Atom

Atom nedir? "Maddenin en küçük yapıtaşı! Peki, "madde" nedir? Elle tutup gözle gördüğümüz her şey! Aslında, doğru olmasına doğru bu yanıtların hepsi ama biraz eksik... Örneğin ben bir maddeyim; yani benim de en küçük yapıtaşım atomlar. Yani atom denen minik "yaratıklar"dan oluştum. Aynı şekilde yediğimiz elma, oturduğumuz sandalye, yazı yazdığımız kalem ve hatta onun mürekkebi, içtiğimiz su, soluduğumuz hava... Bunların hepsi madde ve hepsi de atomlardan oluşmuş. Peki nedir bu atom? Etrafımızda gördüğümüz tüm maddelerden sorumlu bu "minik" nesneler neye benzer? Herşeyden önemlisi, acaba onların da yapıtaşları var mı?

Bu sorular yüzyıllar öncesinden de sorulmuş. Hatta "atom" sözcüğünün ilk ortaya çıkışı İ.Ö. 460 yılına kadar uzanıyor. O dönemde yaşamış Demokritus adlı bir filozof, bir elmayı örnek vererek atomu ve anlamını açıklamış: Bir elma alın ve onu ikiye bölün. Sonra bu yarım elmalardan birini tekrar ikiye bölün ve böylece sürdürün... Demokritus'a göre, bu şekilde yarım parçaları bölmeye devam ederseniz, sonunda öyle bir an gelecek ki, artık bölemeyeceğiniz kadar küçük bir parça elde edeceksiniz (ama bıçağınız kesemediği için değil, bölmek mümkün olmadığı için!). İşte, bölünmesi olanaksız bu parçaya Demokritus Yunanca'da 'bölünemez" anlamına gelen "atomos" adını vermiş. Demokritus, bu kavramı ortaya atmış atmasına ama bunu o dönemin diğer bilim adamlarına inandıramamış.

1800'li yılların başında bilim adamları maddenin doğasını anlamaya yönelik çalışmaları sırasında ister istemez bu minik parçacıklarla karşılaşmışlar. İngiliz bilim adamı Dalton, deneyleri sırasında, maddeyi oluşturan ama yapısını tanımlayamadığı bu temel ögelere ilişkin ilk kanıtları elde etmiş. Ondan sonra da keşifler ardı sıra devam etmiş.

Thomson, 1897 yılında atomun bir parçası olan eksi yüklü elektronları keşfetmiş. Thomson'a göre atomun içinde eksi yüklü elektronları dengeleyecek artı yüklü parçacıklar olması gerekiyordu. Thomson, atomu bir "üzümlü kek"e benzetmişti: Üzümler eksi yüklü elektronlar, kekin diğer kısımları ise artı yüklü madde.

Bundan daha doğru bir modeli, 1911 yılında atomun içinde artı yüklü bir çekirdeğin olması gerektiğini keşfeden Ernest Rutherford geliştirmiş.

Rutherford'un atom modeli, Güneş Sistemi'mizin yapısına benziyor. Ortada Güneş, yani artı yüklü çekirdek ve çevresinde dolanan gezegenler, yani eksi yüklü elektronlar. Rutherford'un bu modeline göre çekirdek atomun çok küçük bir parçası: Örneğin atomun boyutunu Dünya kadar büyütsek bile içindeki çekirdek en fazla bir futbol stadyumu kadar kalıyordu.

Rutherford daha da önemli bir adım atarak, çekirdek içinde artı yüklü parçacıkları yani protonları keşfetmiş ve protonların elektronlardan 1836 kez daha ağır

olduğunu bulmuş.

Fakat bu model de bazı kuramsal sorunlar çıkarmış. 1912 yılında Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, bu kuramsal sorunları çözecek bir model oluşturmuş. Bohr'un atom modelinde, yine ortada artı yüklü bir çekirdek, fakat sadece belli yörüngelerde dolanabilen eksi yüklü elektronlar var. Bundan sonraki gelişmeler, Bohr'un atom modelini düzeltmeye yönelik. Bu gelişmelerden biri, çekirdekte artı yüklü proton dışında, yüksüz "nötron" adı verilen parçacıkların da olduğu. Nötronları da 1932 yılında, James Chadwick, kendisinin yaptığı derme çatma bir detektörle keşfetmiş.

Atomun tam bir modelini oluşturmadaki en önemli yöntem, Kuantum Mekaniği adı verilen fizik dalının gelişmesiyle oldu. Bugünkü bilgilerimizin tamamı bu fizik dalının gelişmesiyle elde edildi. Artık bugün atom ve yapısı hakkında epeyce bilgiye sahibiz. Kuantum kuramına göre, atom, artı yüklü bir çekirdek ve etrafında dalga gibi de hareket edebilen elektronların bulutundan oluşan minik bir "nesne"...

Yeni Atom Teorisi

Eskilerin atomistik kavrayışıyla bugünkü arasında büyük fark vardır. Eskisi tamamiyle felsefîydi ve hiçbir deneye dayanmıyordu. Halbuki bir teorinin deneye ve gözleme dayanması lâzımdır. Bir teori mevcut vakâları tarif ve aralarındaki bağları tayin ettiği ve yeni vakâları önceden tahmin edebildiği takdirdedir ki ilmî bir mahiyet alır.

