Maddenin Yapisi - Kuram ve Gözlem - Seversintabi.com Türkiye'nin En Büyük Forumu Bence Seversin Tabi

**AlpikE** · #1 18 March 2009, 03:02

Geçen yüzyılın başlarında atomun, karpuzunkine benzer bir yapıya sahip olduğu düşünülüyordu. Buna göre; artı yüklü protonlar, yaklaşık küresel bir doku oluşturuyor, eksi yüklü elektronlar da, karpuzun çekirdeklerine benzer şekilde, bu dokunun içine serpiştirilmiş halde bulunuyordu. Öte yandan, radyoaktivite Henry Becquerel tarafından daha önce keşfedilmişti ve Pierre Curie ile eşi, alfa etkin radyumla çalışmalar yapıyordu. İngiliz bilim adamı Ernest Rutherford, 'atomun karpuz modeli'nin doğruluğunu sınamak için bir deney tasarladı.

Bu tasarıma göre; kurşun bir zırh içerisine, alfa etkin maddeden bir miktar konacak ve ışınlanan alfa parçacıklarının, zırhta açılan minik bir delikten ince bir demet halinde çıkmaları sağlanacaktı. Alfa ışın demetinin önüne, küçük ve ince bir altın folyo konulacak; folyonun etrafı da, iç yüzeyi çinko sülfatla kaplı, diyelim küresel bir ekranla sarılacaktı. Ki; folyonun içinden geçen alfa parçacıkları, çinko sülfat kaplı yüzeye ulaşıp çarptıklarında, bu maddenin fosforesan etkisiyle parıldamalara yol açsınlar da, folyodan geçerken ne kadar saptırıldıkları anlaşılsın... Altın atomları, az sayıda minik çekirdekli bir karpuz olarak modellendiğine göre; Rutherford'un beklentisi; alfa parçacıklarının folyodan geçerken, çok az miktarda sapmalara uğramaları ve ekranın, folyonun öte tarafındaki dar bir bölge üzerinde toplanmış parıldamalara yol açmalarıydı. Deney sonuçları, hiç de beklendiği gibi çıkmadı.

Ekranda gözlenen parıldamalar, alfa parçacıklarının çok çeşitli yönlerde saptırıldığını; hatta bazılarının, adeta geri sekerek, ekranın, ikinci değil de birinci yarımküresine çarptığını gösteriyordu. Rutherford'un bu gözlemlerden çıkardığı sonuç, atomun merkezinde sert bir çekirdek yapısının bulunması gerektiğiydi. Bu kısım, artı yüklü protonlardan oluşuyor, çok daha küçük kütleli elektronlar da, çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolaşıyordu. Rutherford'un yaptığı, gözleriyle göremediği kapkaranlık bir dünyada, etrafı tanımayısa çalışmaktı. Ödülü de büyük oldu. Atomun modeli değişti. Karpuz olmaktan çıktı...

Varsayalım bir tenis maçından dönerken, uçsuz bucaksız ve kapkaranlık bir mağarada kayboldunuz. "Olur mu öyle şey?" demeye fırsat bulamadan, hırıltılı bir hayvan sesi duymayısa başladınız. Yanınızda, bir çanta dolusu tenis topundan başka bir şey, el feneri filan yok. Ses giderek yaklaşıyor ve çıkaranın hangi hayvan olduğunu merak ediyorsunuz. Şeklini bir bilseniz, ne menem şey olduğunu hemen çıkartacak ve belki rahatlayıp, belki de kaçacaksınız. Nasıl anlarsınız?

Şekli bilinmeyen bir cisme doğru parçacıklar fırlatarak, bu parçacıkların nasıl saptırıldıklarına bakmak suretiyle, cismin şekli hakkında bilgi edinilebilir. Örneğin yandaki şekilde olduğu gibi... Dolayısıyla; eldeki tenis toplarını teker teker ve hızla sesin geldiği tarafa doğru fırlatarak, duvarlara çarpıp tok sesler çıkaranları saymaksızın, canlının yumuşak dokusundan geri sekenlerin, yaklaşık hangi noktalardan dönüp geldiklerini saptamayısa çalışmak, eldeki sınırlı olanaklar çerçevesinde iyi sayılabilecek bir yöntem olabilir. Bu bize, söz konusu hayvanın vücut profilini, yaklaşık olarak verecektir. Hatta, toplardan her birinin gidiş ve geliş süreleri de kaydedilebiliyorsa, bu süreler arasındaki farklar ve topların hızlarından hareketle, hayvanın üç boyutlu bir resmini çıkarmak bile mümkündür.

Fakat tenis topları çok büyük olasılıkla, mağaraya sığabilecek bir hayvanın boyutlarına oranla oldukça iridir ve vücut profilini ancak kaba hatlarıyla verebilir. Halbuki aynı işlem masa tenisi toplarıyla tekrarlanabilseydi, yandaki şekilde görüldüğü gibi, profil daha ayrıntılı olarak belirlenebilirdi. Hele minik bilyalar, gerçi hayvanı rahatsız edip saldırganlaştırır, ama çok daha ayrıntılı bilgi sağlardı.

Öte yandan, eğer hayvana zarar vermek istemiyorsak, bilyaları fazla hızlı fırlatmamamız gerekir. Hele hele; hayvancağızın şeklini, bir tabancanın namlusundan çıkan mermilerle yoklamayısa, hiç kalkışmamamız...

Tabii en rahat ve kolayı, bir kaynağını bulup, hayvanın üzerine yeterli sayıda foton fırlatmak olurdu. Cisimleri biz çoğu zaman böyle algılıyoruz çünkü, yansıttıkları ışınlar sayesinde onları görerek. Dolayısıyla, eğer çantamızda bir el feneri olmuş olsaydı, merakımızı hemen giderebilir ve hem de hayvanı, hemen hemen hiç rahatsız etmemiş olurduk. Gün ışığının ulaştığı yerlerde, görmek istediğimiz cisimlerin üzerine fırlatacak foton aramak zorunda kalmıyoruz bile. Güneş bunu bizim için, zaten yapıyor.

Baktığımız cisimden yansıyan ışınlar, göz merceğiyle cisim arasında, kesik bir koni oluşturuyor: Koninin geniş tabanı cismin, kesik ucu da merceğin üzerinde. Mercek bu ışınları retina üzerinde odakladığından, gözün içinde de bir koni oluşuyor: Bu sefer geniş taban, mercek, kesik uç da retina üzerinde. Retinanın, üzerine ışın düşen görme hücreleri, bu ışınlar üzerinde bir ön işlem yapıyor ve ürettikleri elektrokimyasal sinyaller, optik sinir araclılığıyla beynin görme merkezine gönderiliyor. Görme merkezi de bu sinyallerden hareketle, kafatasımızın içerisinde, cismin bir görüntüsünü inşa ediyor. Bu sürecin çalışabilmesi için; retinaya yeterli miktarda ışığın, yeterli sayıda görme hücresi üzerine yayılmış bir şekilde düşmesi gerekir. Çünkü, her ne kadar çoğu zaman retinadaki tek bir noktadan söz edilirse de; tek bir görme hücresinin ayrıntılı bir görüntüyü algılaması mümkün olmadığı gibi, sürece katılan hücrelerden her birinin, bellli bir eşik miktarının üzerinde ışıkla uyarılması lazımdır.

