ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 1

ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 1

6 Ekim 2018 0 Yazar: Tuğba YELİZ

Maddenin, bölünemeyecek kadar küçük parçalardan oluştuğu fikri, Milattan önce 400’lü yıllara kadar uzanır. Yunancada “bölünemez” anlamına gelen “atomus” sözcüğünü Demokritos, bu tarihlerde ilk kez ortaya atmıştır. Ancak gelişen teknoloji ile beraber, maddenin en küçük parçasının atom olmadığı, atomun da çok küçük başka parçacıklardan oluştuğu ortaya çıktı. Bu parçacıklara genel olarak “atom altı parçacıklar” diyoruz.

 

Bu yazı dizisinde atom ve özellikleri, atom altı parçacıkların çeşit ve özellikleri, standart model, her şeyin teorisi ve süpersicim teorisi gibi konulara değinmek istedik. Hazırsanız başlayalım.

 

Atom altı parçacıklar çok küçük yapılar ve bunları gözle görmek mümkün değil. Ancak meydana
getirdikleri bazı etkileşimler sayesinde bunların varlığını saptayabiliyoruz. Bazıları ise fiziksel olarak mümkün olan, ancak henüz hiçbir şekilde kanıtlanamamış teorik parçacıklar.

 

Sayılarla ve mucit isimleriyle kafanızı karıştırmak istemediğim için, işin tarih kısmını geçip doğrudan konuya gireceğim.

 

Atom altı parçacıkları anlyabilmek için öncelikle, bir atomun yapısını anlamakla işe başlayalım.

 

ATOM, ELEMENT ve MOLEKÜL ARASINDAKİ FARK

 

Atomlar

Basitçe anlatmak gerekirse atom, bir çekirdek ve onun etrafındaki “olası” yörüngelerde dolanan elektronlardan oluşur (Olası kelimesiyle ne demek istediğimizi birazdan daha detaylı şekilde göreceğiz). Çekirdeğin içerisinde ise protonlar ve nötronlar bulunur.

 

http://dahibatuhan.blogcu.com/proton-elektron-ve-netron-nedir/9093420

 

Az sonra bahsedeceğim özellikler hakkında fikir edinebilmek için önce elektromanyetik alanı anlamaya çalışalım.

 

Elektrik alan, bir elektrik yükünün bir başka yük üzerinde oluşturduğu itme ya da çekme kuvvetidir.

Manyetik alan ise, yüklü parçacıkların hareketi nedeniyle oluşan bir etkidir.

 

Elektromanyetik alan, elektrik alan ve manyetik alanın bir bileşimidir. Bu alanlardan her biri, bileşimi oldukları elektromanyetik alanın yayılma doğrultusuna dik doğrultularda yönlenirler.

Yani bir x-y-z düzleminde, örneğin elektrik alan z doğrultusunda, manyetik alan x doğrultusundaysa, elektromanyetik alan da y doğrultusundadır. Sıralama farklı da olabilir, ama hepsinin birbirine dik olduğunu unutmayalım.

 

 

Atom altı parçacıkların elektromanyetik alandan etkilenmesine neden olan özellik, bu parçacıkların yüküdür. Yüklü bir parçacık, elektromanyetik alan içerisinde sapmaya uğrar. Elektronlar negatif, protonlar pozitif yüklüdür. Nötronlar yüksüz parçacıklardır.

 

Yüklü parçacıklar elektrik alan oluştururlar. Pozitif yüklü bir parçacığın oluşturduğu elektrik alanın yönü merkezden dışarıya doğruyken, negatif bir parçacığın oluşturduğu elektrik alan merkeze doğrudur.

 

 

 

Parçacıkların yüklerinin toplamı atomun da yük yapısını belirler. Bir atomda proton ve elektron sayıları birbirine eşitse, bu atoma nötr atom denir. Bir atomun pozitif ya da negatif yüklü olmasını istiyorsak, o atoma fazladan elektron vermemiz ya da elektronlarının bir kısmını ondan koparmamız gerekir. Tabi bu öyle elimizle yapabileceğimiz basit bir iş değil.

