Katalog

John Dalton: Modern Atom Teorisinin 200. Yılı John Dalton’un 1808’de yayımladığı “New System of Chemical Philosophy=Kimyasal felsefenin yeni sistemi” kitabı, modern atom teorisinin anlatıldığı bir başlangıç sayılır. Bu kitap, 2400 yıl önce Anadolu’nun bilim merkezi Milet’te doğan ve Güney Trakya’da Abdera şehrinde çalışmalarını sürdüren Leucippus ve öğrencisi Demokrites tarafından ortaya atılan “Atomos”, maddenin bölünemeyen en küçük parçası fikrinin deneye dayalı bilimsel sonuçlarını veren en önemli eserdir. Namık Kemal Aras, Türkiye Bilimler Akademisi Şeref Üyesi eucippus ve Demokritus'un MÖ. 440’ta felsefi olarak ortaya attıkları atomos fikri, Dalton’a kadar çok az değişikliğe uğradı. Demokritus atom için “maddenin temel taşı” der ve maddenin cinsi ve özelliklerine göre değişik atom olacağını ileri sürer. Daha da ileri giderek, canlıların küçük yuvarlak atomlardan, ruhun ise hava ve ısı atomlarından olduğunu söyler. Bütün bu çalışmalar felsefi olup bir deneye dayanmamaktadır. Fakat maddenin yapısı hakkında yıllarca kalan ve “atom” kelimesini bugünlere taşıyan önemli bir çalışmadır. (Resim 1,2,3) 1582’de İtalyan bilgini Giordeno Bruno “doğada bulunan her şeyin bölünümü, bölünemeyen bir parça ile son bulur” demekte, Pierre Gassendi (15921655) ise Bruno’yu desteklemekte ve atom fikrini “atomlar yeniden yaratılamazlar ve yok edilemezler, katı ve ağırlığı olan bellidir büyüklükte çok küçük parçacıklardır ” diye tarif etmektedir. Sonraki yıllarda Robert Boyle (16271691) corpuscular (parçacık), Isaac Newton (16421727) Primitive particles (ilk parçacıklar) deyimini kullanan bilim adamlarıdır. Modern kimyanın doğuşu genellikle Resim 1 John Dalton’un 1808’ de Modern Atom teorisini ortaya at Lavosier’in 1789’da yazdığı “Traite Elementarie de Chemie” kitabıyla anılır. tığı kitabın Kapağı Lavosier (17431794), çalışmalarını deneylerle yürüten ve teraziyi kullanan ilk kimyacılardandır. Lavosier, Prestly’nin keşfettiği oksijenin yanma için şart olduğunu gösterdi. Benzer şekilde Dalton, atom teorisi çalışmalarına başladığında, kimyanın felsefi yönle değil de deneysel yönle çalışılması gerektiğini anladı ve kantitatif çalışmalara başladı. (Resim 4) Dalton, kimya üzerinde yaptığı çalışmalarında önce meteoroloji ile ilgilendi, günler ve mevsimlere göre hava sıcaklığı, hava basıncı, yağmur yağışları konularında binlerce veri topladı. Bu çalışmalar sırasında her sıcaklıkta havada su buharı bulunduğunu gördü ve değişik sıcaklıklarda su buharının basıncını Resim 2. Abdera, Teos ve Milet ölçtü. Barometre (basınç ölçer), termometre (sıcaklık ölçer) higrometre (nem ölçer), yağmur bulutlarının oluşumu, atmosfer neminin yapısı, dağılımı ve buharlaşması gibi kavramlar üzerine makaleler yazdı. Dalton, yağmurun, atmosfer basıncındaki değişikliklerden değil, sıcaklığın düşmesinden kaynaklandığını ilk olarak gösterdi. Suyla yaptığı çalışmalar sonucunda suyun yoğunluğunun en yüksek olduğu sıcaklığı +5,80C olarak ölçtü ve bu değer daha sonraları 3,970 C olarak düzeltildi. Bu çalışmaların bir parçası olarak kısmi basınç kavramını ortaya attı ve “bir gaz karışımının toplam basıncı, karışımı oluşturan gazların kısmi basınçların toplamına eşit olduğunu” ispatladı. Dalton’un kısmi basınç kanunu, olaCBT 1129/12 7 Kasım 2008 L DEVAMI ARKA SAYFADA CBT 1129/13 7 Kasım 2008 rak adlandırdığımız bu kanun, O'un ilk denemelerinin sonuçlarından biridir. Bunun bir diğer anlamı da gaz parçacıklarını (moleküllerin), birbirine etki etmeyen, aralarında hiçbir çekme kuvveti olmayan bağımsız parçacıklar olduğudur. 