Ernest Rutherford | Hayatı, atom modeli ve keşifleri, sözleri

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford nükleer fiziğin babasıydı. En çok modern fiziğin büyük kısmının esasını oluşturan atom çekirdeğini keşfiyle tanınsa da, Nobel ödülünü – elementlerin dönüşümü ile – kimya dalında almıştı. Maddenin doğasını ve Büyük Patlama'daki kökenlerini araştıran yüksek enerji parçacık fiziği ve – nükleer santral ve silahlardan nükleer tıbba kadar – modern nükleer teknoloji bize bıraktığı mirasın birkaç örneğidir. Hiç tereddütsüz Rutherford'un deneysel fizikteki keşiflerinin derinliği ve genişliğinin Einstein'ın teorik fizikteki keşiflerine eşit olduğu söylenebilir.

Ernest Rutherford kimdir?

Yeni Zelanda'da doğan Ernest Rutherford İngiltere'ye 1895 yılında neredeyse kazara geldi. Yeni Zelanda'nın o yılki uluslararası bursunu kazanan kişi evlenme gerekçesiyle bursu almadı. Rutherford sıradaki ikinci kişiydi, zaten gerisi de malum. Yine de Cambridge'e vardığında geleceği çok farklı şekillenebilirdi. Yeni Zelanda'daki araştırmaları elektrik teknolojisi üzerineydi ve bir süre kadar elektromanyetik dalgaların saptanabileceği mesafe üzerine dünya rekoruna sahip olmuştu.

O zamanlar Guglielmo Marconi'den öndeydi, bu alanda çalışmalarını sürdürmeyi planlıyordu ama aynı yıl, 1895'te Wilhelm Röntgen X-ışınlarını keşfetti. Bunu kısa zamanda Henri Becquerel'in radyoaktiviteyi keşfi izledi. Cambridge'de J. J. Thomson liderliğinde, araştırmaların odağı bu yeni gizemli radyasyona kaydı. Söylenceye göre Thomson, Lord Kelvin'e danışmış, o da radyoda gelecek olmadığını söylemiş; Rutherford da bunun üzerine radyoaktiviteye yönlendirilmiş.

Radyoaktivite 1896 yılında Becquerel tarafından keşfedildi ve 1898 yılında radyumu keşif süreçlerinde Curieler tarafından adlandırıldı; ancak bu ufuk açan keşfi bilimsel bir araca dönüştüren Rutherford'du. Radyasyonu atomları bombardımana tutmak ve iç yapılarını örneklemek için kullandı. 1890'larda Cambridge'deki Cavendish laboratuvarında doktora çalışmaları yaparken, Kanada'da McGill Üniversitesi'nde profesörlük ile uğraşırken ve Manchester'da yürüttüğü incelemelerle atomun yapısının sırlarını çözdü. 1919 yılında zamanının en büyük deneysel fizikçisi olarak danışmanı Thomson'ın yerine geçmek üzere Cambridge'e döndü.

Simya gibi algılanan radyoaktivite

Ernest Rutherford ve Hans Geiger'in alfa parçacıklarını sayan aparat ile birlikte resmedildiği 1912 tarihli fotoğraf
Ernest Rutherford ve Hans Geiger'in alfa parçacıklarını sayan aparat ile birlikte resmedildiği 1912 tarihli fotoğraf.

Ernest Rutherford başlangıçta Thomson ile gazlarda X ışınının iyonlaştırıcı etkileri üzerinde çalışıyordu, daha sonra ilk önemli katkısı üzerinde çalışmaya başladı: Uranyumdan yayılan radyasyonun yoğunluğunun ölçümü. Bunu yapmak için uranyum numunesini alüminyum folyoya sardı. Bu işlem radyasyonu emiyordu. Kalınlığı arttıkça, beklenildiği gibi, radyasyon yoğunluğunun düştüğünü buldu; radyasyon artan oranlarda emiliyordu. Ancak kalınlık daha da artsa bile yoğunluğun değişmediğini gördü. Yine de birkaç kat daha alüminyum ekledikten sonra nihayet yoğunluğun düştüğünü söyleyebildi.

Yoğunluk öncekinden çok daha düşük oranlarla azalıyordu. Buradan iki tür radyasyon olması gerektiği sonucuna vardı. Birisi hızla emiliyordu, buna alfa adını verdi; beta adını verdiği ikincisi folyoya nüfuz ediyordu. Ardından daha fazla nüfuz eden gama adını verdiği bir ışın buldu.

1898 yılında Kanada Montreal'deki McGill Üniversitesi'ne geçti. Burada yaptığı ilk şey uranyum tarafından yayılan enerji miktarını ölçmekti. Burada büyük idrak anını yaşayacaktı: Enerji miktarı bilinen herhangi bir kimyasal tepkimeyle üretilenden 100 kat kadar daha büyüktü. Bu ölçümlerle atomun derinliklerindeki gizli gücün ilk işaretini yakaladı.

Elementlerin dönüştürülmesi buluşu

Thomson 1897'de atomların elektron denilen küçük elektrik parçacıkları içerdiğini gösterdi. Eksi yükleri dengelemek için atomda artı yük de olmalıydı; bu da atomun karmaşık yapısına işaret ediyordu. Rutherford 1900'de uranyumun gücünün atomik içeriğinin yer değiştirmesinden kaynaklandığını ileri sürdü. Atomun yapısı halen açıklanmayı bekliyorken, zamanı için bu dikkate değer bir teoriydi çünkü bilhassa Curie'ler gibi diğer bilim adamları en azından radyoaktif enerjinin atomun dışından kaynaklandığı kanaatine sahiplerdi.

İLGİLİ:  Otoimmün hastalığı olanların Corona virüs hakkında bilmesi gerekenler

Ernest Rutherford tam da bu dönemde toryum elementinin radyoaktivitesinin alışılmadık davranışıyla ilgilenmeye başladı. Radyoaktif miktar değişken gözüküyordu ve havadaki esintiye duyarlıydı. Bir dizi deneyden sonra toryumun bir tür radyoaktif gaz saldığına karar verdi. Gaz havadaki akımdan etkileniyordu. Bu gazın içeriğini saptamak için bir kimyagerin yardımına ihtiyaç duydu: Frederick Soddy. Bunun yeni bir element – radon – olduğuna dair şüphe götürmeyen kanıtlar buldular. Bu keşifle bir elementin – toryum – başka bir elemente – radon – dönüşebileceğinin ilk kanıtını bulmuşlardı.

Soddy "Rutherford, bu bir dönüşüm" diye çığlık attığında Rutherford şöyle cevap verdi: "Buna dönüşüm deme; simyager diyerek kafamızı koparırlar." Ancak başardıkları tam da buydu; gerçekten de simyaydı, ama doğal şekilde meydana geliyordu. Böylece toryumun ilk önce radyuma dönüştüğünü gösterdiler. Radyum da radona dönüşüyordu; her evrede radyasyon yayılıyordu. Periyodik cetveldeki elementlerin değer dizilişine dikkat çekmenin yanı sıra radyasyonun böyle bir dönüşümle oluştuğunu da gösterdiler.

Ernest Rutherford'un atom çekirdeğini keşfetmesi

Kabarcık Odası / Cloud Chamber
Kabarcık odasındaki atom parçacığı izleri. Kabarcık odası süper ısıtılmış saydam sıvı (genellikle sıvı hidrojen) ile dolu olan ve içinden geçen elektrik yüklü parçacıkları saptamak için kullanılan bir aygıttır. Rutherford alfa parçacıklarının saçılımını keşfettikten yaklaşık 50 yıl sonra, kabarcık odası tekniği ardıllarının onun başarılarını temel almalarına imkan verdi.

Rutherford 1907 yılında McGill Üniversitesi'nden Manchester'a geçti. Bugün Geiger sayacı ile tanınan genç Alman Hans Geiger ile sayacın prototipini kullandılar ve çekirdeğin artı yüklü olan ve elektrondan 10.000 kat daha fazla kütleye sahip parçacıklardan meydana geldiğini gösterdiler. Hatta çekirdekler helyum atomundan iki kat daha yüklüydü. Rutherford 1908 yılında çok sayıda alfa parçacığı topladı ve bu parçacıkları elektronlarla nötralize ederek ortaya çıkan gazın spektrumunu inceledi. Alfa parçacıklarının bir helyum çekirdeğine denk olduğunu kanıtladı.

O yıl Soddy ile dönüşüm üzerine yaptığı çalışmasıyla aldığı Nobel Ödülü konuşmasında bu keşfini duyurdu – ödülü fizik değil, kimya dalında almıştı. Rutherford her zaman fiziği kimyanın çok ilerisinde görmüştü, hatta kimyayı pul toplamaya benzetmişti. Yine de kendisinin fizikten kimyaya yaptığı hızlı dönüşüme mizahla yaklaşmayı da bilmişti. Kimya dalında bu ödülü alması doğruydu: Rutherford ve Soddy fiziksel yöntemler kullandılar ama devrime yol açtıkları alan kimyaydı. Nobel Ödülü töreni esnasında Lady Rutherford'a eşinin "bir gün fizik ödülünü de alacağı" söylendi. Ancak asla almadı, şaşırtıcıydı çünkü onun ömür boyu süren keşifler dizisi henüz yeni başlamıştı.

Afla parçacıklarının keşfedilmesi ağır atomların küçük atom parçacıkları yayarak daha hafif atomlara bozunabileceğinin kesin kanıtını sunmuştu. Bu durum şimdi eksi yüklü hafif elektronlar ve artı yüklü eşleniklerden oluşan parçacıkların atom içerisinde nasıl dizildiği sorusunu doğuruyordu. Bu temel sorunun cevabı Rutherford'un yaptığı bir sonraki keşifte yatıyordu.

Ernest Rutherford ve Geiger, alfa parçacıklar gibi elektrik yüklü parçacıkların çarptığında hafif parıltı saçmasını sağlayan çinko sülfit kaplı bir ekran yaptılar. McGill'de çalıştığı zamanlarda alfa parçacıklarının ince mika yapraktan geçerken uçuş çizgilerinden sapar gibi göründüklerini fark etmişti. Alfa parçacıkları ışığın yirmide biri hızda, yani saniyede 15.000 kilometre hızla hareket ettikleri için durum şaşırtıcıydı. Alfa parçacıklarının saptırılması bilinen herhangi bir elektrik ve manyetik kuvvetten çok daha büyük bir mevcudiyeti ima ediyordu. Buradan bu güçlü kuvvetin atomun içinde mevcut olduğu fikrini çıkardı.

Atomik modele ilham oldu

Gieger'in Ernest Marsden adında genç bir öğrencisi vardı. Rutherford 1909 yılında Marsden'e herhangi bir alfa parçacığının çok büyük açılarla sapıp sapmadığına bakmasını önerdi. Marsden saçılan alfa parçacıklarını tespit etmek için mika yerine altın yaprak ve parıldayan bir ekran kullandı. Marsden alfa parçacıklarının yirmi binde birinin tam geldikleri yöne geri sıçradıklarını bildirdiğinde herkes şaşkınlığa uğradı. Bu durum sadece birkaç yüz atom kalınlığındaki çok ince altın yaprağa çarptıklarında olmuştu. Rutherford haykırarak o çok bilinen cümleyi sarf etti: "Bir parça ipek kağıda 15 inçlik şarapnel atıyorsun da bu şarapnel kağıttan sekip seni vuruyormuş gibi."

Bir sene boyunca bu olguya kafa yordu, sonunda atomdaki artı yükün aşırı derecede yoğun kütleli merkezi çekirdek çevresinde yoğunlaştığını keşfetti. Yaklaşık elli kat daha ağır kütleli altın atomunun çekirdeğine göre nispeten hafif ağırlıklı olan alfa taneciklerini geri sektiren şey aynı yüklerin birbirini itmesiydi. Çekirdeğin atoma göre büyüklüğü şimdi çok bilinen ifadeyle "katedraldeki bir sinek" kadardı.

İLGİLİ:  Sigmund Freud | Hayatı, sözleri, psikanaliz ve bilinçdışı kuramı

Rutherford atom çekirdeğini keşfederek Manchester'daki asistanı Niels Bohr'un 1913'te atomik modeli icat etmesi için yolu açmıştı. Henüz emekleme aşamasındaki kuantum teorisi fikirlerinin uygulamaya konulmasıyla hızla yaygınlık kazanan bu keşif, "gezegen benzeri" hafif elektronların, "güneş benzeri" ağır çekirdeğin çevresinde döndüğü minyatür bir "güneş sistemi" atom görüntüsünün zihinlerde canlanmasına yol açtı. Her ne kadar bu ayrıntılar kuantum mekaniğinin ve göreliliğin olgun fikirleri ile sonradan geliştirilse de, bu basit resim esas itibariyle bir asır boyunca ayakta kalmayı başardı.

Ernest Rutherford'un atomu parçalaması

20. yüzyılın başlarında Rutherford'un Cambridge'deki laboratuvarı
20. yüzyılın başlarında Rutherford'un Cambridge'deki laboratuvarı.

Bu deneyler atom çekirdeğinin mevcudiyetini kanıtlamıştı ama çekirdeğin yapısını irdelememişti. Elektrik yüklü nötr bir atomda çekirdeğin artı elektrik yükü, çevreleyen elektronların eksi elektrik yükü ile dengelenir. Rutherford daha hafif elementler daha ağır atomlardan daha az elektrona sahipse, çekirdeklerindeki yükün de daha küçük olması gerektiğini keşfetti. Buradan hareketle alfa parçacıklarına gelen direnç daha az olmalı ve alfalar daha yakına yanaşabilmeliydi.

Hidrojen en hafif elementtir, bu nedenle Rutherford ve Marsden hidrojene alfa parçacıkları göndermeye başladılar. Alfalar radyoaktif bir kaynak tarafından üretiliyor, hidrojen gazından geçiyor ve çinko sülfit ekrana çarptıklarında ışıldama ile tespit ediliyorlardı. Eğer ekran belli bir mesafeden daha uzaktaysa parıltı kesiliyordu. Çünkü alfalar hidrojen ve ekran arasında pek çok hava molekülü ile çarpışarak enerji kaybediyor ve kendilerini üreten radyoaktif kaynaktan aşağı yukarı aynı mesafede duruyorlardı.

Ernest Rutherford Proton'u nasıl keşfetti?

Rutherford bir manyetik alan vasıtasıyla bunlara alfa parçacıklarından daha hafif artı yüklü parçacıkların sebep olduğunu kanıtladı. Bu daha hafif artı yüklü parçacıkların, enerji yüklü alfa parçacıklarının hidrojen gazındaki atomlara çarpmasıyla fırladığını fark etti. Hidrojen atomunun bu artı yüklü çekirdeğine "H-parçacıkları" adını verdi; bugün bunlara proton diyoruz.

Bu çok önemli bir keşifti ama protonların tüm elementlerin atom çekirdeklerinde yer alan artı yüklü parçacıklar olduğunu temellendirmeye yetmedi. Bu önemli gelişme Rutherford'un üç yıl boyunca Marsden'in bulduğu bir anomaliye kafa yormasından sonra yaşandı: Alfa parçacıkları havadan geçerken de H-parçacıkları üretiliyordu.

Marsden bunu 1914 yılında keşfetti. Daha sonra Yeni Zelanda'ya gitmek üzere yola çıktı, pek çok diğer öğrenci de Birinci Dünya Savaşı'na katılmıştı. Rutherford bu olguyu sabırla tek başına araştırdı ve sonunda ne olup bittiğini belirledi. Farklı hafif elementlere alfa parçacıkları gönderdi ve H-parçacıklarının belirdiğinin sinyallerini buldu. H-parçacıklarının bu elementlerin atomlarından fırladığını fark etti; Marsden'in özgün deneyinde, atmosferin önemli bileşenlerinden olan nitrojenden fırlıyorlardı. Bu yeni bulguyla Rutherford H-parçacıklarının tüm atomların çekirdeklerinin temel parçacığı olduğunu tespit etti ve 1919'da bu parçacıklara proton adını verdi.

Nötronun keşfi

Rutherford'un aletleri oldukça hassas oldukları için, laboratuvarın girişine ''Talk Softly Please'' uyarısını asılıydı
Rutherford'un aletleri oldukça hassas oldukları için, laboratuvarın girişinde "Talk Softly Please" uyarısı asılıydı.

Bu keşfin büyüklüğünü gösteren bir hikaye vardır. Savaş esnasında Rutherford'un uzmanlığına başvurulmuş ve o da denizaltıları tespit etmek için yöntemler icat etmiştir. Proton üzerine yaptığı deneylerin dönüm noktasında hükümetin bilimsel komitesinden eğer düşündüğü şey doğruysa bunun savaşı kazanmaktan daha önemli olacağını söyleyerek izin istemiştir. Rutherford'un atom çekirdeğini keşfetmesinden sonra neler yaşandığı göz önüne alınırsa ve İkinci Dünya Savaşı'nı sonlandıran atom bombasındaki rolü düşünülürse kendisi çok ileri görüşlüymüş.

1920'lere gelindiğinde protonun çekirdek yükünü taşımadaki rolü tespit edilmişti ama farklı elementlerin çekirdeklerinin göreli ağırlığını açıklamada tek başına yetersizdi. Protondan iki kat fazla yükü bulunan alfa parçacığı yine de ondan dört kat daha ağırdı. Bu nedenle 1920'de Rutherford bir nötronun yani protonla benzer kütleye sahip ama elektrik yüksüz bir parçacığın varlığını ileri sürdü. Böylece bir alfa parçacığının protondan dört kez daha ağır olmasının sebebi iki proton ve iki nötron içermesiydi. Bu aşamada Rutherford, Thomson'un yerine Cavendish profesörü olarak atanarak Cambridge'e geçti.

İLGİLİ:  Uzay çöpü: Dünya yörüngesindeki uzay çöplerinin tehlikesi nedir?

Burada Rutherford'un yönlendirmesiyle 1932 yılında James Chadwick nötronu keşfetti.

Artık ellili yaşlarında olan Rutherford kendi başına deneyler yapmaktansa daha genç meslektaşlarının araştırmalarını yönetiyordu. Cavendish Laboratuvarı kolaylıkla ayarı bozulan ya da dikkatsiz bir darbe ile hasar görebilecek hassas aygıtlara sahipti. Ses bile bazı aletleri etkiliyordu ve Rutherford'un gürlemeleri potansiyel bir tehlikeydi. Ünlü bir fotoğrafında "Lütfen Alçak Sesle Konuşun" yazan tabelanın altında dururken görülür.

Elementlerin yapay dönüşümünün keşfi

Rutherford bu noktada "büyük bilim" denen şeye başladı yani atomun labirentlerini incelemek için büyük aygıtların kullanımı. Proton ve nötron ile atom çekirdeğinin temel parçalarını tanımladığının farkındaydı. Ancak bu çekirdeklerin gerçek yapısı hala bir gizemdi. Doğal radyoaktivite ile üretilen alfa parçacıkları çekirdeği çevreleyen güçlü elektrik alana nüfuz etmek için kısıtlı yeterlilikteydi. Alfa parçacıklarının enerjisini artırarak çekirdeğin derinliklerinin örneklenmesini sağlayacak yollara yani aletlere ihtiyaç vardı.

Böylece Rutherford'un yönetiminde ilk "atom parçalayıcı'' yapıldı. Bu aletle, John Cockroft ve Ernest Walton üzerinde çalışması alfa parçacıklarından kolay olan protonları ivmelendirdiler ve bu yüksek enerjili parçacık ışınlarını lityuma gönderdiler. Bir protonun lityum çekirdeğini ikiye ayırdığını, lityumu iki alfa parçacığına çevirdiğini buldular. İlk kez elementlerin yapay dönüşümü gerçekleştirilmişti.

Ernest Rutherford ile nükleer fizik çalışmaları

Rutherford'un küçük, doğaçlama aletler konusundaki efsanevi bir yeteneği vardı. Ayrıca yüksek gerilim ekipmanlarının geliştirilmesini de destekledi. Bu ekipmanlar, yüksek enerjili parçacıklarda ve çok düşük sıcaklıklarda yeni araştırmalara olanak tanıdı
Rutherford'un küçük, doğaçlama aletler konusundaki efsanevi bir yeteneği vardı. Ayrıca yüksek gerilim ekipmanlarının geliştirilmesini de destekledi. Bu ekipmanlar, yüksek enerjili parçacıklarda ve çok düşük sıcaklıklarda yeni araştırmalara olanak tanıdı.

O zamana dek radyoaktivite sadece elementlerin kendiliğinden dönüşümünü içeriyordu. Cavendish Laboratuvarında kendi halinde dönüşmeyen bir elementin dönüştürülmesi başarıldı. Yeni bir bilim yani nükleer fizik doğmuştu. Doğal radyoaktivite belirgin derecede enerji açığa çıkarıyordu ama bu daha pratik uygulamalar için umut vaat etmekten uzaktı. Rutherford'un, çekirdekten faydalanılabilir güç elde etme fikrini ileri süren herkesin "boş konuştuğunu" söylediği 1930'daki yorumu bu yapay dönüşüme dek doğruydu.

Ancak element dönüşümünü tetikleme yetisiyle birlikte yeni olanaklar doğmuştu. Bunlardan biri uranyum gibi elementlerin çevrelerindeki atomları ayrıştırarak nötronlar açığa çıkarttığı ve böylece ilave fisyonlara yol açtığı ayrıştırma eğilimiydi. Bu süreç hem barışçıl hem askeri uygulamalarda bir güç kaynağı haline geldi.

1930'larda artık Ernest Rutherford dünyada gününün öncü deneysel fizikçisi olarak tanınmıştı. 1914'te şövalye ilan edildi, 1925'te liyakat nişanı aldı. 1931'de Lord Rutherford of Nelson ilan edildi. Şöhreti dolaylı yoldan ölümüne sebebiyet vermiş olabilir. Zira 1937'de kasık fıtığı oldu. O zamanki İngiltere protokolü Lordlar Kamarası üyelerinin sadece unvanlı bir cerrah tarafından ameliyat edilmesini gerektiriyordu. Uygun nitelikte doktor bulana kadar geçen sürenin zamansız ölümününe sebep verdiği söylenir.

İki yıl sonra, İkinci Dünya Savaşı başladı. Nükleer fizikteki keşiflerini temel alan atom bombasının ve ilk aşkı elektromanyetik radyasyona bağlı radarın geliştirildiği Manhattan Projesine yapabileceği katkıları sadece hayal edebiliriz. Westminster Abbey'de Isaac Newton'un mezarının yakınına gömülmüştür.

Ernest Rutherford'un sözleri

  • "Tüm bilimler ya fizik ya da pul toplamadır."
  • "Eğer deneyiniz istatikçiye ihtiyaç duyuyorsa, daha iyi bir deneye ihtiyacınız var."
  • "Bilimdeki ihtimalleri 1012 ile 1 arasında olan hiçbir şey üzerine bahse girmemelisiniz."
  • "Beyler, paramız bitti. Düşünmeye başlama zamanı."
  • "İlk makalelerimden birini okumayı yeni bitirdim ve bilirsiniz, bitirdiğimde kendime, 'Rutherford, oğlum, sen lanet zeki biriydin' dedim. (1911)"
  • "Sahip olduğunla en iyisini yapmazsan, sahip olabileceğin şeyle asla daha iyisini yapamazsın!"