ATOM

            

Atom, bir maddenin özellikleri değiştirmeden bölüne bileceği en küçük parçasıdır. Atomlar çok kez molekül adı verilen grup halinde bulunurlar.

Elimizle dokunduğumuz, gözümüzle gördüğümüz her şey atomlardan yapılmıştır. Ancak, bu atomlar son derece küçük oludklarından, ne mikroskopla görülebilirler nede varlıkları tek tek farkedebilir. Bu yüzden, bilginler atomların varlığını yapılarını ancak özel usullerle inceleyebilirler.

ATOM, MOLEKÜL VE ELAMAN

            Bir bardak suya bir kaşık şeker koyup iyiye karıştıralım çok geçmeden şeker erir suyun içinde büsbütün kaybolur. Şekeri artık gözle göremeyiz ama genede suyun içinde koyduğum yerde durduğunu biliriz. Suyu büsbütün buharlaştıracak olursak şeker gene meydana çıkar.

          
  Bunun nedeni şudur: Şeker suda eriyince milyonlarca küçük zerreciğe ayrılır. Demekki şeker gözle görülmeyecek kadar küçük zerreciklerden oluşmuştur. İşte bu küçük zerreciklere molekül adı verilir.

            Bütün cisimler molekül denen bu küçük zerreciklerden yapılmıştır. Moleküller de atomların birleşmesinden meydana gelir. Şekerin suda erimesi şeker moleküllerini hiçbir zaman bozmaz.

            Şimdi, bir başka deney daha yapalım. Bir kaşık şekeri maden bir kap içinde ocağa koyalım. Şeker suda önce erir sonra kararıp simsiyah bir renk alır. Suda eriyen şekeri gene eski durumuna getirebilmiştik. Oysa bu kez şekerin yanmasıyla meydana gelen kara maddeyi eski haline getiremeyiz. Çünkü şekeri bu şekilde kavurmakla onun moleküllerini daha küçük parçalara bölmüş oluruz. Yanma sırasında bu küçük parçalardan bir kısmı da uçup gider. Kapta kalan kısım ise karbondur. Karbon molekülünü artık başka bir maddeye çevirmeye imkan yoktur. Çünkü karbon bir elemandır.

Bir elemanın atomu başka bir elamanın atomuna benzemez. Her atomun kendine özgü bir özelliği vardır. Bütün maddelerin molekülleri atomların birleşmesiyle meydana gelir.

Bilginler maddeleri bu şekilde parçalayarak 100 kadar elaman bulmuşlardır. Moleküller elemanlardan meydana geldiğine göre elamanların moleküllerden daha küçük zerreciklerden yapılmış olması gerekir. İşte atomlar bu elemanları meydana getiren zerreciklerdir.

ATOMLARIN BÜYÜKLÜĞÜ

Varlıkları ancak bilimsel deneylerle anlaşılan atomlar akıl almayacak kadar küçüktür. Atomların büyüklükleri cinslerine göre değişir. Örneğin; hidrojen atomu en küçük atomdur. Yanyana konmuş 10.000.000 hidrojen atomunun uzunluğu 1 mm ancak olur. En küçük atomlardan biri olan uranyum atomunun çapı ise hidrojeninkinden 4 kat daha büyüktür.

Bir damla suda 33 milyar defa milyar molekül vardır. Bu moleküller hidrojen ile oksijen elemanlarından yapılmıştır. Her molekülde ikisi hidrojen biri oksijen olmak üzere 3 atom vardır. Öyleyse bir damla su 100 milyar defa milyar atomdan meydana gelmiş demektir.

ATOMLARIN HAREKETİ

Maddeyi meydana getiren atomlar sürekli olarak hareket ederler. Genel olarak atomların titreşim hızı saniyede 400 metre kadardır. Bu hız sıcaklıkla ilgilidir. Sıcaklık azaldıkça atomların hızı da azalır. –273 derece de büsbütün durur. Bu ısı derecesine saltık sıfır (mutlak sıfır) denir.

ATOMUN YAPISI

Bir atom ilk bakışta güneş sistemine benzer. Dünya ile gezegenler güneşin cevresinde nasıl dönerlerse atomlarda bir çekirdeğin çevresinde dönen elektronlardan meydana gelmişlerdir.

Elektronlar çekirdeğin çevresinde inannılmaz bir hızla dönerler. Hidrojen atomunda elektron dönüş hızı saniyede 2000 km dir. Bir atomdaki elektronların sayısı ile bunların yörüngesinin durumu atomun cinsini meydana getirir.

Şimdi bir atomu meydana getiren öğeleri kısaca inceleyelim.

1-ELEKTRON: Atom çekirdeğinin çevresinde dönen negatif elektrik yüklü zerreciklerdir. Atomdaki elektron sayısı elemanın cinsine göre değişir. Elektronların sayısı ne kadar çok olursa olsun çekirdeğin çevresindeki büyük dönüş hızlarına rağmen ne birbirlerine çarparlar ne de çekirdeğe atom çekirdeğindeki her protona karşılık bir elektron vardır. En hafif atom olan hidrojenin; 1, heyumun; 2, oksijeninde 8 elektronu vardır. En hafif olan hidrojen atomunda elektronların ağırlığı atomun ağırlığının 1/1840’ ı kadardır.

2-PROTON : Atomun çekirdeğini meydana getiren öğelerden biridir. Elektronların tersine proton pozitif elektirik yüklü bir zerreciktir. Ağırlığı; elektronunkinden 1840 kat daha çoktur. Yalnız taşıdığı elektrik yükünün oranı elektronunkiyle aynıdır. Atomların cinslerine göre çekirdeklerindeki proton sayısıda değişir.

3-NEUTRON : Hiç elektirik yükü olmayan zerreciklere denir. Atomların çoğunun çekirdeklerinde neutronlar vardır. Ağırlıkları protonunkinden biraz daha çoktur. Neytronların sayısı da atomun cinsine göre değişir. Serbest neutronlar atomları bombardıman etmek bakımından çok yararlıdırlar.

ATOMUN DİĞER PARÇALARI

Atomun, değişik durumlarda ortaya çıkan  bir çok parçacıkları vardır ki, başlıcaları şunlardır :

Positon. – Pozitif elektrik yüklü elektronlardır. Kozmik ışınlardan, negatif elektrik yüklü elektronlarla birlikte bulunurlar.  Aynı zamanda, atom zerrecikleriyle bombardıman edline kimi elemanlardan da positon çıkar. Bir positonun hayatı, en çok saniyenin milyarda biri kadardır. Çünkü, zıt yüklü elektron, positonu çeker. Bu çekme sonunda, her iki zerrecikte yok olur. Bunların kütlesi ise, enerjiye dönüşür.

Meson. – İlk  kez kozmik ışınlarda keşfedilmiştir. Mesonlar, sonradan yapay olarak da elde edilmiştir. İki tür meson vardır : “Pi – meson” ile “Mu – meson”. Her türünün ağırlığı elektronlarınkinin 200 katından daha çoktur. Pozitif, yada negatif elektrik yüklü olabilirler. Megatif eletrik yüklü bir pi – meson pozitif elektrik yüklü atom çekirdeğine yaklaşırsa çekirdek onu emer. Bunun sonucu olarak da çekirdek patlar. Pi – mesonların ömrü saniyenin iki yüz milyonda kadar ancak sürer. Pi – mesonlar, bu kısa hayatlarının sonunda, mu – meson haline gelirler. Mu – mesonların ömrü de saniyenin iki milyonda biri kadardır.

Neutrino. – Bunlar elektrik bakımından nötrdürler; ağırlıkları yoktur. Varlıkları, ancak kurumsal olarak bilinmektedir.

Deuteron. – Bir protonla bir neutrondan oluşmuş, pozitif elektrik yüklü zerreciklerdir. Ağır hidrojen çekirdeğini meydana getirirler. Bu yüden, ağır hidrojene “deuteriom” da denir.

Triton. – Tritium (hidrojen isotopu), nun çekirdeğine denir. Kütlesdi, deuterondan bir fazlasıyla, üçtür. Triton zerrecikleri tabiatta bulunmaz ancak yapay olarak yapılabilirler.

Alfa zerrecikleri. – Radyum gibi radyoaktif atomlar çevrelerine alfa zerrecikleri saçarlar. Bir alfa zerreciğinde iki protonla iki neutron bulunur. Bunlar helyum çekirdeğinin aynıdır.