1857’de Alman fizikçi Rudolf Clausius bu ve diğer sonuçlardan faydalanarak, gazların kinetik teorisi çalışmalarını yaptı ve gazların bütün özelliklerini matematiksel olarak açıkladı. Dalton’un bu kanunu tam olarak ideal gazlar için geçerli olsa da, ideal olmayan gazlar için de normal şartlar altında çok az bir sapma göstermektedir. Çok enteresandır ki Dalton’nun gazlar üzerinde çalıştığı yıllarda Fransız kimyacı JosephLouis Proust (17541826), bir bileşiği oluşturan elementlerin ağırlıkları arasında belirli bir oran vardır demektedir (belirli oranlar kanunu). Yani bildiğimiz mutfak tuzu NaCl’de Na/Cl ağırlık oranı 23.0/35.5’tir ve bu oran dünyanın her yerinde aynıdır. Başka bileşiklerle de ve özellikle karbonoksijen bileşikleri üzerinde deneyler yapan Dalton O/C oranının her zaman aynı olmadığını gösterdi, karbonun oksijenle iki ayrı bileşik yaptığını buldu. Karbon monoksit CO’da bu oran 12.0/16.0, karbondioksit CO2 de ise 12.0/32.0’dir. Burada önemli olan, sabit bir karbon ağırlığına karsı gelen oksijen ağırlıkları arasında tam sayılarla ifade edilebilen bir oranın olmasıdır, yani ½ dir. Başka bileşiklerle de deneyler yapan Dalton 1804’te katlı oranlar kanunu dediğimiz “iki element birden fazla bileşik oluşturuyorsa, bunlardan birinin aynı miktarı ile birleşen diğer elementin miktarları arasında ağırlık bakımından basit bir oran vardır”. Aynı yıllarda Fransız GayLussac (17781850) ve Jacques Charles (17461823) sıcaklıkla gazların hacim ve basınçlarının nasıl değiştiği hakkındaki kanunları bulmuşlardı. Dalton’un özellikle katlı oranlar kanunu ve yukarıda bahsedilen gazlarla yapılan deney sonuçları, kendisini atom ağırlıkları ve atom teorisi üzerinde çalışmaya yönlendirdi. Atom ağırlığı çalışmalarında atomların ikili olarak birleştiğini farz etmesi sonucu, suyun formülünü H2O yerine HO, amonyağın formülünü NH3 yerine NH kabul etti. Hidrojen atomunun en hafif olduğunu kabul eder ki bu doğrudur, rölatif atom ağırlığını 1 kabul ederek diğerlerininkini bulmaya çalışır. Bu varsayımdan giderek oksijenin atom ağırlığı 7, azotun atom ağırlığını ise 5 olarak bulur. Fakat 1808’de GayLussac’ın ve 1811 de de Avogadro’nun çalışmalarıyla bulunan hacim oranları kanunlarının sonucu olarak, suyun formülünün H2O, amonyağın ise NH3 olduğu anlaşıldı ve atom ağırlıkları bugün kullandığımız rakamlara yakın olarak tekrar hesaplandı. GayLussac, gaz halinde reaksiyona giren ve gaz halinde bileşikler veren reaksiyonları inceledi ve gördü ki aynı sıcaklık ve basınç şartlarında bir kimyasal reaksiyona giren ve reaksiyon sonucu olan gazların hacimleri arasında basit bir oran vardır. Örneğin aynı şartlarda 2 litre hidrojenle bir litre oksijen birleştiğinde iki litre su buharı oluşuyor: 2H2 +O2 2H2O. Reaksiyona 3 litre gaz girmesine rağmen 2 litre gaz meydana gelmektedir. 