Atomlar elementlerin yapısını tanımlayan temel madde birimidir. Atom teriminin kökeni Yunanca ‘bölünmez’ kelimesinden gelir.
Çünkü evrendeki en küçük yapı taşı olduğu ve bölünemediği düşünülmüştü. Artık biliyoruz ki Atomlar 3 parçadan oluşur bunlar: Protonlar, Nötronlar ve Elektronlardır ki bunlar da yüzlerce elementer parçacıklardan meydana gelmiştir.
Atomlar 13.7 milyon yıl önce Büyük Patlama (Big Bang ) ile meydana gelmişlerdir. Sıcak , yoğun olan yeni evren soğudukça şartlar elektronların ve kuarkların şekillenebilmesi için uygun hale geldi. Kuarklar protonlar ve nötronları oluşturmak için bir araya geldi ve bu parçacıklar çekirdekle birleşti.
CERN’ e göre bunların hepsi evrenin varoluşunun ilk 5 dakikasında yer aldı. Evrenin elektronları yavaşlatacak kadar soğuması 380.000 yıl sürdü böylece çekirdek ilk atomları şekillendirmek için onları hapsetti. Jefferson Lab’e göre en eski ve de başlıca atomlar Hidrojen ve Helyum’du, ki bunlar evrende hala çokca bulunan elementlerdir.
Yerçekimi sonunda gaz bulutlarının yıldızları birleştirmesine ve oluşturmasına neden oldu ve yıldızlar içinde daha ağır atomlar yaratıldı ve enerjisi biten yıldızlar şiddetle patladı (süpernova).
Atomun Tarihi
Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi olan CERN’e göre atomlar 13,7 milyar yıl önce , Büyük Patlama’dan sonraki ilk birkaç dakika içinde yaratıldı.
Yeni evren soğudu ve genişledi, elektronların ve kuarkların (protonları ve nötronları oluşturan daha küçük parçacıklar) oluşması için gerekli koşulları yarattı. Saniyenin milyonda biri kadar sonra, kuarklar bir araya gelerek atomların çekirdeğini oluşturan protonları ve nötronları oluşturdular.
Bohr atom modeli diyagramı
Niels Bohr’un atom modeli, çekirdeği çevreleyen kabuklarda çekirdeğin etrafında dönen elektronlara sahiptir. K kabuğu iki elektron tutabilir; M kabuğu sekiz tutabilir; ve L kabuğu 32’ye kadar elektron tutabilir.
Fizikçi Ernest Rutherford, 1912’de atomun erken bir modelini geliştirdi. Atomların minyatür güneş sistemleri gibi olduğunu öne süren ilk kişi oydu, ancak çekim kuvveti olarak hareket eden yerçekimi yerine, karşıt elektrik yükleri bu işleve hizmet ediyor.
Atom teorisinin Rutherford atomunda, elektronlar çekirdeğin yörüngesinde dairesel yollarda döner.
Başka bir fizikçi, Niels Bohr, 1913’te Rutherford’un atom modelini revize etti. Bohr atomu, çekirdeğin etrafında belirli medyan mesafelerde dönen negatif yüklü elektronlar içeriyordu. Bu mesafeler , çekirdeği çevreleyen kabuk adı verilen kürelerle temsil edilir.
Elektronlar kabuktan kabuğa hareket edebilir. Bir elektron yeterli enerjiyi emdiğinde, daha büyük veya daha yüksek bir kabuğa geçer. Belirli bir miktar enerji kaybettiğinde daha küçük, daha alçak bir kabuğa düşer.
Bohr yarıçap sabiti , Bohr’un atom modeline dayanmaktadır.
Atomun Yapısı
Protonlar, nötronlar ve elektronlar dahil olmak üzere bir atomun toplam kütlesi, atomik kütle veya atom ağırlığıdır. Atomik kütle veya ağırlık, atomik kütle birimlerinde ölçülür.
Bir atomun yapısının diyagramı
Protonlar ve nötronlar bir atomun çekirdeğini ve elektronların yörüngesini oluşturur.
