Atomaltı Parçacıklar

Dalton, maddeyi oluşturan parçacıklar hakkında sadece kısmen haklıydı. Tüm madde atomlardan oluşur ve atomlar üç küçük atomaltı parçacıktan oluşur: protonlar, nötronlar ve elektronlar. Bu üç parçacık, bir atomun kütlesini ve yükünü oluşturur.

Elektronun Keşfi

Atomaltı yapıyla ilgili ilk ipucu, JJ Thomson'un 19. yüzyılın sonunda elektronu bir katot ışını tüpü kullanarak keşfetmesiyle elde edilmiştir. Bu cihaz, neredeyse tüm havanın çıkarıldığı ve iki metal elektrot içeren kapalı bir cam tüpten oluşuyordu. Elektrotlar boyunca yüksek voltaj uygulandığında, aralarında katot ışını adı verilen görünür bir ışın ortaya çıkmıştır. Bu ışın pozitif yüke doğru ve negatif yükten uzağa saptırılmış ve elektrotlar için farklı metaller kullanıldığında aynı özelliklerle aynı şekilde üretilmiştir. Benzer deneylerde, ışın aynı anda uygulanan bir manyetik alan tarafından saptırılmıştır. Sapma derecesinin ve manyetik alan kuvvetinin ölçümleri, Thomson'un katot ışını parçacıklarının yük-kütle oranını hesaplamasına izin vermiştir. Bu ölçümlerin sonuçları, bu parçacıkların atomlardan çok daha hafif olduğunu göstermiştir. Gözlemlerine dayanarak, Thomson aşağıdakileri öne sürmüştür:

• Parçacıklar pozitif (+) yüklerle çekilir ve negatif (−) yükler tarafından itilir, bu nedenle negatif olarak yüklüdürler (aynı yükler itilir ve ters yükler çekilir);
• Parçacıklar atomlardan daha az kütleye sahiptir ve kaynak materyalden bağımsız olarak ayırt edilemezler, bu nedenle tüm atomların temel, atom altı bileşenleri olmalıdır.

Thomson'un katot ışını parçacığı, bir atomunkinden 1000 kat daha küçük bir kütleye sahip negatif yüklü, atom altı bir parçacık olan bir elektrondur. "Elektron" terimi 1891'de İrlandalı fizikçi George Stoney tarafından "elektrik iyonu" teriminden türetilmiştir.

1909'da Robert A. Millikan, bir elektronun yükünü "yağ damlası" deneyleriyle hesapladı. Millikan, sürtünme ya da X-ışını ile elektriksel olarak yüklenebilen mikroskobik yağ damlacıkları üretmiştir. Bu damlacıklar başlangıçta yerçekimi nedeniyle yere düşmüştür, ancak aşağı doğru ilerlemeleri aparatta daha aşağıda yer alan bir elektrik alanı tarafından yavaşlatışmış ve hatta tersine çevrilebilmiştir. Elektrik alan kuvvetini ayarlayarak ve dikkatli ölçümler ve hesaplamalar ile Millikan her bir damlacığın yükünün 1,6 × 10⁻¹⁹ C (coulomb) olduğunu belirlemiştir. Millikan, bu değerin bu nedenle tek bir elektronun temel yükü olması gerektiği sonucuna varmıştır. Bir elektronun yükü artık Millikan'ın araştırması nedeniyle bilindiğinden ve yük-kütle oranının Thomson'un araştırmasından bilindiğinden (1,759 × 10¹¹ C/kg), elektronun kütlesi 9,107 × 10⁻³¹ kg şeklinde hesaplanmıştır.

Rutherford'un Nükleer Modeli

Bilim insanları böylece atomun Dalton'un inandığı gibi bölünmez olmadığını ve Thomson, Millikan ve diğerlerinin çalışmaları nedeniyle negatif, atomaltı parçacıkların (elektron) yükü ve kütlesini tespit etmiştir. Bilim insanları bir atomun genel yükünün nötr olduğunu biliyorlardı. Bununla birlikte, bir atomun pozitif yüklü kısmı henüz iyi anlaşılmamıştır. 1904'te Thomson, tüm atomlar elektriksel olarak nötr olduğundan, içine yerleştirilmiş elektronlar şeklinde eşit miktarda negatif yüke sahip pozitif yüklü bir kütleyi tanımlayan atomların "erik pudingi" modelini önerdi. 1903'te, bir elektron halosu ile çevrili pozitif yüklü bir küreden oluşan Satürn benzeri bir atom şeklinde buna rakip bir model Hantaro Nagaoka tarafından önerilmiştir.

Atomu anlamadaki bir sonraki büyük gelişme Ernest Rutherford'dan gelmiştir. Radyumun radyoaktif bozunması ile üretilen yüksek hızlı, pozitif yüklü alfa parçacıkları (&alfa; parçacıklar) ışını kullanarak bir dizi deney yaptı. Çok ince bir altın folyo parçasına α parçacıklarından oluşan bir ışını hedefledi ve α parçacıklarına çarptığında kısa bir süre parlayan bir ekran kullanarak α parçacıklarının ortaya çıkan saçılmasını inceledi. Parçacıkların çoğunun folyodan hiç sapmadan geçtiğini gözlemledi. Bununla birlikte, bazıları hafifçe saptırıldı ve çok az sayıda parçacık kaynağa doğru geri yansıdı.

