MAKROKOZMOS-MİKROKOZMOS İLİŞKİLERİ - 9

[ADAM]

MİKROKOZMOS - 3

ATOMUN FOTOĞRAFI

Atom ve moleküllerin varlıklarını kanıtlayan en inandırıcı delil, çeşitli kristallerdeki tek atom ve moleküllerin fotoğraflarını almak için bir yöntem geliştirmiş olan ünlü İngiliz fizikçi William Lawrance Bragg tarafından sağlanmıştır. Şöyle ki;

Herhangi bir nesnenin fotoğrafı alınırken, kullanılacak ışığın dalga uzunluğunun resmi çekilecek olan nesneden daha küçük olması gereklidir. Bir badana fırçası ile bir minyatür resim yapmak olanaksızdır. Ne kadar detaya giriyorsanız, o kadar hassas davranmalısınız. Bakterilerin fotoğrafları alınırken daha net resimler elde edebilmek için ultraviyole (mor ötesi) ışınları kullanılır. Fakat moleküller arasındaki mesafe o kadar küçüktür ki, bunların resimleri bu yöntemle de çekilemez. Bunun için röntgen ışınlarının kullanılması gerekmektedir.

Röntgen ışınlarının birçok cisimden hemen hiçbir kırılmaya uğramadan geçmesi, uzun süre böyle bir işi umutsuz gibi göstermiştir. Ancak Bragg, çeşitli açılardan çok sayıda aldığı röntgen filmini uygun bir sıraya dizmiş, bunları fotoğraf kağıdına kopya ederek kristallerin resmini çekmeyi başarmıştır. Böylelikle, birçok karmaşık yapısı olan moleküllerin atomları yaklaşık 200 milyon kere büyütülmüş olarak gözle seçilebilir hale getirilebilmiştir. Ancak bu yöntem sadece katılar için geçerlidir; atom ve molekülleri durmaksızın yer değiştiren sıvı ve gazlar için uygulanamaz.


ATOMUN İÇ YAPISI

M.Ö. 4. yüzyılın başlarında Demokritos atoma Yunancada “bölünmez” anlamına gelen Atomos adını verdiği zaman, bu parçacıkların maddenin bölünmesinde varılabilecek en son sınırı oluşturduğunu düşünüyordu.

Yok edilemez nitelikteki atomların, sonsuz sayıda, tüm cisimlerin en basit ve en küçük yapı taşları sayılması kuramı, 15. yüzyılda. Katolik Kilisesi’nce yasaklandı. Ancak 17. yüzyılda René Déscartes ve Robert Böyle tarafından yeniden canlandırıldı. Başlangıçta felsefi bir düşünceden başka bir şey olmayan atom kavramı bilime sokulup nesnel bir varlık olarak kabul edildikten sonra bile, bölünmezliği inancı devam etti. Çeşitli elementlerin atomlarının farklı özellikleri, hâlâ Antik Çağ’da olduğu gibi bunların geometrik şekillerindeki farklılığa bağlanıyordu.

Örneğin, ortası delik halka biçiminde düşünülen oksijen atomunun iki yanına küresel biçimde düşünülen birer hidrojen atomu yerleşince, bir su molekülü oluşuyordu. Bir elipsoit biçiminde düşünülen sodyum atomu, oksijen atomunun deliğine hidrojen atomundan daha rahat ve sağlam olarak yerleşebildiğinden, sodyum sudaki hidrojenin yerini kolayca alabiliyordu.

Ne var ki, atomun özelliklerini birtakım geometrik şekillere göre açıklama çabaları hiçbir sonuca ulaşmadı. Bu yolda daha ileri bir adım, ancak atomların değişik geometrik şekilleri olan basit parçacıklar değil, ayrı ayrı hareket eden bulunan birçok parçalardan yapılı karmaşık mekanizmalardan oluştukları anlaşıldığı zaman atıldı.

İskoç asıllı ünlü fizikçi Joseph John Thompson, çeşitli element atomlarında elektriksel çekim gücü ile bir arada duran pozitif ve negatif yüklü bölümler bulunduğunu göstermeyi başardı.


THOMPSON MODELİ

Thompson’a göre bir atom, içinde çok sayıda negatif yüklü parçacıklar yüzen hemen hemen eşit ölçüde dağılmış bir pozitif elektrik yüküdür. Elektron adı verilen negatif yüklerin toplamı pozitif yüke eşittir. Dolayısıyla bir atom, bütün olarak elektriksel bakımdan nötrdür.

Elektronlar atoma oldukça gevşek bir şekilde bağlıdır. Bunlardan biri ya da birkaçı atom birliğinden ayrılabilir ve geriye pozitif yüklü bir atom artığı yani pozitif iyon kalır. Bazıları da dışarıdan ekleme elektronlar alabilir ve böylece bir negatif elektrik yükü fazlalığı kazanırlar ki, bunlara da negatif iyon denir.

