Atom çekirdeği keşfedilmeden önce atom ile ilgili en yakın modellemeyi J.J Thomson hazırlamış ve atom içerisinde elektronların olduğunu ispat etmiştir. Proton ve çekirdek kavramı Ernest Rutherford tarafından bulunmuştur. Peki, bunu nasıl başarmıştır? Gelin bunu bir örnek ile açıklayalım.
Kinetik enerjisi 5,30 Megaelektron Volt (MeV) olan alfa taneciği altın atomuna uzaktan fırlatılıyor olsun. Bu parçacığın atoma olan (merkezden merkeze) en çok yakınlaşma uzaklığı (mesafesi) nedir? Atomun hareketsiz kaldığını düşünüyoruz.
(Nitekim alfa taneciği pozitif bir yük olduğu için atomdaki çekirdekte pozitif yükler barındırmaktadır. Aynı yüklerin birbirini iteceğini bildiğimiz üzere gelen alfa taneciği atoma belli mesafede yaklaşabilmesi gerekmektedir. Yaklaşma mesafesine göre de alfa taneciğinin atomdan çıktıktan sonraki sapma açısı değişiklik göstermektedir.)
Alfa parçacığının atoma ulaşana dek doğrultusu boyunca atomla olan mesafelerini ve atom içerisindeki mesafelerini inceleyerek yorumlayalım. Enerjinin korunumu yasasından parçacığın toplam enerjisinin sabit kalacağını biliyoruz. (E, mekanik enerji= Ek + Up) . Parçacık yükü +2e’dir. (2 protona sahip)
Hedefteki atomun çekirdeği qAu = +79e’dir. Ancak çekirdeğin çevresi elektron topluluğu ile çevrili olduğu için qe = -79e’dir. Başlangıçta parçacık, qatom = 0 nötr atom net yükü ile karşılaşacaktır. Daha öncesinden bahsettiğimiz gibi alfa parçacığının atoma yaklaşımını mesafelerine göre ayırdığımız için ilk etapta qatom = 0 için incelememizi yapıyoruz. V hızı ile yaklaşan taneciğin kinetik enerjisi Ek = 5,30 MeV, parçacık-atom ikilisinin potansiyel enerjisi Ep = 0’dır.
Parçacık atom içerisine girdikten sonra ise artık çekirdeği görmektedir ve incelememizi atom içerisindeki parçacık ve çekirdek etkileşimi üzerinden yorumlayacağız. Atom içerisindeki alfa taneciği Gauss yasasına göre elektronlardan etkilenmez yani elektronların taneciğe uyguladığı çekme kuvveti sıfırdır. qα ve qAu her ikisinin de pozitif yük olmasından dolayı parçacığa bir itici kuvvet uygulanacaktır. Ve bu kuvvet çekirdeğe gelen parçacığı önce yavaşlatacak, bir an için duracak ve daha sonra saçılacaktır.
Atom içerisinde, alfa taneciğinin çekirdeğe olan belli bir yaklaşma mesafesi vardır. Eğer ki çekirdeğin itme kuvveti parçacığın atom içerisindeki kinetik enerjisini yenerse parçacık saçılacaktır. Bu esnada Ek < 5,30 MeV,Up > 0 ’dır. Hızından dolayı sahip olduğu kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşecektir.
d uzaklığı, azaldıkça potansiyel enerjinin artacağını ve mekanik enerjideki kinetik enerjinin payının da azalacağını söyleyebiliriz.
Bir an için taneciğin durduğunu düşünürsek Ek’ = 0 ve Up’ =5,30 MeV olur. Çok küçük bir d mesafesinde enerji aktarımı tümüyle gerçekleşmiş olur.
Son olarak da aynı cinsteki iki yük birbirini itecek olup başlangıçtaki alfa taneciği atom içerisinden çıkacaktır. Böylelikle d mesafesi artmış ve potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olarak tanecik v’ hızı ile saçılacaktır.
Sayısal olarak bir sonuca ulaşmak istersek şayet başlangıç anındaki mekanik enerjinin, çekirdek ile tanecik arasındaki kritik d mesafesi anındaki mekanik enerjisini eşitleyerek bulabiliriz.
J.J.Thomson’ın atom modeline göre atom içerisinde elektronların olduğunu hatta bunu üzümlü kek modeli ile görselleştirdiğini biliyoruz. Rutherford deneyi yapmadan önce sol şekildeki gibi bir görüntü görmeyi bekliyordu. Durumun böyle olmadığı ve gönderilen alfa taneciklerinin değişik açılarda saptığını gözlemlemiş, deney sonucunda atomun merkezinde pozitif yüklerin toplandığını çekirdek kavramı ile bilim dünyasına açıklamıştır.
İlginizi çekebilir: atom altı parçacıklar