Maddenin Yapısı

Son Güncelleme Tarihi 29 Temmuz 2022 Serkan SAYINER, DVM. PhD. Assoc. Prof.

Maddenin yapısı denince aklımıza en başta atom gelir. Atom, basitçe maddenin en küçük yapı birimidir veya bir elementin tüm niteliklerini gösteren en küçük parçasına atom denir.

Atomlar, maddelerin temel yapı taşlarıdır.  Olağanüstü küçük yapıda, yaklaşık küre şeklindedirler. Çapları 0,1 nm’den 100 pm’e kadar değişebilir. Dolayısı ile maddenin yapısı için ilk önce atomu tanımlamak ve özelliklerine bakmak gereklidir. Atomlar, dış kısmı elektronlar tarafından çevrilen bir çekirdekten oluşur. Elektronların yer aldığı kabuk ise atomun temel hacmini oluşturur. Atomun yüksüz olabilmesi için çekirdek ve kabuğun zıt yüklerinin eşit olması gereklidir.

Çekirdek iki ayrı parçacıktan oluşur. Bunlar Proton ve Nötronlardır. Protonlar ve nötronların hemen hemen eşit kütleleri çekirdeği oluşturur.

Proton (p, H+, veya 1H+) pozitif yüklü iken nötronlar (n veya n0) yüksüzdür. Elektronların protona karşı kütleleri 1/2000′ dir.  Bu oran sabittir ve elektron kütleleri çok küçük olduğu için atom kütlersinin (atomik kütle birimi-akb) hesaplanmasında dikkate alınmaz. Atomik kütle biriminin hesaplanmasında doğrudan çekirdeğin kütlesi kullanılır.

maddenin yapısı
Rutherford’un atom modeli (Kırmızı nötron, mavi proton, siyah elektron)

Bilgi Notu

Atom Ağırlığı mı Atom Kütlesi mi? Hangisi doğru?

Ağırlık, temel birimi Newton (N) olan ve yerçekimi tarafından cisme etki eden kuvvet olarak tanımlanırken, kütlenin temel birimi kilogramdır (kg) ve maddenin miktarı veya enerjisi ile ilgili bir büyüklüktür. Kütle maddenin eylemsizliğinin bir ölçüsüdür.

Newton’un ikinci hareket yasasına göre bir maddenin kütlesi ile onu hızlandırmak için gereken kuvvet miktarı arasındaki ilişkiyi tanımlar. Bu yasa F=ma denklemi ifade edilir. Burada F maddeye etki eden kuvveti (force), m maddenin kütlesini (mass), a ise maddenin ivmesini (acceleration) belirtir.  Ağırlık da bir kuvvettir ve maddeye yerçekiminden başka etki eden farklı bir kuvvet yoksa denklemdeki kuvvetin yerini alabilir; Fw (force weight). İvmelenmeyen bir madde içinde a değeri yerçekimi (g) ile yer değiştirir (yerçekiminin ivmesi – acceleration of gravity). Dolayısı ile F=ma denklemi Fw=mg olarak değişir. Dolayısı ile ağırlık yerçekimi kuvvetinin bir başka ifade biçimi olarak karşımıza çıkar.

Bir maddenin ağırlığı etki eden uzayda bulunduğu yerin yer çekimi kuvvetine bağlı olarak değişir ancak kütlesi madde nerde olursa olsun değişmez. 

Günlük hayatta sıklıkla kütle ve ağırlık aynı anlamda kullanıyor. Ancak farklı olduklarını bilmeliyiz.  O zaman başlığımızdaki sorunun cevabını bulmuş oluyoruz.

En basit atom kimyasal olarak H sembolü ile gösterilen Hidrojen atomudur. Hidrojen atomunun çekirdeği bir tek protondan oluşur ve bu protonun +1 yükü de elektron kılıfında yer alan bir elektron tarafından dengelenir. P sembolü ile gösterilen fosfor atomunun çekirdeğinde 15 proton ve 16 nötron bulunur. Atom kabuğunda ise proton sayısına eşit 15 elektron bulunur.

Atomaltı ParçacıklarSembolRölatif Elekrtik YüküKütle (g)Rölatif Kütle (akb)
Protonp, H+, veya 1H+1+1.6 * 10-241
Nötronn veya n001.6750 * 10-241
Elektrone veya β1-9.1095 * 10-28

Bir atomun çekirdeğinde yer alan ve atom kabuğundaki elektronlarla aynı sayıda olan proton miktarı Çekirdek Yükü Sayısı olarak tanımlanır. Aynı zamanda Proton Sayısı yada Düzenlenme Sayısı adı da verilir. Proton sayısı aynı zamanda atomik sayıdır.