Eskiler göze çarpan vakâlara bakmaksızın, içinde mantık çelişmeleri bulunmamak şartı ile genel prensipler kurmaya çalışmışlardır. Eskiler uzun yıllar maddenin gerçek anlamını anlamaya bir türlü yanaşmamışlardır. Hatta bazı müellifler, eski Yunan filozoflarının kâinatı bir ilim adamı gibi değil, bir şair gibi temaşa ettiklerini söyler ve bunun sebebini o vakitler el işlerinin âdi işlerden addolunduğu için âlim ve filozofların bu işlere tenezzül etmemesinde bulurlar (*). O halde hiçbir denel temele dayanma-yan ve tamamiyle felsefî olan düşünceleri ve bu arada atom kavramları bilgilerimiz üzerinde hiçbir rol oynamamıştı denilebilir. Üstelik Democritus'un atomları sert, tarif olarak bölünemez (atomos = bölünemez) ve esas itibariyle de doludurlar. Halbuki bugün biz atom için, içinde karışık bir teşkilât, karışık kuvvet alanları, daha küçük tanecikler ve bunların arasında büyük boşluklar bulunan bir yapı tasavvur ediyoruz.

(*) Adnan Adıvar, İlim ve din

Atom ve molekül kavramlarının bugünkü mânasıyla ilimde yer alabilmesi için aşağı yukarı iki bin sene geçmiştir. BERNOULLI (1738) de, gazların birbirinin aynı, daimî surette harekette bulunan fakat uzak mesafelerde birbirine tesir etmeyen küçük taneciklerden yapılmış olduklarını bunların bulundukları kabın kenarlarına çarpmalarından basıncın husule geldiğini izah etmiş ve bu suretle de gazların kinetik teorisinin temelini atmıştır.

Atomistik'in ilmî hürriyetiyle ilimde yer alabilmesi, tereddütsüzce söylenebilir ki, kimyacılar sayesinde mümkün olmuştur. Bizim için modern atom teorisinin baş kurucusu, kimyanın ilerlemesinde büyük rolü olan JOHN DALTON (1808)'dur.

Lavoisier tarafından modern kimyanın temelleri atıdıktan sonra Dalton, zamanında bilinen kimya kanunlarını (Dalton'un artan oranlar, GAY-LUSSAC'ın gazlar ve PROUST'un sabit oranlar kanunlarıdır) izah edebilmek için atom bilgisine kesin bir anlam vermiştir. «New System of Chemical Philosophy» adlı değerli eserinde atom teorisinin esaslarını izah etmiştir. Bu teorinin esası şöyledir: Bütün kimyasal elementler gayet ufak taneciklerden yani atomlardan kurulmuştur. Atomlar kimyasal reaksiyon-larda bölünmeksizin kalırlar. Bir elementin aynıdır ve hususiyle aynı kütleye maliktir. Halbuki çeşitli elementlerin atomları farklıdır. Kimyasal bileşikler, kendilerini kuran elementlerin atomlarından meydana gelmişler-dir. Bunların belli sayıda birleşmesinden moleküller meydana gelir. Bu şekilde ifade edilen atom hipotezi sabit oranlar kanununu pek iyi izah ediyordu.

Dalton'un eseri daha sonra bir çok bilginler tarafından geliştirilerek devam ettirilmiştir.

Yaklaşık bütün gazlara uygulanabilen Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac kanunlarını izah edebilmek için AVOGADRO ( 1811) da, kendi adını taşıyan hipotezini ifade etmiştir. Bu hipoteze göre: «Aynı temperatur ve basınç şartlarında çeşitli gazların eşit hacimlerde daima eşit sayıda molekül bulunur. » Bu hipotezin, daha doğrusu bu kanunun önemine AMPÈRE tarafından da işaret edilmiştir.

0°C da ve 760 mm cıva basıncında gaz halinde 22,4 litrede mevcut molekül sayısına Avogadro Sayısı adı verilmiş ve "N" harfiyle gösterilmiş-tir. O halde bütün saf cisimlerin birer molekül gramlarında daima Avogadro sayısı kadar molekül bulunduğu gibi basit cisimlerin birer atom gramlarında da Avogadro sayısı kadar atom vardır.

Avogadro ve Ampère'in fikirleri atom teorisine ilmî bir mahiyet vermiş ve çok önemli olan Avogadro sayısı sabitinin bir yüzyıl sonra ölçülmesiyle de atomistik'in parlak bir gerçekleşmesi sağlanmıştır.

Maddenin atom hipotezine dayanan ve bu teorinin lehine kaydedilen bu önemli neticeler, atomların mevcudiyetlerinin doğrudan doğruya denel bir gerçekleşmesini verememekteydi. Bu husustaki denemeler ise gayet yavaş olmuştur. Bunlardan ilki JEAN PERKIN (1909) tarafından yapılmış olup Avogadro sayısı için 6.10²³ e yakın bir değer bulunmuştur. Bulunan bu değerle, gazların kinetik teorisinden elde edilen değer arasındaki uyarlık, yalnız kinetik teorinin temel hipotezlerinin doğruluğunu değil, moleküllerin varlığının da parlak bir delilini vermiştir. Bilhassa şu son yarım yüzyıl içinde maddenin yapısına dair olan başka denemelerle teorik düşünceler atom ve moleküllerin gerçek birer varlık olduklarını hiçbir şüpheye yer bırakmayacak bir şekilde ispat etmiştir. Daha 1910 dan itibaren cisimlerin birer molekül gramlarında aynı sayıda molekülün bulunduğu birbirinden tamamıyla farklı çeşitli metodlarla meydana konulmuş ve bunlar hep aynı mertebeden değerler vermişlerdir.

Bugün Avogadro sayısı için

N = (6,02308 ± 0,00036) x 1023 (g mol)-1

değeri kabul edilmektedir. Ekseriya 6,02 X 1023 değeri de alınır.

