Page 1


Atomal 11 Parçacık 1ar bir keşii serüveni

S te v e n

W e in b e rg


AtomalU Parçactklar / Bir K eşif Serüveni The Discovery o f Subatomic Particles Steven Weinberg Çeviri: Zekeriya Aydın

Introduction Copyright © 1990 by Steven Weinberg Copyright © 1983 by Louise Weinberg and tlıe Elizabeth Weinberg Tmst © Türkiye Bilimsel v e Teknik Araştırma Kunımu, 2001

Bu yapıtın bütün haklar: saklıdır. Yazılar ve görsel malzemeler, izin alınmadan tümüyle veya kısmen yayımlanamaz. Türkçe yaym haklan Kesim Ajans aracılığı ile alınmıştır.

TÜBİTAK Popüler Bilim K ita p la n ’m n seçim i W değerlendirilm esi TÜBİTAK Yayın Komisyonu tarafından yaptlm aktadir. ISBN 975 - 403 - 252 - 1 1. Basım 2. Basım 3. Basım Basım

Nisan Nisan Mayıs Mayıs

2002(2500 adet) 2002 (2500 adet) 2002 (2500 adet) 2002 (2500 adet)

Yayıma Hazırlayan: Barış Bıçakçı Grafik Tasarım: Cemal Töngür

TÜBİTAK Atatürk Bulvarı No: 221 Kavaklıdere 06l00 Ankara Tel: (312) 427 33 21 Faks: (312) 427 13 36 e-posta: kitap@tubitak.gov.tr. İnternet: kitap.tubitak.gov.tr

Semih Ofset - Ankara


A tom altı P arçacıklar b i r k e ş if s e rü v e n i

Steven Weinberg

Çeviri

Z e k e r iy a A y d ın


C a v en d ish L ab oratuvari çalışanları v e öğrencileri, 1933

D ö r d ü n c ü sıra: J . K . R o b erts, P. H a rte c k , R . C . E v a n s, E . C. C hilds, R. A . Sm ith, G . T . P . T arrant, L . H , G ray,

Ü s t sıra: W . J . H en d e rso n , W . E. D u n c a n s o n , P. W rig h t, G . E . P rin g le, H . M iller. İk in ci sıra: C. B . O . M o h r , N . F eath er, C . W . G ilbert, D . S h o e n b er g , D . E . L ea , R. W itty ,

J . P. G o tt, M . L. O lip h a n t, P . I. D e e , J . L. P a w se y , C . E. W y n n -W illia m s, —- H alliday,

H . S . W M asse 3 ', E. S. Shire. Ü ç ü n cü sıra: B. B. K in sey, F. W . N ic o il, G . O cc h ia lin i, E . C . A llb erry , B . M . C ro w th er, B. V . B o w d e n , W . B . L e w is, P. C . I l(i, H. T, S. W a tso n , P. W . B ıırb id g e,

O t u r a n la r .------- S p a rsh o tt, J . A . R a tcliffe, G . S te a d , J . C h ad w ick , G . F . C . S ea rle, P r o fe s ö r S ir J . J . T h om son , P r o fe s ö r L ord R u therford, P r o fesö r C. T . R. W ilso n , C . D . E llis, P r o fe s ö r K apitsa, P. M . S . B lack ett, — —-

Bitter,

D a v ie s .


K ĂŽiza b eth e


İçindekiler

Ö nsöz

I

G iriş ve G üncellem e

V II

Ç evirenin N o tu

XV

I. B ölüm

1

P arçacık lar D ü n y ası II. B ölüm

11

E lek tro n u n Keşfi G eriye D önüş: E le k triğ in D oğası E le k trik B oşalm ası ve K a to t Işınları G eriye D önüş: N e w to n ü n H a re k e t Y asaları K a to t Işın ların ın S apm ası G eriye D önüş: E le k trik sel K uv v etler K a to t Işınlarının E le k trik sel Sapm ası G eriye D önüş: M a n y e tik K u v v e tle r K a to t Işın ların ın M a n y e tik S apm ası T h o m so n ü n S o n u ç ları G eriye D önüş: E n erji T h o m s o n ü n D e n ey in d e E n erji B ağ ın tıları T em el P a rç a c ık la r O la ra k E le k tro n la r

14 22 28 33 38 45 48 57 60 64 71 75

III. B ölüm

83

A tom ik Ö lçek G eriye D önüş: A to m A ğ ırlık la rı G eriye D önüş: E le k tro liz E le k tro n Y ü k ü n ü n Ö lç ü m ü

87 99 105

IV. B ölüm

115

Ç ek ird ek R a d y o a k tiv ite n in K eşfi ve Y oru m lan m ası Ç e k ird e ğ in K eşfi A to m S ay ıları v e R a d y o a k tif D iz ile r N ö tro n

125 141 153 163


V, Bölüm

181

B aşka P arçacık lar F o to n la r N ö trin o la r P o z itro n la r D iğ e r K a rşıtp a rç a c ık la r M ü o n la r ve P io n lar A cay ip P a rç a c ık la r Y eni H a d ro n la r K u a rk la r

181 182 184 185 187 191 192 192

E k ler

197

A N e w to n ’u n ik in c i H a re k e t Y asası B K atot Işınlarının E le k trik sel ve M a n y e tik S apm ası C E le k trik A lanları ve E le k trik Ç izgileri D İş ve K in etik E nerji E K atot Işını D e n ey le rin d e E nerji K oru n u m u F G az Ö z ellik le ri ve B oltzm ann S abiti G M illik a n ’ın Y a ğ D am lası D eneyi H R a d y o ak tif B ozunum 1 A to m d a P o tan siy el E nerji J R u th e rfo rd Saçılm ası K M o m e n tu m u n K o ru n u m u ve P a rç a c ık Ç a rp ışm a ları

199 203 207

210 212

221 227 233 236 242

T ablolar

249

O k u m a N o tları

253

Di 2

265


Önsöz

Bu kitap, 1980 ilk b ah arın d a H a rv a rd Ü n iv ersitesin d e y e n i çek ird ek ders p ro g ram ın ın b ir parçası olarak anlattığım ve 1981’de T exas Ü niv ersitesi’nde m isafir profesörken verdiğim b ir dersten filizlendi. D ersin am acı, kısaca belirtm em gerekirse, d a h a önce m atem atik y a d a fizik öğrenim i görm ediği varsayılan öğrencilere yirm in ci y üzyıl fiziğinin b ü y ü k başarılarını öğret­ m eye girişm ek, böylece onlara, d a b a y e n i gelişm eleri anlam ala­ rı için klasik fizik k o n u ların d a -m ekanik, elektrom anyetizm a, ısı vs.- tem el bilgiler verm ekti. Sanırım d ersler çok İ3 Ü geçti ve ders notlarım ı bir d ers k itab ın a d ö nüştürm e fikrine kapıldım ; fakat tü m d ers m alzem esini k itab a d ö n ü ştü recek zam anım y o k tu . W. H . F reem an an d C o m p an y 'dan Neil P atterson, bu derste an lat­ tığım yirm inci yüzyıl fiziğinin ö y küsünün ilk kısmını Scientific A m erican o k u y u cu ların a yeni L ib rary S erisi’nin b ir kitabı ola­ ra k sunm am ı önerdi; böylece b u kitap o rtay a çıktı. Bu kitap, tü m olağan atom ları oluşturan tem el parçacıkların, y a n i elektron, p ro to n ve n ö tro n u n keşfini ele alıyor. K itap a n a batlarıy la tarihsel b ir kitap olm akla birlikte önem li bir farkı var. Bilim tarih i k itap ların ın çoğu, y a o bilim e yab an cı okuyucu için yazılm ıştır ve dolayısıyla tarih i betim lem ede biraz k ab a ta slak ve yü zey sel olm ak z o ru n d ad ır y a da bilimi zaten bilen o k u yucu için y azılm ıştır ve bilm eyenlere seslenm ez. B u kitap ise, klasik fizik ile tanışam am ış, fak at yirm inci yüzyıl fiziğinin tarih in i o lu ştu ran zengin d ü şü n celer ve deneyler 3m m ağını anlayabil­


m ek için klasik fizik k o n u su n d a bir şeyler bilm ek isteyen oku­ y u c u y a sesleniyor. Bu tem el fizik bilgisi, elektriğin doğası, N e w to n ’un h arek et yasaları, elek trik k u v v etleri ve m anyetik k uvvetler, enerjinin korunum u, atom ağırlıkları vb. gibi k o n u ­ lar üzerine b irço k “geriye dönüş" bölüm üyle veriliyor; tarihsel gelişim de b ir sonraki noktayı anlam ak için gerekli olan h e r y e r­ d e b u bölüm lerden birini bulabilirsiniz. Aslında, diğer b ölüm lerin a ra sın a serpiştirilm iş olan bu “ge­ riye d ö n ü ş” b ö lüm lerinin ve tem el fizik bilgisi m alzem esinin, b u k itab ı y azm am d ak i gizli güd ü leri gösterdiğini b u ra d a açığa v u ­ racağım (nasıl olsa kim se önsözleri okum az). B en bilim sel ke­ şifleri, diğer b irço k bilim adam ı gibi, yirm inci yüzyıl k ü ltü rü ­ n ü n en önem li öğeleri arasın d a sayarım ve b aşk a bakım lardan ço k iyi yetişm iş b irço k kişinin bilim in tem ellerini tanım adığı için k ü ltü rü m ü zü n bu kısm ını kesip atm aları b ir trajedi gibi ge­ lir bana. B u eğitim boşluğu, gene de şaşırtm am alıdır insanı. G e­ nel o larak k o n u şu rsak , fizik k o n u su n d a bilgi sahibi olm ak iste­ y e n b ir öğ ren ci y a d a o kujm cuya sadece b ir te k y o l önerilir: Bi­ lim adam ı k u şak ların ın izlediği geleneksel d ersle r dizisini izle­ m elisin. .. Ö nce daim a m ekanik gelir; genelde b u n u ısı, elektrik v e m anyetizm a, ışık izler ve çeşni o larak d a b iraz “m o d ern fi­ z ik ”. Fizikçi olmayı planlayan ö ğrenciler için bu, ideal yo l ola­ bilir; fakat b aşk a b irço k kişi bu süreci geçilem ez b ir çöl gibi gö­ reb ilir. O n ların duyguları d a anlaşılm az değildir. Biz fizikçiler tu h a f insanlarız; h esaplam alardan b ü y ü k zevk alarak sta n d a rt fizik dersleri dizisi içinde eğitim yapm ayı, y a n i bilardo to p ları­ nın çarpışm alarını, tellerde elektrik akım larının akışım , bir te ­ lesk o p ta ışık ışın larının y o lların ı hesaplam ayı öğretiriz. T üm ö ğ rencilerin y a d a okuyucuların b u n lard a n zevk alm alarını beklem ek, piy an o çalm ayı asla düşünm eyenlerin gam alıştırm a­ sı y a p m ak ta n hoşlanabileceği söylem ekten hiç de d ah a fazla m an tık lı değildir. B ana öyle geliyor ki, fiziğin tem elleri h a k k ın ­ d a fen bilim ci o lm ay anlar için y azm ay a çalışan b irin in önüne çı­ k a n en bü 3rük engel, işte bu m otivasyon so ru n u d u r.


Benim b u so ru n la u ğ raşırk en h arek et n o k tam şu varsa 3 am dı: O k u 3nıcu lar h ilard o toplarının çarpışm alarım hesaplam aktan zevk alsalar d a alm asalar da, genel olarak devrim ci bilim sel d ü ­ şünceler ve g ü n ü m ü zd ek i keşiflerle ilgili tem el b ir bilgi b irik i­ m ine sahip olm ayı m u tlak a isterler. Bu nedenle, bu k itab a tem el k lasik fizik üzerine u zu n b ir girişle başlam ak yerine, h er k o n u ­ y u , o konuyu an lam ak için gereken k lasik fiziğin k av ram ların a ve yöntem lerine b ir giriş gibi kullanarak, h em en yirm inci yüzyıl fiziğinin b ir dizi tem el k o n u su n u n içine dalm aya davet ediyo­ rum . ilk konu, tem el parçacıkların ilkinin, y a n i elektronun keş­ fidir. J . J . T hom son ve diğerlerinin b u keşfe y o l açan deneyle­ rini anlayabilm ek için, okuyucu, N evvton'un harek et yasalarım , en erjin in k o ru n u m u n u ve elektrik kuvvetleriyle m anyetik k u v ­ vetleri öğrenm elidir. B ir sonraki konu, atom ik b üyüklüklerin ölçüm üdür; b u ra d a okuyucu m ekanik h ak k ın d a d ah a fazla bir şeyler ö ğ ren ir ve kim yanın tad ın a varır. Ve bu böyle sü re r gi­ d e r ... Esas nokta, y irm in ci yüzyıl fiziğinin gelişimini anlam ak için hangi özel k av ram ların ve y ö n tem lerin g erekli o lduğunu o r­ ta y a çık arm ak ve ok u yucudan, klasik fiziğin ve kim yanın sad e­ ce o y an ların ı öğrenm esini istem ektir. Şurası b ir gerçek ki, bu tü r bir k itap ta tem el fizik ilkelerinin ele alınm a sırası, bir fizikçinin ahşkm olduğu m antıksal sıradan fark ­ lı olabilir. Ö rneğin, genellikle enerjiyle aynı zam anda anlatılan m om entum kavram ına, b u k itap ta atom çekirdeğinin keşfine ge­ linceye k ad ar gerek duyulm ayacaktır; dolayısıyla o zamcuıdan ön­ ce ele alınm ayacaktır. K onuların b u radaki gibi yeniden sıralanışı­ nın bir sakınca yaratacağını sanm ıyorum . K endi deneyim lerim ­ d en yola çıkarak söylersem, fizik ve m atem atik h ak k ın d a bildik­ lerim in çoğunu, sadece kendi çalışmamı yap m ak için b ir şeyler öğrenm em gerektiğinde ve b unun için b a şk a çıkar yol olm adığmd a öğrenm iştim . Aynı şeyin birçok bilim adam ı için geçerli oldu­ ğunu sanıyorum . D olayısıyla b u tü r b ir kitap, çalışan bilim adam ­ larının eğitiminde, fen bilim lerinde uzm anlaşacak öğrenciler için tasarladığım ız birçok kitap ve dersten d ah a y ararlı olabilir.


U m udum o ki, b u kitap, bilim in bilim adam ı olm^^yanlara a n ­ latılm ası y o lu n d a b ir k atk ı sağlasın. Bu konudaki dü şü n celeri­ m in d o ğ ru olup olm adığım , zam an v e okuyucu söyleyecektir. H e r şey y o lu n d a g id er ve ben yirm inci y üzyıl fiziği üzerine bu k itap dizisini sü rdürm eye k arar verirsem , b ir sonraki kitap g ö ­ relilik ve k u an tu m k u ra m ı h ak k ın d a olacak ve b u ra d a anlatılan klasik fiziğe d ay an acaktır. Bu kitap fen k o n u su n d a hiçbir birikim i olm ayan ve aritm etik d ışın d a m atem atik bilm eyen o kuyucuların anlayabileceği biçim ­ de yazılm ıştır. M etinde, soyut sim geler y erin e kelim elerle ifade edilm iş çok önem li b irkaç denklem verdim sadece. C ebirle bir sıkıntısı olm ayan o k u y u cu lar için, kitabın an a m etninde an latı­ lan akıl y ü rü tm ey i tem ellendiren bazı hesaplam alar U kler’de v e­ rilm ektedir. Bu kitap esasen fen bilimci olm ayanlar için yazılm ış olsa da, fizikçi ark ad aşlarım tarafın d an bile ilginç bulu nabilecek b ir y a ­ nı var. B urada anlatılan b ü y ü k bilim sel başarılar, bizim son k e ­ şiflerim izin fışkırdığı toprağ;ın b üyük b ir parçasını oluşturuyor. Ö rn eğ in en azın d an ben. H a rv a rd v e T exas’ta d ersler verm eye başladığım da y irm inci yüzyıl fiziğinin erk en geçm işi üzerine sa­ dece bulanık fikirlere sahiptim ; b irço k fizikçi m eslektaşım için de aynı şeyin geçerli olduğunu sanıyorum . Ü m it ederim ki, bi­ lim adam ları b u h itap tak i (fiziği değilse bile) tarih in b ir kısmını aydınlatıcı bu lu r. A yrıca bilim tarih i öğrencileri ve uzm anlarının d a bu k itap ­ tan zevk alacaklarını um uyorum ; fak at onlardan özel b ir özür dilem eliyim . B u tü r b ir k ita p ta yirm inci yüz 3ulda fizik alanında gerçekleştirilen devrim lere yol açan zengin etki y um ağım çöze­ re k b u n u n tam hak k ım verm ek olanaksızdır. B u rad a b ü tü n y a ­ pabildiğim , b an a k lasik ve m o d ern fiziğin öğelerini anlatm a fır­ satı verebilecek b irk aç a n a deneysel ve k u ram sal keşifler dizisi­ ni o rtay a koym aktı. K uşkusuz tarih sel h a ta la r y ap m ak ta n kaçınm aya çalıştım ; fa­ k at m alzem e seçim i ve sunuş sıreisı, tarihin olduğu k a d a r bilim ­


sel an latın ın d a d ik k ate alınm asıyla düzenlenm eliydi. Bu kitabın ta rih araştırm aların a bir k atk ı olarak düşünülm esini asla am açlam ıyorum .Y azım ı süresince, T hom son, R u th erfo rd , M illikan, M oseley, C hadw ick ve b aşkalarının b irço k klasik m akalesini o k udum ; fakat b irço k bölüm için de, k itab ın so n un daki k ay n a k ­ çad a belirtilen ikincil kayn ak lard an y ararlan d ım . H er bölüm ün so n u n d a y e r alan n o tlard a, m etinde tartışılan klasik m akalelerin b azıların a ve özel o larak güvendiğim y e n i çalışm alara atıflar yap tım . Basım aşam asında kitabı ok u m ad a gösterdikleri d o stça işb ir­ liği nedeniyle H o w ard Boyer, A ndrew K udlacik, N eil P atterso n ve G e rard P iel’e gönül borcum var. Y ayım a hazırlam adaki öze­ ni ve birçok y ararlı önerisi için A idan Kelly d e teşekkürü hak etm iştir. H a rv a rd ’d a bu dersi ilk kez o k u ttu ğ u m d a Paul Bamb e rg ’den değerli y a rd ım la r aldım. Bu kitabın değişik kısım ları­ nı okum a ve y o ru m lam a zahm etine k atlandıkları için 1. B ernard C ohen, P eter G alisen, G erald H olton, A rth u r M iller ve Brian P ip p a rd ’a içten teşekkürlerim i sunm ak isterim . C an sıkıcı olabi­ lecek b irço k tarih sel h ata onların y ard ım larıy la giderildi.

S teven W einberg Austin, Texas M ayıs 1982


Giriş ve Güncelleme

Y ak ın d a D allas’ın güney kırlarında yeni b ir bilimsel cihazın kurulm asına başlanacak. Bu cihaz Ş üperiletken S üper Ç arpıştıncı, veya S S C y a d a sadece S üper Ç arpıştıncı olarak adlandırılryor. Bu yapının ölçeği olağanüstü. E ğ er h er şey yo lu n d a gider ve p a ra desteği sürerse, T exas'm Ellis C ounly beldesinin çiftlikleri­ ni ve k ü çü k kasabalarını b arındıran A ustin C halk ve T aylor M arl boyunca y aklaşık 60 kilom etre uzunluğunda oval b ir tünel kazı­ lacak. Bu tünelin içine boylu boyunca havası boşaltılmış b ir çift b o ru döşenecek. S ü p er Ç arpıştıncı işlemeye başladığında, her boru, tüm atom çekirdeklerinde bulunan ve elektrikçe yü k lü olan pro to n lard an oluşan bir dem et taşıyacak. Bu iki proton dem eti zıt yönlerde oval y ö rüngeyi dolanıp dururken, elektrom anyetik dal­ galar protonları 20 trilyon elektron-voltluk eşi görülm em iş jâiksek enerjilere hızlandıracak. H avası boşaltılm ış halkasal boruları saran binlerce güçlü m ıknatıs iki p ro to n dem etini odaklayacak ve doğru yörüngeleri izleyecek şekilde onları eğecek. Tünelin içinde çeşitli istasyonlarda dem etler kafa kafaya çarpıştırılacak ve bazı­ ları savaş gemisi büjtiiklüğünde olan devasa cihazlar çarpışm alar­ da y aratılan p arçacık sağanaklarını ajnklayacak. D eneysel fizikçi grupları, üretilen verileri inceleyerek m addenin y eni şekillerinin işaretlerini, y en i kuvvetleri ve bizi tüm fiziksel olayları yöneten y asa la ra götürebilecek ipuçlarını araştıracak. S ü p er Ç a rp ıştın c ı’m n, çalışm aya h azır olduğunda, b ir süre d ü n y a b asınının ilgi m erkezi haline geleceğini söyleyebiliriz. Fi-


ziksel bilim lere, öyle y a d a böyle, ilgisi olan herkes Ellis b eld e­ sinden gelen en son h aberleri bilm ek isteyecek. Bu böyle olm az­ sa y azık olur. Bilim yirm inci yüzyıl k ü ltü rü n ü n en p arlak y a n ­ larından b irid ir ve (en azından, biz fizikçilerin hissettiği gibi) h er aydın kişinin d ik k atin i çekm elidir. Ayrıca, S ü p e r Ç arpıştırıcı’nm tu tarın ın çoğunu A m erika B irleşik D evletleri nin vergi y ü k ü m lü leri ödeyecek ve p araların ın karşılığını d a herhalde ala­ caklardır. G ene de, halkın ilgisinin y en i bir bilimsel a ra c a böylesine ani b ir şekilde odaklanm asında rahatsız edici bir şey var. R ichard F ey n m an ’ın bir zam anlar, halkın büyük kısm ının d a ­ im a bilim h ak k ın d a en son haberleri bilm ek istem esinin, fakat d ah a önceleri neler olduğunu öğrenm e k o n u su n d a p ek istekli olm am asının nedenini anlam adığına ilişkin bir şeyler söylediği­ ni hcitırlıyorum. N e olursa olsun, bilimsel ilerlem enin öyküsü, h er şeyden önce bir ö y k ü d ü r ve bir ö y k ünün sonraki bölüm le­ rini o kum ak d a d a h a önceki bölüm lerde olanlar hak k ın d a b ir şeyler söylemeye yardım cı olur. S ü p er Ç arpıştırıcı, bir sü re d ir devam eden b ir öyküye aslın­ da bir bölüm d a h a ekleyecek. B u çarpıştırıcı, artık Tem el P a r­ çacıkların S ta n d art M odeli dediğim iz b ir fizik kuram ındaki boşlukları do ld u rm ak ve d ah a önemlisi, S ta n d a rt M o d el’in te ­ melini o lu şturan d a h a derin bir k u ra m a yol açabilecek ipuçları­ nı sağlam ak için tasarlanm ıştır. S ta n d art M odel y en i b ir şey d e­ ğildir; 1960 sonları ile 1970 başları ara sın d a birço k k uram cının çalışm asıyla esas o larak bugünkü y a p ısın a k av u ştu ru lm u ş ve 70’li y ıllar boyunca y ap ılan deneylerle doğrulanm ıştır. Bu y ü z ­ yılın fiziğinde çok gerilere uzanan köklere sahiptir. S ta n d a rt M o d el’e ayrıntılı bir girişin y e r i bu rası değil, k ita­ bın konu su d a bu değil zaten. F a k a t k ısaca değinm ek y a ra rlı olabilir. S ta n d a rt M odel, m atem atiksel açıdan k u an tu m lu alan kuram ı denen tü rd en b ir k u ram o larak ifade edilir. B ir k u a n ­ tu m lu alan k u ra m ın d a çeşitli tü rd e n tem el p arçacıklar, bu p a r­ çacık lara karşılık gelen alan tü rlerin in enerji v e m om entum d esteleri o larak o rta y a çık arlar ve p a rç a c ık la r arasın d ak i tüm

vm


kuvvetler, d iğer tem el parçacıkların alışverişiyle üretilir. T üm kuram , b ir gözlem çerçevesinde çeşitli değişiklikler y ap ıld ığ ın ­ d a alan ları betim leyen denklem lerin değişm em esini sağlayan belli sim etri ilkeleriyle yö n etilir. K uram ın ö n görü gücü çoğun­ lukla b u ra d a n gelir. Tem el parçacıklar. S ta n d a rt M o d e le göre, beş geniş sın ıf o lu ştu ru r. İlki tü m sırad a n atom ların dış kısım larını o lu ştu ran elek tro n larla ü ç aşağı beş y u k a rı elektronlara benzeyen, fakat çok d ah a ağır ve k ararsız olan diğer parçacık ları ve g ö rü n ü rd e hiç kütleleri olm ayan n ö trin o la n içeren leptonlarm o lu ştu rd u ğ u sınıftır. “Y ukarı" ve “aşa ğ ı” k u ark olarak bilinen iki türüyle, sı­ ra d an atom ların çek ird ek leri içindeki parçacıkları, y a n i p ro to n ­ ları ve n ö tronları m ey d an a getiren k u a rk la r d a başka b ir sınıf o lu ştu ru r. D iğer k u a rk tü rleri k ararsız v e çok d a h a ağırdır. (K i­ tab ın son bölüm ünde bu k u ark la r ve leptonlar h ak k ın d a söyle­ necek çok şeyim iz olacak). Ü çüncü sınıfta aşağı y u k a rı ışık p a r­ çacığı (foton) gibi p arçac ık la r olan v e k tö r bozonlar (hantal b ir ad b u ) y e r alır. Bu sınıftan bazıları, “W ” ve “Z ” parçacıkları, çok a ğ ır ve k ararsızd ırlar. D iğerleri, y an i gluonlar ise, kütlesiz olm akla birlikte, k u a rk la rla paylaştıkları gizem li b ir özelliğe (b ir gluonu y a d a k u a rk ı d iğ er k u ark la rd an ve g lu o n lard an a3n rm an ın olanaksız olm ası özelliğine) sahiptirler. K u ark lar ve lep to n lar arasındaki değişik tü rd en şiddetli, zayıf k u vvetler ve elektrom anyetik kuvvetler, bu v ek tö r bozonların değiş tokuşuyla o rtay a çıkar. D ö rd ü n c ü sınıf içinde tek b aşına kütleçekim sel ışınım ın kütlesiz parçacığı, graviton, bu lu n u r; S ta n d a rt M odel 'in d iğ er p arçacıklarıyla p ek alışverişi y o k gibidir; an cak tü m p arçacık lar arasın d a etkin olan kütleçekim i kuvvetlerini açıklam ak için gereklidir. Son olarak, iyice gizemli beşinci b ir p arçac ık sınıfı v a r ki, b u p arçacık lar arasındaki etkileşim lerin. S ta n d a rt M o d el’d ek i tü m p arçacıkların kütlelerini ü retm ekten so rum lu o ld u k ların a inanılıyor, am a özellikleri hâlâ tam olarak bilinm iyor. (Ç ok tartışılan fakat b u g ü n e dek gözlenem eyen H iggs bozonu bu sınıfın bir üyesi olabilir.) S ü p er Ç arpıştırıcı’ nın


enerjisi için 20 trilyon elektron-voltluk hedef değerin seçilm e nedeni, b ir bakım a, beşinci sınıftaki p arçacıkların etkileşm e et­ k ilerinin b u en eıjilerd e o rtay a çıkacağının kesin olm asıdır. F a k a t S ü p er Ç arp ıştın c ı’nm am acı sadece beşinci sınıftaki p arçacık ların gizem inin ve etkileşm elerinin açıklığa k av u ştu ru l­ m ası değildir. T üm b u n la r anlaşılsa bile, besbelli ki S ta n d a rt M odel, tem el fizik y asaların ın son ifadesi olm ayacaktır. B ir ke­ re, S ta n d a rt M o d el’in n eden böyle olduğunu anlam alıyız. N e ­ d en b u k a d a r çok k u a rk ve lepton v ar? M odel n ed en b ir W , b ir Z ve bir foton ile tam sekiz tü r gluonun v a r olm asını zorunlu kı­ lan sim etri ilkelerine u ym aktadır? G ravitonun tü m b u n la rla işi ne? V e n ih ay et k u ram ın tü m sabitleri, kütleler, 3nikler ve ben­ zerleri, niçin sahip oldukları sayısal değerleri alm ışlardır? G eçen on jn l b o y u nca kuram sal fizikçiler. S ta n d a rt M odel ’e tem el oluştu rab ilecek d ah a derin v e d ah a basit kuram ı zihinler­ d e can lan d ırm ay a y ard ım edeceğini um dukları kurgusal d en e­ bilecek b irço k fikirle boğuştular. Y eni sim etri ilkeleri, d ah a faz­ la sayıda boyut, nok tasal p arçacık lar y erin e sicim ler ve h a tta uzay ve zam anın bağlantılılığında dalgalanm alar içeren k u ra m ­ lar m atem atiksel o larak araştırıldı. G elecek on y ılla rd a y^u’arlanacağım ız zihinsel serm ayenin çoğunu b u çalışm aların sağlaya­ cağını sanıyorum . Ö zellikle sicim kuram ları, diğer parçacıkları betim lediğim iz k u an tu m m ekaniksel terim lerle gravitonları da betim leyebileceğim iz m atem atiksel bir çerçeve tem in ettiler so­ nunda. F ak at şu n u itiraf etm eliyiz ki, on yıllık p arla k b ir m ate­ m atiksel araştırm a, bizi doğru iz üzerinde olduğum uza inandı­ racak, deneyle d o ğrulanm ış kesin sayısal ö ngörüler sağlayan y en i h içbir şey üretem edi henüz. K uşkusuz tem el parçacık fi­ zikçilerinin, an cak S ü p er Ç arp ıştın cı gibi yeni deneysel araçla­ rın verebileceği tü rd e n y en i verileri elde etm enin kendileri için böylesine önem li old u ğunu hissetm eleri bundandı. Tüm n o k sa n la n ve belirsizlikleriyle. S ta n d a rt M odel hâlâ te ­ mel p arçacık lar k o n u su n d ak i yorum larım ızın old u k ça etkile 3uci b ir şekilde birleştirilm esini ve sadeleştirilm esini sim geliyor. Bu


n o k tay a on y ıllarca sü re n deneysel v e k u ram sal çabaların so ­ n u n d a ulaşıldı. Bu kitap d a h a çok öykünün d ah a eski k ısım ları­ nı ele alıyor. G ene de, b aşlard a karşılaşacağım ız o y u n cu lar d e ­ ğişik ro llerd e bile olsalar. S ta n d a rt M odel’d e karşım ıza çıkacak­ larla aynıdır. 1911’de E rn est R u th erfo rd ’u n önderliğinde y a p ı­ lan deneylerde varlığı anlaşılan p ro to n v e 1932’de Ja m e s C h a d ­ w ick ta ra h n d a n keşfedilen n ö tro n , y aln ızc a atom çekirdekleri­ n in içine hapsolm uş "y u k arı” ve "aşağı” k u a rk la r için kafesler değildir; o n lar a y n ı zam anda bu k u ark la rın benzeşleridir; ç ü n ­ kü aynı tü rd en iki-üyeli çekirdeksel ailenin içindedirler. J . J . T hom son tarafın d an 1897’de keşfedilen elektron, tü m S ta n d a rt M odel lep to n lan n ın ilk örneğidir ve d ah a tem el y ap ıtaşların d an y ap ılm ış olabileceği y ö n ü n d e ipuçları verm eyi inatla geri çevi­ ren tem el p arçac ık la ra ö rn e k olm ayı sürdürm ektedir. Bu kitabın tek am acı, elektron, p ro to n ve nötron gibi p a rç a ­ cıkların fizikte ilk o rtay a çıkışlarım anlatm ak değildir; ayrıca b u g ü n ü n k u ram ların d a ve deneylerinde te k ra r te k ra r o rtaya çı­ k an belirli k onuları okuyucuya sunm aktır. Fizik dili, enerji, elektrik yü k ü , elek trik alanı ve m anyetik alan, kütle, m om en­ tu m ve b u n u n gibi k av ram larla uğraşm ayı sü rd ü rü y o r. B ugün çoğu kişi bu niceliklerin n e anlam a geldikleri k o n u su n d a en azın d an k ab a b ir fikre sahip; fak at söz konusu niceliklerin a n ­ lam larının d a h a iyi anlaşılm asının b u g ü n ü n keşiflerini anlam a­ y a b ü y ü k y ard ım ı olur. B unun için Thom son, R utherford, C h ad w ick ve onların çağdaşlarının tarihsel deneylerinde bu k av ram ların nasıl o rtay a çıktıklarını incelem ek en iyi y o ld u r. E tk in tesir kesiti y a d a ortalam a ö m ü r gibi biraz d a h a zo r a n ­ laşılır k av ram lar d a var. Bu kitapta, R u th e rfo rd ’u n atom çekir­ değini keşfetm esinin, alfa p arçacıklarının (helyum çekirdekleri) altın atom ları tara fın d an saçılm asıyla ilgili etkin tesir kesitini lab o ra tu v a rm d a ölçm esine dayandığını göreceğiz; b ir ortalam a ö m rün ölçüm ü de ilk kez, o zam anlar to ry u m em anasyonu (sal­ gısı) o larak bilinen ra d y o ak tif gazın R u th erfo rd tarafın d an in ­ celenm esi sırasın d a yapılm ıştı. S ü p er Ç arpıştırıcı ve benzeri


y ü k sek enerji lab o ra tu v arların d a y ap ılan çalışm aların b ü yük bölüm ü, şu n u n y a d a b u n u n te sir kesitlerinin ve o rtalam a ö m ü r­ lerinin ö lçüm lerinden oluşm aktadır. Bir hızlandırıcı k u rm a düşüncesi bile, tem el parçacık fiziği­ nin başlangıcına k a d a r geri gitm ektedir. Thom son, elek tro m an ­ y e tik dalg alar y e rin e olağan depolam a b atary aları ile 20 trilyon elektron-volt değil d e sadece b irkaç bin elektron-voltluk enerji sağlasa d a ve çarpışm alardan çok dem etin kendisiyle ilgilenm iş olsa da, onun düzeneği de kendi b aşın a b ir parçacık hızlandırıcısıydı. S ü p er Ç arp ıştırıcı’nın 1998 o rtala rın d a işlemeye başlam ası planlanıyor; fakat biraz d ah a hızlı çalışılarak 1 9 9 7 y ey etiştirilebilse, tü m tem el parçacıkların içinde ilk bilineni olan elek tro n u n keşfinin tam y ü zü n cü yılına ra stla r ki, bu d a m üthiş uygun olur!

A tom altı P arçacıkların bu y e n i baskısı, b a n a eski baskının çeşitli kısım larını güncelleştirm e şansı verdi. • 4. Bölüm “Ç ek ird ek ”te, C am bridge L ab o ratu v arla rı’ndan birinin d u v arın a RutherCord'u sim geleyen b ir tim sah oydurulması y ö n ü n d e P y o tr K apitsa’nın k a ra rın a dair çeşitli y o ru m lar aktarm ıştım . D a h a sonra, K apitsa’nın üç üvey ablasını tan ıy an İngiltere’nin L eicester k en tin d en J . L. K offm an’d an ilginç b ir m ektup aldım . K offm an’a göre, bir tim sah h ak k ın d a “o ldukça m üstehcen b ir ş a rk ı” varm ış; bu şarkı 1922-25 yılların d a R us­ y a ’d a çok popülerm iş. Ş arkıda, b ü y ü k bir tim sah çeşitli m illet­ lerden insanların v ü cu tlarının “bazı kısım larını” k ap a rak cadde­ lerde aşağı y u k a rı dolanırm ış. Sanıyorum , R u th e rfo rd ’un g ad ­ darlığını genel an lam d a sim gelem esi için tim sah kullanm a fikri oluşm uştu; y o k sa o n u n belirli huylarının bir y o ru m u olarak de­ ğil. .. N e olu rsa olsun, R u th erfo rd tim sahının b u son y o ru m u n u şimdiye deh duym am ıştım .


• F resn o ’d ak i K a lifo rn ija E yalet Ü n iv ersitesin d e n P rofesör G eorge K auffm an, bilgi olarak, bu k ita p ta anlatılan n ü k leer fi­ zikteki çeşitli gelişm elere aslında ü n lü fiziko-kim yacı W illiam D ra p e r H a rk in s’in (1873-1951) ö n a y a k o lduğunu yazm ış bana. T. F. Y o u n g 'm bir m akalesinde b u n u n doğrulandığını gördüm ; Y oung, hidrojenin helyum a dönüşm esiyle G ü n eş’te ü retileb ile­ cek enerjinin ilk hesabı ve C h ad w ick ’in n ö tro n u keşfinden h e ­ m en sonra bilim sel deneylerde n ö tro n ların kullanılm ası d a d a ­ hil, birçok ilerlem eyi H a rk in s ’e m al ediyor. • 5. Bölüm “B aşka P arçacık lar”da, kozm ik nötrinoların asla gözlenem ediğini söylem iştim . B üyük P a tla m a ’m n ilk b irkaç d a ­ kik asın dan a rta kalm ış m uazzam sayıda düşük-enerjili n ö trin o için b u h âlâ d o ğ ru d u r; fakat O cak 1987’de çeşitli y eraltı laboratu v arla rın d a G ü n eş sistem inin dışından gelen n ö trin o lar sa p ­ tanm ıştır. Bu n ö trinolar, dünyam ızdan 150.000 ışık yılı k a d a r u z a k ta b u lu n an B üyük M acellan B u lu tu ’ndaki b üyük sü p ern o v a patlam ası, S N 1987A’dan salınm ıştır. Böylesine u zu n b ir y o l­ cu lu k tan so n ra n ö trin o ların h er birinin b irk aç saniyelik aralık ­ larla d ü n yaya ulaşm ası gösteriyor ki, farklı enerjilerine karşın tü m ü esas o larak aynı hıza sahiptiler; bu da, daim a ışık hızıyla y o l alan (foton gibi) kütlesiz p arçacık lar olm aları d u ru m u n d a beklenebilirdi. B u olgu, hidrojenin ra d y o a k tif izotopu trity u m ­ d an çıkan n ö trin o lar ü zerine lab o ra tu v ar deneylerinde sağlanan gelişm elerle b irlik te n ötrino kütlesinin on elektro n-volttan y a d a elek tro n k ü tlesinin elli binde birinden d ah a b üy ük olam aya­ cağını gösterir. • Aynı bölüm de, 1982’de kitabın yazım ı sırasında, fizikçile­ rin, hem a ra v ek tö r b o zo n lar (y u k a rıd a sözü edilen W ve Z p a r­ çacıkları için b ir b^ışka ad ) ve H iggs bozonları denen p arçac ık ­ ların keşfedilm esini, h em de b ir k u a rk tü rü n ü n d a h a b u lu n m a­ sını beklediklerine değinm iştim . O zam an d an beri, İsviçre’nin C enevre kenti y a k ın la rın d a k i C E R N L ab o ra tu v a rı’n d a y ü k se k enerjili p ro to n ve k arşıtp ro to n çarpışm alarında W ve Z p a rç a ­ cıkları keşfedilm işti. B u p arçacık ların k ütlelerin in tam S ta n d a rt


M o d el’in ö n g ö rd ü ğ ü değerlerde çıkm ış olm ası çok sevindirici­ dir: W ve Z kütleleri, sırasıyla 86,4 ve 98,5 p ro to n kütlesidir. K ayıp k u a rk tü rü (“ü s t” k u a rk ) ve H iggs bozonu gözlem den kaçm ayı sü rd ü rm ek ted ir. • Tem el parçacık ların araştırılm ası tarih in d e öncü roller üstlenen bazı fizikçiler için b u kitabın ilk b ask ısın d a verilen y a şa m ö y k ü sü bilgilerine, aşağ ıd ak i fizikçileri de ü zü lerek eklemeliyiz: P y o tr L eonidoviç K apitsa (1894-1984) Paul A drien M aurice D irac (1902-1984) Em ilio G ino Segre (1905-1989) Bize b ırak tık ları çalışm alarda onların dehalarım özleyeceğiz.

S teven W einberg A ustin, Texas Kasım 1989


Çevirenin Notu

Tem el p arçacık lar fiziğindeki gelişm elerin b üyük b ir hızla sü rd ü ğ ü , h er y en i b ask ıy a y eni bir giriş eklem e zo ru n lu lu ğ u n ­ d an anlaşılıyor. B u k itab ın üçüncü baskısı yapıldığında, eminim ki B ay W ein b erg ’in güzel b ir “güncelleştirm e” d ah a yazm ası g e­ rekecek ! "Giriş ve G üncellem e’'de anlatılan 63 kilom etre çevreli Süperiletk en S ü p er Ç arp ıştırıcı’nın yapım ı ne y azık ki gerçekleşem e­ di. 199d sonlarında, tünelin kazım ına başlanm ış ve toplam tu ta ­ rın y ü zd e onu harcanm ışken, A m erika B irleşik D evletleri S en a­ tosu, A m erikan b ü tçesin in b u a ş ın m aliyeti kaldıram ayacağı g e ­ rekçesiyle proje 3Ü d u rd u rd u . Bu d u ru m d a A m erikalı deneysel fizikçiler de, o 3 n llard a A v ru p a ülkelerinin o rtak hızlandırıcı m erkezi olan C E R N ’d e yapılm ası dü şlen en L H C (L arge H adron Collider: B üyük H a d ro n Ç arpıştırıcısı) projesine parasal d estek v ererek katıldılar. B u projenin, 198Tden beri C E R N ’de işlem ekte olan 2 7 kilom etre çevreli L E P (B üyük E lektron-P ozitron) Ç arp ıştırıcısının tüneline, elek tro n ve pozitron dem etle­ rinin h alk aları y e rin e gene zıt y ö n lerd e dönecek iki p ro to n d e ­ m eti halkası y erleştirilerek ve d ö rt d en ey n o k tasın a y a n y atırıl­ mış o n a r katlı b in alar b ü y ü k lüğünde dev ded ek tö rler inşa edile­ rek gerçekleştirilm esi planlandı. 2000 yılı son u n d a L E P kap atıl­ dı; deney hangarların ın yapım ı bitm ek üzere; A TLA S ve C M S adlı dev d ed ek tö rlerin dü n y an ın değişik ülkelerinde y ap ılan çe­ şitli p arçaların ın C en ev re’y e getirilip birleştirm e çalışm aları sü­ rüyor. Ç arpıştırıcının 2004 y ılın d a tam am lanm asına kesin gö­ züyle bakılıyor. H edeflenen enerji, 20 trily o n elektron-volt de­


ğilse de, b u n a y ak ın : 14 trilyon elektron-volt. İçinde T Ü B İ­ T A K ’ın desteğiyle T ü rk iy e’nin de b u lu n d u ğ u 35 k ad a r ülkenin 150 k a d a r en stitü sü n d en y ak laşık 1500’er bilim adam ının k atıl­ dığı h er b ir L H C deneyi, p arasal yö n ü y le ve işgücü açısından gerçekten de "küreselleşen” dünyam ızda m ütbiş b ir bilim sel iş­ birliği örneği olu ştu ru yor. 2005 y ılın d a veri alım ına başlanacak olan L H C deneylerinde H iggs parçacığının (ya d a parçacıklarının), eğer varsa, sap tan ­ ması kesin gibi gö rü n üyor. D a h a önce belirtildiği gibi. S ta n d a rt M odel sadece b ir tan e y ü k sü z H iggs parçacığının varlığını ö n ­ gö rü y o r. S ta n d a rt M odel’in "süpersim etri” denen ve y ak laşık o larak gerçekleşen b ir sim etri ilkesiyle biraz d ah a genişletilm e­ si sayesinde elde edilen M inim al S üpersim etrik S ta n d a rt M odel ise, y ü k sü z H ig g s’e e k olarak artı ve eksi y ü k lü iki tane H iggs parçacığı d ah a öng ö rü yor. Bu genişletilm iş m odelde, ay rıca bil­ diğim iz tü m olağan parçacıkların süper-eşlerinin de v a r olması söz konusu... E le k tro n u n eşi süperelektron (ya d a kısaca, selek tro n ), k u ark ın eşi sü p erk u ark (sk u ark ), gluonun eşi gluino, H ig g s’in eşi H iggsino vb... S üpersim etrinin an cak y ak laşık ola­ rak gerçekleşm esi nedeniyle, süper-eşlerin kütlelerinin trilyon elektron-volt basam ağında olması beklenm ektedir. D olayısıyla L H C deneylerinde, H ig g s’lerin y an ın d a, süperparçacıkların aranm ası d a söz k o n u sudur. D iğ er hızlandırıcılardan gelen b irk aç gelişm eyi de eklem eden geçm ek istem iyorum : • 2000 yılının son aylarında, L E P elektron-pozitron çarpıştırıcısı k apatılm ak üzereyken, yak laşık 122 p ro to n kütlesinde b ir y ü k sü z H iggs bozonu ve yaklaşık 72 p ro to n kütlesinde y ü k lü H iggs bozonu olabilecek sinyallerin gözlendiği d u y u ru ld u ve C E R N y ö n etim in d en istatistiğin iyileştirilm esi için L E P d eney­ lerinin 2001 y ılın d a d a sü rd ü rü lm esi istendi; d estek için a n k e t­ ler dağıtıldı; am a y ö n etim L H C 'n in başlam asını erte ler endişe­ siyle bu isteği g e ri çevirdi.


• N ihayet, C hicago’daki F E R M IL A B H ızlandırıcı M erk ez i’nde 1,8 trilyon elektron-volt enerjili p ro to n -k a rşıtp ro to n ç a r­ pı ştırıcısında son k u ark olduğunu sandığım ız altıncı k u a rk (“ü s t” k u ark ) d a 1994 yılında keşfedildi. "G özlenm ekten sü re k ­ li kaçabilm esi”nin, altın atom u k a d a r ağır (tam 174 m ilyar elektron-volt/c^kütleli, beşinci k u a rk ta n tam 35 k at d ah a ağır) olm a­ sından ileri geldiği anlaşıldı. • S o n y ılla rd a n ö trino fiziği g erek k u ram sal gerekse d en ey ­ sel açıdan p arçacık fiziğinin çok a k tif b ir dalı haline geldi. E lek tro n -n ö trin o su ve m ü o n -n ö trin o su sırasıyla 1955 ve 1962 y ılla rın d a gözlendikleri halde, tau -n ö trin o su b ir tü rlü sap tan am ıyordu. N ih ay et 2000 yılı Tem m uz ay ın d a C E R N tau -n ö trin o su n u n d o ğ ru d a n gözlendiğini d u y u rd u . N ö trin o fiziği alan ın ­ d a d iğ er önem li b ir gelişm e de, nötrin o salınım ları k o n u su n d a ­ ki son deneysel b aşarılard ır. N ö trin o lar, çok k ü çü k de olsa, kü tley e sahipseler, b u n ların farklı k arışım larından belirli kütle özdeğerleri k u ru lab ilir; b u d u ru m d a n ö trin o la n n b irb irlerin e dönüşm eleri (salınım yapm aları) m ü m k ü n olur. Tüm üyle k u an tu m m ekanihsel kökenli olan n ö trin o sabnım lannm , örneğin G ü n e ş’ten gelen n ö trin o akışındaki azlığı açıklayabileceği öne sü rü lm ek ted ir. N ö trin o salınım ları üzerine en güçlü deneysel kan ıt, 1998’d e J a p o n y a ’daki K A M IO K A N D E işbirliğinden geldi. Bu den ey d e atm osferik n ö trin o lara bakılm akta; m üonikn ö trin o sayısında sap tan an azlık, bu n ö trin o n u n tau -n ö trin o su n a (ya d a d ö rd ü n c ü bir steril-nötrinoya) salınım yap m asıy la açık lan ab ilm ek ted ir. N ö trin o sahnım larım n gözlendiği y o lu n d a b u g ü n lerd e d iğ er la b o ra tu v a rla rd a n d a h ab e rler gelm ektedir. K ütleli n ö trin o la n n yol açacağı p e k çok fiziksel sonuç v ard ır. A ncak h er şeyden önem lisi şudur: E ğ e r n ö trin o salınım ları g er­ çek ten gözlenebilirse, bu, p arçacık fiziğinde büjnik b aşa rıla ra im za atm ış olan M inim al S ta n d a rt M odeTin ötesine geçilm esi gerek tiğ in e d air ilk deneysel k anıtı o lu ştu raca k u r.


I. B ölüm

Parçacıklar Dünyası

A

cab a kaçım ız, b ir avuç k u m u n içindeki ufacık taş p a r ­ çacıklarını inceleyerek, tü m m ad d e biçim lerini o lu ştu ­ ra n çok k ü ç ü k ve çok sert ze rreleri kafam ızda canlan-

dırabildik? "M adde, atom (Y unanca átom os ((XT0|J,0(î), y a n i

"bölünem ez”) dediğim iz görünm ez p arçacık lard an o lu şm u ştu r.” ifadesinin kökeni, T ra k y a sahilindeki eski A b d era k asa b asın a k ad a r uzanır. O ra d a, M Ö beşinci y ü zy ılın so n ların d a Y u n an ftlozoflar, L eu k ip p o s v e D em okritos, tü m m addenin, ato m lard an ve b o ş u zay d an o lu ştu ğunu düşünm üşlerdi. ' A b d e ra şim di y ık ın tılard an ib arettir. L e u k ip p o sü n h iç b ir sö ­ zü gü n ü m ü ze ulaşm am ıştır; D e m o k rito s'u n y azıların d an ise b i­ ze sadece b irk a ç y a ra rsız k ırıntı kalm ıştır. G ene de, o nların ato m d ü şü n cesi cap can lıd ır ve binlerce y ıld ır durm ad an a n la tJ-


m ak tad ır. M ad d en in , kapladığı uza_yı d o ld u ran b ir süreklilik gibi d ü şü nülm esi halinde çok şaşırtıcı görünebilecek b ir sürü olağan gözlem , atom düşüncesiyle anlam kazanır. B ir b ard ak su3 m n içinde b ir p a rç a tu zu n erim esini, tuzu o lu ştu ran ato m la­ rın su atom ları arasındaki boş u za y a yayıldığını v arsay arak açıklam aktan d a h a iyi b ir açıklam a olabilir m i? B ir dam la y a ­ ğın su y ü z ü n d e belirli b ir alana (d ah a ötelere değil) yayılm ası­ nı, y ağ tab ak asın ın b irkaç atom kalınlığında olana d ek g enişle­ diğini v arsay ara k açıklam aktan d a h a iyi bir biçim de açık lay a­ bilir miyiz? M o d ern bilim in d o ğ u şu n d an sonra, atom düşüncesi, m ad d e­ nin nicel k u ram ın a tem el olarak kullanılır d u ru m a geldi. O n y e ­ dinci y ü zy ıld a Isaac N ew ton (1642-1727) gazların genişlem esi­ ni, gaz atom larının boş u zaya saldırm ası biçim inde açıklam aya çalıştı. O n d o k u zu n cu yüzyılın b aşların d a J o h n D alton (17661844) ise, o rtak bileşikler oluşturan kim yasal d em etlerin ağ ır­ lıklarının sabit o ran larını, bu elem entlerin atom larının bağıl ağırlıkları cinsinden belirledi. O n dok u zu n cu yüz 3 nhn sonlarında, atom düşüncesi birçok bilim adam ı tarafın d an biliniyordu -biliniyordu, fak at henüz ev ­ rensel olarak benim senm iş değildi. Kısmen N ew ton ve D allo n ’un m irası nedeniyle, Ingiltere’de atom kuram larını kullan­ m a y ö n ü n d e b ir eğilim vardı. Ö te y a n d a n , A lm anya’d a ato m cu ­ luğa karşı d iren ç sü rü p gidiyordu. Bu tam anlam ıyla. Alm an fi­ zikçi ve kim yacılarının ato m lara kesin şekilde inanm adıklarını gösterm iyordu. A m a V iyanah E rn s t M a c h ’ın (1836-1916) e tra ­ fında oluşan am p irik felsefe o k u lu n u n etkisi altındaydılar ve ço­ ğu -atom gibi- d o ğ ru d a n gözlenem eyen şeyleri k u ram ların a sokm aya çekiniyordu. D iğerleri, örneğin L udw ing B oltzm ann (1844-1906) ısı ve b en zeri olayların kuram larını o lu ştu ru rk en atom varsayım larını kullandı; fakat m eslektaşlarınca h o rlanm a­ y a katlanm ak zo ru n d a kaldı. D ediklerine göre, 1906’d a Boltzm an n ’ın k en d in i öldürm esinde M a c h ta ra fta rla rın ın B oltz­ m ann’m çalışm alarına karşı çıkm alarının d a payı v ardır.


T üm b u n la r jirm in c i yüzyılın ilk çeyreğinde değişti. M a d d e ­ nin ato m lu y ap ısın ın y a y g ın olarak benim senişi şaşılacak biçim ­ de, an cak ato m u n yapıtaşları olan elektron ve çekirdeğin b u lu ­ nuşuyla, y an i ato m ların bölünm ezliğini içeren eski düşüncenin altını oyarak on u çö k e rten keşiflerle oldu. K itabım ızın konusu, işte b u keşiflerdir. B u keşiflerin tarih in e girm eden önce, söz k o ­ n usu keşifleri ve ato m u n y ap ıtaşları h ak k ın d a şu a n d a bildikle­ rim izi anlatalım . Bu sadece kısa b ir özet olacaktır; kitabın gele­ cek bölüm lerinde b u n ları tüm ayrıntılarıyla anlatacağız. H e r ato m u n k ütlesinin çoğu, m erkezindeki küçük, y o ğ u n çe ­ k ird ek te b u lu n u r ve b u çek ird ek a rtı elektrik y ü k ü taşır. Ç e k ir­ değin etrafın d ak i y ö rü n g e d e bir y a d a d a h a çok elektron d o la­ nır; b u n la r eksi elek trik y ü k ü ta şırla r v e elektriksel çekim k u v ­ vetiyle y ö rü n g e d e tu tu lu rla r. Bir elektron y ö rüngesinin tipik y arıç ap ı 10“'“ m etre (angström adı verilen bir uzunluk birim i) k adardır*; o y s a k i çekirdek, 10"'® m etrelik (ferm i adı verilen bir birim ) tipik çap ıy la çok d ah a k ü çü k tü r. Çeşitli kim yasal ele­ m entlerin h e r biri özel b ir cins atom dan oluşur ve b ir elem entin atom ları b ir d iğ er elem entin atom larından içerdikleri elektron sayısıyla ayrılır; H idrojende b ir elektron, helytım da iki... bu böylece lavrensiyum a, 103’e k ad a r gider. A tom lar elek tro n la rı­ nı ödünç vererek, değiş tokuş ederek y a d a o rtak laşa k u llan arak d ah a b ü y ü k k ü m eler -m oleküller- o luşturabilirler. H e r kim ya­ sal bileşik, özdeş m oleküllerden m ey d an a gelir. N orm al k o şu l­ lar altında, b ir atom y a da m oleküldeki elek tro n lar uy arılarak d ah a y ü k se k enerjili y örüngelere yerleştik lerin d e g ö rü n ü r ışık soğururlar; d a h a d ü şü k enerjili y ö rü n g e le re geri d ü ştü k lerin d e ise ışık salarlar. E lek tro n lar atom lardan silkelenip k o p an lab ilir de; böylece b ir m etal tel boyunca h a re k e t ederek şu bildiğim iz elektrik akım ını d o ğ u ru rlar. T üm b u kim yasal, optik ve elektriksel o laylarda atom çe k ir­ deği tem elde d u rg u n kalır. B ununla b e ra b e r çekirdek, p ro to n ve n ö tro n adı verilen kendi y ap ıtaşların d a n oluşm uş bir birleşik ^ Bilimsel gösterim üzerine kısa b ir değinm e için, bu bölüm ün sonundaki eke bakın.


sistemdir. P roton, elektronunkine eşit ve zıt bir elektrik y ü k ü ta ­ şır; nötron ise elektrikçe yüksüzdür. P roton 1,6726 x 10"^^ kilog­ ram lık b ir kütleye sahiptir; n ö tro n u n kütlesi birazcık d ah a b ü ­ y ü k tü r (1,6750 X 10“^^ kilogram ); elek tro n u n kütlesi ise çok d a ­ h a k ü çü k tü r (9,1095 x 10“^‘ kilogram ). Ç ekirdeklerin içindeki p ro to n ve nötro n lar, çekirdekleri çevreleyen elek tro n lar gibi d a h a y ü k sek enerji d u ru m ların a uyarılabilirler; y a d a uyarılm ış­ larsa d ah a d ü şü k b ir enerji d u ru m u n a geri düşebilirler. F a k a t çekirdekteki b u parçacıkları u y arm ak için gereken enerjiler, atom un dış kısm ındaki elektronları u y arm a k için g ereken en er­ jilerin m ilyonlarca katıdır. Tüm olağan m ad deler atom lardan yapılm ıştır; atom lar d a proton, n ö tro n ve elektronlardan oluşur. Ne v ar ki, b u rad an , te ­ mel öğelerin tam listesinin p ro to n , n ö tro n ve elektron olduğu so n u cu n a v arm ak y an lış olur. E lektron, lepton denen ve şim di­ lik yarım düzinesi bilinen b ir p arçac ık la r ailesinin sadece bir üyesidir. P ro to n ve n ö tro n ise, hadron o larak ad lan d ırılan çok d ah a geniş bir p arçacık lar ailesinin sadece iki üyesidir; bu aile­ den d ah a yüzlercesi bilinm ektedir. E lek tro n , p ro to n ve n ö tro n ­ ları olağan m ad d en in h er y erd e ve h e r zam an b u lu n an içerikle­ ri haline getiren tem el özellik, onların o ldukça k ararlı oluşları­ dır. E lek tro n ların m utlak şekilde k ararlı o ld u k ların a inanılm ak­ tadır; pro to n ve n ö tro n lar d a (b ir atom çekirdeğine bağlıyken) en azından 10’"y ıl varlıklarını sü rd ü rü rler. B irkaç istisn a dışın­ da, tüm d iğer p arçacık lar çok k ısa öm ürlere sah ip tirler ve bu nedenle şim diki ev rende çok az b u lu n u rlar. (V ar olabilen d iğer kararlı parçacıklar, sıfır y a d a çok az kütleye ve 3rüke sahip p a r­ çacık lard ır ve dolayısıyla atom y a d a m oleküllerin içinde tu tu la ­ m azlar.) G ünüm üzde p ro to n , n ö tro n ve d iğer h a d ro n la n n k u a rk d en i­ len d a h a tem el y ap ıtaşların d a n yapılm ış bileşim ler old u k ların a inanılıyor. Bilindiği kadarıyla, elektron ile lepton ailesinin ö b ü r üyeleri gerçekten tem eldir. F ak at tem el olsunlar y a d a olm asın­ lar, olağan atom ları m eydana getiren p arçacık lar b u n lard ır


-proton, n ö tro n v e elektron- ve kitabım ızda onlarla ilgilenece­ ğiz. & k i A b d e ra ’n m bizim için atom düşüncesinin d oğuşunu sim gelem esi gibi, b ir b aşk a y e r d e atom un yapıtaşlarının b u lu ­ n u şu n u n sim gesi olm uştur: C am bridge Ü niversitesi’nin C av en ­ dish L abo ratu v arı. 1897’de J o s e p h J o h n T hom son (18561940) b u lab o ra tu v a rd a k ato t ışın la n üzerine deneyler y ap m ış ve bu deneylerde, hem elek trik akım ının taşıyıcısı hem de tüm ato m ların tem el y ap ıtaşı olan b ir p arçacığ ın -elektronun- v arlı­ ğını kanıtlam ıştı. 1895-1898’de E rn e st R u th erfo rd ’un (18711937^ radyoaktiviteyle ilgili çalışm alarına başladığı y e r gene C av en d ish ’ti. R u th erfo rd atom çekirdeğini k eşfettik ten so n ra 1919 ’d a T h o m so n ’u n y e rin e C avendish D eneysel Fizik P rofesö­ rü olarak gene C av en dish'e geri dönm üş ve o rad a uzu n soluklu seçkin b ir n ü k leer fizik m erkezi k u rm u ştu . J a m e s C h ad w ick 'in (1891-1974) n ö tro n u keşfetm esiyle, atom un y ap ıtaşların ın liste­ si 1932’de gene C av en d ish 'te tam am lanm ıştı. B en C avendish L ab o ratu v arı'n ı ilk kez 1962 ilkbaharında, B erk eley 'deki K aliforniya Ü n iv e rsite sin d e n L o n d ra ’y a çok genç b ir fizikçi o larak b ir yıllık izinle geldiğim de ziy aret etm iş­ tim . O zam an L ab o ratu v ar hâlâ F ree School L an e'deki özgün gri taş b in alard a b u lu n u y o rd u . Bu binalar, 1786’d a C am bridge Ü niversitesi tarafın d an botanik bahçesi olarak kullanılm ak için satın alınm ış olan arazi ü zerinde 1874’ten beri dim dik ay a k ta du rm ak tay d ı. O ray ı, anlaşılm az m erdivenler ve k o rid o rlar ağıy­ la b irb irlerin e bağlı k ü çü k odalardan oluşan b ir tavşan y u v ası gibi hatırlıyorum . B erkeley tepelerinin güneşle aydınlanan ta ra ­ fından körfeze h ü k m edercesine b a k a n K aliforniya'nın o b ü y ü k R adyasyon L ab o ratu v arı'n d a n çok farklıydı. C avendish L aboratu v arı, d o ğanın gizlerine şiddetli saldırılar y ap ılan b ir y e rd e n çok, başlıca silahları y etenekli kişilerin zek â ve kabadayılıkla­ rın d a n ib are t olan b ir gerilla harek etin in , sınırlı olan ak larla gi­ rişilen b ir uğ raşın m erkezi izlenim ini veriyordu. C avendish L aboratuvarı'nın kökeni, C am bridge'de deneysel fi­ zik için b ir y e r oluşturm a konusunu incelemek amacıyla 1868-69


M axw ell’den bu y a n a değişm eyen C am bridge C avendish L abo ratu v arı’nın dışı. Bina şimdi üniversitenin b aşk a am açlan için kullanılıyor; lab o ratu v ar çok d aha m odern bir y e re taşındı.


kışında toplanan b ir üniversite kom itesinin raporuna da_yanıyor. D eneysel bilim lerin h ey ecan la k arşılandığı b ir dönem di. K ısa ■ b ir sü re önce B erlin ’d e büyük, y en i b ir deneysel fizik laboratuvarı açılmıştı; O x fo rd ve M a n c h e ste r'da üniversite laboratuvarları k u rulm aktaydı. 17. y üzyıl Lucasiyen M atem atik P refesörü S ir Isaac N e w to n ’a k a d a r uzanan m atem atikte yetkinlik gelene­ ğine k arşın (ya d a belki b u nedenle), C am bridge, deneysel bi­ lim de öncü b ir rol oynayam am ıştı. F a k a t artık deneycilik rev aç­ taydı ve kom ite y e n i b ir deneysel F izik P rofesörlüğü ile ders ve den ey lerin yapılacağ ı y e n i b ir b in a istiyordu. İş, p a ra ve p ro fesö r b ulm aya kalm ıştı. B irinci gereksinim tez elden karşılandı. O zam anlar üniversitenin onursal rek tö rü , y e ­ dinci D evonshire d ü k ü W illiam C av en d ish 'ti. D ük, L aboratuv a r ’d a iki kütle arasın d ak i çekici kütleçekim i kuvvetini ilk kez ölçen ünlü fizikçi H e n ıy C avendish’le (1731-1810) aynı aileden geliyordu. D ev o n sh ire dükü, C am b rid g e’d e m atem atikte çok başarılı b ir lisans öğrencisi olmuş; d ah a sonra L ancashire çelik endüstrisin d e çok p a ra kazanm ıştı. Ekim 1870’de üniversitenin re k tö r y ard ım cısın a y azarak, bina ve araç gereç için gerekli p a ­ rayı -6.300 p o u n d k ad ar- verm eyi önerm işti. In g iltere’nin en tanınm ış deneysel fizikçisi olan S ir W illiam T h o m so n ’un (1824-1907), sonraki adıyla L ord K elvin’in, ilk C avendish P refesö rü olm ası isteniyordu. B ununla beraber, Thom son, G lasg o w ’d a kalm ayı yeğledi ve böylece C avendish P rofesörlüğü b ir b a şk a îskoçyalıya verildi: Ja m e s C lerk M axw ell’e (1831-1879). 39 yaşın d ak i M axw ell G len air’deki m alika­ nesinde em ekliliğini geçirm ekteydi. M axw ell çoğu n lu k ça N e w to n ’la E instein arasın d ak i e n b ü ­ y ü k fizikçi diye bilinir; fakat o n u b ir deneysel fizik p ro fesö rü olarak d ü şü n m ek tu h a f kaçar. G erçi re n k le rin algılanm ası (ay­ nı zam an d a m eslektaşı olan karısıyla birlikte) ve elektriksel di­ renç üzerine o ld u k ça ünlü deneysel çalışm alar yapm ıştı; am a on u n b ü y ü k lü ğ ü n erd ey se tüm üyle k u ram sal çalışm alarına d a ­ y an ır. H e r şeyden önce, elektrik ve m anyetizm a olaylarını a n la­


ta n denklem leri tam am layan, so n ra d a b u denklem leri ku llan a­ ra k elek tro m an y etik dalgaların varlığm ı öngören ve dola 3 Usıyla ışığın doğasını açıklayan M ax w ell’di. H e r ne k a d a r A laxw ell’in çalışm aları C av en d ish P ro fesörlüğü'ne b ü y ü k prestij sağladıysa da, o n u n g ö rev süresi boyunca C avendish L a b o ra tu v a n önde gelen b ir deneysel fizik m erkezi d u ru m u n a yükselem edi. Ö rn e ­ ğin, elek trom anyetik dalgaların varlığı deneysel olarak C av en ­ dish L a b o ra tu v a n ’n d a değil de. A lm an deneyci H ein rich H e rtz (1857-1894) tara fın d an K a lsru h e'd e gösterildi. 1879’da M ax w ell’in ölüm ünün ardından, C avendish P ro fe­ sörlüğü gene W illiam T hom son a önerildi; T hom son b u öneriyi gene nazikçe geri çevirdi. Bu kez profesörlük J o h n W illiam S tru tt’a (1842-1919) verildi, ondan so n ra d a L ord R ayleigh'e. H em kuram cı (M axw ell düzeyinde olm asa d a), hem d e deneyci olarak y etenekli biri olan R ayleigh çok çeşitli fizik problem leri üzerinde çalışm ıştı. B ugün bile, hidrodinam ik y a d a o p tik te b ir problem le karşılaşılsa, çözüm aram ay a başlam a y e ri o n u n d e r­ lenmiş çalışm alarıdır. R ayleigh'in liderliğinde C avendish L aboratu v arı k ü ç ü k b ir k u rum olm aya devam etti; o rad ak i ç^ılışmaların çoğu, R ayleigh'in kendi çalışm alarıydı, y in e de o dönem de önem li iyileştirm eler yapıldı. Y eni ara ç la r satın alındı, eğitim ve araştırm a y en id en örgütlendi, bir atölye açıldı ve 1882'den itiba­ ren kadınİ£ir erkeklerle aynı koşullarla L a b o ratu v âr’a kab u l edilm eye başlandı. 1884’te R ayleigh C avendish P rofesörlüğü’nd en istifa etti v e k ısa b ir süre sonra L o n d ra’daki K raliyet E-ntitü s ü ’n d e d a h a az çekici olan prefesörlük k ad ro su n u kabul etti. C avendish Prefesörlüğü bir kez d a h a W illiam T hom son'a (ar­ tık L o rd Kelvin) önerildi; Kelvin y in e G lasgow 'da kalma 3 Uyeğle­ di. B u n u n ardm dan, k adronun, ders ve deneyler için araç gereç hazırlam a işlerinin çoğunu yapm ış olan R. T. G lazebrook ile W . N . S h aw 'd an b irine verilm esi gereldihği gün gibi ortadaydı. F a­ k a t profesörlüğün, d ah a çok m atem atikteki yeteneğiyle öne çıkan genç bir adam a, J . J . T hom son'a verilm esi herkes için sürpriz ol­ du. H er ne kad^u• b u k^ırar için o dönem de iyi nedenlerin v£ir olup


olmadığı açık değilse de, seçimin doğru yapıldığı kısa sürede o r­ taya çıktı. Thom son, R ayleigh’in ö ğ ü d ü n ü dinleyerek, k ato t ışın­ ları üzerindeki çığır açıcı deneysel çalışm alarına başladı. D ahası, on u n yönetim i altında Cavendish L ab o ratu v an ’na b ir canlılık geldi. 1895’te gelen genç Y eni Zelandalı D m est R utherford dahil, birçok yetenekli deneyci, çabşm ak için oray a akın etti. A rtık ato­ mun y ap ıtaşlan n ın keşfi için sahne kurulm uştu.

Bilimsel ya da Üstel Gösterim A tom lar ve atom altı p arçacıklar çok küçüktür; norm al b ir m adde p arçasında, çok b ü y ü k s a y d a atom ve atom altı p arçac ık v ard ır. O n lard an b ah sederken, çok b ü y ü k ve çok kü çü k sayılar için u y g u n b ir "bilim sel” y a d a "üstel” gösterim kullanm aksızın hiçbir y ere varam ayız. B u gösterim lO’u n kuvvetlerini kullanır; 10‘, lO’u n kendisidir; 10^ iki tan e 10’un çarpım ıdır, y a d a lOO’d ü r ve bu böylece sürer. A yrıca 10'’, 10''in tersi y a d a 0,1 dir; lOA 10^’nin tersi y a d a 0,01’dir ve bu böylece sürer. (10", b ir tane 1 ve sağında n tan e sıfır dem ektir; 10“" ise, ondalık v irgül­ d en so n ra n—1 tan e sıfır ve b ir tan e 1 d em ektir.) A şağıda lO’u n bazı k u v v etlerin in b ir listesi, T ürkçe isim leri ve onları belirtm ek için kullanılan ö n ek ler verilm iştir. lO 'un kuvveti 10' 10" 10^ 10* 10’ 10'2 10-' 10-" 10-"' 10^ 10-’ 10-'= 10-'=

T ürkçe ismi on yüz bin m ilyon m ilyar trilyon o n d a b ir 3nizde b ir bin d e b ir m ilyonda b ir m ilyarda b ir trily o n d a b ir k atrily o n d a bir

Ö n ek deka h ek to kilo m ega giga te ra desi santi mili m ikro nano piko fem to


ö rn e ğ in , 10^ gram 1 kilogram dır; 10"* m etre 1 santim etredir; ve 10“^ am p er b ir m ili;unperdir. Bu bilimsel gösterim in önem li y an ı sadece bizi "k atrilyonda b ir ' gibi kelim eleri y az m a k tan k u r­ tarm ak değil, aritm etiği kolaylaştırm aktadır. 1(P ile 10^’i çarp ­ m ak istersek, 23 tan e lO’la 5 tane lO ’u çarpm am ız gerekir; ki bu d a 28 tan e lO’un çarpım ı dem ektir, dolayısıyla y a n ıt 10^'dir. B enzer şekilde, 10^^'ü 10“'®ile çarpm ak (ya d a KF^’ü lO'^’a böl­ m ek) istersek, o zam an 2 3 tan e lO’u n çarpım ını 19 tan e lO’un çarpım ına böleceğiz dem ektir; ki b u n u n sonucu d a KF’tür. Genel kural şudur: lO'un kuvvetlerini çarparken kuvvetleri toplar, lO’un kuvvetlerini bölerken ise kuvvetleri çıkarırız. Bu ku­ rala göre, lO'un herhangi bir kuvveti bölü lO’un aynı kuvveti, lO’un sılîrıncı kuvveti etmelidir; dolayısıyla 10“, 1 olarak alınır. 10 ’un basit bir kuvveti olm ayan sayılarla uğraşırken, böyle b ir sa­ yıyı daim a lO’un b ir kuvvetiyle 1 ile 10 arasında b ir sayının çarpı­ mı olarak yazarız: ö rn e ğ in 186.324 sayısı 1,86324 x lO'' ve 0,0005495 sayısı ise 5,495 x 10 '' biçiminde ifade edilebilir. Bu tü r sayıları çarp ar y a d a bölerken lO’u n kuvvetlerine eşlik eden sayı­ ları çarp ar y a d a böler ve lO’un kuvvetlerini de eskisi gibi hallede­ riz: B una göre, 1,86324 x lO® ile 5,495 x 10 “'’ün çarpımı, 1,86324 ile 5,495’in çarpım ı olan 10,238 kere 10’' x 10“''= 10'’dir, bunu d a 1,0238

X

] 0^ olarak yazabiliriz. Bilimsel gösterim , bu günlerde ol­

dukça yaygın bir şekilde kullanılm aktadır. Scientiiıc Am erican dergisinin sayfalarından tutun da, 20 D o lar’dan (2 x 10’ D olar) d aha ucuza satın alabileceğimiz elektronik hesap m akinelerine ka­ dar. D o lay sıy la k itap ta bu gösterim i bolca kullanacağım.


II. Bölüm

Elektronun Keşfi

Y

irm inci ^yüzyıl, tü m m addenin b irkaç tü r tem el p a rç a ­ cık tan -d a h a fazla bölünem eyen m inicik birim lerdeno lu ştu ğ u n u n y av aş yavaş anlaşılm asına tan ık oldu. Bu

y iiz y û boyunca, y en i p arçacık lar b u lu n d u k ça ve eskilerinin d a ­ h a tem el y ap ıtaşların d a n oluştuğu anlaşıldıkça, tem el parçacık cinslerinin listesi b irço k kez değişti. E n son listede, bilinen 16 k a d a r tem el p arçacık var. F ak at tü m b u değişm eler boyunca, bir .parçacık h ep listede kaldı: elektron. Kim liği açık biçim de saptanm ış olan ilk tem el p arçac ık elek t­ ro n d u . H iç kütlesi olm ayan, elektrikçe y ü k sü z b irkaç p arçac ık tü rü b ir y a n a bırakılırsa, tem el p arçacıkların b ü y ü k b ir fark la en hafifi de e le k tro n d u r ve diğer p arçac ık la ra bozunm ayan b ir­ kaç p arçacık tan biridir. Hafifliği, y ü k ü ve kararlılığı nedeniyle.


elektron, fizik, kim ya ve biyolojide eşsiz b ir önem e sahiptir. Bir telden geçen elek trik akım ı, elektronların akışından b a şk a bir şey değildir. E lek tro n lar, G ü n eş’in ısısını ü re te n çekirdek tep k i­ m elerine k atılırlar. D a h a d a önem lisi, E v re n ’deki h er norm al atom , elek tro n lard an oluşan bir b u lu tla sarılm ış y o ğ u n b ir g ö ­ bekten (çekirdek) oluşur. Bir elem ent ile diğeri arasın d ak i kim ­ yasal ayrım , neredeyse tam am en atom daki elektronların sayısı­ n a bağlıdır ve h er m addede atom ları bir a rad a tu tan kim yasal kuvvetler, b ir atom daki elek tro n ların d iğer atom ların ç e k ird ek ­ lerini çekm elerinden ileri gelir. E lek tro n u n keşfi, genellikle ve haklı olarak Ingiliz fizikçi S ir .Joseph J o h n

T h o m so n ’a (1 856-19d0) atfedilir. T hom son

1876’d a b u rslu bir öğrenci olarak C am bridge U niversitesi’ne girm işti. 188 0 ’d e y arışm a biçim inde y ap ılan m atem atik bitirm e sınavında ikinci old uktan sonra, T rin ity ’de Isaac Nevvton’un devam ettiği eski C am bridge C ollege’ta b ir hocalık elde etti ve hayatının sonraki 6 0 yılı boyunca T rin ity ’nin hocası olarak kal­ dı. 'rh o m so n 'u n ilk çalışm aları m atem atikle ilgiliydi ve göze ç a r­ pacak k a d a r önem li değildi. D olayısıyla 1884’te C avendish D e ­ neysel Fizik P ro fesö rlü ğ ü ’ne seçildiğinde, b u n a biraz hayret e t­ mişti. T h o m so n ’un fiziğe yaptığı katkılar, deneysel araştırm ala­ rın d a ve 1884’ten 1919’a kad ar y ü rü ttü ğ ü C avendish L aboraluv arı’nın liderliğinde y atar. A slına bakılırsa, deneyleri çekip çe­ virm ede becerikli değildi; ilk asistanlarından biri şunu anım sı­ yo rd u : “J . J . T h o m son’un p a rm a k la n çok hantaldı, aletleri elle­ mesine m eydan verm em ek gerektiğini sezm iştim ." O n u n y e te ­ neği -ki bu, hem kuram cılar, hem de deneyciler için çok ön em ­ lidir- h er an, uğraşılacak bir sonraki problem in ne olduğunu b il­ m esinde y atıy o rd u . O n u n h ak k ın d a y azılanlardan şunu anladım ki, T hom son m eslektaşları ve öğrencileri tarafın d an çok sevilm işti. Bü 3m k öl­ çüde o n u rla n d ın id ığ ı d a kesin:

1906’d a N o h el O d ü lü ’y le,

1908’d e şövalyelikle ve 1915’te R oyal S ociety’nin başkanlığıy­ la. .. I. D ü n y a S avaşı’n d a B ritan y a’d a İncelem e ve A raştırm a


K u ru lu ’n u n b ir iryesi olarak görev y ap tı: 1918’d e T rin ity C olle­ g e 'm m ü d ü rlü ğ ü n e atan d ı ve ölüm ünden kısa süre öncesine ka­ d a r b u görevi y ü rü ttü . W estm inster A bbey e N ew ton ve R u t­ h e rfo rd ’un y a k ın m a göm üldü. C av en d ish P ro fe sö rlü ğ ü ’n ü k a b u lü n d e n kısa b ir süre sonra, T hom son, seyreltilm iş g az la rd a elek trik boşalm asının doğası, özellikle k a to t ışınları olarak bilinen boşalm a tü rü üzerine in­ celem elerine başladı. Bu gösterişli o lay lar k en d i b a şla rın a y e ­ terin ce ilginçtiler, am a o nların incelenm esi T h o m so n ’u çok d a ­ h a ilginç b ir p ro b lem e g ö tü rd ü : E lek triğ in kendi doğası p ro b ­ lem ine. O n u n , elek triğin, b u g ü n e lek tro n o lara k bilinen p a rç a ­ cıkların b ir ak ışı o ld u ğ u n a ilişkin y arg ısı, 1897’de üç m akalede y ay ım lan d ı.' T h o m so n ’un a raştırm aların ı ele alm ad an önce, elek triğ in d o ğ asın ı an lam ay a y ö n elik d a h a önceki u ğ ra şla rı özetleyelim .


Geriye Dönüş: Elektriğin Doğası* B ir k e h rib a r parçasının, b ir k ü rk e sü rtü ld ü ğ ü n d e, k ü çü k saç p arçaların ı ve b aşk a m adde kırıntılarını çekm e gücü kazandığı eski zam an lard an beri bilinir. Platon Tim aios diyaloğunda "k eh rib ar çekim iyle ilgili m ucizelere” değinir.^ O rtaçağ ın başla­ rın a gelindiğinde siyah k e h rib a r adı verilen sıkıştırılm ış köm ür ve b enzeri m addelerin de bu güce sahip olduğu anlaşılm ıştı. Si­ y ah k eh rib a rın bu özelliği ile ilgili en eski yazılı kayıt, sanırım ki Aziz B e d ey e (673-735) aittir; bu İngiliz ra h ip ayrıca gelgit olaylarını incelem iş, gelecek y üzyılların Paskalya tarihlerini h e ­ saplam ış ve d ü n y an ın büyük tarih kitaplarından birini, /ngi/iz Kilise Tarilii’n'ı yazm ıştır. Tarih k itab ın d a Bede, siyah k eh rib a r için 'k e h rib a r gibi, sürtünm eyle ısıtıldığında neye değdirilirse ona y a p ışır’ d em ek ted ir.’ (B u ra d a Bede elektriksel çekim in n e ­ deni k o n u su n d a, sürtünm enin kendisi ile onun d o ğ u rd u ğ u ısı arasın d a b ir karışıklık sergiliyor -bu karışıklık on sekizinci y ü z ­ yıla k ad ar sıkça y inelendi.) Cam , sülf ür, balm um u ve m ücevher gibi diğer cisim lerin b enzer özellikleri. K raliyet C e rra h la r Y üksek o k u lu ’nun m ü dürü ve I. B lizabeth ile 1. «James'in saray d o k ­ toru olan İngiliz tıp uzm anı Willi£im G ilbert (1544-1603) ta ra ­ lından bulu n d u . K ehribarın Y unancası olan elektron (r|X£Ktpov) sözcüğünden'’, elektrik (Latince kalem e alınan kitabında, electrica) deyim ini o rtay a atan G ilb e rt’ti. Elektriksel çekim in bu k ad ar çok farklı cisim de gözlenm esi, doğal olarak şu düşünceye yol açtı: E lektrik, cisim lerin kendile­ rinin b ir iç özelliği olmayıp, cisim lerin birbirlerine sü rtünm esiy­ le doğan y a d a ak tarılan ve y ak ın d ak i cisimleri çekm ek için y a ­ yılan b ir tü r ak ışk an d ır (G ilbert'in deyimiyle, "görünm ez b u ­ h a r”). B u betim lem e, S tephan G ray (1667-1736) tarafından elektriksel iletkenliğin keşfiyle desteklendi. G ra y 1729’da, L o n d ra’daki P aten t B ü ro su ’nun "fakir bir üyesi”yken, R oyal * Bu sıkça anlatılan b ir öykü d ür; benim buradaki anlatım ım neredeyse tam am en ikincil kay n ak lara dayanıyor. K ato t ışınları üzerinde deneyler yapılm aya başladığında, elekt­ rik k o n u su n d a bil inenler ve bilinm eyenler hakkında iyi bir fikir verm ek için Öyküyü b u ­ rad a özetliyorum .

H


Sociefy’nin bazı üyelerine yolladığı b ir m ektupta, “sü rtü len b ir cam çu b u ğ u n ‘E lek trik Ö zelliği’, y a d o ğ ru d an tem as ile y a d a on ları b irleştiren b ir telle diğer cisim lere iletilebilir, böylece on­ la ra çu b u ğ u n sahip olduğu özellik, y an i hafif cisim leri çekm e ve itm e özelliği v erilir” diye yazıyordu.* Ş urası açıktı ki, elek trik ne tü r bir şey o lu rsa olsun, içinde oluştuğu cisim den ayrılabilirdi. E lektriklenm iş cisim lerin diğer elektriklenm iş cisim leri y a çek­ tiği y a d a ittiği anlaşıldığında, b ir tü r m ü y o k sa iki t ü r m ü elekt­ rik v ar, so ru su o rtay a çıktı; bu d a elektriğin doğası so ru n u n u d ah a d a k arm aşık hale getirdi. E lektriksel itmeyi ilk gözleyenler arasında, N iccolo C abeo (1586-1650)'’ ve L o n d ra Royal S ociety’de bilim sel deneylerin u y g u lam a görev lisi F ran cis H au k sb ee (1666-1713) vardı. 1706’d a H au k sb ee, Royal S o ciety y e şöyle b ir ra p o r sundu: Bir cam çubuk sürtünm eyle elektriklendirildiğinde, önce pirinç y o n g a kırıntılarını çeker; fakat bu kırıntılar tüple tem as ettikten sonra, tü p tarafın d an itilirler. O n sekizinci yüzyılın çok y ö n lü fen bilim cilerinden biri olan C h arles-F ran co is d e C isternay D u F ay (1698-1739) tarafından F ra n sa ’da d ah a b aşk a karışıklıklar keşfedildi. Bilim ler Akadem isi’nde kim yacı ve J a r d in R oyal des P la n tes’de yönetici olan D u Fay, geom etri, y an g ın tulum bası, y a p m a m ücevherler, y a ­ kam oz, sönm üş kireç, bitkiler ve çiy dahil hem en hem en akla gelen her k o n u d a m akaleler yazm ıştı. 1733’te S tep h an C ra y ’in deneylerini d u y d u ve elektrik üzerine çalışm aya başladı. Kısa sürede, elektriklenm iş bir cam ç u b u ğ a değdirilm iş olan metal kırıntılarının (C abeo ve H auskbee tarafından gözlendiği gibi) b irb irlerin i ittiklerini, fakat elektriklenm iş b ir reçine parçasıyla tem as ettirilm iş m etal kırıntılarını ise çektiklerini gözledi. D u Fay, sonuç o larak “B irbirinden çok farklı iki elektrik tü rü v a r­ dır; b u n lard a n b irin e cam sı elektrik, diğerine reçinem si elektrik d iy o ru m .” diye yazdı.^ Cam, kristal y a da m ücevher gihi m ad d e­ ler özellikle ipek ile sürtü ld ü k lerin d e “cam sı ” elek trik (L atince vitreus) üretilir. K eh ribar y a d a kopal gibi reçin eler özellikle


k ü rk ile sü rtü ld ü k lerin d e ise “reçinem si’' elek trik y aratılır. Aynı zam anda, cam ı sürtm ek için kullanılan ipek reçinem si elektrik toplar; reçineyi sürtm ek için kullanılan k ü rk ise cam sı elektrik kazanır. Cam sı elektriğin de, reçinem si elektriğin de olağan m addeyi çektiği ve camsı elektriğin reçinem si elektriği çektiği varsayılm ıştı. F akat camsı elektrik taşıyan cisim ler birbirlerini itiyordu, b en z er biçim de reçinem si elektrik taşıyan cisim ler de birbirlerini itiyordu. Sözün kısası, elektriğin benzem eyen tü rle ­ ri birb irlerin i çeker, benzeyen türleri birbirlerini iter. S ü rtü l­ müş cam çu b u ğ a değdirilen m etal parçası, çu b u ğ u n cam sı elek t­ riğinin b ir m iktarını alır ve bunun sonucunda çu b u k tarafın d an itilir. S ü rtü lm ü ş k eh rib ar y a da kopal çubuğa değdirilen b ir m e­ tal p a r 9¿isi da, çubuğun reçinem si elektriğinden bir m iktar alır ve böylece gene onun tara lin d a n itilir. F akat bu iki m etal p arça­ sı birbirlerini çekerler; çünkü iki farklı tü r elektrik taşırlar. C ray ve Du Fay, elektriğin bir akışkan olduğunu yazm adılar; onu, m adde içinde m eydana getirilebilen b ir d u ru m olarak ifa­ de ettiler. D u Fay'ın iki tü r elektriğini, biri camsı ve diğeri reçi­ nemsi olm ak üzere iki ayrı elektriksel akışkan olarak y o ru m la­ y an, Fransız kraliyet ailesinin hocası ve Paris Ü niversitesi’nin profesörü A bbé Jea n -A n to in e N ollet (1700-1770) oldu. İki akışkan kuram ı, on sekizinci y ü zy ıld a y ap ılan tüm d eney­ lerle uyuşm aktaydı. F ak at fizikçiler, basitlik tu tk u ları nedeniy­ le, k arm aşık b ir k u ram la k arşılaştıklarında d ah a basilinin b u lu ­ nabileceğini d ü şü n ü rler. K ısa süre içinde elektriğin iki akışkan kuram ı, önce Londralı tıp adam ı ve doğa bilimci W illiam W atson (1715-1787) ve sonra d a h a kapsam lı ve etkili olarak Philadephiah bilgin Benjam in F ran k lin (1706-1790) tarafın d an öne­ rilen tek ak ışk an k uram ıyla boy ölçüşecekti. F ranklin 1743’te B oston’a y ap tığ ı bir ziyarette, Iskoçyalı p o ­ p ü ler b ir ko n feran sçı olan D r. A dam S p en cer tara fın d an y a p ı­ lan elektrik deneylerine b izzat şahit o lduktan so n ra elektrikle ilgilenm eye başladı. K ısa sü re içinde, L o n d ra ’d a tem silcilik y a ­ p an im alatçı ve do ğ a uzm anı P eter C ollinson’d an bazı cam çu-


1762'de Benjam in F ranklin. A rkasındaki düzeneğe dikkat edin; iki topun durum u, y u ­ karıd a bir y e rd e y ü k lü b ir b u lutun olduğunu gösteriyor.


b u k la r v e y ö n erg eler aldı; kendi deneylerine v e k u ra m sa l araş­ tırm aların a başladı, b u n ları b ir dizi m ek tu p la C ollinson’a bil­ dirdi. K ısaca söylem ek gerekirse, F ran k lin elektriğin “a şın d e­ recede in ce p a rç a c ık la rd a n ” oluşm uş, D u F ay in cam sı elek trik dediği şeyle ilişkilendirilebilecek te k tü r b ir ak ışk an d a n ib are t olduğu so n u cu n a vardı. (F ranklin, D u F a y ’ın çalışm asını bilm i­ y o rd u ve o n u n term inolojisini kullanm adı.) F ranklin, olağan m ad d en in b ir “cins sünger" gibi elektriği tu ttu ğ u n u varsaydı. Bir cam çu b u ğ a ipek bez sü rtü ld ü ğ ü n d e b ir m ik ta r elektrik ip ek ten cam a ak tarılır; böylece ipek bezde b ir elek trik eksikliği o rtay a çıkar. D u Fay'in reçinem si elek trik dediğiyle ilişkilendirilen de işte bu elek trik eksikliğidir. B enzer biçim de, bir kehri­ b a r çu b u ğ u k ü rk e sü rttü ğ ü m ü zd e, b u kez ç u b u k ta n k ü rk e b ir m ik ta r elek trik ak tarılır ve çu b u k ta b ir elektrik eksiği olur; işte çu b u k tak i bu elektrik eksiği v e k ü rk tek i elektrik fazlası, sıra­ sıyla, D u F ay ’m reçinem si ve cam sı elektriğiyle ilişkilendirilir. F ran k lin elektrik eksiğine e k si elektrik v e fazlasına d a artı elektrik dedi; h erhangi bir cisim deki (artı y a d a eksi) elektrik m iktarına cism in elek trik y iiA ü adını verdi. B unlar, genelde hâ­ lâ kullanılan deyim lerdir. F ranklin, y ü k ü n k o runum u varsayım ım d a o rtay a attı. E lekt­ rik asla y aratılm az y a d a y o k edilm ez; sadece aktarılabilir. D okıyısıyla bir cam çu b uk ipeğe sü rtü ld ü ğ ü n d e, çu b u k üzerindeki artı elek trik y ü k ü ipek üzerindeki eksi y ü k e sayısal olarak tam eşittir; artı ve eksi y ü k le r birbirlerini dengeler, böylece toplam y ü k sıfır kalır. Peki y a çekm e ve itm e? F ranklin elektriğin kendi kendisini ittiğini; fakat on u tu tan m addeyi çektiğini varsaydı. Böylece Cab eo ’nun sü rtü lm ü ş cam çu b u ğ a değdirilm iş pirinç y o n g alar a ra ­ sında gözlediği itm e anlaşılabilirdi; çünkü b u m etal y o n g aların tü m ü n d e elek trik fazlası vardı. D iğ er taraftan, böyle m etal y o n ­ galarla, sü rtü lm ü ş b ir reçine çu b u ğ a değdirilm iş y o n g alar a ra ­ sındaki D u F ay'ın gözlem lediği çekm e de anlaşılabilirdi; çünkü reçine ç u b u ğ a değdirilen y o n g a la rd a b ir elektrik eksiği oluşu­


y o rd u , dolayısıyla o n larla d iğ e r y o n g aların elektriği arasın d ak i çekm e b ask ın olabilirdi. Bu, h e r biri “cam sı” elek trik taşıy an iki cisim a ra sın d a gözlenen itm eyi ve biri "reçinem si” diğeri “cam ­ sı” elektrik taşıy an iki cisim arasındaki çekm eyi açık seçik b ir şekilde açıklardı. F a k a t o zam an, reçinem si elek trik taşıyan iki cisim, örneğin sü rtü lm ü ş k e h rib a r ç u b u ğ a değdirilm iş m etal y o n g a la r arasın ­ daki itm e h a k k ın d a n e denebilir? F ra n k lin ’in tek ak ışk an k u ra ­ m ındaki b u açığı, S t. P e te rsh u rg ’d aki astronom i gözlem evinin m ü d ü rü F ran z U lrich T heodosius A epinus (1724-1802) k ap at­ tı. F ra n k lin 'in d ü şü n c e le rin i ö ğ re n d ik te n so n ra , A e p in u s 1759’da, elektriğin dengeleyici niceliği olm adığında olağan m addenin k endi kendisini iteceğini ileri sürdü*. Böylece reçi­ nem si elek trik taşıdığı varsayılan cisim ler arasın d ak i itme, k en ­ dilerine eşlik eden elektriğin b ir m iktarını kaybetm iş cisim ler arasın d ak i itm e biçim inde açıklandı. Bu düzeltm eyle, F ran k lin ­ ’in tek ak ışk an kuram ı, D u F a y ve N o llet’in iki akışkan k u ra ­ m ıyla açıklanm ış olan tüm olayları açıklar hale geldi. F ran k lin ’in m ektupları, C ollinson tarafından kitap haline ge­ tirilerek İngilizce, İtalyanca, A lm anca ve F ransızca olarak b a­ sıldı. 1776 y ılm a gelindiğinde kitap on baskıya ulaşm ıştı.' F ran k lin ünlendi, L o n d ra R oyal S ociety’y e ve F ransız Bilimler A kadem isi’ne üye seçildi; çalışm aları, on sekizinci y ü zy ıld a y a ­ pılan d a h a so n rak i elek trik çalışm alarını etkiledi. G erçekten de, F ran k lin 'in ünü, bağım sızlık savaşı bo y u n ca F ra n s a ’d a A m eri­ kan elçisi o larak hizm et v erirk en , on üç A m erikan kolonisine b ü y ü k y a r a r sağladı. B ununla birlikte, F ra n k lin ’in b ü y ü k ü n ü ­ ne karşın, “te k ak ışk an mı, y o k sa iki m i?” sorusu, o n d o k u z u n ­ cu yüzyılın o rtala rın a k ad a r fizikçileri bölm eye devam etti ve an cak elek tro n u n keşfiyle g erçek ten çözülebildi. T ek ak ışk an kuram ının m ı y o k sa iki akışkan k u ra m ın ın mı d o ğ ru o ld u ğ u n u öğrenm ek için elek tro n u n keşfini beklem eye sabrı olm ayan o k u y u cu lar için hem en söyleye 3nm ki, iki k u ram da d o ğ ruydu. N o rm al koşullar altında, elektrik, elek tro n denen


p arçacık lar tarafın d an taşınır; k i b u n W , F ra n k lin ’in varsaydığı gibi, sadece b ir tü r elektriğe sahiptirler. F ak at F ra n h lin b u n u n h angi t ü r elek trik olduğu k o n u su n d a y anlış kestirim de b u lu n ­ m uştu. A slında elek tro n lar D u F a y ’m “reçinem si” dediği elekt­ rik tü rü n ü taşırlar, “cam sı" tü rü n ü d eğ il... (Fizikçiler, camsı elektriği a rtı ve reçinem si elektriği ise eksi olarak ad lan d ırarak F ran k lin ’i izlem eyi sü rd ü rü y o rlar. Böylece, elektriğin en genel taşi 3u cılan eksi elektrik y ü k ü n e sahiptir dem ek gibi şanssız b ir d u ru m a tak ılıp kaldık.) N itekim , cam çu b u k ipeğe sü rtü ld ü ­ ğünde, çu b u k camsı elektriği to p la r ve ipek de reçinem si elek t­ rik kazanır; çü n k ü çu b u k tan ipeğe elektronlar ak tarılır. D iğ er taraftan, k eh rib a r çu buk k ü rk e sü rtü ld ü ğ ü zam an, elek tro n lar k ü rk ten ç u b u ğ a aktarılırlar. O lağ an m addenin atom larında, elektronlar, çok y o ğ u n olan atom çek irdeklerine bağlıdırlar; h er m addenin kütlesinin nere­ deyse tüm ü bu çekirdeklerden gelir ve norm al o larak k atilard a çekirdek hareketsizdir. F ra n k lin ’in varsaydığı gibi, elek tro n lar elek tronları ite r ve elektronlarla çekirdekler birbirlerini çeker; A ep iu s’u n varsaydığı gibi de, atom çekirdekleri d iğ er atom çe­ kird ek lerin i iter. F ak at m addenin a r tıy a d a cam sı y ü k ü n ü sade­ ce elek tro n ların eksikliği olarak düşünm ek y erin e, b u y ü k ü n bizzat çekirdeklerde bulun d u ğ u n u varsaym ak elverişlidir. G er­ çekten de, k a tıla n örneğin tuzu, su d a eriterek atom çekirdekle­ rini ö zg ü r b ırak m ak (gene de neredeyse h e r zam an bazı elekt­ ro n ların eşliğinde) olasıdır; b u d u ru m d a a rtı (ya d a cam sı) elektrik taşıy an p arçac ık la n n akım ı gerçekleşir. Ü stelik, pozitron d enen b a şk a p arçacık lar d a v a rd ır ki, b u n la r neredeyse h er açıdan elek tro n la ra özdeştir, sadece artı elektrik y ü k ü taşırlar. D olayısıyla, sim etrik iki tü r elek trik y ü k ü d ü şü n m ek te D u F ay b ir bakım a haklıydı: A rtı ve eksi (ya d a cam sı ve reçinem si) elektrik eşit d ereced e tem eldir. O k u y u cu , n ed en k e h rib a r k ü rk e sü rtü lü n ce elek tro n la r k ü rk ten k e h rib a ra g eçer de, cam ipeğe sü rtü ld ü ğ ü n d e elek tro n ­ lar cam dan ipeğe g eçer so ru su n a y a n ıt arayabilir. İşin tuhafı şu


ki, y an ıtı h âlâ bilm iyoru 2 . S oru, ip e k y a d a tü y gibi karm aşık k a tıla n n y ü zey lerin in fiziğiyle ilgilidir ve b u fizik dalı, henüz kesin ö n g ö rü ler yapabileceğim iz b ir n o k tay a ulaşam adı. T am a­ m ıyla deneye day an arak, trib o -elek trik sıra adı verilen b ir m ad­ deler listesi geliştirildi; b u n u n b ir kısm ı aşağıdaki gibidir: tav şan p o stu / akrilik reçine / cam / kuvars / y ü n / k edi p o stu / ipek / p am u k / o d u n / k eh rib a r / reçineler / m etaller t teflon Listenin başın a y a k ın m addeler, elektronları kaybetm e, liste­ nin so n u n a y ak ın m addeler ise elek tro n ları toplam a eğilim i gös­ terirler. Böylece, iki cisim b irb irlerin e sürtülürse, listenin başı­ n a d a h a y ak ın olan artı (ya d a cam sı) elektrik y ü k ü , so nuna da­ h a y ak ın olan ise eksi (ya d a reçinem si) y ü k to p lam ay a eğilimli olacaktır. T rib o -elek trik sırada b irb irin d en iyice uzak cisim ler için elektriklenm e çok d ah a şiddetlidir. Ö rneğin, k eh rib arı tav şan p o stu y la sü rterek elektriklem ek, camı ipekle sü rte re k elek trik lem ek ten d ah a kolaydır. T ribo-elektrik sıra kuram sal o larak iyice anlaşılm am ıştır ve havanın değişm esi bile çeşitli m ad d elerin göreli yerlerini etkileyebilir. S ü rtün m ey le elektriklenm e bilimsel olarak ele alın acak elekt­ rik sel olayların b aşın d a gelm esine karşın, onu h en ü z ayrıntılı biçim de anlayam am ış olm am ız kad erin b ir cilvesidir. F a k a t bi­ lim çoğu kez böyle ilerler -doğanın sunduğu h er p ro b lem i çöze­ re k değil de, önem siz k arışıklıklardan m üm kün old u ğ u n ca a rın ­ m ış ve dola 3 nsıyla fiziksel olayların altındaki tem el ilkeleri bu l­ m a fırsatlarını v eren problem leri se ç e re k ... S ürtünm eyle ü re ti­ len elektriğin incelenm esi, elek trik den en b ir şeyin v a r olduğu­ n u ve çekm e ve itm e kuvvetleri uyguladığını öğrenm em iz k o n u ­ su n d a büjrük b ir rol oynadı; fa k at sürtünm eyle elektriklenm eye ned en olan g erçek süreç, elektriğin nicel özelliklerini d ah a ijn anlam ayı sağlam a açısından a ş ın k arm aşık tır. O n sekizinci y ü z ­ yılın so n ların d a fizikçilerin dikkati, artık d iğer elektriksel olay­ lara odak lan m ay a zaten başlam ıştı.


Elektrik Boşalması ve Katot Işınları F ra n k lin ’in elektriksel çekm e ve itm enin nicel ayrıntılarım ve elektriğin m anyetizm a ve kim ya ile olan ilişkisini ele alm asının ardından, elek trik üzerine çalışm alar yaygınlaştı. B u k o n u larla d ah a so n ra uzun boylu uğraşacağız; fakat şimdi, seyreltilm iş gazların ve boş uzayın içinde elektriğin boşalm asıyla ilgili keşif­ ler dizisini inceleyelim . E lektrik boşalm asının bilinen en eski ve en gösterişli tü rü , ku şk u su z şim şekti. Bir elektrik akım ı olarak şim şeğin doğası F ran k lin tara fın d an önerilen ün lü b ir deneyle 1752’d e gösteril­ miş olsa bile, şim şek o k a d a r seyrek ve kontrol dışı b ir olaydır ki, onun incelenm esi elektriğin doğası h ak k ın d a çok az şeyi or­ taya çıkarabilirdi. F ak at on sekizinci y üzyıl başların d a elektrik boşalm asının d a h a k ontrollü bir tü rü bilim sel çalışm alar için h a­ zır bale geliyordu. 1709'da H auksbee, bir cam kabın içindeki havanın, kabın ba­ sıncı norm al basıncın

’m a ininceye dek d ışarı atılm ası ve ka­

bın b ir sü rtü n m esel elektrik kay n ağ ın a bağlanm ası halinde, ka­ bın içinde aca 3 Ûp b ir ışığın oluşabildiğini gözlem lem işti. B aro­ m etrelerdeki cıvanın üzerinde y e r alan y a n bo şlu k ta d a b enzer ışık p arlam alarının olu ştu ğ u n a d a h a önce d ik k a t çekilm işti. 1748’de W atson, havası boşaltılm ış yaklaşık 80 santim etrelik bir tü p ü n içindeki ışığı, “p arlak b ir alev a rk ı” olarak betim lem iş­ ti. B aşk a gözlem ler de A bbé N ollet tarafın d an , G ottfried H ein­ rich G ru m m o n t (1719-1776) tara fın d an ve ün lü M ichael F a ra ­ d ay ta ra fın d a n yazılm ıştı (F arad ay h ak k ın d a d a h a so n ra çok şey söyleyeceğiz). Bu ışığın doğası b aşlangıçta anlaşılam adı; fak at b u g ü n biliyo­ ruz ki bu ışık ikincil b ir o la y d ır/ E lek trik akım ı b ir gazın için­ den geçerken, elek tro n lar gaz atom larına ça rp arak enerjilerinin b ir kısm ını o n lara verirler; ard ın d a n bu enerji ışık o larak te k ra r salınır. G ü n ü m ü zü n floresan lam baları ve neon ışık la n aynı il­ keye dayanır; renkleri de kullanılan gazın ato m ların m öncelikli o larak saldıkları ışığın rengidir: neon p o rtak a l rengi, helyum


pem bem si-beyaz, cıva yeşilim si-m avi g ib i... B u n u n la birlikte, elek trik bilim inin tarih i açısından b u olayın önem i, elektrik b o ­ şalm aları sonucu o rtay a çıkan ışıkta değil de, elektrik akım ının k en d isin d e y atm ak tad ır. B ir k eh rib a r çubuğun üzerinde elekt­ rik to p lan d ığ ın d a y a da bir b ak ır tel ü zerinden b ir elektrik ak ı­ mı geçtiğinde, elektriğin özellikleri k eh rib a r y a d a b akırın katı k ab u ğ u n u n özellikleriyle karışır. Ö rneğin, belirli m iktardaki elektriğin ağırlığını, elektriklenm eden önce ve elektriklendikten so n ra k eh rib a r çub u ğ un ağırlığını ölçerek saptam ak bugün bile olanaksız olabilir; elektronların ağırlığı, çu b uğun ağırlığına o ran la aşırı derecede k ü çü k tü r. Y apılm ası gereken, elektriğin kendisini, onu norm alde taşıyan sıvı y a da katı m addeden ayrı olarak elde etm ekti. G azlard a elektrik boşalm alarının incelen­ mesi, d oğru y ö n d e atılmış b ir adımdı; fakat ^ atm o sfer basın ­ cında bile, hava, elektronların akışına, onların doğasını keşfet­ meye izin verm eyecek denli çok m üdahale ediyordu. G erçek ilerlem e, ancak gazın kendisi o rtad a n kaldınlabildiğinde ve bi­ lim adam ları neredeyse boş uzayda saf elektrik akışını inceleyebildiklerinde m üm kün olabildi. E tkili b ava pom palarının bulunm asıyla dönüm noktasına g e­ lindi. İlk pom palar, pistonları etrafındaki co n talard an h av a sız­ dırıyordu. 1885’te J o h a n n H ein rich G eissler (1815-1879) pis­ ton o larak cıva sü tu n ları kullanan bir po m p a icat etti ve böylece co n talara gerek kalm adı. G eissler’in pom pasıyla b ir cam tü ­ pün içindeki havayı, deniz düzeyindeki n orm al h av a basıncının on binde b irk açın a k a d a r boşaltm ak olanaklı hale geldi. G eiss­ ler’in pom pası, 1858-59 y ılla rın d a B onn U niversitesi’nin D o ğ a Felsefesi p ro fesörü J u liu s P lü c k er (1801-1868) ta ra lın d a n çok düşü k basınçlı g az la rd a elek trik iletimi üzerine y ap ılan b ir dizi deneyde kullanıldı. P lü c k er’in düzeneğinde, b ir cam tü p ü n için­ deki m etal lev h alar tellerle güçlü b ir elektrik k ay n a ğ ın a b ağ lan ­ dılar. (F a ra d a y ’ın term inolojisine göre, £u*tı elek trik kay n ağ ın a bağlanan levhaya anot, eksi elektrik kaynağına bağlanan levha­ y a ise k a to t d en ir.) P lü c k e r’in gözlediği şuydu: T ü p ü n içindeki


h av a n ered ey se tam am en boşaltıldığında, tü p ü n b ü y ü k bölüm ü b o y u n ca ışık y o k oluyor, fa k at k ato t y a k ın ın d a cam tü p ü zerin ­ de yeşilim si b ir p arıltı o rta y a çıkıyordu. P a n itm ın konum u, an o tu n yerleştirildiği y ere bağlı görünm üyordu. S anki k ato ttan b ir şeyler çıkıyor, tü p ü n içindeki neredeyse boş u za y boyunca ilerleyip cam a ç a rp ıy o r ve so n ra a n o t tarafın d an toplanıyordu. B irkaç y ıl so n ra E ııgen G oldstein (1850-1930), b u gizem li olay için şu ad ı o rtay a attı: C athodenstrahlen, y a n i k a to t ışınları. A rtık b u ışınların elektron ak ışın d an b aşk a b ir şey olm adığı­ nı biliyoruz. E lek tro n lar elektriksel itm eyle k a to tta n fırlatılıyor­ lar, neredeyse boş olan tü p ü n içinde sürükleniyorlar, cam a ça r­ pıyorlar, cam ato m ların a enerjilerini v eriyorlar, b u enerji g ö rü ­ n ü r ışık o larak te k ra r salınıyor ve ard ın d a n a n o ta çekiliyorlar; böylece de elek trik k ay n ağ ın a geri dönüyorlardı. F ak at bu, on d o k u zu n cu y üzyıl fizikçileri için anlaşılır olm aktan uzaktı. B ir­ çok farklı ip u cu b u lu n d u ve u z u n c a b ir süre bun ların h e r b iri­ nin farklı d o ğ rultuları işaret ettiği sanıldı. K atot p latin olduğunda, cam am pulün d uvarları ü ze rin d e in­ ce b ir p latin filmin oluşması, P lücker'i y anlış y e re yö n eltti. Işın­ ların, k ü çü k k ato t m addesi p arçaların d a n oluşm uş olabileceğini dü şü n d ü. Şim di biliyoruz ki, k a to t m alzem esi tara fın d an hisse­ dilen elektriksel itm e gerçek ten de k ato tu n yüzeyinden küçük p arçaların y ırtılm asın a neden olur; fakat b u n u n aslında k ato t ışınlarıyla ilgisi y o k tu r. G erçekten de 1870’te G oldstein, k ato t ışınlarının özelliklerinin k ato tu n yapıldığı m alzem eye bağlı ol­ m adığını gösterdi. P lücker, tü p ü n y a k ın ın a b ir m ıknatıs koyarak, tü p ü n d u v a r­ ları ü zerin d ek i p arıltın ın k o n u m u n u n y e r değiştirebildiğini de gözlem ledi. Bu gözlem , göreceğim iz gibi, ışınların elek trik y ü k ­ lü p arçac ık la rd an o lu ştu ğ u n u n b ir işaretiydi. P lü c k e r’in ö ğ re n ­ cisi J . W . H itto rf (1824-1914), k ü çü k bir k a to tu n y a k ınm a y erleştirilen k atı cisim lerin gölgelerinin tü p ü n p arıld a y an d u ­ v a rla rın a d ü ştü ğ ü n ü gözledi. B undan, ışınların k a to tta n çık a­ ra k düz d o ğ ru lar b o y u n ca ilerlediği so n u cu n u çıkardı. Aynı


olay, 1878-79’clti İngiliz fizikçi, kim yacı ve ispiritizm acı S ir W illiam C rookes (1832-1919) tara lın d a n d a gözlenm iş ve bn gözlem C ro o k es’u şu sonuca götürm üştü: Bu ışınlar, katottan eksi elektrik y ü k ü kapan v e so n ra onun tara lın d a n şiddetle iti­ len tü p ü n içindeki gaz m olekülleridir. (C ro o k es'un g ru b u n d a n bir fizikçi ve ispiritizm acı olan C rom w ell Varley, bu ışınların "eksi k u tu p tan elektrik zoruyla fırlatılan inceltilm iş m adde p a r­ çacıkları” olduklarını d ab a 1871’de ileri sürm üştü.) F ak at C roo k es’un kuram ı, G oldstein tarafından tam anlam ıyla ç ü rü tü l­ m üştü; çünkü G oldstein norm al hava basıncının 1/100.000’ine k ad ar boşaltılm ış b ir k ato t ışını tü p ü n d e ışınların en az 90 san ­ tim etre yol ald ık ların a d ik k at etm işti. O ysa bu basınçtaki h av a­ da norm al bir m olekülün tipik serbest y o lu n u n an cak 0,6 santi­ m etre k ad a r olm ası beklen iyordu-.A lm anya’da, y etenekli bir deneyci olan H einrich H e rtz ’in (1857-1894) gözlem leri üzerine tem ellenen çok farklı bir kuram geliştirildi: 1883 y ılın da H ertz, B erlin Fizik L a b o ra tu v a rı’nda asistanken, k a to t ışınlarının elektriklenm iş m etal lev h alar tara-


fından pek sap tın lm adığını gösterdi. Bu gözlem, k ato t ışınları­ nın elek trik jâik lü p arçacık lar oldukları olasılığını d ışlıjo r gi­ biydi; çü n k ü öyle olsaydı, ışın parçacıkları aynı y ü k ü taşıyan lev h a tara fın d an itilir ve zıt y ü k ü taşıyan levha tara fın d an sa çe­ kilirdi. B öylece H ertz, b u ışınların ışık gibi b ir tü r dalga olduk­ ları so n u cu n a vardı. Böyle b ir dalganın b ir m ıknatıs tara fın d an neden saptırıldığı ise açık değildi; fak at o zam anlar ışığın d o ğ a­ sı iyi anlaşılm ış olm adığı için, b ir m anyetik sapm a olanaksız gö­ rünm em işti. 1891’de H ertz, k a to t ışınlarının dalga kuram ını destek ler gibi g ö rü n en b a şk a b ir gözlem d ah a yapm ıştı: Işık ca­ m a nasıl gire biliyorsa, bu ışınlar d a altın d an ve d iğer m etaller­ den yapılm ış ince levhaların içlerine işleyebiliyordu. F ak at katot ışınları ışık y ap ısın d a değildi. 1895’te d o k to ra araştırm aları sırasın d a F ransız fizikçi J e a n B aptiste P errin (1870-1942), bu ışınların, k ato t ışını tü p ü içine yerleştirilen bir yük

to p layıcısı ü ze rin e eksi y ü k le r to p lad ığ ın ı g ö sterd i.

H e rtz ’in, bu ışınların elektriklenm iş levhalar tarafından çekil­ mesini y a d a itilm esini neden gözleyem ediğini artık biliyoruz: Işın parçacıkları öylesine hızlı h arek et ediyorlardı ve elektriksel ku v v etler o k ad ar zayıftı ki, m eydana gelen sapm a gözlenem ey ecek k a d a r k ü çü k tü . (H e rtz'in de fark ın d a olduğu gibi, levha­ lar üzerin d ek i elektrik y ü k ü , tü p ü n içerisinde kalan gaz m ole­ küllerinin etkisiyle kısm en y o k ediliyordu. Bu m oleküller k ato t ışınları tarafın d an y ü k lü p a rçac ık la ra parçalanıyor; b u n la r d a zıt y ü k lü levha tarafın dan çekiliyordu.) F ak at G o ld stein ’ın gös­ terdiği, gibi bu ışınlar y ü k lü piirçacıklarsa, bu p arçacık lar n o r­ mal m oleküller olam azlardı. Ö yleyse o nlar neydi? İşte b u n o k tad a öyküye J . J . T hom son giriyor. T hom son il­ kin b u ışınların hızını ölçm eye yeltendi. 1894’te saniyede 200 ki­ lom etrelik b ir d eğer (ışık hızının 1600’d e biri) buldu; fak at y ö n ­ tem i h atalıydı ve d a h a so n ra b u sonuçtan vazgeçti. T hom son 1897’de H e rtz ’in b aşaram adığını başardı: K atot ışınlarının, bu ışınlarla elektriklenm iş levhalar arasın d ak i elektriksel kuvvetler tarafın d an saptırıldığını o rtay a çıkardı. B undaki başarısı, b ü ­


y ü k ölçüde, k ato t ışını tü p ü n ü n içindeki basıncı, içerde kalan gazın etkileri ihm al edilebilir b ir düzeye gelinceye k ad ar, d ü şü ­ ren d ah a iyi v ak u m p o m p a la n kullanm asından ileri geliyordu. (E lektriksel sapm ayla ilgili bazı kan ıtlar aşağı y u k a rı aynı z a ­ m an lard a G oldstein tara fın d an d a bulunm uştu.) S apm a, Perrin ’in "bu ışınlar eksi }mk ta şırla r” biçim indeki so n u cu n u d o ğ ­ rulayacak şekilde, eksi yü k lü levhadan a rtı y ü k lü olan levhaya doğruydu. A rtık problem , bu gizem li eksi y ü k lü k ato t ışını p arçac ık la rı­ nın doğası h ak k ın d a nicel b ir şeyler öğrenm ekti. T hom son’un yö ntem i dolam baçsızdı: Bu ışınlara elektrik ve m anyetik alanlar uyguluyor ve bu alanların ışın lan sap tırm a m iktarını ölçüyor­ du*. T h o m so n ’un bu ölçüm leri nasıl çözüm lediğini anlam ak için, önce genel olarak kuvvetlerin etkisi altında cisim lerin nasıl hareket ettiklerini ele alalım.

Geriye Dönüş: Newton’un Hareket Yasaları Klasik fiziğin h arek et yasaları, S ir Isaac N ew to n tarafın d an b ü y ü k eseri P rin d p ia ’m n ilk sayfalarında verilm işti." A n a ilke, ikinci Y asa da, "kütlesi belirli b ir cism e belirli b ir ivm e verecek kuvvet, kütle ve ivm enin çarpım ıyla o ra n tılıd ır” şeklinde b ir önerm e o larak ifade edilir. Bu y asa n ın n e an lam a geldiğini k av ­ ram ak için, önce ivme, kütle ve kuvvet ile ne dem ek istendiğini anlam alıyız. ivm e, hızın zam ana göre değişm e m iktarıdır. Y ani nasıl hız, harek etli bir cism in k at ettiği y o lu n h a re k e t süresince geçen za­ m an a o ran ı ise; ivm e de, hızicinan b ir cism in hızındaki değişm e­ nin h ızlanm a süresince geçen zam ana oranıdır. D olayısıyla iv^ T hom son b aşk a b ir deneysel yöntem daha kullandı: K atot ışını parçacığı tarafından tü p ü n k arşı u cu n d a depolanan ısı enerjisini ve elektrik y ü k ü n ü ölçtü ve böylece elekt­ riksel kuvvetlerin yarattığı sapm ayı ölçm enin zorluğundan kurtulm uş oldu. B u yöntem , gerçekten de k a to t ışınının elektriksel ve m anyetik sapm ası üzerine d ayanan y öntem den çok d a h a sağlıklıydı. B urada, tarihsel açıdan d a h a önemli olduğu için değil de elektrik­ sel kuvvetleri gözden geçirm e olanağı verdiği için, önce elektrik/m anyetik sapm a y ö n ­ tem ini anlatacağım ; elektrik y ü k ü n ü n tanım ını yapm ak için zaten elektriksel kuvvetlere gereksinim im iz var. Enerji ve ısı kavram larını gözden geçirdikten sonra d a T hom son'un diğer yöntem ini anlatacağım .


m enin birim i, zam an b aşın a hız _ya d a zam an b aşın a zam^Ln başı uzaklıktır. Ö rn eğ in , Y e r'in y ü zejd n in y ak ın ların d a cisim ler, sa­ niye b aşın a saniyede 9,8 m etrelik ivm eyle düşerler. B u n a göre, b o şlu k ta d u rg u n halden bırakılan b ir cisim ilk saniyeden sonra saniyede 9,8 m etrelik b ir hızla, ikinci saniyeden so n ra saniyede 19,6 m etrelik b ir hızla düşecek dem ektir.* Şekli, b ü y ü k lü ğ ü y a d a içeriği ne olursa olsun; b ir cism in k ü t ­ lesi, kapsadığı m ad d e m iktarıdır. Bu, son derece belirsiz b ir ta ­ nım dır; fakat b u ra d a b ir m ik ta r belirsizlik kaçınılm azdır, çünkü klasik fizikte k ü tlen in tanım lanabileceği d a h a tem el b ir şey y o k ­ tur. Şöyle diyerek tanım biraz d a h a kesin hale getirilebilir: C i­ sim ler b ir aray a getirildiklerinde birbirlerini değiştirm edikleri sürece, bu cisim ler k ü m esinin kütlesi, tek tek cisim lerin k ü tlele­ rinin toplam ıdır. D olayısıyla k arm aşık b ir sistem in kütlesini, çoğu kez o n u n y ap ıtaşların ın kütlelerini birb irlerin e ekleyerek hesaplayabiliriz. Tem el bilim lerde en çok kullanılan kütle b iri­ mi g ram d ır (g) ve başlangıçta norm al atm osfer b asıncı ve 4° C sıcaklıktaki sa f suymn b ir san tim etre k ü p ü n ü n kütlesi olarak ta ­ nım lanm ıştır. Bir kilogram (kg) 1000 gram , b ir m ihgram (m g) ise 0,001 g ram dır. 1875 y ılın d a n beri, kilogram , P aris y ak ın ın ­ d a Pavillion de B reteuil’deki Ulusleırarası A ğırlıklar B ü ro su ’nd a saklanan p latin-iridyum alaşım ı b ir ç u b u ğ u n k ü tlesi olarak tanım lan m ak tad ır. G ram da, b ir kilogram ın b inde b iri o larak ta ­ nım lanır. K u v v e t, etkim e sü resine y a d a etkidiği cism in doğasına bağlı olm ayan itm e y a d a çekm e m ik tarıd ır. B u d a aşırı derecede b e­ lirsiz b ir tan ım d ır. Şöyle diyerek çok d a h a belirli hale getirilebi­ lir: B ir cism e zıt y ö n lerd e iki k u v v e t u ygulandığında cisim d u r­ g u n keJıyorsa, b u iki k u v v et eşittir ve b ir cism e a3m ı y ö n d e çok * H ızın sayısal değ^eri, b ir u zu nluğun ve b ir z 2unanın sayısal değerlerinin o ranı ve b en ­ z e r şekilde ivm enin sayısal değeri, b ir hızın v e b ir zam anın sayısal d eğerlerinin oranı ol­ duğu n d an ; 'b aşın a' kelim esi y erin e bir bölü işareti koym ak ve bızın birim i, uzunluk/zam an -Örneğin, m etre/saniye y a d a kilom etre/saat- ve ivm enin birim i, (uzunluk/zam an)/zam an y a d a uzunluk/zam an* -örneğin metre/saniye* y a d a kilom etre/saat*- dem ek uyg u n olur. B u n a göre, Y er’in y ü z e 3rinin y ak ın ların d a düşen cisim lerin ivm esi, 9,8 m et­ re/saniye* y a d a k ısaca 9,8 m/s* olarak yazılabilir.


sayıda eşit k u v v et uygulanıyorsa; toplam kuvvet, kuvvetlerin sayısıyla te k b ir k uvvetin şiddetinin çarpım ına eşittir. K uvvet birim i, sta n d a rt b ir y ay a uygulandığında onu sta n d a rt bir m ik­ ta rd a u zatan ku v v et o larak tanım lanabilir. Bu durum da, kuvvet birim i ile kü tle v e ivme için kullanılan birim ler arasın d a bir ilgi olm ayabileceği için, ikinci N ew ton Yasası, “bir cisme belirli bir ivme v erm ek için gerekli kuvvet, cism in kütlesi ve ivm esinin çarpım ı ile o ran tılıd ır’’ şeklinde ifade edilm elidir. K uvvet birim inin tanım ını kütle ve ivme birim lerine bağla­ m ak olası ve çok d a tia y a ra rlıd ır. Ö rneğin, ivm eleri saniyede sa­ niye başın a m etre ve kütleleri kilogram olarak ölçersek, o za­ man kuvvet birim ini, 1 kilogram lık kütleye saniyede saniye ba­ şına 1 m etrelik ivme verebilecek kuvvetin b ü y üklü ğü olarak ta­ nım lanan n evto n (N ) olarak almalıyız. Bu birim sistem inde İkinci N ew ton Yasası şu basit şekli alır; b ir c ism e b e lirli b ir iv m e v e rın e k için u_ygulanması = cism in k ü tlesi x cism in ivm esi

g e re k e n k u v v e t

1 kilogram lık b ir kütle ve saniyede saniye başına 1 m etrelik bir ivme için, bu tam o larak 1 nevtonun tanım ıdır. Form ül tüm di­ ğer kütle ve ivm e değerleri için geçerlidir; çünkü N ew to n Y asa­ sı, kuvvetin hem kütle ile hem de ivm e ile orantılı o lduğunu söy­ ler. Ö rneğin, kütle 2 kilogram ve ivme saniyede saniye b aşın a 3 m etre ise, o zam an kuvvet, 1 kilogram lik kütle ve 1 m/s^’lik iv­ me için söz konusu olan k u v v etten 2 x 3 kez d ah a büyük, yani 6 nevton olm alıdır (E k A y a bakabilirsiniz.) İkinci N ew to n Y asası’y la ilgili bazı ek uyarılar; • K ütle y a d a ivm e için b a şk a birim ler kullanıldığında, ik in ­ ci N ew to n Y asası’m gene 3m k ard a k i basit y apısıyla k ullanm aya devam edebiliriz; fak at k u v v et için b a şk a b ir birim kullanm alıyvz. Ö rneğ in , N ew to n Yasası, 1 gram lık (= 10~^ kg) bir kütleye saniyede saniye b aşın a 1 santim etrelik (= 10'^ m/s^) b ir ivme verm ek için g erek en kuvvetin (1 0 ^ k g )

X

(10-2 m/s2) = 102^ N 30


old u ğ u nu söyler. Bu kuvvet birim ine din (dyne) denir. İvm ele­ ri saniyede saniye başına santim etre, kütleleri gram ve ku v v et­ leri din cinsinden ifade edersek, kuvvet hâlâ kütle ça rp ı ivm eye eşittir. • K ütle ve ağırlık arasındaki ayrım ı vurgulam ak önem lidir. A ğırlık b ir k u v v et tü rü d ü r; b ir cisim üzerine yerçekim i tara fın ­ d an u y g u lan an kuvvet. D a h a önce d e değinildiği g ibi,Y er'in 3 Ûİzeyine y ak ın cisim ler saniyede saniye başına 9,8 m etrelik bir iv­ m eyle düşerler. D olayısıyla N e w to n Y asası, 1 kilogram lık bir k ü tlenin 9,8 n ev to n lu k b ir ağırlığa sahip olduğunu söyler. A ynı şekilde, N ew to n Y asası, m kilogram lık b ir kütlenin 9,8m nev­ to n lu k b ir ağırlığa sahip olduğunu söyler. B una göre, tüm ci­ sim lerin aynı ivm eyle düşm eleri olgusu, ağırlığın kütleyle o ra n ­ tılı olduğu anlam ına gelir. (K ütleçekim inin bu tem el özelliği, E in stein 'a G enel Görelilik K uram ı'nın y o lu n u açan ipucunu sağlam ıştı.) B ir cismi bir tartıy a koyduğum uzda, aslın d a onun ağırlığını ölçm üş oluruz, k ütlesini değil; m kilogram lık b ir o k u ­ m a gerçek te 9,8m nevtonluk b ir ağırlık dem ektir. C isim leri y e r ­ y ü zü n d e n b aşk a y erle rd e tartm ayı düşündüğüm üzde, bu ayrım önem li hale gelir. Ö rneğin, 1 kilogram lık bir kütle Y e r 3m zeyinde 9,8 nev to n çeker. A y y ü zey in d e ise bu k ü tle y in e 1 kilogram ­ dır; fak at d ah a zayıf olan ay-çekim inde ağırlığı an cak 1,62 nev­ ton gelir. • İkinci N e w to n Y asası k u v v et birim im izi tanım lam ak için kullanılsa bile, bu y a s a salt b ir kuvvet tanım ı değildir. Bağımsız kesin b ir tan ım olm adan da, ik in ci Y a sa y a içerik k atan sezgisel b ir k u v v et k av ram ın a sahibiz. Ö rneğin, b u y a sa sadece şunları söylem ek için k u ru lm u ş b ir tanım değildir; Gerilm iş b ir y a y be­ lirli b ir k ü tley e belirli b ir ivm e kazandırırsa, iki k a t kütleye bir öncekinin y arısı k a d a r ivme k azan d ıracak ve aynı y ö n d e etki­ y en böyle iki y a y b u kütleye iki k a t ivme k azan d ıracak tır. A yrı­ ca, b ir cism e etkiyen sabit b ir kuvvet, o n a sabit b ir ivm e k a z a n ­ dıracak tır; böylece cism in hızı h e r saniye aynı m ik ta rd a a rta ­ caktır. B u tü r deneysel olgular ik in ci Y asa için tem el sağlar.


• ik in ci N e w to n Y a sa sın ın özel b ir hali olarak, sıfırdan fark­ lı kütleli b ir cism e k u v v et uygulanm azsa, o cisim ivm elenm eyecek -yani sab it hızla h arek et edecektir. N ew ton, b u n u B irinci H a rek et Y asası olarak ay rıca ifade etti. Ü çüncü H a re k e t Y asa­ sı ise etki tepkiye eşittir yasasıdır: B ir cisim başka bir cism e b ir ku v v et uygularsa, ikinci cisim de birinciye zıt y ö n d e eşit b ir ku v v et uygular. • A lınan y o lu geçen zam ana bölerek hızı tanım lam ak, ancak hız sabitse d o ğ ru d u r. Aynı şekilde, hızdaki değişm eyi geçen za­ m ana o ra n la y ara k ivm eyi tanım lam ak, ancak ivme sabitse doğ­ ru d u r. Y oksa, bu oranlar, sırasıyla ortalam a hız ve o rtala m a iv­ meyi verirler. Hız y a d a ivme değişiyorsa, herhangi b ir andaki anlık hız y a d a anlık ivmeyi, b u anın dola 3 nn d a sıfıra y ak laşacak denli k ü çü k b ir zam an aralığındaki o rtalam a hız y a d a o rtalam a ivme değişim i o larak tanım layabiliriz. N ew ton Y asası gerçekte kuvveti anlık ivm eye bağlar. • H ız, ivm e ve kuvvet b ire r v e k tö rd ü r -yani hem b ir b ü y ü k ­ lüğe, hem de y ö n e sahiptirler. Çoğu kez böyle nicelikleri belirli d o ğ ru ltu lard ak i bileşenleri cinsinden betim lem ek kolaylık sağ­ lar. Ö rn eğ in , b ir gem inin hızını, d o ğ u y a d o ğ ru 10 kilom etre/saatlik bir bileşene ve kuzeye d o ğ ru 15 kilom etre/saatlik bir bile­ şene sah ip tir diyerek belirttiğim izde, b ir sa a t içinde 10 kilom et­ re d o ğ u y a ve 15 kilom etre kuzeye gittiğini an latm ak isteriz. (Böyle b ir gem i aslında 18 k m /saat kadarlık b ir hızla kuzeye d a­ h a y ak ın kuzey d o ğ u y ö n ü n d e ilerler.) B enzer şekilde, b ir gem i­ nin ivm esinin, 2 km/saat^’lik doğu y ö n ü n d e bileşene ve 1 km /saat^lik k u zey y ö n ü n d e bileşene sahip olduğunu belirttiğim iz za­ man; asıl hızı ne o lu rsa olsun, h e r sa a t boyunca b u hızın doğu bileşeni 2 km /saat ve kuzey bileşeni ise 1 km /saat a rtıy o r dem ek isteriz. K uvvetler de b e n z e r biçim de, belirlenm iş d o ğ ru ltu lard a­ ki itm e y a d a çekm e m iktarlarını v eren bileşenler cinsinden b e­ tim lenebilirler. V ektörlerin bileşenleri artı olduğu gibi eksi de olabilir; ö rn e­ ğin hızın doğu bileşeni —20 km /saat ise, gem i h e r saat bo 3m nca


20 km batıy a h a re k e t ed e r ve ivm enin doğu bileşeni saatte —2 k m /saat ise, h er sııat b o y u n ca bızın doğu bileşeni 2 km /saat k a ­ d a r azalır (ya. d a b atı bileşeni b u k ad a r a rta r). E ksi doğu bileşenli b ir kuvvet, g erçekte batıya d o ğ ru b ir itm edir. (B u ö rn e k ­ lerde h arek et tam am ıyla yataydır; dolayısıyla hızı, ivm eyi y a da kuvveti b elirtm ek için sadece iki bileşene gerek v ardır. G enelde, üç bileşene gereksinim d u y u lu r -örneğin doğu, k u ze y ve y u k a ­ rı.) ik in ci N ew to n Y asası k u v v e t ve ivm enin h e r bileşenine ayrı a3 rrı uyg u lan ır -herh angi b ir d o ğ ru ltu d a kuvvetin bileşeni, k ü t­ leyle ivm enin aynı d o ğru ltu d ak i bileşeninin çarpım ına eşittir. • B ir cism e çeşith k u v v etler uygulandığında, to p lam kuvvet, tek tek bu k u v v etlerin toplam ıdır. D a h a kesin olm ak gerekirse, toplam kuvvetin h e r bileşeni, te k tek b u kuvvetlerin ilgili b ile­ şenlerinin toplam ıdır. Ö rneğin, b ir cisme, kuzey bileşeni 3 nevton ve doğu bileşeni 1 nevton olan b ir k u v v et ile k u ze y bileşeni —1 nevton ve d o ğ u bileşeni 6 nevton olan ikinci b ir k u v v et u y ­ gulanırsa; to p lam kuvvet, k u zeye d o ğ ru 2 nevtonluk ve doğuya d oğru 7 n ev to n lu k bileşenlere sah ip dem ektir.

Katot Işınlarının Sapması T hom son, k en d i dene 3unde çeşitli elektrik ve m anyetik k u v ­ v etler aracılığıyla y a ra ttığ ı k a to t ışını sapm asının ölçüm lerini, k a to t ışını p arçac ık la rın ın özellikleri cinsinden y o ru m lam ay a o lan ak sağlayacak genel b ir form ül elde etm ek için, İkinci N e w to n Y asası'm kullandı. O n u n k ato t ışını tü p ü n d e, ışın p a r ­ çacıkları, esas o larak y o lların a dik açılarda u ygulanan elektrik ve m anyetik k u v vetlerin etkidiği b ir bölgeden g eçer (bu bölge­ y e sap m a bölgesi diyelim ) ve so n ra tü p ü n u cu n a ça rp m cay a de­ ğin h içb ir k u v v etin olm adığı b ir bölgede (sürüklenm e bölgesi) gid erler. Işın p arçacıkları, tü p ü n u cu n d a k i cam d u v a ra ça rp tık ­ ları y e rd e p a rla k b ir ışık lekesi o lu ştu ru rlar; dolayısıyla k u v v et­ ler v a rk e n ve y o k k e n oluşan p a rla k lekelerin k o num ları arasın ­ dak i m esafeyi ölçerek, ışın parçacık ların ın k u v v etler tarafın d an sap tırılm a m ik ta rın ı b u lm ak T hom son için k o lay b ir işti.


ü stte : J . T h o m so n ’un elektronun kütic-yük oranını ölçtüğü tüplerden biri. Altta: T h o m so n 'u n düzeneğinin şem atik görünüm ü. Katot, cam tü p içinden bir tel ile eksi elektrik y ü k ü siiğlayan bir üretece bağlıtlıi" anot ve yönlendirici ise b ir b aşk a tel ile üretece bağlanm ıştır, öyle ki eksi elektrik y ü k ü gerisin geriye ü retece akabilir. S aptır­ m a levhaları g üçlü b ir elektrik bataryasının uçlarına bağlanm ıştır; dolayısıyla levhalara güçlü eksi ve artı y ü k le r verilmiş olur. G örünm eyen k a to t ışınlan k ato t ta ra lın d a n itilir; bazıları an o t ve yönlendiricideki y arık lard an geçer, b u y a n k la r zaten ince b ir ışın dem e­ tinin geçmesi için yapılm ıştır. Işınlar levhalar arasından geçerken elektrik kuvvetlerin­ ce yo lların d an saptırılırlar; dalıa sonra serbestçe yol alırlar ve so nund a tü p ü n duvarına çarpıp b ir ışık lekesi olu ştu ru rlar. (Bu çizim T h om son’un "C athode R a y s”, Phiî. Aiag. 44 (1897) 295 m akalesinde y e r alan Şekil 2'deki k ato t ışını tüpUnUn birçizim ın e dayan­ m aktadır. Işın lan m anyetik kuvvetlerle saptırm ak için kullanılan m ıknatıslar, şekil ka­ rışm asın diye gösterilm em iştir.)


(T h o m so n ’u n düzeneğinin şem atik çizim ine bakınız). Thom so n 'u n form ülü şöyle ifade edilebilir: ışın p a r ç a c ığ ın a T ü p ü n k a rş ı

e tk iy e n k u v v e t

^

s ü r ü k le n m e

sapm a

bö lg esin in

b ö lg e s in in

u z u n lu ğ u

u z u n lu ğ u

u c u n d a ış ın ın y e r d e ğ iş t ir m e s i

ışın p a r ç a c ığ ın ın k ü tle s i x (ış ın p a r ç a c ığ ın ın kızı)^

F orm ülü az çok gerçekçi olan sayılarla açıklam ak için, ışın p arça­ cıkları üzerine 10 '“ nevtonluk kuvvet uygulandığını varsayalım ; sapm a bölgesinin uzunluğu 0,05 m etre, sürüklenm e bölgesinin uzunluğu 1,1 metre, katot ışını parçacıklarının kütlesi 9 x 10"’' ki-

K atot

Ç o k d a h a b ild ik b ir k a to t ışını tü p ü o la n m o d e rn te lev izy o n tü p ü n ü n ş e m a tik g ö rü n ü ­ m ü . T h o m so n , tü p ü n için d ek i b o şlu k b o y u n c a ilerley en g ö rü n m e y e n k a to t ışın ın ın y o ­ lu n u s a p ta m a k için tü p ü n u c u n a ç a rp a n ışın ın o lu ş tu rd u ğ u p a rla k lek en in k o n u m u n d a n y a ra rla n m ış tı. T h o m s o n ’u n z a m a n ın d a n g ü n ü m ü z e b u p a rla k leke, te le v iz y o n u n tem eli o la ra k h ep im iz için iyice ta n ıd ık h a le g eld i. T e le v iz y o n tü p ü , a slın d a g ö rü n tü a m a cıy la k u lla n ıla n b ir k a to t ışını tü p ü d ü r. B u tü p ü n için d e, k a to t ışını e le k trik s e l k u v v e tle rle ö y ­ le sin e y ö n le n d irilir ki, tü p ü n k a rş ı u c u n d a ışın d ü z e n li o la ra k sağ a so la g id ip gelir. Bu ışın tü p ü n u c u n d a k i özel o la ra k k a p la n m ış c am e k r a n a ç a rp tığ ı zam an , e k ra n d a b ir ışık le k e si b e lirir. T e le v iz y o n sin y ali, e k ra n a ç a r p a c a k o la n k a to t ışın ın ın ş id d e tin i k o n tro l e d e r; b ö y le c e e k ra n ü z e rin d e a r t a r d a ışıklı v e k a ra n lık b ir d e se n o r ta y a ç ık a r. G öz ve b e y in b u d e se n i a n lık b ir re sim m iş gibi a lg ıla r.


logram ve k ato t ışını p arçacıklarının hızı saniyede 3 x 1 0 ^ m etre olsun. Bu d u ru m d a tü p ü n k arşı u cu n a çarptığı zam an ışının yerd eğ iştirm esi (10-" N ) x ( 0 , 0 5 m ) X (1,1 m) Y e rd e ğ iştirm e =

= 0,0058 m (9 X 10-’* kg ) X (3 X

lO'm/sy

olacaktır. 7 m ilim etreye yak ın olan b u sapm ayı ölçm ek hiç de zor değildir. (Y anıt m etre cinsinden çıktı; çü n k ü tu ta rlı b ir b i­ rim sistem i kullandık; b u sistem de tüm u zu n lu k lar m etre cinsin­ den, tüm zam an lar saniye, tüm kü tleler kilogram , tü m hızlar sa ­ niye b aşın a m etre, tüm k u vvetler nevton cinsindendir. B aşka b ir tu tarlı birim sistemi de kullanabilirdik -yerdeğiştirm e b ir u zunluk olduğundan, o sistem de kullanılan uzu n lu k birim i n ey ­ se y a n ıt d a daim a o birim cinsinden çıkar.) T hom son form ülünün türetilişi E k B ’de cebirsel olarak g ö ste­ riliyor. B ununla birlikte, niçin b u biçimi aldığ ını cebirsiz bile görm ek kolaydır. A kılda tutulm ası gereken önem li n o k ta şudur: K atot ışını parçacıkları üzerine uygulanan kuvvetler, o n lara tü ­ pün eksenine dik b ir ivme kazandırır, öyle ki p arçac ık la r sapm a bölgesinden geçerken geliş d o ğ ru ltu su n a dik açılard a k ü çü k b ir hız bileşenine sahip olurlar. Bu bileşen, ivmeyle sapm a bölgesin­ de geçen zam anın çarpım ına eşittir. Anlaşılm ayı kolaylaştırm ak için şekilde görü ld ü ğ ü gibi, tü p y a ta y ve sapm a aşağıya d oğru olsun. S ap m a bölgesinden so n ra ışın parçacıkları sürüklenm e bölgesine girer; o rad a üzerlerine etkiyen hiçbir kuvvet olm adığı için, y a ta y ve d ü şey hız bileşenlerini korurlar. H e r b ir d o ğ ru ltu ­ d a k a t edilen yol, o d o ğ ru ltu d ak i hız bileşeni ile geçen zam anın çarpım ına eşit olduğundan, tü p ü n u cu n a v u rd u ğ u n d a ışının aşa­ ğıya y erdeğiştirm esi basitçe sap m a bölgesinde oluşan aşağıya hız bileşeni ile sü rü k lenm e bölgesinde geçen zam anın çarpım ı­ dır. (S ap m a bölgesindeyken ışının yerdeğiştirm esini önem sem i­ yo ru z; çü n k ü bu bölge sürüklenm e bölgesine g ö re çok kısadır; p arçacık lar o ra d a çok a.z zam an harcarlar; öyle ki o ra d a o rtay a çıkacak y erd eğ iştirm e göreli o larak çok k ü çü k tü r.) T ü m ü n ü b ir


aray a getirirsek, tü p ü n u cu n a v u rd u ğ u n d a ışının yerdeğiştirm esinin, sapm a bölgesindeki aşağıya ivme çarpı sapm a bölgesinde geçen zam an (bu çarpım aşağıya hızı verir) çarpı sürüklenm e bölgesinde g eçen zam ana eşit olduğunu görürüz. Işın p arçac ık ­ larının h er b ir bölgede harcadığı zam an, bölgenin u zunluğu bölü (sabit) y a ta y hızdır; T hom son fo rm ülünün pa 3n n d a saptırm a ve sürüklenm e bölgelerinin uzunluklarının o rtay a çıkm asının ve p ay d asın d a ise ışın hızının iki kez (yani k aresinin) görünm esi­ nin nedeni b u d u r. Son olarak, N ew to n 'u n ikinci H a re k e t Yasası’n a göre, h erh an g i b ir d o ğ ru ltu d ak i ivm e bileşeni, b u d o ğ ru l­ tu d ak i k uvvetin kütleye bölüm üne eşittir; bu nedenle Thom son fo rm ülünün p ay ın d a ku v v et ve p aydasında kütle o rta y a çıkar. Bu deneyde, Thom son, ışın üzerine etkiyen çeşitli elektrik y a d a m anyetik kuvvetlerin neden olduğu y erdeğiştirm eyi ölçtü. Bu, k ato t ışınları h ak k ın d a neyi açıklar? T hom son’un form ü­ lündeki niceliklerden sapm a ve sürüklenm e bölgelerinin uzu n ­ lukları, k ato t ışını tü p ü n ü n tasarım ın d a belirlenm iş bilinen nice­ liklerdir. Işın p arçacık ların ın kütlesi ve hızı, bu parçacıkların saptanm ası isten en özellikleridir. B iraz so n ra göreceğim iz gibi, b ir p arçac ık üzerine etkiyen kuvvet, parçacığın taşıdığı yükle orantılıdır. T hom son form ülüne geri dö n ersek g ö rü rü z ki, tü ­ pü n u cu n a ça rp tığ ın d a ışının yerdeğiştirm esi, ışın p arçac ık la rı­ nın değişkenlerinin özel b ir birleşim iyle, y a n i parçacıkların elek trik y ü k lerin in kütlelerine ve hızlarının karesine bölüm üyle orantılıdır. F a k a t bilm ek istenen gerçekte y erd eğ iştirm e değil­ dir. A ran an nicelikler, ışın parçacıklarının y ü k ü ve kütlesidir; hız ise, belirli b ir k ato t ışını tü p ü n d e olabilecek hızdır. T hom son m anyetik kuvvetin neden olduğu sapm ayı d a ölçe­ re k bu güçlüğü alt edebildi. Az sonra, elektriksel kuvvetten farklı olarak, b ir p arçacık üzerine etkiyen m anyetik kuvvetin parçacığın yü k ü y le olduğu k ad a r hızıyla da orantılı olduğunu göreceğiz. D olajnsıyla m anyetik kuvvetlerin neden olduğu y e r ­ değiştirm e, elektriksel kuvvetlerin neden olduğu y erdeğiştirm ey e göre ışın parçacığının değişkenlerinin farklı b ir birleşim ine


bağlıdır. E lek trik ve m aıryetik kuvvetlerin neden olduğu sap m a­ ları ölçerek Thom son, ışın-parçacığı değişkenlerinin iki farklı birleşim inin değerlerini elde etti ve b u şekilde hem ışın p arçac ı­ ğının hızını v e hem d e 3 Ûik ve kütlelerinin oranını saptayabildi. T h o m so n ’un sonuçları b u bölüm de d a h a so n ra ele alın acak ­ tır; fak at o n lara gelm eden önce elektrik ve m anyetik kuvvetler h a k k ın d a b ir şeyler söylem em iz v e k ato t ışınında y arattık ları sapm ayı hesaplam am ız gerekir.

Geriye Dönüş: Elektriksel Kuvvetler K atot ışını parçacıklarının özelliklerini öğren m ek am acıyla k ato t ışınlarının elektriksel sap m a ölçüm lerini kullanm ak için, T hom son bu parçacık lar üzerine etkiyen elektriksel kuvveti h e ­ saplayabilm e! iydi. Şim di bu kuvvetleri tanım layan nicel k u ram a ve nasıl geliştiğine b ir göz atacağız. E lektriksel k u vvetler hakkındaki ilk düşünceler, N e w to n ’un kütleçekim i kuvvetleri k u ra m ın a ciddi öykünm eler içerir. Principiii'nm so n u n d a N ew ton kütleçekim ini, G üneş v e gezegenler üzerine “sahip oldukları katı m adde m iktarına bağlı olarak etk i­ yen, h e ry ö n e doğru sınırsız uzaklıklara k a d a r y ay ılan ve daim a uzaklığın karesiyle azalan ” bir etki olarak tanım lar. Yani 1. |)ai’(,’ac'igın

2. piii’çacığa

I . parçiicığm kütlesi

2. parçacığın Uü ilesi

uyguladığı kü tleçekim i kuvveti

(1. v e 2. p iir ç a c ık la r a r a s ın d a k i u z a k lık )^

B urada G tem el b ir sabittir ve değeri, kuvvetler, kütleler ve uzaklıklar için kullanılan birim sistem ine bağlıdır. Bu değer d e­ neyle bulunm alıdır. (Ç ağdaş ölçüm lere göre, k u v v etler nevton, kütleler kilogram ve uzaklıklar m etre ile ölçüldüğünde, G = 6,672 X 10“" o larak b u lunur.) N ew to n Y asası’nın çoğu ayrıntısı akla y ak ın g ö rü n ü r. B ir cism in diğerini çekm e kuvveti doğal olarak cisim lerin kütleleriyle orantılıdır; böylece örneğin k ü tle ­ lerden biri iki k atm a çıkarılırsa, kuvvet de iki k atın a çıkar ve ci­


sim ler b irb irlerin d en uzaklaştırılırsa, doğal o larak k u v v et de azalır. E lek trik sel k uvvetin de b en z er b ir y a sa y a uyabileceğini, uzaklığın k aresiyle ters o rantılı olacağını, a n c ak kütleçekim i k u v v etinde k ü tlelerin oynadığı ro lü bu kez elek trik y ü k ü n ü n oynayaceığını dü şü n m ek k arşı konulm az b ir d u ru m d u r. E lek trik sel kuvvetin uzaklıkla ilişkisini ölçm e y ö n ü n d e ilk gi­ rişim, 1760 3nlm da isviçreli fizikçi D aniel B ernoulli (17001782) tarafın d an yapıldı. B ernoulli’nin aygıtı çok ilkeldi; elekt­ riksel çekm e v e itm enin ters-k are yasasını g erçekten buldu mu y o k sa sadece gözlem lerinin b u ö ngörülen y asay la ujm ştuğunu m u sınadı, orası açık değil. T ers-k are yasası, oksijeni bulan Ingiliz fizikçi ve kim yacı J o ­ seph P riestley (1735-180-4) tara fın d an oldukça dolaylı d a y a n a k ­ larla öng ö rü ld ü . Priestley, elektriklenm iş kapalı b ir metal kap içine yerleştirilm iş b ir cism in (kabın k en a rların a y a k ın olsa b i­ le) hiçbir elektriksel k u v v et duym adığını gözledi. Bu, N ew ton taralın d an bulunm uş b ir sonucu anım satıyordu: Kütleçekim i k u v v etlerinin uzaklığın karesiyle te rs orantılı lığın m b ir sonucu olarak, içi boş küresel bir kütlenin içindeki bir cisim, kürenin k en arın d an hiçbir kütlesel çekim hissetm ez. F ak at bu iyi bir k arşılaştırm a değildi. Ç ünkü kütlesel çekim söz ko n u su oldu­ ğ u n d a k ü ren in içinde kuvvetin olm ayışı, can alıcı bir biçim de kü resel sim etriyle ilişkilidir: oysa m etal bir kab ın içinde elekt­ riksel k u v v etlerin olm am asının nedeni bir bakım a elek trik y ü k ­ lerinin m etal y ü z e y ü zerine d ağılm alarıdır ve b u k a b ın biçim i ne o lu rsa olsun geçerlidir. E lek trik sel kuvvetin te rs-k a re yasasıyla ilgili d o ğ ru d a n d e­ neysel sınam alar, 1769’d a J o h n R obison (1739-1805) tara fın ­ d a n sadece itm e için ve 1775’te, basılm am ış b ir çalışm ada, H e n ry C av en d ish ta ra fın d a n gerçekleştirildi. (T hom son un C am b rid g e’deki lab o ra tu v arın a d a h a so n ra C avendish adı veril­ di). B u n u n la birlikte, gerçek ten inandırıcı ilk deneysel testler C harles A ug u stin e C oulom b (1736-1806) tara fın d an 1785’te yapıldı.


C oulom b b ir ask eri m ühendisti; 1764-1772 ja lla rı arasın d a M a rtin iq u e 'de B o u rb o n K alesi’nin yapım ım y ö n e tirk e n işini öğ­ rendi, am a sağlığm ı kaybetti. F ra n sa ’y a geri döndüğünde, R oc­ h efo rt’d ak i tersan elerd e sü rtü n m e üzerine çok ayrıntılı deneyler y a p m a olanağı buldu ve 1781’de Bilim ler A kadem isi'ne seçildi. Bu, ona P aris’e yerleşm e v e zam anının çoğunu araştırm ay a ayırm a fırsatı verdi. 1785 ve 1791 y ılla n arasın d a elek trik ve m anyetizm a üzerine y ap tığ ı araştırm alan n ın sonuçlarını Akadem i’n in y e d i Bilimsel A n d aç'ın d a yayım ladı. Coulomb, küçük m ürver özü topakları arasındaki kuvvetleri ölçmek için, burulm a terazisi adı verilen ve kendi buluşu olan çok hassas bir aygıt kullandı. Çeşitli y ü k le r ve uzaklıklar için ters-kare kuvvet yasasının kesinlikle geçerli olduğunu, örneğin topaklar arasındaki uzaklık y arıya indirildiğinde aralanndaki kuvvetin 4 katı arttığını gördü. Kütleçekimi yasasından örneksem eyle bekle­ nebileceği gibi. Coulomb, elektrik yüklü cisim ler arasındaki kuv­ vetin elektrik yüklerinin (C oulom b’un kendi deyişiyle "elektriksel kütleler”in) çarpım ıyla orantılı olduğunu d a ifade etm işti. Yani, 1 . p arçacığ ın 2. parçııcıgu uy g u lad ığ ı “ elek trik sel k u v v et

1. p arçacığ ın e le k trik y ü k ü ( 1 . vc

2

2 . p arçacığ ın e le k trik y ü k ü

. p a rç a c ık la r a ra sın d a k i uzaklık)^

B urada k^, G gibi, tem el bir sabittir ve kuvvet, y ü k ve uzaklık­ ları tanım lam ak için kullanılan birim sistem ine bağlıdır, yine de­ neyle saptanm alıdır. C oulom b elektriksel kuvvetin y ü k lerin çarp ım ın a bağlı oldu­ ğunu sınam ak için, elektrikle y ü k lü iki m ü rv er özü topağı a ra ­ sındaki kuvveti belirli b ir uzak lık ta ölçtü ve so n ra to p ak lard an birini alıp eşit b ü y ü k lü k te y ü k sü z bir diğer to p ağ a değdirdi; böylece bu to p ağ ın y ü k ü d iğ er to p ak la eşit o larak paylaşılm ış ve dolayısıyla y ü k ü y arıy a düşm üştü. S onra bu to p ak te k ra r önce­ ki k o n u m u n a yerleştirildi; C oulom b Y asası’n d an beklendiği gi­ bi, b u n u n la d iğ er elek trik y ü k lü to p ak arasındaki kuvvetin y a ­ rıya indiği b u lu n d u .


K uvvet y ö n lü t i r nicelik, y a n i v ek tö rd ü r; bu nedenle elekt­ riksel kuvvetin y ö n ü h ak k ın d a d a b ir şey söylem ek gerekir. C oulom b kesin o larak b u n u b elirtti mi bilm iyorum ; a m a elekt­ riksel kuv v etin iki y ü k ü b irleştiren çizgi boyunca olduğu nere­ deyse açıktır. (E tk i edeceğini düşünebileceğiniz başka özel b ir y ö n y o k tu r.) İtici kuv vetin a rtı ve çekici k u vvetin eksi olduğu y o lu n d ak i anlaşm ayı benim serseniz, k^’nin artı bir sayı olduğu­ n u söyleyerek D u F a y ’ın b en zer y ü k le r ite r ve zıt y ü k le r çek er gözlem ini özetlem iş olursunuz. E lek trik y ü k ü için hangi birim i kuUanm alıjnz? “P ra tik ” bir elektrik birim sistem i vardır; bu sistem de tem el birim , elektrik akım ı m iktarı olan am perdir. A m perin asıl tanım ı, elektrik ak ım lan arasın d ak i m anyetik kuvvetlere dayanır; fakat şu an için am peri b ir am p erlik b ir sigortayı a ttıra n akım olarak d ü şü ­ nebiliriz. P ratik elektrik y ü k ü birim i couIombduT (C ) ve bir am perlik akım taşıyan bir telin h erhangi b ir kesitinden b ir sani­ y e d e geçen elek trik y ü k ü olarak tanım lanır. (Y ani am per, sani­ y e başına coulom bdur.) K uvvetler nevton, u zak lık lar m etre ve y ü k le r coulom b cinsinden verildiğinde, k^, 8,987 x lO’ Nm^/C^’ lik ölçülen değere sahiptir. (E le k trik y ü k ü birim ini elektrostatik

birim ya. d a statcoulomb olarak alm ak d a olasıdır; bu birim , k^ sabiti 1 değerine sah ip olacak biçim de tanım lanır. B ununla b ir­ likte, bu, çok sık kullanılan b ir y ü k birim i değildir ve biz sade­ ce p ra tik sistem i kullanacağız.) C oulom b Y asası’nı, ilk kez J a m e s C lerk M axw ell’in y ap tığ ı gibi, çağdaş terim lerle te k ra r ifade etm ek çok elverişlidir. H e r­ hangi b ir cisim üzerindeki elektriksel kuvvet, daim a o cism in elek trik 3âiküyle orantılıdır. O ra n tı ça rp an ın a e le k trik alanı di­ yebiliriz; böylece yasa. B ir cisim ü z e rin d e k i e le k trik se l k u v v e t

K u v v etin etk id iğ i cism in e le k trik 3 m k ü

^

E le k trik a la n ı

biçim ini alır. B u şekilde tan ım lan an elek trik alanı, cism in y e r­ leştirildiği y e re ve elektrik alanını do ğ u ran tüm d iğ er cisim lerin


JTent: m./.

Fİ<f. S.

Fiy-4/\w!Fr

tM

T ? ifftuiK je-

C oulom b'un 1786'te resim lenm iş burulm a terazisi. Coıılom b elektriksel çekm e için tersk are yasasını bu teraziyle kanıtlam ıştı.

elek trik y ü k lerin e ve uzaklıklarına açıkça bağlıdır; fakat kuvve­ tin etkidiği cismin d o ğasına ve taşıdığı y ü k e bağlı değildir. Ö r­ neğin, bir cisim üzerin deki elektriksel kuvvet b ir b a şk a cisim ta­ ra fın d an uygulandığı zam an, C oulom b Y asası aşağıdaki gibi de yo ru m lanabilir:


Y üklü bir cismin neden olduğu elektrik alanı

A lanı d o ğ u ra n cism in ele k trik 3 /ü k ü (A lanı d o ğ u ra n cisim den olan uzaklık)^

B u iki k u ralın birleştirilm esi, tam olarak C oulom b Y asası’nın özg’ü n şeklini v erir. E lek trik alanının birim i, y ü k birim i b aşına kuvvet birim idir; y a n i nevton bölü coulom bdur.® K uvvet gibi, elek trik alanı d a y ö n lü b ir niceliktir; cism in y ü k ü a rtı ise b ü y ü k lü cisim üzerine etk iy en elektriksel k u v v et alan ile aynı yö n d e, cism in y ü k ü eksi ise zity ö n d e d ir. B irden fazla y ü k tarafın d an d oğurulan elektrik alanı, h er b ir y ü k ü n doğ u rd u ğ u elektrik alanlarının vektörel toplam ıdır; y an i toplam elektrik alanının h e r b ir bileşeni (k u ­ zey, doğu, y u k arı), tek tek elektrik alanlarının ilgili bileşenleri­ nin toplam ıdır. E lek trik alanı kavram ının o rta y a atılm ası, N e w to n 'un “b ir cisim b a şk a b ir cism e belli bir m esafeden d o ğ ru d an d o ğ ru y a et­ ki e d e r’’ biçim indeki ku v v et düşüncesinden bizi u zaklaştırır. B u n u n y erin e, verilen b ir n o k tad ak i elektrik alanı, uz.d.yın o n o k tad ak i öyle b ir özelliği olarak d ü şü n ü lü r ki; bu özellik o n o k tad ak i h er y ü k lü cism e d o ğ ru d an etki ed er ve b aşk a n okta­ lard a k i tüm y ü k le rd e n k a tk ıla r alır. A lanlar sadece p arçac ık la r arasın d ak i kuvvetleri hesaplam ada bize y ard ım eden m atem a­ tiksel k u rn a zlık la r değil, k en d i gerçeklikleri olan fiziksel varlık­ lard ır -belki de E vrenim izin, p arçac ık la rd an d a h a tem el olan sakinleri o larak m o d ern fizikte g ü n geçtikçe y erlerin i güçlendi­ riyorlar. E lek trik alanları için özgün o larak M ichael F ara d ay (17911867) tarafın d an tasarlanm ış b ir resim sel betim lem e, bu alanla­ rın nasıl d av ran d ık ları v e h a tta basit d u ru m lard a, T hom son'un k a to t ışını tü p ü n d ek in e b en zer olarak, nasıl hesap edilebilecek­ leri h ak k ın d a iyi b ir sezgisel kavra 3uş olanağı v e rir (B akınız, E k C ). U zayın h e r y erin e, h e r n o k tad a o nok tad ak i elektriksel ala- * * B u birim , bölüm ün so n u n d a açıklanacak nedenlerden ötürü, d ah a yaygın şekilde volt bölü m etre olarak bilinir.


m n y ö n ü n ü g ö steren çizgiler çizin. Belirli b ir n o k tad a elektrik alan ın a d ik k ü ç ü k b ir 3 nizey içinden geçen çizgi sa3 nsmı, bu n o k tad ak i alanın şiddeti ile y ü z e y alanının çarpım ına eşit olacak şekilde alın.* B ir te k noktasal y ü k için, çizgiler h e r y e rd e y ü k ­ te n d ışarıy a (ya d a y ü k eksi ise, 3Üike doğru) yönelm iş olacak­ la r v e 3âik ü n etrafın d aki b ir k ü re n in yüzeyinden geçen çizgile­ rin sayısı, k ü re 3 âize 3 nnin alanıyla elektriksel alanın çarpım ına eşit olacaktır. K ü ren in 3nize 3Û y arıçap ın ın karesiyle orantılıdır; öte y a n d a n , b iraz önce g ö rd üğüm üz gibi, m erkezindeki yüklü cism in b ir k ü re 3 nizeyi üzerinde doğuracağı elektrik alanı y a r ı­ çapın k aresiyle te rs orantılıdır. D olayısıyla, küre 3 m zeyinden geçen çizgi sa3nsını hesapladığım ızda, y a rıç a p la r birbirini g ö tü ­ rü r: Ç izgi sayısı, k ü ren in y a rıç a p ın a bağlı değildir. Y üklü bir cism in etrafındaki b ir k ü re y ü zey in d en geçen çizgi sayısı, bütün k ü re le r için ay n ı o ld u ğ u n a göre, y ü k sü z uzayda çizgiler hiçbir y e rd e n beışlam azlar y a d a hiçbir y erd e sonlanm azlar. Üstelik, keyfî b ir y ü k dağılım ının alanı, tek te k y ü k lerin o lu ştu rd u ğ u alanların to p lam ıd ır ve so n u çta alan çizgilerinin bu özelliği ge­ nelde d o ğ ru olacaktır. B ü tü n b u n ların am acı, bilinen b ir alan düzenlenişini alıp, b u ­ nu te k ra r alan çizgileri cinsinden ifade etm ek değildir; d a h a çok, çeşitli d u ru m lard a, alan çizgilerinin sezgisel o larak akla y a ­ kın gelen özelliklerinden h arek etle elektrik alanlarının nasıl he­ saplanacağını öğrenm ektir.

Katot Işınlarının Elektriksel Sapması T hom son u n deneyinde, elektriksel kuvvetler, paralel d u ra n y ü k lü m etal lev h alar tarafın d an üretilm işti (54. sa3 d ad a k i şekle b ak ınız). D a h a ö nce g ö rd üğüm üz gibi, h erh an g i b i r 3 m klü cisim ü ze rin d ek i elek trik kuvveti, genel olarak y ü k ile cism in b u lu n ­ * Bu tanım ile, ku v v et çizgilerinin sayısı, elektrik a l c ı n ı betim lem ek için kullanılan biri­ m e bağlıdır. Ö rn eğ in elektrik alanım statcoulom b b aşına din, y a d a coulom b başına nevto n y a d a b aşk a b ir şey cinsinden verirsek, çizgi sayılan çok farklı olur. Bu, alan çizgile­ rin in g erçek olm adığım , alan çizgileri sa3 asına m utlak bir önem verilem eyeceğini; sadece y ö n lerin ve farklı noktalardaki bağıl sa 3 n lan n anlam lı olduğunu v u rg u lam ay ay arar.


duğu nok tad ak i elektriksel alan değerinin çarp u n ı şeklinde ifa­ de edilebilir. D olayısıyla, k a to t ışını sapm asının ölçüm lerini k a ­ to t ışını parçacık ların ın özellikleri cinsinden y o ru m lam ak için T hom son'un, levhalar arasın d a ışının yolu boyunca elek trik ala­ nını belirleyebilm esi gerekiyordu. T hom son deneyinde m etal levhaların uzu n lu ğ u n u n ve geniş­ liğinin levhaların arasındaki uzaklığa göre çok çok b ü y ü k o ld u ­ ğu hesab a katılırsa, bu problem m üthiş basitleşir. Sonuçta, lev­ halar arasın d ak i birçok noktada, levha kenarlarının etkileri göz ardı edilir. B öylece levhaların k en a rların a y ak ın y e rle r dışında, levhalar arasın d ak i elektrik alanı, 48. sayfadaki şekilde g ö rü l­ düğü gibi (artı lev h adan eksi levhaya doğru) levhalara dik ol­ m alıdır; çünkü yönelm esini bekleyebileceğim iz başk a özel bir doğrultu y o k tu r. Ü stelik, elek trik alanı levhalar b oyunca konu­ m a bağlı olam az: Z ira levha üzerindeki h er n o k ta b ir diğeriyle aynıdır (L evhaların ü zerine d ü zg ü n olm ayan bir y ü k dağılımı koysak bile; b ü y ü k le rin oluşturacağı elektrik kuvvetleri, d ağı­ lım d ü zg ü n hale geliceye k adar, m etal levhaların içindeki y ü k ­ leri o raya b u ray a h areket e ttirir). Son ve belki d e en şaşırtıcı olanı; levhalar arasın d aki b ir n o k tad a elektrik alanının, bu n o k ­ tadan levhalara olan uzaklığa da bağlı olm ayışıdır. İşte bu, elektrik alanını, birim y ü zey d en geçen alan çizgilerinin sayısı olar£ik yorum lam am ızın bir sonucudur. 48. sayfadaki şekle b a ­ k ar bakm az g ö rü lü r ki; levhalar arasındaki h er y e rd e (hangi levhaya ne k a d a r y ak ın y a d a uzak olursa olsun) alan çizgileri­ ne dik olarak yerleştirildiği düşünülen belirli bir y ü zey d en aynı sayıda alan çizgisi geçer. Böylece şu so n u ca varırız: T hom son'un problem inde elekt­ riksel kuvvet, g erçekten de k ato t ışını tü p ü n ü n eksenine diktir ve büyüklüğü, elek tro nun y ü k ü ile b ir sabitin (yani elektrik ala­ nının) çarp ım ın a eşittir. 35. sayfada verilen so n u çlan k u llan a­ rak elektriksel kuvvetlerin, k a to t ışınını tü p ü n ö b ü r u c u n d a aşa­ ğıdaki form ül ile verilen m ik ta rd a b ir yerdeğiştirm eye u ğ ra ttığ ı­ nı anlarız:


Y a lıtılm ış b ir e k si y ü k ü n e le k trik a la n ı çizg ileri

B ir ç ift a r tı y ü k ü n e le k trik a la n ı çizgileri

Y alıtılm ış b ir a r tı y ü k ü n e le k trik a la n ı çiz g ileri


A

-^

+

. +

+

+

-

-t--K

Ci i i i 1 I I 1) Z ıt y ü klü bir çiFt paralel metal levha arasındaki elektrik alanı çizgileri

E le k trik alam n m y o l açtığ ı k a to t ışın ın ın

yerd eğiştir mesi

Işın p a rç a c ıE le k tr ik S a p m a bölgesi S ü rü k le n m e ğ m ın y ü k ü ^ a la n ı ^ u z u n lu ğ u ^ bölgesi u zu n lu ğ u Işın p a rç a c ığ ın ın k ü tle si

Işın p a rç a c ığ ın ın hızı

Işın parçacıkları h ak k ın d a b ir şeyler öğrenm ek am acıyla bu sapm a ölçüm lerini ku llanm ak için, y ü k lü m etal lev h alar arasın ­ daki elektrik alanının değerini bilm ek gerekir. B unu bulm anın b ir y o lu, elek trik y ü k ü bilinen b ir sınam a parçacığını levhalar iirasm a koym ak ve ona etkiyen kuvveti ölçm ektir; bu d u ru m d a elektrik alanı, bu kuvvetin sınam a parçacığının y ü k ü n e oranı­ dır. E lektrik alanı, m etal levhaları y ü klem ek için kullanılan ba­ tary an ın bilinen gerilim inden ve levhalar arası uzaklıktan d a saplanabilir. G erçekte T hom son tarafın d an kullanılan y öntem buydu; fakat buna, gerilim den ne kastettiğim izi gözden geçir­ dikten so n ra geri döneceğiz. Şim dilik elektrik alanını, basitçe herhangi b ir yöntem le saptanm ış bir nicelik o larak düşünelim . G ö rü ld ü ğ ü gibi, elektrik kuvvetlerinin yol açtığı k ato t ışınla­ rının sapm asının ölçüm ü, sadece ışın parçacıklarının y ü k ü n ü n bu p arçacık ların kütlesiyle hızlarının karesinin ç arp ım ın a oranı­ nı bulm am ızı sağlar. K atot ışını parçacıkları için y ü k ü n kütleye oranını bulm ak, onların hızını bilmeyi g erek tirir. T hom son 1894’te b u n u d o ğ ru d an ölçm üştü; fakat ölçüm hatalıydı ve 1897 y e gelindiğinde b u n a güvenm em ek gerektiğine k a ra r v er­ di ve hıza farklı şekilde bağlı olan b ir kuvvetin m ey d an a g etir­ diği sapm ayı ölçtü: Bu ku v v et m anyetizm a kuvvetiydi.

Geriye Dönüş: Manyetik Kuvvetler M an y etizm a olg u su na ilişkin bilgilerim iz en az elektrikle ilgi­ li bilgilerim iz k a d a r eskiye dayanır. P la to n ’un T im a io su sadece


k e h rib a rd a n değil, “H erak lit taşı ’n d an d a söz ediyordu. B u bir m anyetit çubuk, y a n i dem ir filizinin doğal biçim de m ıknatıslan­ mış b ir parçasıydı, öyle ki k ü çü k dem ir kırıntılarını kaldırıyor ve o n lara d a aynı y eten e ğ i v eriyordu.* M an y etit çu b u k lar eski Ç in’de de biliniyordu. S ihirbazlık am acıyla pu su la o larak kulla­ nılışlarına ait M S 83 yılından kalm a gizem li k ay n a k la r var.** K üçük b ir “balık ” şeklinde m ıknatıslı dem irden y apılm ış suda y ü ze n b ir m anyetik pusulanın ayrıntılı betim lenişi, 1084 tarihli b ir Çin k itab ın d a b u lu nm uştur.*** M an y etit çu b u k ların k ü çü k m etal kırıntılarını k endilerine çeken iki k u tb a sahip olduklarını ve bu k u tu p lard a n birinin kuzeye doğru çekildiğini (“kuzeyi arayıp b u lan k u tu p ”), diğerinin ise güneye d oğru çekildiğini ilk keşfedenler de gene Çinlilerdi.'^ M anyetizm a bilgileri B atı’y a g e ç geldi; fak at m anyetit çubukların k u tu p lu oluşuna, 1269'da P ierre de M arico u rt (P e te r Peregrinus o larak d a bilinir) işaret etmişti.'^ M aricourt, şu temel gözlem de bulunm uştu: B ir m ıknatısın kuzeyi arayıp-bulan k u t­ bu b ir b aşk a m ıknatısın kuzeyi arayıp-bulan k u tb u n u ite r ve iki güneyi aray ıp -b u lan k u tu p arasın d a d a aynı şey olur; kuze 3Ü aray ıp -b u lan k u tu p , güneyi arayıp-bulan kutbu çeker. M anyetizm anın bilimsel tem elleri, E lizabeth L o n d rasın d a W illiam G ilbert tarafın d an atıldı. M aric o u rt’un m ıknatısların k u tu p lu oluşuyla ilgili gözlem ine güvenen G ilbert, d o ğ ru olarak b u nun, m anyetik p u su la için b ir açıklam a getireceğini kestirdi. D ü n y an ın kendisi dev b ir m ıknatıstır; “g üneyi-ara 3n p -b u lan ” * Bu iılizin Y u n an ca adı X.l6 o(J MaTVTİTlG, “M agnesia taşı”dır, bu ismi filizin çıkarıldı­ ğı Batı A nadolu'daki M agnesia (şim diki adıyla M anisa) şehrinden alm ıştır. G ünüm üz­ deki adı m agnetit, y a da F e 3 0 4 ’tü r. M agnesia şehri adını sadece m ıknatıslara ve m agnetite değil, m agnezyum elem entine de verm iştir: çünkü bu elem ent de m agnesia filizin­ den elde edilm iştir. Bu, W ang C hong'un Lun H en g (İrdelem eler) adlı kitabıdır. Needham*^ “güneyi sapta­ yan kaşık” diyerek m anyetitten söz eder; çünkü bu kaşık Büyük Ayı takımyıldızı biçimin­ de oyulm uş bir m anyetit parçasıdır. Cilalı bir bronz tabak üzerine konduğunda, bu oyul­ m uş taş güneyi işaret edecek şekilde döner. İşin ilginç yanı, Çin'de manyetik pusulaları be­ tim lerken daima, güneyi gösteriyor derler; A vrupa'da ise k u zey i... Bu kitap, N eedham '^ tarafından alıntılanan T seng K ung-Liang'ın Wu Ching Tsung Yau (Ö nem li A skeri T ek niklerin Ö zeti) adlı eseridir. Bu pusuladaki dem ir “balık”, m anyetit çub u k ile v u ru la ra k m ıknatıslanm am ış; dem ir önce ısıtılmış ve soğutulurken kuzey-güney d o ğ ru ltu su n d a sabit tutulm uştur.


m anyetik k u tb u , coğrafi K uzey K u tb u n u n y a k ın la rın d a b ir y e r ­ d ed ir ve p u su la o larak kullanılan herhangi b ir m ıknatısın “kuze3 u-ara 3n p -b u lan k u tb u ”n u çeker. Belki d e en önem lisi Gilb e r t’in, elek trik ve m anyetizm ayı, benzerliklerine karşın farklı olaylar o larak algılam asıydı: B ir m anyetit çu b u k sadece dem iri çeker, fa k at b u n u b aşk a b ir şeye siirtülm eksizin y a p a r; oysa k eh rib a r h er m alzem e kırıntısını çeker, fak at b u n u an cak bir b aşk a u y g u n m alzem eyle sü rtü lü p elektriklendikten so n ra y a ­ par. B u n lar farklı olaylar olsa da, elektrik ve m anyetizm a çok d erin d en ilişkilidir. A rtık biliyoruz ki, b ir m anyetit çu b u k y a da U m ıknatısının m anyetizm ası, dem ir atom larının içindeki elekt­ rik ak ım ların d an ileri gelir. Y erin m anyetizm ası da, gezegenim i­ zin içindeki erim iş m alzem e içerisinde akan elektrik akım ları vasıtasıyla oluşur. Bu k arm aşık olaylar hâlâ araştırılıyor am a bu araştırm aların am acı, m anyetizm anın kendisi h a k k ın d a bir şey­ ler öğren m ek ten çok, dem ir atom larının k atilar içinde kendile­ rini nasıl düzenlediklerini y a d a m addenin Y erk ü rem iz içinde nasıl h arek et etliğini öğrenm ek... G ilb e rt’ten sonra, m anyetiz­ m anın doğasını anlam a y ö n ü n d ek i ilerlem eler, dem irin y a da Y er'in m anyetizm asını inceleyerek değil de, elektrom anyetiz­ mayı, yani k ontrollü elektrik akım larının doğ u rd u ğ u m anyetiz­ mayı inceleyerek gerçekleştirildi. lilektrom anyetizraayı bulm a o nuru, H ans C h ristia n O erste d ’e (1777-1851) aittir. Bu b u luşun k ay n ak ları tam anlam ıyla b errak değildir. B ir öyküye göre, K openhag Ü n iv e rsite sin d e p ro fesö r olan O ersted , 1820 b aşların d a bir dersinde gösteri d e ­ neyi y a p a rk e n y ak ın ın d ak i b ir telden elek trik akım ı geçirildi­ ğinde p u su la iğnesinin saptığını fa rk etm işti. O e rs te d ’in akım kaynağı, otom obil ak üsüne benzeyen b ir b atary ay d ı. (B atarya, 1800’de K ont A lessandro V olta (1745-1827) ta ra fın d a n b u lu n ­ m uştu; b u b u lu ş tüm A v ru p a ’d a elek trik akım ının özellikleri ü zerine y ap ılan deneyleri b ü y ü k ölçüde artırm ıştı. N e tu h a f ki, O e rs te d ’den önce kim se elektrom anyetik etkilere d ik k at etm e­ di.) B aşlangıçta O e rste d ’in elindeki elektrik akım ları çok zayıftı.


Akım taşıyan bir tel, b ir pusula iğnesi üzerine bir kuvvet uygular. Kuvvetin y önü, a k ı­ mın y ö n ü n e bağlıdır. A lttaki şekil, okuyucudan sayfaya doğru giden b ir elektrik akım ı­ n a sahip bir telin yak ın ın d ak i kuvvetin y ö n ü n ü gösterm ektedir.

T em m uz 1820’de ço k d a h a gü çlü b ir b a ta ıy a ile deneylerini te k ra rla d ığ ın d a ise, so n u çlar çarpıcıydı. Akım taşıyan b ir telin y a k ın ın a getirilen b ir p u su la iğnesi, tele ve pusulayla tel a ra sın ­ daki çizgiye dik k o n u m a gelinceye k a d a r salınıyordu. P u su la iğnenin gösterdiği d o ğ ru ltu d a kesintisiz biçim de h a re k e t e ttiri­ lirse, telin etra fın d a b ir çem ber çiziliyordu. E lek trik akım ının y ö n ü d eğ iştirild iğ in d e ise, p u su la iğnesinin y ö n ü te rs d ö n ü y o r­ du. P u su la ile telin arasın a cam, m etal y a d a ta h ta lev h alar k o n ­ d u ğ u n d a bile etk iler sü rü y o rd u . O ersted , k ısa b ir süre sonra, etk in in karşılıklı old uğunu gösterdi; Sadece akım taşıyan b ir tel, b ir m ık n atıs üzerine, örneğin b ir p u su la iğnesi üzerine k u v ­ v et uyg u lam ak la kalm ıyor, b ir m ıknatıs da, elek trik akım ı ta ş ı­ y a n b ir bobin ü zerin e k u v v et uyguluyordu; öyle ki bob in in b ir u cu m ık n atısın k u ze y k u tb u , d iğ er u c u ise g ü n ey k u tb u gibi


d av ran ıy o rd u . S o n u ç olarak, e lek trik v e m an y etizm a tam am en ayrı şey ler değildi. Ç ağım ızda bilim alanındaki iletişim in ve bilim sel değişim in önceki y ü z 3n llardan d ah a hızlı olduğu söylenir. F a k a t o dönem ­ de b irk aç keşif, O e rs te d ’in elektrom anyetizm ayı bulu şu n d an hem en y ararlan m ıştı. O e rste d ’in ilk sonuçlan, L atince yazılm ış d ö rt sayfalık b ir m akaleyle 21 T em m uz 1820’de d u y u ru ld u ve hem en A v ru p a’daki bilim sel akadem ilere gönderildi.*'' O y ıl b it­ m eden m akalenin çevirileri, İngiliz, Fransız, Alm an, Italyan ve D an im ark a bilim sel dergilerinde çıkm ıştı bile. O e rs te d ’in sonuçlarının 11 E ylül 1820’de P aris’teki Fransız E n stitü sü ’nde duyurulm ası tarih i b ir önem taşıyordu. D inleyi­ ciler arasın d a, Politeknik O k u lu ’n d a m atem atik profesörü olan A ndré M arie A m père (1775-1836) de vardı. A m père derhal bir d eney dizisine başladı ve E n stitü ’n ü n b ir sonraki toplantısında, ki sadece b ir h afta sonraydı, ço k can alıcı yeni bir sonuç d u y u r­ du; S adece elektrik akım lan m ık n atıslar ü zerine v e m ıknatıslar elektrik akım ları üzerine k u v v etler uygulam ıyor, aynı zam anda elektrik akım ları d a birbirleri üzerine kuvvetler uyguluyordu. D a h a açık söylem ek gerekirse, aynı yönde akan elek trik akım ­ larına sahip paralel teller birbirlerini iter, zıt y ö n lerd e elektrik akım ların a sah ip paralel teller ise birbirlerini çeker. B ir süre so n ra A m père, tüm m anyetizm anın elektrom anyetizm a olduğu so n u cu n a vardı; B ir doğal m ıknatısa m anyetik özelliklerini v e­ ren, m ıknatıstaki parçacıkların içlerinde dolanıp d u ra n k ü çü ­ cük elek trik akım larıdır. E lek tro m an y e tiz m a n ın ay rın tılı özellikleri. A m p ère ta ra fın ­ d an ve b iraz farklı b ir y a k la şım la J e a n -B a p tiste B iot (17741862) v e F élix S a v a rt (1791-1841) ta ra fın d a n d a h a b a şk a d e ­ n ey lere v e m atem atik sel çözüm lem elere d a y a n d ırıla ra k a r a ş ­ tırıldı. E n b asit ö rn ek , e le k trik akım ı taşıy an iki u zu n paralel tel den ey iy d i. A m p è re 'in b u ld u ğ u gibi, b ir telin d iğ erin e u y ­ guladığı k u v v et, aşağ ıd ak i fo rm ü l ile verilen b ir b ü y ü k lü ğ e sah iptir:


. te l ta ra fın d a n 1 . te le u y g u la n a n = kuvvet

2

2k„

1. te ld ek i ak ım

^

2. te ld ek i ak ım

^

T elle rin boyu

T e lle r a ra sın d a k i u z a k lık

B u ra d a k^, kuvvetleri ve elek trik akım larını ölçm ek için ku l­ lan ılan birim lere bağlı b ir b a şk a evrensel sabittir.* A kım birim i olan "am p er”, elek trik ak ım lan am p er cinsinden ve k u vvetler n e v to n cinsinden ölçüldüğünde, k ^ = 10"^ değerini alacak biçim ­ d e tanım lanır.** * Ç o k d ah a karm aşık d urum larla baş edebilm ek için, akım ele­ m anları arasındaki kuvvet için b ir genel form ül yazm ak yerine, elektrikte kullanılan b iryaklaşım ı izleyerek m anyetik alan k av ra­ mını o rtaya atm ak d ah a elverişlidir. H erhangi b ir noktadaki m anyetik alanın yönü, basitçe o noktadaki b ir m ıknatısın kuzeyiaray an -k u tb u tarafından hissedilen m anyetik kuvvetin yönü ola­ rak tanım lanır. B ir m anyetit çubuk y a d a kalıcı m ıknatısın çevre­ sindeki m anyetik alan, kuzeyi-arayan k u tu p tan dışarıya (çünkü b en zer k u tu p lar birbirlerini iter), güneyi-arayan k u tb a doğru (çü n k ü zıt k u tu p lar çeker) yönelir. A yrıca O ersted'in bulduğu gi­ bi, eıkım taşıyan doğrusal uzun b ir telin yakınındaki b ir no k tad a m anyetik alan, tele ve bu no k ta ile tel arasındaki çizgiye diktir**“ * M adem ki k.„ bu form ülle tanım lanıyor; neden 2k ^ değerine sahip gibi bir başka sabit tanım lam adık diyebilirsiniz; böylece fazladan 2 çarpanını kuilanm aksızın form ülü' m üzü İK„ cinsinden yazabilirdik. N edeni şudur: B u rad a 2 çarpanını bu şekilde ortadan kaldırsaydık. başka b ir y e rd e o rtay a çıkacaktı. Ö rneğin, boylarına göre birbirlerinden çok u zak ta olan iki kısa paralel akım teli arasındaki kuvvet, bu kez fazladan bir j çar­ panı içerir. ** Bu, am perin özgün tanım ıdır; b ir bakım a uygulam ayı kolaylaştırm ak için, elektroliz­ le ilgili y ap ılan bir tanım ın y erini alm ıştır; ki bu 3. B ölüm 'de tartışılacaktır. A b am p ery a da elektrom anyetik birim (emb) denen bir başka birim daha vardır; bu birim , birbirlerin­ den I cm uzaklıkta d u ra n ve 1 abam perlik akım lar taşıyan çok uzun iki telin arasında uzunluk başına v a r olan kuvvet, 2 din/cm olacak şekilde tanım lanır (yani, kuvvetler din ve akım lar abam per cinsinden ölçüldüğünde k ^ » l'd ir). B uradan kolayca 1 abam per =10 am p er sonucu çıkarılabilir. B ir süre Önce (bana göre y an lışa düşülerek), santim etre, gram ve saniyeye dayanan elektrom anyetik birim ler yerine, sanki daha kullanışlı birim lerm iş gibi, am p er ve bunu n la ilgili coulomb, volt gibi birim ler ortaya atılmıştır. **** A m père, akım^taşıy^an u zu n doğrusal b ir tel tarcdindan doğurulan m anyetik alanın y ö n ü n ü saptam ak için uygun b ir k ural verm işti: Tel boyunca akım y ö n ü n d e 30 izen ve alanın ölçüleceği n o k tay a b ak an küçü k b ir adam d üşünürüz. Bu d u ru m d a alan, y ü z ü ­ cü n ü n sol k o lu n u n y ö n ü n d e olacaktır. Bu kuralı anlatm anın b ir b aşk a y o lu d a şudur: Sağ elinizin başparm ağını akım ın y ö n ü n ü gösterecek şekilde telin üzerine koyarsanız, o zam an d ö rt parm ağınız m anyetik alanın yö n ü n d e kıvrılacaktır.


Bir çu b u k m ıknatısın etrafındaki m anyetik alan çizgileri

(51. sayfadaki şekle b akınız). Z aten d ah a önce değinildiği gibi. A m père, ikinci paralel tel üzerindeki m anyetik kuv v etin b ir tel­ den diğerine olan çizgi b o y u n ca ve her iki tele de dik olduğunu bulm uştu; b ir başka deyişle, kuvvet, tellere ve m anyetik alana diktir. Bu, genel k u ra ld ır -akım taşıyan telin küçük b ir parçası ü zerine m anyetik kuvvet, daim a hem m anyetik ala n a ve hem de tele dik bir d o ğ ru ltu d a etkir. (55. sayfadaki şekle bakınız). Belirli b ir m anyetik alan içinde bulunan b ir tel parçası üzerin­ deki kuvvet, telin taşıdığı akım ile ve tel parçasının uzunluğu ile orantılıdır. Bu kuvvet, ayrıca alan ve tel arasındaki açıya d a bağ­ lıdır; alanla tel paralel olduklarında kuvvet sıfıra düşer, dik ol­ d u k ların d a ise en b üyük değerine ulaşır. Böylece, m anyetik ala­ n a dik açıda tu tu lan bir tel parçası üzerine uygulanan kuvvetin. T el ü z e rin d e k i kuvvet

T e lin ta ş ıd ığ ı

T elin

a k ım

u z u n lu ğ u

M a n y e tik alan

form ülüyle verildiğini belirterek, m anyetik alanın b üyüklüğünü tanım layabiliriz. B u n a göre, m anyetik alanm birim i, akım başı­ n a u zu n lu k başın a kuvvet, örneğin nevton/am per.m etredir.* ** Bu birim , b u ra d a bizi ilgilendirm eyen nedenlerle, weber/m^ olarak d a adlandırılır. M an y etik alan ın b ir b a şk a birim i olan gauss, fizikçiler arasın d a çok kullanılm aktadır. 1 gauss, 10 nevton/am per.m etreye eşit olacak şekilde tanım lanır. M anyetik alan birim i olarak gaussun kullanım ı Öylesine y ay g ın d ır ki; denizaltıların y erin m anyetik alanından aldıkları çok az mıknatıslcinmayı görev dönüşünde giderm e işlem ine, A m erika Birleşik D evletleri D en iz K uvvetleri'nde 'g au ss-b o şaltm a (degaussing)” denir.


Y erin m anyetik alanı 5 x 10"'’ N /am p.m , yıldızlararası uzaydaki m an y etik alan genelde 1 0 ’ N /am p.m kadardır; m odern laboratu v a rla rd a sürekli olarak tutulabilen en şiddetli m anyetik alan ise y ak laşık 10 N /am p .m ’dir. E lek trik akım ı taşıyan doğrusal bir telin d o ğ u rd u ğ u m anye­ tik alanı ifade edecek b ir form ül çıkarm ak için, şim diye dek öğ­ rendiklerim izi bir aray a getirebiliriz. B ir an için iki paralel tel ö rneğine dönelim ; o ra d a bir telin doğu rd u ğ u m anyetik alan, di­ ğ er tele d ik y ö n d ed ir. B ir tele d iğ er teldeki akım tara fın d an u y ­ g u lan an kuvvetin (53. sayfadaki form ülle verildiği gibi), ikinci telin o lu ştu rd u ğ u m anyetik alan tarafın d an uygulanan kuvvet (54. sayfadaki form ülle verildiği gibi) olm asını istersek; ikinci telin doğuracağı m anyetik alanın aşağıdaki form ülle verileceği­ ni görebiliriz: T eld ek i a k ım ın n e d e n o ld u ğ u m a n y e tik alan

2k^

A kım

T e ld e n o lan u zak lık

Ö rn eğ in , 15 am p er ak ü n taşıyan u zu n b ir telden 0,02 m etre ötede o luşan m anyetik alan, b u form ülden 2 X 1 0 ^ X 15

0,02

= 1,5 X 10 ■'N/amp.m


o larak b u lu n u r. B u değer, Y e r’in alanından d a h a şiddetlidir; dolayısıyla b ir p u su lan ın iğnesini şiddetli b ir şekilde saptırır. E lektrom anyetizm anın keşfi, kısa sürede sadece bilimi değil, teknolojİ 3Û d e etkiledi. Ç elik fabrikalarm da v e p arçac ık hızlandı­ rıcıların d a k u llandan güçlü m ıknatıslar, elektrom ıknatıslardır, b u n ların içindeki m anyetik alan, m anyetit taşı y a d a d iğ er kakçı m ıknatısların dem ir atom larındaki k ü çü k akım lar tarafın d an de­ ğil de, b ir tel bobininden geçirilen elektrik ak ım lan tarafından o lu ştu ru lu r, in san lık tarihi açısından elektrom anyetizm anın bel­ ki de en önem li uygulam ası telgraftır. A m père’in hem en gördü­ ğü gibi, b ir p u su la iğnesinin sapm ası bize, a n a h ta r u z a k ta d a ol­ sa, b ir tel üzerin d en akım ın geçtiğini söyleyebilir; böylece "açıl­ m alar" ve "kapanm alar"dan oluşan b ir diziye indirgenen b ir m e­ saj, kullanılan tel yeterince güçlü bir akım taşıdığı sürece uzak­ lara yollanabilir. O e rsted ’in keşfinden sonraki y ılla rd a b u şekil­ de birçok telg ra f ilkörneği geliştirildi. 183d’te G öttingen kasaba­ sında G auss ve W eb er tarafından laboratuvar ile gözlem evi a ra­ sında b ir telg raf hattı işletim e açıldı. S onunda, A m erika Birleşik D evletleri’nde Sam uel F. B. M orse (1791-1872) kullanışlı bir telgraf geliştirdi ve 183d’te K ongre’nin desteğiyle W ashington ve B altim ore arasında çalışan b ir hat döşendi. A m père de O ersted de bilim alan ın d a üne kavuştu ve tüm A v ru p a’d a bilimsel derneklere seçilerek onurlandırıldılar; fakat bu ilgiye k arşı y an ıtları çok farklı oldu. A m père o b ü y ü k m ate­ m atiksel yeteneğini som urtkan ve sıkılgan b ir tav ırla birleştirdi -aslında bu pek şaşırtıcı değil, çünkü babası F ran sız D evrim i’nde giyotine gönderilm işti. D algınlığıyla ilgili b irço k hikâye y a ­ yılm ıştı; örneğin, b ir keresinde P a ris’te caddede d u ra n b ir a ra ­ b an ın y a n tara fın a h esa p la r y a p m ağ a başladığı ve a ra b a gidince h e sa p la n nasıl kaybettiği anlatılır. Y aşam ının so n ların a doğru, tü m y aşam ı b o y u n ca sadece iki y ıl m utlu o lduğun u söylem işti. O e rste d ise tüm üyle şen b ir g ö rü n ü m sergiler. E lek tro m an 3 'etizm ayı keşfedişinden so n ra k i y ılla rd a bilim i y a y m a k için bir

d e rn e k k u rd u ; D an im ark a, N o rv eç ve A lm anya’d a y ap tığ ı ça­


lışm alar ü zerine k o n fe ran slar verdi. 1825’te elek trik akım ları k u lla n a ra k alü m in a b ileşiğinden alüm in 3m m elem entini ay rış­ tırmadır b aşard ı. 1847'de D a n n e b ro g ’u n B ü y ü k H a ç ’ryla ö d ü l­ lendirilm iş o lm ak tan özellikle m utluluk duydu. O e rste d ’i “B ü ­ y ü k H a n s C h ristia n ” ve kendisini “K üçük H ans C h ristia n ” d i­ ye ta n ıta n H a n s C h ristian A n d ersen ile ark ad aşlık etti. O e rs ­ ted, B rah e ve B o h r ile b irlik te en b ü y ü k D an im ark alı bilim ci o larak ulusal b ir k a h ra m a n haline geldi. 1954'te K o p en h ag ’d a ­ ki N iels B ohr E n s titü sü ’nde lisansüstü öğrenciliğim sırasında, b en i h e r g ü n en stitü ye g ö tü ren tram vay, D a n im a rk a dilinde “H. C. O e rste d Y o lu ” anlam ına gelen uzu n ve işlek b ir c a d d e ­ den giderdi.

Katot Işınlarının Manyetik Sapması T hom son d en eyinde k ato t ışınları, ışın d o ğ ru ltu su n a dik açı­ d ak i d ü zg ü n b ir m anyetik alanın b u lu n d u ğ u b ir b ölgeden geçi­ y o rd u . B ir önceki bölüm de anlatılan m anyetik k u v v etler k u ra ­ mı, m anyetik alanın belirli b ir akım taşıyan b ir tel parçasın a u y ­ gulayacağı kuvveti hesaplam ayı olası hale getirir; fakat bizim b u ra d a hesaplam am ız gereken, m anyetik alanın k ato t ışını için­ deki p arçacık ların h erh an g i birine uygulayacağı k uvvettir. Akım taşıyan bir telin üzerindeki bilinen k u vvetten h a re k e t­ le b ir te k y ü k lü p arçacığa uygulanan m anyetik kuvveti sap ta­ m anın b asit b ir yolu, elektrik akım ını y ü k lü parçacıkların akışı şeklinde yo ru m lay an ilk fizikçilerden biri olan W ilhelm W eb er (1804-1890) tarafın d an bu lu n m u ştu r. Tele dik b ir m anyetik alanın b u tel ü zerin d e o lu ştu rd u ğ u kuvvetin, telin uzunluğu, te­ lin taşıdığı akım ve m anyetik alanın çarpım ına eşit olduğunu hatırlajnn. D olayısıyla problem , telin u zunluğu ile akım ın çarpım ı­ nı, teld ek i y ü k lü p arçacık ların sayısı ve hızı cinsinden y en id en yo ru m lam ak tır. E lek trik akım ı taşıy an b ir tel düşünün. B ir p arçacığın k a t et­ tiği uzaklık, tam ı tam ın a parçacığın hızı ile geçen zam anın ça r­ pım ı o ld u ğ u n a göre; telin uzunluğu, telin içinde ak an parçacık-


larin hızı ile bu p arçacıklardan herhangi birinin telin b ir u cu n ­ d an ö b ü rü n e varın caya k ad a r geçecek zam anın çarp ım ın a eşit­ tir. Bu çarpım ı ay rıca elektrik akım ı ile ça rp arsa k aşağıdaki ba­ ğıntıyı buluruz; T elin u z u n lu ğ u

E le k trik 1 = a k ım ı

Y ü k ü n tel p a rç a c ık la rın ^ hızı

X

u zu n lu ğ u n u x kat edeceği zam an

a k ım ı

Şim di son iki ça rp an ın çarpım ına bakalım . Akım, zam an başına 3âik o ld u ğ u n a göre; y ü k ü n telin u zu nluğunu k a t etm esi için ge­

rekli zam an ile elek trik akım ının çarpım ı, tam o larak teldeki toplam y ü k e eşittir. D olayısıyla telin uzunluğu çarpı akım , tel­ d e içerilen y ü k çarpı y ü k lü parçacıkların hızına eşittir.* Y ani şu bağıntıyı yazabiliriz: T elin u z u n lu ğ u

^

E le k trik ak ım ı

Y ü k lü p a rç a c ık la rın hızı

^

T eldeki e le k trik y ü k ü

Bu form ülü 54. sayfadaki form ülle birleştirirsek, bir tel p a r­ çası ü zerin e uygulanan m anyetik kuvvetin, telde h a re k e t eden tüm p arçacıkların elektrik yü k ü y le, hızlarının ve m anyetik ala­ nın çarpım ı o lduğunu g ö rü rü z. P arçacıkların tüm ü aynı y ü k ve hıza sahipseler, bu kuvveti eşit olarak paylaşm aları gerekir. Dolayısıyla, h er bir parçacığa, parçacığın h arek et doğru ltu su n a dik b ir m anyetik alan tara lın d a n uygulanan k u v v et aşağıdaki bağıntıyla verilecektir: H a re k e tli b ir p arçacığ a, h ız ın a d ik b ir m a n y e tik = I I - I i a la n ın u y g u la y a c a ğ ı k u v v et

arç a c ığ ın e le k trik y ü k ü

P a r ç a c ı ğ ın

M a n y e tik

hızı

a la n

Ö rneğin, G ü n eş’ten fırlayıp Y e r’in atm osferine çarp an p a rç a ­ cıkların elek trik y ü k leri 2 x 1 0 coulom b ve hızları saniyede 5 X 10’’ m etre k ad ard ır; dolayısıyla böyle b ir parçacığ a Y er'in * Bu form ül, y aln ızca elektrik ak^mIa4^ ve yükleriyle sınırlı değildir; örneğin, 100 km uzunlu ğ u n d ak i b ir otoyol, h e r biri sa atte 50 km hızla giden saatte 1000 otom obillik bir "akım ” taşırsa, b u otoyolda 2 0 0 0 otom obil var dem ektir. ( 1 0 0 km x 1 0 0 0 otom obil/saat = 2000 otom obil X 50 km /saat.


m anyetik alanının (ki 5 x 1 0 nevton/am per.m etre şiddetinded ir) uygulayacağı kuvvet yaklaşık (2 X 10“'^ C) X (5 X 10'’m/s) X (5 X 10~* N/amp.m) a 5 x 10“'®N

d u r. B u b ü y ü k b ir k u v v et değildir, fakat b u p arçac ık la r k abaca 5x1 0 '^*’ kilogram lık b ir kütleye sahiptir; böylece parçacıkların m anyetik ivm esi 5 x 10“'® N bolü 5 x 10 “ kg, y ani 10® m/s^ k a ­ d a rd ır -kütleçekim inin 9,8 m /s^lik ivm esinden çok d a h a b ü ­ yü k ... P arçacık ların hızı m anyetik alana dik değilse, kuvvet d a ­ h a azdır; m anyetik alan d o ğ ru ltu su n d a hareket eden p arçac ık ­ lar için kuvvet tüm den sıfır olur. G üneş tarafından salınan y ü k ­ sek hızlı y ü k lü p arçacıkların Y e r’in m anyetik alanm ca y ö n le n ­ dirilip alan y ö n ü n d e h arek et etm elerinin. Y e re m anyetik k u ­ tu p ların y ak ın ın d a çarpm alarının ve atm osfere girdiklerinde o güzelim ku zey ve güney ışıklarını y aratm aların ın nedeni budur. W e b e r’in çalışm asında asıl önem in, akım taşıyan tel ü zerin ­ deki m anyetik k u v v etten tek tek p arçacıklar üzerindeki kuvve­ te kaydırılm ası, T h o m so n ’u n k a to t ışınlarını tek tek p arçac ık la­ rın akışı o larak düşünm esine yardım cı oldu. A rtık Thom son, k ato t ışınının kendi h arek et y ö n ü n e dik bir m anyetik alan nede­ niyle yerd eğ iştirm esin i hesaplam ak için, 35. sayfadaki form ülle birlikte, h arek etli b ir p arçacık ü zerindeki m anyetik kuvvet için çıkarılan y a k a rd a k i lorm ülü kullanabilirdi. Y u k ard ak i m anye­ tik kuvvet ifadesinde y e r alan hız çarpanı, y erdeğiştirm e form ü­ lü n ü n p aydasındaki hızın k aresin d en birini g ö tü rü r; böylece şu yerd eğ iştirm e 3 n buluruz: iy ca » .Işın pjjcan rç M a n y e tik S a p m a bö lg esi S ü rü k le n m e , V , V , . M a n y e tik a la n a ğ ı n ı n y ü.1 kü alan u z u n lu ğ u ^ bölgesi u z u n lu ğ u n ed en iy le ışın ın ----------------------------------------------------------------------------------- ---------------

y e rd e ğ iş tirm e s i

Işın p a rç a c ığ ın ın k ü tle si

x

Işın p a rç a c ığ ın ın hızı

T hom son için önem li n o k ta şuydu: M anyetik ku v v et hızla o ran tılı o ld u ğundan, m anyetik sapm a, elektriksel sapm adan fark lı olarak, ışın p arçacıklarının y ü k ü n e, kütlesine ve hızına b a şk a b ir biçim de bağlıydı.


Thomson’un Sonuçları K atot ışını p arçacıkları h ak k ın d a b ir şeyler öğrenm ek için, önceki bölüm lerde geliştirilen k u ram ile T hom son’u n deneysel sonuçlarını artık b ir araya getirebiliriz. Ö nce y u k a rıd a elde et­ tiğim iz a n a sonuçları hatırlayalım . "Sapm a bölgesi’n d e k ato t ışınına dik açılard a uygulanan elektrik y a d a m anyetik alanlar, “sürüklenm e bölgesi”nin so n u n d a tü p ü n cam d u v a rın a çarpan ışında, aşağıdaki form üllerle verilen m ik tard a bir yerdeğiştirm e m eydana getirecektir: Işın p arçacığ ın ın {.lektriksel sap m a

3^ükü

^

Sapm a

E le k trik alan ı

Işın p a rç a c ığ ın k ü tlesi

bölgesi u z u n lu ğ u

S ü rü k le n m e bölgesi u z u n lu ğ u

x (Iş ın p a rç a c ığ ın ın hızı)^

ve

Manyetik sapm a

Işın p arçacığ ın ın yükü

Sapm a

M a n y e tik alan

İşın p a rç a c ığ ın ın k ü tlesi

bölgesi u zu n lu ğ u x

S ü rü k le n m e bölgesi u z u n lu ğ u

Işın p a rç a c ığ ın ın Kızı

T hom son tü p içindeki elek trik alanlarının ve m anyetik alan ­ ların değerleri ile sapm a ve sürüklenm e bölgelerinin u zu n lu k la­ rını biliyordu; elektrik kuvvetlerinin y a d a m anyetik kuvvetle­ rin d o ğ u rd u ğ u sapm aları d a ölçtü. Bu d u ru m d a k ato t ışını p a r­ çacıkları h a k k ın d a n e çıkarabilirdi? B ak ar bakm az açık ça g ö rü ­ lü r ki, k ato t ışını p arçacıklarının 30 ikü y a d a kütlesi h ak k ın d a ayrı ayrı bilgi edinm ek için ne T hom son’u n ne de b a şk a birinin b u form ülleri kullanabilm esinin hiçbir y o lu y o k tu r; çü n k ü h er iki form ülde d e b u niceliklerin sadece oranı y e r alm aktadır. Z a ­ ra rı y o k -bu o ran ın zaten kendisi ilginçtir. (E lek tro n u n kütle ve y ü k ü n ü n ayrı a y n ölçülm esine 5. B ölüm ’de geri döneceğiz.) Bir b a şk a so ru n d a şudur: K atot ışını parçacıklarının y ü k ü ile k ü t­ lesinin oranını bulm ak için bile, b u form üllerden hiçbiri kendi başın a kullanılam azdı, çünkü T hom son p arçac ık la rın hızını bil­ m iyordu. G erçi, d a h a önce değinildiği gibi, elektriksel v e m an-


y etik sapm anın ikisini de ölçerek b u so ru n aşılabilir. Ö rneğin, b u iki den k lem in oranını aldığım ızı d ü şü n ü n . B u du ru m d a, sağ ta ra fta kütle, y ü k ve h e r iki u zu n lu k b irb irlerin i g ö tü rü r, fakat h ızlar götürm ez; çü n k ü b ir form ülde hızın karesi, diğerinde ise sadece hızın k en d isi v ard ır. Böylece şu b asit sonuç çıkar: M a n y e tik sa p m a

M a n y e tik ala n

B le k trik se l sa p m a

B le k trik a la n ı

X Hız

H e r iki alan şiddeti de bilindiğinden ve b u n lara karşılık gelen sap m alar ölçüldüğünden, T hom son’un hızı bulm a olanağı vardı. B u d u ru m d a hızı, b ilinen b ir nicelik o larak ele alıp, ışının y a elektriksel y a d a m anyetik sapm asıyla ilgili form üllerin birinden k ato t ışını p arçacıklarının y ü k bölü k ü tle (ya d a kütle bölüym k) oranını saptayabilirdi. Şim di verilere gelelim . T hom son k a to t ışınlarının elektriksel ve m an y etik sapm alarını, elek trik alanlarının ve m anyetik a la n ­ ların fark lı değerleriyle, tü p ü n içindeki farklı d ü şü k basınçlı gazlarla, farklı k ato t m alzem eleriyle ve farklı k ato t ışını hızla­ rıy la tan ım lan an b irço k farklı d u ru m d a ölçtü. B ulduğu so n u ç ­ lar T ab lo 2 .T d e g ö rü lm ektedir; bu so n u çlar P hilosophical A iag-azine’de'^ 1897’de çıkan m akalesinden alınm ıştır. B u d u ru m ­ ların tü m ü n d e T hom son aynı k ato t ışınım kullandı; bu ışının elektriksel ve m an y etik kuvvetlerin etkisinde aldığı y o l (yani sap m a bölgesinin u zu n lu ğ u ) 0,05 m etre ve ondan so n ra tü p ü n k arşı u c u n a v arın cay a k a d a r serbest olarak gittiği y o l (yani sü ­ rü k len m e bölgesinin u zu n lu ğ u ) ise 1,1 m etreydi. T ablo 2 .1 'in en sağındaki iki sü tu n u T hom son'un elektriksel ve m anyetik sap m a ölçüm lerinden hesapladığı k a to t ışını p a rç a ­ cığının hızını ve k ü tle/yük o ranı d eğerlerini gösteriyor. Bu nice­ likleri h esaplam a form ülleri E k B ’de işlenm iştir. B urada, d oğru h esaplanıp hesap lan m adıklarını gö rm ek için, sadece b ir d u ru m ­ daki sonuçları k o n tro l edelim . Ö rn eğ in , T ablo 2.1’in ilk satırını alalım . B u deneyde elektrik alanları ve m anyetik alan lar coulom b b aşın a 1,5 x lO'' nev to n ve am per.m etre b aşın a 5,5 x lO’’'


T ab lo 2.1. K a to t ış m la n m n e le k trik se l v e m an y etik sap m aları ü zerin e T h o m so n 'u n yaptığ;ı d e n e y le rin s o n u ç la n Katot ışını K ato tu n E lek trik E lektriksel M anyetik M anyetik Hesapicinan T üretilen tüpündeki malzealanı sapm a alan sapm a Işın parçacı- kütle/yük gaz mesi (N /C ) (m ) (N /am p.m ) (m) ğının hızı oranı (m/s) (kg/C) Hava

Alüminyum

1,5x10^

0,08

6,5x10-'

0,08

2,7xUF

1,4x10-"

Hava

Alüminyum

1,5x10^

0,095

5,4x10 '

0,095

2,8x10'

1,1 x 1 0 "

Hava

Alüminyum

1,6x1 0^

0,13

6,6x10

0,13

2,2x10"

1,2 x 1 0 "

Hidrojen Alüminyum

1,6x10'

0,09

6,3x10 '

0,09

2,4x10'

1,6x10

"

Kcirbon- Alüminyum (lioksil

1,6x10'

0,11

6,9x10 '

0,11

2,2xUF

1,6x10

"

Havil

l’latin

1,8x10'

0,06

5,0x10 '

0,06

3,6x10'

1,3x10"

I lava

Platin

1,0x10'

0,07

3,6x10 '

0,07

2,8x10'

1,0x10

■'

"

Farklı d u ru m la rd a katot ışını hızicin fark ettiği için, aynı elektrik alanı için bile elekt­ riksel sapm alar değişiyor. Burada m anyclik s¿ı}>maIar, elektriksel sapm alarla aynı görü­ nüyor; çün k ü Thom son her b ir durıım da ı■n¿myctik alanı elektriksel stıpmiiylii aynı m an­ y etik s^ıpmayı verecek biçimde ayarlıyordu. T hom son’un basılı verilerini kullanarak son iki sütundaki sonuçlan ben de ¿lynca bes£ipladını. Bazıları, T hom son tarafından hesap­ lanan d eğerlerden son ondalık basam akta bir birim fark ediyor. Sanıyorum b u nun ne­ deni şu: T h o m so n ’un basılan deneysel verileri, gerçek değerler yuvarlantırak yazılmış, oysa Thom son hesap ların d a gerçek verlltMİ kullanm ıştı.

nevtondu; k ato t ışını hızının hesaplanan değeri saniyede 2,7 x 1(F m etreydi ve parçacık kütlesinin y ü k e or^mı coulom b başına 1,4 X 10 " kilogram (y a d a tersi olan y ü k ü n kütleye oranı 7 x lO'" coulom b/kilogram ) olarak bulunm uştu. Bu bölüm ün başındaki form ülleri k u llanarak, aşağıdaki sapm aları buluruz:

E le k trik se l sa p m a

(7 X 10'“C /kg) X (1,5 X lO ^N /m ) x 0,05m x l , l m (2 ,7 X lO'm/s)"* ! 0 ,0 8 m.

M a n y e tik sa p m a

(7 X 10'“C A g ) X (5.5 X lO”“^ N /a m p .m ) x 0,05 m x 1.1 m 2 ,7 X 1 O^m/s s 0,0 8 m .


B u n lar, ölçülm üş sap m alarla uyum içindedir; dolayısıyla hızın ve k ü tle/y ü k oranının d o ğ ru olarak hesaplandığını onaylam ış oluyoruz. E lektriksel ve m anyetik kuvvetlerin ikisi için de aynı sap m a o rtay a çıktı (diğer d u ru m lard ak i deneylerde de öyle) am a b u n u n b ü y ü k önem i yok, ayrıca rastlantı d a değil; çünkü T hom son h er d eneyde elektrik alanıyla aynı sapm ayı verecek b ir m anyetik alan ayarlam ayı nedense d ah a uygun bulm uştu. T ablo 2. Tin son sü tu n u y eterin ce tu tarlı görünüyor. K atot ışını tü p ü n d ek i gaz ve k ato tu n yapıldığı malzeme deneyden d e ­ neye değişse ve k ato t ışını p arçacık ların ın hızı neredeyse 2 katı k a d a r fa rk etse bile; varsayılan k ato t ışını parçacıklarının k ü t­ le/yük oranı h er d u ru m d a birbirlerine epeyce y akın çıkmıştı. Bu, kato t ışınlarının, salındıkları k ato tu n yapıldığı m alzem eden bağım sız, tek kütle ve y ü k değerli b ir cins parçacık tan oluştuğu k o n u su n d a (en azından T hom son için) inandırıcı b ir kanıttı. K atot ışını parçacıklarının kütle/yük oranı için T hom son’un sonuçlarının ortalam ası, coulom b başına 1,3 x 10'“ kilogram lık b ir d eğ er verir. T hom son h er bir ölçüm ünde olabilecek h atala r­ la ilgili kestirim lerini yayım lcunadı (bu eksiklik, b u g ü n olsaydı, m akalesinin h er iyi fizik d ergisinden geri dönm esine neden o lu r­ d u ). B u n u n la birlikte, o n u n kütle/yük değerlerinde görülen y a ­ yılıştan bu değerlerin 0,2 x 10'" k g /C ’Iuk b ir istatistiksel belir­ sizliğe (h e r iki y ö n d e) konu olması gerektiğini çıkarabiliriz. T h o m so n ’un b ü y ü k olasılıkla 1,1 x 10“" ile 1,5 x 10'" kg/C a ra sın d a olan k ü tle/y ü k oranı sonucu, b u g ü n k ü 0,56867 x 10 " k g /C değeriyle karşılaştırılabilir. T hom son’u n bu değere çok yak laşam adığı açıktır. K endi değerleri içinde o ld u k ça iyi g ö rü ­ n en tu tarlılığ a bakılırsa, T h o m so n ’un elektriksel ve m anyetik alan ların ölçüm ünde tüm deney te k ra rla rın a yayılm ış olan bü30 ik b ir sistem atik h a ta y ap m ış olm asından ku şk u duyulabilir;

am a ü zerin d en seksen yıl geçtikten so n ra b u n u kim kesinlikle söyleyebilir? T hom son aygıt kullanm a k o n u su n d a iyi değildi. B u n u n la birlikte, T hom son gerçekte k ato t ışını parçacıklarının k ü tle/y ü k oran ın ı sap tam ak için sadece elektriksel ve m anyetik


sapm a ölçüm lerine güvenm edi. T ü p ü n diğer u c u n d a depolanan ısı enerjisinin ölçüm lerine d ay an an b ir başka y ö n tem de kullan­ dı. E n erji k av ram ım gözden geçirdikten sonra, b u y ö n tem e g e­ ri döneceğiz.

Geriye Dönüş: Enerji H a rek etli cisim ler, çarptıkları nesnelere etki etm e erkine sa­ hiptir. D eneyim lerim izden -yere çarpan y a ğ m u r dam lalarm dan veya hedefe ça rp an m erm ilerden y a d a katot ışını tü p ü n ü n k a r­ şı u cu n a çarp an elek tronlardan- biliyoruz ki, b u etkiler, hare­ ketli cism in kütlesi ve hızı a rttık ç a a rta r. G erçekte, tüm bu tü r etkileri o rta y a çık arm ak için hareketli cisim lerin erkini olağa­ nüstü y a ra rlı b ir biçim de ölçm eyi sağlayan kütle ve hızın basit b ir birleşim i v ard ır. Bu birleşim kinetik enerji olarak bilinir ve şu form ülle verilir: K in etik en erji =

2

^ K ütle x (H ız )’

E nerji birçok biçim de o rta y a çıkar; fak at k in etik enerji, ta­ nım lanm ası en kolay olanıdır v e d iğ er tü m enerji biçim leri için ilk örn ek olanak alınır. Enerji birim i, m etre-kilogram -saniye bi­ rim siste m in d e ,/u /d ü r ( J ) . Ö rn eğ in , kütlesi 2 x lO’k g v e hızı sa­ niyede 30 m etre olan bir otom obilin kinetik enerjisi 2

X (2 X 10^ kg) X (30 m /s)*

= 9 x 10^ J 'd ü r .

Kütle ve hızın bu özel birleşim inin önem i, iş Üe olan ilişkisin­ den ileri gelir. B ir kuvvet b ir nesne 3ri belirli b ir uzaklığa itm ek için kullanıldığında, b u n u n ne k ad a r başarıldığının ölçüsü iştir. A ğır b ir cismi kaldırdığım ız zam an yaptığım ız işin, hem y e rç e ­ kim ine (yani, cism in ağırlığına) k arşı k ullanm ak z o ru n d a oldu­ ğum uz ku v v et ile hem de cism in kaldırıldığı y ü k se k lik ile o ra n ­ tılı o ld u ğ u n u n h ep farkındayızdır. B ir cism e b ir k u v v et u y g u ­ landığında ve b u kuvvet yerçekim i gibi b ir b a şk a ku v v et ile dengelenm ediğinde, cisim ivm elenir. Bu durum da, cism in k in e ­ tik enerjisindeki artış, tam olarak jrapdan işe eşittir. (B u sonuç.


E k D ’de gösteriliyor.) Ö rneğin, b ir cisim 1 n ev to n lu k b ir k u v ­ vetle 1 m etrelik b ir yol b oyunca itilirse, cism in kinetik enerjisin­ d ek i artış tam 1 ju ld ür. Bu bağıntı tersine de çalışır: H areketli b ir cisim b ir engeli iterse, cism in y ap tığ ı iş, kinetik enerjisinde­ k i azalm ay a eşittir. B ir cisim tarafın d an kazanılan y a d a k ay b e­ dilen k in etik en erjin in o cisim ü zerin d e y a d a o cisim tarafından y ap ılan işe böyle b asit b ir biçim de bağlı olm ası için, kinetik enerji tan ım ın a ^ çarpanı konulm uştur. K inetik enerji ve iş arasın d ak i bağıntı, bizi do sd o ğ ru kinetik en erjinin ikinci önem li özelliğine g ö tü rü r: B irçok d u ru m d a, k i­ n etik enerji k o ru n u r. Ö rn eğ in , b ir b ila rd o oy u n u n d a, istekayla v u ru la n to p b aşk a b ir to p a v u ru rsa ve to p la r hissedilir d e re c e ­ de ısın m azlarsa y a d a ça rp ışm a d a b a şk a tü rlü değişim lere u ğ ­ ra m a zlarsa o zam an -istek a to p u b iraz kinetik enerji k a y b e d e ­ cek ve d iğ er to p biraz k a z an ac ak olsa bile- iki to p u n kinetik en erjilerin in toplam ı, ça rp ışm ad an so n ra çarpışm adan öncekiy­ le ay n ı olacaktır. B u n un nedeni şudur: Ü çüncü N ew to n Y asası’n a göre, isteka topu tara fın d an d iğ er to p a u y g u lan an kuvvet, söz k o n u su to p tara fın d an istek a to p u n a uygulanan kuvvete b ü y ü k lü k çe eşit ve y ö n ce zıttır. A yrıca, iki top değm e d u r u ­ m u n d a k aldıkları sürece aynı yolu alırlar. D olayısıyla ikinci to p üzerinde y ap ılan iş, istek a to p u tarafından y ap ılan işe eşittir. Bu d u ru m d a, ikinci to p u n kinetik enerjisindeki artışın , istek a to p u n u n kin etik en erjisindeki azalm ayı dengelediği görülür; böylece toplam k inetik enerji k o ru n m u ş kalır. K uşk u su z, cisim ler b irb irleri ü zerin e u za k ta n etki ettik le rin ­ de -ö rn eğ in Y e r’in çekim etk isi a ltın d a b ir to p d ü ştü ğ ü n d e, k i­ n etik en erji k o ru n m az. B u d u ru m d a, d ü şen cisim açık ça k in e­ tik enerji kazan ır; o y sa Y e r’in kinetik enerjisi esas o larak d eğ iş­ m ez. F izik te en e rji k avram ı kullanıldığında, bu, h ep k arşılaşı­ lan b ir so ru n d u r. E n erji önce bazı kısıtlı b ağ lam lard a (örneğin b ilard o to p ların ın çarp ışm aların d a) k o ru n a c a k biçim de tan ım ­ lan ır ve so n ra d a d a h a geniş b ir bağ lam d a koru n m ad ığ ı g ö rü ­ lür. B u s o ru n a fizikte çok verim li old u ğ u kanıtlanm ış b ir y a n ıt


Zıplayan b ir g o lf to p u n u n b u çok-pozlu fotoğrafında, lıer b ir pozla b ir önceki arasında kısa zam an aralığı vardır. Fotoğraf, düşm e uzaklığı ile ulaşılan hız arasındaki ba­ ğıntıyı ve potansiyel ile kinetik enerjinin birbirlerine dönüşüm ünü gösteriyor. H e r zıp­ lam anın ziı*vcsinde topun enerjisi tüm üyle potansiyel, dibinde ise tüm üyle kinetiktir.

b u lu n m u ştu r: E nerji k av ram ından vazgeçm eyip onu tüm e n e r­ ji tü rlerin in toplam değeri k o ru n a cak biçim de genişletm ek, y e ­ ni enerji tü rleri tan^mlam^ık. D üşen cisim ler ö rn eğinde, g erçek ten de b ir b a şk a tü r enerji -konum enerjisi y a d a p o ta n siyel enerji- tanım layabiliriz; öyle ki toplam kinetik artı potansiyel enerji sabit kalsın. Ö rneğin, Y e r y ü zey in in y ak ın ların d ak i kütleçekim i alan ın d a b ir cism in p o tan siy el enerjisini, cisim üzerine kütleçekim i tara fın d an u y ­ g u lan an sab it kuvvetle cism in yüzeye olan yüksek liğinin ça rp ı­ mı o lara k tanım ladığım ızı varsayalım . Bu d u ru m d a, düşen b ir cism in potansiyel en erjisindeki azalm a, kütleçekim i tarafın d an u y g u lan an kuvvetle d ü ştü ğ ü yük sek liğ in çarpım ıdır; 3m zeye k a d a r h ep serb est d ü şse d e düşm ese de b u böyledir. Bu, k ü tle ­ çekim i tara fın d an y ap ılan işin ta kendisidir; dolayısıyla cism in k in etik en erjisindeki a rtışa eşittir. P otansiyel enerjideki azal-


ma, k in etik en erjideki artışla dengelenm iş, böylece toplam k o ­ ru n m u ştu r. G öreceğim iz gibi, potansiyel enerjiyi, elek trik a lan ­ ları dahil, diğer ku v v et alanları için de b e n z e r biçim de ta n ım la­ m ak olasıdır, B ir alan tarafın d an uy g u lan an kuv v etin konum dan konum a değişm esi h alin d e bile, cism in belirli b ir konum daki potansiyel enerjisini, cismi b u k o n u m d an sabit b ir referans n o k tasın a (ö r­ neğin, Y er y ü zeyine) h arek et ettiren alan tarafın d an cisim ü z e ­ rin d e y ap ılan iş o larak tanım larız. B ir cismin bir k o n u m d an b ir başk a k o n u m a h arek et ettiği zam an kazandığı kinetik enerji, tam o larak bu iki k o num daki potansiyel enerji farkına eşittir; böylece toplam m ekanik enerji, y ani kinetik artı potansiyel enerji toplam ı, sabit kalır. E le k trik alan ları ö rneğinde, yü k lü b ir cisim ü zerin e etkiyen kuvvetin daim a cism in elektrik y ü k ü y le orantılı old u ğ u n u g ö r­ m üştük. D olayısıyla elek trik alan la rın d a e lek trik p otansiyeli adı verilen b ir niceliği, y ü k lü parçacığın potansiyel enerjisini y ü k ü n e b ö lerek tan ım lam ak elverişlidir. M etre-kilogram -saniy e sistem inde, potansiyel enerjinin birim i ju ld ü r; dolayısıyla elek trik potan siy elin in birim i coulom b başına jul olur, ki b u n a volt ad ı verilir. B ir b a şk a deyişle, b ir coulom bluk e lek trik ta şı­ y a n b ir cisim b ir k o n u m d an diğerine b ir voltluk b ir elektrikpotansiyel fark ı y a ra ta ra k gittiğinde, elektrik alanı bu cisim üzerinde b ir ju llü k iş y a p a c a k tır. Bu k avram ın önem i ş u ra d a ­ dır: E le k trik potansiyelleri, elek trik y ü k lerin in h a re k e t ettik le­ ri o rtam ı (y ü klerin k e n d i b ü y ü k lü k lerin e bakılm aksızın) ta ­ nım lam ak için k u llanılabilir. B ir elek trik bataryası, artı ve eksi uçları a ra sın d a y a d a o n la ra b ağlanan teller arasın d a sabit bir elek trik -p o tan siy el fark ı y a ra ta c a k b ir m akine o larak d ü şü n ü ­ lebilir. Ö rn eğ in , 1,5 v o ltlu k b ir el feneri pili, b ir am p u lü n filam an m d an 0,1 am p erlik b ir elek trik akım ı geçiriyorsa, pilin b ir ucu n d an d iğ erin e a k ta rıla n elek trik y ü k ü , saniyede 0,1 coulom bdur. Pil ta ra fın d a n b ir coulom bluk h er y ü k üzerine 1,5 ju llü k iş y ap ılac ağ ın a göre, iş y a p m a hızı saniyede 1,5 ju ld ü r


(y a d a 0 ,15 vattır; çü n k ü v at, saniyede fcir jule eşit b ir güç b i­ rim i o larak ta n ım la n ır). K inetik enerji düşüncesi, H ollandalı fizikçi C hristian H u y ­ gens (1629-1695) tarafın d an , ölüm ünden so n ra 1706'da basılan b ir k ita p ta o rtay a atılm ıştı. B u kavram , çoğunlukla vis viva L a­ tin ce adı altında, 18. yüzyıl boyunca m ekaniğin gelişm esinde y a ra rlı oldu. 19. y ü zy ıld a k in etik ve potansiyel enerji d ü şü n ce­ leri tü m biçim leriyle çok d a h a genel bir enerji düşüncesi içine yerleştirilince, b u k avram ın yararlılığı d a h a da artm ış oldu. B u y en i ve iyice genel enerji anlayışının başlangıcı, çoğunluk­ la, bilim tarihinde d ik k ate değer kişiliklerden biri sayılan ve 1792’de Kutsal Rom a Im p arato rlu ğ u ’nun R um ford K ontu olan A m erikalı Benjam in T b o m p so n ’un (1753-1814) hanesine y azı­ lır. T hom pson şöyle betim lenm iştir: “H a n ed an a bağlı, vatan ha­ ini, casus, şifreci, fırsat d ü şk ü n ü , zam para, insancıl, h ep kendin­ den söz eden biri, paralı asker, askeri ve teknik danışm an, buluşçu, başkalarının b u lu şu n u çalıp kendine mal eden, ısı konu­ su n d a uzm an ve bilimi halka sevdirm e am acını taşıyan d ü n y a­ nın en b ü y ü k gösteri y erin in , y a n i K raliyet E n stitü sü ’n ü n k u ru ­ cu su ”

W o b u rn ’d a (M assachusetts, U S A ) doğm uş, 1776’d a

A m erikan D evrim i patlak verdiğinde In g iltere’y e kaçm ış ve so n ra A lm anya’y a geçm işti. B avyera o rd u su n u n başı olarak hiz­ m et verirk en , oradaki to p çu lu k çalışm aları onu, ısının doğası h ak k ın d a v ar olan kavram ları sorgulam aya yöneltm işti. O za­ m an lar genelde ısının “kalorik" adı verilen ağırlıksız bir akışkan old u ğ u varsayılıyordu; fa k at T hom pson bu düşünceyi, örneğin top nam lu su n u delm e sırasın d a sürekli m ekanik iş tara fın d an sı­ nırsız m ik tard a ısı üretilebileceği tem eline d ay a n d ırara k redde­ d iy ordu. T hom pson ısının b ir h arek et biçim i olduğu sonucuna varm ıştı; fa k at bu d ü şünceyi kesin terim lerle ifade etm em iş ve m ek an ik iş ile ısı arasın d a herhangi b ir eşdeğerliliğe de değin­ mem işti. B ir so n rak i adım , 1840’la rd a J u liu s M ay e r (1814-1878) ve J a m e s P resco tt J o u le (1818-1889) tarafından atıldı. O nlar, bir-


Jo u le , enerjinin koru n u m u n u gösterdiği deneylerini işte bu aygıt ile yapm ıştı. D üşen b ir ağırlık k an atlan d ö n d ü rü r, kanatlar sürtünm eyle suyu ısıtır; sıcaklıktaki artış öl­ çülebilir.


b irlerin d en bağım sız olarak, ısı ve m ekanik enerjinin b irb irleri­ n e d ö n üşeb ilir olduğu so n ucuna vardılar: belirli m ik ta rd a b ir iş daim a aynı m ik ta rd a ısıya yo l açıyordu ve tersi de doğruydu. Ç ağdaş terim lerle söylersek, b ir kalorilik ısı ü retm ek için g erek ­ li m ek an ik enerji 4 ,18d ju ld ü r. (K a/ori, bir gram su3mn sıcaklı­ ğını 3,5'den 4,5 ° C y e y ü k seltm ek için gerekli ısı m iktarı olarak tanım lanır. Bu da, k ab aca herhangi b ir sıcaklıktaki b ir gram su­ y u n sıcaklığını b ir derece C elsius yükseltm ek için gerekli ısıya eşittir.)* Ö rn eğ in , d ah a önce değindiğim iz gibi. Y e r yüzeyinde 1 kilogram lık bir k ü tleye uygulanan kütleçekim i kuvveti, 9,8 n ev to n d u r; b u n a göre, bu kütle 1 m etre düşerse, kinetik enerji­ si 9,8 nevton.m etre, y an i 9,8 jul olacaktır. E ğ er bu cisim b ir k o ­ v a su y u n içine düşerse, suya çarpacak ve su h arek ete geçirilm iş olacaktır; fak at b ir süre sonra dalgalanm alar sönecek ve düşen k ü tlenin tüm kinetik enerjisi ısıya dönüşm üş olacaktır. Bu şekil­ de ü retilen ısı m iktarı 9 ,8 J

• = 2,3 kaılori

4,184 J / k a l

olacaktır. Ö rneğin, k o v a 10 kg (10'' g) su içeriyorsa, su3m n sı­ caklığı 2,3 X 10

°C k ad ar yükselecektir. Bu tü r sıcaklık deği­

şim lerinin küçüklüğü, m ekanik enerji ile ısının birbirlerine dönüşebilirliğini anlam anın neden b u k a d a r uzun zam an aldığım an latm ay a yeter. M adem ki m ek an ik enerji v e ısı b irb irlerin e dönüşebilm ek­ tedir, öyleyse enerji k avram ı ısıyı d a k ap say acak şekilde genişletilebilir. Bir kalori, 4,184 jullük ısı enerjisine eşit sayılır. T op n am lularının delinm esinde olduğu gibi, m ekanik enerji ısı enerjisine d ö n ü ştü rü ld ü ğ ü n d e y a d a b ir b u h arlı m akinede ol­ d u ğ u gibi, ısı enerjisi m ekanik enerjiye d ö n ü ştü rü ld ü ğ ü n d e, toplam en erji k o ru n u r. B u d ü şüncenin güzelliği, doğası tam o larak anlaşılm am ış b irço k olay için doğru tah m in lerd e bulun-

^ B esin e n erjisin i ö lç m e k için k u lla n ıla n v e b a ze n s ö z ü n gelişi k a lo ri d e n iv e re n kilogra m -k a lo ri, lOOO k e z d a h a b ü y ü k tü r.


m am ıza izin v erm esindedir. Ö rn eğ in , ağ ır b ir nesn en in b ir k o ­ v a su içine düşm esi, o ld u k ça karm aşık b ir sü re çtir ve biç kim ­ se çarp m an ın v e d alg ala rın tü m a y rın tıların ı inceleyem ez; fakat en erjinin k o ru n u m u , su yun sıcaklığının artacağını tam b ir g ü ­ v enle öngörm ek için kullanılabilir. Söylendiğine göre, Jo u le , suyun b ir çağlayanı g eçtik ten sonra sıcaklığında bir artış olaca­ ğ ın a ilişkin ö n g ö rü y ü doğrulam ak için b alayında çok zam an h a rc a m ıştı!

Thomson’un Deneyinde Enerji Bağıntıları T hom son deneyinin tartışılm asında artık son eksikleri de ta ­ m am lam a aşam asına geldik. H e r şeyden önce, k ato t ışını tüpünde yüklü alüm inyum levha­ lar arasındaki elektrik alanının değerini Thom son nasıl bulm uş­ tu ? Yaptığı ilk beş ölçüm de, alanı doğuran elektrik yüklü levha­ lar, 225 voltluk batary aya bağlanm ıştı. Bu, herhangi bir elektrik y ü k ü n ü n bir levhadan diğerine taşınırken yapılan işin coulom b b aşın a 225 jul olması dem ekti. Levhalar arasındaki uzaklık 0,015 m etreydi. İş, kuvvetle uzaklığın çarpım ı olduğuna göre; coulom b başına elektrik kuvveti çarpı 0,015 m etre, coulom b başına 225 juldü. U zaklığa bölünce, coulom b başına kuvveti 2 25 J / C

= 1,5 X K f J /C .m = 1,5 X 10^ N /C

0,015m

o larak elde ederiz. (J u lü n 1 nevton.m etre olduğunu hatırlayın.) B u coulom b başın a kuvvet. T ablo 2. Tin ilk beş sü tu n u n d ak i gi­ bi, aslın d a elektrik alanıdır. (S on iki ölçüm deki farklı elektrik alanları, 225 volt y erin e 270 ve 150 voltluk b atary alarla elde edilm işti). Bu k ü ç ü k hesap, T hom son dene 3Ûnin farklı bir y o ld an d a y a ­ pılabileceğini g österiyor. K ato t ve anot, gerilim değeri bilinen b ir b atary an ın y a d a jen eratö rü n uçlarına bağlanırsa, o zam an k a to tta n an o ta geçen k ato t ışını parçacıkları, tam o larak b u g e­


rilim e eşit, coulom b b aşın a belirli b ir kinetik enerji kazanırlar. * K inetik enerji, p arçacıkların kütlesiyle parçacıkların hızının k a ­ resinin çarpım ının y a n s ı o ld u ğ u n a göre, b u n u y ü k e b ölerek şu ­ n u b uluruz:

K a to t ile a n o t a ra sın d a k i g erilim

P a rç a c ık la rın kütlesi

( P a rç a c ık la rın \ ^

h ızı

/

P a rç a c ık la rın y ü k ü

D ik k at ederseniz, b u rad a sağ tarafta görünen ışın parçacığı p a ra ­ m etrelerinin birleşimi, 48. sayfadaki elektriksel sapm a form ülün­ de görülen param etrelerin birleşim iyle b ir farkla tam am ıyla aynı­ dır, yaln ızca pay ve payda y e r değiştirm iştir. Böylece, ilke olarak, elektriksel kuvvetlerin doğuracağı sapm anın güç olan ölçüm ü y e ­ ri ne, kato t ve anot arasındaki gerilimin ölçüm ü konabilir. Bu ikinci yöntem , 1896-98'de B erlin Fizik E nstitüsü nden W alter K aufm ann (1871-1947) tarafından, k a to t ışınlarının ** Bu tü r bir deneye doğal olarak uyarlanabilen bir enerji birim i vardır: eleklron-voll, bir voltluk bir elektriksel-potansiyel Farkını geçen bir elektron (ya d a aynı y ü k ü taşıyan berhiingi b ir b aşk a parçacık) tarafından kazanılan y a da kaybedilen ener)!, ö rn e ğ in , 'rb o m so n 'u n y a d a Kaufm ann'ın deneyindeki katot ışını tüpünün katot ve anotıı, 500 voltluk b ir b ataiy an ın eksi ve artı uçlarına bağlanırsa» katottan an o ta ivm elendirilen her elektron 500 elektron-voltluk bir kinetik enerji kazanır. N e yazık ki, elektronun y ü k ü ­ nü bilm eden elektron-voltu, jul y a d a e rg gibi sıradan enerji birim lerine bağlam ak olası değildir. V oltun tanım ından biliyoruz ki. jul cinsinden iş, gerilim le coulom b cinsinden y ü k ü n çarpım ına eşittir: b u n a göre jul cinsinden elektron-volt, tam olarak coulom b cin­ sinden elektronik y ü k e eşittir. M ilikan'ın çalışm asından (3. Bölüm 'de tartışılacak) beri biliyoruz ki, elektronik yük 1 , 6 x 1 0 ''‘ couloınbdur; dolayısıyla elektron-volt 1 , 6 x 1 0 *” (d ah a kesin olarak, 1,602 x 10 ’’ ju ld ü r). Tem el parçacık enerjileri için istediğim iz her birim i kullanabiliriz; fakat elektron-volt (kısaca eV) geleneksel enerji birim i haline gel­ m iştir. T üm Bzikçiler hidrojen atom undan elektronu çekip kop arm ak için gerekli en er­ jinin 13,6 elektron-volt olduğunu bilir, bir pro to n u y a d a nö tro n u tipik o rta ağırlıklı bir çekirdekten çekip ayırm ak için ise yaklaşık 8 m ilyon elektron-volt (M eV ) enerji gere­ kir. 18 9 0 ların k a to t ışını tüpleri y ü zlerce eV 'luk kinetik enerjili elektron dem etleri y a ­ rattılar. 1 9 3 0 lard a C ockcroft ile W alton u n C avendish L ab o ratu v arı'n d a ve E. O . Lawre n c e ln B erkeley'de geliştirdikleri ilk hızlandırıcdar, 10^ - 10‘* eV düzeyinde kinetik enerjiye sahip p ro to n la r ürettiler. 10® eV 'un üzerindeki enerjilere 19401ann sonlarında ulaşıldı; 10’ eV ’a (G eV ) ise 1 9 50lerde varıldı. B ugün d ü n y ad a 10"eV 'un üzerinde en er­ jiye sahip p ro to n dem etleri ü reten iki hızlandırıcı var. B ununla birlikte, kozm ik ışınlar­ d a b u lu n m u ş en y ü k se k enerjilerle b o y ölçüşecek insan yapım ı hiçbir hızlandırıcı yok. Kozm ik ışınlar, yıldızlararası belki de galaksilerarası uzaydan gelip atm osferim ize ç a r­ pan v e 10^’ eV 'lara k a d a r enerji taşıyan p ro to n ve d iğer p arçacık lard an oluşur. N e y a ­ zık ki, y ü k se k enerjili kozm ik ışınlar çok seyrektir ve Y er'in atm osferiyle çok karm aşık biçim de etkileşirler; dolayısıyla in sa n yapım ı h ız l^ d ırıc ıla n n y erin i tutam azlar.


k ü tle/y ü k oranını ölçm ek için, kullanılm ıştı. K ütle/yük o ran ı için K au fm an n ’ın sonucu 0,54 x 10“" kilogram /coulom bdu -0,5687 x 10"" k g /C ’Iik b u g ü n k ü değer göz önüne alındığında oldukça iyi b ir sonuç! A ncak bu bölüm ün sonunda göreceğim iz gibi Kaufm ann k ato t ışını p arçacıklarının doğasına ilişkin sonuçlar çık ar­ m ak tan kaçındı. Son olarak, T ho m son’un 1897’d e en güvenilir kütle/yük o ra­ nını elde etm ek için kullandığı yöntem e gelelim. B u yöntem de, k ato t ışını k ü çü k m etal b ir toplayıcıya yöneltilm işti; b u toplayı­ cı ışın p arçacık ların ın elektrik y ü k ü n ü y ak alay acak ve kinetik enerjilerini alıp ısıya d ö n üştürecekti. Böylece bu toplayıcıda d e ­ p o lan an ısı enerjisinin toplam elektrik y ü k ü n e oranı, h e r ışın p arçacığ ın ın k inetik enerji/yük oranını verecekti: P a rç a c ık la rın D ep o la n a n ısı en erjisi D e p o la n a n y ü k

kütlesi

( P a rç a c ık la rın

Kızı

j

P a rç a c ık la rın e le k trik y ü k ü

S ağ tarafta ışın param etrelerinin birleşimi, bir kez d ah a 48. sayfadaki elektriksel sapm a form ülünde y e r alan birleşim le (pay ve p ay d a y e r değiştirm ek koşuluyla) tam olarak aynıdır. Böylece elektrik alanlarının yol açtığı sapm ayı y a d a katot ve anot arasın ­ daki gerilimi ölçm ek yerine, ısının y ü k e oranını ölçerek param et­ relerin b u birleşimi saptanabilir. Bu da, enerjinin korunum u ilke­ sinin g ü cü n ü gösteren bir b aşk a örnektir. K atot ışını metal topla3ncıya çarptığında m eydana gelen ayrm tılı fiziksel olaylar h ak k ın ­

da T hom son un hiçbir fikri yoktu; fakat topla 3ncının ısı enerjisin­ deki artışın kesinlikle, toplayıcı tarafından d u rd u ru la n katot ışını parçacıklarının kinetik enerjisine eşit olduğundan em indi. U ç fark lı k a to t ışını tü p ü için T hom son’u n sonuçları T ablo 2.2’de görülebilir, ik in ci sütun, k a to t ışınının sahndığı süre (yaklaşık b ir saniye) b o y u n ca ölçülen ısı enerjisinin toplayıcıda b irik en elektrik 3Ûiküne o ran ım verir. Ü çü n cü sü tu n d a, kütley­ le hızın çarpım ının k ato t ışını p arçacık lan m n y ü k ü n e bölünm e­ si so n u cu n d a çıkacak d eğ e r y e r alır; b u değer, 59. sayfadaki


T a b lo 2 .2 K a to t ış ın ı t a r a f ı n d a n d e p o la n a n ıs ın ın y ü k e o r a n ı v e ış ın ın m a n y e tik s a p m a s ı k o n u s u n d a T b o m s o n ’u n y a p tığ ı d e n e y l e r in ’^ s o n u ç la r ı

K ato t ışmı tü p ü n d e k i gaz

Ö lç ü le n ısı en erjisin in d ep o lan m ış y ü k e oranı (J /C )

K ü tle X Hız tile k trik y ü k ü (kg.m /s.C , m a n y e tik sap m a ile ö lçülm üş)

H e sa p la n an hız (m /s)

H e sa p la n an k ü tle /y ü k oranı (kg/C )

Tüp I :

Hava Hava I lava Hava I lava 1lava 11ava 1lidi’ojen 11iclfojciî Karhan tlioksit Kiirhon dioksil Karbon tlioksil

4,6

X

1 ,8 X

10-’ lo '

6,1 X u r 2,6 X Kİ' 6,5 X 10"' 10' 10'

2,3 3,5 2,3 4,0 2,3 2,86

X 10 X

X X X X

4

-

10 10 10 10 10 -

10" 10"

0,57 0,34 0,43 0,32

4 , 8 X 10"

0 ,4 8

X 10" 10

6,4

X

1 ,2 X

7

-

X X

10 " 10”

X 10 " X 10 X 10

" " " "

X 10"

0 ,4

X 10

0 ,4

X 10

0 ,3 5 X 1 0 "

X 10-

2 ,0 5 X 1 0 -

7 X 10" 6 X 10'

2 ,1 X 1 0 -

4 ,6 X 10 -

0 , 2 X 10"

0 ,5 X 1 0 "

8 ,4 X 1 0 ‘

2 ,6 x 1 0 -

0 ,4 X 10 "

1 ,4 7 X 10-

.3 ,4 X 1 0 -

8 .6

X

10" 10"

X 10-

4 ,8 X 10 -

1„3 X

lO"

0 ,.3 9 X 1 0 ”

10"

0 ,5 3

6

.t

2 ,8 6 X 10

7 ,6 X

0 ,4 X 10 "

Tüp 2 ;

Hava I lava I Fava

2 ,8 X

10'

1 ,7 5 X 1 0 -

.3„3 X

4 ,4 X

lO"'

1 , ‘) 5 X 1 0 -

4 ,1 X 10"

,■5,5 X 1 0 '

1 ,8 1 X 1 0 -

,3 ,8 X 10"

1l i d r o j e n

2 , 8 X 10"'

1 ,7 6 X 1 0 -

,3 ,3 X

10"

0 ,5 3

X 10 "

Hava Karbon dioksil 1lava Hidrojen

2,5 X 10" 2 X 10" 1,8 X 10" 2,8 X 10" 4,4 X 10' 2,6 X 10' 4,2 X 10"

1, 6 0 1, 4 8

-

3 ,1

X

10"

0 ,6 1

X 10"

-

2.6

X 10"

0 ,5 4

X 10"

1 ,5 1 X 1 0 -

2 ,3

X

0 ,6 3

X 10"

1, 7 6 2,01 1, 7 6

,3 ,3 X

10" 10"

0 ,5 3

X 10"

0 ,4 6

X 10"

H id ıo jc n

I lava I lava

X X

X X X

10 10

10 10 ■' 10 -

2 X 1 0 -

4.4 X 10" 2,8 X 10" 4,1 X 10"

X 10 "

0 ,4 7 X 10 " 0 ,4 7 X 1ü "

0,61 X 1 0 " 0,48 X 10"

Tüp 5 :

1lava I lava 1I k lr o je n

2,6 X 10'

2,2 X

,6,6 X u r

2 ,2 6 X

.6 X

10"

2 ,6

X

10 10 10 -

2,4

X

10"

3,2 X 10" 2,5 X 10"

0,9 0,7 1,0

X X

10 " 10"

X 10"

denklem e göre, bir m anyetik alan tara lın d a n saptırılan k ato t ışı­ nının ölçülen sapm asından bulunur. Son iki sütun ise, önceki sü tu n lard ak i ölçülm üş niceliklerden hesaplanan hız değerlerini ve kato t ışını parçacıklarının kütle/yük oranlarını verir. K ütle/yük o ran ın ı ve hızı h esaplam aya y aray an form üllerin nasıl çı­ karıldığı E h E 'de gösteriliyor. Şim dilik sadece b ir sonucun d o ğ ­ ru lu ğ u n u sınayalım : T ablo 2.2’nin ilk satırın d a verilen h esa p ­ lanm ış hız değeriyle k ü tle/y ü k o ranını kullanırsak, 73. sayfada­ ki form ül ısı enerjisinin y ü k e oranını


olarak verir; ki bu g erçekten de T hom son’un ölçtüğü değerdir. (T esadüfe bakın ki, bu deneyde toplayıcıda biriken yük, b e k ­ lendiği gibi, saniyede b ir coulom bun birkaç 3 Ûiz b in d e biri k a ­ dardı; yani b ir am perin b irk aç y ü z binde biri kad ar. B u d u ru m ­ d a biriken ısı enerjisi saniyede b ir julün b irk aç y ü zd e biriydi -b u da, k ü çü k toplayıcının sıcaklığını saniyede b irkaç derece C elsius yükseltm eye yeterliydi.) Bu yöntem , besbelli ki, hem elektriksel hem d e m anyetik sa p ­ m ayı ölçm eye day an an yön tem d en çok d a h a iyi işliyordu. İlk iki k ato t ışını tü p ü n e ait sonuçlar, büyük b ir benzerlik gösterm ek­ te d ir ve kütle/yük oranı için 0,49 x 10'"k g /C 'lik ortalam a değ er­ ler verirler -0 ,5 6 8 7 x 10 " kg/C olan bugünkü değerden pek u zak değil. İşin tuhafı Thom son, neredeyse iki k a t b ü yük bir değ er veren üçüncü tüpüyle elde edilen sonuçlan yeğlem işti. T hom son belki de elektriksel ve m anyetik sapm a ölçüm üyle b u ­ lu nan sonuç ile d ah a iyi uyuştuğu için k ü tle/y ü k oranının büyük değerini yeğlem işti. Bu d o ğ ru olabilir; çü n k ü T hom son uzun y ılla r k ü tle/y ü k oranını, coulom b b aşın a 10 " k ilo g ra m olarak söylem e alışkanlığını sü rd ü rm ü ştü . K a to t ışını p arçacık ların ın y ü k ve kütlesinin ayrı ayrı nasıl öl­ çü ld ü ğ ü ö y küsüne 3. B ölüm 'de geri döneceğiz.

Temel Parçacıklar Olarak Elektronlar B u ray a k a d a r T h o m son’un tüm yaptığı, k ato t ışınlarını oluş­ tu ra n p arçacık lar h e r ne ise, onların kütle/yük o ranını ölçm ekti. G ene d e “bu parçacıklar, tüm olağan m addenin tem el y apıtaşla­ rıd ır” so n u cu n u n üzerine atladı. K endi sözleriyle şöyle diyordu: ... K ato t ışın ların d a m addenin y en i b ir haliyle k arşı karşıy ayız, öyle b ir hal ki, bu haldeki m addenin alt p arçası ola­ ğ an gaz h alindekinden çok d a h a ötelere taşınır: öyle b ir hal


ki, bu halde h er m ad d e -yani hidrojen, oksijen ve benzeri farklı k ay n ak lard an türem iş m adde- b ir ve aynı cinstendir: b u m adde kim yasal elem entlerin yapıldığı özdür.'^ Bu çok ileri gitm ekti. T hom son çok d ah a sonraları şunları h a ­ tırlayacaktı: B aşlangıçta ato m lardan d ah a k ü çü k olan b u cisim lerin varlığına inanan çok az kişi vardı. K raliyet E n stitü sü ’nde­ ki konuşm am ı [1897] dinleyen seçkin bir fizikçi çok sonra­ ları, "onların ayaklarının altındaki zemini çek iy o r”m uşum gibi hissettiğini söylem işti'”. G erçek ten d e T h o m son’un 1897’d e yaptığı deneylerin tem elin­ de, ato m u n içinde d a h a kü çü k parçacıkların olduğunu do ğ ru la­ yabilecek h içbir şey y o k tu . T hom son d a zaten b u n u k anıtladığı­ nı iddia etm edi; fak at T hom son’u çok ötelere u zanan bu sonuçkıra yönelten birçok ipucu vardı. Bu ipu çların d an biri, ölçülen kütle/yük oranının genelliğiydi. K atot ışını p arçacıklarının kütle/yük oranının değeri, ölçülme koşullarının hiçbirine bağlı g ö rünm üyordu. Ö rneğin, önceki bölüm de görd ü ğ ü m ü z gibi, ışın hızları çok farklı olduğu halde, bu oranın değeri, alüm inyum katodu karbon dioksit dolu bir tü p ile platin kato d u bava dolu b ir tü p için neredeyse aynıydı (T ablo 2 .T d e sırasıyla beşinci ve altıncı değerler). Thom son, ay rıca H ollandalı spektroskop! uzm anı P ieter Z eem an'ın (18651943) ato m lard a ışığın salınm asından ve soğurulm asm dan so­ rum lu elektrik akım larını tanım layan b en zer b ir kütle/yük o ra­ n ın a işaret eden bir sonucunu d a aktarm ıştı. (Z eem an, b ir m anyetik alan içinde sodyum elem entinin spektru m u n u incelemişti. H e r elem entin spektrum u, o elem entin atom ları tarafından salınabilen y a d a soğurulabilen ışığın belirli frekanslarının b ir desenidir. Ö rneğin, belirli b ir elem enti içeren b ir bileşik b ir aleve tu tu ld u ğ u n d a ve alevden çıkan ışık b ir priz-


ma_ya d a k ın m m ağı ile bileşen renklerine ayrıştınidığında, renk şeridi, belirli özel ren klerde parlak çizgilerle çizilmiş olarak gö­ rülecek tir -bu özel renkler, söz konusu elem entin atom ları ta ra ­ lından salınan ışığın frekanslarına karşılık gelir. D eğişik renkli ışıkların arasındaki fark, sadece frekans farkıdır; m or ışığın fre­ kansı, kırm ızı ışığın frekansının yaklaşık iki k atıd ır ve diğer ren k lerin frekansları bunların arasındadır. Aynı şekilde, katışık­ sız b ir alevden çıkan ışık eğer söz konusu elem entin atom larını içeren b ir soğuk b u h ard an geçirilir ve bileşen renklerine ayrıştı­ rılırsa; ren k şeridi, önceki p arlak çizgilerle tam am ıyla aynı ren k ­ lerde fak at b u kez k aranlık çizgilerle çizilir. Bu karanlık çizgiler, alev ışığının gaz atom ları tarafından hangi frekanslarda soğruld u ğ u n u gösterir. S odyum un spektrum u, tu ru n cu renkli ışıkta b irb irin e y ak ın frekanslarda, D çizgileri diye bilinen belirgin bir çizgi çifti içerir. O toyollarım aydınlatm ada kullanılan sodyum lam balarından süzülen ışığın tu ru n cu renginden sorum lu olan iş-


te bu D çizgileridir! Zeem an, norm alde çok ince olan b u D çiz­ gilerinin kuvvetli b ir m anyetik alan d a genişlediklerini ve fre­ kanstaki bu genişlem enin m anyetik alan ile orantılı olduğunu gözledi. Bu orantılılık bağıntısındaki sa3usal çarpanı kullanarak, 1896’da, atom lardaki elektrik y ü k ü taşıyıcılarının kütle/yük ora­ nı için b ir değer hesaplayan kişi ise H ollandalı kuram cı H endrick A ntoon L o ren tz’di (1853-1928). lx ıre n tz ’in b u hesabı, T hom son un elektronu keşfetm esinden b ir yıl önce, R utherford'un atom ları, çevrelerinde elektronların dolandığı b ir çekir­ dek biçim inde m odelleınesinden on beş yıl önce ve B ohr'un atom lar tarafından salınan y a da soğurulan ışığın frekanslarının dolanan elektronların enerjilerine nasıl bağlı olduğunu ifade et­ m esinden on y ed i yıl önce yapm ış olması gerçekten de dikkat çe­ kicidir. I^ırentz, Sir tloseph I^ırm or larafından o rtay a koyulan b ir teorem den yararlanm ıştı: Tüm ü aynı kütle/yük oranına sahip bir y ü k lü p arçacıklar sistemi üzerine bir m anyetik alanın etkisi, belirli b ir frekansla dönen b ir koordinat sistem inden bu yüklü parçacıklar sistem inin gözlenm esi d u ru m u n d a o rtay a çıkacak et­ kiyle tam ol¿^^¿d< aynıdır. G ünüm üzde L arınor frekansı adı veri­ len bu frekans, m anyetik alan ile doğru ve kütle/yük oranıyla ise ters orantılıdır; lak at bunun dışında parçacıkların doğasından, hareket d u ru m u n d an y a da üzerlerine uygulanabilecek diğer kuvvetlerden biiğımsızdır. Ö rneğin, sadece m anyetik kuvvetlere m aruz kalan b ir parçacık, m anyetik alan çizgileri boyunca Larm or irekansıyla b ir spiral çizer. Parçacığın üzerine hiçbir kuvvet uygulanm asaydı, parçacık bir doğru boyunca sabit hızla hareket etseydi ve b ir gözlemci m anyetik alan çizgilerinin doğrultusu et­ rafında I^ırm or frekansı ile dönen b ir referans çerçevesinden parçacığı gözleseydi, göreceği harek et tam olarak bu spiral hare­ keti olurdu. Bir parçacık, bir m anyetik alan yo k k en , onu doğal b ir frekans ile periyodik olarak harek et ettiren b aşk a kuvvetle­ rin etkisindeyse; m anyetik alanın d a uygulanm asıyla parçacığın hareketi, doğal frekansa veya doğal frekans artı L arm or frekan­ sına y a da doğal frekans eksi L arm or frekansına eşit üç periyo­


dik hareketin ü st üste gelm esi şeklinde olacaktır; b u n a göre fre­ k an sların ayrılm ası L arm o r frekansının iki katı olacaktır. Lorentz, atom lar tarafından salınan y a d a soğrulan ışığın frekans­ larının bu h arek etlerin frekansları olduğunu varsaydı; b u d u ­ ru m d a bir m anyetik ala n d a frekansların ayrılm ası, bu alan için L arm o r frekansının iki katı olacak ve dolayısıyla b u n u atom lar­ d a elektrik akımı taşıyıcılarının kütle/yük oranını hesaplam ada kullanabilecekti. Aslında, atom lar tarafından salınan y a da sogrulan ışığın frekanslarına ilişkin bu y o ru m d oğru değildir; ancak sodyum un D çizgilerini içerm eyen bazı özel d u ru m lard a işler. L o ren tz şanslıydı; sodyum un iki D çizgisinin Frekansları bir m anyetik alan d a aslında h er biri iki frekansa ayrılm ayıp sırasıy­ la d ö rt ve altı frekansa ayrıldığı ve hu frekanslar arasındaki ay­ rılm alar Lorentz kuram ıyla verilm ediği halde; Z eem an bu ayrık frekansları çözem em işti, fakat şans eseri tüm ünün frekans yayıl­ ması yaklaşık olarak L arm or frekansının iki katıydı!) Z eem an'm ölçüm leri, ato m lard a elektrik akım larını taşıyan h er ne ise onun k ü tle/yük oranının k ab a b ir kestirim ini sağla­ mıştı. T h o m so n ’un k ato t ışınlarıyla ilgili çalışm ası ise bu y ü k ta ­ şıyıcıların sadece ato m u n m im arisinin b ir parçası olm adıklarını, aynı zam an d a ato m u n içinde olduğu k a d a r dışında d a kendi b a ­ şına b ir varlığa sahip olduklarını gösterdi. Böylece olağan m ad­ de b aşk a neler içerirse içersin, en azından bir o rtak yapıtaşı içe­ riy o r gibi g ö rü n ü y o rd u ; bu d a m etallerden k ato t ışını olarak sa­ lınıyordu. Kısa sü re sonra, radyoaktif m addeler tarafın d an salındığı gözlenen ve b eta ışınları adı verilen ışınların da k ato t ışı­ nı p arçacıklarıyla aynı kütle/yük o ra n ın a sahip olduklarının (T h o m so n 'u n k in e b en zer yöntem lerle) bulunm asıyla, b u p a rç a ­ cıkların evrenselliği d oğrulanm ış olacaktı. T hom son 1899’da, fotoelektrik olayda salınan y a d a a k k o r haline getirilm iş metal y ü zey lerd en çıkan eksi y ü k lü p arçacık ların d a k ato t ışınlarıyla aynı k ü tle/y ü k o ra n ın a sahip olduğunu gösterdi. T hom son deneyinde bu parçacıkların kütlelerinin k ü çü k çık­ ması, b u n ların atom altı p arçacık lar olduğu düşüncesini de d es­


tekledi. Ç özeltilerde, örneğin tuzlu su d a elek trik akım ını taşı­ y a n iyonların farklı kütle/ 3rük o ran ların a sahip o ldukları T hom ­ so n ’un zam anında zaten biliniyordu; fakat Kf** kilogram /coulo m b d an d a h a k ü çü k o ra n a asla rastlanm am ıştı. (Bu, gelecek bölüm de b iraz d ah a ayrıntılı olarak tartışılacak.) K atot ışınla­ rın d ak i o ran için T ho m son’un bulduğu sonuç, bu değerle k arşı­ laştırıldığında, hem en göze çarp acak kad ar k ü çü k tü . Bu, k u ş­ kusuz, ne k ato t ışını parçacıklarının kütlesinin iyonların kütle­ sinden d a h a k ü çü k olduğu ne de y ü k lerin in d ah a büyük olduğu anlamınci geliyordu ve b ir süre için T hom son’un düşüncesi her ikisinin de d o ğ ru olduğu y olundaydı. B ununla birlikte, iyonları birkaç birim lik elek trik y ü k ü kaybederek y a da kazan arak y ü k ­ lü hale gelen olağan atom lar y a d a m oleküller olarak düşünm ek d ah a doğal gibi g ö rü n ü y o rd u ve ayrıca bu y ü k birim leri k ato t ışını p arçacık larıy la özdeş sayılacak olursa, iyonların y ü k ü ka­ to t ışını p arçacık ların ın yü k ü y le karşılaştırılabilir büy ü k lü k te dem ekti. Bu d u ru m d a, k a to t ışını parçacık ların ın kütlesi, iyon­ ların kütlesinden (ve dolayısıyla olağan atom larınkinden) 10" kg/C =

10'

10" kg/C

çiu'panı k ad a r d a h a küçük olurdu. Thom son, k ato t ışını parça­ cıklarının çok hatif oldukları düşüncesinin Phillip L en ard ’ın (1862-1947) gözlem leriyle çok iyi u y u ştu ğ u n u fark etm işti. Le­ nard, 1894’te (G o ld stein’ın d ah a önce y ap tığ ı gibi) k a to t ışını parçacık ların ın gazların içinde olağan atom y a d a m oleküller­ den binlerce kez d ah a u zağa gittiklerini gözlem işti. M adem ki katot ışını p arçacıkları citom lardan çok d ah a hafiftiler; öyleyse onların, atom ların y ap ıtaşları olm aları olasılığı vardı. Thom son, ta Leukippos, D em okritos ve D a lto n ’a kad ar uza­ narak, gözlem lerini, atom cu gelenek çerçevesinde tem el parça­ cık lar cinsinden y o ru m lam aya da eğilim gösterm işti. 1897 tarih ­ li m akalesinde Ingiliz kim yacı W illiam P ro u t’un (1785-1850) kuram sal d ü şüncelerinden alıntılar yapm ıştı. P ro u t 1815’te, bili­


n en kim yasal bileşikleri oluşturduklarına inanılan birkaç düzine atom tü rü n ü n b ir tek tem el atom dan (ona göre hidrojen atom un­ d an ) m eydana geldiklerini öne sürm üştü. T hom son’un görüşüne göre, P ro u t haklıydı; fakat tem el “ato m ”, hidrojen atom u değil; çok h afif olan k ato t ışını parçacığıydı. P ro u t ve başkaları tem el parçacık ları saygın hale getirm eselerdi, T hom son bu sonuca ula­ şabilir miydi? D aha önce d e değindiğim iz gibi, Thom son kütle/yük oranını ölçerken B erlin’de de W alter K aufm ann tarafın­ dan b en zer bir deney yapılm ıştı. Şim di biliyoruz ki, Kaufm a n n ’ın sonuçları gerçekten de T hom son’unkilerden d ah a doğ­ ruym uş. F akat K aufm ann b ir tem el parçacık keşfettiği iddiasın­ d a bulunm am ıştı; çünkü H ertz ve Alm anya ile A v u stu ry a’daki ö b ü r fizikçiler gibi, K aufm ann da, “atom gibi doğrudan gözlenem eyen varsayım sal varlıklarla ilgilenilmesi bilim dışıdır” diyen Viyanalı fizikçi ve felsefeci E rn st M ach (1836-1916) ve çevresi­ nin bilimsel felsefesinden şiddetle etkilenm işti. G ünüm üzde elektron adını verdiğim iz katot ışını parçacığını T hom son’un keşfettiğini söylem ekten kaçınm ak zordur; çünkü o, M ach ve K au fm an n ’ın tersine, tem el parçacıkların keşfedilm esini fiziğin b ir p arçası olarak görm üştü. Thom son, varsaydığı tem el p arçacık lar için herhangi b ir özel isim kullanm am ıştı. D a h a önceki yıllarda, Ingiliz-Irlandalı fi­ zikçi ve gökbilim ci G eorge J o h n sto n e S toney (1826-1911), “ato m lar elektrikçe y ü k lü iyonlar haline geldikleri zam an k a­ zan dıkları y a da k ay b ettikleri elektrik birim ine elektron denm e­ li” önerisinde b u lu n m u ştu .'’^T h o m so n ’un 1897 deneyinden y a k ­ laşık on yıl k ad a r sonra, onun tem el parçacıklarının gerçekliği yay g ın olarak benim senir hale geldi ve h e ry e rd e fizikçiler onla­ ra “elek tro n la r” dem eye başladı.


Notlar

1. J . J.T lio m so iı, "C athode Ra_ys”, Proceedings o f the Ro^a.1 Institution 15 (1897), 419; "C athode Rays", Philosophical Magazine-44 (1897), 2 9 5 ; "C athode R ays”, N a­ ture hh {1897),455. 2. Plato, Timacus, R. G. B ury tarafından çevrilm iş (H arv a rd U niversity Press, 1929), s. 215. 3. Bede, A H isiory of the English Church and People, L .Sherley-P rice tarafından çev­ rilmiş (Penguin Books, 1955), s. 38. 4. W . G ilh e rl, I)e magnete inagnetisque corporibus, et de magno m agneto teikiro 5.

(L o n d o n , U-iOO). "A L e tte r ...C o n ta in in g S e v e ra l E x p e rim e n ts C o n ce rn in g ' E lec tric ity ", Phi­ losophical 7 Vvinst'ic’i/o n s o f ilw R oyal S ociety 57 (1 7 5 1 -3 2 ), 18.

S. G ra y ,

6.

N. C abeo, Philosophiii magnelicii in qua magnelis natura pen itu s explicatvr (F er­ rara, 1629). 7. C. F. D u Pay, Richmoml ve Lenox D üküne elektrikle ilgili m ektup, 27 Aralık 1733; Philosophical Transactions o fth e Royal S ociety (\7 5 4 )'d e İngilizce olarak basılmış. 8 . h’. U. T. Acpinus, Testamen theoriae electricitatus et miignetismi (Si. Petersui'g, 1759). 9. B. ^V¿mklin, ¡experiments and O bservations on Electricity, m ade a t Philadelphia in Am erica (Ivondon, 1751). 10. Ö rneğin, A. D . M oore, ed., Electrostatics an d its A pplications (W iley, N ew Y ork, 1973)’e balcınız. 11. Isaac N ew ton, Philosophiac Nitturalis Principia Aİathcmatica, A ndrew M otte tara­ fından ycvrilnıiş ve 1". Cajori taralın d an gözden geçirilm iş ve notlar eklenm iş (U ni­ versity o f California Pres, 1966). 12. J o s e p h N e e d h a m , The G rand Titration: Science and S ociety in /¿asi an d W est (A l­ len & U n w in , Ix m d o n , 1969).

13. Epistola P etri l^'ivgrini d e M¿ı^icourt a d Sygcnini dc Poiicaucourt, M ilitcm , D e M iignctc (“Ixitler on the M agnet o f P eter th e Pilgrim o f M a rico u rt to Sygerus of F oucaucourt, Soldier"). ' 14. M. C. O ersted , E.xpcrimenta circa cffectum conflictus eleclricili in acuin m agnetiCLtm (M anyetik Pusulaya b ir E lektriksel Akımın Etkileri üzerine D eneyler), Ko­ penhag, 21 T em m uz 1820. İngilizce çevirisi için, R. D lbner, O ersted an d the Disco­ very o f Electromagnetism (Blaisdell, N ew Y ork, 1962)'de te k ra r basılm ış olan An­ nals o f P hilosophy 16 (1820) m akalesine bakınız. 15. J . »J. Thom son, "C athode R ays”. Philosophical M agazine 44 (1897), 295. 16. W . H. Brock, "The M an W ho Played W ith F ire” [R um ford Kontu Benjamin T hom pson h ak k ın d a S am born B row n tarafından yazılm ış m akale]. N ew Scientist, M arch 27, 1980. 17- J . J . T hom son, "C athode Rays", Philosophical M agazine 44 (1897), 295. 18. J . J . T hom son, Recollections an d Reflections (G. Bell and Sons, London, 1936), s. 341. 19. G. J . Stoney, "O f the ‘E lectron’ o r Atom o f Electricity", Philosophical M agazine 58 (1894). 418.


