Hikaye
Eğer bir afette bütün bilimsel birikim yok olacak ve sadece bir cümle gelecek kuşaklara aktarılacak olsaydı, hangi cümle en az kelimeyle en fazla bilgiyi içerebilirdi? Bütün maddeler atomlardan meydana gelmiştir.
Yukarıdaki söz, Nobel Fizik Ödülü kazanmış ABD'li Richard Feynman'a (1918-1988) aittir. Atom'un hikayesi bir kaç sayfa açıklamayla geçiştirilecek bir konu değil. Bir nevi fikri olarak da olsa Demokritos tarafından keşif süreci başlayan atom ile ilgili daha ne kadar katedilecek yol olduğu hayallerimizin ötesinde gibi duruyor.
Tarihçe
Antik Yunan'da ilk filozoflar her şeyin değiştiğine dikkat kesildiler ve değişmeyen, her şeyin temeli olan ilk maddeyi aradılar. Bu maddeye arkhe denmektedir. Thaeles'e göre arkhe su iken, Anaksimandros'a göre boşluk (aperion), Anaksimenes'e göre hava, Herakleitos'a göre ateş oldu.
Empedokles ile beraber plüralist akım başladı. Tek bir maddeden bir çok madde ortaya çıkmasının imkansız olduğuna kanaat getirilir. Tek ana madde yerine dört madde düşünür: toprak, su, hava, ateş ve bunların yanında, bunları bir araya getiren ya da ayıran iki kuvvet olan sevgi ve nefret, her seyin temelini teskil eder.
Anaksagoras ise temel öğelerin sonsuz olduğunu iddia etmiştir. O, dünyamızın zengin ve çok sayıda nitelikle dolu olduğu için bir ya da birkaç arkhe ile açıklanamayacağını; dört öğenin -toprak, hava, su, ateş- hiçbir şekilde temel öğe ya da arkhe olmayıp, sonsuz sayıda başka tözlerden (töz: değişmez gerçeklik, kendi kendisinde var olan) meydana gelen karışımlar olduğunu iddia etmiştir. Varlığın ilk ilkeleri olduğunu öne sürdüğü bu sonsuz sayıda tohuma spermata adını verdi.
Demokritos ise atom kavramını net bir şekilde ortaya koymuştur. Maddenin temeli olarak sonsuz sayıda ancak birbirinin çok benzeri atom vardır. Atom değişmezdir, oluşu ve yok oluşu atomların birleşmesi, ayrışması ile açıklamıştır. Atomların içinde hareket edebilecekleri, bir araya gelip ayrışabilecekleri bir boş hacmi de gerekir. Boşluk öyle bir var-olmayandır ki mutlak var olanın yani atomun tam zıttıdır. Hareket olabilmesi için boşluğun da muhakkak bulunması gerekir. Demoktitos'a göre atomların özellikleri şöyledir:
Modern Atom Modelleri
Bitkiler karbondioksit kullanırlar. İnsanlar ve hayvanlar, bitkilerden tükettikleri için onların da vücutlarına karbon geçişi sürekli olmaktadır. Atmosferdeki Karbon-14 ve Karbon-12 oranı neredeyse sabittir, ve bu durum dokular için de geçerlidir. Canlılar öldükten sonra artık karbondioksit kullanımı sona erer. Karbon-14 zamanla radyoaktif bozunmaya uğrar. Bozunma gerçekleştikçe Karbon-14 ve Karbon-12 arasındaki oran değişir. Buradan yaş hesaplanabilir.
İzotopların Kütlesi
Kovalent bağ, iki elementin iyonik bağda olduğu gibi tek bir elektron değil de, bir ya da birkaç çift elektron paylaşmasıyla meydana geliyor. Bu yüzden dış yörüngesini doldurmak için farklı sayıda elektron alma ya da verme ihtiyacındaki elementlerden ziyade benzer eğilimde olan, yani benzer elektronegatifliğe sahip elementler (Örneğin H2O) arasında gerçekleşiyor.
Örneğin iki oksijen atomu kovalent bağ oluşturacak şekilde bir araya geldiğinde, her ikisinin de en dış yörüngelerinde sahip oldukları altı elektronun yanında diğerinden gelecek iki elektronun da bulunabilme olasılığı doğuyor.
Metalik Bağlar
Bir atomun en dış yörüngesinde dörtten daha az sayıda elektron bulunuyorsa, diğer atomlarla bir ya da birkaç çift elektron paylaşarak en dış yörüngeyi sekize tamamlaması mümkün olmuyor çünkü o kadar çok atomu çevresine sığdıramıyor. Bu durumda atomlar bir araya geldiklerinde sahip oldukları bütün dış yörünge elektronlarını ortak bir elektron bulutuna bırakıyor. Elektronlar artık herhangi bir atoma ait olmaktan çıkıp, aynı anda bütün atomlara ait hale geliyorlar.
Kovalent ve iyonik bağa kıyasla daha zayıf bir etkileşim ortaya çıkıyor ve metalik malzemelerin diğer malzemelere kıyasla daha kolay şekil kazanabilmelerine de olanak sağlıyor.
