Zamanın başlangıcından bu yana, insanlar evrenin ve içindeki her şeyin neyden oluştuğunu anlamaya çalıştılar. Ve eski magi ve filozoflar dört ya da beş elementten (toprak, hava, su, ateş (ve metal ya da bilinç)) oluşan bir dünyayı düşünürken, filozoflar tüm maddelerin aslında küçük bir şeyden oluştuğunu teorikleştirmeye başladılar, görünmez ve bölünmez atomlar.
O zamandan beri, bilim adamları gerçek doğasını ve yapısını keşfetmeyi umarak atomla devam eden bir keşif sürecine girdiler. 20. yüzyılda, anlayışımız doğru bir model oluşturabildiğimiz noktaya rafine oldu. Ve geçtiğimiz on yıl içinde, anlayışımız daha da ilerledi, neredeyse teorileştirilmiş parçalarının varlığını doğruladığımız noktaya geldi.
Günümüzde atom araştırmaları maddenin atomaltı düzeyde yapısını ve işlevini incelemeye odaklanmıştır. Bu sadece bir atomu oluşturduğu düşünülen tüm atom altı parçacıkların tanımlanmasından ibaret değil, aynı zamanda onları yöneten güçlerin araştırılmasından ibarettir. Bunlar arasında güçlü nükleer kuvvetler, zayıf nükleer kuvvetler, elektromanyetizma ve yerçekimi sayılabilir. İşte atom hakkında şimdiye kadar öğrendiğimiz her şeyin dökümü ...
Atomun Yapısı:
Mevcut atom modelimiz üç bileşen parçaya ayrılabilir - protonlar, nötron ve elektronlar. Bu parçaların her biri, pozitif bir yük taşıyan protonlar, negatif bir yüke sahip elektronlar ve net yüke sahip olmayan nötronlarla ilişkili bir yüke sahiptir. Parçacık fiziğinin Standart Modeline uygun olarak, protonlar ve nötronlar atomun çekirdeğini oluştururken, elektronlar bunu bir “bulutta” yörüngede toplarlar.
Bir atomdaki elektronlar, elektromanyetik kuvvet tarafından çekirdekteki protonlara çekilir. Elektronlar yörüngelerinden kaçabilirler, ancak sadece harici bir enerji kaynağına yanıt olarak. Elektronun çekirdeğe ne kadar yakın yörüngesi olursa, çekici kuvvet o kadar büyük olur; dolayısıyla, bir elektronun kaçmasına neden olmak için gereken dış kuvvet ne kadar güçlü olursa.
Elektronlar çekirdeği, her biri elektronun belirli bir enerji seviyesine karşılık gelen çoklu yörüngelerde yörüngede çevirir. Elektron, yeni kuantum duruma yükseltmek için yeterli enerjiye sahip bir fotonu absorbe ederek durumunu daha yüksek bir enerji seviyesine değiştirebilir. Benzer şekilde, daha yüksek bir enerji durumundaki bir elektron, fazla enerjiyi bir foton olarak yayarken daha düşük bir enerji durumuna düşebilir.
Atomlar, eşit sayıda proton ve elektrona sahip olduklarında elektriksel olarak nötrdürler. Açığı veya fazla elektronu olan atomlara iyon denir. Çekirdekten en uzak olan elektronlar yakındaki diğer atomlara aktarılabilir veya atomlar arasında paylaşılabilir. Bu mekanizma ile atomlar moleküllere ve diğer kimyasal bileşik türlerine bağlanabilir.
Bu atomaltı parçacıkların üçü de, ya elementle ilişkili ya da (elektronlar) ya da doğada kompozit (protonlar ve nötronlar) olan bir parçacık sınıfı olan Fermiyonlardır. Bu, elektronların bilinen bir iç yapıya sahip olmadığı anlamına gelirken, protonlar ve nötronlar diğer atom altı parçacıklardan oluşur. kuark denir. Kesirli elektrik yükü olan atomlarda iki tür kuark vardır.
Protonlar iki “yukarı” kuarktan (her biri +2/3 yüklü) ve bir “aşağı” kuarktan (-1/3) oluşur, nötronlar bir yukarı kuark ve iki aşağı kuarktan oluşur. Bu ayrım, iki parçacık arasındaki yük farkını, sırasıyla +1 ve 0 yüküne karşılık gelirken, elektronlar -1 yüküne sahiptir.
Diğer atomaltı parçacıklar, maddenin yapı taşlarını oluşturmak için Fermiyonlarla birleşen Leptonları içerir. Mevcut atom modelinde altı lepton vardır: elektron, muon ve tau parçacıkları ve bunların ilişkili nötrinoları. Lepton parçacıklarının yaygın olarak “tatlar” olarak adlandırılan farklı çeşitleri, elektromanyetik etkileşimlerinin seviyesini etkileyen boyutları ve ücretleri ile ayırt edilir.
Sonra, fiziksel güçlere aracılık ettikleri için “kuvvet taşıyıcıları” olarak bilinen Gauge Bosons var. Örneğin, kuarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetten sorumludur, W ve Z bozonlarının (hala varsayımsal) elektromanyetizmanın arkasındaki zayıf nükleer kuvvetten sorumlu olduğuna inanılmaktadır. Fotonlar ışığı oluşturan temel parçacıkken, Higgs Bozonu W ve Z bozonlarına kütlelerini vermekten sorumludur.
Atom Kütlesi:
Bir atom kütlesinin çoğunluğu çekirdeğini oluşturan protonlardan ve nötronlardan gelir. Elektronlar 9.11 x 10 kütleli bir atomun oluşturucu parçacıklarının en az kütlesidir.-31 kg ve mevcut tekniklerle ölçülemeyecek kadar küçük bir boyut. Protonlar, 1.6726 × 10'da elektronun 1.836 katı olan bir kütleye sahiptir.-27 kg, nötronlar üçün en büyüğü iken, 1.6929 × 10'da-27 kg (elektron kütlesinin 1.839 katı).
Bir atom çekirdeğindeki ("nükleon" olarak adlandırılır) toplam proton ve nötron sayısına kütle numarası denir. Örneğin, Karbon-12 elementi, 12 nükleonundan (altı proton ve altı nötron) türetilmiş bir kütle sayısına sahip olduğu için adlandırılmıştır. Bununla birlikte, elementler, çekirdekte bulunan protonların sayısıyla aynı olan atom numaralarına göre de düzenlenir. Bu durumda, Karbon'un atom numarası 6'dır.
Hareketsiz bir atomun gerçek kütlesini ölçmek çok zordur, çünkü en büyük atom bile geleneksel birimlerde ifade edilemeyecek kadar hafiftir. Bu nedenle, bilim adamları genellikle dalton (Da) olarak da adlandırılan birleşik atomik kütle birimini (u) kullanırlar; bu, yaklaşık 1.66 × 10 olan serbest nötr karbon-12 atomunun kütlesinin on ikincisi olarak tanımlanır.-27 kilogram.
Kimyagerler ayrıca her zaman aynı sayıda atoma sahip herhangi bir elementin bir molü olarak tanımlanan bir birim olan molleri kullanırlar (yaklaşık 6.022 × 1023). Bu sayı, bir elementin atomik kütlesi 1 u ise, o elementin bir mol atomunun bir grama yakın bir kütleye sahip olacağı şekilde seçilmiştir. Birleştirilmiş atomik kütle biriminin tanımı nedeniyle, her karbon-12 atomu tam olarak 12 u'luk bir atomik kütleye sahiptir ve bu nedenle bir mol karbon-12 atomu tam olarak 0.012 kg ağırlığındadır.
Radyoaktif bozunma:
Aynı sayıda protona sahip olan herhangi iki atom aynı kimyasal elemente aittir. Ancak eşit sayıda protona sahip atomlar, aynı elementin farklı izotopları olarak tanımlanan farklı sayıda nötrona sahip olabilir. Bu izotoplar genellikle kararsızdır ve atom numarası 82'den büyük olanların hepsinin radyoaktif olduğu bilinmektedir.
Bir element çürümeye uğradığında, çekirdeği, alfa parçacıkları (helyum atomları), beta parçacıkları (pozitronlar), gama ışınları (yüksek frekanslı elektromanyetik enerji) ve dönüşüm elektronlarından oluşan radyasyon yayarak enerji kaybeder. Kararsız bir elemanın bozunma hızı, "yarı ömrü" olarak bilinir; bu, elemanın başlangıç değerinin yarısına düşmesi için gereken süredir.
Bir izotopun stabilitesi, protonların nötronlara oranından etkilenir. Dünyada doğal olarak oluşan 339 farklı element türünden 254'ü (yaklaşık% 75) “kararlı izotoplar” olarak etiketlenmiştir - yani çürümeye maruz kalmaz. Ek olarak 34 radyoaktif elementin yarı ömrü 80 milyon yıldan daha uzun olup, erken Güneş Sisteminden bu yana da mevcuttur (bu nedenle bunlara "primordial elementler" denilmektedir).
Son olarak, 51 kısa ömürlü ek elementin doğal olarak, diğer elementlerin (uranyumdan radyum gibi) bozulmasının “kızı elementleri” (yani nükleer yan ürünler) olarak meydana geldiği bilinmektedir. Ek olarak, kısa ömürlü radyoaktif elementler, dünyadaki kozmik ışın bombardımanı (örneğin, atmosferimizde meydana gelen karbon-14) gibi doğal enerjik süreçlerin bir sonucu olabilir.
Çalışmanın Tarihçesi:
Atom teorisinin bilinen en eski örnekleri, Democritus gibi filozofların tüm maddelerin küçük, bölünmez ve yıkılmaz birimlerden oluştuğunu öne sürdüğü eski Yunanistan ve Hindistan'dan geliyor. “Atom” terimi eski Yunanistan'da üretilmiştir ve “atomizm” olarak bilinen düşünce okulunu doğurmuştur. Ancak bu teori, bilimsel bir teoriden çok felsefi bir kavramdı.
19. yüzyıla kadar atomlar teorisi bilimsel bir mesele olarak ifade edildi ve ilk kanıta dayalı deneyler yapıldı. Örneğin, 1800'lerin başında İngiliz bilim adamı John Dalton, kimyasal elementlerin neden bazı gözlenebilir ve öngörülebilir şekillerde tepki verdiğini açıklamak için atom kavramını kullandı.
Dalton, elementlerin neden küçük tam sayı oranlarında tepki gösterdiği sorusuyla başladı ve bu reaksiyonların çok sayıda ayrı birimin yani başka bir deyişle atomların meydana geldiği sonucuna vardı. Gazları içeren bir dizi deney sayesinde Dalton, modern fizik ve kimyanın temel taşlarından biri olan Dalton’un Atom Teorisi olarak bilinen şeyi geliştirmeye devam etti.
Teori beş öncül haline gelir: elementler, en saf hallerinde, atom adı verilen parçacıklardan oluşur; belirli bir elementin atomları, en son atoma kadar aynıdır; farklı elementlerin atomları atom ağırlıklarıyla ayırt edilebilir; elementlerin atomları kimyasal bileşikler oluşturmak için birleşir; atomlar kimyasal reaksiyonda yaratılamaz veya yok edilemez, sadece gruplaşma değişir.
19. yüzyılın sonlarına doğru, bilim adamları atomun birden fazla temel üniteden oluştuğunu teorileştirmeye başladılar. Bununla birlikte, çoğu bilim adamı bu birimin bilinen en küçük atom hidrojenin büyüklüğü olacağına karar verdi. Ve sonra 1897'de fizikçi J.J. Katot ışınlarını kullanan bir dizi deney yoluyla. Thompson hidrojen atomundan 1000 kat daha küçük ve 1800 kat daha hafif bir birim keşfettiğini açıkladı.
Deneyleri ayrıca fotoelektrik etki ve radyoaktif maddeler tarafından verilen parçacıklarla özdeş olduklarını gösterdi. Müteakip deneyler, bu parçacığın, metal teller yoluyla elektrik akımı ve atomlar içindeki negatif elektrik yükleri taşıdığını ortaya koydu. Bu nedenle, başlangıçta “ceset” olarak adlandırılan parçacık, George Johnstone Stoney’in 1874'te öngörülmesinden sonra, daha sonra “elektron” olarak değiştirildi.
Bununla birlikte, Thomson ayrıca elektronların, pozitif yüklü tekdüze bir deniz olan atom boyunca dağıldığını varsaydı. Bu, daha sonra yanlış olduğu kanıtlanacak olan “erik pudingi modeli” olarak bilinir. Bu, 1909'da fizikçiler Hans Gieger ve Ernest Marsden (Ernest Rutherfod yönetiminde) metal folyo ve alfa parçacıkları kullanarak deneylerini gerçekleştirdiklerinde gerçekleşti.
Dalton’un atom modeliyle tutarlı olarak, alfa parçacıklarının folyodan düz bir şekilde az sapmayla geçeceğine inanıyorlardı. Bununla birlikte, partiküllerin çoğu 90 ° 'den daha büyük açılarda saptırılmıştır. Bunu açıklamak için Rutherford, atomun pozitif yükünün merkezdeki küçük bir çekirdeğe konsantre edilmesini önerdi.
1913'te fizikçi Niels Bohr, elektronların çekirdeğin etrafında yörüngede kaldığı ancak bunu sadece sınırlı bir yörünge setinde yapabileceği bir model önerdi. Ayrıca elektronların yörüngeler arasında atlayabileceğini, ancak sadece bir fotonun emilmesine veya radyasyonuna karşılık gelen ayrı enerji değişikliklerinde önerebildi. Bu sadece Rutherford’un önerilen modelini iyileştirmekle kalmadı, aynı zamanda maddenin gizli paketlerde davrandığı nicelenmiş bir atom kavramına da yol açtı.
Bir iyon ışınının yörüngesini bükmek için bir mıknatıs kullanan kütle spektrometresinin geliştirilmesi, atom kütlesinin artan doğrulukla ölçülmesine izin verdi. Kimyager Francis William Aston bu enstrümanı izotopların farklı kütlelere sahip olduğunu göstermek için kullandı. Bunu, 1932'de izotopların varlığını açıklamanın bir yolu olarak nötronu öneren fizikçi James Chadwick izledi.
20. yüzyılın başlarında, atomların kuantum doğası daha da geliştirildi. 1922'de Alman fizikçiler Otto Stern ve Walther Gerlach, ışını atomların açısal momentumu (veya spin) yönüne bölmek üzere gümüş bir ışın demeti manyetik bir alandan yönlendirildiği bir deney gerçekleştirdi.
Stern-Gerlach Deneyi olarak bilinen sonuç, ışının, atomların dönüşünün yukarı veya aşağı yönlendirilip yönlendirilmediğine bağlı olarak iki parçaya bölünmesiydi. 1926'da fizikçi Erwin Schrodinger, elektronları sadece parçacıklar yerine üç boyutlu dalga formları olarak tanımlayan matematiksel bir model geliştirmek için dalgalar gibi davranan parçacıklar fikrini kullandı.
Parçacıkları tanımlamak için dalga formları kullanmanın bir sonucu, herhangi bir zamanda bir parçacığın hem konumu hem de momentumu için kesin değerler elde etmenin matematiksel olarak imkansız olmasıdır. Aynı yıl Werner Heisenberg bu sorunu formüle etti ve buna “belirsizlik ilkesi” adını verdi. Heisenberg'e göre, belirli bir doğru konum ölçümü için, sadece momentum için bir dizi olası değer elde edilebilir veya bunun tersi de mümkündür.
1930'larda fizikçiler Otto Hahn, Lise Meitner ve Otto Frisch'in deneyleri sayesinde nükleer fizyonu keşfettiler. Hahn’ın deneyleri, nötronların bir transuranyum elementi oluşturma umuduyla uranyum atomlarına yönlendirilmesini içeriyordu. Bunun yerine, süreç uranyum-92 örneğini (Ur92) iki yeni elemente - baryum (B56) ve kripton (Kr27).
Meitner ve Frisch deneyi doğruladı ve aynı toplam atom ağırlığına sahip iki element oluşturmak için uranyum atomlarına atfedildi, bu da atomik bağları kırarak önemli miktarda enerji açığa çıkardı. Takip eden yıllarda, bu sürecin olası silahlanmasına yönelik araştırmalar başladı (yani nükleer silahlar) ve 1945'te ABD'de ilk atom bombalarının inşasına yol açtı.
1950'lerde gelişmiş parçacık hızlandırıcılarının ve parçacık dedektörlerinin geliştirilmesi, bilim insanlarının yüksek enerjilerde hareket eden atomların etkilerini araştırmasına izin verdi. Bundan, çekirdeğin özelliklerini, teorize edilmiş atomaltı parçacıkların varlığını ve etkileşimlerini yöneten güçleri başarıyla açıklayan Standart parçacık fiziği Modeli geliştirildi.
Modern Deneyler:
20. yüzyılın ikinci yarısından bu yana, atom teorisi ve kuantum mekaniği ile ilgili birçok yeni ve heyecan verici keşif olmuştur. Örneğin, 2012'de Higgs Bozonu için uzun bir araştırma, İsviçre'deki Avrupa Nükleer Araştırmalar Örgütü'nde (CERN) çalışan araştırmacıların keşfini açıkladığı bir dönüm noktasına yol açtı.
Son yıllarda, fizikçiler tarafından birleşik bir alan teorisinin (yani Büyük Birleştirici Teori veya Her şeyin Teorisi) geliştirilmesine büyük zaman ve enerji ayrılmıştır. Özünde, Standart Model ilk önerildiği için, bilim adamları evrenin dört temel kuvvetinin (yerçekimi, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler ve elektromanyetizma) birlikte nasıl çalıştığını anlamaya çalıştılar.
Yerçekimi Einstein’ın görelilik teorileri kullanılarak anlaşılabilirken, nükleer kuvvetler ve elektromanyetizma kuantum teorisi kullanılarak anlaşılabilirken, hiçbir teori birlikte çalışan dört kuvveti de açıklayamaz. Bunu çözme girişimleri yıllar boyunca String Teorisi'nden Döngü Kuantum Yerçekimi'ne kadar bir dizi önerilen teoriye yol açmıştır. Bugüne kadar, bu teorilerin hiçbiri bir atılıma yol açmadı.
Atom hakkındaki anlayışımız, onu diğer atomlarla mekanik olarak etkileşime giren inert bir katı olarak gören klasik modellerden, atomların öngörülemez şekilde davranan enerjik parçacıklardan oluştuğu modern teorilere kadar uzun bir yol kat etti. Birkaç bin yıl sürmesine rağmen, tüm maddelerin temel yapısı hakkındaki bilgilerimiz önemli ölçüde ilerlemiştir.
Yine de, henüz çözülmemiş birçok gizem var. Zaman ve sürekli çabalarla, nihayet atomun kalan son sırlarını açabiliriz. Daha sonra, yaptığımız yeni keşiflerin sadece daha fazla soruya yol açması çok iyi olabilir - ve daha önce gelenlerden daha kafa karıştırıcı olabilirler!
Space Magazine için atom hakkında birçok makale yazdık. İşte John Dalton’un atom modeli, Neils Bohr’un atom modeli, Demokritos Kimdi? Ve Evrende Kaç Atom Var?
Atom hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, NASA'nın Küçük Örnekleri Analiz Etme Makalesine göz atın ve NASA'nın Atomlar, Elementler ve İzotoplar hakkındaki makalesine bir bağlantı.
Atom hakkında tüm bir Astronomi Oyuncusu bölümünü de kaydettik. Burada Dinleyin, Bölüm 164: Inside the Atom, Bölüm 263: Radioactive Decay ve Episode 394: The Standard Model, Bosons.