Çekirdek Yükü=Düzenlenme Sayısı=Proton Sayısı=Elektron Sayısı

Çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamına da Atom Kütlesi veya Nükleon Sayısı denir.

Atom Kütlesi ve Proton Sayısının gösterilmesi (
Atom Kütlesi ve Proton Sayısının gösterilmesi (Kırmızı nötron, mavi proton, siyah elektron)

İzotop

Aynı proton sayısına sahip olan atomlar bir element oluştururlar. Atom ağırlıkları birbirinden farklı, kimyasal nitelikleri ise aynı olan atom türlerine izotop denir. Diğer bir deyişle proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı atomlardır. Dolayısı ile izotoplar arasındaki farklılık nötron sayılarından ileri gelir.

Atomların kimyasal özelliklerini belirleyen elektron sayılarıdır. Aynı elementin izotopları eşit sayıda proton ve dolayısıyla eşit sayıda elektron taşıdıklarından aynı kimyasal özellikleri gösterirler (H hariç). İzotopların fiziksel özellikleri farklıdır çünkü fiziksel özelliklerin önemli beliryecisi kütledir ve izotopların kütleleri farklıdır.

İzotop Örnekleri

  • Oksijenin izotopik formları: Oksijen -16, Oksijen -17, Oksijen -18
  • Uranyum: U-235, U-238
  • Klorür: Klor-35, Klor–37
  • Hidrojen: Hidrojen–1, Hidrojen–2 (Döteryum), Hidrojen–3 (Tritium
  • Karbon: Karbon–12, Karbon–13, Karbon–14 (Radyokarbon) – Bilinen 15 izotopu var.
Hidrojen-Karbon-izotopları
Hidrojen ve Karbon izotopları

81 kararlı elementin yaklaşık 275 farklı izotopu vardır. 800’den fazla doğal ve sentetik radyoaktif izotop mevcuttur. Periyodik tabloda bulunan tek bir element, birden çok izotopik forma sahip olabilir.

Karbon-12 (12C) ve Karbon-13 (13C) kararlıdır. Karbon-14 (14C) is en uzun ömürlü izotopdur. 12C dünyada en yaygın bulunan karbon izotopudur; yaklaşık %98.93. Atom kütlesi ölçümleri kendisine oranla yapılır. 13C izotopu ise %1.1 oranında bulunur ve jeoloji, paleoklimatoloji, paleooceanografi bilim dallarında ölçümleri yapılarak canlılar ve yer küre hakkında önemli bilgiler elde edilir. Radyokarbon izotopu (14C) ise öÖzellikle organik maddelerde bulunur ve radyokarbon tarihlemede esas alınır (Williard Libby – Nobel Kimya 1960). Arkeoloji ve paleontolojide önemlidir.

İzotoplar doğal olarak bulanabileceği gibi radyokimyasal yöntemlerle çekirdeğe ilave nötronlar verilerek de oluşturulabilir. İlave verilen nötronlar çekirdekteki proton:nötron oranını bozduklarından dayanıklı değildirler ve çekirdekte parçalanmaya yol açarlar. Bu olaya radyoaktivite, izotoplarada radyoizotoplar denir. Radyoizotoplar enerjilerini vererek stabil izotoplara dönüşürler.

Radyoaktif bir atomun nükleusunun kendiliğinden yüklü parçacıklar veya ışınlar vererek parçalanması haline radyoaktif bozunma denir. Bu bozunma, çekirdekteki nötron:proton oranı ile ilgilidir. Her element spesifik bir nötron:proton oranına sahiptir.

Radyoaktif bozunma sırasında enerji üç tür ışınların salınımı ile kaybedilir. Bunlar α-Partikülleri ve β-Partikülleri salınımı ile parçalanma ve γ-Işınlarıdır.

α-Partikülleri salınımı ile parçalanma

 α-Partikülleri salınımı
Parçacık ışınları arasında yüksek derecede iyonlaştırıcı bir ışın formudur. İki proton ve iki nötronun helyum çekirdeğindekine benzer bağları sebebiyle He2+ olarak da gösterilir.
α-taneciklerinin atom numarası 2, kütle numarası 4 olduğundan 42He++ çekirdekleri olarak da düşünülebilir. Bir α-ışıması yapan elementin atom numarası 2,
kütle numarası 4 azalır.

