Neden Atomların Tümü Aynı Değil?

Bir kilise orgu içinde hapsolmuş ses dalgalarının ancak kısıtlanmış yollardan titreşim sağlayabildiğini hatırlayın. Aynı durum, atomun içine hapsolmuş bir elektronla bağlantılı dalgalar için de geçerlidir. Her bir farklı titreşim, bir elektronun, atomun merkezindeki çekirdeğe göre belirli bir mesafede bulunan olası bir yörüngesine ve belirli bir enerji düzeyine denk gelmektedir (elbette ki, elektron ya da diğer mikroskobik parçacıklar için yüzde 100 kesinlikte bir rota olmadığından, söz konusu yörünge bir elektronu bulmak için en olası yer olarak kabul edilir).

Fizikçiler ve kimyagerler yörüngeleri numaralandırmaktadır. Taban durumu (ground state) olarak da bilinen en içteki yörünge 1, ardı sıra gelen yörüngeler ise içten dışa doğru 2, 3, 4 … şeklinde numaralandırılmıştır. Bu kuantum numaralarının mevcudiyeti, mikroskobik dünyada (söz konusu olan elektron yörüngeleri olduğunda bile) her şeyin nasıl ara değerler olmaksızın, ayrık adımlarla meydana geldiğini ortaya koymaktadır.

Elektron bir yörüngeden, çekirdeğe daha yakın olan bir başka yörüngeye “sıçradığında,” atom enerji kaybeder ve bu enerji dışa bir ışık fotonu olarak yayılır. Bu fotonun enerjisi tam olarak, iki yörünge arasındaki enerji farkına eşittir. Bunun zıt doğrultusunda bir atlamada ise atom, iki yörünge arasındaki enerji farkına eş düzeyde enerji taşıyan bir fotonu soğurur. Bu durumda, elektron bir yörüngeden çekirdeğe daha uzak olan bir başka yörüngeye sıçrar.

Işığın bu şekilde “yayılması” ve “soğurulması,” neden her farklı atom türünün yalnızca belli özel enerjilere sahip (ve özel frekanslara bağlı) fotonları tükürdüğünü ya da yuttuğunu açıklamaktadır. Bu özel enerjiler aslında elektron yörüngeleri arasındaki enerji farklarıdır. Müsaade edilen sınırlı sayıda yörünge olduğundan yörüngeler arası geçişlerin sayısı da kısıtlıdır.

Ancak bu durum göründüğü kadar basit değil. Bir atomun içinde titreşen elektron dalgaları karmaşık bir yapıya sahip, üç boyutlu şeyler olabilir. Bu dalgalar, yalnızca elektronun çekirdekten belirli bir uzaklıkta bulunmasının daha olası olduğunu işaret etmekle kalmayıp aynı zamanda belli bir yönde bulunmasının daha olası olduğunu da ortaya koyuyor olabilir. Örneğin bir elektron dalgası, bir atomun kuzey ve güney kutuplarında, diğer yönlerde olduğundan daha büyük olabilir. Bu türden bir yörüngede olan bir elektronun, kuzey ya da güney kutuplarda bulunma olasılığı daha yüksektir.

Üç boyutlu uzayda bir yönü tanımlamak iki sayı gerektirir. Yerkürede yalnızca enlem ve boylamın gerekli olduğunu düşünün. Benzer şekilde, çekirdeğe olan mesafesini tanımlayan sayılara ilaveten, çekirdekten uzaklığının dışında yönü de değişen bir elektron dalgasını tanımlamak için iki tane daha kuantum sayısı gerekir. Böylece toplamımız üç olur. Daha aşina olduğumuz (örneğin güneşin etrafında dönen gezegenlerinki gibi) yörüngelere hiç benzemediklerinden dolayı, elektron yörüngelerine özel bir ad konmuştur: orbitaller.