    ATOMUN YAPISI

Maddenin temelinde atom adı verilen çok küçük parçacıklardan oluştuğu kavramı eski yunanlılara kadar uzanır.Milattan önce 5. yüzyılda Leucippus ve Democritus maddenin sonsuz küçük parçacıklara ayrılamayacağını öne sürdüler.Onlar,bir madde daha küçük parçalara bölünmeye devam edilirse en sonunda atomun bölünmeyeceğini iddia ediyorlardı.Atom sözcüğü Yunanca’da bölünmez anlamına gelen atomos sözcüğünden türetilmiştir.

Eski yunan atom kuralları planlı deneylere dayanmıyordu.Bunun için yaklaşık 2000 yıllık bir zaman süresince atom kuramı sadece tartışılmaktan öteye gidilmedi.Atomların varlığı Robert Boyle tarafından THE SCEPTİCAL CHYMİST (1661),Isaac Newton tarafındanda Principia (1687) ve Opticks(1704) kitaplarında kabul edilmişti . Fakat John Dalton’un 1803-1808 yılları arasında geliştirip önerdiği atom kuarmı kimya tarihinde en önemli aşamalardan biri olmuştur.

Elektron:

Gerek Dalton’un gerekse yunanlıların kuramlarında atom,maddenin en küçük taneciği olarak kabul edilmişti.19.yüzyılın sonlarına doğru atomun kendisinin de daha küçük taneciklerden oluştuğu düşünülmeye başlandı.Atom hakkındaki düşüncelerde meydana gelen bu değişikliğe elektrikle yapılan deneyler neden oldu.

1807-1808 yıllarında ünlü İngiliz kimyacısı Humphry Davy bileşikleri ayrıştırmak için elektrik kullanarak beş element (potasyum,sodyum,kalsiyum,stronsiyum ve baryum) buldu.Bu çalışmalarına dayanarak Davy , bilesiklerde elementlerin  elektriksel nitelikli çekim kuvvetleriyle bir arada tutulduklarını önerdi.

Vakumdan elektrik akımının geçirildiği deneyler 1859 da Julius Plücker katod ışınlarını bulmasına yol açtı.Katot ışnları elde etmek için havası iyice boşaltılmış bir cam tüpün uçlarına iki elektrod yerleştrilir.Bu elektrodlara yüksek gerilim uygulandığında katot adı verilen negatif elektroddan ışınlar çıkar.Bu ışınlar negatif yüklüdür doğrusal yol izler ve katodun karşısındaki tüp çeperlerinin ışık saçmasına sebep olur. 19.yüzyılın son yıllarında katot ışınları ayrıntılı olarak incelendi.Birçok bilim adamının deneyleri sonucunda katot ışınlarının hızla hareket eden eksi yüklü parçacıklar olduğu ortaya çıktı ve bu parçacıklar daha sonra Stoney’in önerdiği gibi elektron adı verildi.

Katottan çıkan elektronlar katot için hangi metal kullanılırsa  kullanılsın aynı özelliktedir.Zıt yükler birbirini çektiğinden katot ışınlarını oluşturan elektron hüzmeleri yolları üzerinde üstte ve altta bulunan zıt yüklü iki levha arasından geçerken pozitif yüklüsüne doğru çekilirler.Demek ki bir elektrik alanı içinde katot ışınları normal doğrusal yollarından saparlar.

Bu sapmanın açısı :

Tanecik yükü ile doğru orantılıdır.Yükü büyük olan tanecik az yük taşıyan tanecikten daha çok sapar.

Tanecik kütlesi ile ters orantılıdır.Kütlesi büyük olan tanecik  küçük olandan daha az sapar.

Bundan dolayı yükün kütleye oranı  bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını belirler.elektronlar magnetik bir alan içinde de sapma gösterirler.Fakat bu durumda sapma uygulanan magnetik alana dik yöndedir.

Katot ışınlarının elektrik ve magnetik alanlar içindeki sapmalarını inceleyen Joseph T. Thomson , 1897’de elektron için değerini saptadı bu değer:

E/M=-1,7588.10 üzeri sekiz coul /g dır.

Coul uluslar arası sistemde elektrik yükü birimidir.Bir kulon bir amperlik akım tarafından iletkenin belirli bir noktasından bir saniyede taşınan yük miktarıdır.

Elektron yükünün duyar olarak ölçümü ilk defa Robert A. Milikan tarafından 1909 da yapıldı.Milikan’ın deneyinde  x-ışınları etkisi ile havayı oluşturan moleküllerden elektronlar koparılır.Çok küçük yağ damlacıkları da bu elektronları alıp elektrik yükleri ile yüklenirler.Bu yağ damlacıkları iki yatay levha arasından geçirilirler.Yağ damlacıklarının düşüş hızları ölçülerek kütleleri hesaplanır.

Yatay levhalara elektrik akımı uygulandığında negatif yüklü damlacık pozitif yüklü levhaya doğru çekileceğinden damlacığın düşüş hızı değişir.bu koşullar altında düşüş hızı ölçülerek damlacığın yükü hesaplanabilir.Belli bir damlacık  bir veya daha çok sayıda elektron alabileceğinden bu yöntemle hesaplanan yükler daima birbirinin aynı değildir.Fakat bu yükler hep belli bir yük değerinin katları olduğundan bu yük değeri bir elektronun yükü kabul edilir.

Proton:

Nötral bir atom veya molekülden bir veya daha çok elektron koparıldığında geriye kalan tanecik koparılan elektronların tolam eski yüküne eşit miktarda artı yük kazanır.Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında  geriye kalan tanecik koparılan elektronların toplam eksi yüküne eşit miktarda artı yük kazanır.Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında bir Ne(+) iyonu oluşur.Bir elektriksel deşarj tüpünde katot ışınları tüpün içinde bulunan gaz atomlarından ve moleküllerinden elektronların çıkmasına sebep oldukları zaman , bu tür artı yüklü tanecikler oluşur.Bu artı yüklü iyonlar eksi yüklü elektroda doğru hareket ederler.Eğer katot delikli bir levhadan yapılmışsa artı yüklü iyonlar bu deliklerden geçerler.katot ışınlarının elektronları ise ters yönde hareket ederler.