Elektronlar atomik yapının kütlesine çok küçük bir katkı sağlar, ancak molekülleri oluşturan kimyasal reaksiyonlarda önemli bir rol oynarlar . Çoğu amaç için, atom ağırlığı proton sayısı artı nötron sayısı olarak düşünülebilir.
Bir atomdaki nötron sayısı değişebileceğinden, çoğu element için birkaç farklı atom ağırlığı olabilir.
Protonlar ve elektronlar eşit ve zıt yüklere sahiptir. Protonlar pozitif bir yüke ve elektronlar negatif bir yüke sahiptir. Normalde, atomlar eşit sayıda proton ve elektrona sahiptir, bu da onlara nötr bir yük verir.
Bir iyon , protonlardan farklı sayıda elektrona sahip ve elektrik yüklü bir atomdur. Ekstra elektronlu bir iyon negatif yüklüdür ve anyon olarak adlandırılır ve elektron eksikliği olan bir iyon pozitif yüklüdür ve katyon olarak adlandırılır.
Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan atomlar aynı elementi temsil ederler ve o elementin izotopları olarak bilinirler. Bir elementin izotopu, proton ve nötron sayılarının toplamı ile belirlenir. Örneğin, aşağıdakiler karbon atomunun iki izotopudur:
Karbon 12, karbonun en yaygın, radyoaktif olmayan izotopudur.
Karbon 14, daha az yaygın, radyoaktif bir karbon izotopudur.
Nötronu olmayan tek nötr atom hidrojen atomudur. Bir elektronu ve bir protonu vardır.
Atomik Parçacıklar
Protonlar ve nötronlar elektronlardan daha ağırdır ve atomun merkezindeki çekirdeğin içinde bulunur.
Elektronlar son derece hafiftir ve çekirdeğin etrafında dönen bir bulutta bulunur. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’na göre elektron bulutu çekirdeğe göre 10.000 kat daha büyük bir yarıçapa sahiptir.
Protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir. Ancak , bir proton bir elektrondan yaklaşık 1.835 kat daha büyüktür.
Atomlar her zaman eşit sayıda proton ve elektrona sahiptir ve proton ve nötron sayısı da genellikle aynıdır. Bir atoma bir proton eklemek yeni bir element oluştururken, bir nötron eklemek o atomun izotopunu yapar.
Çekirdek
Çekirdek, 1911 yılında Yeni Zelandalı bir fizikçi Ernest Rutherford tarafından keşfedildi. 1920’de Rutherford, atomun pozitif yüklü parçacıkları için proton adını önerdi. Ayrıca çekirdeğin içinde, İngiliz fizikçi ve Rutherford’un öğrencisi James Chadwick’in 1932’de onaylayabildiği tarafsız bir parçacık olduğu teoriye geçti.
Chemistry LibreTexts’e göre, aslında bir atomun tüm kütlesi çekirdeğinde bulunur. Çekirdeği oluşturan protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütledir (proton biraz daha azdır) ve aynı açısal momentuma veya dönüşe sahiptir.
Chemistry LibreTexts’e göre, bir atomun neredeyse tüm kütlesi çekirdeğinde bulunur. Çekirdeği oluşturan protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütledir (proton biraz daha azdır) ve aynı açısal momentuma veya dönüşe sahiptir.
Çekirdek, doğada bulunan dört temel kuvvetten biri olan güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulur. Protonlar ve nötronlar arasındaki bu kuvvet, elektrik kurallarına göre, protonları başka türlü iten itici elektrik kuvvetinin üstesinden gelir.
Bazı atom çekirdekleri kararsızdır, çünkü bağlanma kuvveti çekirdeğin büyüklüğüne bağlı olarak farklı atomlar için değişir. Bu atomlar daha sonra karbon-14 gibi azot-14’e bozunma gibi diğer elementlere bozunur.