III. Bölüm

Atomik Ölçek

T

hom son tara lın d a n elek tro n u n kütle/j^ük oranı ölçül­ dükten sonra, geriye b üyük problem olareik kütle ve y ü ­ kün ayrı ayrı saptanm ası kalm ıştı. B u rad a sadece elekt­

ro n u n özelliklerini ö ğrenm ek değil, en az o n u n k ad a r önem li

olan çok d a h a fazla bilgi söz k o nusuydu. O n d o k u z u n c u 3 Ûizyı1ın fizikçileri ve kim yacıları atom un özelliklerinin çok sayıda b a şk a oran ların ı ölçm üşlerdi. B ir sonraki bölüm de göreceğim iz gibi, J o h n D alto n ve ardıllarının kim yasal tep k im eler üzerine y ap tık la rı çalışm alar, farklı elem entlerin atom larının k ü tle o ra n ­ la n için d eğ erler verm işti; örneğin karb o n atom unun hidrojen ato m u n d an 12 kez, oksijen atom unun hidrojen ato m u n d an 16 kez d a h a ağır olduğu biliniyordu. A yrıca, bu bölüm de d ah a ile­ ride göreceğim iz gibi, M ichael F ara d ay ve d iğerlerinin elektro-


liz üzerine y ap tık ları çalışm alar, atom ların kütlelerinin iyonla­ rın elek trik y ü k lerin e v e sonuçta elek tro n u n elek trik 3 Ûiküne o ra n la n için o ld u k ça kesin d eğerler verm işti; hidrojen atom u­ n un k ütlesinin elek tro n u n 3m küne oranı 1,035 x 10~®kilogram /coulom b o larak b u lunm uştu. A yrıca, a to m la n n k atilard a sıkışık biçim de b ir a ra y a paketlendikleri varsajnlıyordu; böylece katı m alzem elerin y o ğ u n lu k ölçüm leri, atom ların y o ğ u n lu k ­ ları, y an i kütlelerinin hacm e oranı için d eğ erler veriyordu. Ö r­ neğin altın, m etrek ü p başına 1,93 x 10'* kilogram lık b ir y o ğ u n ­ luğa sahiptir; dola 3usıyla b ir altın ato m u n u n kütlesinin hacm ine oranı, m etrek ü p b aşın a 2 x 1 0 '' kilogram civ arın d a olm alıydı. G erekli olan sadece, y a elektronun y ü k ü n ü n , elek tro n u n k ü tle­ sinin y a d a h erh an g i b ir te k atom un kütlesinin veya hacm inin iyi b ir ölçüm üydü. T üm b u o ra n la r derhal elek tro n u n kütlesi ve elektronun y ü k ü ve h e r t ü r atom un kütlesi ve hacm i için değer­ lere dönüştü rü leb ilird i. Kısacası, o zam an tü m atom olaylarının ölçeği bilinebilirdi. Y irm inci y ü zyılın ilk yıllarında, ato m ların k ü tlelerin i tah m in etm ek için zaten çok sayıda k ab a y ö n tem vardı. B u y ö n te m le r çok çeşitli fiziksel o lay lara d ayanıyordu: g a z la rd a yayılm a, ısıl ışınım , göğün m aviliği, y a ğ film lerinin yayılm ası, ra d y o a k tif m ad d elerin ışıldam aları, p olen ze rreleri gibi k ü ç ü k parçacık la­ rın m oleküllerle çarp ışm aları so n u cu n d a o rta y a çıkan “B ro w n ” h arek eti, m oleküllerin sonlu hacm inin gaz özellikleri üzerine etk ileri v e b en z eri olaylar. D a h a 1874’te G. J . S to n ey elek tro n y ü k ü n ü tah m in etm ek için, elektrolizden y a ra rla n ıla ra k b u lu n ­ m uş lO”®kilo g ram /co ulom bluk kü tle/y ü k o ra n ı ile birlikte b ir h id ro jen ato m u n u n 10"'*® kilogram lık k ü tlesin e eşdeğer gaz özelliklerine d ay an an k a b a b ir tah m in kullanm ış; böylece 10'^® kilogram ı lO”®k ilo gram /coulom ba bölerek ele k tro n u n y ü k ü n ü y ak la şık 10“^° coulom b bulm uştu. 1910’la rd a (d a h a çok J e a n P e rr in ’in B row n h arek etiy le ilgili çalışm aları aracılığıyla) öl­ çü m lerin hassasiyeti, hid ro jen ato m u n u n k ü tlesin in y ak laşık 1,5 X 10"'''’ kilogram olduğu sap tan acak k a d a r geliştirilm iş ve


b u n u n so n u cu n d a d a e le k tro n ik y ü k 1,5 x 10 ” coulom b o larak b u lu n m u ştu . (R a d y o a k tif p arçalan m a sa3 n m la n n a d ay a n an b ir b a ş k a y ö n tem de 4. B ölüm de tartrşdacaktu-.) Atom kütlelerinin çeşitli kestirim leriyle ilgilenm ek bizi k o n u ­ d an çok fazla u zaklaştırabilir. N e o lu rsa olsun, b u kütlelerin gerçek ten de ilk kez kesin olarak saptanm ası, 1906 ile 1914 y ıl­ ları arasın d a A m erikalı fizikçi R o b ert A n d rew s M illikan (18681963) tara fın d an elek tro n ik y ü k ü n d o ğ ru d a n ölçülm esine d a ­ yan m ak tay d ı. M illikan lo w a ’d a doğdu ve o ra d a bü 3 nidü; O b e r1in C ollege’ın d a lisans öğrencisiyken fiziğe ilgi du ydu. 1893’te d o k to ra için C olum bia Ü n iv ersitesin e gitti ve o ra d a kendisini te k lisansüstü fizik öğrencisi o larak buldu. E ğitim i için A v ru ­ p a ’y a gitmesi kaçınılm azdı; böylece 1895’te Paris, B erlin ve G ö ttin g en ’de çalışm ak ü zere A m erika’dan ayrıldı. A m a 1896’d a A. A. M ichelson ona o dönem de R ockefeller’ın b ü y ü k m ik ta r­ daki bağışlarıyla gelişen C hicago Ü niversitesi’nde, b ir asistanlık önerdi. Bu iş, y arı zam anını araştırm aya harcam asına izin veri­ y o rd u ve M illikan işi istekle kabul etti. B ununla birlikte, so n ra­ ki o n y ıl b o y unca n eredeyse tüm zam anını d ers an latm ay a ve d ers kitapları y az m a y a harcadı; araştırm ay a çok az zam an ayı­ rab ild i. 1906’d a 58 y aşın d ay k e n ancak doçentliğe yükseltilm iş­ ti. N ered ey se üm itsizlik içerisinde elektrik y ü k ü n ü n ölçülm esi problem ini ele aldı ve onu ünlü y ap a n araştırm ay a başladı. T anınm ası b ird en ve m uhteşem oldu -bilim akadem ilerinde üyelikler, 1916’d a A m erikan Fizik D e rn e ğ in in başkanlığı ve 1923’te N obel Ö d ü lü . M illikan B irinci D ü n y a S avaşı’n d a ask e­ ri a ra ştırm a ve geliştirm ede etkin rol aldı; d a h a so n ra 1921’de K aliforniya T eknoloji E n stitü sü ’ne (C al T ech) yönetim k u ru lu b aşk an ı o larak gitti. M illikan p a ra b u lm ak ta ve değerli am açların reklam ını y a p ­ m ak ta ustaydı; Cal T ech o n u n önderliğinde A m erika'nın önde gelen bilimsel araştırm a m erkezlerinden biri haline geldi. MÜlikan b irinci sınıf b ir b a şk a deneysel çalışm a d ah a y ap tı; fotoelekt­ rik olayda salınan elektronların enerjilerini dikkatlice ölçerek,


E instein in “ışık, h er birinin enerjisi frekansla orantılı olan p a­ k etler y a da k u an tu m lar halin d ed ir” şeklindeki tanım ını d o ğ ru ­ ladı. Cal T ech'te d a h a so n ra yaptığı çalışm a d a h a az başarılıydı. Bilim ile dini u zlaştırm a işiyle çok ilgilendi; kozm ik ışınların ve elek tro m an y etik ışınım ın m addenin k ö keninden a rta kaldığı y o ­ lu n d ak i yanlış görüşü kısm en dinsel tem ellere d ay an d ırarak k a­ n ıtlam ay a u ğ raştı d u rdu. M illik an 'm elek tro nik y ü k ölçüm ü, elektrolizden sap tan an k ü tle/y ü k oranı ile birlikte, 3nllarca atom kütleleri için en iyi de­ ğerleri verdi. Yöntem i, C avendish L ab o ratu v arı’n d ak i Thom ­ son ve ark ad aşların ın a n c ak k ab a b ir elek tro n ik y ü k tahm ini ve­ ren çalışm asına dayanıyordu. Bu bölüm ün son kısm ında, ilkin bu öncü çalışm ayı ele alacağız, d a h a so n ra M illikan tarafın d an y ap ılan ölçüm e döneceğiz.

Geriye Dönüş: Atom Ağırlıkları Atom ların varlığı genelde kab u l edilir hale gelm eden çok önce, değişik elem entlerin kütlelerinin o ran lan biliniyordu. Bu oranla­ rın ölçüm ü, on d okuzuncu yüzyılın başında J o h n D alto n 'un (1766-1844) çalışm alarıyla başladı. Fakir bir C um berland doku­ m acısının oğlu olan D alton, köyünün Q u a k e r (b ir m ezhep) oku­ lu n d a öğrenim görm üş ve sonra 1793’te M an ch ester’a taşınıp okul m üdürü ve özel öğretm en olarak çalışmıştı. M anchester’ın pam u k fabrikaları o zam anlar endüstri devrim inin odağındaydı ve kasab a bilimdeki gelişm eleri coşku içinde izleyen genelde üni­ versitede okum am ış insanlarla dolm uş gibiydi. D alton 1794’te M an ch ester E debiyat ve Felsefe D erneği'ne seçildi ve renk k ö r­ lüğünden (D a lto n ü n kendisinin de m ustarip olduğu ve günü­ m üzde D altonizm denen bir renk körlüğü tü rü n d en ) gaz dinam i­ ğine k a d a r uzanan k o n u lar üzerine dernek için m akaleler yazm a­ y a başladı. D a lto n ’un atom ağırlıklarıyla ilgili çalışm alarının ilk kaydı, 1802-1804 y ılların d ak i lab o ra tu v ar defterlerinde y e r alm akta­ dır. D alton, belirli b ir kim yasal bileşiği olu ştu rm ak için gereken


kim yasal elem entlerin ağırlıklarının (kesin o larak söylersek, k ü tlelerinin) daim a aynı o ra n d a olduğunu gözlem işti. Ö rneğin, su olu ştu rm ak için oksijen içinde hidrojen yakıldığında, h er g ram hidrojen için 5,5 gram lık oksijen kullanılm ası gerektiğini bu lm u ştu . (B ir uyarı: Bu D a lto n ’un değeridir. G erçek oran b ir gram lık hidrojene 8 gram lık oksijendir. D a lto n u n ölçüm leri, k endi zam anının stan d artla rın a göre bile o ld u k ça yetersizdi.) Bu, bildiğim iz aşçılığa hiç benzem ez. Bir k ek pişirirken, y arım kiloluk u n a biraz fa z la y a d a biraz az tereyağı katabilirsiniz, ge­ ne d e b ir kek elde edersiniz -belki birazcık fazla yağlı y a d a bi­ razcık fazla k u ru olur, am a gene de bir kektir. O ysa, h er b ir gram hidrojen için 8 gram lık oksijenden biraz d a h a fazlası y a d a b iraz d a h a azı kullanılırsa, oksijeni biraz bol y a d a oksijeni bi­ raz k ıt su elde edilemez; gene bildiğim iz su elde edilir ve biraz oksijen y a d a hidrojen a rta kalır. D a lto n ’un çalışm alarının en önem li y anı, epeyce hatalı olan ölçüm leri değil; fakat onları ato m lar cinsinden yorum layışıydı. D alton şöyle d ü şü n ü y o rd u : E ğer su, h er biri b ir hidrojen atom u ve b ir oksijen atom u içeren parçacıklardan (d ah a sonra bunla­ ra iîiolekül adı verilecekti) oluşuyorsa, o zam an “su için hidro­ jenin h er b ir g ram ın a k arşılık 5,5 gram oksijen” reçetesi ancak, oksijen ato m u n u n h id ro jen ato m u n d an 5,5 kez d ah a ağ ır olm a­ sı halinde açıklanm ış o lu rd u . Bu yaklaşım la D alton, atom ağır­ lıklarını T ablo 3 .T d e g ö rü ld ü ğ ü gibi hesaplam ıştı. O n u n söyle­ m inde atom ağırlığı, b ir ato m u n hidrojeninkine göre ağırlığı y a d a kütlesi dem ekti. K uşkusuz, D alton herhangi b ir atom un ağırlığının g ram y a d a kilogram gibi olağan birim ler cinsinden ne olabileceği k o n u su n d a h içb ir düşünceye sahip değildi. T ab lo 3.1. A tom ağ ırlık ları için D a lto n ’un 1803 d eğ erleri A tom ağırlığı

E lem ent H idrojen N itrojen (“A zo t”) K arbon O ksijen S ülfür

1

(tanım olarak) 4,2 4,3 5,5 14,4


D a lto n 'u n ta b lo su n d ak i atom ağ ırlıklarının tü m ü gerçekte yanlıştı; bu, b iraz o n u n ölçüm lerindeki h atad an , a m a esas ola­ ra k kim yasal bileşiklerin m oleküllerindeki atom ların d o ğ ru o ra n la rın ı bilm em esinden k aynaklanıyordu. Ö rneğin, D a lto n su m o lek ü lü n ü n b ir oksijen atom u ile b ir h id ro jen ato m u n d an o lu ştu ğ u n u varsaym ıştı; oysa b u g ü n herkes biliyor ki, suyun d o ğ ru form ülü H jO ’d u r -yani h er su m olekülünde ik i h id ro jen atom u ve bir oksijen atom u v ard ır. (A lttaki sayılar m olekülde­ ki h e r b ir elem entin atom larının sayısını g ö sterir, altta sayı y o k s a 1 anlaşılır). S u yu o lu ştu ru rk e n D a lto n ’u n h er b ir gram h id ro jen için 5,5 g ram lık oksijen tüketildiğini ölçm esi, b ir oksi­ jen ato m u n u n iki h id ro jen ato m u n d an 5,5 kez y a d a b ir h id ro ­ jen ato m u n d an 11 kez d a h a ağır olm ası anlam ına geliyordu. Bu, oksijenin g ü n ü m ü zd e yak laşık 16 olduğu bilinen gerçek atom ağırlığına y a k ın d ır. K endi atom ağırlıkları tablosunu h a ­ z ırla rk en D a lto n ’u n k ullandığı çeşitli bileşiklerin kim yasal fo r­ m ülleri, g erçek fo rm üllerle birlikte. T ab lo 3 .2 ’de verilm ektedir. T ablo 3.5 ise, g ü n ü m ü zd ek i halleriyle kesin atom ağırlıklarını, D a lto n ta ra fın d a n b u lu n m u ş değerlerle ve T ablo 3.2’d e listele­ nen d o ğ ru kim yasal form ülleri bilmesi halinde bulacağı d eğ e r­ lerle birlik te v erm ek ted ir. T ab lo 3.2. D a lto n ta ra fın d a n k u lia n ıla n ve b u g ü n b ilin en halleriyle, çeşitli b ileşik ­ lerin k im y asal fo rm ü lleri Bileşik

D alto n ’un form ülleri

G e rç e k fo rm ü lle r

Su

HO

H2 0

COj NH

CO2 NH3

SO 2

H 2S O 4

K arb o n dioksit ("karbonik asit”) A m onyak Sülfırik asit

C k arb o n , H hidrojen, N azot, O oksijıen ve S sülfürdür.

K im yasal bileşiklerin d o ğ ru form ülleri, atom k u ra m ın ın d a­ h a so n ra k i b ir gelişm esi sayesinde çıkarıldı. 31 A ralık 1808’de S o rb o n n e ’d a p ro fesö r olan Jo s e p h Louis G ay-L ussac (1778-


ELEM ENTS 1 • j

Slroiitian

^

s

Barytes

g

C a r b im

^

Ii-oii

Oxygen

^

Z in c

J if

C opper

S ii

L ead.

(>ff

Hydro^^en.

Q )

^1^

/

PKospKorus S u ^ p im r

yj

S ilv e r

M a g iiE S ia

(^JP

L im e

^

G o ld

S od a

^8 ^

P la t in a

Potasli

M ercury /li/

K im y asal e le m e n tle r için D a lto n 'u n k u lla n d ığ ı sim g e ler. B u n la rın b a zılarııım , e le m e n t değ il, bile şik o ld u ğ u a rtık b ilin iy o r.


1850) S o ciete-P h ilo ın ath iq u e’e sunduğu bildiride, tü m ele­ m en tlerin belirli ağ ırlık oran larıy la birleşm esine k arşın gazların belirli hacim o ra n la rın d a b ir a ra y a geldiğini belirtm işti. Ö rn e ­ ğin, iki hacim h idrojen a rtı b ir hacim oksijen, iki hacim su b u ­ harı, b ir hacim az o t a rtı ü ç hacim hidrojen iki hacim am onyak v e rir (b u ra d a "hacim ” ile h erh an g i b ir hacim birim inin k aste­ dildiği anlaşılm alıdır -b ir htre, y a rım litre, b ir m etre k ü p y a d a neye sahipseniz o). T a b lo 3 .3 D a lto n ’u n eld e e ttiğ i d e ğ e r le r v e d o ğ r u fo rm ü lle ri b ilse y d i eld e e d e b i­ leceği d e ğ e r le r ile b irlik te , b e ş e le m e n tin a to m a ğ ırlık la rın ın g ü n ü m ü z d e b ilin e n d e ğ e r le r i lilem ent

H idrojen

G ü n ü m ü zd e bilinen atom ağırlıkları

1,0080

K arbon

12 ,0 111

Azot

140067 1.6,9994

O ksijen S ü lfü r

32,06

D alto n 'u n (1803)

D oğru kim yasal

atom ağırlıkları

form üllerle D alto n ’un atom ağırlıkları

1

1

4,3 4,2

8 ,6

5,5 14,4

12,6 11

57,6

G ü n ü m ü z d e b ilin en ato m a ğ ırlık la rı, k a rb o n a to m u n u n (y a d a d a h a k esin o la ra k k a r b o n u n en bol izo to p u olan ’^ C n in ) a ğ ırlığ ın ın 1/12'sine g ö re o lan a ğ ırlık la rd ır; Fakat b u , h id ro je n a to m u n u n a ğ ırlığ ın a ço k ç o k y a k ın d ır . B u a ğ ırlık la r h id ro je n e g ö re alınsaydı, a n c a k b in d e 8 k a d a r d a h a k ü ç ü k o lu rla rd ı.

H acim leri b irleştirm e yasasının açıklam ası, T u rin Ü niversi­ tesi fizik p ro fesörü Q u a re g n a kontu A m adeo A vogadro (17761856) tarafın d an 181 l ’de ileri sürüldü. A vogadro şu v arsay ım ­ d a b u lu n d u : B elirli bir sıcaklık ve basınçta h e r gazın eşit hacm i daim a eşit sayıda g a z parçacığı içerir. A vogadro bu p arçacık la­ ra m o le k ü l adını verdi. Ö rn eğ in , su o lu ştu ru rk en iki litrelik h id ro jen in daim a (aynı sıcaklık ve basınçta) b ir litrelik oksijen ile birleşm esi gerçeği, hem en ak la b ir su m olekülünde hidrojen ato m u sajnsınm oksijen atom u sayısm dan iki k a t fazla olacağı­ nı getirir; suyun H jO o lduğunu b u yolla biliyoruz. B u ra d a k o ­ layca görülebilen b ir gü çlü k var: H e r su m olekülü b ir oksijen ve iki hidrojen atom u içeriyorsa, b ir litre oksijen ve iki litre hid ­ rojen n eden sadece b ir litre değil de, iki litre su b u h arı verir?


A v o g ad ro ’n u n d ü şü n d ü ğ ü y an ıt şuydu: O lağ an koşullar altın­ da, oksijen m olekülü ve h id ro jen m olekülü (A vogadro b u n lara “tem el m oleküller” diyor) b ire r değil ikişer atom içerir. Bu, lit­ redeki hidrojen ve oksijen atom larının sayısını iki k atm a çıkarır ve dolayısıyla belli hacim lerdeki hid ro jen ve oksijenden üretilen su m oleküllerinin sayısını ve su buh arın ın hacm ini de iki k atın a çıkarır. B una göre, su ve am onyak ü retim i için kim yasal tep k i­ m eler 2 H 2 + O 2 —> 2 H 2O ve N 2 + 3 H 2 —> 2 N H j şeklinde olur. H e r m olekül için kim yasal sem bolün ö nündeki sayı, o kim yasal bileşiğin kaç m olekülünün tepkim eye katılacağım gösterir; böylece A vogadro varsayım ına göre, bu sayılar, tepkim elerde ge­ rekli olan gazların bağıl hacim lerini de verirler. A vogadro varsa 3 umı çok parlak b ir tahm indi. B ugün b u v a r­ sayım ı gazların kinetik kuram ı bağlam ında anlıyoruz: B ir gazın bir d u v ara uyguladığı basınç, iyi bir y ak laştırım la sıcaklığın, lit­ redeki gaz m oleküllerinin sayısının ve B oltzm ann sabiti adı v e­ rilen evrensel b ir sabitin çarpım ına eşittir; b u ra d a gaz m olekül­ lerinin doğası hiç önem li değildir (E k F y e b ak ın ). D olayısıyla, belirli sıcaklık ve basınçta, litre b aşın a daim a aynı sayıda m ole­ küle sahibiz dem ektir. A vogadro’nun zam an ın d a varsayım ının, tam am ıyla deneysel olarak, yani işlediği gösterilerek d o ğ ru lan ­ ması g erekiyordu. B aşka b ir deyişle, A vogadro varsayım ım b e ­ nim seyerek, suyun H 2O olduğu so n ucuna vardığım ız gibi, fa rk ­ lı gaz bileşiklerinin kim yasal form üllerini de bulm am ız gereki­ y o rd u . O zam an, değişik tepkim elere katılan elem entlerin ve b i­ leşiklerin ağırlık oranlarından, tıpkı D a lto n ’un yaptığı gibi, atom ağırlıkları (diyelim ki hidrojene göre) saptanabilirdi. B e­ lirli bir elem entin atom ağırlığının tüm tepkim elerde a3mı çık­ m ası varsayım ın d o ğ ruluğunu denetlem enin b ir yo lu olabilir. A vogadro varsayım ı y an lış olsaydı, değişik bileşikler için yanlış kim yasal form üller v e dolayısıyla farklı tepkim eler için tutarsız atom ağ ırlık ları o rtay a çıkardı. T erm inoloji için d e b irk aç söz söyleyelim : B ir kimycisal bile­ şiğin m o le k ü l ağırlığı, bileşiğin b ir m olekülünü o lu ştu ran ato m ­


ların atom ağırlıklarım n toplam ına eşittir. Ö rneğin, b ir su m ole­ k ü lü n ü n m olekül ağırlığı 2 + 16 = 18'dir. M olekülleri b ir te k ato m d an oluşan b ir elem entin, örneğin helyum un m olekül a ğ ır­ lığı atom ağırlığıyla aynıdır. D N A gibi b a 2 i m oleküller ise, m il­ y o n la rla ifade edilen m olekül ağırlıklarına sahiptir. B azen k im ­ yacılar, m olekül ağırlığına eşit sayada gram olarak tanım lanan m o i kütle birim ini k ullanırlar, örneğin b ir m oi hidrojen gazı 2 gram , b ir moi su 18 g ram dır. Moi çok y a ra rlı b ir birim dir; ç ü n ­ kü h erhangi b ir m ad d en in b ir m olü daim a aynı sayıda m olekül içerir. Bu sayı, y an i moi başına m olekül sayısı A vogadro sayısı o larak bilinir. A v o g adro’nun, ne yazık ki A vogadro sayasını h e ­ saplam ası m üm kün değildi, b u n u n için aşağıda anlatılan geliş­ m eleri beklem eliydi. A vogadro, çok sayıda atom ağırlığını o ld u k ça d o ğ ru biçim de sap tark en kendi varsayım ına d ay anarak çıkarılan kim yasal for­ m ülleri kullandı. B u ÇcJışmalar d ah a so n ra başkaları, özellikle S tockholm Ü niversitesi kim ya p ro fesö rü J ö n s J a k o b B erzelius (1779-1848) tarafın d an sürdürüldü. B erzelius 1814, 1818 ve 1826 y ılların d a b irço k elem entin atom ağırlıkları için oldukça güzel değerler v eren tab lo lar yayım ladı. O n dok u zu n cu y ü z y ı­ lın sonlarında, tüm fizikçiler ve kim yacılar atom ların varlığına in an m asa da, g ü n lü k çalışm alarında atom ağırlığı tablolarını k u llanm aya alışm ışlardı. A tom ların gerçekliğine inanm ış olan on dok u zu n cu yüzyıl fi­ zikçileri için bile, atom ağırlıklarının y o ru m u n d a gene d e b üyük b ir belirsizlik vardı. B ir elem ent şu atom ağırlığına sah ip tir d e ­ diğim izde, bu, elem entin (diyelim ki hidrojene göre) tüm ato m ­ ların ın ağırlığı m ıdır, y o k sa sadece b u ato m ların o rtalam a ağ ır­ lığı m ıdır? G az b oşalm aları üzerine çalışan ilk kişilerden biri olan S ir W illiam C rookes, 1886’da, kim yacılar tarafın d an ölçü­ len atom ağırlıklarının gerçekte aynı elem entin farklı ato m ları­ nın ağırlıklarının o rtalam aları o lduğunu savunm uştu. B unun d o ğ ru olduğunu şim di biliyoruz. N eredeyse tüm elem entler, iz o to p adı verilen farklı şekillerde o rtay a çıkarlcur. A ynı elem en­


tin farklı izotoplarının atom ları kim yasal o larak n eredeyse ayırt edilem ezler, fak at farklı atom a ğ ırk k la n n a sahiptirler. İzo top ların keşfedilm e öyküsü, bizi yirm inci y ü z y d fiziğinin içine alıp g ö tü rü r. B u b ir “geriye d ö n ü ş” bölüm ü o lsa da, izo­ to p larla ilgili çağdaş anlayışım ızın nasıl geliştiğini biraz an lat­ m adan atom aığırlıklannın tartışılm ası tam olam az. 1897’de rad y o ak tiv itenin keşfinden hem en sonra anlaşıldı ki, bazı kim yasal elem entlerin kim yasal davranış bakım ından ö z­ deş, fakat ra d y o a k tif d av ran ış b akım ından çok farklı değişik b i­ çimleri vardır. Ö rn eğ in, k u rşu n genelde radyoaktif değildir; fa ­ k at uranyum -taşıyan m inerallerle birlikte bulunan k u rşu n u n kendisi radyoaktivite g ö sterir ve k u rşu n d a n kim yasal olarak ay ­ rılabilen tüm elem entler ayrılsa bile, bu radyoaktivite devam eder. Bir elem entin farklı rad y o ak tif davranış gösteren bu tü r ­ lerinin farklı ağırlıklı ato m lard a n o luştuğu k ısa sürede anlaşıldı. 1910’d a F red e rick S oddy aynı elem entin tü rlerin e izotop adını verdi; çünkü b u n lar kim yasal elem entler listesinde aynı y e rd e y ­ diler (iso aynı, tope ise y e r dem ektir). B ununla birlikte, ra d y o ­ aktivite hâlâ biraz gizem liydi ve izotop olgusu sanki ağ ır ra d y o ­ a k tif elem entlerin bir özelliği gibi görünüyordu. R ad y o ak tif olm ayan, sırad an hafif elem entlerin de izotoplara sahip old u ğ u n a ilişkin keşif J . J . T hom son a aittir. O n u n k u l­ landığı y ö n tem , b ir k ato t ışını tü p ü n d e üretilen ışınların -elekt­ ro n lard an oluşan sırad an k ato t ışını değil, fakat artı y ü k lü ağır p arçacık lard an oluşan ışınlar- elektrik ve m anyetik sapm asına dayanıyordu, ki bu hiç de şaşırtıcı değil! K atot ışınlarının isim babası E-ugen G oldstein 1886'da, k a to tu n d a b ir delik açılmış olan b ir k ato t ışını tü p ü n d e, delikten o rtay a çıkan b ir ışının t ü ­ pü n içindeki seyreltilm iş gazda bir g ö rü n ü r ışık çizgisi o lu ştu ra­ ra k an o ttan uzaklaştığını g örm üştü ve bu ışınlara kanal ışınları (K analstrahlen) adını verm işti. 1897'de W ilhelm W ien (18641928) kanal ışınlarını elektrik ve m anyetik alanlarla saptırm ayı başarm ış; b u sapm anın y ö n ü ve m iktarından bu ışınların artı y ü k lü p arçacık lard an oluştuğu sonucunu çıkarm ıştı. A yrıca b u


p arçacık ların k iitle/y ü k oranlarının, T hom son u n k a to t ışm larınm k in d en binlerce k ez d a h a bü 3riik ve elektrolizde ölçülm üş olan (b irazd an ele alınacak) elektrikçe y ü k lü atom ların k ü tle/yük o ra n la rın a y a k ın olduğunu bulm uştu. B u rad a n d a şu so ­ n u c a varm ıştı: B u k an al ışınlarının parçacıkları, tü p ü n içindeki gaz atom ları ve m olekülleridir; k ato ttan anota d oğru giden k a ­ to t ışınlan o nlardan elek tro n lar k o p a ra ra k onları a rtı y ü k lü h a ­ le getiriyorlar; böylece de artı y ü k lü anot tarafından itilip, eksi y ü k lü k ato ta d o ğ ru çekiliyorlardı. İvm elenen bu artı y ü k lü p a r ­ çacıkların (iyonların) çoğu k ato ta çarpar; fakat belirli bir kısm ı k ato ttak i deliğe d en k gelip geçer ve d iğer ta ra fta kanal ışınları o larak gö rü n ü rler. K anal ışınlarının incelenm esi zordu; çü n k ü bazı k an al ışını p arçacıkları k ato ttak i delikten geçtikten so n ra b ir gaz m olekü­ lüne çarpıp fazladan b ir elektron kazan ab ilir y a d a k ay b e d eb i­ lirdi. W ien tarafın d an ölçülen kütle/yük o ran lan , aslında elek t­ rik y ü k ü n d e m ey d an a gelen bu beklenm edik değişim lerin önce­ sindeki ve so n rasın d aki değerlerin ortalam alarıydı. Thom son, (ışın p arçacık larıy la gaz m oleküllerinin çarpışm a olasılığını en az a in d irm ek için) k a to tu n anota zıt tarafın d ak i gaz basıncının çok d ü şü k tu tu ld u ğ u b ir tü p k u llan arak bu güçlüğü yenm işti. Böylece, farklı a rtı y ü k lü atom ların v e m oleküllerin kütle/yük o ran ın ı o ld u k ça iyi b ir kesinlikle ölçebilm işti. 1913’te T hom son, neo n g azında oluşan k an al ışınlarının iki farklı k ü tle/y ü k o ra n ın a sahip o lduğunu gözlem ledi; biri tek y ü k lü hidrojen ato m ların d ak i oran ın 20 k atı v e diğeri 22 k atıy ­ dı. E lek trik y ü k leri tü m ü n ü n aynıyck; böylece Thom son, n e ­ o n u n atom ağırlıkları 20 ve 22 olan iki farklı izo to p u b u lu n d u ­ ğu so n u cu n a v ard ı. N e o n u n atom ağırlığı d a h a önce 20,2 olarak ölçülm üştü. Bu, o rtalam a atom ağırlığı old u ğ u n a göre, sıradan (yani atm osferim izde b u lu n an ) neon b u iki izotopun karışım ı­ dır: Y üzde 10 u d a h a ağır olan “ N e izotopu ve y ü zd e 90’ı ^“N e izotopu. (D ik k a t ederseniz, 2 0 ’nin y ü z d e 90'ı a rtı 22'nin y ü zd e lO’u gözlenen atom ağırlığına, y a n i 20,2 y e eşittir.) N e o n u n izo-


Francis Aston, C am bridge'deki C avendish L a b o ratu v an 'n d a kendi k ü tle spektrografinin başında.

toplarının hiçbiri ra d y o a k tif değildir; böylece izotopların o rtay a çıkışının, radyoaktivitenin varlığından bağım sız olduğu göste­ rilmiş oluyordu. T b o m so n ’un çalışm aları I. D ü n y a Savaşı n d an so n ra C aven­ dish L ab o ratu v arı’nda b ir b a şk a fizikçi, savaştan önce Thom so n ’un asistanlığını y ap an F rancis W illiam A ston (1877-1945) tarafın d an sü rd ü rü ld ü . A ston, o sıralard a bilinen b ir yöntem i, yani ışınları elektriksel ve m anyetik alanlarla saptırm a y ö n tem i­ ni, kütle sp ek tro g rafı denen çok gelişkin yeni b ir düzenekle b ir­ leştirdi. Bu d ü zen ek le sadece T hom son’un neon izotoplarıyla il­ gili so n u cu n u d o ğ ru lam akla kalm adı; aynı zam anda k lo ru n iki izotopu (®C1 ve ^^Cl), silikonun üç izotopu

(“ Si, “ Si ve ’°Si),

sülfürün üç izotopu (^^S, ®®S ve ®''S) ve n eo n u n ü çü n c ü izotopu (^‘N e) d a dahil, y en i b ir izotoplar ord u su keşfetm e 3 Ü başardı. G erçekten de, h afif elem entlerin çoğu ra d y o ak tif olm ayan çeşit­ li izotoplara sahiptir.


A ston tara fın d an izotopların atom ağırlıkları üzerine y ap ılan hassas ölçüm ler çarp ıcı b ir o rtak özelliği açığa çıkardı. A ston b u n u 1919’d a b ir tam sayı kuréJi o larak ifade etti: A tom ağırkkları, ’“’O izotoponun ağırlığm ın 1/16’sın a (ya da, b u g ü n k ü haliy­ le, ’^C’nin ağırhğının 1/12’sine) göre ifade edilirler; b u d u ru m d a sa f izotopların tüm ato m ağırlıkları tam sayılara çok y a k ın çıkar. Bu, D a lto n ’u n çalışm asm m hem en a rd ın d a n y ak laşık b ir hesap o larak dik k ati çekm iş v e 1815’te W illiam P ro u t (1785-1850), tü m kim yasal elem entlerin atom lannm , hidrojen atom u olduğu­ n u tah m in ettiği b ir tem el parçacığın tam k atlarm d an oluştukla­ rı y o lu n d a doğal b ir so n u ca ulaşm ıştı. B u n u n la birlikte, bazı ele­ m entlerin atom ağırlık larının tam sajnlara hiç d e y a k ın olm am a­ sı, b u düşü n cey e u zu n b ir sü re engel gibi görünm üştü. E n k ö tü ö rn e k de, atom ağırlığı 36,45 olan klordu. A ston b u atom ağır­ lığının, g erçek ten de k lo ru n iki izotopunun (®C1 v e ^’'Cl) atom ağ ırlıklarının (sırasıyla y ü z d e 77,5 ve y ü zd e 22,5 o ranında) o r­ talam ası olduğunu gösterebilm işti. T ablo 3.4'te, b irkaç yaygın elem entin bazı izotoplarının atom ağırlıklarının g ünüm üzde bi­ linen değerlerini bulabilirsiniz. P ro u t’u n varsa 3nm ının v e Asto n ’un tam sayılar k u ram ının, özellikle o rta atom ağırlıklı atom ­ la r için g erçek ten de çok iyi işlediği besbellidir. T a b lo 3.4. B irk aç E le m e n tin B azı İz o to p la rın ın A to m A ğ ırlık ları E lem ent H idrojen Helyum

İzotop 'H

1,007825

'H

2,01410

K arbon

'H e 12C

O ksijen

■'C I6Q

N eon

A tom Ağırlığı

4,0026 12

(tanım olarak)

13,00336 15,99491

■'O

16,9991

“ Ne

19,99244

‘'■Ne

20,99396

“ Ne

21,99138

K lor

*■ 01

34,96885

U ranyum

*■ 01 236(J

36,9659 235,0439 238,0508


B ugün biliyoruz ki, izotopların o rtay a çıkış nedeni, atom çe­ k ird ek lerin in artı y ü k lü p ro to n larla birlikte 3rüksüz parçacık lar­ d an -yani n ö tro n lard an - oluşm uş olm asıdır. P ro to n ların y ü k ü n ü n ö tralize edeceğine göre, atom daki elektron sayısını belirleyen çek ird ek tek i p ro to n sayısıdır. D olayısıyla b ir elem entin kim ya­ sal doğası, tem elde çekirdeğindeki p ro to n sayısıyla belirlenir. T üm hidrojen atom ları çek ird ek te bir p ro to n a, tü m helyum atom ları iki p ro to n a sahiptir; 103 pro to n lu lavrensiyum a k adar b u böyle sü rü p gider. Aynı elem entin tü m izotoplarının atom la­ rı aynı sa3a d a p ro to n ve elek tro n a sahiptir; fak at bunların nö t­ ron say ılan ve dolayısıyla atom a ğ ırh k la n farklıdır. N ö tro n lar ve p ro to n lar y ak laşık olarak aynı kütleye (yaklaşık bir 'H ato ­ m unun kütlesine) sahiptir; elektronlar ise çok d a h a hafiftir. Bu nedenle bir izotopun atom ağırlığı, çekirdeğinde bulunan p ro ­ ton ve n ö tro n ların toplam sayısına (ki h u k u şk u su z b ir tam sayı­ dır) neredeyse eşittir. B u n u n la birlikte, çekirdek fiziğinde yeni ilerlem eler olm adan, b u n ların hiçbiri bilinem ezdi. 4. B ölüm 'de b u gelişm elere b ak tık tan sonra, A ston’un tam sayı kuralının k ü ­ çük istisnalarının yol açtığı sonuçları d a anlayabileceğiz -ki bu istisnalar k u ralın kendisi k a d a r önem lidir. Son ek; Aynı elem entin farklı izotopları kim yasal olarak n e­ redeyse ay ırt edilem ediklerine göre, sırad an kim yasal yollarla ay n lam azlar. I. D ü n y a S av aşın d an hem en önce, A ston, hafi!' atom ların ince beyaz kil gibi gözenekli m alzem eler içine d ah a hızlı y ay ın m aların a (difüzyon) dayanan b ir ayırm a yöntem i g e ­ liştirm işti. B ir neon gazı örneğini birçok kez böyle m alzem eler­ den geçirerek, gaz ö rneğinin hafif izotopça (^°Ne) bir m iktar zenginleştiğini görm üştü. B u n u n la birlikte, b ir elem entin bir izotopunun diğerlerinden hem en hem en tam olarak ayrılm ası 1 9 32ye k ad ar, y a n i H a ro ld U rey (1893-1981) ve diğerlerinin neredeyse s a f ağır su (^H’in oksidi) örneğini hazırlam ayı b a şa r­ dıkları zam ana k ad a r gerçekleştirilm em işti. II. D ü n y a S avaşı sırasında A m erika B irleşik D evletleri, n ü k ­ leer silah y ap ım ın d a k u llan m ak için u ra n y u m u n

izotopunu


çok bol olan

izoto p u n d an ayırm aya şiddetle gereksinim

d u y d u lar. M an h a tta n P ro jesi’nce benim senen yöntem ler, tam tam ın a C avendisb L ab o ratu v arı’n d a geliştirilm iş olanlardı: W i­ en, T hom son ve A sto n ’u n elektrom anyetik sap tırm a yöntem i ve A sto n ’un gaz-ya 3nnım yöntem i. S o n u n d a gaz-yayım m y ö n tem i­ nin d a k a u y g u n olduğu kanıtlandı ve H iro sh im a’da p atlatılan böyle sağlandı. (N agasaki bom basında b ir b aşk a elem ent, plü to n y u m kullanıldı.) Şim di d ah a kolay yöntem ler v ar ve p lü ­ to n y u m u olduğu k a d a r

izotopunu d a kolayca elde edebilen

b irço k ülkenin v ar olduğu b ir dün y ad a yaşam ın k o rk u tu cu y ü ­ züyle karşı karşıyayız.

Geriye Dönüş: Elektroliz A tom ların ö y k ü ı^ z d e önemli olan b ir b aşk a sayısal özelliği, elek tro n ların y a d a atom çekirdeğinin keşfinden çok önce, on d o k u zu n cu yüzyılın başların d a ölçülm üştü. D o ğ ru su n u söyle­ m ek gerekirse, bu k eşif sadece atom larla değil iyonlarla, y an i p ek çok iletken sıvıda elektrik akım ını taşıyan elektrikçe y ü k lü m oleküllerle de ilgilidir. Bu özellik, atom kütlelerinin iyonik y ü k lere o ran ıd ır ve T hom son un yaptığı gibi, elektrik akım ını elek trik y a d a m an y etik alanlarla sap tırarak değil de, basitçe elektroliz olarak bilinen elektrokim yasal süreçte üretilen m alze­ meyi ta rta ra k ölçülm üştür. E lek tro liz N isan 1800’de W illiam N icholson (1753-1815) ve A n th o n y C arlisle (1768-1840) ta ra fın d a n neredeyse tesad ü fen keşfedilm iştir. N ich o lso n ve C arlisle, elek trik b atary aların ın işleyişini incelerken, elek trik sel tem ası iyileştirm ek için tel ile b a ta ry a arasın d ak i b ağ lan tı ü zerin e bir su dam lası koydular. T elin su y a değdiği y e rd e gaz k ab a rcık ların ın o lu ştu ğ u d ik k a t­ lerin i çekti. O lay ı d a h a ayrıntılı incelem ek için b ir b atary an ın u çların d an çıkan telleri su dolu b ir tü p e d ald ırd ık ların d a, eksi u c a bağlı telde h id ro jen gazı ve artı telde oksijen gazı ü re tild i­ ğini gözlediler. K ısa sü re d e d iğ er m ad d elerin de bu şekilde kim yasal o larak ayrıştırılabildiği b u lu n d u . E n kapsam lı den ey -


1er, R u m fo rd ’u n y e n i k u ru la n K raliyet E n stitü sü ’n d e kim ya p ro fesö rü olan S ir H u m p ıy D av y ’nin (1778-1829) y ap tığ ı d e ­ n ey lerdi. D avy, erim iş tu z la rd a n y a d a b u tu z la rın su d ak i çö­ zeltilerinden e lek trik akım ı g eçirilerek çeşitli tu z la rın a y n ştırılabildiğini g ö rm ü ştü ; öyle ki tu z u n ay rışa n elem entleri çoğu kez b atary an ın eksi v e a rtı u çların a b ağ lan ıp çözeltiye d ald ırıl­ m ış olan iletk en ler (ki b u n la ra e lek tro t deniyor) ü zerinde sıra­ sıyla, b ir m etal k ap lam a v e k a b a rc ık la r halin d e b ir gaz şeklin­ d e o rta y a çıkıyordu. Ö rn e ğ in , erim iş so fra tu z u n u n elektroli­ zin d e eksi e le k tro tta sod 3m m m etali ve a rtı e le k tro tta klo r gazı o rtay a çık ar. D avy, sodyum v e potasyum elem entlerini bu elektroliz den ey leri aracılığıyla keşfetm işti; birço k sıradan bi­ leşikte b u lu n m ak la b irlikte, b u iki elem ent kim yasal olarak öy­ lesine tep k in d ir ki, h içb ir zam an serb est elem ent olarak b u lu n ­ m azlar. Bu olayların ay rıntdı o larak anlaşılm ası belirli bir süre aldı -bu b ir bııkıma, on d ok u zu n cu 3niz3 nl b aşların d a kim yacıların atom lar y a d a m oleküller h ak k ın d a çok az şey bilm elerinden ve elek tro n lar h ak k ın d a hiçbir şey bilm em elerinden, ayrıca elekt­ roliz sürecinin çok k arm aşık olm asından kaynaklanm ıştı. So­ n u n d a esas olarak doğru b ir kuram , 1830’larda M ichael F araday (1791-1867) tarafın d an geliştirildi. F arad ay gündelikle ça­ lışan bir ciltçi olarak hayata atıldı ve ciltlediği kitapları okuya­ rak kendisini eğitti. Bir lab o ratu v ar işi arark en , b ir m ülakatta D avy yi çok etkiledi ve 1812’de kim ya deneylerinde çalışm ak ü zere asistan olarak işe alındı. 1831’de K raliyet E n stitü sü laboratu v arların ın m ü d ü rü o larak D av y ’nin y erin e geçti ve elektrik üzerine olan çalışm alarına başladı. F a ra d a y ’ın elektrik alanı çiz­ gilerinin yararlılığını 2. B ölüm ’de görm üştük. M an y etik alan­ daki değişim lerin elek trik alanı y arattığ ın ı gösteren indüksiyon olgusunu keşfeden de gene F a ra d a y ’dı. Esas o larak F arad ay tarafından geliştirilm iş haliyle elektro­ liz, şöyle özetlenebilir: B ir sıvının, örneğin su3m n elektrikçe y ü k sü z m oleküllerinin belirli b ir kısm ı norm alde artı ve eksi


3 ^ k l ü alt-m olekiillere ayrılır; F ara d ay b u n ları iyon* olarak ad ­

landırm ıştır. Ö rneğin, norm al koşullarda saf sudaki m olekülle­ rin y ak laşık 1,8 X lO^^’u b ir artı hidrojen iyonu (H^) ile b ir eksi hid ro k sil iy o n u n a (O H

) (karm aşık ned en lerd en dolayı) ayrı­

lır. E lek tro n u n keşfinden beri biliyoruz ki,

gibi artı iyonlar,

b ir y a d a d ah a çok elek tro n u n u (H* için sadece b ir) kaybetm iş m o lek ü llerd ir (H ^ ö rneğinde, te k atom ) ve O H

gibi eksi y ü k ­

lü iyonlar ise b ir y a d a d a h a çok elektron kazanm ış m oleküller­ dir. B u n u n la birlikte, F a ra d a y ’ın k u ra m m d a bu bilgiye gerek y o k tu r. Şim di, b ir elektrik b ataryasının artı ve eksi uçlarına bağlanm ış iletkenlerin (F arad ay b unları elektro t olarak adlandırm ıştı) bir sıvı içine daldırıldıklarını varsayalım . Eksi elektrotun hem en y a ­ kın ın d ak i artı iyonlar b u elek tro ta d oğru çekilecektir. D eğdikle­ rin d e b atary ad an eksi elektrik y ü k ü alacaklar (a rtık y ü k ü n elek tro n lar tarafın d an taşındığını biliyoruz) ve y ü k sü z m olekül­ ler o larak m addeleşeceklerdir. Ö rneğin, suyun elektrolizinde, bu tepkim e 2H^ + 2 e” —> H 2 biçim inde gösterilir. B urada iki elekt­ ro n ve iki hidrojen iyonu işe karışır; çünkü, A v agadro’nun keş­ fettiği gibi, norm al hidrojen m olekülü iki hidrojen atom undan oluşm aktadır. B enzer şekilde, artı elektrotta eksi iyonlar b atar­ y a y a eksi y ü k lerin i (elektronlarını) verecekler ve onlar d a sıra­ dan m oleküller o larak o rtay a çıkacaklardır. S uyun elektrolizin­ de, b u tepkim e 4 O H

—> 2HaO ı- O 2 + 4 e" şeklindedir ve oksi­

jen de, hidrojen gibi, elek tro tta k ab arcık lar olarak g örünür. Bu tepkim eler, eksi e lek tro tta bir artı iyon eksikliği ve artı elektrot­ ta b ir eksi iyon eksikliği y aratacak , böylece elektrotların y ak ın ı­ n a y en i iyonlar çekilecek ve süreç devam edecektir. A rtı u çta b a­ ta ry a y a verilen ve eksi u çta ondan geri alınan eksi y ü k , teller ve b a ta ry a boyunca sırad an b ir elektrik akım ı olarak akar; bu akı-* ** F a rad ay iyon ve elektrot terim lerinden başka, artı ve eksi iyonlar için anyon ve k at­ yon ; artı ve eksi elektrotlar için de a n o t ve katot terim lerini ortaya atm ıştı, am a bunları kendisi bulm am ıştı. B unlar, F arad ay m isteği üzerine C am bridge'deki T rinity College’ın m ü d ü rü D r. W illiam W hew ell tarafın d an Y unanca köklerden türetilm iş ve d aha son ra F arad ay tarafın d an yazılarında kullanılm ıştı.


Faraday'ın elektroliz aygıtı


rain şiddeti kolayca ölçülebilir (örneğin, sıradan b ir am perm et­ rede olduğu gibi, akım ın y arattığ ı m anyetik ku v v et ölçülerek). Aynı şey diğer m addelerin elektrolizinde de geçerlidir. Ö rn e ­ ğin, güm üş k lo rü rü n elektrolizinde A gC l m olekülü Ag^ ve Cl” iyonlarına (Ag güm üş, C1 ise klordur) a3nrılır; eksi ve artı elekt­ ro tlard ak i tepkim eler sırasıyla Ag^ + e”—> Ag ve 2 Cl” —> 2 e" + Cİ2’dir. Klor gaz olarak çıkar ve h er bir m olekülü iki atom içerir; güm üş ise eksi elek tro tta tek-atom lu b ir kaplam a olarak görülür. T üm bu tepkim elerde, tellerden ve b a ta ry a d a n belli m ik ta rd a b ir elektrik akım ı geçtiği zam an, h er tü rd e n belli sayıda m olekül ü retilir. Kolaylık olsun diye, güm üş k lo rü rü n elektrolizinde b ir g üm üş atom u ü retm ek için gerekli olan m iktarı bir y ü k birimi o larak alalım. Bu d u ru m d a, her bir klor m olekülünü ü retm ek için iki birim y ü k e gerek duyulur; suyun elektrolizinde ü retile­ cek h er hidrojen ve h er oksijen m olekülü (atom u değil) için, sı­ rasıyla iki ve d ö rt birim y ü k gerekir. B u rad a kullanılan birim in, b ir elek tro n u n y ü k ü olduğu iirtık biliniyor. Bu, F a ra d a y için sa­ dece belirli b ir indirgenem ez y ü k birim iydi, elektrolizde iyonlar ve elek tro tlar arasın d a bu birim in katları aktarılırdı. S toney 1874’te elektron terim ini, elektrolizde tem el elektrik birimi ola­ rak, işte bu anlam da o rta y a atm ıştı. Ü retilen çeşitli m alzem elerin göreli m ik tarların ın ölçüm ü, F a ra d a y ’m aklına y u k a rıd a anlatılan elektroliz tab lo su n u g etir­ m işti. Ö rn eğ in , su y u n elektrolizinde, elektrik akım ı daim a hid­ rojen kütlesinin sekiz k atı k ad a rh k bir oksijen kütlesi ü re te cek ­ tir. F arad ay 'in k u ram ını tem el alarak beklem em iz gereken de şudur: H e r b ir oksijen m olekülünün üretim i, d ö rt birim elekt­ rik g erek tirir; oysa h er b ir hidrojen m olekülünün üretim i için sadece iki birim g erekir. D em ek ki belirli b ir akım, hidrojen m oleküllerinin y arısı o ra n ın d a oksijen m olekülü açığa çık ara­ cak tır. B u n u n la birlikte, önceki bölüm de g ö rd ü ğ ü m ü z gibi, h er b ir oksijen m o lek ü lü nün kütlesi hidrojeninkinin 16 katıdır; o halde h e r b ir g ram h id ro jen için | x 16 = 8 g ram lık oksijen ü re ­ tilecektir.


D a lto n ’un kendi atom ağırlığı birim inin b ü y ü k lü ğ ü n ü olağan birim ler, ö rneğin g ram cinsinden bilem em esi gibi, F ara d ay ’m d a kendi elektrolit y ü k birim inin b ü y ü k lü ğ ü n ü olağan birim ler, ör­ neğin coulom b cinsinden bilm esinin bir yo lu y o k tu . B u n u n la birlikte, bu birim lerin oranı artık kolayca saptanabilirdi. T uzla­ rın, örneğin güm üş k lo rü rü n elektrolizinde eksi elek tro tlard a bi­ riken güm üş m iktarı ölçülerek, bir saniyede b ir am perlik b ir akım geçtiğinde lO"" kilogram kadar, d ah a şiddetli akım lar ve d ah a uzu n zam anlar için orantılı olarak d a d a h a çok güm üş ü re­ tildiği görüldü. H e r birim y ü k için b ir güm üş atom u üretilir; do­ layısıyla 1 0 ^’ kilogram lık güm üşteki güm üş atom larının sayısı, bir am perlik akım da bir saniyede aktarılan y ü k birim lerinin sa­ y ısın a (ki bu da, b ir coulom bluk y ü k ü n tanım ıdır) eşit olm alıdır. B uradan, güm üş ato m unun kütlesinin elektrik y ü k birim ine o ra­ nı, coulom b b aşın ay a k laşık 10“*’kilogram k ad a r çıkar. G üm üşün atom ağırlığı hidrojeninkinin 108 katı k adardır; böylece hidroje­ nin kütlesinin elektrik y ü k ü birim ine oranı, güm üşünkinden 108 kat d ah a k ü çü k , y an i yaklaşık 1O ^kilogram /coulom bdıır. Uu, genelde biraz d ah a Farklı terim lerle ifade edilir. Ffer m ad­ denin b ir molü daim a aynı sayıda molekül içerdiğinden (93. say­ faya bakın), herhangi b ir m addenin b ir m olünü üretm ek için g e­ reken elektrik y ü k ü m iktarı tam olarak, m olekül başına gereken elektrik birimiyle (güm üş için bir, hidrojen ve klor için iki, o k ­ sijen için d ö rt) /arac/ay olarak bilinen evrensel b ir sabitin ça rp ı­ m ına eşittir. F lek tro lit elek trik birimi b aşın a elek trik y ü k ü ç a r­ pı A vogadro sayısına (mol başına m olekül sayısı) eşit olan faraday, on d o k u zu n cu yüzyılın so n ların d a 96.850 coulom b/m ol ola­ rak belli b ir kesinlikle bilinm ekteydi. H idrojen atom u 1,008'lik bir atom ağırlığına sahiptir; dolayısıyla hidrojen atom larının b ir molü 1,008 g ram y a d a 1,008 x 10-’ kilogram dır. B u n a göre, b ir hidrojen atom u kütlesinin elektrik y ü k ü birim ine oranı 1,008 X 10-V96.580 = 1,044 x lO"* k g /C

olarak biliniyordu.


T h o m so n ’un elek tro n u keşfetm esinden sonra, elektrolit jm k birim ini basitçe elek tro n y ü k ü olarak belirlem ek doğaldı. B u ra­ dan hareketle hidrojen atom u kütlesinin elektron y ü k ü n e oranı 1,044 X lO"^ kilogram /coulom b olarak bilinm ekteydi. Elektroliz işlem inden sab ırla d e rle n en bu bilgi, T bom son’u n elektronlar için y aklaşık lO " kilogram /coulom b gibi bir kütle/yük oranı ölçm esiyle birlikte T h o m so n ’u şu sonuca gö tü rd ü : Atom lar, içerdikleri elek tro n lardan binlerce kez d ah a ağırdırlar.

E-lektron Yükünün Ölçümü E lek tro n u n y ü k ü , ilk k ez T hom son ile m eslektaşları J . S. E. Tow nsend (1868-1957) ve H. A. W ilson (1874-1964) ta ra fın ­ dan C avendish L ab v o ratu v arı’n d a y ap ılan bir dizi deneyde öl­ çülm üştü. Y öntem leri, T h o m so n ’un öğrencisi C harles T hom son Rees W ilson (1869-1959) tara lın d a n C av en d ish ’te kısa süre ö n ­ ce keşfedilen şu olg u y a dayanıyordu: iyonlar, nemli havada su dam laeıklarınm büyüm esini başlatm aya y aray ab ilirler -genelde toz taneciklerinin oynadığı b ir rol. W ilson'un çalışm ası, sis o d a­ sının geliştirilm esine yol açtı; sis odasından geçen y ü k lü p a rç a ­ cıklar, içerdeki nemli ortam birdenbire genişletildiğinde, sudan oluşan g ö rü n ü r izler m eydana getirirler. Sis odası, herkesi atom alli p arçacıkların g erçek olduklarına inandırm ak için çok işe y arad ı. B ununla birlikte, şimdi bizi ilgilendiren, tek iyonla­ rın etrafın d a bile su dam lacıklarının oluşabileceği olgusudur; öyle ki bu dam lacıkların y ü k /k ü tle o ran ın ın ölçüm ü, boyutları­ nın d a ay rıea ölçülm esiyle birlikte, b ir iyonun y ü k ü için bir de­ ğ e r ve çıkarsam a y o lu y la d a elektron y ü k ü için b ir değer v ere­ bilirdi. T o w n sen d ’ın yöntem i, elektroliz aracılığıyla üretilen gazlarda doğal olarak v ar olan iyonları kullandı. Bu iyonların etrafında oluşan su dam lacıklarının boyutları do ğ ru d an ölçülem eyecek k a d a r küçü k tü ; bu nedenle T ow nsend düşen dam lacıkların hızı­ n a d ay an an b ir y ö n tem e başvurdu (bu, elek tro n 3 /ükünün çok d a h a so n rak i ölçüm lerinde tek rarlan acak olan b ir yöntem di).


Bir su damlacığı, yerçekim inin etkisi altında, havanın ağdalık (viskozluk) direnci yerçekim i kuvvetini tam o larak y o k edince­ y e k a d a r ivm elenecek ve b u n o k tad an sonra sabit b ir hızla düşe­ cektir. Ncvvton’un İkinci Y asası'na göre, dam lacık üzerindeki yerçekim i kuvveti, dam lacığın kütlesiyle (başka kuvvetlerle des­ teklenm ezlerse, cisim lerin düşeceği) 9,8 m etre/saniye^’lik ivm e­ nin çarpım ına eşittir: D am lacık ü z e rin d e k i y erçek im i k u v v eti = D am lacığın k ü tlesi x 9,8 m/s^

D iğ er taraftan , havanın ağdalık direnci hem dam lacığın y a rı­ çapına hem de hızına bağlıdır. Sir G eorge S to k es'u n (18191903) 1851’deki k u ram sal çalışm asından, b u kuvv etin D a m la c ık ü z e rin d e k i = 6 TCTl X D am lacığın y a rıç a p ı x D ain lacığ ın hızı d ire a ç k u v v e ti

form ülüyle verildiği bilinm ektedir; b u ra d a 1] havanın ağdalığını y a d a “y ap ışk an lığ ın ı” v eren b ir sayısal niceliktir ve çeşitli öl­ çüm lerden (örneğin, boyutu bilinen büjrükçe cisim lerin düşm e


hızm m ölçüm ünden) y ak la şık 1,82 x 1 0 nevton.s/m ^ olduğu saptanm ıştır. K uşkusuz ağdalık direnci dam lacığın hareketine k arşı koyacak y ö n d e etkim ektedir; dola 3usıyla hız belirli b ir d e­ ğ ere ulaştığında, b u iki k u v v et b irb irin i y o k eder. O lan şudur: D am lacık y erçekim inin etkisi altın d a hızlanır; bu hızlanm a, ağ ­ dalık direncinin y erçekim ini y o k etm e n o k tasın a k a d a r sü re r ve o n d an so n ra sabit b ir h ızla düşm eye devam eder. S abit düşm e hızında, y u k arıd a k i iki denklem in sağ tarafları eşit olm alıdır: D a m la c ığ ın k ü tlesi x 9 ,8 m/s^ = 6 7CT| x D a m la c ığ ın y a r ıç a p ı x S a b it d ü şm e hızı

D am lacığın hızını ölçerek, T ow nsend, dam lacığın kütlesi ve y arıçap ı arasın d a b ir bağıntı elde etm iş oldu. D am lacığın kütle­ si hacm i ile suyun bilinen y o ğ u n lu ğ u n u n ( 1 0 ’ kg/m ’) çarpım ına eşit o ld u ğ u n a göre; ikinci bağıntı, k ü ren in hacm iyle ilgili m eş­ h u r form ülü k u llan arak, aşağıdaki gibi b u lu n u r: D a m la c ığ ın k ü tle si = ^

x (D a m la c ığ ın y^ı^ıçapı)^ x S u y u n y o ğ u n lu ğ u .

A rtık kü tle ve d a m la c ığ n y arıçap ı gibi iki bilinm eyeni b irb i­ rine bağlayan iki denklem e sahibiz; dola 3 nsıyla h e r ikisini d e k o ­ layca çözebiliriz. (B u işlem . Ek G ’de veriliyor.) T ow nsend bu yolla, düşen su b u h arı b u lu tu n d ak i dam lacıkların ortalam a k ü t­ lesini hesaplayabilm işti. D a h a sonra dam lacıklar b ulutu sülfürik asitten geçirilmiş; sü lfü rik asit suyu so ğ urm uş ve T ow nsend asit tarafın d an topla­ n an elek trik y ü k ü n ü ve so ğurduğu su nedeniyle ağırlığındaki artışı ölçm üştü. B u n ların birbirine bölünm esi dam lacıkların yükykütle o ran ın ı verm iş ve bu oranı d a b ir dam lacığın d a h a ö n ­ ce sap tan an kütlesiyle ç a rp arak b ir dam lacık üzerindeki y ü k ü bulm uştu. T o w n sen d ’in 1897 so n u çlan şöyleydi: Y ük, a rtı iyon­ lar için 0,9 X 1 0 coulom b ve eksi iyonlar için 1,0 x 1 0 ’’ coulom bdu; y ü zd e 1 0 l u k uyuşm azlık kolayca deneysel belirsizlik­ lere y o rulabilirdi. T h o m so n 'u n elektronik y ü k ü ölçme yöntem inde iyonlar, h a ­ vanın X ışınlarına m aruz bırakılm asıyla üretilm işti. Su dam la­


cıklarını sülfürik asitte soğurm ak yerine, T hom son dam lacıkla­ rın toplam kütlesini ve elek trik y ü k ü n ü , havanın elektriksel ilet­ kenliğinin ve su dam lacıklarını m ey d an a getiren genişlem e süre­ since sıcaklık değişim inin ölçüm lerini içeren çok dolaylı yollarla ölçm üştü. T ek b ir dam lacığın boyutu, (T ow nsend deneyindeki gibi) b u lu tu n düşm e hızı ölçülerek bulunm uştu. T hom son’u n 1898’de ulaştığı sonuç, iyonik y ü k ü n yaklaşık 2 x 10"” coulom b olduğu yo lu n d ay d ı. 190 Te gelindiğindeyse yöntem inde iyileştir­ melerle, 1,1 X 10"'® coulom b gibi b ir değere ulaşm ıştı. H. A. W ilso n ’u n y ö ntem inde, T hom son’unki gibi. K ışla la rıy ­ la üretilen iyonlar kullanılm ış; fakat oluşan su dam lacıkları buluUı kuvvetli b ir d ü şey elektrik alanına m aruz bırakılm ıştı. Alan y o k k en , dam lacıkların bo y u tu v e kütlesi, T ow nsend ve Thom ­ so n ’un den ey lerin d ek i gibi, b u lu tu n düşm e hızından ölçülebilir­ di. Alan uygulandığında, dam lacıklar üç kuvvetin etkisindedir: y erçekim i ku v v eti (bu, d a h a önce ölçülm üş olan dam lacık k ü t­ lesine bağlıdır), h avanın ağdalık diren ci (d a h a önce ölçülm üş olan dam lacıkların y arıç ap ın a ve onların gözlenm iş hızına b ağ ­ lıdır) ve dam lacık üzerindeki elektrik kuvveti (dam lacığın elektrik y ü k ü ile elektrik alanının çarpım ıdır). Bu ü ç kuvvetin dengelenm esi so n u cu n d a hızın sabit b ir değere ulaşm asıyla b i­ linmeyen tek nicelik, yani dam lacıkların taşıdığı elektrik y ü k ü bulunabilir. (B u hesaplam a d a Ek G d e y ap ılm ak tad ır). 1903’te W ilson 1,03 X lO"'“*coulom bluk b ir y ü k bildirm işti. Bu sonuçlar birbirleriyle y eterin ce uyum luydu, fakat çok hassas o ld u k ları sanılm ıyordu ve aslında çok hassas d a değildi­ ler (göreceğim iz gibi, elek tro n u n g erçek y ü k ü % 60 k ad a r d a h a b ü y ü k tü r). B u n u n la birlikte, elektriğin atom larla ilişkili oldu­ ğ u n a d a ir kanıt, ato m ların gerçekliği h ak k ın d a k u şk u d u y an la­ rı, örneğin M ac h ’ı in andırm ak için y eterin ce İ3 nydi. H em I. B. C ohen hem d e G . H olton, önde gelen bir atom culuk k arşıtı olan W ilhelm O stw a ld ’m (1853-1932) G enel K im yanın A n a H atları adlı k ita b ın ın 1908 b a sk ısın d a k i itirafın ı ah n tılam ışla rd ı: “A tom ların v arlığ ın a ilişkin varsayım ın y ü zlerce v e binlerce yıl-


d ır aradığı, m addenin kesikli y a da taneli doğasının deneysel k a ­ n ıtın a an cak şu sıralard a sahip olduğum uza artık inanıyorum ." O s tw a ld ’in değindiği k an ıt, P e rrin 'in B row n hareketleri üzeri­ n e olan deneyleri ve T h o m so n ’un elektron y ü k ü ölçüm üydü. N ih ay et M illikan'a geldik. M illikan'm elektron y ü k ü n ü C a­ v en d ish ’te y ap ılan d a n çok d a h a kesin olarak ölçm eye girişm esi 1906’y a rastlar. M illikan, ilk önce sadece H. A. W ilson’un y ö n ­ tem ini tekrarlam ış; fak at b ir süre sonra çok önem li b ir iyileştir­ m e gerçekleştirm işti.* N em li b ir o rtam dan yo ğ u n laşan su dam ­ lacıkları y erine, b ir p ü sk ü rteçle aygıtının içine p ü sk ü rttü ğ ü m i­ neral y ağ ı ("en ince sa a t y a ğ ı”) dam lacıklarım kullanm ıştı. Bu, ** Bu k itap y azıld ık tan sonra, M illikan in b u deneylerdeki öncü rolü üzerine kuşku d ü ­ şü re n ilginç b ir anı o rtay a çıktı. C hicago Ü niversitesi h d e lisansüstü öğrencisi olan H a r­ v e y F letch er (188-4-1981), M illikan'm ö n e risi,üzerine do k to ra tezi için elektron y ü k ü ­ n ü n ölçüm ü kon u su n d a çalışm ış ve b u ko n u d a M illikan ile birkaç ön m akale kalem e al­ m ıştı. F letch er ölüm ünden son ra yayım lanm ası isteğiyle bir ark ad aşın a bir elyazm ası bı­ rakm ış; b u y azı Physics Today, H aziran 1982, sayfa 43'te basılm ıştı. Y azıda, Fletcher, y a ğ dam lalarıyla bu deneyi ilk y ap an ın ve tek dam lacıklar üzerindeki y ü k ü ilk ölçenin kendisi olduğunu, h atta y a ğ dam lası kullanım ını d a ilk kez kendisinin önerdiğini iddia ed iy o rd u . F letch er e göre, elektron y ü k ü n ü n ölçüm ünü d u y u ran ilk önem li m akalede M illikan ile o rtak y azar olm ayı beklem iş, fakat M illikan onu ism inin olm am ası konu­ su n d a ik n a etm işti.


dam lacıkların y ü zey in den buharlaşm ayı azaltıyor; dola 3asıyla deney b o y unca dam lacıkların k ü tleleri sabit kalıyordu. D a h a önemlisi, M illikan, b ir bulu tu değil d e b ir tek dam lacığı, düşey elektrik alanını açıp k ap a ta rak birçok kez y u k a rıy a ve aşağıya sü rü k len irk en gözleyebileceğini anlam ıştı. D am lacığın b irb irin i izleyen y ü k selip düşm eleri boyunca, tıpkı W ilso n ’u n y ap tığ ı gi­ bi, yükselm e ve düşm e hızlarından elektrik y ü k ü hesaplanabi­ lirdi (A yrıntılar için Ek G y e bakın). Bir örneğe ayrıntılı olarak bakalım : M illikan’m 1911 m akale­ sinden 6 num aralı dam la.' E lektrik alanının kapatılm asıyla, dam la, 1 1 , 8 8 saniyelik bir ortalam a sürede 0 , 0 1 0 2 1 m etre d ü ş­ m üştü; dolayısıyla düşm e hızı 0,01021 m /11,88 s, y ani 8,59 x 10 ''m /s y d i. H avanın viskozluğu M illikan tarafın dan 1,825 x, 10 '’ nevton.s/m'^ olarak alınm ıştı ve yağın y o ğ u n lu ğ u 0,9199 x 10’ kg/ın^’tü. Bu verilerden, M illikan bu dam lanın yarıçap ın ın 2,76 X 10 “ m ve dohıyısıyla kütlesinin 0,9199 x 10^ çarpı Atî! 3 çarpı (2,76 x lO"* m )’, y ani 8,10 x 10

kilogram a eşit olduğunu

hesaplam ıştı. M illik an ’ın dam la yarıçapı hesabını kontrol etm ek için, önce kütlesel çekim kuvvetinin kütle çarpı 9,8 m/s^’lık ola­ ğan ivm eye eşit, y an i 8 , l 0 x 1 0 '- 'k g x 9 , 8 m / s ' = 7 , 9 x l O ” N

olduğuna ve ağdalık direncinin S tokes form ülüyle 6% X (1 ,825 X 10 '■N.s/m'9 x (2,76 x I (t" m) x (8,59 x 10 tn/s) = 8 , 1 x 10 ” N

şeklinde verildiğine d ik k at edin. B uradaki k ü çü k uyum suzluk d a h a çok, M illik an ’m aslında S tokes Y asası’nın düzeltilm iş biçi­ mini kullanm ış olm asından ileri gelir; düzeltm e (E k G ’de ta rtı­ şılıyor) gerekliydi; çü n k ü çok k ü çü k b ir dam lacığın çevresinde­ ki h av a akışı, tam o larak hom ojen b ir sıvıdaki gibi b ir davranış gösterm ez. 3,18

X

10® volt/m etrelik b ir elek trik alanında, bu dam lacığın

ilk yükselişte 80,708 saniyede 0 , 0 1 0 2 1 m etre y u k a rı çıktığı g ö ­ rülm üştü y a n i 1,26 x 10"^ m /s’lik b ir hız. H â lâ aynı dam la old u ­


ğ u n a göre, d iren ç k u vveti şimdi ö ncekinden tam ı tam ına hızla­ rın oranı k ad ar d a h a azdır: Direnç kuvveti

i

X

^ 8 ^ 9 x 1 0 m /sy

(8.1 X1 O-’n ) ' '

1,2x10“'* N,

F ak at dam la y ü k selm ekte olduğundan, b u ku v v et şim di yerçekimiyle aynı y önde, y a n i aşağıya d oğru etkim ektedir. B u d u ru m d a y erçekim i ve d iren ç kuvvetlerinin toplam ı (7,9 + 1,2) x 10”'^nevton, y an i 9,1 x 1 0 n evtondu. Bu tam olarak, 3m karı doğru y ö ­ nelm iş, bilinm eyen y ü k çarpı 3,18 x lO® volt/m etrelik elektrik al-amna eşit olan elek trik kuvvetiyle dengelenm elidir. D olayısıy­ la, y a ğ dam lası üzerin deki y ü k 9,1 X 10 ”

= 29 X 10

C

3,18 X 10"

o larak hesaplanabilirdi. Y uvarlanm am ış sayıları k u llan arak ve tü m düzeltm eleri h esa b a katarak, M illikan, b u yükselm e sıra­ sın d a dam lanın y ü k ü n ü 29,87 X 10^'’ coulom b olarak (d a h a d o ğ ­ ru b ir değer) b u lm uştu.* İşte elek trik alanı v ark en bu dam lacık için a rt a rd a y ü k seliş­ lerd e M illik an ’m, 10

coulom b cinsinden, b ulduğu elektrik

y ü k le rin in listesi: 29,87, 39,86, 28,25, 29,91, 34,91, 36,59, 28,28, 34,95, 39,97, 26,65, 41,74, 30,00, 33,55. B u y ü k le r, elek tro n y ü k ü n ü n o ld u k ça bü 3üik k a tla rıd ır v e b u n ların tü m ü ­ nün, aynı tem el y ü k ü n tam sayı k a tla n o lduğunu görm ek öyle p e k k o lay değildir. B u n u n la birlikte, b ir yükseU şten diğerine ^ B u rad a M iHikan’ın sonuçlarını, d ah a açık olacağını d üşündüğüm şekilde sunm a k o ­ n u su n d a kendim i biraz ö zg ü r bıraktım . Bir kere, M illikan y ü k leri elektrostatik birim (statcoulom b) cinsinden ifade etmişti; ben ise, b u kitabın d iğ er kısım larında kullanılan birim olduğu için, onları coulom ba çevirdim . A yrıca M illikan y a ğ dam lasının elektrik alanı içindeki h er y u k a rı d o ğ ru yükselişinde ölçülen elektrik 3^ k ü için gerçekte bir h e ­ saplam a verm em işti. B u n u n y erin e, y ü k ü n h esabında o rtay a çıkan ve b ir yükselişten di­ ğerine değişen belirli niceliklerin değerlerini verm iş, özel b ir dam la için sa b it kalan o r­ ta k çarp an ları b ir y a n a bırakm ıştı. O nları hesaplasaydı k endi verilerinden bulabileceği gerçek 3m k değerlerini eld e etm ek için, ben bu çarp an ları d a işin içine soktum . M illikan h avanın kaldırm asıyla ilgili k ü çü k b ir düzeltm eyi de hesaba katm ıştı; ben ise b u ra d a bu düzeltm eyi ihm al ettim.


elek trik y ü k ü n d e k i değişm eler d a h a k ü çü k tü r. H e r b ir y ü k ile b ir önceki y ü k seliştek i y ü k arasındaki farkları alarak, gene 1 0"‘® coulom b cinsinden, aşağıdaki y ü k değişim lerini bulu ru z: 9,91, -1 1 ,6 1 , 1,66, 5,00, 1,68, -8 ,3 1 , 6,67, 5,02, -1 3 ,3 2 , -1 1 ,7 4 , 10

15,09,

3,35. Şim di bu y ü k değişim lerinin y ak laşık 1,665 x

coulom bluk b ir en d ü şük y ü k ü n tam sayı katları oldukları

neredeyse ap açıktır. Bu en d ü şü k y ü k cinsinden, y a ğ dam lası­ nın y ü k ü n d e b ir y ü k selişten diğerine o rtay a çıkan değişim ler 5,95, -6 ,9 7 , 1,00, 5,00, 1,01, -4,99, 4,01, 3,02, 8,00, 9,06, —7,05 ve 2,01'dir. B unun y o ru m u şeyledir: E lektron yaklaşık 1,665 X 10

coulom bluk b ir y ü k e sah ip tir ve dam la a rt arda

y ü kselm elerde önce altı tan e elektron y a d a altı tane eksi iyon kaybetm iş, so n ra y e d i kazanm ış, so n ra b ir kaybetm iş, so n ra üç kaybetm iş, so n ra b ir kaybetm iş, so n ra beş kazanm ış ve böylece sü rm ü ştü r. Bu deneyi b irço k y a ğ dam lası için yineleyerek, M illikan elektronik y ü k için 0,003 x 10"’’ h a ta ile 1,592 x lO ” coulom b­ luk bir o rtalam a d eğ e r elde etti. Bu, o zam ana k a d a r elektron y ü k ü n ü n d o ğ ru d an y a da dolaylı yapılm ış en kesin ölçüm üydü. Belki d ah a d a önem lisi, deneyin yapı İm a yoluydu: Y ağ dam lası­ nın |)ek çok yükselişini ve düşüşünü izleyerek, M illikan dam la­ nın az sayıda elektron kazanm asını y a d a kaybetm esini gözleye­ biliyordu. C avendish I^ b o ra tu v a rı'n d a T ow nsend, Thom son ve W ilso n 'in ölçüm leri, gerçekte su b uharı b u lutundaki dam lacık­ lar için sadece o rtalam a iyonik y ü k ü saptam ış, tek tek iyonlar y a d a elek tro n lar için o ldukça geniş bir y ü k bölgesi olasılığını açık bırakm ıştı. M illik an 'm deneyinden sonra, artık bu bir olasılık değildi; b ir y a ğ dam lası h e r defasında daim a aynı tem el y ü k ü n (yüzde b ir y a d a ikilik h ata ile) bir tam sajn k atı k ad arlık bir elektrik y ü k ü kazan ıy or y a d a kaybediyordu.® * * Mil likan’m defterlerini inceleyen H o lto n a göre, M illikan basılan çalışm asına alacağı dam laların seçim iade o ld u k ça tedbirli davranm ıştı. Bir b aşk a deneyci. V iyana Ü niver­ sitesin'den Felix E h ren h aft, ısrarla anorm al küçük yü k lere sahip bazı dam lalar bulm uş­ tu. E hrenhaft ölüm üne dek k uşkusunu sürdürm üşse de, zam an M illikan’ın kararını haklı çıkarmıştı.


M illik an k endi elek trik y ü k ü değerini k u llan arak atom la ilgi­ li diğer p aram etreleri h esaplam a k o n u su n d a aceleciydi. Ö zellik­ le, elektrolizde fa rad ay (A vogadro sayısı ça rp ı elektronik 3m k) 96.500 coulom b/m ol o larak ölçülm üştü. B unu elektronik y ü k e bölerek, M illikan, A vogadro sa3nsını, 96.500 bölü 1,592 x 10"'’ y a n i 6,062 x 1 0 "’ m olekül/m ol olarak hesapladı. Ö zdeş ve biraz d a h a az soyut o larak şunu diyebilirdik: Elektroliz, hidrojen iyo­ n u n u n k ü tle/y ü k o ran ı için 1,045 x lO"* kilogram /coulom bluk b ir d eğ er verm işti, iy o n u n elektrik y ü k ü 1,592 x 10"*’ coulom b o larak bilindiğine göre, hidrojen iy onunun kütlesi ü rü n olarak hesaplanabilirdi: 1,663 x 10"^*' kg. E lek tro n u n k ütle/yük oranı için bilinen 0,54 x 10"" kilogram /coulom b değerinden, elek tro ­ n u n kütlesi de 0,54 x 10"" k g /C çarpı 1,592 x 10"” C, yani 9 x 1 0 "'^' kilogram o larak hesaplanabilirdi.

A rtık atom ların b o y u tu n u kestirm ek kolaydı. Ö rneğin, altı­ nın atom ağırlığı 197 v e hidrojenin atom ağırlığı 1,008’di; d ola­ yısıy la altın atom u, 197/1,008 çarpı hidrojen ato m u n u n kütlesi, yan i 3,250 x 10"^^ kilogram lık b ir kütleye sahiptir. A ltının y o ­ ğ u n lu ğ u m etrek ü p b aşın a 1,93 x 1 O"* kilogram dır; dolayısıyla m etrek ü p te 1,93 x 10V3,250 x lO"^’ = 5,94 x 10^ altın atom u ol­ m alıdır. Yani h er b ir altın atom u 1 bölü 5,94 x 10^® = 1,68 x 10^’ m etre k ü p lü k b ir hacim işgal eder. B unun k ü p kökünü alarak an larız ki, eğer altın atom ları sıkıca bir a ra y a toplanm ışlarsa, ç a p la n 2 ,6 x 1 0 "'“ m etre olm alıdır. M illik an ’ın elek tro n y ü k ü ölçüm ü uzun y ılla r atom ik ölçek için en d oğru tem eli o luşturdu. E n b ü y ü k değişm e, 1930’larda h av an ın ağdalığının ö lçüm ünden kaynaklandı. Şu a n d a elek t­ ron y ü k ü n ü n en iyi değeri, son iki b asam ak ta 4 6 ’hk b ir belirsiz­ likle, 1,6021892 X 10"*’ coulom bdur. Bu, 1913’te A lillikan ta ra ­ fından elde edilen d eğ erd en y ü zd e l ’den bile d a h a az y ü k sek tir.

Notlar 1. R. A. M illikan, “O n th e E le m e n ta ry Electrical C harge an d th e A vogadro C onstant", Physicaî R e vi€ w 5 2 (1911), 349.


IV. B ölüm

Çekirdek

A

tom lar elektriksel açıdan y ü k sü z d ü r, fakat T hom son tarafın d an keşfedilen elektronlar b ir eksi y ü k taşırlar. A tom lar elek tro n ları içeriyorlarsa, o zam an elek tro n la­

rın eksi y ü k ü n ü y o k etm ek için artı y ü k taşıyan b ir b aşk a m ad ­

de de içerm elidirler. E lek tro n u n keşfinden sonra, en önem li iş, bu a rtı y ü k lü m addeyi saptam ak ve o n u n la elek tro n ların atom içinde nasıl düzen len d iklerini tanım lam aktı. T h o m so n , 1903’te Y a le ’d ek i S illim an K o n fe ra n sla rı’n d a elektronların, b ir kek içindeki k u ru üzüm tan eleri gibi, a r ti 3niklü m ad d en in sü rek li y ap ısı içine saplanm ış olduklarını öne sü r­ m ü ştü . N eredeyse aynı zam anda, T o k y o ’d a H a n ta ro N a g ao k a (1865-1950) “S atü rn sel b ir m odel” öneriyordu; b u n a göre, aynı S a tü rn ’ü n etrafın d ak i h alk alar y a d a G ü n e ş’in etrafındaki geze­


g enler gibi, elek tro n la r d a m erkezi b ir artı y ü k lü cism in etrafın­ d a y ö rü n g e le rd e dolanıyordu. B ugün biliyoruz k i N a g ao k a g er­ çeğe d ah a y ak ın d ı: A tom un a rtı y ü k ü gerçekten de k ü çü k y o ­ ğ u n b ir çek ird ek te to p lan m ıştır ve elek tro n lar o n u n etrafın d a d önerler. F ak at bu, deneylerle bulunm alıydı. Atom çekirdeği, E rn e st R u th erfo rd u n önderliğinde 1909-11 yılları arasın d a M an c h ester U niversitesi’nde y ap ılan deneyler­ d e keşfedildi. R u th erford, Yeni Z ela n d a’da B rig h tw ater’da bi­ raz keten ve çok say ıda çocuk yetiştirilen güzel b ir vadiye y e r ­ leşmiş B ritan y a’d an ilk gelen göçm en ailelerden birinin oğlu olarak 1871’d e doğdu. Y eni Z elan d a’d a N elson C ollege’ında o kudu; kolejin Ö ğ renci Temsilcisi oldu ve C h ristc h u rc h ’de C iin tcn b u ry C ollege’ın d a lisans öğrencisiyken fizik ve m atem a­ tik te şereflistesin e girdi. E lektrom anyetizm a üzerine araştırm a­ lara o ra d a başladı; b u araştırm aların te k tarih sel önem i, o n ay ıld a 150 İngiliz sterlinlik b ir b u rs kazandırm asıydı; bu sayede 1895’te C avendish L a b o ra tu v a n ’n a gelebildi. R utherford C am bridge’deykcn, fizik dünyası, 1897’d e Thom ­ so n ’un elektronu keşfiyle d oruğa ulaşan b ir dizi hızlı devrimsel gelişme ile canlandı. Bu gelişm elerin ilki, W ü rzb u rg ’d a Kasım 1895’le W ilhelm K onrad R öntgen (1846-1923) tarafından X ışınlarının keşfiydi. Kısaca anlatm ak gerekirse. R öntgen katot ışınlarının, b ir k ato t ışını tüpünün cam çeperine çarptığında o ra­ dan esrarengiz ve nüfuz edici ışınlar (R öntgen b u n lara X ışınla­ rı adını verdi) yaydığını, bu ışınların fotoğraf plakalarım puslan­ dırdığını ve çeşitli m alzemeleri flüorışıl hale getirdiğini buldu. Şimdi, X ışınlarının sadece çok kısa (görünür ışığın d alga boyun­ dan binlerce kez d a h a k üçük) dalga boylu ışık olduğunu ve k a­ to t ışını tarafın d an atom un yörüngelerinden sökülen elektronla­ rın y erini do ld u rm ak için, atom un dış kısım larındaki elektronla­ rın iç yörüngelere düşm esiyle salındıklarını biliyoruz. X ışınları­ nın keşfi, ö y k üm üzün an a çizgisinin biraz dışındadır; am a b u ke­ şif o zam anki tü m fizikçileri, keşfedilm emiş b a şk a ışınım biçim le­ rinin de v a r olabileceği k o n u su n d a uyanık olm aya yöneltm işti.


Bu d önem in olağanüstü keşiflerinden b iri R u th erfo rd için can alıcıydı: 1896’nın bcişlannda H e n ri B ecquerel (1852-1908) tarafın d an P aris’te radyoaktivitenin keşfi du y u ru lm u ştu . Bu keşfin ay rın tıların a ve radyoaktivitenin doğası üzerine ilk çalış­ m alara gelecek kısım da değineceğiz; b u ra d a ra d y o a k tif m adde atom larının, olağan kim yasal tepkim elere katılan atom ların sal­ dığı en erjilerd en m ilyonlarca kez d a h a y ü k sek enerjili değişik tü rd e p arçacık lar saldığını söylem ek yeterlidir. T h o m so n ’u n lab o ra tu v arın d a çalışan b irin d en beklenebilece­ ği gibi, R u therford, önce radyoaktivitenin ve X ışınlarının gaz­ larda elektrik iletimi üzerine etkileriyle ilgilenm işti. R adyoaktif atom lardan çıkan y ü k sek enerjili p arçacıklar, atom lardan elekt­ ronları söker; d ah a sonra bu elek tro n lar elektrik akım larının ta ­ şıyıcısı olm a görevini üstlenebilir. X ışınlarının gazlarda elekt­ rik iletim ine etkisi ü zerine Thom son ile birlikte çalıştıktan son­ ra, R utherford, 1898’de X ışınlarının ve radyoaktivitenin esas olarak aynı şekilde davrandığını gösterdi. Ayrıca, en azından iki tü r radyoaktivite o ld uğunun ayırdm a vardı ve b u n la ra alfa ve b eta ışınları adını verdi. Bu çalışına R u th erfo rd 'a, M ontreal'de M cG ill Ü niversitesi’ne yeni bağışlanan M cdonald Fizik L aboratuvarı’n d a bir araştır­ macı kadrosu kazandırdı. Eylül 1898’de gemiyle K an ad a’y a doğ­ ru y o la çıktı; ayrılm adan önce M ontreal'e, görev yapacağı labora tu v a ra gönderilecek bazı toryum ve uranyum rad y o ak tif tu z ­ larıyla ilgilendi. M cG ill’de O x fo rd ’dan gelme genç b ir kimyacı olan F red erick S od d y (1877-1956) ile o rtak çalıştı. M cG ill’deki y ılla n boyunca, R u th erford ve Soddy, farklı radyoaktivite tü rle ­ rinin doğasını incelediler. (B ir sonraki kısım da bu araştırm a özetlenecek.) R u th erford 1900’de evlenm ek üzere Y eni Z elan­ d a'y a dönm ek, 1903’te L o n d ra 'd a R oyal Society’deki B akerian K onferansı’m verm ek ve 1905’te Y ale’de Sillim an K onferansı konuşm acısı olan T hom son’u izlem ek için zam an d a buldu. M cG ill'deki çalışm ası beklediğinden de iyi gittiği halde, R u th er­ fo rd kendisini A v ru p a’d aki fizik araştırm a m erkezlerinden so-


Y e n i Z e la n d a ’d a C a n te rb u r 3/ C o lle g e ’m z e m in k a tın d a R u th e rfo rd u n ilk la b o ra tu v a n

R u th erfo rd 1905’le M c G ill Ü niversitesi’ndeki laboratuvarında


yu tlanm ış gibi hissetm ektendi v^e 1906’d a M an c h ester Ü niversitesi’nde öğretim görevlisi olm ası önerilince, Ingiltere’y e dönm e şansını y akalam ış oldu. O sıralarda M anchester ve C am bridge İngiltere’de önde gelen iki fizik araştırm a m erkeziydi. R u th erfo rd 1907’de M an c h ester'd a y en i bir y aşa m a başladı; orad a çalışm alarının yönü, radyoaktivitenin doğasından, bu b ö ­ lüm ün b aşın d a o rtay a atılan soruyu, ato m u n içinde m adde ve y ü k dağılım ı so ru su n u çözm e aracı o larak radyoaktiviteyi k u l­ lanm aya d oğru kaydı. R u th erfo rd ile M a n c h e ste r’daki m eslek­ taşlarının b u so ru y a yaklaşım ı, o g ünden b u güne fiziğin vazge­ çilmez b ir p arçası haline gelm iştir: Enerjili p arçacık lard an olu­ şan b ir dem eti ince bir metal levhaya gön d erd iler ve bu p a rç a ­ cıkların lev h a tara fın d an çeşitli açılarda saçılm a olasılıklarına bakarak, atom ların içindeki elektrik y ü k ü dağılım ını çıkardılar. (Bu deneyleri, bu bölüm de d a h a sonra inceleyeceğiz). G ü n ü ­ m üzde böyle d en eylerde sonda olarak kullanılan y ü k sek en erji­ li parçacıklar, B atav ia (C hicago y ak ın ların d a), C enevre, H a m ­ burg, S tan fo rd ve b aşk a y e rle rd e b u lu n an dev hızlandırıcılar aracılığıyla elde ediliyor. Bu m akinelerin boyutları kilom etreler­ le ifade edilm ektedir ve b üyükçe bir kentin kullandığı k ad a r elektrik gücü kullanırlar. Bu tü r deneylerin am açları da, artık atom un y ap ısın ın incelenm esinden öteye, atom un içindeki p a r­ çacıkların h a tta b u p arçacıkların d a içindeki parçacıkların y a p ı­ sının incelenm esine d oğru kaym ıştır. B ununla birlikte, iç y a p ı­ nın araştırılm ası am acıyla saçılm ayı incelem em izin ardındaki te ­ mel düşünceler, R u th e rfo rd ’u n düşünceleriyle neredeyse aynı­ dır. K uşkusuz, R u th erfo rd ’u n zam anında b ü y ü k hızlandırıcılar yo k tu ; R u th erfo rd so nda olarak doğal ra d y o ak tif cevherlerden salınan enerjili parçacıkları kullanm ak d u rum undaydı. A m a b u ­ n u nla ato m u n içinde yük lerin düzenlenişi sorusunu çözm üştü: A rtı y ü k k ü çü k bir çekirdekte toplanm ıştır ve elek tro n lar b u ­ nun etrafın d a d ö nerler. R u th e rfo rd ’u n çalışm ası, y an ıtlad ık ları k a d a r zo r y e n i so ru ­ lar o rtay a çıkarm ıştı. A tom da e lek tro n la rın y ö rü n g e le rin in bo-


y u tlarm ı ve en erjilerini ne b elirliyordu? N e d e n y ö rü n g e le rin ­ de d ö n en e lek tro n la r düzenli olarak elek tro m an y etik d alg a y a ­ yınlam ıy o rlard ı? E ğ e r a rtı y ü k lü çek ird eğ in etrafın d ak i y ö rü n ­ g ed e eksi y ü k lü elek tro n ları, zıt y ü k le r arasın d ak i olağan elek trik çekim i tu tu y o rsa , çekirdeğin k endisini dağılm aktan alıkoyan neydi? Bu so ru la r o zam anın k lasik kuram sal fizik çerçevesi içinde y an ıtlan am azd ı; fakat b u n u n çözüm üne d o ğ ru ilk adım , genç D a n im ark alı k u ram cı N iels H e n d rik D avid B o h r (1885-1962) ta ra fın d a n atıldı. B ohr, M an cL ester’da b u ­ lu nan R u th e rfo rd ’u 1912'de ziy aret etti ve d ah a so n ra 1 9M ’te fizik o k u tm an ı o lara k M a n c h e ste r'a çağırıldı. B o b r’un çalışm a­ sı, d o ğ ru d a n d o ğ ru y a k u a n tu m m ekaniğinin 1920’lerdeki g e­ lişm esine (ki bu, k itab ım ızın alanı d ışın d ad ır) ön ay ak olm uştu. R u th erfo rd , ne y a z ık ki, incelediği deneysel gerçekliklerden çok u zak, a ş ın k u ram sal bulduğu için, k u an tu m m ekaniği k u ­ ram ının gelişm esine y a k ın lık gösterm em işti. S ir M a rk O lip han t, B ohr, C av en d ish L a b o ra tu v a rı’n d a belirsizlik ilkesi üze­ rin e S cott K o n fe ran sları’nı verd ik ten sonra, R utherF ord’u n “B ak B ohr, senin so n u çların , onların dayandığı ö nerm eler k a ­ d a r belirsizm iş gib i g eliy o r bana." dediğini anım satıyor. Ve S ir N evili M o tt şöyle b ir hikâye anlatıyor: 1920’lerde k u an tu m m ekaniğinin geliştiği heyecanlı dö n em d e bir m eslektaşı “ R u t­ h erfo rd dostum , b u g ü n le rd e fizik nasıl?" diye sorm uş, R u th e r­ fo rd d a şöyle y an ıtlam ış: "Fizik h a k k ın d a söylenecek b ir tek şey var; k u ram cıların ayakları y e re basm ıyor, onları aşağı in­ d irm ek g ene bize d ü şü y o r." B ir kuram cı olarak, benim bu tü r k u ra m k arşıtı d u y g u ları üzüntüyle karşılam am doğaldır. F a k a t g e rç e k te k u ra m c ıla r ve deneyciler b irb irleriy le genellikle ol­ d u k ç a iyi g eçin irler ve biri o lm adan d iğ eri olam az. R u th e rfo rd ’u n tu tu m u h e rh ald e şu nedene dayanıyor: R u th e rfo rd en b ü y ü k çalışm asını, çe k ird ek h a k k ın d a öylesine az şey bilindiği b ir d ö nem de y ap m ıştı ki, özenle hazırlanm ış m atem atiksel bir k u ra m a y e r y o k tu ; g erek en k u ram neyse, onu R u th e rfo rd ’un k en d isi d e sağlayabilirdi.


R u th erfo rd

1919’da, seçim g ü n ü telg ra fla b a şv u rd u ve

C am bridge’de D eneysel Fizik C avendish P rofesörü seçildi, böylece T hom son u n y erin e geçti. C am b rid g e’d e gençlerden oluşan b ir g ru b u yönetti; b u g ru p 1930’larda, özellikle Ja m e s C hadw ick tara fın d an n ö tro n u n keşfi ve J o h n D. C ockcroft (1897-1967) ile F. T. S. W alton (1903-1995) tarafın d an y ap ay şekilde hızlandırılm ış parçacıklarla çekirdeklerin parçalanm a­ sıyla y en i n ü k leer fizik çağını açtı. R utherford b ir bilim adam ı­ nın kazanabileceği tüm onurları elde etti. R adyoaktivite üzerine çalışm alarıyla 1908'de Kimya N obel Ö dülü; sayısız o n u rsal d e­ receler; 1914’te şövıdyelik; 1925’te Royal S ociety’nin başkanlı­ ğı; 1930’da lo rd lar sınıfına yükselm e... K öklerini anım sayarak, "N elson’un B aron R u th erfo rd ’u ” unvanını seçti ve arm asına bir kivi kuşu ekledi. (H an ed an am blem inde “R enklerin tacın d a bir kaya ü zerin d e bir kivi soylusu” yazıy o rd u ). Ö lüm üne dek (1937) C av en d ish ’in liderliğini sü rd ü rd ü . R utherford, kendisini kişisel olarak tanım ayan benim de için­ de bulunduğum fizikçi kuşağı üzerinde sert, enerji dolu ve tu ­ tum lu bir izlenim bırakm ıştı. E m redici değildi, am a k ararların ­ da acım asız olabiliyordu. 1962’de C am b rid g e'i ziyaret ettiğim de, bana bir d u v ara oyulm uş bir tim sah figürü gösterdiler ve bunun R u th erfo rd 'u simgelediğini söylediler.“ “Ç o cu k ları” ile çok g u ­ ru r d u y u y o rd u ve onların sürekli koruyucusuydu; bu “çocuk­ la r”, C hadw ick, C ockcroft ve W a lto n ’la birlikte Blackett, F eat­ her, K apitsa ve O lip h an t dahil C av en d ish 'teki genç deneycilerin olu ştu rd u ğ u parlak g ru p tu . R utherford aralıksız çalıştı; M cGill, M an ch ester ve C avendish'teki çalışm aları, üç farklı kişiye bölünseydi; bu kişilerin h er birinin bilim de olağanüstü ü retken ol- * ** K itabın başında y e r alan Ibloğraita bu tim sah figürü görülebilir. Bu iıgür, K apitsa’nın işleğiyle Eric Gill tarafin d an oyulm uştur; bu sanatçı, oym alarıyla olduğu k a d a r cinsel sorunlarıyla da 1930'larda çok m eşhurdu. B u tim sahın R utherford ile ilişkilendirilm esi hak k ın d a çeşitli v arsay ım lar duym uştum . G erald H olton b an a G eorge G am ow 'un b ir y o ru m u n u anlatm ıştı: Peter P an’da b ir tim sah tarafından y u tu lan saatin tik taklarının K aptan H o o k 'u tim sahın onu izlediği k onusunda uyarm aya yaram ası gibi; R utherfo rd 'u n yük sek ve belirgin sesi de, öğrencilerine ve asistanlarına benzer b ir uyarı hiz­ meti g örüyordu. D iğ er taraftan, 1. B ernard C ohen tim sahın ortaçağ lard a sim yanın sim-


d u ğ u söylenebilirdi. F iziğin “ip ve m ü h ü r m um u’’ gibi sınırlı kajm ak larlay ap ılm ası gerektiği düşüncesini taşıyordu. B ir k ere­ sinde ihtiyacı olan düzeneği alam am aktan y ak ın an bir genç fi­ zikçiye “N eden y ak ın ıy o rsu n ,’’ dem işti R u th erfo rd , “ben K uzey K u tb u ’n d a bile araştırm a yapabilirim .” B ununla birlikte, R u t­ h erfo rd fo n lara olan gereksinim in tam am ıyla ayırdındaydı; 1919'da C av en d ish ’e geldiğinde, y en i aletler için 2 0 0 .0 0 0 sterlin to p lam a k o n u su n d a başarısız d a olsa çok uğraşm ıştı. D a h a son­ rak i y ıllard a da parçacıkları gitgide d a h a y ü k se k enerjilere hız­ lan d ıracak m akinelerin yapılm asını ısrarla istemişti. “N ü k le e r Fiziğin G eçm işine B ak ış” k o n u lu sem pozyum da M a u ric e G old iiab er, çe k ird ek fiziği d en e y le rin in ölçeğindeki b ü y ü m ey e değinm işti: “Ç ekirdeği p arçalay a n ilk kişi R u th erfo rd ’du; k u ca ğ ın d a b u iş için kullandığı ay g ıtla çekilm iş bir Fo­ to ğ rafı var. S o n raları B erkeley’de ünlü sik lo tro n la rd an biri k u ru ld u ğ u n d a çekilm iş b ir b aşk a fo to ğ ra f d a h a hatırlıy o ru m ; b u kez b ü y ü k b ir deneyci g ru b u bu sik lo tro n u n k u c a ğ ın d a o tu ru y o rd u .” G ü n ü m ü z d e tem el p a rç a c ık la r fiziğinin ölçeği ise b u n d a n çok d a h a büyük. F erm ilab ’d ak i hızlandırıcı, Illinois ’te ü z e rin d e b ir bizon sü rü sü n ü n sakin sakin otladığı b ü y ü k ­ çe b ir çayırlığın altın d a, çevre uzu n lu ğ u y ak la şık 6 kilo m etre olan b ir h alk ad ır. B azen şu so ru lu y o r: R u th erfo rd b ir m asa ü z e rin d e bu k a d a r ço k şey b aşardığı halde, b ugün fizikçiler n ed en y ü z m ily o n larca d o larlık dev h ız lan d ırıcılara g e re k si­ nim d u y u y o r? S an ırım b u n u n y an ıtı, m ad d en in tem el doğası­ n a ilişkin, ip ve m ü h ü r m um uyla y ap ılab ilece k keşiflerin n e re ­ dey se tü m ü n ü n , b ü y ü k b ir kısm ı R u th e rfo rd ta ra fın d a n olm ak ü zere, y a p ılıp b itirilm iş olm asıdır. gesi olduğuna ve R u th erlo rd 'u n d a kendisini sim yacılarla karşılaştırm aktan hoşlandığı­ na işaret etm ektedir; kitap ların dan birinin adı "Yeni S/m j'a"dir ve C avendish’teki o d a­ sında, sim ya düzeneğinin ü zerinde asılı doldurulm uş b ir tim sah ile bir simj'-a laborafuvarının resm edildiği b ir ağaçbaskı asılıdır. R utherford tim sahına değinen bulabildiğim tek basılı şey, A. S. E ve tarafın d an y azılan kitaptadır. E ve e göre bu, belki de R uthetford un çab u k kavrayışını ve meslek hayatını sim gelem ektedir; çün k ü tim sah asla geri dönm ez. B rian P ip p ard b aşk a b ir dü şü n ce ortay a atıyor: K apitsa’n ın anadili R usçada krokodil (tim sah) arg o d a "patron" dem ektir. C onstance gölündeki bir toplantıda beraberken, K a p itsa y a tim sahın anlam ını sorm a fırsatım olm uştu. Sadece, o bir sırdır, dem işti.


B u ray a k ad ar, atom daki elektrik y ü k ü n ü n dağdım ı p roblem i­ n e değindik; fak at M an c h ester’d a R u th erfo rd g ru b u n u n çalış­ m aları, T h o m so n ’u n elektronu keşfetm esiyle o rtay a çıkan atom ­ d a kü tle dağılım ının nasıl o lduğuna ilişkin b ir b a şk a soruyu d a yanıtlam ıştı. 3. B ölüm ’de g ö rd üğüm üz gibi, o n d ok u zu n cu y ü z ­ yılın b aşlarında J o h n D alton ve diğer kim yacıların çalışm ala­ rıyla, farklı elem entlerin atom larının göreli kütleleri de sap tan ­ mıştı: Ö rn e ğ in k arb o n atom u hidrojen atom undan 12 kez d ah a ağır; oksijen atom u ise hidrojenden 16 kez d ah a ağırdır. A yrıca F ara d ay ve diğerleri tarafından elektroliz üzerine y ap ılan çalış­ m alar, asit y a d a tu z çözeltilerinde elektrik akım larını taşıyan elektrikçe y ü k lü atom ların (iyonların), hidrojen için yak laşık lO ^kilogram /coulom h ve d ah a ağır atom ların iyonları için o ra n ­ tılı o larak d ah a b ü y ü k b ir k ütle/yük o ra n ın a sahip olduğunu gösterdi. E lek tro n u n keşfinden sonra, bu iyonların b ir veya d a­ h a fazla elektron kazanm ış (eksi y ü k lü iyonlar için) y a d a bir veya d ah a fazla elektron yitirm iş (artı y ü k lü iyonlar için) atom ­ lardan b aşk a b ir şey olm adığı epeyce açık hale gelm işti. B u n a dayanarak, hidrojen iyonunun elektrik y ü k ü , bü y ü k lü k çe tam tam ına elektron y ü k ü n e eşit olm alıdır denebilir. Böylece elekt­ ronun k ütle/yük o ram hidrojen iyonlarınınkinin 2000'de biri ve y ü k le r eşit o ld u ğ u n a göre, hidrojen iyonunun (ve atom unun) kütlesi, elek tro n u n kütlesinden 2000 kez d ah a b ü y ü k olm alıdır. Bu, atom larıp binlerce elek tro n d an oluştuğu anlam ını m ı taşır? Y oksa atom un kütlesinin büyük kısm ı, artı elektrik yüküyle iliş­ kili b aşk a b ir y e rd e m idir? D a h a so n ra göreceğim iz gibi, 1909-11 dönem inde y ap ılan M an ch ester deneyleri, sadece atom un artı elektrik y ü k ü n ü n k ü ­ çücük bir çek ird ek te toplandığını gösterm ekle kalm adı; aynı za­ m an d a ato m u n hem en hem en tüm kütlesini de bu çekirdeğin içerdiğini kanıtladı. Bu d u ru m d a çekirdek nelerden oluşm akta­ dır? D alton, atom ların genelde hidrojen ato m u n u n kütlesinin k atların a y a k ın k ü tlelere sahip olduklarını gösterm işti; b u n a gö­ re, atom çekirdeklerinin, hidrojen çekirdeğiyle özdeşleştirilebi­


lecek ağ ır ve artı y ü k lü p arçac ık la rd an (R u th erfo rd 1920’d e b u n la ra p ro to n ad ın ı verm işti) oluştukları düşünülebilirdi. B u­ n u n la birlikte, R u th e rfo rd ’un kendi sonuçları, b u n u n d o ğ ru ol­ m adığını gösterm işti. Ö rn eğ in , beİ3nım çekirdeğinin kütlesi, hidrojeninkinin d ö rt katıd ır; oysa R u th erfo rd helyum un elek t­ rik y ü k ü n ü , h idrojenin çekirdek y ü k ü n ü n iki katı olarak b u l­ m u ştu . JMoseley 1913’te d iğer çekirdek 3rüklerini ölçm üş ve ay­ n ı so n u cu elde etm işti -örneğin kalsİ 3m m , hidrojenin 40 k a tı olan b ir atom ağırlığm a sahiptir, fa k at çekirdek y ü k ü hidrojen in k in d en sadece 2 0 k a t d a h a b ü y ü k tü r. 1910’la r ve 19201er boyunca, birçok fizikçi çekirdeğin elek tro n ları d a içerdiğini d ü ­ şü n m ü ştü ; ö rneğin helyum çekirdeği, d ö rt p ro to n (kütleyi açık­ layan) ve iki elektron (iki y ü k birim ini y o k eden) içerebilir. Bu y a n h ştı ve d oğru y a n ıt, son atom altı p arçacık olan n ö tro n u n 1932’deki keşfine k a d a r bulunam adı.

Radyoaktivitenin Keşfi ve Yorumlanması R astlantıyla yapılm ış olan bilimsel keşiflerin oranı, çoğu kişi­ nin sandığı k a d a r y ü k se k değildir. B ununla birlikte, yirm inci 3aizyıl fiziğinin kap ılarını açan b üyük keşiflerden birinin ra st­

lantısal old u ğ u n a d a ir hiçbir k u şk u y o k tu r: radyoaktivitenin keşfi. 1896 Ş u b atın d a P oliteknik O kulu fizik profesörü A ntoine H e n ri B ecquerel (1852-1908) güneş ışığının kristallerden, b ir­ kaç ay önce R ö n tg en tara fın d an keşfedilen X ışınlarına b en z er n ü fu z edici ışınlar y ayınlanm asına y o l açm a olasılığını araştırı­ y o rd u . B ecquerel’in yöntem i basitti: S iyah b ir kâğıtla sardığı fo­ to ğ ra f film lerinin y a k ın ın a çeşitli k ristaller koyu y o r ve film ile k ristal arasın a b ak ır teld en yapılm ış b ir ağ yerleştiriyordu. G ü ­ neş ışığı kristalin X ışınlarına benzer ışınlar y ay m asın a neden olursa, bu ışınlar film lerin sarılı olduğu siyah k âğ ıttan geçer, fa­ k a t ağın b ak ır tellerin den geçem ez ve dola 3 usıyla film ler banyo ed ildiklerinde b a k ır ağın silüeti dışında film lerin y an m ış o ld u k ­ ları g ö rü lü rd ü .


Ş ans eseri, B ecquerel’in incelediği k ristallerden biri, b ir u ranyum tu zu n d an , uranyum -potasyum bisülfattan, oluşm uştu. (B ecquerel, aradığı etkinin fosforışım a ile ilişkili olabileceğini tahm in etm işti ve bu uranyum tu z la n fosfonşır olarak biliniyor­ du.) Üstelik, gene şansına, tam o sıralarda hava hiç de iyi değil­ di. İşte olanlar h ak k ın d a B ecquerel’in tu ttu ğ u (ve d ah a so n ra aynı yıl açıkladığı) notlar: [26 ve 27 Ş u b atta] güneş sadece a ra a ra göründü, [bu n e ­ denle] tüm deneyleri d u rd u rd u m ; uranyum tu z la n y e rin ­ de, h er şey h azır vaziyette kaldı; sadece kaplanm am ış film ­ leri b ir dolabın çekm ecesine yerleştirdim . Bunu izleyen gü n lerd e g üneş görünm edi. 3 M a rtta filmleri banyo ettim; sadece silik şekiller bulm ayı bekliyordum . A m a tersine, silüetler çok k eskin görünüyordu... İki ay sonra. B ecquerel şu notları düşm üştü: 3 M arttan 3 M ayısa k ad a r tuzlar, karanlıkta tutulan k u r­ şun duvarlı b ir k u tu d a d urdu... Bu koşullarda, tu zlar etkin ışınım salm aya devam etti... Incelecliğim tüm uranyum tu z­ ları, fo slo n şır olsun y a d a olm asın, ışık altında y a d a çözel­ tide, b an a h ep bu sonuçları verdi. Böyle olunca ben d e şu sonuca vardım : Söz konusu etki, bu tu zlard a uran y u m ele­ m entinin varlığıyla ilgilidir. Becquerel bu ışınları uranyum la ilişkilendirm ekte haklıydı ve sonraki b irk aç yıl b oyunca bu ışınlar F ra n sa ’d a rayons uraniqııe (uranyum ışınları) olarak bilindi. B ununla birlikte, diğer elem entler d e böyle ışınlar üretebilirdi. 1898'de P a ris’te M arie S kiodow ska C urie (1867-1934) to ry u m elem entinin b en zer ışınlar yaydığını keşfetti. B unun ard ın d an , o ve eşi P ierre C urie (1859-1906), u ran y u m d an m ilyonlarca kez d a h a aktif olan b ir elem enti, rad y u m elem entini, keşfettiler. O yıl C urieler bu ol­ g u n u n g ü n ü m ü zd ek i adını koydular: radyoaktivite.


P eki radyoaktivite neydi? Bu problem le u ğ ra şırk en b ü yük b ir karışıklık söz konusuydu: R ad y o ak tif atom lar tara fın d an ü ç farklı tü r ışın salınıyordu. Y u k a rıd a değinildiği gibi, R utherfo rd ’un 1895 ile 1898 arasın d a C avendish L ab o ratu v arı’n d a radyoaktivite ü zerin e yap tığ ı araştırm a, alfa ve b eta ışınları adı­ nı verdiği en az iki farklı ışınım tü rü n ü n v ar olduğunu g ö ster­ mişti. B eta ışınlan neredeyse X ışınları k a d a r n ü fu z ediciydi, fa­ kat alfa ışınlarının nüfuz etm e gücü çok azdı. Çoğu 0,0025 san ­ tim etre kalınlığındaki bir alüm inyum levha tarafın d an d u rd u ru ­ luyordu. B ecquerel (ve bağım sız olarak, F. Giesel) 1899’d a uranyum un yayınladığı ışınımın b ir kısm ının (R u th e rfo rd ’u n beta ışınımı dediği tü rü n ) m anyetik alan tara fın d an k a to t ışınla­ rıyla aynı y ö n d e saptırıldığına d ik k at çekti. B ecquerel, T hom ­ son unkine benzeyen b ir yöntem k ullanarak, b e ta ışınlarının kütle/yük o ran ın ı ölçm üş ve bu oranı, T hom son’un elek tro n lar için ölçtüğü o ra n a y ak ın bulm uştu. (B u ölçüm 1907'de K auf­ mann tarafın d an d a h a hassas bir şekilde yapıldı.) B eta ışınları­ nın tastam am elek tro n lar olduğu açıktı; an c ak b u elektronlar, katot ışını elek tro n ların a göre çok y ü k sek hızlıydılar. Alfa ışınlarının elektrik y a d a m anyetik alan larla saptırılm a­ ları çok d a h a zo rd u ; fak at 1903’te R u th erfo rd

(o zam an

M cG ill’deydi) b u sapm ayı ölçm eyi b aşard ı ve b u n u k u llan arak alfa parçacık ların ın kütle/yük oranını, elektrolizde hidrojen iyo­ nu için b u lu n an o ra n a k abaca eşit gibi buldu. Bu deneyler 1906’d a d a h a hassas o larak tek ra rlan d ık ların d a R utherford, al­ fa p arçacıklarının k ütle/yük oran ın ın gerçekte hidrojen iyonununkinin yak laşık iki katı olduğunu gördü. Bu şu anlam a gele­ bilirdi: Alfa p arçacıkları, hid ro jen iyo n u n u n k in e eşit y ü k lü ve atom ağırlığı 2 (h id rojeninkinin 2 k atı) olan iyonlardır. B u n u n ­ la birlikte, atom ağırlığı 2 olan b ir kim yasal elem ent bilinm iyor­ du. R u th erfo rd çok geçm eden şu kestirim de bulundu: Ö yleyse alfa parçacıkları, hid rojenden so n ra e n h afif elem ent olan 4 atom ağırlıklı heİ3mm iyonlarıdır; bu d u ru m d a kütle/yük oranı hidrojen iyonlarının 2 katı ve kütle 4 k ez b ü y ü k old u ğ u n a göre,


G üneş sp ek tru m u n u n 5900 an g strö m ve 4600 angström d alga b o y la n arasındaki k a ra n ­ lık so ğ u rm a çizgileri

y ü k , hidrojen iy o n u n u n y ü k ü n ü n iki k a tın a eşit olm alıdır -b ü ­ y ü k lü k ç e iki elek tro n y ü k ü n e eşit, am a işaretçe zıt. R u th erfo rd , d a h a sonraları atom numa.rası adım alan niceliğin ilk sap tam a­ sını yapm ıştı: Alfa ışınım ında salınan helyum iyonu, hidrojeniyon-yükü birim i cinsinden +2'lik bir elek trik jm küne sahiptir, çünkü bu, helyum çekirdeğinin y ü k ü d ü r ve ra d y o a k tif m ad d e­ lerden salınan alfa p arçacıkları tam olarak, norm al tam am layı­ cıları olan iki elek tro n u 3ntirilm iş helyum çekirdekleridir. A lla ışınlarının helyum iyonlarıyla özdeşleştirilm esini R uth erfo rd ’un ak lın a d ü şü ren , en azından kısm en, helyum un ra d ­ y o a k tif m addelerle ilgili olduğunun bilinm esiydi. A slında h elyu­ mu D ü n y a d a ilk o larak 1895’te İngiliz kim yacı W illiam Ram say (1852-1916) keşfetm işti. R am say helyum u kristalleşm iş uran y u m m ineralinde bulm uştu. "D ü n y a ü z e rin d e” diyorum , çü n k ü helyum aslın d a ilk kez G üneş’te bulunm uştu. G ü n eş’ten gelen ince b ir ışık dem eti b ir prizm adan geçtiğinde ve b ir teles­ kopla gözlendiğinde, çok sayıda parlak ve k aran lık çizgiyle b e­ zenm iş b ir sp ek tru m g örülür; G ü n e ş’in y ü zeyindeki atom lar b e ­ lirli d alg a boy ların d a ışık yayınladığı y a d a so ğ u rd u ğ u zam an, bu p a rla k ve k aran lık çizgiler m eydana gelir. B u çizgilerin ço­ ğu, d ü n y ad ak i lab o ra tu v arlard a çeşitli elem entler tara fın d an m ey d an a getirilen b en z er çizgilerle özdeşleştirilebilirdi; fakat 1868’de ilk kez tu tu lm a düzlem inde gözlenen b ir sp ek tru m çiz­ gisi gizem li kalm ıştı. G ökbilim ci J . N o rm an L ockyer (18561920), b u n u n y en i b ir elem ente a it old u ğ u n a k a ra r verdi; b u elem ent Y u n an ca "g ü n eş” anlam ına gelen "helios” kelim esinden h elyu m olarak adlandırıldı. A slında helyum güneşte çok b o ld u r ve genelde E v re n ’d ek i jnidızların ço ğ u n u n kütlesinin d ö rtte b i­ ri helyum dan oluşur. H elyum atom u çok h afif ve kim yasal açı­


d an çok etkisiz o ld u ğ u n d an D ü n y a’d a çok az bulunur. A tm os­ ferim izdeki heljm m atom ları h av a m olekülleriyle çarpışm alar so n u cu n d a d ü n y an ın çekim inden k u rtu lm ay a y etecek k a d a r b ü y ü k hızlar kazan ab ilir ve hidrojen su d a tu tu ld u ğ u halde, hel­ y u m görece ağ ır m oleküllerde tutulam az. R am say ve S od d y 1903’te M cG ill’de helyum u radyum tu zla­ rın d an çıkan b ir m adde olarak gözlediğinde, artık helyum un radyoaktiviteyleJLİişkili olduğu son u cu n u çıkarm ak kaçınılm az olm uştu. S o n u n d a R utherford, 1907-1908’de M a n c h e ste r’d a T. D. Royds ile birlikte, b ir radyum örneğinden y ay ın lan an alfa parçacık ların d an yeterli m ik tard a toplayabilm işti; bunlarda, G ü n e ş’teki helyum un saptandığı spektrum çizgilerini gözlem iş ve böylece alfa p arçacıklarının helyum iyonları olduğunu kesin olarak doğrulam ıştı. R utherford o zam an, alfa parçacıklarının genellikle rad y o ak tif atom lar tara lın d a n yayınlanm asının nede­ ni ile, E v ren ’de helyum un yay g ın olm asının nedeninin aynı ol­ duğunu bilm iyordu; H elyum çekirdeği, en hafif atom çekirdek­ leri içinde, b üyük b ir farkla, en sıkı bağlı olanıdır. Üç cins radyoaktiviteden üçüncüsü, oldukça nüfuz edici (be­ ta ışınları y a da X ışınları gibi), fakat m anyetik alan ile kolayca saptırılam ayan (alfa ışınları y a ela X ışınları gibi) ışınlardı, ilk kez 1900 y ılın d a F ra n sa ’d a P. Villard tarafından gözlendiler ve 1903'te R u th erfo rd tarafından gam m a ışınlan olarak adlandırıl­ dılar. R u th erfo rd g am m a ışınlarının, X ışınları gibi, çok kısa d alga boylu ışık olduğunu tahm in etti; ta k a t bu, 1914 y ılın d a R u therford, E. N. da C osta A ndrade (1887-1971) ile birlikte, gam m a ışınlarının k ristallerden saçılm alarım gözleyerek d alga boylarını ölçmeyi b aşarın cay a k ad a r kanıtlanam adı. (G am m a ışınları, rad y o ak tiv itenin başlardaki öyküsünde a lf a y a d a b eta ışınlarına göre çok az önem liydi; bu nedenle b u ra d a onlar h ak ­ k ın d a söyleyecek fazla sözüm yok.) D em ek ki alfa ışınları +2 y ü k lü helyum iyonları (gerçekte, helyum çek ird ek leri), beta ışınları elek tro n lar ve gam m a ışınla­ rı da ışık atım larıdır. F a k a t atom ların bu ışınları y ayınlam asına


y o l açan n edir? R u th e rfo rd 1899’d a M c G ilfe v arışın d an hem en so n ra önem li b ir ip u cu buldu. B undan b ir y ıl k ad a r önce to r3Aimdan gelen rad y o aktivitenin, özellikle toryum hava akım ı

içindeyken, bazen azalıp çoğalıyor gibi g ö rü n d ü ğ ü n ü gözlem le­ m işti. T oryum örn eğ inin y ü zey i üzerinden ince boyunlu bir şi­ şeye d o ğ ru h av a üfley erek toryum em anasyonu (salgısı) dediği b ir gaz toplayabilm işti. (R adjnım dan d a b e n z e r b ir gazın çık tı­ ğını R u th e rfo rd ’d an b ir süre önce F ried rich E rn st D o rn gözle­ m işti.) Bu gaz şiddetli b ir şekilde radyoaktifti ve toryum a atfe­ dilen rady o ak tiv iten in bir kısm ından sorum lu olduğu açıktı. (Sırası gelm işken, M cG ill’deki bu deneylerin tü m ü n d e ra d y o ­ ak tiv ite m iktarı, gazlar tarafın d an gerçekleştirilen elektrik ileti­ mi üzerin d ek i etkisi aracılığıyla ölçülm üştü -C am bridge’de R u t­ h erfo rd ve T h o m so n ’un birlikte üzerinde çalıştıkları olgu.) Bu keşfin önem li yanı, radyoaktivite olayının karm aşıklığı h ak k ın d a açıkladığı şeyde y a ta r. T o ıy u m y a d a uranyum gibi elem entlerle ilgili radyoaktivitenin çoğu, bu a n a elem entin (ya d a an a elem entin radyoaktivitesiyle üretilen diğer m addelerin) radyoaktivitesi so n u cu n d a oluşan toryum em anasyonu y a d a u ran y u m em anasyonu gibi çok küçük m adde m ik tarların a ait­ tir. Ö rneğin, 1903’te R u th erfo rd ve S o d d y ’nin bulduğu gibi, to ry u m u n radyoaktivitesinin y ü zd e 5 4 'ü (ve toryum em anasyon u n u n tüm üretim i), “torjm m X ” adını verdikleri oldukça ra d ­ y o a k tif b ir m addeye aittir. T oryum X b ir toryum tu zu n u n (to r­ y u m n itrat) b ir çözeltisinde, çözeltiye am onyak eklenerek d e ri­ şik hale getirilebilir; toryum , bir çökelti (toryum hidroksit) ola­ ra k çözeltiden ayrılacak ve sıvıda geriye to ry u m X kalacaktır. T oryum X ’in bu şekilde ayrılm asıyla kalan to ry u m çökeltisi çok d a h a az ra d y o ak tiftir ve a rtık to ry u m em anasyonu verm ez. B u ­ n u n la birlikte, to ry u m X ’i alınm ış b ir to ry u m örneği 1901 N oel tatili b o y u n ca bekletm eye bırakılm ış ve ü ç hafta sonra laboratuv a ra d ö n d ü k lerin d e R u th e rfo rd ve Soddy, toryum X ’in gene norm al bolluğuna geri geldiğini görm üşlerdi. Ö rn e k hem ra d ­ yo ak tivitesine kav u şm uş hem de toryum em anasyonu üretim ine


geçmişti. B u rad an şu sonuca varıldı: T oryum X y aln ızca doğal to ıy u m a eşlik eden b ir safsızlık değildi; aslında toryum tara fın ­ dan üretilm ekteydi; to ryum em anasyonu d a to ry u m X tara fın ­ dan üretiliyordu. R adyoaktivitenin karm aşıklığının b u şekilde çözülm esinden de d ah a önem li olan, radyoaktivite tara fın d an üretilen çeşitli m addelerin aslında özgün ra d y o ak tif elem entten farklı elem ent­ ler olm alarıydı. 19ü2’de R u th erfo rd ve S oddy to ry u m em anasy o n u n u n y e n i bir “soy gaz" olduğunu gösterdi, y an i R am say ta ­ rafından kısa süre önce bulunan kim yasal olarak etkisiz ele­ m entler sınıfının bir üyesi (bu sınıf, helyum , neon, argon, k rip ­ ton ve ksenon elem enllerini de içerir). Bu y en i elem ente önce “niton" adı verildi; fakat d ah a so n ra radon adını aldı. R adyum em anasyonu da rad o n un bir şekli olarak bulundu (G ü nüm üzde kullanılan terim lerle toryum em anasyonu ve radyum em anas­ yonu, rad o n u n iki farklı izotopudur: “ "Rn ve “ ^Rn. R adonun bi­ linen yirm i k ad a r izotopu v ard ır). Ayrıca, toryum X de açıkça toryum dan kırklı bir kim yasal elem enttir; onun d a radyum ele­ m entinin ayrı bir rad y o ak tif şekli olduğu d ah a sonra saptandı. (Toryum X, “^''Ra’dur; sıradan radyum ise ^^‘’R a’d u r.) D em ek ki toryum rad y u m u n bir şekline dönüşür; so n ra o d a radonun bir şekline döner. 1903 tarihli “ R adyoaktivitenin N edeni ve D o ğ a sı” adlı b ir çift klasik m akalesinde R utherford ve Soddy, radyoaktiviteyi, gerçekte, bir kim yasal elem entin y ü k lü b ir a lf a y a d a b eta p a r­ çacığı salarak bir başka elem ente dönüşm esi şeklinde y o ru m la­ dılar. Bu çok iddialı bir y o ru m d u -elem entlerin değişm em esi kim yanın b ir aksiyom u olm uştu. B unu izleyen yıl R utherford, L o n d ra’d a R oyal S ociety’de kuşkucu bir dinleyici kitlesi ö n ü n ­ de R u th erfo rd -S o d d y “p arçalan m a kuram ı"nı anlattı. D inle 3nciler arasında, d a h a so n ra rad y o ak tiv ite üzerine b izzat b ir ince­ leme yazısı hazırlayan F ierre C u rie de vardı. C urie, bu y azısın­ da, R u th erfo rd ve S od d y ’nin p arçalan m a k u ram ın a değinm e­ mişti bile.


T o ıy u m em anasyonu, radyoaktivitenin doğasına ilişkin bir b a şk a can alıcı kavrayış d ah a sağladı. R u th erfo rd , to ıy u m em an asy o n u n u n ürettiği radyoaktivite şiddetinin hızla azaldığına d ik k at etmişti: G azın belirli b ir m iktarı, b ir d ak ik a k ad a r so n ra başlangıçtaki rady o ak tivitenin sadece y a rısın a sahipti; iki d a k i­ k a so n ra sadece d ö rtte birine; üç d ak ik a sonra sadece sekizde b irin e ve b u böylece sürüyordu. R u th e rfo rd ’un y o ru m u , S oddy ile y azdığı m akalelerde izah ettiği gibi şöyleydi: T oryum em an asy o n u n u n h er b ir atom u, ne zam andan beri v ar olduğuna ve atom m ik tarın a bağlı olm aksızın, h er bir dakika içinde (aslında, h er 6d,5 saniyede) y ü zd e elli olasılıkla b ir alfa parçacığı salar ve b ir alfa parçacığı saldığı zam an, artık torymm em anasyonunun b ir atom u olm aktan çıkar. (K uşkusuz, alfa parçacığı salımı sa­ dece 54,5 saniyelik aralık larla m eydana gelm ez, h er an olabilir.) Belirli m ik tard a to ry u m em anasyonu ile başlanırsa, 54,5 saniye so n ra b u n u n yarısı gider; böylece örneğinizin radyoaktivitesi başlangıçtaki şiddetin y a n s ın a inm iş olur. İkinci 54,5 saniyenin so n u n d a kalan to ry u m em antısyonunun gene y arısı yitm iştir; böylece rad yoaktivite başlangıçtaki şiddetin y an sın ın yarısına, yan i d ö rtte birine d ü şe r ve bu böylece sü rü p gider. Ö nem li n o k ­ talar şunlardı: T oryum em anasyonunun atom larının alfa p a rç a ­ cıkları salm a hızı d iğ er atom ların v arlığ ın a bağlı olm adığına g ö ­ re, bu, sıradan b ir kim yasal tepkim eden farklı olarak tek-atom süreci olm alıdır ve b u hız atom un geçm işine bağlı olm adığına göre, alfa parçacığı salımı, y£izı-tura 03Ainu gibi, olasılıkla ilgili bir süreç olm alıdır. B ir m adeni p a ra b irçok kez atılır ve hep y a ­ zı gelirse, b ir sonraki a tışta tu ra gelm esi d a h a olasıdır d ü şü n c e ­ si y an lış bir inanıştır. Bu böyle değildir - p ara kusursuz biçim ­ de sim etrikse, y a z ı gelm e olasılığı h e r a tışta y ü zd e ellidir; iki atışta d a yazı gelm e olasılığı y ü zd e 25, üç a tışta y ü zd e 12,5 ... ve bu da böylece sü rü p gider. B ir to ry u m em anasyonu ato m u ­ n u n rad y o ak tif b o zu n u m u n d a, sanki h er 54,5 saniyede b iry a z ıtu ra atılıyorm uş v e sadece yazı geldiği sürece atom v a r olm aya devam ediyorm uş gibidir. (F ak a t ra d y o ak tif bozunm a, y azı-tu -


ra atm ak tan farklı olarak, h er a n m eydana gelebilir.) B u ra st­ lantısal d av ran ışın nedeni, k u an tu m m ekaniğinin n ü k leer fiziğe uygulandığı 1 9 2 0 lerin sonlarıyla 1930'larm b aşların a d ek tam anlaşılam adı. B enzer b ir b o zu n m a y asası izleyen d iğer ra d y o a k tif elem ent­ ler de kısa sü red e bulundu. H e r biri için, kendisine özgü bir rı-ö m ü r vardır; bu, b ir atom un y ü zd e 50 olasılıkla ra d y o ak tif dönüşüm e u ğ rad ığ ı süredir, y a da eşdeğer olarak, b ir elem ent örneğinin radyoaktivitesinin y arısın ı yitirdiği süre.'* T oryum em anasyonu için yarı-öm ür, gördüğüm üz gibi, 54,5 saniyedir; radyum em anasyonu için bu süre 3,823 gün, to ıy u m X için ise 3,64 g ü n d ü r. (B u y arı-öm ürler, 3. B ölüm 'de tartıştığım ız izo­ topların keşfine yol açan ipuçlarından birini sağlam ıştır. T o r­ yum em anasyonu ve radyum em anasyonu aynı elem enttir; yani her ikisi de ra d o n d u r; fakat çok Farklı y a n -ö m ü rle re sah ip tir­ ler.) T oryum , u ran jaım y a da ra d y u m d a radyoaktivitenin azal­ m asının gözlenem em e nedeni, bu elem entlerin (ya da, d a h a ke­ sin ifadeyle, o n ların en yaygın izotoplarının) a şın u zun-öm ürlü olm alarıdır: R adyum un (^^‘’R a) y a rı-ö m rü 1600 yıl, toryum unki c m ) 1,41 X 10"'yıl ve uranyum unki (“ U) 4,51 x 10’ yıldır. R adyum , toryum y a d a uranyum ö rn eklerinde gözlenen radyo­ aktivitenin, b ü y ü k o ran d a toryum X gibi çok kısa-öm ürlü ve ^ İlle (le y a n ^ /a (iay ü ztic 50 dem ek gerekm iyor; pekâlâ “üçte b ir-öm ür” de denebilirdi: Belirli b ir elem ent örneğinin radyoaktivitesinin, ilk şiddetin ^ 'üne d ü ştü ğ ü zam an ara­ lığı y a d a eşdeğer olarak bir tek ato m u n 3oizde 66 | olasılıkla rad y o ak tif parçalanm aya uğradığı süre ^

olduğundan, “üçte b ir-ö m ü r”, 1,58 yan-Ö m ürdiir. Aslında, rad­

y o a k tif parçalanm ayı y arı-ö m ürler (ya d a üçte bir-öm ürler) cinsinden tanım lam ak çok yaygın değildir; ortalam a öm ürler d a h a yaygındır. O rtalam a öm ür, h e r atom un radyo­ ak tif parçalanm aya u ğ ram ad an önce var olduğu zam an aralığıdır. E k H ’de gösterildiği gibi, atom un kısa bir zam an aralığında parçalanm aya u ğram a olasılığı, bu zam an arahğının ortalam a öm re oranıdır. Ayrıca, ortalam a öm ür, 1.443 y arı-ö m ü rd ü r. Ö rneğin, rad y u m 1600 yıllık b iry a rı-ö m re sahiptir; dola 3 usıyla ortalam a öm rü 1,443 x 1600yıl, yan i 2 5 1 0 y ıld ır. ö y le y s e b ir radyum atom unun 1 y ıld a bozunm a olasılığı, 1 yıl/231 Oyıl, yani y ü zd e 0,04’tür.


Y arı-ö m ü r bozunum eğrisi. H e r T zam an aralığından sonra, kalan atom ların y a n s ı bo zu n m u ştu r.

çok a k tif k ü çü k m ik ta rlard a k i elem entlerden kaynaklandığı d o ğ ru d u r; fak at hızla bozunan bu elem entler, an a elem entlerin rad y o aktivitesi v asıtasıyla sürekli tü retilirler; dolayısıyla değiş­ m eyen toryum v ey a rad y u m y a d a u ran y u m örneğinde gözlenen y a n -ö m ü r, an a elem entin uzun y a n -ö m rü d ü r. R utherford ve S oddy olağan to ıy u m örneğinden toryum X 'i ayırdıkları zam an, rad y o ak tiv ite önce b ü y ü k o ra n d a düşm üştü; fakat birkaç g ü n içinde to ry u m u n b o zunm ası y en id en to ıy u m X türetince, ra d ­ y o ak tiv ite y en id en y ü kseldi. B u yükselm e, to ry u m u n b o zu n u ­ m uyla üretilen to ıy u m X m ik ta n b ir dengeye ulaşıncaya, y ani h e r b ir saniyede üretilen to ıy u m X m iktarıyla alfa parçacığı sa­ la ra k b o zu n an lar eşitleninceye k a d a r sü rd ü . B undan sonra, to r ­ y u m X m iktarı, a n a elem entin 1,41 x 10'“y ıllık y a n -ö m rü y le al­ gılanam ayacak d ereced e yavaş azaldı. A ynı zam anda, toryum, ö rn eğ in d en b aşlangıçta ayrılan to ıy u m X, 3,64 g ü n lü k kendine özgü y arı-ö m rü y le radyoaktivitesini y itird i. R u th etfo rd 1930’d a asilzadeliğe yükseltildiğinde, radyoaktivite şiddetinin b u y ü k ­ selm e ve düşm e eğrilerini b aro n lu k arm asına, kivinin altına koydu. O k u y u c u , y e rk a b u ğ u n d a b u lu n an bazı ra d y o a k tif elem en t­ lerin ö rn eğ in ra d y u m u n , nasıl olup d a y e r in y a şın d a n çok d a ­ h a k ısa y a n -ö m re (rad y u m için 1600 y ıl) sahip o ld u ğ u n a ş a şa ­ b ilir. B u n u n y a n ıtı şöyledir: BöyJ[e elem en tlerin tüm ü, d a h a u zu n -ö m ü rlü elem en tlerin ra d y o a k tif b o zu n u m ların d a n m ey-


d an a gelirler; ra d y u m örn eğ in d e a n a elem ent u ra n jm m d u r. B u şekilde ü retilm ey en ra d y o a k tif elem entler, en az ın d a n b irk a ç y ü z m ilyon y ıllık y arı-ö m re sahip o lan lard ır: u ra n y u m ve to rjrum . Bu u zu n -ö m ü rlü elem en tler için bile, gözlediğim iz b o l­ lu k lar, ra d y o a k tif b o zu n m a h ızını y an sıtırla r. Ö rn e ğ in , u ra n ­ yu m iki u zu n -ö m ü rlü izotopa, y an i 4,51 x lO** y d y a rı-ö m ü rlü ile 7,1

X

10” y ıl y a rı-ö m ü rlü

izo to p u n a sahiptir. B u

izotopların, eski nesil y ıldızların p atla m a la rın d a k a b a c a eşit m ik ta rlard a ü retild ik lerin e ve G ü n eş sistem inin oluştuğu yıldızlararası o rtam a a tıld ık la rın a in an ılm ak tad ır. B u g ünkü göz­ lem lerim ize göre, y erk ü rem izd ek i “ '’U m iktarı

m ik tarın ın

y aln ızc a 0,0072'si k ad a rd ır. B u rad a n , u ra n y u m u n çok öncele­ ri o lu ştu ğ u ve b u u zu n süre içinde k ısa-ö m ü rlü

izo to p u ­

nun çoğ u n u n b o zu n d u ğ u so n u cu n u çık arıy o ru z. D a h a sayısal olm ak g erek irse, 0,0072 y ak laşık ( 2 ) d ir -yani 2

k en d i­

siyle y ed i kez çarpım ı- dolayısıyla u ra n y u m u n o lu şm asın d an bu y a n a geçen

ve

y a rı-ö m ü rle ri arasın d ak i fa rk y a k ­

laşık 7 olm alıdır. Bu, 6 x 10*'yıllık b ir u ra n y u m y a şı v erir; ç ü n ­ kü b u n a göre 1,5

X

8,5 x

y arı-ö m rü k ad a r y aşlıd ır ve

y a rı-ö m rü k a d a r y aşlıd ır; fa rk 7 y a rı-ö m ü rd ü r. (B u

tü r h e sa p la r yapımak için gerekli form üller E k Fi’de ele a lın ­ m ak tad ır.) Bu k ü çü k hesap. E vrenim izin y a şı üzerine b ir alt sınır k o y m ad a bize en g ü v en ilir aracı verir: E v re n ’in yaşı en az 6 X lO’ y ıl olm alıdır. M ily ar y ıllarla ölçülen doğal uran y u m ve toryum un öm ürleri k ad ar u zu n y arı-ö m ü rleri saptam ak nasıl m ü m kündür? Y anıt, kesinlikle “biraz bekle ve radyoaktifliğin azalm asını g ö r” şeklin­ de değildir -zira azalm a a ş ın derecede y avaştır. Ö rneğin, R uth erfo rd ’un M cG ill’de bulunduğu d o k u z yıl, toryum un y a n -ö m ru n u n 9jnl 1,41 X 10'" yıl

= 6,4 X 10"'"


k adarlık b ir kısm ım tem sil eder; M o n tre a l’e gitm ek üzere g e ­ miyle y o la çıktığı zam an R u th e rfo rd 'u n o ra y a gönderdiği to r ­ y u m örneğinin radyoaktivitesi bu dokuz y ıld a sadece /l\

5,4 x10-'"

= 0,99999999956

ça rp an ıy la azalm ıştı. Bu azalm a, g ü n ü m ü z ü n en iyi y ö n te m le ­ riyle bile gözlenem ez. B u n u n y erin e, te k te k atom ların ra d y o ­ a k tif p arçalan m a la rın ı sayarak, örneğin b o z u n a n ato m d an çı­ kan alfa p arçacık ların ı b ir çinko sü lfü r e k ra n a çarp tırıp o rta ­ y a çıkan p arlam aları sayarak, y a n -ö m ü r ölçülm elidir. Belirli bir ra d y o a k tif elem ent örneğinin saniyedeki p arçalan m a sayı­ sını ö rn e k te k i ato m ların sayısına (bu sayı, A vogadro sayısını gram sayısıyla ç a rp ıp atom ağırlığına b ö lerek sap tan ır) böle­ rek, b ir tek ato m u n b ir saniye içinde ra d y o a k tif p arçalan m a y a u ğ ra m a olasılığı b u lu n u r. Bu olasılıkların y ü z d e 5 0 ’y i o lu ştu r­ m ası için geçm esi g erek en zam an o lara k y a n -ö m ü r hesaplanır. Y erin y aşın d a n çok d a h a uzun olan y a n -ö m ü rle r, b u şekilde ölçülm üşlerdi; b u g ü n e değin ölçülm üş b u lu n an en uzun y a n öm ür, tek n ety u m 122’nin 10^^ y ıl k a d a r olan y a rı-ö m rü d ü r. B u g ü n lerd e b irço k d en ey g u ru b u , h id ro jen y a d a oksijen gibi elem entlerin (ki b u n ların m utlak şekilde ra d y o a k tif olm adıkla­ rın a in an ılm a k tad ır) olası ço k zay ıf ra d y o ak tiv itelerin i a rıy o r­ lar; b u n u n için 5000 to n a v aran d em ir y a d a su gibi sıra d a n m alzem eleri gözleyerek, böyle ra d y o a k tif b o z u n u m lard an d o ­ ğab ilecek y ü k lü p a rç a c ık la rın aniden o rta y a çıkm alarını b ek li­ y o rla r. 5000 to n su 1,5 x 10^^ su m olekülü (5 x 10’ gram çarp ı 6 X 10“ d eğ e rin d ek i A vogadro sayısı bö lü 18 o lan m olekül ağırlığı) içerd iğ in e göre, m olekül b aşın a y ıld a 10'’'l i k b ir bozu n m a olasılığı, y ıld a 15 bozunm a olayı verir; ki b u d a saptanab ilm elidir. Bu, p ro to n y a d a n ö tro n için 10^^ y ıllık b i r y a r ıö m re k arşılık gelir. B u arad a, rady o ak tivitelerinin azalm a h ızın d an ölçülebilecek k a d a r k ısa y arı-ö m ü rlü , am a bilinen kütleli b ir ö rn e k to p lay a­


ca k ve ra d y o a k tif p arçalan m aları sayacak k ad a r d a uzu n y arıöm ürlü bazı ra d y o a k tif elem entler (örneğin rad 3nım) v ardır. E ğ er ö rn ek tek i ra d y o ak tif atom ların sayısı d oğru o larak hesap­ lanırsa, b u iki y o ld a n ölçülen y a rı-ö m ü rler k u şk u su z uyuşm alıdır. R ad y o ak tiv iten in azalm asından ölçülen y a n -ö m ü r, radyo­ a k tif m alzem enin birim saniyede gram başına parçalanm a sa3nsı ile birlikte, b ir b a şk a y ö n tem olarak kullanılabilir. Böylece b ir gram daki atom sayısı hesaplanabilir, bu d a do ğ ru d an d o ğ ru y a (atom ağırlığıyla çarp ılarak) A vogadro sayısını verir. B u y o lla 1909’da A vogadro sajnsı m ol b aşın a 7 x 10^^ olarak saptanm ıştı; fak at b u so n u ç k ısa sü re içinde M illikan tarafın d an ölçülen çok d a h a d o ğ ru b ir d eğere y erin i bırakm ıştı. Y irm inci y ü zy ıh n ilk o n y ılın d a radyoaktiviten in fizikçileri çok rah atsız eden b ir niteliğine henüz değinm edim . Alfa p arça­ cıklarının elektriksel ve m anyetik sapm ası üzerine 1903’te y a p ­ tığı deneylerinde R u th erford, rad y u m d a n çıkan alfa parçacıkla­ rının hızının 2,6 x 10’’m/s, y a n i ışık hızının y ak laşık o n d a biri ol­ d u ğ u n u bulm uştu. Şimdi, bir parçacığın kinetik enerjisinin | çarpı kütle çarpı hızın karesi olm ası nedeniyle, bu hızdaki bir parçacığın k ü tle başına kinetik enerjisi K in etik e n e rü _ L ^

x lO Y

K ü tie = 3 x 1 0 ''' jul/lcilogram

dır. A lfa p arçacık ların ın atom ağırlığı d ’tü r (R u th erfo rd 1906’y a kadar, b u n u n yak laşık 1 olduğunu sanıyordu) ve ra d y u m u n atom ağırlığı 2 2 6 ’dır; dolayısıyla h er alfa parçacığı, onu salan atom un k ü tlesinin d/226’sm a sahiptir. B u n a göre, tüm atom ları alfa parçacığ ı salarak bir başk a elem ente dönü ştü ğ ü zam an, b ir kilogram lık ra d y u m u n saldığı enerji x 3 x I0"' = 5 x 10'“ J / k g


k ad a rd ır.* B u n a karşın, doğalgaz gibi y a y g ın y ak ıtların y a n m a ­ sıyla salın an enerji, kilogram b aşın a 5 x 1 0 ^ juldür. Dolayısıyla, belirli b ir radjm m k ü tlesinin ra d y o a k tif b o zu n u m u n d a salınan enerji, sıradan kim yasal süreçlerde salınan enerjinin 10* katı k a d a rd ır. (1903’te C urie ve L aborde d o ğ ru d an radyoaktivite vasıtasıyla ü retilen ısıyı ölçm üşler; b o zu n u m ürünleriyle b irlik ­ te rad y u m u n saatte gram başına 100 k alo ri ürettiğini b u lm u ş­ lard ı -k aybolm asına izin verilm em esi d u ru m u n d a b irk aç saat içinde rad y u m u eritm eye y etecek b ir ısıydı b u .) R u th e rfo rd ve Soddy, 1904 tarih li b ir m akalede şu sonuca varm ışlardı: “T üm bu incelem eler g ö steriyor ki atom da gizli d u ra n enerji, sıradan kim yasal değişm ede ö zg ü r kalan enerjiye göre çok b ü y ü k olm a­ lıd ır.” B unun ard ın d a n , radyoaktif-olm ayan sıradan ato m lard a d a b en zer b ü y ü k en erjiler depo edilm iştir şeklinde d ik k at çek i­ ci b ir kestirim de b u lu n d u lar. K endi sözcükleriyle, “radyo-elem en tler d iğer elem entlerden kim yasal ve fiziksel davranışları açısından h içb ir farklılık gösterm ezler... D olayısıyla, b u b ü y ü k enerji birikim ine sadece radyo-elem entlerin sahip olm asını v a r­ saym ak için h içb ir neden y o k tu r.” D a h a d a ileri giderek, b u ­ nun, yıld ızların y ay d ığ ı enerjinin kaynağ;ı k o n u su n d ak i eski b il­ meceyi çözebileceğini öne sürdüler: “B ileşen öğelerin iç en e rji­ sinin v a r o ld u ğ u d ü şü n ü lü rse, y a n i atom altı değişim süreçleri söz konusuysa; G ü n eş enerjisinin tükenm em esi... hiçbir tem el gü çlü k içerm ez.” ^ R u th erfo rd , rady o aktivitede enerjinin k o ru n u m u ilkesinin geçerliliği k o n u su n d a asla k u şku duym am ıştı. T oryum em anasy o n u atom larının radyoaktivitesinde salınan enerjinin tam ı ta ­ mına, tory u m X ato m ların ın ra d y o ak tif bozu n u m u y la o lu ştu ru l­ d u k ları zam an b u ato m lard a d ep olanan enerji olduğunu ve tor* A slında R u th erfo rd bu hesabı çok d aha dolam baçlı b ir y o ld an yapm ıştı. Alfa p arçacı­ ğının kütlesini kestirm ek için (o zam anlar iyi bilinm eyen) A vogadro sayısını kullanm ış­ tı; tek tek alfa parçacık ların ın kinetik enerjisini hesaplam ak için b u kütleyi kullanm ış ve so n ra (gene Avogcidro sajnsm dan saptanm ış olan) ra d y u m atom unun kütlesine bölerek radyum kü tlesi başına ü retile n enerjiyi elde etm işti. Y anıtm , bizim hesapladığım ızla ay­ nı olduğım u ve aslında so n u cu n A vogadro sa3 nsı için benim senen değerden bağım sız ol­ du ğ u n u görm ek kolaydır.


y u m X"in radyoaktivitesinde salm an enerjiyle birlikte bu depolanan enerjinin de, tamı tam ına toryum atom larının radyoaktif bozunum uyla o lu ştu ruldukları zam an toryum X atom larında depolanan enerji old u ğunu kabul etm işti. (Bu pek açık değildi; Fais*, ra d y o ak tif m addelerin enerjilerini bir dış k ay n a k ta n çe­ kebilecekleri k o n u su n d a tahm in y ü rü te n le r arasın d a, C urieleri, Ixird K elvin’i v e J e a n P errin'i sayar.) F ak at bu ato m lar böylesine b ü y ü k enerji m iktarlarını hangi y o lla dep o larlar? D oğal to ıy u m u n a n a ato m ların d a bu enerji nasıl depolanm ıştı? Bu enerji niçin ato m u n b ir kim yasal elem ent değişim leri zinciri içinde, h er değişim de b ir a lf a y a d a b e ta parçacığı eşliğinde sa­ lınır? Ç ekirdeğin ve onun y ap ıtaşların ın keşfine k a d a r b u so ru ­ lar y a n ıtlanam azdı.

Kitabın sonundaki “O k u m a N o tla n ’na bakınız.


Çekirdeğin Keşfi R u tlıerfo rd ’un 1907’de M a n c h e ste r’a gelişinden kısa bir süre sonra, çalışm alarına, genç b ir Alm an olan ve doktora-sonrası araştırm alar y ap a n H ans W ilhelm G eiger (1882-1945) ve Y eni Z e la n d a ’dan d ah a d a genç b ir öğrenci E m e s t M a rsd e n katıldı. G eiger, ince m etal lev h alard an geçerken alfa parçacıklarının sa­ çılm ası üzerine b ir araştırm a p ro g ram ın a baışladı; bu ilk kez 1906’d a M cG ill’de R u th erfo rd tarafından incelenen bir olguy­ du. B ir radyum k ay n ağ m d an çıkan alfa p arçacıkları b ir e k ra n ü zerindeki d ar b ir y a rığ a d ü şü rü lü y o r v e böylece y a rık ta n ince bir alfa parçacığı dem eti o rtay a çıkıyordu. D a h a sonra bu d e­ m et ince b ir m etal lev h adan geçiriliyordu. L evhanın atom larının y ak ın ın d a n g eçerk en alfa parçacık ların ın yolları biraz eğileceği için, levha dem etin y ayılm asına neden oluyordu. İşte böyle b ir deneyde, levhadan geçtikten so n ra dem etin b ir çinko sü lfü r ta ­ bakası ü zerin e düşm esi sağlanarak dem etteki yayılm a ölçülm üş­ tü. Z ira çinko sü lfü r tabakası üzerine te k b ir alfa parçacığı bile ça rp sa g ö rü n ü r b ir ışık parıltısı yayar. G eiger 1908’de, saçılan parçacık ların sayısının, saçılm a açısının artm asıyla hızla d ü ştü ­ ğü n ü ve b irkaç dereceden d a h a b üyük açılarda saçılm ış alfa parçacıklarının gözlenm ediğini bildirmişti.® B u ray a k a d a r beklenm edik bir şey y o k tu . A m a 1909'da R u t­ herford, h er nedense, bazı alfa parçacıklarının dem etin ilk d o ğ ­ ru ltu su n d an çok b ü y ü k açılard a saçılıp saçılm adıklarını kontrol etm e düşüncesine kapıldı. İşte R u th e rfo rd ’u n son derslerinin b irinden alıntılanm ış, olup biten ler hakkındaki anılan: B ir g ün G eiger b a n a geldi ve “R ad y o ak tif y öntem ler ko­ n u su n d a eğittiğim genç M arsd en 'in kü çü k b ir araştırm ay a başlam ası iyi olm az m ı?” diye sordu. B en de öyle d ü şü n ü ­ y o rd u m , bu nedenle “B üyük açıd a saçılan alfa parçacıkla­ rın ın v ar olup olm adığına neden b ak m asın ?” dedim . A m a size güven içinde söyleyebilirim ki, olabileceğine de in an ­ m ıyordum . Ç ü n k ü biliyordum ki alfa parçacığı çok b ü y ü k


enerjili çok hızlı b ir parçacıktı v e eğer saçılm a çok sa3n d a k ü çü k saçılm anın birikm iş etkisiyle oluyorsa, b ir alfa p a r­ çacığının geriye saçılm a şansının ço k k ü çü k o lduğunu gös­ terebilirdiniz. A m a iki y a da üç g ü n so n ra G e ig e r’in b ü yük b ir heyecanla b a n a gelip “G eriye seken b irk aç alfa p arça­ cığı yak alam ay ı başardım ...’’ dediğini hatırlıyorum . H aya­ tım da b aşım a gelm iş en inanılm az olaydı bu. N eredeyse b ir kâğ ıt peçete p arçasın a 40 santim etrelik b ir gülleyi fırlatıp o n u n geri gelm esi ve size çarpm ası k a d a r inanılm azdı! R u th erfo rd ’un b u n a gerçekten şaşırıp şaşırm adığı bilinm ez, am a birçok fizikçi şaşırm ıştı. Bu b ü y ü k açılı saçılm aların 191 l ’de R u th erfo rd 'u atom çekirdeği k av ram ın a nasıl g ö tü rd ü ­ ğünü izah etm enin gerekçeleri çok u zu n d u r. Ö nce, y u k arıd a k i alıntıda R u th erfo rd ’un değindiği gibi, bir alla parçacığının b ü y ük açılı saçılm asını çok sayıda k ü çü k açılı saçılm a biçim inde açıklam ak neredeyse olanaksızdır. G eiger ve M arsden 1909’da, radyum C ’d en (doğal radyum un ikinci k uşak ü rü n ü ) çıkan alfa p arçacıklarının ince b ir altın levhadan (4 x 10“* cm kalınlığında) geçerkenki saçılm alarında en olası açının 0,87° olduğunu; fakat yak laşık h er 20.000 alfa parçacığından birinin geri (yani 9 0 °’den d ah a b ü y ü k açıda, ki bu en olası açı­ nın 100 k atın d an d a b ü y ü k tü r) saçıldığını bulm uşlardı. M a te ­ m atiksel olasılık k u ra m ın d a ün lü b ir teorem vardır; lim it m er­ kez teorem i d en en bu teorem , istatistiksel açıdan bağım sız ve h er y ö n d e olabilen birçok k ü çü k artıştan oluşan b ir nicelik için belirli b ir d eğ e r bulm anın olasılığına ait b ir form ül verir. Bu fo r­ m üle göre, b ö yle b ir niceliğin, en olası değerinin (ya da, d ah a kesin söylersek, ortalam a k aren in k arek ö k değerinin) 100 k a ­ tın d an d a h a b ü y ü k b ir değere sah ip olm a olasılığı sadece 3 x 10 2i74'dür. E v re n ’in tüm m addesi alfa parçacık ların d an oluşm uş olsa ve bu alfa parçacıklarının h e r b iri saniyede m ilyarlarca kez bu ince aJtm levhaya fırlatılsa bile, böylesine olanaksız b ir ola­ y ın E v re n ’in tarih in d e b ir k ez gerçekleşm esi olasılığı tü m d en ih-


mal edilebilir d ereced ed ir!.. R u th erfo rd 'u n saptadığı gibi, bir alfa p arçacığının bir atom la b ir te k karşılaşm ada bü 3 nik bir açıyla sapm ası h a tırı sayılır bir olasılıksa, a n c ak o zam an b u bü3nik açılı saçılm alar izah edilebilir.

B ununla birlikte, alfa parçacıkları öylesine bü3âik enerjiler ta ­ şıyorlardı ki, y ü k lü b ir atom ik parçacıkla b ir tek karşılaşm ada b ü y ü k b ir açıyla saptırılabilm eleri için, aşın şiddetli elektrik alan ­ larına m aruz kalm aları ve dolayısıyla karşılaştıkları y ü k lü p a rç a ­ cığın çok y ak ın ın a ulaşm aları gerekir. R u th erfo rd ’un 1911 ta rih ­ li m akalesinde bu am aç için kullandığı k ü çü k bir hesaplam ayla b u n u sayıya dökebiliriz. Özellikle basit bir örn ek alalım: B ir alfa parçacığı altın atom unun içinde bulunan bir tü r ağır ve artı y ü k ­ lü parçacığa d o ğ ru fırlatılsın; am a atom ik parçacıkla arasındaki itici elektrik kuvveti onu d urdursun ve sonra geri sekip kendi kaynağına doğru geri dönsün; tıpkı sert bir duvara fırlatılan las­ tik b ir top gibi... A lfa parçacığı artı yüklü atom ik parçacıktan çok uzakken, enerjisi, sadece hareket enerjisidir (64. sayfaya bakın) : Başlangıçtaki kinetik enerji = ^ ^ ^.İfa parçacığının kütlesi x (ali’a parçacığının ilk kızı)-

Alfa parçacığı, atom ik parçacığın y a k ın ın d a d u rd u ru ld u ğ u anda, tüm kinetik enerjisi, itici elektrik kuvvetine karşı iş y a p ­ m aya harcanm ıştır; dolayısıyla başlangıçtaki kinetik enerji b u iş m ik tarın a eşit olm alıdır. İş, kuvvet çarpı uzaklıktır; bu ifadede ku v v eti C oulom b Y asası verir: kg X a lfa p a rç a c ığ ın ın y ü k ü x ato m ik p a rç a c ığ ın y ü k ü K uvvet = (A lfa p a rç a c ığ ı ile a to m ik p a rç a c ık a ra s ın d a k i uzaklık)^

kg; 8;987 X 10^ nevton-m etreVcoulom b^ değerindeki evrensel sab ittir (40. sayfaya b ak ın ). B ununla berab er, alfa parçacığı ile atom ik p arçacık arasındaki uzaklık azaldıkça ku v v et değişir ve alfa parçacığı so n su zd an geldiği için k a t edilen toplam uzaklık gerçek ten de sonsuzdur; dolajnsıyla b u ra d a işi elde etm ek için basitçe kuvvetle uzaklığı çarpam ayız. G ene de, E k I’d a g ö rü l­ düğü gibi, alfa parçacığım sonsuzdan alıp atom ik parçacığın y a-


R adyum ,

K urşun Ç in k o s ü lfü r e k ra n la r

y ö n le n d iric i

A lfa p a rç a c ık la rı ve a ltın lev h a ile G e ig e r-M a rs c le n m saç ılm a d e n ey i

kınına belirli b ir uzaklığa k ad a r getirene dek yapılan iş, y u k a rı­ daki form ülü bu uzaklıkla ça rp arak (ki bu, paydadaki uzaklık çarp an ın d an birini g ö tü rü r) d oğru şekilde hesaplanır: Alfa parçacığını atoınik parçacıkları belirli bir uzaklığa g’ctirene kackır ycipılan iş

A lfa pfirçacığının yükü

A tom ik p arçacığ ın yükü

U zak lık

Şimdi alfa parçacığının başlangıçtaki kinetik enerjisini, onu ato ­ mik p arçacığ a en y ak ın n o ktaya getirene d ek y ap ılan işe eşitle­ y erek, şu denklem i buluruz: A lliı

p arçacığ ın ın x külicsi

A lfa p arçacığ m m A to m ik p arçacığ ın ^A lfa p a rç a - \ k^ yükü ^ yükü çığ ın ın ilk = ___ lniîi / lî-n ço k y a k la ş m a d u ru m u n d a alfa parçacığı llc a to m ik p arç a c ık a ra sın d a k i u zak lık

A rtık en çok y ak laşm a d u ru m u n d ak i uzaklığı hesaplam ak kokvydır: Kn çok y a k la ş m a d u ru m u n d a alfa p arçacığ ı ile a to m ik p arç a c ık a ra sın d a k i u zak lık

2 Xk

X A to m ik p a rç a c ığ ın y ü k ü

A lfa p a rç a c ığ ın ın k ü tle /y ü k o ra n ı

^

f A lfa p a r ç a ­ cığının ilk i hızı

Şimdi sayıları y erin e koyabiliriz. G eiger-M arsden deneylerinde alfa p arçacık ların ın hızı saniyede 2,09 x 10^ m etreydi ve alfa p a r­ çacıklarının k ü tle/y ü k oranı coulom b b aşın a 2x10"® kilogram olarak biliniyordu. (H e r iki nicelik de, T hom son u n bilinen


elek trik ve m anyetik alanlar tarafından saptırm a yöntem iyle öl­ çülm üştü). V arsayılan atom ik parçacığın y ü k ü kuşkusuz R u t­ h erfo rd tarafın d an bilinm iyordu; öyleyse b u y ü k ü n ^ M illikan ta ­ ra fın d an ölçülen 1,64 X 10"'® coulom bluk tem el elektronik y ü k ü n Z katı olduğunu varsayalım . B una göre, en çok y aklaşm a d u ru ­ m u n d a alfa parçacığı ile atom ik parçacık arasındaki uzaklık 2 X (8,987 X 10’ N.mVC“) x Z x (1,64 x 10-'’ C) ; 3 X Z X 10

m

(2 X 10^ kg/C) X (2,09 X 10^ m/s)=

olm alıdır. A tom ik p arçacık elektron y ü k ü n ü n yüzlerce katını taşısa bile, en çok y ak laşm a uzaklığı 1 0 m etreden d ah a az ol­ m alıdır. Bu, g erçek ten de çok küçük b ir u zaklıktır; 3. B ölüm ’de anlatıldığı gibi, altının y o ğ u n lu ğ u n d an y ak laşık olarak h esap la­ nan altın atom larının b o y u tu n u n 1/1000 kadarı... Ş urası açık tır ki, alfa p arçacık ların ın b ü y ü k açılı saçılm aları, atom k a d a r b ü ­ y ü k cisim ler ile değil de, atom un içinde b u lu n an iyice k ü çü k p arçacık lar ile çarp ışm alard an ileri gelm ektedir. B ir alfa p arçacığının varsayılan a rtı 3 Ü.klü b ir atom ik p a rç a ­ cıkla kafa kafaya çarpışm asını anlattım ; fak at b ir alfa parçacığı eksi y ü k lü b ir p arçacık tara fın d an d a geriye d oğru sapUrılabilirdi. V arsayalım ki alfa parçacığı eksi atom ik parçacığa doğru, fa­ k at onu ıskalayacak d o ğ ru ltu d a fırlatılsın; b u d u ru m d a alfa p a r­ çacığı çekici elektriksel kuvvetin etkisi altın d a atom ik p arçacı­ ğın etrafın d a çok d a r b ir hiperbolik y ö rü n g e üzerin d en n ered ey ­ se geldiği d o ğ ru ltu d a sonsuza geri dönecektir. T ıpkı G ü n e ş’e y ak laşıp G üneş sistem ine bağlanam ayan b ir kuyrukluyıldız gi­ bi... B u örnekte, alfa parçacığı kendisini sap tıran ek sİ 3m klü p a r­ çacığa a rtı y ü k lü p arçacığ a yaklaştığm dan d a h a fazla y aklaşır. E ksi y ü k lü b ir atom ik parçacık üke o lara k b ü y ü k açılı alfa parçacığ ı sap m asın a y o l açabilse bile, R u th erfo rd , gözlem lediği b ü y ü k açdı sap m aların elek tro n lar üe çarp ışm alard an kay n ak lan am ay acağ ın d an çok em indi. E lek tro n lar, alfa parçacık ların ın h arek etin e b ü y ü k etk iler y a p a c a k çarp ışm alar için çok, am a çok


hafiftirler. B ir b ilard o topu bir b a şk a b ilardo to p u y la çarpıştı­ ğında, b ü y ü k b ir açıyla sapabilir; fa k a t d u ra n b ir p in g p o n g to ­ p u n a çarp arsa, p in g p ong topu b ilard o m asasına y a p ışık olm adı­ ğı sürece, b ilard o to p u n u n h arek etin e p ek b ir şey olm az. Fiziğin b ü y ü k k o ru n u m ilkelerinden birini, m om entum un k o ru n u m u y asasın ı kullanarak, bu olgu çok d a h a nicel hale ge­ tirilebilir. B ir parçacığın m om entum u, kütlesiyle hızının çarp ı­ mı o larak tanım lanır; dolayısıyla bir parçacığın m om entum unun değişim hızı, kütlesiyle ivm esinin (hızının zam anla değişi­ m inin) çarp ım ın a eşittir; ki bu, İkinci N ew ton Y asası uyarınca, parçacığa etk iy en kuvvetin ta kendisidir. M om entum , kuvvet, hız y a da ivme gibi (fakat enerji y a d a y ü k te n farklı olarak) y ö n ­ lü b ir niceliktir ve üç doğrultudaki (diyelim ki kuzey, doğu ve y u k a rı) bileşenlerinin verilm esiyle belirtilebilir. N e w to n ’un Ü çüncü Y asası, b ir parçacığın b ir d iğ er parçacığa uyguladığı kuvvetin, ikinci parçacığın birinciye uyguladığı kuvvete b ü y ü k ­ lükçe eşit ve yön ce zıt olduğunu söyler; dolayısıyla aynı şey m o­ m entum un değişim hızı için de d o ğ ru olm alıdır. H e rh an g i b ir kısa zam an aralığ ın d a parçacıklardan birinin b ir bileşeninde m eydana gelen artm a, diğer parçacığın sahip olduğu m om entu­ mun aynı bileşenindeki azalm ayla dengelenir ve m om entum un her b ir bileşeninin toplam değeri sabit kalır. D u ran y ü k lü b ir atom ik parç^ıcığa doğru fırlatılan ve so n ra y a tam geri d ö n en y a d a aynı y ö n d e devam eden b ir alfa p arça­ cığı b asit örneğine bu nasıl uygulanır? B u rad a sadece b ir doğ­ ru ltu d ak i -alfa parçacığının ilk h arek etin in doğrultusu- m om en­ tum bileşenini alm am ız gerekir; böylece çarpışm ada sağlanm ası gereken iki koşul vardır: m om entum un b u bileşeninin k o ru n u ­ mu ve enerjinin k o ru n um u. A lfa p arçacığının ilk hızı verildiğin­ de, geriye iki bilinm eyen kalır: alfa parçacığının son hızı ve ça r­ pılan atom ik parçacığın geri tepm e hızı. İki koşul ve iki bilinm e­ yenle, bize çarp ışm ad a neler o lduğunu söyleyen tek b ir çözüm bulabiliriz (bak. E k J ) . Bu çözüm, eğer alfa parçacığının k ü tle­ si atom ik p arçacığ ın k inden küçükse, alfa parçacığının geri se-


keceğini; y o k eğer alfa parçacığının kütlesi atom ik parçacığınkin d en büyükse, ileri d o ğ ru olan h arek etin i sürdüreceğini gös­ terir. N e d en i şudur: A lfa parçacığının geriye sekm esi y a d a ile­ riye devam etm esi halleri arasındaki ayrım noktasında, alfa p a r ­ çacığı tam d u rg u n halde bulunm alıdır; dolajnsıyla tüm m om entu m u v e k in etik enerjisi çarpılan atom ik p arçacığ a verilm elidir. M o m en tu m ve k in etik enerji farklı form üllerle verilir (biri, k ü t­ le çarpı hızdır; diğeri, bir-bölü-iki çarpı k ü tle çarpı hızın k a re ­ sidir); böylece çarp ışm ad a alfa parçacığının tam d u rg u n hale geldiği özel d u ru m d a alfa parçacığının çarp m ad an önceki ve atom ik parçacığın da çarp m ad an sonraki m om entum larının ve kinetik enerjilerinin eşit olm ası için, alfa parçacığı v e atom ik parçacığın hem kütleleri ve hem de sırasıyla ilk ve son hızları eşit olm alıdır. G eiger ve M arsden p arçacıkların altın lev h ad an neredeyse tam geriye saçıldıklarını gözlem işti; bu nedenle R uth erford parçacık ların en azından kendileri k ad a r ağır bir p a rç a ­ cığa çarpm ış o ld u k ları so n u cu n a varm ıştı. E lek tro n lar alfa p a r ­ çacık ların d an y ak laşık 8.000 k a t d ah a hafiftir; b u nedenle b ü ­ y ü k açılı saçılm adan sorum lu atom ik parçacık olarak hiç h esa­ ba katılm azlar. A tom un doğası h ak k ın d ak i b u g ü n k ü bilgi birikim im iz n e d e ­ niyle, alfa p arçacık ların ın b ü y ü k açılı saçılm ası problem ini a n ­ latırk en “k artları hileli d izd im ”. A çıkladığım gibi, b u saçılm alar, ato m d an değil de, çok d a h a k ü çü k ve en azından b ir alfa p a rç a ­ cığı k a d a r ağ ır v e 3niklü atom ik p arçacıklarla çarpışm alar n e d e ­ niyle olm alıdır. A yrıca, atom un içinde, elek tro n ların eksi y ü k le ­ rini karşılam ak ü zere bazı a rtı elektrik jm k lerin in y e r alm ası ve ato m u n k ü tlesin d en sorum lu, elek tro n lard an çok d ah a ağ ır b ir şeylerin bulu n m ası gerektiğini görm üştük. N ihayet, L e n a rd ’ın gözlem lerinde g ö rü ld ü ğ ü gibi, k ato t ışın la n gazların içinde b ü ­ y ü k u zak lık lar k a t edebildiklerine göre, atom ların içi ço ğ u n lu k ­ la boş olm alıdır. A tom un, kütlesinin b ü y ü k kısm ını içeren v e a r­ tı y ü k taşıyan k ü çü k b ir m erkezi göbeğe y a d a çekirdeğe sahip olduğunu; b u çekirdeğin eksi elek tro n lu n çekerek kendi e tra ­


fında b ir y ö rü n g e d e tu ttu ğ u n u v arsay m ak tan d a h a doğal n e ola­ bilirdi? S o n u ca bu şekilde ulaşm ak, R u th erfo rd ’u n b ü y ü k açılı saçıl­ mayı kolayca açıkladığı biçim inde tam am ıyla yanıltıcı b ir izleni­ me yol açabilir. O y sa aklından birçok yanlış açıklam a geçmiş olm alıdır. Belki alfa parçacığı tek tek atom lar y a d a atom altı p arçacıklar tarafın d an saçılm ayıp, altın levhanın bü y ü k çe bir kısm ıyla etkileşm elerin bir sonucu olarak saçılır. Belki de alfa parçacığı, atom daki elek tro n lar tarafından, am a gelen alfa p a r­ çacığına doğru aşırı b üyük hızlarla harek et eden elek tro n lar ta ­ rafından saçılıy o rd u n Belki saçılm adan sorum lu kuvvetler, elektriksel çekm e y a da itmeyle ilgili değildir. Belki de atom la­ rın içinde m om entum ve enerji koru n m am ak tad ır. Ve buna benzer şe y le r... R u th erford bu tü r açıklam aları d a b ir a ra ele al­ mış ve so n ra red d etm iş m idir bilm iyoruz. (Bilim adam ları, işle­ mediği anlaşılan düşünceleri yayım lam aktan genellikle k aç ın ır­ lar.) Kesin o larak bildiğimiz, R u th erfo rd ’u n 1911 y ılın a gelindi­ ğinde "atom , çevresi elektronlarla sarılı, küçük, ağır ve artı y ü k ­ lü bir çek ird ek ten o lu şm u ştu r” düşüncesi üzerine yoğunlaşm ış olduğuydu. G eig er şunu hatırlıyor: "191 l ’in b aşların d a b ir gün R utberlorci, belirgin bir neşeyle o d am a gelm iş ve b an a atom un neye benzediğini ve alfa parçacıklarının b ü y ü k sapm alarını n a ­ sıl açıklayacağını artık bildiğini s ö y le m iş ti.R u th e rfo rd , atom çekirdeği d ü şü n cesin e iyice s^ırılmıştı. R u th e rfo rd ’u n sonuçları, 7 M a rt 1911’de M an c h ester Exlebiyat ve Felsefe D e rn eğ i’n d e o k u n an b ir m akaleyle d u y u ru l­ muştu.*’ Ş u m u tlu ra stlan tıy a bakın ki, 1800’lerin ilk y ılla rın d a D alton da ato m ağırlıklarıyla ilgili so n u çlarım b u d ern eğ in b ir to p lan tısın d a su n m uştu. R u th e rfo rd ’un konuşm asının sadece bir özeti g ü n ü m ü ze ulaşm ıştır; fak at 1911 ’de d a h a so n ra P hilosophiccLİ M a g a zin e dergisine

“ (X

v e P P arçacık ların ın M ad d e

T arafın d an Saçılm ası ve A tom un Y a p ısı” başlıklı u z u n b ir m a­ kale yollam ış; o ra d a b u çalışm asını ayrıntılı biçim de an latm ış­ tır. ^ R u th e rfo rd ’u n çalışm asının önem li tarafı, sadece d o ğ ru


d ü şü n cey i -bir atom , y ö rü n g e le rd e d ö n en elek tro n larla sarılı, kü çü k , ağır ve a rtı y ü k lü b ir çe k ird ek ten oluşm uştur- y a k a la ­ mış olm ası değil, fa k at o n u sınam ak için b ir y o l bulm uş olm a­ sıydı. R u th erfo rd u n k u llandığı çözüm lem e, 191 l ’den beri atom la­ rın, çekirdeklerin ve tem el p arçacıkların y ap ıların ın incelenm e­ sinde sayısız kez tek rarlanm ış b ir çözüm lem edir. A tom un do ğ a­ sına ilişkin bir varsayım ı, örneğin R u th e rfo rd ’u n bir elektron b u lu tu y la sarılı k ü çü c ü k artı yü k lü b ir çekirdek biçim indeki varsayım ını sınam ak istediğim izi düşünelim . Bir gökbilim ci G ü ­ neş sistem inin içinden g eçen b ir kuyrukluyıldızın hiperbolik y ö ­ rüngesini nasıl hesaplıyorsa, biz de b u varsayım ı N ew ton m eka­ niğiyle birlikte k u llan arak, atom a doğru fırlatılm ış bir alfa p a r­ çacığının hiperb o lik yörüngesini hesaplayabiliriz.*' K uşkusuz, ato m u n içi görülem ez; dolayısıyla ilginç olan şey, ölçülebilen b ir şeydir: saçılm a açısı, y a n i alfa parçacığının sonsuzdan geldiği ilk d o ğ ru ltu ile çarp ışm adan so n ra te k ra r sonsuza doğru uzak laştı­ ğı d o ğ ru ltu arasındaki açı. N e yazık ki bu saçılm a açısı belirli değildir; alfa parçacığının atom a yaklaştığı çizgiye bağlıdır. Bu bağlılığı vurm a p a ram etresi (yani hiç saptırılm asaydı, alfa p a r­ çacığının çek ird ek m erkezini ıskalayacağı uzaklık) cinsinden ifade etm ek elverişlidir. Ö rn eğ in , artı Z elek tro n ik y ü k lü b ir çe ­ kirdeğe saniyede 2,09 x 10^ m etrelik b ir hızla ve 1,5 x 10““^m et­ relik b ir v u rm a param etresiyle y ak laşan b ir alfa parçacığı için, saçılm a açısı 90° o larak hesaplanabilir. (B öyle hesaplam alarda kullanılan fo rm üller için E kler'e bakınız. B u arada, 90° gibi b ü ­ y ü k b ir saçılm a açısı v eren v u rm a param etresinin, bizim d ah a önce hesapladığım ız k a fa k afay a çarpışm a için en y ak ın y a k la ş­ m a uzakhğıyla a3mı b ü y ü k lü k basam ağında çıkm ası b ir ra stla n ­ tı değildir. B u d u ru m ların h er ikisinde de, alfa parçacığı çe k ir­ değe o k a d a r y ak laşır ki, beışlangıçtaki k in etik enerjisi b ü y ü k öl­ çüde çek ird eğ in elektriksel itm esine k arşı yap ılan işe h arcanır; k i b u d a şiddetle saptırılm ası için gerekli b ir koşuldur.) * 152. sayfadaki d ip n o ta bakınız.


D eneysel verileri çözüm lem ek için, b u tü r hesaplam aların so­ nuçlarım nasıl kullanabiliriz? B ir kere, alfa parçacık ları belirli atom ları h ed ef alm azlar; sadece aşırı sayıda görünm eyen atom içeren b ir lev h ay a d oğru k ö rü k ö rü n e fırlatılırlar. R u th erfo rd ’un b u ld u ğ u yanıt, çözüm lem enin, bilinen b ir v u rm a p a ra ­ m etresiyle b ir atom a doğru y ollanan tek bir alfa parçacığı için saçılm a açısının ölçülm esiyle değil de; rasgele v u rm a p a ra m e t­ releriyle bu y a da şu atom un y a k ın ın d a n geçen birçok alfa p a r­ çacığı için saçılm a açılarının dağılım ını ölçerek istatistiksel ola­ rak yapılm asıdır. Ö rneğin, tüm alfa parçacıklarından en azından belirli bir açıyla, diyelim ki 1°, 90°, 179° y a d a h er kaçsa, saçılmış olanla­ rın oranını ölçm ek isteyelim. Saçılm anın m eydana gelm esi için, v u rm a p aram etresinin belirli bir değerden d a h a küçük olması gerekir; y u k arıd a k i örnekte, alfa parçacığının en azından 90° ile saçılmış olm ası için v u rm a param etresi 1,5 x Z x lO““ m etre ol­ malıydı. E n azından belirli b ir aç ıd a saçılan alfa parçacıklarının oranını h esaplarken h er çekirdek gelen alfa parçacığıyla k a rşıla ­ şan küçük b ir disk olarak düşünülebilir; diskin yarıçapı, böyle b ir saçılm a için en b ü yük v u rm a p aram etresi neyse, o k ad a r ola­ caktır: S adece bu disklerden birine çarp an alfa parçacıkları, bu belirli açıyla ve d a h a b üyük açılarla saçılacaktır. Dolayısıyla, en azından bu belirli açıyla saçılan alfa parçacıklarının oranı, basit­ çe levhanın alanının bu disklerle doldurulm a o ran ın a -bir başka deyişle, levhanın birim alanında bu lu n an ortalam a atom sa3usı çarpı b ir diskin alanı bölü levhanın tüm alanına- eşittir. Bir d airen in alanına ait ünlü form üle göre, h e r b ir diskin ala­ nı, TC ile en azın d an verilen açıyla saçılm a için gereken e n b ü y ü k v u rm a p aram etresin in karesinin çarpım ına eşittir. Bu alan, ilgi­ lendiğimiz saçılm a açısına bağlıdır. Bu, açıkça h erh an g i b ir fi­ ziksel diskin g erçek alanı değildir; fak at çeşitli açılarda saçılm a olasılığını sap tay an tem el niceliktir ve dola 3nsıyla atom un etkin tesir kesiti adını alır. Ç ağdaş fiziğin tem el çabasını b u gibi tesir kesitlerinin ölçülm esi oluşturm aktadır.


