Thomson ve Rutherford - Atom Modelleri

İnsanlık, varoluşundan bu yana etrafını çevreleyen doğayı anlamaya ve anlamlandırmaya çalıştı. Bu anlama ve anlamlandırma sürecinde en çok merak uyandıran sorulardan bir tanesi "Etrafımızı çevreleyen maddeler neyden oluşmuştur?" sorusudur. İnsanlık bu soruya hep cevap aradı. MÖ. 5. yüzyılda Demokritos bu soruyu cevaplamaya çalışanlardan biriydi. Demokritos'a göre, madde parçalara ayrıldığında, en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilir ve bu tanecik atomdur. Bu basit önerme, parçacık fiziğine giden çok uzun ve dolambaçlı yolun yalnızca başlangıcıydı.

Demokritos'un önermelerinin ardından günümüz atom modeline giden yolda diğer bir adım, John Dalton tarafından atıldı. John Dalton'un önermelerini 3 başlık altında toplayabiliriz.

  • Atomlar, kimyasal tepkimelerle oluşamaz ve alt parçalara bölünemez.
  • Bir elementin atomlarının kütlesi ve diğer kimyasal özellikleri aynıdır.
  • Kimyasal bileşikler, element atomlarının birleşmesi ile oluşur.

Ancak, atom kavramını açıklamak için geliştirilen bu modelde hatalar vardı. Bir kısmı modern atom modeline kadar çözülemeyecekti ama bir kısmı, Joseph John Thomson tarafından deneylerle ve gözlemlerle çözülecekti.

Thomson’ı_elektronun_keşfine_götüren_deney_düzeneği
Thomson'ın geliştirdiği katot ışın tüpü.

J. J. Thomson, çok kısa bir süre önce William Crookes'un icat ettiği katot ışın tüpleri ile deneyler yapıyordu. Yapılan tüm deneylerde olduğu gibi onun deneylerinde de ışınlar katot (-) uçtan anot (+) uca doğru hareket ediyordu. Thomson bu deneyi biraz geliştirmek istedi ve tüpün sonuna bir floresan ekran koydu. Koyduğu bu floresan ekran sayesinde ışınların yönlenmesini inceleyebilecekti. Katot ışınlarının yüklü olup olmadığını anlamak için ışınların geçtiği yola iki adet zıt yüklü levha koydu ve ışınların bu levhalar arasından geçmesini sağladı. Yaptığı deneyler sırasında ışınların pozitif yüklü levhaya doğru kırıldığını gözlemledi. Bu tek bir sebepten olabilirdi: Işınlar negatif yüklü olmalıydı!

Sapma açısı ve potansiyel fark sayesinde katot ışınlarının hızını ve kütlesini bulabilecekti. Gördüğü şey gerçekten çok büyüleyiciydi. Deneyde kullandığı maddeleri değiştirse de sonuç değişmiyordu. Işınlar hidrojen atomundan 1000 kat küçük ve 1800 kat hafifti. Bu ise tek bir şeyi gösteriyordu. Hidrojen atomu maddenin en küçük birimi değildi. Thomson tüm bu bulguların sonucunda atomların alt parçalardan oluştuğu fikrini ortaya attı. Bu fikir bilim tarihi için önemli dönüm noktalarından biriydi.

plum-pudding-model
Thomson atom modeli

Atomun, negatif yüklerin pozitif yük içerisinde dağıldığı bir yapıya sahip olduğunu önerdi. Keşfettiği negatif yükler ise George Johnstone Stoney'in elektrik paketçiği olarak tanımladığı elektron adını aldı. Ortaya attığı modeli basitçe bir üzümlü keke benzetmişti. Pozitif yük keki, negatif yükler ise içerisindeki üzümleri temsil ediyordu.

Ancak Thomson'ın modeli kusursuz değildi. Thomson'ın öğrencisi Rutherford kontrolünde çalışan Hans Geiger ve Ernest Marsden tarafından yapılan deneyler, Thomson atom modeli ile açıklanamıyordu.

Geiger ve Marsden'in yaptığı deney, alfa parçacığı gönderen bir kaynak ve karşısında da altın bir plakadan oluşuyordu. Plaka, floresan ekran ile çevrelenmişti ve bu sayede plakadan saçılan parçacıkların yöneldiği bölgeler gözlemlenebiliyordu.

Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result.svg
Thomson ve Rutherford atom modeli karşılaştırması.

Eğer gerçekten atom Thomson'ın modellediği gibi olsaydı, pozitif yük çok büyük bir alanda bulunacağından alfa parçacığına etki edeceği kuvvet çok küçük olurdu. Bu da alfa parçacığının saçılmadan atom çekirdeğinden geçebilmesini sağlardı. Ancak işler tahmin edildiği gibi gitmiyordu; parçacıklar saçılıyorlardı!

1911 yılında Rutherford'un yaptığı deneylerde bir miktar saçılma gözleniyordu. Bu da tek bir şeye, pozitif yükün çok küçük bir hacimde toplanmış olduğuna işaret ediyordu. Yapmış olduğu deneyler ışığında Rutherford, hocası olan Thomson'ın atom modelini reddetti (boynuz kulağı geçmişti anlaşılan) ve ortaya yeni bir atom modeli attı. Bu modelde, merkezde çok küçük bir hacimde toplanmış pozitif yük ve etrafında da negatif yükler bulunmaktaydı. Bu büyük bir şeydi çünkü modern atom modeline en benzer yapı, Rutherford tarafından ortaya koyulmuştu. Bohr'un geliştirmesi ile devam edecek olan bu süreç, bizim şu an bildiğimiz atom modeline giden çok önemli bir basamaktı.

Modelinde her ne kadar yanlış önermeler varsa da, Thomson atom modeli bize çok önemli bir şey göstermişti. Atom, alt parçacıklar içeriyordu. Öğrencisi Rutherford'un geliştirdiği model ise Bohr'un devrim niteliğindeki çalışmaları  ile devam edecek olan uzun yolda adeta bir dönüm noktasıydı. Kuantum fiziğinin temellerinden standart modele kadar her şey, bu iki bilim insanının önermeleri ile ilk adımlarını atmıştı.

Yazan: Ege Can Karanfil
Düzenleyen ve Geliştiren:
Deniz Gamze Sanal


Referanslar:

  1. <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/rutsca3.html>
  2. <https://www.universetoday.com/38326/plum-pudding-model/>
  3. <https://edtech2.boisestate.edu/lindabennett1/502/thompson.html>
  4. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1908/rutherford-bio.html>
  5. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-bio.html>
  6. <http://www.visionlearning.com/en/library/Chemistry/1/Early-Ideas-about-Matter/49>

Görsel Kaynakları:

  1. <https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93Marsden_experiment#/media/File:Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result.svg>
  2. <https://www.universetoday.com/38326/plum-pudding-model/>
  3. <https://tr.wikipedia.org/wiki/Thomson_atom_modeli#/media/File:Thomson%E2%80%99%C4%B1_elektronun_ke%C5%9Ffine_g%C3%B6t%C3%BCren_deney_d%C3%BCzene%C4%9Fi.gif>

Ege Can Karanfil

Ortadoğu Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü öğrencisi. İlgi duyduğu diğer alanlar: Evrimsel biyoloji ve Matematik. Boş vakitlerinde amatör müzik ile ilgileniyor.

Ege Can Karanfil 23 makale yazdıEge Can Karanfil tarafından yazılan tüm makaleleri gör