Maddenin Temel Yapı Taşları
Evreni oluşturan maddenin temel özelliklerini anlamanın başlangıç noktalarından biri atomun yapısını anlamaktır. Atom; çekirdeğinde bulunan proton ve nötronlar ile çekirdeğin çevresindeki elektronlardan oluşan, kimyasal elementlerin özelliklerini belirleyen temel yapıdır.
Günlük yaşamda karşılaştığımız katı, sıvı ve gaz hâlindeki maddeler atomlardan oluşur. Bir elementin kimyasal kimliğini belirleyen temel özellik, atom çekirdeğinde bulunan proton sayısıdır. Proton sayısına atom numarası adı verilir ve genellikle Z harfiyle gösterilir.
Atomlar çok küçük yapılardır. Bununla birlikte atom, kendisinden daha küçük parçacıklardan oluşan karmaşık bir fiziksel sistemdir. Atomun merkezinde atom çekirdeği bulunur. Çekirdekte protonlar ve nötronlar yer alırken, elektronlar çekirdeğin çevresindeki kuantum durumlarında bulunur.
Atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdekte toplanmıştır. Bunun nedeni proton ve nötronların elektronlara göre çok daha büyük kütleye sahip olmasıdır. Bir protonun kütlesi bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1836 katıdır; nötronun kütlesi ise yaklaşık 1839 katıdır.
Proton pozitif, elektron negatif elektrik yüküne sahiptir. Nötronun ise elektriksel yükü yoktur.
Protonlar atom çekirdeğinde bulunan ve pozitif elektrik yükü taşıyan parçacıklardır. Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı, o atomun hangi elemente ait olduğunu belirler.
Örneğin hidrojen atomunun çekirdeğinde 1 proton, helyum atomunun çekirdeğinde 2 proton, karbon atomunun çekirdeğinde 6 proton ve uranyum atomunun çekirdeğinde 92 proton bulunur.
Dolayısıyla proton sayısı değiştiğinde element de değişir. Örneğin 92 proton içeren bir çekirdek uranyumdur; 93 proton içeren bir çekirdek ise neptünyumdur.
Günümüzde Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından tanımlanmış 118 kimyasal element bulunmaktadır. Elementler atom numaralarına göre Periyodik Tablo üzerinde düzenlenmiştir.
Nükleer enerji açısından özellikle ağır elementler önem taşır. Uranyum bunların en önemli örneklerinden biridir. Uranyumun farklı izotopları arasında uranyum-235 ve uranyum-238 nükleer teknoloji açısından özel öneme sahiptir.
Nötronlar atom çekirdeğinde bulunan ve elektriksel yük taşımayan parçacıklardır. Protonlarla birlikte çekirdeğin büyük bölümünü oluşturan nötronların sayısı, atomun hangi izotopa ait olduğunu belirleyen temel özelliklerden biridir.
Aynı elementin atomlarında proton sayısı aynıdır; ancak nötron sayısı farklı olabilir. Proton sayısı aynı, nötron sayısı farklı olan atomlara izotop adı verilir.
Bir çekirdeğin kararlı olup olmaması yalnızca nötron sayısına bağlı değildir. Proton ve nötron sayıları arasındaki oran, çekirdeğin enerji yapısı ve nükleer bağlanma özellikleri birlikte değerlendirilir. Bazı çekirdekler kararlı iken, bazıları radyoaktif olup zaman içerisinde bozunmaya uğrar.
Radyoaktif bozunma sırasında çekirdek daha kararlı bir duruma geçerken parçacıklar ve/veya elektromanyetik ışınım yayınlayabilir. Alfa, beta ve gama bozunmaları radyoaktivitenin temel örnekleri arasındadır.
Hafif çekirdeklerde kararlılık için proton ve nötron sayıları birbirine yakın olabilir. Daha ağır çekirdeklerde ise elektriksel proton-proton itmesini dengelemeye yardımcı olan nötronların sayısı genellikle proton sayısından daha fazladır.
Örneğin uranyum-235 çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron bulunurken, uranyum-238 çekirdeğinde 92 proton ve 146 nötron bulunur. Her iki atom da uranyumdur; çünkü her ikisinin de proton sayısı 92'dir. Farklı olmalarının nedeni nötron sayılarının farklı olmasıdır.
Elektronlar negatif elektrik yüküne sahip atom altı parçacıklardır. Elektronlar atom çekirdeğinin dışında bulunur ve atomun kimyasal özelliklerinin belirlenmesinde önemli rol oynar.
Modern atom modelinde elektronların çekirdeğin çevresinde küçük gezegenler gibi belirli yörüngelerde dolaştığı düşünülmez. Elektronlar, kuantum mekaniğinin tanımladığı atomik orbitaller veya daha genel ifadeyle kuantum durumları içinde bulunur.
Elektronların enerji durumları belirli ve kuantalanmış değerler alabilir. Bir elektron daha yüksek veya daha düşük bir enerji durumuna geçtiğinde atom enerji soğurabilir veya elektromanyetik ışınım yayınlayabilir.
Atomun elektron sayısı proton sayısına eşitse atom elektriksel olarak nötrdür. Elektron sayısının proton sayısından farklı olması durumunda ise atom bir iyon hâline gelir.
Atom çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası denir ve Z harfi ile gösterilir. Atom numarası bir elementin kimliğini belirleyen temel fiziksel özelliktir.
Örneğin:
Bu nedenle proton sayısının değişmesi, elementin değişmesi anlamına gelir.
Atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötronların toplam sayısına kütle numarası denir. Kütle numarası A harfi ile gösterilir.
A = Proton Sayısı + Nötron Sayısı
Buna göre nötron sayısı;
Nötron Sayısı = A − Z
şeklinde hesaplanabilir.
Örneğin karbon-12 çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunmaktadır:
6 + 6 = 12
Bu nedenle bu çekirdek karbon-12 olarak adlandırılır.
Uranyum-235 için ise:
92 proton + 143 nötron = 235
Dolayısıyla uranyum-235 çekirdeğinin atom numarası 92, kütle numarası ise 235'tir.
Kütle numarası ile atomik kütle aynı kavram değildir. Kütle numarası belirli bir nüklidin çekirdeğindeki proton ve nötronların sayısını ifade eden tam sayıdır.
Atomik kütle ise atomun kütlesinin atomik kütle birimi cinsinden ölçüsüdür. Bir elementin doğal örneği birden fazla izotop içeriyorsa, periyodik tabloda verilen bağıl atomik kütle, bu izotopların doğal bollukları dikkate alınarak elde edilen ortalama bir değerdir.
Bu nedenle örneğin doğal uranyum için periyodik tabloda yaklaşık 238,03 değeri görülürken, bu değer tek bir uranyum atomunun kütle numarası değildir. Uranyumun farklı izotoplarının doğal bolluklarıyla ilişkili bir atomik ağırlık değeridir. IUPAC'ın güncel periyodik tablosunda uranyum için 238,03 değeri verilmektedir.
Aynı elementin çekirdeklerinde aynı sayıda proton, ancak farklı sayıda nötron bulunabilir. Bu tür atomlara izotop denir.
Örneğin karbonun önemli izotopları arasında karbon-12, karbon-13 ve karbon-14 bulunur. Bunların tamamında 6 proton vardır; ancak nötron sayıları farklıdır.
Karbon-12 ve karbon-13 kararlı izotoplardır. Karbon-14 ise radyoaktiftir ve zaman içerisinde bozunur.
İzotop kavramı nükleer teknolojinin anlaşılması açısından büyük önem taşır. Nükleer enerji üretiminde kullanılan yakıtların özellikleri, nükleer tıp uygulamaları, radyasyon ölçümleri, yaş tayini ve birçok bilimsel uygulama izotopların farklı nükleer özelliklerinden yararlanır.
Uranyum, atom numarası 92 olan ağır bir kimyasal elementtir. Doğal uranyum birden fazla izotop içerir. Bunların başlıcaları uranyum-238, uranyum-235 ve çok daha küçük miktarda bulunan uranyum-234'tür.
Uranyum-235 çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron bulunur. U-235, uygun koşullarda düşük enerjili nötronlarla etkileştiğinde fisyon geçirebilmesi nedeniyle nükleer güç reaktörlerinde kullanılan önemli bir nükliddir.
Uranyum-238 ise 92 proton ve 146 nötrondan oluşur. U-238 doğrudan U-235 gibi termal nötronlarla kolay fisyon geçiren bir nüklid değildir; bununla birlikte nükleer reaktörlerde nötronlarla etkileşerek daha ağır nüklidlerin oluşumunda rol oynayabilir.
Dolayısıyla uranyum-235 ile uranyum-238 arasındaki temel fark proton sayılarında değil, nötron sayılarındadır. Her ikisinin de atom numarası 92 olduğu için her ikisi de uranyum elementidir.
Pozitif elektrik yüküne sahip olan protonlar atom çekirdeğinde bulunur. Proton sayısı elementin atom numarasını ve dolayısıyla elementin kimliğini belirler.
Elektriksel yükü olmayan nötronlar atom çekirdeğinde bulunur. Protonlarla birlikte çekirdeğin nükleer yapısını oluştururlar ve izotopların birbirinden ayrılmasında temel rol oynarlar.
Negatif elektrik yüküne sahip elektronlar çekirdeğin dışındaki kuantum durumlarında bulunur ve atomların kimyasal davranışlarında önemli rol oynarlar.
Atomun yapısını anlamak; izotopları, radyoaktiviteyi, nükleer fisyonu, nükleer füzyonu ve nükleer enerji teknolojilerini anlayabilmek için temel bir başlangıç noktasıdır.
Bir sonraki bölümde aynı elementin farklı nötron sayılarına sahip atomları olan izotoplar daha ayrıntılı olarak incelenecektir.
