Elektron, elektrik yükü negatif olan bir atom altı parçacıktır. Protondan yaklaşık 1836 kat daha hafif olan elektron, elektrik ve manyetizma fenomenlerinin meydana gelmesinde ayrıca büyük bir rol oynamaktadır.
Elektron, negatif bir yüke sahip olduğu için etrafında bir elektrik alanı oluşur. İstisnasız bütün atomlarda bulunmakla birlikte elektriğin iletiminde de taşıyıcı “parçacık” olarak davranır.
Elektronun Atomun Yapısındaki Yeri
Atom, proton ve nötron isimli kendisini meydana getiren daha temel parçacıklardan meydana gelir. Proton ve nötronun oluşturduğu bu yapıya atom çekirdeği denirken elektron, basitçe söylemek gerekirse atom çekirdeğinin etrafında “dönmektedir.”
Tabi ki buradaki “dönmek” ifadesinin, Dünya’nın Güneş etrafındaki dönmesi gibi bildiğimiz anlamıyla kullanılmadığını ifade etmekte fayda olabilir.
Daha ziyade elektron, bir “olasılık bulutu” kapsamı içinde atomun etrafında varlık göstermektedir. Bu konu kuantum fiziğinin alanıyla ilgili olduğundan daha fazla detaya girmeye gerek olmadığını söyleyebiliriz.
Yazının asıl konusu olan elektronun keşfine geçmeden önce insanların elektrik fenomenini tarih boyunca nasıl algıladığına ve bu alanda yapılan deneylere kısaca göz atmakta fayda var.
Elektriğin taşıyıcı parçacığı olup elektrik ve manyetizma fenomenlerinden sorumlu olan elektronun keşfine kadar insanlar, elektriğin doğasına yönelik çeşitli deneyler gerçekleştirmişti.
Hatta elektrik ile ilgili yapılan çalışmalar, gündelik hayatımızı kolaylaştırmaya yarayan elektrikle çalışan teknolojik aletlerin üretilmesine bile ön ayak olacaktı.
Elektron Keşfedilmeden Önce Elektrik Nasıl Anlaşılıyordu?
Bilim insanları, elektrik akımına sebep olanın aslında elektron olduğunu keşfetmeden önce bile elektrik ile ilgilenmekteydi.
Örneğin antik dönemlerde yaşayan insanlar, kehribar taşı gibi bazı cisimlerin, kürk ile sürtündüğü zaman hafif cisimleri çekebildiğini fark etmişlerdi. M.Ö 6.yüzyılda yaşamış ünlü filozof Thales, statik elektrik ile alakalı gözlemler yaparak sürtünmenin, kehribarı manyetik hale getirdiğini düşünüyordu.
Elektrik ve manyetik alanında tarih boyunca yapılan deney ve gözlemlere rağmen elektrik, yüzyıllar boyunca ciddi bir bilimsel çalışmanın konusu olmamıştı.
Ancak 1600’lü yıllara geldiğimizde İngiliz bilim insanı William Gilbert, yazdığı De Magnete isimli kitabında elektrik ve manyetizma ile ilgili yaptığı ciddi çalışmalardan bahsediyordu.
Gilbert bu çalışmalardan birinde, mıknatıs taşının sebep olduğu etkiyi, kehribarı sürterek üretilen statik elektrikten ayırmaktaydı. Böylelikle sürtünmeye uğradıktan sonra küçük cisimleri çekme özelliğini belirten Gilbert, Latince de “kehribar” ya da “kehribar gibi” anlamlarına gelen electricus kelimesini icat etmişti.
Benjamin Franklin ve Ünlü Uçurtma Deneyi
1752 yılında ABD’nin kurucusu olarak bilinen ve aynı zamanda filozof ve bilim insanı olan Benjamin Franklin, elektriğin keşfini tetikleyecek olan ünlü uçurtma deneyini gerçekleştirmişti. Franklin, şimşeklerin çaktığı yağmurlu bir akşamda uçurtmasının ucuna metal bir anahtar ve tepesine de bir tel bağlamıştı.
Yıldırım çaktığı zaman ortaya çıkan elektrik, anahtar ve tel aracılığıyla uçurtma boyunca akmaya başlamıştı. Böylelikle Franklin, gözlemleri sonucu yıldırım gibi bir doğa olayının aslında bir elektrik boşalması olduğunu söylüyordu.
Hatta bu tarihi deneyin gerçekleştirilmesinin ardından gaz lambaları ile aydınlanmaya çalışan insanlar evlerinde elektriği ucuz ve güvenli bir şekilde kullanmanın yollarını arayacaktı. Çünkü gaz lambaları yanıcı ve tehlikeliydi.
Elektriğin doğasını anlamaya yönelik yapılan çalışmalar, teknolojik alanda yavaş yavaş meyvesini vermeye başlıyordu.
Michael Faraday Tarafından Dünyanın İlk Elektrik Motoru
Elektrik ile ilgili yapılan çalışmalar yavaş da olsa bir ilerleme kaydetmeye devam ediyordu. 1831 yılına geldiğimizde Michael Faraday, akımla beslenen bakır bir telin, mıknatıs etrafında döndüğü bir deney tasarlamıştı.
Tel, manyetik alanın varlığı nedeniyle mıknatıs etrafında dönüyordu ve Faraday, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi çok çarpıcı bir biçimde keşfetti. Tel döndükçe mıknatıs üzerinden sürekli akım geçiyordu. Yani manyetik alan bir elektrik akımı üretiyordu.
Günümüzde kullandığımız elektrik motorları ve jeneratörlerin temeli de işte bu keşfe kadar dayanmaktadır.
Ancak bilim insanlarının, elektriğin halen ne olduğu konusunda kesin bir fikirleri yoktu.
Bunun için de elektrik ile ilgili daha kapsamlı araştırmaların yapılması gerekiyordu. Katot tüpü dediğimiz gereç de bu kapsamlı uğraşının sonuçlarından birisiydi.
Katot tüpünde yapılan deneylerle birlikte bilim insanları, katot ışınlarının negatif yüklü elektronlardan oluştuğunu keşfedecekti.
Katot Işınları ve Negatif Elektrik Yükü
1890’lı yıllarda bilim insanları, madde içindeki elektrik akımının taşıyıcısının ne olduğunu anlamak üzere katot ışın tüpleri üzerinde araştırma yapmaya başladılar.
Katot ışın tüpleri, içindeki havanın büyük bir kısmının boşaltıldığı kapalı cam tüplere denir. Tüpün bir ucundaki iki elektroda yüksek bir voltaj uygulanır ve bunun sonucu olarak da negatif yüklü elektrottan (katot denir) pozitif yüklü elektroda (anot denir) bir parçacık ışını akmaya başlar.
Bu ışın akışını inceleyen araştırmacılar, katottan ayrıca bilinmeyen bir enerji formunun da çıktığını fark etmişti. Cam tüpün duvarlarında yeşil bir ışıma gören Alman fizikçi Julius Plücker, bu ışımanın katottan yayıldığına inanıyordu.
Işımanın çıkış yeri katot olduğu için bu enerji formuna da katot ışını ismi verildi.
İngiliz fizikçi ve kimyacı William Crookes, katot ışınlarını incelediği sırada bu ışınların bir manyetik alanın varlığında “saptığını” fark etmişti. Sapma yönü ise bu ışınların aslında negatif yüklü parçacıklar olduğunu söylüyordu.
Crookes’a göre katot ışınları, negatif elektrik yüklü parçacıklardı aslında. Crookes’ın çalışmalarının bir neticesi olarak katot ışınları kapsamlı bir şekilde incelenmeye devam etti ve katot tüplerine “Crookes Tüpleri” denilmeye başlandı.
Sonraki yıllarda bilim insanları, katot ışınlarının, bir elektrik alanının varlığında nasıl etkileneceğine yönelik daha kapsamlı bir deney gerçekleştirecekti. Amaç, katot ışınlarının doğası ile alakalı tam ve net bir fikir elde etmekti.
19.yüzyılın sonunda J.J. Thomson, katot ışın tüpleriyle daha kapsamlı bir deney yapmaya karar vermişti. 1897 yılında yaptığı deneyde Thomson, kullandığı katot tüpünün içine yerleştirdiği, birbirine paralel olan ters yüklere sahip iki levha arasından katot ışınlarını geçirmişti.
Üstteki alüminyum levha negatif yüklü olduğu zaman ışınlar aşağı sapıyor; üstteki levha pozitif yüklü olduğu zaman da yukarı doğru yöneliyordu.
Benzer yükler birbirini ittiği ve ters yükler birbirini çektiği için Thomson, katot ışınların net bir negatif yüke sahip olduğu sonucuna varmıştı.
Thomson ayrıca tüpün her iki tarafında da olacak şekilde iki mıknatıs yerleştirerek manyetik alanın da katot ışınlarının yönünü değiştirip değiştiremediğini gözlemledi. Sonuç tıpkı ilk deneydeki gibiydi. Katot ışınları manyetik alanın varlığında da yön değiştirmişti.
Bunun üzerine Thomson şunları söylüyordu:
Katot ışınlarının, madde parçacıklarıyla taşınan negatif elektrik yüke sahip olduğu sonucunun kaçınılmaz olduğunu görüyorum.
Katot ışınının hem manyetik hem de elektrik alanının varlığında sapma göstermesiyle, bu ışınların negatif yüklü parçacıklar olduğu çok açıktı. Thomson’un bu keşfi, elektriğin temel doğasını ortaya çıkarıyordu. Elektrik taşıyan bu parçacıklara, sonraki yıllarda bilim insanları tarafından elektron ismi verilecekti.
30 Nisan 1897 yılında Thomson, katot ışınlarının parçacık yapılı doğasını gösteren deneysel sonuçlarını sunduğu Kraliyet Enstitüsü’nde bir konuşma gerçekleştirdi. Bu konuşmada Thomson, katot ışınlarını oluşturan elektronların aslında parçacık yapısına sahip olduğunu söylemekteydi.
Ancak ilerleyen yıllarda kuantum fiziği alanında kaydedilen ilerlemelerle birlikte Thomson’un bu öngörüsünün yanlış olduğu ortaya çıkacaktı.
Elektronun, Doğadaki En Hafif Atomdan Bile Daha Hafif Olduğu Ortaya Çıkıyor
Katot ışınlarının elektrik ve manyetik alanlarında sapma miktarlarını ölçen Thomson, bu parçacıkların kütle ve yük oranlarını da hesaplayabilmeyi umuyordu. Böylelikle elektronların temel özelliklerini ortaya koyabilecekti.
Deneyde öncelikle katot ışınlarının bir manyetik alanın varlığında ne kadar saptığını ölçen Thomson, bunun üzerine elektronların ne kadar enerji taşıdıklarını hesaplamaya koyuldu. Bu hesaplamalar da elektronun kütlesinin, elektrik yüküne oranını hesaplayabilmesine imkan verecekti.
Thomson, yaptığı hesaplar sonucu elektronun kütlesinin çok çok küçük, bir hidrojen iyonunun kütlesinin sadece 1836’da 1’i olduğunu keşfetti. Böylelikle maddenin en küçük yapıtaşı unvanını bundan böyle artık elektron taşıyacaktı.
Sonuç:
Thomson’un elektronun doğasına yönelik öngörüleri, meslektaşları tarafından ciddi bir eleştiriyle karşılanmıştı. Elektronun, Thomson’un iddia ettiği gibi parçacıktan ziyade daha farklı bir yapıda olduğu sonraki çalışmalarda ortaya çıkacaktı.
Öyle ki elektron kimi zaman tıpkı bir parçacık gibi kimi zamanda bir dalga gibi davranmaktaydı. Bu kulağa garip gelen fenomeni de açıklayacak teori, 20.yüzyıla damgasını vuracak olan kuantum fiziğinden gelecekti.
