1870'te Lord Rayleigh, yağ ve su kullanarak moleküllerin boyutunu hesaplayan bir çalışma yaptı
(atomsonly.news)Tek bir molekülün boyutunu tahmin etmek
Benjamin Franklin ve Lord Rayleigh'in yalnızca yağ ve suyla bir molekülün boyutunu nasıl hesapladığı
- X-ışınları keşfedilmeden ve güçlü mikroskoplar icat edilmeden onlarca yıl önce, Lord Rayleigh yalnızca yağ, su ve kalem kullanarak tek bir molekülün boyutunu hesapladı
- İlhamını Benjamin Franklin'den aldı
Franklin'in deneyi
- Franklin, 1770 civarında Londra'yı ziyaret ettiğinde, Atlantik'i geçerken gemilerden denize yağ atıldığında dalgaların sakinleştiğini gözlemledi
- Londra'daki Clapham Common göletinde suya az miktarda yağ dökerek deney yaptı
- Yağın gölet yüzeyine hızla yayıldığını ve suyu pürüzsüz hale getirdiğini doğruladı
- Franklin deneyi birçok kez tekrarlayıp ayrıntılı biçimde kaydetti, ancak bunun moleküler anlamını kavrayamadı
Lord Rayleigh'in yeniden yorumu
- Cambridge Üniversitesi'nden akademisyen ve ünlü bir fizikçi olan Lord Rayleigh, Franklin'in deneyini yeni bir bakış açısıyla yeniden yorumladı
- 1890'da Lord Rayleigh, hassas biçimde ölçtüğü küçük bir miktar zeytinyağını suya damlattı ve yağın yayıldığı alanı ölçtü
- Yağın hacmini alana bölerek yağ filminin kalınlığını tahmin etti
- Yağ filminin tek moleküllük bir katman olduğunu varsayarak, filmin kalınlığını bir molekülün uzunluğu olarak hesapladı
Lord Rayleigh'in sonucu
- Lord Rayleigh'in hesapladığı sonuç yaklaşık 1,63 nanometreydi
- Zeytinyağının ana bileşeni olan triacylglycerol molekülünün gerçek uzunluğu yaklaşık 1,67 nanometredir; Lord Rayleigh'in tahmini yalnızca yaklaşık %2 hata payına sahipti
- Onun deneyi, basit araçlarla bile derin bilimsel içgörüler elde edilebileceğini gösterdi
Ek kaynaklar
- Charles Tanford'un "Ben Franklin Stilled the Waves" adlı kitabı, bu yağ damlası deneyinin tarihini derinlemesine inceliyor
GN⁺ Özeti
- Bu yazı, basit deney araçlarıyla bile önemli bilimsel keşifler yapılabileceğini gösteriyor
- Benjamin Franklin ve Lord Rayleigh'in deneyleri, bilimsel merakın ve yaratıcılığın ne kadar önemli olduğunu vurguluyor
- Bu yazı, bilim tarihi ve deney metodolojisiyle ilgilenen kişiler için faydalı olacaktır
- Benzer işleve sahip diğer projeler arasında "Science Experiments You Can Do At Home" gibi örnekler bulunuyor
1 yorum
Hacker News yorumları
1676'da Rømer, Jüpiter'in uydusu Io'nun yörünge zamanlarını ölçerek ışık hızını tahmin etti.
Dünya Jüpiter'e yaklaşırken Io'nun Jüpiter'in arkasından giderek biraz daha erken çıktığı, uzaklaşırken ise giderek biraz daha geç göründüğü ve bir yıl boyunca zaman farkının 22 dakikaya kadar açıldığı gözlendi.
İki mesafe arasındaki fark bilindiği için ışığın bu mesafeyi 22 dakikada katettiği hesaplandı; sonuç saniyede 227 bin km idi. Gerçek değerin yaklaşık saniyede 300 bin km olduğu düşünülürse oldukça iyi.
