Atom ve Atomun Yapısı Kimya veya fizikte atom, bir kimyasal elementin özelliklerini koruyan en küçük parçacığıdır.
Sözcük Yunanca ατομος veya atomostan gelir, 'kesilemez' demektir. Eski Yunanistan'da bazı düşünürlere göre atom maddenin bölünemez en küçük parçasıydı. Modern kullanımdaki atomlar ise atomaltı parçacıklardan oluşur:
elektronlar, eksi yüklüdürler ve bu üçünün arasında en hafifidir.
protonlar artı yüklüdür, kütleleri elektronunkinin yaklaşık 1839 katıdır.
nötronlar yüksüzdür, onların da kütlesi elektronunkinin yaklaşık 1839 katıdır.
Proton ve nötronlar beraberce atom çekirdeğini oluştururlar; bu parçacıklara nükleon da denir. Elektronlar çekirdeğin etrafında, ondan çok daha büyük olan elektron bulutunu oluştururlar.
Atomlar, içerdikleri atomaltı parçacıkların sayıları ile birbirlerinden farklılık gösterirler. Aynı elementin atomları aynı sayıda protona sahiptirler, bu sayıya atom numarası denir. Buna karşın, aynı elementin atomları farklı nötron sayılarına sahip olabilir, bu sayılar o elementin izotoplarını belirler. Proton ve nötronlara kıyasla elektronlar atoma daha zayıf güçlerle bağlı olduklarından elektron sayısı kolaylıkla değişebilir. Çekirdekteki proton ve nötron sayısı da nükleer fisyon, nükleer füzyon ve radyoaktif bozunma yoluyla değişebilir, bu durumda atom başka bir elemente dönüşebilir.
Atom kavramı maddenin fiziksel özelliklerini anlatmaya yarayan çeşitli teoriler tarafından kullanılır. Atomlar kimyanın temel yapı taşlarıdır ve kimyasal reaksiyonlarda Maddenin Korunumu Kanunu gereği korunurlar.
Tarihçe
Bugün kullandığımız anlamda atom kavramını ilk kez ortaya atan düşünürler Leukippos ve Demokritos'dur. Bu düşünürler doğada mevcut her maddenin, fiziksel olarak bölünmeyen atomlardan oluştuğunu ifade etmişler, ayrıca atomlar arasında boş uzay bulunduğunu ve devinim halinde olduklarını belirtmişlerdir.
Aristoteles'in (M.Ö. 384-322) maddeye bakışı, kendinden önce yaşamış olan filozoflara olan tepkisini ifade eder. O, Empedocles'in düşüncesine katılmış ve her şeyin dört ana maddeden yapıldığını savunmuştur.
Bu dönemi izleyen çağlarda bu düşüncelere bir ilave yapılmadı, ilk kez 19. yüzyılda John Dalton modern atom kavramını ortaya attı. Dalton, kimyasal reaksiyonlarda maddenin tam sayılarla belirlenen oranlarda tepkimeye girdiğini gösterdi ve maddelerin atom denen sayılabilir ama bölünemez parçalardan yapıldığını ifade etti. Buna ek olarak, atomların ağırlıklarını ortaya koyan bir çizelge hazırladı.
J.J. Thomson 1897 yılında elektronu keşfetti. 1900'lü yılların başlarında 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 Chadwick nötronu 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.
Yapısı
Bir atomun çapı, elektron bulutu da dahil olmak üzere yaklaşık 10 − 8 cm mertebesindedir. Atom çekirdeğinin çapı ise 10 − 13 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 bulutsu bir şekilde görünür.
ATOMUN YAPISI
Hava, su, dağlar, hayvanlar, bitkiler, vücudumuz, oturduğunuz koltuk, kısacası en ağırından en hafifine kadar gördüğümüz, dokunduğumuz, hissettiğimiz herşey atomlardan meydana gelmiştir. Elimizde tuttuğumuz kitabın her bir sayfası milyarlarca atomdan oluşur. Atomlar öyle küçük parçacıklardır ki, en güçlü mikroskoplarla dahi bir tanesini görmek mümkün değildir. Bir atomun çapı ancak milimetrenin milyonda biri kadardır.