Van der Waals Bağları
Bu bağ türünün kökeninde atom çekirdeği etrafında gezinen elektronların çekirdek çevresinde düzensiz dağılıyor olmaları yatıyor. Eğer herhangi bir an diliminde elektronların atom çekirdeğinin belli bir tarafında toplandıklarını farz edersek, bu ufak an dilimi için atomun bir tarafının eksi, diğer tarafınınsa artı yüke sahipmiş gibi davranacağını, yani bir anlamda kutuplaşacağını düşünebiliriz. Bu şekilde kutuplaşan atomlar benzer şekilde kutuplaşan diğer atomlarla anlık elektrostatik etkileşimlere girerek kısa süreli bir çekim kuvveti ortaya çıkmasını sağlayabiliyorlar. Bu etkileşim her ne kadar ufak bir an için var olup ardından yok olsa da, birçok atomun var olduğu bir ortamda atomları bir arada tutmak için yeterli oluyor. Van der Waals bağının yarattığı çekim diğer bağlara kıyasla son derece zayıf kalıyor.
Çekirdek
Çekirdekler çok farklı şekillerde olabilirler. Top, frizbi, armut hatta muz şeklinde çekirdekler olduğu bilinmektedir. Bu farklı şekillerin sebebi de fiziğin en temeli olan en düşük enerjiyi arama prensibi olduğunu söyleyebiliriz. O halde çekirdeklere şeklini proton ve nötronların yapıları verir. Protonlar her atomda aynıdır ama her atomun çekirdeğindeki proton sayısına göre atomlar farklı elementler olarak işlevselleşirler. Çok yanıcı olan hidrojende 1 proton varken tam pasif olan Helyum'da 2, suyla temas edince patlayan Lityum'da 3 proton vardır. Bunlar atomların nötr durumdaki davranışlarıdır.
Proton sayısını arttırmak?
Eğer bir afette bütün bilimsel birikim yok olacak ve sadece bir cümle gelecek kuşaklara aktarılacak olsaydı, hangi cümle en az kelimeyle en fazla bilgiyi içerebilirdi? Bütün maddeler atomlardan meydana gelmiştir.
Yukarıdaki söz, Nobel Fizik Ödülü kazanmış ABD'li Richard Feynman'a (1918-1988) aittir. Atom'un hikayesi bir kaç sayfa açıklamayla geçiştirilecek bir konu değil. Bir nevi fikri olarak da olsa Demokritos tarafından keşif süreci başlayan atom ile ilgili daha ne kadar katedilecek yol olduğu hayallerimizin ötesinde gibi duruyor.
Tarihçe
Antik Yunan'da ilk filozoflar her şeyin değiştiğine dikkat kesildiler ve değişmeyen, her şeyin temeli olan ilk maddeyi aradılar. Bu maddeye arkhe denmektedir. Thaeles'e göre arkhe su iken, Anaksimandros'a göre boşluk (aperion), Anaksimenes'e göre hava, Herakleitos'a göre ateş oldu.
Empedokles ile beraber plüralist akım başladı. Tek bir maddeden bir çok madde ortaya çıkmasının imkansız olduğuna kanaat getirilir. Tek ana madde yerine dört madde düşünür: toprak, su, hava, ateş ve bunların yanında, bunları bir araya getiren ya da ayıran iki kuvvet olan sevgi ve nefret, her seyin temelini teskil eder.
Anaksagoras ise temel öğelerin sonsuz olduğunu iddia etmiştir. O, dünyamızın zengin ve çok sayıda nitelikle dolu olduğu için bir ya da birkaç arkhe ile açıklanamayacağını; dört öğenin -toprak, hava, su, ateş- hiçbir şekilde temel öğe ya da arkhe olmayıp, sonsuz sayıda başka tözlerden (töz: değişmez gerçeklik, kendi kendisinde var olan) meydana gelen karışımlar olduğunu iddia etmiştir. Varlığın ilk ilkeleri olduğunu öne sürdüğü bu sonsuz sayıda tohuma spermata adını verdi.
Demokritos ise atom kavramını net bir şekilde ortaya koymuştur. Maddenin temeli olarak sonsuz sayıda ancak birbirinin çok benzeri atom vardır. Atom değişmezdir, oluşu ve yok oluşu atomların birleşmesi, ayrışması ile açıklamıştır. Atomların içinde hareket edebilecekleri, bir araya gelip ayrışabilecekleri bir boş hacmi de gerekir. Boşluk öyle bir var-olmayandır ki mutlak var olanın yani atomun tam zıttıdır. Hareket olabilmesi için boşluğun da muhakkak bulunması gerekir. Demoktitos'a göre atomların özellikleri şöyledir:
- Ezeli ve ebedi gerçekliklerdir. Evrenin yapı taşlarıdır.
- Atomlar mutlak katıdır ve bu sebepten değişikliğe maruz değillerdir. Atomlar kendi içlerinde homojendirler. İçlerinde hiç boşluk yoktur.
- Atomlar kavramsal olarak da, fiziksel olarak da bölünemezler.
- Hareket atomun kendi içinde meydana gelemez. Sadece atom bir bütün halde konum değiştirebilir.
- Atomlar için nitelikden bahsedilemez. Kendi içlerinde, sıcak-soğuk, kuru-ıslak gibi kavramlar olamaz.
- Her atomun kendine has şekil ve büyüklüğü vardır. Bazıları küre, bazıları küp şeklinde olduğu gibi, bazıları gözenekli, bazıları çengelli vb. olabilirler. Nesnelerin çeşitliği de bu şekilde sağlanır.
Modern Atom Modelleri
John Dalton (1766-1844) 2000 yıl sonra tekrar atomu varlığın merkezine koyan bilim adamı olarak bilinir. Onun atomu aynı bir bilardo topu gibi çok sert parçalanamaz bir yapıdaydı. Kimyasal tepkimelerdeki kütlenin korunumu ve tepkimeye giren elementlerin sabit kütle oranlarının varlığını çalışmalarında başarılı bir şekilde göstermiştir. Ayrıca bu sonuçların ancak atom kavramıyla açıklanabileceğini göstermiştir.
J.J.Thomson'un atomu ise daha çok bir üzümlü keke benziyordu. Atomun içinde tıpkı kekin içindeki üzümler gibi elektron denilen parçacıkların gelişigüzel dağıldığını iddia ediyordu.
Rutherford "altın folyo deneyi" yaptı. +2 yüklü Helyum çekirdeğini (alfa parçacığı) altın folyoya fırlatır. Thomson modeline göre parçacıkların herhangi bir sapma göstermeden florasan ekrana çarpmaları gerekir. Ancak gerçekte bazı parçacıklar farklı yönlere saçılır. Bu da merkezde güçlü bir elektrostatik kuvvetin olduğunu gösterir. Bu kuvvet de son derece küçük bir hacme hapsolmuş durumdadır. Çoğu parçacık ise ya düz ya da çok az kırılmalarla ekrana çarpmıştır. Bu da merkezler arasında büyük boşluklar olduğunu ve bu sebeple kuvvetin etkisinin kısıtlı kaldığını gösterir. Öyleyse:
Yukarıdaki şekilde bazı parçacıkların hiç etkileşime girmeden folyonun içinden geçtiği, bazılarını biraz saparak geçtiği, bazılarının ise farklı yönlere sektiği gösterilmiştir.
Rutherford’un modelinin büyük bir sorunu vardır. Elektronlar (-) yüklü, protonlar (+) yüklü olduğuna göre çekim kuvveti ile elektronlar atoma bağlanmış durumdadırlar. Gerçekten de elektronlar normal şartlarda atomu terk etmezler. O halde elektron bu çekim kuvveti sonucu neden çekirdeğe yapışmaz ve kabul ettiğimiz manada atomun sonunu getirmez? Bu sorunun cevabı ancak Kuantum Fiziği ile anlaşılabilmiştir. Benzer şekilde aynı yüklü protonlar çekirdekte birbirlerini iteceklerdir fakat bir şekilde kopmayacaklardır.
Bir çok kişi şu anda kabul edilen Kuantum Fiziği ile açıklanabilen kurama ulaşıncaya kadar çeşitli önemli katkılarda bulundu: Avagadro, Van der Waals, Bernoulli, Maxwell, Boltzman, Planck, Einstein, Roentgen, Curie, Rutherford, Bohr, Heisenberg, Schrödinger...
Bohr, Heisenberg ve Schrödinger, atom modelini kabul edilen şu anki haline getirdiler. Elektronlar atom çekirdeği etrafında çeşitli enerji seviyelerinde bulunmaktadırlar ancak hızları ve konumlarıyla ilgili kesin bir şey söylenemez.
Unutmayalım ki Kuantum Kuramı atomu bildiğimiz şekillerde tanımlamayı ve görselleştirmeyi imkansız kılar.
Örneğin karbonun atom numarası 6’dır. Karbon-12, Karbon-13, Karbon-14 dendiğinde sırasıyla kütle numarası 12, 13, 14 olan, nötron sayısı 6, 7, 8 olan, karbon izotoplarını kastetmiş oluruz. İzotopların kimyasal özellikleri neredeyse aynıdır ama nükleer özellikleri farklı olabilir. C-12 ile C-13 kararlıyken, C-14 radyoaktiftir.
 |
| Dalton Modeli'ne göre kütle oranları |
J.J.Thomson'un atomu ise daha çok bir üzümlü keke benziyordu. Atomun içinde tıpkı kekin içindeki üzümler gibi elektron denilen parçacıkların gelişigüzel dağıldığını iddia ediyordu.
 |
| Dalton ve Thomson Modelleri |
 |
| Üzümlü kek |
Rutherford "altın folyo deneyi" yaptı. +2 yüklü Helyum çekirdeğini (alfa parçacığı) altın folyoya fırlatır. Thomson modeline göre parçacıkların herhangi bir sapma göstermeden florasan ekrana çarpmaları gerekir. Ancak gerçekte bazı parçacıklar farklı yönlere saçılır. Bu da merkezde güçlü bir elektrostatik kuvvetin olduğunu gösterir. Bu kuvvet de son derece küçük bir hacme hapsolmuş durumdadır. Çoğu parçacık ise ya düz ya da çok az kırılmalarla ekrana çarpmıştır. Bu da merkezler arasında büyük boşluklar olduğunu ve bu sebeple kuvvetin etkisinin kısıtlı kaldığını gösterir. Öyleyse:
- Atomda büyük boşluklar vardır. Işınların küçük bir kısmının kırıldığı ve çok küçük bir kısmının da yansıdığı görülmüştür. Pozitif yükler çekirdek adı verilen küçük bir hacimde toplanmıştır.
- Atom kütlesinin de çoğu çekirdekte toplanmıştır.
- Atomda pozitif yüklü tanecikler kadar elektron, çekirdeğin etrafında bulunur ve atom hacminin büyük bir bölümünü elektronlar kaplar.
 |
| Altın Folyo Deneyi'nin görselleştirilmesi ve Rutherford Atom Modeli |
Rutherford’un modelinin büyük bir sorunu vardır. Elektronlar (-) yüklü, protonlar (+) yüklü olduğuna göre çekim kuvveti ile elektronlar atoma bağlanmış durumdadırlar. Gerçekten de elektronlar normal şartlarda atomu terk etmezler. O halde elektron bu çekim kuvveti sonucu neden çekirdeğe yapışmaz ve kabul ettiğimiz manada atomun sonunu getirmez? Bu sorunun cevabı ancak Kuantum Fiziği ile anlaşılabilmiştir. Benzer şekilde aynı yüklü protonlar çekirdekte birbirlerini iteceklerdir fakat bir şekilde kopmayacaklardır.
Bir çok kişi şu anda kabul edilen Kuantum Fiziği ile açıklanabilen kurama ulaşıncaya kadar çeşitli önemli katkılarda bulundu: Avagadro, Van der Waals, Bernoulli, Maxwell, Boltzman, Planck, Einstein, Roentgen, Curie, Rutherford, Bohr, Heisenberg, Schrödinger...
Unutmayalım ki Kuantum Kuramı atomu bildiğimiz şekillerde tanımlamayı ve görselleştirmeyi imkansız kılar.
Atom'un Büyüklüğü (Daha Doğrusu Küçüklüğü)
En basit örnek olarak bir tuz tanesinde (0.3x0.3x0.3 mm'lik bir küp) kaç tane atom olduğunu düşünürsek, karşılaşacağımız sayı (1.000.000.000.000.000=10^15) bizim için pek bir anlam ifade etmeyecektir. Eğer saniyede bir tane olacak şekilde sayabilirsek ömrümüzün sonunda 1/500.000.000'unu saymayı bitirmiş olacağız. Diğer bir deyişle, her saniye 500 milyon tane sayabilirsek ömrümüzün sonunda 1 tuz tanesindeki atomları sayabilmiş olabiliriz.
100 milyon tane atomu bir kağıt üzerine yan yana dizersek ortalama 1-2 cm'lik bir çizgi elde edebiliriz. Bu çizgi de görebileceğimizden misli misli ince olacaktır.
2 cm3'lük bir kesmeşekerde yaklaşık 2.5x10^23 adet atom bulunur. Eğer atomlar çok daha büyük yani bir kum tanesi kadar olsaydı ve bu kadar atomla dünyayı kaplasaydık ne olurdu? Karalar ve denizler dahil olmak üzere, atomlar arası hiç boşluk kalmayacağını varsayarak tüm dünya yüzeyini 50 cm'lik kum tabakasıyla kaplayabilirdik.
Çekirdek ve Elektronlar Arasındaki Mesafe
Örneğin 1 proton'lu 1 elektronlu hidrojen atomunu ele alırsak, kalemin ucuyla oluşturduğumuz 0.5 mm'lik noktayı çekirdek kabul edersek, elektronun bulunabileceği en uzak yer bu noktadan 50 m uzaktadır. Bunu bilgisayar ekranında görselleştiremeyiz. (Çekirdek bir portakal olsa elektronun bulunabileceği en uzak mesafe 10 km ötededir. bu durumda elektron 0.001 mm ebatında olacaktır.
Atomdaki bu boşluğun ne kadar büyük bir boşluk olduğunu anlamak için bir misal verelim. 75 kg'lık bir insanı öyle güçlü sıkıştırsak ve parçacıklar arasındaki mesafeyi ortadan kaldırsak, bir toz zerreciği kadar ufalmış olurdu. Tabiki 75 kg'lık bir toz zerreciği... Aynı şeyi Ayasofya'ya yapsak birkaç yüz bin tonluk bir çakıl taşı elde ederiz
Maddeyi Oluşturan Temel Parçacıklar
Atom bir çekirdekten ve bu çekirdek etrafında çeşitli enerji seviyelerinde (enerji seviyesi konusuna daha sonra değinmek gerekecek) bulunan (-) yüklü elektronlardan oluşur. Şu anki bilgimize göre elektronlar daha küçük bir parçacığa bölünemez. Bu sebepten temel parçacıklardan biri olarak kabul edilirler. Çekirdekte (+) yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar olduğunu biliyoruz. Ancak bunların daha alt bileşenleri vardır: u-kuark ve d-kuark. u-u-d kuarklarının birleşmesiyle proton, u-d-d kuarklarının birleşmesiyle nötron meydana gelir.
Daha bir çok atom altı parçacık bulunmaktadır. Buna başka bir yazıda değinmeye çalışacağız.
Hacimler ve Kütleler
Yukarıdakinden anlaşılacağı gibi çekirdek ile elektron arasında inanılmaz bir boş hacim vardır. Çekirdeğin hacmi atomun hacminin 1/1 katrilyonu (=1/1.000.000.000.000.000=1milyon kere 1 milyar) kadardır. Hidrojen atomunun kütlesinin %99.95'i çekirdeğindedir. 1 proton kütlesi 1.637*10^(-27) kg'dır. Elektronun kütlesi bunun yaklaşık iki binde biri kadardır.
Temas
Bu kadar büyük boşlukları olan atomlardan meydana gelmiş bir cisme dokunmaya kalktığımızda en dışta olan elektronlar birbirleriyle temas edecektir. Elektronlar aynı yüklü olduğu için birbirlerini iterler. Karşılıklı bu itme cisimlerin sıkıştırılmasını sağlar. Bizim hissettiğimiz de bu itme kuvvetidir. Aslında gerçek manada bir temas gerçekleşmez.
Atom numarası, kütle numarası
Bir elementin proton sayısına o elementi atom numarası denir. Çekirdekteki proton sayısı ile nötron sayısı toplamına kütle numarası denir. Aynı elementin farklı kütle numaralı atomları olabilir. Bunlar aynı atomun izotoplarıdır. Periyodik tablo atom numarasina göre düzenlenmiştir.
Periyodik Tablo
Mucidi Rus Dimitri Mendeleyev’dir. 1869'da Mendeleyev, tabloyu, atomların artan atom ağırlıklarına göre sıralandıklarında, belli özelliklerin tekrarlanıyor olmasından oluşturmuştur.
Satırlara periyot denir. Soldan sağa gidildikçe elektron ilgisi yani elektronun sağlam bağ kurma yeteneği artar. Soygazlar (8A) bundan bağımsızdır. Elektron ilgileri sıfırdır.
En basit örnek olarak bir tuz tanesinde (0.3x0.3x0.3 mm'lik bir küp) kaç tane atom olduğunu düşünürsek, karşılaşacağımız sayı (1.000.000.000.000.000=10^15) bizim için pek bir anlam ifade etmeyecektir. Eğer saniyede bir tane olacak şekilde sayabilirsek ömrümüzün sonunda 1/500.000.000'unu saymayı bitirmiş olacağız. Diğer bir deyişle, her saniye 500 milyon tane sayabilirsek ömrümüzün sonunda 1 tuz tanesindeki atomları sayabilmiş olabiliriz.
100 milyon tane atomu bir kağıt üzerine yan yana dizersek ortalama 1-2 cm'lik bir çizgi elde edebiliriz. Bu çizgi de görebileceğimizden misli misli ince olacaktır.
2 cm3'lük bir kesmeşekerde yaklaşık 2.5x10^23 adet atom bulunur. Eğer atomlar çok daha büyük yani bir kum tanesi kadar olsaydı ve bu kadar atomla dünyayı kaplasaydık ne olurdu? Karalar ve denizler dahil olmak üzere, atomlar arası hiç boşluk kalmayacağını varsayarak tüm dünya yüzeyini 50 cm'lik kum tabakasıyla kaplayabilirdik.
Çekirdek ve Elektronlar Arasındaki Mesafe
Örneğin 1 proton'lu 1 elektronlu hidrojen atomunu ele alırsak, kalemin ucuyla oluşturduğumuz 0.5 mm'lik noktayı çekirdek kabul edersek, elektronun bulunabileceği en uzak yer bu noktadan 50 m uzaktadır. Bunu bilgisayar ekranında görselleştiremeyiz. (Çekirdek bir portakal olsa elektronun bulunabileceği en uzak mesafe 10 km ötededir. bu durumda elektron 0.001 mm ebatında olacaktır.
Atomdaki bu boşluğun ne kadar büyük bir boşluk olduğunu anlamak için bir misal verelim. 75 kg'lık bir insanı öyle güçlü sıkıştırsak ve parçacıklar arasındaki mesafeyi ortadan kaldırsak, bir toz zerreciği kadar ufalmış olurdu. Tabiki 75 kg'lık bir toz zerreciği... Aynı şeyi Ayasofya'ya yapsak birkaç yüz bin tonluk bir çakıl taşı elde ederiz
Maddeyi Oluşturan Temel Parçacıklar
Atom bir çekirdekten ve bu çekirdek etrafında çeşitli enerji seviyelerinde (enerji seviyesi konusuna daha sonra değinmek gerekecek) bulunan (-) yüklü elektronlardan oluşur. Şu anki bilgimize göre elektronlar daha küçük bir parçacığa bölünemez. Bu sebepten temel parçacıklardan biri olarak kabul edilirler. Çekirdekte (+) yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar olduğunu biliyoruz. Ancak bunların daha alt bileşenleri vardır: u-kuark ve d-kuark. u-u-d kuarklarının birleşmesiyle proton, u-d-d kuarklarının birleşmesiyle nötron meydana gelir.
Daha bir çok atom altı parçacık bulunmaktadır. Buna başka bir yazıda değinmeye çalışacağız.
Hacimler ve Kütleler
Yukarıdakinden anlaşılacağı gibi çekirdek ile elektron arasında inanılmaz bir boş hacim vardır. Çekirdeğin hacmi atomun hacminin 1/1 katrilyonu (=1/1.000.000.000.000.000=1milyon kere 1 milyar) kadardır. Hidrojen atomunun kütlesinin %99.95'i çekirdeğindedir. 1 proton kütlesi 1.637*10^(-27) kg'dır. Elektronun kütlesi bunun yaklaşık iki binde biri kadardır.
Temas
Bu kadar büyük boşlukları olan atomlardan meydana gelmiş bir cisme dokunmaya kalktığımızda en dışta olan elektronlar birbirleriyle temas edecektir. Elektronlar aynı yüklü olduğu için birbirlerini iterler. Karşılıklı bu itme cisimlerin sıkıştırılmasını sağlar. Bizim hissettiğimiz de bu itme kuvvetidir. Aslında gerçek manada bir temas gerçekleşmez.
Atom numarası, kütle numarası
Bir elementin proton sayısına o elementi atom numarası denir. Çekirdekteki proton sayısı ile nötron sayısı toplamına kütle numarası denir. Aynı elementin farklı kütle numaralı atomları olabilir. Bunlar aynı atomun izotoplarıdır. Periyodik tablo atom numarasina göre düzenlenmiştir.
Periyodik Tablo
Mucidi Rus Dimitri Mendeleyev’dir. 1869'da Mendeleyev, tabloyu, atomların artan atom ağırlıklarına göre sıralandıklarında, belli özelliklerin tekrarlanıyor olmasından oluşturmuştur.
 |
| Mendeleyev'in İlk Periyodik Tablosu. Boş yerler henüz keşfedilmemiş elementleri gösteriyor. |
Satırlara periyot denir. Soldan sağa gidildikçe elektron ilgisi yani elektronun sağlam bağ kurma yeteneği artar. Soygazlar (8A) bundan bağımsızdır. Elektron ilgileri sıfırdır.
Sütunlara grup denir. Aynı gruptakilerin valans elektronları yani en dış kabuktaki (valans yörüngesi) elektronlar, aynı elektron konfigürasyonuna sahiptirler.
Alkali Metaller: Valans elektronlarını kaybedip +1 yüklü hale geçmeye hazıdırlar. Suyla tepkimeye girerler. Suda çözüldükleri zaman bazik özellik gösterdiklerinden alkali metal ismini almışlardır. Örneğin: Lityum (Li) ve Sodyum (Na).
 |
| Güncel Periyodik Tablo |
Alkali Metaller: Valans elektronlarını kaybedip +1 yüklü hale geçmeye hazıdırlar. Suyla tepkimeye girerler. Suda çözüldükleri zaman bazik özellik gösterdiklerinden alkali metal ismini almışlardır. Örneğin: Lityum (Li) ve Sodyum (Na).
Toprak Alkali Metaller: Alkali metallere göre tepkimeye girme eğilimleri daha azdır. Örneğin: Magnezyum (Mg) ve Kalsiyum (Ca).
Reaktif Ametaller: Ametallerin tepkimeye girebilen türüdür. Örneğin: Karbon (C), Azot (N), Oksijen (O), Fosfor (P), Kükürt (S), Klor (Cl).
Soygazlar: Reaktiflikleri çok düşük gazlardır. Örneğin: Helyum (He) ve Neon (Ne).
Ara Bilgi - Dört Temel Kuvvet
İzotop
Ara Bilgi - Dört Temel Kuvvet
- Yerçekimi Kuvveti
- Elektromanyetik Kuvvet
- Zayıf Nükleer Etkileşim: Radyoaktif bozunmalardan olan beta bozunumu gibi durumlardan sorumludur. Kısacası birçok parçacığın ve birtakım atom çekirdeğinin kararsızlığından sorumludur. Etki mesafesi epey kısadır (10^(-18) m). Bu etkileşimin prensibi nötronun protona dönüşümüdür.
- Güçlü (nükleer) kuvvet ya da güçlü etkileşim: Çekirdeği bir bütün halinde tutan etkileşimdir. Çok güçlü olmasına karşın mesafesi oldukça kısadır (10^(-15) m). Proton ile proton arasında veya proton ile nötron arasında olmaktadır.
İzotop
Örneğin karbonun atom numarası 6’dır. Karbon-12, Karbon-13, Karbon-14 dendiğinde sırasıyla kütle numarası 12, 13, 14 olan, nötron sayısı 6, 7, 8 olan, karbon izotoplarını kastetmiş oluruz. İzotopların kimyasal özellikleri neredeyse aynıdır ama nükleer özellikleri farklı olabilir. C-12 ile C-13 kararlıyken, C-14 radyoaktiftir.
Aslında çekirdek tıpkı elementlerin atom numaralarına göre adlandırılması gibi çekirdek yapılarına yani nötron ve proton sayılarına göre adlandırılırlar. Bunlara nüklit (nuclide) denir. Bu şekilde yaklaşık 339 tane doğal, 3.339 tane yapay nüklit vardır.
Kalsiyum-40 proton ve nötron sayısı aynı olan en büyük kütle numaralı kararlı izotop.
Yarılanma süresi, bir radyoaktif izotopun miktarının bozunma sonucu yarıya inmesi için gereken zamandır. Yarılanma süresinin büyük olması izotopun kararlı küçük olması radyoaktif olduğunu gösterir. Nötronların burada iki temel stabilizasyon görevi vardır. Varlıkları protonları biraz da olsa birbirlerinden ayırarak elektromanyetik itme kuvvetini azaltır. Güçlü nükleer kuvveti arttırır. Çekirdekteki protonlar birbirini itmesine rağmen güçlü kuvvetin artmasını sağladıkları için protonlar ve nötronlar bir arada kalabilir.
Nötron sayısının artması küçük atom numaralı elementlerde radyoaktif özelliğe sebebiyet verebilirken (örneğin Karbon-12 kararlıyken Karbon-14 radyoaktiftir), yüksek atom numaralarında kararlılık sağlar (örneğin Uranyum-238 kararlıyken Uranyum-235 radyoaktiftir.).
 |
| Bazi Elementlerin Yarılanma Süreleri |
Tarihlendirme
Bitkiler karbondioksit kullanırlar. İnsanlar ve hayvanlar, bitkilerden tükettikleri için onların da vücutlarına karbon geçişi sürekli olmaktadır. Atmosferdeki Karbon-14 ve Karbon-12 oranı neredeyse sabittir, ve bu durum dokular için de geçerlidir. Canlılar öldükten sonra artık karbondioksit kullanımı sona erer. Karbon-14 zamanla radyoaktif bozunmaya uğrar. Bozunma gerçekleştikçe Karbon-14 ve Karbon-12 arasındaki oran değişir. Buradan yaş hesaplanabilir.
İzotopların Kütlesi
 |
| Hidrojen'in Farklı İzotopları |
Eğer elementlerin nötron sayıları değişiklik gösterebiliyorsa biz nasıl oluyor da aynı maddeler için hep aynı özgül ağırlığı kulllanıyoruz?
Elementin atom kütlesi = (1. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + 2. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + 3. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + ...)/100 şeklinde hesaplanır.
Maddelerin çeşitliliği
Elektron ve proton sayısı eşit olan yüksüz (nötr) bir atom, elektron kaybederse (+), kazanırsa (-) yüklü olur ve iyon adını alır. Atomların birbirine bağlanabilmesi elektron alışverişi ve paylaşımı sonucunda olur. Aksi takdirde atomların sayısı yüzü bile bulmadığından çok kısıtlı sayıda madde var olabilirdi. Burada önemli bir husus genel olarak bu elektron sayısı değişimlerinin dünya şartlarında kolayca sağlanabilecek düzeyde olmasıdır. Örneğin bir ataçın kıyafetimize kısa bir süre sürtünmesi sonucu elektronlarının bir kısmını kaybetmesi ve bu elektronları geri kazanana kadar kağıtlara yapışabilmesi, çok düşük bir enerji ile elektron alışverişi sağlayabildiğimizin göstergesidir. Yine de en çarpıcı örnek fotosentez tepkimeleri olarak gösterilebilir. Güneşten gelen foton halindeki ışık enerjisi son derece karmaşık fotosentez tepkimeleri için gerekli enerjiyi sağlayabilmektedir.
İyonik Bağlar
Örneğin iki elementten birinin en dış yörüngesinde bir elektron (mesela Na), diğerinin de yedi elektron olsun (mesela Cl). Eğer Na atomu en dış yörüngesindeki tek elektronu Cl atomuna verebilirse, her iki atom da en dış yörüngesinde sekiz elektrona sahip olur. Böylece her iki element de soygaza benzeyip kararlı duruma geçebiliyor. Bu paylaşım sonrasında Na bir elektronunu kaybettiği için +1 elektrik yükü kazanırken, Cl da aldığı fazladan elektron sebebiyle -1 elektrik yüküne sahip oluyor, zıt elektrik yüklerine sahip iyonlara dönüşüyorlar. Bu dönüşüm sonucunda iki iyon arasında ortaya çıkan elektrostatik çekim kuvveti iki atomu birbirine bağlayarak sofra tuzu olarak kullandığımız NaCl bileşiğinin oluşmasını sağlıyor.
Elementin atom kütlesi = (1. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + 2. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + 3. İzotop'un kütlesi x İzotop'un doğada bulunma yüzdesi + ...)/100 şeklinde hesaplanır.
Maddelerin çeşitliliği
Elektron ve proton sayısı eşit olan yüksüz (nötr) bir atom, elektron kaybederse (+), kazanırsa (-) yüklü olur ve iyon adını alır. Atomların birbirine bağlanabilmesi elektron alışverişi ve paylaşımı sonucunda olur. Aksi takdirde atomların sayısı yüzü bile bulmadığından çok kısıtlı sayıda madde var olabilirdi. Burada önemli bir husus genel olarak bu elektron sayısı değişimlerinin dünya şartlarında kolayca sağlanabilecek düzeyde olmasıdır. Örneğin bir ataçın kıyafetimize kısa bir süre sürtünmesi sonucu elektronlarının bir kısmını kaybetmesi ve bu elektronları geri kazanana kadar kağıtlara yapışabilmesi, çok düşük bir enerji ile elektron alışverişi sağlayabildiğimizin göstergesidir. Yine de en çarpıcı örnek fotosentez tepkimeleri olarak gösterilebilir. Güneşten gelen foton halindeki ışık enerjisi son derece karmaşık fotosentez tepkimeleri için gerekli enerjiyi sağlayabilmektedir.
İyonik Bağlar
Örneğin iki elementten birinin en dış yörüngesinde bir elektron (mesela Na), diğerinin de yedi elektron olsun (mesela Cl). Eğer Na atomu en dış yörüngesindeki tek elektronu Cl atomuna verebilirse, her iki atom da en dış yörüngesinde sekiz elektrona sahip olur. Böylece her iki element de soygaza benzeyip kararlı duruma geçebiliyor. Bu paylaşım sonrasında Na bir elektronunu kaybettiği için +1 elektrik yükü kazanırken, Cl da aldığı fazladan elektron sebebiyle -1 elektrik yüküne sahip oluyor, zıt elektrik yüklerine sahip iyonlara dönüşüyorlar. Bu dönüşüm sonucunda iki iyon arasında ortaya çıkan elektrostatik çekim kuvveti iki atomu birbirine bağlayarak sofra tuzu olarak kullandığımız NaCl bileşiğinin oluşmasını sağlıyor.