1811’de Avogadro’nun yaptığı çalışmaya göre de, iki atomlu gazlardan yine 2 atomlu gaz değil, 3 atomlu su molekülü oluşuyor. Böylece Avogadro, eşit basınç ve sıcak Resim 3: Milet’teki 20 000 kişilik Tiyatro lık şartlarında bütün gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunmalıdır, sonucuna varmıştır. Standart şartlarda yani sıfır 0C ve bir atmosfer basınç altında 1 mol (atom veya molekül ağırlığı kadar gram) gazın hacmi 22,4 litredir ve bunda 6.02x1023 molekül vardır (Avogadro sayısı). Şunu da hatırlatmak isterim ki Dalton (İngiliz), GayLussac (Fransız) ve Avogadro’nun (İtalyan) çalışmaları 5 yıllık aynı bir süre içinde oldu. Demek ki 200 yıl önce Avrupa ülkelerindeki bilim adamları arasında hızlı bir iletişim kuruluyordu. MEHMED EMİN DERVİŞ PAŞA Türkiye'de çağdaş kimyanın başlamasına yardım eden Mehmed Emin Derviş Paşa (1817 1879), Usuli Kimya (Kimyanın Elemanları, 1847) adlı eserinde, Dalton'un atom teorisinden söz eder. 1840’larda harp okuluna öğretmen yetiştirmek için Avrupa'ya gönderilen öğrenciler içinde yer alan Derviş Paşa, birkaç yıl İngiltere'de kaldı. Büyük bir ihtimalle Dalton’un modern Atom teorisi ile o zaman karşılaştı. Derviş Paşa, kimyasal reaksiyonları doğrudan doğruya atomların birbirleriyle birleşmesi ve ayrışması esasına göre, o dönemde Fransa'da bazı kimyacılar tarafından kullanılan biçimde şematik olarak açıkladı. Türkiye'de ilk kez kimyasal formülleri kullanan ve bunları Latin harfleri ile yazan kişidir. atomları AB, AB2 , A2B3 gibi bileşikler üretirler. 5. Kimyasal reaksiyonlar belli şartlarda atomların yer değiştirmesi ile olur 2H2 + O2 2H2O Resim 6 :John Dalton’un Eaglesfield, Cumbria’da doğduğu ev bugün Dalton teoManchester üniversitesi kimya bölümü öğretim üyelerinden Prof Michsel Lappert’e aittir. 7 Haziran 2007’de Kraliyet Kimya Akademisi risindeki öneri(Royal Society of Chemistry) tarafından Atom teorisinin 200. yılı ne ler zamanındaki deniyle evin duvarına bir plaket konuldu. Profesör Lappert’in bana bilgi ve deney gönderdiği resimde kendisi Kimya bölümü başkanı Profesör Paul O’Brien’le (sağda) görülmektedir. 17.ci asırda yapılan bu bina daha sonuçlarına uyResim 5. John Dalton’un 5 Eylül 1766’da doğduğu ev sonra müze olarak kalacak. makla beraber, geçen 200 yıl Dalton’un Katlı Oranlar Kanunun bir içinde özellikle atom çekirdeği hakkındaki bilgilerimizin sonucu gibi görünen başka bir çalışma da, oksijenin bazı gelişmesinden sonra, bazı öneriler tam doğru değildir. bileşiklerinde ortaya çıkan sonuçlardır. Örneğin sudaki okAtomda elektron olduğu 1897’de İngiliz bilgini J. J. sijenin ağırlık olarak hidrojene oranı 8/1, benzer şekilde Thomson tarafından katot ışınları deneyi ile keşfedildi. bakır oksitte (CuO) 8/31.8, HgOda 8/100, FeO da 8/28, 1911’deki Rutherford Deneyi, atom çekirdeğinin 1015 m SO2 de ise 8/16 dır. Bu sonuçlardan çıkan daha önemli bir mertebesinde ve pozitif parçacıklardan oluştuğunu gösterdi. anlam ise, oksijen dışında elementlerin bu miktarları kenBunlar Protonlardır. 