Atom teorisi ve kinetik teori hakkında makale
Atomik teori
Binlerce yıldır eski Yunanlılar, her saf maddenin (altın, demir vb.) atomlardan oluştuğuna inanıyordu. Onlara göre, saf bir madde küçük parçalara ayrılırsa, bu küçük parçalar tekrar kesilirse, tekrar kesilirse... ve bu böyle devam ederse, tekrar kesilemeyen en küçük parçalar elde edilir. Tekrar kesilemeyen en küçük parçalara atom denir. Atom, Yunanca'da "bölünemez" anlamına gelir.
O zamanlar atomun artık bölünemeyeceği düşünülüyordu. Ancak daha sonra bazı bilim insanları elektronları ve atom çekirdeklerini (protonlar ve nötronlar) keşfettiler ve böylece atomların bölünemeyeceği varsayımının yanlış olduğu ortaya çıktı. Dolayısıyla atomlar elektronlardan (negatif yüklü) ve atom çekirdeklerinden oluşur. Elektronlar çekirdeğin etrafında döner. Çekirdeğin içinde protonlar (pozitif yüklü) ve nötronlar (nötr veya yüksüz) bulunur.
Bir başka teori daha var; adı süreklilik teorisi. Bu teori, saf maddelerin sonsuza kadar bölünebileceğini belirtir. Bu teoriye göre, en küçük parça diye bir şey yoktur. En küçük parçalar bile daha küçük parçalara bölünebilir. Dolayısıyla, sonsuza kadar bölünebilir. Bu iki teoriden hangisi doğrudur? Atom teorisi mi yoksa süreklilik teorisi mi?
Fizikte, her teori ancak deneylerle kanıtlandığında bilimsel olarak kabul edilir. 18., 19. ve 20. yüzyıllarda, bilim insanları tarafından yapılan deneyler sayesinde atom teorisinin doğruluğu kanıtlanmıştır.
Öncelikle aşağıdaki açıklamaları anlayalım. Elementler, kimyasal olarak başka maddelere ayrılamayan saf maddelerdir; örneğin altın (Au), demir (Fe), bakır (Cu), çinko (Zn), sodyum (Na), kalsiyum (Ca), klor (Cl), azot (N), oksijen (O), hidrojen (H) vb. Elementlerin yanı sıra bileşikler de vardır. Bileşikler elementlerden oluşur. Elementlerden oluştuğu için bileşikler de elementlere ayrılabilir. Bileşiklere örnek olarak su verilebilir.
Bir elementin en küçük parçası atomdur, bir bileşiğin en küçük parçası ise moleküldür. Moleküller, birbirine yapışmış atomlardan oluşur. Saf altın bir element örneğidir. Saf altın, altın (Au) atomlarından oluşur. Demir parçaları da bir element örneğidir. Demir, demir (Fe) atomlarından oluşur. Dolayısıyla, element, benzer atomlardan oluşan saf bir maddedir.
Sıklıkla gördüğünüz, tuttuğunuz ve içtiğiniz su, su moleküllerinden oluşur (kimyasal formülü H₂O'dur ) . Su molekülleri iki hidrojen atomu (H) ve bir oksijen atomundan (O) oluşur.
İşte atom teorisinin bazı kanıtları:
İlk olarak, sürekli karşılaştırma yasası.
Karşılaştırma yasası, elementler birleşerek bileşik oluşturduğunda, oluşan bileşiklerin aynı kütle oranına sahip olduğunu belirtir. Örneğin, tuz. Gördüğümüz tuz, tuz moleküllerinden (NaCl) oluşan bir bileşiktir. Doğal olarak, tuz molekülleri her zaman 23 kısım sodyum (Na) ve 35 kısım klordan (Cl) oluşur.
Süreklilik teorisi bunu açıklayamaz, ancak atom teorisi açıklayabilir. Atom teorisine göre, atomlar bir elementin en küçük parçalarıdır, dolayısıyla atomların kütlesi vardır. Bir bileşiğin elementlerinin kütle oranı, elementi oluşturan atomların nispi kütlesiyle ilişkili olmalıdır. Bilim insanları, bileşikleri oluşturan her elementin sayısına dayanarak atomların nispi kütlesini belirlerler. Nispi denmesinin nedeni, bir elementin nispi kütlesinin diğer element atomlarının nispi kütlesiyle karşılaştırılmasıdır.
Hidrojen en hafif atomdur, bu nedenle referans noktası olarak kullanılır. Bir hidrojen atomunun (H) bağıl kütlesine 1 değeri verilir. Hidrojen atomunun bağıl kütlesini referans noktası olarak kullanarak, karbon atomunun (C) bağıl kütlesine 12 değeri verilir.
Oksijen atomunun (O) bağıl kütlesine 16 değeri atanır ve bu şekilde devam eder (elementlerin periyodik tablosuna bakınız). Bir karbon atomunun bağıl kütlesi = 12, bir karbon atomunun kütlesinin bir hidrojen atomunun (H) kütlesinden 12 kat daha büyük olduğu anlamına gelir. Bir oksijen atomunun bağıl kütlesi = 16, bir oksijen atomunun kütlesinin bir hidrojen atomunun (H) kütlesinden 16 kat daha büyük olduğu anlamına gelir.
