John Dalton’un 1808’de yayınladığı New System of Chemical Philosophy (Kimyasal Felsefenin Yeni Sistemi) kitabı, modern atom teorisinin anlatıldığı bir başlangıç sayılır. Bu kitap, 2400 yıl önce Anadolu’nun bilim merkezi Milet’te doğan ve Güney Trakya’da Abdera şehrinde çalışmalarını sürdüren Leucippus ve örgencisi Democritus tarafından ortaya atılan “atomos” maddenin bölünemeyen en küçük parçası fikrinin deneye dayalı bilimsel sonuçlarını veren en önemli eserdir.
Leucippus ve Democritus'un MÖ 440’ta felsefi olarak ortaya attıkları "atomos" fikri, Dalton’a kadar çok az değişikliğe uğramıştır. ”Dünyanın Yeni Durumu” adlı yazısında Democritus atom için “maddenin temel taşı” demekte ve maddenin cinsi ve özelliklerine göre değişik atom olacağını ileri sürmektedir. Daha da ileri giderek canlıların küçük yuvarlak atomlardan, ruhun ise hava ve ısı atomlarından olduğunu ileri sürmektedir. Bütün bu çalışmalar felsefi olup bir deneye dayanmamaktadır. Fakat maddenin yapısı hakkında yıllarca kalan ve “atom” kelimesini bugünlere taşıyan önemli bir çalışmadır.
1582'de İtalyan bilgini Giordeno Bruno “doğada bulunan her şeyin bölünümü, bölünemeyen bir parça ile son bulur” demekte, Pierre Gassendi (1592-1655) ise Bruno’yu desteklemekte ve atom fikrini “atomlar yeniden yaratılamazlar ve yok edilemezler, katı ve ağırlığı olan belli büyüklükte çok küçük parçacıklardır" şeklinde tarif etmektedir. Sonraki yıllarda Robert Boyle (1627-1691) corpuscular (parçacık), Isaac Newton (1642-1727) primitive particles (ilkel parçacıklar) deyimini kullanan bilim adamlarıdır.
Modern kimyanın doğuşu genellikle Lavosier’nin 1789’da yazdığı Traite Elementarie de Chemie kitabıyla anılır. Lavosier (1743-1794), çalışmalarını deneylerle yürüten ve teraziyi kullanan ilk kimyacılardandır. Lavosier, Prestly’nin keşfettiği oksijenin yanma için şart olduğunu göstermiştir. Benzer şekilde Dalton, atom teorisi çalışmalarına başladığında, kimyanın felsefi yönle değil de deneysel yönle çalışılması gerektiğini anlamış ve kantitatif çalışmalara başlamıştır.
Dalton kimya üzerinde yaptığı çalışmalarında önce meteoroloji ile ilgilenmiş, günler ve mevsimlere göre hava sıcaklığı, hava basıncı, yağmur yağışları konularında binlerce veri toplamıştır. Bu çalışmalar sırasında her sıcaklıkta havada su buharı bulunduğunu görmüş ve değişik sıcaklıklarda su buharının basıncını ölçmüştür. Barometre (basınçölçer), termometre (sıcaklıkölçer) higrometre (nemölçer), yağmur bulutlarının oluşumu, atmosfer neminin yapısı,dağılımı ve buharlaşması gibi kavramlar üzerine makaleler yazmıştır. Dalton, yağmurun, atmosfer basıncındaki değişikliklerden değil, sıcaklığın düşmesinden kaynaklandığını ilk olarak belirlemiştir. Suyla yaptığı çalışmalar sonucunda suyun yoğunluğunun en yüksek olduğu sıcaklığı +5,80oC olarak belirlemiş ve bu değer daha sonraları +3,97oC olarak düzeltilmiştir.
Bu çalışmaların bir parçası olarak kısmi basınç kavramını ortaya atmış ve “bir gaz karışımının toplam basıncı, karışımı oluşturan gazların kısmi basınçların toplamına eşit olduğunu” ispatlamıştır. Dalton’un kısmi basınç kanunu olarak adlandırdığımız bu kanun onun ilk denemelerinin sonuçlarından biridir. Bunun bir diğer anlamı da gaz parçacıklarını (moleküllerin), birbirine etki etmeyen, aralarında hiçbir çekme kuvveti olmayan bağımsız parçacıklar olduğudur. 1857 de Alman fizikçi Rudolf Clausius bu ve diğer sonuçlardan faydalanarak gazların kinetik teorisi çalışmalarını yapmış ve gazların bütün özelliklerini matematiksel olarak açıklamıştır. Dalton’un bu kanunu tam olarak ideal gazlar için geçerli olsa da, ideal olmayan gazlar için de normal şartlar altında çok az bir sapma göstermektedir.
Çok enteresandır ki Dalton’un gazlar üzerinde çalıştığı yıllarda Fransız kimyacı Joseph-Louis Proust (1754-1826), belirli oranlar kanununu ile, yani bir bileşiği oluşturan elementlerin ağırlıkları arasında belirli bir oran vardır demektedir. Yani bildiğimiz mutfak tuzu NaCl’de Na/Cl ağırlık oranı 23.0/35.5 tir ve bu oran dünyanın her yerinde aynıdır.Başka bileşiklerle de ve özellikle karbon-oksijen bileşikleri üzerinde deneyler yapan Dalton O/C oranının her zaman aynı olmadığını göstermiş, araştırmaları sonucunda karbonun oksijenle iki ayrı bileşik yaptığını bulmuştur. Karbon monoksit CO da bu oran 12.0/16.0, karbon dioksit CO2 de ise 12.0/32.0 dir. Burada önemli olan sabit bir karbon ağırlığına karşı gelen oksijen ağırlıkları arasında tam sayılarla ifade edilebilen bir oranın olmasıdır yani ½ dir. Başka bileşiklerle de deneyler yapan Dalton, 1804’te katlı oranlar kanunu dediğimiz “iki element birden fazla bileşik oluşturuyorsa, bunlardan birinin aynı miktarı ile birleşen diğer elementin miktarları arasında ağırlık bakımından basit bir oran vardır" kanunu, aynı yıllarda Fransız Gay-Lussac (1778-1850) ve Jacques Charles (1746-1823) sıcaklıkla gazların hacim ve basınçlarının nasıl değiştiği hakkındaki kanunları bulmuşlardır.
Dalton’un yaptığı kendi çalışmaları, özellikle katlı oranlar kanunu ve yukarıda bahsedilen gazlarla yapılan deney sonuçları, kendisini atom ağırlıkları ve atom teorisi üzerinde çalışmağa yönlendirmiştir. Dalton atom ağırlığı çalışmalarında atomların ikili olarak birleştiğini farz etmiş ve suyun formülünü H2O yerine HO, amonyağın formülünü NH3 yerine NH kabul etmiştir. Hidrojen atomunun en hafif olduğunu kabul edip ki bu doğrudur, rölatif atom ağırlığını 1 kabul ederek diğerlerininkini bulmağa çalışmıştır. Bu varsayımdan giderek oksijenin atom ağırlığı 7, azotun atom ağırlığını ise 5 olarak bulmuştur. Fakat 1808’de Gay-Lussac’ın ve 1811'de de Avogadro’nun çalışmalarıyla bulunan hacim oranları kanunlarının sonucu olarak suyun formülünün, H2O, amonyağın formülünün ise NH3 olduğu anlaşılmış ve atom ağırlıkları bugün kullandığımız rakamlara yakın olarak tekrar hesaplanmıştır. Gay-Lussac gaz halinde reaksiyona giren ve gaz halinde bileşikler veren reaksiyonları incelemiş ve görmüştür ki, aynı sıcaklık ve basınç şartlarında bir kimyasal reaksiyona giren ve reaksiyon sonucu olan gazların hacimleri arasında basit bir oran vardır. Örneğin aynı şartlarda 2 litre hidrojenle bir litre oksijen birleştiğinde iki litre su buharı oluşmaktadır.
2H2 +O2 › 2H2O
Reaksiyona 3 litre gaz girmesine rağmen 2 litre gaz meydana gelmektedir. 1811'de Avogadro’nun yaptığı çalışmaya göre de, iki atomlu gazlardan yine 2 atomlu gaz değil, 3 atomlu su molekülü oluşmaktadır. Böylece Avogadro, eşit basınç ve sıcaklık şartlarında bütün gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunmalıdır sonucuna varmıştır. Standart şartlarda yani sıfır oC ve bir atmosfer basınç altında 1 mol (atom veya molekül ağırlığı kadar gram) gazın hacmi 22,4 litredir ve bunda 6,02x1023 molekül vardır (Avogadro sayısı).
