yapısı vb konular burada yer almaktadır.

Atom Modelleri;

• Dalton Atom Kuramı 
• 
  
• Thomson Atom Modeli 
• 
  
• Rutherford Atom Modeli 
• 
  
• Bohr Atom Modeli 

Atomun Yapısı Nasıl Aydınlatıldı? 

Newton zamanındaki atom modeli küçük, sert ve dayanıklı bir küre şeklindeydi. Dalton’un kafasındaki atom da bundan farklı değildi. Bu öykü , oldukça ilginç. “Atom” sözcüğü, parçalanamayan anlamında Yunanca “atomos” sözcüğünden geliyor. Bir zamanlar atomlar, maddenin parçalanamayan temel yapı taşları olarak düşünülüyordu. Elinize aldığınız bir maddeyi bölmeye başlayıp devam ettiğinizi düşünün. Bir bakır teli alalım ve onu sürekli bölelim. Peki nereye kadar? Sanki bunu yapan insanın bir sabır sınırı var: işte o sınır atomlar. Öyle ya bakırı, bakır yapan bir alt limit parça olmalı. ݝşte o, bakır atomu. Bu sınırı, yani bölünemez atom kavramını fazlaca küçümsemeyin. Bugün atomun parçalanabileceğini biliyoruz. Ama bunu daha çok yeni zamanlarda, 20. yüzyılın ortalarında öğrendik. Atom, kendisi proton, nötron ve elektron denen üç temel parçacıktan oluşuyor. İyi de bunun böyle olduğu nasıl anlaşıldı? Atomun içine yolculuğun yollarını atomun parçacıkları aydınlattı. Madde ışık, madde elektrik ilişkileri ve radyoaktifliğin anlaşılması,atomun yapısının aydınlatılmasını sağladı.

Konuyu, çeşitli yönleriyle düşünmeniz için bir gerçeği daha eklemeliyim. Atomun kimya alanında ortaya çıkması 1803 gibi erken bir tarihte gerçekleşmesine karşın, fizikçilerin bunu kabul etmesi, 1913 Bohr Kuramına dek sürebilmiştir! Bu “tarihsel gerçek”, kimyacıların atomunu yapısını aydınlatmada pek katkısı olmadığını iddia eden fizikçilerin özellikle bilmesi gereken bir olgudur!… Radyoaktiflik Ne Demektir? Tarihin en büyük rastlantısal (tesadüfi) keşiflerinden biri, 1896 yılında yapıldı: H.Becqerel ( 1852-1908) uranyum tuzu kristallerinin ışın yayınladığını tesadüfen gördü. Işığa karşı korunmuş olmasına karşın fotoğraf plağını bu maddeden yayılan ışımanın kararttığını gördü. Kontrollü olarak pek çok gözlem yaptı. Kristalden, hiçbir uyarı almaksızın ışın yayınlandığını ve bunun yeni tip bir ışıma olduğunu saptadı. Uranyumun kendiliğinden radyasyon yayınlama olayı, kısa bir zaman sonra radyoaktiflik olarak adlandırıldı. Diğer araştırıcılar da bazı maddelerin radyoaktif olduklarını gösterdiler. Bu tür çalışmalar içinde en anlamlı araştırma Marie ve Pierre Curie tarafından yapılmıştır. Radyoaktif bir cevher (filiz) olan pitchblend’in tonlarcası, uzun yıllar süren dikkatli ve yorucu kimyasal arıtma işlemlerine tabi tutuldu. Sonuçta, her ikisi de radyoaktif olan ve daha önce bilinmeyen iki yeni elementin varlığı Curie’ler tarafından rapor edildi. Bu elementler, polonyum ve radyum olarak adlandırıldı. Rutherford’un saçılması ile ile ilgili ünlü çalışması dahil, sonraki tüm deneyler radyoaktifliğin, kararsız atom çekirdeklerinin bozunması sonucu oluştuğunu gösterdi. Bir elementin kendiliğinden, hiçbir dış etkiye bağlı olmaksızın başka bir elemente dönüşmesidir radyoaktiflik. Uranyumun tüm izotopları radyoaktiftir. Alfa ve beta parçacıkları yayarak kurşun izotoplarına dönüşürler. Bu özellik, sıcaklığa, basınca, katalizöre ve başka çevre koşullarına bağlı değildir. Her radyoaktif maddenin bir yarı ömrü ya da yarılanma süresi vardır. Örneğin uranyum-238 in kurşun-206′ ya dönüşmesinin yarı ömrü 4.5 milyar yıldır. Yani şu anda elinizde 1 gram uranyum varsa, bu 4.5 milyar yıl önce 2 gramdı. Kayaların içindeki uranyum-238 ve kurşun-206 oranlarından yararlanılarak o kayaların yaşları belirtilebilir.

Atomunun Varlığının Deneysel kanıtları: Dalton Atom Kuramı

19. Yüzyıl: Atomla Açılan Yüzyıl

19. yy’a gelindiğinde fizikçilerin ilgi alanı hala kuvvet, itim ve çekimdi. Yani fizikçilerin atoma pek gereksinimi yoktu. Ya kimyacılar? Kimyasal tepkimeleri anlamaya çalışan kimyacılar atom daha çok ilgi duyuyordu. Gerçekten 19. yy’da atom kuramının canlanmasını sağlayanlar kimyacılardı.

Şöyle soralım: Dalton, 19. yy başında,1803’te, “atomun varlığı”nı ileri sürerken kanıt olarak neleri göstermiştir? Bunu kavrayabilmek için kimyanın temel birleşme yasalarını anımsamalıyız. Çünkü John Dalton (1766-1844) “atomun varlığının kanıtları” olarak bu yasaları göstermiştir. Bunlar kütlenin korunumu,sabit oranlar ve katlı oranlar yasası adıyla bilinir.

19. yüzyıl, aslında atomla açıldı. John Dalton, 1803-8 arasında atomun varlığının kanıtlarını açıkladı ve bilimsel anlamdaki ilk atom kuramını geliştirdi. Dalton, kimyasal tepkimelerdeki kütlenin korunumu (Lavoisier ve Lomonosov), bileşiklerin oluşmasında sabit kütle oranının varlığı (Joseph Proust), katlı oran yasası(John Dalton) gibi denel sonuçları başarıyla yorumladı ve bu sonuçların (yasaların) ancak atomun varlığıyla kavranabileceğini gösterdi.

Joseph Proust ise 1799’da yaptığı bir yayında kimyanın diğer büyük bir yasasını açıkladı. Buna kimyacılar, sabit kütle oranları yasası der. Bu yasa şöyle der: Belirli bir bileşiği oluşturan elementler, daima belirli ve sabit olan bir kütle oranında birleşir. Örneğin su oluşurken diyelim 30 gram hidrojen ile 70 gram oksijen ya da başka bir oran değil;ama daima kütlece yüzde 11.19 hidrojen ve yüzde 88.81 oksijenden oluşur.

1803’te John Dalton, katlı oranlar yasası denen yasayı buldu. Bu yasa sabit oranlar yasasının atomik oran düşüncesine daha kesin bir destek veriyordu. Çünkü iki element arasında iki ve daha çok bileşik oluşuyorsa,elementlerden birinin kütlesi sabit tutulduğunda onunla birleşen ikinci elementin kütleleri arasında basit tam sayılı bir oran vardı. Buradaki kütle terimleri atomları anlatıyordu. “Basit, tam sayılar” atomların oranıydı. İşte Dalton’un vardığı sonuçlar:

1. Her element atom adı verilen çok küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşamazlar ve bölünemezler. “Atomu parçalayacak adam yoktur” diye de ekleyivermişti. Kimyacıların da hata yaptıkları bir gerçektir!

2. Bir elementin bütün atomlarının kütlesi (ağırlığı) ve diğer özellikleri aynıdır. Fakat bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır.

3. Kimyasal bir bileşik iki ya da daha çok sayıda elementin basit sayısal bir oranda birleşmesiyle oluşur. Örneğin bir atom A ve bir atom B, AB ya da bir atom A ile iki atom B yani AB2.(Genel Kimya,Petrucci ve Harwood,s:34,36)

18.yy kimyacılarının en büyük başarılarından biri, atmosferin homojen bir ortam olmadığını, oksijen ,azot (nitrojen), su buharı ve belki de başka şeylerin oluşumundan oluştuğunu keşfetmeleriydi. Ama atmosferin değişmez bir bileşim olduğu anlaşılınca,bütünlüğü ve kalıcılığına ilişkin sorular anlamsızlaşıyordu. Bununla birlikte.Dalton, atmosferin yoğunlukları farklı olan üç ya da daha fazla esnek akışkandan oluştuğunu öne sürünce,aynı orular yeniden ele alınabilirdi. En yoğun gaz üstte ve en seyrek gaz altta olmak üzere niçin ayrı düzeyler oluşmuyordu? Bir Newtoncu olan Dalton, Principia’yı açtı ve orada Newton’ın ‘atmosfer,birbirini iten küçük parçacıklar ya da atomlardan oluşur’ dediğini gördü. Dalton buna ‘bir atom kendi türünden olan atomu itmez, başka tür atomları iter’ varsayımını ekledi. Zafer kazanmış tavrıyla sonuca varıyordu: “ Bu, gazların spesifik çekimleri ne olursa olsun bir gazın diğerinin içine işlemesi içindir.”

Dalton, atom kuramına asıl özgün katkısını henüz yapmamıştı. Bunlar yine belirli bir bilimsel sorundan ötürü ortaya çıkıyordu. Geleneksel atomcular ,atomun biçimi ve boyutları üzerinde yoğunlaşmaya eğilimliydiler. Ne var ki bunun,şu soruyu sorarken Dalton’a pek yardımı dokunmayacaktı: “Niçin su diğer gazlar gibi kütlesini kabul etmiyordu? “ Niçin su,örneğin azot oksiti,nitrojen ya da hidrojenden daha fazla miktarlarda içine alıyordu? Dalton’a göre bunun nedeni tepkimenin, ‘çeşitli gazların temel parçacıklarının sayısına ve ağırlığına bağlı olmasıydı’,en hafif olan en az soğurulabilendi. Bu, Dalton’I atım ağırlıklarıyla ilgilenmeye yöneltmeye yetmişti. Dalton, önceki birkaç varsayıma dayanarak,oksijen ve hidrojen elementlerinin görece ağırlık oranlarının 7:1 olduğu sonucuna vardı ve bu temele dayanarak kimyasal bileşimin temel yasaları üzerinde çalışmaya başladı.

Buna karşın atomculuk, kimyacılar arasında bile dikkate değer bir direnişle karşılaştı. Birçok bilgin,kimyager ve filozof,algılanamaz ve bölünemez parçacıkların varlığını kabul edemiyordu.William Whewell, Philolosophy of the Inductive Science ( 1840) çalışmasında bunun bilimin, kimyasal deneyimin sonucu değil, metafiziğin sonucu olduğunu iddia ediyordu:

“ Ama eğer atomik kuram öne sürülecekse.. ki buna göre kimyasal elemetler bölünemeyen parçacıklardan oluşmaktadır,şunu belirtmeden geçemeyiz ki, kimyasal araştırma bunu kanıtlamamıştır ve hatta hiçbir doyurucu kanıt ortaya koyamamıştır.”

Benzer biçimde büyük kimyacı F.A. Kekule 1867’de şöyle direnebiliyordu: “Atomların varolup olmadığı sorusu kimyasal bakış açısıyla hiçbir önem taşımamaktadır;bu tartışma metafiziğe ait bir tartışmadır.”

Kimyagerlerin atomculuğa olan bu açık kayıtsızlıklarının bir nedeni de kimyasal tepkimeleri açıklamanın,kimyasal denklemlerin dili gibi başka yollarının da olmasıydı. Dönemin ders kitaplarında örneğin denklem tabloları şöyle sunuluyordu:” Kimyasal denklemler yalnızca birbirine bağlanan maddelerin göreli niceliklerini temsil eder.” Ya da bir bilim sözlüğünde açıklandığına göre şöyleydi: “ Nesnelerin,bileşimindeki yerleri değiştirildiği zaman eşit olabildikleri söylenmektedir.”