Çoğu kişinin gözden kaçırabileceği çok spesifik bir gözlemin evrenin çok daha derin bir özelliğini ortaya çıkardığı hikâyeleri her zaman seviyorum.
Eratosthenes'in gölgelerden Dünya'nın büyüklüğünü birkaç yüzde hata payıyla bulması da iyi bilinen bir örnek.
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Uydu tutulmalarının zamanını kullanmanın bir başka ilginç yönü de Galileo'nun Jüpiter uydu sistemini bir tür kozmik saat gibi kullanarak zamanı, dolayısıyla boylamı belirleme yöntemi önermiş olmasıydı.
Jüpiter'in uydu tutulmalarının zamanları önceden hassas biçimde hesaplanıp karada ya da gemide yapılan gözlemlerle karşılaştırılırsa yerel saat ve boylam bulunabiliyordu.
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
Yalnızca teleskop ve dikkatli zaman ölçümüyle gerçek ışık hızına bu kadar yaklaşılmış olması şaşırtıcı.
Işık hızı o kadar yüksek olduğu için bilinen fiziksel sabitler içinde değeri en hassas olanıdır: 299 792 458 m/s
300.000.000 m/s ile arasındaki fark 7/1000'den küçük, yani hiç dert edilecek bir şey değil.
Işık 1 nanosaniyede 0,3 m, yani 11,802 inç yol alır.
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Millikan ve Fletcher'ın yağ damlası deneyi aklıma geliyor. Bu deney elektronun yükünü ölçmüştü.
Özetle, çok ince püskürtülmüş yağ damlacıklarının havada düşme süreleri ölçülerek hacimleri bulundu ve bilinen bir elektrik alan uygulanarak damlacıklar havada askıda tutuldu.
Hesaplanan molekül başına yükler daha küçük bir değerin katları etrafında kümelendi; bu küçük değer de tek bir elektronun yüküydü.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Önce benzer biçimde bir su damlası deneyi de denenmişti. Niyet aynıydı; tek fark yağ yerine su kullanılmasıydı.
Başarısız olmasının nedeni, damlacıkları görmek için kullanılan parlak lambanın suyu çok hızlı buharlaştırmasıydı. Oldukça anlaşılır bir başarısızlık.
Bu hikâyenin her zaman daha fazla arka planı var.
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Sonucun 2e ya da başka bir kat olmadığından nasıl emin olabiliriz?
Böyle yazıları seviyorum. Bilim eğitiminde yasa ve teoriler çoğu zaman sadece ezberlenmesi gereken şeyler olarak sunuluyor; oysa bunların ilk olarak nasıl keşfedilip çözüldüğü çok daha ilginç ve ilham verici bence.
Bir sürü biyokimyasal yol öğrenmek zorunda kaldığımı hatırlıyorum, ama okuldan bu yolların en başta nasıl ortaya çıkarıldığını neredeyse hiç bilmeden çıktım.
Bilimsel teorilerin ilk nasıl keşfedildiğini anlatan başka yazı ya da kitap önerilerine de açığım.
Fizik eğitimini lisede mi yoksa üniversitede mi aldığını merak ediyorum. ABD'de üniversitede bölümüm gereği yalnızca bir fizik dersi aldım; elektrik mühendisliği için kuantum elektrodinamiğiydi ve hocamız ders kitabını kendisi yazmıştı.
Atom anlayışının temelleri, Newton zamanındaki ışık anlayışı, çift yarık deneyi, Maxwell denklemleri, Michelson-Morley esir deneyi, genel göreliliğin türetilmesi ve deneysel doğrulanması, ardından da genel göreliliğin Newton mekaniği ve elektromanyetizma yasalarına ayrıştırılmasına uzanan akışta her deneyi en temelden ele aldığını hatırlıyorum.
İnsanların bunları ilk ilkelerden yola çıkarak çözmüş olması hâlâ hayranlık verici.
