Atom Numarası, Kütle Numarası ve İzotoplar

Atomlar içerdikleri proton ve nötron sayıları ile tanımlanabilirler. Bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan protonların sayısına atom numarası (Z) denir. Nötür bir atomda protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Bu nedenle, atom numarası aynı zamanda atomda bulunan elektron sayısını da gösterir. Bir atomun kimyasal kimliği sadece atom numarası ile belirlenebilir. Örneğin, azotun atom numarası 7 dir; bu da nötür bir azot atomunun 7 tane proton ve 7 tane elektronu olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, evrende 7 tane proton içeren atomların hepsinin adı “azot”tur.

Kütle numarası (A) bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton ve nötronların sayısının toplamıdır. Bir proton içeren, nötronu bulunmayan ve en yaygın olarak rastlanan hidrojenin dışında, tüm atomların çekirdeklerinde hem protonlar hem de nötronlar vardır. Genel olarak kütle numarası aşağıdaki gibi tanımlanabilir:

kütle numarası = proton sayısı + nötron sayısı

kütle numarası = atom numarası + nötron sayısı

Bir atomda bulunan nötronların sayısı, kütle numarası ile atom numarasının farkına eşittir (A – Z). Örneğin florun kütle numarası 19, atom numarası 9 dur (çekirdekte 9 tane proton vardır); buna göre bir flor atomundaki nötron sayısı 19 – 9 = 10 dur. Bu değerlerin (atom numarası, nötron sayısı ve kütle numarası) artı ve tam sayılı olduğuna dikkat ediniz.

Çoğu zaman belli bir elementin atomlarının tümü aynı kütleye sahip değildir. Atom numaraları aynı, ancak kütle numaraları farklı olan atomlara izotop adı verilir. Örneğin, hidrojenin Uç izotopu vardır. Hidrojen olarak bilinen birinci izotopun bir tane protonu vardır ve nötronu yoktur. Döteryum izotopunun bir tane protonu ve bir tane nötronu, trityumun ise bir tane protonu ve iki tane nötronu vardır. Bir X elementinin atomunun atom numarası ve kütle numarası aşağıdaki gibi gösterilir.

Böylece, hidrojenin izotoplarını gösterirken,

Kütle numaraları 235 ve 238 olan uranyumun yaygın olan iki izotopu diğer bir örnek tir.

Birinci izotop atom bombalan ve nükleer reaktörlerde kullanılır, halbuki ikinci izotop bu uygulamalar için gereken özellikleri içermez. Hidrojen dışında, elementlerin farklı izotopları kütle numaraları ile tanımlanır. Buna göre yukarıdaki uranyum izotopları, uranyum-235 (uranyum iki yüz otuz beş) ve uranyum-238 (uranyum iki yüz otuz sekiz) olarak adlandırılır.

Bir elementin kimyasal özelliklerini atomlarındaki protonlar ve elektronlar belirler: normal koşullarda nötronlar kimyasal değişimlerde rol oynamazlar. Bu nedenle, bir elementin izotoplarının kimyasal özellikleri aynıdır, yani kimyasal etkinlikleri ve oluşturdukları bileşik türleri aynıdır.

Nötron

Rutherford’un atom yapısı modeli önemli bir sorunu çözümsüz bırakıyordu. Rutherford’un zamanında, en basit atom olan hidrojenin bir tane proton, helyum atomunun ise iki tane proton içerdiği biliniyordu. Bu nedenle, helyum atomunun kütlesinin hidrojen atomunun kütlesine oranı 2:1 olmalıydı. Oysa gerçekte bu oran 4:1 idi.

Şekil 1. Atomun protonları ve nötronları çok küçük bir çekirdeğe doluşmuşlardır. Elektronlar çekirdeğin etrafında bulutlar şeklinde gösterilmiştir.

Rutherford ve diğer araştırmacılar atom çekirdeğinde, diğer bir atom altı tanecik bulunması gerektiğini düşündüler. Bunun kanıtı 1932 de İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından sağlandı. Chadvvick ince bir berilyum levhasını a tanecikleri ile bombardıman ettiğinde, berilyum metali a ışınlarına benzeyen çok yüksek enerjili ışınlar yayımladı. Daha sonraki deneyler, bu ışınların protonun kütlesinden biraz daha büyiik bir kütleye sahip, elektrik yükü taşımayan nötür taneciklerden oluştuğunu gösterdi. Chadwick bu taneciklere nötron adını verdi.

Kütle oranlarındaki gizem artık açıklanabiliyordu. Helyumun çekirdeğinde iki tane proton ve iki tane nötron vardır, fakat hidrojenin çekirdeğinde sadece bir proton vardır ve hiç nötron yoktur. Bu nedenle oran 4:1 dir.

Şekil 1 atomdaki temel taneciklerin (protonlar, nötronlar ve elektronlar) konumlarını göstermektedir. Başka atom altı tanecikler de vardır; ancak, atomun kimyada önemli olan üç temel bileşeni elektron, proton ve nötrondur. Çizelge 2.1 bu üç temel taneciğin yük ve kütlelerini göstermektedir.

Proton ve Çekirdek

1900’lü yılların başlarında, atomların iki özelliği açıkça belli olmuştu: Atomlar elektronları içeriyordu, ve elektriksel olarak nötürdü, yani yüksüzdü. Elektriksel açıdan yüksüz olabilmesi için bir atomda eşit sayıda artı ve eksi yük bulunmalıydı. Bu bilgilere dayanarak Thomson, atomu içinde gömülmüş halde elektronlar bulunan artı yüklü bir küre olarak öneriyordu (Şekil 1). Thomson’un bu “kuru üzümlü kek” benzeri atom modeli uzun yıllar atom kuramı olarak kabul gördü.

Şekil 1. Thomson atom modeli. Bu model “üzümlü kek” e benzer. Elektronlar homojen olarak pozitif yüklü küre içerisinde gömülmüş gibidir.

1910’da, önceleri Cambridge üniversitesinde Thomson ile çalışmış olan Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford, a taneciklerini kullanarak atomun yapısını incelemeye karar verdi. Meslektaşı Hans Geiger ve öğrencisi Ernest Marsden ile birlikte, Rutherford bir dizi deney yaptı. Bu deneylerde radyoaktif bir kaynaktan çıkan a taneciklerinin çarpacağı hedef olarak çok ince altın ve başka metal yapraklar kullandı (Şekil 2). Deneylerinde a taneciklerinin çoğunun metal yaprakların içinden sapmadan ya da çok az sapma yaparak geçtiğini gördü; ancak zaman zaman bazı a taneciklerinin büyük bir açı ile sapma yaptığını da fark etti. Hatta bazen a taneciği geldiği yöne doğru geri tepiyordu! Bu çok şaşırtıcı bir buluştu; çünkü Thomson’un atom modeline göre atomun artı yükü tüm atoma o kadar dağılmış ve yoğunluğu o kadar küçüktü ki. a taneciklerinin atomun içinden hemen hemen hiç sapmadan geçmesi beklenmekteydi. Nitekim Rutherfordun bu buluş karşısında ilk tepkisi, “bu bir kağıt mendile 15 inch’lik bir kurşun sıktığınızda kurşunun geri tepip sizi vurması kadar inanılmaz bir olaydı” demek olmuştur.

Şekil 2. (a) a Taneciklerinin bir altın yaprak tarafından saçılmasını ölçmek için Rutherford’un tasarladığı deney düzeneği. a Taneciklerinin çoğu sapma yapmadan ya da çok az sapma ile altın yaprağın içinden geçerlerken bir kaç tanesi geniş açılarla sapar ve zaman zaman bir a taneciği geri teper, (b) Altın yaprağın içinden geçen ve çekirdek tarafından saptırılan a taneciklerinin büyütülmüş görünümü.

a Tanecikleri saçılması deneyinin sonuçlarını açıklayabilmek amacıyla, Rutherford atom yapısı için yeni bir model oluşturdu ve bu modelde atomun büyük bir kısmının boşluktan oluştuğunu öneriyordu. Böyle bir yapıda a taneciklerinin çoğu altın yaprağının içinden sapmadan ya da çok az sapma yaparak geçebilirdi. Rutherford atomdaki artı yüklerin tümünün, atomun içinde yoğun ve merkezi bir çekirdekte odaklandığını önerdi. Böylece saçılma deneylerinde, herhangi bir a taneciği bir atomun çekirdeğine yaklaştığında büyük bir itici kuvvetle karşı karşıya kalıyor ve büyük bir sapma yapıyordu. Ayrıca, doğrudan doğruya bir çekirdeğe doğru hareket eden bir a taneciği hareket yönünü tam tersine çevirecek kadar büyük bir itici güce maruz kalacaktı.

Çekirdekteki artı yüklü taneciklere proton adı verilir. Yapılan başka deneylerde ise, bir protonun yükünün büyüklük olarak bir elektronun yüküne eşit olduğu ve protonun kütlesinin de 1,67262 x 10-24 g, yani elektron kütlesinin 1840 katı kadar olduğu bulunmuştur.

Araştırmaların bu safhasında, bilim adamları atomu şu şekilde algılıyorlardı: Çekirdeğin kütlesi atomun kütlesinin çoğunu içerir, ancak çekirdeğin kapladığı hacim atomun hacminin sadece 1/1013 ü kadardır. Günümüzde atom (ve molekül) büyüklükleri pikometre (pm) adı verilen SI birimi cinsinden ifade edilir ve

1 pm = 1 X 10-12 m

Tipik bir atomun yarıçapı 100 pm kadardır. Oysa, bir atom çekirdeğinin yarıçapı sadece 5 X 10 3 pm dolayındadır. Bir atomla o atoma ait çekirdeğin göreceli olarak boyutlarını anlamak için şöyle düşünebilirsiniz: Atom Houston Astrodome’u büyüklüğünde olsaydı atomun çekirdeği küçük bir taş parçası kadar olurdu. Protonların atomun çekirdeğine doluşmuş durumda olmalarına karşın, elektronların çekirdekten belli bir uzaklıkta, çekirdeğin etrafında yayılmış durumda oldukları düşünülür.

 

Elektron (Atomun Yapısı)

Dalton atom kuramına göre. atom bir elementin kimyasal olarak birleşebilen temel birimi olarak tanımlanabilir. Dalton. atomu hem çok çok küçük hem de bölünemez olarak düşünmüştür. Oysa, 1850 li yıllarda başlayıp yirminci yüzyıla kadar uzanan araştırmalar, atomların bir içsel yapısı olduğunu, yani atomların atom altı tanecikler adı verilen daha da küçük taneciklerden oluştuğunu açıkça göstermiştir. Bu araştırmalar elektron, proton ve nötronların keşfine yol açmıştır.

1890 larda birçok bilim adamı radyasyon, yani enerjinin uzayda dalgalar halinde yayımlanması ve iletilmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Bu araştırmalardan elde edilen bilgiler atomun yapısını algılamamıza önemli katkı yapmıştır. Radyasyon olgusunu incelemek için kullanılan araçlardan biri, bu günkü televizyon tüpünün öncüsü olan katöt ışınları tüpüdür (Şekil 1). Katot ışınları tüpü havası hemen hemen tamamen boşaltılmış cam bir tüptür. Tüpte bulunan metal levhalar bir yüksek voltaj kaynağına bağlandığında, katot adı verilen eksi yüklü levha görünmeyen bir ışın yayımlar: bu katot ışını, anot adı verilen artı yüklü levhaya doğru çekilir ve orada bulunan delikten geçip tüpün diğer ucuna doğru hareket eder. Tüpün diğer ucunun yüzeyi özel bir maddeyle kaplanmıştır: katot ışını bu yüzeye çarptığında kuvvetli fluoresans, yani parlak bir ışık oluşur.

Bazı deneylerde katot ışını tüpünün dışına elektrik yüklü iki levha ve bir mıknatıs yerleştirilmiştir (Şekil 1). Manyetik alan etkisinde katot ışını A noktasına, elektrik alanı etkisinde C noktasına çarpar; manyetik ve elektrik alanları birbirlerinin etkisini giderecek şekilde dengelendiğinde veya bu alanlar uzaklaştırıldığında ise katot ışını B noktasına çarpar. Elektromanyetik kurama göre, hareket halinde olan yüklü bir tanecik bir mıknatıs gibi davranır ve içinden geçtiği elektrik veya manyetik alanla etkileşir.

(Şekil 1. Katot ışınlarının hareket ettiği yöne dik konumda bir elektrik alanı ve dışsal manyetik alan bulunan bir katot tüpü. N ve S mıknatısın kuzey ve güney kutuplarını göstermektedir. Katot ışınları manyetik alanın etkisinde tüpiin sonundaki A noktasına, elektrik alanın etkisinde C noktasına, bu alanlar bulunmadığı zaman ya da birbirini yok ettiği zaman ise B noktasına çarpar.)

Katot ışını artı yüklü levhaya doğru çekilip eksi yüklü levha tarafından itildiği için, bu ışının eksi yüklü taneciklerden oluşması gerekir. Bu eksi yüklü tanecikleri elektron olarak tanımlarız. Şekil 2 bir mıknatısın katot ışınına etkisini göstermektedir.

Bir İngiliz fizikçisi olan J. J. Thomson, katot ışını tüpü ve elektromanyetik kuram hakkındaki bilgilerini kullanarak, tek bir elektronun elektriksel yükünün elektronun kütlesine oranını saptamıştır. Thomson’un bulduğu rakam – 1,76 X 108 C/g dır. Burada C elektrik yükü birimi olan coulomb’dur. Daha sonra, Amerikan fizikçi R. A. Millikan, 1908 ile 1917 yılları arasında yaptığı deneylerde, bir elektronun yükünün -1,6022 X 10 19 C olduğunu bulmuş ve bu verilerden bir elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesaplamıştır:

Görüldüğü gibi, elektronun kütlesi çok çok küçük bir kütledir.

(Şekil 2. (a) Bir boşalma tüpünde oluşturulan katot ışını katottan (soldan) anoda (sağa) doğru hareket halindedir. Katot ışını gözle görülemediği halde, cam üzerine kaplanmış çinko sülfür tabakasının fluoresansı sayesinde yeşil renkli görünür, b) Bir mıknatısın kuzey kutbu yaklaştırıldığında, katot ışını aşağıya sapar, diğer kutup yaklaştırılırca ters yöne sapar.)

Kaynak: Genel Kimya, Raymond Chang.

Thomson Atom Teorisi

r=10-8 cm olan bir küre olarak düşünmüştür. İçinde proton ve elektron bulunduğunu söylemiş ama elektronun kütlesini protonunkinin yanında ihmal etmiştir. Nötronlardan hiç bahsetmemiştir. Proton ve elektronların atomda rast gele bulunduğunu söylemesi yanlışlığıdır.