Dalton’un Katlı oranlar kanunun bir sonucu gibi görünen başka bir çalışma da, oksijenin bazı bileşiklerinde ortaya çıkan sonuçlardır. Örneğin sudaki oksijenin ağırlık olarak hidrojene oranı 8/1, benzer şekilde bakır oksitte (CuO) 8/31.8, HgO da 8/100, FeO da 8/28, SO2 de ise 8/16 dır. Bu sonuçlardan çıkan daha önemli bir anlam ise, oksijen dışında elementlerin bu miktarları kendi aralarında veya başka elementlerle birleştiklerinde çok defa tekrarların değerlerdir. Örneğin 28 g demirle 16 gram kükürt birleşerek FeS oluşmaktadır.
Dalton’un başarısı ve ona modern atom teorisinin babası denmesi yukarda verilen gerek kendi deneyleri ve gerekse çağdaşlarının bulduğu deneysel sonuçları bir teori halinde ortaya atmasıdır. Özellikle katlı oranlar kanunundaki eşdeğer gram kavramı, elementlerin iç yapısında kütle bakımından birbirinin aynı ve bölünmeyen parçacıklar bulunduğunu göstermiştir. İşte bu sonuçlardan faydalanan Dalton ilk defa 1805 yılında, sonra da detaylı olarak 1808 yılında yayınladığı kitabında aşağıdaki 5 madde halinde atom teorisini önermiştir:
1. Bütün maddeler en küçük birim olan atomlardan oluşmuştur.
2. Kütle ve özellik bakımından değişik birçok atom vardır. Bir elementin bütün atomları birbirinin aynıdır ve diğer elementlerin atomlarından farklıdır. Bir element, aynı cins atomlardan oluşmuş maddedir.
3. Atomlar parçalanamaz ve yeniden yapılamazlar.
4. Atomlar birleşerek molekülleri oluştururlar. Bir bileşiğin her molekülü birbirinin aynıdır. Bir molekül, bir veya birden fazla atomun birleşmesiyle olur. Yani A ve B atomları AB, AB2, A2B3 gibi bileşikler üretirler.
5. Kimyasal reaksiyonlar belli şartlarda atomların yer değiştirmesi ile olur.
2H2 +O2 › 2H2O
Dalton teorisindeki öneriler zamanındaki bilgi ve deney sonuçlarına uymakla beraber, geçen 200 sendeki ve özellikle atom çekirdeği hakkındaki bilgilerimizin gelişmesinden sonra bazı öneriler tam olarak doğru olmamaktadır.
Atomda elektron olduğu 1897’de İngiliz bilgini J. J. Thomson tarafından katot ışınları deneyi ile keşfedilmiştir.
1911’deki Rutherford Deneyi, atom çekirdeğinin 10-15 m mertebesinde ve pozitif parçacıklardan oluştuğunu göstermiştir. Bunlar Protonlardır.
1932 de İngiliz Chadwick nötronu keşfetmiştir. Böylece Dalton Atomunun en küçük parça değil içinde elektron, proton ve nötron olduğu 1932 yılına kadar deneysel olarak gösterilmiştir.
1938’de 235U çekirdeğinin parçalanmasıyla “atomun parçalanabildiği” de anlaşılmıştır. Yani 1808’deki Dalton Atom teorisinin bu maddesinin doğru olmadığı anlaşılmıştır. Unutmamak gerekir ki kimyasal reaksiyonlarla atomu parçalamak mümkün değildir. Bu bakımından Dalton’un devri için “atom parçalanamaz” fikri doğrudur.
Aynı zamanda bir elementin atomları aynı olmayıp bir çok izotoptan meydana gelmiş olabilir. Bir element atomundaki proton sayısı ile belirlenmiş olup bu sayıya “atom numarası” denir. Örneğin; Sodyumun atom numarası 11 olup çekirdeğinde 11 proton vardır. Uranyumun çekirdeğinde ise 92 proton bulunmaktadır. Uranyumun birçok izotopu vardır, bütün izotoplarının proton sayısı aynı yani 92 olup nötron sayıları farklıdır. Örneğin 235U143 ve 238U146 uranyumun iki izotopudur. Atom numaraları aynı yani 92, nötron sayıları farklı, 143 ve 146 dır.
Şunu da hatırlatmak isterim ki Dalton (İngiliz), Gay-Lussac (Fransız) ve Avogadro’nun (İtalyan) çalışmaları 5 yıllık aynı bir süre içinde olmuştur. Demek ki bundan 200 yıl önce de hiç değil Avrupa ülkelerindeki bilim adamları arasında hızlı bir iletişim kurulmuştur.
