Atom Dünyasına Kısa Bir Bakış

Atom dünyasına kısa bir bakış

İnsanlar,maddenin en küçük parçasını her zaman merak etmişlerdirBilimin ve teknolojinin gelişmemiş olduğu dönemlerde bile bu konuyu felsefe çerçevesinde ele almışlardıMaddenin parçalı yapıda olduğuna ilişkin ilk görüşün,MÖ 5yüzyılda Leukippos ve Demokritos tarafından ileri sürüldüğü biliniyorBu iki filozof,maddenin en küçük parçasına ‘bölünmemiş’ anlamına gelen atomos adını verdilerBir elementin bütün kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük birimi olduğu ve bölünebilirliliği ancak 20yüzyılda anlaşılmıştır Leukippos ve Demokritos’un görüşleri 200 yıl sonra Epikuros tarafından benimsendi

Onun düşünceleri de Romalı şair Lucretius’un MÖ Birinci yüzyılda yazdığı Evrenin yapısı adlı yapıtıyla sonraki kuşaklara aktarıldı Leukippos, bu kitabında maddenin gözle görülemez atomlardan oluştuğunu,maddedeki tüm değişmelerin atom gruplaşmalarındaki değişmelerden başka bir şey olmadığını ve nesne özelliklerinin atomların boyut ve biçimlerindeki farklılıklardan kaynaklandığını ileri sürmüştüAncak ortaçağda bilimsel düşüncenin gerilemesi ile birlikte atomcu yaklaşım da unutulduYüzyıllar sonra Bruno,Bacon ve Descartes gibi düşünürler konuyu yeniden ele aldılar17yüzyılda Galilei,Newton,Boyle ve Huygens gibi bilim adamları da atomcu görüşü dile getirdiler
*

Nihayet 1808 yılında John Dalton,bütün elementlerin,ağırlığı ve bütün öbür özellikleri bakımından özdeş olan çok küçük ve bölünemez parçacıklardan oluştuğunu öne sürdüAslında bu konuya bulunduğu katkı,atomların göreli büyüklükleri,karakterleri ve bir araya geliş süreçleri üzerine düşünmekti Hidrojenin en hafif element olduğunu bildiği için ona bir değerinde atom ağırlığı vermiştiBu şekilde diğer bilinen elementlere de verdiği değerlerin bir kısmı yanlıştıAma atom fikrini modern çağa taşıyan kişi oldu
Avogadro’nun gazların molekül yapısına ilişkin varsayımları,Mendeleyev’in periyodik tabloyu düzenlemesi ve çeşitli bilim adamlarının katkıları ile ışığın dalga kuramının kanıtlanması,atomcu yaklaşımı destekliyordu

1900’lü yıllara gelindiğinde artık atomların varlığı herkes tarafından kabul edilmiştiGene de şüphe edenler vardıÖrneğin ses hızına adını veren Ernst Mach bile atomların sadece düşünceden ibaret olduğunu ileri sürüyordu
Birbiri ardına atomun yapısına ilişkin modeller geliştirildi

1902 yılında Lord Kelvin tarafından önerilen,sonra JThomson’ca geliştirilen modele göre,atom,çok küçük çaplı bir küre biçimindedirBu küre,düzgün olarak dağılmış artı yüklerden oluşurElektronlar da tıpkı üzümlü bir kekteki üzüm taneleri gibi bu yapının içine gömülüdür JThomson,elektronu da bulan kişidir

Gene de atomun kaç parçadan oluştuğu,bu parçaların nasıl bir araya geldiği tam olarak bilinmiyorduBazı fizikçiler atomların küp şeklinde olabileceği görüşündeydiZira geometrik olarak küpler,alan kaybına yol açmadan bir araya gelebilirlerdi
1904 yılında Japon fizikçi Hantaro Nagoka’nın önerdiği modelde ise,artı yük atomun merkezinde yoğunlaşmıştırElektronlar,bu merkezin çevresinde Güneş’in gezegenleri gibi dönerlerBu görüş yanlış olmasına rağmen bugün bile bazı kaynaklar tarafından kullanılmaktadırBugün biliyoruz ki elektronlar yörüngede dolanan gezegenlere benzemezDaha çok fırıldak gibi dönen bir pervanenin kanatlarını andırırBu kanatlar yörüngeleri içindeki her yeri aynı anda doldururAslında arada bir fark vardırBir pervanenin kanatları her yeri birden doldururmuş gibi görünürElektronlar ise gerçekten doldurur

1911 yılında Rutherford,alfa parçacıklarının ince bir altın levhadan doğrultularını değiştirmeden geçip gittiklerini gözlerken bir kısmının geliş doğrultuları ile büyük açılar yapacak şekilde saçıldığını gördüHatta bazıları yön değiştirip kaynağa geri dönüyorduAlfa parçacıklarının kütleleri,elektronların kütlesinden yaklaşık 7000 kat fazladır ve artı yüklü parçacıklardır Rutherford,bu kadar büyük itme etkisinin sadece artı yüklü ve büyük kütleli bir hedefin,yani çekirdeğin varlığı ile açıklanabileceğini düşündüArtı yüklü çekirdeğin yükünü dengeleyen eksi yüklü elektronların, çekirdek çevresinde dairesel yörüngelerde dolandıklarını öngördüBu durumda atomun çok büyük kısmı boşluktur, alfa parçacıkları bu nedenle doğrultularını değiştirmeden geçip gitmişlerdiAncak bu modelin,elektromagnetik kuramıyla çelişen önemli yanlışlıkları vardıHem çekirdeğin hem de yörüngede dolaşan elektronun,yani atomun kararlı yapısını açıklayamıyordu

Rutherford’un bulgusu hiçbir elektronun bir çekirdek etrafında çarpışmaksızın nasıl döndüğünü de açıklayamıyorduDönmekte olan bir elektronun enerjisini çabucak tüketmesi ve çekirdeğe düşüp hem kendisini hem de çekirdeği yok etmesi gibi bir düşünceye yol açıyorduBir diğer sorun da protonların pozitif elektrik yükleriyle birlikte nasıl olup ta kendilerini ve atomun geri kalan kısmını patlatmadan çekirdeğin içinde kalabildiğiydi
*
Rutherford’un atom modelindeki sorun 1913 yılında Niels Bohr tarafından çözüldü
Uzun süredir kafaları meşgul eden bir problem,hidrojenin dalga boylarının spektrospik ölçümleriyle ilgiliydiHidrojen atomlarının belli dalga boylarında enerji salıp,bazılarında salmadığı gözlenmiştiTakip edilen bir kişinin belli noktalarda durmadan ortada gözükmesi,ama bu noktalar arasında gidip gelirken kimseye görünmemesi gibi tuhaf bir durumdu

Bohr,modelinde kuvantum kuramını kullanmıştıBu modelde elektronların özellikleri bir dizi olanaklı değerler cinsinden ifade edilirAtomun, ışının soğurması ya da ışınım salması,ancak elektronların durağan hallerinin birinden ötekine sıçramasıyla gerçekleşirBohr öncesi modellerde atom,küçük pozitif yüklü ve ağır bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde dolanan elektronlardan oluşuyorduBu yörüngelerin yarıçapları herhangi bir değerde olabilirdiBohr,bu modelleri, hidrojen atomlarının saldığı ışığın tayfındaki çizgilerin oluşturduğu düzenli seri ile uyumlu olacak şekilde değiştirdi

Elektronların hareketini belirli yarıçapları olan bir dizi dairesel yörüngeyle sınırladıElektronların nasıl olup ta çekirdeğe düşmediğine,sadece belli bazı tanımlı yörüngeleri işgal ettikleri şeklinde açıklama getiriyorduYörüngeler arasında hareket eden bir elektron,yörüngelerin birinde ortadan kayboluyor ve aradaki boşluğa uğramadan hemen bir diğer yörüngede yeniden ortaya çıkıyorduBöylece elektronlar çekirdeğe düşmüyorlardıElektronların sadece belli bazı yörüngelerde ortaya çıkmalarının nedeni,sadece belli bazı yörüngelerde var olabilmeleridir