Bir ana nüklidden başlayıp parçalanma ile art arda radyonüklidlerin oluştuğu diziye radyoaktif familya adı verilir. Tüm parçalanma dizisi stabil bir Pb veya Bi izotopu ile sona erer. Üç tür doğal parçalanma dizisi vardır ve parçalanma sırasının komponentleri farklı parçalanma türleri ile yarılanma ömrüne sahiptirler. Bunlar Uran-Radyum parçalanma dizisi, Uran-aktinyum dizisi ve Toryum parçalanma dizisidir.

β-Partikülleri salınımı ile parçalanma

Bazı radyoaktif atom çekirdeklerinden salınan yüksek hızlı ve enerjili elektron veya pozitronlardan oluşur. İki türlü parçalanma olur.

Negatron salınımı ile parçalanma (β-): Aynı zamanda elektron/negatron emisyonu da denir. Çekirdekteki bir nötronun protona dönüşmesi sonucunda oluştuğu düşünülebilir. Bir β-ışıması ile atom numarası 1 artarken, kütle numarası değişmez.

negatron salınımı

Pozitron salınımı ile parçalanma (β+): Pozitron emisyon da denir. Pozitron yayımlanması çekirdekteki bir protonun nötrona dönüşmesi ile oluşan, pozitron olarak isimlendirilen ve 0+1e ( β+, o1 β) sembolü ile gösterilen, elektron ile kütlesi aynı olan ancak artı yüke sahip bir partikelin çekirdekten dışarıya verilmesidir.

pozitron-salınımı

Bilgi Notu

Pozitron emisyon tomografisi (PET)

PET, modern bir nükleer tıp görüntüleme tekniğidir. Bu teknik, vücuttaki biyolojik bir fonksiyonun birçeşit moleküler görüntülenmesine imkan verir. PET görüntüleri diğer görüntüleme tekniklerinden daha yüksek bir duyarlılığa sahiptir. PET görüntülemesi sırasında vücuda (+) yüklü beta ışınları ya da pozitron (β+) yayan radyofarmasötikler verilir. Örneğin, 18F (Florodeoksiglukoz) ve 68Ga (Galyum-68), bozulduğunda β+ partikülleri yayan yaygın PET radyofarmasötiklerdir. Bir PET taraması ile kanserin çevre dokulardan daha yüksek bir metabolik hızı olduğu için kanseri vurgulayan bir görüntü elde edilir.

Kaynak: Demir M. Pozitron Emisyon tomografi (OET) Fiziği. Toraks Cerrahisi Bülteni 2015; 6: 146-53

PET görüntülüme
Karaciğerde bilgisayarlı tomografi (CT) (sol) ve PET taraması (sağ). PET taramasında karaciğerdeki metastaz CT ye göre çok daha net.

γ-Işınları

Gama (γ) ışınları çekirdekte meydana gelen enerji değişimleri sonucunda yayımlanan, dalga boyu çok kısa olan, röntgen ışınlarına benzeyen fakat enerjice zengin elektromanyetik ışınımlardır. Bir gama ışını veya gama radyasyonu, atom çekirdeğinin radyoaktif bozunmasından kaynaklanan nüfuz eden bir elektromanyetik radyasyondur. Gözlenen en yüksek foton enerjisi aralığındaki fotonlardan oluşur. Kozmik ışınlar, nükleer füzyon ve deneyler gama ışınlarının kaynaklarıdır.

Gama ışınları ve X ışınlarının her ikisi de elektromanyetik radyasyondur ve elektromanyetik spektrumda önemli ölçüde örtüşürler.

radyasyonun engellenmesi
Alfa radyasyonu helyum çekirdeklerinden oluşur ve bir kağıt yaprağı tarafından kolayca durdurulur. Elektronlardan veya pozitronlardan oluşan beta radyasyonu, ince alüminyum levha tarafından durdurulur, ancak Gama radyasyonu durmak için kurşun, çelik veya beton gibi yoğun malzemelerle korunmak gereklidir.

Gama radyosunu aynı zamanda yaygın endüstriyel kullanım alanına sahiptir. Örneğin temassız endüstriyel sensörler maddelerin düzeyi, yoğunluğu ve kalınlığı gibi ölçüm parametrelerini tespit etmek amacıyla gama ışınlarında yararlanmaktadır. Sıklıkla da radyasyon kaynağı olarak Co-60 veya Cs-137 izotopları kullanılmaktadır. Bu tip sensörler madencilik, gıda ve kâğıt endüstrisinde kullanılmaktadır. Bunların yanında gama ışınları tıbbi ekipmanların sterilizasyonunda otoklav veya kimyasal sterilizasyona alternatif olarak kullanılmaktadır.

  • Radyoizotopların biyokimya yönünden önemi/kullanımı
    • Araştırma amacıyla
    • Metabolik ürünlerin belirlenmesinde
    • Bazı hastalıkların teşhis ve tedavisinde
    • Farmakolojide
    • Yaş tayininde
    • Gıda maddelerinin ve laboratuar malzemelerinin sterilizasyonunda kullanılır.

Radyasyon

Radyoaktif maddelerin alfa, beta,gamma ve X- gibi ışınları yaymasına radyasyon denir ve maruz kalınan ışınlar, şiddeti ve süresine bağlı olarak canlı sistemlerini etkilemektedir. En çok etkilenen organlar arasında lenfositler, eritrositler, mide barsak kanalı, gözler, hipofiz ön lobu, yumurta follikülleri ve mukoz membranlar yer alır.

Kozmik ışınlar, gamma ışınları, beta partikelleri, alfa partikellerinin herhangi bir formu hücrelerden geçerken çok reaktif iyonların ve daha da reaktif olan serbest radikallerin oluşmasına sebep olurlar. Oluşan bu ürünler hücresel aktiviteyi bozabilir, bazı durumlarda da hücreleri tahrip ederler.

Radyoaktivite: Radyoaktif bir kaynağın birim zamandaki parçalanma sayısını ifade eder. Kararsız haldeki bir atom çekirdeğinin elektromanyetik veya parçaçık radyasyon yayarak kararlı hale geçme durumunu ifade eder.

Curie (Ci): Bir gram Radyum (Ra)’un her saniyede yaptığı parçalanmaya (3.7×1010) eşit sayıda parçalanma yapabilen radyoaktif madde miktarına Curie (Ci) adı verilir. Günümüzde SI birimi olarak Becquerel (Bq) kullanılmaktadır.

1 Ci= 3.7x 1010 Bq | 1Bq= 2.7x 10-11 Ci

Bilgi Notu

Marie Skłodowska Curie

(7 Kasım 1867 – 4 Temmuz 1934)

Radyoaktivite konusunda öncü araştırmalar yürüten Polonyalı ve vatandaşlığa alınmış bir Fransız fizikçi ve kimyagerdi. Nobel Ödülü kazanan ilk kadın, iki kez kazanan ilk kişi ve tek kadın, iki farklı bilim dalında Nobel Ödülü kazanan tek kişiydi ve Curie ailesinin beş Nobel Ödülü mirasının bir parçasıydı (1903 Fizik, 1911 Kimya).

Marie Skłodowska Curie

Elektron Kılıfı

Belirli bir enerji seviyesindeki bir elektronun atom çekirdeği etrafında % 90 veya daha fazla olasılıkla bulunduğu yörüngeler orbital olarak tanımlanmıştır. Elektronları çekirdek etrafında bir bulut şeklinde göstermek mümkündür. Bulutların yoğun olduğu yerlerde elektronların bulunma olasılığı fazladır ve bulutlar orbital olarak adlandırılır. Bunun yanında bazen kafa karışıklığı yaratan tabaka (shell), alt-tabaka (subshell) ve orbital (yörünge) kavramlarını açıklamakta fayda vardır.

Tabaka (Shell): Kabuk olarak da adlandılır ve bir atomun çekirdeğinin etrafındaki elektronların izlediği yoldur. Bunlara ayrıca enerji seviyeleri denir, çünkü bu tabakalar, o tabakadaki bir elektronun oluşturduğu enerjiye göre çekirdeğin etrafında düzenlenir. En düşük enerjiye sahip tabaka çekirdeğe en yakın olanıdır. Bir sonraki enerji seviyesi bu tabakanın ötesinde bulunur. Bir başka deyişle içten dışa doğru elektronların enerji seviyeleri artar. Yani enerji miktarı tabaka numarası ile doğru orantılıdır. Bu tabakalar K, L, M, N vb. olarak adlandırılırlar. En düşük enerji seviyesindeki tabaka K tabakasıdır en çok 2*12=2 elekton içerir.

Alt-tabaka (Subshell): Alt seviye veya alt enerji seviyesi olarak da isimlendirilir. Bir alt-tabaka, elektronun bir tabaka içinde hareket ettiği alandır. Bunlar açısal momentum kuantum sayısına göre adlandırılır. Bir tabakada bulunabilecek 4 ana alt-tabaka türü vardır. Bunlar s, p, d, f olarak adlandırılır. Her alt kabuk birkaç orbitalden oluşur.