Ancak baktığımız cisim küçüldükçe veya uzaklaştıkça, görme konileri daralıp inceliyor ve sonuç olarak, retinaya düşen görüntü noktalaşıp, diğer görüntü işlemleri arasında kayboluyor. Bu sorunu aşmak için, ışınlar arasındaki açıları açarak koni tabanlarını yayvanlaştırmak mümkün.
Optik mikroskop veya teleskoplardaki mercekler de, ışınları kırmak suretiyle bunu yapıyor zaten. Fakat bu sefer de, cisimden gelen ışınlar daha geniş bir alana yaydırılmış olduklarından, retinaya ulaşan miktar, eşik düzeyinin altına düşebiliyor. Görüntü solgunlaşıp, yine kayboluyor. Bu yüzdendir ki, optik mikroskoplar; güçlü bir ışık kaynağıyla birlikte, cismin üzerine daha fazla ışık gönderip yansıtmak suretiyle çalışırlar. Veya çoğu teleskopta olduğu gibi; cisimden gelen ışınlar, uzunca bir süre için toplanır ve görüntü inşasına, yeterince birikim sağlandıktan sonra geçilir.

Işığın bir de dalga davranışı var tabii. Nasıl ki bir su tankında, yan yana iki çubuğun aşağı ve yukarı hareketleriyle oluşturulan dairesel su dalgaları, üst üste binip birbirleriyle girişimde bulunuyorlarsa..

İki ayrı yarıktan geçirilen ışık dalgaları da benzer biçimde, yandaki şekilde görüldüğü gibi bir girişim örüntüsü verir. Dolayısıyla biz görmek için cisimlere ışık tuttuğumuzda, aslında üzerlerine elektromanyetik dalgalar gönderip yüzeylerinden yansıtmış ve gözümüze geri gelenler üzerinde işlem yapmış oluyoruz. Bu durumda, gönderilen ışığın dalga boyunun, cismin boyutlarından büyük olmaması gerekir.

Çünkü aksi halde dalga, cismin varlığından pek etkilenmez ve geriye, net bir görüntünün oluşabilmesi için gereken miktar ve nitelikte yansıma gelmez. Tıpkı denizde yüzen bir şişe mantarının, yakından geçen bir tankerin yol açtığı dalgaları etkileyip geri yansıtamadığı gibi.

Böylesine kocaman dalgalarla küçük bir mantarın şeklini belirlemeye çalışmak, iri bir ağacın gövdesini kürdan olarak kullanmayısa kalkışmak gibidir. Bir 'çözünürlük' sorunu doğar ve dolayısıyla, daha küçük cisimleri görebilmek için, daha kısa dalgaboyları kullanmak gerekir. Fakat retina tabakasındaki görme hücrelerinin duyarlılığı, 3.9-7.6x10-7 m aralığındaki 'görünür ışık' dalga boylarına ayarlıdır ve bu dalgaboylarındaki ışıkla, hücreden daha küçük yapıları görebilmek mümkün değildir. Halbuki hücre boyutları yaklaşık 10-4 m kadarken, atomun boyuları 10-10 m düzeyinde.
Gerçi, x ve gama ışınları gibi; dalgaboyu çok daha küçük ve hatta çekirdeğin 10-15 m'lik boyutlarının altına inen, ışık ışınları da var. Bu göremediğimiz ışınların sağladığı görüntüler, uygun kimyasallar aracılığıyla görünür hale getirilebilir. Örneğin, Roentgen filmi çekimlerinde olduğu gibi. Fakat bir fotonun dalga boyu küçülürken, enerjisi ters orantılı olarak artıyor ve 10-10 m'lik dalga boyunda 10 keV'a ulaşıp, 10-15 m'lik dalgaboyunda da 1GeV'u buluyor. Bu yüksek enerjilere sahip fotonlarla, örneğin atomun yapısını incelemeye çalışmak, bir bakıma yukarıdaki mağara örneğinde olduğu gibi, ayının şeklini makinalı tüfek ateşiyle belirlemeye kalkışmayısa benziyor. İncelenmeye çalışılan yapı; ağır şekilde etkilenip, ciddi biçimde değişiyor.