Gamma ışınları. – Bunlara “foton”da denir. Radyoaktif atomların parçalanması sonucunda çevreye yayılırlar. Bir atom bombasının patlamasından meydana gelen öldürücü ışınlar gamma ışınlarıdır. X ışınlarına benzeyen gamma ışınlarının bir cisim içine girme yetenekleri çok yüksektir. Yüksek enerjili gamma ışınları, bir metre kadar kalınlıktaki demire, yada betona bile etki yapabilirler

ATOM AĞIRLIĞI

Çeşitli atomlardaki protonlarla neutronların sayısına “atom sayısı” ve “atom ağırlığı” denir. Bir atom sayısı, o atomda ne kadar proton, yada elektron bulunduğunu gösterir. Böylece, o atomun hangi elemanının atomu olduğu anlaşılır. Kimi elemanların neutron sayısı değişik olduğundan, bir elemanın birden fazla atom ağırlığı olabilir.

ISITOP NEDİR

Bir elemanın ağırlıkça değişik olan atom çeşitlerine, o elemanın “isotop”u denir. İsotoplara, bir bakıma, “atom kardeşler” demek yerinde olur. Çünkü, bunlar aynı elemanın ağırlıkça değişik olan atomlarından başka bir şey değildir. Örneğin, hidrojenin isotopları, ağır hidrojen (deuterium)’le, çok ağır hidrojen (tritium’dur).

Bir elemanın bütün isotopları aynı atom sayısını taşırlar. Oysa, çeşitli atom ağırlıkları, elemanın çeşitli isotoplarını gösterirler. Atom ağılığı elemanın simgesinin sağ üst başına, atom sayısı ise sol alt yanına yazılır. Örneğin, helyumun atom ağırlığıyla atom sayısının yazılışı şöyledir : ₂He⁴.

Atom çekirdeğinde her protona karşılık, bir elektron vardır. Neutronlar ise böyle bir kurala bağlı değillerdir. Bir elemanın isotopunda, proton sayısından çok neutron bulunur. Elektronlar atom çekirdeğinin çevresinde aynı yörüngede dönmezler. Elemanın atom sayısı arttıkça, çekirdek çevresinde dönen elektronlar da birbirinde ayrı tabakalar meydana getirirler.

Bunlar bir soğanın tabakaları gibi, birbiri üstüne kat kat sıralanmışlardır. Çekirdeğe en yakın tabakada, genellikle, iki elektron bulunur. Üç elektronlu lityumun üçüncü elektronu, ikinci tabakada döner. Berilyumun ikinci tabakasında ise iki elektron vardır.

Atomlardaki elektron tabakaları da belirli bir sayıda olur. En ağı elemanlarla yedi tabaka vardır. İlk tabakadaki elektron sayısı her zaman 2’dir. Bilginler, bu tabakaları belirtmek için, K’ den Q’ ya kadar olan harfleri kullanırlar.

ATOMUN İÇİNDEKİ BOŞLUK

10 milyon hidrojen atomunun ancak bir milimetrelik bir uzunlukta olduğunu söylemiştik.

Bu kadar küçük bir atomun çekirdeği, ancak atom çapının 10.000’ de biri kadardır. Bir atomun çekirdeğiyle elektronları arasında, atom ölçülerine göre, çok muazzam bir boşluk vardır. Bu bakımdan, en ağırları da içinde olmak üzere, bütün maddelerin büyük bir kısmı, boşluktan ibarettir.

Bir atom çekirdeğinin bir futbol topu büyüklüğünde olduğunu düşünürsek, elektronları, bunun çevresinde çapı 5 km. genişlikte bir çember üzerinde döner. Atomlardaki boşluk oranı bu denli büyük olduğuna göre, maddelerin de aynı orandaki bir kısmı boşluktan ibaret demektir. Yalnız, muazzam bir enerji taşıyan atom çekirdeğinin, çevresinde dönen elektronlar üzerinde büyük bir çekim gücü vardır.

Öte yandan elektronların ağırlığı yok sayılacak kadar  az olduğundan, atomun bütün kütlesi ile ağırlığı çekirdeğinde sayılır. Yani, elemanlara, dolayısıyla da maddeye ağırlığı veren, asıl atomun çekirdeğidir.

Atomlardaki bu boşluk olmasaydı, her şey inanılmaz derecede küçülürdü. Örneğin, bir insanı meydana getiren atomların insana asıl ağırlığını veren çekirdeklerini bir araya getirmek elde olsa, insan gözle görülemeyecek kadar küçük bir zerre haline gelirdi. Ağırlığı gene o insanın ağırlığına eşit olan bir zerre!