Alt-tabakaOrbital sayısıEn fazla elektron sayısı
s12
p36
d510
f714

Orbital (Yörünge): Orbital, bir elektronun dalga benzeri davranışını tanımlayan matematiksel bir fonksiyondur. Başka bir deyişle, yörünge terimi bir elektronun tam hareketini açıklar. Bir alt-tabaka orbitallerden oluşur. Bir alt-tabakanın sahip olduğu orbital sayısı alt-tabakaya bağlıdır. Bu, bir alt-tabakada bulunan orbitallerin sayısının bir alt-tabaka için benzersiz bir özellik olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, bir orbital sadece en fazla iki elektron tutabilir. Bu elektronlar aynı enerji düzeyindedir, ancak spinlerine göre birbirlerinden farklıdırlar. Her zaman zıt dönüşleri vardır. Elektronlar orbitallere doldurulduğunda Hund Kuralına göre doldurulur. Bu kural, bir alt kabuktaki her orbitalin, herhangi bir orbital çifte bağlanmadan önce tek başına elektronlarla dolu olduğunu gösterir.

Tabaka, Alt-tabak ve Orbitallerin şematik gösterimi.
Tabaka, Alt-tabak ve Orbitallerin şematik gösterimi.

Elektronların hepsi negatif yüklü olduklarından birbirlerini itmeleri beklenirken, aksine çekerler. Bu durum elektronların spin özellikleri ile açıklanmaktadır. Buna göre elektronlar hem kendi etraflarında hem de çekirdek etrafında dönerler. Ancak kendi etrafındaki komşu elektronun dönme ekseninin zıt yönünde olduğundan elektromanyetik bir alan oluşur. Bu çekim gücü birbirini itme gücünden fazladır.

Elektronlar orbitallere; Önce çekirdeğe en yakın olan en düşük enerjili olan 1s orbitalinden başlanır (Aufbau kuralı). Aufbau kuralına göre orbitaller, temel durumda artan enerjileri seviyelerine göre doldurulur. Elektronlar önce düşük enerjideki konumu işgal eder, daha sonra ancak daha düşük seviyeler dolduğunda daha yüksek enerji seviyelerine atlar. Bir orbitalde en fazla iki elektron olabilir. Bu elektronların spinleri (dönme yönleri) farklı olmalıdır (Pauli kuralı). Hund kuralı, elektronların aynı alt-tabakaların (s, p, d) çökmekte olan yörüngelerine yerleştirilmesini dikkate alır. s, p, d alt-tabaklara bağlanma, her bir yörünge bir elektron tarafından birleştirilmedikçe ve gerçekleşmedikçe gerçekleşemez. Elektronlar negatif yüklü oldukları için birbirlerini iterler. İtme, onları birbirinden ayırarak ve kayıtsız dejenere alt-tabakalara yerleştirerek azaltılabilir. Tek bir elektrona sahip tüm alt-tabakalar, saat yönünde veya saat yönünün tersine aynı yönde dönecektir. Elektronlar eş enerjili orbitalleri doldururken önce aynı yönlü (spinli) olacak şekilde birer birer yerleşir sonra zıt yönlü elektronlar ile orbitallerdeki elektron sayısı ikiye tamamlanır.

Bohr’un Atom Modeli

Niels Bohr, 1913’te bir atomu, elektrostatik kuvvetler tarafından sağlanan çekim ile güneş sistemimizde güneşin etrafında dönen gezegenlerle karşılaştırılabilir, dairesel yörüngelerde pozitif yüklü çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronlarla çevrili küçük, pozitif yüklü bir çekirdek olarak karakterize eden bir atom modeli sundu. Bir atomun Bohr modeli, bu model için popüler bir isimdir. Bohr tarafından bir hidrojen atomunun atom modeli önerildi. Yörüngelerde dönen elektronların kararlılığı Bohr’un modeliyle düzgün bir şekilde açıklandı. Bu yörüngelere onun tarafından “enerji tabakaları/enerji seviyeleri (energy shells)” adı verildi. Bir başka ifade ile elektronları nokta formunda çekirdeğin etrafını çevreleyen negatif yükler olarak tanımlayan klasik atom modelidir.

Selenyum'un (Se) Bohr Atom Modeli
Selenyum’un (Se) Bohr Atom Modeli

Bilgi Notu

Niels Henrik David Bohr

(7 Ekim 1885 – 18 Kasım 1962)

Niels Bohr, 1922’de Nobel Fizik Ödülü’nü aldığı atom yapısı ve kuantum teorisinin anlaşılmasına temel katkılarda bulunan Danimarkalı bir fizikçiydi. Bohr aynı zamanda bir filozof ve bilimsel araştırma destekçisiydi.

Niels Bohr
Başa Dön