Henüz okumadım ama kütüphanede ayırttığım, Reddit'te birinin önerdiği bir kitap var:
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
Elektron yükünün kuantizasyonunun keşfediliş hikâyesi de ilgi alanına uyabilir: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Üniversitede birkaç yüz voltluk doğru akımla bizzat denemiştim; korkutucuydu ama verileri toplayıp Excel’de analiz ederken sayıların cuk oturduğunu görmek epey eğlenceliydi
John Buckingham’ın Chasing the Molecule kitabını yakın zamanda okudum ve çok keyif aldım
Modern kimyanın tarihini erişilebilir ama yeterince derinlikli biçimde özetliyor
Kimyayı ileriye taşıyan, daha az bilinen kişilerin yanı sıra, iyi bilinen ama yanlış teorilere saplanıp kalarak ilerlemeyi aksatan kişilerin hikâyelerini de iyi anlatıyor
Kitap oldukça kısa olduğu için daha da rahat okunuyor
Sık öğretilen şeyler, sanki vahiy gibi verilmiş, kesin ve nihaiymiş gibi; kökenleri gizemli bir tarzda aktarılıyor. Bilime böyle bir hisle yaklaşmak iyi değil
Bilimin kendisinin mümkün oluşunun bazı inanç maddelerine dayandığı söylenebilse bile, bilimdeki tekil keşifler deneysel kanıt, bu kanıtın yorumu ve yorumlanmış kanıtı kullanan argümantasyon meselesidir
Buna ek olarak, sessizce büyük rol oynayan çalışma varsayımları da var; bence bu kısım yeterince ele alınmıyor
Bu da bilimsel faaliyetin önemli bir bölümünün teorik motivasyondan çok pratik, uygulamalı motivasyonlar ve alışkanlıklar tarafından yönlendirildiği fikrini destekliyor
Kesinlikle doğru. İyi fen öğretmenleri bilimsel keşif hikâyelerinin gücünü anlar
Carl Sagan’ın Cosmos’u ve Richard Feynman’ın bazı olağanüstü dersleri aklıma gelen en unutulmaz örnekler
İyi öğretmenlerin tarihsel ve insani yönleri araya katarak, kuru konularda bile temel bir bakış açısı ve doğal bir hafıza bağı oluşturduğuna eminim
“Rayleigh, yağın hacmini kapladığı alana bölerek yağ filminin kalınlığını tahmin etti. Yağın tek bir molekül tabakası, yani tek moleküllü bir tabaka oluşturduğunu varsayarsak, yağ filminin kalınlığı bir yağ molekülünün uzunluğuna eşittir.
Böylece Lord Rayleigh, kimsenin bu tür molekülleri görebilmesinden çok önce, tek bir molekülün boyutunu bulan ilk kişi oldu.”
İlginç; ama yağın bir molekül kalınlığındaki asgari kalınlığa kadar yayıldığını varsaymak hâlâ epey tahmine dayalı değil miydi?
Yüzey gerilimi nedeniyle daha kalın kalabileceği yönünde bir şüphe yok muydu? Ya da gerçekten tek moleküllü tabaka olduğuna işaret eden başka ipuçları var mıydı?
Hepsi daha aşağıya gitmek ister ve yağın yayılmasına karşı direnç, yağı düzleştirmeye çalışan yerçekimine kıyasla görece çok daha küçük olabilir
Bu etki, tabaka ortalama olarak 1 molekül kalınlığın üstünden altına geçtiğinde değişecektir
Deneysel olarak bu geçiş noktasını belirledikten sonra, yağın hacmini kullanarak molekül tabakasının kalınlığını elde etmiş olması çok muhtemel
Her bir yağ molekülünün dört bir yandan başka yağ molekülleriyle çevrili olduğu zamanki hacminin, üstünde hava altında su bulunan durumdaki hacmiyle aynı olması için bir neden yok
Bunun neden geçerli olduğunu açıklayabilecek biri var mı?
Örneğin bir çay kaşığı yağ 1 m², 2 m², n m² üzerine de yayılabilir; bir noktada film kalınlığı m’den 1’e, sonra da 1’in altına düşecektir
“Yağın tek bir molekül tabakası, yani tek moleküllü bir tabaka oluşturduğunu varsayarsak, yağ filminin kalınlığı bir yağ molekülünün uzunluğuna eşittir.”
O yağ filminin bir molekül kalınlığında olduğunu nasıl biliyordu?
Devasa bir varsayım gibi geliyor, ama bu blog yazısı bir şeyleri atlamış olabilir
Blog yazısı bu noktayı atlamış gibi, ama bağlantı verilen orijinal makale oldukça kısa: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
Rayleigh’in deneyi aslında su üzerinde kâfur parçalarının hareketini durdurmak için gereken asgari yağ kalınlığını bulmaya yönelikti
Açıkça söylemiyor ama parçaların hareketini durduran asgari kalınlığın, yağ hacminin yüzeyi “ucu ucuna” kapladığı durum, yani her yerde 1 molekül kalınlığında olup parçaların suya temas etmediği durum olduğu varsayımı gibi görünüyor
Yüzey gerilimi konusunda biraz daha zekice bir noktaya işaret ediyor gibi, ama o kısmı anlamamın biraz ötesinde
Farklı boyutlarda damlalarla deneyi birkaç kez yaparsanız, yağ tabakasının her zaman yaklaşık aynı kalınlığa sahip olduğunu görürsünüz
Bu, açıklanması gereken ilginç bir gözlem; yağ tabakasının kalınlığının bir molekülün uzunluğu olduğu hipotezi de muhtemelen en doğal ve makul açıklama
Elbette ardından doğrulama aramak gerekir. Tarihsel olarak bunu sonrasında ne doğruladı acaba?
Düşük sürtünmeli bir yüzeyde, örneğin suyun üstündeki ince bir akışkanın yeterince zaman geçince “mümkün olduğunca çok” yayılacağına dair bir sezgi var
Bozucu etkenler olabilir, ama hipotez içindeki bir varsayım olarak koymak makul görünüyor
Bunu ille de “bilmesi” gerekmiyordu; varsayım yapmak sorun değil ve bu varsayım bana o kadar devasa gelmiyor
Evet. Bu deney aslında belirli bir yönden molekül boyutuna bir üst sınır vermeye daha yakın
Yine de çok faydalı bir sonuç
Bilim insanları ilerleyebilmek için sık sık varsayımlar yapmak zorundadır
Ünlü bir örnek olarak Darwin, DNA’nın fiziksel doğası ya da genlerin nasıl değişip örneğin DNA mutasyonlarıyla adaptasyon yarattığı ve canlıları daha uyumlu hâle getirdiği hakkında bir kavrama sahip olmadan da, özelliklerin doğal seçilim yoluyla kalıtıldığını ve bunun evrimin itici gücü olduğunu ortaya koydu
Okulda bilimsel deney tasarımı gibi bir ders olsaydı iyi olurdu diye düşünüyorum.
Antik çağlardan bu yana gelen tarihî ve temsili deneylerin süreçlerini anlatan, öğrencilere sürekli şu tür sorular soran bir ders: “Bu kısıtlar altında Dünya’nın boyutunu tahmin edecek bir deneyi nasıl tasarlar ve yürütürdünüz? Flojiston ve ışık taşıyıcı eteri nasıl çürütürdünüz? Işık hızını nasıl ölçerdiniz?”
Gerçekten kahramanca bir işti ve Michelson bir dahiydi.
Bu yağ/su deneyini birinci sınıf fizik ya da kimya laboratuvarında yapmıştık; aceleye getirilmişti, herkes asgariyle yetinmişti ve öğretmenler de neredeyse hiç açıklama yapmadan bir sonrakine geçmişti.