Protonlar
Protonlar atom çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü parçacıklardır. Rutherford, 1911 ve 1919 arasında yürütülen katot ışınlı tüplerle yapılan deneylerde protonu keşfetti. Protonlar nötranlar kadar büyüktür (%99.86).
Bir atomdaki proton sayısı her elemente özgüdür. Örneğin, karbon atomlarında altı proton, hidrojen atomlarında bir ve oksijen atomlarında sekiz bulunur. Bir atomdaki protonların sayısı, o elementin atom numarası olarak adlandırılır.
Proton sayısı ayrıca elementin kimyasal davranışını da belirler. Elementler artan atom numarası sırasıyla Elementlerin Periyodik Tablosunda düzenlenmiştir.
Her bir protonu üç kuark oluşturur – iki “yukarı” kuark (her biri üçte iki pozitif yüke sahiptir) ve bir “aşağı” kuark (üçte biri negatif yüklü) – ve bunlar gluon adı verilen diğer atom altı parçacıklar tarafından bir arada tutulur, bunlar kütlesizdir.
Elektronlar
Elektronlar protonlara ve nötronlara kıyasla küçüktür, bir protondan veya bir nötrondan 1.800 kat daha küçüktür. Jefferson Lab’a göre, elektronlar nötronlarda % 0.054 kadar büyüktür.
Bilim Tarihi Enstitüsü’ne göre, Joseph John (JJ) İngiliz fizikçi Thomson, 1897’de elektronu keşfetti. Başlangıçta “yuvarlanma” olarak bilinen elektronlar negatif bir yüke sahiptir ve elektriksel olarak pozitif yüklü protonlara çekilir.
Elektronlar 1920’lerde Avusturyalı bir fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya konan bir fikir olan atom çekirdeğini orbital adı verilen yollar ile kuşatılıyor. Bugün, bu model kuantum modeli veya elektron bulutu modeli olarak bilinir.
Atomu çevreleyen iç orbitaller küreseldir. Ancak dış orbitaller çok daha karmaşıktır. Bir atomun elektron konfigürasyonu, tipik bir atomdaki elektronların yerlerini ifade eder. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’na göre kimyagerler elektron konfigürasyonu ve fizik prensiplerini kullanarak stabilite, kaynama noktası ve iletkenlik gibi bir atomun özelliklerini tahmin edebilirler.
Nötronlar
Amerikan Fizik Derneği’ne göre, nötronun varlığı 1920’de Rutherford tarafından teorize edildi ve 1932’de Chadwick tarafından keşfedildi. Nötronlar, atomların ince bir berilyum tabakasına vurulduğu deneyler sırasında bulundu.
Nötronlar, tüm atom çekirdeğinde bulunan (hidrojen hariç) yüklü olmayan parçacıklardır. Bir nötronun kütlesi bir protonun kütlesinden biraz daha büyüktür. Protonlar gibi nötronlar da kuarklardan oluşur – bir “yukarı” kuark (pozitif 2/3 yüklü) ve iki “aşağı” kuark (her biri negatif üçte biri yüklü).
Atomun Tarihi
Atom teorisi en az MÖ 440 kadar eski bir Yunan bilim adamı ve filozof Demokritos kadar uzanıyor.
“Atomos’tan Atom’a: Konsept Atomun Tarihi” nin yazarı Andrew G. Van Melsen’e göre, Demokritos büyük olasılıkla atom teorisini geçmişteki filozofların üzerine kurdu.
(Duquesne University Press, 1952). Demokritos’un atom açıklaması bir taşla başlar. Yarısında kesilmiş bir taş, aynı taşın iki yarısını verir. Taş sürekli kesilecek olsaydı, bir noktada artık kesilemeyecek kadar küçük bir taş parçası olurdu. “Atom” terimi, Demokritos’un bir varlığın (herhangi bir madde türü) daha fazla bölünemeyeceği nokta olması gereken Yunanca bölünmez kelimesinden gelir.
