ATOMUN YAPISI

Hava, su, dağlar, hayvanlar, bitkiler, vücudumuz, oturduğunuz koltuk, kısacası en ağırından en hafifine kadar gördüğümüz, dokunduğumuz, hissettiğimiz herşey atomlardan meydana gelmiştir. Elimizde tuttuğumuz kitabın her bir sayfası milyarlarca atomdan oluşur. Atomlar öyle küçük parçacıklardır ki, en güçlü mikroskoplarla dahi bir tanesini görmek mümkün değildir. Bir atomun çapı ancak milimetrenin milyonda biri kadardır.

Her atom, bir çekirdek ve çekirdeğin çok uzağındaki yörüngelerde dönüp-dolaşan elektronlardan oluşmuştur.  Çekirdeğin içinde ise proton ve nötron ismi verilen başka parçacıklar vardır.

ÇEKİRDEK

Çekirdek, atomun tam merkezinde bulunmaktadır ve atomun niteliğine göre belirli sayılarda proton ve nötrondan oluşmuştur. Çekirdeğin yarıçapı, atomun yarıçapının onbinde biri kadardır.

Atomun kütlesini oluşturan yoğunluk tüm atoma eşit olarak dağılmamıştır, yani atomun bütün kütlesi atomun çekirdeğinde birikmiştir.

Çekirdekteki protonların hepsi pozitif yüklüdür ve elektromanyetik kuvvet nedeniyle birbirlerini iterler. Fakat güçlü nükleer kuvvet onların itme gücünden 100 kat daha büyük olduğundan, elektromanyetik kuvvet etkisiz hale gelir. Böylece protonlar birarada tutunabilirler.

Kısacası gözle göremeyeceğimiz kadar küçük bir atomun içinde, birbiriyle etkileşim halinde iki büyük kuvvet bulunur. Bu kuvvetlerin değerleri öylesine hassastır ki, birinin biraz daha az veya biraz daha fazla olması atomdaki tüm dengeleri alt üst eder. Dolayısıyla atomun yapısı bozulur, parçalanır ve maddeyi oluşturamaz.

Çekirdeğin İçi: Proton ve Nötronlar

1932 yılına dek, çekirdeğin proton ve elektronlardan oluştuğu sanılıyordu. Çekirdeğin içinde protonla beraber elektronların değil nötronların olduğu ancak o tarihte keşfedilebildi. (Ünlü bilimadamı Chadwick 1932 yılında çekirdeğin içinde nötronun varlığını ispatladı ve bu keşfiyle Nobel ödülü kazandı.)

Evrendeki Çeşitliliğin Kaynağı

Bilimin, şu ana kadar tespit edebildiği 109 tane element vardır. Tüm evren, dünyamız canlı-cansız bütün varlıklar bu 109 elementin çeşitli biçimlerde birleşmeleriyle oluşmuştur. Buraya kadar tüm elementlerin birbirinin benzeri atomlardan oluştuğunu gördük; atomlar da birbirinin aynı parçacıklardan oluşuyordu.

Elementleri temelde birbirlerinden farklı kılan şey, atomlarının çekirdeklerindeki proton sayılarıdır. En hafif element olan hidrojen atomunda bir proton, ikinci en hafif element olan helyum atomunda iki proton, altın atomunda 79 proton, oksijen atomunda 8 proton, demir atomunda 26 proton vardır. İşte altını demirden, demiri oksijenden ayıran özellik, yalnızca atomlarının proton sayılarındaki bu farklılıktır. Soluduğumuz hava, vücudumuz, herhangi bir bitki veya bir hayvan ya da uzaydaki bir gezegen, canlı-cansız, acı-tatlı, katı-sıvı her şey... Bunların hepsi sonuçta aynı proton-nötron-elektronlardan meydana gelmiştir.

ATOMUN DİĞER UCU: ELEKTRONLAR

Elektronlar, çekirdeğin etrafında belirli yörüngelerde durmaksızın dönen parçacıklardır ve çekirdeği elektrik yükünden oluşan bir zırh gibi kuşatırlar. Elektronları daha yakından inceleme ve onlara bakabilme imkanımız olsaydı, onların tıpkı dünyamız gibi hareket ettiklerini görürdük. Evet; elektronlar tıpkı dünyanın güneş çevresinde dönerken aynı zamanda kendi çevresinde dönmesi gibi dönerler.

Ancak kuşkusuz, elektronların büyüklüğü dünyanın büyüklüğünden çok farklıdır. Eğer bir kıyas yapmak gerekirse; bir atomu dünya kadar büyütsek, bir elektron sadece bir elma boyutuna gelecektir.

En güçlü mikroskopların bile göremeyeceği kadar küçük bir alanda dönüp-duran onlarca elektron, atomun içinde çok karışık bir trafik yaratır. Ancak, elektronlar atomun içinde en ufak bir kazaya yol açmazlar. Üstelik atomun içinde yaşanacak en ufak bir kaza atom için felaket olabilir ama atom, kendi sonunu getirecek bu felaketi hiçbir zaman yaşamaz ve varlığını sürdürür.

Çekirdeğin etrafında saniyede 1.000 km gibi akılalmaz bir hızla hiç durmadan dönen elektronlar, bir kez bile birbirleri ile çarpışmamaktadırlar. Bu durum, bunların büyük bir düzen içinde bulunduklarını, bizlerin “yörünge” adını verdiğimiz yollarda hareket ettiklerini gösterir. Oysa birbirlerinin aynı olan elektronların farklı yörüngelerde bulunmalarının “dizayn” dışında bir açıklaması olamaz.

Elektronlar, nötron ve protonların neredeyse ikibinde biri kadar ufaklıkta parçacıklardır. Bir atomda, protonlarla eşit sayıda elektron bulunur ve her elektron her bir protonun taşıdığı artı (+) yüke eşit değerde eksi (-) yük taşır. Çekirdekteki toplam artı (+) yük ile elektronların toplam eksi (-) yükü birbirini dengeler ve atom nötr olur.

Bu etkenlerin yanısıra, çekirdekteki protonları ve nötronları birbirine bağlayan nükleer kuvvetler olmasaydı, eşit yüke sahip olan protonlar değil kenetlenmek, birbirlerine yaklaşamayacaklardı bile. Nötronlar da çekirdeğe hiçbir şekilde bağlanamayacaklardı. Bunun sonucunda çekirdek, dolayısıyla atom diye birşey olmayacaktı.

Bütün bu ince hesaplar, tek bir atomun bile başıboş olmayıp üstün bir iradenin kontrolünde hareket ettiğinin bir göstergesidir. Aksi takdirde içinde yaşadığımız evrenin sonunun gelmesi kaçınılmaz olurdu. Hatta daha başlangıçta meydana gelmesi bile imkansızdı.    

MADDEYE GİDEN İKİNCİ BASAMAK:  MOLEKÜLLER

Maddeye giden ilk basamak olan atomlardan sonra ikinci basamak da moleküllerdir. Moleküller, bir maddenin kimyasal özelliklerini belirten en küçük birimleridir. Moleküller iki veya daha çok atomdan oluşur; bazıları da binlerce atom gruplarından oluşur. Bütün çeşitliliği ile madde, atomlardan meydana gelen moleküllerin çeşitli biçimlerde biraraya gelmeleriyle oluşmuştur.

Atomların molekülleri oluşturması veya moleküllerin ayrışarak atomlarına ayrılması, genel olarak “kimyasal reaksiyon” olarak adlandırılır. Kimyasal reaksiyonlar laboratuvarlarda yapıldığı gibi, doğada, vücudumuzda, bir yemek fırınında, çamaşır makinasında, atmosferde vs. heryerde ve her an gerçekleşmektedir.

Kimyasal Bağlar

Atomlar son yörüngelerindeki elektron sayılarını maksimuma tamamlama amacındadırlar. Bu amaçlarını da, diğer atomlarla 3 çeşit bağ kurarak gerçekleştirirler. Bunlar iyonik bağ, kovalent bağ ve metalik bağdır. Atom, eğer dış yörüngesinde 4’ten az elektronu varsa bunları verme, 4’ten fazla elektronu varsa dışarıdan elektron alma eğilimindedir. Atomların bu şekilde birbirleriyle elektron alıp-vererek birleşmeleri “iyonik bağ” olarak isimlendirilir. Eğer 2 tane atom, dış yörüngelerindeki elektronları ortak kullanırsa buna “kovalent bağ” denir. Kovalent bağın daha iyi anlaşılabilmesi için örnek verelim: Hidrojen atomunda tek bir elektron vardır.Atomların ilk yörüngelerinde en fazla 2 elektron taşınabilir. Hidrojen atomu tek bir elektrona sahiptir ve elektron sayısını 2’ye çıkarıp kararlı bir atom olma eğilimindedir. Bu yüzden hidrojen atomu 2’nci bir hidrojen atomuyla kovalent bağ yapar. Yani, 2 hidrojen atomu da birbirlerinin tek elektronlarını 2. elektron olarak kullanır. Böylece H2 molekülü oluşur.

Eğer çok sayıda atom, birbirlerinin elektronlarını ortaklaşa kullanarak birleşiyorlarsa bu kez “metalik bağ” sözkonusudur.

MUCİZE BİR MOLEKÜL: SU

Dünyamızın üçte ikisi su ile kaplıdır ve yeryüzünde yaşayan bütün canlıların %50-%95’i sudan oluşmaktadır. Kaynama noktasına yakın sıcaklıktaki kaynaklarda yaşayan bakterilerden tutun da, erimekte olan buzulların üzerindeki bazı özel yosunlara kadar, suyun olduğu heryerde ve her sıcaklıkta hayat vardır. Yağmurdan sonra yapraklar üzerinde kalan bir su damlacığında bile binlerce mikroskopik canlı doğar, çoğalır ve ölür. Yeryüzündeki hayatın temeli olan suyun oluşabilmesi ise aslında son derece zordur. Öncelikle suyun bileşenleri olan hidrojen ve oksijen moleküllerini bir cam kabın içinde düşleyelim. O kabın içinde çok uzun bir süre bırakalım. Bu gazlar kabın içinde yüzlerce yıl bile hiç su oluşturmayabilirler. Oluştursalar da çok yavaş olarak, mesela binlerce yıl sonra kabın dibinde çok az su farkedilebilir.

Böyle bir durumda suyun bu derece yavaş oluşmasının sebebi sıcaklıktır. Oda sıcaklığında oksijenle hidrojen çok yavaş tepkimeye girerler .

Oksijen ve hidrojen, serbest halde iken H2 ve O2 molekülleri halinde bulunurlar. Bu moleküllerin su molekülünü oluşturmak için birleşmeleri için çarpışmaları gerekir. Bu çarpışma sonucunda, hidrojen ile oksijen molekülünü oluşturan bağlar zayıflar ve oksijen ile hidrojen atomlarının birleşmesine engel kalmaz. Sıcaklık, bu moleküllerin enerjisini, dolayısıyla hızlarını arttırdığı için çarpışmaların sayısını da büyük ölçüde arttırır. Böylece, tepkimenin hızlı ilerlemesini sağlar. Ancak, şu anda yeryüzünde suyun oluşmasını sağlayacak kadar yüksek ısı yoktur. Suyun oluşması için gerekli olan ısı, dünya oluşurken sağlanmış ve dünyanın dörtte üçlük kısmını oluşturan su o zaman oluşmuştur. Artık bu su kaynakları buharlaşarak atmosfere yükselmekte, orada da soğuyarak yağmur şeklinde yeniden yeryüzüne dönmektedir. Yani mevcut miktara yeni bir ilave olmaz, sadece bir çevrim yaşanır.

Su, kimyasal olarak pekçok olağanüstü özelliğe sahiptir. Herbir su molekülü hidrojen ve oksijen atomlarının birleşmesiyle oluşmuştur. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın birleşerek bir sıvıyı, hem de suyu oluşturuyor olmaları oldukça ilginçtir. Kimyasal olarak suyun nasıl oluştuğuna gelince; suyun elektrik yükü sıfır yani nötrdür. Ancak oksijen ve hidrojen atomlarının büyüklüklerinden dolayı su molekülünün oksijen tarafı hafifçe eksi, hidrojen tarafı da hafifçe artı yüklüdür. Birden fazla su molekülü biraraya geldiğinde artı ve eksi yükler birbirini çekerek “hidrojen bağı” denilen çok özel bir bağı oluşturur. Hidrojen bağı çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın  kavrayamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak bir saniyenin yüzmilyarda biri kadardır. Ama bağlardan biri kırıldığında hemen bir diğer bağ oluşur. Böylece su molekülleri birbirlerine yapışırlar ve diğer taraftan zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından akışkan olurlar.

Hidrojen bağlarının suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar, aynı şekilde havanın sıcaklığı aniden düşse bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli oranda oynayabilmesi için çok büyük miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısı enerjisinin bu derece yüksek olmasının canlı hayatına sağladığı çok büyük faydalar vardır. Çok basit bir örnek verecek olursak, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarına aynı oranda uysaydı aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık.  

Hidrojen bağlarının suya kazandırdığı bir başka olağanüstü özellik, suyun sıvı iken katı haline oranla daha yoğun olmasıdır. Halbuki, yeryüzündeki maddelerin çoğu katı iken sıvı haline oranla daha yoğundur. Ancak, su diğer maddelerin tersine donarken genleşir. Bunun sebebi hidrojen bağlarının su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada birçok boşluğun kalmasıdır. Su sıvı iken hidrojen bağları kırıldığından oksijen atomları birbirine yaklaşır ve daha yoğun bir yapı elde edilir.