Atom

Atom veya ögecik, bilinen evrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapı taşıdır. Atom Yunancada "bölünemez" anlamına gelen "atomos"tan türemiştir. Atomus sözcüğünü ortaya atan ilk kişi MÖ 440'lı yıllarda yaşamış Demokritos'tur. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünelleme mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) vb. ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.

Bir atom, sahip olduğu proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: atomdaki proton sayısı kimyasal elementi tanımlarken, nötron sayısı da bu elementin izotopunu tanımlar. Her elementin radyoaktif bozunma veren en az bir izotopu vardır.

Elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve foton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanı sıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir.

1803 yılında John Dalton, kimyasal reaksiyonlarda maddenin tam sayılarla belirlenen oranlarda tepkimeye girdiğini gösterdi ve dolayısıyla, maddelerin atom denen sayılabilir ama bölünemez parçalardan oluştuğunu ifade etti. Buna ek olarak, atomların kütlelerini ortaya koyan bir tablo hazırladı.

1869 yılında Dmitri Mendeleyev o zaman için bilinen elementleri düzenleyen bir periyodik tablo geliştirdi. J. J. Thomson 1897 yılında elektronu keşfetti. 1911 yılında Ernest Rutherford günümüz atom modelinin temelini teşkil eden yapıyı ortaya koydu: atomun, kütlesinin büyük bir kısmını oluşturan bir çekirdek ve bu çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmaktadır. Rutherford çekirdeği oluşturan pozitif yüklü parçacığa proton adını verdi.

1932 yılında James Chadwick nötronu (adı, elektrik yükü 0 olduğundan, yani nötr olduğundan, nötron olmuştur) buldu. Daha sonra kuantum teorisi doğrultusunda Niels Bohr, Bohr atom modelini ortaya attı ve elektronların belli yörüngelerde bulunabildiğini ve bunun Planck sabiti ile ilgili olduğunu ifade etti. Bohr'un modelinin üzerinde, daha sonraki deneylerde bulunanlarla örtüşmesi için birçok ekleme ve çıkarma yapıldı. Bohr modelinin "yamalı bohça" lakabını alması bundan ileri modelini yapmıştır.

Niels Bohr'un modeli ise modern atom teorisine en yakın modellerinden biridir. Bohr'a göre elektronlar çekirdeğin çevresinde rastgele yerlerde değil, çekirdekten belirli uzaklıklarda bulunan katmanlarda döner.

Atomun yapısını açıklayan ve bugün için kabul edilen son teori Kuantum Atom Teorisi'dir. Kuantum Atom Teorisi'ne göre atom modeli Bohr atom modelinden farklıdır. Bohr Atom Modeli'ne göre atomun merkezindeki çekirdeğin etrafında elektronlar çember şeklindeki yörüngelerde dolanmaktadırlar. Her bir çember yörünge belli enerji seviyesine sahiptir. Yörüngeler arası elektronik geçişler atomun renkli görünmesine neden olur. Ancak belli bir zaman sonra Bohr atom modelinin birçok spektrumu açıklayamadığından yetersizliği ortaya çıkmıştır.

Kuantum Atom Modeli'ne göre ise atomun merkezinde bulunan çekirdeğin etrafındaki elektronlar belli bölgelerde yani orbitallerde bulunurlar. Belli enerji seviyelerine sahip orbitaller atomu oluşturan küresel katmanlarda bulunur. Portakal kabuğu şeklinde iç içe geçmiş küresel katmanlardaki orbitallerin belli şekilleri ve açıları (yönelmeleri) mevcuttur. Orbitallerin bulunduğu katmanların enerji seviyelerinin başkuantum sayısı belirler. n = 1,2,3,. . .gibi tam sayılarla ifade edilir. Orbitallerin şeklini ise l yan kuantum sayıları belirler. l = 0(s), 1(p), 2(d),. .(n-1) e kadar değerler alır. Orbitallerin doğrultularını (açılarını) veren ml yan kuantum sayısı ml=-l. . .0. .+l değerlerini alır. Elektronların spini gösteren ms kuantum sayısı da +1/2 veya -1/2 değerlerini alabilir.

Bir atomun çapı, elektron bulutu da dâhil olmak üzere yaklaşık cm civarındadır. Atom çekirdeğinin çapı ise cm kadardır. Atomlar, boyutlarının görünür ışığın dalga boyundan çok küçük olması sebebiyle optik mikroskoplarla görüntülenemezler. Atomların pozisyonlarını belirleyebilmek için elektron mikroskobu, x ışını mikroskobu, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi gibi araç ve yöntemler kullanılır.

Yalnız elektronlar çekirdek çevresinde ancak belirli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde dönerler, konumları ancak bir olasılık fonksiyonu ile ifade edilebilir. Elektronlar çekirdeğin etrafında buluta benzer bir şekildedir.

Nötron barındırmayan hidrojen-1 ile elektron barındırmayan hidrojen katyonu dışındaki tüm elementlerin atomlarında elektron, proton ve nötron bulunur. Negatif elektrik yüküne sahip elektron, 'lik kütlesiyle bu parçacıklar arasında en hafifi olup mevcut teknikler kullanılarak boyutunun ölçümü mümkün değildir. Pozitif yüklü protonun kütlesi , yani elektronun kütlesinin 1836 katı kadardır. Bir atomdaki proton sayısı, atom numarası olarak adlandırılır. Normal koşullarda elektronlar, zıt elektrik yüklerinin oluşturduğu çekim kuvveti sayesinde, pozitif yüklü çekirdeğe bağlıdırlar. Eğer bir atom, atom numarasından daha çok ya da az elektrona sahipse, sırasıyla negatif ya da pozitif yüklü bir iyon hâline gelir. 'lik kütlesiyle elektronun 1839 katı kütleye sahip nötron ise yüksüz bir parçacıktır.

