Ernest Rutherford (1871-1937)

[Φ muki]

Babası araba tamiri ile uğraşan ve çiftçilik yapan Rutherford, ailenin on iki çocuğunun ikincisiydi. Çiftliklerinde çalışır, hemen her konuda babasına yardım ederdi; fakat okulda da başarılıydı. Hatta, Yeni Zelanda Üniversitesi’nin verdiği burslardan birini kazanıp, yüksek öğrenimini sınıf dördüncüsü olarak tamamladı. Rutherford, üniversitedeyken fiziğe duyduğu büyük ilgiyi bir de manyetik radyo dalgaları yakalayıcısı geliştirerek gösteriyordu. Buluşların günlük yaşama uygulanmalarıyla ilgilenmezdi.

 

Cambridge Üniversitesi’nden burs kazandığı 1895 yılı, onun için bir dönüm noktası oldu. Verilen bursu birincilikle kazanan sınıf arkadaşı, ülkesinden ayrılmak istemediği için, ikinci sıradaki Rutherford, bu mutlu rastlantı ile bilim dünyasına kazanılıyordu. Aslında o yıl, Cambridge Üniversitesi’nin diğer üniversitelerin başarılı öğrencilerine ilk kez burs vermesi, Rutherford’un talih kapısını aralıyordu. Bursa haberi Rutherford’a ulaştığı zaman, tarlada patates söktüğü, bel küreğini bir kenara fırlatarak ‘artık bunları kim sökerse söksün’ dediği, hatta evlilik düşüncesinden de vazgeçip İngiltere’ye gittiği söylenir.

 

Rutherford, Cambridge’de, J.J. Thomson’ın gözetiminde çalışıyordu. Hocası sesini ayarlayamayan, kaba tavırlı, fakat elleri son derece becerikli son derecece becerikli bu taşralı genci kısa sürede benimsiyordu. Bu, deneylerinde dağınık ve onu bunu deviren, döken Thomson için önemli bir yardım sayılırdı. Rutherford kısa bir süre, Kanada McGill Üniversitesi’nde kalıyor, evlenmek için Yeni Zelanda’ya gidiyor ve çalışmalarını sürdürmek için yeniden İngiltere’ye dönüyordu.

 

Becquerel’in yakın izleyicisi Rutherford, yeni ve ilginç bir konu olan radyoaktivite alanında çalışmaya başlıyor, Curie’lerle ışıyan maddelerin yaydıkları ışınların birkaç çeşit olduğuna inanıyordu. Artı yüklü olanlara ‘Alfa’ ve eksi yüklü olanlara ‘Beta’ ışınları diyordu. Bu adlar ogün de kullanılıyordu, ancak ikisi birden ‘Hızlandırılmış Parçacıklar’ olarak ifade ediliyorlardı. 1900 yılında kimi ışımaların manyetik alandan etkilenmediği bulununca, Rutherford, bunların elektromanyetik dalgalardan oluştuklarını gösteriyor ve ‘Gama Işınları’ adını veriyordu.

Rutherford önce Soddy ile birlikte, sonra yalnız başına Crookes’un, uranyumun ışıma sonucu başka bir maddeye dönüştüğünü gösteren öncü araştırmalarını sürdürüyordu. Uranyum ve Toryum üzerinde kimyasal işlemler yaparak ve ışımanın ne olacağı merakı ile Rutherford ve Soddy bu elementlerin, ışıma sonucu bir takım ara maddelere dönüştüklerini gösteriyorlardı. Hemen hemen aynı günlerde, Amerika’da Boltwood da bu gözlemleri doğruluyordu. Soddy bu çalışmaları daha da ilerleterek ‘İzotop’ kavramını ortaya atıyordu.

 

Farklı her ara element, belli bir sürede miktarının yarısını kaybedecek bir hızla parçalanıyordu. Rutherford bu süreye ‘Yarı Ömür’ diyordu. 1906 ile 1909 yılları arasındaki sürede Rutherford ve yardımcısı Geiger, alfa parçacıklarını derinliğine inceliyorlar, bu parçacıkların elektronlarını kaybetmiş Helyum atomu olduğunu, hiçbir kuşkuya yer vermeyecek biçimde gösteriyorlardı. Alfa parçacıklarının Goldstein’in bulduğu artı yüklü ışınlara benzedikleri anlaşılıyor ve 1914 yılında Rutherford, en basit artı yüklü ışınların Hidrojen’den elde edilenler olması gerektiğini ileri sürerek, artı yüklü temel parçacık niteliklerinden dolayı ‘Proton’ adını kullanıyordu. Bundan sonraki yirmi yıl süresince her atomun eşit sayıda proton ve elektrondan oluştuğuna inanılıyor; fakat bugün kabul edilen yapısıyla hidrojen atomunun bir protonu olduğunu Heinsenberg gösteriyordu. Bugünkü bilgilere göre, proton artı; elektron eksi yüklüdür ve elektriksel olarak bir elektron, bir protonu dengeleyecek biçimde eşit yüklüdürler. Fakat protonun kütlesi, elektronun 1836 katıdır.

 

Alfa parçacıklarına duyduğu ilgi, Rutherford’u daha önemli şeylere yöneltiyordu. 1906 yılında daha Kanada’nın McGill Üniversitesi’ndeyken, ince madensel levhaların alfa parçacıklarını nasıl dağıttığını incelemişti 1908 yılında İngiltere’ye döndüğünde Manchester Üniversitesi’nde de bu deneyleri sürdürüyordu. Yarım mikron kalınlığındaki bir altın levhaya alfa parçacıkları gönderiyor ve parçacıklardan çoğunun hiç etkilenmeden ve yön değiştirmeden aradaki fotoğraf plakasına kayıtlandıklarını görüyordu. Fakat fotoğraf üzerinde, hem de büyük açılarla kimi dağılımlar oluyordu. Altın levha, 2000 atom kalınlığında olduğu ve alfa parçacıklarının çoğu dağılmadan arkadaki fotoğraf plakasına geçtiklerine göre, altın atomlarının büyük bir bölümü boşluktan oluşmalıydı. Kimi alfa parçacıkları, yönlerinden çok kesin biçimde;hatta 90 derece saptıklarına göre, atomun bir yerinde artı yüklü, alfa parçacıklarını saptırabilecek güçte (benzer yükler itişirler) büyük kütleli bir bölge bulunmalıydı. Rutherford bu deneye dayanarak, çekirdekli atom kuramını ilk 1911 yılında açıklıyor, atomun merkezinde, bütün protonları kapsayan ve hemen hemen kütlesinin tamamını oluşturan çok küçük bir çekirdek bulunduğunu ileri sürüyordu. Atomun dış bölgesinde, çok hafif ve görünürde alfa ışınlarının geçmesini engellemeyen eksi yüklü elektronlar yörüngedeydiler.

 

Bu atom fikri, 23 yüzyıl düşüncelere egemen olan Demokritus’un ‘maddenin en küçük parçası’ görüşünü yıkıyor ve gerçeklere daha çok uyan yeni bir model oluşturuyordu. Elementlerin ışıyarak ayrışması kuramı, alfa parçacıklarının yapıları üzeindeki çalışmaları, çekirdekli atom modeli Rutherford’a 1908 yılı Nobel Kimya ödülü kazandırıyordu. Başarıları bu kadarla kalmıyor, ilk kez Crookes tarafından düzenlenen ışıldama sayacını, yayılan ışınım (radyasyon) miktarını ölçmek için kullanılıyordu. Çinko sülfit bir ekran üzerindeki parıltıları sayarak (her atom parçasına karşılık bir parıltı) Rutherford ve Geiger, bir gram radyumun saniyede 37 milyar alfa parçacığı saldığını söyleyebiliyorlardı. Bu kadar büyük sayıda alfa parçacığı saçarak parçalanan maddelere, Curie’leri onurlandırmak için, o maddenin ‘Curie’si’ deniyordu. Bu arada Rutherford da unutulmuyor, saniyedeki bir milyon parçalanmaya ‘Rutherford’ adı veriliyordu.

 

Bu çeşit parıldamalar daha sonra saniyede kullanılıyor ve eser miktarda radyum içerikli çinko sülfit saatlere yerleştiriliyor, rakamların karanlıkta da görülüp okunması sağlanıyordu. Fakat bu saatlerin üretiminde çalışan işçilerin radyum hastalığına tutulmaları nedeniyle, uygulamaya bir süre sonra son veriliyordu.