1932 de İngiliz Chadwick nötronu keşdi aralarında veya başka elementlerle birleştiklerinde fetti.Böylece Dalton Atomunun en küçük parça olmadıçok defa tekrarların değerlerdir. Örneğin 28 g demirle 16 ğı, içinde elektron, proton ve nötron olduğu 1932 yılına gram kükürt birleşerek FeS oluşmaktadır. kadar bulundu. Dalton’un başarısı ve ona modern atom teorisinin ba1938’de 235U’in parçalanmasıyla “atomun parçalanabası denmesi, yukarda verilen gerek kendi deneyleri ve gerekse çağdaşlarının bulduğu deneysel sonuçları bir teori ha bildiği” de anlaşıldı. Ama unutmamak gerekir ki kimyalinde ortaya atmasıdır. Özellikle katlı oranlar kanunundaki sal reaksiyonlarla atomu parçalamak mümkün değildir. Bu eşdeğer gram kavramı, elementlerin iç yapısında kütle ba bakımından Dalton’un devri için “atom parçalanamaz” fikkımından birbirinin aynı ve bölünmeyen parçacıklar bu ri doğrudur. Aynı zamanda bir elementin atomları aynı olmayıp bir lunduğunu gösterdi. çok izotoptan meydana gelmiş olabilir. Bir element atomundaki proton sayısı ile belirlenmiş olur ve bu sayıya 4 MADDELİK ATOM TEORİSİ İşte bu sonuçlardan faydalanan Dalton ilk defa 1805 “atom numarası” denir. Örneğin Sodyumun atom numarası yılında, sonra da 1808 yılında yayımladığı kitabında, aşa 11 olup çekirdeğinde 11 proton vardır. Uranyumun çekirdeğinde ise 92 proton. Uranyumun birçok izotopu var, ğıdaki 4 madde halinde atom teorisini önerdi. aynı, yani 92 olup nöt1. Bütün maddeler en küçük birim olan atomlardan bütün izotoplarının proton sayısı 235 U143 ve 238U146 uranyuron sayıları farklıdır. Örneğin oluşmuştur. 2. Kütle ve özellik bakımından değişik birçok atom var mun iki izotopudur. Atom numaraları aynı yani 92, nötdır. Bir elementin bütün atomları birbirinin aynıdır ve di ron sayıları faarklı, 143 ve 146 dır. ğer elementlerin atomlarından farklıdır. Bir element, aynı cins atomlardan oluşmuş maddedir. 3. Atomlar parçalanamaz ve yeniden yapılamazlar 4. Atomlar birleşerek molekülleri oluştururlar. Bir bileşiğin her molekülü birbirinin aynıdır. Bir molekül, bir veya birden fazla atomun birleşmesiyle olur. Yani A ve B yöneldi. Kuzey yarı kürede izlenen kutup ışığı olayları üzerine yazdıkları, öteki bilim adamlarından bağımsız olarak geliştirdiği kendi özgün düşüncesinin ilk ürünleridir. Atmosferdeki değişiklikleri incelediği sırada Kutup ışıkları araştırmaları sonucunda Yerin magnetik alanı ile kutup ışınları arasında bir ilişki olması gerektiği sonucuna vardı. Ayrıca kendisinde ve kardeşinde bulunan bugün Daltonizim dediğimiz renk körlüğü üzerine de, incelemeler yaptı ve "Extraordinary Facts Relating to the Vision of colors" (1794; Renklerin Görülmesine İlişkin Olağandışı Olgular) başlıklı makale yazdı. 1822'de Royal Society'nin üyeliğine seçilen ve 1826'da derneğin altın madalyasıyla ödüllendirilen Dalton, Fransız Bilimler Akademisi muhabir üyeliğine kabul edildi. Simetri Kırılmaları ve 2008 Nobel Fizik Ödülleri İsveç Kraliyet Akademisi 2008 Nobel fizik ödüllerini, Chicago üniversitesi Enrico Fermi Enstitüsü’nden Prof. Dr. Yoichiro Nambu’ya Kendiliğinden Simetri Kırınımları (Spontaneous Broken Symmetry) mekanizmasını keşfettiği için; Yüksek Enerji Hızlandırıcıları Araştırma Merkezinden (Tsukuba, Japonya) Makoto Kobayashi ve Kyoto Üniversitesi Yukawa Teorik Fizik Enstitüsü’nden Toshihide Maskawa’ya, üç nesil kuarkların varlığını simetri kırılmalarına bağlı olarak açıkladığı için verdi. Prof. Dr. Cengiz Yalçın, cengiz1934@gmail.com P rof Nambu, GellMann, Feynman, Schwinger, Dayson, Nishijima, Lee ve Young; 1960’larda aktif araştırma yaşamı içinde bulunan, bizim kuşak fizikçiler için birer idoldürler. Bu makalede