Cisimlerin üzerine dalgalar gönderip yansıtmak, hala iyi bir inceleme yöntemi ve bu iş için illa da ışık dalgaları kullanmak gerekmiyor. Örneğin yarasalar bunu, ses dalgalarıyla da yapıyorlar. Çıkardıkları 'sesüstü' seslerin yankılarını kulaklarıyla algılayıp, etraflarındaki cisimlerin ne kadar yakınlarında olduğunu anlayabiliyor; hatta yankıların iki kulağa geliş zamanları arasındaki farkı değerlendirerek, açısal konumları ve belki üç boyutlu görüntüleri hakkında da bilgi sahibi olabiliyorlar. Bunu da bayağı hızlı ve uçarken yapabiliyorlar: zifiri karanlık bir mağaranın içerisinde vıızt vıııızt!...
Gerçi bildiğimiz gibi, insan kulağı bir alt sınır olarak; genliği atom boyutu, yani 10-10 m kadar küçük olan ses dalgalarını dahi algılayabiliyor. Ancak genlik başka şey... Seslerin dalga boyları büyük olduğu gibi, kendileri de zaten, atom veya molekül gruplarının birlikte hareketlerinden oluşuyor. Birkaç mm ayrıntıya kadar organ görüntüsü verebilirler, ama atomun incelenmesinde kullanılmaları olanaksız. Bunun için, enerjisi fazla yüksek olmayısan, küçük dalgalar lazım.

Bu aşamada akla, madde dalgaları geliyor. Maddenin dalga boyuyla momentumu arasındaki ilişki, de Broglie bağlantısıyla λ=h/p olarak veriliyor.

Buna göre; örneğin oda sıcaklığındaki (295 K) bir gazın içinde serbestçe dolaşan bir elektronun ortalama kinetik enerjisi (E=3kT/2) 6.2x10-19 erg veya 0.04eV, momentumu (p2=2mE) ise, yaklaşık 10-20 g-cm/s kadardır. Yani λ=3.3x10-7 cm kadar olur ve elektronun kinetik enerjisi arttıkça bu dalga boyu, kinetik enerjinin kare köküyle, ters orantılı olarak azalır. Kısacası elimizde; enerjisi düşük, dalgaboyu da atom düzeyinde küçük dalgalar vardır. Bu dalgaların varlığından; bir plaka üzerindeki deliğe doğru gönderilen elektronların, plakanın gerisindeki bir ekran üzerinde, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi bir girişim örüntüsü oluşturmasından dolayı emin olabiliyoruz. Tıpkı su ve ışık örneklerinde olduğu gibi...
Dolayısıyla, atom ve molekül boyutundaki yapıların görüntülenmesi istendiğinde, 'elektron tarama' mikroskopları kullanılır. Böyle bir mikroskopta, tarama ucu denilen, çok küçük ve ince bir iletken vardır. Bu uç, basınçla karşılaştığında minik elektrik akımları üreten ('piezoelektrik') bir 'tarayıcı aygıt'a takılıdır. Tarayıcının içerdiği elektronik bileşenler, uca elektrik akımı sağladıkları gibi; hem tarayıcıyının hareketlerini yönetip, hem de hareket duyargasından gelen sinyalleri almaktadır. Nihayet bir bilgisayar, tüm sistemi denetlemekte ve toplanan verileri işleyerek, görüntüye dönüştürmektedir.

'Elektron tünellemeli tarama mikroskopu' (STM-'scanning tunneling microscope') ise, yaklaşık şöyle çalışıyor: Tarayıcı aygıt, tarama ucunu iletken bir yüzey üzerinde hızla gezdirirken, içerdiği elektronik bileşenler, uca elektrik akımı sağlamaktadır. Tarayıcı, tarama ucunu, örnek yüzeyindeki tüm (x,y) noktaları üzerinden, sistemli bir şekilde geçirir. Uç bir atoma rastladığında, atomla uç arasındaki elektron akışı değişir ve bilgisayar, bu akım değişikliğini; tarama ucunun konumu, yani atomun x-y koordinatlarıyla birlikte kaydeder. Tarama işlemi sona erdiğinde bilgisayar; topladığı verilerden hareketle, atomların konumlarına karşılık gelen akım değerlerini, yüzey üzerinde grafiklendirir.