Bir fizik deneyini düzgün çalıştırmak için ayrıntıları kaydetme konusunda takıntılı olmak ve güçlü bir sezgiye sahip olmak gerekir.
Doğru cevabı bilmediğiniz için, “hipotez yanlış” ile “ekipman çalışmıyor” durumlarını ayırt edebilecek şekilde deney tasarlamanız gerekir.
Örneğin LIGO ilk açıldığında neredeyse hemen harika bir olay yakaladı, ama hemen kutlama partisi düzenlemediler.
Başta makinede bir sorun olduğunu düşünüp bunu göz ardı ettiler; ancak epeyce olay sonrası analiz ve korelasyon kontrolünden sonra bunun gerçek bir olay olduğuna karar verdiler.
Bu başlığın yanlış olduğunu düşünüyorum. Orijinal yazıda “Rayleigh’nin, Franklin’in gözleminden doğrudan esinlenerek 1890’da yaptığı küçük deney ise o kadar iyi bilinmez” deniyor.
Dolayısıyla Rayleigh’nin molekül boyutunu hesaplaması 1870’te değil, 1890’dadır. 1870’te Rayleigh hâlâ gençti ve özgün araştırmalarıyla tanınmıyordu.
Rayleigh’nin molekül boyutunu belirlemek için yeni bir yöntem geliştirdiği doğru, ancak moleküllerin boyutunu ve ağırlığını ilk kez başarıyla belirleyen kişinin 1865’te Johann Josef Loschmidt olduğunu da belirtmek önemli.
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
Loschmidt’in hava moleküllerinin ağırlığını ve boyutunu yayımlaması, fizik tarihindeki en önemli dönüm noktalarından biridir.
1865’ten önce Dalton’ın yeniden canlandırdığı atom teorisi, kimyasal reaksiyonları ve termodinamiğin bazı özelliklerini açıklayan varsayımsal bir model olarak görülebilir; yanlış olma ya da daha iyi bir modelle değiştirilme ihtimali de hâlâ vardı.
O andan itibaren atomlar ve moleküller tartılabilir ve sayılabilir hâle geldi; gerçeklikleri artık şüphe konusu olmaktan çıktı.
Loschmidt’in hava moleküllerinin boyutunu ve ağırlığını belirlemesi tek başına, kimyasal reaksiyonlardan elde edilebilen ve zaten bilinen göreli atom ağırlıkları kullanılarak bilinen diğer atom ve moleküllerin boyut ve ağırlıklarının belirlenmesini mümkün kıldı.
Ayrıca birkaç yıl sonra, 1874’te George Johnstone Stoney, Loschmidt’in sonuçları ile Maxwell’in 1873’te yayımladığı temel yükün varlığına ilişkin teoriyi birlikte kullanarak temel yükün değerini hesapladı.
Daha sonra Stoney bu temel yüke “electron” adını verdi; bu da electronics’ten hadron’a kadar modern bilim ve teknolojideki sayısız kelimenin kökeni oldu.
Üniversitedeki fizik derslerimden birinde bu deneyi yeniden yapmayı denedim.
Epey uğraştırıcıydı ve sonuçlar da özgün deneydeki kadar iyi değildi, ama çok öğretici ve ilginçti.
Ekipman gereksinimleri lisans düzeyi fizik laboratuvarı için gayet makuldü; imkânınız varsa kendiniz yapmayı şiddetle tavsiye ederim.
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Bu alan adının askıya alınma nedeni: Ocak 2014’ten itibaren Namecheap gibi tüm ICANN akreditasyonlu kayıt kuruluşlarının, alan adı kaydeden müşterilerin iletişim bilgilerini, yani Registrant Whois bilgilerini doğrulaması gerekiyordu.
İletişim bilgilerinde yapılan değişiklikler de buna dahildi.