ATOMUN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Şimdiye kadar atomun yalnız fiziksel özelliklerine değindik. Şimdi atomu, birde kimyasal bakımdan inceleyelim :

Atomların kimyasal özellikleri taşıdıkları proton sayısıyla dış tabakalardaki elektronların durumuna bağlıdır. Bu elektronlar başak bir atomun elektronlar ile yer değiştirebilir, yada onların yörüngesini paylaşabilirlerse, atom aralarında bir çekme kuvveti doğar. Bu kuvvet iki atomu bir arada tutar. İşte molekül bu sayede meydana gelir. Helyum, argom gibi kimi elemanlarının protonları başka elektronlarla birleşmezler.

Bu gün sayısı yüzü aşkın eleman bilinmektedir. Bunların bin kadar da isotopu bulunmuştur. Bu isotopların çoğu radyoaktiftir.

Atomlarda 1’den 102’ye kadar elektron, gene 1’den 102’ye kadar da proton bulunabilir. Bir atomdaki protonların sayısı, onun atom sayısını gösterir. Başka bir deyişle, elemanların sıra numaraları, onların atomlarındaki proton sayısına eşittir. (Bk. eleman).

Elemanların atom ağırlıkları, birim kabul edilen bir atomun ağırlığına oranla tayin edilen ağırlıklarıdır.

Atom ağırlığı birimi olarak, oksijenin atom ağırlığı kabul edilmiştir. Öteki elemanların atom ağırlıkları ise, oksijenin atom ağırlığına 16’ya oranlanarak, deney yoluyla bulunmuştur.

1951 yılında uluslar arası bir kurum bir atom ağırlıkları tablosu tespit etmiştir. Bu listede 102 eleman vardır. Bunlardan birkaç tanesi tabiatta bulunmaz. Tabiatta bulunmayan bu elemanlar, atomların başkalaştırılmaları yoluyla elde edilmişlerdir.

ATOM ENERJİSİ

Atom enerjisi dünyanın da, hayatın da kaynağıdır, diyebiliriz. Çünkü, çevremizde neye baksak, bu enerjinin bir başka biçimde belirmiş örneğini görürüz. Bu enerji nereden geliyor?

Dünyamızdan 150.000.000 kilometre uzakta, orta büyüklükte bir yıldız vardır : Güneş… En az iki milyar yıldan beri, dünyayı hemen hemen hiç değişmeyen bir ışıkta, ısıyla besleyen Güneş, muazzam bir enerji kaynağıdır. Güneşin, daha milyonlarca yıl dünyayı aynı şekilde enerjiyle besleyeceği hesaplanmıştır.

Güneşteki bu bitmez tükenmez gücün kaynağı, atom enerjisidir. Güneşte bir saniyede meydana gelen enerji, 500.000.000.000.000.000.000.000 (beş yüz sikstilyon, yani “beş yüz milyar defa bin milyar”) beygir gücüdür.

Atom enerjisi, atom çekirdeğinden serbest bırakılan enerji demektir. Atom çekirdeğinin ikiye bölünmesi (fisyon) olayında, iki ayrı atom meydana gelir bölünen atomun çekirdeğinin kütlesinden bir kısmı enerji haline dönüşür. Bu bakımdan, “atom enerjisi” deyimi yerine, “nükleer enerji” (atom çekirdeği enerjisi) deyimi de kullanılır.

Nükleer enerji kimyasal bir işlem sırasında meydana gelen enerjiden çok büyüktür. Örneğin, kömürün yanmasını ele alalım. Bir ocakta kömürü yaktığımız zaman, sıcaklığı veren şey, kimyasal bir olaydır. Bu olay sonunda, kömürdeki 1 karbon atomu, 2 oksijen atomu ile birleşerek, 1 karbon dioksit atomu meydana getirir. Oysa, 1 karbon atomunun çekirdeği parçalanacak olursa (fisyon), yanma sırasında çıkan sıcaklığın 3 milyon katı sıcaklık verir. Kömür, yada karbondaki nükleer enerjiden yararlanmanın yolu daha bulunamamıştır. Bu alanda, başta İngiltere olmak üzere, bir çok ülkelerde araştırmalar, deneyler yapılmaktadır. Karbonun nükleer enerjisinden yararlanma yolu bulunduğu zaman dünyanın gittikçe artmakta olan enerji darlığı geniş ölçüde giderilecektir.

ATOM ARAŞTIRMALARININ KISA BİR TARİHÇESİ

Leukippos ile Demokritos  gidi Eski Yunan filozofları, daha bundan binlerce yıl önce, maddelerin “atom” adını verdikleri bölünmez, parçalanmaz zerreciklerden meydana geldiğini ileri sürmüşlerdi. Yalnız, bu kuramlar fizikten çok, felsefe doktrinleri niteliğindeydi. Atom üzerindeki bu düşünceler iki bin yılı aşkın bir süreyle unutulup gitti.

Atom kuramı’nı ilk kez bugünküne yakın bir anlayışla ortaya koyan ise İngiliz kimya bilgini Jonh Dalton oldu (Bk. Dalton).

Dalton’un 1803 yılında ortaya attığı atom kuramının ana hatları şunlardı :

1 – Bütün elemanlar atomdan yapılmıştır.

2 – Aynı elemanın atomları büyüklük, ağırlık başka özellikleri bakımından birbirine benzerler

3 – Atomlar yok edilemez, parçalanamaz, yoktan var edilemezler

4 – Başka başka elemanların atomları birleşerek, molekülleri meydana getirirler.

Dalton, aynı zamanda hem kendi kurduğu teoriye, hem de yaptığı deneylere dayanarak, elemanların atom ağırlıklarını da tespit etti. Ancak bu alandaki çalışmalar ilerledikçe, Dalton’un kuramında bir takım yanlışlıklar olduğu da meydana çıktı. Örneğin, belirli bir elemanın atomlarının kimyasal özellikleri aynı olsa bile, ağırlıkları değişik olabilir. Bu gün atomları parçalayarak yeni atomlar meydana getirmek olanağı da bulunmuştur.

Dalton’dan sonra atom alanındaki çalışmalara daha büyük bir hızla ilerlemeye başladı. 1896 yılında, Fransız bilgini Henri Becquerel (1852 – 1908) doğal radyoaktivite keşfetti. 1903 yılında Nobel Fizik Armağanı’nı kazanan bu bilgin, uranyumun yaydığı ışınımları dikkate çekerek, bunun radyoaktivite olduğunu belirtmişti. 1898 yılında da Marie ve Pierre Curie radyomu buldular (Bk. Curie). 1900’de, Alman bilgini Max Planck (1858 – 1947) Quantum Teorisi’ni ortaya attı (Bk. Quantum Teorisi). 1905 yılında ise büyük kuramsal fizik bilgini Albert Einstein, İzafiyet (Relativite) Teorisi’ni ortaya atarak E = mc² formülünü buldu; atom enerjisinin büyüklüğünü belirtti.

Atomun yapısı üzerinde en önemli buluşlarını yapanlardan biri de İngiliz bilgini Ernest Rutheford (1871 – 1937)’dur. Rutheford 1904 yılında Alfa zerreciklerini keşfetti; 1911’de de atom çekirdeği kuramını ortaya attı. Atomların bir çekirdekle, bu çekirdeğin çevresinde dönen elektronlardan ibaret olduğunu ileri sürdü; atomların ilk özelliklerini keşfetti.

Atomla ilgili çalışmaların gelişmesini belirten öbür önemli tarihler de şunlardır :

1912 – İsotop Teorisi, Frederick Solddy (İngiltere).

1913 – Atom Yapısı Teorisi, Niels Bohr (Danimarka).

1919 – İlk Yapay Atom Praçalanışı (Rutheford azot atomunun çekirdeğini parçaladı).

1926 – Dalga Mekaniği Teorisi, Ervin Scheodinger (Almanya).

1928 – Quantun Mekaniği Teorisi, P. A. Dirac (İngiltere).

1931 – İlk Kiklotron, E. A. O. Lavrence (A. B. D.).

1932 – Deoteriumun keşfi, Harold Urey (A. B. D.).

1933 – Yapay Radyoaktivitenin Keşfi, Frederik ve Irene Joloit – Curie (Fransız).

1935 – U. 235’in Keşfi, A. J. Demspster (A. B. D.)

1938 – Uranyum Parçalanışı, Otto Hahn ve Fritz Strassmnn (Almanya)

1940 – İlk Detatronun  Yapılması, D. W. Kerst (A. B. D.).

1934 – U. 239, Leptunyum ve Plutonyum Yapıldı, Enrico Fermi (Roma, Colombia ve Chicago Üniversiteleri).

1942 – İlk Atom Pili Yapıldı, Enrico Fermi (Chicago Üniversitesi).

1945 – İlk Atom Bombası Patlatıldı (A. B. D.).

1949 – Sovyetler Birliği’nde Atom Bombası Patlatıldı.

1952 – Hidrojen Bombası Patlatıldı.