ö rn e ğ in , G eig er-M arsd en deneylerinde alfa p a rçac ıH an m n 90°’d en b ü y ü k açılard a saçılm ası için en b ü y ü k vu rm a p a ram et­ resinin 1,5

X

Z

X

10"'* m etre olarak hesaplandığını görm üştük.

( Z ’nin, elektron 3rük birim i cinsinden çekirdeğin y ü k ü olduğu­ n u hatırlajnnız.) D olajnsıyla etkin te sir kesiti JEX (1,5 X Z X 10-“ m)’ = 7 X Z’’ X 10^

olarak b u lunur. A yrıca, levhanın b ir m etrekaresinde bu lu n an altın atom larının sayısını şöyle hesaplarız: TUtının 1,93 x 10'' kg/m* değerin d ek i y o ğ u n lu ğ u n u levhanın 4 x 10"^ m olan kalın­ lığıyla ça rp a ra k levhanın b ir m etrekaresinin kütlesini buluruz; b u n u da bir altın a to m u n u n kütlesine (ki, altının 197 olan atom ağırlığıyla 1,7 x 10“^'' kg olan birim atom ağırlığının çarpım ına eşittir) bölm em iz y e te r. Bu işlem ler şu sayıyı verir: (l,9 5 x 10^kg/m’) x ( 4 x 10-^ m) = 2,3 X 10^“ ato m sayısı/m^

197 X (1,7 X 10' “' kg)

B u n a göre, levhanın h ir m etrekaresinde bizim hayali k ü çü k disklerim izin kapladığı toplam alan, atom ların sayısı olan 2,3 x lO'*" ile h er diskin alanı olan 7 x Z x lO ’" m^’nin çarpım ı, y a n i 1,6 X 10“’ I } m'^'dir; böylece alfa parçacığının b u hayali disklerden birine v u rm a olasılığı ve dolayısıyla en azından 90° (yani 90° ve d a h a b ü y ü k ) açılarla saçılm a olasılığı 1,6 x 10“’ Z ’’dir. (B unun 1 'den çok çok k ü çü k olması, bazı disklerin birbiriyle örtüşm esi olasıhğm ı ihm al edebileceğim izi gösterir.) G eiger ve M arsd e n bu olasılığı 20.000 de 1, y a n i 5 x lO“'’ o larak ölçm üşlerdi; d o la­ yısıy la b u ra d an , çekirdeğin Z elek trik jn ik ü n ü n y ak laşık olarak 5 x 1 0 “"

=180

1,6x10“'

olm ası gerek tiğ i so n u cu n u çıkarm ak olasıdır. B u çok ijn b ir d e ­ ğ er değildir; şim di biliyoruz ki, altın atom unun çekirdeği 79 elek tro n ik birim lik b ir elek trik y ü k ü n e sahiptir. B u n u n la birlik-


te, G eiger ve M arsd en 1909’d a saçılm a olasiLklarm in kesin b ir ö lçü m ü n ü am açlam am ışlard ı zaten; dola 3nsıyla y u k a rıd a k i uyuşm azlıkta şaşılacak b ir y a n y o k tu r. A slında R u th erfo rd 1911 tarihli m akalesinde G eiger ve M a rsd e n ’in k ü ç ü k açdı alfa p arçac ık la n saçılm ası ü zerine olan d ah a kesin verilerini k u llan ­ mış ve altının Z çek irdek 3uikü için bir kez 97 değerini ve b ir b aşk a kez ise 114 değerini bulm uştu. R u th erfo rd çeşitli ele­ m entlerin Z d eğ erlerini h esaplam ak için, d . A. C ro w th e r'in b e ­ ta ışınlarının saçılm ası üzerine olan verilerini de kullanm ıştı. O n u n b u so n u çlan , bugünkü değerlerle karşılaştırm alı biçim de. T ablo 4 .1 'd e görülm ektedir. R u th erfo rd ’un Z sonuçlarının n e ­ den düzenli b ir şekilde hep çok y ü k se k çıktığını bilem iyorum ; fakat bu so n uçlar en azından doğru büyüklük basam ağındaydı1ar ve beklendiği gibi, çekirdek y ü k ü n ü n atom ağırlığıyla o ra n ­ tılı olarak arttığ ın ı gösteriyorlardı. Ç ekirdek y ü k ü n ü n bu k a b a ölçüm lerinden çok d a h a önem li olan, R u th erfo rd ’u n “saçılm aya, ço k küçük, ağ ır ve y ü k lü bir çekirdek y o l a ç m a k tad ır” şeklindeki varsayım ının doğrulanm asıydı. R u th erfo rd belirli bir açıyla saçılm aya yol açan v u rm a p a ­ ram etresini hesaplam ıştı; d ah a so n ra bunun karesini alıp Jt ile çarp arak , bu açıyla veya d ah a b ü y ü k açılarla saçılm a için etkin tesir kesitini vermişti.® Ö rneğin, R u th erfo rd form ülüne göre, en azından 135°’lik açıyla saçılm a etkin tesir kesiti, en azından 90°’lik açıyla saçılm a için olandan 0,00196 çarpanı k a d a r d ah a k ü çü k tü r. G ö rm ü ş olduğum uz gibi, çeşitli açılard a saçılan alla p arçacık ların ın oram , tam olarak bu te sir kesitleri ve levhanın ** V urm a p aram etresi ile saçılm a açısı arasındaki bağıntı için doğru yanıtı bulm a konu­ su n d a R u th erfo rd şanslıydı. G enelde böyle hesaplam alar kuantum m ekaniği yöntem leriyleyapılm aJıdır; çek ird ek fiziğinin tipik enerjileri ve kütleleri için kuantum m ekaniği­ nin sonuçları, R u th erfo rd 'u n yaklaşınu aracılığıyla elde edilebilecek sonuçlardan çok Farklıdır; R u th erfo rd 'u n yak laşım ında saçılan parçacıkların yörüngeleri klasik N ew ton mekaniği ku rallarıy lah esap lanır. Saçılm a problem leri için kuantum yaklaşım ı ile klasik yaklaşım ın tam am ıyla aynı sonucu verdiği sadece b ir tek ö rn ek vardır: uzciklığm k are­ siyle azalan kuvvetler ö rn eğ i... Şans eseri R u th e rfo rd ’un ilgilendiği de, kuşkusuz tam bu örnekti. T h om son'un "üzüm lü k e k ” atom m odeli doğru çıksaydı; o zam an R utherford'unki gibi klasik hesaplam alar tesir kesiti için yanlış sonuçlar verebilirdi ve kuan­ tum m ekaniği gelişinceye değin, G eiger-M arsden deneyinin sonuçlarını yorum lam ak m üm kün olam azdı.


E lektron y ü k birim i cinsinden çekirdek 3âikü Z E lem ent A.lümin^um B akır G üm üş Platin

A to m ağırlığı

R u therford 'un hesapladığı

Bugün bilinen

27 63 108 194

22 42 78 138

13 29 47 78

birim alanındaki atom sayısının çarpım ıyla verilir. 1911 y ılın ­ dan başlayarak, G eiger ve M arsd en alfa parçacık ların ın çeşitli açılard a saçılan o ran larını ölçecek b ir p ro g ram y ü rü ttü le r ve den ey sonuçlarının R u th e rfo rd ’u n kuram sal form ülüyle iyi b ir u y u şm aiçin d e old u ğ u nu 1913’te ra p o r ettiler.® Böylece, R u th erfo rd ’un “elek tro n larla sarılm ış b ir atom çekirdeği” betim lem esi­ nin d o ğ ru lu ğ u artık kesin biçim de saptanm ış oldu.

Atom Numaraları ve Radyoaktif Diziler A tom çekirdeğinin keşfi, derhal çok önem li bir sonuç o rtay a koydu. R u tb erfo rd , bu keşfini du y u ran m akalesinin yay ım lan ­ m asından b irk aç ay sonra, C am bridge e y ap tığ ı b ir ziyarette N iels B ohr ile tan ıştı ve b ir y ıl so n ra B obr M an c h ester’a R u th erfo rd ’u ziyarete geldi. B ohr, çek ird ek etrafın d ak i y ö rü n g elerin d e elek tro n ların dinam iğini ve elektronlar b ir y ö rü n g e d en diğerine geçiş y ap tığ ın d a ışık salınm asını ve soğurulm asını açıklam a problem ini kavram ıştı. O n u n kuram ı, bu kitabın am acı dışında kalan k u an tu m k u ra m ın ın düşüncelerine dayanıy ordu. Bizim şu an d ak i am açlarım ız için sadece bir n o k ta önem lidir: B o h r’u n tü re ttiğ i b ir form ül. B u form ül, b ir ato m u n ijnce içlerdeki y ö ­ rü n g elerin d en b irin e b ir elek tro n girdiği zam an salınan ışık (ge­ nelde X ışını) d alg alarının uzunluğunu, d iğ er bilinen nicelikle­ rin y an ın d a, çekirdeğin elektrik 3 aikü cinsinden veriyordu. D o ­ layısıyla, R u th e rfo rd ’u n atom tem silinde bilinm eyen can alıcı b ir niceliği, y a n i çek irdek y ü k ü n ü ölçm ek için b u X ışınlarm ın dalg a b o y ları kullanılabilirdi.


T am d a bu sıralarda, M a n c h e ste r’d a genç b ir fizikçi, H . G . J . M oseley (1887-1915), ışınları d alg a b o y u n a bağlı olarak sa p tır­ m ak için kırın ım ağı y erin e kristalleri k u llan arak X ışınlarının d alga boyların ın nasıl ölçüleceğini öğreniyordu. B o k r’u n 1913 tarih li makalelerinin® yay ın lan m asın d an sonra, M oseley, elve­ rişli d alga b o y ları bölgesinde X ışınları y ay a n o rta derecede atom ağırlığına sahip b ir dizi elem entin çekirdek y ü k lerin i ölç­ meye koyuldu. M oseley’in 1913’te basılm ış olan'® sonuçları T ablo 4 .2 'd e görülm ektedir. Tablo 4 .2 ’deki listenin göze çarpan birkaç özelliği var. İlkin, çekirdek y ü k leri, y ü zd en in küçük b ir kesri içinde (ki b u n lar d e ­ ney h ataların a y ü k len eb ilir) elektron 3u ik ü n ü n 20, ?, 22, 2 3 , __ 30 gibi b ir tam sayı katıdır. B unun kendisinde şaşılacak b ir şey y o k tu r; çü n k ü çekirdek y ü k ü , atom un içerdiği tam sayıdaki T a b lo 4 . 2 . M o s e le y in a to m n u m a r a la r ı ö lç ü m le ri

Ç e k ir d e k jTükleri E le m e n t

(elek tro n y ü k birim i c in sin d e n )

K alsiyum S k aıiilîy u ın T ita n V an ad y u m K rom M a n g an ez D e m ir K o b alt N ik el B a k ır Ç in k o

20,00 ölçülm edi 21,99 22,96 23,98 24,99 25,99 27,00 28,04 29,01 30,01

A tom ağ ırlığ ı 4 0 ,0 9 44,1 48,1 5 1,06 52,0 54,93 55,86 5 8,97 58,68 6 3,57 6 5 ,3 7

elek tro n u n y ü k ü n ü y o k etm elidir ki atom y ü k sü z olabilsin. B u ­ n u n la b irlikte, y ü k ü n , elek tro n y ü k ü n ü n b ir tam sayı katı olarak çıkm ası, M oseley’in k endi ölçüm lerine ve B ohr k u ra m ın a güve­ nini İ3 nce pekiştirm işti. B eklenm eyen şey, b ir elem entten atom ağırlığınca d a h a b ü ­ y ü k b ir so n rak i elem ente gittiğim izde, çekirdek jrü k ü n ü n b asit­ çe b ir b irim artm asıydı (küçük b ir istisna kobalttır; o da, o n a kom şu olan d em ir ve nikel çekirdeklerinin özellikle kuvveth


H . G. J . M oseley, B alliol-Trinity L ab o ratu v an 'n d a


bağlanm ası göz önüne alındığında anlaşılır). G erçekte, bu d u ­ rum , M o seley ’in kabul ettiği gibi, onun incelediği elem entlerin ötesine de uzanır. E ğ er tüm kim yasal elem entler, hidrojenden başlayarak, 250-252. sayfalardaki tabloda olduğu gibi, artan atom ağırlıklarının b ir dizisi olarak -hidrojen, helyum , lityum , vb.- listelenirse, b u du rum da, M oseley tarafın d an ölçülm üş olan çekirdek y ü k leriy le neredeyse olağanüstü bir uyum içinde, kal­ siyum listede 20 num arada, titan 22 n u m ara d a ve böylece çin­ ko y a k a d a r devam edilirse, o da 30 n u m arad a y e r alır. D ola 3 nsıyla, elem entlerin atom ağırlıklarına göre sıralanm ış listesinde b ir elem entin y erini v eren num ara, b irkaç istisna ile, elektron y ü k birimi cinsinden çekirdeğin elektrik y ü k ü ile aynıdır. Bu n i­ celiğe gün ü m ü zd e atom num arası denm ektedir. Ş urası açıktır ki, çekirdeğe artı y ü k ü n ü v eren p arçacık lar her ne ise; o p a rç a ­ cıklardan d a h a çok içeren atom d a h a ağırdır. A rtık sadece artan atom ağırlıklarına göre sıralanm ış ele­ m entler listesine bakarak, h er elem entin çekirdek y ü k ü nü ve çı­ karsam a ile ato m u n d aki elektron sayısını saptam ak olasıydı. Ö r ­ neğin, alt ın atom ağırlığı en dü şü k 79’uncu elem enttir; b u n a g ö ­ re çekirdeği 79 elektronun y ü k ü n e eşit bir artı y ü k e sahip olm a­ lıdır; bu y ü k ü yo k etm ek için altın atom u 79 elektron içerm eli­ dir. B undan d a önemlisi, artık anlaşılm ıştır ki, D ü n y a ’da b u lu ­ nan özel elem entler kümesi, sonsuz çeşitlilikteki elem entler m e­ nüsü içinden rasgele seçilmiş bir örneklem e olmayıp, esas itiba­ riyle v ar olabilecek tüm elem entleri içine alır. (U ran y u m d an d a ­ ha ağır elem entler b u nun dışındadır; çünkü onların y arı-ö m ü rleri öylesine k ısad ır ki bugüne ulaşam am ışlardır.) E lem entler, ünlü kom edyenler sofrasında anlatılan fıkralar gibidirler. K o­ m edyenlerin arkadaşlarını gü ld ü rm ek için sadece fıkra n u m ara­ larını söylem elerinin yetm esi gibi, kim yacılar da hidrojenle, d e ­ mirle y a d a altın la ilgili tüm özellikleri ak la getirm ek için sadece atom n u m araların ı verm e gereksinim i duyarlar, 1, 26 y a d a 79 gib i... G erçi M oseley zam anında çekirdek yükleri listesinde dört b o şluk vardı, am a y itik elem entlerin keşfiyle artık tüm ü


do ld u ru lm u ştu r. R u th erfo rd ’u n eski çalışm a arkadaşı S oddy’nin yazd ığ ı gibi, "IMoseley sanki elem entlerin sicilini tuttu; öyle ki artık ilk kez başlangıç ve son [elem ent] arasındaki olası ele­ m entlerin sayısını ve bulunm a 3n bekleyen num arayı kesin olarak söyleyebiliyoruz. ’’ Birinci D ü n y a Savaşı sırasında m ilyonlarca trajik ölüm den biri, fizik dü n y asın ı k edere boğan M oseley’in ölüm üydü. Savaş çıktığında, o y ıl A v u straly a’da yapılan B ritanya Birliği to p lan tı­ ların d an aceleyle In g iltere’y e geri dönm üş ve K raliyet M ü h e n ­ disleri’ne iş a re t S ubayı olarak yazılm ıştı. 15 A ğustos’ta G elibo­ lu ’d a yaşam ını y itird i. R u th erfo rd ve M oseley'in çalışm aları me 3rvelerini verm eyi sü rd ü rd ü , S o d d y ’nin 1911’de belirttiği gibi, b ir atom bir alfa parçacığı saldığında, atom ağırlıklarına göre sıralanm ış elem ent­ ler listesinde daim a iki sıra aşağıda b u lu n an elem entin atom una d ö n üşür. A yrıca, Soddy, K. F ajans ve A. S. Russell (hepsi bir süre R u th erfo rd ile çalıştılar) 1913’te b irbirlerinden bağım sız olarak şu n a işaret etm işlerdi: B ir atom b ir b eta parçacığı saldı­ ğında, daim a listede b ir ü st sırad a b u lu n an elem entin atom una d ö n üşür. B u “yerd eğ iştirm e y asa la rı” a rtık M oseley’in keşfettiği atom num arası ve çekirdek y ü k ü arasındaki bağıntı aracılığıyla z a rif b ir biçim de izah ediliyordu. A lfa p arçacıkları +2 elektonik birim lik b ir y ü k taşırlar (d ik k at ederseniz, helyum elem entler listesinin 2 nu m arasm dadır); b u n a göre b ir atom çekirdeği b ir alfa parçacığı saldığı zam an iki birim y ü k yitirm elidir. A yrıca b eta parçacık ları elek tro n lard ır ve doğal o larak —1 elektronik b i­ rim lik b ir eksi 3m ke sahiptirler; dolayısıyla b ir çekirdek b ir b eta parçacığı saldığı zam an, a rtı y ü k ü b ir birim artm alıdır. A lfa p a r ­ çacığı 4 atom ağırlığına sahiptir, oysa b e ta parçacığının atom ağırlığı ihm al edilebilir; böylece b ir alfa parçacığının salınm ası so n u cu n d a o rtay a çıkan izotop, başlangıçtaki izotoptan d ö rt b i­ rim lik d ah a az b ir atom ağırlığına sahip olacak, fakat b ir beta parçacığı salınm ası so nucunda oluşan izotop, başlangıçtaki izo­ to p ile aynı atom ağırlığında kalacaktır. B unların tüm ü oldukça


açık gibi görünebilir; fak at 1913’te çekirdek bilgisi sadece iki yıllıktı ve yerd eğ iştirm e yasaları, alfa ve beta-radyoaktivitesinin çek ird ek ten k ay n aklandığına kanıt olarak gösterilebilirdi. Y erd eğ iştirm e y asaları, M cG ill’d e R u th erfo rd ve S od d y ta ­ rafın d an o k a d a r güçlükle incelenm iş olan k arm aşık ra d y o ak tif dö n ü şü m dizilerini de anlaşılır kılm ıştı. T o ıy u m dizisi için b u ­ nu n nasıl işlediğini görelim . D oğal toryum çoğunlukla uzunöm ürlü

izo to p u ndan o lu şu r ve atom n u m arası 90’d ır (ya­

ni, h idrojen ato m u n d an 232 kez d a h a ağırdır ve 90 elektronik birim lik bir y ü k e sahiptir).

izo to p u n u n bir alfa parçacığı

saldığı (y a n -ö m rü 1,41 x 10'“ yıl) gözlenir; öyleyse bozunum ü rü n ü , 232 —4 = 228 atom ağırlığına ve 90 - 2 = 88 atom n u m a­ ra sın a sah ip olm alıdır. Şim di, 88 radyum un atom num arasıdır; böylece ^’'^Th’u n "'"’R a ’a b o zu nduğu so n ucuna varabiliriz. S o n ­ ra, '^**'Ra'un b ir b e ta parçacığı saldığı (y an -ö m rü 5,77 yıl) göz­ lenir, böylece aynı atom ağırlıklı v e 88 + 1 = 89 atom num aralı b ir atom a dönüşm üş olur. Bu, aktinyum elem entinin atom n u ­ m arasıdır; böylece '^“ R a’un “ A c’a b o zu n d u ğ u n u anlarız. D a h a sonra, ™Ac b ir kez d a b a b eta b o zu n u m u n a (y a n -ö m rü 6,13 sa­ at) u ğ rar; böylece atom num arası te k ra r 90 (to ry u m u n k i) olur; fakat şimdi d a h a h afif

izotopuna sahibiz d em ektir. S onra,

^'**Tb b ir alfa parçacığı salarak (yarı-öm ür 1,913yıl) “ ""Raa d ö ­ n ü şü r. Bu, R u th erfo rd 'u n “toryum X ” adım v erdiği şeydir; şim ­ di a n lan z ki, bu, gerçekte doğal to ry u m u n b ü y ü k -to ru n u d u r. G ene, '*"‘'R a b ir alfa parçacığı salar v e 88 —2 = 86 atom n u m ara­ lı “ °R n'a d ö n ü şü r. Bu ise R u th erfo rd ’u n “to ry u m em anasyon u ”d u r. D ö rt kez alfa bozunum u ve iki kez b e ta b o z u n u m u n ­ d an s o n ra atom nihayet k u rşu n u n en yay g ın izotopu olan 2ospb’a d ö n ü şü r v e radyoaktivitesi a rtık sönm üş olur. T am to r­ y u m v e u ra n y u m dizileri 159. say fad a görülm ektedir. A ğır çe­ k ird ek lerin n ed en bu k arm aşık p arçac ık sahna dizilerine u ğ ra ­ dıklarını b iraz d an ele alacağız. M adem ki daim a tam sayı olan atom num aralarından söz edi­ yoruz, atom ağırlıklarına geri dönm enin ve atom ağırlıklarının d a


ü ç an a rad y o ak tif dizi. Bu grafikler, D ü n y a 'd a b u lu n an üç u zu n öm ürlü radyoaktif izotop (uranyum 238, u ran y um 236 ve to ıy u m 232) ile başlayıp alfa ve b eta bozu­ num larının üç zinciriyle üretilen çekirdek­ leri gösterm ektedir. Y atay ve düşey eksen­ ler, sırasıyla atom num arasını ve atom ağırlığı ile atom num arası arasındaki farkı verm ektedir; bu sayıların toplam ı atom ağırlığım verir. (B enzer şekilde, düşey ek­ sen nötro n sayısını ve y atay eksen proton sayısını verir.) Alfa bozunum ları, sağ-üstten sol-alta doğru giden oklarla; beta b o ­ zunum ları ise, sol-üstten sağ-alta giden ok larla gösteriliyor. Ç ekirdeklerin bazıla­ rı, çekirdek fiziği tarih in in b aşların d a on­ lara verilen adlarla adlandırılm ıştır; örne­ ğin “radyum A ” polonyum 218, “to ıy u m A ' polonyum 216 v e “aktinyum A polon­ y u m 2 15’tir. B u rad a görülen çekirdek zin­ cirlerinin izlediği yollar, çekirdeklerin en d ü şü k iç enerjili “k ararlı v ad i”sinin genel eğilimini belirtir.

H g T l Fb Bi Po At Rn Fr R a A c T h Pa U


n eden basitçe p ro to n ların (ya d a p ro to n ve nötronların) sayısı­ na eşit tam say ılar olduğunu sorm anın tam yeridir. Bu eski so ru ­ y a yan ıtın içeriği, 1905'te A lbert E instein (1879-1956) ta ra fın ­ d an fizik tariflinin en önem li iki m akalesinde verilm iştir." İlk m akale E in stein ’ın Ö zel G örelilik K u ram ı’nı, y a n i u zay ve z a ­ m an h ak k ın d a y e n i bir anlayışı o rtay a koym uştu; ki bu, k itab ı­ mızın alanı d ışındadır, ikinci m akalede Ö zel Görelilik, h a re k e t­ li b ir cisim tarafın d an ışık salınm ası örneğine uygulanm aktaydı. E instein, h arek etli b ir cisim tara fın d an salınan enerjinin, d u r­ gun olduğu zam anki enerjisinden hızının karesiyle orantılı bir m iktar k a d a r d ah a b üyük olduğunu bulm uştu. O n u n y o ru m u şöyleydi; Işığın salınm ası, d u rg u n k en ışık salan bir cisim de ol­ duğu gibi, sadece içsel olarak depolanm ış olan enerjiyi azalt­ maz; ayrıca kütlesini d ü şü re rek cism in kinetik enerjisini de azaltır. (H atırlarsan ız, kinetik enerji, hareketli cismin hem k ü t­ lesiyle hem de hızının karesiyle o rantılıdır.) G enel sonuç, iç enerjideki artm ay a y a da azalm aya, daim a kütlede, aşağıdaki lorm ülle verilen uygun bir değişim in eşlik etm esiydi: îç e n e rjid e k i değişim K ü llcd ek i d eğişim = (İşığ ın hi 2 i)^

Bu, ünlü E = mc^ fo rm ülünün özgün biçim idir. Işığın hızı sırad an birim ler cinsinden çok b üyük b ir sayıdır (saniyede 2,9979 x 10“ m etre); dolayısıyla h er gün karşılaştığı­ mız süreçlerin p ek çoğu için, kütledeki b u değişim ler algılana­ m ayacak k ad ar k ü çü ktür. Ö rneğin, d ah a önce değinildiği gibi, bir kilogram lık doğalgazm y an m ası so n u cu n d a 5 x 1 0 ^ jul açığa çıkar. Isı y itirild ik ten sonra, y an m ad a n a rta kalan ü rü n lerin kütlesinin, b ir kilogram dan 5 x 10'J

(5 X 10’

= 5 ,6 X 10-'" kg

m hy

d ah a az olduğu bulunacaktır; ki bu b ir toz zerresinin k ütlesin­ d en de k ü çü k tü r. E instein radyoaktivitede çok d a h a b ü y ü k


enerjilerin salındığım n ayırdındaydı; ve “enerji içeriği b ü y ü k öl­ çüde değişken olan cisim lerle (örneğin, rad y u m tuzlarıyla) k u ­ ram ın sınanabilm esinin olanaksız olm adığını” düşünüyordu. E instein haklıydı; fak at T hom son ile A ston farklı izotopları ay ırm ay a ve atom ağırlıklarını d o ğ ru olarak ölçm eye b aşlam a­ dan, b u sın am a yapılam azdı. A rtık biliyoruz ki, tam E in stein ’ın k u ra m ın d a ö n g ö rü ld ü ğ ü gibi, iç enerji g erçek ten de kütleye k a t­ k ıd a b u lu n u r. Ö rn eğ in, u ran y u m u n en yaygın izotopu olan ^^®U’un alfa radyoaktivitesinde, çekirdek b aşın a 6,838 x lO"'’ jullük b ir enerji salınır; b u n u n çoğu alfa p arçacığının k in etik e n e r­ jisine gider. E instein form ülüne göre, bo zu n m a ü rü n lerin in k ü t­ lesi, ü rü n le r d u rg u n hale geldiklerinde,

çekirdeğinin k ü tle­

sinden 6,838 X 10-” J /( 2 ,9 9 7 9 x 10“ m / s f = 7,608 x 10 ” kg

k a d a r d a h a az olm alıdır. Bir birim atom ağırlığı 1,66 x 10“^^ki­ logram lık kütleye karşılık gelir*'; dolayısıyla bozunm a ü rü n leri­ nin atom ağırlığı,

çekirdeğininkinden 7,608 X 1 0 '“ kg 1,66

X

= 0 ,0 0 4 6 a k b

lO"'" k g /a k b

k a d a r d a h a az olm alıdır diyerek de ifade edebiliriz b u n u . D o ğ ­ ru lu ğ u n u sınam ak için, ^^U’u n atom ağırlığının 238,0508 o ld u ­ ğ u n a ve 4,0026 atom ağırlıklı b ir alfa parçacığı ile 234,0436 atom ağırlıklı b ir “ “T h çekirdeğine b o zu n d u ğ u n a d ik k at edin. B u d u ru m d a k ü tle kaybı 2 3 8 ,0 5 0 8 - 4,0 0 2 6 - 234,0 4 3 6 = 0,0 0 4 6

o lu r ve E instein fo rm ülünden b eklenen sonuç ile m ükem m el b ir U3m m içindedir. Şim di anlıyoruz ki, b ir elem entin atom ağırlığı, sadece çekir­ değinde içerilen çekirdek parçacıklarının sayısı değildir; ayrıca çekirdeğin iç en erjisinden de b ir k a tk ı ahr. D olayısıyla, atom * B una bir akb (atomik kütle birim i) denir.


ağırlığım a k esin olareik b ir tam sajn olm ası beklenem ez. Atom ağırlığının b ir tam sayı olm am asınm b ir başka nedeni d e şudur: Ç ekirdek, değişik kütleli iki tü r parçacığın farklı oran ların d an oluşm aktadır; başlan g ıçta b u n ların p ro to n la r v e elek tro n la r ol­ duğu sanılıyordu, fak at 1930’larm o rtala rın d an bu y a n a b u çe­ kirdek parçacık ların ın p ro to n la r ve n ö tro n lar olduklarını bili­ yo ru z. B u n u n sayıca d ah a az önem li olduğu so n u n d a o rta y a çı­ kar; h afif çek ird ek ler d ışın d a tü m atom ağırlıklarının tam sayı­ lardan sapm asının b üyük kısmı, iç enerjilere atfedilir, y a p ıtaşla­ rının kütle fark ların a değil. D üşünce çizgim izi tersine çevirebiliriz: Çeşitli izotopların atom kütlelerinden, rad y o ak tif bozu n u m ların d a y a d a d iğer tep ­ kim elerde ne k a d a r enerji salınabileceğini bulabiliriz. 97. say­ fadaki T ablo 3.4 gibi b ir atom ağırlıldarı listesine b ak a rak g ö rü ­ rü z ki, atom ağırlıkları en h afif elem entler için en y ak ın tam sa­ yının biraz ü stü n d ed ir (hidrojen için 1,00793, helyum için 4,0026); k arb o n için tanım nedeniyle tam 1 2 y e eşittir; o rta ağ ır­ lıklı çek ird ek ler için en y ak ın tam sayının biraz altın d ad ır (oksi­ jen için 15,99491, klor için 34,96885, dem ir için 55,9349 vb.) ve sonra d ah a ağ ır elem entler için gene tam sayıların üzerine y ü k ­ selir (radyum için 226,0254, toryum için 232,0382 v b.). B ura­ dan, çek ird ek parçacığı başına iç enerjinin o rta ağırlıklı çek ir­ dekler için dü şü k , am a hem d ah a h afif hem de d a h a ağır çekir­ dekler için b ü y ü k olduğu so n u cu n a varırız. (B unun n eden b ö y ­ le olduğunu d ah a sonra ele alacağız.) Dolayısıyla, o rta ağırlık­ taki çekirdeklerin yaygın izotoplan ra d y o ak tif değildir, çünkü ku rtulunm ası gerek en iç enerji fazlalığına sahip değildirler; h a ­ fif çekird eklerin y ay g ın izotopları d a ra d y o ak tif değildir, çünkü bozunabilecekleri d ah a h afif çekirdekler d ah a b ü y ü k iç enerji fazlalığına sah ip tir. D iğer taraftan, b ü y ü k atom ağırlıklı çek ir­ dekler b o zu n abilecekleri d a h a h afif çekirdeklerden d a h a ço k iç enerji fazlalığına sah ip tirler ve dolajnsyla radyoaktivitede bu enerjiyi salab ilirler ve d e salarlar.


Nötron A tom çekirdeğinin keşfinden so n ra geçen y irm i yıl boyunca, fizikçiler genelde tüm elem entlerin çekirdeklerinin hidrojen çe­ k ird ek leri (so nraları b u n la ra p ro to n ad ı verildi) v e e lek tro n la r­ d a n oluştu k ların ı sandılar. H elyum , A atom ağırlığına ve 2 atom numau-asına sah ip tir, öyleyse o n a 4 — 2 = 2 elektronik birim lik b ir çek ird ek jm k ü v erm ek için, çek ird ek (alfa parçacığı) d ö rt p ro to n v e iki e lek tro n d an oluşm alı diye düşü n ü ld ü . B enzer bi­ çim de, 16 atom ağırlıklı v e 8 atom n u m ara lı oksijen çekirdeği­ nin on altı p ro to n d an ve sekiz elek tro n d an oluştuğu varsa 3ulabilirdi; b u n ların d ö rt alfa parçacığı biçim inde toplanm ış olabile­ cekleri de yaygın b ir düşünceydi. Ve bu şekilde ta en a ğ ır çe k ir­ d eklere k ad a r devam edilirdi; örneğin 238 atom ağırlığına ve 92 ato m n u m arasın a sahip uranyum un, 238 p ro to n d an ve 238 —92 = 146 elek tro n d an oluşm ası gerekiyordu. Ç ek irdeğin g erçek ten nelerden olu ştu ğ u n u bulm ak için, onu p arçalam ak ve nelerin o rtay a çıktığını gö rm ek gerekirdi. B öyle b ir çekirdek p arçalanm ası olayı ilk kez R u th e rfo rd tara fın d an 1917’de M a n c h e ste r’d ay k en başarıldı. R u th erfo rd ’un b ir g ü n geç vahit bir M illi S av unm a B akanlığı A raştırm a K om itesi to p ­ lan tısın a gelip “uğraştığım deneyler atom un y a p a y olarak p a rçalanabileceğini ak la getiriyor; eğer doğruysa, bu b ir savaştan çok am a çok d a h a önem li.”'^ dediği söylenir. R u th erfo rd d a h a önceleri şu n a d ik k a t etm işti: A lfa parçacığı salan rad y u m C ile kaplanm ış b ir m etal kaynak, daim a alfa p a r ­ çacıklarının h av ad ak i m enzilinden d a h a ö tede b u lu n an b ir çin­ ko sü lfü r e k ra n ü zerinde p arıldam alar d o ğ u ra n p a rçac ık la ra y o l açar. R u th erfo rd b u p arıld am alard an sorum lu olan p a rç a ­ cıkların, şim di p ro to n dediğim iz h id ro jen çek ird ek leri olduğu so n u cu n a v arm ıştı. B u n u n la birlikte, b u p ro to n lar, m etal k a y ­ n a k ü zerin d e rasgele bu lu n an ve alfa p arçacık ları ta ra fın d a n çarp ılan h id ro jen ato m ların d an g e ri tepm iş çek ird ek ler m iydi, y o k sa g erçek ten d e h id ro jen d en d a h a ağır elem entlerden v u ru p çıkarılm ış p arçac ık la r m ıydı, b u n u bilm iyordu. O layı incelem ek


için, çok ince b ir g üm üş y a p ra k ile k apatılm ış b ir deliği olan k a ­ vası boşaltılm ış b ir m etal k u tu içine b ir rad 3rum C kaynağı y e r­ leştirdi. G ü m ü ş y a p ra k , alfa p arçac ık la rın ın d ışarı çıkm asına ve çinko sü lfü r e k ra n a çarpm asına izin verm iyor; fak at havayı k u ­ tu n u n d ışın d a tu tu y o rd u . R u th erfo rd , güm üş y a p ra k ile çinko sü ltü r ek ran arasın a çeşitli metal levhalar yerleştirildiği y a da k u tu n u n içine çeşitli gazlar k o n ulduğu zam an p a n ld a m a la n n sayısındaki değişm eyi gözledi. Ç oğunlukla p a n ld a m a la n n m ik­ tarı, levhaların y a d a gazların d u rd u rm a gücüyle o ran tılı olarak azaldı, f^akat k u tu n u n içine kuru havanın girm esine izin veril­ diğinde, p arıld am a m iktarı arttı! Bu deneyi havanın ö b ü r bile­ şenleri -oksijen, azot ve diğerleri- ile tek ra rlay arak anladı ki, olay, radyum C kaynağından çıkan alfa parçacıklarının hava­ daki azo t çekirdekleriyle çarpışm ası so n u cu n d a m eydana gel­ m ektedir. R u th erfo rd ’u n keşlettiği süreç, azo t çekirdeğinin parçalanmasıydı; bu süreçte, bir alfa parçacığı azot çekirdeğinin içine gi­ re r ve b ir p ro to n a v u ru p onu dışarıya çıkarır. B unun d a h a ö n ­ celeri görülm em esinin nedeni çok basittir; A rtı y ü k lü alfa p a r­ çacığı ile ağ ır b ir çek irdek (örneğin, 79 elektronik birim lik artı b ir y ü k e sahip altın çekirdeği) arasındaki elektriksel itme, alfa parçacığının çekirdeğe iyice y ak laşm asın a izin verm eyecek k a­ d a r şiddetlidir. (D a h a önce gördüğüm üz gibi, kafa kafaya ça r­ pışm ada bile, tipik hızlı b ir alfa parçacığı, 79 atom num aralı bir çekirdeğin m erkezine a n c ak 3 x 79 x 10"'^ = 340 x 10~'^metre yaklaşabilir; fak at altın çekirdeğinin sadece 8 x 10“'* m etrelik b ir y arıçap a sahip olduğunu a rtık biliyoruz.) D iğ er tara ftan , azot sadece 7 elek tro n ik birim lik b ir çe k ird ek jn ik ü n e sahiptir; bu nedenle rad y u m C tarafın d an salınan olağanüstü enerjili alfa parçacıkları en azındem çekirdeğe İ3Ûce yaklaşabilir ve a ra d a sı­ ra d a d ışa y a k ın b ir p ro to n a çarpabilirler. Bu denejn h a b e r v e ­ ren 1919 tarih li b ir m akalesinde R u th erfo rd aşağıdaki sonuca varıyordu:


Ş u a n a k ad a r elde edilen sonuçlardan, alfa parçacıklarının azo t atom ları ile çarpışm alarında o rta y a çıkan uzun m en­ zilli atom ların azo t atom ları olm adıklarını, bun ların b ü y ü k olasılıkla hidrojen ato m ları y a d a 2 kütleli atom lar oldukla­ rın ı söylem ekten k açm m ak zo rd u r. E ğ er d u ru m bu ise, hızlı b ir alfa parçacığı ile yak ın çarpışm asında o rtaya çıkan şiddetli k u v vetlerin etkisi a ltın d a az o t a to m u n u n p arçalan ­ dığı ve salıverilen h id ro jen a to m u n u n azot çekirdeğinin b ir y ap ıtaşı old u ğ u so n u cu n a varm ali 3 n z ... Bu sonuçlar b ir b ü tü n o larak şu n u akla getirir: E ğ e r d eney için b en zer enerjili alfa p arçacıkları -ya d a b en zer p arçacıklar- elde v a r olsaydı, d a h a h afif b irço k atom un çekirdek yapısını p arçaların a ayırm ayı bekleyebilirdik.'^ N e yazık ki, azot çekirdeklerinden vurulup çıkarılan protonla­ rın keşfi, çekirdeklerden salınan ve b eta ışınları olarak uzun süre-

R u th erfo rd ’u n çekirdek parçalam a odası; burad a hafif çekirdekler alfa p arçacıkları ile parçalanm ıştı.


den beri gözlenen elektronlarla birlikte, sadece “çekirdekler, pro­ tonlardan ve elektronlardan oluşm aktadır” genel görüşünü doğru­ lam aya vesile oldu. Royal Society’deki ikinci konferansı olan 1920 tarihli ünlü konuşm asında R utherford, yeni atom çekirdeği türle­ ri hakkında isabetli k urgular ortaya koydu; fakat atom çekirdek­ lerini, protonlardan ve elektronlardan m eydana gelmiş yapılar olarak tanımladı.''* R uthetford’u n kurguladığı varsayım sal çekir­ deklerden biri “nö tro n”du; atom ağırlığı 1, elektrik y ü k ü O'dı, fa­ kat gene bir proton ile bir elektronun bileşimi olarak betimlenmişti. Bir ato m d a bazı elektronlar çekirdeğe bağlanırken bazılarının çekirdeğin dışında çok büyük yörüngelerde dolanıyor olması kim­ seye açık görünm üyordu; ancak hiç kim senin çekirdek içindeki parçacıkları ayıran aşırı küçük mesafelerde işleyen kuvvet tü rü ­ nün ne olduğu konusunda bir fikri yoktu. Y üksüz b ir çekirdek parçacığının keşfi, 1932’de C avendish L ab o ratu v an n d a J a m e s C hadw ick (1891-197'4) ta ra lın d a n y a ­ pıldı. C hadw ick M an c h ester’d a R u th erfo rd ’u n öğrencisi olm uş­ tu; R u th e rfo rd 'un 1917-18’d e a z o tu n parçalanm asını keşfetm e­ sinin ard ın d an , onunla, alüm inyum , fosfor ve flor gibi diğer h a­ fif elem entlerin p arçalan m ası ü ze rin e çalışm alar y ap m ıştı. 1932 y e gelindiğinde C hadw ick artık fizik dü n y asın d a tanınan biriydi. Royal S o ciety’nin b ir üyesi, C avendish L aboratuvan ’nın y ö n etim in d e R u th erfo rd ’un yardım cısıydı ve k endi a ra ş­ tırm a program ını y ü rü tü y o rd u . 1932’de C h ad w ick ’in dikkati, Irène ve F rédéric Jo lio t-C u rie ’nin sü rp riz b ir keşfine odaklanmıştı.'® B irkaç yıl önce W. B othe ve H . Becker, ra d y o ak tif polonyum elem entinden çıkan çok hızlı alfa p arçacıklarıyla bom bardım an edild iğinde,/beril­ y u m ve d iğ er h afif elem entlerin oldukça nüfuz edici b ir ışınım y ay d ık ların ı bulm uştu; bu ışınım, d a h a önce R u th etfo rd tarafın ­ dan incelenm iş o lanlara b en zer çekirdek parçalan m aların d a sa­ lınan p ro to n lard a n çok d a h a nüfuz ediciydi. Bu ışınların ilk b a ­ kışta ışık, X ışınları veya gam m a ışınları gibi elektrom anyetik ışınım o ld u k ları düşünülm üştü. D a h a sonra Jo lio t-C u rie le r be-


riljm m dan çıkan bu ışm lann, hidrojeni-bol b ir m addej/e, ö rn e­ ğin parafin e, yöneltildiklerinde, o m ad d ed en p ro to n lar ç ık a r­ d ıklarını gözlem işti. B unun kendisi çok h ay ret verici olm ayabi­ lirdi; fa k at p ro to n ların (b ir m anyetik alan tarafından sap tırıl­ d ık ların d a) m ü th iş hızlı o ldukları anlaşılm ıştı. Jo lio t-C u rie le rin hesapları, b erily u m d an salınan ışınlar gerçek ten elektrom anye­ tik ışınım olsaydı, berilyum çekirdeğinin, başlangıçtaki ışınları d o ğ u ran alfa p arçacık ların ın taşıdığı enerjiden on kez d a h a faz­ la enerji salm ası gerektiğini gösterdi. Jo lio t-C u rie le r b u süreç-


lerde en erjinin k o ru n u m u y asasın ın bozulup bozulm adığı soru­ sunu bile so racak k a d a r ileri gittiler. C h ad w ick berilyum ışınlarını, b u ışın la n p arafin d en b a şk a birçok m ad d ey e de y önelterek, incelem eye başladı. K ısa sü re­ de şunu g ördü; Bu ışınlarla bo m b ard ım an edildiklerinde, h id ­ rojen dışın d ak i çek irdekler d e geri tep erler; fak at h id rojenden çok d a h a d ü şü k b ir hızla h a re k e t ederler. G eri te p e n çe k ird e­ ğin atom ağırlığı a rttık ç a geri tepm e hızlarının azalm a seyri, berilyum ışınının elektrom anyetik ışınım olm ayıp p ro to n u n kütlesine y a k ın kütleli b ir p arçac ık olm ası halinde beklenen se­ yirle tıp atıp aynıydı. Tıpkı alfa parçacıklarıyla çekirdeklerin çarp ışm asın d a olduğu gibi, belirli kütlelere ve belirli hızlara sa­ hip berilyum ışını parçacıklarıyla gerçekleşen kafa kafaya bir çarpışm iida d a iki bilinm eyen vardır: ışın parçacık ların ın son hızı ve o n ların çarp tık ları çekirdeğin geri tepm e hızı. B unları sınırlayan iki de koşul söz kon u su d u r: enerjinin k o ru n u m u ve m om entum un k o runum u. D olayısıyla bilinm eyen hızların her ikisini de çözm ek m ü m k ü n d ü r (Kk J y e b ak ın ). Ö zellikle, ç a r­ pılan çekirdeğin geri tepm e hızının aşağıdaki form ülle verildi­ ği b u lunur:

Ç a rp ıla n ç e k ird e ğ in g e ri tep m e hızı = 2 x

|ş ,n p arçacığ ın ın a lo m ağırlığı p arçacığ ın ın ilk hızı

x Ç e k ird e ğ in a to m ağırlığı + ışın p arçacığ ın ın a to m ağırlığı

Işın parçacığın ilk hızı bilinm iyordu; fakat iki farklı çarpılan çe­ kirdeğin geri tepm e hızlarının oranını alarak onu y o k edebilir ve b u n d an so n ra ışın parçacığının atom ağırlığım bulabilirdiniz. Ö rneğin, C h ad w ick (N o rm an F e a th e r’m verilerini k u llanarak) hidrojen çekirdeklerinin (atom ağırlığı 1) 5,3 x 10^ m /s’lik hızla geri tepm esine neden olan aynı beriİ 3Aim ışınının, azo t çekirde­ ğinin (atom ağırlığı M ) A,7 x 10'^ m /s’lik b ir hızla geri tepm esi­ ne n ed en old u ğ u n u gözlem ledi. Y ukarıdaki form üle göre, ışın parçacığının belirli ilk hızı v e atom ağırlığı için, b u g eri tepm e


hızları, tam o larak ışın parçacığının v e çarpılan çekirdeğin atom ağırlıklarının toplam ı ile ters orantılıdır; dola_yısı_yla 3 ,3 X 10^

14 + ışın p a rç a c ığ ın ın a to m ağırlığı

4 ,7 X 10®

1 + ışın p a rç a c ığ ın ın ato m ağırlığı

yazabiliriz. B unun çözüm ü, y ü k sek enerjili alfa parçacığının beriİ3nım a çarp m asıy la salınan ışın parçacığının atom ağırlığını 1,16 o lara k v erir; çü n k ü bu d u ru m d a eşitliğin sağ tara fı 15,16/2,16 = 7,02 değ erine sahiptir, ki sol tarafın değeri de budu r. N e y a z ık ki, b u ra d a hızlar jnizde onluk b ir hassasiyetten d a h a sağlıklı o larak bilinm iyordu v e b u nedenle C hadw ick an ­ cak, ışın parçacığının kütlesi hidrojen çekirdeğinin, yani p ro to ­ nun, kütlesine çok y ak ın olabilir, so n u cu n a varm ıştı. B erilyum ışını p arçacıklarının bir b a şk a özelliği d a h a baştan belliydi: B u p arçacıkların büyük nüfuz etm e gücü, elektrikçe

C h a d w ic k ’in n ö tro n o dası


3m ksüz o ld u k ları anlam ına gelirdi. (Y üklü p arçacıklar, atom un

içerisindeki elek trik alanları tarafın d an saptırılırlar; elektrikçe juiksüz g am m a ışınlarının, a lfa y a d a b eta ışınlarına göre m üthiş nüfuz edici olm aları b u y ü zd e n d ir.) Bu durum da, atom ağırlığı­ n a ve y ü k sü z o ld u ğ u na bakılarak denebilirdi ki, alfa ışınlarıyla beriİ 3m m d an çık arılan parçacık, tam olarak R u th e rfo rd ’un 1920’deki B akerian K onferansı’n d a kurguladığı bir p ro to n ve b ir elek tro n u n elektrikçe y ü k sü z bileşiğiydi. C hadw ick b u so­ nucu, R us fizikçi P yotr Leonidoviç K apitsa (1894-1984) ta ra ­ fından C av en d ish ’te b ir aray a getirilen fizikçilerin resm i olm a­ y an derneği K apitsa K lüp’te su n m u ştu . C hadw ick bu keşfini b irkaç g ü n so n ra N a ture dergisinde (27 Ş u b at 1932) ve a y n ı 3 1 !, b ir sü re g eçtik ten so n ra d ah a eksiksiz olarak R oyal S o c ie ty Rap o r/arı’n d a y ay ım lam ıştı.“’ Bu son rap o rd a, C hadw ick b u p a r­ çacığı o za m an d an b eri bilinen adıyla adlandırm ıştı: nötron. N ötron, R u th erfo rd için olduğu gibi, C hadw ick için de sad e­ ce bir p ro to n ve b ir elektrondan oluşan b ir bileşikti; kendi başı­ na bir tem el parçacık değil. Bu görüş, kütlesinin d a h a kesin öl­ çüm üyle (berilyum y erin e bordan çıkan n ö tro n lar kullanılarak) pekiştirildi; çünkü bu ölçüm , n ö tro n u n kütlesini, sanki p ro to ­ nun kütlesi ile elek tro nun kütlesinin toplam ından b irazcık d ah a k ü çükm üş gibi gösterm ekteydi. N ötron gerçekten böyle b ir bi­ leşik ise, E in stein ’ın enerji-kütle bağıntısına göre de b u n u n böy­ le olm ası beklenirdi. (Iç enerji v e dola 3nsıyla bileşik b ir sistem in kütlesi, bileşenlerinin kütlesinden az olm alıdır; y o k sa bileşiğin bileşenlerine çözülm esi halinde enerji salım r ve b u nedenle bile­ şik k ararsız o lurdu.) C h adw ick 1932 tarihli m akalesinde çekirdeğin y ap ısın d a nöt­ ro n u n rolü h ak k ın d a tahm inde bulunm am ıştı. B u problem , d ah a 1925-26’d a k u an tu m m ekaniğinin öncülerinden biri olarak ü n ­ lenm iş o lan A hnan kuram cı W e rn e r H eisenberg (1901-1976) ta­ rafından d erhal ele alındı. Z e itsc h rift fü r P h y sik ’deld (Fizik D ergisi) b ir dizi m akalesinde'^ H eisenberg, çekirdeklerin p ro ­ to n lard an ve n ö tro n lard an oluştuğunu ve arasındaki elektron


alışverişiyle b ir arad a tutulduklarını söylüyordu.* Yani b ir n ö t­ ro n elek tro n u n u verip p ro to n haline döner ve b u elektron b ir başk a p ro to n tara fın d an kapılarak b ir nötron olur. B u rad a ener­ ji ve m om entum k a d a r y ü k d e değiş to k u ş edilir ve değiş to ku ş k u v v e ti denen b ir k u v v et o rtay a çıkar. B u n u n la birlikte, n ö tro n H eisen b erg tarafın d an gene de bir p ro to n ve bir elektronun b ir bileşiği o larak d ü şü n ü ldüğü için, so n u çta çekirdek h âlâ p ro to n ­ larla elek tro n lard an yapılm ış gibi görülm ekteydi. Ç ek ird ek lerle ilgili b u görüşe d a h a o dönem de itiraz edilm iş­ ti; itiraz şaşırtıcı b ir k ay n a k ta n gelm işti. 1929’da W alter H eitler (1904-1981) ve G e rh a rd H erzb erg (1904-1999), oksijen ( O 2) ve azot (N 2) gibi iki-atom lu m oleküllerin sp ek tru m u n u n , çe k ir­ d eklerinin içindeki tem el parçacık (o zam an için p ro to n ve elektron o larak d ü şü n ü lü y o rd u ) sayısının tek mi çift rai o ld u ğ u ­ na can alıcı bir biçim de bağlı old u ğ u n a işaret etm işti. A tom lar gibi, m oleküller de sadece belirli kesin enerji d u ru m ların d a b u ­ lu n u rlar ve spek tru m ları, bu enerji d u ru m ları arasındaki geçiş­ lerde ışık salınm ası y a d a soğurulm asıyla m eydana gelir. H e r b ir çekirdeği çift sayıda tem el parçacık içeren iki özdeş çekirdekli bir m olekülde, özdeş-olm ayan çekirdek çiftinde norm al olarak v ar olan m oleküler enerji düzeylerinin y arısı y o k tu r. Ç ek ird ek ­ ler özdeş fak at h er biri tek sayıda p arçacık içeriyorsa, bu kez enerji düzeylerinin d iğer y a n sı y o k tu r. B u k u ra la göre, oksijen çekirdeğinin çift say ıda parçacık içerdiği b ulunm uştu. B unun şaşılacak b ir yanı y o k tu . 16 atom ağırlığı ve 8 atom num arası ile, oksijen çekirdeğinin 16 p ro to n ve 16 —8 = 8 elektrondan oluş­ tu ğ u dü şü n ü lm ü ştü ; ki b u d a toplam olarak 16 + 8 = 24 p a rç a ­ cık, y a n i b ir çift sayı veriyordu. H e itler ve H erzb erg (F. R aset-

* H eisenberg'in dışın d a b aşk a Fizikçiler de o sıralarda, çekirdeğin proton ve n ö tro n la r­ dan oluştu ğ u n u düşünm eye başlam ıştı. “N ü k leer Fiziğin Geçm işine B akış” konulu sem ­ pozyum da, E-milio Segre, b u n lard an D. Iw anenko ve I. E. Tam m adlı R us fizikçilere ve çok kısa, fakat parlak b ir kariyerin ardından gizemli b ir biçim de kaybolan Italyan E ttore JM ajoranaya değinm işti. Segre, Jo lio t-C u rieler tarafın d an berilyum dan çıkan n ü ­ fuz edici ışınım vasıtasıyla d o ğ urulan bızlı pro to n geri tepm elerinin keşfiyle ilgili h ab e­ ri d u y d u ğ u n d a M ajo ran a ile birlikte olduğunu hatırlıyor. M ajo ran a ‘‘Y a a şu aptallara bakın; y ü k sü z p ro to n u keşfettiler, am a bunu hâlâ anlam ıyorlar!” diye söylenm işti.


ti nin ölçüm lerine d ay an arak ) azot çekirdeğinin d e çift sa3 nda p arçacık içerm esi gerektiğini söylediğinde, sürpriz o rtay a çık­ mıştı. Azot, 14 atom ağırlığına ve 7 atom nu m arasın a sahiptir; b u n a göre, çekirdeği sadece proton ve elek tro n lard an oluşm uş­ sa, 14 p ro to n a ve 14 —7 = 7 elek tro n a sahip olm alıdır; ki bu to p ­ lam o larak 14 + 7 = 21 eder; y a n i b ir tek sayıdır -N 2 m olekül sp ek tru m u n d an çık an sonuç ile çelişir! Çözüm , n ö tro n u b ir tem el parçacık olarak kabul etm ekti; a y ­ nı p ro to n ve elektron gibi. Ç ekirdeğin p ro to n lard an v e n ö tro n ­ lardan o lu ştu ğ u varsayılırsa; n ö tro n aşağı y u k arı p ro to n la aynı kütleye sahip o ld uğuna göre, atom ağırlığı (en y ak ın tam sayıya y u v iirlan arak ) n ö tro n larla protonların toplam sayısına; atom num arası d a (çekirdekte te k y ü k lü parçacıklar p ro to n la r oldu­ ğu için) tam p ro to n ların sayısına eşit olur. Y ani proton ve nöt­ ron say ılan şu k u rallarla verilir: P ro to n sayısı = A tom n u m arası

ve N ö tro n sayısı = A tom ¿ığırlığı eksi atom n u m a ra sı

bunların toplamı, atom ağırlığıdır. Dolayısıyla, "'O çekirdeği se­ kiz proton ve sekiz nötron, yani tüm üyle on altı parçacık içerir gene b ir çift sayı. D iğer tarafüın, '“'N yedi proton ve yedi n ö tro n ­ dan oluşm alıdır; toplam ı 7 + 7 = 14 parçacık e d e r -o da bir çift sa­ y ıd ır ve m olekül sp ek trum undan çıkan kan^t ile uyum içindedir. C h adw ick'in bu d ü şüncelerden haberi vardı, fakat bunları çok ciddiye aldığı söylenem ez. 1932 tarihli m akalesinin so n u n a doğru "K uşkusuz, n ö tronu b ir tem el parçacık olarak dü şü n m ek m üm kündür. Bu görüş, ''^N gibi çekirdeklerin istatistiğini izah etm e olanağı dışında, şu a n d a önerilm eye değm ez.” u y arısın d a b u lunuyordu. (C hadw ick b u ra d a istatistik sözcüğünü k u llan ­ mıştı; çü n k ü tek y a d a çift sayıda tem el parçacık içeren çek ir­ dekler arasındaki ayrım , istatistik m ekanikçe o rtay a koyulduğu üzere, b u tü rd e n birçok çekirdeğin davranışım d a saptar.) C hadw ick ve bazı b aşk a fizikçilerin, y e n i tem el p arçacık lar or-


tay a atm a isteksizliğini -yeni bir parçacık düşünm ek yerine, iyi­ ce yerleşm iş fiziksel ilkeleri feda edecek k a d a r güçlü olan b u is­ teksizliği- anlıyorum da, m oleküler sp ek tru m lar so ru n u n a ne­ den böylesine az ilgi gösterdiklerini anlayam ıyorum . B u n u n b ir örneğini bu bölüm de d ab a önce görm üştük; Jo lio t-C u rie le r be­ rilyum ışınlarının d avranışım izab etm ek için y en i b ir y ü k sü z ağ ır p arçacık ö nerm ek y erin e (R u th e rfo rd ’un 1920’lerdeki bağ­ lı elek tro n -p ro to n çifti fikrini bilm iyorlardı), enerjinin k o ru n u m u n d an vazgeçm eye razıydılar. Bir so n ra k i bölüm de n ö trin o v e p o zitro n a geldiğim izde, iki örnek d a h a göreceğiz. N ö tro n u n tem el p arçacık olarak tüm üyle k ab u l edildiği za­ m anı sap tam ak zo rd u r. K abul edilm esini sağlayan şeylerden bi­ ri, nötron kütlesinin d a h a doğru b ir ölçüm üydü. C h ad w ick ve M au rice G o ld h ab er (d .l9 1 1 ),

çekirdeğini (d ö tero n ’u) b ir

pro to n ve b ir n ö tro n a p arçalam ak için gam m a ışınlarını kulla­ narak, 1943’te n ö tro n u n kütlesini b ir p ro to n u n ve bir elektro­ nun k ü tlelerin d en biraz daha b ü y ü k bulm uştu -bir p ro to n elektron bileşiği için beklenebilecek d eğ erd en farklı. (N ö tro n u n kütlesinin, şim di b ir p ro to n u n k in d en 3Üizde 0,138 k a d a r v e p ro ­ ton artı e le k tro n u n k in d e n y ü z d e 0,038 k a d a r d a h a b ü y ü k old u ­ ğu biliniyor.) B elki de en etkili deney, 1936’d a A m erika B irle­ şik D ev letleri’n d e M erle A. T u v e’nin (1901-1982) N . H eydenb erg ve L. R. H a fstad ile birlikte p ro to n ların p ro to n lard a n sa­ çılması ü zerin e y ap tığ ı deneydi.'® H e ise n b erg ’in düşüncelerine göre, p ro to n lar v e n ö tro n la r birbirleri üzerine elek tron değiş tok u şuyla ku v v et uygulayabilirler. F a k a t p ro to n la r elek tro n içerem ezler; dolayısıyla çok d a h a za3u f olan elektriksel itm e k u v v e­ ti dışında, a ra la rın d a k u v v et olm am alıdır. A m a Tuve, H ey d en b erg ve H afstad , b u n u n tersine p ro to n ların b ir hidrojen hedef­ ten (p ro to n lard an ) şiddetli b ir biçim de saçıldıklarm ı buld u lar. Bu, iki p ro to n arasın d aki kuvvetin b ir p ro to n ile b ir n ö tro n a ra ­ sındaki k u v v et k a d a r şiddetli o ld u ğ u n u gösterm işti. O n la rın ­ kiyle aynı say ıd a çıkan b ir m akalede G re g o ry B reit ve E ugene F een b erg , çe k ird ek kuvvetlerinin y ü k te n bağım sız o lduğunu


P ro to n -p ro to n S c i ç ı l ı r i c i d e n e y in d e k u lla n ıla n m ily o n -v o ltlu k V an d e G ra a lF h ız la n d ırıc ı­ sı. S oldan sağ a d o ğ ru g ö rü le n le r: O . D a h i, C . F. B ro w n , L. R. H a fs ta d v e M . A. T uve. Yıl 1935.


M ily o n -v o ltk ık V a n d e G raaH ’ liiz la n d in c isin in all U atınciaki d e n e y o d a sı. K lipsoil b iç i­ m in d e k i te rm in a l iç in e y e rle ş tirilm iş k a y n a k la n b a ş la y a ra k lavandctn b u o d a içine g ire n u z u n cam tü p (ö b ü r re s im d e g ö rü lü y o r) b o y u n c a İn z la n d ın la n p ro to n dem eti, b ir e le k t­ ro m ık n a tıs v a sıta sıy la s a p tırıla ra k p ro to n la rın d ış ın d a k i d iğ e r p a rç a c ık la r a y ık la n ır ve H e y d e n b e rg 'in b a k tığ ı (o r ta d a ) k ü ç ü k saçılm a o d a sın a g e lir.

öne sü rm ü ştü : N ö tro n ve protón ikiz kardeşlerm iş gibi d a v ra ­ n ır.'“’ (B en zer b ir öneri, Physical R e v ie w dergisinin aynı say ı­ sında B. C assen ve E. U. C ondon tara fın d an yapılm ıştı.) N ö tro ­ nun p ro to n d an d a h a az tem el olduğunu varsaym ak artık hiç m üm kün değildi. N ö tron, p ro to n ve elek tro n d an oluşm am ışsa ve çekirdekte b aşk a elek tro n lar y o k sa, o zam an beta-radyoaktivitesinde çe­ k ird ek ler tarafın d an elektron salınm asını nasıl anlayabiliriz? B u n u n y an ıtı, 1933'te, y a n i n ö tro n u n keşfinden b ir y ıl sonra, R o m a’d a E n rico Ferm i (1901-1954) tarafın d an geliştirilen y en i b ir beta-rad y o ak tiv itesi k u ram ın d an geldi.^“ (İlk gönderildiğin­ de, F erm i’nin m akalesinin N a tu re dergisi tara fın d an red d ed ild i­ ğini söylem ek ü zücü.) F e ım i’nin k u ram ın a göre, b eta-rad y o a k ­ tiv itesin d e b ir elek tro n u n salınm ası, tam o larak uyarılm ış bir atom tara fın d an ışık salınm ası gib id ir -ne b eta parçacığı ne de


ışık, salm dığı a n a k a d a r atom un “için d ed ir”- fak at b e ta p arça­ cıklarının salınm asının nedeni elektrom anyetizm a değil z a y ı f et­ kileşim o larak bilinen tam am ıyla yeni b ir ku v v et tü rü d ü r. H oş b ir eğretilem e o larak G eorge G am ow b ir keresinde beta-radyoaktivitesini sabun köpüklerinin şişirilm esine benzetm işti: N asıl köpük, üflenm eden önce k öpük çubuğu içinde değilse, elektron d a salınm adan önce çekirdek içinde değildir. C h ad w ick ’in n ö tro n u keşfetm esi, F erm i’nin beta-radyoaktivitesi kuram ı ve C ockcroft, W alton ve E. O . L aw rence'in hız­ landırıcıları ile birlikte, m odern çek ird ek fiziği dönem ini başlat­ tı. Ç ekirdekle ilgili d ah a sonraki çalışm aların çoğu bu kitabın alanı dışındadır; Fakat çok önceleri R utherford ve S oddy ta ra ­ lından M cG ill’de deneysel olarak incelenen ra d y o ak tif alfa ve b eta bozunum larının anlaşılm asının 1933’ten so n ra nasıl m üm ­ kün o lduğunu görm ek ilginç olabilir. P ro to n ların ve nötronların sayısını k o o rd in atlar o larak boy­ lam ve enlem y erin e kullanarak, tüm elem entlerin tüm izotopla­ rının bir haritasını yaptığım ızı varsayalım ve bu harita üzerinde çekirdek parçacığı başına çekirdek enerjisini gösteren noktaları işaretleyelim . H afif çekirdeklerle başlayarak, h aritad a alt-soldan üst-sağa d oğru köşeden köşeye giden d erin b ir vadi g ö rü ­ rüz. Vadinin tab an ın d aki çekirdekler, p ro to n ve nötron sayılan eşit olan çek irdeklerdir; ^He, 'da, ^Be,

isQ, vb. Ç e­

kirdek kuvvetleri, karm aşık ned en lerd en ötürü, bu çekirdekle­ re özellikle kuvvetli bir bağlanm a ve dola 3 usıyla özellikle düşük bir enerji verirler. Bu vadinin nötronca-zengin tarafın d ak i çe­ kirdekler, nötron ve p ro to n u eşit çekirdeklerden d ah a y ü k sek enerjiye sahiptirler; dolayısıyla bir n ö tro n b ir p ro to n a dönerse, enerji salınacaktır. Y ükü dengelem ek üzere b ir elektron y a p ­ mak için y eterli enerji varsa, o zam an geçişler m ey d an a gelecek ve çekirdek beta-radyoaktivitesi sergileyecektir. Ö rneğin, a t­ m osferim izde kozm ik ışınların o lu ştu rd u ğ u ünlü

izotopu

(sekiz nö tro n , altı p ro ton) nötronca-zengindir; dolayısıyla b ir elektron y a jn n la r ve en yaygın azo t izotopu olan >^N y e (yedi


Ç ekirdek enerjilerinin, çekirdekteki pro to n ve nötron sayılarına göre çizilmiş şem atik görü n ü m ü . Ç o k sıkı bağlı çekirdeklerin ''kararlı vadisi” açıkça görülüyor.

nötron, yedi p ro to n ) g eri döner. N ö tro n u n kendisi de, 15 d a k i­ kalık y a n -ö m iirle b e ta b o zu n u m u n a uğrayıp bir p ro to n a d ö n ü ­ şür; fak at bu, 1948'e k a d a r gözlenm em işti. K ararlı v adinin p ro tonca-zengin tarafının çok ötelerindeki çekirdekler de bir tü r beta b o zu n u m u sergiler; 5. B ölüm ’de b u n a geri döneceğiz. K ararlı vadide d ah a ağ ır elem entlere d o ğ ru gidersek, vadinin sürekli derinleştiğini görürüz; çünkü proton ve n ö tro n sayıları­ nın artm asıyla, çekirdek kuvvetlerinin ned en olduğu çekim de artar. Bu nedenle, hafif elem entlerin çekirdekleri d ah a ciğır çe­ kirdekleri oluşturm ak üzere kaynaşırsa, enerji salınacaktır; bi­ zim G üneşim ize benzeyen yıldızların enerji kaynağı işte b udur. D ah a sonra, y irm id en d ah a fazla p ro to n a sahip olan çekirdekler için, yeni b ir etken işin içine girer. H afif çekirdekler için p ro to n ­ lar arasın d ak i itici elektrik kuvvetleri, n ö tro n lar ve p ro to n lar arasındaki çok şiddetli çekirdek kuvvetlerine göre iyice zayıftır; fakat b ü y ü k çek ird ek ler için elektrik kuvvetleri, çekirdek k u v ­ vetlerinden çok d ah a hızlı bir şekilde birbirlerine eklenerek b ü ­ y ü rle r ve yirm i p ro to n d an d ah a fazla olduklarında önemli hale gelirler. B u olgu iki etkiye sahiptir: K ararlı vadinin tab an ı te k ra r yükselm eye başlar ve vadi, haritanın nötronca-zengin kıyısına d oğru y ö n değiştirir; çünkü çekirdek enerjisinin yükselm esinden sorum lu olan p ro to n ların 3âik ü d ü r. V adinin tab an ı yükselm ekle birlikte jnikselm e çok y av a ştır ve o rta atom ağırlıklı elem entler için, b ir atom ağırlığından dört birim ilerdeki bir diğer atom


ağırlığm a gittiğim izde çok az b ir enerji artışı olur; öyle ki bu ar­ tış, ağır çekirdeğin b ir alfa parçacığı salarak hafif çekirdeğe bozunm asına yetm ez. K u rşu n d an d ah a ağır elem entler için, vadi tabanı çok d a h a hızlı yükselir ve b u ra d a ağır çekirdeklerin alfa parçacıkları salarak fazla y ü k lerinden kurtulm aları için yeterli enerji v ard ır. B ununla birlikte, alfa parçacıklarının salınması, p ro to n lara o ran la nötronların fazla oluşunu değiştirm ez (alfa parçacığı, h er birinden ikişer adet içerir); böylece bir ağır çekir­ dek bir alfa paçacığı salarak d ah a hafif bir çekirdeğe dönüştü­ ğünde, yeni çekirdek, daha ağır çekirdeğe uygun olabilecek bir nötron l’a zlalığm a sahip olacaktır. A tom ağırlığı arttıkça, çekir­ dek enerjileri vadisi, sürekli olarak d ah a büyük nötron fazlalık­ larına doğru döner; dolayısıyla alfa b o zu num unda o rta y a çıkan çekirdekle r beklendiği gibi vadinin nötronca-zengin kıyısında y e r alacaktır. Bir sonraki alfa bozunum undan sonra, a rta kalan çekirdek n ö tro n ca d ah a da zengin hale gelecektir. En sonunda, yeterli sayıda alla bozunum undan sonra (bazen sadece biri gere­ kir) kalan çekirdek vadiılen o denli ötede olacaktır ki, bir elekt­ ron y aratm ak için yeterli enerji m evcut olacak ve çekirdeği vadi tabanına geri döndürecek bir beta bozunum u o rtaya çıkacaktır. Bu durum da, görülen desen, aralara beta bozunum ları serpişti­ rilmiş b ir alla bozunum ları dizisidir; öyle ki alfa bozunum ları çe­ kirdeği vadiye doğru çekerken vadinin nötronca-zengin kıyısına d a geçirebilir; işte o zam an d a b eta bozunum u, çekirdeği vadi ta­ banının y a k ın la rın a geri d ö n d ü rü r. Bu desen, 159. sayfada re­ simlenen radyoaktif dizilerde açıkça görülebilir. R adyoaktivitede salınan enerjinin, çekirdek içine başlangıçta nasıl geldiği so ru su n a şimdi geri dönüyoruz. E vrenin b ir “büyük patlam a" ile başladığına inanılır; bu patlam adan

so n ra özgür

proton ve n ö tro n ların oluşturduğu sıcak ilksel gaz hızla soğum uş ve ilk üç d ak ik an ın so n u n d a b ir aray a gelerek hidrojen ve helyu­ m u oluşturm uştu. H idrojen çekirdekleri, helyum çekirdeklerin­ den çok d a h a b ü y ü k b ir çekirdek-parçacığı-başına-enerjiye sa­ hip tir ve helyum çekirdekleri de, o rta atom ağırlıklı çekirdekler­


den d a h a b ü y ü k b ir çekirdek-parçacığı-başına-enerjiye sahiptir; dola 3 nsıyla y ıldızlar oluşurken, m ilyarlarca yıl bo 3Ainca ışım ala­ rını sağlam aya y etecek k a d a r enerjİ 3Û sala sala, hidrojen çekir­ dekleri helyum çekirdeklerine ve helyum çekirdekleri d e ortaağırlıkh çekirdeklere kaynaşırlar. B ir yıldızın malzemesi, g ide­ rek, çekirdek-parçacığı-başına en d ü şük enerjiye sahip olan d e ­ m ir civarındaki elem entlere k a d a r evrim geçirir. A rtık salm abilecek b aşk a enerji y o k tu r ve jnidız soğum aya başlar. Genelde, yıldız bir kül, bir beyaz cüce olarak sona ulaşır. Bazen de, k a ra r­ sız hale gelip, kütlesel çekim in etkisi altında şiddetle içeriye çö­ k er ve so n ra patlayabilir, gökbilim ciler b u n a süpernova adını v e ­ rir. Böyle b ir patlam a esnasında, yıldızın iç kısım larından çok y o ğ u n b ir n ötron akışı salınır. Bu nötronlar, yıldızın dış ta b a k a ­ larındaki o rta atom ağırlıklı çekirdeklere ça rp arla r ve onları hız­ la, uranyum a k ad ar giden ağır elem entlere d ö nüştürürler. Patla­ y an yıldız kendi dış tabakalarını dağıtır ve b u n lar yıldızlararası ortam ı o luşturm ak üzere uzaklara y a 3nbrlar; bunlardan d a e r geç G üneş gibi, b ir sonraki yıldız nesli m eydana gelir. B una göre, toryum ve u ran y u m gibi doğal ra d y o ak tif elem entlerin içindeki enerji, bu yıldız p atlam alarında salınan n ö tro n lar tarafın d an on­ ların içlerine k o n u lm u ştu r ve bu enerjinin k ö k e n i 3nldız patlam a­ larının enerjisini sağlayan kütlesel çekim kuvvetine dayanır. Son y ıllarda, n ötron, uygulam ada u ğ u rsu z b ir önem kazandı. N ö tro n lar elektrik y ü k ü taşım azlar; bu nedenle çekirdek etrafın­ d a oluşan ve alfa p arçacıklarıyla d iğ er çekirdekleri iten şiddetli elektrik alan ların d an etkilenm ezler. D olayısıyla, R u th etfo rd ’un 1920’deki B akerian K o n fe ra n sın d a işare t ettiği gibi, n ö tro n lar ağır çekirdeklerin içlerine bile kolayca sokulabilir ve çekirdek parçalan m aların a neden olabilirler. N ö tro n ların ağır çekirdekle­ ri fisyona (çek ird ek bölünm esine) uğrattıkları, 1938’d e O tto H a h n (1879-1968) ve F ritz S trassm ann (1902-1980) tarafın d an keşfedildi.^' H e r flsyon bird en fazla n ö tro n üretir, böylece çekir­ dek zincir tepkim esi m üm k ü n olur. B u k eşif ile birlikte nasıl y a ­ şayacağım ızı öğrenebilecek miyiz? H e n ü z b u belli değil!


Notlar

1. E. R utherford an d F . Soddy, "The C ause an d N a tu re o f R adioactivity” Philosophi­ cal M a g a z in e Scries 6, 4 (1903), 561, 576. 2. E. R utherford and F. Soddy, "R adioactive C h an g e” Philosophical M agazine Series 6, 5 (1904), 576. 3. H. Geiger, "O n a Difi'use Reflection o f the (X-Particles”, Proceedings o f th e R oyal S o ciety N&2 (1909) 445. 4. E. N. dii Costa A ndrade tarafından alıntı, R utherford and the N atu re o f the A tom (D ouhlcday, G ard en City, N. Y. 1964). 5. A yn i eser.. 6. E. R utherford, "T he S cattering of (X and ß Rays and th e S tru c tu re o f the Atom ”, Proceedings o f the M anchester L iterary ¿ind Philosophical S o ciety W , 55 (1911) 18. 7. E. R utherford, "T he Scattering oi Otand ß Particles by M a tte ra n d th e S tru c tu re o f the A to m ”, Philosophical M agazine Series 6, 21 (1911), 669. 8 . 11. G eiger an d E. M arsden, "The Laws o f D eflection o f a Particles through Large Angles”, P h iJ o s o p h ic a l M a g a z in e Series 6, 25 (1913), 604. 9. N. Bohr, " O n th e C onstitution ol Atom s and M olecules”, Philosophical M agazine Scries 6, 26 (1913), i, 476, 857. 10. II. (j. iJ. Moseley, " 4’hc H igh-Frequency Spectrum of E lem ents”, Philosophical M agazitw Series G. 26 (1913), 257. 11. A. Einstein, 'Z u r Ivlectrodynamih bew egter K örper”, Annalen der Physik 17 (1905), 891; "Ist die Trägheit eines K örpers von seinem E nergtcinhall ab h än g ig ?” ¿tyni eser 18 (1905), 639. 12. N. F eather taiafm dan alıntı, Lord R uth erford (P rio iy Press, 1973). 13. K. R iilherlord, "Collision of Ct P aiiieles w ith Light Atoms IV. An A nom alous Effect in N itrogen'', Philosophical M agazine Scries 6, 37 (1919), 581. 14. E. Rulherforcl, "N u clear C onstitution o f A tom s'’, Proceedings o f th e R oyal S ociety A 97 (1 9 2 0 )3 7 4 . 15. I. C urie and F. .^luliot, C om pics R em his Acad. Sei. Paris 194 (1932), 273. 16. J . C hadw ick, "T he E xistence o f a N eu tro n ”, Proceedings o f the R oyal S ociety A \ 56 (1932), 692. 17. W. H eisenberg, "Atom Ç ekirdeğinin Y apısı” Zweitschrift fü r P hysik 77 (1932), 1; 78 (1932), 156: 80 (1932), 587. 18. M. A. T uve, N. H ey d en b erg an d L. R. H afstad, "The S cattering o f P ro to n s by Protons", Physical R eview 50 (1936), 806. A y n ca bakınız: G. Breit, E. U. C ondon an d R. D. Present, "T h eoiy o f S cattering o f P rotons by P ro to n s”, aynı eser 50 (1936), 825. 19. G. Breit a n d E. Feenberg, "The P ossibility o f the Sam e Form o f Specific Interac­ tions for all N u clear P articles”, Physical R eview BO (1936) 850. 20. E. Ferm i, "V ersuch ein er Theorie der ß-Strahlen", Z eitsch rift für P hysik 88 (1934), 161. 19. O . H ahn and F. S trassm ann, "U b er den N achw eis und das V erhalten d e r bei der B estrahlung d es U rans m ittels N eu tro n en entstehenden E rdalkalim etalle”, Die Naturwissenschaften 27 (1939), 11.


V. Bölüm

Başka Parçacıklar

T

em el parçacık ların listesi, olağan atom ları o lu ştu ran elektron, p ro to n ve n ö tro n la sınırlı değildir. Son söz olarak, 3Ü rm inciyüz 3 ^ılın başından kitabım ızın y a y ın la n ­

dığı gü n e k a d a r keşfedilm iş olan d iğ er parçacıkları d a hızla g ö z­ den geçireceğim .

Fotonlar A lbert Einstein 1905’te. Ö zel Görelilik K uram ı’nı geliştirdiği annus mirabilis’te*, bazı am açlar için, ışığın (daha sonra foton adı verilen) parçacıklardan oluştuğunun düşünülebileceğini öne sür­ m üştü. F o to n lan n varlığı, deneysel olarak 1914-163nllan arasında M illikan’ın fotoelektrik etki üzerine yaptığı çalışm alannm sonuçO lağ an ü stü yıl


lanyla, 1922-23'te A rthur H olly C om pton (1892-1962) tarafından X ışınlarının elektronlar üzerinden saçılması çalışm alarıyla ve o zam andan b u y a n a pek çok sayıda değişik olayla doğrulandı. Fo­ tonlar sıfır kütle ve sıfır elektrik y üküne sahiptirler ve daim a ışık hızıyla giderler; dolayısıyla atom ların içinde bulunam azlar.

Nötrinolar C h ad w ick 1914’te rad y o ak tif b ir çekirdeğin b e ta b ozunu­ m u n d a salınan elek tronun (alfa parçacığı y a d a g am m a ışını gi­ bi) belirli b ir k in etik enerjiyle çıkm adığını, tersin e sıfırdan ana çekirdeğe özgü b ir en y ü k sek değere k ad a r u za n an sü rek li b ir enerjiler sp ek tru m u ile salındığını gözlem işti. Bu çok şaşırtıcıy­ dı; çü n k ü elektron enerjisinin, bozunan çekirdek ile ü rü n çek ir­ değin enerjileri arasındaki fa rk a eşit olm ası ve h er özel radyo­ ak tif elem ent için sabit b ir değer alm ası bekleniyordu. Bu ener­ jinin, elek tro n ile sap tanam ayan bir gam m a ışını a ra sın d a p ay ­ laşılmış olabileceği olasılık içindeydi. E ğer bu böyleyse, salınan toplam enerji, b eta elektronlarının e n 3iüksek enerjisine eşit ol­ malıdır; çü n k ü bu en y ü k sek enerji, gam m a ışınının ihm al edile­ bilir bir enerji kazandığı beta bozunum u süreçlerindeki elek tro ­ nun sahip olduğu enerjidir. B ununla birlikte, I9 2 7 ’d e C. D . El­ lis ve W. A. W ooster b eta-rad y o ak tif radyum Fv ('‘'“Bi) çekirde­ ği örn eğ in d e o rtay a çıkan toplam ısı enerjisini ölçtüler ve çekir­ dek başın a salınan enerjinin, b eta elektronlarının gözlenen en y ü k sek enerjisine eşit olm adığım , fakat b u n u n y e rin e onların o rta la m a en e rjisin e eşit o ld u ğ u n u b u ld u la r. Bu so n u cu n 1930'da L. M eitn er ve W . O rth m an n tarafından doğ ru lan m a­ sından sonra, o rta d a b ir sıkıntının olduğu iyice açıklık kazandı. Koca N iels Bohr, beta-radyoaktivitesi sürecinin, enerjinin koru n u m u n a uyup uym adığı k o n u su n d a k u şk u y a düşm üştü. D o ğ ­ ru çözüm, köklü olm aktan uzaktı. W olfgang Pauli (1900-1958) ark ad aşların a 1930’d a yazdığı mektuplarda** şunu öneriyordu: ® Bu m ektuplardan, radyoaktivite konusundaki b ir uluslararası konferansa katılaniara yazılm ış b ir tanesi, "Sayın R adyoaktif B ayanlar ve Baylar" diye başlıyor.


B eta b o zu n u m u n d a elek tro n u n y an ın d a b ir b a şk a p arçacık d a salınır ve elek tro n çıkan enerjİ 3n o n u n la bölüşür; b u p arçae ık (elektrikçe y ü k sü z olm akla birlikte) b ir gam m a ışını olm ayıp öylesine n ü fu z edicidir k i E llis-W ooster deneyi gibi deneylerde enerjisi ısıya dönüşm ez. 1932’de n ö tro n u n keşfinden sonra, Pauli’nin varsayım sal parçacığı, nötrino, y a n i “kü çü k n ö tr p a rç a ­ cık ” o larak anılır hale geldi. N ö trino, F erm i’nin 1933 tarih li beta-radyoaktivitesi k u ram ı­ na dahil edildi; bu k u ra m d a tem el süreç şuydu: B ir çekirdeğin içinde (ya d a dışında) b ir n ö tro n kendiliğinden bir proton, b ir elektron ve b ir n ö trin o y a dö n ü şü r. (K esin söylem ek gerekirse, böyle bir beta b o zu n u m u n d a salınan y en i parçacık, d a h a sonra k arşıtn ö trin o o larak isim lendirilen p arçacıktır. K arşıtparçacık1ar aşağ ıd a tartışılm a k ta d ır.) F erm i k u ram ın ın ö n g ö rd ü ğ ü elek tro n enerjileri dağılım ı ile deneysel o larak gözlenen dağılı­ mın karşılaştırılm ası, n ö trin o kütlesinin çok k ü çü k (elek tro n kütlesinden aşırı d erecede k ü çü k ) olm ası gerektiği so n u cu n a g ö tü rd ü bizi. B ugün n ö trin o kütlesinin, lO”'* elektron kütlesin­ den d a h a b ü y ü k olm adığı biliniyor. (Bu sınır değerin y a n s ı kadarlık b ir k ü tleye sahip olabileceğine d air belirtiler var. A yrıca bugün n ö trin o ların en az üç farklı tü rd e o rtay a çıktıklarına in a­ nılıyor; b u n ların bazıları b u n d an d ah a ağır olabilir.) A y rıca F erm i kuram ı, nötrinoların m adde içinde soğurulm a tesir kesitini hesaplam ayı d a m üm kün kıldı. Tem el etkileşim in çok zay ıf olm ası nedeniyle, tesir kesiti öylesine küçük çık ar ki, beta-rad y o ak tiv itesin d e sah n a n n ö trin o ların tipik enerjisine sa­ hip b ir nötrino, ışık y ılları kalınlığındaki k u rşu n u soğurulm adan geçebilir. B u nedenle, E llis-W ooster deneyinde ölçülen ısı enerjisine k atk ı y ap m am a la rın a şaşm am alıyız. N ö trin o ları sap ­ tam ak aşırı d ereced e zo rd u r; fa k at n ü k leer reak tö rlerd e (çekir­ dek p arçalan m asın d a n ötronca-zengin ü rü n lerin b eta b o zu n u ­ m u aracılığıyla) a ş ın derecede çok sa 3n d a s^dınırlar. G erçek ten de en so n u n d a 1955'te S avannah R iver re a k tö rü n d e C lyde L. C ow an J r . ve F red e rick R eines tara fın d an gözlenm işlerdir. B u­


günlerde, b ü jü k hızlandırıcılarda üretilen parçacıkların bozu­ num ların d an m uazzam sa_yıda nötrino elde edilm ektedir v e nötrino etkileşim leri, hem kuram sal hem d e deneysel olarak yaygın biçim de çalışılm aktadır. N ö trin o lar Evrenim izin en yaygın sa­ hipleridir; kozm ik n ö trin o lar asla gözlenem em iş olsalar da, b ü ­ y ü k p atlam ad an artak alan fotonlar k ad a r çok old u k ların a ve proton ile n ö tro n lard an 10’- 1 0 '“ kez d ah a fazla o ld u k ların a ina­ nılm aktadır. B ununla birlikte, sıradan m addenin atom larıyla öylesine aşırı derecede zayıf etkileşirler ki, yak alan ıp onların içinde tu tulm aları söz konusu olam az.

Pozitronlar C am bridge'den kuram sal fizikçi Paul A ndrien M aurice D irac (1902-1984) 1920'lerin sonlarına d oğru ku an tu m m ekaniğinin özel görelilikle uyum lu biçim ini geliştirm eye girişm işti. Bu çalış­ ma esnasında, bir tek elektronu tanım lam ak için önerdiği denk-

1931 tarihli b u sis odası fotoğrafi, kaydedilm iş ilk pozitron izini gösteriyor.


lemin eksi enerjili çözüm lere sahip olduğunu gösteren h ay ret v e ­ rici b ir so n u çla karşılaştı. T üm e lek tro n lan n neden b u eksi en e r­ jili k o n u m lara çökm ediğini izah etm ek için, 1930’d a eksi en erji­ li konum ların norm alde zaten dolu olduklarını ve b u nedenle atom da dış elek tro n la n n d ah a d ü şü k enerjili iç y ö rü n g elere d ü ş ­ m elerini önleyen (Pauli dışarlam a ilkesi olarak bilinen) aym k u ­ ral uyarın ca d ah a fazla elektron kabul edem ediklerini ileri s ü r­ dü. A ncak b irkaç eksi enerjili konum boş olabilirdi ve eksi en e r­ jili eksi y ü k lü parçacıkların denizinde b u boş konum lar (b u n la­ ra d eşik de d en ir), artı enerjili ve artı y ü k lü p arçacıklar olarak gö rünürlerdi. Y eni p arçacık önerm ekten kaçınm anın neredeyse bilimsel davranış k uralı sayılm asının etkisi altında, D irac ilk ö n ­ ce bu deşiklerin p ro to n larla özdeşleştirilebileceğini düşündü. F ak at H erm an W eyl deşikler ve elektronlar arasın d a b ir sim et­ rinin varlığına işaret edince D irac, deşiklerin elektronlarla tam olarak aynı kütleyi taşım aları gerektiği sonucuna ulaştı. 1932’de A m erikalı deneyci C ari A n d e rso n ’un (1905-1991) m anyetik alan içinde elektron izleri k a d a r çok fakat zıt y ö n d e kozm ik-ışm parçacıkları izleri gözlem esiyle de, b u öngörü beklenm edik b ir biçim de d oğrulandı. P ozitron olarak adlandırılan bu parçacıkla­ rın elek tro n larla aym kütleye sahip oldukları ve zıt elektrik y ü ­ kü taşıdıkları b ü y ü k b ir kesinlikle bilinm ektedir. Şu a n d a E v re­ nim izde çok az m ik tard a bulunuyorlar; ancak kozm ik ışınlar ve sü p ern o v alar gibi şiddetli astrofıziksel olaylarda ve protoncazengin b ir çekirdeğin içinde b ir p rotonun bir n ö tro n a d ö n ü şm e­ siyle oluşan en d er b eta b ozunum u sürecinde y aratılırlar. Ç arp ı­ şan b ir p ozitron ve b ir elektron b ü y ü k olasılıkla birbirlerini y o k ed erler ve b ir ışınım çakm ası v ererek kütlelerindeki enerjiyi u za k la ra taşırlar; dolayısıyla p o zitro n lar sıradan m adde içerisin­ de asla bulunm azlar.

Diğer Karşıtparçacıklar P o zitro n u n keşfinden sonra, h er tü r parçacığa, aynı kütleli fak at elek trik jn ik ü ve b e n z e r k o ru n a n nicelikleri zıt değerli b ir


'■

in - ^ ) ( U )

i [

^ ^ y ı \

i \

/ f

M

\^ -> y V

„ .

/

i

/

/

J ‘ ! /

/

I i

I

I C J e k t r o n - p o z i t r o n ç i f t i y a r a t ı l m a s ı . Yukardan g^iren bir gamma ışını, bir atomik elekt­ rondan saçılıp enerjisinin bir kısmını yitirerek enerjili bir geri tepen elektron ve bir eiektron-pozitron çifti yaratır. Sis odası kuvvetli bir manyetik alan içine yerleştirildiğin­ den, elektron ve pozitron izleri kıvrılırlar. Kıvrılma yönleri, parçacıkların yüklerinin işaretlerini açığa vurur.


karşıtp arçacığ ın karşılık geleceği açık hale gelm işti. B u y o ru m ­ d a esas öğe, k arşıtp arçacık larm genelde eksi-enerjili p arçacık lar denizinde d eşik ler o larak ele alınam ayacağının gösterilm esiydi. 1934’te Pauli ve V ictor F. W eiskopf gösterdi ki, k ararlı b ir eksi-enerji denizi olu ştu rm ayan p arçacık lar d a karşıtp arçacık lara sahiptir. (B u n u n la birlikte, birçok fizik ders k itab ın d a deşik kavram ı u zu n boylu anlatılır.) P ozitron, elek tro n u n k arşıtp arçacığıdır; n ötronca-zengin çekirdeklerin b eta b o zu n u m u n d a elektronla birlikte y ay ın lan an k arşıtn ö trin o , nö trin o n u n karşıtp arçacığıdır ve nötrin o protonca-zengin çekirdeklerin b eta b o ­ zu n u m u n d a p ozitronla birlikte yayınlanır. E lek trik y ü k ü olm a­ y an foton, kendisinin k arşıtparçacığıdır. 1955'te O w en C ham ­ berlain (d. 1920) ve Em ilio G ino Segrb (1905-1989), Clyde W i­ egand ve Tom Y psilantis ile birlikte B erkeley'deki B evatron bızlandırıcısm da k a rşıtp ro to n la n y aratm ay ı başardılar. K arşıtm adde, pozitron b u lutuyla sarılm ış k arşıtp ro to n ve k arşıtn ö tro n lard an y ap ılm ış k arşıtçek ird ek lerd en oluşm aktadır. E vren in gözlenen kısm ının h içb ir y erin d e hatırı sayılır m ik tard a karşıtm adde o lduğu san d m am aktadır.

Müonlar ve Pionlar Ç ek ird ek k u v v etlerin in e lek tro n alışverişinden k a y n a k la n ­ dığı d ü şü n cesi ç ö k tü k te n sonra, şu problem o rta d a kalm ıştı; Ö y ley se ç e k ird ek k u vvetini d o ğ u ran n ed ir? Ç ek ird ek p a rç a ­ cık ların ın ça rp ışm a sın d a değiş to k u ş edilen m om entum ve en erji b ir b a ş k a p arçac ık ta ra fın d a n taşın ab ilir m i? 1935 y ılın ­ d a J a p o n k u ra m c ı H id ek ei Y u k a w a (1907-1981), h erh an g i b ir k u v v e tin m enzili ile b u k uvveti d o ğ u ra n değiş to k u ş p a r ç a ­ cığının k ü tlesi a ra sın d a b asit b ir bağ ın tın ın v a r o ld u ğ u n u a n ­ lam ıştı: D a h a ö tesin d e k u v v etin hızla sıfıra d ü ştü ğ ü k a ra k te ­ ristik b ir m esafe v ard ır; b u m esafe, k u v v eti d o ğ u ran değiş to ­ k u ş p arçacığ ın ın k ü tlesiy le te rs o ran tılıd ır. E lek tro m an y e tiz­ m ad a değiş to k u ş p arçacığ ı sıfır k ütleli fo to n d u r; dolayısıyla k u v v etin m enzili so n su zd u r. Y ani, ne k a d a r u zak o lu rsa olsun,


k u v v et sadece u zaklığın karesiyle azalır. E le k tro n değiş to k u şu için k u v v etin m enzili y ak laşık 10

m etred ir, eğ er çe k ird ek

k u v v eti için g erçek m ek an izm a e le k tro n değiş to k u şu olsaydı, ato m çe k ird ek leri bu b ü y ü k lü k te o lu rd u . G erçek te atom çe­ k ird e k le ri (G eig er ve M a rsd e n ’ın y ap tığ ı tü rd e n deneylerle gö sterild iğ i gibi) b u n d a n y ü zlerce kez d a h a k ü ç ü k tü r; böylece bu, ç e k ird ek k u v v etlerin in e le k tro n değiş tokuşu k u ra m ın a k a rşı b ir d iğ er işa re ttir. Y u k a w a ele k tro n u n k ü tlesin d en y ü z ­ lerce kez d a h a b ü y ü k kütleli yeni b ir p a rç a c ık ö n erm e y ü re k ­ liliğini g ö sterd i; b u p arçacığ ın değiş to k u şu , gözlenen ç e k ir­ d ek b o y u tu basam ağ ında, y a n i 10 '®m etre k a d a r m enzilli b ir k u v v e t d o ğ u ru r. Bu p arçacığ ın k ü tlece elek tro n ve p ro to n a r a ­ sın d a olm ası nedeniyle, o n a (Y u n a n ca m eso, y a n i “o r ta ” an la­ m ın d a) m e zo n denildi. S adece iki y ıl sonra, 1937’de, S. H. N ed d erm ey er ve C. D. A n d erso n ile C. E. Stevenson ve J . C. S treet tara fın d an y ap ılan sis odası d en eylerinde kozm ik ışınların içinde kütlesi 200 elekt­ ro n kütlesi k ad a r olan b ir p arçacık bulundu. O günlerde b unun, Y u k a w a tara fın d an öngörülen m ezon olduğu varsa 3 uldı. B u ­ n u n la birlikte, 1945’te (İtaly a h âlâ A lm an idaresi altındayken)


M . C onversi, E. P ancini v e O . Piccioni ta ra fm d a a y ap ılan b ir deney, kozm ik ışınlarda baskın olan m ezonların n ö tro n ve p ro ­ to n larla zay ıf -çekirdek kuvvetiyle ilgili m ekanizm ayı sağlaya­ m ayacak k a d a r zayıf- biçim de etkileştiğini gösterdi. Bu bilm e­ ce, (bağım sız o larak A m erikada R. E. M a rsh a k v e H . A. Betbe, J a p o n y a ’d a S. S ak ata ve T. Inoue tarafın d an önerilen ve d ah a sonra İn g iltere’de C. M. G. Lattes, C. P. S. O cchialini ve C. F. Powell tarafın d an deneyle do ğ ru lan an ) aslında kütleleri çok az farklı iki ayrı tü r m ezon v ard ır biçim indeki öneriyle açıklık k a ­ zandı. G ü n ü m ü zd e pi m ezon y a da pion denen d ah a ağırca ola­ nı, proton ve nötro n larla kuvvetli etkileşim lere g ire r ve Y ukaw a ’nin sezinlediği gibi çekirdek kuvvetine k a tk ıd a bulunur; m üon adı verilen d ah a hatifçe m ezon ise sadece zayıf ve elekt­ rom anyetik etkileşim lere sahiptir ve Y ukaw a k uram ıyla hiçbir ilgisi y o k tu r. Pi m ezonların ü ç çeşidi vardır: Eksi y ü k lü ve elektrondan 273,1232 kez d a h a ağır olan b ir pi mezon, onunla tam am ıyla a y ­ nı kütleye sahip artı y ü k lü karşıIparçacığı ve karşıtparçacığı kendisi olan elek tro n d an 264,1129 kez d ah a ağır y ü k sü z pion. Bu üçlü, p ro to n -n ö tro n İkilisi gibi aynı biçim de b ir aile oluştu­ rur; p ro to n la r ve n ö tro n lar arasın d ak i çekirdek k uvvetinin si­ m etrisi aile bağlılığını gerekli kılar. M ü o n lar ise iki çeşittir: E lek tro n d an 206,7686 kez ağır eksi y ü k lü b ir p arçac ık ve onun aynı kütleli artı y ü k lü karşıtparçacığı. M üon ve karşıtm üon, elektron ve p o zitro n u n şişko kardeşleri gibi görünm ektedirler: A raların d ak i tek fark, g ö rü n ü şte sadece kütledir. Pionların ve m üonların tüm ü kararsızdır: Y üklü pion ve karşıtpion, 2,603 X lO“** saniyelik b ir ortalam a öm ürle sırasıyla b ir m üon artı k arşıtn ö trin o y a ve b ir karşıtm üon artı nötrinoya; y ü k sü z pion ise 0,8 x 10”'®saniyelik b ir ortalam a ö m ü r ile iki fo­ to n a b o zu n u r. M ü o n (karşıtm üon), 2,19712 x lO"® saniyelik b ir ortalam a öm ürle b ir elektron (pozitron), artı bir nötrino-karşıtnötrino çiftine bo zu n ur. D eniz düze 3Öndeki kozm ik ışınlarda baskın olan m üonlar, d a h a ziyade y ü k sek lerd ek i h av a m olekül-


19^7'de bir pionun ilk resimlerinden biri. Sol altta durdurulan bir pion, sağa doğru gi­ den bir müon salarak bozunmaktadır.

lerinin çekirdekleriyle kozm ik ışınların çarpışm aları so n u cu n d a üretilm iştir. Pionlar, p ro to n lar ve nötronlar, kuvvetli çekirdek etkileşim ­ leriyle ay ırt edilen ve hadronlar olarak bilinen parçacık lar sını­ fına girerler. M üonlar, elek tro n lar ve n ötrinolar ise, leptonlar adı verilen sınıfa aittir; b u n la r kuvvetli etkileşim lere sahip olm a­ yıp, old u k ça tek d ü ze zayıf (beta bozunum u gibi) ve elek tro ­ m an y etik etkileşim lere sah ip tirler. (B ir d iğ er lepton, tau, S L A C ’d a (S tan fo rd L ineer H ızlandırıcı M erk ezi) geçtiğim iz y ılla rd a keşfed ilm iştir.) B ilindiği k a d a rıy la , 1 9 3 0 la rd a ve 1940'larda b irço k karışıklık y a ra tm ış olan pionlar ve m üonlar arasındaki kütle benzerliği esasında b ir rastlantıdır.

Acayip Parçacıklar P io n la n ve m üonları sınıflara ay ırd ık tan sonra, fizikçiler bi­ raz dinlenm eyi um uyorlardı; am a 1947 y ılın d a G. D. R ochester ve C. C. B utler tara fın d an kozm ik ışınlarda d ah a b a şk a p a rç a ­ cık tü rleri de keşfedildi. Bu parçacıkların, kuvvetli etkileşim le­ re girm eleri nedeniyle kad ro n oldukları hem en anlaşıldı; fakat acayip b ir tarafları v ard ı, çünkü p io n lard an farklı o larak daim a çiftler h alin d e ü retiliyorlardı. F ark lı tü rlerd e n tü m aca 3 Ûp p a r­ çacıkların b ü tü n özelliklerini anlatm aya girişm ek, b u ra d a pionlara ayırdığım y e rin y üzlerce katı y e r alabilir; dolajnsıyla o nlara b u ra d a değinm eyeceğim .


Yeni Hadronlar Şu a n a k a d a r değindiğim p arçac ık la r E vrenim izde çok y ay g ın d ıry a d a en azın d an kozm ik ışınlar tarafın d an bol m ik ta rd a üretilirler. P arç acık m en ü sü n ü n bu yönü, 1950'lerde B erke­ ley d ek i B ev atro n gibi bü3 /ük hızlandırıcılar ve k a b a rc ık odası gibi p arçacık saptayıcı yeni ay g ıtlar y ap ılm ay a başlan ın ca bü­ y ü k ölçüde değişti. Bu hızlandırıcılardan elde edilen y ü k se k enerjili p ro to n ların çarpışm a ü rü n le rin d e p, CO, Tl, (|), A, E, £2 vb. o larak ad lan d ırılan çok çeşitli y en i h ad ro n la r b u lu n d u -öyle çok ki Y u n an alfabesi y etm eyebilir. B unların tüm ü aşın kısa öm ürleriyle h ep ten kararsıztlı; olağan m adde içinde bulunm a­ m alarının ve y a p a y o larak üretilm ek z o ru n d a olm alarının n ed e­ ni budıır. B u nunla beraber, herkesin dile getirebileceği gibi, o n lar d a tam o larak pionların, p ro to n ların y a d a n ö tro n ların ol­ duğu k ad a r tem eldirler. F izikçiler, B erkeley’den G eoffrey C h ew ’ün "nükleer d em o k ra si” dediği b ir ilkeyi dile getirm eye başlam ışlardır: H a d ro n lar tüm üyle, kendi kendilerinin n ere­ deyse h er alt küm elerinin bileşikleri olarak d ü şü n ü leb ilirler -ki bu nedenle tem el dem ekten hoşlanıyorsak, onları tem el diye adlandırabiliriz.

Kuarklar Kısa sü re so n ra bu hadron kalabalığına b ir düzen getirm ek için b ir girişim de bu lunuldu. 1960’ların b aşların d a K aliforniya T ek n o lo ji E n s titü s ü ’nden

M u rra y G e ll-M a n n ve G eorge

Zw eig, g ene G ell-M ann ile Tel A viv’den Yuval N e ’em an'ın d a ­ h a önceki b ir çalışm asını b iraz d ah a işleyerek, h ad ro n ların g e r­ çekten tem el b irk aç tü r y ap ıtaşm ın bileşikleri old u ğ u n u ileri sü rd ü ler. G ell-M ann bu y a p ıta şla rın a k u a r k adını verdi. B aş­ langıçta sadece elek tronik y ü k birim i | , “ l 'v e

y ü k lü üç tü r

k u ark ın v a r olm ası bekleniyordu; fak at S L A C ve B rookhav e n ’d ak i deneyler en azından iki tü rü n d ah a v a r olduğu d ü şü n ­ cesini o rtay a koydu. A yrıca, b u g ü n h er k u ark tü rü n ü n g e rç e k ­ te b ir ü çlü o ld u ğ u n a inanılıyor. Bu, k u a rk tü rlerin in sayısını


5 x 3 = 15’e çık arryor ve y a k ın d a en azından b ir liçlü n ü n d a h a o rta y a çıkm ası bekleniyor. K u a rk lan n deneysel olarak aranm asının, bu k itap ta gözden geçirdiğim iz b azı d en ey tü rlerin i y em d en gündem e getirm esi b ir b ak ım a sevindiricidir. S L A C ve M IT arasın d a 1968 y ılın d a g er­ çekleştirilen işbirliği, p ro to n ların y a d a nötronların üzerine g ö n ­ derilen y ü k sek enerjili elek tro n ların b azen b ü y ü k açılarda saçıl­ dığını g ö sterdi. Altın atom ları tara fın d an alfa parçacıklarının b ü y ü k açılı saçılm aları nasıl R u th e rfo rd ’a altın atom unun için­ de y o ğ u n b ir çekirdeğin varlığını esinlendirdiyse; bu da, p ro to n ve n ö tro n içinde y o ğ u n p arçacıkların v ar o lduğu na işaret et­ m ektedir. A yrıca çeşitli gruplar, k u a rk la n bulm a çabası içinde, elektron y a d a p o zitro n y ü k ü n ü n

3 ya da

3 katı değerinde

elek trik y ü k leri b ulm a üm idiyle, H . A. W ilson ve M illik an ’ın deneylerini yineliyorlar. B irçok kuram cı, k u a rk la n n h a d ro n la r o larak gözlediğim iz özel bileşim ler halinde b u lu n d u ğ u n u ve il­ ke o larak tek te k asla gözlenem eyeceğini düşünüyor; fakat h er zam an olduğu gibi, g ene d e son söz deneycilerin.

Bu böylece sü rü p gider. Tem el parçacık ların listesi m utlaka u zam ay a devam edecektir. Fizikçiler şimdi sadece b ir d iğer kua rk üçlü sü n ü n keşfini beklem iyorlar; ay rıca fotonun a ş ın d e re ­ cede ağır birad erleri olan ve a ra v e k tö r bozanlar adı verilen p arçacık lar ile H iggs bozanları adı verilen özellikleri d a h a az açık p arçacık ların d a keşfedilm esini bekliyorlar. S co tt K o n feran sı’n d a b ek len en bu y eni p a rç a c ık la r ve b aş­ k a şey ler h a k k ın d a k o n u şm ak için 1975’te C av en d ish L ab o ratu v a rı’n a gittim . 1930’la rd a n b u y a n a çok şey değişm işti. K uş­ k u su z, n ered ey se 50 3nl önce S co tt K o n feran sları v eren N iels B o h r’a y a p tığ ı gibi, b ir m isafir k u ra m c ıy a h o m u rd a n a n R uth e tfo rd o ra d a y o k tu artık . 1975’tek i C avendish P ro fe sö rü S ir B rian P ip p a rd k u ra m c ıla ra k a rşı çok nazikti. C avendish, F ree


S chool L a n e ’deki eski b in a la rın d a n M ad in g ley R o ad ü z e rin ­ de, k a s a b a n ın d ışın d a çağ d aş b ir yerleşk ey e taşınm ış ve e tk in ­ lik o d ağ ı d a çe k ird ek fiziğinden rad y o astro n o m i, m oleküler biyoloji v e k atıh al fiziğine kaym ıştı. F a k a t o ra d a o lm ak tan çok m em n u n d u m . Biz fizikçiler h e r zam an y e n i b ir şey ler y a p m a ­ y ı d eneriz, fa k a t çok eski b ir geleneğin içinde çalışırız; bizim kendi tap ın ak larım ız ve k ah ram an larım ız v a rd ır. C avendish L a b o ra tu v a n ’nca tem sil edilen gelenek, C am N e h ri boyunca dizilm iş o sevim li eski fakülte b in aların d ak i d iğ er bilim dalla­ rın ın m üritleri için oluşm uş gelenek k a d a r bizi d u y g u la n d ır­ m ak tad ır. O k u y u cu ların , b u rad a sunduğum parçacık fiziği ra p o ru n ­ dan, b u fizik dalının, doğada bulunabilecek k ad a r uzu n y a şa y a ­ m ayan ve toplayıcının lab o ratu v arın d a yaratılm ası g erek en tü r ­ den keleb ek lerin koleksiyonculuğu işine dönüştüğü sonucunu çıkarm ayacaklarını um uyorum . Bu görüşün çok y an lış old u ğ u ­ nu d ü şün ü y o ru m . Ç ağlar öncesinden beri sorulan olağan m a d ­ denin doğası sorusu, elektron, proton ve nötronun keşfiyle çö ­ züld ü k ten sonra, artık soru değişti. Tem el p arçacık lar üzerine yaptığım ız deneysel ve kuram sal çalışm alarda am açlanan asıl iş, parçacıkların listesini ve özelliklerini sıralam ak değildir. S orun doğanın (piirçacıklann, çekirdeklerin, atom ların, kayaların ve yıldızların) neden böyle olduğunu söyleyen tem el ilkeleri bul­ m aktır. T üm deneyim lerim iz gösteriyor ki, şu a n d a doğanın te ­ mel y asaların ı elde etm enin en iyi ve belki de tek yolu, temel p arçacık ların incelenm esidir. Bu k itap ta dile getirilen öykü, um arım ki “fizik tarihi, p a rç a ­ cıkların, k u v vetlerin y a da b aşk a herhangi b ir belirli olgunun keşfi ve incelenm esidir” şeklinde b ir izlenim d e yaratm az. Thom son, B ecquerel, R utherford, M illikan ve C hadw ick'in ola­ ğan ü stü keşifleri ve ölçüm leriyle birlikte, dü şü n celer evrim g e­ çirm iş ve fiziksel ilkeler ile ilgili anlayışım ız genişlem iştir. B u ra­ da b u n la ra girem esem de, elek tro n u n keşfi, göreliliğin ve kuantum m ekaniğinin gelişm esini teşvik etm iş, son y ılla rd a kuvvetli


v e zayıf çek ird ek kuvvetlerinin incelenm esi, doğadaki sim etri­ nin rolü üzerin d ek i anlayışım ızı derinleştirm iştir. A tom altı p a r­ çacıkların keşfi y irm in ci yüzyıl fiziğinin tüm ü olm asa bile, v az­ geçilm ez b ir parçasıdır. Ş air W illiam Blake bilim in tü m ü n ü bir dizede özetlem e g ere­ ği du y d u ğ u zam an, “D e m o k rito s’un atom ları ve N e w to n ’un ışık parçacık ları "ndan söz etm işti. D em okritos ve L eu k ip p o s’un Y u n an istan ın d an B lake'in zam anına ve bizim zam anım ıza kadar, tem el p arçacık düşüncesi, daim a bilim in en tem el am acının, y an i do ğ an ın karm aşıklığını basit ifadelerle anlatm anın simgesi olm uştur.


Ekler

A New ton’un tkinci H areket Ycisası Genel b ir birim sistem inde, N e w to n ’un ikinci H a rek et Y asası’n a göre, kuvvet kütle çarpı ivm eyle orantılıdır: F = km a

(A .l)

B u rad a F p arçacık üzerine etkiyen kuvvet, a bu kuvvet ta ra ­ fından p arçacığ a verilen ivme, m parçacığın kütlesi ve k ise d e­ ğeri F, mrv& a için seçilen birim sistem ine bağlı bir sabittir. K u v ­ v et birim inin seçimi neredeyse evrenseldir; m = 1 değerli bir kütleye F = \ değerli b ir kuvvet tarafın d an a = 1 ivm esi verilir. Ö rn eğ in , b ir nevton, b ir kilogram lık kütleye bir m/s^’lik ivme v erecek k u v v et o larak tanım lanır. Böyle bir birim sistem inde, k sabiti k = 1 değerine sahip olm alıdır; y o k sa m = l , a = l , F = l


özel halinde denklem (A .l) sağlanam az. Dola 3 asıyla, böyle b i­ rim ler için, N e w to n ’un İkinci H a rek et Yasası, çok iyi bilinen F - ma

(A. 2)

şeklini alır. Ö rn eğ in , elek tro n h ak k ın d a b u g ü n bildiklerim ize d ay a n ara k diyebiliriz ki, k ato t ışınlarıyla yapılm ış olan T hom son deneyin­ de elek tro n a etkiyen kuvvet tipik olarak F= 10-"’ nevton düzeyindeydi: elek tro nun kütlesi yaklaşık m = 9 X 10

kilogram

ve dolayısıyla ivme y aklaşık a = F/m = 1,1 X 10" m /s'

olur. Böyle b ir ivmeyle elektron, sadece 10"'’ saniye sonra, 1,1 x 10“ m/s hızla h arek et ediyor d u ru m a gelir; ki bu da ışık hızının (3

X

10“ m/s) o ldukça b ü y ü k b ir kesridir. B ununla birlikte,

Thom son deneyinde elek tro n lar sadece yaklaşık 10“’ saniye sü ­ reyle ku v v ete m aruz bırakılm ışlardı ve hiçbir zam an ışık hızına yaklaşam am ışlardı. Ö n cek i örnekte, ikinci N ew ton Yasası, belirli b ir kuvvetin belirli b ir kü tle üzerinde oluşturacağı ivmeyi hesaplam ak için kullanıldı, fak at ku şk u suz bu yasa, belirli bir kütle ü zerinde is­ tenen b ir ivm eyi o lu ştu racak kuvveti hesaplam ak için de kulla­ nılabilir. Ö rneğin, y e ry ü z ü n ü n y a k ın la rın d a cisim lerin g sim ge­ siyle gösterilen 9,8 m/s“’lik b ir ivm eyle dü ştü k leri yay g ın b ir gözlem dir. B uradan, m kütleli b ir cisim üzerindeki kütleçekim i kuvvetinin (cisim serb est d ü şsü n y a d a düşm esin) 77 ^ çekim

mg


olduğu çıkar. B u n a göre, b ir elek tro n ü zerindeki kütleçekim i kuvveti 9 X 10"®' çarpı 9,8 y a n i 9 x 10"®” nevtondur. B u kuvvet, bir k ato t tü p ü n d ek i elek tro n a uy g u lan an elektriksel ve m an y e­ tik kuvvetlerle karşılaştırıldığında tam am ıyla önem sizdir; dola­ yısıyla T hom son deneyinde elektronların davranışını analiz ederken, kütleçekim i rah atlık la göz ardı edilebilir.

B Katot Işınlânıun Elektriksel ve M anyetik Sapm ası B u ra d a ik in ci N ew to n Y asası’nın, T hom son deneyinde k ato t ışınının sapm asını hesaplam ak için nasıl kullanıldığını ve b u sapm a ölçüm ünün, ışın parçacıklarının k ütle/yük o ranını h esap ­ lam ak için nasıl kullanılabileceğini göstereceğiz. K ato t ışını p arçac ık la rı üzerine, ışın h arek etin e dik d o ğ ru ltu ­ da b ir F k u v v eti u ygulandığını varsayalım . P arçacık lara bu d o ğ ru ltu d a a = F/m b ü y ü k lü ğ ü n d e (b u ra d a m p arçacığ ın k ü tle­ sidir) b ir ivm e v erilecektir; böylece eğer p arçac ık la r b ir t zam a­ nı b o y u n ca ku v v ete m aru z kalırlarsa, ilk h arek et d o ğ ru ltu ları­ na dik Vj,, = ta = tF /m

(B .l)

bü y ü k lü ğ ü n d e b ir hız bileşeni k az an acak lard ır. P arçacıkların ışının ilk d o ğ ru ltu su n d a b ir V hız bileşenine sahip o lduklarını ve i u zu n lu ğ u n d a b ir "sapm a bölgesi" ( F kuvvetine m aru z kaldık­ ları bölge) b o y u n ca bu hızla g ittiklerini varsayalım . H ız zam an b aşın a m esafe old u ğ u n dan, V = f / t ’d ir ve dolayısıyla parçacık la­ rın ivm elendiği süre t= (/V

(B .2)

dir. D en k lem d e (B .l) t y erin e b u n u k o y arak şunu buluruz; Vdik = P

(B.3)

S ap m a bölgesini te rk ettik ten sonra, ışın parçacıkları, ilk ışın d o ğ ru ltu su n a old u k ça y ak ın b ir d o ğ ru ltu d a L u zu n lu ğ u n d a b ir "sürüklenm e bö lg esi” b oyunca ve b u ilk d o ğ ru ltu d a h âlâ Vye


eşit bir hız bileşeni ile yol alırlar. (B.2) y e gö tü ren aynı m an tık ­ la, sürüklenm e bölgesinde geçen zam an T = L Jv

(B.4)

eşitliğiyle belirtilir. Işın parçacıkları, bu zam an süresince ilk d o ğ ru ltu ların a dik b ir d o ğ ru ltu d a d a Vdik hızıyla h a re k e t ederler; dolayısıyla sü rü k len m e bölgesinin so n u n a vardıklarında, ışının ilk d o ğ ru ltu su n d an olan sapm ası d = TVjii,

(B.5)

kad ard ır. (B.4) ve (B.3) denklem lerinin (B .5 )’de y erin e ko n m a­ ları. Fl V

y a da, d a h a kısa biçimiyle d=

FC .L

ınV

(B.6)

eşitliğini verir. Bu, 35. sayfada aktarılan form üldür. Şim di özel k u v v et türlerini ele alalım . K atot ışını parçacıkla­ rı e elektrik y ü k ü n e sahipseler, o zam an onların üzerine bir E elektrik alanı tarafın d an uygulanan elektrik kuvveti = eE

(B.7)

dir; (B .6) y a g ö re bu, tü p ü n ö b ü r u cu n d a ışının eM L mV^

(B .8)

k ad ar yerd eğ iştirm esine yol açacaktır. B ir 6 m anyetik alanının e yü k lü ve V hızlı (alana d ik ) b ir parçacık üzerine uyguladığı m anyetik kuvvet, e, V ve B 'nin çarpım ıyla verilir. T hom son de­ neyinde Vdik v ’d en çok k ü çü k tü r; b u d u ru m d a F

= eV B 200

(B.9)


dir ve ku v v et aslında ışının ilk d o ğ ru ltu su n a dik olarak etkir. (B .6) denklem ine göre, bu kuvvet tü p ü n ö b ü r u c u n d a ışının d =

e B İL

(B.IO)

mv

k a d a r ^yerdeğiştirmesine yo l açar. D ik k a t ederseniz, (B .9) 'daki V çarpanı, (B .6) ’nın paydasındaki iki

V

çarp an ın d an b irin i y o k

etm iştir. Şim di

ve

E, B ,£ v e L ’nin belirli değerleri için öl­

çülm üş old u ğ u n u varsayalım . E lek tro n u n kütle ve y ü k oranını nasıl çözeriz? (B .lO )’u n (B .8 )’e oranının ^

e B İU m V ^ B v

/y

eEe.L/m V^

E

ifadesini verdiğine d ik k at edin. Bir b aşk a deyişle (B .11)

’'■(IJİtj B unun (B.IO) denklem ine yerleştirilm esi e B lL m E d man/ B dH.ck.

m Ed

so n u cu n u verir, m /e çözülürse, şu sonuç bulunur: f f e u idtL

(B.12)

K ato t ışını p arçacık larının sapm a ölçüm lerinden parçacık ların k ü tle/y ü k oranını çık arm ak için kullanılan form ül b u d u r. B ir ö rn e k olarak, T h o m so n ’u n 1897 verilerinden bazılarını içeren T ablo 2 .T in (62. sayfa) son satırına bakalım . O ra d a elektriksel ve m anyetik alan lar E = 1,0

X

lO"* nevton/coulom b

B = 3,6

X

10"'' nevton/am per.m etre


değerlerine sahiptiler. T ü p ü n u cu n a çarptığında ışının gözlenen y erdeğiştirm eleri < 4 ie k =

c /,n a n

= 0.07 m etre

değerine sahipti. S apm a v e sürüklenm e bölgelerinin u zu n lu k la­ rı ise şu değ erlere sahipti: i = 0,05 m etre, L = 1,1 m etre.

Bu değerlerin (B .l l ) ’d e y e rle rin e konm ası, ışın parçacığının ilk hızım .. . a 0 x l 0 ^ ) ( 0 , 0 7 )

„„

,

olarak verir. A yrıca, bu değerlerin (B .1 2 )’de kullanılm asıyla, kütle/yük oranı mle=

(3,6 X l O 'b '(0,05) (1,1) (Q,07) (1,0 X 10 ') (0 ,0 7 )’

= 1,0 X 1 0 k g / c o u l .

İşte T ablo 2.1'in son iki sü tu n u n d a verilen d eğerler böyle he­ saplanm ıştı. Işının ilk d o ğ ru ltu su n a dik hız bileşenini hesaplam ak d a il­ ginçtir. (B .9 )’u (B .3 )'de y erin e koyarak g ö rü rü z ki, bir B m an­ y etik alanı ışın parçacıklarına Vdii, = e B i / m = B i/( m /e ) büyü k lü ğ ü n d e b ir dik hız bileşeni verir. Y u k a rıd a söylenen B, l ve m /e değerleriyle b u hız bileşeni ( 3 ,6

X

10 -) (0 ,0 6 )7 (1 ,0

x

10 " ) = 1 ,8

x

1 0 «m /s

olarak çıkar. Bu, 2,8 x 10’' m /slik ilk hızın değerinden yaklaşık 15 k a t d ah a kü çü k tü r; böylece ışın parçacığı hızının y ö n ü ve bü3âiklüğü, ışın parçacıkları üzerine uygulanan m anyetik kuvvetin


h esab ın d a varsayıldığı gibi, ilk değerlerine y a k ın kalır. V v e Vjıt’in ikisinin de ışık hızm dan epeyce k ü çü k old u ğ u n a d ik k at edin; dolayısıyla ışık hızına y ak ın hızlarla giden p arçacık lar için E in stein ’ın Ö zel G örelilik K u ram ı’nın gerektirdiği düzeltm elere aldırm aksızın, k ato t ışını parçacık ların ın davranışm ı N ew ton m ekaniğini k u llan arak hesaplam ak ijâ b ir yaklaştırm adır.

C Elektrik Alanları ve Elektrik Çizgileri C oulom b Yasası, Çı v e Çj değerli elektrik 3 ü k le ri taşıyan ve araların d a r uzaklığı olan iki cisim arasındaki elektrik kuvvetinin E = k, g, q^/i^

(C.1)

bü y ü k lü ğ ü n e sah ip o lduğunu söyler; b u ra d a k^ değeri F, Çı, q .2 ve r ’leri ölçm ek için k ullanılan birim sistem ine bağlı b ir sabittir. K uvvetlerin nevtonla, y ü k lerin coulom bla ve uzaklıkların m et­ reyle ölçülm esi halinde, b u sabit k . = 8,987

X

10’ nevton. metreVcoulomb^

(C.2)

değerine sahiptir. K uvvet, iki cism i ayıran doğrultu b o y u n ca e t­ kir. (C .l) denklem ini, h er bir cisim ü zerin e etkiyen ku v v et bile­ şenini, d iğ er cisim den uzağa d oğru olan y ö n d e verecek biçim de düşünebiliriz; b u n a göre, F artı (yükler aynı işaretli) ise, kuvvet iticidir ve F eksi (g, ve Ça zıt işaretli) ise, kuvvet çekicidir. (C .l) denklem inin, y erin e elek trik alanları cinsinden b ir ifa­ de ko y m ak y ararlıd ır. U zay d a h erh an g i b ir y erd e diyelim ki g, y ü k lü b ir cisim üzerine etkiyen kuvvet, F = q ,E

(C .3)

olarak alınır; b u ra d a E cism in b u lu n d u ğ u kon u m d ak i elektrik alanıdır. Bu, F ve JS’nin h er bileşeni için ayrı ayrı geçerli b ir vek tö rel denklem o larak anlaşılm alıdır; y a n i gı artı ise F, E ile aynı y ö n ü , y o k eğer gı eksi ise, E ye göre zıt y ö n ü gösterir. E alanını d o ğ u ran y ü k le rin doğası v e dağılımı ne o lu rsa olsun, (C .3) denklem i geçerlidir. gı y ü k ü n d e n r uzaklığında b u lu n an


g 2 jm k lü te k b ir cisim tara fın d an d o ğ u ru lan b ir alan özel hali için, k u v v et (C .l) ile verilir; dolayısıyla elektrik alanı, qr2 &rtı ise cisim den d ışarı d o ğ ru ve

eksi ise cisme d o ğ ru y ö n e lir ve aşa­

ğıdaki değeri alır: E = K q ,/r^.

(C.4)

E lektrik alanı çok sayıda y ü k lü cisim tarafın d an oluşturuluyorsa, fiy i bu lm ak için, bu farklı cisim lerin katkılarını (h e r birinin b ü yüklüğü (C .4) gibi bir form ülle verilm ek üzere) bileşen bile­ şen toplam alıyız. E lektrik alanını alan çizgileri cinsinden resim lem ek d e y a r a r ­ lıdır. Bu çizgiler tüm uzayı kaplarlar; her n o k tad a o noktadaki elektrik alanı ile aynı y ö n e sah ip tirler ve onların y ö n ü n e dik bir yüzeyden geçen çizgi sayısı, elek trik alanı (alan y ü ze y boyunca hatırı s£iyılır ölçüde değişiyorsa, alanın ortalam ası) çarpı y ü zey alanına eşittir. Ö rn eğ in, bir tek y ü k lü cisim tarafından doğurulan alan için, alan çizgileri cisim den dışarıya (ya d a eksi y ü k için içeriye) d o ğ ru d u r; d o lay ısıy lay ü k lü cisim m erkezde olacak şe­ kilde çizilmiş h er küresel y ü zey d en dik olarak geçerler, r y a r ıçaplı böyle b ir küresel y ü ze y d en g eçen çizgilerin sayısı, (C .4)'teki elektrik alanı çarpı kürenin dtlr^’lik y ü z e y alanıdır; yani

y ü k lü bir cisim için Çizgi sayısı =

r

4;r r^= '■

(C .5)

Y arıçapların b irb irlerini g ö tü rd ü ğ ü n e d ik k at edin; dolayısıyla m erkezi q 2 olan h e r küresel yü zey d en aynı sayıda çizgi geçer. Böylece şu so n u ca varırız: A lan çizgileri boş u zay d a başlam az­ lar y a da sonlanm azlar; sadece y ü k lerd e n o rtay a çık arlar y a d a y ü k lerd e sona ererler; öyle ki artı q.^ y ü k ü 4 tc k^q 2 tan e çizgi y a ­ ratır ve eksi gg y ü k ü n d e -^ K k^q 2 tane çizgi y o k olur. Alan çizgileri cinsinden g österim in yararlılığı şuradadır: Alan tek tek ç o k sayada y ü k tara fın d an oluşturulsa bile, alan çizgile­ rinin nitel özellikleri değişm ez kalır. Y ani alan çizgileri boş


u za y d a başlam az y a d a sonlanm az; artı q y ü k lü h er cisim den 4 k k j ı tan e çizgi çık ar v e eksi q y ü k lü h e r cism e —4İT k^q ta n e çiz­ gi girer. C oulom b Y asası’nı d o ğ ru d a n uygulam anın g ü ç olabile­ ceği b irço k d u ru m d a, elektrik alanını bu kuradlarla kolayca he­ saplayabiliriz. Ö rneğin, tek b ir 3 Ûiklü noktasal cism e değil de, bir kü ren in hacm i bo 3uınca b iraz keyfi şekilde ya 30 İmış b ir y ü k dağdım m a sa­ hip olduğum uzu varsayalım ; tek koşul, deığılımm küresel sim etrik olması olsun -yani, elektrik y ü k ü n ü n dağılımı, k ürenin m erkezin­ d en h e r d o ğ ru ltu d a aynı olsun. D ağılım ın küresel simetrisi, bize, alan çizgilerinin ışınsal olarak dışa (ya d a içe) doğru yöneldiğini söyler: B aşka hiçbir özel doğrultu y o k tu r ki çizgilerin b u özel do ğ ru ltu b o y unca yöneldiğini düşünebilelim . Bu küresel hacim ­ den çıkan çizgilerin sayısı 4% k^.Q olmalıdır; bu rad a Q b u küresel hacim içindeki toplam y ü k tü r (eksi Q için , “çıkan”y erin e “g iren” denir). Böylece y ü k lü kürenin dışında m erkezden r k ad a r ötede­ ki 25 elektrik alanı çarpı b u uzaklıktan geçen kürenin 4 ti / ’lik y ü ­ zey alanı, çizgilerin sayısına eşit olmalıdır:

E x 471t‘ = 4jtk^Q D olayısıyla elek trik alanı £ == M

(C.6)

Bu, san k i d ö n ü p dolaşıp y in e C oulom b Y asası n ı tü re ttik gibi gö rünebilir; fak at ay rım a d ik k at edin: (C .6) sadece y ü k lü b ir n o k tasal cism in r uzaklığında o lu ştu rd u ğ u alan için geçerli d e­ ğil, aynı zam an d a m erkezi r uzaklığında bu lu n an sonlu b ir h a ­ cim b o y u n ca k ü resel sim etrik o larak dağılm ış y ü k lerin o lu ştu r­ d u ğ u alan için de geçerlidir. B u ra d a k o n u y la çok d a h a y a k ın d a n ilgili b ir ö rn e k alm ak açı­ sından, tıp k ı T h o m so n ’u n k a to t ışını tü p ü n d e ışın p arçacıkları­ nı sap tıran b ir elek trik alanı üretm ek için kullandığı lev h a gibi, iki tan e düz, paralel, y a ta y m etal levha alalım ve bun ların ü z e r­


lerine eşit b ü y ü k lü k te, fakat zıt işaretli elektrik y ü k le ri koyalım . Y üklerin levhalar üzerine düzgün olarak dağıtıldığını varsay a­ lım. (G erçek te zaten böyle olacaktır; çünkü d ü zg ü n olm ayan bir dağılım öyle elek trik alanları o lu ştu ru r ki b u n la r iletken lev­ halar içinde y ü k leri, dağılım d ü zg ü n hale gelinceye dek, oray a bu ray a h arek et ettirirler.) A yrıca, levha 3m zeylerinin araların ­ daki m esafeye g ö re çok geniş olduklarım varsayalım ; öyle ki iyi bir yaklaştırım la levha sın ırların d ak i etkileri göz a rd ı edebilelim ve levhaları sonsuzm uş gibi düşünelim . Bu d u ru m d a sistem in sim etrisi, elektrik alanı çizgilerinin levhalara dik açıla rd a d üşey olar£ik y ö n eld ik lerin i söyler; problem de başk a h içb ir özel y ö n y o k tu r. Ç izgiler paralel o ld u k ların a ve levhalar a ra sın d a başla­ maları ve bitm eleri söz konusu olm adığına göre, verilen b ir y a ­ tay geom etrik y ü zey içinden dik olarak geçen çizgi sayısı, b u y a ­ tay yüzey, levhalar arasın d a nereye k o n u rsa ko n su n aynıdır; dolayısıyla levhalar arasında h e r y erd e elektrik alanı aynıdır. Aynı m£intıkla, üst levhanın y u k a rısın d a (ya d a alt levhanın aşa­ ğısında) alan ay n ıd ır ve dolayısıyla sıfırdır, çünkü ü st levhanın y u k arısın d a aralığa göre y eterin ce uzak bir noktada, zıt işaretli levhaların alanları birbirlerini götürm elidir. L evhalar arasındaki alanın şiddetini hesaplam ak için, sadece şunu hatırlam am ız gerekir; E ğ er levhakır birim yü zey d e O ve -O yüklerini taşıyorlarsa, üst levhadan birim y ü ze y başına 4 u k^.O tane çizgi çıkar ve bun ların tüm ü levhalar arasındaki bölge içinden aşağıya iner; çünkü ü st levhanın y u k arısın d a elektrik alanı y o k tu r. L evhalar arasındaki elektrik alanı, tam olarak y ü ­ zey başına düşen çizgi sayısına eşittir: E = 4 k k,G

(C.7)

Ü st ve alt levhaların h er sonsuz küçük p arçası tarafından üretilen alanı (C.4) gibi bir form ülle hesaplayıp, so n ra bu tek tek k atk ıları bileşen bileşen toplam ak için integral hesap kulla­ narak d a bu sonucu elde etm ek m üm kün olabilir. F a k a t elekt­ rik alanı çizgilerini d ü şü n erek b u işi y ap m ak çok d a h a kolaydır.


D îş ve Kinetik Enerji B u rad a, b ir p arçacığı hızlandırm ada y a p û a n iş ile kinetik en erjisin d e m eydana gelen a rtış arasın d ak i bağıntıyı tü retm ek için, İk in ci N e w to n Y asası’nı kullanacağız. m kütleli b ir p arçacığın sabit b ir F kuvveti ile V, h ızından V2 hızın a ivm elendirildiğini düşünelim . B u rad a y ap ılan Vkişi, k u v ­ v et ile parçacığın aldığı i y o lu n u n çarpım ıdır: ( D .l)

W=Ft

F ak at ¿n e d ir? P arçacığın hızı d ü zg ü n arta rak v /d e n Va’y e yü k selir; dolayısıyla parçacığın ortalam a hızı, V, ve V2 ’nin o rta­ lam asıdır: V„= 2 (h+V'j)

(D .2 )

A lm an yol, bu ortalam a hız çarpı parçacığın ivm elendiği t zam a­ nıdır: (D .3 )

F ak at şim di de in e d ir? B u rad a ivme, İkinci N ew ton Y a sa sıy la F/m o larak verilir ve ivme, hızdaki değişim bolü geçen zam ana eşit old u ğ u için F/m =

V —V

t

yazabiliriz; b u ra d a n d a ty i çözeriz: ^

m (v,-v,)

(DA)

F

(D .3) ve so n ra (D .4 ) denklem lerinin ( D .l) 'd e y erin e konm ası şu n u verir: W=Fx ~ (v,+Vj) i = Fx i (v,+v,) Xm (v,-v)/F .


F k u vvetinin y o k old uğuna d ik k at edin. A yrıca (V,+ V2) (^2 - Vı) = V, U2 - V,2 + VjS - V2 V, =

Vi ■

Vı2

old u ğ u n d an , y a p ıla n iş (D .5) şeklinde bulu n m u ş olur. Kütlesi m v e hızı V olan b ir p arçacı­ ğın k in etik enerjisi kinetik enerji = — mV^

(D .6)

olarak tanım landığından, (D .5 ) denklem i, basitçe parçacığın k i­ netik enerjisindeki artışın parçacık üzerine yapılan işe eşit ola­ cağını i İade eder. Ö rn e k olarak, y erin kütleçekim i alanında düşen b ir p arçac ı­ ğı ele alalım. Y üzeye y ak ın m kütleli b ir parçacık üzerindeki kuvvet, (A.3) denklem iyle F =mg

(D .7)

o larak verilir; b u ra d a g kütleçekim i ivm esidir ve 9,8 m/s^ye eşittir. (D iğ e r kuvvetlerin, örneğin bava direncinin çok k ü çü k olduğunu varsayacağız.) B ir parçacık /ı, y üksekliğinden b jy ü k sekliğine d ü ştü ğ ü n d e, y erin kütleçekim i tarafından y ap ılan işin, (D .7) kuvveti çarpı bu kuvvetin etki ettiği /ı,—bj yüksekliği ol­ duğu bulunur; W = m g (k -h i)

(D .8)

B unu (D .5 )'d e kullanarak, denklem in iki tarafın d a m kü tleleri­ nin birbirlerini g ö tü rdüklerini gö rü rü z; böylece şu çıkar: ¿•(/ı,-4) = |( y - v ^ )

(D .9)

Ö rneğin, E m pire State binasının tepesinden (bı= 300 m etre) d u r­ gun halden (V2= 0) bırakılan b ir ağırlık y ere çarptığında (¿ 2= 0)


V,=

a/ 2 x 9,8x300

=

77

m/s

kad arlık b ir Kıza sahip olacaktır. (D .9) denklem i, enerji k o ru n u m u y la ilgisini gösterecek bir y ap ıd a y en id en yazılabilir, m çarp an ın ı gerisin geriye koyup, denklem in sol y a n ın a ilk d u ru m a ait ve sağ y a n m a son d u ru m a ait terim leri yerleştirerek, (D .9) denklem ini şu şekle getiririz; |m vf+ m g/ı, = ^m\7+mgb,-

S adece ^ m

(D . 10)

kinetik enerjisini değil, ayrıca Potansiyel enerji = mg-h

(D .ll)

şeklinde verilen konum enerjisini veya potansiyel enerjiyi de he­ sab a k atm ak koşuluyla, bu, enerjinin k o ru n d u ğ u n u gösterir. E n erjin in k o ru n u m u cinsinden bu y o ru m u n yararlılığını gör­ m ek am acıyla, b ir d 2iğ y o lu n d a m otoru d u rd u ru lm u ş şekilde sü rtü n m esiz o larak aşağı inen b ir arab a düşünün. (D .lO )’un ön­ ceki tü retilişi b u ra d a hiçbir şekilde kullanılam az; çünkü a ra b a yerçek im i y an ın d a b ir b a şk a kuvvetin d e etkisi altındadır: a ra ­ banın ağırlığına karşı y o lu n y u k a rı doğru uyguladığı kuvvet. G erçek ten de, y o lu n eğim i no k tad an n o k tay a değişiyorsa, b u k u v v et sabit bile değildir. B u n u n la birlikte, (D . 10) hâlâ geçerlidir! Ç ü n k ü o sadece potansiyel ve kinetik enerjilerin toplam ı­ nın sabit o ld u ğ u n u söyler, ki bu doğrudur; zira yol ve a ra b a a ra ­ sın d a enerji aktarım ı y o k tu r. (Yol, a rab a üzerine b ir ku v v et uy­ gular; fak at bu kuvvet y o l y ü zey in e dik d o ğ ru ltu d a uygulanır, am a a ra b a b u d o ğ ru ltu d a h a re k e t etm ez, sadece yol yü zey in e paralel y ö n d e g itm ektedir.) Ö rneğin, eğer a ra b a d u rg u n halden h arek ete geçip b u d ağ y o lu n d an aşağı sürtünm esiz giderek 300 m etre alçalırsa, o zam an b u süre sonundaki hızı, boş u za y d a ay ­ nı m esafe k a d a r düşm esi so n u cu n d a k azanacağı hızın bü 3m klüğüyle (yönce olm asa d a!) ayuı olacaktır; y a n i 77 m/s. K uşkusuz, enerji k o ru n u m u , aşağıya olduğu gibi, 3m karıya gitm e halinde


de aynı şekilde işler; 77 m /s’lik bir hızla sürtünm esiz olarak h a ­ rekete g eçen b ir araba, d u rm a haline gelinceye kad ar, yol sarp da olsa, y u m u şak eğimli d e olsa, 300 m etrelik b ir yüksekliği tırm anabilecektir. P otansiyel enerji kavram ı, kütleçekim i alanları için olduğu kadar, elektriksel alan lar için d e y ararlıd ır. Ö rn eğ in , Ek C ’de ele alınan y ü k lü m etal levhalar için E elektrik alanı, levhalar arasın d a sabittir; bu nedenle q y ü k lü b ir parçacık sabit bir q E kuvveti hissedecektir. Ü st ve alt levhalar sırasıyla artı ve eksi y ü k lerley ü k len m işseler, artı y ü k lü b ir parçacık üzerindeki kuv­ vet aşağıya do ğ ru d u r. ( D . l l ) denklem ine gö tü ren aynı m antık­ la, m g kuvvetini q E ile değiştirerek, b u rad a da b ir elektriksel potansiyel enerji tanım lam ak istiyoruz: Potansiyel enerji = qEb, B urada h, sözgelimi alt levhanın üzerindeki yü k sek lik olarak alınabilir. G erilim , y ü k başına potansiyel enerjidir; dolayısıyla alt levhanın ü zerin d e h yüksekliğindeki gerilim , potansiyel enerjiyi i/y e bölerek bulunur: G erilim = Eh. Ö zel olarak, ü st ve alt levhalar arasındaki gerilim farkı, h değeri iki levha arasındaki s aralığına eşit alınarak bulunur: L ev h alar a rasın d ak i gerilim farkı = Es.

Bu levhaların bağlandığı elektrik bataryasıyla üretilen geri­ lim farkı ve levhalar arasındaki s aralığı bilindiğinde, levhalar arasın d ak i elek trik alanını hesaplam ak T hom son için kolaydı.

E Katot Işını Deneylerinde Enerji Korunumu B urada, T hom son ve K au fm an n ’ın, enerjinin k o ru n u m u ilke­ sini k u llan arak k ato t ışını parçacıklarınm özelliklerini nasıl h e­ sapladığını göstereceğiz.


T hom son k a to t işim tü p ü n ü n karşı u c u n a bir toplayıcı y erle ş­ tirerek , hem o rada toplanan O elektrik y ü k ü n ü hem de H ısısı­ n ı ölçm üştü. E nerjinin k o ru n u m u y asa sın a göre, ısı enerjisi, toplayıcıya çarpan ışın parçacık ların ın toplam kinetik enerjisine eşit olm alıdır; bu p arçacık lard an

V

hızıyla harek et eden N tan e

varsa, bu d u ru m d a H = - m '/N

2

(E .1)

olacaktır. Ayrıca, y ü k k o ru n d u ğ u n a göre, topla 3 ncıda b u lu n an top lam y ü k , ona çarp an N tan e k ato t ışını parçacığının tü m ü ­ n ü n y ü k ü n e eşit olm alıdır: 0 = eN .

(E .2)

( E .l) denklem ini (E .2) y e bölersek, bilinm eyen N y o k o lu r ve şu b u lu n u r: H /Q =

2e

(E .3)

T ho m so n m anyetik sapm ayı d a ölçm üştü; dola 3 nsıyla (B.IO) denklem inin sağ yan ın d a görünen nieeliği biliyordu. B unu B t L ’nin bilinen d eğ erin e bö lerek

1=m

v /e

(E .d)

niceliğini bulabilirdi. Şim di (E .3) denklem ini (E .4 )’e bölersek, bilinm eyen m /e d ü şer ve Vyi buluruz: V = 2 H /0 1 .

(E .5)

B u (E .4 )’de y e rin e konabilir, o zam an d a m /e b ulu n u r: m

T

e

2 H /Q

(E .6)

Ö rneğin, “2. tü p ”üyle elde edilen ilk sonuçlarda, 74. sayfadaki Tablo 2 .2 ’de g ö rüldüğü gibi, T hom son şu d eğerleri bulm uştu:


H /Q = 2,8 X 10^ jul/coulom b 1 = 1,75 X 10"'' kg.m etre/s.coul. B u n lara göre, (E. 5) ifadesi V = 2 X (2,8 X 1(F)/(1,75 x 10"") = 3,2 x 10^ m /s

değerini ve (E .6) ise m /e =

2 (2,8 X10’)

= 5,5 X10"'^ kg/coul

değerini v erir. B unlar da T h o m so n ’un 74. sayfadaki Tablo 2.2’nin son sü tu n u n d a verilen sonuçlarıyla (o ld u k ça y a k ın şe­ kilde) u y u m içindedir. K aufm ann k ato t ışını tü p ü n ü n karşı ucunda b ir toplayıcı kul­ lanm ak y erin e, tü p ü n katotu ve anotu arasındaki V elektriksel potansiyel ("gerilim ") farkının d ikkatli b ir ölçüm ünü yapm ıştı. K atot ışını parçacık larını V hızına hızlandırm ak için bu gerilim farkı kullanılm ıştı; an o ttan geçtikten sonra, p arçac ık la r b u V h ı­ zıyla sap tırm a bölgesine giriyorlardı. Gerilim , coulom b başına iştir; b u ned en le k ato t ışını p arçacıklarını k ato ttan a n o ta hızlan­ d ırm ad a elektrik alanları tara fın d an y ap ılan iş, V gerilim farkı ile parçacığın e y ü k ü n ü n çarpım ıydı. F akat bu iş, aynı zam anda ışın p arçacıkları tarafından kazanılan kinetik enerjiye de eşittir ve dolayısıyla —ıni7 = e V

2

(E .7)

yazılabilir. T h o m so n ’u n (E .3 )'ü k u llan arak hesapladığı mV V2e niceliğini, K aufm ann b u form ülden hesaplayabilm işti.

F Gaz Özellikleri ve Boltzmann Sabiti B u bö lü m d e seyreltik gazların basıncı, sıcaklığı ve y o ğ u n lu ­ ğ u arasın d ak i tem el bağıntıyı türeteceğiz ve b u b ağıntının, Avog ad ro varsayım ını gerçeklem ek ve atom ik ölçeğin b ü y ü k lü ğ ü n ü sap tam ak için nasıl kullanılabileceğini göstereceğiz.


B ir gazm basıncı, h erh an g i h ir y ü zey ü ze rin d ek i b irim alaına b u gaz tarafın d an uygulanan kuvvet olarak tanım lanır. B u k u v ­ vet, gaz p arçacık ların ın yüzeyle çarpışm alarm dan o rta y a çıkar. S e rt b ir d u v a ra çarp an b ir gaz parçacığının, b ir t zam anı b o y u n ­ ca d u v a ra sab it b ir F kuvveti uyguladığını v arsayarsak. Ü ç ü n ­ cü N ew to n Y a s a s ın a göre, d u v a r d a parçacığa a3 mı zam an sü ­ resince zıt y ö n d e b ir F k uvveti uygulayacaktır. B öylece p a rç a ­ cık F/m gibi bir ivm eye m aruz kalacak (b u ra d a m parçacığın kütlesid ir) ve (F /m ) x t k ad a rlık bir hız değişim ine u ğ ra y aca k ­ tır. P arçacık d u v a ra enerji verm ezse, d u v ara ça rp tık ta n sonraki hızı, çarp m ad an önceki hızından sadece y ö n ce fark edecektir, b ü y ü k lü k çe değil. B u nedenle, d u v a ra d o ğ ru olan y ö n d ek i hız bileşeni +V ise, çarp ışm adan so n ra hızı —V olacaktır; böylece h ı­ zın d ak i değişim 2 F d ir ve dolayısıyla, 2 v = Ft/m . D u v a rla çarpışan h e r parçacık tara fın d an d u v a ra uygulanan kuvveti hesap lam ak için bu sonucu kullanabiliriz: F = 2m v / t

(F .l)

Bu form ül, b u rad a, d u v arla tem asta olduğu sürece d u v a ra sabit b ir k u v v et uygulayan b ir p arçac ık için türetildi. P arçacığın d u ­ v arla çarpışm ası süresince k u v v et değişse bile (ki gerçekte bu böyledir), aslında bu form ül geçerlidir, y e te r ki F bu süredeki ortalam a k u v v et o larak yorum lansın. B unu kanıtlam ak için, parçacığın d u v arla tem asta olduğu i zam an aralığı k ü çü k k ü çü k alt-aralık lara bölünm eli ve b u alt-aralıkların, h er biri öyle k ü ­ çük olmalı ki bu sürede k u v v et esasen sabit sayılabilsin. ikinci N ew to n Y asası’n a göre, h er alt-a rah k ta kütle çarpı parçacığın d u v ard an geriye olan hız bileşenindeki değişme, du v arın p a rç a ­ cığa uyguladığı k u v v et çarp ı alt-aralığın süresine eşittir. Bu denklem in h e r iki tarafın ın değerlerini tü m alt-arah k lar için to p larsak , k ü tle çarp ı d u v a rd a n geriye d oğru olan hız bileşenin­ deki toplam değişm enin, y a n i 2m V hin, alt-aralıkların süreleri­


nin toplam ına, y an i t çarpı k u vvetin ortalam asına eşit olduğunu g ö rü rü z. Bu şekilde sonsuz çokluktaki sonsuzküçük terim leri toplam ak, in teg ral hesabın kalbinde y e r alan esas fikirdir. Basıncı hesaplam ak için, belirli herhangi b ir a n d a d u v arla te­ m asta olan h e r hızdaki p arçacık ların sayılarını d a hesap etm e­ miz g erekir. Bu, parçacığın hızına bağlıdır; tıpkı p arçacık başı­ n a ( F .l) kuvvetinin hıza bağlı olm ası gibi. Bu karm aşıklıkla b a ­ şa çıkabilm ek için, gazın kapatıldığı kabın kenarı ü zerinde b e ­ lirli b ir A yü zey in e dikkatim izi toplayalım ve k ap içindeki tüm gaz parçacık ların ın bu y ü z e y p arçasın a dik d o ğ ru ltu d a aymı V büyü k lü ğ ü n d ek i b ir hız bileşenine sahip olduğunu, yarısının yüzeye d o ğ ru gittiğini ve diğer y arısın ın ise y ü ze y d en u zak laş­ tığını hayal edelim . Böyle bir hayali d u ru m d a gaz tarafından uygulanan basıncı hesaplayacağız ve d ah a so n ra tüm hızlar üze­ rinden basıncın ortalam asını alarak parçacık hızındaki dağılım ı hesaba katm ış olacağız. H erh an g i b ir a n d a kabın k en arın d ak i b ir A yüzeyiyle tem as­ ta olan p arçacık ların sayısı, b ir T zam an aralığında bu yüzeye çarp an p arçacık ların İV sayısı çarpı h e r b ir parçacığın yüzeyle tem asta kaldığı f/T zam an kesrine eşittir. Bu d u ru m d a, b u y ü ­ zey üzerindeki toplam kuvvet, h er b ir parçacık ta ra fın d a n u y ­ g ulanan ( F .l) kuvveti çarpı N çarpı f/T ’dir. B asınç, birim 3nizey e d ü şen k u v v et o ld u ğuna göre; b u radaki basınç şudur: p = (2mV/t) X N X (t/T )/A . B ilinm eyen t zam anının y o k o ld u ğ u n a d ik k at edin; so n u çta şu ­ n u bu lm u ş oluruz: p = 2 m V x (N /A T ).

(F.2)

N / A T niceliği, p arçacıkların, kabın kenarının birim yüzeyine b ilim za m a n d a ça rp m a o ranıdır. F ak at p arçacık ların b u k ap k en a rın a ça rp m a oranı, N /A T , n ed ir? B ir T süresinde k e n a ra çarp an parçacıklar, k e n a ra d o ğ ­ ru g iden ve ona bu süre içinde çarp acak k a d a r y a k ın (yani v T


m esafesinde) olan p arçacık ların tü m ü d ü r. Dola 3 asıyla, k ap k e ­ narının b ir A 3TÜzeyine T süresi boyunca çarp an parçacıkların N sajnsı, tab am A v e yüksekliği v T olan b ir silindirin içindeki sayının y a n s ın a eşittir: N = -nAvT 2

B u rad a n, b u p arçac ık la n n gazın birim hacm indeki sayısıdır. 2 çarpanı gelir, çünkü varsayım olarak, parçacıkların yarısı k en a­ ra d o ğ ru gider, y arısı ise k en a rd an uzaklaşır. Böylece parçacıkla n n birim zam an d a birim yüzeye çarpm a oranının N /A T = -n V 2

(F .3)

o ld u ğ u n u g ö rü rü z. B unu (F .2 )'d e y erin e k o y arak , k ab ın k e n a r­ ları ü zerin d ek i basıncı 1 2

p = 2/71V X —nV=nmV'

^

o larak b u lu ru z. D a h a önce değindiğim iz gibi, bu sonucun, p a r­ çacık hızları üzerin d en ortalam asını almalıyız. B una göre, b a ­ sınç için d oğru yanıtım ız p = n m (V'^X,

(F.4)

olacaktır; b u ra d a (v^)„,,, gaz parçacıklarının hızının herhangi bir bileşeninin karesinin ortalam a değeridir. niceliğinin değerini b ulm ak için, klasik istatistik m eka­ niğin, e n e rjin in eşbölü şü n n ü olarak bilinen, b ir tem el so n ucuna güveniriz: D engeye gelmiş b ir sistem in h e r serbestlik derecesi, o rtala m a anlam da. E = \k T

(F.5)

ile v erilen aynı enerjiye sahiptir. B u rad a T m utlak sıfırdan b a ş­ lay arak ölçülen sıcaklıktır, k ise istatistik m ekaniğin B oltzm ann


sabiti o larak bilinen b ir tem el sab itid ir ve değeri sıcaklık için se­ çilen birim e bağlıdır. (O rtalam a anlam ına gelen E n in üzerinde­ ki çizgi, zam an ü zerinden ortalam adır, serbestlik derecesi üze­ rin d en değil.) H e r serbestlik derecesi, sistem in toplam enerjisi­ ne bağım sız b ir k atk ı sağlar dem enin ötesinde, b ir sistem in “ser­ bestlik derecesi ”yle ne kastettiğim izi b u ra d a d ab a kesin şekilde söylem ek bizi k o n u d an çok uzaklaştırabilir. B u rad ak i am açları­ mız için, b ir g azın serbest olarak h arek et eden h er parçacığının, toplam enerjiye j m (v^,+v;+ı/) bü y ü k lü ğ ü n e eşit b ir katkı y ap acağ ın a d ik k at çekm ek y etecek ­ tir. B urada V^, y, ve V, herhangi üç dik d o ğ ru ltu b o y u n ca (ör­ neğin, kuzey, doğu ve y u k a rı) parçacığın hızının bileşenleridir. H er parçacığın hızının h er bileşeni, bağım sız b ir serbestlik de­ recesi olarak nitelenir; böylece (F.5) denklem i bize, serb est ola­ rak h arek et eden p arçacıklardan oluşan b ir gaz için

—m V , = —mV,

2

'

2

= —m V

2

-

= —k T

2

(F.6)

olduğunu söyler. EşböJüşüm gerçekten çalışır; çü n k ü eğer fa rk ­ lı serbestlik dereceleri farklı enerjilere sahip olsalardı, o zam an çarp ışm alar y a d a diğer etkileşim ler, ortalam adan d ah a y ü k sek enerjili serbestlik d erecelerinden enerji çekerler ve onu diğerle­ rin e verirlerdi, ta ki hepsinin ortalam a enerjileri aynı olana dek. Bu niceliğin, y an i serbestlik derecesi başına o rtala m a enerjinin, sıcaklıkla ilgili esas özellik o ld u ğ u n a d a d ik k at edin. E ğ er iki ay ­ rık sistem , serbestlik derecesi başına farklı o rtalam a enerjilere sahipseler ve bu iki sistem tem as ederse, serbestlik derecesi b a ­ şın a d a h a y ü k se k enerjili sistem den diğerine enerji ak acak tır, ta ki birleşik sistem in tüm serbestlik dereceleri ay nı ortalam a enerjiye gelene d ek. İstersek, h er b ir serbestlik derecesindeki o rtalam a enerjiyi sistem in sıcaklığı olarak tanım layabilirdik, fa-


k at b u n u ölçm ek k o la j değildir. T arihsel nedenlerle, norm al a t­ m osfer basıncında b u zu n erim e noktasıyla suyun k ay n am a n o k ­ tası arasın d ak i sıcaklık farkının 1/100 u olarak tanım lanan S a n ­ tig rat y a da Celsius dereceyi (°C) sıcaklığın bilim sel birim i ola­ ra k alm ak neredeyse evrensel hale gelm iştir. B oltzm ann sabiti, sıcaklığın b u alışılmış birim inden serbestlik derecesi b aşın a d ü ­ şen enerjiye dönüşüm ü sağlar. Ç ağdaş ölçüm ler, b u sabitin d e ­ ğerini 1,3807 X 10"“ jul/derece olarak verir. H e r durum da, sı­ caklık için hangi birim i kullanırsak kullanalım , (F .5) denklem i klasik fizikte sıcaklığın m utlak sıfırına kesin b ir anlam verir: M u tlak sıfır, h er serbestlik derecesinin sıfır ortalam a enerjiye sahip olduğu sıcaklıktır. B uzun erim e noktasını sıfır alm ak y e ­ rine m utlak sıfırı T = 0 alm ak koşuluyla. S an tig rat cinsinden öl­ çülen sıcaklıkların, K elvin derece, “K y a d a sadece K cinsinden ölçülm üş oldukları söylenir. B u ölçekte buzun erim e nokt^ısı 273,16 K ’dir. Şim di gene gaz basıncına dönelim . (F .6 ) denklem i, h er p a r­ çacığın hızının h e r b ir bileşeninin karesinin zam ana göre o rtala­ masını v erir. B u n ların hepsi aynı olduğundan, gaz p arçacık ları­ na göre o rtalam a alsak da, (F .6) denklem i gene uygulanır. B u­ nu n la birlikte, şim di zam an ortalam ası alm am ız gerekm iyor; çü n k ü en erjin in k o ru n u m u n a göre, serbestlik derecesi b aşın a düşen en erjin in serb estlik derecesine göre ortalam ası zam anla değişm ez. (Bu, serbestlik derecesi sayısına bölünm üş toplam enerjiye eşittir.) D olayısıyla, gaz parçacıklarının hızının h e r b i­ leşeni, p arçac ık la ra göre ortalam ası alınm ış olarak. -m(v") = - k T 2

"

2

(F .7)

biçiminde verilir. ^ çarpanlan birbirini götürür ve bunu (F .4)’de kullanarak, bu kez p = n liT

(F .8)

eşitliğini bu lu ru z. G az parçacıklarının m kütlesinin b u ra d a o r­


tad an k alk tığ ın a d ik k at edin. Böylece bir Y hacm indeki gaz p arçacıklarının sayısı olan n V =p V A T , belirli b ir V hacim li, p basınçlı ve T sıcaklıklı tü m g azlar için ay­ nıdır. Bu, A vogadro varsayım ının doğrulanm asıdır. A tom kütleleri, yükleri, y arıçap ları vs. için b ir b ü y ü k lü k öl­ çeği sap tan ın cay a dek, fizikçiler ve kim yacılar, belirli bir Vha.c~ mi içindeki gaz m oleküllerinin sayısını sağlıklı o larak hesaplay am azlard ı. Bu nedenle, (F.8) gaz yasası, oldukça değişik bir y a p ıd a yazılm ıştı ve genelde öyle yazılır. Birim hacim deki gaz parçacıklarının sayısı olan n ile çalışm ak y erin e, birim hacim de­ ki kütle olan p y o ğ u n luğu o rtay a atılır, m kütleli gaz parçacık­ ları için y o ğ u n lu k p = nm

(F-^)

olarak hesaplanır. A yrıca, m kütlesini, gaz m oleküllerinin m ole­ kül ağırlığı )Xile b ir birim atom ağırlığı olan b ir m oleküle karşı gelen m , kütlesinin çarpım ı olarak ifade edebiliriz: m = |Jm |

(F.IO)

Y a da eşd eğ er o larak, A vogadro sayısı No, l/m , o larak tanım ­ landığından, m = |XdVo

( F .ll)

yazabiliriz. B öyleee (F .8) gaz yasası p =pR T 4l

(F.12)

şeklinde yazılabilir; R g a z sabiti adını alır: R = k/uiy = k N ^

(F.13)

B u rad a esas nokta, m olekül ağırlığı bilinen gazların basınç, y o ­ ğ u n lu k v e sıcaklığım ölçerek, R ’y i hesaplam anın açık b ir y o lu ­ n u n bulu n m u ş olm asıdır. B u yolla, on dok u zu n cu ynizyılda


jR’n in 8,5 x 10^ ju l/k g -K değerine sahip olduğu tilin ir hale gel­ mişti. R. bilinince, d iğ er değişken d e bilinirse, y a B oltzm ann sa ­ b iti k için, y a d a kütle m j (veya eşdeğer olarak N ^) için b ir d e ­ ğ er b u lu nabilirdi. Ö rn eğ in , 1901'de, ışm unın term odinam iği ile ilgili ünlü bir çalışm ada. M ax P lanck, B oltzm ann sabitini k ~ 1,34 x 10“^^ju l/K o larak hesaplayabilm işti. O te y an d a n , (F.13) denklem ini ve gaz sabitinin R = 8,27 x 10^ ju l/k g .K ’lık değerini k u llan arak d a I /n

1,34x10'*^ 8 ,2 7 x 1 0 "

m ,= k / R = —--------------^ = 1 , 6 2 x 1 0

kg ^

y a d a eşdeğer o larak No = 1/in, = 6,17 X lO'-dig d eğ erlerin i hesaplam ıştı. A yrıca, elektroliz çalışm alarından alınm ış F = e/nny -- eNo = 9,63 x 10^ conlom b/kg farad ay değerini kullanarak, P lanck, elektronun y ü k ü n ü d e h e ­ saplayabilm işti: e =

= 9,63 x 10^ x 1,62 x 10"^^ = 1,56 x 10“'®coulom b.

O n y ıl sonra, M illikan, elektronik y ü k ü n d o ğ ru d an ölçüm ünü başarm ış ve e = 1,592

X

10"'’ coulom b

değerini bu lm u ştu . M illikan, faradayın değerini F = 9,65 x lO'^ coul/kg alarak, A vogadro sayısını Ai = "

= 6,062 XlO^Vkg 1 ,5 9 2 x 1 0 "'’

y a d a eşdeğer o larak

Jîîl = l/No = 1,65 X 10"^^ kg

^


hesaplayabilm işti. Ayrıca, gaz sabitini R = 8,52 x 10^ julAıg.K alarak, B oltzm ann sabitini de hesaplam ıştı:

E nerjinin eşbölüşüm ilkesi, b ir gazın enerji içeriğinin de ba­ sit şekilde tah m in in e izin verir. (F.6) denklem ine göre, h er gaz parçacığı —mV, t— mV,. + —mV. + — I T

2

•'

2

2

'

2

o rtalam a kinetik enerjisine sahiptir. H e r parçacığın kütlesi m ise, birim kütleye düşen enerji £ = - A T /m = - R T / u

2

2

Bu, gerçekte sadece helyum gibi tek-atom lu gazlar için d o ğ ru ­ d u r. M olekülleri iki-atom lu olan b ir gaz için ( 0 2 y a d a N j gibi), m olekülün yönelim ini belirtm ek için gerekli iki açıya karşılık gelen iki serbestlik derecesi d a h a vardır; dolayısıyla m olekül ba­ şına 2

X

2 /iY’k adarlık b ir e k enerji söz k o n u su d u r ve kütle ba­

şına enerji £=

Ö rn eğ in , oksijen için

)Ll =

32'dir; böylece tipik T = 300 K ’lik oda

sıcaklığında oksijenin bir kilogram ındaki ısıl enerji IX 8,3 X10’ X300/32 = 1,9 x 10®jul

değerine eşittir. Kütlesi bilinen b ir gazda istenen sıcaklık deği­ şim ini m eydana getirm ek için gereken enerjinin ölçüm leri, R gaz sabitine d eğ e r biçm ek için b ir b aşk a yol sağlar.


G MiUlkan'm Yağ Dam lası D eneji Bu bölüm de M illik an’ın y a ğ dam lacıklarınca taşınan elektrik 3m kü değerlerini sap tam ak am acıyla, dam lacıkların h arek etle­

riyle ilgili ölçüm lerin nasıl kullanılabileceğini gösterm ek için İkinci N e w to n Y asası’nı ve viskozluğun S tokesY asası nı uygu­ layacağız. B ir y ağ dam lasının, elektrik alanı y o k k en , sadece y erçek im i­ nin etkisi altın d a d ü ştü ğ ü n ü varsayalım . B u dam la, (A.3) d en k ­ lem ine göre, aşağıya doğru (G .l) değ erin d e b ir y erçekim i k u v v eti hissedecektir; b u ra d a m d a m ­ lanın kütlesi ve g = 9,806 m/s^'dir. D am lanın aşağıya d oğru olan h arek eti, h avanın viskozluğu ta ra fın d a n engellenecek; y a ­ ni bu viskozluk, aşağıya d o ğ ru olan bileşeni S tokes Y a sa sıy la verilen i^vis = - d'TrnaV

(G .2)

gibi b ir k u v v et doğu racaktır; b u ra d a 71 = 3,14159..., rj havanın viskozluğu adını alan b ir p ara m e tre (ki b u n u n için M illikan 1,825 X lO ®nevton.s/m ^ değerini alm ıştı), a dam lanın yarıçapı ve V d am lan ın aşağıya d oğru olan hızıdır. (G .2) denklem indeki eksi işareti, b u ku v v etin hıza te rs y ö n d e (burada, y u k a rıy a d o ğ ­ ru ) etkidiğini anlatır. B aşlangıçta, dam la düşm eye başladığında hızı k ü ç ü k tü r; dolayısıyla ( G .l) , (G .2 )’d en d a h a b ü y ü k tü r ve dam la aşağıya d o ğ ru ivm elenir. D a h a sonra, hız arttıkça, (G .2 )’deki viskozluk k uvvetinin b ü y üklüğü arta r; b u d u ru m d a aşağı d o ğ ru olan n e t k u v v et v e dolayısıyla ivm e azalır. S o n u n ­ d a hız, (G .2 )’nin ( G .l ) ’i tam y o k edeceği b ir değere ulaşır; işte b u n d a n so n ra dam la bu h ızla düşer, a rtık ivm e y o k tu r. D am la­ cığın e n so n u n d a ulaştığı b u Vj "lim it” hız, (G .l) ve (G .2) d e n k ­ lem lerinin toplam ını sıfıra eşitleyerek bulunur:


D am lanın p y o ğ u n lu ğ u n u (hacim b aşm a kütle o lara k ) biliriz, m ile a arasın d a b ir bağıntım ız d a var; m kütlesi, dam lanın 47IaV3 olan hacm i çarpı p ’dur: m = 47la’p/3.

(G .4)

(G .4 )’ün (G .3 )’te kullanılm ası

0 = 4na^pg/5 - ÖTüTlaVo eşitliğini v erir ve b u radan dam lacığın yarıçapını bulabiliriz: 9t1V„ '4ffP

(G .5)

Bunu (G .4 )’te y e rin e koyarak dam lacığın kütlesini buluruz: 4/rp 3

(2gpj

(G .6)

Böylece (G .5) ve (G .6)'yi kullanarak, yoğunluğu bilinen b ir dam lacığın kütlesini ve yarıçapını, V„ lim it hızından çıkarabiliriz. Şim di, b iry iiğ dam lacığının, sadece yerçekim i ve viskozluğun değil, ayrıca aşağıya d o ğ ru yönelm iş bir i i elektriksel ala­ nın d a etkisi a ltın d a h arek et elliğini düşünelim ; bu elektriksel alan d a c/ d eğ erin d e bir elektriksel y ü k taşıyan dam lacık ü z e ­ rinde (G .7)

Fm = g i i

gibi aşağı d o ğ ru b ir elektriksel kuvvet bileşeni d o ğ u ru r. (B u ra­ d a g ’n u n eksi olduğunu varsayalım ; bu d u ru m d a

d e eksidir.

Bu d em ek tir ki elektriksel kuvvet aslında y u k a rıy a d o ğ ru d u r.) Alan d a vark en , y a ğ dam lacığının ulaşacağı lim it hız gene, iv­ m enin ve dolayısıyla dam la üzerine etkiyen toplam kuvvetin sı­ fır olm ası k o şu lu n d an elde edilir: 0 =

+ ^el,

(G .8)


(G .l), (G .2) v e (G .7 )’3n kullanarak, b u n u O = m g — öîlTlaV + q E şeklinde b u lu ru z ve b u ra d a n dam lacık ü zerindeki y ü k ü b u lab i­ liriz: (G .9)

q = (—m g + 6TVi\aV)/E

m ve a y ı b u lm ak için, h er dam lanın önce alan y o k k en düşm esi­ ne bakılm alı ve so n ra q y u b ulm ak için, alan uy g u lan arak d am ­ lanın yük selm esi gözlenm elidir. B unun nasıl işlediğini görm ek için sayısal değ erleri y erin e k o y m ad an önce, b u b asit analize (ikisi de M illikan tara lın d a n ) yapılm ış iki düzeltm eye değinm eliyiz. İlkin, havanın k ald ırm a etkisi de söz k o n u su d u r. A rkhim edes zam an ın d an beri b ilin m ek ted ir ki, b ir sıvı içerisine batırılm ış bir cisim ü zerin e uy g u lanan kaldırm a etkisi, cism in ağırlığını, cis­ m in y e rin i aldığı sıvının ağırlığına eşit m ik tard a azaltır. B u rad a­ ki d u ru m d a, havanın kald ırm a etkisi, etkin yerçekim i kuvveti­ ni, ( G .l) değerinden c

4;r

3-

= m g - — a Pı,,..g

d eğ erin e in dirir. (G.-4) denklem ini h atırlarsak g ö rü rü z ki, kal­ d ırm an ın tü m etkisi tam olarak, denklem lerim izde h er y erd e p y o ğ u n lu ğ u n u

Petkin P

pKav

(G.IO)

biçim inde etkin b ir y o ğ u n lu k la değiştirm ektir. O d a sıcaklığında ve d en iz-d ü zey i-a tm o sfer b a sın c ın d a h av a y o ğ u n lu ğ u

1,2

kg/m^’tü r; M illikan'm kullandığı yağın yoğunluğu ise 0,9199 x 10^’tü. D olayısıyla denklem lerim izde kullanılm ası gereken y o ­ ğ u n lu k şudur: = 0,9187 X 10’ kg/m ’.


ik in ci düzeltm e çok d ah a k arm aşık tır ve sa jısa l o larak d a d a ­ h a önem lidir. Ç ok k ü çü k dam lacıklar için, yani h av a m olekülle­ rinin çarp ışm alar arası o rtalam a t serb est y o lu n d an çok fazla b ü y ü k olm ayan dam lacık y arıçap ı için, Stokes Y asası tam d o ğ ­ ru değildir. Bu durum da, dam lacığın dolayında a k an hava, Stok es’un varsaydığı gibi, tam düzgün b ir akışkan olarak d a v ra n ­ maz; fak at b ir dereceye k a d a r serbest hareket eden m oleküller topluluğu gibi h arek et eder. Bunu hesaba katm ak için, M illikan gerçekte f] hava viskozluğunu etkin b ir viskozluk ile değiştirdi ve b u nun ( G .l l )

Be,um = ri/(l + A tla)

olarak alınabileceği tahm ininde bulundu; burada A dam lanın bo­ y u tu n a y a da havanın özelliklerine bağlı olmayan bir sabittir. Ku­ ramsal bir hesaplam a A = 0,788 değerini vermişti; fakat Millikan A = 0,874 değerinin daha iyi sonuç verdiğini bulm uştu; y ani fark­ lı dam lacıklarla ölçülen elektronikyüklerin, bu A değeri kullanıla­ rak hesaplandığında, birbirlerine daha yakın çıktıklarını görm üş­ tü. Damlacık yarıçapı a y ı bulm ak için (G.5) denklem inde kulla­ nılması gereken etkin viskozite budur. İlke olarak, T|^.,|„„ a y a bağlı olduğundan, a y ı bulm ak için oldukça karmaşık bir cebirsel denk­ lem çözmeliyiz. İyi ki Ha çok küçüktür;

B

çok y ak ın d ır ve

bu nedenle etkin viskozluğu bulm ak için (G .l l ) ’d e a n ın düzeltil­ memiş değerini kullanm ak uygun b ir yaklaştırm adır:

\+AL

1 9tiv„

(G.12)

[Bu kez b u ra d a işin içine (G.IO) kaldırm a düzeltm esini k ata­ rız.] S o n ra b u n u (G .5) denklem inde Ti’nın y erin e kullanarak dam lacık y arıçapını

^SiPetküı

(G .13)


v e etkin dam lacık kütlesini (Ü .M ) (G .14) o lara k bulu ru z. D a h a so n ra d a (G .9 )’dan, k ü tle ve viskozluk için etkin d eğ erler kullanılarak, dam lacığın üzerindeki y ü k hesaplanır; <? = ( -

+ 67tri,,ii„aV)/E.

(G .16)

B u n u n sayısal o larak nasıl hesaplandığını görm ek için, ABllik an ’ın 1911 tarihli m akalesindeki 16 num aralı y ağ dam lacığını ele alalım . B u dam lacığın, elektrik alanı y o k k en , 5,449 x 10“'* m/s o rtalam a limit hızıyla d ü ştü ğ ü gözlenm işti. Y ağın (G .IO ) et­ kin y o ğ u n lu ğ u n u 0,9187 x 10^ kg/m ^ hav an ın düzeltilm em iş visk o zlu ğ u n u 1,825 x 10"* nevton.s/m '' ve h av a m oleküllerinin I o rtala m a serb est y o lu n u 9,6 x 10"* m etre alarak, (G .12) etkin viskozluk 1,825x10'

O^tklıı + 0,874

X 9,6 X

10^

X.

2x9,806x0,9187x10* 1 9x1,825 X 10 * X5,499 X10"

= 1,759

X lO "'’ n e v t o n . s / m ^

o larak b u lu n u r. D am lacığın y arıçap ı ise (G .13) denklem inden hesaplanabilir: 9 X 1 , 7 5 9 X İ 0 - ' J İ 5 ,4 4 9 x 1 0 1

^

\

^

3,188 x

1 0 "‘ m e t r e

2 x 9 ,8 0 6 x 0 ,9 1 8 7 x 1 0 *

(M illikan d a 2,188 x 10"® m etrelik b ir d eğer bulm uştu.) D am la­ nın etk in kütlesi, (G. 14) denklem inden Y

X 0 .9 1 8 7 X 10* X (2,188 x 10^)*

= 4,03 X 10-'^ kg


o larak çıkar. E = 5 ,178 x 10®volt/m etre değerli b ir elek trik ala­ nı ile, dam lacığın ilk y ü k selm ed e V= -5 ,7 4 6 x 10""' m /s’lik hızla y u k a rı d oğru çıktığı gözlenm işti. (B u ra d a eksi işareti konm uş­ tu r, çü n k ü V aşağı y ö n d ek i hız bileşeni olarak tanım landı ve dam la aslın d a yükselir. Y ani b u ra d a viskozluk k u v v etleri yerçekim iyle aynı y ö n d e etkim ektedir.) A rtık (G .15) denklem inden, dam lacık ü zerin d ek i elektrik y ü k ü </ = [-(4 ,0 3 X 10-'^ X 9,806)

- (6tix 1,759 X 10® x 2,188 x 10"'=x5,746 x 10-')] /3 ,1 7 8 x 10® = —2,555 X 10"'" couiom b olarak b u lu n u r. Bu, kendi başına, bize elek tro n ik y ü k ü v e r­ mez; çü n k ü dam lacığın kaç tane fazlalık elek tro n taşıdığını bil­ mek zo ru n d ay ız. M illikan bu sorunu, elektrik alanını birkaç kez açıp kapııyarak çözm üştü; Alanı h er açışındaki y ü k selm e­ de dam lacığın elek trik y ü k ü n ü ölçm üş ve bu ¿ırdışık y ü k se lm e ­ lerde y ü k tek i değişim in, daim a aynı y ü k niceliğinin tam sayı k atların a y ak ın old u ğ unu gözlem lem işti. T üm b u v erileri b ir araya g etirerek , M illikan 191 T de, elektronun (—1,592 ± 0,003) X I 0 ''' coulom ba eşit b i r —e y ü k ü n e sahip olduğu so n u cu n a v a r­ mıştı. Ö zellikle, ilk y ükselm ede dam lacığın taşıdığı elektron y ü k lerin in sayısını - 2 ,5 5 5

X

10 '

-1 ,6 9 2 X 10"'

: 16,05

olarak hesaplam ıştı. Yani 16 num aralı dam lacık ilk yükselm ede m u tla k a 16 elektron y ü k ü taşıyordu. K üçük uyuşm azlığın (0,05/16 « y ü z d e 0,3), ölçm enin k ü çü k rasgele h atala rın d an ile­ ri geldiği kolayca anlaşılabilirdi. M illikan m deneyindeki en büyük tek hata, onun kendi ölçme­ lerinden değil de, havanın viskozluğu için şimdi bilinenden olduk­ ç a d ü şük b ir değer kullanm asından kaynaklanm ıştı. T| için Millikan'ın deney yaptığı sıcaklıkta (23 °C) bugün kabul edilen değer 1,844

X

lO"'® nevton.s/m^’dir; bu, M illikan'ın değerinden yüzde 1


dalla fazladır. B u hatayı düzeltm ek,

değerim 3m zde 1 e yakın,

dam lacık y an ç ap ın ı 3 iüzde 0,5, dam lacık kütlesini y ü zd e 1,5 ve tü m 3m k leıİ 3m zde 1,5 artırm aya neden olur. Özellikle T|’d aki artı­ şı düzelttikten sonra, elektronik y ü k için MiUikan’m 191 Tde bul­ duğu değer (—1,616 ± 0,003) x 10“'^ coulom b haline gelir.

H Radyoaktif Bozunum B u ra d a ra d y o ak tif bozunum un üstel yasasını tü rete cek ve b u n u n ra d y o ak tif elem entlerin yaşların ı kestirm ede nasıl kulla­ nılabileceğini göstereceğiz. B ir ra d y o ak tif elem entin i ]/2 y a n -ö m rü , elem entin herhangi b ir m ik ta n m n y arısının b o zu n u m a uğrayacağı zam andır. R ad­ y o a k tif elem entin

tan e atom uyla b a şla r ve t zam an b ek ler­

sek, y a rı-ö m rü n t/tı /2 kesri k a d a r süre geçm iş olacak; atom ların sayısı ^ ’nin i/t ]/2 kuvvetiyle azalm ış olacak v e dola 3nsıyla kalan atom ların sayısı aşağıdaki gibi verilecektir; N --

N„

( H .l)

Ö rn eğ in , radyum 1600 yıllık b ir yarı-öm re sahiptir; b u n a gö­ re d ,5 X 10’ yıl önce o lu ştu ğ u n d a yerk ü rem izd e m evcut olan rad y u m u n şu an d a «10-' k ad arlık kesri y erk ü rem izd e h âlâ v ar dem ektir. Bu sayının aşı­ rı kü çü k lü ğ ü , b u g ü n y erk ü rem izd e b u lu n an rady um un, d ah a uzu n y aşa y an elem entlerin ra d y o ak tif b o zu n u m u n d a üretilm iş olm ası gerektiğine bizi inandırır. R adyoaktivitede belirli b ir azalm a için gerekli zam anı bulm ak am acıyla bu tü r hesap lar tersine çevrilebilir. ( H . l ) ’d en i y i bu l­ m ak için logaritm a kullanm alıyız. H erh an g i b ir sayının logarit­ ması, b u sa3nyı verecek 10 ’un kuvvetidir (b ir tam sa 3U olması ge­ rekm ez) ö rneğin 10’ = 1, 10' =10, lO'^ = 100 v b ... olduğundan.


log 1 = o, log 10 = 1, log 100 = 2 ,.... vb. dir. A yrıca 10"' = 0,1, 10"^ = 0,01, ... vb. olm ası nedeniyle log 0,1 = —1, log 0,01 = - 2 ,.....vb. dir. D ahası, 2 = 10®'®”“, 5 = lO“'“*^', .... vb. o ld uğundan, log 2 = 0,3010, log 3 = 0,4771, .... vb. dir. Ayrıca, log x = a ve l o g y = b ise, b u n lar x = 10“ ve y = lO*" dem ek olduğundan, x y = lO" x 10“ = 10“’“ ve dola 3nsıyla log (xy) = log X + lo g y

(H .2)

log (x /y ) = log X - logy

(H .3)

dir. B enzer olarak

yazılabilir. Son olarak, log x = a dersek, x = 10“ dır; x? = 10“-'' ve dolayısıyla b u rad an şu bağıntıyı d a bulabiliriz: (x'> = y lo g X

(H .4)

( H .l) denklem ini çözm ek için, sadece iki tarafın logaritm ası­ nı alm ak gerekir. Bu log (N/N„) = (t/t,«)

X

log f r = - 0,301 o

X

(t/t,,,)

(H .5)

ifadesini v erir. Sözgelişi, herhangi b ir rad y o ak tif örneğin baş­ langıçtaki y o ğ u n lu ğ u n u n y ü z d e l ’e düşm esi için geçecek za­ man, y arı-ö m rü n katı olarak. t/t,.

_

lo g (0 ,0 1 )

-2

-0 ,3 0 1 0

-0 ,3 0 1 0

= GM

k ad ard ır. Bir radyoaktif örneğin yaşını bulm ak için, sadece çeşitli ilk bollukların oranı bilindiğinde bile, gene radyoaktif yoğunlukların ölçüm lerini kullanabiliriz. İki izotopa sahip olan bir elem ent dü­ şünelim; bu izotoplar başlangıçta (yani yıldızlarda)

= ra

o ran ın d a üretilm iş olsunlar ve şimdi bulunm a o ra n la n Ai/Aij = r


olsun. ( H .l) denklem ini h er iki izotopa u_ygulayarak

N, yazabiliriz; b u ra d a t, ve t2, 1. ve 2. izo to p u n yarı-öm iirleridir. Bu iki d enklem in o ram şudur:

L ogaritm a alarak lo g r - !ogr„ = --------

y a d a iy i çözerek ,_

lo g r - lo g r „

f “ Z'

\

lo g [

i.

bulu ru z, ö rn e ğ in X

1

ve

(H .6)

sırasıyla 0,714 x 10^yıllık ve 4,501

yıllık y arı-ö m ü rlere sahiptirler; r o = ( “ W ^ « U )> ^ « l,6 5

k ad a r o ld u ğ u n a inanılan bir başlangıç oranı ile oluşm uşlardır ve şu a n d a r = (236u/238u).^j, = 0,00723 bolluk oranı ile b u lu n m ak tad ırlar. Bu d u ru m d a (H .6 ) denklem i u ra n y u m u n yaşını =

log (0,00725)- l o g (1,65)

_ J __________ L _ l x l o i " ' i(0,; -0,714x10’ 4,501 X 10’J ’‘ ®2


o larak v erir. B u rad aki logaritm aların değerleri log (0,00723)

2 ,H 0 9

log (1,65)

0,2175

log (1/2)

0.3010

dur; böylece u ran y u m u n yaşını 6,65 x 10’ yıl olarak buluruz. E vrenim iz en az bu y a ş ta olm alıdır. Bir elem entin y a n -ö m rü n ü bilirsek, tek tek atom ların bangi hızla rad y o ak tif b o zu n u m a uğrayacaklarını hesaplayabiliriz. B ir rady o ak tif elem entin

tane atom uyla başladığım ızı varsa­

yalım ve çok kısa b ir f zam an aralığı k a d a r bekleyelim . Bu süre so n u n d a N atom kalmışsa, N,) - N atom bozunm uş d em ek tir ve herhangi b ir atom un bozunm uş olm a olasılığı (Ng — N)/N(,'dıv. ( H .l) denklem ine göre bu. k ıs a b ir l s ü r e s in d e b o zh in ın a olcisılığı

No

U

(H .7)

şeklinde verilir. B unu hesaplam ak am acıyla, herhangi bir sayı­ nın k ü çü k kuvvetleri için v a r olan aşağıdaki genel form ülü k u l­ lanırız;

(H.8)

a*» 1 + e(!og a)ÎM

B u rad a M , 0,4343... değerli b ir sa f sayıdır. (H .8 ) denklem i, e’un öyle k ü çü k değ erleri için geçerli bir y ak laşık lık tır ki ^ ile orantılı terim ler göz ardı edilir. B u açılımı, a = 1/2 ve £ = alıp, (H .7 ) denklem ine uygulayarak, bir atom un iı/a'den çok k ü çü k b ir t zam an aralığında bo zu n m a olasılığını aşağıdaki gi­ bi buluruz: kısa bir t süresinde bozunma olasılığı

¡^](lo,g i)/M 0,3010) f t ]

=(

^^^1

=0,693. 1^

(H .9)


ö rn e ğ in , bize ra d y u m u n (t,Q = 1600 3^!) b ir atom u verilmişse, gözlediğim iz ilk 1 0

içinde atom un bozunm a olasdığı 0,6931 X

10 1600

: y ü z d e 0,-43

tü r. [(H . 8 ) denklem ini sınam ak ve iid’nin nasıl hesaplandığını gö rm ek için, denklem in sol tarafının 1/C kuvvetini alalım. B unu d ab a derli toplu olarak şö jle yazabiliriz: [1 + £(log a ) /M ]‘'* = [(1 4

(log a)/M

B u ra d a ö = £(log a)/A I’dir. Şim di £ çok küçükse, ö d a çok k ü ­ ç ü kt ü r ve (1 +

niceliği e adı verilen b ir lim ite y ak laşır

(elek tro n yü k ü y le karıştırılm asın). Ö rn eğ in S = 0,01 veya 0,0001 y a da 0,000001 alarak (1 .0 1 ) "»

= 2,704814

(1 .0 001) "'“ «

= 2,718146

(1.000001) "’” “«" = 2,718282 değ erlerin i hesaplayabiliriz. Bu sayıların yakınsam ası, iyice k ü ­ çük d’lar için (1 + 5)"® niceliğinin 2,71828 sayısına y ak ın b ir li­ m ite y ak laştığ ım (k an ıtlam ad an ) gösterir. Bu lim it için d a h a k e ­ sin b ir d eğ er şudur: e = lim it 5 ^ 0i,in (1 + ¿)"^= 2,718281285. (1 + ¿ )"^ y ı e y e eşit y azm ak [1 + £ ( İ 0 g a ) / M ] " ^ =

= JQ(lage)(los.)/M

so n u cu n u verir. D ola 3nsıyla M = log e = 0,4542944819 • ;.\ ü

alırız; öyle k i

, .ımıınnl [1 4 £ ( lo g a ) /M ] " " « 10'“^“ = a


olur. B u n u n £ kuvvetini alın ca (H .8) denklem i çıkar; böylece bu form ülü ve M için alınan değeri doğrulam ış oluruz.] (H .9 )’daki t,y2/0,6931 niceliği b ir b a şk a anlam a d a sahiptir: B u nicebk, ra d y o ak tif elem entin h er b ir ato m u n u n ortalam a ö m rü d ü r (t„„). B u n u görm ek için, bize b ir rsıdyoaktif m addenin b ir ato m u n u n verildiğini düşünelim ; b u atom b ir ra d y o a k tif bo­ zu n u m a u ğ rarsa, bize d erh al b ir b a şk a atom verilsin. Y arı-öm re g ö re çok u zu n b ir T zam anı k a d a r beklersek, b u sürede göz­ leyeceğim iz bo zu n u m ların sayısı çarpı iki bo zu n u m arasındaki o rtalam a zam an t„,.„ T 'y e eşit olm abdır: B ozunum ların sayısı = T /t ^ . F ak at bu süre b o y u n ca v a r olan b ir ato m a sahip olduğum uzdan, h erhangi bir kısa t zam an aralığ ın d a b ir b o zu n u m u n d ü zg ü n b ir olasılığı v a rd ır ve bu da b o zu n u m ların sayısı çarpı toplam za­ m an aralığının t/T kesrine eşittir: K ısa b ir t sü resinde b o zu n u m u n olasılığı “

^p ~

B u n u n (H .9 ) denklem iyle karşılaştırılm ası g ö sterir ki, an c ak ve ancak b ir ato m u n o rtalam a öm rü C = t,«/0,6931 = 1,4427 t,;

(H .IO )

ise, b u iki form ül uyum lu olur. Ö rneğin, radyum ato m u n u n o r­ talam a öm rü, 1600 yıllık y a n -ö m re eşit değil, fa k at 1600 x 1,4427 = 2300 jn la eşittir. B u u y arılar, m atom k ütlesini tahm in etm ek için radyoaktifli­ ği ku llan m ay a y ö n elik b ir y ö n tem cıkla getirir. B ir ra d y o ak tif elem entin y arı-ö m rü n ü ölçebildiğim izi varsayalım ; sözgelimi, b ir rad 3m m örneğinin o n ja ld a radyoaktifliğinin ilk şiddetinin y ü zd e 99,568’ine d ü ştü ğ ü n ü gözleyelim . (H .5) denklem ini ku l­ lan arak y arı-ö m rü n t,,.

_ -0 ,5 0 1 0 x l0 y ıl _ 1600 yı! log (0,99568)


olduğu so n u cu n a v a rın z . A y rıca bize b u ra d y o a k tif elem entin bilinen m kütleli b ir örn eğ in in verilm iş o ld u ğ u n u varsayalım y eterin ce k ü çü k b ir ö rn e k olsun bu, öyle ki ra d y o a k tif b o z u ­ n u m ları te k tek sayabilelim (bunu, örneğin, rad y u m d an çıkan alfa p arçacık ları b ir çinko sü lfü r e k ra n a ç a rp tığ ın d a ü retilen ışık p arlam aların ı say arak y ap ab iliriz). K ısa b ir t süresince gözlenen b o zu n u m ların sayısı, tek te k atom ların b o zu n u m u için (H .9) olasıbğı çarpı ö rn e k te k i atom ların m/fltıiı sayasına eşit olacaktır: B o zunum lar = 0,693

fim,

(H .11)

(B u ra d a |t atom ağırlığı ve m , birim atom ağırlığına k arşı gelen kütledir; böylece |Xm, b ir atom un ağırlığıdır.) B irim zam andaki bo zu n u m ların oranını ölçerek ve m, |Xve tj/2 değerlerini bilerek, bunu, mı atom kütlesini y a da eşdeğer olarak, N q = 1/m, Avogadro sayısını bulm ak için kullanabiliriz.

I Atomda Potansiyel Kneıji B urada, b ir atom çekirdeğinden belirli b ir u z a k b k ta bu lu n an y ü k lü b ir p arçacığın potansiyel enerjisi için b ir form ül tü re te c e ­ ğiz ve belirli b ir h ıza sahip b ir alfa parçacığının çekirdeğe en fazla y ak laşab ileceğ i uzaklığı k estirm ek için b u form ülü k u lla­ nacağız. q e lek trik y ü k lü b ir p arçacığ m q' yniklü b ir çe k ird ek ten r u zak lığ ın d a b u lu n d u ğ u n u d ü şü n ü n . Bu parçacığ ın potansiyel enerjisi, r y e bağlı b ir nicelik olduğunu vurgulam ak için, V (r) şeklinde gösterilir. V (r)y i b u lm ak için, parçacığın, çekirdeğin elek trik alanı tarafın d an r ’d en r' y e itildiğini keıfam zda can lan ­ dırın, d b u ra d a r y e çok y a k ın olsun. G idilen uzeddık ço k k ü çü k old u ğ u n d an , y o l b o y u n ca k u v v et neredeyse sabit (yaklaşık r d e ­ ki d eğ erin e eşit) kalır ve C oulom b Y a sa sıy la â23_


olarak verilir. K at edilen m esafe r' - r’dir; dolajnsıyla alan ta ra ­ fından yapılan iş F x (r' — r ) ’dir. Bu, tanım olarak potansiyel enerjideki artışa eşittir; dolayısıyla r', r'ye çok yakın olm ak üzere V (r) - V(r') - F x (d - r) y a da, b ir başk a deyişle, V ( r ') - V ( r )

yazabiliriz.

-k g g '

( 1. 1)

işareti “yaklaşık olarak eşit” anlam ına gelse de,

(1.1) ifadesi, r' r ’y e yaklaşırken, V (r') - V (r)'nin davranışı için kesin b ir ifade olarak anlaşılm alıdır. Bu limitte ( l . l ) ’in sol y a ­ n ın d a hem pay hem payda sıhr olsa da, oranları —F ’y e eşit bir sonlu limite yaklaşm alıdır. Bu limit, genel m atem atikte V (r)’nin türevi olarak bilinir. ( I .l) koşulu bize sadece K (r)’nin r ile nasıl değiştiğini söyler. (1.1) denklem ini sağlayan herhangi bir V(r) verilsin; bu n a bir sabit ekleyerek, ( I . l ) ’in b aşk a bir çözüm ünü bulm uş oluruz. V (r)’y i saptam ak için, çek ird ek ten çok uzak m esafelerde p o ta n ­ siyel enerjinin sıfır olduğu şeklinde oldukça doğal b ir anlaşm a yapabiliriz: çok b ü y ü k r ’ler için, V(r) sıfıra y aklaşır.

( 1. 2)

Bu iki koşul V (r)’y i belirtm eye y etecektir. İş k u v v et çarpı m e­ safe ve kuvvet 1/ri ile orantılı olduğundan, Vinin 1 /rile orantılı olduğunu tahm in edelim: V (r) = A /r Bu varsayım ı sınam ak ve A sabitini hesaplam ak için ( I .l) d en k ­ lemini kullanalım . V ir')-V {r)

— = A ( n - r ')/ r r '

o ld u ğ u n a d ik k at edelim; b u n a göre


r —r dür. r '’n ü n r y e yaklaştığı lim itte, sağ ta ra f —A /r ’’dir; dolayısıy­ la A =

ise, ( I .l) denklem i gerçekten de sağlanır. (I.2)'de,

1 /rile orantılı V(r) için açık ça sağlanm aktadır. Bu d u ru m d a ç ö ­ züm üm üzün V^(r) = ^

(1.3)

olduğu so n u cu n a varırız. (1.3) denklem inin ( I .l) koşulunu sa­ dece y ak laşık o larak sağladığını v u rg u lam a k ta y a r a r var; fakat r', r y e gitgide yak ın laştıkça, yaklaştırım sınırsız biçim de kesin hale gelir; dolayısıyla (1.3) denklem ine, problem im izin kesinlik­ le d oğru b ir çözüm ü olarak bakılm alıdır. K alkülüs bu tü rd en hesaplam alar için icat edilm iştir ve kullandığım ız yöntem , kalkülü sü n y ö n tem lerin e tem el b ir örnek o lu ştu ru r. q = 2 e y ü k lü b ir alfa parçacığı sonsuzda E„ enerjisi ile h a re ­ kete geçerse ve q'= Z e y ü k lü b ir çekirdeğe r k ad a r y ak laştığ ın ­ d a V hızına sahipse, bu d u ru m d a enerjinin k o ru n u m u n a göre, başlangıçtaki

enerjisi, V(r) potansiyel enerjisi ile ^ mV'^ ki­

netik enerjisinin toplam ına eşit olm alıdır: c. 2AZe' , I , = — -------+ - m \r “ r 2

E

( 1 .4 )

Ö rn eğ in , alfa parçacığı dosdoğru çekirdeğe yönelm işse, (1.4) d enklem inin V = O’h çözüm üyle verilen b ir r,„¡„ uzaklığında bu alfa parçacığı d u rg u n hale gelecektir: 2kZe^ E

(1.5)

A lfa parçacığı y a ta y olarak 10® voltluk bir gerilim farkıyla hız­ landırılm ışsa, enerjisi 2 x 10® elektron-volt (çünkü y ü k ü 2 e’dir), ya da 2xl0®x

1 ,6 x 1 0 - '" = 3 , 2 x 1 0 " jul


olacaktır. (1.5) denklem i çekirdeğe en fazla y ak laşm a uzaklığını _ 2 X 8 ,9 8 7 X 10’ X Z X g ,6 x 1 0 ''^ 3^x10"

= 1,4 X 10"'^ Z m etre o larak verir. A ltın için Z = Z9’dur; dolayısıyla alfa parçacığı çe­ k ird eğ in m erkezinden 10“'®m etrelik bir uzaklığa k a d a r sokulur; g erçek ten d e çekirdeğin içine y eterin ce girdi denecek k ad a r çe­ kirdeğe nüfuz eder.

J Rutherford Saçılması B urada, b ir atom çekirdeğinden bir alfa parçacığının saçıl­ ması için R u th erfo rd tarafın d an türetilm iş olan form ülü ele ala­ cağız ve bu form ülün, çekirdeğin varlığını d o ğ rulam ak ve y ü k ü ­ nü ölçm ek için nasıl kullanılacağını göstereceğiz. Bir alfa parçacığının bir atom a doğru, saptırılm adığında, çe­ kirdeği b ir b m esafesiyle ıskalayacak biçim de fırlatıldığını v ar­ sayın. Bu nicelik, y ani alfa parçacığı ile çekirdek a r 2isındaki k u v v etler m ucizevi biçim de kesilseydi gerçekleşecek olan, en fazla y ak laşm a mesafesi vurm a param etresi olarak bilinir. İkin­ ci N ew to n Y asası’nı h er alfa parçacığının h arek etin e uygulaya­ rak, alfa parçacığının ilk ve son hızlarının yönleri arasındaki açı olan (|) saçılm a açısını hesaplayabiliriz (şekle bakın). B u rad a bu hesabın ay rın tıların a girem eyeceğiz; fakat gene de boyutsal analiz d enen b ir m antıklı d üşünm e yöntem iyle son y a-

Bir saçılm a olayının şem atik çizimi, rülüyor.

b vurm a param etresi ile <|) sapm a açısının tanım ı gö­


ni ta d o ğ ru etkili b ir biçim de yürüyebiliriz. Bu y ö n tem şu ilkeye dayanır: H esaplam aya çalıştığım ız nicelik h e r n e ise, onun d e­ ğeri, bağ lı olduğu diğer niceliklerin ölçülm esinde kullanılan bi­ rim lere bağlı olam az. R u th erfo rd saçılm ası, b u y ö n tem in g ü cü ­ ne v e sm ırlam alarm a iyi b ir ö rn e k o lu ştu ru r. İlkin, (j) saçılm a açısının bağlı olabileceği g ird i p ara m e tre le ­ rin in n eler o ld u ğ u n u düşünelim . B u açı k esin şekilde b v u rm a p aram etresin e ve alfa p arçacığ ın ın ilk V h ızın a bağlı olacaktır. A yrıca, İkinci N e w to n Y asası ile C oulom b Y asasdnı b irleştire­ re k g ö rü rü z ki, çek ird ek ten r uzak lığ ın d ay k en alfa p arçac ığ ı­ nın ivm esi F _ ¿(2e)(Z e)

(J.l)

d ir ve çek ird ek ten u zaklaşan yö n d ed ir. (A lfa parçacığının y ü ­ k ü n ü n 2 e old u ğ u n u anım sa 3nn; b u ra d a —e elek tro n u n y ü k ü d ü r. Ç ekirdeğin y ü k ü Z e o larak yazılm ıştır. m„ alfa parçacığının kütlesi, ¿e ise C oulom b Y asası'n d a görülen sabittir.) Böylece sa­ çılm a açısı k^, 7j, e ve mdya., fakat sadece te k b ir birleşim halin­ de bağlı o lacak tır:“ 2k.Ze^lm„ Bu b ü y ü k lü k ler, b,

V

(J .2 )

ve (J .2 ), (j) saçılm a açısının bağlı olabile­

ceği y eg â n e girdi p aram etreleridir. (]) d erece y a d a ra d y a n cinsinden ölçülür; dolayısıyla değeri, uzaklıkları, zam anları, k ü tleleri y a d a y ü k leri ölçm ek için k u lla­ nılan birim sistem inden bağım sız olm alıdır. Ö rneğin, hiçbir he­ sap y ap m ak sızın biliriz ki, <|) için yazılacak d o ğ ru form ül, (]) = 1/b, (]) = 1/V ya d a (j) = l/b V g ib i b ir şey olm ayacaktır; çü n k ü b u niceliklerin sayısal değerleri u zu n lu k ve zam an için kullanılan birim lere bağlıdır. Ö rneğin, (|), 1 /b y e eşit olsaydı, b m etre y e ri­ ne san tim etre ile ölçüldüğü tak d ird e saçdm a açısı 100 kere da* A lfa parçacığı ve çek ird ek arcisındaki r uzaklığı (J-2 ) içine alınm am ıştır; çün k ü r, <|i’ nin bağlı olabileceği giriş param etrelerinden biri değildir, o b ir dinam ik değişkendir ve çarp ışm a esn asın d a İkinci N ew to n Y asası l y a n n c a değişir.


ha bü 3/ük çıkardı. D olayısıyla mesele, b, V ve ( J .2 ) y i boyutsuz bir birleşim halinde b ir aray a getirm ektir; yani onlardan, uzak­ lık, zam an vb. için kullanılan birim lere bağlı olm ayan bir birle­ şim o lu ştu rm ak ... ( J .2 ) ’nin birim i, d o ğ ru d an ( J . l ) ’den görülebileceği gibi (sa­ dece r^yi denklem in sol tara lın a geçirin), ivm e çarpı u zu n lu ­ ğun karesin in birim leridir. Ö te y an d a n , ivm enin birim i zam a­ nın k aresi b aşın a u zak lık tır (yani 9,8 m/s^) böylece (J.2 )'n in birim inin 2k,,ZeVm„~ (uzaklık)'V(zaman)^

(J .3 )

olduğunu da söyleyebiliriz. G irdi pciram etrelerim iz arasın d a za­ m an y o k , l’a k a t V hızı v ar ve onun birim leri V ~ uzaklık/zam an

(J.4 )

dır. Z am anı ölçm ek için kullanılan birim lerden bağım sız bir ni­ celik kurm ak için, ( J .2 ) y i V^'ye bölmeliyiz. Bu, 2Z/ç.eVm„V^ ~ uzaklık

(J .5 )

birim ine sahip bir nicelik verir. S onuçta, uzaklık y a d a z¿ımanı ölçm ek için kullanılan birim lerden bağım sız b ir nicelik o lu ştu r­ mak için, (J .5 )'i girdilerim iz arasın d a tek uzaklık olan 5 vurm a jiaram etrcsinc bölm eliyiz. Böylece şunu buluruz;

2Z7ç.eVm„V'^b

(J.6)

V ardığım ız sonuç şudur: (j) saçılm a açısı ancak girdi p aram etre­ lerinin b ir tek bu birleşim ine bağlı olabilir. E şdeğer olarak, bu bağıntıyı ters çevirip diyebiliriz ki, (J .6 ) birleşim i sadece saçıl­ m a açısına bağlı /({])) gibi b ir nicelik o larak ifade edilebilir: 2ZA„eVm„v'^fc = f(^)

(J.7 )

Bu d u ru m d a v erilen b ir (|) saçılm a açısı için fc((|)) v u rm a p a ra ­ m etresi


şeklinde verilir. B oyutsal analiz bize /(<|)) niceliğinin doğası h a k k ın d a hiçbir şey söyleyem ez; fak at b u n u n la b irlik te (J .8 ) içinde R u th erfo rd saçılm ası h ak k ın d a çok fazla bilgi saklam aktadır. Ö rneğin, sap ­ tanm ış b ir (|) açılı, sözgelim i 90°’li, b ir saçılm ayla ilgileniyorsak, Z e ç e k ird ek y ü k ü n ü iki k atın a çıkardığım ızda v u rm a p aram et­ resi de iki k atın a çık ar ve alfa parçacığının V hızını iki k atm a çı­ kard ığım ızdaysa v u rm a param etresi d ö rt k a t azalır. Böylesine az iş ile, bu k ad a r çok şey öğrenm ek hiç de fena d e ğ il! R u th erfo rd çek ird ek ten saçılan alfa parçacıklarının y ö rü n g e ­ lerini hesaplam ak için N e w to n m ekaniğini kullandı ve b v u rm a p aram etresi ile (¡) sap m a açısının birbirlerine m -

2Z k,

m„vrtan((^/2)

(J-9 )

biçim inde bağlı old u ğ unu buldu. Bu, bizim biraz önce boyutsal analizle elde ettiğim iz (J-8 ) genel y ap ısın a u y g u n d u r ve f((j)) ni­ celiğinin /((|)) = tan ((|)/2) d eğ erin e sahip olduğu bilgisini de verir. B urada “tan", açıya bağlı nicelik için trig o n o m etrid e “ta n ja n t” o larak bilinen bir kı­ saltm adır; D a r açıları 0 ve 90°-6 olan b ir dik üçgen çizersek (yani, b ir açısı 90°y a d a “dik" açı olan), o zam an tan 0, üçgenin 0 değerli açısının karşısındaki kenarının 90°—9 değerli açısının karşısın d ak i k en a rın a o ranıdır. Ö rneğin, h er iki d a r açısı 45 °y e eşit olan b ir dik üçgende, bu açıların k arşıların d ak i k en a rlar eşit u zu n lu k tad ır ve b u n ların o ranı l ’dir, dolayısıyla tan 45° = l ’dir. Bu d u ru m d a R u th erfo rd form ülü, (J.9 ), (|) = 90° için v u rm a p a ­ ram etresin in 2Zk<

y


old u ğ u n u söyler. Bu, dosdoğru çekirdeğe atılm ış b ir alfa p a rç a ­ cığı için en fazla y ak laşm a uzaklığının tam yarısıdır. D ik k at edilirse, d ah a genel olarak, (J .9 ) denklem i, v u rm a param etresiyle sapm a açısı a ra sın d a a k la yak ın b ir bağıntı verir. D ik üçg en ler cinsinden y ap ılan y o ru m u n d an açık tır ki, ta n ö ni­ celiği, 0 = O’da sıfırdan 9 = 90°’de so n su za kad^ır d ü zg ü n b ir şe­ kilde arta r. 6 = 0 için ¿ ’nin sonsuz olduğu görülür, çü n k ü ancak alfa parçacığı çekirdeği tam am ıyla ıskaladığı zam an sıfır sapm a m üm kün olur; (|) arttıkça, b d ü zg ü n şekilde düşer, çü n k ü d^ıl^a y ak ın çarpışm alar d ah a fazla sapm a dem ektir; v e (]) = 180° için b sıfır olur, çünkü alfa parçacığının tam geri dönm esi için d osd o ğ ­ ru çekirdeğe atılm ası gerekir. Belirli b ir sapm a için v u rm a param etresini y a d a tersini bil­ meyi istem ek yerine, çok ince hir levhaya rasgele v u rm a p a ra ­ m etreleriyle fırlatılan alfa parçacıklarının dağılım ını h esap la­ m ak istediğim izi varsayalım . Belirli b ir (|) açısından daha b ü y ü k b ir sapm aya uğram ası için, alfa parçacığı, levha içindeki bir atom çekirdeğine göre h((|))'den daha k ü ç ü k b ir v u rm a p a ra ­ m etresine sahip olm alıdır. Dolayısıyla, t>(<|))yi gelen alfa p a rç a ­ cıkları akım ına dik küçük b ir diskin y arıçap ı olarak dü şü n eb ili­ riz; öyle ki hir alla parçacığı (sapm ayacak olsaydı) bu d isk ler­ den birini v u racak şekilde atıldığında, (|) açısından d a h a b ü y ü k b ir açıyla sapar. H er bir disk

71

çarpı yarıçapın k aresin e eşit bir

etkin alana, yani

a = 71 [h((t))]^

(J.IO )

etkin alanına sahiptir; işte b u n a en az (|) açısıyla saçılm a için te­ sir ke siti denir. S ap m a açılarının dağılım ını bulm ak için, levha alanının hangi kesrinin bu diskler tarafından işgal edildiğini h e ­ saplam am ız gerekir. L evhanın M. kütlesi, tek bir atom un m k ü t­ lesi çarpı levhadaki atom ların AT sayısına eşittir; öyleyse AT N = M /m

(J .ıi)


ile verilir. A^^rıca, levhanın kütlesi, p y o ğ u n lu ğ u (hacim başına kütle) çarp ı hacm idir; levhanın hacm i ise S y ü z e y alanı ile ¿ k a ­ lınlığının çarpım ı o larak verilir. Böylece M = pS£

(J.1 2 )

dir. Ü stelik, tek b ir atom un kütlesi m = A /N q

(J.1 3 )

olarak ifade edilebilir; b u ra d a A atom ağırhğı, Ng A vogadro sa­ yısı o lara k bilinen n iceliktir v e 1/JVq b irim atom ağırlığı olacak şekilde tan ım lan m ıştır (l/2Vo = 1,67 x lO“^'^ kg). (J .1 2 ) ve (J .1 3 ) ifadelerini ( J . l l ) ’d e y erle rin e k o y arak , levhadaki atom ların sa­ yısını N = p S e N a /A

( J .M )

olarak yazabiliriz. (])’den d a h a bü 3 m k açılarla saçılm a için P((|)) olasılığı, levhanın toplam S alanının, h e r b ir d isk <T((j)) alanlı ol­ m ak ü zere, levhadaki a to m lara k arşılık gelen N tan e d isk ta ra ­ fından k ap atılm a o ran ıyla verilir; P (^ ) = Na((t>)/S.

(J.1 5 )

B u ra d a d isklerin h esab a k atılacak ölçüde çakışm adıkları v a rsa ­ yılır. ( J . 14) denklem ini y e rin e k o y arak g ö rü rü z ki, S lev h a alan la­ rı b irb irlerin i y o k ed er ve P((\>) = p^JVo a ( ^ ) /A

(J.1 6 )

ifadesini b u luruz. Bu çok genel b ir form üldür, h er tü rlü saçılm a sürecine uygulanabilir. Ö rn eğ in , bazı n ü k leer tepkim elerde (fa­ k a t h ep sin d e değil) h erh an g i b ir açıd a saçılm a te sir kesiti O(0), çek ird eğ in g eo m etrik enine-kesit alanı b ü y ü k lü ğ ü n d e y a d a al­ tom çek ird ek leri için 2 x 1

m^ kad ard ır. A ltm y ak laşık 2 x 1 0 ''

kg/m^ b ir y o ğ u n lu ğ a sah ip tir ve atom ağırlığı 197’dir; dolayısıy­ la altın lev h ad an saçılm a olasıhğı, (J .1 6 ) ile


(2 X 10‘*kg/m^) X ¿X (6 X 10=“/kg) x (2 x 10"^® m^)/197 = 12 i olarak verilir; l (bu radaki tüm uzu n lu k lar gibi) m etre cinsinden ifade edilir, i =10'^ m gibi oldukça kalın bir levha için, saçdm a olasılığı y ü zd e 1,2’dir. D a h a kalın levhalar için saçılm a olasılığı bire y ak laşır; y an i d isk ler hatırı sayılır derecede ü st üste çakış­ m aya b aşlarlar ve artık y u k arıd a k i tartışm a u y g u lan ır olm aktan çıkar. R u th erfo rd saçılması özel hali için, cy((|)) tesir kesiti, (J .9 ) ve (J.IO ) ile a (^ ) = 47tZ' k Je V m \y [U m ((^/2)]“

(J.1 7 )

olarak verilir. D em ek ki bir (jiya d a daha büyük bir açıyla saçıl­ m anın (J.1 6 ) olasılığı l/[tan(l)/2|“ ile orantılıdır. Bu bağıntının doğrulanm ası, gerçekten de alfa parç£icığı üzerindeki kuvvetin uzaklığın ters-karesiyle orantılı olduğunu onaylar. (Ö zellikle çekirdek y ü k ü büyük bir hacm e dağılm ış olsaydı, te sir kesiti ve saçılm a oktsıhklan ([) açısı 180 dereceye y ak laşırk en çok daha hızlı bir şekilde sıfıra in en li.) A yrıca, (J.1 7 ) y i (J .1 6 ) ile birlik­ te k u llanarak, saçılm a olasılığının

ile orantılı olduğunu g ö rü ­

rüz; tlolayısıyla, verilen herhangi bir açıda bu olasılığın ölçül­ mesi, çekirdek y ü k ü için bir değer bulm aya izin verir. K M o m en tu m u n K o ru n u m u ve P arçacık Ç a ıp ışm a la n B u rad a m om enlum un korunum u ilkesini betim leyeceğiz ve bu ilkeyi, kafa kafaya çarpışm ada parçacık hızları arasındaki bağıntıları incelem ek için kullanacağız. En alışılmış haliyle İkinci N ew ton Yasası F = met olarak bilinir; b u ra d a F, m kütleli bir parçacık üzerine etkiyen ku v v et ve a bu parçacığa verilen ivm edir. İvme, hızın zam anla değişim idir ve kütle sabittir; bu nedenle ma, kütle çarpı V hızı­ nın zam anla değişim idir; F = mV’nin değişim hızı

(K .l)


mV niceliği parçacığın m o m e n tu m u olarak bilinir. M oıncntıım , V ya d a F g ib i, sözgelim i kuzey, doğu v e 3n ık a n olarak alınabi­ lecek b irb irin e dik üç d o ğ ru ltu b o y u n ca üç bileşeniyle belirlilen, y ö n lü b ir niceliktir. M o m en tu m h ak k ın d a en önem li gerçek, k o ru n u y o r olm ası­ dır. Ö rn eğ in , A ve B o larak adlandırılan iki parçacığın çarpıştın ld ığını düşünelim . B’nin A üzerine uyguladığı ku v v et (K .l) ile F|İA = mAV^’nın değişim hızı o larak v erilir ve A n ın B üzerine uyguladığı ku v v et = mBVij’nin değişim hızı dır. F ak at Ü çüncü N ew ton Y asası (etki eşittir tep k i) bize

o ld u ğ u n u söyler; b u ra d a eksi işareti kuvvetlerin zıt y ö n lerd e ol­ d u ğ u n u gösterir. Ş u halde niy^VA’nın değişim hızı = -mBVn’nin değişim hızı y a da, b ir başka ifadeyle, + m|,V|,’nin ıleğişim hızı = 0 so n u cu n a varılır. Y ani, iki parçacığın

(K-2) + m,jVB toplam m o-

m en tu m u n u n h e r bileşeni k o ru n m ak tad ır: çarpışm adan sonraki değeri, önceki değeriyle aynıdır. Şim di b u n ü k afa k afay a çarpışm aya uygulayalım ; b u ra d a p arçac ık la r birb irlerine y ak laştık ları çizgi boy u n ca çarpışırlar. Bu b asit d u ru m d a, m om entum un v e hızın sadece bu çizgi bo­ y u n c a olan bileşenleriyle ilgilenm em iz gerekiyor. Ç arp ışm ad an önceki ve so n rak i h ızları a y ırt etm ek için, sırasıyla 0 ve 1 ra ­ k am larım kullanacağız. B u d u ru m d a (K .2) bize ™ a Vao

tHeVgo —

+ meVgı

(K.3)

o ld u ğ u n u söyler. B u rad a geçerli olm ası g erek en b ir b aşk a koşul


d a h a var: Ç arpışm ada p arçacık lar değişm iyorsa, o zam an m o­ m entum gibi k in etik enerji d e korunm alıdır; y a n i 1

^. 1 ^ 1 ^. 1 "JaVao + 2 " ’bV = 2 '”''''''' ■^2'"»'^'

D oğal olarak

(K.4)

Vqo ilk hızları bilinir ve biz Vai, Vm son hızları­

nı hesaplam ak isteriz. Bu iki bilinm eyen için, iki denklem v a r­ dır; dolajnsıyla genel olarak b ir çözüm elde edilebilir. Bu denklem leri çözm ek için, önce (K .3 )’den V'bi çözülür; V 'm

=

/ î

(V

a o

-

V

a i

)

+

(K .5)

V 'b ,

Burada R (K.6)

R = m Jm ,, kütle oranıdır. (K .4 )’ü

iiib/2

ile bölüp V,,, için b ulduğum uz değe­

ri y e rin e k o y arak, ^^AO +

= R

~ İ^Al)

= / ? Va , ' + R ' (V a, / - 2VA0 Va , + Va ,=*) +

2 R (V ao-

V

a i

)

V„„

+

V^o^

eşitliğini b u luruz. V|,o^ terim leri birbirlerini g ö tü rü r; so n ra h er iki y a n ı R ile bölerek şu bulunur; Vao'^ = Va,= + İ?(V ao' - 2 V

ao

Va, + Va,^) + 2(V a„ - Va,) Vb».

Şim di b u n u , Va, bilinm eyeniyle aynı bağlılık ilişkisine sahip tüm terim leri b ir aray a g etirerek düzenleyelim ;

0 = (R + 1) Va,"- 2(RVao Vb„) Va, + (R - 1) Vao"+ 2 VaoVbo

(K.7)

Bu ikinci dereceden bir denklem dir ve dolayısıyla iki çözüm e sahiptir. B u n lard an biri açıktır; Va, = Vao iÇİn (K .7) ’nin sağlan­ dığı kolayca gö rü lü r. B u n u n apaçık o lduğunu söylüyorum , ç ü n ­ k ü bu, çarpışm^ıda h içbir şeyin olm adığı d u ru m u tem sil eder; bu d u ru m d a k u şk u su z en erji de m om entum d a k o ru n u r. B ununla


birlikte, ilgilendiğim iz çözüm bu değildir; biz, son hızların ilk hızlard an far İdi olduğu d u ru m d a k i son h ız la n hesaplam ak isti­ y o ru z . G ene de, ikinci d erece d en b ir denklem in bir çözüm ünü bilm enin, diğer çözüm ü bulm aya daim a b ü y ü k y ard ım ı olur. (K .7 )’n in sağ y a n ı 1 4 ı e g öre ikinci dereced en ve V^ı = V^o için sı­ fır olm alı v e

terim inin katsayısı JR + 1 olduğundan, o n u aşa­

ğıdaki biçim de y az m a k d a m üm kün olm alıdır: {R +

1)

—2(^RV/^q + Vbo) V + (R —l)v,^o^ + 2 v4qVqo

= (R + l)(v -v ,o )(v -u )

(K .8 )’

Vai niceliği b u ra d a b ir V değişkeniyle değiştirilm iştir; b u n u y a p ­ m am ızın n edeni de, b u özdeşliğin sadece (K .7 )y i sağlayan V4ı niceliği için değil de, i/n in tüm değerleri için geçerli olduğunu vu rg u lam ak tır, u y u bulm ak için,, v h in herhangi b ir tek değeri, diyelim ki V = 0 için, sadece b u denklem in h er iki y an ın ın değer­ lerin i eşitlemeli 3nz. Bu

(R —

+ 2V 'aoİ ' bo =

(.R +

1 ) İA 0

^

eşitliğini v erir, v h in (V^odan başka) Vm değeri, (ki bu değerde (K .8) sıfır olur) açıkça u y a eşittir ve dolayısıyla Va, = U = [(R - 1)Va„ + 2Vbo]/(R + 1) R ’nin (K .6) tanım ını anım sayarak b u sonuç çok d a h a açık olarak Vai = [(^A - İHb) Vao + 2 mBVBo]/(mA + ^ b)

(K.9)

şeklinde yazılabilir. B u n u n (K .5)'de te k ra r y e rin e konm ası, di­ ğ er son hızı verir: Vbi = [2 i HaVac + (niB - ıriA)VBo]/(inA + hib).

(K. 10)

Ç özü m ü n iki p arçacık arasın d ak i sim etrisi b u kez besbellidir: Vbi> Vai d® a-jııı form ülle verilir, fakat Vao> Vbo ile ve ğiştirilm ek koşuluyla.

uib»

d® d e­


Ö zel b ir d u ru m öylesine sık olarak o rtay a çık ar ki, o n a b u ra ­ d a ayrıca değinm eye değer. P arç acık lard a n biri, sözgelim i A , başlangıçta du rg u n sa, o zam an

V ao

= 0 alm alıyız. B u d u ru m d a B

m erm i p arçacığının son hızı aZİEAİv . ' bo H+^A^

(K.11)

ve A h ed ef parçacığının geri tepm e bizi

(K.12) D ik k at ederseniz (K .12)'de Von’ın katsa 3 nsı, (K. l l ) ’in tersine, daim a artıdır; böylece sezgisel olarak akla y ak ın b ir sonuç b u ­ luruz: H e d ef parçacığı, m erm inin ilk hareketine zıt y ö n d e asla geri tepem ez. Bu sonuçlar, k itap ta tartışılm ış olan birçok keşifte önem li rol­ ler oynam ışlardır. İşte bunlardan b irkaç örnek: (1) G az basıncı: E ğer b ir D parçacığı çok d ah a ağır b ir A cis­ mine çarparsa, o zam an onun geri tepm e hızı,

m ,/den çok

büyük olm ak şartıyla, (K .l 1) ile verilir. m„'nin

y an ın d a ih­

mal edilebilir olduğu durum da, Vu, = -V m ç ık a r;y a n i m erm i p a r­ çacığı, basitçe aynı hızla fak at ters y ö n d e geri tep er. Bir de, A hedefi, b u d u ru m d a (K. 12)’nin gösterdiği gibi, ibmal edilebilir b ir hızla geri tep er. A b ir parçacık değil de, içinde B gibi gaz parçacıklarının hapsedildiği bir odanın duvarı da, olsa aynı so­ n u çlar uygulanır: E k F ’de tartışıldığı gibi, du v arla k afa kafaya çarpışan gaz p arçacıkları büyüklüğü değişm eyen hızlarla zıt yö n d e geri teperler. (2) R u th erfo rd saçılması: G eiger ve M arsden, 1911’de ince b ir altın levhaya çarp an alfa parçacıklarının a ra d a sırad a tam geriye doğru saçıldıklannı gözlem işti. F ak at ( K .l l ) 'e göre, d u ­ ran b ir A parçacığına ça rp an b ir B m erm i parçacığı, ancak —

niceliği eksi, y a n i m^, m ^’d an k ü çü k ise, ta m geriye doğ­

ru tepebilir (yani Vgı, Vao’a zıttır). Dola 3nsıyla, R u th erfo rd , alfa


parçacığının ya. k en d in d en d a h a ağır b ir parçacığa y a da hatırı sayılır b ir hızla h arek et eden bir parçacığa çarptığı soıuıc’iına varm ıştı. İkinci olasılıkla uğ raşm ak için şu n a dikkat ediniz: (K .lO )’a göre, d a h a h afif b ir h ed ef parçacıkla k a fa kafaya ç a r­ pışan b ir B m erm i parçacığı, ancak A parçacığı B'ye doğru (K.13)

A(J •

hızı ile h arek et ediyorsa*, tam geriye tepecektir. Ö rn eğ in , bir alfa parçacığı elektron kütlesinden 7296,3 kez d a h a b ü y ü k bir kütleye sahiptir; öyleyse b ir elektrona kafadan çarp an b ir alfa parçacığı, ancak elektron o n a doğru alfa parçacığının ilk hızının 3647,6 k atın d an d a h a b ü yük b ir hızla harek et ederse geriye te­ pebilir. Bu öylesine olanaksız görü n ü y o rd u ki, alfa parçacığı­ nın, k en disinden çok d a h a ağ ır bir parçacığa, R u th e rfo rd ’un atom çekirdeği olarak kim liklendirdiği parçacığa çarpm ası ge­ rektiği so n u cu n a varılabilirdi. (3)

N ö tro n saçılm asında çekirdeğin g eri tepmesi: C hadw ick

şu gözlem de bulunm uştu: B erilyum alfa ışınım ına uğratıldığın­ d a o rtay a çıkan ışınlar, çarpıştıkları atom çekirdeklerinin

a4,,+.z4

(K.14)

niceliğiyle orantılı hızlarla geri tepm elerine neden olurlar; b u ra ­ d a di|| = 1’e y ak ın b ir sabit, A ise çekirdeklerin atom ağırlıkları­ dır. (K. 12)’d en beklem em iz gereken tam d a b u d u r; değişik d u r ­ gun A h ed e f p arçacık ların a sabit n» hızıyla ça rp an b ir B mermi parçacığı, o n lara l/(mB + m j^ ile orantılı geri tepm e hızları v ere­ cektir: ki bu da, eğ er m erm i A^ atom ağırlığına ve hed ef p arça­ cıkları A atom ağırlığına sahipseler, (K .14) ile orantılı dem ektir. Bund an dolayı, C h ad w ick b u ölçüm lerden şu sonucu çıkarabilm işti: B erilyum ışın ların ın elek trik çe y ü k sü z parçacık ları, * ** (K .1 3 )’teki düşey çizgiler m utlak değerleri; 3 'ani işaretlerine bakılm aksızın celiklerinin büyüklüklerini gösterir.

ni­


(K .14) denklem indeki A q sabitine eşit ve dolayısıyla bire yakın b ir atom ağırlığına sakip olm alıdır. Bu doğruydu; n ö tro n denen bu p arçacık lar gerçekten de 1,009 gibi b ir atom ağırlığına sa­ hiptir. B uradaki m om entum tartışm ası, sadece ışık hızından çok k ü ­ çük hızlarla h arek et eden parçacık lara uygulanır. Einstein 1905'te y ü k se k hızlı parçacdrlar için m om entum tanım ının d e­ ğiştirilm esi gerektiğini gösterm işti -fakat bu b ir başka kitabın konusu.


Bll kitapta kallanilan fiziksel birimler S ayla

K ısaltm a

N icelik

B irim

U z u n lu k Z am an K ütle K uvvet E nerji E le k trik y ü k ü E le k trik akım ı E le k trik p o tansiyeli M u tlak sıcaklık İsı enerjisi

m etre saniye k ilogram nev to n jul coulom b am per volt K elvin d erecesi kalori

m s 29 30 64 41 41 67 217 70

kg N J C am p V K cal

Bu kitapta kuUarulan bazı sabitler N icelik

Sim ge

D e ğ e ri

c

2,9979246 x lO" m /s 8 ,987552 X lO’ N -m /C ’

Işık hızı E le k tro sta tik sabit

A,

E le k tro n ik y ü k E le k tro n -v o lt F a ra d a y

e eV JV„e

1,60219 X 10-” C 1,60219 X 10” J 96485 C/mo!

A v o g a d ro sayısı

N„

6,0220 X 10” /m ol

Birim atom ağırlığı kütlesi

E le k tro n k ütlesi P ro to n k ütlesi

TTl^ n ij,

6 - ^ 0 için (l+ ö)'''^

X X

lO 'Mcg 1 0 -’ ‘ kg

1,67265 X 10

"

kg

1,67495 X 10-" kg

N ö tro n kütlesi G ü n e ş y ılı Y e rd ek i k ü tleçek im i ivm esi K ütleçekim i sab iti İsın ın m ek a n ik eşdeğeri B oltzm ann sabiti Ç e v re/ça p o ra n ı

1,6606 9,10963

71

3,1558 X 10" s 9,806 m/s^ 6,672 X 10-“ N.mVkg^ 4,1 8 4 J /c a l 1 ,3 8 0 7 x 10-” J / K 3 ,1415927

e

2,7182818

y>ı S G

k

K A Y N A K : “Review o f P a rtid e P ro p e rties” R ev.M od.P hys. 52, N o.2, Kısım II (N isan 1980). H e r b ir nicelikteki hata, so n o n d alık ta birden büyük değildir.


Elementler E le m e n t

S im g e

A to m n u m a r a s ı

H He Li Be B C N O F Ne Na MgAl Si P S cı Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn 1-V Co Ni Cu Zn (jü Ge As Sc Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 36 36 37 38 39 40 41 42 43

H id r o je n H e ly u m L ity u m B e rily u m B or K a rb o n A zot O k s ije n F lo r N eon Sodyum A lag’n e z y u m A lü m in y u m SilivSyum b’o s lo r S üH 'ür K lo r A rg o n P o tiisy u m K id siy u m S k a n d iy u m d ita n y u m VaıUKİyum K ro m M anganez I ) c m ir K o k a lı N ik el B a k ır Ç in k o G a ly u m ( ıCM'manyum A rs e n ik S e le n y u m B ro m K rip to n R u b id y u m S tro n s iy u m İ triy u m Z ir k o n y u m N iy a b y u m A ^olib d en '^beknetyum

A to m a ğ ırlığ ı 1 ,0 0 7 9 4 ,0 0 2 6 0 6 ,941 9 ,0 1 2 1 8 10,81 12,011 1 4 ,0 0 6 7 1 5 ,9 9 9 4 1 8 ,9 9 8 4 0 3 2 0 ,1 7 9 2 2 ,9 8 9 7 7 2 4 ,3 0 5 2 6 ,9 8 1 5 4 2 8 ,0 8 5 5 3 0 ,9 7 3 7 6 3 2 ,0 6 3 5 ,4 5 3 3 9 ,9 4 8 3 9 ,0 9 8 3 4 0 ,0 8 4 4 ,9 6 5 9 4 7 ,9 0 5 0 ,9 4 1 5 6 1 ,9 9 6 6 4 ,9 3 8 0 .65,847 .68,9.3.32 .68,70 6 S .5 4 6 65,.38 6 9 ,7 2 72,.69 7 4 ,9 2 1 6 7 8 ,9 6 7 9 ,9 0 4 8 3 ,8 0 8 5 ,4 6 7 8 8 7 ,6 2 8 8 ,9 0 6 9 9 1 ,2 2 9 2 ,9 0 6 4 9 5 ,9 4 97

B u ra d a k i a to m a ğ ırlık la rı '"C a to m u n u n a ğ ırlığ ın ın 1/12 sin e g ö re d ir ve C R C H a n d b o o k o f C h e m i s t r y a n d P h y s ic s , ed . b y R .C .W e a st a n d A l. J .A s tle , 6 2 n d e d itio n (C R C P ress,

1981-82) 'd e n a lın m ıştır.


E le m e n t R u te n y u m Rodyum P a la d y u m G üm üş K a d m iy u m İn d iy u m K a la y A n tim o n T e llü r İy o t K senon Sezyum B a ry u m L a n tiin S e ry u m PrasecKİİm N e o d im P ro m e ty u m S am ary u m E v ro p iy u m G a d o lin y u m T e rb iy u m D is p r o s y u m H o lm iy u m E rb iy u m T u ly u m ite r b iy u m l itc sy u m H a f n iy u m T a n ta l T u n g s te n R enyum O s m iy u m İ rid y u m P la tin A ltın C ıv a T a ly u m K u rşu n B iz m u t P o lo n y u m A s ta tin R adon F r a n s iy u m R adyum A k tin y u m T o ry u m P r o t a k ti n y u m

S im g e

A to m n u m a r a s ı

Ru Rh Pd

44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 56 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

Ag Cd in Sn Sb l ’e I Xe Cs Ba La Cc Pr Nd Pm Sm liu Gd Tb öy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os İr Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa

A lo ın agn'lığ'i 101,07 1 0 2 ,9055 106,4 1 0 7 ,8 6 8 112,41 114,82 118,69 121,75 127,60 1 2 6 ,9 0 4 5 131,30 1 3 2 ,9 0 5 4 137,33 1 3 8 ,9 0 5 5 140,12 1 4 0 ,9 0 7 7 144,24 145 150,4 151,96 167,25 1 5 8 ,9 2 5 4 162,50 1 6 4 ,9 3 0 4 167,26 1 6 8 ,9 3 4 2 173,04 1 7 4 ,9 6 7 178,49 1 8 0 ,9 4 7 9 183,85 186,2 190,2 19 2 ,2 2 195,09 1 9 6 ,9 6 6 5 2 0 0 ,5 9 2 0 4 ,3 7 2 0 7 ,2 2 0 8 ,9 8 0 4 209 210 222 223 2 2 6 ,0 2 5 4 2 2 7 ,0 2 8 2 3 2 ,0 3 8 1 2 3 1 ,0 3 5 9


E le m e n t U ra n y u m N e p tü n y u m P lü to n y u m A m e risy u m K ü riy u m B e rk e ly u m K a lilo rn iy u m A y n ş ta y n y u m F e rm iy u m M c n c!e 1y e v y u m Nol)CİVLim L a v rc n s iy u m

S im g e

u Np Pu Am Cm Bk

CF Es Fm Md No Lr

A to m n u m a r a s ı

92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

A to m a ğ ır lığ ı

238,029 237,0482 244 243 247 247 251 254 267 257 259 260


Okuma Notları

D. L. A nderson, The D isco very o f the Electron. V an N ostrand, 1964. E. N . d a C. A ndrade, R utherford an d th e N ature o f the Atom . D oubleda^, 1964. R. T. Beyer, ed., Foundations o f N u clear Physics. D over, 1949. J . B. Birk, ed., Rutherford a t M anchester. Benjamin, 1965. S ir Ja m e s Cha<iwick, ed., The C ollected Papers o f Ixjrd R utherford o f Nelson O. M ., F. R. S. Interscience, 1965. I. B. C<^hcn, ^‘C onservation and th e C oncept oF E lectric C harge: An A spect of Philosohpj/ in Relation to P hysics in the N ineteenth C e n tu ry ”, M .C lagetl, ed., Criticcil ¡Problems hi the H istory o f Science. U niversity oF W isconsin Press, 1959. Frtinldin and New ton. Am erican Philosophical Society, 1956. j 0 . C ro w ter, The Cavendish L aboratory, J 8 7 4 - 1 9 7 ' d . Science H istory, 1974. B. D ibncr, O ersted a n d The D isc o very o f Electromagnetism. Blaisdell, 1962. A. S. Eve, Rutherford: Being th e L ive and L etters o f th e Rt. Hon. L ord Rutherford, O . M . M acm illan, 1939. N. F eath er, L ord Rutherford. P rio ry P ress, 1973. C. C. Gillispie, ed., D ictionary o f Scientific Biography. S crib n er’s, 1970. G. H olton, "Subelectrons, P resuppositions, and the M illikan-E hrenhalt D ispute”, Ilistorical Studies in the Physical Sciences, 9 (1978), 161. A. J . Hide, The D evehpern en t o f M odern Chom isliy, H arp er & Row, 1964. A. I. M iller, A lbert Einstein's Special Theory o f Relativity: Em ergence (1905) and E arly Interpretation (1905-1911). A ddison-W esley, 1980. Sir M a rk O lip h an t, Rutherford: Recollection o f the Cam bridge Days. Elsevier, 1972. A. Pais, "Einstein and the Q uantum T heory”, Reviews o f M odern Physics, 51 (1979), 863. "R adioactivity’s T w o E arly Puzzles”, R eview s of M odern Physics, 49 (1977), 926. D. R oller and D . H . D . Roller, The D evehpern en t o f the C oncept o f Electric Charge. H arv ard U niversity Press, 1954. R. H. S tu ew er, ed., N u clear Physics in R etro sp ect Proceedings o f a Sym posium on the 1930s. U niversity oF M innesota Press, 1979. G eorge T hom son, J. J. Thomson: D iscoverer of the Electron. D oubleday, 1965. J . J . Thom son, E lectricity and M atter: The 1903 Silliman Lectures. S crib n er’s, 1906. Recollections and Reflections. G. Bell, 1936. R. A. R .T ricker, E arly Electrodynam ics: The First L aw o f Circulation. Pergam on Press, 1965. C. W einer, ed., H istory o f T w entieth C entury Physics: Course L V II o f The P roce­ edings o f the International School o f Physics "Enrico F e rm f\ Academ ic Press, 1977. E. W hittaker, A H istory o f the Theories o f A eth er and Electricily. T hom as N elson, 1953. A lex an d er W ood, The Cavendish Laboratory. C am bridge U niversity Press, 1964. N o tes and R ecords o f the R oyal S o ciety o f London, cilt. 2 7 , no. 1, A ğustos 1972. [R ut­ h erfo rd üzerine O liphant, M assey, F eather, B lackett, Lewis, M ott, O ’S h ea ve A dam s tarafın d an yazılm ış m akaleler].


D izin

A b a m p e r , 53 A b d era, 1 A e p in u s F r a n z U lr ic h T h e o d o s iu s , 19 A ğ d a lık (v is k o z lu k ), 106, 107, 110, 113, 2 2 1 -2 2 7 A k b ( a to m ik k ü tle b irim i), 161 A k tin y u m , 158 A lfa b o z u n u m u , d e s e n le ri, 178 te m e l r a d y o a k til d iz ile rd e , 159 A lk ı p a r ç a c ık la r ı, a to m a ğ ırlık la rı, 138 b ü y ü k açılı sa ç ılm a , H 1 - M 8 h e ly u m ç e k ir d e ğ i o la r a k tan ım U ın m ası, 1 2 9 -1 3 0 h ip e r b o lik y ö r ü n g e le r i, 149 k ü tle /y ü k o ra n ı, 128 s a ç ılm a a ç ıla r ın ın ö lç ü m ü , 150-151 s a ç ılm a sı, 141 A m p e r , 4 1 , 5 3 -5 5 A m p è re , A n d r é M airie, 6 2 -5 4 , 56 A n d e r s e n , H a n s C h r is tia n , 5 7 A n d e r s o n , C a ri, 185 A n d r a d e , E . N . d a C o s ta , 130 A n g s tr o m , 3 A n o t, 24 a d la n d ır ılış ı, 101 T h o m s o n ’u n k a t o t ışın ı tü p ü n d e , 34 A n y o n , 101 A r a v e k t ö r b o z o n la r , 193 A s to n , F r a n c is W illia m , 9 6, 99 A to m , b o y u t ta h m in i, 113 e tk in te s ir k e s iti, 150 ilk y o r u m la r , 1-2 k ü tle le r i, 8 4 , 1 2 4 -1 2 5 p o ta n s iy e l e n e rjisi, 2 3 3 -2 3 6 ta n ım ı, 3


A tom ağırlığı, 87-99, 250-252 A v o g a d ro ’n u n çalışm aları, 93 belirlenm esi, 161 D a lto n ’un 1803 değerleri, 88 g ü n ü m ü zd e k i değerleri, 91 izotoplar, 93, 97 tam sayı k avram ı, 158, 160-162 A tom ç ek ird ek le ri, 3,

4

geri tepm e hızı, 168 k eşfi, 14 I - 153 R u lh o r l'o r d ’u n y a k la ş ım ı, 1 41-142 A to m n u m a r a s ı, 154 b e lirle n m e si, 129 M o s c lc y ’in ö lç ü m le ri, 1 5 4 -1 5 7 R u lh e r l'o r d ’uıı h e s a p la m a la rı, 1,53 A to ın c n lıığ a d ire n iş , 2 A v o g a d ro sa y ısı, 93 b e lirle n m e si, 138 e le k tr o n ik y ü k ü n ö lç ü lm e si, 1 13 M i llik a n ’m h e s a p la m a la rı, 2 1 9 A v o g a d ro , A m e d e o , C o n te di Q iia r e g n a , 9 1 , 101 B e c k e r, I I., 166 B e c q u e re l, A n to in e I le n ri, I 18, 125, 128 B e d e, V c n e ra h le , 14 B e rily u m ış ın la n , y a p ıla n d e n e y le r , 1 6 8-173 B e rn o u lli, D a n ie l, ,39 B e rz e liu s , .I o n s J a k o b , 93 B e ta h o z u n u m u , a n a r a d y o a k til d iz ile rd e , 159 d e s e n le ri, 178 v e n ö tr in o s a lın m a s ı, 182 B e ta p tırç a c ık la n ,

elek tro n o larak tanım lanışkırı, 128 k ü tle /y ü k o ranı, 78-81 y ü k leri, 157 B ethe, 11. A., 190 Bileşikler, d o ğ ru kim yasal form ülleri, 91 D a lto n ’un kim yasal lo rm ü lleri, 89 D a lto n ’un sim geleri, 90 Bilim sel gösterim , 9-10 Biot, Je a n -B a p tis te , 62


B la c k e tt, 1>. M . S ., 122 B la k e W illiiiin , 196 B o h r , N ie ls H e n d r ik D a v id , 7 8 , 121, 153, 156, 182, 193 B o ltz m a n n sa b iti, g a z ö z e llik le ri, 2 1 2 -2 2 0 M illik a n 'in h e s a p la m a sı, 2 1 9 B o ltz m a n n , L u d w ig , 2 B o th e , W ., 166 B o y u ts a l a n a liz , 2 3 6 , 239 B re it, G r e g o ry , 175 B r o w n h a r e k e ti, 84 B r o w n , C . F „ 174 B u tle r , C . C „ 191 C . T . R . W ils o n 'in sis o d a s ı, 105 C a b e o , N ic c o lo , 15, 18 C a m s ı e le k tr ik , 15-20 C a rlis le , A n th o n y , 9 9 Ç a r p ış m a , k o r u n u m y a s a la r ı, 2 4 2 -2 4 8 C a s s e n , B., 175 C a v e n d is h H e n r y , 7, 3 9 C a v e n d is h I^ a b o ra tu v a rı, 5 e le k tr o n ik y ü k d e n e y le ri, 103 E m e t R u t h e r f o r d ’u n b a ş v u rm a s ı, 122 J a m e s M a x w e ll d ö n e m i, 7 -8 J . J . T h o m s o n ’u n b a ş v u rm a s ı, 8 k a d ın la r , 8 k ü tle s p e k tro g r a f is i, 96 k u r u lu ş u , 6 L o rd R a y le ig h d ö n e m i, 8 ^ ren ilen m esi, 1 9 3 -1 9 4 C h a d w ic k S i r J a m e s , 122, 166, 170, 182 b e r ily u m d e n e y le ri, 1 5 8 -1 7 3 n ö tr o n o d a sı, 169 C b a d w ic k 'in n ö tr o n o d a sı, 169 C h a m b e r la in , O w e n , 1 87 C h e w G e o f fr e y , 192 C o c k c ro f t, J o h n D ., 122, 176 C o h e n 1. B e rn a r d , 108, 122 C o llin s o n , P e te r , 1 6 -1 7 C o m p to n , A r t h u r H o lly , 182 C o n d o n , E . U ., 175 C o n v e rs i, M ., 1 8 9 -1 9 0 C o u lo m b , C h a rle s A u g u s tin e , 39


C o u lo m b Y a s a sı, 4 0 -4 3 , 143, 2 0 3 , 2 0 5 , 2 3 3 , 2 3 7 C o u lo m b , tan ım ı, 41 C o u lo m b ’u n b u r u l m a te ra z is i, 4 0 , 42 C o w a n , C ly d e , L . J r . , 183 C r o o k e s , S i r W illia m , 26, 93 C r o o k s tü p ü , 2 6 C r o w th e r J . A ., 152 C u r ie P ie rre , 126, 127, 132, 139 C u rie , M a rie S k lo d o w s k a , 126, 1 2 7 Ç e k ir d e k k u v v e tle r in in e le k tr o n d e ğ iş to k u ş u k u ra m ı, 1 87-190 n ç iz g ile ri, 7 7 -7 9 D aM , O ., 174 D a lto n , J o h n , 2 a lo ın a ğ ır lık la r ıy la ilgili ç a lış m a la rı, 8 7 -9 i a lo m k iillc le riy lc ilgili ç a lış m a la rı, 124-125 D a y v , S ir llu m p h r y , 100 D e ğ iş to k u ş k u v v e ti, 171 D e ın o k r ilo s , 1 ,8 0 D e ş ik k u ra m ı, 1 8 5 -1 8 7 D ira e , P au l A d rie n M a u ric e , 184, 185 D o r n , F rie d ric h E rn s t, 131 D ö te r o n , 173 D u F ay , C h a rle s -F V a n ç o is d e C is te rn a y , 15, 2 0 ,4 1 D y n e , ta n ım ı, 31 E h re n h a l't, F’clix , 11 2 liin s te in A lb e rt, 160, 161, 2 4 8 g e n e l g ö re lilik k u r a m ı, 31 ö zel g ö re lilik k u ra m ı, 160, 2 4 8 E le k trik , a to m c u lu k , 108 b o şa lm a sı, 2 2 -2 8 d o ğ a s ı, 14-21 iki a k ış k a n k u ra m ı, 16-19 ilk itm e d e n e y le ri, 1 6-16 te k a k ış k a n k u r a m ı, 1 8-19 E le k tr ik alan ı, b irim le ri, 4 3 h e s a p la n m a s ı, 4 6 k a to t ış ın la rın ı s a p tır m a s ı, 4 5 -4 8 ta n ım ı, 4 3 v e a la n ç iz g ile ri, 2 0 3 -2 0 6


E -lek trik iletim i, keşFi, 14-15 E le k tr ik k u v v e ti, 5 8 -4 5 t e r s - k a r e y a s a s ı, 39 u z a k lığ a b ağ lılığ ı, 3 8 -3 9 y ö n ü ,4 1 ,4 5 E le k tr ik potansi^^eli, ta m ın ı, 67 E le k tr ik y ü k ü . A y rıc a b k z . E le k tr o n 3 m k ü a d la n d ır ılm a s ı, 18 b ir im le r i, 41 d a ğ ılım ı, 1 2 4 -1 2 5 e le k t r o l it e le k tr ik b irim i, 104 k o r u n u m u , 18 M il İ i k a n ’ın y a ğ d a m la s ı d e n e y i, 10 9 -1 1 2 v e a la n ç iz g ile ri, 4 7 , 4 8 E le k tr o liz , ç a ğ d tiş y o r u m u , 100 k e ş li, 9 9 E le k tr o m a n y e tiz m a , k e ş li, 5 0 k e ş lin in e tk isi, 5 2 , 5 6 M a x w e ll d e n k le m le r i, 7 -8 ö z e llik le ri, 5 2 -5 6 E le k tr o n , 3, 4 k a to t ış ın la rın d a , 2 4 -2 8 k a v r a m ın k a b u l e d ilişi, 81 k e şfi, 19-20 k ü tle /y ü k o ra n ı, 5 4 ö z e llik le ri, 11-12 te m e l p a r ç a c ık o la ra k , 75-81 E le k tr o n - v o lt, 72 E le k tr o n y ü k ü , M i!lik a n " ın ö lç ü m ü , 115 ö lç ü m ü , 1 0 5 -1 1 5 E le k tr o s a tik b irim le r, 4 1 , 1 1 1 -1 1 2 E le m e n tle r, a to m a ğ ır lık la r ı, 2 a to m n u m a r a s ı, 5 ç e k ir d e k y ü k ü , 154 D a l t o n u n s im g e le ri, 9 0 E llis, C . D ., 182 E n e rji, 6 4 -6 6 , 7 1 -7 5 . A y r ıc a b k z . E n e rjin in k o r u n u m u . K in e tik e n e rji E n e r jin in k o r u n u m u , ilk e si, 7 5 J o u l e ’ü n d e n e y le ri, 6 9-71


k a t o t ışın ı d e n e y le r in d e , 2 1 0 -2 1 2 v e r a d y o a k tiv ite , 1 3 9 -1 4 0 E ve, A . S „ 123 E v r e n ’in b ü y ü k p a t l a m a k u r a m ı, 178

F a ja n s , K „ 1 67 F a r a d a y , M ic h a e l, 22, 24, 43, 4 4 , 8 3 , 124 e le k tr o liz a r a ç g e re ç le ri, 1 02 e le k tr o liz ü z e r in e ç a lış m a la r, 1 0 0 -1 0 3 F a r a d a y (m o l b a ş ı n a y ü k ) . 1 0 4 -1 0 5 1 1 2 ,2 1 9 F e a th e r , N „ 122, 168 F e e n b e r g , E u g e n e , 173 F e n n i, E n ric o , 3, 175, 183 F le tc h e r, H a r v e y , 109 k 'lo resaii ışık, 22 F o to n , 181 I'h-ankliii, B e n ja m in , 16, 17, 18, 19

G a m m a ışın k ırı, 130 G a n io w , G e o r g e , 122, 176 G a u s s, K arl F rie d ric h , 66 G a u s s , ta n ım ı, 6 4 G a y - L u s s a c , .J o s e p h L o u is, 8 9 -9 0 G a z ba.siiici v c p a r ç a c ık ç a r p ış m a s ı, 246 G a z sa b iti, 2 1 8 G a z la r, elck ıirlc iletim i, 2 4 -2 6 k in e tik k u ra m ı, 92 ve B o ltz m a n n s a b iti, 2 1 2 -2 2 0 G e ig e r, I la ııs W ilh e lm , 141, 142, 2 4 6 G c ig e r - A la rs d e n d e n e y le ri, 1 4 1-143, 144-145, 1 5 1 -1 6 3 G e is s le r, .J o h a n n H e in r ic h , 24 G e ll- M a n n , M u r r a y , 192 G e rilim in ö lç ü m ü , 7 1 -7 2 G ie s e l, F „ 128 G ilb e r t, W illia m , 14, 4 9 G ill, E ric , 122 G la z e b r o o k , R . T ,, 8 G o ld s te in E u g e n , 26, 2 6, 2 7, 8 0 , 9 4 G ra m , ta n ım ı, 2 9 G r a y , S te p h e n , 14, 15 G ru m m o n t, G o ttf r ie d H e in r ic h , 22


H a d ro n lar,

4,

191, 192

H a fstad , L. R„ 173, 174 H a h n , O tto , 179 H a u k sb e e, F rancis, 15 H a v a p o m p ala n , 24 H e ise n b e rg W ern e r, 170 H e itle r, W a lte r, 171 H eljrum , 129 H e rtz, H ein rich , 8, 26-27, 81 H e rz b e rg , G e rh ard , 171 H e y d en b e rg , N ., 173, 175 H iz, 32 H ızlan d ırıcılar, B ev atro n , 187, 189 192 C E R N , X III, XV, X V I, X V II C o c k cro f-W alto n , 122 F erm ilab , 123 S ik lo tro n , 123 S tan l'o rd L ineer H ız la n d ırıc ı M e rk ez i (S L A C ), 191, 192 V an d e G raaf, 174, 175 H id ro je n atom u, 81, 83, 97 H ig g s bozonu, 193 H ittro f, J . W „ 26 H o lto n , G „ 108, 112 H u y g e n s, C h ristia n , 68

Işık, 3, 8, 22-24, 181-182 Iw a n cn k o , D., 171

İŞ.

k in e tik enerji, 64-66, 207-210 tan ım ı, 64 İvm e, k a to t ışın ların ın sap m asın d a, 37 k a v ram , 28-30 N e w to n ’u n ik in c i Y a sa sı’n d a , 28-33 İy o n lar, 101-103 iz o to p la r, a to m ağ ırlık ları, 97 ayırılm ası, 98 keşfi, 93-94, 95 tan ım ı, 93


v e r a d y o a k tiv ite , 9 4 -9 5 v e y a n - ö m ü r l e r , 1 5 4 -1 3 5 iz o t o p l a n a y ır m a d a e le k tr o m a n y e tik s a p m a y ö n te m i, 9 8 -9 9

J o l i o t - C u r i e F ré d é ric , 166, 168 J o l i o t - C u r i e ir e n e , 166, 167, 168 J o u l e , J a m e s P re s c o tt, 6 8 -7 0 J u l , ta n ım ı, 6 4

K a b a r c ık o d a s ı, 192 K a lilo r n iy a T e k n o lo ji E n s titü s ü , 8 5 , 192 K a lo ri, ta n ım ı, 70 K a n a l ışın la rı, 94 K a p its a , P y o tr L c o n id o v iç , 122, 170 K a n jilm ü o n , 190-191 K a r ş ıtn ö tr in o , 18,5 K a r ş ıljım lo n , 187 K a to t, 2 4 a d la n d ır ılış ı, 101 T h o n ıs o n 'ıın k a to t ışını tü p ü n d e , 5 4 K a to t ıştın p a r ç a c ık la r ı, B kz. E le k tr o n K a to t ışın ı tü p ü , te le v iz y o n , ,55 T lıo n ıs o n ’ıın d e n e y le ri, 54 K a to t ışın la rı, e le k trik s e l sa p m a sı, 4 5 -4 8 , 6 1 -6 4 , 199 e n e r jin in k o r u n u m u , 21 0 k a v r a m ı, 2 4 -2 6 m a n y e tik sap ım ası, .57-59, 6 0 -6 2 sa p m a s ı, 5 5 -5 8 s a p m a s ın ın k e şfi, 2,5-28 K a to t ış ın la rın ın e le k trik s e l sa p m a s ı, 4 5 -4 8 , 1 97-199 K a to t ış ın la rın ın m a n y e tik s a p m a sı, 5 7 -5 9 , 6 1 -6 5 , 2 0 0 -2 0 2 K a ty o n , a d la n d ır ılm a s ı, 101 K a u f m a n n , W a lte r , 7 2 -7 5 , 8 1, 128, 2 1 0 K elv in , L o rd . H k z. T h o m s o n , S ir W illia m K ilo g rtiin , ta n ım ı, 2 9 K ilo g ra m -k a lo ri, ta m m i, 70 K in e tik en e rji, fo rm ü lü , 6 4 iş, 2 0 7 -2 1 0 k o r u n u m u , 65 p o ta n s iy e l e n e rjiy le ilişk isi, 6 5 -6 7


K lor, a to m ağırlığı,

37

K ozm ik ışınlar, 72, 87, 186, 188, 190-191, 192 K ra liy e t E n stitü sü , 100 K u a n tu m ku ram ı, 121, 153 K u a rk la r, 192-193 K u v v et. A yrıca bkz. E le k trik ku v v eti. M a n y e tik ku v v et alışverişi, 171 C o u lo m b Y asası, 143 k a to t ışın ların ın sa p m asın d a, 36 -3 7 k a v ram ı, 29 N e w to n 'un İkinci Y asası, 32-33 toplam , 33 K ütle, a ğ ırlık ta n farkı, 31 k a v ram ı, 29 v e E in s te in 'in görelilik k u ra m ı, 160-161 K ütle sp ek tro g rafı, 96-97 K ü tle /y ü k oranı, alfa p a rça cık ların ın , 128 genelliği, 76 h e sa p la n m a sı, 73-74, 200-202 h id ro je n ato m u , 84-85 k a to t ışını p a rç a c ık la rı, 63 T h o m so n 'u n d e n ey so n u ç la n , 73-75 K ütleçekim i, N e w to n 'un k u ra m ı, 38 L ab o rd e , A., 139 L a rm o r frekansı, 78 L a rm o r, S ir J o s e p h , 78 L attes, C . M ., 190 L aw re n c e, E. O ., 72, 176 L en a rd , P hillip, 80, 147 L ep to n lar, 4, 191 L eu k ip p o s, 1, 80 L im it m erk ez teorem i, 142 L ockyer, J . N o rm a n , 129 L o ren tz, H e n d ric k A n to o n , 78, 79 M a c h , E rn st, 2, 81, 108 M a d d e n in ato m ik y a p ısı, 3 M a jo ra n a , E tto re , 171 M a n h a tta n Projesi, 99 M a n y e tik a lan , 53-55


M a n y e tik ç u b u k , 4 9 M a n y e tik k u v v e t, h e s a p la n m a s ı, 5 8 ilk ta n ım la n , 4 8 -5 0 y ö n ü , 51 M a n y e tiz m a . B k z , M a n y e tik k u v v e t. E le k tr o m a n y e tiz m a M a r ic o u r t, P ie r r e d e , 4 9 M a r s d e n , E r n s t, M İ , 142, 2 4 6 M a r s h a k , R . E ., 190 M a s s a c h u s e tts T e k n o lo ji E n s t i t ü s ü ( M İ T ) , 165 M a x w e ll, J a m e s C le rk , 7 -8 , 41 M a y e r, J u l i u s , 68 M c G ill Ü n iv e rs ite s i, 118-1 19 M e itn e r, L „ 182 M e k a n ik e n e rjin in ısıy a d ö n ü ş c b ilirlig i, 6 8 -7 0 M e z o n , 189 M ic h e ls o n , A . A ., 8 5 M illik a n , R o b e r t A n d r e w s , 8 5 , 8 6 , 8 7 , 145, 193 lo to e le k tr ik ç a lış m a la rı, 1 81-182 y a ğ d a m la s ı d e n e y le ri, 1 0 9 -1 1 3 , 2 2 1 -2 2 7 M o i, ta n ım ı, 9 3 M o le k ü le r a ğ ırlık , 9 2 -9 3 M o le k ü lle r , 3 M o m e n tu m , k o r u n u ın y a s a s ı, 146 ta n ım ı, 146 M o m c n tıım u n k o r u n u m u y a s a s ı, 146 v e p tırç a c ık ç a rp ış m a s ı, 2 4 2 -2 4 8 M o o r e , A. D ., 80-81 M o rs e , S a m u e l F . B., 5 6 M o s e le y , H . G . J . , 154, 155, 157 M o tt, S i r N e v ili, 121 M ü o n , 190

N a g a o k a , H a n ta r o , 115 N e d d e r m e y e r , S . H ., 189 N e e d h a m , J o s e p h , 49 N e 'e m a n , Y u v a l, 1 92 N e v to n , ta n ım ı, 3 0 N e v to n /a m p e r .m e tr e , 54 N e w to n , S ir Is a a c , 2, 7, 28 b ir in c i h a r e k e t y a s a s ı, 32 ik in c i h a r e k e t y a s a s ı, 2 9 -3 2 , 106, 197, 2 3 7


k iU İt\'i'k İM ii

k ııriim ı, 3 8

iivi'nH'il h a r e k e t y a s a s ı, 32, 65, \4 6 N e w lo ii'u n h a r e k e t y a s a la rı, 2 8 N ie lıo ls o n , W illia m , 99 N o lle t, A b b é J e a n - A n t o i n e , 16, 22 N ö t r o n , 5, 4 , 1 6 3 -179 a to m a ğ ırlığ ı, 2 4 8 b e t a b o z u n u m u , 1 7 6 -1 7 6 ç e k ir d e k te k i say ısı, 172 k e şfi, 4, 125, 166, 1 70 k ü tle s i, 173 r o lü , 1 7 0 -1 7 1 te m e l p a r ç a c ık o la r a k k a b u l e d ilişi, 1 7 3 -1 7 5 v e a to m ik ö lç e k , 9 8 N ö t r o n s a ç ılım ın d a ç e k ir d e k g e r i te p m e s i, 2 4 7 -2 4 8 N ö tr in o , 1 8 2 -1 8 4 k ü tle s i, 183 ta h m in i sa y ısı, 184 O c c h ia lin i, C . P . S ., 190 O e r s t e d , H a n s C h r is tia n , 5 0, 53, 57 O lip h a n t, S ir M a r k , 121 O r t h m a n n , W ., 182 O s tw a ld , W ilh e lm , 1 0 8 -1 0 9

P a is, A -, 140 P a n c in i, E „ 190 P a u li d ış a r la m a ilk esi, 185 P a u li, W o lfg a n g , 182, 1 87 P e r e g rin u s , P e te r , 4 9 P e r r i n , J e a n B a p tis te , 2 7 , 8 4 , 109, 140 P ic c io n i, O ., 190 P io n ( p i m e z o n ) , 190 P ip p a r d , S i r B ria n , 123, 193 P la n c k , M a x , 2 1 9 P la to n , 14, 4 8 P lü c k e r , J u l i u s , 2 4 , 2 5 P o ta n s iy e l e n e rji, 6 6 -6 7 , 2 3 3 -2 3 6 P o w e ll, C . F ., 1 90 P o z itr o n , 1 8 4 -1 8 6 P rie s tle y , J o s e p h , 3 9 PrincipicL ( N e w to n ) , 2 8 P r o to n , 3, 4 a d la n d ır ılış ı, 1 2 4 -1 2 5


ç e k ir d e k te k i sa y ısı, 172 sa çılım ı, 173 v e a to m ik ö lç e k , 9 8 P r o u t, W illia m , 8 0 , 9 7 R a d o n , 132 R a d y o a k tiv ite ( a n a m a d d e ), a d la n d ırılış ı, 126 alfa, 120 b e ta , 120, 1 7 5 -1 7 6 , 183 b o z u n u m ü r ü n le r i, 162 d iz ile r, 1 59 k e ş li, 9 4 , 120, 1 2 6 -1 4 0 R u th e r f o r d v e S o d d y 'n in a ç ık la m a s ı, 132 ü ste l y a s a s ı, 2 2 7 -2 3 3 v e e n e rjin in k o r u n u m u , 139 v e iz o to p la r ın o r ta y a ç ık ışı, 9 6 -9 6 y o r u m la n m a s ı, 1 2 5 -1 4 0 R a d y u m , 126, 134, 138, 22 7 R a m s a y , W illia m , 129, 130 R a s e tti, F „ 1 7 1 -1 7 2 R a y le ig h , Ix ird , 8 R e ç in e m si e le k tr ik , 16-20 R e in e s , F re d e ric k , 18.3 R o b s o n , J o h n , ,39 R o c h e s te r , G . D ., 191 R o y a l S o c ie ty , 12, 16, 122, 166 R o y d s , T . D „ 130 R ö n tg e n , W ilh e lm K o n r a d , 116 R u m lo r d , C o u n t, 6 8 R u s se ll, A . S „ 167 R u th e r f o r d S i r E r n e s t, 5, 9, 78, 117, 130, 139, 158, 193 C a n te r b u r y C o lle g e 'd a , 119 C a v e n d is h P ro f e s ö rlü ğ ü , 122 ç e k ir d e ğ in b ö lü n m e s i d e n e y le ri, 1 6 3 -1 6 6 ç e k ir d e ğ in k e ş li, 1 4 1 -1 4 2 , 1 4 8 -1 5 0 , 2 4 6 -2 4 7 ç e k ir d e k y ü k ü n ü n ö lç ü lm e si, 16 1 -1 5 2 g a m m a ışın la rı, 130 h e ly u m d e n e y le ri, 1 2 9 -1 3 0 h e s a p la d ığ ı a to m n u m a r a la rı, 153 M c G ill Ü n iv e r s ite s i’n d e , 118, 119 n ö tr o n , 179 p r o t o n u n a d la n d ır ılm a s ı, 125 s a ç ılm a fo rm ü lü , 2 5 6 -2 4 2


to r y in n (İriK'VİL'ri, 1 3 1 -1 3 2 , 133, 158 R udu'i'l'o iv l'u n ç e k ir d e k p a r ç a la m a o d ası, 165 S a ç ılm a , 141, 1 5 2 -1 6 3 , 2 3 6 - 2 4 2 . A y r ıc a b k z . G e i g e r - M a r s d e r deneylı-ı i S a ğ el k u r a lı, 6 3 S a k a ta , S ., 1 90 Sapm a, e le k tr ik s e l, 4 5 -4 8 , 1 9 9 -2 0 3 m a n y e tik , 5 7 -5 9 , 1 9 9 -2 0 3 ş e m a tik çizim , 2 3 6 S a v a r t , F é lix , 52 S e g r è , E m ilio G in o , 171, 187 S h a w , W . N ., 8 S ıc a k lığ ın ta n ım ı v e ö lç ü m ü , 2 1 6 - 2 1 7 S ık ı b a ğ lı ç e k ir d e k le r in k a r a r lı v a d is i, 1 76-179 S is o d a s ı d e n e y le ri, 184, 189 S o d d y F r e d e r ic k , 94, 118, 130, 1 3 1-133, 139, 157 S o d y u m s p e k tr u m u , 7 6 -7 7 S o y g a z la r, 132 S p e k t r u m , 7 6 , 129 S p e n c e r , A d a m , 16 S t a n f o r d L in e a r H ız la n d ır ıc ı M e rk e z i, 191, 192 S ta tc o u lo m b , 41 S te v e n s o n , C . E ,, 189 S to k e s , S ir G e o r g e , 1 06 S to k e s Y a s a sı, 110, 2 2 1 , 2 2 4 S to n e y , G e o r g e J o h n s t o n e , 8 1 , 8 4 , 103 S tr a s s m a n , F ritz , 1 79 S tr e e t, J . C ., 189 S t r u t t , J o h n W illia m , 8 T a m m , 1. E , 171 T a m s a y ı k u r a lı, 9 7 -9 8 T a u ( le p to n ) , 191 T e le v iz y o n u n k a t o t ışın ı tü p ü , 35 T e lg ra f ın g elişim i, 5 6 T e m e l p a r ç a c ık la r . B k z . P a r ç a c ık la r T e r s - k a r e y a s a s ı, 3 9 -4 1 T h o m p s o n , B e n ja m in , 68, T h o m s o n , S ir J o s e p h J o h n , 5, 8, 12-13, 3 3 , 94 a to m d ü ş ü n c e s i, 81 d e n e y a r a ç g e r e ç le r i, 3 4 d e n e y s o n u ç la n , 6 0 -6 4 d e n e y le r d e e n e rji b a ğ ın tıla rı, 7 1 -7 5


e le k tr o m a n y e tik s a p tır m a y ö n te m i, 99 e le k tr o n ik y ü k d e n e y le ri, 1 0 5 -1 1 3 k a to t ışın ı d e n e y le ri, 6, 2 7 -2 8 , 4 8 , 5 7 , 7 9 -8 0 , 198, 2 1 2 te m e l p a r ç a c ık la r , 7 5 -7 6 y e r d e ğ iş tir m e fo rm ü lü , 3 6 -3 6 T h o m s o n , S ir W illia m , 7, 8 T o ry u m , 126, 131, 133 T o ıy u m d iz ile ri, 1 5 8 -1 5 9 T o ry u m e m a n a s y o n u , 131, 133, 158 T o ry u m X , 131, 1 3 4 -1 3 5 , 158 T o w n s e n d , J . S . E ., 105, 107 e le k tr o n ik y ü k d e n e y le ri, 105 e le k tr o n ik y ü k ö lç ü m ü , 112 T rib o - e lc k trik sıra , 21 T r in ity C o lle g e , C a m b r id g e , 12 T s e n g , K u n g - L ia n g , 4 9 T u ve, M e rle A., 173, 174 U r a n y u m , 126, 1 3 4-136 U r a n y u m d iz ile ri, 159 U re y , H a ro ld , 98 Ü s te l g ö s te rim , 9 -1 0 V a n d e G ral'I h ız k m d ın c ıs ı, 174,

17,5

V a rle y , C r o m w e ll, 2 6 V e k tö rle r, 3 2 -3 3 V illa rd , P „ 130 V o lta , K o n t A le s s a n d r o , 50 V o lt, ta n ım ı, 6 7 V u r m a p a r a m e tre s i, 149, 150, 152, 236 W a lto n , li. 4 ’. S., 72, 122, I 76 W a n g C h u n g , 49 W a ts o n W illia m , 16, 2 2 W e b e r W ilh e lm , 5 6 , 5 7 , 59 W e b e r /m h 54 W e is s k o p f, V ic to r F ., 1 8 7 W e y l, H e r m a n n , 185 W h e w e ll, W illia m , 101 W ie g a n d , C ly d e , 187 W ie n , W ilh e lm , 94, 9 9 W ils o n , C h a rle s T h o m s o n R e e s , 105, 106 W ils o n , H . A ., 105, 108, 109, 112, 193 W o o s te r, W . A ., 1 82


^ ^ ıiı f'ıııuii', 134 lıo z u n u m e ğ risi, 136 s a p ta n m a s ı, 1 3 6 -1 3 7 v e r a d y o a k t i f b o z u n u m la r ın h e s a p la n m a s ı, 2 2 7 -2 3 3 Y e r ç e k im i v e p o ta n s iy e l e n e r ji, 6 6 Y e r d e ğ iş tir m e y a s a la r ı, 1 5 7 -1 5 8 Y p s ila n tis , T o rn , 1 87 Y u k a w a , H id e k e i, 187 Y ü k , B k z . E le k tr ik y ü k ü Y ü k ü n k o r u n u m u , 18 Z e e m a n e tk isi, 7 7 Z e e m a n , P ie te r , 7 6 , 7 8 , 79 Z in c ir le m e ç e k ir d e k te p k im e s i, 179 Z w e ig , G e o rg e , 192


Stevenweinberg atomalti parcaciklar  
Stevenweinberg atomalti parcaciklar  
Advertisement