Standart Model'e göre elektronlar temel parçacıkken proton ve nötronlar, kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşurlar. Kuarklar bir çeşit fermiyondur ve leptonlarla birlikte maddenin iki temel bileşeninden biridir. Protonlar, her biri + elektrik yüküne sahip iki yukarı kuark ile - elektrik yüküne sahip bir aşağı kuarktan; nötronlar ise iki aşağı kuark ile bir yukarı kuarktan meydana gelir. Bileşimlerindeki bu farklılık, yüklerinin yanı sıra kütlelerinin de birbirinden farklı olmasına neden olur. Kuarklar, gluonların aracılığıyla oluşturulan güçlü etkileşimlerle bir arada kalır. Proton ve nötronlar ise nükleer kuvvet aracılığıyla birbirine bağlanırlar.

Bir atomdaki tüm proton ve nötronlar, atomun çekirdeğinde yer alır. Bu iki parçacık birlikte nükleon olarak adlandırılır. Bir çekirdeğin yarıçapı, nükleon sayısı olan bir atomda yaklaşık femtometre kadardır. Nükleonlar, "residual strong force" adı verilen kısa menzilli bir çekici güç bir arada tutar. Bu kuvvet 2,5 fm'den daha kısa uzaklıklarda, pozitif yüklü protonların birbirlerini itmelerine neden olan elektrostatik güçten çok daha güçlü bir kuvvettir.

Bir elementin tüm atomlarındaki proton sayısı aynıdır ve bu değer atom numarası olarak adlandırılır. Bir elementin atomlarındaki nötron sayıları farklılık gösterebilirken farklı nötron sayılarına sahip aynı element atomlarına izotop denir. Proton ve nötronların toplam sayısı, nüklidi belirler. Farklı sayıda proton ve nötrona sahip bir çekirdek, radyoaktif bozunmaya uğrayıp daha düşük bir enerji seviyesine geçerek proton ve nötron sayılarını birbirine yakınlaştırabilir. Bu bağlamda, proton ve nötron sayıları birbirine yaklaştıkça atomun radyoaktif bozunmaya karşı daha kararlılığı artar. Ancak atom numarası arttıkça, protonların birbirlerine uyguladıkları elektrostatik itme kuvvetleri artacağından, protonlar arasına girerek bu itmeleri azaltan nötron sayısı giderek çoğalır. Bunun sonucunda atom numarası 20'nin üzerinde (20, kalsiyumun atom numarasıdır) proton ve nötron sayıları eşit kararlı çekirdekler bulunmaz. Atom numarası arttıkça, kararlı bir çekirdek için gerekli olan nötron-proton oranı 1,5'e doğru kayar.

Proton, elektron ve nötronlar fermiyon olarak sınıflandırılırlar. Fermiyonlar için de geçerli olan Pauli dışarlama ilkesine göre özdeş iki parçacık, aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamaz. Bundan ötürü çekirdekteki her bir proton ile nötron, kendi grubundaki diğer parçacıklardan farklı bir kuantum durumunda bulunmalıdır.

Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları, güçlü etkileşim nedeniyle büyük bir enerji gereken bir şekilde değiştirilebilir. Bu olay sonucunda, çekirdeğin değişmesi için emilen enerjiden daha fazla enerji dışarı salınır. Birden fazla çekirdeğin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturmasına nükleer füzyon, çekirdeğin daha az sayıda nükleon içeren çekirdeklere bölünmesine ise nükleer fisyon denir. Nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkan enerji, nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkandan fazladır. Çekirdeğin yüksek enerjili atomaltı parçacık ya da fotonlarla bombardımana uğratılması sonucunda proton sayısı değişirse, atom başka bir element olacak şekilde değişir.

Bir füzyon reaksiyonu sonrasındaki çekirdek kütlesi ayrı parçacıkların toplam kütlesinden az olduğu durumlarda bu iki değer arasındaki fark, kütle-enerji eşdeğerliği formülü olan e=mc2 (buradaki m kütle kaybı, c ise ışık hızıdır) sonucu ortaya çıkan değere sahip gama ışını ya da bir beta parçacığının kinetik enerjisi gibi kullanılabilir bir tür enerji olarak salınabilir. Yeni çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir parçası olan bu enerji; birleşen parçacıkların bir arada kalması için gereken enerjinin geri döndürülemeyen kaybıdır.

İki çekirdeğin, demir ile nikelinkinden daha düşük atom numarasına sahip bir çekirdek oluşturacak şekilde gerçekleştirdiği füzyon, genellikle ekzotermiktir. Daha ağır çekirdeklerde, nükleon başına bağlanma enerjisi düşmeye başlar. Bu bağlamda, 26 dolaylarından yüksek atom numarası ile 60 dolaylarından daha yüksek kütle numarasına sahip sahip çekirdek üretimiyle sonuçlanan bir füzyon ise endotermiktir.