Elektron orbitallerinin net şekli, su ve karbondioksit gibi molekülleri oluşturmak için farklı atomların nasıl birbirlerine bağlandığının saptanması açısından çok önemlidir. Burada anahtar durumunda olanlar, en dıştaki elektronlardır. Örneğin bir atom dış yörüngelerindeki bir elektronu, bir başka atomla paylaşarak kimyasal bir bağ oluşturabilir. En dıştaki elektronun tam olarak nerede olduğu bu anlamda çok önemlidir. Bulunma olasılığının en yüksek olduğu yerler atomun kuzey ve güney kutuplarıysa, atomun, kuzey ve güneydeki diğer atomlarla kimyasal bağ kurması çok daha kolay olacaktır.

Atomların sayısız birleşme biçimlerini inceleyen bilim dalı kimyadır. Atomlar en temel düzeydeki Lego taşlarıdır. Farklı yollarla bir araya getirerek, atomlardan bir çiçek, altın külçesi ya da insan oluşturulabilir. Ancak etrafımızdaki dünyada gördüğümüz inanılmaz çeşitlilikteki nesneleri yaratmak için bu Lego taşlarının tam olarak nasıl bir araya geldiği, kuantum teorisi tarafından belirlenmektedir.

Elbette ki, Lego taşlarıyla çok sayıda kombinasyon sağlanması, tek bir tür Lego taşından daha fazlasını gerektiriyor. Elimizde 92 tür Lego taşı var. Doğada bulunan en hafif element olan hidrojenden, en ağır olanı uranyuma kadar giden bir liste bu. Peki ama, neden bu kadar çok farklı türde atom bulunuyor? Neden hepsi de aynı değil? Bir kez daha, kuantum teorisine bağlanıyoruz.

4 Replies to “Neden Atomların Tümü Aynı Değil?”

  1. Tamam Ama Neden Atomların Tümü de Aynı Değil

    Bir çekirdeğin elektriksel güç alanına yakalanan elektronlar, dik bir vadinin tepesinde duran futbol toplarına benzetilebilir. Normal şartlar altında, bu topların hızla vadiden aşağı, olası en alçak noktaya, yani en içteki orbitale doğru inmesi gerekir. Ancak atomların içindeki elektronların gerçekleştirdiği bu olsaydı, o zaman bütün atomların az çok aynı boyutta olması gerekirdi. Daha da önemlisi, atomların nasıl kimyasal bir bağ kuracağını belirleyen en dış yörüngedeki elektronlar olduğundan, bütün atomların birbirlerine tam olarak aynı şekilde bağlanması gerektiğini de düşünebilirdik. Bu durumda, doğanın elinde oynayıp duracağı tek bir tür Lego taşı olurdu ve içinde yaşadığımız dünya da çok tekdüze bir yer …

  2. Dünyayı donuk bir kadere yönelmekten kurtaran şey, Pauli dışlama ilkesidir. Elektronlar bozon olsaydı, atomun içindeki elektronlar en iç orbitalde birbirleri üstüne yığılırdı. Ancak elektronlar bozon değil, fermiyondur. Ve fermiyonlar da kalabalık oluşturmaktan hiç hoşlanmaz.

  3. İşte bunun açıklaması: Farklı türlerdeki atomların farklı sayılarda elektronu vardır (ve elbette ki, bu elektron sayısı her zaman çekirdeklerindeki proton sayısıyla dengelidir) . Örneğin en hafif atom olan hidrojenin yalnızca tek bir elektronu varken, bu sayı doğadaki en ağır atom olan uranyumda 92’dir. Bu noktada çekirdeğin bir önemi yok; elektronlara odaklanacağız. Bir hidrojen atomuyla işe başladığınızı ve ardından her seferde tek bir tane olmak üzere, elektron eklediğinizi düşünün.

  4. Aynı orbitalde iki elektrondan fazlasına (yani aynı kuantum sayılarına sahip olmalarına) müsaade etmeyen Pauli dışlama ilkesi, atomların birbirlerinden farklı olmasının nedenidir. Maddenin katılığının nedeni de budur. Richard Feynman’ın dediği gibi, “Masaları ve katı olan diğer her şeyi mümkün kılan, elektronların birbirleri üstüne çıkamadığı gerçeğidir. “

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Abonelik için e-posta yazmalısınız. Yorumda html etiketleri kullanabilirsiniz.