Pozitif ışınlar adı verilen bu artı yüklü iyon demetleri ilk defa 1886 da Eugen Goldstein tarafından bulundu.Pozitif ışınların elektrik ve magnetik alanların etkisinde sapmaları ise 1898 de Wilhelm  Wien ve 1906 da J.J. Thomson  tarafından incelendi.Artı yüklü iyonlar için e/m değerlerinin saptanmasına , katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen  aynısı kullanıldı.Deşarj tüpünde değişik gazlar kullanıldığı zaman değişik tür artı yüklü iyonlar oluşur.

Proton adı verilen bu tanecikler bütün atomların bir bileşenidir.Protonun yüklü elektronun yüküne eşit fakat ters işaretlidir.

Bu yüke yük birimi denir.Proton artı bir elektrik yük birimine , elektron ise eksi bir elektrik yük birimine sahiptir.(Protonun kütlesi elektronun kütlesinin 1836 katıdır).

Nötron:

Atomlar elektrik yükü bakımından nötral olduklarından bir atomun içerdiği proton sayısı elektron sayısına eşit olmalıdır.Atomun toplam kütlesini açıklayabilmek için 1920 de Ernest Rutherford  atomda yüksüz bir taneciğin var olduğunu savundu.Bu tanecik yüksüz olduğundan onu  incelemek ve tanımlamak zordu.Fakat 1932 de James Chadwick nötronun varlığını kanıtlayan çalışmalarını sonuçlarını yayınladı.Chadwick , nötronların oluştuğu bazı nükleer tepkimelerin  verilerinden nötronun kütlesini hesaplayabildi.Bu tepkimelerde kullanılan ve oluşan bütün taneciklerin kütlelerini ve enerjilerini göz önüne alarak Chadwick nötronun kütlesini hesapladı.Bu kütle protonun kütlesinden biraz daha büyüktü.

Günümüzde daha birçok atom altı tanecik bulunmuştur.Fakat bu taneciklerin atom yapısı ile olan ilişkisi çok iyi bilinmemektedir.Kimyasal çalışmalar için atomun yapısı elektron , proton ve nötronun varlığına dayanarak yeterince açıklığa kavuşturulmuştur.

İzotoplar:

Belli bir elementin bütün elementlerinin atom numarası aynıdır.Fakat bazı elementler kütle numarası bakımından farklılık gösteren çeşitli tipte atomlardan oluşmuştur.Aynı atom numarasına fakat farklı kütle numarasına fakat farklı kütle numarasına sahip atomlara İZOTOP atomlar adı verilir.

Görüldüğü gibi izotoplar çekirdeklerindeki nötron sayısı bakımından farklıdırlar;bu da doğal olarak atom kütlelerinin farklı olduğu anlamına gelir.Bir atomun kimyasal özellikleri ilke olarak atom numarası ile belirtilen proton ve elektron sayısına bağlıdır.Bundan dolayı bir elementin izotopları birbiri ile hemen hemen aynı olan kimyasal özelliklere sahiptir.Bazı elementler doğada tek bir izotop halinde bulunurlar.Fakat çoğu elementlerin birden çok izotopu vardır.Örnek olarak kalayın 10 doğal izotopu vardır.

Kütle spektrometresi  bir elementte kaç izotop bulunduğunu , her izotopun tam olarak kütlesini ve bağıl miktarını saptamak için kullanılır.Buharlaştırılmış madde , elektronlarla bombardıman edilerek artı yüklü iyonlar oluşturulur.Bu iyonlar eksi yüklü bir levhaya doğru çekilerek bu levha üzerinde bulunan dar bir aralıktan hızla geçirilirler.

İyot demeti bundan sonra magnetik bir alan içinden geçirilir.yüklü tanecikler magnetik bir alan içinde dairesel bir yörünge izlerler.Taneciğin yükü arttıkça doğrusal yörüngesinden sapma da artar.Bu nedenle , magnetik bir alanda artı yüklü bir iyonun izlediği dairesel yörüngenin yarıçapı o iyonun e/m değerine bağlıdır.

Değişik e/m değerine sahip iyonların bu son aralıktan geçmesi ise magnetik alan şiddeti veya iyonları hızlandırmak için kullanılan voltaj ayarlanarak sağlanır.Böylece aygıttaki farklı iyon türlerinden her biri bu aralıktan ayrı ayrı geçirilirler.Detektör her farklı iyon demetinin şiddetini ölçer ; bu iyon şiddeti örnekte bulunan izotopların bağıl miktarına bağlıdır.

Atom Numarası ve Periyotlar yasası:

19.yüzyılın başlarında kimyacılar elementler arasında bulunan fiziksel ve kimyasal benzerliklerle ilgilendiler.1817 ve 1829 da Johann W. Döbereiner “triad” lar  adını verdiği element serileri (Ca,Sr,Ba;Li,Na,K;Cl,Br,I;S,Se,Te) hakkındaki incelemelerini yayınladı burada her seriyi oluşturan elementler birbirine benzeyen özeliklere sahip olup serideki ikinci elementin atom ağırlığı yaklaşık diğer iki elementin atom ağırlıklarının ortalamasına eşittir.

Bunu izleyen yıllarda birçok kimyacı elementleri benzeyen özellikleri açısından sınıflandırmayı denedi.1863-66 yıllarında John A. R. Newlands “oktavlar yasası” nı önerip geliştirdi.Newlands a göre elementler atom ağırlıklarının artış sırasına göre dizildiklerinde sekizinci element birinciye , dokuzuncu element ikinciye benziyor ve bu durum böylece devam ediyordu.Newlands bu ilişkiyi müzik notalarındaki oktavlara benzetti.Fakat gerçek ilişki Newlands’ın varsaydığı kadar basit değildi.Newlands ın çalışmaları dayanaksız bulunmuş ve diğer kimyacılar tarafından ciddiye alınmamıştır.

Elementlerin modern periyodik sınıflandırılması Julius Lothar Meyer ve özellikle Dimitri Mendeleev ‘in  çalışmalarına dayanır.Mendeleev  periyodik bir yasa önerdi ; bu yasaya  göre elementler atom ağırlığı artışına göre incelendiğinde , özelliklerindeki benzerlikler periyodik olarak tekrarlanır.Mendeleev in çizelgesinde benzer elementler grup adı verilen dikey sütunlarda toplanır.

Ayrıca Mendeleev in çizelgesinde henüz bulunmamış elementler için boş yerler bıraktı ve çizelgede olmayan elementlerden üç tanesinin özelliklerini önceden belirtti.Hemen sonra Mendeleev in öngördüğü özelliklerin çoğuna sahip oldukları belirlenen    Skandiyum,galyum ve germanyum elementlerinin bulunması periyodik sistemin doğru olduğunu gösterdi.Asal gazların varlığı Mendeleev tarafından öngörülmediği halde bu elementler 1892-98 yılları arasında bulunduktan sonra periyodik çizelgedeki yerlerine oldukça iyi bir şekilde uydular.

Periyodik çizelgedeki plana göre K,Ni ve I elementlerinin atom ağırlığının artışına göre belirlenmiş dizilişinin dışında yer almamaları gerekliydi.Örneği iyot atom ağırlığına göre 52 numaralı element olmalıydı.Fakat kimyasal açıdan benzediği F,Cl ve Br elementleri ile aynı gurupta olabilmesi için iyot keyfi olarak 53 numaralı element oldu.Periyodik sınıflandırmanın daha ayrıntılı olarak incelenmesi ile bir çok araştırıcı periyodik özelliğin,atom ağırlığından çok , başka bir temel bağlı olduğuna inandı.Bu temel özelliğinde o zamanlar periyodik sistemden çıkarılan ve sadece bir seri numarası olan atom numarası ile ilişkisi olduğunu öğrendi.

1913-14 yıllarında Henry G. J. Moseley in çalışmaları bu problemleri çözdü.Yüksek enerjili katot ışınları bir hedefe odaklandığında X-ışınları oluşur.Bu X-ışınları çeşitli dalga boylarındaki bileşenlere ayrılabilir ve bu şekilde elde edilen çizgi spektrumları da fotografik olarak kaydedilebilir.Hedef olarak değişik elementler kullanıldığında değişik X-ışınları spektrumları elde edilir ve her spektrum sadece birkaç karakteristik spektral çizgi içeren X-ışınları spektrumu vardır.

Moseley atom numaraları 13 ile 79 arasında olan 38 elementin X-ışınları spektrumunu inceledi.Her elemen için o elemente karşılık gelen karakteristik spektrum çizgisini kullanan Moseley , elementin atom numarası ile çizgi frekansının kare kökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu buldu.Başka bir değişle elementler atom numarası artışına göre dizildiğinde spektrum çizgisi frekansının karekökü bir elementten diğerine gittikçe sabit bir miktarda artar.

Bundan dolayı Moseley  X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin doğru atom numaralarını tahmin edebildi.Böylece atom ağırlıkları komşu atomlarınkine uygun düşmeyen K,Ni ve I un sınıflandırılması problemi de çözümlenmiş oldu.Diğer taraftan Moseley  Ce den Lu e kadar olan seride 14 element bulunması ve bu elementlerin ve bu elementlerin periyodik çizelgede Lantan’dan sonra gelmeleri gerektiğini bildirdi.Moseley’in diagramları ayrıca 79 numaralı elementten önce henüz o zamana kadar bulunmamış 4 elementin var olması gerektiğini de gösterdi.Nihayet Moseley’in çalışmalarına dayanarak periyodik yasa “Elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri atom numarasının periyodik fonksiyonudur” şeklinde tekrar tanımlandı. 

Moseley in atom numaraları ile Rutherford un tanecikleri saçılma deneyinden hesapladığı çekirdek yükleri oldukça iyi bir  uyum içindeydi.buna dayanarak Moseley atom numarasının atom çekirdeğinde bulunan artı birimlerin sayısı olduğunu önerdi.

Moseley ayrıca, atomda bir elementten diğerine gidildikçe artan temel bir nicelik bulunduğunu ifade ederek bu niceliğin ancak merkezdeki artı yüklü çekirdeğin  yüklü olabileceğini belirtti.

X-ışınları , görünür ışıktan çok daha kısa dalga boylarına ve dolayısıyla daha yüksek frekans ve enerjilere sahip elektro magnetik ışınlardır.Bir elementin x-ışınları spektrumunun olmasına hedef element atomlarında meydana gelen elektron geçişlerinin sebep olduğuna inanılmaktadır.X-ışınlar tüpüne katot ışınları , hedefteki atomların iç kabuklarından elektronlar koparırlar.Dış kabuktaki elektronlar iç kabuklarda oluşan bu boşlukları doldurdukları zaman x-ışınları yayınlanır.Bir atomda elektronun , yüksek bir enerji düzeyinden K düzeyine geçmesi sonucu oldukça bir büyük bir miktarda enerji açığa çıktığından , elde edilen radyasyonun frekansı yüksektir.Buna karşı gelen dalga boyu da x-ışınlarına özgü olup kısadır.