Onun açıklaması, atomların birbirinden ayrı olarak var olduğu, sonsuz miktarda atomun bulunduğu, atomların hareket edebildiği, madde oluşturmak için bir araya gelebilecekleri, ancak yeni bir atom olmak için birleşemeyecekleri ve Bugün Evren’e göre bölünemez.
Ancak, o zamanki çoğu filozof – özellikle çok etkili Aristoteles – tüm maddelerin topraktan, havadan, ateşten ve sudan yaratıldığına inandığı için Democritus’un atom teorisi bir kenara bırakıldı. Purdue Üniversitesi kimya bölümüne göre, İngiliz kimyager John Dalton, 1803’te kendi atom teorisini ortaya koyarken Democritus’un fikirleri üzerine inşa edildi.
Atom Teorileri
– Dalton’un teorisi, Democritus’tan atomların bölünemez ve yok edilemez olduğu ve tüm maddelerin yaratılması için farklı atomların birlikte oluştuğu gibi çeşitli fikirler içeriyordu.
Dalton’un teoriye eklemeleri aşağıdaki fikirleri içeriyordu: Belirli bir elementin tüm atomlarının özdeş olması, bir elementin atomlarının başka bir elementin atomlarından farklı ağırlıklara ve özelliklere sahip olması, atomların yaratılamaz veya yok edilemeyeceği ve bu maddenin oluşturduğu atomlar basit tam sayılarla birleşir.
– Chemical Heritage Foundation’a göre, 1897’de elektronu keşfeden İngiliz fizikçi Thomson, atomların bölünebileceğini kanıtladı. Katot ışını tüplerindeki elektrik deşarjının özelliklerini inceleyerek elektronların varlığını belirleyebildi.
– Thomson’ın 1897 tarihli makalesine göre, ışınlar tüp içinde saptırıldı. Bu da vakum tüpünde negatif yüklü bir şey olduğunu kanıtladı. 1899’da Thomson, genellikle “erik pudingi modeli” olarak bilinen atom versiyonunun bir tanımını yayınladı. Bu makaleden bir alıntı Chem Team sitesinde bulunmaktadır.
– Thomson’ın atom modeli, atoma genel bir nötr yük veren pozitif bir yük üreten bir şeyde asılı olan çok sayıda elektron içeriyordu. Modeli erik pudingine benziyordu,yuvarlak kek benzeri bir topta asılı kuru üzüm olan popüler bir İngiliz tatlısı. Purdue Üniversitesi kimya bölümüne göre atom modelini daha fazla değiştiren ve ilerleten bir sonraki bilim adamı Thomson yönetiminde okuyan Rutherford’du.
1911’de Rutherford, elektronların yörüngesinde bulunan pozitif yüklü bir çekirdeği içeren atom versiyonunu yayınladı. Bu model Rutherford ve yardımcıları alfa parçacıklarını ince altın tabakalara ateşlediklerinde ortaya çıktı. Jefferson Laboratuvarı’na göre, alfa parçacığı, çekirdeği bağlayan aynı güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan iki proton ve iki nötrondan oluşur.
Bilim insanları, alfa parçacıklarının küçük bir yüzdesinin orijinal hareket yönüne çok büyük açılarda dağıldığını fark ederken, çoğunluk neredeyse hiç rahatsız olmadı. Rutherford, altın atomunun çekirdeğinin büyüklüğüne yaklaşabildi ve atomun büyük kısmı boş alan olduğu için tüm atomun boyutundan en az 10.000 kat daha küçük bulundu.
Rutherford’un atom modeli hala günümüzde kullanılan temel modeldir. Diğer birçok bilim adamı atom modelini, Niels Bohr (Rutherford’un modelinde hidrojen spektrumuna dayanan elektronların özelliklerini içerecek şekilde inşa edildi), Erwin Schrödinger (atomun kuantum modelini geliştirdi), Werner Heisenberg (her ikisinin de elektronun pozisyonu ve hızı aynı anda) ve Murray Gell-Mann ve George Zweig (protonların ve nötronların kuarklardan oluştuğu teorisini bağımsız olarak geliştirdiler).
Derya Yıldız Türkay