 

Daha sonraları Rutherford, içine oksijen, hidrojen ve azot gazları doldurduğu bir silindirde ışıma miktarını ölçmeye girişiyor, azot gazında parıldamaların azaldığını; fakat hidrojen türünden olanların belirdiğini gözlüyordu. O halde alfa parçacıkları, azot atom çekirdeğinden protonlar çıkarıyordu. Çekirdekte kalan da oksijen atom çekirdeği olmalıydı. Böylece Rutherford, kendi ellerini kullanarak bir elementi diğerine dönüştüren ilk insan oluyordu. Başka bir deyişle, simyacıların rüyalarını gerçekleştiriyordu. Bu aynı zamanda, çekirdek tepkimesinin yapay ilk örneği oluyordu.

 

Fakat 300 bin alfa parçacığından ancak biri çekirdek ile tepkimeye girdiği için, bir maddenin diğerine dönüştürülmesinde kolayca uygulanabilir bir yöntem sayılmıyordu.

 

Rutherford, İkinci Dünya Savaşı’ndan önceki yıllarda amansız bir Nazi düşmanı oluyor, bir çok Yahudi bilim adamının Almanya’dan kaçırılması işlerine karışıyor; fakat zehirli gazlar üzerindeki çalışmaları nedeniyle Haber ‘e ilgi göstermiyordu. Rutherford atomun parçalanmasıyla elde edilen enerjinin denetim altına alınıp kullanılamayacağını söylüyor, Einstein kuramlarına inanmıyordu. Hahn’ın fizyon yöntemi ile enerjiyi nasıl denetim altına alabildiğini görüp tahminlerindeki yanılgıyı anlayamadan, yaşamını yitiriyor ve Newton ile Kelvin’in yanlarına gömülüyordu.

[Φ sedat sencan]

İnceleme yapacak olan arkadaşlara yardımcı olmak için bir Ernest Rutherford biyografisi de ben yazayım.

Ernest Rutherford,1871 yılında Yeni Zelanda’da doğdu.Göç etmiş olan İskoçya’lı ailenin 12 çocuğundan dördüncüsüydü.Liseyi burslu olarak okudu. Canterbury College’yi de bursla bitirdikten sonra 1893 yılında yüksek lisans derecesi aldı.Okula bir yıl daha devam etti ve demirin yüksek frekanslı magnetik alanlardaki mıknatıslanma özellikleri konusunda araştırmalar yaptı.Bu çalışmasının sonunda Hertz’in birkaç yıl önce bulmuş olduğu elektromagnetik dalgaları algılayan bir dedektör yaptı.Bulgularını yansıtan iki makalesi,İngiltere’de araştırmalarına devam etmesini sağlayacak olan bir burs kazandırdı.

*

Rutherford 1895 yılında İngiltere’ye gitti ve Cambridge Üniversitesi’ndeki Cavendish Laboratuvarı’nda J.J.Thomson’ın yanında çalışmaya başladı.Burada elektromagnetizma üzerinde deneyler yapıyordu.Sonuçta Hertz dalgalarını 3 km. uzaklıktan gönderip almayı başardı.Ancak bazı meslektaşları radyonun pek geleceği olmadığını söylediği zaman bu çabasından vazgeçti.Aynı yılın Aralık ayında Wilhelm K.Röntgen, X ışınlarını buldu. Thomson ve Rutherford aynı konu üzerinde çalışmaya başladılar. X ışınlarının gazlar içinden geçerken çok sayıda artı ve eksi elektrik yüklü parçacık ortaya çıkmasına,yani iyonlaşmaya yol açtığını gördüler.Bu parçacıklar yeniden birleşiyorlar ve nötr atomlar oluşturuyorlardı.Bu olgudan yola çıkan Rutherford,iyonların hızını ve birbirleriyle birleşerek yeniden gaz molekülleri oluşturma süresini belirlemeye yönelik bir yöntem geliştirdi.

*

1896 yılında Henri Becquerel,uranyumun X ışınları gibi fotoğraf levhasını etkileyen ışınlar saldığını bulmuştu. Rutherford, uranyumun saldığı ışınların da,X ışınları gibi havayı iyonlaştırdığını,ama bu ışınların X ışınlarından farklı olduğunu ve iki ayrı türden ışınım içerdiğini belirledi.Böylece,iyonlaştırma gücü yüksek olan,fakat kolayca soğurulabilen ışın türünü alfa ışınları,daha az iyonlaşmaya yol açan ama etki gücü daha yüksek olan ışınları da beta ışınları olarak adlandırdı.