Örneğin:” Deneyler sonucunda… Çeşitli metallerin değişik ama belirli ağırlıklarının birbirinin yerine geçebildikleri anlaşılmıştır. Cıva ağırlığından 100 ölçü,31.7 bakır, 32.5 çinko ve 1 ölçü hidrojen 35.5 ölçü klorla yaptıkları bileşimde birbirlerinin yerine geçme durumundadırlar.”

Böylece Dalton ve diğer atomcular ikili bir bileşik olan suyu,bir hidrojen atomu ve ondan yedi kat daha ağır bir oksjen atomunun oluşturduğunu düşünürken,diğerleri oksijen ağırlığında yedi birimin bir birim hidrojenle birleşerek birim su oluştuğunu düşünüyorlardı. Belki de kolaylık olsu diye oksijen ve hidrojen atomlarından söz edilebilirdi ama ısrar edildiğinde bunun yalnızca kimyasal deneylerden söz etmenin daha kolay bir yolu olduğunu söylerlerdi.

(Derek Gjertsen, Bilim ve Felsefe, Say Y s:196- 198)

Thomson Atom Modeli: Üzümlü Kek Modeli 

Yirminci yüzyıl, tüm atomların birkaç temel parçacıktan oluştuğunu gösterdi. Bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren proton ve nötronun da daha temel yapıtaşlarından oluştuğu görüldü. Temel parçacıklarla ilgili değişik listeler yapıldı. En son listede 16 kadar temel parçacık bulunuyor. Fakat tüm bu değişmeler boyunca bir parçacık hep listede kaldı: elektron.Elektronlar, katot ışınları olarak gözlendi. Şimdi bu gözleme kısaca göz atacağız. Bugün bildiğimiz bilgisayar ve TV ekranları katot ışınları tüpü denen bir düzenek içerir.

Bu tüp ilk kez Micheal Faraday (1791-1867) tarafından yapılmıştı. Faraday, havası boşaltılmış bir cam borunun iki ucuna bir doğru akım üreteci bağlamış,tüpün negatif uç bağlanmış ucundan,yani katodundan çıkan ışının pozitif uç bağlanmış ucuna,yani anota gittiğini “görmüştür.” Böylece Faraday, katot ışınlarını keşfetmiştir. Daha sonraki araştırıcılar katot ışınlarının tüp içinde bir doğru boyunca yol aldıklarını ve katodun yapılmış olduğu maddeye (demir,platin vb.) bağlı olmadıklarını bulmuşlardır. Gerçekte katot ışınları gözle görülmez. Ancak çarptıkları bir yüzeyden yaydıkları ışıkla görülebilirler.(Yüksek enerjili bir ışının bir madde yüzeyine çarpmasıyla ışık yayılmasına fluoresans denir).

19. yüzyıl bitmek üzere. Yıl 1897… Elektronun keşfinin onuru, haklı olarak ݝngiliz fizikçi Sir Joseph John Thomson (1856-1940)undur.

Thomson, deşarj (boşalım) tüplerinde yayılan katot ışınlarının özeliklerini inceliyordu. Thomson’un deneyinde, elektriksel kuvvetler,paralel duran yüklü levhalar tarafından üretilmişti. Daha önce de gördüğümüz gibi,herhangi bir yüklü cisim üzerindeki elektrik kuvveti,genel olarak yük ile cismin bulunduğu noktadaki elektriksel alan değerinin çarpımı şeklinde ifade edilebilir. Havası alınmış bu tüplerde ve yüksek gerilim altında katottan anota doğru yayılan bu ışınlar, elektrik ve manyetik alanda da pozitif kutbun etkisiyle sapmaya uğruyordu. Katot ışınları, negatif elektrikle yüklüydü. Thomson, bu ışınların sapmalarından yararlanarak yük /kütle oranlarını hesapladı. Bu oran, iyonların ölçülen yük/kütle oranlarına göre çok büyüktü. Bu sonuca göre katot ışını birimleri negatif yüklü, çok küçük kütleli atom içi parçacıklardı. Ayrıca katot ışını parçacıklarının kütle/yük oranının değeri ölçülme koşullarının hiçbirine bağlı görünmüyordu. Atomların içlerinde negatif yüklü elektronların gömülü olduğu ve içinde pozitif yükün düzgün olarak dağıldığı maddesel küreler olduğunu önerdiğinde bu, normal karşılanmıştı. Thomson, bunu üzümlü keke benzetmişti. Kekin bütünü atomdu, üzümler de elektron. Bu terimi ilk kullanan (1874′te)Ýngiliz-Ýrlandalı fizikçi ve gökbilimci George Johnstone Stoney’dir(1826-1911).

Thomson, meslektaşları ve öğrencileri tarafından çok sevilen biriydi. Büyük ölçüde onurlandırıldığı da bir gerçek. 1906 Nobel fizik ödülüyle taçlandırıldı; 1908′de şovalyelik ünvanını aldı; 1915′te de Royal Society Başkanlığına getirildi…

Ama 13 yıl sonra yapılan bir deney, görünüşte pek sorunu olmayan modelin terk edilmesini gerektirdi ve klasik fizik ışığında anlaşılamayacak bir atom yapısının doğmasına yol açtı. Thomson’ a sorulan sorulan soru şuydu: Negatif yüklü elektronlar “taneli” olduğu halde pozitif yük neden ve nasıl “kesiksiz” olarak atomik hacmi doldurabiliyor? Atomun ݝçine Bakış! “Üzümlü kek” içinde ne olduğunu anlamının yolu onun içine “bakmak”tır. Bu işi, Yeni Zelandalı bilimci Ernst Rutherford (1871-1937) başardı. Bu başarıda ona öğrencileri Geiger ve Marsden yardım etti. Radyoaktiflikle ilgi çalışmaları ona daha 1908′de Nobel Kimya Ödülü’nü getirmişti. Rutherford ve Soddy, daha önce değişmez olarak düşünülen kimyasal elementlerin radyoaktiflik sürecinde başka elementlere dönüştüğünü bulmuşlardı. Soddy, yeni olayı “radyoatif dönüşüm” olarak adlandırmayı önerdi. Kurşunun altına dönüşümü gibi, elementlerin dönüşümü,19. yy kimyacılarının ve fizikçilerinin reddettiği bir eski simya düşüydü. Soddy’nin önerisine Rutherford’un yanıtı “Zeus aşkına Soddy, bizi simyacı sanacaklar” demek olmuştu.