 

Protonlar çekirdeğin içinde olduklarından, yükü değiştirmek için proton eklemek ya da çıkartmak gibi bir lüksümüz yok, çünkü atomun çekirdek yapısını bozabilmek çok büyük miktarda enerji gerektirir. Yıldızların merkezindeki füzyon ya da bazı nükleer silahlarda kullanılan fisyon olayında olduğu gibi…

 

Atomdaki protonların sayısı elektronların sayısından fazlaysa, yani pozitif yükler negatif yüklerden çoksa, bu atoma artık “iyon” denir. Pozitif yüklü iyonlar “katyon” olarak adlandırılır.

 

Atomdaki elektronların sayısı protonların sayısından fazlaysa, yani negatif yükler pozitif yüklerden çoksa, bu atom negatif yüklü bir iyondur. Negatif yüklü iyonlar “anyon” olarak adlandırılır.

 

Moleküller

Birbirine bağlı atomlardan oluşan yapılara molekül diyoruz. Örneğin bir su molekülü, 1 oksijen ve 2 hidrojen atomundan oluşur ve H2O olarak adlandırılır. Bir molekül parçalandığında, farklı maddelere (ya da elementlere) ayrılabilir (Su molekülünü parçaladığımızda oksijen ve hidrojen elementlerini elde edebiliriz)

 

Moleküller su molekülü gibi basit olabileceği gibi;

 

 

şeker molekülü gibi daha karmaşık yapıda da olabilirler:

 

Elementler

Elementler tek tip, yani aynı cins atomlardan oluşan ve kimyasal yollarla kendisinden daha basit ve farklı maddelere ayrılamayan saf maddelerdir. Onları moleküllerden ayıran en önemli fark budur.

Örneğin hidrojen, oksijen, azot birer elementtir.

 

ATOM NUMARASI ve KÜTLE NUMARASI

 

Bir elementin kimliği, sahip olduğu atomlardaki proton sayısıyla belirlenir. Örneğin 8 protona sahip atomlar, oksijen elementini, 28 protona sahip atomlar nikel elementini oluşturur… Proton sayısı aynı zamanda, bir elementin atom numarasıdır. Örneğin oksijenin atom numarası 8’dir, çünkü oksijenin 8 adet protonu vardır.

 

Proton ve nötron sayılarının toplamı, aynı zamanda bir elementin kütle numarasıdır. Proton sayısından dolayı atom numarası 8 olan oksijenin, proton ve nötron sayılarının toplamından dolayı kütle numarası 16’dır.

 

İZOTOPLUK ve ALLOTROPLUK

 

Bazı ilginç durumlar olabilir. Örneğin normal bir karbon atomunun çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunur (toplamları 12). Ancak bazı karbon atomlarında proton sayısı 6 olsa da nötron sayısı 8 olabilir (toplamları 14). Bu durumda karbon-12 normal bir elementken, karbon-14 onun bir “izotop“udur.

Yani proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan atomlar, izotop atomlardır.

 

Bir elementin farklı formları ise onun “allotrop“larıdır. Örneğin elmas ve grafit, karbonun allotroplarıdır. Temelde aynı elementten, yani karbondan oluştukları halde, bu karbon atomlarının birbirlerine bağlanmaları farklı şekillerde olur.

 

Elmasın içerisindeki karbon atomlarının bağ yapısı, sembolik olarak aşağıdaki gibiyken;

 

https://www.physics-in-a-nutshell.com/img/content/solid-state-physics/diamond-tetrahedrical-structure.svg

 

grafitin içerisindeki karbon atomlarının bağ yapısı, sembolik olarak aşağıdaki gibidir;

 

http://exchangedownloads.smarttech.com/public/content/da/da6a5429-5736-427c-8a24-24aea59d8f24/previews/medium/0001.png

 

Bu da sonuç olarak dış görünüşlerinde farklılık olarak ortaya çıkar.

 

http://www.jckonline.com/sites/default/files/blogs/2013/12/alrosa-235.jpg

http://www.mta.gov.tr/v3.0/sayfalar/bilgi-merkezi/endustriyel-hammaddeler/grafit.jpg

 

Özetle izotopluk atomik boyuttaki bir farkken, allotropluk element boyutunda bir farktır.

 

PERİYODİK TABLO

 

Periyodik tablo olarak bildiğimiz sıralama, elementlerin çeşitli özelliklerine göre düzenlenmiş bir tablodur.

 

https://bikifi.com/wp-content/uploads/periyodik-cetvel-detayli.png

 

 

Tablonun çeşitli versiyonları olmakla birlikte, genel olarak tabloda elementlerin atom numarası, kütle numarası, atomun toplam kütlesini gösteren atom kütlesi gibi özellikler bulunur.

 

 

Şimdi yavaş yavaş atom altı parçacıkların dünyasına giriş yapalım.

 

ELEKTRONLAR

 

Elektronların negatif (-) yüklü parçacıklar olduğunu ve atom etrafında “olası” yörüngelerde dolandıklarını belirtmiştik. Olası kelimesinden kastımızın ne olduğunu açıklayalım.

 

Gezegenler için kullandığımız yörünge kelimesi, bahsi geçen gezegenin, Güneş etrafında 1 tam tur atarken bulunacağı konumları anlatır. Bu konumlar bellidir. Gözlemlerle izlenebilirler. Hesaplarla bulunabilirler. Ancak atom altı parçacıklar için bu tür kavramlar genellikle net değildir.

 

Bir elektronun yörüngesi dediğimiz zaman, o elektronun belirli bir zamanda, belirli bir yerde bulunacağına dair kesin bir şey söyleyemeyiz. Yalnızca, elektronun atomun etrafındaki belli hacimsel bölgelerde bulunma olasılığından bahsedebiliriz.

 

Aslında elektronlar, atom çevresinde yalnızca belirli “enerji seviyelerinde” bulunabilirler. Bu bölgelere yörünge diyoruz, ancak kimyada bunlar “orbital” adıyla anılırlar.

 

BİRAZ DAHA DETAY İSTEYENLER İÇİN DETAY MODU: AÇIK

 

Elektronlara ilişkin bazı özelliklerden bahsetmeden geçmek istemedim. Bunlar fizik ve kimya konularında
alt yapısı olmayanlar için karışık ve can sıkıcı olabilir. Fazla detaya girmek istemeyenler bu bölümü geçebilirler. Ancak burada anlatacağım özellikler aslında yıldızların içerisinde olup bitenlerle doğrudan ilişkili. Bu nedenle yavaş yavaş ve gerekirse baştan alarak okursanız anlayacağınızı düşünüyorum.

 

1- Baş Kuantum Sayısı (n)

Orbitalin büyüklüğünü, yani elektronların çekirdeğe olan ortalama uzaklığını tanımlayan bir sayıdır. n harfiyle gösterilir, 1’den başlar ve tam sayılarla ifade edilir. Örneğin n=2’ye ait bir yörünge, n=1 yörüngesinden daha büyüktür. Baş kuantum sayısı enerjiyi belirler. n ne kadar büyükse enerji de
o kadar fazladır.

 

Aynı baş kuantum sayısına sahip orbitallere kabuk (ya da katman) denir. Yani kabuklar aslında, yukarıda bahsi geçen enerji seviyeleridir ve çekirdeğe en yakından başlayıp sırasıyla K, L, M, N, O gibi büyük harflerle ya da 1, 2 , 3 gibi tam sayılarla gösterilirler.

 

2- Açısal Momentum Kuantum Sayısı (l)

Orbitaller bazı küçük harflerle simgelenir. Bunlar, atom çekirdeğine en yakınından başlayarak, en uzağa doğru sıralarsak s, p, d, f harfleridir.

Açısal momentum kuantum sayısı, orbitalin türünü verir. 0’dan başlar ve tam sayı olarak (n-1)’e kadar devam eder.

 

l = 0 ise orbital s orbitalidir.
l = 1 ise orbital p orbitalidir.
l = 2 ise orbital d orbitalidir.
l = 3 ise orbital f orbitalidir… gibi

 

s orbitalleri küreseldir. En fazla 2 elektron bulundurabilirler. Çekirdekten uzaklaştıkça orbitalin çapı ve enerjisi artar.

 

 

p orbitallerinin, çekirdeğin merkezinden geçen bir simetri ekseni bulunur. İkinci ve/veya daha yüksek temel enerji düzeylerinde bulunur (Yani atomda n = 2’den itibaren görülür). Bu orbitalin sahip olabileceği en fazla elektron sayısı 6’dır.