Her atom, bir çekirdek ve çekirdeğin çok uzağındaki yörüngelerde dönüp-dolaşan elektronlardan oluşmuştur. Çekirdeğin içinde ise proton ve nötron ismi verilen başka parçacıklar vardır.
ÇEKİRDEK
Çekirdek, atomun tam merkezinde bulunmaktadır ve atomun niteliğine göre belirli sayılarda proton ve nötrondan oluşmuştur. Çekirdeğin yarıçapı, atomun yarıçapının onbinde biri kadardır.
Maddenin yapıtaşı olan atom, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ve bu çekirdeğin etrafinda durmadan dönen elektronlardan meydana gelir.
Atomun kütlesini oluşturan yoğunluk tüm atoma eşit olarak dağılmamıştır, yani atomun bütün kütlesi atomun çekirdeğinde birikmiştir.
Çekirdekteki protonların hepsi pozitif yüklüdür ve elektromanyetik kuvvet nedeniyle birbirlerini iterler. Fakat güçlü nükleer kuvvet onların itme gücünden 100 kat daha büyük olduğundan, elektromanyetik kuvvet etkisiz hale gelir. Böylece protonlar birarada tutunabilirler.
Kısacası gözle göremeyeceğimiz kadar küçük bir atomun içinde, birbiriyle etkileşim halinde iki büyük kuvvet bulunur. Bu kuvvetlerin değerleri öylesine hassastır ki, birinin biraz daha az veya biraz daha fazla olması atomdaki tüm dengeleri alt üst eder. Dolayısıyla atomun yapısı bozulur, parçalanır ve maddeyi oluşturamaz.
Çekirdeğin İçi: Proton ve Nötronlar
1932 yılına dek, çekirdeğin proton ve elektronlardan oluştuğu sanılıyordu. Çekirdeğin içinde protonla beraber elektronların değil nötronların olduğu ancak o tarihte keşfedilebildi. (Ünlü bilimadamı Chadwick 1932 yılında çekirdeğin içinde nötronun varlığını ispatladı ve bu keşfiyle Nobel ödülü kazandı.)
Evrendeki Çeşitliliğin Kaynağı
Bilimin, şu ana kadar tespit edebildiği 109 tane element vardır. Tüm evren, dünyamız canlı-cansız bütün varlıklar bu 109 elementin çeşitli biçimlerde birleşmeleriyle oluşmuştur. Buraya kadar tüm elementlerin birbirinin benzeri atomlardan oluştuğunu gördük; atomlar da birbirinin aynı parçacıklardan oluşuyordu.
Elementleri temelde birbirlerinden farklı kılan şey, atomlarının çekirdeklerindeki proton sayılarıdır. En hafif element olan hidrojen atomunda bir proton, ikinci en hafif element olan helyum atomunda iki proton, altın atomunda 79 proton, oksijen atomunda 8 proton, demir atomunda 26 proton vardır. İşte altını demirden, demiri oksijenden ayıran özellik, yalnızca atomlarının proton sayılarındaki bu farklılıktır. Soluduğumuz hava, vücudumuz, herhangi bir bitki veya bir hayvan ya da uzaydaki bir gezegen, canlı-cansız, acı-tatlı, katı-sıvı her şey... Bunların hepsi sonuçta aynı proton-nötron-elektronlardan meydana gelmiş
ATOM ARAŞTIRMALARI YAPAN BİLİM ADAMLARI
ABD teknolojisinin belki de en muhteşem –bir o kadar da tartışmalı- başarısı nükleer enerjiyi kullanıma sokmak olmuştur. Atomu parçalamak, pek çok ülkedeki bilim adamları tarafından düşünülmüştü. Ama bunu gerçekleştirmeyi, 1940’lı yıllarda ABD’li bilim adamları başardı.
Alman fizikçileri 1938 yılında uranyum çekirdeğini parçalamayı başardığı zaman, Albert Einstein, Enrico Fermi ve Leo Szilard nükleer zincir reaksiyonunun mümkün olduğuna karar verdiler. Einstein, Başkan Franklin Roosevelt’e mektup yazarak bu keşfin, “olağanüstü güçlü bombalar” imâlinde kullanılabileceği konusunda uyarıda bulundu. Bu uyarı, Manhattan Projesi’ne ilham kaynağı oldu. Projenin amacı, ilk atom bombasını ABD’nin imal etmesini sağlamaktı. Proje başarılı oldu. Ve ilk bomba 16 temmuz 1945’te New Mexico’da patlatıldı.
Atom bombasının geliştirilmesi ve 1945 Ağustos’unda Japonya’ya karşı kullanılması Atom Çağı’nı başlattı. Kitle imha silahları ile ilgili endişeler Soğuk Savaş döneminde de sürdü. Ve bugünkü silahsızlanma çabalarına kadar gelindi. Ancak Atom Çağı, aynı zamanda nükleer enerjinin, nükleer tıp’taki gibi barışçıl alanda da kullanımını simgelemektedir.
İlk ABD nükleer santrali 1956’da Illinois’te faaliyete geçti. O dönemde nükleer enerjinin ülkedeki geleceği parlak görünüyordu. Ama muhalifler, nükleer santrallerin güvenli olmadığını ve nükleer atıkların asla güvenli bir şekilde saklanamayacağını savunuyorlardı. 1979 yılında Pennsylvania’da Three Mile Adası’ndaki kaza çoğu Amerikalının nükleer enerjiye karşı çıkması sonucunu doğurdu. Nükleer santral inşaatının maliyeti giderek artıyordu ve daha ekonomik olan diğer enerji kaynakları çekici gelmeye başlamıştı. 1970’lerde ve 1980’lerde birçok nükleer santral projesi iptal edildi. ABD’de nükleer enerjinin geleceği halen belirsiz durumdadır.
Bu arada Amerikalı bilim adamları, güneş enerjisi dahil olmak üzere başka enerji kaynakları üzerinde deneysel çalışmalar yapmaktadırlar. Güneş enerjisi ülkenin çoğu bölgesi için bugün pek ekonomik olmamakla beraber son gelişmeler, bu durumun değişebileceğini gösteriyor.
1944 yılında Michigan, Troy’da, Birleşik Güneş Sistemleri’nin Kıdemli Başkan Yardımcısı Subhendu Guha, güneş enerjisi kullanmanın yararları hakkında bilgi veriyordu. Dinleyiciler arasında bulunan bir mimar “Çok çirkin. Kimse evinin üzerinde bunu istemez” dedi. Bunun üzerine Guha, çatıda göğe doğru dik konumda duran güneş pillerine çatı görünümü vermenin çaresini aramaya başladı.
2 yıl sonra Guha montaj fabrikasından çıktığında elinde çatıya monte edilebilen güneş kiremitleri vardı. Bunlar, paslanmaz çelik levhalardan yapılmış, 9 kat silikon, yarı iletken tabaka ve koruyucu plastikle kaplanmıştı. Güneş kiremitleri, çatıcılar tarafından, normal kiremit kaplar gibi yerleştiriliyordu. Ancak elektrik bağlantısı için her bir kiremitten çatıya bir delik delmek gerekiyordu. Guha kiremitlerin, enerji verimi artıp, maliyet düştüğünde, ABD’nin bazı bölgeleri için çok ekonomik bir çözüm olacağına inanıyor. Güneş kiremitleri, Mısır, Meksika ve diğer gelişmekte olan ülkelerde halen kullanılmaktadır. 2002 yılında Birleşik Güneş Sistemleri, Michigan’daki tesislerine dünyaca bilinen en büyük güneş pili ünitesini imal eden makineyi yerleştirdi ve imalat kapasitesini arttırdı.
Güneş enerjisinin bir başka kullanımı da, ABD Enerji Bakanlığı’nın, New Mexico, Albuquerque’deki Ulusal Solar Termal Deneme Tesisleri’nde denenmektedir. Bilim adamları, çok uzaktan otomatik olarak devreye giren motorlarla, eşleştirilmiş parabolik çanaklar kullanarak güneş enerjisi topluyorlar. Gelişmiş Çanak Sistemleri (ADDS) ilk olarak, su pompalama ve köyleri aydınlatmada kullanılmıştı. Söz konusu sistem, ABD’nin Güneybatı bölgelerinde ve gelişmekte olan ülkelerde gelecek vaat etmektedir.
Demokritus adlı bir filozof, bir elmayı örnek vererek atomu ve anlamını açıklamış: Bir elma alın ve onu ikiye bölün. Sonra bu yarım elmalardan birini tekrar ikiye bölün ve böylece sürdürün... Demokritus'a göre, bu şekilde yarım parçaları bölmeye devam ederseniz, sonunda öyle bir an gelecek ki, artık bölemeyeceğiniz kadar küçük bir parça elde edeceksiniz (ama bıçağınız kesemediği için değil, bölmek mümkün olmadığı için!). İşte, bölünmesi olanaksız bu parçaya Demokritus Yunanca'da 'bölünemez" anlamına gelen "atomos" adını vermiş.
Demokritus, bu kavramı ortaya atmış atmasına ama bunu o dönemin diğer bilim adamlarına inandıramamış. Özellikle de dönemin en büyük filozofu Aristo'ya. Zaten Aristo reddedince, bir bildiği vardır diye diğerleri de inanmamış. Hatta Demokritus öldükten yüzyıllar sonra bile kimse atomdan bahsetmemiş.
Ta ki, 2000 yıl kadar sonraya, yani 1800'li yılların başına kadar. Bilim adamları maddenin doğasını anlamaya yönelik çalışmaları sırasında ister istemez bu minik parçacıklarla karşılaşmışlar. İngiliz bilim adamı Dalton, deneyleri sırasında, maddeyi oluşturan ama yapısını tanımlayamadığı bu temel ögelere ilişkin ilk kanıtları elde etmiş. Ondan sonra da keşifler ardı sıra devam etmiş.
Atomun varlığı kanıtlandıktan sonra da, yapısını anlamaya yönelik bir çok kuram ortaya atılmış. Bunlardan ilki J. J. Thomson adlı bir İngiliz fizikçi'den geliyor.
Thomson, 1897 yılında atomun bir parçası olan eksi yüklü elektronları keşfetmiş. Thomson'a göre atomun içinde eksi yüklü elektronları dengeleyecek artı yüklü parçacıklar olması gerekiyordu. Thomson, atomu bir "üzümlü kek"e benzetmişti: Üzümler eksi yüklü elektronlar, kekin diğer kısımları ise artı yüklü madde.
Bundan daha doğru bir modeli, 1911 yılında atomun içinde artı yüklü bir çekirdeğin olması gerektiğini keşfeden Ernest Rutherford geliştirmiş. Rutherford'un atom modeli, Güneş Sistemi'mizin yapısına benziyor. Ortada Güneş, yani artı yüklü çekirdek ve çevresinde dolanan gezegenler, yani eksi yüklü elektronlar. Rutherford'un bu modeline göre çekirdek atomun çok küçük bir parçası: Örneğin atomun boyutunu Dünya kadar büyütsek bile içindeki çekirdek en fazla bir futbol stadyumu kadar kalıyordu. Rutherford daha da
önemli bir adım atarak, çekirdek içinde artı yüklü parçacıkları yani protonları keşfetmiş ve protonların elektronlardan 1836 kez daha ağır
olduğunu bulmuş.
Fakat bu model de bazı kuramsal sorunlar çıkarmış. 1912 yılında Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, bu kuramsal sorunları çözecek bir model oluşturmuş. Bohr'un atom modelinde, yine ortada artı yüklü bir çekirdek, fakat sadece belli yörüngelerde dolanabilen eksi yüklü elektronlar var. Bundan sonraki gelişmeler, Bohr'un atom modelini düzeltmeye yönelik. Bu gelişmelerden biri, çekirdekte artı yüklü proton dışında, yüksüz "nötron" adı verilen parçacıkların da olduğu. Nötronları da 1932 yılında, James Chadwick, kendisinin yaptığı derme çatma bir detektörle keşfetmiş.
Atomun tam bir modelini oluşturmadaki en önemli yöntem, Kuantum Mekaniği adı verilen fizik dalının gelişmesiyle oldu. Bugünkü bilgilerimizin tamamı bu fizik dalının gelişmesiyle elde edildi. Artık bugün atom ve yapısı hakkında epeyce bilgiye sahibiz. Kuantum kuramına göre, atom, artı yüklü bir çekirdek ve etrafında dalga gibi de hareket edebilen elektronların bulutundan oluşan minik bir "nesne"...