Rutherford’ un önerisi üzerine Geiger ve Marsden de bunu yaptılar.1911′de yaptıkları ünlü deneyde, bazı radyoaktif elementlerin yaydığı hızlı alfa parçacıklarıyla ince altın yaprağı bombardıman ettiler. Yalnız ondan önce bilinmesi gereken şeyler var: Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan üç tip ışıma(radyasyon) konusunda ayrıntılı çalışmalar yapmış, bu ışımalardan alfa ve betayı kendisi bulmuştu. 1900 yılında Villard da gama ışınlarını bulmuştu. sonradan yapılan deneyler sonucunda alfa ışınlarının gerçekte helyum çekirdeği, beta ışınlarının çekirdekten çıkan elektronlar ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları gösterilmişti. Alfa parçacıkları, iki elektronunu kaybetmiş helyum çekirdekleriydi ve +2 yüklüydü. Rutherford, alfa parçacıklarının pozitif elektrikle yüklü parçacıklar olduğunu biliyordu

Rutherford Atom Modeli: Çekirdekli Atom Modeli. 

1911 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 modelinin sonucudur. Çünkü Thomson atom modeli doğruysa, ince metal levhadan geçen alfa parçacıkları üzerine yalnızca zayıf elektriksel kuvvetler etkir ve alfa paçacıklarının 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. Ã?stelik bu deneyde kullanılan alfa parçacıklarının hız yüksekti. Alfa parçacıklarını bu derece saptırabilmek için büyük kuvvetler uygulanması gerektiği açıktı. Bu kuvvetlerin Thomson atom modelindeki 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 yararlanılarak çekirdek yükü ve çekirdek boyutu konusunda bilgiler elde edildi. Çekirdek kuvvetleri çok kısa mesafeli kuvvetlerdi.

Atom çekirdeğiyle ilgili kilometre taşı sayılan diğer olaylar şunlardır:

1. 1930 yılında Cockroft ve Walton hızlandırılmış parçacıkların kullanılmasıyla gerçekleştirilen çekirdek tepkimelerinin gözlenmesi

2. 1932 yılında Chadwick’in nötronu bulması

3. 1933 yılında,Joliot ve Ýrene Curie’nin yapay radyoaktifliği bulması

4. 1938′de Hahn ve Strassman’ın çekirdek bölünmesini (çekirdek fisyonunu) bulması

5. 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’den arkadaşı Boltwood’a şöyle yazıyordu: “Bir Danimarkalı olan Bohr,Cambridge’den çıkmış, radyoaktiflik konusunda bazı deneyler yapmak üzere buraya geliyor”. Cambridge’de J.J. Thomson’un öğrencisi olan Niels Bohr, kendi memleketine, Kopenhag’a dönmeden önce, Manchester’da yarım yıldan az bir süre kaldı. Ancak, kısa ziyaretine rağmen, Rutherford genç Danimarka’lı üzerinde etkili oldu.Çok geçmeden 1913 yılında Bohr,kendi adıyla anılan atom kuramını ortaya attı.

Bohr Atom Kuramı 

Saçıcı metal yapraktan floresans (çinko sülfürlü) 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 modelinde elektronlar durgun olamaz. Elektronlar elektrostatik çekim sonucu spiral bir hareketle çekirdeğe düşecektir (klasik fizik yasalarına göre)? Oysa atomlar yadsınamaz kararlılıklarıyla ortadadır.

Rutherford modeli şu iki soruyu yanıtlayamıyordu:

1. Elektronlar, çekirdek üzerine düşmeden nasıl hareket ediyor?

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

Atomik yapı problemi ilgisini çekmiş olan Niels Bohr(1885-1962), yaratıcı cesaretli bir adım attı: klasik fiziğin bazı kurallarını bıraktı ve onun yerine atomik yapı problemine Max Planck’ın ve Albert Einstein’in kuantum kuramını uyguladı. Dikkate değerdir ki o zamanlar bilinen kuantum kuramının 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, elektronlar için ancak belli yörüngelerin mümkün olduğu anlamına geldiğini gösterdi. Atomların kararlılığını açıklamak için Bohr, yörüngedeki elektronun onun altına düşemeyeceği en düşük enerjili yörünge(daha doğrusu enerji düzeyi) 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.. Işığın enerjisi rengi ile bağlantılı olduğu için,atomlar tarafından ancak belli renklerde ışık yayılabilir. Bu şekilde Bohr’un kuramsal atom modeli, gizemli spektrum(tayf) çizgilerinin varlığını açıklamaktadır. Her farklı atomun tek ve belli renklerde ışık yaydığını ifade eden deneysel olarak gözlemlenmiş gerçek, atomların kuantumlu yapısını açığa çıkarmıştır. Bohr’un atomunun enerji düzeylerini imgelemenin bir yolu, harp gibi, yaylı bir müzik enstrümanı 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.

Hidrojen atomuna uygulandığı kadarıyla Bohr kuramının temel fikirleri şöyledir:
1. Elektron, protonun çevresinde Coulomb çekim kuvvetinin etkisi altında dairesel bir yörüngede hareket eder.

2. Atomda yalnızca belirli yörüngeler kararlıdır. Bu kararlı yörüngeler,elektronun(dolaysıyla atomun) ışıma yapmadığı yörüngelerdir (Enerji sabit ya da kararlı olduğundan elektronun hareketini tanımlamak için klasik mekanik kullanılabilir).

3. Işık yaymayan atom,yani en düşük enerjili atom için temel durumdaki atom nitelemesi yapılır. Enerji almış bir atoma ise uyarılmış atom denir. Uyarılmış atomlar, temel duruma geçerken ışık yayınlar. Bu sıçramalı,ani geçiş,klasik olarak gösterilemez ya da ele alınamaz. Bu sıçramalı geçişte fotonun frekansı,elektronun yörüngesel hareketinin frekansından bağımsızdır.

