Atom Fiziği: Atom Nedir? Atomun Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Nelerdir?

Wikipedia

Atom Nedir?

Fizik biliminde atom, maddenin en temel yapı birimidir.^[1] Atom kelimesi Yunancada parçalanamayan, bölünemeyen anlamlarına gelen "Atomos" kelimesinden türemiştir.^[2] Atom kavramı ilk olarak MÖ 440'lı yıllarda yaşamış Demokritos (Yunanca:Δημόκριτος) tarafından ortaya atılmıştır. Atom her ne kadar "parçalanamayan", "bölünemeyen" gibi anlamlara gelse de, modern bilimde bunun hatalı olduğunu biliyoruz. 20. yüzyılda radyoaktivite üzerine yapılan çalışmalar sonucu atom çekirdeklerinin parçalanabildiği keşfedildi. Zaten bunun sonucunda bildiğiniz üzere nükleer santraller ve atom bombaları icat edildi. Atomların parçalanabildiğini az önce öğrenmiştik şimdi ise atomun yapısına bir göz atalım:

Atomun Yapısı

Atomlar temelde 2 kısımdan oluşmaktadır; çekirdek ve katmanlar. Atom çekirdeği, pozitif yüklü protonlardan ve elektriksel yükü 0 yani nötr olan nötronlardan oluşmaktadır. Nötronlar 1932 yılında İngiliz fizikçi ve bilim insanı James Chadwick tarafından keşfedilmiştir. Nobel ödüllü İngiliz fizikçi Rutherford, kendisinin geliştirdiği atom modelinde çekirdekteki pozitif yüklü parçacıklara "Proton" adını vermiştir. Çekirdeğin etrafındaki katmanlarda ise negatif yüklü elektronlar çekirdeğin etrafında belli hızlarda dolanmaktadır. Eğer yaklaşık 50 milyon atom tek bir sırada dizilseydi 1 cm (0,4 inç) uzunluğunda olurdu.^[1] Atomik boyutları ölçmek için genellikle 10^-10 metre olarak tanımlanan 1 Angström (Å) kullanılır. Atomik yarıçap 1-2 Å civarındadır.^[1] Atom çekirdeği atomun boyutuna göre çok küçüktür. Kıyas yapmak gerekirse, eğer atom bir futbol sahası büyüklüğünde olsaydı, atom çekirdeği bir bilye boyutunda olurdu. Nükleusun büyüklüğünü ölçmek için 1 Angströmün (10^-10metre) 100 binde biri yani 10^-15 metreye karşılık gelen femtometre kullanılır. Ayrıca atom çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü protonların kütlesi 1,67262*10^-27 kilograma tekabül etmektedir. Yani protonların kütlesi elektronların kütlesinden 1836 kat daha fazla.^[1] (Elektronların kütlesi yaklaşık 9,1*10^-31 kilogram ya da diğer bir deyişle 0,511 MeV/c²'dir.) Yüksüz nötronların kütlesi ise yaklaşık olarak 1,675*10^-27 kilogramdır. Yani nötronlar elektronlardan 1838.68 kat daha kütleli.^[3]

Atom Numarası

Bir atomun en önemli özelliklerinden birisi atom numarasıdır. Atom numarası, bir atomun çekirdeğinde pozitif yüklü parçacıkların yani protonların sayısıdır ve "Z" harfi ile gösterilir. Bu harf Almancada sayı anlamına gelen "Zahl" kelimesinin baş harfidir. Atom numarasını matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

$Z=p^{+}$

Mesela bir Oksijen atomunun çekirdeğinde 8 proton bulunur. O zaman Oksijenin atom numarası 8'dir. Veya bir alkali metal olan Sodyum elementinin çekirdeğinde 11 adet proton bulunuyor. Yani Sodyumun atom numarasının 11 olduğunu söyleyebiliriz.

Kütle Numarası ve İzotoplar

Kütle numarası, bir atomun çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayılarının toplamıdır ve A harfi ile gösterilir. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

$A=p^{+}+n^0$

Mesela bir Karbon-12 atomunun çekirdeğinde 6 adet proton, 6 adet nötron vardır. Bu yüzden Karbonun kütle numarası 12'dir diyebiliriz. Bir atomun kütlesi, "atomik kütle birimi" (akb) cinsinden ölçülür. Bu aynı zamanda Karbon-12'nin kütlesinin 1/12'sidir.^[1]

$1akb\approx 1,6605\times 10^{-27}kg$

Karşımıza çıkan diğer kavramlardan birisi ise izotoptur. Peki nedir bu izotoplar? Proton sayısı aynı, nötron sayısı farklı olan atom çekirdeklerine izotop diyoruz. Yani bir elementin izotoplarının atom numarası aynı ancak kütle numarası farklıdır. Mesela hidrojen elementinin 3 adet izotopu vardır. Bunların isimleri; hidrojen, döteryum, trityum. Bu izotopların kütle numaraları sırasıyla, A=1, A=2, A=3 şeklindedir. Ancak hepsinin atom numarası 1.

Wikipedia

Elektron

Atom çekirdeğinin etrafındaki elektron bulutunda bulunan elektronlar atomdaki en hafif atom altı parçacıktır. Elektronları 1897 yılına İngiliz fizikçi J. J. Thompson keşfetmiştir. Elektronların Kütlesi yaklaşık 9,11*10^-31 kilogramdır. Elektronun yükü ile protonun yükü aynı büyüklüğe sahip ancak zıt işaretlidir.^[1]

$p^{+}\approx 1,602\times 10^{-19}C$

$e^{-}\approx -1,602\times 10^{-19}C$

Yani elektronun yükü yaklaşık -1,602*10^-19 Coulomb iken Protonun yükü ise yaklaşık 1,602*10^-19 Coulomb'dur. Nötronun yükü ise bildiğiniz gibi 0'dır. Ayrıca Elektronun içsel açısal momentumu ya da spini 1/2'dir. Manyetik momenti ise yaklaşık olarak 1 Bohr Manyetonuna eşittir.

$\mu \approx 9,274\times 10^{-24}J/T$

Yani elektronun manyetik momenti yaklaşık olarak 9,274*10^-24 Joule/Tesla'dır

İyon

Bir atomun yüklü olup olmadığını o atomun çekirdeğindeki proton sayısı ile çekirdeğin etrafındaki elektronların sayısı belirler. Eğer bir atomun proton sayısı ile elektron sayısı eşitse o atom nötr yani yüksüz, proton sayısı elektron sayısından fazlaysa pozitif yüklü, elektron sayısı proton sayısından fazlaysa negatif yüklü bir atomdur. Bu yüklü atomlar kimyada "iyon" olarak adlandırılıyor. Yani iyon dediğimiz şey bir ya da daha fazla elektron kaybetmiş yüklü parçacıklardır. Örneğin; sodyumun atom numarası 11'dir. (Yani çekirdeğinde 11 adet proton bulunuyor.) Elektron dizilimi ise 2, 8, 1 şeklinde. Yani sodyumun son elektron katmanında 1 elektron var. Eğer sodyum bu elektronunu kaybederse +1 değerlikte Sodyum katyonu (Na⁺) oluşur. pozitif yüklü iyonlar "katyon", negatif yüklü iyonlar ise "anyon" olarak isimlendirilir.

Sodyum ile Klor arasındaki tepkimeyi ele alalım:

Sodyum atom numarası 11 olan bir alkali metaldir ve periyodik tablonun 1A grubunda bulunuyor. Yani sodyumun değerlik elektron sayısı 1'dir. Klor ise atom numarası 17 olan bir ametaldir ve periyodik tablonun 7A grubunda bulunur. Bu yüzden klorun değerlik elektron sayısı 7'dir. Bu iki atom arasındaki tepkimede sodyum son katmanındaki elektronunu kaybeder ve bunun sonucunda +1 değerlikte sodyum katyonu (Na⁺) oluşur. (Çünkü artık sodyumun çekirdeğinde 11 proton, çekirdeğin etrafında ise 10 elektron bulunuyor.) Ancak klor atomu ise sodyumun kaybettiği bu elektronu alır ve bunun sonucunda -1 değerlikte Klor anyonu (Cl^-) oluşur. (Çünkü tepkime sonucunda klorun 17 protonu ve 18 elektronu var.) Bu tepkime son derecede ekzotermiktir. Çünkü tepkime sonucunda parlak sarı bir ışık ve yüksek miktarda ısı açığa çıkar.^[4] Bu tepkime sonucunda sodyum klorür (sofra tuzu) molekülü oluşur. Bu kimyasal tepkime matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

$2Na+C{l}_2⟶2NaCl$

Bu tepkime bize şunu söyler: 2 adet sodyum atomu ile klor gazı uygun koşullarda birleşerek 2 adet sodyum klorür molekülü oluşur. Sodyum klorür molekülüne ek olarak yüksek miktarda ısı enerjisi açığa çıkar.