Atomun Yapısı

Bir çok konuda uzun süre boyunca eğitim aldıktan sonra felsefi açıdan ilgi çekici konular hakkında konuşabilirsiniz. Ancak kimyada, belki de felsefi açıdan en ilginç, en ilgi çekici kısım olan atomdan başlanır. En eski filozoflara bakarsanız... ... atom fikrini ilk çıkaranın onlar olduğunu görürsünüz. Demişlerdir ki, bir elmayla başlarsam... ...ve arka arkaya kesersem, hatta güzel bir elma çizmeye başlayayım, mümkünse bir kalbe benzemesin. İşte... ...güzel bir elma elde ettik sonuçta. Bunu gittikçe küçülen parçalara bölersem, öyle küçük bir parça elde ederim ki bu parça daha fazla kesilemez. Hatta eminim ki bazı filozoflar bunu yapmayı denemişlerdir. Bu işlem sonucunda farketmişlerdir ki bıçaklarını daha da keskinleştirseler elmayı daha küçük parçalara bölebilirlerdi. Yani bu tamamen felsefi bir fikir. Ve açıkçası bir çok açıdan şu anki atom teorisinden pek de farklı değil. Bu fikir aslında sadece evrendeki gözlemlerimizi anlatmamıza yardımcı olan bir fikir. Her neyse, bu filozoflar şöyle dedi: "Bizce bu elma bir noktadan sonra öyle küçülecek ki..." "...kesilemeyecek bir hale gelecek". Ve bu haldeki maddeye bir "atom" dediler. Hatta bunun sadece bir elma için geçerli olmayacağını söyleyip, bunun evrende karşılaştığımız... ... her element veya madde için geçerli olacağını söylediler. Bu yüzden atom, Yunanca "kesilemez" kelimesinden gelmiştir. "Kesilemez" ya da "bölünemez". Şimdi, aslında atomun kesilebildiğini biliyoruz. Hatta maddeyi oluşturan en küçük parçacık olmadığını da biliyoruz. Hatta şu anda atomun daha küçük parçalardan oluştuğunu da biliyoruz. Bunu yazmama izin verin; işte nötronumuz... Biraz sonra onların nasıl bir atomun yapısını oluşturduklarını anlatacağım. Bir nötronumuz var, bir de protonumuz var ve elektronlarımız var. Elektronlar... Bunu zaten biliyor olabilirsiniz, eğer eski videolara baktıysanız. Orada buna benzer bir çizim var. Şimdi çizmeye çalışayım bunu, sonuçta bunun gibi bir şey olacak. Aynı buna benzeyen ve dönen şeyleriniz olacak. Buna benzeyen de yörüngeleri var. Ve belki de buna benzeyen bir bir şeyleri olacak. Bu şekilde çekirdeksel çizimlerin... ...arkasındaki genel düşünce, ve eminim ki bunlar hala önemli. Laboratuarın bile duvarlarında asılıdır. Atomun merkezinde bir çekirdeğin olduğu düşüncesidir. Atomun ortasında bir çekirdek vardır. Ve biliyoruz ki çekirdekte proton ve nötronlar var. Nötron ve protonlar... İlerde de hangi elementlerin kaç tane nötronları ve protonları olduğunu tartışacağız. Ve de yörüngede dönen, evet yörüngede dönen kelimesini kullanacağım şimdilik. Her ne kadar iki dakika sonra yörüngede dönen kelimesinin yanlış olduğunu ve ... ...hatta bir elektronun yaptığı işi yanlış gösterdiğini göreceğimizi bildiğim halde... Fakat, eski fikir elektronların, çekirdeğin yörüngesinde aynen dünyanın güneşin etrafındaki ya da ayın dünyanın etrafındaki... yörüngesinde döndüğü gibi döndüğüydü. Aslında bu fikrin gerçekten yanlış olduğu anlaşıldı. Ayrıca quantum fiziğini