Bir elektron geçişi sırasında açığa çıkan radyasyonun frekansı ayrıca atom çekirdeğindeki yüke bağlıdır.Açığa çıkan bu enerjinin miktarı çekirdek  yükünün karesi ile doğru orantılıdır.Çekirdeğin yükü arttıkça açığa çıkan enerji artar ve yayınlanan radyasyonun dalga boyu kısalır.Moseley in gözlemleri de bu ilişkiyi yansıtmaktadır.

ATOMUN ELEKTRİKLİ YAPISI

1. Çekirdekteki Dev Güç: Güçlü Nükleer Kuvvet

Çevremizde gördüğümüz her şeyin, kendimiz de dahil olmak üzere atomlardan oluştuğunu ve bu atomların da pek çok parçacıktan meydana geldiğini gördük. Peki bir atomun çekirdeğini oluşturan tüm bu parçacıkları bir arada tutan güç nedir? İşte çekirdeği bir arada tutan ve fizik kurallarının tanımlayabildiği en şiddetli kuvvet olan bu kuvvet, "güçlü nükleer kuvvet"tir.

Bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonların ve nötronların dağılmadan bir arada durmalarını sağlar. Atomun çekirdeği bu şekilde oluşur. Bu kuvvetin şiddeti o kadar fazladır ki, çekirdeğin içindeki protonların ve nötronların adeta birbirine yapışmasını sağlar. Bu yüzden bu kuvveti taşıyan çok küçük parçacıklara Latince'de "yapıştırıcı" anlamına gelen "gluon" denilmektedir. Bu yapışmanın şiddeti çok hassas ayarlanmıştır. Bu yapıştırıcının kuvveti protonların ve nötronların birbirlerine istenilen mesafede bulunmalarını sağlamak için özel olarak tespit edilmiştir. Söz konusu kuvvet biraz daha yapıştırıcı olsa protonlar ve nötronlar birbirlerinin içine geçecek, biraz daha az olsa dağılıp gideceklerdi. İşte bu kuvvet Büyük Patlama'nın ilk saniyelerinden beri atomun çekirdeğinin oluşması için gerekli olan yegane değere sahiptir.

Güçlü nükleer kuvvetin açığa çıktığı zaman ne kadar büyük tahrip gücü olduğunu bize Hiroşima ve Nagazaki'deki tecrübeler göstermiştir. Atom bombalarının bu denli etkili olmasının tek sebebi atom çekirdeğinde saklanan gücün açığa çıkmasıdır.

2. Atomun Emniyet Kemeri: Zayıf Nükleer Kuvvet

Şu an yeryüzündeki düzeni sağlayan en önemli etkenlerden biri de atomun kendi içinde dengeli bir yapıya sahip olmasıdır. Bu denge sayesinde maddeler bir anda bozulmaya uğramaz ve insanlara zarar verebilecek ışınları yaymaz. Atom bu dengesini çekirdeğindeki protonlarla nötronlar arasında var olan "zayıf nükleer kuvvet" sayesinde elde eder. Bu kuvvet özellikle içinde fazla nötron ve proton bulunduran çekirdeklerin dengesini sağlamada önemli bir rol oynar. Bu dengeyi sağlarken gerekirse bir nötron protona dönüşebilir.

Bu işlem sonucunda çekirdekteki proton sayısı değiştiği için, artık atom da değişmiş, farklı bir atom olmuştur. Burada sonuç çok önemlidir. Bir atom parçalanmadan, başka bir atoma dönüşmüş ve varlığını korumaya devam etmiştir. İşte bu şekilde de canlılar kontrolsüz bir şekilde çevreye dağılıp insanlara zarar verecek parçacıklardan gelebilecek tehlikelere karşı adeta bir emniyet kemeri gibi korunmuş olur.

3. Elektronları Yörüngede Tutan Kuvvet: Elektromanyetik Kuvvet

Bu kuvvetin keşifedilmesi fizik dünyasında bir çığır açtı. Her cismin kendi yapısal özelliğine göre bir "elektrik yükü" taşıdığı ve bu elektrik yükleri arasında bir kuvvet olduğu öğrenilmiş oldu. Bu kuvvet zıt elektrik yüklü parçacıkların birbirini çekmesini, aynı yüklü parçacıkların da birbirlerini itmelerini sağlar. Bu sayede bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonlarla çevresindeki yörüngelerde dolaşan elektronların birbirlerini çekmelerini sağlar. İşte bu şekilde atomu oluşturacak iki ana unsur olan "çekirdek" ve "elektronlar" bir araya gelme fırsatı bulurlar.

Bu kuvvetin şiddetindeki en ufak bir farklılık elektronların çekirdek etrafından dağılmasına ya da çekirdeğe yapışmasına neden olur. Her iki durumda da atomun, dolayısıyla madde evreninin oluşması imkansız hale gelir. Oysa bu kuvvet ilk ortaya çıktığı andan itibaren sahip olduğu değer sayesinde çekirdekteki protonlar elektronları atomun oluşması için gereken en uygun şiddette çeker.