4. Elektron yörüngesinin izin verilen büyüklüğü,elektronun yörüngesel açısal momentumuna dayanan ek bir kuantum koşulu ile belirlenir. Başka anlatımla elektron n=1, 2, 3, 4… gibi özel tamsayılarla gösterilen baş kuant sayılı enerji düzeylerinde bulunabilir.

Bohr’un kendi teorik atom modeline dayanan hidrojen ışık tayfı ile ilgili hesapları, deneysel olarak gözlemlenmiş olan tayfa yeterince uygun sonuç verdi. Kuram ile deney arasında böyle uyum rasgele olamazdı. Bu durum, Bohr’un kuantum teorisinden aldığı fikirler bileşiminin doğru çıktığı anlamına geliyordu-bilimsel imgelem atomların kuantum yapısına ilk başarılı adımını atmıştı, insan zihninin yeni bir ortamı, bu durumda maddenin atomik yapısını kavrama konusundaki eski kapasitesi yine güçlü şekilde desteklenmişti. Çizgi spektrumunun kuramsal olarak çıkarılması başlıbaşına dikkate değer bir bir başarı olmasına karşın, Bohr’un anıtsal başarısı çok daha derin ve geniştir. Bu nitelik, Bohr’un 1913′teki üç kısımdan oluşan makalesinde dile getirilmiştir. Bohr,

1. Hidrojenin yayma spektrumuna göre soğurma spektrumunda görülen sınırlı sayıdaki çizgileri açıkladı;

2. Atomlardan yayılan x-ışınlarını açıkladı;

3. Elektronun kabuk modeline göre atomların kimyasal özelliklerin açıkladı;

4. Atomların moleküller oluşturmak üzere nasıl bir araya geldiklerini açıkladı.

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 kuantumunu kullanmadan kuantum sıçramaları bilmecesini yanıtlamak için umutsuz girişimlerde bulundular.

Bohr Atom Modeli, 1913 

Her atomun bir çekirdeği ve elektronları olduğu anlaşılmıştı. Thomson, atomik hacmin pozitif elektrik yüküyle dolu olduğunu elektronların da bu pozitif yüklü ortamda gömülü, hareket edemez durumda bulunduğunu tasarlamıştı. Rutherford’un modelindeki elektronlar ise durgun olamaz. Bu elektronlar, kütlenin ve pozitif yükün yoğunlaştığı çekirdek tarafından çekilir. Buna göre elektronları çeken elektrostatik kuvvete karşı onları yerinde tutacak hiçbir kuvvet yoktur. Klasik fizik ( o zamana dek bilinen fizik yasalarına) göre elektronlar ivmelendirilmiş elektrikle yüklü parçacıklar olarak ışıma yaparak saniyenin yüz milyonda biri kadar bir sürede(yol bu kadar) spiral bir hareketle çekirdek üzerine düşmelidir. Doğrudan denendiği başka olgularda başarılı olan elektromanyetik kuram, bu öngörüde başarılı olamadı. Çünkü çekirdekli atomunu yaşadığı bir gerçekti. Bu çelişki şu anlama geliyor: Makroskopik dünyada geçerli olan fizik yasaları, atomal boyutta, yani mikroskopik dünyada geçerli olmamaktadır. Ýncelenen olayın ölçeği küçüldükçe klasik fiziğin geçerliliği de azalıyor ve atom anlaşılmak istenirse kesinlikle dalgaların parçacık gibi, parçacıkların da dalgalar gibi davrandığını dikkate almalıyız. Günlük yaşantımızdan edinilen kavramlarla kuantum kuramının kavramları arasında hiç bir bağlantı yok ne yazık ki! Işığı ve elektronu, “hem dalga, hem parçacık” gibi, yani bu ikili tabiatta kavramaktan başka bir seçeneğimizin olmadığını anımsatmalıyım. Yine ileri gittik galiba. Daha ileri gideceğiz de gitmeden önce Bohr’ un 1913′te ortaya koyduğu kuramın temellerini ve kendisini bir araştıralım. Niels Bohr, zamanındaki çağdaş bulguları birleştiren bir kuram üretti. Onun önünde biriken denel sonuçlar ve kendi buluşları şöylece özetlenebilir:

1. Rutherford’un 1911′de varlığını kanıtladığı çok yoğun, çok küçük hacimde istiflenmiş, pozitif yüklü atom çekirdeği; bu çekirdek çevresinde dolanan elektronlar.

2.Gaz halindeki atomların verdiği çizgisel tayf (spektrum) ve tayf çizgileriyle ilgili yasalar .Tayf çizgilerini başarıyla açıkladı.

3. Her elementin, insanlardaki parmak izi gibi, kendine özgü x-ışınları tayfı vermesi. Bohr,x-ışınlarını da başarıyla açıkladı.

4. Bütün bunları birbirine bağlamayı olanaklı kılan, Planck’ın 1900′de açıkladığı kuantum kuramı. Elektronun kabuk modeline göre,atomların kimyasal özelliklerini ve atomların nasıl molekül oluşturduklarını açıkladı.

