ATOM
Atomların varlığı varsayımı gerçekten çok eskilere
dayanır."Maddeyi durmadan bölersek, bu işin sonunda nereye varılır?"
sorusuna bir cevap getirmek çabasıyla üretilmiş varsayımlardan biridir
bu.Yüzyıllar boyunca pek çok düşünür ve bilim adamı tarafından basit, ama
olgunlaşmamış kuramlar önerilmiştir.Ama sorun oldukça karmaşıktı, ancak yavaş
yavaş ve giderek aydınlanabildi.
Kısası, deneyler ve aklı yürütmeyle şu sonuca varıldı:Dünya üzerinde
egemen olan koşullar altında cisimlerin büyük çoğunluğu, görece kararlı
moleküllerden oluşur;hidrojenden uranyuma, kütleleri 1’den 240’a kadar değişen
yüz kadar farklı atom vardır.En azından iki atomun (benzer veya farklı) aralarında
bağ kurabilme yatkınlığı sayesinde birleşmesi, moleküllerin ve kristallerin
olağanüstü çeşitliliğini doğurur.
Moleküllerin bileşimi ve tepkimelerin incelenmesi, kimyanın konusuna
girer.100 kadar farklı atom bile (bunların varlıkları ancak 1900’lü yılların
sonlarında kabul edilmiştir) göze çok görünmektedir.Atomların, yapı
değiştirmesine dayalı olarak ortaya çıkan radyoaktifliğin incelenmesi ve
ısıtıldıklarında ışık yayma özelliklerinin ortaya çıkarılması, atomların da en
basit ve en temel cisimler olmadığını ortaya koymuştur.Bunların içinde, hepsi
birbirinin aynı ve negatif elektrik yükü taşıyan hafif parçacıklar olan
elektronlar ile, çok daha ağır ve pozitif yüklü bir çekirdek yer almaktadır.Her
çekirdek tipi bir elemente özgüdür ve atom kütlesinin nerdeyse tümünü içerir
1911’de Rutherfod’un
gerçekleştirdiği bir deney, birçok başka fizik deneyine model olmuştur.Bu
deney, ağır çekirdeğin atom içinde işgal ettiği hacmin, çekirdeğin elektriksel
çekim kuvveti altında sürekli olarak hareket eden hafif elektronların kapladığı
hacimden çok daha küçük olduğunu göstermiştir.O zamandan beri
atomlar,merkezdeki bir çekirdek çevresinde dolanan elektronlardan oluşan çok
küçük Güneş sistemleri olarak kabul edilir olmuştur.
Elektronlarla çekirdek arasında
sürekli etkiyen bir çekim kuvvetinin mevcudiyetine karşılık, neden
elektronların çekirdeğe yapışmadığını açıklamaya yönelik çabalar sonucunda Bohr
atomu modeli ortaya çıktı.Bu modelde ve gezegenlerde olduğunun tersine,
elektronların ancak bazı özel yörüngeleri işgal edebileceği kabul edilmek
zorunda kalındı.Bu durum nedeniyle geliştirilmiş olan kuvantum fiziği, atom ve
çekirdek ölçeğindeki olaylarla parçacıklar fiziğinde geçerli olan çok daha
küçük ölçeklerdeki olayları tanımlamakta yararlanılan kavramsal çerçeveyi
sağlar.
En güçlü
mikroskopların bile göremeyeceği kadar küçük bir alanda dönüp-duran onlarca
elektron, atomun içinde çok karışık bir trafik yaratır. Burada dikkat çeken en
önemli nokta, çekirdeği elektrik yükünden oluşan bir zırh gibi kuşatan bu
elektronların atomun içinde en ufak bir kazaya yol açmamalarıdır. Üstelik
atomun içinde yaşanacak en ufak bir kaza atom için felaket olabilir. Ama böyle
bir kaza asla gerçekleşmez; tüm işleyiş mükemmel bir düzen ve kusursuz bir
sistem içinde devam eder. Çekirdeğin çevresinde saniyede 1.000 km. gibi akıl
almaz bir hızla hiç durmadan dönen elektronlar, birbirleriyle bir kez bile
çarpışmazlar.
ÇEKİRDEK:
Çok küçük bir hacim içindeki
çekirdek, atomun A kütlesinin büyük kısmını oluşturur ve bu çekirdeğin Z elektrik yükü, elektronların sayısı Z’yi, yani atomun kimyasal türünü
belirler.1920 yılına kadar bilinen yegane parçacıklar, proton ve elektron
olduğu için, çekirdeğin A sayıda protondan oluştuğunu, bunlardan bazılarının
elektronlar tarafından (çevredeki dış elektronlardan farklı olan elektronlar)
nötrleştirildiğini öne sürmek doğaldı, ama bu elektronların çekirdek içinde
nasıl saklandıklarını anlamak da hayli zordu.Rutherford nötr parçacıklar
(nötronlar) önermişti, bunların kütlesi protonun kütlesine yakın
olmalıydı;ancak 1932 yılında Chadwick, nötronu tam anlamıyla kanıtladı:çekirdek
içinde elektron yoktu.
Çekirdeklerle elektronlar arasında
var olan elektriksel kuvvetleri açıklamak için tasarlanan kuvantum
elektrodinamiği, bu kuvvetlerin fotonların alışverişiyle, yani sıfır kütleli
elektromanyetik dalgalar olan ışık parçacıklarının değişimiyle aktarıldığını
ortaya koyuyordu.
Bu kuramdan yararlanan ve
çekirdeklerin çok küçük boyutlu parçacıklar olmasını hesaba katan Yukava,
nükleonlar arasında gerçekleşen haberci bir parçacık, yani mezon alışverişi
sonucunda, kısa mesafelerde etkiyen güçlü bir kuvvetin (veya etkileşimin)
ortaya çıktığını öne sürdü ve mezonun kütlesini hesapladı.Bugün pion denen bu
mezon, 1947 yılında kozmik ışın etkileşimi sırasında tanındı.Bu buluş
çekirdeğin "mezon" kuramını doğruluyordu.
Ama bu kuram, çekirdeklerin bütün
özelliklerinin tanımlanması için yeterli değildi:mesela biçim, kararlılık
koşulları, çarpışmalar vb. gibi özellikler.Bütün bu sorular, her zaman çok
canlı bir bilim dalı olan çekirdek fiziğinin (nükleer fizik) konusunu
oluşturmaktadır.
TEMEL PARÇACIKLAR
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 :
1.
Tanecik yükü ile doğru
orantılıdır.Yükü büyük olan tanecik az yük taşıyan tanecikten daha çok sapar.
2.
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 izotop 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.
BAZI
ATOM PARÇACIKLARI:
Banyonlar:Üç
kuvarktan oluşan kadronlar.
Bozonlar:Temel
fiziksel kuvvetleri taşıyan parçacıklar.