Uluslararası Birim Sistemi'nde (SI) kütle standardı olarak iridyum platin bulunur ve bu standart Fransa'daki uluslararası ağırlık ve boyut kurumlarında saklanır. Uluslararası anlaşmaya göre iridyum platinin kütlesi 1 kg'dır, yani standart bir kilogramdır. Atom ölçeğinde ise ikinci bir kütle standardı daha vardır, o da 12C karbon atomudur. Uluslararası anlaşmalara göre 1 karbon atomunun (12C) kütlesi 12.000 birleşik atomik kütle birimidir (kısaltması u).
1 u = 1.66 x 10⁻²⁷ kg.
1 karbon atomunun (C) kütlesi = 12.0000 u, 1 hidrojen atomunun (H) kütlesi = 1,0078 u, 1 oksijen atomunun (O) kütlesi = 15.9994 u, 1 sodyum atomunun kütlesi = 22.9897 u ve benzeri. Atom kütleleri, elementlerin periyodik tablosunda tam olarak görülebilir.
Atom kütlesine ek olarak, bir de molekül kütlesi vardır. Molekül kütlesi, bir molekülün atomlarının toplam kütlesidir. Örneğin, bir tuz molekülünün (NaCl) kütlesi = bir sodyum atomunun (Na) kütlesi + bir klor atomunun (Cl) kütlesi. Su moleküllerinin (H₂O) kütlesi = 2 hidrojen atomunun (H) kütlesi + bir oksijen atomunun (O) kütlesi.
İkinci olarak, kahverengi hareket
Eski zamanlarda, Robert Brown adında bir İngiliz biyolog yaşardı. 1827'de suya konulan polenler üzerinde araştırma yapıyordu. Su ve polenler mikroskopla görülebiliyordu. Robert Brown, polenlerin kendi kendine hareket ettiğini görünce bunu garip buldu. Polenlerin hareket etmesi tuhaftı. Polen hareketinin yönü rastgeleydi, ancak sürekliydi. Hareketin bir yaşam belirtisi olduğunu, polenlerin hareket edebilmesi için orada yaşadığını düşündü. Ancak tahmini yanlıştı çünkü polen gibi küçük organik parçacıklar da suya konulduğunda hareket eder. Bu harekete Brownian hareketi denir.
Bu keşif, kinetik teori geliştirilene kadar açıklanamaz.
Kinetik teori
Kinetik, hareket etmek anlamına gelir (Yunanca). Kinetik kuramı, her maddenin atomlardan veya moleküllerden oluştuğunu ve atomların veya moleküllerin sürekli ve rastgele hareket ettiğini belirtir.
Hareket halindeyken atomlar veya moleküllerin hızları vardır. Atomlar veya moleküllerin ayrıca kütleleri de vardır. Kütlesi (m) ve hızı (v) olduğu için atom veya molekülün kinetik enerjisi (K) ve momentumu (p) vardır. Kinetik enerji: K = 1/2 mv² . Momentum ise: p = m v. Momentumun yanı sıra kuvvetler de vardır. Hareket halindeyken çarpışma olasılığı vardır. Dolayısıyla, çarpışma meydana geldiğinde momentumdaki değişiklikler nedeniyle kuvvetler ortaya çıkar.
Kinetik teorinin kinetik enerji, momentum ve kuvvete dayandığını söyleyebiliriz. Bu üç şey, hareket dinamiği (Newton yasaları, itme ve momentum) konusunda incelenir. Fark şudur ki, kinetik teoride dinamikleri atom veya molekül düzeyinde uygularız. Kinetik teori Boyle (1627-1691), Daniel Bernoulli (1700-1782), Joule (1818-1889), Kronig (1822-1879), Rudolph Clausius (1822-1888) ve Clerk Maxwell (1831-1879) tarafından geliştirilmiştir.
Bu kinetik teorinin varlığı, Brown'ın keşfini açıklayabilir. Kinetik teoriye göre, polen hızlı hareket eden su molekülleri tarafından itildiği için hareket eder. Su moleküllerinin sayısı çok fazla olduğundan, polen çeşitli yönlerden itilir.
Sürekli karşılaştırma yasası ve Brown hareketinin keşfine dayanarak, atom teorisi bilim insanları tarafından giderek daha fazla kabul görmektedir. Atomlar, herhangi bir maddenin en küçük parçalarıdır. Dolayısıyla, atomun bir boyutu vardır. Bir atomun boyutu nedir?
1905 yılında Einstein, atomların büyüklüğünü teorik olarak inceledi. Atom teorisi, kinetik teori ve deneylerden elde edilen verilere dayanarak, atom çapının yaklaşık 10⁻¹⁰ m olduğunu buldu . Böylece, atomun çapı hesaplama yoluyla elde edildi. Atomların büyüklüğü keşfedildi ve böylece atom teorisi ile kinetik teori kabul görmüş oldu.