Size Bohr’ un daha 1913′te atomla ilgili neler dediğini anlatacağım. Ama şunu belirteyim ki Bohr, yaklaşık 40 yıl yeni fiziğin, yani kuantum kuramının 1920′lerdeki aşamasının, Einstein’e karşı bilimsel itirazların en büyük adıdır. Negatif yüklü, pek küçük kütleli elektronlar, pozitif yüklü olan ve neredeyse atomun kütlesinin tümünü taşıyan pozitif çekirdeğin çekimiyle neden çekirdek üzerine düşmüyor? Elektronlar her, enerjiyi değil de belli enerjileri alabildiği için. Daha 1885′te J.Johann Balmer (1825-1898), hidrojen spektrumunun görünür bölgesini incelemiş ve her çizginin belli bir dalga boyuna karşılık geldiğini denel olarak göstermişti. İşte bu spektrum çizgilerinin aynı zamanda hidrojen atomu içindeki ayrı enerji düzeylerini de gösterdiğini Bohr gördü. Bohr, hidrojen atomunda her enerji düzeyinin belirli ve sabit bir enerjisi olduğunu anladı. Atom içindeki elektron işte bu belirli enerjileri alabiliyor, ama bunlar arasındaki herhangi bir enerji değerini alamıyordu. Işığın ‘atomu’ yani ışığın kuantumu fotondu. Bir madde, bir iki, üç, dört,… foton alabilir ya da salabilirdi. Ama söz gelişi bir buçuk, iki buçuk foton alıp veremezdi. Beyaz ışık, farklı dalga boyundaki ışınlar içerir. Newton, ışığa bakmaya başladığında ilk bulduğu şey beyaz ışığın renklerin karışımı olduğuydu. Beyaz ışık, bir cam prizmadan geçirildiğinde kırmızı ışık en az, mor ışık en çok kırılır. Kırmızıdan mora doğru, arada turuncu, sarı, yeşil, mavi ve menekşe renkle yer alır. Kırmızı ışığın dalga boyu, mor ışığınkinden daha uzundur. Aslında görünen ışık uzun bir eşelin(skalanın) yalnızca küçük bir parçasıdır; tıpkı işitebileceğimizden daha yüksek ve daha alçak notalar içeren müzik skalası gibi. Işık skalası, frekans adı verilen sayılarla düzenlenir. Sayılar büyüdükçe ışık kırmızıdan maviye, mora ve mor ötesine geçer. Morötesi ışığı göremeyiz ama bu, fotoğraf filmlerini etkiler. Bu hala ışıktır, ama sadece sayı farklıdır. Eğer sayıyı artırmayı düşünürsek x-ışınlarına, gama ışınlarına ve ötesine erişiriz. Eğer öteki yönde değiştirirsek, maviden kırmızıya, kızılötesi(ısı) dalgalarına sonra televizyon ve radyo dalgalarına varırız. Newton, ışığın taneciklerden oluştuğunu düşünmüş ve bunlara ” cisimcik”(korpüskül) adını vermişti. Bunda haklıydı (ama bu sonuca vardıran akıl yürütmesinde hatalıydı). Işığın taneciklerden oluştuğunu biliyoruz; çünkü üzerine ışık düştüğünde tıkırdayan, çok duyarlı bir alet kullanır ve görürüz ki ışık zayıfladığında her tıkırtının sesi hâlâ aynı şiddetle çıkmakta,yalnız aralıkları uzamaktadır. Demek ki ışık yağmur damlalarına benzer-her bir küçük ışık topağına bir foton denir- ve ışığın hepsi aynı renkteyse “yağmur damlalarının” hepsi aynı boydadır.

1924′te Niels Bohr, Hendrik Kramers ve John Slater, atom düzeyinde enerji ve momentumun korunumu yasalarını terk etme pahasına bu yaklaşımı savunan bir yazı yazdılar- bu devrimci bir öneriydi. Çünkü bu yasalar en iyi test edilmiş fizik yasalar arasında 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’unkiler gibi çok sayıda yeni deneyle atomun yapısı açığa 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 yasalarını doğruluğu, hem de ışık 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.” Kuantum kuramının geliştiği o heyecanlı günlerde bir meslektaşı ” Rutherford dostum, bugünlerde fizik nasıl?” diye sormuş, Rutherford da şöyle yanıtlamış: “Fizik hakkında söylenecek bir tek şey var; kuramcıların ayakları yere basmıyor, onları aşağı indirmek gene bize düşüyor.” Nobel Ödüllü kuramsal fizikçi Steven Weinberg bu satırları aktardıktan sonra şunları yazıyor:

” Bir kuramcı olarak, benim bu tür kuram karşıtı duyguları üzüntüyle karşılamam doğaldır. Fakat gerçekte kuramcılar ve deneyciler birbirleriyle genellikle iyi geçinirler ve biri olmadan diğeri olamaz. Rutherford’un tutumu herhalde şu nedene dayanıyor: Rutherford en büyük çalışmasını, çekirdek hakkında öylesine az şey bilindiği dönemde yapmıştı ki, özenle hazırlanmış matematiksel bir kurama yer yoktu; gereken kuram neyse, onu Rutherford’un kendisi de sağlayabilirdi.”

Kuşkusuz burada nezaket ve denge söz konusu. Yine de gerçek şu: Rutherford devrime hazır değildi; ama Bohr bu devrime hazırdı.

Modern atom kuramının ayrıntılarında Bohr’un izleri yok gibi görünür. Oysa o ünlü Solvay Konferansları başladıktan sonra, özellikle 1927′dekiyle birlikte Bohr-Einstein tartışması bilim tarihinin çok önemli ve canlılığını koruyan sayfalarıdır.

Modern Atom Kuramı: 1920-1930 

Modern atom kuramı, tümüyle kuantum kuramı temeli üzerinde yükseliyor. Artık modellenemeyen bir “matematiksel” betimlemenin içinde düşünmemiz gerek. Bu kuram, öncelikle çekirdek çevresindeki elektron “davranışı”nı belirler.

Elektron, bulunduğu zaman tümüyle bir parçacık olarak kavranmıştı. Ama sonraları, onun aynı zamanda bir dalga özelliği taşıdığı anlaşıldı. Elektron nedir? Parçacık mı? Evet. Dalga mı? O da evet! Peki çekirdek çevresindeki elektronların bulunduğu uzay parçalarını biliyor muyuz? Evet. Onlara orbital diyoruz. Orbitaller s,p,d ve f harfleriyle simgeleniyor.Niels Bohr, elektronların her enerjiyi değil,belirli enerjileri alabildiğini benimseyerek yeni atom kuramını geliştirmişti. Bohr, çok elektronlu atomların karmaşık tayf çizgilerini ise açıklayamıyordu.

Bir elektrik alan, bir atomun tayf çizgilerini, değişik frekanslarda,birkaç çizgiye daha ayırır(Stark Olayı)Bu da Bohr kuramı için bir bilmeceydi.

Atomların ışıması bir manyetik alan içinde incelendiği zaman oluşan tayf çizgilerinin herbirinin bir kaç çizgiye ayrılması olayına “yarılma” denir. Çizgilerin ayrıklığı manyetik alanın şiddetine bağlıdır. Bir manyetik alanda tayf çigilerinin yarılması olayını 1896’da Hollandalı fizikçi Pieter Zeeman (1865-1943) keşfetti. Zeeman olayı, uzay kuantumlanmasının etkili bir kanıtıdır.