 

 

d orbitalleri farklı görünüm ve yönelimlere sahip olabilir. Üçüncü ve/veya daha yüksek temel enerji düzeylerinde bulunur (Yani atomda n = 3’ten itibaren görülür). Sahip olabileceği en fazla elektron sayısı 10’dur.

 

 

f orbitalleri dördüncü ve/veya daha yüksek temel enerji düzeylerinde bulunur (Yani atomda n = 4’ten itibaren görülür). Sahip olabileceği en fazla elektron sayısı 14’tür.

 

 

3- Manyetik Kuantum Sayısı (ml)

Orbitallerin uzayda yönlenmesini belirleyen bir özelliktir. -l ile +l arasında değerler alır. Örneğin l = 3 için manyetik kuantum sayıları -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3’tür.

 

4- Spin Kuantum Sayısı (s)

Elektronların kendi eksenleri etrafındaki dönme hareketine spin diyoruz. Spin kuantum sayısı +1/2 ya da -1/2 olabilir. Pozitif spin yukarı, negatif spin aşağı yönlüdür:

 

http://www.quantum-field-theory.net/wp-content/uploads/2014/05/spin-quantum-number.png

 

Bir orbitalin içerisinde en fazla 2 elektron olabilir. Bunlardan biri mutlaka aşağı, diğeri mutlaka yukarı yönlü spinlere sahiptir. Tabi ki normal şartlarda…

 

Yukarıda mesela p orbitali 6 elektrona sahip olabilir yazdım. Şimdi ise bir orbitalde 2 elektron olabilir yazıyorum. Bu sizi yanıltmasın. Adına toplu olarak p orbitali desek de, bu aslında px, py ve pz olmak üzere 3 orbitalin bileşimidir (Yukarıdaki resimde de dikkatinizi çekmiştir).

 

d ve f orbitalleri de aynı şekilde 5 ve 7 tane alt katmana ayrılmıştır. Bu nedenle toplamda 10 ve 14
elektron alırlar.

 

Elektronların Orbitallere Yerleşimi

 

Aşağıdaki şekil, elektronların orbitallere yerleşirken hangi sırayı izlediğini gösterir:

 

http://www.kimyaevi.org/TR/Genel/BelgeGoster.aspx?F6E10F8892433CFF8DF7C92FCA5B4D050237E47896F8AFCF

 

En solda gördüğünüz n’ler, atomun etrafındaki orbital, yani yörüngelerin baş kuantum sayıları, yani enerji seviyeleri.

 

Orta kısımda gördüğünüz 1s, 2s, 3p gibi ifadelere gelelim. Örneğin 1s ifadesi bize, atomun etrafındaki 1. enerji seviyesindeki s orbitalini, 4p ifadesi 4. enerji seviyesindeki p orbitalini ifade ediyor.

 

En sağdaki yuvarlaklar, yanlarında yazılan orbitallerin kaç elektron alabileceğini gösteriyor. Her yuvarlağın içine 2 elektron sığıyor. Böylece 1S’nin yanındaki 1 yuvarlak, 1. enerji seviyesinin s orbitalinin 2 elektrona sahip olabileceğini, aynı şekilde mesela 3d’nin yanındaki 5 yuvarlak 3. enerji seviyesinin d orbitalinin 10 elektrona sahip olabileceğini gösteriyor.

 

En soldaki ve ortadaki iki bölüm arasında gördüğünüz renkli çizgiler, elektronların orbitalleri doldurma sırasını gösteriyor. Aşağıdan yukarıya doğru renkli çizgileri basamak basamak takip edin. Öncelikle 1s orbitaline 2 elektron yerleşecek ve bu enerji seviyesi, alabileceği maksimum elektrona sahip olduktan sonra, elektronlar sırasıyla 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p… şeklinde tüm orbitalleri doldurmaya başlayacaklar. Tabi hangisinin ne kadar dolacağı, söz konusu atomda kaç elektron bulunduğuna bağlı olacak.

 

Örneğin 1 elektronu olan bir atomdan bahsediyorsak, elektron uyartılmış durumda değilse (buna sonra değineceğiz), yalnızca 1s orbitaline 1 elektron yerleşecek demektir. Fakat mesela 25 elektronlu bir atomdan bahsediyorsak, 3d orbitalinin 3. yuvarlağına kadar hepsi dolacak ve 3. yuvarlağa da 1 elektron yerleşecek demektir.

 

DETAY MODU: KAPALI

Kafanız karıştıysa bu son derece normal. Bunları ezberlemek ya da aklınıza tutmak zorunda değilsiniz. Detayları merak edenler için yazmış olsam da, detayları bilmek istemeyenler şu kadarını bilse yeter: Atomların içerisindeki parçacıkların bazı karakteristik özellikleri vardır ve bu özellikler, yıldızlarda olup bitenleri belirleyen özelliklerdir.

 

Örneğin bir yıldızın merkezinde bir elementin başka bir elemente (hidrojenin helyuma) dönüşmesi, bir beyaz cücenin içerisinde bulunan maddede, orbitallerin normalde olmaması gereken şekillerde dolması nedeniyle bu maddenin dejenere olması gibi durumlar, atomların ve atom altı parçacıkların bu özelliklerinin birer sonucudur.

 

Hund Kuralı

 

Elimizde px, py ve pz orbitallerine sahip bir atom olduğunu düşünelim. Bunların her birine normalde 2’şer elektronun sığdığını söylemiştik. Ancak bu elektronlar şu sıraya bunlara 2’şer 2’şer dolmak yerine şöyle bir sıra izlerler: Önce px’e 1 tane, sonra py’ye ve en son da pz’ye 1’er tane. Bu arada ayrı ayrı orbitallere yerleşen bu elektronların hepsinin spini aynı yönlü olur.

 

Ardından tekrar başa dönerek px’e 2. elektron, py ve pz’ye de 2. elektronlar yerleşir. Bunlar da ilk yerleşenlerin tersi yönde spine sahip olurlar. İşte özetini verdiğimiz bu kurala Hund kuralı adı verilir.

 

https://muhendishane.org/wp-content/uploads/2013/01/ey03.png

 

Pauli Dışarlama Prensibi

 

Bazı kaynaklarda dışlama prensibi olarak da geçen bu ilkenin özeti şudur: Fermiyonların, yukarıda saydığımız 4 tane kuantum sayısının tamamı aynı anda birbirine eşit olamaz. Zaten fermiyonların tanımı da aslında budur: Bunlar, belirtilen zamanda sadece bir kuantum durumuna karşılık gelebilen parçacıklardır. Bir atom içerisindeki elektronlar gibi…

 

Bu özellik, yukarıda bahsi geçen periyodik tablonun oluşturulmasında da önemli rol oynamıştır.

 

Peki, bu kural çiğnenirse ne olur?  Bu durumda madde, “dejenere madde” dediğimiz bir hale dönüşür ki, bu madde beyaz cüceler, nötron yıldızları gibi çok yoğun ve sıkışık ortamlarda karşımıza çıkar. Yıldızlardaki bu madde, “ideal gaz” dediğimiz gazın uyduğu yasalara uymaz ve farklı özellikler gösterir. Bu nedenle bunlara ilişkin hesaplamalar da ideal gaz yasaları ve Maxwell hız dağılımı üzerinden değil, farklı hesaplamalarla ve Fermi – Dirac hız dağılımına uygun şekilde yapılır.

 

Uyartılma ve İyonlaşma

 

Elektronlara ilişkin bilinmesi gereken konulardan biri de, bir elektronun bulunduğu enerji seviyelerinden başka enerji seviyelerine de geçebilecekleri, hatta atomdan kopabilecekleri ve başka atomlar tarafından yakalanabilecekleridir.

 

Bir sonraki yazımızda bunu ve başka bazı özellikleri incelemek üzere şimdilik hoşça kalın.

 

2. bölümü beklerken, derin uzay fotoğraflarının nasıl çekildiğini öğrenmek için bu yazımıza göz atmak isteyebilirsiniz.

 

Kapak görseli
https://cosmos-images2.imgix.net/file/spina/photo/14771/Tweeze.jpg?ixlib=rails-2.1.4&auto=format&ch=Width%2CDPR&fit=max&w=835