Her Model Bir Deneyle Yıkıldı
Atom modelleri bir liste gibi ezberlenir, ama asıl hikâye şudur: her model, açıklayamadığı bir deney sonucu yüzünden yerini bir sonrakine bıraktı.
- Dalton (1803): atom içi dolu, bölünemez küre. Kimyasal tepkimelerdeki sabit oranları açıklıyordu.
- Thomson (1897): katot ışınlarının eksi yüklü, çok hafif parçacıklar olduğunu gösterdi: elektron. Demek ki atom bölünebiliyordu. Modeli: pozitif bir kütlenin içine gömülü elektronlar ("üzümlü kek").
- Rutherford (1911): ince altın levhaya alfa parçacıkları gönderildi. Çoğu hiç sapmadan geçti; yaklaşık 8000'de biri 90°'den büyük açıyla geri döndü. Üzümlü kekte bu imkânsızdı. Sonuç: pozitif yük ve kütlenin neredeyse tamamı atomun yaklaşık 100 000'de biri büyüklüğündeki bir çekirdekte toplanmıştır; atomun geri kalanı boşluktur.
- Bohr (1913): Rutherford atomunda dönen elektron ışıma yapıp enerji kaybetmeli ve çekirdeğe düşmeliydi. Bohr elektronun yalnız belirli enerji düzeylerinde bulunabileceğini önerdi.
Hidrojenin Kırmızı Çizgisi
Bohr modelinde hidrojenin enerji düzeyleri:
$E_n = -\dfrac{13{,}6}{n^2} \text{ eV}$
$n = 1$ için $-13{,}6$ eV, $n = 2$ için $-3{,}4$ eV, $n = 3$ için yaklaşık $-1{,}51$ eV. Elektron 3. düzeyden 2. düzeye inerken aradaki fark kadar enerjili bir foton yayar: $-1{,}51 - (-3{,}4) = 1{,}89$ eV. Dalga boyu $1240 / 1{,}89 \approx 656$ nm, kırmızı ışık.
Hidrojen tüpünden geçen ışığı prizmayla ayırınca tam bu dalga boyunda parlak bir kırmızı çizgi görülür. Sürekli bir tayf değil, belirli çizgiler: enerjinin kesikli olduğunun kanıtı. Mini soru: 2. düzeyden 1. düzeye geçişte yayılan foton görünür müdür? Enerji 10,2 eV, dalga boyu yaklaşık 122 nm; morötesidir, göremeyiz.
Çekirdeğin Kimliği
Çekirdek $^{A}_{Z}X$ biçiminde yazılır. Atom numarası $Z$ proton sayısıdır ve elementi belirler. Kütle numarası $A$ proton ile nötron sayılarının toplamıdır. Karbon-12'de 6 proton 6 nötron, karbon-14'te 6 proton 8 nötron vardır. Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı bu çekirdeklere izotop denir; ikisi de karbondur ve aynı kimyasal tepkimeleri verir, ama karbon-14 kararsızdır.
Bozunma Denklemleri: İki Sayı Korunur
Kararsız çekirdek ışıma yaparak başka bir çekirdeğe dönüşür: radyoaktivite. Bütün bozunma denklemlerinde iki toplam korunur: üstte kütle numaraları, altta atom numaraları.
- Alfa: $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$. $A$ 4, $Z$ 2 azalır. Alfa parçacığı büyük ve yüklüdür; bir kâğıt yaprağı durdurur.
- Beta eksi: $^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\text{N} + e^{-}$ (yanında bir antinötrino). Çekirdekte bir nötron protona döner; $Z$ 1 artar, $A$ değişmez. Birkaç milimetrelik alüminyum durdurur.
- Gama: uyarılmış çekirdek fazla enerjisini foton olarak atar. $A$ da $Z$ de değişmez. Kalın kurşun ya da beton gerekir.
