Atom maddenin temel birimidir ve elementlerin tanımlayıcı yapısıdır. “Atom” terimi Yunanca bölünmez kelimesinden gelir çünkü bir zamanlar atomlar evrendeki en küçük yapılar olarak kabul edilip, bölünemez oldukları düşünülüyordu. Günümüzde atomların kuarklar gibi daha da küçük parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz; protonlar, nötronlar ve elektronlar.
Atomlar 13.7 milyar yıl önce Büyük Patlama’dan sonra ortaya çıktı. Sıcak ve yoğun olan evren soğudukça koşullar kuarkların ve elektronların oluşması için uygun hale geldi. Kuarklar, proton ve nötron oluşturmak için bir araya geldi ve bu parçacıklar çekirdeklerde birleşti. CERN’e göre, bütün bu olanlar evrenin varlığının ilk birkaç dakikasında gerçekleşti.
Evrenin elektronları yavaşlatmaya yetecek kadar soğuması 380.000 yıl sürdü böylece çekirdekler elektronları, ilk atomları oluşturmak için yakalayabildi. Jefferson Lab’a göre, en eski atomlar evrende en bol elementler olan hidrojen ve helyumdu. Yerçekimi nedeni ile gaz bulutları birleşerek yıldız oluşumuna neden oldu ve yıldızların içinde daha ağır atomlar oluştu. Yıldız patladığında (süpernova) evrenin her tarafına dağıldı.
Atomik parçacıklar
Protonlar ve nötronlar elektronlardan daha ağırdır ve atomun merkezindeki çekirdekte bulunurlar. Elektronlar çok hafiftir ve çekirdeğin etrafında dönen bir bulutta bulunur. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’na göre elektron bulutu çekirdekten 10.000 kat daha büyük bir yarıçapa sahiptir.
Protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütlededir. Bir proton bir elektrondan yaklaşık 1.835 kat daha büyüktür. Atomlar her zaman eşit sayıda proton ve elektrona sahiptir, proton ve nötron sayısı da genel olarak aynıdır. Bir atoma bir proton eklemesi ile yeni bir element oluşur, bir nötron eklemesi ile o atomun izotonu veya daha ağır bir türü oluşur.
Çekirdek
Çekirdek 1911’de Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford tarafından keşfedildi. 1920’de Rutherford atomun pozitif yüklü parçacıklarını ifade etmek için proton adını önerdi. Ayrıca çekirdek içinde yüksüz bir parçacık olduğu teorisini de ortaya attı. İngiliz fizikçi ve Rutherford’un öğrencisi James Chadwick 1932’de nötronun varlığını doğrulayabildi.
Chemistry LibreTexts’e göre bir atomun neredeyse tüm kütlesi çekirdek de bulunur. Çekirdeği oluşturan protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir (proton biraz daha azdır) ve aynı açısal momentuma sahiptir.
Çekirdek doğadaki dört temel kuvvetten biri olan çekme kuvveti tarafından bir arada tutulur. Protonlar ve nötronlar arasındaki bu kuvvet, elektrik kurallarına göre protonları birbirinden ayıracak olan itici elektrik kuvvetinden büyüktür. Bazı atom çekirdekleri kararsızdır çünkü bağlanma kuvveti çekirdeğin boyutuna bağlı olarak farklı atomlar için değişkenlik gösterir. Bu atomlar daha sonra karbon-14’ün nitrojen-14’e bozunması gibi diğer elementlere dönüşür.
Protonlar
Protonlar atom çekirdeklerinde bulunan pozitif yüklü parçacıklardır. Rutherford 1911 ile 1919 yılları arasında gerçekleştirilen katot ışın tüpleri deneylerinde protonları keşfetti. Protonların kütlesi nötronların kütlesinin yaklaşık %99.86’ı kadardır.
Bir atomdaki protonların sayısı her element için eşsizdir. Örnek olarak karbon atomlarının altı protonu, hidrojen atomlarının bir ve oksijen atomlarının sekiz protonu vardır. Bir atomdaki proton sayısı o elementin atom numarasıdır. Proton sayısı elementin kimyasal davranışını da belirler. Elementler Periyodik Tabloda artan atom numarasına göre dizilmiştir.
Elektronlar
Elektronlar proton ve nötronlarla karşılaştırıldığında çok küçüktür. Bir elektron bir proton veya nötrondan 1.800 kat daha küçüktür. Jefferson Lab’a göre elektronların kütlesi nötronların kütlesinin %0,054’ü kadardır.
Bilim Tarihi Enstitüsü’ne göre İngiliz fizikçi Joseph John (JJ) Thomson elektronu 1897’de keşfetti. Başlangıçta “parçacık” olarak tanımlanan elektronlar negatif yüke sahiptir ve pozitif yüklü protonlar tarafından elektriksel olarak çekilirler. 1920’lerde Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya atılan bir fikirle elektronların yörünge adı verilen konumlarda atom çekirdeğini çevrelediği belirtildi. Günümüzde bu model kuantum modeli veya elektron bulutu modeli olarak bilinmektedir. Atomu çevreleyen iç orbitaller küreseldir, dış orbitaller ise daha karmaşıktır.
Bir atomun elektron konfigürasyonu atomdaki elektronların konumlarını gösterir. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’na göre kimyagerler elektron konfigürasyonunu ve fizik prensiplerini kullanarak bir atomun kararlılık, kaynama noktası ve iletkenlik gibi özelliklerini tahmin edebilmektedirler.
Nötronlar
Amerikan Fizik Derneği’ne göre nötronun varlığı 1920’de Rutherford tarafından teorileştirildi ve 1932’de Chadwick tarafından keşfedildi. Atomlar ince bir berilyum tabakasına çarptığında nötronlar keşfedildi. Nötron yüksüz atom altı parçacıklar tarafından serbest bırakıldı
Nötronlar, tüm atom çekirdeklerinde bulunan yüksüz parçacıklardır (hidrojen hariç). Bir nötronun kütlesi bir protonun kütlesinden biraz daha büyüktür. Protonlar gibi, nötronlar da kuarklardan oluşur.
Atomun tarihi
Atom teorisi MÖ 440 yılında yaşamış Yunan bilim insanı ve filozof Demokritos’a kadar uzanıyor. “Atomos’tan Atoma: Atomun Tarihi” (Duquesne University Press, 1952) kitabının yazarı Andrew G. Van Melsen’e göre Demokritos atom teorisini büyük olasılıkla geçmiş filozofların çalışmaları üzerine kurdu.
Demokritos’un atom açıklaması bir taş ile başlar. İkiye kesilmiş bir taş, aynı taşın iki yarısını oluşturur. Taş sürekli olarak kesilecek olsaydı bir noktadan sonra artık kesilemeyecek kadar küçük bir taş parçası olurdu. “Atom” terimi Demokritos’a göre bir varlığın (herhangi bir madde biçiminin) artık bölünemeyeceği bir noktaya gelmesi olarak tanımlanır ve Yunanca bölünmez kelimesinden gelir.
Demokritos’un açıklamasına göre atomlar birbirinden ayrı olarak bulunurlar, sonsuz sayıdadırlar, hareket edebilirler, madde oluşturmak için bir araya gelebilirler ancak yeni bir atom olmak için birleşemezler. O zamanın filozoflarının çoğu ve özellikle Aristoteles tüm maddelerin topraktan, havadan, ateşten ve sudan yaratıldığına inandığı için Demokritos’un atom teorisi bir kenara bırakıldı.
1803’de İngiliz kimyager John Dalton kendi atom teorisini Demokritos’un fikirlerini temel alarak ortaya koydu. Dalton’un teorisi, atomların bölünemez, yok edilemez ve yeni madde oluşturmak için farklı atomlar bir araya gelemez diyen Demokritos’un teorisinden farklıydı. Dalton teoriye şu eklemeleri yapıyordu; Belirli bir elementin tüm atomları özdeştir, bir elementin atomları başka bir elementin atomlarından farklı ağırlık ve özelliklere sahiptir, atomların yaratılamaz veya yok edilemez.
1897’de elektronu keşfeden İngiliz fizikçi Thomson atomların bölünebileceğini kanıtladı. Katot ışınlı tüplerde elektrik deşarjının özelliklerini inceleyerek elektronların varlığını gösterdi. Thomson’ın 1897 tarihli makalesine göre ışınlar tüpün içinde saptı ve bu da vakum tüpünde negatif yüklü bir şeyin olduğunu kanıtladı. 1899’da Thomson genellikle “üzümlü kek modeli” olarak bilinen atom teorisini açıkladı. Thomson’ın atom modeli atoma genel nötr bir yük ve pozitif bir yük veren bir şey içinde asılı çok sayıda elektron içeriyordu.
Atom modelini daha da değiştirecek ve ilerletecek bir sonraki bilim insanı, Thomson altında çalışan Rutherford’du. 1911’de Rutherford elektronların yörüngesinde pozitif yüklü bir çekirdek içeren atom teorisini yayınladı. Bu model alfa parçacıklarının ince altın tabakalara ateşlenmesi ile ortaya çıktı.
Jefferson Lab’a göre bir alfa parçacığı, ikisi de çekirdeği bağlayan aynı güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan iki proton ve iki nötrondan oluşur.
Bilim insanları alfa parçacıklarının küçük bir yüzdesinin hareket yönüne göre çok büyük açılarda dağıldığını, çoğunluğun ise neredeyse hiç etkilenmeden doğrudan geçtiğini fark ettiler. Rutherford altın atomunun çekirdeğini inceleyerek atomun çoğunluğunun boş olduğunu ve çekirdeğin tüm atomun boyutundan en az 10.000 kat daha küçük olduğunu buldu. Rutherford’un atom modeli halen günümüzde kullanılan temel modeldir.
Bir çok bilim insanının katkısını daha da ileri taşıya diğer bilim insanları;
- Niels Bohr’un atom modeli hidrojen spektrumuna göre elektronların özelliklerini belirlemek Rutherford atom modeli üzerine inşa edilmiştir.
- Erwin Schrödinger’in kuantum atomu kuantum modeli
- Werner Heisenberg’in aynı anda bir elektronun konumu ve hızını gösteren teorisi
- Murray Gell-Mann ve George Zweig’ın protonların ve nötronların kuarklardan oluştuğunu gösteren teorileri
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