Bu bir bakıma, eski fonograflardaki çalışma yöntemi gibidir ve tarama ucu iğneye, atomlar da plağın üzerindeki girinti çıkıntılara benzetilebilir. STM ucu, 'tünelleme' yapan akımını, atomların konumunu belirleyen duyarlı bir algılayıcı olarak kullanarak, yüzeydeki atomların eşyükseklik çizgileri üzerinde dolaşır ve sonuç olarak, yüzeyin topoğrafyasını çıkarır. Bu mikroskopların yeni modelleriyle, atomları görmenin yanında, istenilen şekilde konumlandırmak da mümkündür. Üstteki şekillerden üsttekinde; 7x7 nm'lik, mavi renklendirilmiş galyum-arsenid yüzeyi üzerindeki, kırmızı renklendirilmiş olan tek bir sezyum atomu zincirinin zigzagları görülüyor. Alttaki şekilde ise, tek tek atomlardan oluşturulmuş bir marka var. Fakat en iyi elektron mikroskopu dahi, atomların ancak bulanık görüntülerini verebiliyor. İç yapıları hakkında ise hiç bilgi veremiyor. Atomun ve çekirdeğin yapısını incelemek için başka araçlar, daha kısa boylu madde dalgaları lazım.

Aslında, birkaç atomdan oluşan madde yapıları, oda sıcaklığında dahi çok yüksek momentumlara ve dolayısıyla da, kısa dalga boylarına sahip oluyorlar. Ancak böyle iri kıyım kütleler, çekirdeği kurcalamak için hiç uygun değil. Bu tıpkı bir arkadaşınızın şeklini; elinize bir balyoz alıp sallayarak, orasını burasını yoklayarak belirlemeye çalışmayısa benzer. Böyle bir yaklaşımın, arkadaşınızı bazı boyutlarından yoksun bırakmak gibi bir sakıncası vardır. Dolayısıyla, maddenin yapısını ve çekirdeği incelemek için, elektron veya proton gibi, eldeki en küçük parçacıkları kullanmak gerekiyor. Ancak bu parçacıklar da, yükleri nedeniyle, çekirdekle etkileşime giriyor. Örneğin elektron saçılmayısa uğrayarak, çekirdeğin yapısı hakkında bilgi vermek yerine, içine çekilip yutularak, incelenmeye çalışılan yapıyı değiştiriyor. Hele proton, benzer yüklü olduğu için, çekirdek tarafından itiliyor ve çekirdeğe yeterince yaklaşabilmesi için, yüksek hızlara sahip olması gerekiyor. Bu durumda da, elektronun 1,830 katı olan kütlesiyle, çekirdeğin parçalanmasına yol açıyor. Yüksüz olan nötronlarsa, yüksüz oldukları için; örneğin bir manyetik alanla yakalanıp, elektrik alanıyla yönlendirilemiyorlar ve kendi bildikleri doğrultularda gidiyorlar.

Gerçi çekirdeği parçalamak suretiyle, yapısı hakkında ek bilgiler edinilebilir. Hele ilgi konusu olan, örneğin protonun kendi yapısı ise, o zaman yüksek hızlı protonları kafa kafaya çarpıştırıp, sonuçta nelerin ortaya çıktığına bakmak gerekir. Ancak, öylesine yüksek hızlara sahip protonlar sadece, atmosferin üst katmanlarına ulaşan kozmik ışınlarda bulunuyor.

Biz ise yerdeyiz. Dolayısıyla bu parçacıkları, yerde hızlandırmak, yani hızlandırıcılar kullanmak lazım. İki amaçla: Birincisi, parçacıkları çekirdeklerin üzerine gönderip saçılmalarına veya çekirdek parçalanmalarına bakmak suretiyle, çekirdeğin yapısını araştırmak. İkincisi ise, parçacıkların kendilerini kafa kafaya çarpıştırarak, neler olduğuna bakmak suretiyle, parçacıkların iç yapılarını anlamaya çalışmak için..