Elektronlar:En
hafif leptonlar.Elektrik yükleri –1’dir.Elektriksel ve kimyasal tepkimelerde
önemli roller üstlenirler.
Fermiyonlar:Spin
değeri 1/2, 2/3 gibi buçuklu olan tüm parçacıklar.Peptonlar ve banyonlar birer
fermiyondur.
Fotonlar:Elektromagnetik
kuvveti taşıyan bononlar.Işığı oluşturan parçacıklar fotonlardır.
Glüonlar:Kuvarklar
arasındaki kuvvetli etkileşimi taşıyan bozonlar.
Gravitonlar:Kütle
çekimi kuvvetini taşıdığı varsayılan bononlar.Gravitonlar gerçekte henüz
gözlemlenememiştir.
Hadronlar:Kuvarklardan
oluşan tüm parçacıklar.
Kuvarklar:Nötronları
ve protonları oluşturan parçacıklar.Kuvarsların koku alarak adlandırılan altı
türü vardır:Yukarı,aşağı,büyülü,acayip,üst ve alt.
Leptonlar:Çekirdeğin
dışında yer alan parçacıklar.Altı tür lepton vardır:Elektron,mü on,tau ve
bunların nötrinoları.
Mezonlar:Bir
kuvark ile bunun karşıt kuvarkından oluşan hadronlar.
Müonlar:Elektrondan
biraz daha ağır leptonlar.Evrenin oluşumunun ilk anlarında var olan bu parçacıklar
bugün ancak parçacık hızlandırıcılarında üretilmekte ve ender olarak kozmik
ışınlarda bulunmaktadır.
Nötrinolar:Elektrik
yükü ve gözlemlenebilir bir kütlesi olmayan parçacıklar.
Nötronlar:Protonlarla
birlikte atom çekirdeğini oluşturan yüksüz temel parçacıklardır.
Protonlar:Nötronlarla
birlikte atom çekirdeğini oluşturan artı yüklü temel parçacıklar.
Taular:En ağır
leptonlar.Evrenin oluşumunun ilk anlarında var olan bu parçacıklar bugün ancak
parçacık hızlandırıcılarında üretilmekte ve ender olarak kozmik ışınlarda
bulunmaktadır.
Taşıyıcı
mezonlar:(W ,W ve Z bozonları olarak da adlandırılır).Bazı
radyoaktif bozunum türlerine neden olan zayıf etkileşimleri taşıyan bozonlar.
KUVARKLAR,LEPTONLAR,BOZONLAR
1960’larda sürdürülen yoğun
araştırmalar sonucunda bu temel parçacıkların, kuvark denen daha da temel
birimlerden oluştuğu anlaşıldı.1980’lerin ortalarında da maddenin temel
bileşenlerinin, atom çekirdeğini bir arada tutan kuvvetli etkileşimden
etkilenen kuvarklar ile kuvvetli etkileşime girmeyen leptonlar olduğu sonucuna
ulaşıldı.Kuvarklar kesirli elektrik yüküne sahip, spin değerleri ½ olan kütleli
parçacıklardır (Spin ya da fırıl, bilinen parçacıklarda var olan açısal
momentumdur).Kuvarklar her zaman bir arada bulunur.
Birbirlerinden "koku" denen
fiziksel bir özellikle ayrılan altı tip kuvark, yani altı ayrı kuvark kokusu
vardır.Bu kokular yukarı,aşağı,üst,alt,acayip ve büyülüdür (İngilizce adları
up,down,top,bottom,strange ve charmed).Olağan maddedeki protonlarda ve nötronlarda
bunlardan yalnızca ikisine, yukarı ve aşağı kuvarklara rastlanır.Öbür dördü
(üst,alt,acayip ve büyülü kuvarklar) saniyenin kesri kadar bir sürede
kendiliğinden bozunan kararsız parçacıklarda bulunur.Yukarı,büyülü ve üst
kuvarkların elektrik yükü 2/3;aşağı,acayip ve alt kuvarkların elektrik yükü ise
–1/3’tür.Kuvarklardan oluşan tüm parçacıklara hadron denir.Uç kuvarktan oluşan
protonlar, nötronlar ve öbür hadronlar baryon olarak adlandırılır.Tek bir
kuvark ile bunu karşıt kuvarkından oluşan hadronlara ise mezon denir.Spin
değeri buçuklu olan (1/2, 2/3, vb.) tüm parçacıklar fermiyon adıyla
anılır.Leptonlar ve baryonlar bu gruba girer.
Leptonlar her zaman çekirdeğin
dışında bulunur, çünkü kuvarkların tersine, çekirdeği bir arada tutan kuvvetli
etkileşimden etkilenmezler.Altı tip lepton vardır ve bunlar her zaman bir arada
bulunur.Leptonların elektrik yükü –1, spin değerleri ise 44 ½’dir.Elektronlar
ile müonlar (mü parçacıkları) ve tabu parçacıkları bu kategoriye girer.Her
lepton, elektrik yükü ve görünür bir kütlesi olmayan bir nötrinoyla
ilişkilidir.Leptonlar yalnızca elektromagnetik kuvvetten, zayıf çekirdek
kuvvetinden ve kütle çekimi kuvvetinden etkilenirler.(Zayıf çekirdek kuvveti,
çekirdeğin kendiliğinden parçacıklar saldığı çekirdek bölünmesi sırasında
etkir).
|
Fermiyonlar
|
Spin
|
Elektrik
Yükü
|
Yaklaşık
Kütle
|
Renk
|
Kokusu
|
|
Leptonlar
e
v
v
v
Kuvarklar
u
d
c
s
t
|
½
½
½
½
½
½
½
½
½
½
|
-1
0
0
0
2/3
-1/2
2/3
-1/3
2/3
-1/3
|
1/2000
0
0
0
1/50
1/100
2
1/5
>18
5
|
yok
yok
yok
yok
var
var
var
var
var
var
|
var
var
var
var
var
var
var
var
var
var
|
Kuvarklar ve leptonlar maddenin temel parçacıklarıdır, ama bozon olarak
adlandırılan bir başka parçacıklar kümesi daha vardır.Görelilik ve kuvantum
kuramlarına göre tüm kuvvetler parçacıklar arasındaki etkileşimin bir sonucudur
ve kuvarklar ya da leptonlar arasındaki tüm etkileşimler bozonlar tarafından
taşınır.En tanınmış bozon, elektromagnetik kuvveti ileten fotondur.Kuvarkları
birleştirerek proton ve öbür hadron türlerinin oluşmasını sağlayan kuvvetli
etkileşim, glüon olarak adlandırılan sekiz bozonluk bir küme tarafından
taşınır.Işınımın (radyoaktifliğin) oluşmasını sağlayan ve Güneş’in enerji
üretebilmesi için gerekli olan zayıf kuvvet ise, taşıyıcı mezon ya da vektör
mezonu denen üç bozon tarafından iletilir.Bunlara bazen W ,W ve
Z bozonları da denir.Foton ve glüon
kütlesiz, taşıyıcı mezonlar ise oldukça ağırdır.1983’te İşviçre’nin Cenevre
kentinde Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü laboratuarında W ve Z parçacıkları için öngörülen biçimde oluşan
ve bozunan parçacıklar saptanmıştır.
Tablo:Bunlar maddeyi oluşturan temel
parçacıklardır.Parçacıkların bazı fiziksel özelliklerini belirten renk ve koku
tanımlarının parçacık fiziğinde günlük yaşamdakinden farklı teknik anlamları
vardır.Parçacıkların kütleleri birbirinden oldukça farklıdır ve kolaylık
sağlaması bakımından 1 birim olarak alınan protonun kütlesine göre
verilmiştir.Elektrik yükü de protonunkine göre belirlenmiştir.(ν ve t
parçacıklarının henüz doğrudan gözlemlenememiştir, ama varlıklarına ilişkin
güçlü belirtiler bulunmaktadır.)Her parçacığın, elektrik yükü, rengi ve kokusu
ters işaretli olan bir karşıt parçacığı vardır;karşıt parçacıklar ayrıca
listeye alınmamıştır.
KARŞIT PARÇACIKLAR
Kuvantum
kuramının geliştirilmesinden kısa bir süre sonra, 1930’ların başlarında
kuramsal fizikçi P.A.M Dirac karşıt parçacıkların olduğunu öne sürdü.Her temel
parçacık için kütlesi aynı, ama elektrik yükü (ve herhangi bir başka yükü) ters
işaretli olan bir başka parçacığın bulunması gerekiyordu.Bugün bu varsayım
kanıtlanarak doğrulanmıştır.Örneğin, elektronun karşıt parçacığı pozitron,
protonunki karşı proton (ya da antiproton) ve kuvarkınki karşıt kuvarktır (ya
da antikuvark).
ATOM
PARÇACIKLARININ ÖZELLİKLERİ
Her atom parçacığının bazı ayırt
edici özelliği vardır.Bu özelliklerin başlıcaları kütle, elektrik yükü,
bakışım, renk ve kokudur.
KÜTLE VE
ELEKTRİK YÜKÜ
Her temel parçacığın bir özgül
kütlesi vardır.Parçacıkların kütleleri birbirinden çok farklı olabilmekte, ana
bunun nedeni henüz bilinmemektedir.Parçacıkların bilinen bir başka özelliği de
elektrik yükleridir.Bozonlar ile leptonların elektrik yükü elektronunkiyle aynı
(-1) olabileceği gibi, bozonlarınki bunun tam ters işaretlisi de (+1)
olabilir.Nötron ya da nötrino gibi yüksüz (nötr) bozonlar ve leptonlar da
vardır.Kuvarkların elektrik yükü ise
-2/3’tür.
BAKIŞIM
Herhangi
bir madde üzerinde yapılabilen ve maddede değişikliğe yol açmayan bir işlem
varsa, o maddenin bakışımlı olduğu söylenir.Örneğim bir dairenin, merkezinden
geçen ve ona dik olarak geçen çizginin çevresinde döndürülmüş olup olmadığı
belirlenemez.Benzer biçimde, bir eşkenar üçgen merkezinden dik olarak çıkan bir
çizginin .evresinde 120 derece döndürülürse üçgenin görünümünde herhangi bir
değişiklik olmaz.Matematikçiler, çeşitli sistemlere uygulandığında bunlarda
herhangi bir değişikliğe yol açmayan işlemleri genelleştirmiş ve
sınıflandırmışlardır;buna gruplar kuramı denir.Eğer bazı maddeler üzerinde, bu
maddelerde ve aralarındaki ilişkilerde bir değişikliğe neden olmadan
uygulanabilecek bir işlemler kümesi varsa, bu kümeye bakışım grubu denir.Bu
maddelerin bakışım işlemleri altında birbirlerine dönüştükleri söylenir.Bakışım
gruplarının çeşitli adları vardır;doğadaki kuvvetlerin ve parçacıkların nasıl
düzenlenmiş olduklarının açıklanması bakımından özel önem taşıyan bazı özel
bakışım grupları SU(N) grupları olarak adlandırılır.Buradaki N, bakışım
işlemlerinin uygulanabileceği temel madde sayısını gösterir.
Fizikçiler parçacıkları ve bunların
arasındaki etkileşimleri belirleyen yasaların belirli işlem kümeleri altında
değişmediğini saptamışlardır.Özellikle 2. Dünya Savaşı’ndan sonra keşfedilen
parçacıkların, SU(3) bakışım grubu işlemleri altında birbirine dönüşen kümeler
oluşturduğu ortaya çıkmıştır.Ama, gözlemlenen parçacık kümeleri, olanaklı en
basit maddeler kümesi değildir..Gözlemlenen parçacıklar değişik bir biçimde
üçgene benzerler ve 120derecelik
döndürmeler yapıldıkça doğa yasaları değişmemiş, böylece birçok parçacık kümesi
çok basit şekilde gözlemlenebilmiştir.
1964’te Murray Gell-Mann ve George
Zweig, birbirlerinden bağımsız olarak, proton,nötron ve keşfedilmiş birçok
parçacığı da içermek üzere tüm hadronların bir başka madde düzeyinden
oluştuğunu ileri sürdüler;bu madde Gell-Mann’ın önerisi uyarınca kuvark olarak
adlandırıldı.Kuvarklar ayrıca, "koku" denen fiziksel özelliklerine
göre u,d ve s kuvarkları olarak ayrıldı.(Kuvark sözcüğü James Joyce’un
Finnegans Wake adlı romanında geçen bir cümleden alınmıştı.)
Daha sonraki fizikçilerin de
çalışmalarında benzer sonuçlara varması Gell-Mann ve Zweig’ın görüşünün
doğrulanmasına ve kuvarkların kuvvetli etkileşime giren temel parçacıklar
olarak kabul edilmesine yol açtı.Örneğin 1960’ların sonlarında ABD’nin
California eyaletindeki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde
gerçekleştirilen bir deney sonucunda protonların ve nötronların kuvarklardan
oluştuğu kanısı kesinleşti.Bu deneyde araştırmacılar Ernest Rutherfod’un atom
çekirdeğini keşfetmesini sağlayan tekniğin bir benzerini uyguladılar.Bir kez
protonlara çok yüksek enerjili elektronlar çarptırıldı ve şaşılacak kadar çok
sayıda elektronun doğrudan protonların arasından geçmek yerine, büyük açılarla
geri yansıdığı görüldü.Dikkatle sürdürülen incelemelerin ardından da
protonların temelde üç noktamsı parçacıktan, yani kuvarklardan oluştuğunun
kabul edilmesi gerektiği sonucuna varıldı.(Bu deney sırasında ayrıca,
kuvarkları birleştirerek protonun oluşmasını sağlayan ve glüon denen
parçacıkların varlığına ilişkin kanıtlar da elde edildi.)
Bilim adamlarının maddenin kuvarklardan
oluştuğuna inanmalarını sağlayan başka nedenler de vardır.Bunlardan biri,
kuvarkların proton,nötron ve öbür hadron türlerini oluştururken ancak belirli
sayısal birleşimlerde bir araya geldiklerinin anlaşılmış olmasıdır.Protonlar ve
nötronlar üç kuvarktan, mezonlar ise tıpkı pionlar gibi kuvark-karşıt kuvark
çiftlerinden oluşur.kuramın geçerli olabilmesi için ancak belirli hadron
biçimlerinin bulunması, bazılarının ise bulunmaması gerekir ve her iki koşul da
sağlanmıştır.Bir başka neden de kuvarkların hem kuvvetli, hem de zayıf
etkileşimlere nasıl girdiğini tanımlayan kuramların pek çok önemli deneyi doyurucu
biçimde açıklayabilmesidir
Geçmişte maddenin yapısı
araştırılırken ulaşılan her aşamada, keşfedilen yeni parçacığın da bir iç
yapısı olduğunu düşündüren ipuçları elde ediliyordu.Örneğin, proton
keşfedildiğinde bu parçacığın magnetik alanlarla noktamsı bir parçacıktan
beklenen biçimde etkileşime girmediği görülmüş ve üzerine çarptırılan
elektronları saçılıma uğratınca da bir iç yapısı olduğu anlaşılmıştı.Oysa çok
yakınlarına kadar ulaşılıp imcelenmelerine karşın kuvarkların ve leptonların
bir içi yapısı olduğunu gösteren herhangi bir belirtiye rastlanmamıştır.
Kuvarkların bu bakımdan çok önemli olabilecek
bir başka özelliği daha vardır.Çok çeşitli şekillerde gözlemlenebilmelerine
karşın, bu parçacıkların yalın halde ayrılıp elde edilemeyeceğine inanılmaktadır.Bilindiği
kadarıyla bu parçacıkları bir arada tutan kuvvet, aralarındaki uzaklık artsa
bile sabit kalır ve bu yüzden bir çift kuvarkı birbirinden ayırmak için gittikçe daha fazla enerjiye gereksinim
duyulur.Ama sisteme yüklenen enerji belirli bir düzeye ulaştığında bu kez
sistem bir kuvark-karşıt kuvark çifti oluşturur.Bu durumda da sistemden ancak
qqq ya da qq birleşimleri çıkar;bu birleşimler ise normal hadronlardan başka
bir şey değildir.Kuvarkların ayrılamayacağı ve yalnızca hadronları oluşturan birleşimlerinin
görülebileceği tezine sınırlanma denir.Maddenin bölünebilirliğine ilişkin
tarihsel problemin yeni çözümü belki de bu sınırlanma ilkesidir.Gelecekte
yapılacak deneyler maddenin daha ileri düzeylerinin olup olmadığını ortaya
çıkaracaktır, ama bilim tarihte ilk kez maddenin en temel ve parçalanamaz
bileşenlerine ulaşmış gibi görünüyor.
KİLOMETRE TAŞLARI
1896-Radyoaktiflik bulundu.
1898-Polonyum,sonra radyum (P. VE M. Curie), alfa ve beta ışınları
(Ernest Rutherford) bulundu.
1900-Elektromanyetik yapıda olan Gamma ışınları bulundu(P.Villa-RD).
1911-İzotop kavramı ortaya çıktı (Aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere
sahip ama atom kütleleri farklı elementler).
1932-Nötron keşfedildi (J. Chadwick).
1932-W. Pauli
ve E. Fermi beta radyoaktifliğinin yanısıra nötrino denen çok girişken yüksüz
bir parçacığın da yayımlandığını da kanıtladı.
1934-J.F. VE I. Joliot-Curie yapay radyoaktifliği ve β+radyoaktifliğini
buldu.
1935-Nükleer kuvvetin ‘Mezon’ kuramı (Yukava).
1938-Nükleer parçalanma (Fisyon) bulundu.
1970- Ağır iyon hızlandırıcıları, çekirdeklerin kararlılık koşullarını-
araştırmaya imkan verildi.
Radyoaktiflik:
Kendiliğinden ışıma yapabilen maddeler radyoaktif
maddelerdir .Radyoaktiflik çekirdek yapısıyla ilişkilidir. Radyoaktif bir atom hangi bileşiğin yapısına girerse, o
bileşiği radyoaktif yapar. Radyoaktif maddeler kuvvetli birer enerji kaynağıdır .
Radyoaktif elementler bu enerjiyi kendiliklerinden yayınlarlar ve bu olayı hiçbir şekilde
durdurmak mümkün değildir.
Atomun çekirdeğinde bulunan temel tanecikler proton
ve nötron olup bunlara nükleon adı verilir.
Radyoaktiflik özelliği ; elementlerin
katı, sıvı gaz ya da bileşik halinde olması
etkilemez.
Atomun kütlesi, çekirdekteki proton ve nötronların
kütleleri toplamına eşit olması
gerekirken daha küçüktür, bu aradaki kütle farkı ; E=m .
c2 şeklinde enerjiye
dönüşür. Bu enerjiye bağlanma enerjisi denir. Bir
atomda nükleon başına düşen bağlanma enerjisi ne kadar büyükse,
atom o kadar kararlı yapıda olur. Bu enerji
çekirdekteki nükleonları bir
arada tutan enerjidir.
Atom çekirdeğinde kararlılık ya da kararsızlık,
proton-nötron sayıları arasındaki ilişki
şöyle genellenebilir:
1-
Atom numarası 1-20
arasındaki atomların çekirdeklerinde
proton sayısı = nötron sayısıdır.
2-
Atom numarası 20-83 arasındaki
çekirdeklerde nötron sayısı proton sayısından fazladır.
3-
Atom numarası 83’ ten büyük
olan elementlerin çekirdekleri kararsız olup radyoaktiftir.
4-
Atom numarası ve nötron
sayısı çift olan atomların, atom numarası ve nötron sayısı tek olan atomlara
göre, daha çok sayıda kararlı izotopu vardır.
5-
En kararlı çekirdekler, hem
nötron hem de proton sayıları çift
olanlardır. 0-8-20-28-50-82
proton veya nötron sayısına sahip çekirdekler özellikle kararlıdır. Bu
sayılara sihirli sayılar denir.
Radyoaktif Bozunmalar:
Atoma dıştan herhangi bir etki olmadan,
kendiliğinden bozunarak daha küçük parçalara ayrılması ve bu ayrılma sırasında
ışıma yapmasına radyoaktiflik, bu tür ışıma yapan elementlere de radyoaktif
atom denir.
Radyoaktif lik, Şubat 1896’da Henri Becquerel (Henri
Bekerel) tarafından, potasyum uranil
sülfatın yaydığı ışınların bazı maddelerden geçip fotoğraf plağını karartmasıyla keşfedildi.
Radyoaktif elementlerin bileşiklerinde de
radyoaktif özelliği aynen görülür. Bu
yüzden radyoaktif kimyasal veya fiziksel
etkilere ve değişmelere bağlı bir özellik değildir. Sadece çekirdek yapısına bağlı ve çekirdekte olan
bir değişmedir.
Radyoaktif
elementler, radyoaktif ışımalar ile kendiliğinden başka kararlı
elementlere dönüşür. Atom
çekirdeklerinin kararlığı nötron ve proton sayısıyla ilgilidir. Doğada bulunan
atomların nötron sayıları, proton sayılarına göre grafiğe geçirildiğinde
aşağıdaki grafik elde edilir.
Grafik
kararlılık kuşağının dışındaki çekirdekler kararsızdır. Bu elementler radyoaktiftir.
Genel olarak n/p < 1,5
olan çekirdekler kararlı ya da
az kararlı , n/p > 1,5 olan çekirdekler kararsızdır.Kararsız çekirdek
yapısına sahip olan elementler, kararlı bir çekirdek yapısına ulaşmak için alfa, beta, pozitron bozunması ve
elektron yakalaması şeklinde bozunmaya
uğrayarak ışıma yapar. Bu elementlere ışıma yapan anlamında radyoaktif element denir.
Atom çekirdeklerinde nükleon (temel tanecik)
başına düşen bağlanma enerjisi o çekirdeğin
kararlılığının ölçüsüdür. Atom çekirdeklerinde tanecik sayısı arttıkça
bağlanma enerjisi azalır. Çekirdek kararsızlığı arttıkça radyoaktif olma
özelliği artar.
Atomlardaki çekirdek olayları kimyasal
olaylardan farklıdır. Radyoaktivite ve çekirdek olayları ile ilgili aşağıdaki
sonuçlar çıkarılabilir:
-
Radyoaktiflik, dış etkenlere
bağlı değildir. Bir atomun radyoaktifliği sıcaklık, basınç, çözünme, kimyasal
tepkimeye girme gibi olaylarla değişmez.
-
Bir atom radyoaktif ise, o
atomun oluşturduğu bileşikler de radyoaktiftir. Kimyasal olaylar radyoaktifliği
değiştirmez.
-
Radyoaktif olaylarda açığa çıkan ya da gereken enerji
kimyasal olaylara göre çok fazladır.
-
Radyoaktif atomlar kararlı
çekirdeğe dönüşebilmek için çeşitli ışımalar (Radyoaktif bozunma)
yaparlar.
Bozunma Çeşitleri :
1- Alfa Bozunması
Atom numarası 83’ten büyük olan
elementler, kararlı bir çekirdek yapısına ulaşmak üzere, atom ve kütle
numaralarını azaltarak n/p oranını bire yaklaştırmak isterler. Bunun için
alfa bozunmasına uğrayarak He
çekirdeğinden ibaret alfa tanecikleri yayınlamaları gerekir. Bu olaya alfa bozunması denir. Kısaca, atomun
yapısından bazı parçaların atılmasıdır.
Bir
alfa ışıması yapan
elementin atom numarası 2 , kütle numarası
4 azalır.
Alfa ışınlarının özelikleri:
1-
Fotoğraf filmlerine
etki ederler.
2-
+ yüklü oldukları için elektrik ve manyetik alanda – kutup’a doğru saparlar.
3-
Karşılaştıkları moleküllerden elektron
kopararak, iyonlaşmaya neden olurlar.
4-
Giricilikleri çok azdır.
2- Beta Bozunması :
Beta bozunması n/p oranı kararlılık kuşağından daha
büyük izotopların uğradığı bozunmadır. Bu tür atomlar kararlı yapıya ulaşmak
için nötron sayılarını azaltmak isterler. Beta bozunmasına uğrayan bir elementin çekirdeğindeki bir tane nötron, bir proton ve bir elektrona
dönüşür.
Beta bozunmasına uğrayan
atomun atom numarası 1 artarken, kütle numarası değişmez ve uğradığı atomun izobarı oluşur.
Beta
Işınlarının Özellikleri :
1-
İyonlaştırma özellikleri
azdır.
2-
Işık hızına yakın bir hızla
hareket ederler.
3-
Alfa ışınlarından daha çok,
gama ışınlarından daha az giricidirler.
4-
Fotoğraf filmine etki
ederler.
5-
Elektrik ev manyetik alanda
negatif yüklü oldukları için pozitif
kutupa doğru saparlar.
Sapmaları alfa ışınlarından daha fazladır. Çünkü bunların kütleleri daha küçüktür.
3- Gama Işıması:
Hiçbir zaman
tek başına meydana gelmez. Mutlaka bir
bozunmadan sonra meydana gelen ışımadır.
Bazı atomlar bozunmalar sırasında enerjisini
dışarıya veremez, yüksek enerjili
durumda kalırlar. Enerjiden kurtulmak için gama ışıması yapıp kararlı duruma
geçer. Gama ışıması sırasında atomun
atom ve kütle numarasında bir değişiklik olmaz, yeni bir atom meydana gelmez.
Gama Işınlarının
Özellikleri :
1- Alfa ve beta ışınlarından
daha fazla giricidir.
2- Yüksüz oldukları için
elektrik ve manyetik alanda sapmaya uğramazlar.
3- Kütlesizdirler, fotoğraf
filmine etki ederler.
4- Pozitron Işıması :
Nötron
sayısı proton sayısından az olan radyoaktif atomlar, proton sayılarını azaltmak için
çekirdeklerindeki bir protonu nötrona çevirirler. Proton nötron + pozitron
Pozitron ışıması yapan bir atomun kütle numarası
değişmez, atom numarası 1 azalır. Pozitron taneciği, beta taneciğinin yük
bakımından tersidir.
5- Nötron Fırlatılması :
Kararsız bir çekirdekten dışarı nötron
atılması ile gerçekleşir. Nötron fırlatan bir atomun kütle numarası 1 azalır. Atom numarası değişmez.
Atom kendi izotopuna dönüşür. Çok hızlı
gerçekleşir, izlenmesi zor bir olaydır. Yapay çekirdek tepkimelerinde
gerçekleşir.
6-
Elektron
Yakalaması :
Protonu nötronundan çok olan kararsız
çekirdekler [ n/p < 1] çekirdeğe en
yakın olan 1s orbitalinden 1 elektron yakalayarak protonu
nötrona çevirirler. Pozitron
yayınlama ile aynı
sonucu verir. 1s orbitalinde boşalan elektronun yerini, yüksek enerjili
orbitallerdeki elektronlar birer
düşerek X ışınları oluşturarak
doldururlar. Atom numarası 1 azalırken,
kütle numarası değişmez. Bu olayda
elementin izobarı oluşur.
Fajans
Kanunu :
Alfa
bozunmasına uğrayan bir element,
bozunma sırasında oluşan yeni elemente
göre 2 grup önde (sağ) yer alır. Yine beta bozunmasına uğrayan bir element
oluşan yeni elemente göre periyodik
tabloda 1 grup geride yer alır. Buna fajans kanunu adı verilir.
Doğal
Radyoaktiflik :
Kararlı hale gelmek için atomların
kendiliğinden ışıma yapmasına doğal radyoaktif
element denir. Atom numarası
83-92 arasındaki elementler doğal radyoaktif elementlerdir. Bunun yanında atom
numarası 83‘den küçük olup doğal radyoaktiflik
gösteren elementler de vardır.
(K, C, Rb)
Bir radyoaktiflik izotop bozunma sonucu
başka bir radyoaktif izotopa dönüşür. Bu da bir
başkasına dönüşür. Bu işlem kararlı bir çekirdek oluncaya kadar devam
eder, böylece radyoaktif bozunma
serileri ortaya çıkar. Bu seriler Uranyum(U), Toryum( Th ), Aktinyum( Ac)
serisi olmak üzere üç türlüdür.
Yapay Radyoaktiflik :
Kararlı ya da kararsız elementlerin
alfa, nötron, proton gibi tanecikler ile bombardımanında oluşan yeni elementler de radyoaktiftir.
Bombardıman yolu ile elde edilen radyoaktif elementlerin bu özelliğine yapay radyoaktiflik denir.
1934 yılında Madam Curie’nin kızı
I.Curie ve damadı F. Joliot’un
çalışmaları ile hızlanan yapay
radyoaktiflik yolu ile birçok yeni element bulunurken teknoloji ve tıbbın
gereksinimi olan radyoaktif atomlar
yapılmaya başlanmıştır. 400’den fazla radyoaktif izotop yapay olarak elde edilmiştir.
NÜKLEER ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ VE ATOM ENERJİSİ
Bağlanma enerjisi grafiği
incelendiğinde nükleon(tanecik) başına düşen bağlanma enerjisinin en çok Fe
elementlerinde olduğu görülür. Kütle
numarası küçük olan atomların kaynaşarak(Füzyon) daha büyük kütle numarasındaki
atomlara dönüşmesinde ya da kütle
numarası 56’dan büyük olan atomların parçalanarak (Fisyon) küçük
atomlara dönüşmesinde açığa çok yüksek
enerji çıkar. Bu enerjiye Nükleer enerji veya ATOM ENERJİSİ denir.
1.
FİSYON
(Bölünme) TEPKİMELERİ :
Kütle numarası büyük olan atomların
hızlandırılmış küçük tanecikler (nötron) ile
bombardımanı sonucu daha küçük atomlara bölünmesi tepkimeleridir. Atom
bombası bu esasa göre yapılmıştır.
2. FÜZYON (Kaynaşma)
TEPKİMELERİ :
Kütle numarası küçük olan atomların
hızlı tanecikler ile bombardımanı sonucu daha büyük çekirdeklerin oluşmasıdır. Açığa çıkan enerji
Fisyon enerjisinden daha büyüktür. Hidrojen
bombası bu esasa göre yapılır.
RADYOAKTİF BOZUNMA HIZI,YARILANMA SÜRESİ
Radyoaktif bir elementin herhangi bir
anda mevcut olan miktarının yarısının bozunması için geçen
süreye yarılanma süresi denir. Yarılanma süresi dış etkenlere bağlı
değildir. Bozulan çekirdeğin yapısına bağlıdır.
-
Bir elementin izotoplarının yarılanma süreleri
farklıdır.
Radyoaktif maddelerin bozunma hızı çekirdeğin
kararsızlığına bağlıdır. Birim zamanda
bozunma hızı çok olan çekirdekler kararsızdır.
-
Radyoaktif bozunma hızı, maddelerdeki radyoaktif atomların sayısı ile doğru orantılıdır.
-
Bir izotopun saniyede parçalanma sayısı onun
radyoaktiflik şiddetini verir. 1gram
radyumun saniyede yaydığı parçacık sayısı radyoaktiflik şiddet birimi olarak kabul edilmiştir.
Radyoaktiflik şiddet birimi 1 Küri
(Curie) ; saniyede 3,7.10 (37 milyar) bozunmadır. (1 Ci ) olarak tanımlanır.
(1/Ci )’ye Becquerel radyoaktiflik
şiddet birimi denir.
Yarılanma süresi radyoaktif maddenin
miktarına bağlı değildir. Madde miktarı arttıkça ışıma miktarı artar, yarılanma süresi (yarı ömür)
değişmez.Yarılanma süresi radyoaktif maddeler için ayırt edici özelliktir. Yarılanma ile
maddenin kütlesi tükenmez.
Radyoaktif maddelerin yarılanma
süreleri ile ilgili hesaplamalar için
maddenin basınç kütlesi, yarı ömrü, geçen süre, kalan madde miktarı gibi
niceliklerin bilinmesi gerekir.
Element
|
Proton sayısı
|
Nötron sayısı
|
Nötron
/ proton
|
|
Helyum
|
2
|
2
|
1.00
|
|
Karbon
|
6
|
6
|
1.00
|
|
Azot
|
7
|
7
|
1.00
|
|
Sodyum
|
11
|
12
|
1.09
|
|
Alüminyum
|
13
|
14
|
1.07
|
|
Potasyum
|
19
|
20
|
1.05
|
|
Demir
|
26
|
30
|
1.15
|
|
Çinko
|
30
|
35
|
1.17
|
|
Sezyum
|
55
|
78
|
1.42
|
|
Bizmut
|
83
|
126
|
1.52
|
|
Polonyum
|
84
|
126
|
1.50
|
|
Radyum
|
88
|
138
|
1.56
|
|
Toryum
|
90
|
140
|
1.56
|
|
Protaktinyum
|
91
|
140
|
1.53
|
|
Uranyum
|
92
|
146
|
1.58
|
|
Plütonyum
|
94
|
148
|
1.57
|
Doğada bulunan bazı elementlerin proton
ve nötron sayıları yukarıdaki tabloda verilmiştir.
PERİYODİK CETVEL
Bir çok elementi ayrı ayrı incelemek zor
bir iştir. Elementlerin incelenmelerini kolaylaştırmak ve özelliklerini daha
kolay hatırlayabilmek amacıyla, elementleri bir sınıflamaya tabi tutmayı çok
eskiden beri kimyacılar düşünmüşlerdir. Hatta bu sınıflandırmada elementlerin özellikleri,
belirli bir düzen içinde değişirse, kimyacıların işi epeyce kolaylaşmış
olacaktı. Geçen yüzyılın ortalarında, şimdi bilinen elementlerin yarısından
biraz fazlası biliniyordu. Bilinen elementleri, özelliklerine göre bir
sınıflandırma yapmak için, o zamanda kimyacılar, değişik fikirler ileri
sürmüşlerdir.
On dokuzuncu yüzyılın başında,
Dalton’un ileri sürdüğü atom teorisi ve onu hemen takip eden Avogadro hipotezi,
modern kimya alanını açmış; Berzelius’un (Berzelyus) atom kütlelerini tayini
ile, atom kütleleri ile elementlerin özelliklerini karşılaştırma imkanı ortaya
çıkmıştır.
Elementlerin atom kütleleri ile özellikleri arasındaki ilişkiyi ilk
sezen Alman kimyacı J.W.Döbereiner (Döbrayner) olmuştur. Döbereiner, 1828
yılında, bazı elementlerin kimyasal özellikleri arasında
(CL,BR,I)-(Ca,Bo,Sr)-(S,Se,Te gibi) yakın benzerlikler bulunduğunu görmüş ve bu
elementleri “triyotlar” (üçlüler) olarak gruplandırmıştır.
Bu görüş, zamanın kimyacılarını, bütün
elementleri içine alan, tam bir sıralama sisteminin var olabileceği düşüncesine
götürmüştür.
İngiliz kimyacı J.A.R. Newlands
(Nivlands) 1864’de, o zaman bilinen elementleri atom kütlelerine göre artan bir
şekilde sıralamakla, her 7 elementten sonra gelen 8. elementin özelliğinin, bu
8 elementin başlangıç elementinin özelliğine benzediğini görmüştür. Bu şekilde,
bir elementten 7 sonra gelen elementin yani 8. elementin aynı özelliğe sahip
olmasını müzikteki 8 notaya verilen isme benzeterek, oktav diye adlandırmıştır.
Fakat Newlands bu görüşünde pek ileri gidememiş ve kalsiyumdan sonra gelen
elementlerin bağlantısını anlayamamıştır.
Bugünkü anlama yakın periyodik
sistem, 1869 yılında Rus kimyacısı Dimitri Mendeleev (Dimitri Mendelyev) tarafından yapılmıştır.
1870 yılında Alman bilgini Lother Meyer (Lotar Meyır)de Mendeleev’den habersiz
olarak, bir periyodik cetvel yapmıştır. Bu iki cetvel hemen hemen birbirinin
aynıdır. Meyer; elementleri, cetvelinde fiziksel özelliklerine (atom
hacimlerine) göre sıralamış, Mendeleev ise, elementlerin elementleri fiziksel
özelliklerini ele alacak yerde, değerliliklerini, yani kimyasal özelliklerini
dikkate almıştır. Mendeleev, o zaman bilinen ve atom kütlelerini bulunmuş
elementleri, atom kütlelerinin artısına göre sıralamakta, elementlerin
değerliliklerinin ve öteki özelliklerinin, gitgide değişirken, belirli
sayıda elementten sonra tek-rarladığına,
yani bu özelliklerin periyodik (devri) olduğunu görmüştür.
Mendeleev, atom kütleleri sırasına
göre kurduğu gruplarla, özellik bakımından benzeyen element yoksa, yerini boş
bırakmıştır. Bunun sonucu olarak Mendeleev’in periyodik cetveline bazı
boşluklar meydana gelmiştir. Mendeleev, bu boşlukları açıklamasını bilmiş, o
gün için bilinmeyen ve periyodik cetvelde 32 numaralı yeri olması gereken
elementin özelliklerinin ne olacağını tahmin etmiştir. Ayrıca, Mendeleev’in
sisteminde boş kalan yerlerde bilinmeyen elementlerin bulunması gerektiği fikri yeni elementlerin keşfine yol açmıştır.
Mendeleev’i dahiyane görüşü ile, bu sistemin doğanın genel bir kanununa
uyulduğunu sezmiş ve sistemini genelleştirmekten çekinmeyerek o gün için 63
element bilinmesine ve sisteminde pek çok boş yer kalmış olmasına rağmen,
periyodik cetvelini geliştirmiştir. Periyodik cetvelin yapılmış olması elementleri inceleme
kolaylığı sağladığı gibi bilinmeyen elementlerin özelliklerinden yola çıkarak
keşfini sağlamıştır.
Bu gün periyodik cetvelde
elementler, atom kütlelerine göre değil, atom numaralarına göre dizilir.
Böylece Mendeleev’in sisteminin aksaklığı ortadan kalkar. Çünkü kimyasal
özellikleri atom kütlelerinin periyodik bir fonksiyonu değil, artan atom
numaralarının periyodik bir fonksiyonudur. Elementler artan atom numaralarına
göre periyodik cetvelde dizildiğinde, elementlerin bazı özellikleri periyodik
olarak tekrarlanır. Bunun nedeni, elementlerin elektron dizilişleriyle
ilgilidir.
Elementler, özellikleri birbirine benzeyen alt alta gelecek şekilde,
artan atom numaralarına göre sıralandığında bir cetvel oluşturur. Oluşan bu
cetvele periyodik cetvel denir.
Periyodik cetvel elementlerin elektron dizilişine bağlı olarak dört
bloktan (s, p, d, f) meydana gelir. Bloklardaki elementlerin değerlilik
elektronları bulunduğu blokun adıyla aynı orbital dedir.
Ör: Na-------
1s 2s
2p 3s :s blokunda
P-------- 1s 2s
2p 3s 3p :p
blokunda
ORBİTAL:Bir atomun elektronlarının
bulunma olasılığının yüksek olduğu uzay
bölgesidir.
Değerlik
elektronları: Bir
elementin en dış elektron kabuğunda bulunan elektronlara denir.
Periyodik
cetvelde yatay sütunlara periyot, düşey sütunlara grup denir.
Periyodik cetvel 7 periyot ile 8A, 8B
olmak üzere 16 gruptan (18 düşey sütundan) oluşur. Yeni sistemde gruplar A ve B diye
ayrılmaz. Birden 16’ya kadar sırayla 1,2,3.....16. grup diye adlandırılır.
1.
periyotta 2
element bulunur. (H, Ne)
2.
periyotta 8
element bulunur. (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne)
3.
periyotta 8
element bulunur. ( Na, Mg, Nı, Si, P, S, Cl, Ar)
4.
periyotta 18
element bulunur. (K, Ca,..............................., Kr)
5.
periyotta 18
element bulunur. (Rb, Sr, ............................., Ye)
6. periyotta 32 element bulunur. (Cr, Ba,
............................., Ra)
Periyotta 32(yir4. ve 5. periyotlarda periyodun 10 element uzamasına d orbitalin
dolması (d ) neden olur. 6. ve 7.
periyotlarda ise sıranın 14 element uzamasına f orbitalinin dolması (f ) neden olur. F orbitallerine elektron dolan
14 elementten 6. sıradaki lantanitler (57-71 atom numara (1)) (noder toprak
metalleri) ve 7. sıradaki aktinitler, (89-103) cetvelin daha fazla yana
uzamamasından alt sırada f bloğuna alınmıştır.
Periyodik cetvelin s bloğunda IA ve
IIA, p bloğunda IIIA, IV A, VA, VIA, VIIA ve VIIIA grupları, d bloğunda ise IIIB,
IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB ve IIB grupları yer alır.
Elementler artan atom numaralarına
göre periyodik cetvele yerleştirildiğinde, cetvelin sol tarafından metallerin
sağ tarafında ametallerin yer aldığı görülür.Her periyot bir alkali metal ile
başlar bir soygaz ile biter.
Gruplar
ve özellikleri:
A
Grubu Elementleri:
A grubu elementlerinin değerlik
elektronları s ve p orbitallerinde bulunur. Elektron dizilişi, s orbitali ile
sonuçlanan elementler s, p ile sonuçlananlar p, d ile sonuçlananlar d, f ile sonuçlananlar ise f bloğunda yer alır.
Periyodik cetvelin IA grubunda (H,
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) elementleri bulunur. Hidrojen IA grubunda bulunmakla
beraber bir ametaldir. Hidrojen dışındaki bu grup ametallerinin hidrooksitleri
kuvetli baz özelliği gösterdiğinden, IA
grubu elementler bazik anlamına gelen alkali metaller adıyla anılır.
Alkali metaller, en dış orbitalleri olan küresel s değerlik orbitallerinde bir
değerlik elektronu taşır. Bu elementlerin elektron dizilişlerinin benzerliği
bir çok özelliklerinde benzerliğe yol açar IA grubu elementleri dış orbitallerdeki bir tek
değerlik elektronu kolaylıkla vererek +1 yüklü iyon haline geçer. Metalik
parlaklık gösterir, bıçakla kesilebilecek kadar yumuşaktırlar. Elektrik ve
ısıyı iletir.
Periyodik cetvelin IIA grubunda
(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) elementleri bulunur. Bunlar toprak alkali metaller
olarak anılır. Bu grup elementleri atomların s değerlik orbitalinde 2 elektron
bulunur. Bu elektronlar, IA grubu elementlerinin tek elektronu kadar olmasa da
yine kolaylıkla ortamdan kopar. Bu nedenle IIA grubu elementleri +2 değerlikli
iyon halinde bileşik oluşturur. Bu grupta yer alan elementler IA grubu
elementlerinden daha az aktif, daha yoğun ve daha serttir.
Periyodik cetvelin IIA grubunda hepsi
ametal olan flüor (f), klor(Cl), brom (Br), iyot (ı) ve astaton (At)
elementleri bulunur. Bunlara tuz üreten anlamına gelen halojen adı verilir. Oda
sıcaklığında F ve Cl gaz, Br
sıvı, I ise katı halde bulunur. Halojen atomlarının s ve p değerlik
orbitallerinde yedi tane değerlik elektronu vardır. Halojenler kararlı hale
gelmek için genellikle dışarıdan bir elektron alarak -1 değerlikli iyonlar
halinde bileşik oluşturur. Bu halojenler bir kısım bileşiklerinde +1, +3, +4,
+5, +6, +7 değerlikli olabilir. Halojenler oldukça aktiftir.
B Grubu
elementleri :
Değerlik elemanları son olarak d
orbitalinin doldurduğu elementlerin yer aldığı gruplardır. III B ile başlayıp
II B ile sonlanan gruplarda yer alan elementlere geçiş elementleri ya da geçiş
metalleri denir. Geçiş elementleri kimyasal tepkimelerinde d orbitalinden önce
s orbitalinden elektron verir. Bu elementler genellikle birleşiklerinde çok
farklı değerlikli iyon halinde bulunur. B grubu elementlerinin tamamı metaldir,
30 elementtir.
Elektron dizilişleri f orbitali ile
sonlanan elementlere iç geçiş elementleri denir. Bu elementler periyodik
cetvelin altında f bloğunda bulunur. Hepsi metaldir. Lantanitlerde Pm elementi
dışındakiler radyoaktif değildir. Aktiniflerin ise tamamı radyoaktiftir.
Grupların incelenmesinde dikkat
çekici yön, aynı grupta yer alan elementlerin son orbital türü ile bu
orbitallerde yer alan elektron sayısındaki aynılıktır. Bu aynılık, aynı grupta
yer alan elementlerin kimyasal özelliklerinin benzerliğine neden olur.
VIII A veya 0 (sıfır) grubu elementleri ( He, Ne, Ar, Xe,
Rn ) soy gazlar olarak bilinir. Değerlik elektronları değerlik orbitallerini
tamamen doldurmuştur. Çok zor şartlarda çok az bileşik yaparlar. Bu nedenle
bileşik yapamaz olarak bilinirler. Doğada tek atomlu olarak bulunurlar,
renksizdirler.
Periyodik
özellikler :
Periyodik
cetvelde elementlerin atom numaralarına bağlı olarak yerleri değiştikçe atom
çapları ve elektron dizilişleri farklılık gösterir. Bu durum elementlerin özelliklerinde de periyodik değişmelere neden
olur. Özelliklerdeki değişmeler periyot ve gruplara göre şöyle özetlenebilir;
A)
Periyotlarda
soldan sağa gidildikçe;
1- Atom numarası büyür, değerlik elektron sayısı büyür
2- Atom kütlesi büyür
3- Atom çapı küçülür
4-Orbital sayısı değişmez
5- İyonlaşma enerjisi artar ( Bu artışta
küresel simetrik durumlar istisna oluşturur )
6- Elektron ilgisi ve
elektronegatiflik artar
7- Metalik özellikler ( elektrik,
ısı iletkenliği vb. ) azalır, amettallik özellikler artar.
8- Metallerin erime-kaynama
noktaları yükselir, sertlikleri artar hidroksitlerinin bazlık kuvveti azalır.
Amettallerin erime ve kaynama noktaları düşer, asitlerinin asitlik güçleri
artar.
9- Metallerin kimyasal tepkime
ilgileri (aktiflikleri) azalırken, ametallerin kimyasal tepkime ilgileri artar.
İyonlaşma enerjisi :
Gaz halindeki nötr bir atomun en yüksek enerji düzeyindeki
orbitallerinde bir elektron koparmak ( sonsuz uzaklığa götürmek ) için verilmesi
gereken enerji miktarına denir. İyonlaşma olayı dışarıdan ısı alan ( endotermik
) bir olaydır.
