Helyum atomunun yer aldığı grafikteki pembe kısımçekirdeği, siyah kısım iseelektron bulutunun dağılımını göstermektedir. Sağ üst köşede yer alan çekirdeğin büyütülmüş hâlindeki kırmızı kürelerprotonları, mor küreler isenötronları göstermektedir. Çekirdek, gerçekte küresel simetriye sahiptir, ancak daha karmaşık çekirdekler için durum farklıdır. Siyah çizgi, birångströmdür (10-10 m ya da100 pm).
Atom veyaögecik,[1][2] bilinenevrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapı taşıdır.[3] Atom Yunancada "bölünemez" anlamına gelen "atomos"tan türemiştir. Atomus sözcüğünü ortaya atan ilk kişi MÖ 440'lı yıllarda yaşamışDemokritos'tur. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadecetaramalı tünelleme mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) vb. ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü birelektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklüprotonlar ve yüksüznötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacıkiyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.[4]
Bir atom, sahip olduğu proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: atomdaki proton sayısı kimyasal elementi tanımlarken, nötron sayısı da bu elementinizotopunu tanımlar. Her elementin radyoaktif bozunma veren en az bir izotopu vardır.
Elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur vefoton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanı sıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir.
Atomların içi dolu ve bölünmez olduğu fikrini savunanJohn Dalton'un ilk atom modeli ve atom hakkında ilk bilimsel yaklaşımıdır (1808).
1803 yılındaJohn Dalton,kimyasal reaksiyonlarda maddenin tam sayılarla belirlenen oranlardatepkimeye girdiğini gösterdi ve dolayısıyla, maddelerin atom denen sayılabilir ama bölünemez parçalardan oluştuğunu ifade etti. Buna ek olarak, atomlarınkütlelerini ortaya koyan bir tablo hazırladı.[7]
1869 yılındaDmitri Mendeleyev o zaman için bilinen elementleri düzenleyen bir periyodik tablo geliştirdi.J. J. Thomson 1897 yılındaelektronu keşfetti. 1911 yılındaErnest Rutherford günümüz atom modelinin temelini teşkil eden yapıyı ortaya koydu: atomun, kütlesinin büyük bir kısmını oluşturan bir çekirdek ve bu çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmaktadır. Rutherford çekirdeği oluşturan pozitif yüklü parçacığaproton adını verdi.
1932 yılındaJames Chadwicknötronu (adı, elektrik yükü 0 olduğundan, yani nötr olduğundan, nötron olmuştur) buldu. Daha sonrakuantum teorisi doğrultusundaNiels Bohr,Bohr atom modelini ortaya attı ve elektronların belli yörüngelerde bulunabildiğini ve bununPlanck sabiti ile ilgili olduğunu ifade etti. Bohr'un modelinin üzerinde, daha sonraki deneylerde bulunanlarla örtüşmesi için birçok ekleme ve çıkarma yapıldı. Bohr modelinin "yamalı bohça" lakabını alması bundan ileri modelini yapmıştır.
Niels Bohr'un modeli ise modern atom teorisine en yakın modellerinden biridir. Bohr'a göre elektronlar çekirdeğin çevresinde rastgele yerlerde değil, çekirdekten belirli uzaklıklarda bulunan katmanlarda döner.[8]
Atomun yapısını açıklayan ve bugün için kabul edilen son teori Kuantum Atom Teorisi'dir. Kuantum Atom Teorisi'ne göre atom modeli Bohr atom modelinden farklıdır. Bohr Atom Modeli'ne göre atomun merkezindeki çekirdeğin etrafında elektronlar çember şeklindeki yörüngelerde dolanmaktadırlar. Her bir çember yörünge belli enerji seviyesine sahiptir. Yörüngeler arası elektronik geçişler atomun renkli görünmesine neden olur. Ancak belli bir zaman sonra Bohr atom modelinin birçok spektrumu açıklayamadığından yetersizliği ortaya çıkmıştır.