Thompson ayrıca, bir elektron kütlesinin bir hidrojen atomu kütlesinden 1840 kere daha küçük olduğunu hesaplamış ve böylece atom gövdesinin hemen hemen tamamına yakın esas bölümünün pozitif yüklü bölüm olduğunu ortaya koymuştur.

Thompson Modeli’ndeki bu varsayım, ağırlık bakımından oldukça doğru olmasına karşın hacim bakımından yanlıştır.


RUTHERFORD MODELİ

1911 yılında Rutherford, Thompson’un düştüğü yanılgıyı gidererek, atomun pozitif yükünün kütlesinin en büyük bölümü ile birlikte atomun tam ortasında bulunan küçük bir çekirdekte toplanmış olduğunu, çekirdeğin çevresini negatif elektronların kuşattıklarını ve pozitif yüklü kısmın tüm atomun boyutundan yaklaşık bin kere küçük olduğunu kanıtladı.

Bundan sonra Rutherford, kurduğu atom modeli ile Güneş Sistemi arasındaki kütle dağılımı, kütleler arasındaki uzaklık ve çekim gücü benzerlikleri nedeniyle, elektronların atom çekirdeği çevresinde birer daire ya da elips biçiminde yörüngeler çizmekte olduklarını ortaya koydu.

Atomun içyapısına ilişkin bu görüşler elementlerin farklılık nedenlerini yeni bir ışıkla aydınlatmış oldu.

Bu farklılık, öncelikle, her elementin atomunda çekirdek çevresinde dönen elektronların sayısına bağlıdır. Atom, bir bütün olarak nötr olduğunu göre, elektron sayısının da çekirdeği pozitif yüklerin sayısına eşit olması gerekir. Hidrojen atomunun 1, en ağır doğal element olan uranyumun 92 elektronu vardır. Ancak çağımızda simya sanatı kimya bilimine dönüşmüş ve en sonuncusu 103 elektronlu Lavresyum olmak üzere 11 sentetik element de yapılabilmiştir. [Benim bildiğim bu kadar. Sonrasını bilen varsa bunu düzeltip eklesin lütfen.]

Daha 1868 yılında ünlü Rus kimyacısı Mendelejeff doğal sırada düzenlenmiş olan elementlerin kimyasal özelliklerinde dikkate değer bir dönemlilik olduğunu saptamıştı. Belli bir element sayısından sonra belirli özelliklerin tekrar ortaya çıktığı görülmekteydi.

Birinci periyot yalnız iki elementi kapsar; bu demektir ki, bir çekirdeğin çevresinde en yakın ilk elektron tabakasında en çok iki elektron bulunabilir. Daha sonra her biri en çok sekiz elektronluk iki tabaka, bundan sonra da 18’er elektronluk tabakalar gelmektedir. Ancak sona doğru bu düzenlilik atomların kimyasal özelliklerinin dönemlilikten sapmaya başlaması nedeniyle bozulmaktadır; bu uyumsuzluğu yaratan elementlere ise “aktinitler” adı verilmektedir.

Bütün bunları belki de atomun içyapısına kadar inen fotoğrafları vermeden önce anlatsam daha iyiydi ama böylesini yeğledim.


KİMYASAL BİLEŞİĞİN OLUŞMASI

Herhangi bir atomun bir başka elementin atomu ile kimyasal bir bileşik oluşturması için, her iki atomun da en dış elektron tabakasında (yörüngesinde) bir eksiklik ya da fazlalık olması gereklidir.

Her atom, elektron tabakalarını tam doldurmak eğilimindedir. Bu nedenle dış tabakasında bir tek elektron bulunan elementlerin atomları ile dış tabakasında bir eksik elektron bulunan elementlerin atomları birbirleriyle çok kolay bileşik kurar. Buna bir örnek verilecek olursa; sodyum atomunun dış tabakasında bir elektron, klor atomunun en dış tabakasında ise yedi elektron vardır. Sodyum, fazla olan bir atomunu dışarı atarak bir pozitif iyon haline gelirken, klor da eksik olan bir atomunu tamamlayarak bir negatif iyon olur. Her iki atom, biri pozitif diğeri negatif yüklü olduğu için, birbirini çeker ve bu elektriksel çekimle birbirine bağlanır. Böylelikle sodyum klorür denilen kimyasal bileşik yani sofra tuzu oluşur.

Aynı şekilde, dış tabakasında iki elektron eksiği bulunan oksijen atomu, iki hidrojen atomunun tek elektronlarını alarak bir su molekülü oluşturur. Buna karşılık, oksijen ve klor atomları ya da hidrojen ve sodyum atomları birbirleriyle bileşik kurmaya yanaşmaz.

Bu arada dış tabakasında dört elektronu bulunan karbon, hem bu elektronlarını verebildiği hem de aynı şekilde eksiğini tamamlayabildiği için çok değişik türde bileşikler kurabilir.

Bunlar zaten lise öğreniminden kalma bildiğimiz şeylerdi. Anımsatmak istedim.  Öyle ki, bir sonraki yazımda yer alacak ve asıl konumuz olan Mikromekanik ile Kuantum fiziğine gelebilelim.