Rutherford,yeni bulunan radyoaktif maddeler karşısında giderek daha fazla ilgi duyuyordu.Arkadaşı F.Soddy ile birlikte,bu maddelerin çok küçük miktarlarında bile çok büyük enerji depolandığını anlamışlardı.Kararsız bir atom çekirdeğinin parçacık ve enerji salarak daha hafif ve kararlı başka bir çekirdeğe dönüşmesi olan radyoaktif bozunmanın da farkına varmışlardı.Bu gözlemlerini doğrulamak için araştırmalarını hızlandırdılar.

*

19.yüzyılın sonuna gelinirken birçok bilim adamı, fizik alanında yeni bir konunun kalmadığını düşünüyordu. Rutherford,3 yıl içinde yepyeni bir fizik dalı ortaya çıkardı.Bu yeni fizik dalı Marie Curie’nin adlandırdığı gibi ‘radyoaktiflik’ idi.Toryum ve bileşiklerinin bozunarak bir gaza dönüştüğünü bulan Rutherford F.Soddy ile birlikte üç radyoaktif element grubu olan radyum,toryum ve aktinyum üzerinde yaptığı araştırmalar sonucunda, radyoaktifliğin,bir elementin atomlarının başka bir elementin atomlarına kendiliğinden dönüşmesi süreci olduğu sonucuna vardı.O günlerde birçok bilim adamı maddenin değişmezliği kuramına bağlı olduğu için bu görüşe karşı çıktı.

Rutherford,radyoaktiflik olgusunun pratik yaşamda kullanım alanı bulacağını da anlamıştı.Kısa zaman içinde,her radyoaktif maddeye ait örneğin yarı miktarlık bir kısmının bozunması için gereken zaman miktarının,yani yarı ömrün hep aynı olduğunu keşfetti.Üstelik bu sabit ve güvenilir bozunma hızı bir çeşit saat olarak ta kullanılabilinirdi.Bir maddenin şu anda ne kadar radyasyonu olduğu ve hangi süratte bozunduğu bilinirse,geriye doğru yapılacak bir hesaplama o maddenin yaşını verecektir.Bu görüşünü hemen uyguladı.Bir parça uranyumlu maden cevherinin yaşını 700 milyon yıl olarak hesapladı.

Bu başarıları üzerine Rutherford,1903 yılında Royal Society’nin üyeliğine seçildi.Ertesi yıl aynı kurumun Rumford Madalyası ile ödüllendirildi.

1904 yılında yayınladığı ‘Radyoaktiflik’ adlı yapıtında bu konudaki araştırmalarının sonuçlarını özetledi. Radyoaktiflik etkinliğinin sıcaklık,kimyasal değişimler gibi dış koşullardan etkilenmediğini, radyoaktif süreçlerde kimyasal tepkimelere oranla daha fazla miktarda ısı açığa çıktığını, radyoaktif dönüşüm sonucunda kimyasal nitelikleri farklı yeni ürünlerin oluştuğunu ve benzeri konuları ortaya koydu.

*

Rutherford,1903 yılında alfa ışınlarının elektrik ve magnetik alanlarda sapmaya uğradığını belirlemişti.Daha sonra sapmanın yönünü inceledi ve bu ışınların artı elektrik yüklü parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı.Ayrıca bu parçacıkların hızı ile elektrik yükü/kütle oranını ölçtü.

1904 yılında Londra’ya gitti. Kraliyet Enstitüsü’nde bir konferans veriyordu.Konusu,yeni radyoaktif bozunma kuramı idi.Konuyu açıkladıktan sonra sözü uranyumlu maden cevherine getirecekti.Salonda bulunan kişiler arasında artık iyice ihtiyarlamış olan Lord Kelvin de vardı.Kelvin bilimsel konuda faaliyette bulunmayı bırakmıştı.Yeni fikirleri kabul etmeye de yanaşmıyordu.Buna rağmen Rutherford saygıyı elden bırakmadan bir hatırlatma yaptı.Kelvin bir süre önce başka ısı kaynağı bulunursa Yerküre’nin yaşı üzerindeki hesaplarının geçersiz hale geleceğini söylemişti. Rutherford,başka olan o kaynağı bulduğunu belirtti. Radyoaktiflik sayesinde, Yerküre’nin yaşının, Lord Kelvin’in belirttiği gibi 24 milyon yıl olmadığı anlaşılmıştı. Yerküre çok daha yaşlıydı.