Kuantum Atom Modeli'ne göre ise atomun merkezinde bulunan çekirdeğin etrafındaki elektronlar belli bölgelerde yaniorbitallerde bulunurlar. Belli enerji seviyelerine sahip orbitaller atomu oluşturan küresel katmanlarda bulunur. Portakal kabuğu şeklinde iç içe geçmiş küresel katmanlardaki orbitallerin belli şekilleri ve açıları (yönelmeleri) mevcuttur. Orbitallerin bulunduğu katmanların enerji seviyelerinin başkuantum sayısı belirler. n = 1,2,3,. . .gibi tam sayılarla ifade edilir. Orbitallerin şeklini ise l yan kuantum sayıları belirler. l = 0(s), 1(p), 2(d),. .(n-1) e kadar değerler alır. Orbitallerin doğrultularını (açılarını) veren ml yan kuantum sayısı ml=-l. . .0. .+l değerlerini alır. Elektronların spini gösteren ms kuantum sayısı da +1/2 veya -1/2 değerlerini alabilir.
Yalnızelektronlar çekirdek çevresinde ancak belirli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde dönerler, konumları ancak birolasılık fonksiyonu ile ifade edilebilir. Elektronlar çekirdeğin etrafında buluta benzer bir şekildedir.
Sadece proton parçacığının bulunup tekli işlev gördüğü Bohr Atom Modeli
Nötron barındırmayanhidrojen-1 ile elektron barındırmayanhidrojenkatyonu dışındaki tüm elementlerin atomlarında elektron, proton ve nötron bulunur. Negatifelektrik yüküne sahip elektron,9,11×10-31 kg'lik kütlesiyle bu parçacıklar arasında en hafifi olup mevcut teknikler kullanılarak boyutunun ölçümü mümkün değildir.[9] Pozitif yüklü protonun kütlesi1,6726×10-27 kg, yani elektronun kütlesinin1836 katı kadardır. Bir atomdaki proton sayısı,atom numarası olarak adlandırılır. Normal koşullarda elektronlar, zıt elektrik yüklerinin oluşturduğu çekim kuvveti sayesinde, pozitif yüklü çekirdeğe bağlıdırlar. Eğer bir atom, atom numarasından daha çok ya da az elektrona sahipse, sırasıyla negatif ya da pozitif yüklü biriyon hâline gelir.1,6749×10-27 kg'lik kütlesiyle elektronun 1839 katı kütleye sahip nötron ise yüksüz bir parçacıktır.[10][11]
Helyum atomunun sadeleştirilmiş hâliyle atom modeli: İkiproton (kırmızı) ve ikinötron (yeşil), ayrıca etrafında dönen (sarı)elektronlar.
Standart Model'e göre elektronlartemel parçacıkken proton ve nötronlar,kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşurlar. Kuarklar bir çeşitfermiyondur veleptonlarla birlikte maddenin iki temel bileşeninden biridir. Protonlar, her biri +2/3 elektrik yüküne sahip ikiyukarı kuark ile -1/3 elektrik yüküne sahip biraşağı kuarktan; nötronlar ise iki aşağı kuark ile bir yukarı kuarktan meydana gelir. Bileşimlerindeki bu farklılık, yüklerinin yanı sıra kütlelerinin de birbirinden farklı olmasına neden olur. Kuarklar,gluonların aracılığıyla oluşturulangüçlü etkileşimlerle bir arada kalır. Proton ve nötronlar isenükleer kuvvet aracılığıyla birbirine bağlanırlar.[12][13]
Bir atomdaki tüm proton ve nötronlar, atomunçekirdeğinde yer alır. Bu iki parçacık birliktenükleon olarak adlandırılır. Bir çekirdeğin yarıçapı, nükleon sayısı olan bir atomda yaklaşıkfemtometre kadardır.[14] Nükleonlar, "residual strong force" adı verilen kısa menzilli bir çekici güç bir arada tutar. Bu kuvvet 2,5 fm'den daha kısa uzaklıklarda, pozitif yüklü protonların birbirlerini itmelerine neden olan elektrostatik güçten çok daha güçlü bir kuvvettir.[15]
Bir elementin tüm atomlarındaki proton sayısı aynıdır ve bu değeratom numarası olarak adlandırılır. Bir elementin atomlarındaki nötron sayıları farklılık gösterebilirken farklı nötron sayılarına sahip aynı element atomlarınaizotop denir. Proton ve nötronların toplam sayısı,nüklidi belirler.[16] Farklı sayıda proton ve nötrona sahip bir çekirdek, radyoaktif bozunmaya uğrayıp daha düşük birenerji seviyesine geçerek proton ve nötron sayılarını birbirine yakınlaştırabilir. Bu bağlamda, proton ve nötron sayıları birbirine yaklaştıkça atomun radyoaktif bozunmaya karşı daha kararlılığı artar. Ancak atom numarası arttıkça, protonların birbirlerine uyguladıkları elektrostatik itme kuvvetleri artacağından, protonlar arasına girerek bu itmeleri azaltan nötron sayısı giderek çoğalır. Bunun sonucunda atom numarası 20'nin üzerinde (20,kalsiyumun atom numarasıdır) proton ve nötron sayıları eşit kararlı çekirdekler bulunmaz. Atom numarası arttıkça, kararlı bir çekirdek için gerekli olannötron-proton oranı 1,5'e doğru kayar.[17]
İki protonunnükleer füzyona uğrayarak birer nötron ve protondan oluşan bir çekirdeğe dönüşmesini gösteren bir çizim. Füzyon sonucunda birerpozitron (e+) ileelektron nötrinosu salınır.