Türkiye'de çağdaş kimyanın başlamasına yardım eden Mehmed Emin Derviş Paşa (1817 - 1879), Usûl-i Kimya (Kimyanın Elemanları, 1847) adlı eserinde, Dalton'un atom teorisinden söz eder. 1840’larda harp okuluna öğretmen yetiştirmek için Avrupa'ya gönderilen öğrenciler içinde yer alan Derviş Paşa birkaç yıl İngiltere'de kalmıştır. Büyük bir ihtimalle Dalton’un modern atom teorisi ile o zaman karşılaşmıştır Derviş Paşa kimyasal reaksiyonları doğrudan doğruya atomların birbirleriyle birleşmesi ve ayrışması esasına göre ve kendine özgü veya daha doğrusu o dönemde Fransa'da bazı kimyacılar tarafından kullanılan biçimde şematik olarak açıklamıştır. Türkiye'de ilk kez kimyasal formülleri kullanan ve bunları Latin harfleri ile yazan kişidir.
Elementel Parçacıkların “Standart Modeli”
Atomun elektron, proton ve nötrondan yapıldığını tartıştık. Acaba bu parçacıklarda bölünebilir mi?
Elementel parçacık dendiği zaman bunların başka parçacıklara bölünemediği( şimdilik) anlaşılıyor. Yani bunların uzayın en temel parçacığı ve diğer bütün parçacıkların, bugün gördüğümüz her şeyin bunlardan oluştuğu kabul ediliyor. 2400 sene önce Leucippus ve Democritus’un, 200 sene önce Dalton’un bahsettiği bölünemezlik işte bu parçacıklarda kendini gösteriyor.
Standart modelde quarklar, leptonlar ve bosonlar var.1950lerden sonra parçacık hızlandırıcıların gelişmesinden sonra elementel parçacıklarda keşfedilmeye başladı.
Teorik fizikçi İngiliz Peter Higgs 1960'lardaki çalışmalarında daha ağır kütleli bir boson’dan bahsetmiş, yazdığı makale önemli bir fizik dergisinde kabul edilmese de Physical Review dergisinde basılmış ve büyük ilgi toplamıştır. Simdi CERN’de yapılan denemelerle ters yönden gelen protonlar çarpıştırılarak Higgs Boson olarak adlandırılan bu parçacık bulunmağa çalışılıyor. Eminim ki önümüzdeki aylar veya yıllarda CERN’de yapılan deneyin sonuçları çok fazla tartışılacaktır.
Modern atom teorisini geliştiren John Dalton’un özel hayatı ve diğer çalışmaları da çok önemlidir.
John Dalton (1766-1844), geçimini el dokumacılığıyla sağlayan yoksul bir köylünün çocuğu olarak dünyaya gelmesine rağmen küçük yaşta matematik, fen ve gramer derslerine de programında yer veren bir tarikat okulunda öğrenimine başlamıştır. On beş yıl öğretmenlik yapmış özellikle yüzlerce köy çocuğunu eğitmiş aynı zamanda bilime olan merak ve tutkusu doğrultusunda kendini de yetiştirmiştir.
Daha sonra bitki ve böcek örnekleri toplamaya girişmiştir. 1787'de tanık olduğu bir kutup ışığı (atmosferdeki elektrik çalkantılarının etkisiyle gökyüzünde oluşan kimi zaman renkli şekiller) olayından etkilenerek bu konuyu araştırmaya yönelmiştir. Kuzey yarı kürede izlenen kutup ışığı olayları üzerine yazdıkları, öteki bilim adamlarından bağımsız olarak geliştirdiği kendi özgün düşüncesinin ilk ürünleridir.
Atmosferdeki değişiklikleri incelediği sırada kutup ışıkları araştırmaları sonucunda Yerin manyetik alanı ile kutup ışınları arasında bir ilişki olması gerektiği sonucuna varmıştır.
Ayrıca kendisinde ve kardeşinde bulunan bugün Daltonizm dediğimiz renk körlüğü üzerine de, incelemeler yapmış ve "Extraordinary Facts Relating to the Vision of colors" (1794; Renklerin Görülmesine İlişkin Olağandışı Olgular) başlıklı makale yazmıştır.
1822'de Royal Society'nin üyeliğine seçilen ve 1826'da bu derneğin altın madalyasıyla ödüllendirilen Dalton Fransız Bilimler Akademisi'nin muhabir üyeliğine kabul edildi. 27 Temmuz 1844'de yaşamını yitirmiştir.