Hidrojen atomlarındaki ışık,ancak bir elektron bir dış yörüngeden çekirdeğe daha yakın bir iç yörüngeye atladığı zaman yayılıyorduBu hızlı geçiş sırasında elektronun kaybettiği enerji,yayılan ışık kuvantumunun enerjisine tam olarak eşittir
*
Ancak atom çekirdeğinin yapısı henüz tam çözüme ulaşmış değildiÖrneğin neden patlamıyordu? Rutherford,çekirdeklerin nötrleştirici özelliğe sahip bazı parçacıklar tarafından dengelendiğini anlamış ve bunlara nötron adını vermiştiNötronların varlığı 1932 yılında James Chadwick tarafından kanıtlandı

Karşı karşıya kalınan daha temel bir sorun,elektronun bazen parçacık,bazen de dalga gibi davranmasıydıFransa’da Prens Louis-Victor de Broglie, elektronları dalgalar olarak ele aldığımızda,elektron davranışındaki bazı anormalliklerin ortadan kalktığını bulduBu gözlem Erwin Schrödinger’i etkiledi

Çalışmaları sonucu dalga mekaniği olarak adlandırılan bir sistem geliştirdiHemen hemen aynı zamanda Werner Heisenberg de matris mekaniği denilen alternatif bir kuram öne sürdü1926 yılında Heisenberg,kuvantum mekaniği adıyla anılacak olan yeni bir disiplin ürettiBu kuramın özünde,elektronun bir parçacık olduğunu,ama dalgalar bağlamında tanımlanabilen bir parçacık olduğunu söyleyen Heisenberg Belirsizlik İlkesi yatarBir elektronun boşlukta hareket ederken izlediği yolu bilebilirizVeya onun belli bir anda nerede olduğunu bilebilirizAma ikisini birden bilemeyizBunlardan birini ölçme çabası, öbürünü değiştirirBu sorun kullanılan araçlarla ilgili değildir,evrenin bir özelliğidirOlayın pratik anlamı,bir elektronun belli bir anda nerede olacağının tahmin edilemeyeceğidirSadece belli bir yerde olma olasılıkları sayılabilirŞu halde bir elektron gözlemlenene dek var olamazVeya bir elektrona gözlemlenene dek,aynı anda her yerde varmış ve hiçbir yerde yokmuş gözüyle bakılmalıdır
*
Atomların oluşturduğu en temel birim,küçük kütle anlamındaki bir Latince sözcükten üretilen moleküldürMolekül deyince az veya çok dengeli bir birlik içinde bulunan iki ya da daha fazla atom anlarızBütün evreni göz önünde tutacak olursak,molekül sayısının ne denli çok olduğunu algılamak gerçekten zor bir iştirDeniz seviyesinde ve sıfır derecede bir santimetre küp,yani bir küp şeker hacmindeki hava,45 milyar kere milyar molekül içerirBu sayıdaki molekül,bizim etrafımızdaki her santimetre küp içinde vardırGiderek tüm dünyamızda ve evrenin tümünde de vardırBu,işin molekül yönüBir de atomların sayısı düşünülürse,mesele gerçekten ürperticidir

Atomlar aynı zamanda çok dayanıklıdırBir insanın sahip olduğu herbir atom,o insana gelene kadar pekala birkaç yıldızdan geçmiş olabilir Hele,geçmişte milyonlarca organizmanın parçası olduğu kesindirHerbir insanın atom sayısı o kadar fazladır ki,bunların önemli kısmı büyük ihtimalle eskiden yaşamış olan ünlü bir şahsiyete aittiHer insan ölünce atomları dağılırHerbiri başka bir oluşum içinde yer alırÖmürleri ise,bir bilim adamının hesabına göre 10 üzeri 35 yıldır

*
Atomların ne denli küçük olduğu da algılarımızı zorlayan bir başka konudurYarım milyon atom yanyana dizilse bile bir insan tüyünün arkasına rahatça saklanabilirBir milimetrenin binde birine bir mikron denirMikroskopik canlıların boyutu hemen hemen bu kadardırTerliksi adı verilmiş olan bir mikroorganizma iki mikron boyutundadırBu canlı belli ki çok küçüktürOnu bir damla su içinde yüzerken çıplak gözle görmek istiyorsak,damlayı büyütmek ve çapını 12 metreye yükseltmek zorunda kalırızAynı damladaki atomları görmek istersek,damlanın çapını 24 kilometreye yükseltmemiz gerekirŞu halde bir atomun ölçeği,bir milimetrenin on milyonda biri kadardırBu sayıyı gözümüzün önüne getirmek oldukça zordurAma bir atomu bir milimetre ile karşılaştırmak istersek,bir toplu iğne ile bir gökdeleni karşılaştırmaya benzetebiliriz

*
Bugünkü bilgilerimizle atom konusuna genel olarak ve kısaca bakacak olursak,her atomun üç temel parçacıktan oluştuğunu görürüzPozitif elektrik yüklü protonlar,negatif elektrik yüklü elektronlar ve hiç elektrik yükü taşımayan nötronlarProtonlar ve nötronlar çekirdeğin içindedirElektronlar ise çekirdek dışında dönerlerElektronlar,Güneş’in etrafında dolanan gezegenler gibi çekirdek etrafında dönmezlerDaha çok biçimsiz bulutları andırırlarBir atomun kabuğu sert bir kılıf değildir,bulanık elektronlar bulutunun en dış çeperidirBu bulutun kendisi, elektronun içinde dolandığı alanı belirleyen bir istatistiksel olasılık bölgesidir

Bir atoma kimyasal kimliğini proton sayısı verirProton sayısı,o elementin atom numarasıdırTek protonlu bir atom,hidrojen atomudurÇift protonlu bir atom,helyumdurÜç protonlu bir atom,lityumdur,vbProton sayısı her arttığında yeni bir element elde edilirBir atomdaki proton sayısı her zaman eşit sayıda elektronla dengelendiği için bazı kaynaklarda bir elementi tanımlayan özelliğin, elektron sayısı olduğu da söylenirNötronlar bir atomun kimliğini etkilemezAma kütlesine katkıda bulunurNötron sayısı genellikle proton sayısıyla aynıdırAma bu sayı bazen oynarBu durumda,yani atoma nötron eklenmesinde izotop oluşur

Başka bir deyişle,nötronların sayısı değişebilir,atom numarası aynı olduğu halde değişik sayıda nötron içeren atomlara o elementin izotopları denirBir çekirdeğin yarıçapı,atom yarıçapının 1/10000’ni kadardırAma bu çekirdek olabildiğince yoğundur,öyle ki,atom ağırlığının hemen hemen tümünü içerirBir atomu gökdelen büyüklüğüne dek genişletirsek çekirdek bir sinek büyüklüğünde kalır,ama gökdelenin binlerce misli ağırlığında olurAtomların büyük bölümünü boşluğun oluşturduğu ve etrafımızda algıladığımız yoğunluğun bir yanılsama olduğu oldukça çarpıcıdırİki cisim bir araya geldiği zaman aslında birbirine çarpmaz

Örneğin iki bilardo topunun negatif elektrik yüklü alanları birbirini iterBir sandalye üzerine oturduğumuzda,aslında sandalyenin hemen üzerinde santimetrenin yüzmilyonda biri kadar yükseklikte asılı kalırızZira bizim elektronlarımız ile sandalyenin elektronları,yakın bir temasa karşı koyarlar

Nötron ve protonların toplam sayısı,bir elementin atom kütle sayısını verir
Çekirdeğin kararlı bir bütün olmasını sağlayan iki ayrı kuvvet vardır1-Çekirdek kuvveti,çekme özelliği gösterir ve hem nötronlar hem de protonlar arasında rol oynar2-Elektrostatik kuvvet,sadece protonlar arasında vardır Protonlar benzer yükler taşıdığı için bu kuvvet itme özelliklidirHer elektron eksi elektrik yükü taşıdığından,tümü protonlardaki artı yükleri dengeler,bu nedenle atom, elektrik yükü açısından nötrdürBir atomun, artı yüklerinden daha çok ya da daha az sayıda elektronu bulunabilirBöyle eksi veya artı yüklü atomlara iyon denir

KAYNAKLAR:
A Short History of Nearly Everything
AnaBritannica