Proton, elektron ve nötronlarfermiyon olarak sınıflandırılırlar. Fermiyonlar için de geçerli olanPauli dışarlama ilkesine göreözdeş iki parçacık, aynı anda aynıkuantum durumunda bulunamaz. Bundan ötürü çekirdekteki her bir proton ile nötron, kendi grubundaki diğer parçacıklardan farklı bir kuantum durumunda bulunmalıdır.[17]
Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları,güçlü etkileşim nedeniyle büyük bir enerji gereken bir şekilde değiştirilebilir. Bu olay sonucunda, çekirdeğin değişmesi için emilen enerjiden daha fazla enerji dışarı salınır. Birden fazla çekirdeğin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturmasınanükleer füzyon, çekirdeğin daha az sayıda nükleon içeren çekirdeklere bölünmesine isenükleer fisyon denir. Nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkan enerji, nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkandan fazladır. Çekirdeğin yüksek enerjili atomaltı parçacık ya dafotonlarla bombardımana uğratılması sonucunda proton sayısı değişirse, atom başka bir element olacak şekilde değişir.[18][19][20]
Bir füzyon reaksiyonu sonrasındaki çekirdek kütlesi ayrı parçacıkların toplam kütlesinden az olduğu durumlarda bu iki değer arasındaki fark,kütle-enerji eşdeğerliği formülü olane=mc2 (buradakim kütle kaybı,c iseışık hızıdır) sonucu ortaya çıkan değere sahipgama ışını ya da birbeta parçacığınınkinetik enerjisi gibi kullanılabilir bir tür enerji olarak salınabilir. Yeni çekirdeğinbağlanma enerjisinin bir parçası olan bu enerji; birleşen parçacıkların bir arada kalması için gereken enerjinin geri döndürülemeyen kaybıdır.[21]
İki çekirdeğin,demir ilenikelinkinden daha düşük atom numarasına sahip bir çekirdek oluşturacak şekilde gerçekleştirdiği füzyon, genellikleekzotermiktir.[22] Daha ağır çekirdeklerde, nükleon başına bağlanma enerjisi düşmeye başlar. Bu bağlamda, 26 dolaylarından yüksek atom numarası ile 60 dolaylarından daha yüksekkütle numarasına sahip sahip çekirdek üretimiyle sonuçlanan bir füzyon iseendotermiktir.[17]
Klasik mekaniğe göre herx konumuna ulaşılması için gerekenV(x) minimum enerjisini gösteren birpotansiyel kuyusu.E enerjili bir parçacık,x1 ilex2 noktaları arasında konumlanır.
^Pfeffer, Jeremy I.; Nir, Shlomo (2000).Modern Physics: An Introductory Text. Imperial College Press. ss. 330-336.ISBN978-1-86094-250-1.OCLC45900880.
^Kaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;wenner2007 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
^abcKaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;raymond isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
^Kaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;mihos2002 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
^Kaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;lbnl20070330 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
^Kaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;makhijani_saleska2001 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
^Shultis, J. Kenneth; Faw, Richard E. (2002).Fundamentals of Nuclear Science and Engineering (İngilizce). CRC Press. ss. 10-17.ISBN978-0-8247-0834-4.OCLC123346507.
^Kaynak hatası:Geçersiz<ref> etiketi;ajp63_7_653 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz:Kaynak gösterme)
Wikimedia Commons'taAtom ile ilgili ortam dosyaları mevcuttur.
