Bir Model ile Atom Düzenlerinin Hesaplanması
Gazlar, sıvılar ve katılarda atomların nasıl hareket ettiğini gösteren mekanik bir model burada geliştirilmiştir. Bir titreşimli platform üzerinde birkaç yüz cam bilyenin birbirini itip kakmasıyla çalışan bu yeni düzenek, araştırmacıların önemli bir bilimsel problemin çözümüne doğru ilerlemesine yardımcı olmaktadır: atomların sıvılardaki hareketi.
David Turnbull ve Robert Cormia tarafından geliştirilen modelde, cam bilyeler atomların yerine geçmektedir. Dışarı yuvarlanmalarını önlemek için çevresi çitle çevrili yuvarlak bir cam plakanın üzerine dökülürler. Yaylardan asılı olan plaka, altına monte edilmiş bir motor tarafından sürekli titreştirilir. Sürekli hareket, bilyelerin atomların davrandığına inanılan şekilde davranmasına yol açar. Bu davranış daha sonra fotoğraflanabilir ve incelenebilir.
Titreşen bir plaka üzerinde çitle çevrili yüzlerce cam bilye, General Electric Araştırma Laboratuvarında atomların rolünü canlandırmaktadır. Bu düzende bilyeler, gerçek atomlarınkine benzer şekilde sürekli rastgele hareket halinde tutulur. Yukarıda, bilyeler bir sıvıdaki atomik davranışı göstermektedir: gevşek biçimde paketlenmişlerdir ve düzenlerinde herhangi bir desen görülmez. Aşağıda ise bir katı oluşmuştur ve bitişik atom grupları arasındaki tane sınırları açıkça görülmektedir.
Yaklaşık 9 inç çapındaki dairesel plaka, altına monte edilmiş bir motor tarafından hareket halinde tutulmaktadır.
“Maddenin özellikleri, çok sayıda atomun etkileşiminden kaynaklanır,” diyor Turnbull.
“Malzeme biliminin uzun vadeli amacı, bu etkileşimleri hesaplamak ve böylece maddenin davranışını öngörmektir. Ancak kesin hesaplamalar son derece zordur ve modeller, bu tür hesaplamaların nasıl basitleştirilebileceğini göstererek yararlı olabilir.
“Şimdiye kadar geliştirilen modellerin çoğu, atomik hareketi göstermemeleri gibi bir eksikliğe sahipti. Mevcut modelin benzersiz özelliği, atomları temsil eden cam bilyelerin, atomların her zaman içinde bulunduğuna inanılan bitmeyen rastgele hareket halinde tutulmasıdır. Gerçek maddede meydana geldiğine inanılan atomik etkileşimlerin dikkate değer bir bölümü bu modelle gösterilmektedir.”
Hareketli plaka üzerine yalnızca birkaç bilye döküldüğünde, “atomlar” bir gazdaki gibi davranır — diğer atomlarla çarpışmalar arasında nispeten uzun mesafeler boyunca hızla hareket eder ve belirli bir düzen oluşturmadan yerleşirler. Daha fazla bilye eklendikçe, atomlar giderek daha kısa mesafeler kat eder; yine de hızlı hareket etmeye devam eder ve herhangi bir desen göstermezler. Bu durum, bir sıvıdaki atomik davranışı temsil eder.
Atom sayısı artmaya devam ettikçe, sonunda bir katı içine “donarlar” — zamanlarının çoğunu belirli bir konumda kısıtlı kalarak geçirirler ve “tane sınırları” olarak bilinen çizgilerle ayrılmış birkaç büyük bölgeden oluşan belirgin bir desen oluştururlar.
Modelin filmleri aracılığıyla, sıkı paketlenmiş atomlardan oluşan büyük alanların nasıl genişlediği ve tane sınırlarını dışarı doğru iterek komşu küçük alanların ortadan kalkmasına nasıl yol açtığı gibi pek çok atomik davranış yönü incelenmektedir.
Modelin bir sakıncası, cam bilyelerin, gerçek atomların yaptığı varsayılan şekilde birbirini çekmemesidir. Ancak katı bir malzemenin içinde bu tür atomik çekimler büyük ölçüde birbirini dengeler.