Bundan sonra Rutherford aşağıdakileri çıkarımları yapmıştır: hızlı hareket eden &alfa; parçacıkların çoğu altın atomlarından fark edilmeden geçtiğinden, atomun içindeki esasen boş alandan geçmiş olmalılar. Alfa parçacıkları pozitif yüklüdür, bu nedenle başka bir pozitif yük ile karşılaştıklarında sapmalar ortaya çıkmıştır (benzer yükler birbirini iter). Benzer yükler birbirini ittiğinden, yolları aniden değiştiren birkaç pozitif yüklü &alfa; parçacık, aynı zamanda yüksek konsantrasyonlu, pozitif bir yüke sahip olan başka bir gövdeye çarpmış veya yakınına uğramış olmalıdır. Sapmalar zamanın küçük bir bölümünde meydana geldiğinden, bu yük sadece altın folyodaki az miktarda alanı işgal etmiştir.

Bir dizi deneyi analiz eden Rutherford, iki önemli sonuç çıkardı:

1. Bir atom tarafından işgal edilen hacim, büyük miktarda boş alandan oluşmalıdır.
2. Küçük, nispeten ağır, pozitif yüklü bir cisim olan çekirdek, her atomun merkezinde yer almalıdır.

Bu analiz, Rutherford'un bir atomun, atomun kütlesinin çoğunun yoğunlaştığı, negatif yüklü elektronlarla çevrili, atomun elektriksel olarak nötr olduğu çok küçük, pozitif yüklü bir çekirdekten oluştuğu bir model önermesine yol açtı. Daha birçok deneyden sonra Rutherford, diğer elementlerin çekirdeklerinin hidrojen çekirdeğini bir "yapı taşı" olarak içerdiğini keşfetti ve bu daha temel parçacığı çekirdekte bulunan pozitif yüklü, atomaltı parçacık olan proton olarak adlandırdı.

Bir Atomun Yapısı

Protonlar bir atomun çekirdeğinde bulunur ve pozitif bir yüke sahiptir. Proton sayısı periyodik tablodaki atom numarasına eşittir ve elementin kimliğini belirler. Nötronlar da çekirdekte bulunur. Yükleri yoktur, ancak protonlarla aynı kütleye sahiptirler ve böylece bir atomun atomik kütlesine katkıda bulunurlar. Elektronlar bulutlarda çekirdeğin etrafında dönerler. Negatif yük ve önemsiz bir kütleleri vardır, bu yüzden bir atomun kütlesini etkilemeden toplam yüküne katkıda bulunurlar.

Nötronlar

Çekirdeğin bir atomun kütlesinin neredeyse tamamını içerdiği biliniyordu, proton sayısı bu kütlenin sadece yarısını veya daha azını sağlıyordu. Çekirdekte nötr parçacıkların varlığı da dahil olmak üzere kalan kütleyi neyin oluşturduğunu açıklamak için farklı önerilerde bulunuldu. Sadece 1932'de James Chadwick, protonlarla aynı kütleye sahip nötronlar, yüksüz, atomaltı parçacıklar hakkında kanıt bulmuştur.

Nötronun varlığı da izotopları açıklamıştır: farklı sayıda nötrona sahip oldukları için kütle bakımından farklılık gösterirler, ancak aynı sayıda protona sahip oldukları için kimyasal olarak aynıdırlar.

Atomik Kütle Birimi (amu) ve temel yük birimi (e)

Çekirdek, bir atomun kütlesinin çoğunu içerir, çünkü protonlar ve nötronlar elektronlardan çok daha ağırdır, oysa elektronlar bir atomun hacminin neredeyse tamamını işgal eder. Bir atomun çapı 10⁻¹⁰ m mertebesinde iken, çekirdeğin çapı kabaca 10⁻¹⁵ m'dir – yani yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür. Atomlar, ve onları oluşturan proton, nötron ve elektronlar inanılmaz derece küçüktürler. Örneğin bir karbon atomunun ağırlığı 2 × 10⁻²³ g'dır ve bir elektronun yükü 2 × 10⁻¹⁹ C'dan küçüktür. Atomlar gibi küçük nesnelerin özelliklerini tanımlarken, atomik kütle birimi (amu) ve temel yük birimi (e) gibi uygun küçük ölçü birimleri kullanılır. Amu, atomları tam olarak 12 amu kütlelerine atanan en bol karbon izotopu referans alınarak tanımlanır. Böylece bir amu tam olarak karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12'sine eşittir: 1 amu = 1,6605 × 10⁻²⁴ g. Dalton (Da) ve birleşik atomik kütle birimi (u) , amu'ya eşdeğer alternatif birimlerdir.

Temel yük birimi (elementer yük olarak ad isimlendirilir) bir elektronun yükünün büyüklüğüne eşittir; e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C. Bir proton 1,0073 amu'luk kütleye ve +1'lik bir yüke sahiptir. Nötron biraz daha ağırdır ve kütlesi 1,0087 amu'dur ve isminin önerdiği şekilde yükü sıfırdır, yani nötrdür. Elektronun yükü -1'dir ve 0,00055 amu ile çok daha hafif bir parçacıktır. Referans olması bakımından ancak 1800 elektronun kütlesi bir proton kütlesine denk gelmektedir. Bu temel parçacıkların özellikleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

Subatomic particle	Charge (C)	Unit charge	Mass (g)	Mass (amu)
Electron	−1,602 × 10−19	−1	0,00091 × 10−24	0,00055
Proton	1,602 × 10−19	+1	1,67262 × 10−24	1,00727
Neutron	0	0	1,67493 × 10−24	1,00866

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 2.2: Evolution of Atomic Theory and  Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism.