Üzümlü Kek Modeli. Ç. Misli ve O. Yılmaz, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Fizik Bölümü

Benzer belgeler
J.J. Thomson (Ġngiliz fizikçi, ), 1897 de elektronu keģfetti ve kütle/yük oranını belirledi da Nobel Ödülü nü kazandı.

ÇALIŞMA YAPRAĞI (KONU ANLATIMI)

ATOM ATOMUN YAPISI 7. S I N I F S U N U M U. Elementlerin tüm özelliğini gösteren en küçük parçasına atom denir.

Çift yarık: Foton saçılımı ve girişim deseninin matematiksel modeli

ψ( x)e ikx dx, φ( k)e ikx dx ψ( x) = 1 2π θ açısında, dθ ince halka genişliğinin katı açısı: A. Fiziksel sabitler ve dönüşüm çarpanları

1. ATOMLA İLGİLİ DÜŞÜNCELER

Proton, Nötron, Elektron

Atomun Yapısı Boşlukta yer kaplayan, hacmi, kütlesi ve eylemsizliği olan her şeye madde denir. Maddeyi (elementi) oluşturan ve maddenin (elementin)

UBT Foton Algılayıcıları Ara Sınav Cevap Anahtarı Tarih: 22 Nisan 2015 Süre: 90 dk. İsim:

Maddenin Yapısına Giriş Ders-2 DOÇ. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR EKİM 2017

Kimyafull Gülçin Hoca

MASSACHUSETTS TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ Fizik Bölümü Fizik 8.04 Bahar 2006 SINAV 1 Salı, Mart 14, :00-12:30

FİZİK 2 ELEKTRİK VE MANYETİZMA Elektrik yükü Elektrik alanlar Gauss Yasası Elektriksel potansiyel Kondansatör ve dielektrik Akım ve direnç Doğru akım

ATOMUN YAPISI ATOMUN ÖZELLİKLERİ

ATOMUN YAPISI. Özhan ÇALIŞ. Bilgi İletişim ve Teknolojileri

A. ATOMUN TEMEL TANECİKLERİ

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

ELEKTRİKSEL POTANSİYEL

DEMOCRİTUS. Atom hakkında ilk görüş M.Ö. 400 lü yıllarda Yunanlı filozof Democritus tarafından ortaya konmuştur.

Theory Tajik (Tajikistan)

ATOM MODELLERİ.

1) İzotop, izoton ve izobar niceliklerini tanımlayarak örnekler

FİZK Ders 5. Elektrik Alanları. Dr. Ali ÖVGÜN. DAÜ Fizik Bölümü.

7. Sınıf Fen ve Teknoloji

ATOM BİLGİSİ Atom Modelleri

Elementlerin tüm özelliğini gösteren en küçük parçasına atom denir. Atomu oluşturan parçacıklar farklı yüklere sahiptir. Atomda bulunan yükler;

=iki cisim+üç cisim+dört cisim+ +N cisim etkileşmelerinin tümü

Parçacık Fiziği Söyleşisi

MADDENİN YAPISI VE ÖZELLİKLERİ

Alfalar: M Q. . -e F x Q. 12. Hafta. Yüklü parçacıkların ve fotonların madde ile etkileşimi

Dalton atom modelinde henüz keşfedilmedikleri için atomun temel tanecikleri olan proton nötron ve elektrondan bahsedilmez.

Element atomlarının atom ve kütle numaraları element sembolleri üzerinde gösterilebilir. Element atom numarası sembolün sol alt köşesine yazılır.

Bu bölümde Coulomb yasasının bir sonucu olarak ortaya çıkan Gauss yasasının kullanılmasıyla simetrili yük dağılımlarının elektrik alanlarının çok

Maddenin Tanecikli Yapısı

MAK 308 MAKİNA DİNAMİĞİ Bahar Dr. Nurdan Bilgin

SU Lise Yaz Okulu 2. Ders, biraz (baya) fizik. Dalgalar Elektromanyetik Dalgalar Kuantum mekaniği Tayf Karacisim ışıması

Newton un ikinci yasası: Bir cisim ivmesi cisim üzerine etki eden toplam kuvvet ile doğru orantılı cismin kütlesi ile ters orantılıdır.

8.04 Kuantum Fiziği Ders V ( ) 2. = dk φ k

KİMYA -ATOM MODELLERİ-

Manyetik Alanlar. Benzer bir durum hareketli yükler içinde geçerli olup bu yüklerin etrafını elektrik alana ek olarak bir manyetik alan sarmaktadır.

... ANADOLU L SES E T M YILI I. DÖNEM 10. SINIF K MYA DERS 1. YAZILI SINAVI SINIFI: Ö RENC NO: Ö RENC N N ADI VE SOYADI:

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

ATOMUN YAPISI VE PERIYODIK CETVEL

Statik Manyetik Alan

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Fizik Bölümü Fizik II Dersi Birinci Ara Sınavı

h 7.1 p dalgaboyuna sahip bir dalga karakteri de taşır. De Broglie nin varsayımı fotonlar için,

Fiz Ders 10 Katı Cismin Sabit Bir Eksen Etrafında Dönmesi

X-IŞINI OLUŞUMU (HATIRLATMA)

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

ATOM NEDİR? -Atom elementin özelliğini taşıyan en küçük parçasına denir. Her canlı-cansız madde atomdan oluşmuştur.

Fiz 1012 Ders 6 Manyetik Alanlar.

ATOM MODELLERİ BERNA AKGENÇ

Ay Neden Yere Düşmüyor? 1. Giriş

Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ İÇERİK

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

ATOMUN YAPISI. Elementlerin tüm özelliğini gösteren en küçük parçasına atom denir.

BAHAR YARIYILI FİZİK 2 DERSİ. Doç. Dr. Hakan YAKUT. Fizik Bölümü

Modern Fizik (Fiz 206)

Nötronlar kinetik enerjilerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılırlar

Fizik 1 Laboratuvarı. Deney 5: Momentumun Korunumu ALANYA ALAADDİN KEYKUBAT ÜNİVERSİTESİ RAFET KAYIŞ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

6.HAFTA BÖLÜM 3: ÇEKİRDEK KUVVETLERİ VE ÇEKİRDEK MODELLERİ

elektrikle yüklenmiş

1. Hafta. İzotop : Proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan çekirdeklere izotop denir. ÖRNEK = oksijenin izotoplarıdır.

Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Temel kavramlar Atomsal yapı

Bölüm 9: Doğrusal momentum ve çarpışmalar

r r r F İŞ : Şekil yörüngesinde hareket eden bir parçacık üzerine kuvvetini göstermektedir. Parçacık A noktasından

Kütlenin Korunumu Kanunu: Bir kimyasal reaksiyonda, reaksiyona giren maddelerin kütleleri toplamı, ürünlerin kütleleri toplamına eşittir.

KATI CİSMİN DÜZLEMSEL KİNETİĞİ (Kinetik Enerji)

MIT 8.02, Bahar 2002 Ödev # 1 Çözümler

Bölüm 8: Atomun Elektron Yapısı

FİZİK 4. Ders 10: Bir Boyutlu Schrödinger Denklemi

İÇİNDEKİLER -BÖLÜM / 1- -BÖLÜM / 2- -BÖLÜM / 3- GİRİŞ... 1 ÖZEL GÖRELİLİK KUANTUM FİZİĞİ ÖNSÖZ... iii ŞEKİLLERİN LİSTESİ...

Ders 6: Sürekli Olasılık Dağılımları

olduğundan A ve B sabitleri sınır koşullarından

Fen ve Mühendislik Bilimleri için Fizik

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

Bölüm 24 Gauss Yasası

BÖLÜM 3: (6,67x10 Nm kg )(1,67x10 kg)»10 36 F (9x10 Nm C )(1,6x10 C) NÜKLEONLAR ARASI KUVVET- NÜKLEER KUVVET

STATİK MÜHENDİSLİK MEKANİĞİ. Behcet DAĞHAN. Behcet DAĞHAN. Behcet DAĞHAN. Behcet DAĞHAN

Hareket halindeki elektrik yüklerinin oluşturduğu bir sistem düşünelim. Belirli bir bölgede net bir yük akışı olduğunda, akımın mevcut olduğu

Fen ve Mühendislik Bilimleri için Fizik

Bazı cisimler pozitif (+) ya da negatif (-) elektrik yükü taşırlar. Her ikisi de pozitif ya da negatif yüklü iki cisim birbirini iterken, zıt yüklü

Bölüm 2: Atomlar ve Atom Kuramı

Dünya nın Kütle Hesabı Çılga Misli ve Oktay Yılmaz Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Fizik Bölümü

BİYOLOJİK MOLEKÜLLERDEKİ

FİZ304 İSTATİSTİK FİZİK. Klasik Yaklaşımda Kanonik Dağılım I. Prof.Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi, Fizik Bölümü 2017

1.ÜNİTE MODERN ATOM TEORİSİ -2.BÖLÜM- ATOMUN KUANTUM MODELİ

Kütlenin Korunumu Kanunu: Bir kimyasal reaksiyonda, reaksiyona giren maddelerin kütleleri toplamı, ürünlerin kütleleri toplamına eşittir.

Fizik 101-Fizik I Dönme Hareketinin Dinamiği

Gamma Bozunumu

SÜREKLİ OLASILIK DAĞILIŞLARI

MADDENİN YAPISI VE ÖZELLİKLERİ ATOM

MANYETİK ALAN KAYNAKLARI Biot Savart Yasası

Elektrik Kuvvet. Bölüm 23. Elektrik Yükü. Yükün Kuantumlu Yapısı. Maddenin Yapısı. Elektrik Yükünün Türü ve Ölçülmesi

Ankara Üniversitesi, Nükleer Bilimler Enstitüsü ALFA IŞINLARI

Kuvvet. Kuvvet. Newton un 1.hareket yasası Fizik 1, Raymond A. Serway; Robert J. Beichner Editör: Kemal Çolakoğlu, Palme Yayınevi

BÖLÜM HARMONİK OSİLATÖR

İŞ : Şekilde yörüngesinde hareket eden bir parçacık üzerine kuvveti görülmektedir. Parçacık A noktasından

Transkript:

Üzümlü Kek Modeli Ç. Misli ve O. Yılmaz, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Fizik Bölümü Elektronun temel bir parçacık olduğunu keşfeden Thomson, atomun içyapısı hakkında bilgiler edinmek istemiş ve üzümlü kek modelini önermiştir. Fakat kuramsal ve deneysel gözlemler bu modelin yanlış olduğunu gösterdi. Daha sonra Ernest Rutherford un önderliğinde Manchester Üniversitesi nde yapılan deneyler sonucunda atomun çekirdek modeli ile atomun yapısına daha iyi açıklamalar getirildi. 1. Giriş Elektronlar J.J. Thomson tarafından 1897 yılında m e deneyi ile keşfedilmiştir [1]. 1896-1898 yılları arasında Walter Kaufmann (1871-1947) katot ışınların m/e oranını ölçmüştü ve iyi sonuç elde etmişti fakat Kauffmann bir temel parçacık keşfettiğini asla iddia etmemiştir []. Hidrojen atomunun atom ağırlığı A m H = 1.008 kg/kmol dir ve elektroliz işlemlerden Faraday sabitinin değeri F = A e = 96485 C/mol bilindiği için bu niceliklerin birbirlerine oranından m H e = 1.045 10 8 kg/c olarak elde edilir. Bulunan bu değer Thomson deneyinden bulunan m e ~10 11 kg/c değerine tekrar oranlandığında m H ~1000 m e bulunur. Böylece, en hafif element olan hidrojen atomu kütlesinin, içerdiği elektronun kütlesinin yaklaşık bin katı olduğu söylenir. 1910 yılında Jean Baptiste Perrin, hidrojen atomunun kütlesini m H ~1.5 10 7 kg bularak elektronun yükünü e~1.5 10 19 C ve Avogadro sayısının değerini de A ~6.43 10 3 mol 1 olarak hesapladı. Daha sonra, 1911 de Robert A. Millikan ve arkadaşı Harvey Fletcher elektronun yükünü doğrudan ölçerek Avogadro sayısının değerini A = F e = 6.0 103 mol 1 veya eşdeğer olarak atomik kütle birimi m u = 1 A = 1.66 10 7 kg değerini hesapladı. Thomson deneyinde elektronlar düşük (~0.1c) hızlarda hareket ettiği için özel göreliliğe gerek kalmadan m e oranı hesapları yapılabilmektedir. J.J. Thomson, deney sonuçlarına dayanarak üzümlü kek (plum pudding) atom modelini önerdi fakat daha sonra 1911 yılında Ernest Rutherford (1871-1937) gezegen veya çekirdek modeliyle Thomson un modelini düzeltmiştir. Atomlar elektriksel olarak yüksüz olduğuna göre, elektronların negatif yükünü yok etmek için pozitif yüklü başka bir madde daha içermelidir. Elektronlar keşfedildikten sonra bu pozitif yüklü maddenin saptanması ve pozitif yüklü madde ile elektronların atom içinde nasıl dağıldığının da bilinmesi gerekmektedir. Thomson, 1903 te Yale Üniversitesinde verilen Silliman konferanslarında elektronların, bir kek içindeki kuru üzüm taneleri gibi, pozitif yüklü maddenin sürekli yapısı içine gömülmüş olduklarını önermişti. eredeyse aynı zamanda, Tokyo da Hantaro agaoka isimli Japon bir fizikçi Satürnsel bir model önerdi. Bu modele göre, aynı Satürn ün Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 1

etrafındaki halkalar ya da Güneş in etrafındaki gezegenler gibi, elektronlar da merkezinde pozitif yüklü madde etrafında yörüngelerde dolanıyordu. agaoka nın önerdiği bu modelin gerçeğe daha yakın olduğunu bugün biliyoruz []. Atomun pozitif yükü gerçekten de küçük yoğun bir çekirdekte toplanmıştır ve elektronlar onun etrafında dönmektedir. Bu deneysel olarak mutlaka doğrulanmalıydı. Bunun 4 için, α parçacıkların ( He atom çekirdeklerin) altın atomlarından saçılması incelenebilir. Thomson nun atom modeline göre α parçacıklarının geriye doğru saçılmaması gerekir fakat yapılan deneye göre α parçacıklarının geriye doğru saçıldığı gözlenmiştir. Şimdi yapacağımız hesaplarla bunu görmeye çalışalım.. Bir Boyutta Saçılma Basit olması için önce tek boyutta ve çarpışmanın esnek olduğunu düşünerek çarpışma olayını ele alalım. Sol taraftan gelen m 1 kütleli, v 1 hızındaki bir parçacık ile sağ taraftan gelen kütleli ve v hızındaki bir parçacık çarpışmış olsun (Şekil 1). Burada, dış kuvvetlerin olmadığı varsayıldığından toplam momentumun ve kinetik enerjinin korunumu kullanılarak çarpışmadan sonraki parçacıkların hızları (önce) m 1 v 1 v (sonra) m 1 v 1 v Şekil 1. Çarpışmadan önce ve sonra parçacıkların hızları v 1 = (λ 1)v 1 v λ + 1 (1) v = λv 1 + (λ 1)v λ + 1 () ile verilir. Burada, λ = m 1 parçacıkların kütle oranlarını belirten bir kısaltmadır. λ nın aldığı bazı değerlere göre bu çözümleri inceleyelim. a) m 1 = m α ve = m e alındığında yani α parçacıkları bir elektrondan saçıldığında λ = m 1 = m α m e = 3,73 GeV c 0,511 MeV c = 7300 (3) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5

bulunur. (3) ten görüldüğü gibi, λ 1 olduğu için (1) ve () numaralı hız formülleri v 1 v 1 λ v (4) v v 1 + v (5) ile verilir. Geriye doğru saçılmanın olabilmesi için (4) de v 1 < 0 şartını sağlayan v > λ v 1 ifadesinde (3) teki λ nın değeri ve α parçacığın hızı v 1 = 0.07c değeri yerine yazıldığında v > 56c (6) bulunur. Buna göre, elektronlar ancak ışık hızından çok büyük bir hızla α parçacıkları ile çarpıştıklarında α parçacıkları geriye doğru saçılabilir. Hiçbir parçacığın hızı ışık hızından daha büyük olamadığı için α parçacıklarının elektronlardan saçılması mümkün değildir. b) Eğer α parçacığı kendi kütlesine eşit olan bir kütle ile etkileşirse, yani λ = m 1 = 1 olduğunda ve v = 0 alındığında çarpışmadan sonraki hızlar v 1 = 0 v = v 1 (7) ile verilir. Görüldüğü gibi geriye doğru saçılan α parçacığı elde edilemez. c) Şimdi Rutherford un düşündüğü gibi atomun pozitif yüklü kütlesinin çok küçük bir çekirdekte yoğunlaştığını, atomun önemli bir kısmının boşluk olduğunu ve negatif yüklü elektronların da çekirdek etrafında döndüğünü varsayalım. Bu durumda m 1 = m α = 4m u ve = 49m α = 197m u ve v = 0 alındığında çözümler, v 1 = λ 1 λ + 1 v 1 (8) v = λ λ + 1 v 1 (9) bulunur. Burada, Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 3

λ = m 1 = 4m u = 1 0,0 (10) 197m u 49.5 (iyi bir yaklaşımla λ 1 dir) değeri (8) ve (9) da yerine yazılarak v 1 = 0,0 1 1,0 v 1 = 0,96v 1 (11) v = 0,04 1,0 v 1 = 0,039v 1 (1) elde edilir. Buradan görüldüğü gibi α parçacığı geriye doğru saçılabilmekte ve çekirdek düşük bir hızla geri tepmektedir. Bu şekilde varsayılan atom modeli doğru olabilir. 3. İki Boyutta Saçılma Benzer biçimde iki boyutta saçılma olayları Şekil ve Şekil 3 te görüldüğü gibi laboratuvar ve kütle merkezi sisteminde incelenebilir. Laboratuvar ve kütle merkezi sisteminde gene momentumun ve kinetik enerjinin korunumundan laboratuvarda ölçülen θ 1 saçılma açısı ile kütle merkezinde ölçülen θ açısı arasında (önce) m 1 v 1 v = 0 v 1 (sonra) m 1 θ 1 θ v Şekil. Laboratuvar sisteminde çarpışmadan önce ve sonraki hızlar Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 4

(önce) m 1 u 1 u u 1 (sonra) θ m 1 θ u Şekil 3. Kütle merkezinde çarpışmadan önce ve sonraki hızlar tan θ 1 = sin θ cos θ + m 1 (13) bağıntısı elde edilebilir [3]. a) m 1 > durumunda ve biraz matematiksel işlemlerden sonra sin(θ 1,max ) = m 1 (14) formülü elde edilir [4]. Burada m 1 = m α ve = m e alındığında α parçacığının bir elektrondan saçılmasına uygulanabilir, böylece sin(θ 1,max ) = m e m α = 1 7300 = 1,4 10 4 (15) θ 1,max = sin 1 (1,4 10 4 ) ve buradan laboratuvarda ölçülen açının maksimum değeri θ 1,max = 1,4 10 4 rad ya da derece cinsinden θ 1,max = 1,4 10 4 180 π = 0,008 0,01 (16) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 5

gibi küçük bir değer bulunur. Bu nedenle, α parçacıkları geriye doğru saçılamaz. b) λ = m 1 = 1 özel durumunda (13) numaralı bağıntıdan tan θ 1 = sin θ sin(θ/) cos(θ/) = cos θ + 1 cos = tan(θ/) θ ve θ 1 = θ/ elde edilmektedir. Kütle merkezinde ölçülen açının değişim aralığı 0 θ < π olduğundan laboratuvar sisteminde ölçülen açının değişim aralığı 0 θ 1 < π/ dir. Burada, tan θ 1 fonksiyonun θ = cos 1 ( 1) değerinde ıraksadığına dikkat etmek gerekir. Görüldüğü gibi geriye doğru saçılan α parçacığı elde edilememektedir. c) m 1 < varsaydığımızda, α parçacıklarının Rutherford un önerdiği gibi atomun neredeyse tüm kütlesinin bir noktada yoğunlaştığı çekirdekle etkileşmesinde, yani λ = m 1 = 0.0 olduğu durumda (13) ten tan θ 1 = sin θ tan θ (17) cos θ + 0,0 ve dolayısıyla θ 1 θ (18) elde ederiz. Kütle merkezindeki açının değişim aralığı 0 θ π olduğu için laboratuvardaki θ 1 açısının değişim aralığı da 0 θ 1 π dir. Buradan görüldüğü üzere α parçacığı geriye doğru saçılabilir. α parçacıklarının geriye doğru saçılma olayı ancak çekirdekten saçılmanın bir sonucudur. 4. Saçılan Açıların Standart Sapması Diyelim ki x rastgele bir değişken olsun, bu durumda x in ortalama (beklenen) değeri x, x in varyansı veya dispersiyonu ( x) = (x x ) = x x (19) ile ve x in standart sapması (kare-ortalama-kök) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 6

x = (x x ) = x x (0) ile tanımlanır. Benzer şekilde, rastgele değişken şimdi θ açısı olmak üzere, t kalınlığındaki levhadan kez rastgele saçılma durumunda, saçılma açılarının toplamı θ t = θ i i=1 (1) ile ve toplam θ t açısının beklenen değeri θ t = θ i = θ = θ () i=1 i=1 ile verilir. i numaralı atomdan saçılan θ i açıları istatistiksel bağımsız (iki olaydan birinin meydana gelmesi, diğerinin meydana gelip gelmemesine bağlı değilse) olduğu varsayıldığı için θ i = θ yazılabilir ve θ açısının beklenen değeri θ = 1 θ + 1 ( θ) = 0 (3) olduğu için toplam açının beklenen değeri de θ t = 0 (4) bulunur. Toplam açının karesi θ t = θ i θ j i=1 j=1 = θ i (θ i + θ j ) = θ i + θ i θ j i=1 j i i=1 i=1 j i (5) ve (5) ifadesinin ortalaması veya beklenen değeri Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 7

θ t = θ i + θ i θ j i=1 i=1 j i (6) şeklinde yazılabilir. Gene değişkenler istatistiksel bağımsız, yani θ i θ j = θ i θ j = θ = 0 (7) ve θ i = θ = 1 θ + 1 ( θ) = θ (8) olduğu için, (6) numaralı eşitliğin sağındaki son terim de yok olacağı için θ t = θ = θ (9) i=1 elde edilir. Bulunan (9) ifadesi ( θ t ) = θ t θ t (30) (30) numaralı varyans (dispersiyon) formülünde yerine yazılarak ( θ t ) = θ t = θ (31) ve (31) nin kare kökü alınarak, açıların standart sapması θ t = θ (3) bulunur. Böylece (8) eşitliği (3) de yerine yazılarak standart sapma için θ t = θ (33) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 8

formülü elde edilir [5]. 5. Atom Sayısı ve Yarıçap Bir atomun büyüklüğü ne kadardır ve nasıl hesaplanır? Bunu bir elementi, örneğin altın elementini örnek alarak görelim. Altın atomunun yarıçapının hesaplanabilmesi için önce birim hacimdeki altın atomlarının sayısının bilinmesi gerekir. Altın elementinin yoğunluğu ρ = 19.3 10 3 kg/m 3 ve atom ağırlığının kütlesi A = 197 kg/mol dir. Birim atom ağırlığının kütlesi, m u = kg/kmol A (34) tanımından, bir tane altın atomunun kütlesi, m a = Am u = A A kg/kmol (35) ile verilmektedir. Burada, A = 6.0 10 6 kmol 1 ile verilen Avogadro sayısıdır. Yoğunluğun tanımı ρ = m V = m a V = nm a (36) ifadesinde (35) in değeri yerine yazıldığında ρ = na kg kmol (37) A elde edilir ya da birim hacimdeki atomların sayısını veren n = V = ρ A A kg/kmol (38) formülü elde edilir. Bilinen değerler (38) de yerine yazıldığında Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 9

n = 19.3 103 kg m 3 6.0 10 6 atom kmol 1 197 kg kmol atom 8 = 5.9 10 m (39) 3 bulunur. Birim hacimdeki altın atomlarının sayısı n = /V bilindiğine göre, bir atoma ayrılan hacim miktarı V = 1 n = (R)3 (40) ve (5) eşitliğinden yarıçap R = 1 1 = 1 ( A 1 3 ) ρ A n 1 3 (41) formülü bulunur, daha sonra elementle ilgili bilinen ρ ve A değerleri yerine yazıldığında altın atomunun yarıçapı 1 R = (5.9 10 8 m 3 ) 1 3 = 1.8 10 10 m 0.13 nm (4) hesaplanmış olur. 6. Saçılmaların İstatistiksel Dağılımı Radyoaktif bir kaynaktan çıkan q yüklü α parçacıklarının hedefte bulunan, üzerinde Q yükü düzgün dağılmış ve küre şeklindeki atomlarla etkileştiklerini düşünelim. Bu durumda atomun içinde ve dışında bulunan elektriksel kuvvet Gauss yasası gereğince kqqr, 0 < r < R F = { R3 (43) kqq r, R < r < parçalı fonksiyon ile verilir (Şekil 4). Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 10

F 0 R r Q R Şekil 4. Yükü düzgün dağılmış küre ve elektriksel kuvvetin uzaklıkla değişimi Saçılma açısının maksimum değerini belirlemek için etkiyen kuvvetin maksimum değer olması gerekir. Şekil 4 ten de görüldüğü gibi etkiyen bu kuvvet r = R de maksimumdur. F max = p t = kqq R (44) İyi bir yaklaşım ile geçen zaman aralığı t R/v alınarak momentumdaki değişimin p = kqq R t = kqq R R v = kqq Rv (45) ve p = m α v ifadesine oranından tan θ max = p p = kqq m α Rv = kqq K α R (46) bulunur. Burada, K α = 1 m αv gelen α parçacıklarının kinetik enerjisidir. α parçacıklarının yükü q = e, kinetik enerjisi K α =9 MeV, altın atomunun yükü Q = 79e, altın atomunun yarıçapı R = 0,13 nm ve ke = 1,44 ev nm değerleri (46) da yerine yazılarak Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 11

tan θ max = ke 79 9 MeV 0,13 nm 1,44 79 = 10 6 9 0,13 (47) tan θ max 10 4 elde edilir. Burada, x 1 yaklaşımında θ = tan 1 x x ve θ x bulunur. Böylece açının maksimum değeri θ max 10 4 rad 180 π 0,01 (48) elde edilerek α parçacıklarının altın atomundan en fazla 0,01 lik açı ile saçıldığını göstermiş oluruz. Kalınlığı t = 0,4 μm olan altın bir levhada atomların yan yana sıralandığını ve her bir atomun kapladığı konumun R olduğunu düşünürsek, saçılma sayısını = t R = 4 10 7 m 0,4 μm 0,13 10 9 = 0,13 nm 1539 (49) buluruz. Levhadan saçılan açıların standart sapması (veya kare-ortalama-kök) (33) te θ t = θ ile verilen formülde = 1539 39 un değeri yerine yazıldığında θ t = 39 10 4 rad = 0.0078 rad 0.45 (50) değeri elde edilir ve dedektörde elde edilen olasılık ya da şiddet I(θ)dθ = I 0θ π θ t e θ /( θ t ) dθ (51) gibi bir Gaussiyen dağılım gösterir [6]. Buradan, π I(θ)dθ θ t π I 0 π e ( π/ ) θ t π/ π 10 0.434( ) θ t θ t (5) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 1

elde edilir. Burada, π/ θ t 00 değeri de yerine yazıldığında, θ t π 10 17360 0.4 10 1736 0.4 10 (13) (53) bulunur. Yapılan deneysel gözlemlerden bu oran ~0.5 10 4 olduğuna göre, bu üzümlü kek modeliyle geriye saçılma söz konusu bile olamaz. Bir başka deyişle, Thomson atom modeli ile α parçacıkların geriye doğru saçılmaları açıklanamamaktadır [7]. Pozitif yüklerin ve atomun bütün kütlesinin neredeyse çekirdekte yoğunlaştığı Rutherford atom modelindeki α parçacıklarının olasılık dağılım fonksiyonu, Thomson nun üzümlü kek modelindeki dağılım fonksiyonundan tamamen farklıdır. Yüklü çekirdekten saçılan α parçacıklarının dağılım fonksiyonu hesaplanarak atomun yapısı hakkında doğru bilgiler elde edilebilir. 7. Sonuç Birçok fizikçi, çekirdeğin elektronları da içerdiğini düşünmüştü ve doğru cevap 4 nötronun 193 deki keşfine kadar bulunamadı. α parçacıklarının ( He çekirdeklerin) kütlesinin açıklanabilmesi için 4 proton ve yükünün açıklanabilmesi için elektron eklenmesi gerekir. Altın atomunun kütlesinin açıklanabilmesi için 197 proton ve çekirdekteki yükünün açıklanabilmesi için 118 elektron eklenmesi gerekir. Fakat basit bir hesapla x p~ħ Heisenberg belirsizlik ilkesi kullanılarak çekirdek içinde elektronun bulunamayacağı açıklanabilir. Çekirdek çapı x~10 15 m ve p~p alınarak kinetik enerji formülünden K = p (ħc) = m e m e c ( x) = (197.33 ev nm) 0.511 MeV (10 15 40 GeV (54) m ) bulunur. Atomlarda bu kadar yüksek enerjili elektronlar gözlenemez ancak ~ev mertebesinde gözlenebilirler. Benzer hesaplar atom çapı x~10 10 m alındığında ve işlemler tekrarlandığında K~4 ev bulunur. Yüksek enerjili α parçacıkları çekirdeğe kısa mesafelere kadar, örneğin r min = kqq 1.44 MeV f 79 = 5.3 fm (55) K α 9 MeV Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 13

yaklaşabilir. Bu nedenle etkiyen elektriksel kuvvet çok daha büyüktür ve böylece parçacıklar geniş açıyla geriye doğru saptırılabilirler. Geiger ile Marsden 1909 yılında yaptıkları deneyde bunu gözlemlediler [7]. Dedektörde tespit edilen I şiddettin, gelen parçacıkların I 0 şiddetine oranı, I(θ) I 0 = nat r (dσ dω ) (56) formülü ile verilir. Burada, n birim hacimdeki atom ya da çekirdek sayısı, A ışınlanan levhanın yüzey alanı, t levhanın kalınlığı, r dedektöre olan uzaklık ve son terim diferansiyel tesir kesitidir. Rutherford atom modeline göre çekirdekten saçılan α parçacıklarının şiddeti I(θ) = I 0nAt 16r (kqq 1 ) K α sin 4 (θ/) (57) ile verilen dağılımı gösterir [4]. (57) ile verilen ifadenin katı açı üzerinden alınan integrali π I(θ) sin θ dθdφ π I 0 = nat 16r (kqq ) K α π sin θ dθdφ sin 4 θ/ π = nat 16r (kqq ) 4π (58) K α ile verilir. (39), (49) ve (55) teki sayısal değerler yerine yazıldığında A/r nin katsayısı 0.1 10 4 olarak bulunur. Bu sonuç Geiger ve Marsden deneyi ile uyuşmaktadır. (56) ve (57) den açının θ 0 civarındaki diferansiyel tesir kesiti dσ dω = (kqq 1 ) (59) K α (θ + θ c ) olarak elde edilir. Burada (59) eşitliğinin ıraksamaması için paydaya, adına klasik kesilim (cutoff) açısı denilen θ c açısı eklenmiştir [8]. Rutherford saçılmasında vurma parametresi olarak bilinen b = kqq K α cot(θ/) (60) Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 14

ile verilen formülde küçük açı yaklaşımında ve b = R alınarak θ c = kqq K α R (61) elde edilebilir. Dikkat edilirse (61) ile verilen bu değer (46) eşitliğiyle aynıdır. (59) numaralı eşitlik katı açı üzerinden integre edilerek σ = ( dσ ) sin θ dθdφ π (kqq) dω K α θ dθ (θ + θ c ) 0 π ( kqq 1 ) K α θ (6) c ve (61) ile verilen θ c nin değeri (6) de yerine yazıldığında toplam tesir kesiti σ πr (63) yani atomun geometrik alanı bulunur [8]. Kaynaklar [1] Thomson J.J., Philosophical Magazine. 44, 93 (1897). [] Weinberg, S., The Discovery of Subatomic Particles, Revised Edition, Cambridge University Press, 003 (Türkçe Çeviri: Prof. Dr. Z. Zekeriya Aydın, Atomaltı Parçacıklar, TÜBİTAK, Popüler Bilim Kitapları, Ankara, 00 ). [3] Kittel, C., Knigth, W.D., Ruderman, M.A., Helmholz, A.C. and Moyer, B.J., Mechanics, Berkeley Physics Course, Vol. 1, Second Edition, McGraw-Hill, Inc. (1973). [4] Barger, V. and Olsson, M., Classical Mechanics: A Modern Perspective, McGraw-Hill, Inc. (1995). [5] Reif, F., Statistical Physics, Berkeley Physics Course, Vol. 5, First Edition, McGraw-Hill, Inc. (1967). [6] Eisberg, R.M, Fundamentals of Modern Physics, John Wiley & Sons, Inc., (1961). [7] Geiger, H. and Marsden E., On a Diffuse Reflection of the α-particles, Proceedings of the Royal Society of London A, 8 (557), 495-500 (1909). [8] Jackson J.D., Classical Electrodynamics (3rd ed.). John Wiley and Sons, Inc., ewyork (1999). Üzümlü Kek Modeli, Ç. Misli ve O. Yılmaz C1.S3.M5 15