bilimsel çevrelerde heyecan yaratan, simetri ve simetri kırınımları konusundaki buluşların ne anlama geldiği ve geçmişte bu konularda yapılan önemli bilimsel keşifler ve bu keşiflerde yaşanan bilimsel süreçler anlatılacak. Görüleceği gibi dünyanın en saygın bilim ödülü Nobel, en fazla simetri ve simetri kırınımları üzerinde çalışan bilim insanlarına verilmiştir, sırada süper simetrik sicim kuramı vardır. Önümüzdeki beş sene içerisinde doğanın süper simetrik olup olmadığı anlaşılacaktır. John Dalton Modern atom teorisini geliştiren John Dalton’un özel hayatı ve diğer çalışmaları da çok önemlidir. Dalton (17661844), geçimini el dokumacılığıyla sağlayan yoksul bir köylünün çocuğu olarak dünyaya gelmesine rağmen, küçük yaşında matematik, fen ve gramer derslerine de programında yer veren bir tarikat okulunda öğrenimine başladı. On beş yıl öğretmenlik yaptı, yüzlerce köy çocuğunu eğitirken bilime olan merak ve tutkusu doğrultusunda da kendini yetiştirdi. Daha sonra bitki ve böcek örnekleri toplamaya girişti. 1787'de tanık olduğu bir kutup ışığı (atmosferdeki elektrik çalkantılarının etkisiyle gökyüzünde oluşan kimi zaman renkli şekiller) John Dalton (17661844) olayından etkilenerek bu konuyu araştırmaya “STANDART MODEL” Atomun elektron, proton ve nötrondan yapıldığını tartıştık. Acaba bu parçacıklar da bölünebilir mi? Elementel –temel parçacık dendiği zaman bunların başka parçacıklara bölünemediği (şimdilik) anlaşılıyor. Yani bunların uzayın en temel parçacığı ve diğer bütün parçacıkların, bugün gördüğümüz her şeyin bunlardan oluştuğu kabul ediliyor. 2400 sene önce Leucippus ve Demokritus’un, 200 sene önce Dalton’un bahsettiği bölünemezlik, işte bu parçacıklarda kendini gösteriyor. Standart modelde quarklar, leptonlar ve bosonlar var. 1950’lerden sonra parçacık hızlandırıcıların gelişmesinden sonra elementel parçacıklar da keşfedilmeye başladı. Teorik fizikçi İngiliz Peter Higgs 1960’lardaki çalışmalarında daha ağır kütleli bir boson’dan bahsetmiş, yazdığı makale önemli bir fizik dergisinde kabul edilmese de, Physical Review dergisinde basıldı ve büyük ilgi topladı. Simdi CERN’de yapılan denemelerle ters yönden gelen protonlar çarpıştırılarak Higgs Boson olarak adlandırılan bu boson bulunmaya çalışılıyor. CERN’de yapılan deneyin sonuçları çok fazla tartışılacak. SİMETRİDEN NE ANLARIZ? Simetri örneğin, bir cismin aynadaki görüntüsü ile cisim arasındaki ilişkilerin matematiksel ifadesidir. Ayna karşısında bulunan bir kişi sağ elini kaldırırsa aynadaki görüntüsü sol elini kaldırır. Bir topaç geometrik ekseni etrafında sağdan sola dönüyorsa aynadaki görüntüsü soldan sağa döner. Simetri gözlediğimiz bu basit olayları matematiksel olarak ifade edebilmektir. Üzerinde hiçbir şekil veya yazı bulunmayan boş bir sayfa üzerindeki bütün noktalar birbirinin aynısıdır. Yani sayfa noktaların özelliklerine göre simetriktir. Sayfa üzerine bir çember çizilirse, artık noktaların özelliklerine göre simetrik oldukları söylenemez. Çemberin içindeki, dışındaki ve üzerindeki noktalar, çemberin içinde, dışında ve üzerinde bulunmalarına göre simetrik olamazlar; çemberin içinde, dışında ve üzerinde olmak gibi, birbirlerinden farklı yeni özellik kazanmışlardır. Evren, yaradılış aşamasında süper simetriktir.