*

McGill Üniversitesi’nde 7 yıl çalışma süresi içinde 80 tane bilimsel makale yayınladı.Kendisine teklif edilen birçok üniversite profesörlüğü içinde Manchester Üniversitesi’nin önerisini kabul ederek 1907 yılında İngiltere’ye döndü.Alfa parçacığına ilişkin araştırmalarını burada sürdürdü.

Yardımcılarından birisi olan Hans Geiger ile birlikte geliştirdikleri parçacık sayacıyla radyumun saldığı alfa parçacıklarını tek tek saydı.Bu şekilde toplam elektrik yükünü ölçerek tek bir alfa parçacığının yükünü belirledi.

1908 yılında alfa parçacığının,+2 yüklü helyum iyonu,yani iki elektronunu da kaybetmiş helyum çekirdeği olduğunu saptadı.Aynı yıl Nobel Kimya Ödülü aldı.

1911 yılında geliştirdiği atom modeli ile bilim dünyasına büyük bir katkıda bulundu.

Alfa parçacıklarının ince metal levhalardan geçişini incelerken, alfa parçacığının artı yüklü olduğunu,levhadan geçişi sırasında metal atomlarındaki artı yüklerin itici etkisiyle sapmaya uğrayacağını,ama parçacığın kütlesi çok büyük olduğu için bu sapmaların çok küçük olacağını düşünüyordu.Yapılan deneylerde alfa parçacıklarının gerçekten de çok küçük sapmalar gösterdiği,ama arada büyük açılarla sapan parçacıkların da bulunduğu gözlendi.Hatta bazen bir parçacığın hareket yönünü değiştirip geriye döndüğü görüldü.Bu olay,kendi sözleriyle ‘bir top mermisinin ince bir kağıt tabakasına çarparak geri dönmesi’ kadar şaşırtıcıydı.En önemlisi de o günlerin atom modeline uymuyordu.Büyük kütleli alfa parçacığını bu kadar saptırabilmesi için atomdaki bütün artı yüklerin ve kütlenin çok küçük bir hacimde yoğunlaşmış olması gerekiyordu.Rutherford,bu olayın bir tek açıklaması olabileceğini anladı.Geri tepen parçacıklar atomun merkezindeki küçük ve yoğun bir şeye çarparken,diğer parçacıklar hiçbir engele rastlamadan atomun içinden geçiyordu.Bir atomun büyük kısmının boşluktan,sadece merkezinin çok yoğun bir çekirdekten oluştuğu besbelliydi.

*

Rutherford,fizik ile kimyanın birbirini desteklediğini pek kabul etmiyordu.Ama gerçekte bu iki bilim dalı rahatça örtüşmüştü.Nitekim kendisine 1908 yılında verilen Nobel Ödülü,kimya dalında olmuştu.Matematikte kötü olduğu söyleniyordu.Nötronu keşfeden James Chadwick,onun deney sırasında da beceriksiz olduğunu anlatmıştı.Ancak azimli ve açık fikirliydi.Çalışmaları sırasında bir sorunla karşılaştığında yılmaz ve çabasını bir kat daha arttırırdı.İşlerin çoğunu da kendisi yapıyordu.Örneğin,saatler boyunca sayacın başından kalkmaz,alfa parçacılarını tek tek sayardı.Fiziksel olarak iri yapılıydı.

*

1914 yılında ‘sir’ ünvanını aldı.Birinci Dünya Savaşı yıllarında sualtı akustiği ve denizaltıların algılanması üzerine çalıştı.1919 yılında ilk kez yapay yoldan bir elementi başka bir elemente dönüştürdü.Azot atomunun, alfa parçacıkları ile bombardımanı sonucunda proton,yani hidrojen çekirdeği salarak oksijen atomuna dönüşmesi biçiminde gerçekleştirilen bu ilk yapay dönüşüm,nükleer enerji çağının başlangıcı olmuştur.Aynı yıl Cambridge Üniversitesi fizik profesörlüğüne ve buradaki Cavendish Laboratuvarı yöneticiliğine getirildi.1922 yılında Royal Society’nin en büyük ödülü olan Copley Madalyası’nı aldı.

1925 yılında Royal Society’nin başına getirildi.1931 yılında kendisine baron ünvanı verildi.1937 yılında öldü.

KAYNAKLAR:

A Short History of Nearly Everything

AnaBritannica