öğrenirken bu fikrin neden yanlış olduğunu ve bir elektronun bir gezegen gibi bir... ...yıldızın yörüngesinde dönmesinin yanlış bir model olduğunu anlatacağım. Ancak, bu açıkçası bence bir atomu açıklamak için en çok kullanılan yöntem. Bir atomun felsefi açıdan ilgi çekici olduğunu söylemiştim. Peki neden? Çünkü, şu an kabul ettiğimiz atom modeli, gerçekliği, ciddi... ... bir biçimde bulanıklaştırıyor ve dünyamızdaki herşeyin aslında bilgi olduğunu gösteriyor. Ve aslında gerçek parçacık veya gerçek madde diye birşey olmadığını söylüyor. Dünyayı genel anlayışımıza göre... ...bence bir parçacık aslında bir kum parçasına benzer. Onu kaldırabilir, ona dokunabilirim. Ancak bir dalga, mesela bu bir... ...ses dalgası olabilir. Zaman içinde enerjinin değişmesidir, o kadar. Fakat, atomun boyutuna inmeye başladığımızda her şeyin karıştığını öğreneceğiz. Quantum fiziğini öğrenirken.. Her neyse, bu anlatım şeklinin yanlış olduğunu söyledim ama doğru anlatım yöntemi nedir? Sonuçta bu bir... ...resimdir. Aslında tam bir resim de değil, aslında bir gösterme şeklidir. Az önce sorduğum aslında ilginç bir sorudur. Bir atomu nasıl betimleyebilirim. Çünkü aslında görüyoruz ki ışığın birçok dalga boyunda özellikle de görülebilen dalga boylarında partiküllerin boyutunun bir atomdan daha fazla olduğu bir gerçek. Gördüğümüz kalan herşey ışık tarafından yansıtılır. Ancak bir atomla uğraşırken aniden görüyoruz ki yansıtılan ışık çok büyük ve çok kaba bir alet bir atomu gözlemlemek için. Her neyse bu bir helyum atomunun bir gösterim şekli. Bir helyum atomunda 2 proton ve 2 nötron vardır. Ve bu gösteriş şeklinde çekirdekte yani tam burada ikişer tane var onlardan. Burada ki kırmızılar protonları, morlar nötronları sembolize ediyor. Mor daha nötr bir renk gibi görünüyor. Nötronlarda tam ortasındalar bu atomun. Ve şu bulutta da helyumun sahip olduğu 2 elektron duruyor, ya da en azından bu atomdaki elektronlar duruyor diyebiliriz. Belki de bir elektron kaybedebilir veya kazanabilir bu atom. Ancak bunlar bu atomun şuanda sahip olduğu 2 elektron. Eğer bana bu 2 elektronun nasıl böyle bir bulutsu bir yapıya sahip olduğunu sorarsanız, cevabım onların o bölgede dağılmış olarak bulundukları olacaktır. Ve tam olarak burada felsefi açıdan ilgi çekici hale geliyor bu durum. Yani bir elektronun bir protonun etrafındaki yolunu yörünge fikriyle açıklayamıyoruz. Güneş ve dünyada olduğu gibi.. Çünkü bu objeler bir elektrondan çok daha büyükler. Hatta anladığımız kadarıyla bir elektronun hem momentumunu hem de bulunduğu noktayı verilen herhangi bir zamanda tam bir kesinlikle bilme imkanı yoktur. Bileceğimiz tek şey bulunduğu yer ve momentumun yaklaşık nerede olabileceğidir. Burada da bir anda bulunabileceği yerler gösteriliyor. Bulunma ihtimali daha fazla olan yerler, daha koyu gösterilmiş. Yani elektronun burada olma ihtimali, şurada olma ihtimalinden daha fazla. Ancak elektron herhangi bir yerde olabilir. Hatta elektron burada bile olabilir, hatta şurada da... Her ne kadar orası tamamen beyaz olsada çünkü çok düşük bir ihtimal de olsa orada olma ihtimali de var. Yani sonuçta bir elektronun nerede olduğunu gösteren şeye biz "orbital" diyoruz. "Orbital" Yörünge değil, orbital. Hatırlarsanız yörünge, venüsün güneş etrafında dönmesi gibi olayları anlatmak için kullanılıyordu. Bu görsel olarak anlaması çok kolay bir gösterim yöntemi. Ancak bir orbital matematiksel bir fonksiyon. Ve bize bir elektronun bir anda bir yerde olma ihtimalinin ne kadar olduğunu gösteriyor. Quantum mekaniği konusuna geldiğimizde bunu daha fazlasıyla inceleyeceğiz. Ancak bunun gibi basit bir kimya konusu için bu kadarı yeterli. Fakat yinede bu ilginç bir fikir değil mi? Bir elektronun hareketleri o kadar garip ki onu bir parçacık olarak tanımlamak zor. Hatta yanlış bile denebilir bu tanıma. Ona bir parçacık deniyor ama normal hayatımızda düşündüğümüz türden bir parçacık olmadığı kesin. O sadece bir şey. Ve tam olarak nerede olduğunu söylemek bile imkansız. Bu bulutun içinde herhangi bir yerde olabilir. Ve ilerde bulutların şekline elektron ekledikçe değiştiğini göreceğiz. Ancak bana göre bu, şunlar gibi felsefi soruları yanıtlayacak. Madde aslında ne? Veya gördüğümüz şeyler neye benziyor? Ve ne kadar gerçek bu gördüğümüz şeyler? Veya gerçekliği tanımladıktan sonra madde ne kadar gerçek diye sormalıyım. Neyse şimdilik çok felsefi bir konuya girme niyetinde değilim. Ancak elektronlar ve protonlar, bu fikirlerin tümü yük. Elektrik yükü fikrine dayalı. Klom un kanunundan bahsederken bu yüklerden de bahsettik. Klom un kurallarını fizik bölümünden tekrar edebilirsiniz. Ancak gelmek istediğim nokta elektronun negatif yüklü olduğudur. Bazen böylede gösterilen protonlar ise pozitif yüklüdür. Ve nötronların elektrik yükü yoktur. Yani bu elektron fikrini asıl cezbedici yapan şey onun negatif yüküdür. Eğer bir şeyin pozitif yükü varsa, örneğin bu bunun 2 nötronu ve 2 protonu olduğunu düşünelim. Hatta bunun bir helyum atomu olduğunu söyleyelim. O zaman şurada pozitif yükleri olacak demektir. Şu taraflarda da negatif yükleri olacak tabii. Çünkü zıt yükler birbirini çeker. Ve sonuçta bunlar sürate sahip olsalardı, yeterli sürate yani bu çekirdeğin yörüngesinde dönerlerdi. Aynı bir gezegenin güneş etrafında yaptığı gibi. Ancak şimdi öğrendiğimize göre, her ne kadar bu kısmen doğru olsada aslında bir elektron çekirdekten ne kadar uzak olursa, o kadar fazla ki bu gerçektir. O kadar fazla potansiyel enerjiye sahip olur. Bu durumda çekirdeğe daha fazla yaklaşmak ister. Ancak işin içindeki quantum mekaniği yüzünden, böyle kolay bir yolla yörüngeye girmez. Yani bir kuyruklu yıldız gibi güneşin etrafında dönmez. Elektron aslında dalgamsı davranışlara sahiptir. Ve bu halini yansıtan bir olasılık fonksiyonuna sahiptir. Bundan dolayı bir orbital ne kadar uzakta ise o kadar potansiyele sahiptir. Bunu diğer videolarda da daha detaylı bir şekilde işleyeceğiz. Her neyse bir elementin hangisi olduğuna nasıl karar verebiliriz? Bunun felsefi yönü hakkında çok konuştum. Ancak, bunun helyum olduğunu nereden biliyorum. İçindeki nötron sayısından mı? İçindeki proton sayısından mı? Yoksa içindeki elektron sayısından mı? Buna karar vermemde önemli olan proton sayısıdır. Yeni bir elementin proton sayısını bilirseniz, onun hangi element olduğunu da bilebilirsiniz. Proton sayısına verilen bir diğer isim de "Atom numarası"dır. Eğer bir elementin 4 proton olduğunu söylersem, hangi element olduğunu nasıl bilebilirim? Eğer ezberimizde değil ise buna bir periyodik tablodan bakabilirim. Bu tabloyla bu konuda çok ilgileneceğiz. Ve 4 proton deyince bunun "berilyum" olduğunu anında anlayacağız bundan sonra. Atomik sayıda yukarıda yani şurada gördüğümüz sayıdır. Bu da tam olarak proton sayısı demektir. Ve bu iki atomu birbirinden ayıran faktördür. Örneğin bir elementin 15 protonu varsa, bu element "fosfor"dur. Veya bir anda 7 protonu olan bir element karşınıza çıkarsa o da "nitrojen"dir. Eğer bu sayı 8 ise bahsedilen element "oksijen"dir. İşte bu sayı bir elementin ne olduğunu belirler. İlerde bir elektrik yükünün neler getireceğini tartışacağız. Ve tabii elektron kaybedildiğinde veya alındığında ne olacağını da tartışacağız. Ancak bunlar bir elementi değiştiren değişimlerden değildirler. Ayrıca nötron sayısı da değişse, element yine aynı elementtir. Buda insanı belli bir soruya yöneltiyor. Acaba bir atomda kaç nötron ve kaç elektron var. Eğer bir atom nötr ise bu onun protonları ile aynı sayıda elektronları olduğunu gösterir. Karbon u ele alalım. Atom numarası 6 dır. Ve atomik ağırlığının da 12 olduğunu varsayalım. Bu tam olarak ne demek oluyor? Bir de bunun nötr bir parçacık olduğunu söyleyeyim. Nötr bir atom yani. Karbonun atomik numarası 6 dır. Bu bize tam olarak kaç protonu olduğunu verir. Ve eğer bir modelini buraya çizseydim, ki pek iyi bir model çizmiş olmayacağım ama 6 tane proton çizmem gerekecek. 1,2,3,4,5,6.. Tamam. Bu protonların her birinin kütlesi de 1 atom kütle birimidir. Ve bunun kaç kilogram olduğunu sonra tartışacağız. Bu kilogramın o kadar küçük bir parçası kadar ki yaklaşık 1 nokta 6 kere 10 üzeri eksi 27 si kadar. Her protonun bu kadar kütlesi olduğunu düşünelim ki bu, neredeyse 1 virgül 67 kere 10 üzeri eksi 27 kilogram ediyor ve çok küçük bir sayı bu. Hatta o kadar küçük ki bu sayıyı hayal etmek neredeyse imkansız. En azından benim için. Neyse bu sayı bir karbon atomunun kütlesini gösteriyor. Ancak bu bir karbon atomundan diğerine değişebilir. Ve sonuçta bu sayı , atomik kütle birimi yani 1 karbon atomundaki tüm protonların ve tüm nötronların kütlesinin toplamıdır. Ve her protonun kütlesi bir atomik kütle birimidir. Ve her nötronun da kütlesi bir atomik kütle birimidir. Yani bu sayı gerçekte, protonların sayısı artı nötronların sayısı demektir. Bu durumda 6 tane protonumuz olduğuna göre, 6 tane de nötronumuz olmalıdır. 6 nötron 6 proton. Peki elektronlar nerede? Atomun nötr olduğunu söylediğim içinde elektron sayısı pozitif yüklü parçacıklar kadar olmalıdır. Nötr bir atom olduğundan bir proton sayısı 6 olduğundan dolayı da bu atomda 6 elektron vardır. Bunu çizmeme izin verin, bir saniye. Burada 6 nötron olduğunu söyledik. 1,2,3,4,5 ve 6. İşte bu çekirdek oldu. Eğer elektronları çizseydik, evet onları bir bulut olarak çizebilirdim. Ancak daha iyi bir görsellik adına onları yörüngede çizdim.Yani bu 6 elektronu. Onlarda 1,2,3,4,5,6 tane olurlardı. Ve onlar olasılık fonksiyonuyla açıklanabilecek bir şekilde hareket ediyorlar. Ve bunun ilginç tarafı ise atomun kütlesinin büyük çoğunluğunun tam olarak burada toplanması. Demek istediğim atomun kütlesinden bahsedildiğinde, insanların atomik kütle birimine bakmaları elektronun zaten çok küçük olan kütlesinin görmezden geldiklerini gösterir. Bunun nedeni de bir protunun kütlece 1836 tane elektrona eşit olmasıdır. Sonuç olarak, atomun kütlesini hesaplarken elektronun kütlesini görmezden gelebiliriz. Çünkü atomun asıl kaynağı çekirdeğin kütlesidir. Bu periyodik tabloya bakarsak, atomik numaralara bakmak ve hangi atomun, hangi atomik numaraya sahip olduğunu görmek mümkün. Mesela oksijenin atomik numarası 8'dir. Bu da onun 8 protonu olduğunu gösterir. Silikonun atom numarası ise 14'dür. 14 protonu vardır. Peki şuradaki şey nedir? Bakalım.... Karbon, karbonda bu değer 12 nokta 0107 dir. Bu da karbonun bağıl atom kütlesidir. Bir saniye şöyle yazacağız; Karbonun bağıl atom kütlesi. Karbonun bağıl atom kütlesi, 12 nokta 0107'dir. Peki, bu ne demek? Bu karbonun 6 protonu ve 6 nokta 0107 tane de nötronu var mı demek? Hayır bu karbonun bu gezegendeki farklı türlerinin, kütlelerinin ortalamalarını gezegende bulundukları oranları hesaba katarak alırsak elde edeceğimiz sonuçtur. Sonuçta görülüyor ki iki türünden en çok görüleni karbon 12'dir. Sonuç budur. Karbonun bu versiyonunda 6 proton ve 6 nötronu vardır. Bir de başka izotopu vardır karbonun. İzotoplar ise bir elementin aynı sayıda protona sahip ama farklı sayıda nötrona sahip halleridir. Az önce bahsedilen diğer karbon izotopu ise gezegenimizde çok daha az buluna karbon 14'dür. Tabii ki bulunma oranlarını sadece bizim gezegene kıyasla buluyoruz. Eğer bu iki izotopun değerlerinin ortalaması doğrudan alınırsa, bu durumda karbon 13 izotopu elde edilir ki bunun kütlesi 13 atomik kütle birimidir. Ancak karbon 12'nin ağırlığı daha fazladır bu işlemde. Çünkü gezegenimizde ondan çok daha fazla bulunur karbon 14'e oranla. Neredeyse tüm karbon atomları karbon 12'dir çünkü. Yine karbon 14'den de biraz vardır. Yani her ikisine de bulunma oranına göre ağırlık verirsek bu değer ortaya çıkar. Yani bir karbon örneği bulursak, çoğunluğu karbon 12 olduğundan her atomun ortalama atomik kütlesi 12 nokta 0107 atomik birimi olacaktır. Fakat izotop fikri ilginç bir fikirdir. Bildiğimiz gbii proton sayısı değişmedikçe asıl element de değişmeyecektir. Nötron sayısı değiştikçe sadece aynı elementin farklı versiyonları görülecektir. Yani karbonun bu iki versiyonu da birer izotoptur. Bu videoyu bitirirken atomlar ile ilgili en mantıklı ve en uygun fikri anlatmak istiyorum. Ve bu fikir onlarla ilgili felsefi açıdan en ilgi çekici yanlardan biri. Buda göreceli olarak atomun boyutudur. Mesela elimizde elektronlar var. Ama bunlar atomun kütlesine yazılmıyor bile. Çünkü elektronlar kütlece çok önemsizdir bir atomda. Bir atomun kütlesinin sadece iki binde biri elektronlardan oluşur ki bu kütleye sahip olan şeylere parçacık demek bile zordur. Çünkü tam olarak nerede ve hangi hızla gittiklerini tahmin etmek imkansız. Sadece bir olasılık fonksiyonuna sahip olurlar. Sonuçta atomun çoğunluğu çekirdekte durur. Ve garip kısımda budur. Çünkü atoma baktığımızda örneğin bu sizin atomunuz ise çoğunluğu boşluktur. Hatta iki atomun birbirine bağlı olduğunu düşünelim. Ne kadarının gerçekte bir şey olduğunu sorduğumda sadece çekirdekten bahsediyor olurum değil mi? Çünkü neredeyse tüm kütle çekirdektedir. Ancak anlaşıldığı kadarıyla da bu kısım atomun hacminde o kadar küçük bir yer kaplar ki atomun hacmini ölçmekte zordur. Çünkü bir elektron neredeyse herhangi bir yerde olabilir. Ancak yaklaşık % 90 ihtimal ile elektronun bulunduğu yerler hesaba katıldığında çekirdeğin genellikle sahip olduğu hacim, yaklaşık olarak genel hacmin on binde biri kadardır. Bunu düşündüğümüzde gördüğümüz herhangi bir nesnenin ki bu elimiz veya bir duvar veya bir bilgisayar olabilir. % 99 virgül 99'unun boşluktan olduğunu fark ederiz. Hiçbir şeydir burası. Bir vakumdur. Eğer çok küçücük parçalarımız olsaydı, çoğunluğu gördüğümüz her şeyin içinden rahatlıkla geçerdi. Bu gerçek bizim gerçekliğimiz ve gerçeği görüşümüz hakkında birçok soruya yol açıyor. Gerçekte var olan şeyler, teorik olarak tam buradalar. Ve onları en küçük parçalarına kadar indirgersek bu objenin kapladığı alanın çoğunluğu boş ve bir vakumdan oluşuyor. Eğer o kadar küçük olsaydık atomların içinden geçebilirdik. Bu helyum atomunun resmi ve tam burası bir femtometre, değil mi? Bir femtometre. Bu bir helyum atomunun çekirdeğini ölçmek için kullanılan bir ölçü değil mi? Bir femtometre. Bu da bir angstrom değil mi? Bunun 100 bin femtometreye eşit olduğunu biliyoruz. Bir de tam olarak anlamak için angstromun bir metrenin bir kere 10 üzeri eksi 10 olduğunu düşünelim. Ve bir atom ile yaklaşık olarak aynı boyutlardadır. Bu helyum örneğinde atomun çekirdeği daha da küçüktür. Yüz binde biridir. Örneğin sıvı helyumun olduğunu varsayalım. Ki bunu elde etmesi ancak çok soğukta mümkündür. Bunun çoğunluğunun boşluk olduğunu görürüz. Veya bir demir külçeye bakıyorsak onun da büyük bir çoğunluğunun boşluk olduğunu fark ederiz. ve çekirdeğin içinde olabilecek boşluktan bahsetmiyoruz bile. Bana göre baktığımız birçok şeyin dolu ve katı olmayışı çok şaşırtıcı. Sadece boşluk olmalarına rağmen çok katı görünüyorlar. Çünkü ışık onlardan yansıyor ve elektronları bizi itiyor. Fakat aslında orada dokunacak bir şey yok. Çoğunluğu boşluk. Bence boşluk kelimesini şimdi söylemem yeterli oldu. Ve kalan inanılmaz şeyleri sonraki videoma saklıyorum.