Kovalent Bağlar
Kovalent bağ, iki elementin iyonik bağda olduğu gibi tek bir elektron değil de, bir ya da birkaç çift elektron paylaşmasıyla meydana geliyor. Bu yüzden dış yörüngesini doldurmak için farklı sayıda elektron alma ya da verme ihtiyacındaki elementlerden ziyade benzer eğilimde olan, yani benzer elektronegatifliğe sahip elementler (Örneğin H2O) arasında gerçekleşiyor.
Örneğin iki oksijen atomu kovalent bağ oluşturacak şekilde bir araya geldiğinde, her ikisinin de en dış yörüngelerinde sahip oldukları altı elektronun yanında diğerinden gelecek iki elektronun da bulunabilme olasılığı doğuyor.
Metalik Bağlar
Bir atomun en dış yörüngesinde dörtten daha az sayıda elektron bulunuyorsa, diğer atomlarla bir ya da birkaç çift elektron paylaşarak en dış yörüngeyi sekize tamamlaması mümkün olmuyor çünkü o kadar çok atomu çevresine sığdıramıyor. Bu durumda atomlar bir araya geldiklerinde sahip oldukları bütün dış yörünge elektronlarını ortak bir elektron bulutuna bırakıyor. Elektronlar artık herhangi bir atoma ait olmaktan çıkıp, aynı anda bütün atomlara ait hale geliyorlar.
Kovalent ve iyonik bağa kıyasla daha zayıf bir etkileşim ortaya çıkıyor ve metalik malzemelerin diğer malzemelere kıyasla daha kolay şekil kazanabilmelerine de olanak sağlıyor.
Van der Waals Bağları
Bu bağ türünün kökeninde atom çekirdeği etrafında gezinen elektronların çekirdek çevresinde düzensiz dağılıyor olmaları yatıyor. Eğer herhangi bir an diliminde elektronların atom çekirdeğinin belli bir tarafında toplandıklarını farz edersek, bu ufak an dilimi için atomun bir tarafının eksi, diğer tarafınınsa artı yüke sahipmiş gibi davranacağını, yani bir anlamda kutuplaşacağını düşünebiliriz. Bu şekilde kutuplaşan atomlar benzer şekilde kutuplaşan diğer atomlarla anlık elektrostatik etkileşimlere girerek kısa süreli bir çekim kuvveti ortaya çıkmasını sağlayabiliyorlar. Bu etkileşim her ne kadar ufak bir an için var olup ardından yok olsa da, birçok atomun var olduğu bir ortamda atomları bir arada tutmak için yeterli oluyor. Van der Waals bağının yarattığı çekim diğer bağlara kıyasla son derece zayıf kalıyor.
Çekirdek
Çekirdekler çok farklı şekillerde olabilirler. Top, frizbi, armut hatta muz şeklinde çekirdekler olduğu bilinmektedir. Bu farklı şekillerin sebebi de fiziğin en temeli olan en düşük enerjiyi arama prensibi olduğunu söyleyebiliriz. O halde çekirdeklere şeklini proton ve nötronların yapıları verir. Protonlar her atomda aynıdır ama her atomun çekirdeğindeki proton sayısına göre atomlar farklı elementler olarak işlevselleşirler. Çok yanıcı olan hidrojende 1 proton varken tam pasif olan Helyum'da 2, suyla temas edince patlayan Lityum'da 3 proton vardır. Bunlar atomların nötr durumdaki davranışlarıdır.
Proton sayısını arttırmak?
Evrende doğal olarak en çok proton içeren element 94 protonlu plutonyumdur ki o da neredeyse yok denecek kadar az bulunur. Laboratuvarlarda daha yüksek proton sayılı elementler üretilebilmektedir. Proton ve nötron sayıları arttıkça çekirdeğin kararlılığında sıkıntılar meydana gelmeye başlar.
Çekirdekteki başka bir kuvvet?
Yukarıdada bahsettiğimiz üzere çekirdekteki bu büyük elektriksel kuvveti yenecek bir çekirdek kuvveti bulunması gerekir. Bu daha deneysel olarak ispatlanmadan düşünülmüş bir şeydir. Tıpkı bir yayı sıkmış olan bir mengene gibi; yay içten içe açılmak istese de mengene dışardan sıkarak açılmaya izin vermez. Bu kuvvete Kuvvetli Etkileşim denmektedir.
Bu kuvvet protonları ve nötronları birbirlerine bağlı tutuyor ama belirli bir mesafeden de daha fazla yaklaştırmıyor. Bu kuvvet o kadar hassas çalışmalıdır ki ancak 1 mm'nin 100 milyarda biri ile 1.5 mm'nin 100 milyarda biri aralığında doğru kuvveti sağlar. Yoksa protonları birbirine çok fazla yaklaştırır ya da serbest kalmalarına sebebiyet verir. Peki, bu baskin cekirdek kuvvetinin kaynagi nedir? Burasi icin gen atom alti parcaciklar kismini beklememiz gerekecek.
Çekirdek kuvvetinin yetersiz kaldığı durumlar
Proton sayısı 83'ü geçtiğinde çekirdek kararsız hale gelir ve radyasyon açığa çıkar. Kararsız çekirdek bir şekilde denge bulmak zorundadır; radyoaktivite!
Radyoaktivite ve çok daha acayip parçacıklar sonraki yazılarda...
Radyoaktivite ve çok daha acayip parçacıklar sonraki yazılarda...
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder