Atomun Yapısı

Açılış sahnesi

Eylülün son pazartesi, sabah sekiz buçuk. Denizli'de bir üniversite hastanesinin merkez laboratuvarında, koridorun sonundaki eser element odasının kapısı kapalı tutuluyor; içeride toz, ölçülecek şeyin kendisi kadar önemli. Tıbbi biyokimya uzmanı Cihangir Bey, lacivert kapaklı bir tüpü ışığa tutup barkodunu okutuyor. Beslenme polikliniğinden gelmiş, istem kâğıdında iki satır var: çinko ve bakır. Dönem üç öğrencisi Ceren, gözlem haftasının ilk gününde, onun omzunun üstünden cihazın ekranına bakıyor.

Cihangir Bey serumu seyreltip otomatik örnekleyicinin rafına yerleştirirken cihazı anlatıyor. Numune ince bir sis hâlinde argon plazmasına püskürtülecek; orada sıcaklık öyle yüksek ki serumdaki proteinler, tuzlar, bütün moleküller parçalanacak. Ceren'in aklı ilk cümlede takılıyor. "Hocam, serumdaki çinkonun çoğu proteine bağlı değil mi? Protein parçalanıyorsa cihaz neyi ölçüyor?" Cihangir Bey gülümsüyor: "Geriye çinkoyu çinko yapan şey kalıyor. O şeyin ne olduğunu sen söyle".

Bu derste ne olacak

Bir atomun çekirdeği ile çevresindeki elektronların nasıl yerleştiğini, boyutları ve kütleleri karşılaştırarak göreceksin. Çekirdeğin atomun içinde ne kadar yer kapladığını ve kütlenin ne kadarını taşıdığını iki bölmeyle hesaplayacaksın. Atom fikrinin Dalton'dan Bohr'a nasıl değiştiğini, her modelin hangi deneyle sarsıldığını izleyeceksin. Son olarak bir elementi ötekinden ayıran şeyin adını, atom numarasını öğrenecek ve bunun laboratuvarda neden işe yaradığını göreceksin.

Metin

Önceki programdan bu programa

Önceki program sayılarla çalıştı. Korelasyonlar, regresyon eğimleri, sağkalım eğrileri ve kalibrasyon tabloları hep bir ölçümün başka bir ölçümle nasıl değiştiğini sordu. O ölçümlerin çoğu bir laboratuvar cihazından geldi ve cihaz hiçbir zaman bir regresyon katsayısı ölçmedi; ışık soğurmasını, elektrik akımını ya da, bu odadaki gibi, belirli bir kütleye sahip yüklü parçacıkların sayısını ölçtü. Bu programda sayının arkasındaki maddeye ineceğiz.

Maddenin kimyasal olarak ayrılabilen en küçük birimi atomdur. Bir çinko atomu yiyecekte, bağırsak duvarında, serumdaki bir proteinin cebinde ya da cihazın plazmasında aynı elementtir. Değişen, atomun başka atomlarla kurduğu ilişkidir. Fonksiyonel tıbbın kimyasal dilinin büyük bölümü, bir biyobelirtecin nasıl ölçüldüğünden bir hücrede elektronların nasıl el değiştirdiğine kadar, bu iki düzeyin ayrılmasına dayanır: atomun kimliği bir yerde, kimyası başka bir yerde oturur.

İki bölge: çekirdek ve elektron bulutu

Atomun mimarisi iki bölgeden oluşur ve bu iki bölge neredeyse her bakımdan birbirinin tersidir. Çekirdek son derece küçük, son derece yoğun ve artı yüklüdür. Elektronlar ise hafiftir, eksi yüklüdür ve atomun hacmini belirleyen geniş bir alana yayılır. Elektronların bu alanda keskin bir yörünge izlemediği, bulunma olasılıklarının yer yer yoğunlaştığı bir bulut gibi davrandığı bilinir; bu bulutun biçimi modülün ilerleyen derslerinde ayrıca işlenecek.

Boyut farkını sayıyla görmek için en basit atomu, hidrojeni al. Hidrojenin çekirdeği tek bir parçacıktır; o parçacığın adı proton ve gelecek ders onu yakından tanıtacak. CODATA 2022 değerlerine göre protonun yük yarıçapı 0,84075 femtometre. Hidrojen atomunun ölçeğini veren Bohr yarıçapı ise 5,29177 × 10⁻¹¹ metre, yani yaklaşık 52,9 pikometre. Bilimsel gösterim dersinde (L02-P01-M01-D03) gördüğün gibi önce birimleri eşitle: bir pikometre bin femtometredir, dolayısıyla Bohr yarıçapı 52.918 femtometre eder.

Şimdi böl: 52.918 ÷ 0,84075 ≈ 62.941. Atomun yarıçapı çekirdeğinkinin yaklaşık altmış üç bin katı. Çekirdeği yarıçapı bir santimetre olan bir bilye kadar büyütsen, elektron bulutunun ölçeği 629 metre ötesine uzanırdı; bu, birkaç futbol sahasının arka arkaya dizilmesi demek. Hacim, yarıçapın küpüyle büyüdüğünden çekirdeğin atom hacmindeki payı 62.941'in küpünün tersi kadar, yaklaşık 4 × 10⁻¹⁵. Bu hesabın bir sınırı var: elektron bulutunun keskin bir kenarı yoktur ve Bohr yarıçapı bir duvarın yeri değil, taban durumundaki elektronun çekirdekten en olası uzaklığıdır. Oran bu yüzden bir büyüklük sırası olarak okunmalı, virgülden sonrasıyla değil.

Kütle nerede

Boyutta ezici üstünlük bulutun, kütlede ise çekirdeğindir. CODATA 2022'ye göre protonun kütlesi 1,67262 × 10⁻²⁷ kilogram, elektronunki 9,10938 × 10⁻³¹ kilogram. Çarpanları ayrı, on'un kuvvetlerini ayrı böl: (1,67262 × 10⁻²⁷) ÷ (9,10938 × 10⁻³¹) ≈ 0,183615 × 10⁴ ≈ 1836,15. Bir proton yaklaşık 1836 elektron ağırlığındadır. NIST bu oranı doğrudan da yayımlıyor ve değeri aynı: 1836,152673.

Hidrojen atomu bir proton ve bir elektrondan oluştuğu için kütlenin çekirdekteki payı hemen bulunur. Elektronun kütlesini bir birim sayarsan atomun toplamı 1837,15 birimdir: 1836,15 ÷ 1837,15 ≈ 0,99946. Hidrojen atomunun kütlesinin binde 999'undan fazlası, hacminin 4 × 10⁻¹⁵'i kadarlık bir noktada durur. Elektronu çekirdeğe bağlayan enerjinin kütleye katkısı bu hesapta görünmeyecek kadar küçüktür. Daha ağır atomlarda çekirdek başka parçacıklar da taşır ve payı bundan da büyür; o parçacıkların sayımı gelecek dersin konusu.

Bu iki bölme atomun iş bölümünü özetliyor. Kütle, yani bir terazinin ya da kütle spektrometresinin hissettiği şey, çekirdekte oturur. Hacim, yani başka bir atomun yaklaştığında ilk karşılaştığı şey, elektron bulutudur. İki atom birbirine değdiğinde çekirdekleri değil bulutları buluşur; bu yüzden kimyasal bağlar, iyonlaşma, yükseltgenme ve indirgenme hep elektronların düzeyinde olur. Serumdaki çinko bir proteine bağlanırken de, bir enzimin içinde iş görürken de çekirdeği yerinde durur.

Bir fikrin evrimi: Dalton'dan Bohr'a

Atomun bugünkü resmi tek bir deneyden çıkmadı. John Dalton, 1808'de yayımlanan A New System of Chemical Philosophy kitabında maddenin bölünmez atomlardan oluştuğunu, aynı elementin atomlarının kütlece özdeş olduğunu ve kimyasal birleşmenin atomların belirli oranlarda bir araya gelmesi olduğunu savundu. Dalton'un atomunun iç yapısı yoktu. Bu model tepkimelerdeki sabit oranları açıklıyordu, ama atomun içine bakmıyordu.

1897'de J. J. Thomson katot ışınlarının atomdan çok daha hafif, eksi yüklü parçacıklardan oluştuğunu gösterdi; elektron böylece atomun bölünebildiğinin ilk kanıtı oldu. Thomson'ın ardından önerdiği resimde eksi yüklü elektronlar, atomun bütün hacmine yayılmış artı yüklü bir kütlenin içine gömülüydü. Bu resimde yük ve kütle dağınıktı; atomun içinde güçlü bir itme ya da çekme yapabilecek yoğun bir merkez yoktu.

Hans Geiger ile Ernest Marsden, 1909'da Proceedings of the Royal Society'de yayımlanan "On a diffuse reflection of the α-particles" makalesinde ince metal levhalara alfa parçacıkları gönderdiler. Dağınık bir atomdan geçen hızlı bir parçacığın hafifçe sapması beklenirdi. Oysa parçacıkların küçük bir bölümü geliş yönüne geri döndü; platin levhayla yapılan ölçümlerde bu oran yaklaşık 8.000'de biriydi. 1 ÷ 8.000 = 0,000125 küçük bir sayı, ama Thomson modelinde neredeyse sıfır olması gereken bir olayın ölçülebilir sıklıkta görülmesi demekti.

Ernest Rutherford, 1911'de Philosophical Magazine'de yayımlanan "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom" makalesinde bu geri dönüşleri açıklayan hesabı yaptı. Atomun yükü ve kütlesi çok küçük bir merkezde toplanmışsa, o merkeze yakın geçen az sayıdaki parçacık büyük açılarla sapar, geri kalanı neredeyse dokunulmadan geçer. Geiger ve Marsden'in 1913'te yayımlanan ayrıntılı ölçümleri, saçılmanın açıya ve levha kalınlığına bağlılığının bu hesapla uyuştuğunu gösterdi. Deneyin halk arasındaki adı altın levha deneyidir, çünkü ölçümlerin önemli bir bölümünde çok ince dövülebilen altın kullanıldı.

Rutherford'un atomunun bir sorunu vardı. Klasik fiziğe göre çekirdeğin çevresinde dolanan bir elektron sürekli ışıma yapıp enerji kaybetmeli ve çekirdeğe düşmeliydi. Niels Bohr, 1913'te aynı dergide yayımlanan "On the constitution of atoms and molecules" makalesinde elektronun yalnız belirli enerji düzeylerinde bulunabildiğini, bu düzeylerde ışıma yapmadığını ve ışığı yalnız düzeyler arasında geçerken soğurup saldığını önerdi. Model, hidrojenin tayfındaki çizgilerin yerlerini başarıyla hesapladı. Bohr'un düz dairesel yörüngeleri sonradan terk edildi, ama belirli enerji düzeyleri fikri kaldı.

Bu tarih bir modelin neden işe yaradığını da gösteriyor. Her model, döneminin deneylerini açıkladığı sürece kullanıldı ve açıklayamadığı bir sonuç geldiğinde değişti. Dalton'un bölünmez küresi bugün de mol hesabında iş görür; Bohr'un düzeyleri de bir ışık soğurması ölçümünü anlamak için hâlâ yeterlidir. Bir modeli seçmek, hangi soruyu sorduğunu bilmektir.

Bir elementi ötekinden ne ayırır

Ceren'in sorusuna dönelim. Plazmada proteinler parçalanır, çinko atomları bağlarından kopar ve çoğu bir elektronunu yitirir. Bu kadar şey değişirken değişmeyen tek şey çekirdektir. Çekirdeğin taşıdığı artı yük, elementin kimliğidir.

Bu ölçütün kendisi de bir deneyden çıktı. Henry Moseley, 1913'te elementlerin yaydığı X ışınlarının frekansını ölçtü ve frekansın, elementlerin tablodaki sırasıyla düzenli biçimde arttığını gösterdi. Sıranın ardındaki niceliğin atom kütlesi değil çekirdeğin yükü olduğu böylece anlaşıldı. Hidrojenin atom numarası 1, karbonun 6, çinkonun 30'dur. Karbon atomu elektronlarını ne kadar paylaşırsa paylaşsın atom numarası 6 olarak kalır ve karbondur; çekirdeğinin yükü değişmedikçe başka bir elemente dönüşmez.

Laboratuvar açısından bunun bir önemi var. Kan tahlilindeki bir element sonucu, o elementin serumdaki bütün biçimlerinin toplamını söyler; cihaz, çinkonun hangi proteine bağlı olduğunu ya da serbest mi dolaştığını ayırmaz. Biçimi ayırmak başka yöntemlerin işidir. Kütle spektrometresi ise kimliği doğrudan okuyamaz, çünkü bir kütle ölçer; cihazın bir kütle değerini bir elemente bağlayabilmesi, o kütlenin hangi çekirdeklere ait olabileceğinin önceden bilinmesine dayanır. Aynı elementin neden birden fazla kütlede görünebildiğini modülün ilerleyen bir dersi açacak.

Eser element odasına dönüş

Cihangir Bey tüpü rafa yerleştirdiğinde Ceren sorusuna kendi yanıtını veriyor: plazma bağları koparıp elektronları söküyor, ama çekirdeğin yüküne dokunamıyor, çinkoyu çinko yapan da o yük. Cihangir Bey başını sallıyor ve bir ek yapıyor. İstem kâğıdındaki sonuç bir toplam çinko değeri olacak; poliklinik bu sayıyı yorumlarken hastada bir iltihap olup olmadığını, numunenin aç karnına mı alındığını ve tüpün nasıl taşındığını da hesaba katmak zorunda kalacak.

Ceren not defterine iki sayı yazıyor: altmış üç bin ve 1836. Biri atomun boşluğunu, öteki ağırlığın nerede durduğunu anlatıyor. Ekranda ilk numunenin sinyali yükselirken, o sinyalin her biri kendi çekirdeğini taşıyan milyarlarca atomdan geldiğini düşünüyor.

Kendini sına

1. Bohr yarıçapını 52,9 pikometre, protonun yarıçapını 0,84 femtometre al. Önce birimleri eşitle, sonra oranı bul. Sonucun hangi basamağına güvenirsin, neden?
2. Hidrojen atomunda elektronun kütle payını elektron kütlesini bir birim sayarak hesapla. Sonuç, çekirdek payının tümleyeni midir?
3. Geiger ve Marsden'in bulduğu yaklaşık 8.000'de bir geri dönüş oranı Thomson modeline neden ters düşüyordu?
4. Bohr modelinden bugün hangi fikir korundu, hangi resim terk edildi?
5. Bir karbon atomu bir elektron kaybederse hâlâ karbon mudur? Yanıtını atom numarasının tanımıyla gerekçelendir.
6. Serum çinko sonucu neden çinkonun serumdaki biçimleri hakkında tek başına bilgi vermez?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste çekirdeği bir yük ve bir kütle olarak, elektronu da o yükü dengeleyen hafif bir parçacık olarak tanıdın; çekirdeğin içini açmadın. Proton, Nötron ve Elektron dersi şunu soracak: çekirdeğin yükünü proton taşıyorsa, hidrojenden ağır atomlarda kütleye katkı yapan yüksüz nötron neden gerekir ve bir atomun kütle numarası atom numarasından nasıl ayrılır?