Modern Atom Kuramının temeli üç büyük adıma dayanır:

1.Parçacıkların dalga özelliği göstereceğinin kestirilmesi, Louis de Broglie,1924.Broglie, o zamana dek birbirinden ayrıymış gibi duran iki eşitliği Planck eşitliği(E=hf) ile Einstein eşitliğini (E=mc2) birleştirdi,her parçacığın bir dalga özelliği taşıması gerektiğini açıkladı.

2. Dalga mekaniğinin yani Schrödinger dalga denklemi denen denklemin keşfi. Erwin Schrödinger ,1926.

Schrödinger 1926 yaz aylarında dalga denklemi türetti. Dalga denklemine göre,örneğin, hidrojen atomunda elektronun konumu kuantize değildir, bu bakımdan,elektronun çekirdek civarında,birim hacim başına belli bir bulunma olasılığını düşünmemiz gerekir. Fakat öngörülebilen hiçbir konum, hatta klasik anlamda yörünge söz konusu değildir. Bu olasılıkçı söylem, hidrojen atomu üzerinde yapılan deneylerin, atomun bir bütün elektron (belirli bir bölgede bir elekronun yüzde 27’sini başka bölgelerde yüzde 73’ünü değil) içermekte olduğunu göstermesi gerçeği ile çelişmez; olasılık, elektronun bulunması ile ilgilidir ve her ne kadar bu olasılık uzayda dağılmış ise de elektronun kendisi dağılmış demek değildir.Madde dalgalarının gerçek dalgalar değil,dalga genliğinin karesiyle belirlenen olasılıkçı yorumunu Max Born yapmıştır. Ancak Schrödinger ve Einstein bu yoruma katılmamıştır.Ançak geçen zaman Born’u haklı çıkarmıştır.

3.Belirsizlik ilkesinin keşfi. Heisenberg,1927.

Elektronun yerini ve hızını aynı anda belirlemede sorun var mı? Var. Elektronun yerini belirleme konusunda yüzdeler veriyoruz. Elektron yüzde 90 olasılıkla şu atomik uzayda bulunabilir diye hesaplarımızın sonucunu veriyoruz. Bu olasılık, her ne kadar uzaya dağılmış ise de elektronun kendisi dağılmış demek değildir.

Elektronun atom içindeki yerini ışık kullanarak belirleyebiliriz. Belli dalga boyu olan bir ışıkla aydınlattığımız zaman,o dalga boyundan daha küçük ayrıntıları seçemeyiz. Bu iyi bilinen bir olgudur. Gerçekten badana fırçası ile bir Ýran minyatürü yapılamaz!

Elektronun yerini “görmek” istediğimizde “gördüğümüz yer” ,onun gerçek yeri değil de “fotonla itildiği yer” olacaktır. Burada kullanılan ışığın dalga boyu düzeyinde bir belirsizlik vardır. Bu belirsizlik, hiçbir zaman sıfıra indirilemeyecektir.

Benzer sorun elektronun hızını ve ona bağlı olan momentumunu belirlemede de karşımıza çıkıyor.

Uzatmayayım. Elektronun yerini ve momentumunu asla tam bir kesinlikle belirleyemeyiz. Bu konuda olasılıklar düzeyinde konuşabiliriz. Evet,elektronun çekirdek çevresinde bulunabileceği olası bölgeleri bilebiliyoruz. Elektronun olası ve ortalama hızını ve dolaysıyla momentumunu bilebiliyoruz. belirsizlik ilkesi Ama bunları tam bir kesinlikle bilemiyoruz. Tam bir kesinlikle bilemediğimiz çok şey var. Bunları sorun etmeyin. Çünkü en yetkin bilim adamları bile bunları kesinlikle bilmiyor! Bu da belki daha alçak gönüllü olmamız için gerekli bilgiler.

Orbital, matematiksel bir fonksiyon olmakla birlikte, ona fiziksel anlam vermeyi deneyebiliriz: Eleketronu tanecik olarak düşünürsek orbital, atom içerisinde elektronun bulunma olasılığı yüksek bir bölgeyi simgeler. Elektronu bir maddesel dalga olarak düşünürsek orbital elektron yük yoğunluğu yüksek olan bölgeyi gösterir. Elektron “tanecik” olarak kabul edildiğinde,elektronun belirli noktalarda bulunma olasılığından ;elektron “dalga” olarak kabul edildiğinde ise, elektron yük yoğunluğundan söz ederiz.

Yani elektronun konumu kuantize değildir,bu bakımdan,elektronun çekirdek çevresinde,birim hacimdeki bulunma olasılığını(dalga genliğinin karesine,yani dalga şiddetini) düşünmemiz gerekiyor. Dalganın şiddeti (genliğin karesi) bir bölgedeki foton sayısına,yani foton yoğunluğuna bağlıdır.

Bir su molekülü

Yeryüzündeki hayatın temeli olan suyun oluşabilmesi ise aslında son derece zordur. Öncelikle suyun bileşenleri olan hidrojen ve oksijen moleküllerini bir cam kabın içinde düşleyelim. O kabın içinde çok uzun bir süre bırakalım. Bu gazlar kabın içinde yüzlerce yıl bile hiç su oluşturmayabilirler. Oluştursalar da çok yavaş olarak, mesela binlerce yıl sonra kabın dibinde çok az su farkedilebilir.

Böyle bir durumda suyun bu derece yavaş oluşmasının sebebi sıcaklıktır. Oda sıcaklığında oksijenle hidrojen çok yavaş tepkimeye girerler .

