Atom

Tarih

"Atom" kelimesi Yunanca (ἀτόμος) "atomos", bölünmez, (ἀ)-, değil ve τόμος, kesik kelimelerinden gelmektedir. Atom kelimesinin tarihsel olarak ilk geçtiği yer Yunan filozof Democritus'un M.Ö. 400'lerde yazdığı eserlerdir. Atom teorisi, 1650'lerde kimyanın gelişmesine kadar, pek fazla gerçek bilimsel araştırma veya çalışma yapılmadan, çoğunlukla felsefi bir konu olarak kaldı.

1777 yılında Fransız kimyager Antoine Lavoisier element terimini ilk kez tanımladı. Bir elementin, kimya yöntemleriyle başka maddelere parçalanamayan herhangi bir temel madde olduğunu söyledi. Parçalanabilen her madde bir bileşikti.

1803 yılında İngiliz filozof John Dalton, elementlerin atomlardan oluşan küçük, katı toplar olduğunu öne sürdü. Dalton, aynı elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip olduğuna inanıyordu. Birden fazla elementin atomları birleştiğinde bileşiklerin oluştuğunu söyledi. Dalton'a göre, belirli bir bileşikte, bileşiğin elementlerinin atomları her zaman aynı şekilde birleşir.

1827 yılında İngiliz bilim adamı Robert Brown mikroskobu altında sudaki polen tanelerine baktı. Polen taneleri sallanıyor gibi görünüyordu. Brown, Dalton'un atom teorisini kullanarak taneciklerin hareket biçimlerini tanımladı. Buna brownian hareketi adı verildi. 1905 yılında Albert Einstein, rastgele gibi görünen hareketlerin atomların reaksiyonlarından kaynaklandığını kanıtlamak için matematiği kullandı ve bunu yaparak atomun varlığını kesin olarak kanıtladı. 1869 yılında Rus bilim adamı Dmitri Mendeleev periyodik tablonun ilk versiyonunu yayınladı. Periyodik tablo elementleri atom numaralarına (kaç protona sahip olduklarına) göre gruplandırır. Bu genellikle elektron sayısı ile aynıdır). Aynı sütundaki veya periyottaki elementler genellikle benzer özelliklere sahiptir. Örneğin, helyum, neon, argon, kripton ve ksenon aynı sütunda yer alır ve çok benzer özelliklere sahiptir. Tüm bu elementler rengi ve kokusu olmayan gazlardır. Ayrıca, bileşikler oluşturmak için diğer atomlarla birleşemezler. Birlikte soy gazlar olarak bilinirler.

Fizikçi J.J. Thomson elektronları keşfeden ilk kişidir. Bu olay, 1897 yılında katot ışınları üzerinde çalışırken gerçekleşmiştir. Protonlar (pozitif) ve nötronlardan (yüksüz) farklı olarak negatif yüke sahip olduklarını fark etti. Thomson, atomun erikli puding gibi olduğunu belirten erikli puding modelini yarattı: kurutulmuş meyve (elektronlar) bir puding kütlesinin (protonlar) içinde sıkışmıştı. 1909 yılında Ernest Rutherford adlı bir bilim adamı Geiger-Marsden deneyini kullanarak atomun büyük bir kısmının atom çekirdeği adı verilen çok küçük bir alanda bulunduğunu kanıtladı. Rutherford bir fotoğraf plakası aldı ve onu altın folyo ile kapladı ve sonra ona alfa parçacıkları (birbirine yapışmış iki proton ve iki nötrondan oluşan) attı. Parçacıkların çoğu altın folyodan geçti ve bu da atomların çoğunlukla boş alan olduğunu kanıtladı. Elektronlar o kadar küçüktür ki bir atomun kütlesinin yalnızca %1'ini oluştururlar.

1913 yılında Niels Bohr, Bohr modelini tanıttı. Bu model, elektronların çekirdeğin etrafında sabit dairesel yörüngelerde hareket ettiğini gösterdi. Bu, Rutherford modelinden daha doğruydu. Ancak yine de tamamen doğru değildi. Bohr modelinde ilk tanıtıldığından bu yana iyileştirmeler yapıldı.

1925 yılında kimyager Frederick Soddy, periyodik tablodaki bazı elementlerin birden fazla atom türüne sahip olduğunu keşfetti. Örneğin, 2 protonlu herhangi bir atomun helyum atomu olması gerekir. Genellikle, bir helyum çekirdeği ayrıca iki nötron içerir. Ancak bazı helyum atomlarında sadece bir nötron bulunur. Bu da onların gerçekten helyum olduğu anlamına gelir, çünkü bir element proton sayısına göre tanımlanır, ancak bunlar normal helyum da değildir. Soddy, nötron sayısı farklı olan bu tür atomlara izotop adını vermiştir. İzotopun adını bulmak için çekirdeğinde kaç proton ve nötron olduğuna bakarız ve bunu elementin adına ekleriz. Yani iki proton ve bir nötronu olan bir helyum atomuna helyum-3, altı proton ve altı nötronu olan bir karbon atomuna ise karbon-12 denir. Ancak Soddy teorisini geliştirdiğinde nötronların gerçekten var olduğundan emin olamamıştır. Gerçek olduklarını kanıtlamak için fizikçi James Chadwick ve diğerlerinden oluşan bir ekip kütle spektrometresini yarattı. Kütle spektrometresi aslında tek tek atomların kütlesini ve ağırlığını ölçer. Chadwick bunu yaparak atomun tüm ağırlığını açıklamak için nötronların var olması gerektiğini kanıtladı.

1937 yılında Alman kimyager Otto Hahn, bir laboratuvarda nükleer fisyonu yaratan ilk kişi oldu. Bunu, yeni bir izotop yaratma umuduyla bir uranyum atomuna nötron atarken tesadüfen keşfetti. Ancak uranyumun yeni bir izotop yerine uranyumdan daha küçük bir atom olan baryum atomuna dönüştüğünü fark etti. Görünüşe göre, Hahn uranyum atomunu "kırmıştı". Bu, dünyanın kaydedilen ilk nükleer fisyon reaksiyonuydu. Bu keşif sonunda atom bombasının yaratılmasına yol açtı.

20. yüzyılın ilerleyen dönemlerinde fizikçiler atomun gizemlerini daha da derinlemesine araştırdılar. Parçacık hızlandırıcıları kullanarak proton ve nötronların aslında kuark adı verilen başka parçacıklardan oluştuğunu keşfettiler.

Şimdiye kadarki en doğru model Schrödinger denkleminden gelmektedir. Schrödinger elektronların çekirdeğin etrafında elektron bulutu adı verilen bir bulut içinde bulunduğunu fark etmiştir. Elektron bulutunda, elektronların tam olarak nerede olduğunu bilmek imkansızdır. Schrödinger denklemi, bir elektronun nerede olma olasılığının yüksek olduğunu bulmak için kullanılır. Bu bölgeye elektronun yörüngesi denir.

Ernest Rutherford

Yapı ve parçalar

Parçalar

Karmaşık atom üç ana parçacıktan oluşur; proton, nötron ve elektron. Hidrojen izotopu Hidrojen-1'de nötron yoktur, sadece bir proton ve bir elektron vardır. Pozitif bir hidrojen iyonunda elektron yoktur, sadece bir proton ve bir nötron vardır. Bu iki örnek, diğer tüm atomların en az bir proton, bir nötron ve bir elektrona sahip olduğu kuralının bilinen tek istisnasıdır.

Elektronlar üç atomik parçacık arasında açık ara en küçük olanıdır, kütleleri ve boyutları mevcut teknoloji kullanılarak ölçülemeyecek kadar küçüktür. Negatif yüke sahiptirler. Protonlar ve nötronlar birbirlerine benzer boyut ve ağırlıktadır, protonlar pozitif yüklüdür ve nötronların yükü yoktur. Çoğu atom nötr yüke sahiptir; proton (pozitif) ve elektron (negatif) sayısı aynı olduğu için yükler sıfıra eşittir. Ancak iyonlarda (farklı sayıda elektron) durum her zaman böyle değildir ve pozitif ya da negatif yüke sahip olabilirler. Protonlar ve nötronlar iki tür kuarktan oluşur; yukarı kuarklar ve aşağı kuarklar. Bir proton iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan, bir nötron ise iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşur.

Nucleus

Çekirdek bir atomun ortasındadır. Proton ve nötronlardan oluşur. Genellikle doğada, aynı yüke sahip iki şey birbirini iter veya birbirinden uzaklaşır. Bu yüzden uzun bir süre boyunca çekirdekteki pozitif yüklü protonların nasıl bir arada kaldığı bilim insanları için bir gizemdi. Bunu gluon adı verilen bir parçacık bularak çözdüler. Adı tutkal kelimesinden gelir, çünkü gluonlar atomik tutkal gibi davranarak güçlü nükleer kuvveti kullanarak protonları birbirine yapıştırır. Proton ve nötronları oluşturan kuarkları da bir arada tutan bu kuvvettir.

Protonlara oranla nötron sayısı, çekirdeğin kararlı olup olmadığını ya da radyoaktif bozunmaya uğrayıp uğramadığını belirler. Çok fazla nötron veya proton olduğunda, atom fazladan parçacıklardan kurtularak sayıları aynı hale getirmeye çalışır. Bunu alfa, beta veya gama bozunumu şeklinde radyasyon yayarak yapar. Çekirdekler başka yollarla da değişebilir. Nükleer fisyon, çekirdeğin iki küçük çekirdeğe bölünerek çok miktarda depolanmış enerjiyi serbest bırakmasıdır. Bu enerji salınımı, nükleer fizyonu bomba ve nükleer güç şeklinde elektrik yapımında faydalı kılan şeydir. Çekirdeklerin değişebilmesinin diğer bir yolu da iki çekirdeğin birleşerek ya da kaynaşarak daha ağır bir çekirdek oluşturması olan nükleer füzyondur. Bu süreç, aynı yüke sahip oldukları için protonlar arasındaki elektrostatik itmenin üstesinden gelmek için aşırı miktarda enerji gerektirir. Bu tür yüksek enerjiler en çok Güneşimiz gibi yakıt için hidrojen kaynaştıran yıldızlarda yaygındır.

Elektronlar

Elektronlar çekirdeğin yörüngesinde veya etrafında dolanır. Bunlara atomun elektron bulutu denir. Elektromanyetik kuvvet nedeniyle çekirdeğe doğru çekilirler. Elektronlar negatif yüke sahiptir ve çekirdek her zaman pozitif yüke sahiptir, bu yüzden birbirlerini çekerler. Çekirdeğin etrafında, bazı elektronlar diğerlerinden daha uzakta, farklı katmanlar halindedir. Bunlara elektron kabukları denir. Çoğu atomda ilk kabukta iki elektron vardır ve bundan sonraki tüm kabuklarda sekiz elektron bulunur. İstisnalar nadirdir, ancak olurlar ve tahmin edilmesi zordur. Elektron çekirdekten ne kadar uzakta olursa, çekirdeğin elektron üzerindeki etkisi de o kadar zayıf olur. Bu nedenle daha fazla elektrona sahip daha büyük atomlar diğer atomlarla daha kolay reaksiyona girer. Çekirdeğin elektromanyetizması elektronlarını tutacak kadar güçlü değildir ve atomlar daha küçük atomların güçlü çekimine karşı elektronlarını kaybederler.

Nükleer füzyondaki ana zorluğu, pozitif yüklere sahip protonların bir araya gelmeye zorlandıklarında birbirlerini itmeleri gerçeğini gösteren bir diyagram.

Radyoaktif bozunma

Bazı elementler ve birçok izotop, kararsız çekirdek olarak adlandırılan bir yapıya sahiptir. Bu, çekirdeğin ya kendini bir arada tutamayacak kadar büyük olduğu ya da çok fazla proton veya nötrona sahip olduğu anlamına gelir. Bu olduğunda çekirdek fazla kütle ya da parçacıklardan kurtulmak zorundadır. Bunu radyasyon yoluyla yapar. Bunu yapan bir atom radyoaktif olarak adlandırılabilir. Kararsız atomlar, kararlı hale gelecek kadar kütle/partikül kaybedene kadar radyoaktif olmaya devam eder. Atom numarası 82'nin (82 proton, kurşun) üzerindeki tüm atomlar radyoaktiftir.

Üç ana radyoaktif bozunma türü vardır; alfa, beta ve gama.

• Alfa bozunumu, atomun iki proton ve iki nötrona sahip bir parçacık fırlatmasıdır. Bu aslında bir helyum çekirdeğidir. Sonuç, atom numarası öncekinden iki daha az olan bir elementtir. Örneğin bir berilyum atomu (atom numarası 4) alfa bozunmasına uğrarsa helyuma (atom numarası 2) dönüşür. Alfa bozunumu, bir atom çok büyük olduğunda ve bir miktar kütleden kurtulması gerektiğinde gerçekleşir.
• Beta bozunumu, bir nötronun bir protona ya da bir protonun bir nötrona dönüşmesidir. İlk durumda atom bir elektron fırlatır. İkinci durumda ise bir pozitron (elektron gibi ama pozitif yüklü). Sonuçta atom numarası öncekinden bir yüksek ya da bir düşük olan bir element oluşur. Beta bozunumu, bir atomun ya çok fazla protonu ya da çok fazla nötronu olduğunda gerçekleşir.
• Gama bozunması, bir atomun gama ışını ya da dalgası yaymasıdır. Çekirdeğin enerjisinde bir değişiklik olduğunda gerçekleşir. Bu genellikle bir çekirdeğin alfa veya beta bozunumundan geçmesinden sonra olur. Atomun kütlesinde, atom numarasında ya da atomda bir değişiklik olmaz, sadece çekirdeğin içindeki depolanmış enerjide değişiklik olur.

Her radyoaktif element veya izotopun bir yarılanma ömrü vardır. Bu, o türden herhangi bir atom örneğinin yarısının, farklı bir kararlı izotop veya element haline gelene kadar bozunmasının ne kadar sürdüğüdür. Büyük atomlar veya proton ve nötron sayıları arasında büyük fark olan izotoplar bu nedenle uzun bir yarı ömre sahip olacaktır, çünkü kararlı hale gelmek için daha fazla nötron kaybetmeleri gerekir.

Marie Curie radyasyonun ilk formunu keşfetti. Elementi buldu ve ona radyum adını verdi. Aynı zamanda Nobel Ödülü'nü alan ilk kadın oldu.

Frederick Soddy, radyum bozunurken neler olduğunu gözlemlemek için bir deney yaptı. Bir ampulün içine bir örnek yerleştirdi ve bozunmasını bekledi. Ampulde aniden helyum (2 proton ve 2 nötron içeren) ortaya çıktı ve bu deneyden bu tür radyasyonun pozitif bir yüke sahip olduğunu keşfetti.

James Chadwick, farklı radyoaktif izotop türlerinin bozunma ürünlerini gözlemleyerek nötronu keşfetti. Chadwick, elementlerin atom numarasının atomun toplam atom kütlesinden daha düşük olduğunu fark etti. Fazladan kütlenin nedeninin elektronlar olamayacağı sonucuna vardı, çünkü elektronlar neredeyse hiç kütleye sahip değillerdi.

Enrico Fermi, nötronları uranyuma ateşlemek için kullandı. Uranyumun normalden çok daha hızlı bozunduğunu ve çok sayıda alfa ve beta parçacığı ürettiğini keşfetti. Ayrıca uranyumun hesperium adını verdiği yeni bir elemente dönüştüğüne inanıyordu.

Otto Hanh ve Fritz Strassmann, yeni element hesperiumun gerçekten yaratılıp yaratılmadığını görmek için Fermi'nin deneyini tekrarladılar. Fermi'nin gözlemlemediği iki yeni şey keşfettiler. Çok fazla nötron kullanıldığında atomun çekirdeği bölünerek çok fazla ısı enerjisi üretiyordu. Ayrıca uranyumun fisyon ürünleri zaten keşfedilmişti: toryum, paladyum, radyum, radon ve kurşun.

Fermi daha sonra bir uranyum atomunun parçalanmasının daha fazla nötron fırlattığını ve bunların da diğer atomları parçalayarak zincirleme reaksiyonlar yarattığını fark etti. Bu sürecin nükleer fisyon olarak adlandırıldığını ve büyük miktarlarda ısı enerjisi yaratabileceğini fark etti.

Fermi'nin bu keşfi, 'Trinity' kod adlı ilk nükleer bombanın geliştirilmesine yol açtı.