Çözümlü örnek: Uranyum-238, bir dizi bozunmayla kurşun-206'ya dönüşür. Kaç alfa, kaç beta bozunması olmuştur? Kütle numarasını yalnız alfa değiştirir: $238 - 206 = 32 = 8 \cdot 4$, yani 8 alfa. Sekiz alfa atom numarasını $92 - 16 = 76$'ya indirirdi; kurşunun atom numarası 82. Aradaki 6'yı beta eksi bozunmaları artırmıştır: 6 beta.
Sık yapılan hata: Beta ışımasında çıkan elektronun atomun yörüngesinden geldiğini sanmak. Elektron çekirdekte, nötronun protona dönüşmesiyle doğar; atom numarası bu yüzden artar.
Yarılanma: Grafikten Süre Okumak
Kalan çekirdek sayısı-zaman grafiği düzgün azalan bir doğru değil, gittikçe yatıklaşan bir eğridir. Eşit sürelerde eşit oranda azalma olur. Kalan miktarın yarıya indiği süre yarılanma süresidir ve sıcaklık, basınç, kimyasal bağ gibi dış koşullardan etkilenmez.
Hastanelerde görüntüleme için kullanılan teknesyum-99m'nin yarılanma süresi 6 saattir. Hastaya 40 mg verildiyse 24 saat, yani 4 yarılanma sonra kalan: $40 \rightarrow 20 \rightarrow 10 \rightarrow 5 \rightarrow 2{,}5$ mg. Kısa yarılanma, hastanın vücudunda uzun süre radyoaktif madde kalmaması için seçilir.
Karbon-14'ün yarılanma süresi 5730 yıldır. Bir odun parçasında karbon-14 oranı canlı ağaçtakinin 1/8'ine inmişse üç yarılanma geçmiştir: yaklaşık $3 \cdot 5730 = 17\,190$ yıl.
Yaygın yanılgı: "Yarılanma süresi 6 saatse 12 saatte hepsi biter." Bitmez; 12 saatte dörtte biri kalır. Her yarılanma kalanın yarısını götürür, başlangıcın yarısını değil.
Evrenin Başlangıcına Bir Bakış
Büyük Patlama kuramına göre evren yaklaşık 13,8 milyar yıl önce çok sıcak ve yoğun bir hâlden genişleyerek soğudu. İki güçlü kanıt vardır: uzak galaksilerin tayf çizgilerinin kırmızıya kayması (galaksiler uzaklaşıyor, evren genişliyor) ve her yönden gelen yaklaşık 2,7 K sıcaklığındaki kozmik mikrodalga arka plan ışıması.
Radyoaktivitenin enerji tarafı, yani ağır çekirdeğin bölünmesi (fisyon) ve hafif çekirdeklerin birleşmesi (füzyon), kütle kusuru hesabıyla birlikte "Modern Fizikte Enerji" anlatımında ayrıntılı işlenir.
Sınav ipucu: Bozunma sorusunda önce kütle numarası farkını 4'e bölün (alfa sayısı), sonra atom numarasındaki eksikliği beta ile kapatın. Gama hiçbir sayıyı değiştirmez.
Sık sorulanlar
Rutherford deneyi atom hakkında neyi gösterdi?
Alfa parçacıklarının çoğu sapmadan geçti, çok azı geri döndü. Buradan pozitif yükün ve kütlenin küçük, yoğun bir çekirdekte toplandığı ve atomun büyük kısmının boşluk olduğu anlaşıldı.
Beta eksi bozunmasında atom numarası neden artar?
Çekirdekteki bir nötron protona dönüşür ve bir elektron yayılır. Proton sayısı 1 artar, kütle numarası değişmez.
Uranyum-238 kurşun-206'ya dönüşürken kaç alfa ve beta bozunması olur?
Kütle numarası 32 azaldığı için 8 alfa. Sekiz alfa atom numarasını 76'ya indirir; 82'ye çıkması için 6 beta eksi bozunması gerekir.
Yarılanma süresi sıcaklıkla değişir mi?
Hayır. Yarılanma süresi çekirdeğin özelliğidir; sıcaklık, basınç ya da kimyasal bağlar onu değiştirmez.