Atomun yapısı
Atom, çok küçük bir çekirdek ile onu çevreleyen kuantum mekaniksel elektron bulutundan oluşur. Proton ve nötronlar çekirdekte bulunur; elektronlar ise belirli klasik yörüngelerde dolaşan küçük gezegenler değildir. Atom numarası, kütle numarası ve iyon yükü farklı bilgileri kodlar ve birbirine karıştırılmamalıdır.
Görsel model
Etkileşimli model
Proton, nötron ve elektron
Protonun yükü +e'dir ve çekirdekte bulunur. Proton sayısı atom numarası Z'yi verir; Z değişirse element de değişir. Nötronun net elektrik yükü yoktur ve protonlarla birlikte atom kütlesinin neredeyse tamamını oluşturur.
Elektronun yükü −e, kütlesi ise protonunkinin yaklaşık 1/1836'sıdır. Nötr bir atomda elektron sayısı proton sayısına eşittir. Elektron sayısının değişmesi iyonu, nötron sayısının değişmesi izotopu, proton sayısının değişmesi ise başka bir elementi oluşturur.
Z, A ve net yük
Kütle numarası A, çekirdekteki nükleonların toplamıdır: A = Z + N. Burada N nötron sayısıdır. Örneğin ²³Na için Z = 11 olduğundan N = 23 − 11 = 12'dir. A tam sayıdır ve periyodik tablodaki ortalama atom kütlesiyle aynı şey değildir.
Temel yük biriminde iyon yükü proton ve elektron sayılarının farkıdır: q/e = Z − nₑ. Al³⁺ iyonunda 13 proton ama 10 elektron, Cl⁻ iyonunda 17 proton ve 18 elektron vardır.
Çekirdek ile atomun ölçekleri
Tipik bir atomun boyutu yaklaşık 10⁻¹⁰ m, çekirdeğin boyutu ise yaklaşık 10⁻¹⁵ m mertebesindedir. Çekirdek yarıçap açısından on binlerce kat daha küçüktür; buna rağmen kütlenin çok büyük bölümü orada toplanır.
Rutherford saçılma deneyinde alfa parçacıklarının çoğu ince metal folyodan neredeyse sapmadan geçti, çok azı büyük açılarla saptı. Bu sonuç pozitif yükün ve kütlenin atom hacmine homojen yayılmadığını, küçük bir çekirdekte yoğunlaştığını gösterdi.
Elektronlar klasik yörüngelerde değildir
Bir atomdaki elektronun konumu ve hareketi klasik bir gezegen yörüngesiyle tanımlanmaz. Orbital, dalga fonksiyonuyla tanımlanan bir kuantum durumudur ve ölçüm sonuçlarının uzaysal olasılık dağılımını verir.
Atomun kimyasal boyutunu büyük ölçüde elektron bulutunun uzanımı belirler. Sıradan kimyasal tepkimelerde çekirdek genellikle değişmez; değişen şey elektronların dağılımı, bağlanması ve iyonlaşma durumudur.
Kuvvetler ve deneysel kanıt
Pozitif protonlar elektromanyetik olarak birbirini iter; çekirdeğin bağlı kalmasında kısa menzilli güçlü etkileşim belirleyicidir. Elektronların çekirdeğe bağlanması ise esas olarak elektromanyetik çekimden kaynaklanır.
Atom modeli tek bir deneye dayanmaz. Saçılma çekirdeği, atomik tayflar nicemlenmiş enerji farklarını, kütle spektrometrisi izotopları, fotoelektron spektroskopisi ise elektron bağlanma enerjilerini ortaya koyar. Bu veriler aynı fiziksel tabloyu destekler.
Alıştırmalar
Sodyum-23
Z = 11 olan ²³Na çekirdeğinde kaç nötron vardır?
Çözüm: N = A − Z = 23 − 11 = 12 nötron.
Klorür iyonu
Klor için Z = 17 ise Cl⁻ iyonunda kaç elektron vardır?
Çözüm: −1 yük bir fazla elektron demektir: nₑ = 18.
Ölçek
Çekirdek neden atom çizimlerinde gerçek ölçeğinde gösterilemez?
Çözüm: Atom yaklaşık 10⁻¹⁰ m, çekirdek yaklaşık 10⁻¹⁵ m boyutundadır; gerçek ölçekli çizimde çekirdek neredeyse görünmez olur.