Güçlü nükleer kuvvet    15

Zayıf nükleer kuvvet     7,03.10-3

Elektromanyetik kuvvet            3,05.10-12

ATOMUN DİĞER UCU : ELEKTRONLAR

Elektronlar tıpkı dünyanın güneş çevresinde dönerken, aynı zamanda kendi çevresinde dönmesi gibi, atom çekirdeğinin çevresinde dönen parçacıklardır. Aynı, gezegenlerde olduğu gibi bu dönüş, bizim yörünge adını verdiğimiz yollarda, çok büyük bir düzen içinde ve hiç durmaksızın gerçekleşir. Fakat dünyayla güneşin büyüklükleri arasındaki oran ile atomun içindeki oran çok farklıdır. Eğer elektronların büyüklüğü ile dünyanın büyüklüğü arasında bir kıyas yapmak gerekirse, bir atomu dünya kadar büyütsek, elektron sadece bir elma boyutuna geçecektir.

Yani birbirinden kütle ve hız olarak tamamen farklı olan gezegenler, doğal olarak Güneş'in etrafında farklı yörüngelere yerleşmişlerdir. Ama atomdaki elektronların durumu bu gezegenlerden tamamen farklıdır.

Elektronlar, nötron ve protonların neredeyse iki binde biri kadar ufak parçacıklardır. Bir atomda, protonlarla eşit sayıda elektron bulunur ve her elektron her bir protonun taşıdığı artı (+) yüke eşit değerde eksi (-) yük taşır. Çekirdekteki toplam artı (+) yük ile elektronların toplam eksi (-) yükü birbirini dengeler ve atom nötr olur.

Elektronların, taşıdıkları elektrik yükü itibariyle bazı fizik kurallarına uymaları gerekir. Bu fizik kuralları "aynı elektrik yüklerinin birbirini itmesi ve zıt yüklerin birbirlerini çekmesi"dir. 

İlk olarak, normal koşullarda hepsi eksi yüklü olan elektronların bu kurala uyup birbirlerini itmeleri ve çekirdeğin etrafından dağılıp-gitmeleri gerekir. Ancak durum böyle olmaz. Eğer, elektronlar çekirdeğin etrafından dağılsaydı, tüm evren boşlukta dolaşan, proton, nötron ve elektronlardan ibaret olurdu. İkinci olarak; artı yüke sahip olduğu için çekirdeğin, eksi yüklü elektronları kendine çekmesi ve elektronların da çekirdeğe yapışmaları gerekirdi. Böyle bir durumda da çekirdek bütün elektronları çeker ve atom kendi içine çökerdi. 

Ancak bu olumsuzlukların hiçbiri olmaz. Elektronların az önce belirttiğimiz (1.000 km/s) olağanüstü kaçış hızları, bunların birbirlerine uyguladıkları itici kuvvet ve çekirdeğin elektronlara uyguladığı çekim kuvveti o kadar hassas değerler üzerine kurulmuştur ki, bu üç zıt etken birbirini mükemmel bir şekilde dengeler. Sonuçta atomdaki bu muazzam sistem dağılıp parçalanmadan sürüp gider. Atoma etki eden bu kuvvetlerden tek bir tanesinin, olması gerekenden biraz daha fazla veya biraz daha az olması atomun hiçbir zaman var olmamasına neden olurdu. 

Bu etkenlerin yanı sıra, çekirdekteki protonları ve nötronları birbirine bağlayan nükleer kuvvetler olmasaydı, eşit yüke sahip olan protonlar değil kenetlenmek, birbirlerine yaklaşamayacaklardı bile. Aynı şekilde nötronlar da çekirdeğe hiçbir şekilde bağlanamayacaklardı. Bunun sonucunda çekirdek, dolayısıyla atom diye bir şey olmayacaktı.

Elektronların Yörüngesi

En güçlü mikroskopların bile göremeyeceği kadar küçük bir alanda dönüp duran onlarca elektron, daha önce de belirtildiği gibi atomun içinde son derece karışık bir trafik yaratırlar. Ancak bu trafik, en sistemli şehir trafiğiyle bile kıyas edilemeyecek kadar düzenlidir ve elektronlar hiçbir şekilde birbirleriyle çarpışmazlar. Çünkü elektronların her birinin ayrı bir yörüngesi vardır ve bu yörüngeler hiçbir zaman birbiriyle çakışmaz.

Atom çekirdeğinin çevresinde 7 tane yörünge vardır. Asla değişmeyen bu 7 yörüngedeki elektron sayısı da bir matematiksel formülle belirlenmiştir: 2n2. Atomların tüm yörüngelerinde bulunabilecek en fazla elektron sayısı işte bu formülle sabitlenmiştir (formüldeki "n" harfi, yörünge numarasını belirtir).

Evreni oluşturan sınırsız sayıdaki atomun elektron yörüngelerinin asla şaşmadan 2n2 formülüne uyarak belirli bir sayıda kalmaları bir düzenin göstergesidir. Elektronlar inanılmaz hızlarda hareket etmelerine rağmen, atomun içinde herhangi bir kargaşanın çıkmaması da yine bu eşsiz düzenin bir devamıdır.

Elektronlar, atomun içinde son derece karmaşık bir yörünge izlerler. Bu küçük alanda şehir trafiğinden çok daha kalabalık bir ortam oluşmasına rağmen, en ufak bir düzensizlik yaşanmaz.

PERYODİK CETVEL

            Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki benzerliklerin araştırılması fizik ve kimyacıları ilgilendirmiştir. Gerçi benzer özelliklerdeki elementlerin sıralanabilmesi için bilinen elementlerin özelliklerinin öncelikle orataya konulması gerekir. Altın, gümüş, kalay, bakır, kurşun ve civa gibi elementler eski çağlardan beri biliniyordu. Bir elementin ilk bilimsel olarak bulunması 1649 yılında Henning Brand’ın fosforu bulmasıyla başlar. Bundan sonraki 200 yıl boyunca elementler ve onları bileşikleri hakkında kimyacılar tarafından pekçok bilgi elde edildi. Bununla beraber 1869 yılına kadar toplam 63 element bulunabilmişti. Bilinen elementlerin sayısı arttıkça, bilim adamları elementlerin özelliklerinin belli kalıplara oturduğunu anlamaya başladılar.

            1817 yılında Johann Dobereiner benzer kimyasal özellikler sahip olan stronsiyum, kalsiyum ve baryuma bakarak, stronsiyumun atom ağırlığının kalsiyum ve baryum atom ağırlıklarının ortasında olduğuna dikkat çekti. 1829 yılında klor, brom ve iyot üçlüsünün de benzer özellikler gösterdiği bulundu. Yine benzer davranış lityum, sodyum ve potasyum için de gözleniyordu. 1829 ve 1858 yılları arasında bu konuda pek çok araştırma yapıldı.  Bu sırada halojenler grubuna katıldı. Oksijen, kükürt, selenyum ve tellür bir grubun üyesi olarak düşünülürken azot, fosfor, arsenik, antimon ve bizmut başka bir grup içine yerleştirildiler.

Eğer bir periyodik tablo, elementlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini periyodik olarak gösteren bir çizelge olarak düşünülürse ilk periyodik tabloyu oluşturma şerefi Fransız bilim adamı A. E. Beguyer de Chancourtois e düştü. De Chancourtois, silindirin çevresine 16 kütle birimleri yerleştirerek elementleri buraya oturttu. Benzer özelliklerdeki elementler bu silindir üzerinde düşey satırlarda yer alıyordu.  De Chancourtois, “Elementlerin özellikleri sayıların özellikler ile ilişkilidir” dedi ve her yedi elementte bir özelliklerin tekrarlandığının farkına vardı. Bu tablo kullanılarak birkaç metal oksidin stokiyometrisi önceden tanımlanabildi. Ne yazık ki bu cetvel üzerinde elementlerden başka bazı iyonlar ve elementlerde yer alıyordu.

İngiliz kimyacı John Newlands 1863 yazdığı bir yazıda benzer fiziksel özelliklere göre elementleri 11 gruba ayırmıştı. Atom ağırlıkları sekizin katı kadar olan elementlerin özellikleri benzerdi. 1864 yılında yazılan bir yazıda Newlands bunu Oktav kanunu (Law of Octaves) olarak tanımladı. Bu kanuna göre herhangi bir element tablodaki sekizinci elementle benzerlikler gösteriyordu.

Genelde periyodik tablonun babası olarak Alman bilim adamı Lother Meyer ve Rus bilim adamı Dmitri Mendeleev kabul edilir. Her ikisi de birbirinden habersi olarak dikkate değer benzer sonuçlar ürettiler. Mendeleev atomların artan atom ağırlıklarına göre sıralandıklarında belli özelliklerin tekrarlandığını görmüştür. Daha sonra elementleri tekrarlanan özelliklerine göre alt alta sıralayarak ilk iki periyodu yedişer, sonreki üç periyodu ise onyedişer element içeren bir periyodik sistem hazırlamıştır. Mendeleev’ in hazırladığı periyodik sistemde bazı yerleri henüz keşfedilmemiş elementlerin olduğunu düşünerek boş bırakmıştır. Daha sonra bulunan skandiyum, galyum, germanyum elementleri tablodaki boşluklara yerleşmişlerdir.

1895 yılında Lord Rayleigh, kimyasal olarak inert  yeni bir gazı (argon) keşfettiğini bildirdi. Bu element periyodik tabloda bilinen hiçbir yere oturtulamadı. 1898 yılında William Ramsey bu elementin klor ile potasyum arasında bir yere konulabileceğini önerdi. Helyumda aynı grubun bir üyesi olarak düşünüldü. Bu grup elementlerinin değerliklerinin sıfır olması nedeniyle sıfır grubu olarak adlandırıldı.

Mendeleev’in periyodik tablosu her ne kadar elementlerin periyodik özelliklerini gösterse de neden özelliklerin tekrarlandığı konusunda herhangi bir bilgi vermemektedir.

1911 de Ernest Rutherford atom çekirdekleri alfa parçacıklarının saçılması deneyiyle çekirdek yükünün belirlenebileceğini gösterdi. Rutherford’ un gösterdiği diğer bir şey bir çekirdeğin yükünün atom ağırlığı ile orantılı olduğuydu. Yine 1911 de A. Van den Broek bir seri çalışmasıyla elementlerin atom ağırlıklarının atom üzerindeki yüke yaklaşık eşit olduğunu gösterdi. Bu yük daha sonra atom numarası olarak tanımlandı ve periyodik tablodaki elementleri yerleştirmede kullanıldı. 1913 de Henry Moseley bir grup elementin X-ışınlar spektrum çizgilerin dalga boylarını ölçerek, atom numarası ile elementlerin X-ışınları dalga boylarının ilişkili olduğunu gösterdi. Bu çalışma Mendeleev, Mayer ve diğerlerinin yaptığı gibi atom ağırlıklarını temel seçmedeki yanlışlığı gösteriyordu. 

Fakat neden periyodik özellikler gözleniyor sorusunun yanıtı ise Niels Bohr un elementlerdeki elektronik yapıyı incelemesiyle başlar diyebilir.

Periyodik tablodaki en son büyük değişiklik, 20. yüzyılın ortalarında Glenn Seaborg’un   çalışmasıyla ortaya çıktı.  1940 da plutonyumu bulmasıyla başlayan araştırması, 94 den 102 ye kadar olan tüm uranyum ötesi elementlerin bulmasıyla sürdü. Periyodik tablodaki lantanit serisinin altına aktinitler serisini yerleştirdi. 1951 de Seaborg bu çalışmaları ile kimyada.