Oksijen ve hidrojen, serbest halde iken H2 ve O2 molekülleri halinde bulunurlar. Bu moleküllerin su molekülünü oluşturmak için birleşmeleri için çarpışmaları gerekir. Bu çarpışma sonucunda, hidrojen ile oksijen molekülünü oluşturan bağlar zayıflar ve oksijen ile hidrojen atomlarının birleşmesine engel kalmaz. Sıcaklık, bu moleküllerin enerjisini, dolayısıyla hızlarını arttırdığı için çarpışmaların sayısını da büyük ölçüde arttırır. Böylece, tepkimenin hızlı ilerlemesini sağlar. Ancak, şu anda yeryüzünde suyun oluşmasını sağlayacak kadar yüksek ısı yoktur. Suyun oluşması için gerekli olan ısı, dünya oluşurken sağlanmış ve dünyanın dörtte üçlük kısmını oluşturan su o zaman oluşmuştur. Artık bu su kaynakları buharlaşarak atmosfere yükselmekte, orada da soğuyarak yağmur şeklinde yeniden yeryüzüne dönmektedir. Yani mevcut miktara yeni bir ilave olmaz, sadece bir çevrim yaşanır.

Su, kimyasal olarak pekçok olağanüstü özelliğe sahiptir. Her bir su molekülü hidrojen ve oksijen atomlarının birleşmesiyle oluşmuştur. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın birleşerek bir sıvıyı, hem de suyu oluşturuyor olmaları oldukça ilginçtir.

Kimyasal olarak suyun nasıl oluştuğuna gelince; suyun elektrik yükü sıfır yani nötrdür. Ancak oksijen ve hidrojen atomlarının büyüklüklerinden dolayı su molekülünün oksijen tarafı hafifçe eksi, hidrojen tarafı da hafifçe artı yüklüdür. Birden fazla su molekülü biraraya geldiğinde artı ve eksi yükler birbirini çekerek “hidrojen bağı” denilen çok özel bir bağı oluşturur. Hidrojen bağı çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın kavrayamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak bir saniyenin yüzmilyarda biri kadardır. Ama bağlardan biri kırıldığında hemen bir diğer bağ oluşur. Böylece su molekülleri birbirlerine yapışırlar ve diğer taraftan zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından akışkan olurlar.

Hidrojen bağlarının suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar, aynı şekilde havanın sıcaklığı aniden düşse bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli oranda oynayabilmesi için çok büyük miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısı enerjisinin bu derece yüksek olmasının canlı hayatına sağladığı çok büyük faydalar vardır. Çok basit bir örnek verecek olursak, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarına aynı oranda uysaydı aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık.

Aynı şekilde, suyun buharlaşmak için de çok büyük bir ısı enerjisine ihtiyacı vardır. Su buharlaşırken, çok ısı enerjisi kullandığı için suyun sıcaklığında eksilme olur. Yine insan vücudundan bir örnek verecek olursak; vücudumuzun normal sıcaklığı 36°C’dir ve dayanabileceğimiz en yüksek sıcaklık 42°C’dir. Aradaki bu 6°C’lik aralık çok küçük bir aralıktır ve birkaç saat güneş altında çalışmak vücut sıcaklığını bu kadar arttırabilir. Ancak vücudumuz terleyerek, yani içindeki suyu buharlaştırarak çok büyük miktarda ısı enerjisi harcar ve vücut sıcaklığı düşer. Vücudumuz otomatik olarak çalışan böyle bir mekanizmya sahip olmasaydı, birkaç saat güneş altında çalışmak bile bizler için öldürücü olurdu.

Hidrojen bağlarının suya kazandırdığı bir başka olağanüstü özellik, suyun sıvı iken katı haline oranla daha yoğun olmasıdır. Halbuki, yeryüzündeki maddelerin çoğu katı iken sıvı haline oranla daha yoğundur. Ancak, su diğer maddelerin tersine donarken genleşir. Bunun sebebi hidrojen bağlarının su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada birçok boşluğun kalmasıdır. Su sıvı iken hidrojen bağları kırıldığından oksijen atomları birbirine yaklaşır ve daha yoğun bir yapı elde edilir.

Bu durum aynı şekilde buzun sudan daha hafif olmasını da beraberinde getirir. Normalde herhangi bir metali eritip içine aynı metalden birkaç katı parça atsanız, bu parçalar hemen dibe çöker. Ancak suda durum farklıdır. Onbinlerce ton ağırlığındaki buz dağları suyun üzerinde mantar gibi yüzmektedirler. Peki suyun bu özelliğinin ne gibi bir faydası olabilir?

Bu soruyu bir ırmak örneği ile cevaplayalım: Havalar çok soğuduğunda ırmaktaki suyun tamamı değil, sadece üzeri donar. Su, +4oC’de en ağır halindedir ve bu dereceye ulaşan su hemen dibe çöker. Suyun üzerinde ‘katman halinde buz’ oluşur. Bu katmanın altında su akmaya devam eder ve +4oC canlıların yaşayabileceği bir sıcaklık olduğu için sudaki canlılar bu sayede hayatlarını sürdürürler.

Kaynakça -Modern Atom Kuramı

1. Beiser,Arthur; Çağdaş Fiziğin Kavramları,Diyarbakır ,2.Baskı (1989)

2.Feynman, Richard P., Kuantum Elektrodinamiği (1985),Nar yayınları(1993),Çev: Ömür Akyüz

3.Gamow,George, Bay Tomkinsin Serüvenleri (1940/1965),Evrim yay,Çev: Tuncay ݝncesu(1998)

4.Petrucci ve Harwood, Genel Kimya, Çeviri editörü: Tahsin Uyar, Palme yayı,Ankara 1994

Bohrn Atom Kuramı – Kaynakça

1. Beiser, Arthur; Çağdaş Fiziğin Kavramları, Diyarbakır ,2.Baskı (1989)

2.Feynman, Richard P., Kuantum Elektrodinamiği (1985), Çeviren : R. Ömür Akyüz, Nar yayınları- 1993

3.Gamow, George, Bay Tomkinsin Serüvenleri (1940/1965),Çeviren : Tuncay ݝncesu, Evrim Yayınları- 1998

4.Petrucci ve Harwood, Genel Kimya, Çeviri editörü: Tahsin Uyar, Palme Yayıncılık , Ankara 1994

5.Serway, Raymond A.;Modern Fizik, Third edition, Çeviri Editörü: Kemal Çolakoğlu,P alme Yayıncılık- Ankara-1996

6. Weinberg, Steven; Atomaltı Parçacıklar: Bir Keşif Serüveni(1983), Çeviren: Zekeriya Aydın, TÜBݝTAK Yayınları- Nisan 2002