Atomun yapısı

Atom gerçek olmaktan ziyade felsefi bir kavram. Bir fikir. Bu yüzden ilk ortaya çıkışı o kadar küçük bir şeyi görmemizi sağlayacak hiçbir teknolojinin bulunmadığı, günümüzden yaklaşık 2400 yıl öncesine denk geliyor.


mühendishane video
Not: Bu içeriği genişletilmiş haliyle video olarak da izleyebilirsiniz. Dersler başlığı altındaki Temel Malzeme Dersleri video listesine göz atmak için resme tıklayın.


Kökeni Eski Yunan’a dayanan bu fikri şu şekilde tarif edebiliriz: eğer herhangi bir nesneyi kesmeye ya da parçalamaya başlar ve gittikçe daha küçük parçalara ayırırsak, sonunda daha fazla küçültmenin mümkün olmadığı bir boyuta erişiriz. Örneğin bir kaya parçasını havanda dövmeye başladığımızı düşünelim. Kaya parçası dövüldükçe ufalanarak, en sonunda daha fazla küçültmenin mümkün olmadığı, kum zerresi gibi ufacık bir boyuta erişecek. Eski Yunan filozoflari maddenin bu olabilecek en küçük halinin maddenin yapıtaşı olduğunu düşünerek, bu yapıya Yunanca’da kesilemez, bölünemez anlamına gelen atom adını veriyorlar.

Deneysel incelemeden yoksun, tamamıyla felsefi bir kavram olarak ortaya atılmış bu fikrin altının boş olmadığı bugün modern bilimce kanıtlanmış durumda. Yine de atom fikrine soyut bir kavram olarak bakmamız gerek. Çünkü, öncelikle biliyoruz ki, atom da aslında daha ufak parçacıklardan oluşuyor (nötron, proton ve elektron). Hatta bugün bu parçacıklardan daha küçük parçacıkların varlığının da farkındayız. Bu açıdan baktığımızda atom kavramı bir anlamda geçerliliğini kaybetmiş gibi görünüyor olabilir size. Fakat işin aslı biraz farklı. Daha küçük parçacıklar keşfetmiş olmamıza rağmen, neden hâlâ maddenin temel yapıtaşı olarak atomu kabul ettiğimizi açıklamadan önce, biraz atomun yapısından bahsedelim.

Atomun yapısı üzerine tarih boyunca ortaya atılmış birçok fikir bulunuyor. Bu fikirlerin bazılarını lise yıllarınızdan muhtemelen hatırlıyorsunuzdur: Eksi yüklü parçacıkların (elektronlar) artı yüklü kütle içinde sabit durduğu, üzümlü keki andıran Thomson’un tarifi; sonrasında bu parçacıkların kekin üzümleri gibi homojen dağılmadıklarını gösteren Rutherford’un modeli; ve bugün birçoğumuzun kafasındaki atom görüntüsünü tarif eden Danimarkali fizikçi Niels Bohr’un modeli, bu fikirlere birer örnek olarak gösterilebilir.

Günümüzde atoma bakışımız bu modellerden çok farklı ve çok daha karmaşık. Yine de, her ne kadar bilimin modern görüşüyle uyumlu olmasa da, Temel Malzeme Bilgisi konu başlığı altında yukarıda bahsettiğimiz Bohr modelini temel alacağız. Çünkü bu model, günümüzde malzeme biliminde geçerli kabul edilen çoğu fikir ve kuramı anlamamız için gereken altyapıyı bize sunuyor.

Bohr’a göre atom üç temel parçacıktan oluşuyor: artı yüklü proton, eksi yüklü elektron ve artı ya da eksi yükü olmayan (nötr) nötron. Protonlar ve nötronlar kümelenerek atomun çekirdeğini oluşturuyorlar. Eksi yüklü elektronlar ise, güneşin etrafinda dönen gezegenler misali, çekirdeğin etrafında dönüyorlar.

Anlaması kolay, oldukça basit bir tarif. Bohr’a göre doğadaki bütün atomlar temel olarak bu üç parçacığın bileşiminden meydana geliyor. Bu noktada aklımıza şöyle bir soru geliyor olabilir: Peki ama eğer bütün elementler aynı parçacıklardan oluşuyorsa, bir elementi diğerinden farklı kılan bir şey olması lazım?

Elementleri birbirinden ayıran fark, içerdikleri proton sayısı. Her elementin çekirdeğinde farklı sayıda proton bulunuyor. Bir elementin sahip olduğu bu proton sayısına o elementin atom numarası adını veriyoruz. Örneğin, eğer tek bir proton içeren bir atom çekirdeği varsa karşımızda, atom numarası 1 olan hidrojenden bahsediyoruz demektir. Eğer yirmialtı proton kümelenmişse bir çekirdek içinde, karşımızdaki elementin demir olduğunu anlıyoruz. Yetmişdokuz proton varsa, altın.

Biraz da atomların sahip olduğu elektron sayısından bahsedelim.

Bir atom tek başına ele alındığında herhangi bir elektrik yükü içermez. Bu nedenle, bir atomun elektrik yükünü sıfırlayabilmesi için, içeridiği her artı yüklü protona karşı bir elektron içermesi gerekiyor; yani proton sayısına eşit sayıda elektrona sahip olması gerekiyor. Örneğin, yukarıda bahsettiğimiz hidrojen atomu tek bir proton içerdiğine göre, bu artı yükü sıfırlayabilmesi için tek bir elektrona sahip olması yeterli oluyor. Eğer yukarıda sözü geçen yirmialtı protonlu demir atomunu ele alırsak, cevabı basit: yirmialtı elektrona sahip olmalı ki, toplam elektrik yükü sıfırlanabilsin.

Eğer bir atomun sahip olduğu elektron sayısı proton sayısından farklıysa, tahmin edebileceğiniz gibi atom belli bir elektrik yüküne sahip oluyor. Elektrik yüküne sahip bu tür atomlara iyon diyoruz. Elektron sayısı proton sayısından fazla ise, oluşan eksi yüklü iyona, Yunanca ‘yukarı’ anlamına gelen (elektron sayısının fazla olduğunu belirtmek için) anyon adını veriyoruz. Eğer elektron sayısı proton sayısından az ise, oluşan artı yüklü iyona Yunanca ‘aşağı’ anlamına gelen katyon adını veriyoruz.

Atomların sahip olduğu elektron sayısı malzemelerin özelliklerini anlamamız açısından büyük önem taşıyor. Çünkü iki ya da daha fazla atom biraraya geldiğinde birbirleriyle ne tür bir etkileşim içinde olacakları, sahip oldukları elektron sayısı ile belirleniyor. Bu etkileşimlerin doğasından atomlar arası bağlar konu başlığı altında bahsedeceğiz.

Bu kısa tarifin ardından, atomdan daha küçük parçacıklar olduğunu bilmemize rağmen, neden hâlâ atomu malzemelerin temel yapıtaşı olarak kabul ettiğimizi anlamaya başlıyoruz. Atom altı parçacıkları tek başlarına ele aldığımızda, bu parçacıklarda elementleri birbirinden ayırmamızı sağlayacak herhangi bir fark göremiyoruz. Elektron da, proton da, nötron da doğadaki bütün atomlarda yer alıyorlar. Ama bu parçacıkların belli bir sayıda bir araya gelmesiyle ortaya çıkan atomun, doğadaki her element için farklı olduğunu görüyoruz. Bu nedenle, atomdan küçük parçacıklar bulunmasına rağmen atomu tek bir parçacık olarak farz edip, malzemelerin birçok özelliğini anlamak için bu kavramdan faydalanabiliyoruz.


Devamı: