Atom

Atom ⓘ
Helyum atomunun çekirdeği (pembe) ve elektron bulutu dağılımını (siyah) gösteren bir illüstrasyonu. Helyum-4'ün çekirdeği (sağ üst) gerçekte küresel simetriktir ve elektron bulutuna çok benzer, ancak daha karmaşık çekirdekler için durum her zaman böyle değildir. Siyah çubuk bir angstromdur (10-10 m veya 100 pm).
Sınıflandırma
Bir kimyasal elementin bilinen en küçük bölümü
Özellikler
Kütle aralığı	1,67×10-27 ila 4,52×10-25 kg
Elektrik yükü	sıfır (nötr) veya iyon yükü
Çap aralığı	62 pm (He) ila 520 pm (Cs) (veri sayfası)
Bileşenler	Elektronlar ve proton ve nötronlardan oluşan kompakt bir çekirdek

Bir atom, kimyasal bir elementi oluşturan sıradan maddenin en küçük birimidir. Her katı, sıvı, gaz ve plazma nötr veya iyonize atomlardan oluşur. Atomlar son derece küçüktür, tipik olarak yaklaşık 100 pikometre çapındadır. O kadar küçüktürler ki, kuantum etkileri nedeniyle davranışlarını klasik fizik kullanarak -örneğin tenis toplarıymış gibi- doğru bir şekilde tahmin etmek mümkün değildir. ⓘ

Her atom bir çekirdek ve çekirdeğe bağlı bir veya daha fazla elektrondan oluşur. Çekirdek bir ya da daha fazla proton ve bir dizi nötrondan oluşur. Sadece en yaygın hidrojen çeşidinde nötron yoktur. Bir atomun kütlesinin %99,94'ünden fazlası çekirdekte bulunur. Protonlar pozitif elektrik yüküne sahiptir, elektronlar negatif elektrik yüküne sahiptir ve nötronların elektrik yükü yoktur. Proton ve elektron sayısı eşitse, atom elektriksel olarak nötrdür. Bir atomun protonlardan daha fazla veya daha az elektronu varsa, o zaman sırasıyla toplam negatif veya pozitif yüke sahiptir - bu tür atomlara iyon denir. ⓘ

Bir atomun elektronları, elektromanyetik kuvvet tarafından atom çekirdeğindeki protonlara çekilir. Çekirdekteki protonlar ve nötronlar nükleer kuvvet tarafından birbirlerine çekilirler. Bu kuvvet genellikle pozitif yüklü protonları birbirinden iten elektromanyetik kuvvetten daha güçlüdür. Belirli koşullar altında, itici elektromanyetik kuvvet nükleer kuvvetten daha güçlü hale gelir. Bu durumda çekirdek parçalanır ve geride farklı elementler bırakır. Bu bir çeşit nükleer bozunmadır. ⓘ

Çekirdekteki proton sayısı atom numarasıdır ve atomun hangi kimyasal elemente ait olduğunu tanımlar. Örneğin, 29 proton içeren herhangi bir atom bakırdır. Nötron sayısı elementin izotopunu tanımlar. Örneğin, 34 nötronu olan bir bakır atomu bakır-63 (29+34), 36 nötronu olan ise bakır-65'tir; doğal bakırın yaklaşık %70'i Cu-63, geri kalanı ise Cu-65'tir. ⓘ

Atomlar, moleküller veya kristaller gibi kimyasal bileşikler oluşturmak için kimyasal bağlarla bir veya daha fazla başka atoma bağlanabilir. Örneğin, New York'taki Özgürlük Anıtı başlangıçta saf bakırdan yapılmıştır, ancak yıllar içinde yüzey oksijen, karbon ve sülfür atomlarıyla birleşerek bakır üzerinde yeşil bir patina oluşturmuştur. Atomların bağlanma ve ayrılma yeteneği, doğada gözlemlenen fiziksel değişikliklerin çoğundan sorumludur. Kimya bu değişimleri inceleyen disiplindir. ⓘ

Elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve foton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanı sıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir. ⓘ

Atom teorisinin tarihçesi

Felsefede

Maddenin küçük, bölünemez parçacıklardan oluştuğu temel fikri, Yunanistan ve Hindistan gibi birçok eski kültürde karşımıza çıkmaktadır. Atom kelimesi eski Yunancada "kesilemez" anlamına gelen atomos ("a-" olumsuz terimi ile "τομή", "kesmek" teriminin birleşimi) kelimesinden türetilmiştir. Bu eski fikir bilimsel akıl yürütmeden ziyade felsefi akıl yürütmeye dayanıyordu; modern atom teorisi bu eski kavramlara dayanmamaktadır. Bununla birlikte, "atom" terimi çağlar boyunca maddenin doğası gereği tanecikli olduğundan şüphelenen düşünürler tarafından kullanılmıştır. O zamandan beri "atomların" bölünebildiği keşfedilmiştir, ancak yanlış isimlendirme hala kullanılmaktadır. ⓘ

Dalton'un çoklu oranlar yasası

John Dalton'un A New System of Chemical Philosophy cilt 1'de (1808) tasvir edildiği şekliyle atomlar ve moleküller ⓘ

1800'lerin başında, İngiliz kimyager John Dalton, kendisi ve diğer bilim insanları tarafından toplanan deneysel verileri derledi ve şimdi "çoklu oranlar yasası" olarak bilinen bir model keşfetti. Belirli bir kimyasal element içeren kimyasal bileşiklerde, bu elementin bu bileşiklerdeki içeriğinin küçük tam sayı oranlarında farklılık göstereceğini fark etti. Bu örüntü Dalton'a her kimyasal elementin diğer elementlerle temel ve tutarlı bir kütle birimiyle birleştiğini düşündürdü ve bu birimleri "atom" olarak adlandırmaya karar verdi. ⓘ

Örneğin, iki tür kalay oksit vardır: biri %88,1 kalay ve %11,9 oksijen içeren siyah bir toz, diğeri ise %78,7 kalay ve %21,3 oksijen içeren beyaz bir tozdur. Bu rakamlar ayarlandığında, siyah oksitte her 100 g kalay için yaklaşık 13,5 g oksijen ve beyaz oksitte her 100 g kalay için yaklaşık 27 g oksijen vardır. 13,5 ve 27 1:2'lik bir oran oluşturur. Bu oksitlerde, her kalay atomu için sırasıyla bir veya iki oksijen atomu vardır (SnO ve SnO₂). ⓘ

Dalton demir oksitleri de analiz etmiştir. Bir tür demir oksit vardır ki %78,1 demir ve %21,9 oksijen içeren siyah bir tozdur; ve bir başka demir oksit vardır ki %70,4 demir ve %29,6 oksijen içeren kırmızı bir tozdur. Bu rakamlar ayarlandığında, siyah oksitte her 100 g demir için yaklaşık 28 g oksijen ve kırmızı oksitte her 100 g demir için yaklaşık 42 g oksijen vardır. 28 ve 42, 2:3'lük bir oran oluşturur. Bu ilgili oksitlerde, her iki demir atomu için iki veya üç oksijen atomu vardır (Fe₂O₂ ve Fe₂O₃). ⓘ

Son bir örnek olarak: azot oksit %63,3 azot ve %36,7 oksijen, nitrik oksit %44,05 azot ve %55,95 oksijen ve azot dioksit %29,5 azot ve %70,5 oksijendir. Bu rakamlar ayarlandığında, azot oksitte her 140 g azot için 80 g oksijen, nitrik oksitte her 140 g azot için yaklaşık 160 g oksijen ve nitrojen dioksitte her 140 g azot için 320 g oksijen vardır. 80, 160 ve 320 1:2:4 oranını oluşturur. Bu oksitlerin ilgili formülleri N₂O, NO ve NO₂'dir. ⓘ

Gazların kinetik teorisi

1738 yılında Daniel Bernoulli

ve diğer bazı bilim insanları, gazları mikroskobik altı parçacık koleksiyonları olarak tanımlayarak ve davranışlarını istatistik ve olasılık kullanarak modelleyerek gazların davranışını daha iyi açıklayabileceklerini keşfettiler. Dalton'un atom teorisinin aksine, gazların kinetik teorisi, gazların bileşikler oluşturmak için birbirleriyle kimyasal olarak nasıl reaksiyona girdiğini değil, fiziksel olarak nasıl davrandıklarını açıklar: difüzyon, viskozite, iletkenlik, basınç vb. ⓘ

Brown hareketi

1827'de botanikçi Robert Brown mikroskop kullanarak suda yüzen toz taneciklerine baktı ve bu taneciklerin düzensiz bir şekilde hareket ettiğini keşfetti; bu olgu "Brown hareketi" olarak biliniyordu. Buna su moleküllerinin tanecikleri savurmasının neden olduğu düşünülüyordu. 1905 yılında Albert Einstein, Brown hareketinin ilk istatistiksel fizik analizini yaparak bu moleküllerin ve hareketlerinin gerçekliğini kanıtladı. Fransız fizikçi Jean Perrin, Einstein'ın çalışmasını moleküllerin kütle ve boyutlarını deneysel olarak belirlemek için kullandı ve böylece maddenin parçacık doğası için fiziksel kanıt sağladı. ⓘ

Elektronun keşfi

Geiger-Marsden deneyi:
Sol: Beklenen sonuçlar: Alfa parçacıkları atomun erik pudingi modelinden ihmal edilebilir bir sapma ile geçiyor.
Sağda: Gözlenen sonuçlar: Gözlenen sonuçlar: Parçacıkların küçük bir kısmı çekirdeğin yoğunlaşmış pozitif yükü tarafından saptırıldı. ⓘ

1897'de J. J. Thomson katot ışınlarının elektromanyetik dalgalar olmadığını, hidrojenden (en hafif atom) 1.800 kat daha hafif parçacıklardan oluştuğunu keşfetti. Thomson bu parçacıkların katot içindeki atomlardan geldiği sonucuna vardı - bunlar atom altı parçacıklardı. Bu yeni parçacıklara cisimcikler adını verdi ancak daha sonra elektronlar olarak yeniden adlandırıldılar. Thomson ayrıca elektronların fotoelektrik ve radyoaktif maddeler tarafından yayılan parçacıklarla aynı olduğunu gösterdi. Elektronların metal tellerdeki elektrik akımlarını taşıyan parçacıklar olduğu kısa sürede anlaşıldı. Thomson, bu elektronların aletlerindeki katodun atomlarından çıktığı sonucuna vardı, bu da atomların atomos adının önerdiği gibi bölünmez olmadığı anlamına geliyordu. ⓘ

Çekirdeğin keşfi

J. J. Thomson, negatif yüklü elektronların atomun tüm hacmi boyunca dağılmış bir pozitif yük denizi içinde atom boyunca dağıldığını düşündü. Bu model bazen erikli puding modeli olarak da bilinir. ⓘ

Ernest Rutherford ve meslektaşları Hans Geiger ve Ernest Marsden, alfa parçacıklarının (bunlar radyum gibi bazı radyoaktif maddeler tarafından yayılan pozitif yüklü parçacıklardır) yük-kütle oranını ölçmek için bir alet yapmaya çalıştıklarında karşılaştıkları zorluklardan sonra Thomson modeli hakkında şüphe duymaya başladılar. Alfa parçacıkları algılama odasındaki hava tarafından saçılıyordu ve bu da ölçümleri güvenilmez kılıyordu. Thomson katot ışınları üzerine yaptığı çalışmalarda benzer bir sorunla karşılaşmış ve bunu aletlerinde mükemmele yakın bir vakum yaratarak çözmüştü. Rutherford aynı sorunla karşılaşacağını düşünmüyordu çünkü alfa parçacıkları elektronlardan çok daha ağırdı. Thomson'un atom modeline göre, atomdaki pozitif yük bir alfa parçacığını saptıracak kadar güçlü bir elektrik alanı üretecek kadar yoğun değildir ve elektronlar o kadar hafiftir ki çok daha ağır olan alfa parçacıkları tarafından zahmetsizce kenara itilmeleri gerekir. Yine de saçılma vardı, bu yüzden Rutherford ve meslektaşları bu saçılmayı dikkatle incelemeye karar verdiler. ⓘ

1908 ve 1913 yılları arasında Rutheford ve meslektaşları, ince metal folyoları alfa parçacıklarıyla bombardıman ettikleri bir dizi deney gerçekleştirdiler. Alfa parçacıklarının 90°'den daha büyük açılarla saptırıldığını tespit ettiler. Bunu açıklamak için Rutherford, atomun pozitif yükünün Thomson'ın inandığı gibi atomun hacmi boyunca dağılmadığını, merkezdeki küçük bir çekirdekte yoğunlaştığını öne sürdü. Sadece bu kadar yoğun bir yük konsantrasyonu, alfa parçacıklarını gözlemlendiği gibi saptıracak kadar güçlü bir elektrik alanı üretebilirdi. ⓘ

İzotopların keşfi

Radyokimyacı Frederick Soddy, 1913 yılında radyoaktif bozunma ürünleri üzerinde deneyler yaparken periyodik tablodaki her bir pozisyonda birden fazla atom türü olduğunu keşfetti. İzotop terimi Margaret Todd tarafından aynı elemente ait farklı atomlar için uygun bir isim olarak icat edildi. J. J. Thomson, iyonize gazlar üzerinde yaptığı çalışmalarla izotop ayrımı için bir teknik yarattı ve bu da daha sonra kararlı izotopların keşfine yol açtı. ⓘ

Bohr modeli

Bohr atom modeli, bir elektronun bir yörüngeden diğerine enerji kazanarak ya da kaybederek anlık "kuantum sıçramaları" yaptığı bir modeldir. Yörüngelerdeki elektronların bu modeli eskimiştir. ⓘ

1913 yılında fizikçi Niels Bohr, bir atomun elektronlarının çekirdeğin yörüngesinde döndüğünün varsayıldığı, ancak bunu yalnızca sonlu bir yörünge kümesinde yapabildiği ve bu yörüngeler arasında yalnızca bir fotonun emilmesi veya ışımasına karşılık gelen ayrık enerji değişikliklerinde atlayabildiği bir model önerdi. Bu niceleme, elektronların yörüngelerinin neden kararlı olduğunu (normalde dairesel hareket de dahil olmak üzere ivmelenen yüklerin elektromanyetik radyasyon olarak yayılan kinetik enerjiyi kaybettiği göz önüne alındığında, bkz. senkrotron radyasyonu) ve elementlerin neden elektromanyetik radyasyonu ayrık spektrumlar halinde emip yaydığını açıklamak için kullanıldı. ⓘ

Aynı yılın ilerleyen zamanlarında Henry Moseley, Niels Bohr'un teorisi lehine ek deneysel kanıtlar sağladı. Bu sonuçlar, Ernest Rutherford ve Antonius van den Broek'in atomun çekirdeğinde periyodik tablodaki (atom) numarasına eşit sayıda pozitif nükleer yük içerdiğini öne süren modelini geliştirdi. Bu deneylere kadar atom numarasının fiziksel ve deneysel bir nicelik olduğu bilinmiyordu. Atomik nükleer yüke eşit olduğu bugün kabul edilen atom modeli olmaya devam etmektedir. ⓘ

Atomlar arasındaki kimyasal bağlar, 1916 yılında Gilbert Newton Lewis tarafından, atomları oluşturan elektronlar arasındaki etkileşimler olarak açıklanmıştır. Elementlerin kimyasal özelliklerinin periyodik yasaya göre büyük ölçüde kendini tekrar ettiği bilindiğinden, 1919'da Amerikalı kimyager Irving Langmuir, bunun bir atomdaki elektronların bir şekilde birbirine bağlanması veya kümelenmesi halinde açıklanabileceğini öne sürdü. Elektron gruplarının çekirdek etrafında bir dizi elektron kabuğunu işgal ettiği düşünülüyordu. ⓘ

Bohr atom modeli, atomun ilk tam fiziksel modeliydi. Atomun genel yapısını, atomların birbirlerine nasıl bağlandığını tanımlıyor ve hidrojenin spektral çizgilerini tahmin ediyordu. Bohr'un modeli mükemmel değildi ve kısa süre sonra daha doğru olan Schrödinger modelinin yerini aldı, ancak maddenin atomlardan oluştuğuna dair kalan tüm şüpheleri buharlaştırmak için yeterliydi. Kimyacılar için atom fikri faydalı bir sezgisel araç olmuştu, ancak fizikçilerin maddenin gerçekten atomlardan oluşup oluşmadığı konusunda şüpheleri vardı, çünkü henüz kimse atomun tam bir fiziksel modelini geliştirmemişti. ⓘ

Schrödinger modeli

1922'deki Stern-Gerlach deneyi, atomik özelliklerin kuantum doğasına dair daha fazla kanıt sağladı. Bir gümüş atomu demeti özel olarak şekillendirilmiş bir manyetik alandan geçirildiğinde, demet bir atomun açısal momentumunun veya spininin yönüyle ilişkili bir şekilde bölündü. Bu spin yönü başlangıçta rastgele olduğundan, ışının rastgele bir yöne sapması beklenirdi. Bunun yerine ışın, atomik spinin manyetik alana göre yukarı veya aşağı yönlenmesine karşılık gelen iki yönlü bileşene bölündü. ⓘ

1925 yılında Werner Heisenberg kuantum mekaniğinin ilk tutarlı matematiksel formülasyonunu (matris mekaniği) yayınladı. Bir yıl önce Louis de Broglie, tüm parçacıkların bir dereceye kadar dalga gibi davrandığı şeklindeki de Broglie hipotezini öne sürmüştü. 1926'da Erwin Schrödinger bu fikri, elektronları noktasal parçacıklar yerine üç boyutlu dalga formları olarak tanımlayan matematiksel bir atom modeli (dalga mekaniği) olan Schrödinger denklemini geliştirmek için kullandı. ⓘ

Parçacıkları tanımlamak için dalga formlarını kullanmanın bir sonucu, belirli bir zamanda bir parçacığın hem konumu hem de momentumu için kesin değerler elde etmenin matematiksel olarak imkansız olmasıdır. Bu, 1927 yılında Werner Heisenberg tarafından formüle edilen belirsizlik ilkesi olarak bilinir. Bu kavrama göre, bir konumun ölçümünde belirli bir doğruluk için, momentum için yalnızca bir dizi olası değer elde edilebilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu model, hidrojenden daha büyük atomların belirli yapısal ve spektral desenleri gibi önceki modellerin açıklayamadığı atomik davranış gözlemlerini açıklayabilmiştir. Böylece, atomun gezegensel modeli, belirli bir elektronun gözlenme olasılığının en yüksek olduğu çekirdek etrafındaki atomik yörünge bölgelerini tanımlayan model lehine bir kenara bırakıldı. ⓘ

Nötronun keşfi

Kütle spektrometresinin geliştirilmesi, atomların kütlesinin daha yüksek doğrulukla ölçülmesini sağlamıştır. Cihaz, bir iyon demetinin yörüngesini bükmek için bir mıknatıs kullanır ve sapma miktarı, bir atomun kütlesinin yüküne oranına göre belirlenir. Kimyager Francis William Aston bu aleti izotopların farklı kütlelere sahip olduğunu göstermek için kullandı. Bu izotopların atomik kütleleri, tam sayı kuralı olarak adlandırılan tam sayı miktarlarına göre değişiyordu. Bu farklı izotopların açıklaması, 1932 yılında fizikçi James Chadwick tarafından protona benzer bir kütleye sahip yüksüz bir parçacık olan nötronun keşfini bekledi. İzotoplar daha sonra aynı sayıda protona sahip, ancak çekirdek içinde farklı sayıda nötronu olan elementler olarak açıklandı. ⓘ

Fisyon, yüksek enerji fiziği ve yoğun madde

1938'de, Rutherford'un öğrencisi olan Alman kimyager Otto Hahn, transuranyum elementleri elde etmeyi umarak nötronları uranyum atomlarına yönlendirdi. Bunun yerine, yaptığı kimyasal deneyler ürün olarak baryumu gösterdi. Bir yıl sonra Lise Meitner ve yeğeni Otto Frisch, Hahn'ın elde ettiği sonucun ilk deneysel nükleer fisyon olduğunu doğruladı. Hahn 1944 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü aldı. Hahn'ın çabalarına rağmen Meitner ve Frisch'in katkıları tanınmadı. ⓘ

1950'lerde, gelişmiş parçacık hızlandırıcıları ve parçacık dedektörlerinin geliştirilmesi, bilim insanlarının yüksek enerjilerde hareket eden atomların etkilerini incelemelerine olanak sağladı. Nötron ve protonların hadronlar ya da kuark adı verilen daha küçük parçacıkların bileşimleri olduğu bulundu. Parçacık fiziğinin standart modeli geliştirildi ve bugüne kadar çekirdeğin özelliklerini bu atom altı parçacıklar ve bunların etkileşimlerini yöneten kuvvetler açısından başarıyla açıkladı. ⓘ

Yapı

Atom altı parçacıklar

Atom kelimesi başlangıçta daha küçük parçacıklara bölünemeyen bir parçacığı ifade etse de, modern bilimsel kullanımda atom çeşitli atom altı parçacıklardan oluşur. Bir atomu oluşturan parçacıklar elektron, proton ve nötrondur. ⓘ

Elektron, 9.11×10-31 kg ile bu parçacıkların açık ara en az kütleli olanıdır, negatif elektrik yüküne ve mevcut tekniklerle ölçülemeyecek kadar küçük bir boyuta sahiptir. Nötrino kütlesinin keşfine kadar ölçülen pozitif dinlenme kütlesine sahip en hafif parçacıktı. Olağan koşullar altında elektronlar, zıt elektrik yüklerinin yarattığı çekimle pozitif yüklü çekirdeğe bağlanır. Bir atom, atom numarasından daha fazla veya daha az elektrona sahipse, bir bütün olarak sırasıyla negatif veya pozitif yüklü hale gelir; yüklü bir atoma iyon denir. Elektronlar 19. yüzyılın sonlarından beri, çoğunlukla J.J. Thomson sayesinde bilinmektedir; ayrıntılar için atomaltı fiziğin tarihine bakınız. ⓘ

Protonlar pozitif yüke ve 1,6726×10-27 kg ile elektronun 1,836 katı kütleye sahiptir. Bir atomdaki proton sayısına atom numarası denir. Ernest Rutherford (1919), alfa parçacığı bombardımanı altındaki nitrojenin hidrojen çekirdeği gibi görünen parçalar çıkardığını gözlemledi. 1920 yılına gelindiğinde hidrojen çekirdeğinin atom içinde ayrı bir parçacık olduğunu kabul etmiş ve ona proton adını vermiştir. ⓘ

Nötronların elektrik yükü yoktur ve elektron kütlesinin 1.839 katı ya da 1,6749×10-27 kg serbest kütleye sahiptir. Nötronlar üç kurucu parçacık arasında en ağır olanıdır, ancak kütleleri nükleer bağlanma enerjisi ile azaltılabilir. Nötronlar ve protonlar (topluca nükleonlar olarak bilinir), bu parçacıkların 'yüzeyi' keskin bir şekilde tanımlanmamış olsa da, 2,5×10-15 m mertebesinde karşılaştırılabilir boyutlara sahiptir. Nötron 1932 yılında İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından keşfedilmiştir. ⓘ

Standart fizik modelinde elektronlar iç yapıları olmayan gerçek temel parçacıklarken, protonlar ve nötronlar kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşan bileşik parçacıklardır. Atomlarda her biri kesirli elektrik yüküne sahip iki tür kuark vardır. Protonlar iki yukarı kuark (her biri +2/3 yüklü) ve bir aşağı kuarktan (-1/3 yüklü) oluşur. Nötronlar ise bir yukarı kuark ve iki aşağı kuarktan oluşur. Bu ayrım, iki parçacık arasındaki kütle ve yük farkını açıklar. ⓘ

Kuarklar, gluonların aracılık ettiği güçlü etkileşim (ya da güçlü kuvvet) tarafından bir arada tutulur. Protonlar ve nötronlar ise çekirdek içinde birbirlerine güçlü kuvvetin bir kalıntısı olan ve biraz farklı menzil-özelliklere sahip olan nükleer kuvvetle tutunurlar (daha fazlası için nükleer kuvvetle ilgili makaleye bakınız). Gluon, fiziksel kuvvetlere aracılık eden temel parçacıklar olan ayar bozonları ailesinin bir üyesidir. ⓘ

Çekirdek

Çeşitli izotoplar için bir nükleonun çekirdekten kaçması için gereken bağlanma enerjisi ⓘ

Bir atomdaki tüm bağlı protonlar ve nötronlar küçük bir atom çekirdeğini oluşturur ve topluca nükleon olarak adlandırılır. Bir çekirdeğin yarıçapı yaklaşık olarak şuna eşittir $1.07{\sqrt[{3}]{A}}$ femtometredir, burada $A$ toplam nükleon sayısıdır. Bu, 10⁵ fm mertebesinde olan atomun yarıçapından çok daha küçüktür. Nükleonlar, artık güçlü kuvvet adı verilen kısa mesafeli çekici bir potansiyel tarafından birbirine bağlanır. Bu kuvvet, 2,5 fm'den daha küçük mesafelerde, pozitif yüklü protonların birbirini itmesine neden olan elektrostatik kuvvetten çok daha güçlüdür. ⓘ

Aynı elementin atomları, atom numarası olarak adlandırılan aynı sayıda protona sahiptir. Tek bir element içinde nötron sayısı değişebilir ve bu da o elementin izotopunu belirler. Proton ve nötronların toplam sayısı nüklidi belirler. Protonlara göre nötron sayısı çekirdeğin kararlılığını belirler ve bazı izotoplar radyoaktif bozunmaya uğrar. ⓘ

Proton, elektron ve nötron fermiyon olarak sınıflandırılır. Fermiyonlar, birden fazla proton gibi özdeş fermiyonların aynı anda aynı kuantum durumunu işgal etmesini yasaklayan Pauli dışlama ilkesine uyar. Dolayısıyla, çekirdekteki her proton diğer tüm protonlardan farklı bir kuantum durumu işgal etmelidir ve aynı durum çekirdekteki tüm nötronlar ve elektron bulutundaki tüm elektronlar için de geçerlidir. ⓘ

Nötronlardan farklı sayıda protona sahip bir çekirdek, proton ve nötron sayılarının daha yakın bir şekilde eşleşmesine neden olan radyoaktif bir bozunma yoluyla potansiyel olarak daha düşük bir enerji durumuna düşebilir. Sonuç olarak, proton ve nötron sayıları eşleşen atomlar bozunmaya karşı daha kararlıdır, ancak atom numarası arttıkça, protonların karşılıklı itme kuvveti çekirdeğin kararlılığını korumak için artan oranda nötron gerektirir. ⓘ

İki protondan bir proton ve bir nötrondan oluşan döteryum çekirdeği oluşturan bir nükleer füzyon sürecinin gösterimi. Bir elektron nötrino ile birlikte bir pozitron (e⁺)-bir antimadde elektronu- yayılır. ⓘ

Atom çekirdeğindeki proton ve nötronların sayısı değiştirilebilir, ancak bu güçlü kuvvet nedeniyle çok yüksek enerjiler gerektirebilir. Nükleer füzyon, iki çekirdeğin enerjik çarpışması gibi yollarla birden fazla atomik parçacık birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturduğunda meydana gelir. Örneğin, Güneş'in çekirdeğinde protonlar karşılıklı itme kuvvetlerini (coulomb bariyeri) aşmak ve tek bir çekirdek halinde birleşmek için 3 ila 10 keV enerjiye ihtiyaç duyarlar. Nükleer fisyon ise tam tersi bir süreçtir ve bir çekirdeğin daha küçük iki çekirdeğe bölünmesine neden olur - genellikle radyoaktif bozunma yoluyla. Çekirdek ayrıca yüksek enerjili atom altı parçacıklar veya fotonlar tarafından bombardıman yoluyla da değiştirilebilir. Bu durum çekirdekteki proton sayısını değiştirirse, atom farklı bir kimyasal elemente dönüşür. ⓘ

Bir füzyon reaksiyonunu takiben çekirdeğin kütlesi, ayrı parçacıkların kütlelerinin toplamından daha azsa, bu iki değer arasındaki fark, Albert Einstein'ın kütle-enerji denkliği formülünde açıklandığı gibi, kullanılabilir bir enerji türü (gama ışını veya bir beta parçacığının kinetik enerjisi gibi) olarak yayılabilir, $E=mc^{2}$, nerede $m$ kütle kaybıdır ve $c$ ışık hızıdır. Bu eksiklik yeni çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir parçasıdır ve kaynaşmış parçacıkların ayrılmak için bu enerjiyi gerektiren bir durumda bir arada kalmasına neden olan enerjinin geri kazanılamaz kaybıdır. ⓘ

Toplam nükleon sayısı yaklaşık 60 olan demir ve nikelden daha düşük atom numaralarına sahip daha büyük çekirdekler oluşturan iki çekirdeğin füzyonu genellikle onları bir araya getirmek için gerekenden daha fazla enerji açığa çıkaran ekzotermik bir süreçtir. Yıldızlardaki nükleer füzyonu kendi kendine devam eden bir reaksiyon haline getiren de bu enerji açığa çıkarma sürecidir. Daha ağır çekirdekler için, çekirdekteki nükleon başına bağlanma enerjisi azalmaya başlar. Bu da atom numarası yaklaşık 26'dan ve atom kütlesi yaklaşık 60'tan yüksek olan çekirdekleri üreten füzyon süreçlerinin endotermik bir süreç olduğu anlamına gelir. Bu daha büyük kütleli çekirdekler, bir yıldızın hidrostatik dengesini sürdürebilecek enerji üreten bir füzyon reaksiyonuna giremezler. ⓘ

Elektron bulutu

Klasik mekaniğe göre, her x konumuna ulaşmak için gereken minimum V(x) enerjisini gösteren bir potansiyel kuyusu. Klasik olarak, E enerjisine sahip bir parçacık x₁ ve x₂ arasındaki bir dizi konumla sınırlandırılır. ⓘ

Bir atomdaki elektronlar, elektromanyetik kuvvet tarafından çekirdekteki protonlara çekilir. Bu kuvvet elektronları küçük çekirdeği çevreleyen bir elektrostatik potansiyel kuyusu içinde bağlar, bu da elektronun kaçması için harici bir enerji kaynağına ihtiyaç olduğu anlamına gelir. Bir elektron çekirdeğe ne kadar yakınsa, çekici kuvvet de o kadar büyük olur. Bu nedenle, potansiyel kuyusunun merkezine yakın bağlanan elektronların kaçmak için daha uzakta olanlara kıyasla daha fazla enerjiye ihtiyacı vardır. ⓘ

Elektronlar, diğer parçacıklar gibi, hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahiptir. Elektron bulutu, potansiyel kuyusunun içinde her elektronun bir tür üç boyutlu duran dalga oluşturduğu bir bölgedir - çekirdeğe göre hareket etmeyen bir dalga formu. Bu davranış, bir elektronun konumu ölçüldüğünde belirli bir konumda görünme olasılığını karakterize eden matematiksel bir fonksiyon olan atomik orbital ile tanımlanır. Çekirdeğin etrafında bu orbitallerin yalnızca ayrık (veya kuantize) bir kümesi bulunur, çünkü diğer olası dalga modelleri hızla daha kararlı bir forma dönüşür. Orbitaller bir veya daha fazla halka veya düğüm yapısına sahip olabilir ve boyut, şekil ve yönelim bakımından birbirlerinden farklıdır. ⓘ

Olasılık yoğunluğunu ve fazı gösteren bazı hidrojen benzeri atomik orbitallerin 3D görünümleri (g ve üstü orbitaller gösterilmemiştir) ⓘ

Her atomik orbital elektronun belirli bir enerji seviyesine karşılık gelir. Elektron, kendisini yeni kuantum durumuna yükseltmek için yeterli enerjiye sahip bir foton soğurarak durumunu daha yüksek bir enerji seviyesine değiştirebilir. Aynı şekilde, spontane emisyon yoluyla, daha yüksek bir enerji durumundaki bir elektron, fazla enerjiyi foton olarak yayarken daha düşük bir enerji durumuna düşebilir. Kuantum durumlarının enerjilerindeki farklılıklarla tanımlanan bu karakteristik enerji değerleri, atomik spektral çizgilerden sorumludur. ⓘ

Bir elektronu çıkarmak ya da eklemek için gereken enerji miktarı -elektron bağlanma enerjisi- nükleonların bağlanma enerjisinden çok daha azdır. Örneğin, bir hidrojen atomundan bir temel hal elektronunu çıkarmak için sadece 13,6 eV gerekirken, bir döteryum çekirdeğini bölmek için 2,23 milyon eV gerekir. Atomlar eşit sayıda proton ve elektrona sahiplerse elektriksel olarak nötrdürler. Elektron eksiği ya da fazlası olan atomlara iyon denir. Çekirdekten en uzakta bulunan elektronlar yakındaki diğer atomlara aktarılabilir veya atomlar arasında paylaşılabilir. Bu mekanizma sayesinde atomlar moleküllere ve iyonik ve kovalent ağ kristalleri gibi diğer kimyasal bileşik türlerine bağlanabilir. ⓘ

Özellikler

Nükleer özellikler

Tanım gereği, çekirdeklerinde aynı sayıda proton bulunan iki atom aynı kimyasal elemente aittir. Eşit sayıda protona ancak farklı sayıda nötrona sahip atomlar aynı elementin farklı izotoplarıdır. Örneğin, tüm hidrojen atomları tam olarak bir proton kabul eder, ancak nötronsuz (hidrojen-1, en yaygın form, protium olarak da adlandırılır), bir nötronlu (döteryum), iki nötronlu (trityum) ve ikiden fazla nötronlu izotoplar mevcuttur. Bilinen elementler, tek protonlu hidrojen elementinden 118 protonlu oganesson elementine kadar bir dizi atom numarası oluşturur. Atom numarası 82'den büyük olan elementlerin bilinen tüm izotopları radyoaktiftir, ancak element 83'ün (bizmut) radyoaktivitesi pratikte ihmal edilebilecek kadar azdır. ⓘ

Dünya'da doğal olarak yaklaşık 339 nüklit bulunur ve bunların 252'sinin (yaklaşık %74) bozunmadığı gözlemlenmiştir ve bunlar "kararlı izotoplar" olarak adlandırılır. Sadece 90 nüklit teorik olarak kararlıdır, diğer 162'sinin (toplam 252'ye ulaşır) ise teorik olarak enerjik olarak mümkün olmasına rağmen bozunduğu gözlemlenmemiştir. Bunlar da resmi olarak "kararlı" olarak sınıflandırılır. İlave 34 radyoaktif nüklit 100 milyon yıldan daha uzun yarı ömre sahiptir ve Güneş Sistemi'nin doğuşundan beri mevcut olacak kadar uzun ömürlüdür. Bu 286 nüklid koleksiyonu ilkel nüklidler olarak bilinir. Son olarak, 53 kısa ömürlü nüklidin daha doğal olarak, ilkel nüklid bozunmasının yavru ürünleri olarak (uranyumdan radyum gibi) veya kozmik ışın bombardımanı gibi Dünya'daki doğal enerjik süreçlerin ürünleri olarak (örneğin karbon-14) oluştuğu bilinmektedir. ⓘ

Kimyasal elementlerin 80'i için en az bir kararlı izotop mevcuttur. Kural olarak, bu elementlerin her biri için sadece bir avuç kararlı izotop vardır, ortalama element başına 3,2 kararlı izotoptur. Yirmi altı elementin yalnızca tek bir kararlı izotopu bulunurken, herhangi bir element için gözlemlenen en fazla kararlı izotop sayısı kalay elementi için ondur. Element 43, 61 ve 83 veya daha yüksek numaralı tüm elementlerin kararlı izotopları yoktur. ⓘ

İzotopların kararlılığı, protonların nötronlara oranından ve ayrıca kapalı ve dolu kuantum kabuklarını temsil eden nötron veya protonların belirli "sihirli sayılarının" varlığından etkilenir. Bu kuantum kabukları çekirdeğin kabuk modeli içindeki bir dizi enerji seviyesine karşılık gelir; kalay için 50 protonluk dolu kabuk gibi dolu kabuklar nüklide olağandışı bir kararlılık kazandırır. Bilinen 252 kararlı nüklitten sadece dördünün hem tek sayıda protonu hem de tek sayıda nötronu vardır: hidrojen-2 (döteryum), lityum-6, bor-10 ve nitrojen-14. Ayrıca, doğal olarak oluşan radyoaktif tek-kodlu çekirdeklerden sadece dördünün yarı ömrü bir milyar yıldan fazladır: potasyum-40, vanadyum-50, lantan-138 ve tantal-180m. Çoğu tek-tek çekirdek beta bozunumu açısından oldukça kararsızdır, çünkü bozunma ürünleri çift-çifttir ve bu nedenle nükleer eşleşme etkileri nedeniyle daha güçlü bir şekilde bağlanırlar. ⓘ

Kütle

Bir atomun kütlesinin büyük çoğunluğu onu oluşturan proton ve nötronlardan gelir. Belirli bir atomdaki bu parçacıkların ("nükleon" olarak adlandırılır) toplam sayısına kütle numarası denir. Pozitif bir tam sayıdır ve boyutsuzdur (kütle boyutuna sahip olmak yerine), çünkü bir sayıyı ifade eder. Kütle numarasının kullanımına örnek olarak 12 nükleona (altı proton ve altı nötron) sahip olan "karbon-12" verilebilir. ⓘ

Bir atomun hareketsiz haldeki gerçek kütlesi genellikle dalton (Da) cinsinden ifade edilir ve buna birleşik atomik kütle birimi (u) de denir. Bu birim, yaklaşık 1,66×10-27 kg olan serbest nötr bir karbon-12 atomunun kütlesinin on ikide biri olarak tanımlanır. Hidrojen-1'in (hidrojenin en hafif izotopu ve aynı zamanda en düşük kütleye sahip nüklid) atom ağırlığı 1.007825 Da'dır. Bu sayının değerine atomik kütle denir. Belirli bir atomun atomik kütlesi yaklaşık olarak (%1 içinde) kütle numarasının atomik kütle birimiyle çarpımına eşittir (örneğin azot-14'ün kütlesi kabaca 14 Da'dır), ancak bu sayı karbon-12 durumu dışında (tanım gereği) tam olarak bir tamsayı olmayacaktır. En ağır kararlı atom 207.9766521 Da kütleye sahip kurşun-208'dir. ⓘ

En büyük atomlar bile doğrudan çalışılamayacak kadar hafif olduklarından, kimyagerler bunun yerine mol birimini kullanırlar. Herhangi bir elementin bir mol atomu her zaman aynı sayıda atom içerir (yaklaşık 6,022×10²³). Bu sayı, bir elementin atom kütlesi 1 u ise, o elementin bir mol atomunun bir grama yakın bir kütleye sahip olması için seçilmiştir. Birleşik atomik kütle biriminin tanımı nedeniyle, her karbon-12 atomu tam olarak 12 Da atomik kütleye sahiptir ve bu nedenle bir mol karbon-12 atomu tam olarak 0,012 kg ağırlığındadır. ⓘ

Şekil ve boyut

Atomların iyi tanımlanmış bir dış sınırı yoktur, bu nedenle boyutları genellikle atom yarıçapı cinsinden tanımlanır. Bu, elektron bulutunun çekirdekten uzandığı mesafenin bir ölçüsüdür. Bu, atomun küresel bir şekil sergilediğini varsayar ki bu sadece vakum veya boş uzaydaki atomlar için geçerlidir. Atomik yarıçap, iki atom kimyasal bir bağla birleştiğinde iki çekirdek arasındaki mesafelerden türetilebilir. Yarıçap, bir atomun atomik çizelgedeki konumuna, kimyasal bağın türüne, komşu atomların sayısına (koordinasyon sayısı) ve spin olarak bilinen kuantum mekaniksel bir özelliğe göre değişir. Elementlerin periyodik tablosunda, atom boyutu sütunlarda aşağı doğru hareket ederken artma eğilimindedir, ancak satırlar boyunca (soldan sağa) hareket ederken azalır. Sonuç olarak, en küçük atom 32 pm yarıçapıyla helyum iken, en büyüklerinden biri 225 pm ile sezyumdur. ⓘ

Elektriksel alanlar gibi dış kuvvetlere maruz kaldığında, bir atomun şekli küresel simetriden sapabilir. Deformasyon, grup teorik değerlendirmelerin gösterdiği gibi alan büyüklüğüne ve dış kabuk elektronlarının orbital tipine bağlıdır. Asferik sapmalar, örneğin düşük simetrili kafes bölgelerinde büyük kristal-elektrik alanlarının oluşabileceği kristallerde ortaya çıkabilir. Pirit tipi bileşiklerde sülfür iyonları ve kalkojen iyonları için önemli elipsoidal deformasyonların meydana geldiği gösterilmiştir. ⓘ

Atomik boyutlar ışık dalga boylarından (400-700 nm) binlerce kat daha küçüktür, bu nedenle optik mikroskop kullanılarak görüntülenemezler, ancak tek tek atomlar taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak gözlemlenebilir. Atomun küçüklüğünü görselleştirmek için, tipik bir insan saçının yaklaşık 1 milyon karbon atomu genişliğinde olduğunu düşünün. Tek bir damla su yaklaşık 2 sekstilyon (2×10²¹) oksijen atomu ve bunun iki katı hidrojen atomu içerir. Kütlesi 2×10-4 kg olan tek karatlık bir elmas yaklaşık 10 sekstilyon (10²²) karbon atomu içerir. Eğer bir elma Dünya'nın boyutuna kadar büyütülürse, elmanın içindeki atomlar yaklaşık olarak orijinal elmanın boyutunda olacaktır. ⓘ

Radyoaktif bozunma

Bu diyagram Z protonlu ve N nötronlu çeşitli izotopların yarı ömrünü (T_½) göstermektedir. ⓘ

Her elementin, radyoaktif bozunmaya maruz kalan ve çekirdeğin parçacık veya elektromanyetik radyasyon yaymasına neden olan kararsız çekirdeklere sahip bir veya daha fazla izotopu vardır. Radyoaktivite, bir çekirdeğin yarıçapı, yalnızca 1 fm mertebesindeki mesafelerde etkili olan güçlü kuvvetin yarıçapı ile karşılaştırıldığında büyük olduğunda meydana gelebilir. ⓘ

Radyoaktif bozunmanın en yaygın biçimleri şunlardır:

• Alfa bozunumu: Bu süreç, çekirdeğin iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum çekirdeği olan bir alfa parçacığı yaymasıyla gerçekleşir. Emisyonun sonucu daha düşük atom numarasına sahip yeni bir elementtir.
• Beta bozunumu (ve elektron yakalama): Bu süreçler zayıf kuvvet tarafından düzenlenir ve bir nötronun bir protona ya da bir protonun bir nötrona dönüşmesiyle sonuçlanır. Nötrondan protona geçişe bir elektron ve bir antinötrino emisyonu eşlik ederken, protondan nötrona geçiş (elektron yakalama hariç) bir pozitron ve bir nötrino emisyonuna neden olur. Elektron veya pozitron emisyonları beta parçacıkları olarak adlandırılır. Beta bozunumu çekirdeğin atom numarasını ya bir artırır ya da bir azaltır. Elektron yakalama pozitron emisyonundan daha yaygındır, çünkü daha az enerji gerektirir. Bu bozunma türünde çekirdekten bir pozitron yayılması yerine çekirdek tarafından bir elektron soğurulur. Bu süreçte yine de bir nötrino yayılır ve bir proton nötrona dönüşür.
• Gama bozunumu: Bu süreç, çekirdeğin enerji seviyesinin daha düşük bir duruma değişmesiyle sonuçlanır ve elektromanyetik radyasyon yayılmasına neden olur. Gama emisyonu ile sonuçlanan bir çekirdeğin uyarılmış hali genellikle bir alfa veya beta parçacığının emisyonunu takiben meydana gelir. Dolayısıyla, gama bozunumu genellikle alfa veya beta bozunumunu takip eder. ⓘ

Daha nadir görülen diğer radyoaktif bozunma türleri arasında bir çekirdekten nötronların veya protonların veya nükleon kümelerinin ya da birden fazla beta parçacığının fırlatılması yer alır. Uyarılmış çekirdeklerin farklı bir yolla enerji kaybetmesini sağlayan gama emisyonunun bir benzeri, beta ışını olmayan yüksek hızlı elektronlar üreten ve ardından gama ışını olmayan yüksek enerjili fotonlar üreten bir süreç olan iç dönüşümdür. Birkaç büyük çekirdek, kendiliğinden nükleer fisyon adı verilen bir bozunmayla, değişen kütlelerde iki veya daha fazla yüklü parçaya ve birkaç nötrona patlar. ⓘ

Her radyoaktif izotopun, bir numunenin yarısının bozunması için gereken süreye göre belirlenen karakteristik bir bozunma süresi (yarı ömür) vardır. Bu, kalan izotop oranını her yarı ömürde %50 azaltan üstel bir bozunma sürecidir. Dolayısıyla, iki yarı ömür geçtikten sonra izotopun yalnızca %25'i mevcut olur ve bu böyle devam eder. ⓘ

Manyetik moment

Temel parçacıklar spin olarak bilinen içsel bir kuantum mekaniksel özelliğe sahiptir. Bu, kütle merkezi etrafında dönen bir nesnenin açısal momentumuna benzer, ancak kesin olarak konuşmak gerekirse bu parçacıkların nokta benzeri olduğuna inanılır ve döndükleri söylenemez. Spin, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) birimleriyle ölçülür; elektronlar, protonlar ve nötronların hepsi ½ ħ veya "spin-½" spinine sahiptir. Bir atomda, çekirdek etrafında hareket halindeki elektronlar spinlerine ek olarak yörüngesel açısal momentuma sahipken, çekirdeğin kendisi de nükleer spini nedeniyle açısal momentuma sahiptir. ⓘ

Bir atom tarafından üretilen manyetik alan (manyetik momenti), tıpkı dönen yüklü bir nesnenin klasik olarak bir manyetik alan üretmesi gibi, bu çeşitli açısal momentum biçimleri tarafından belirlenir, ancak en baskın katkı elektron spininden gelir. Elektronların aynı kuantum durumunda iki elektronun bulunamayacağı Pauli dışlama ilkesine uyma doğası nedeniyle, bağlı elektronlar birbirleriyle eşleşir ve her çiftin bir üyesi spin yukarı durumunda, diğeri ise tam tersi spin aşağı durumundadır. Böylece bu spinler birbirlerini iptal ederek çift sayıda elektrona sahip bazı atomlarda toplam manyetik dipol momentini sıfıra indirir. ⓘ

Demir, kobalt ve nikel gibi ferromanyetik elementlerde tek sayıda elektron, eşleşmemiş bir elektrona ve net bir toplam manyetik momente yol açar. Komşu atomların orbitalleri üst üste biner ve eşleşmemiş elektronların spinleri birbirleriyle hizalandığında daha düşük bir enerji durumu elde edilir, bu da değişim etkileşimi olarak bilinen kendiliğinden bir süreçtir. Ferromanyetik atomların manyetik momentleri sıralandığında, malzeme ölçülebilir bir makroskopik alan üretebilir. Paramanyetik malzemeler, manyetik alan mevcut olmadığında rastgele yönlerde sıralanan manyetik momentlere sahip atomlara sahiptir, ancak tek tek atomların manyetik momentleri bir alanın varlığında sıralanır. ⓘ

Bir atomun çekirdeği çift sayıda nötron ve protona sahip olduğunda spine sahip olmayacaktır, ancak diğer tek sayı durumlarında çekirdek bir spine sahip olabilir. Normalde spine sahip çekirdekler termal denge nedeniyle rastgele yönlerde hizalanır, ancak bazı elementler için (ksenon-129 gibi) nükleer spin durumlarının önemli bir kısmını aynı yönde hizalanacak şekilde kutuplaştırmak mümkündür - bu duruma hiperpolarizasyon denir. Bunun manyetik rezonans görüntülemede önemli uygulamaları vardır. ⓘ

Enerji seviyeleri

Bu elektronların enerji seviyeleri (ölçeklendirilmemiştir) kadmiyuma (5s² 4d¹⁰) kadar olan atomların temel durumları için yeterlidir. Diyagramın üst kısmının bile bağlanmamış bir elektron durumundan daha düşük olduğunu unutmayın. ⓘ

Bir atomdaki elektronun potansiyel enerjisi, çekirdekten uzaklık sonsuza gittiğinde negatiftir; elektronun konumuna olan bağımlılığı, kabaca uzaklıkla ters orantılı olarak çekirdek içinde minimuma ulaşır. Kuantum-mekanik modelde, bağlı bir elektron sadece çekirdek merkezli bir dizi durumu işgal edebilir ve her durum belirli bir enerji seviyesine karşılık gelir; teorik bir açıklama için zamandan bağımsız Schrödinger denklemine bakınız. Bir enerji seviyesi, elektronu atomdan ayırmak için gereken enerji miktarıyla ölçülebilir ve genellikle elektronvolt (eV) birimleriyle verilir. Bağlı bir elektronun en düşük enerji durumuna temel durum, yani durağan durum adı verilirken, bir elektronun daha yüksek bir seviyeye geçişi uyarılmış bir durumla sonuçlanır. Elektronun enerjisi n ile birlikte artar çünkü çekirdeğe olan (ortalama) uzaklık artar. Enerjinin ℓ'ye bağımlılığı çekirdeğin elektrostatik potansiyelinden değil, elektronlar arasındaki etkileşimden kaynaklanır. ⓘ

Niels Bohr modeline göre, bir elektronun iki farklı durum arasında, örneğin temel durumdan ilk uyarılmış duruma geçmesi için, Schrödinger denklemiyle tam olarak hesaplanabilen, bu seviyelerin potansiyel enerjilerindeki farkla eşleşen bir enerjide bir foton soğurması veya yayması gerekir. Elektronlar orbitaller arasında parçacık benzeri bir şekilde atlar. Örneğin, tek bir foton elektronlara çarparsa, fotona yanıt olarak yalnızca tek bir elektron durum değiştirir; bkz. ⓘ

Yayılan bir fotonun enerjisi frekansı ile orantılıdır, dolayısıyla bu belirli enerji seviyeleri elektromanyetik spektrumda farklı bantlar olarak görünür. Her elementin nükleer yüküne, elektronlar tarafından doldurulan alt kabuklara, elektronlar arasındaki elektromanyetik etkileşimlere ve diğer faktörlere bağlı olabilen karakteristik bir spektrumu vardır. ⓘ

Spektrumdaki soğurma çizgilerine bir örnek ⓘ

Sürekli bir enerji spektrumu bir gaz veya plazmadan geçirildiğinde, fotonların bir kısmı atomlar tarafından emilir ve elektronların enerji seviyelerini değiştirmelerine neden olur. Atomlarına bağlı kalan uyarılmış elektronlar kendiliğinden bu enerjiyi rastgele bir yönde hareket eden bir foton olarak yayar ve böylece daha düşük enerji seviyelerine geri düşerler. Böylece atomlar, enerji çıkışında bir dizi karanlık soğurma bandı oluşturan bir filtre gibi davranır. (Atomlara arka plandaki sürekli spektrumu içermeyen bir açıdan bakan bir gözlemci, bunun yerine atomlar tarafından yayılan fotonlardan bir dizi emisyon çizgisi görür). Atomik spektral çizgilerin gücü ve genişliğinin spektroskopik ölçümleri, bir maddenin bileşiminin ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesini sağlar. ⓘ

Spektral çizgilerin yakından incelenmesi, bazılarının ince bir yapı bölünmesi gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu, en dıştaki elektronun spini ve hareketi arasındaki bir etkileşim olan spin-yörünge eşleşmesi nedeniyle meydana gelir. Bir atom harici bir manyetik alan içindeyken, spektral çizgiler üç veya daha fazla bileşene ayrılır; bu olaya Zeeman etkisi denir. Bu, manyetik alanın atomun ve elektronlarının manyetik momenti ile etkileşiminden kaynaklanır. Bazı atomlar aynı enerji seviyesine sahip birden fazla elektron konfigürasyonuna sahip olabilir ve bu nedenle tek bir spektral çizgi olarak görünür. Manyetik alanın atomla etkileşimi bu elektron konfigürasyonlarını biraz farklı enerji seviyelerine kaydırarak birden fazla spektral çizgiye neden olur. Harici bir elektrik alanının varlığı, Stark etkisi olarak adlandırılan bir fenomen olan elektron enerji seviyelerini değiştirerek spektral çizgilerin benzer şekilde bölünmesine ve kaymasına neden olabilir. ⓘ

Bağlı bir elektron uyarılmış bir durumdaysa, uygun enerjiye sahip etkileşen bir foton, eşleşen bir enerji seviyesine sahip bir fotonun uyarılmış emisyonuna neden olabilir. Bunun gerçekleşmesi için elektronun, etkileşime giren fotonun enerjisiyle eşleşen bir enerji farkına sahip daha düşük bir enerji durumuna düşmesi gerekir. Yayılan foton ve etkileşime giren foton daha sonra paralel olarak ve eşleşen fazlarla hareket eder. Yani, iki fotonun dalga desenleri senkronize olur. Bu fiziksel özellik, dar bir frekans bandında tutarlı bir ışık enerjisi demeti yayabilen lazerler yapmak için kullanılır. ⓘ

Değerlik ve bağlanma davranışı

Değerlik, bir elementin birleştirme gücüdür. Diğer atomlara veya gruplara oluşturabileceği bağ sayısına göre belirlenir. Bir atomun birleşmemiş haldeki en dış elektron kabuğu değerlik kabuğu olarak bilinir ve bu kabuktaki elektronlar bu kabuk değerlik elektronları olarak adlandırılır. Değerlik elektronlarının sayısı bağları belirler diğer atomlarla davranış. Atomlar, dış değerlik kabuklarını dolduracak (veya boşaltacak) şekilde birbirleriyle kimyasal reaksiyona girme eğilimindedir. Örneğin, atomlar arasında tek bir elektronun transferi, dolu bir kabuktan bir elektron fazla olan atomlar ile sodyum klorür bileşiğinde ve diğer kimyasal iyonik tuzlarda olduğu gibi tam bir kabuktan bir elektron eksik olan atomlar arasında oluşan bağlar için yararlı bir yaklaşımdır. Birçok element birden fazla değerlik ya da farklı bileşiklerde farklı sayıda elektron paylaşma eğilimi gösterir. Dolayısıyla, bu elementler arasındaki kimyasal bağlar, basit elektron transferlerinden daha fazlası olan birçok elektron paylaşımı biçimini alır. Örnekler arasında karbon elementi ve organik bileşikler yer almaktadır. ⓘ

Kimyasal elementler genellikle yinelenen kimyasal özellikleri gösterecek şekilde düzenlenmiş periyodik bir tabloda gösterilir ve aynı sayıda değerlik elektronuna sahip elementler tablonun aynı sütununda hizalanmış bir grup oluşturur. (Yatay satırlar bir kuantum elektron kabuğunun doldurulmasına karşılık gelir). Tablonun en sağındaki elementlerin dış kabukları tamamen elektronlarla doludur, bu da soy gazlar olarak bilinen kimyasal olarak inert elementlerle sonuçlanır. ⓘ

Durumlar

Bose-Einstein yoğuşmasının oluşumunu gösteren grafik ⓘ

Atom miktarları, sıcaklık ve basınç gibi fiziksel koşullara bağlı olarak maddenin farklı hallerinde bulunur. Koşulların değiştirilmesiyle malzemeler katılar, sıvılar, gazlar ve plazmalar arasında geçiş yapabilir. Bir hal içerisinde, bir malzeme farklı allotroplarda da bulunabilir. Buna örnek olarak grafit veya elmas olarak var olabilen katı karbon verilebilir. Dioksijen ve ozon gibi gaz halindeki allotroplar da mevcuttur. ⓘ

Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda atomlar bir Bose-Einstein yoğuşması oluşturabilir ve bu noktada normalde yalnızca atomik ölçekte gözlemlenen kuantum mekanik etkileri makroskopik ölçekte belirgin hale gelir. Bu süper soğutulmuş atomlar topluluğu daha sonra kuantum mekaniksel davranışın temel kontrollerine izin verebilecek tek bir süper atom gibi davranır. ⓘ

Tanımlama

Bu altın (100) yüzeyini oluşturan atomları tek tek gösteren taramalı tünelleme mikroskobu görüntüsü. Yüzey atomları yığın kristal yapısından sapmakta ve aralarında çukurlar bulunan birkaç atom genişliğinde sütunlar halinde düzenlenmektedir (Bkz. yüzey yeniden yapılandırması). ⓘ

Atomlar görülemeyecek kadar küçük olsa da, taramalı tünelleme mikroskobu (STM) gibi cihazlar katıların yüzeylerinde görüntülenmelerini sağlar. Mikroskop, parçacıkların klasik perspektifte aşılamayacak bir bariyerden geçmesine izin veren kuantum tünelleme olgusunu kullanır. Elektronlar, iki önyargılı elektrot arasındaki boşlukta tünel açarak, ayrılıklarına katlanarak bağlı olan bir tünelleme akımı sağlar. Elektrotlardan biri ideal olarak tek bir atomla sonlanan keskin bir uçtur. Yüzey taramasının her noktasında ucun yüksekliği, tünelleme akımını belirli bir değerde tutacak şekilde ayarlanır. Ucun yüzeye ne kadar yaklaşıp uzaklaştığı yükseklik profili olarak yorumlanır. Düşük öngerilim için mikroskop, Fermi seviyesine yakın elektronik durumların yerel yoğunluğu olan yakın paketlenmiş enerji seviyeleri boyunca ortalama elektron orbitallerini görüntüler. Söz konusu mesafeler nedeniyle, her iki elektrotun da son derece kararlı olması gerekir; ancak o zaman tek tek atomlara karşılık gelen periyodiklikler gözlemlenebilir. Bu yöntem tek başına kimyasal olarak spesifik değildir ve yüzeyde bulunan atomik türleri tanımlayamaz. ⓘ

Atomlar kütlelerine göre kolayca tanımlanabilir. Bir atom, elektronlarından biri çıkarılarak iyonize edilirse, manyetik bir alandan geçerken yörüngesi bükülecektir. Hareket halindeki bir iyonun yörüngesinin manyetik alan tarafından döndürüldüğü yarıçap, atomun kütlesi tarafından belirlenir. Kütle spektrometresi, iyonların kütle-yük oranını ölçmek için bu prensibi kullanır. Bir numune birden fazla izotop içeriyorsa, kütle spektrometresi farklı iyon demetlerinin yoğunluğunu ölçerek numunedeki her bir izotopun oranını belirleyebilir. Atomları buharlaştırma teknikleri arasında indüktif olarak eşleşmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi ve indüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi yer alır ve her ikisi de analiz için numuneleri buharlaştırmak üzere bir plazma kullanır. ⓘ

Atom prob tomografı 3 boyutlu nanometre altı çözünürlüğe sahiptir ve uçuş zamanı kütle spektrometresi kullanarak tek tek atomları kimyasal olarak tanımlayabilir. ⓘ

Çekirdek elektronların bağlanma enerjilerini ölçen X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Auger elektron spektroskopisi (AES) gibi elektron emisyon teknikleri, bir numunede bulunan atom türlerini tahribatsız bir şekilde tanımlamak için kullanılır. Uygun odaklama ile her ikisi de alana özgü hale getirilebilir. Bu türden bir başka yöntem de elektron enerji kaybı spektroskopisi (EELS) olup, bir elektron demetinin bir numunenin bir kısmıyla etkileşime girdiğinde bir transmisyon elektron mikroskobu içindeki enerji kaybını ölçer. ⓘ

Uyarılmış durumların spektrumları, uzak yıldızların atomik bileşimini analiz etmek için kullanılabilir. Yıldızlardan gelen gözlemlenmiş ışıkta bulunan belirli ışık dalga boyları ayrıştırılabilir ve serbest gaz atomlarındaki kuantize geçişlerle ilişkilendirilebilir. Bu renkler, aynı elementi içeren bir gaz deşarj lambası kullanılarak çoğaltılabilir. Helyum, Dünya'da bulunmadan 23 yıl önce Güneş'in spektrumunda bu şekilde keşfedilmiştir. ⓘ

Kökeni ve mevcut durumu

Baryonik madde, gözlemlenebilir evrenin toplam enerji yoğunluğunun yaklaşık %4'ünü oluşturur ve ortalama yoğunluğu yaklaşık 0,25 parçacık/m³'tür (çoğunlukla protonlar ve elektronlar). Samanyolu gibi bir galaksi içinde parçacıklar çok daha yüksek bir yoğunluğa sahiptir ve yıldızlararası ortamdaki (ISM) madde yoğunluğu 10⁵ ila 10⁹ atom/m³ arasında değişmektedir. Güneş'in Yerel Kabarcık içinde olduğuna inanılmaktadır, bu nedenle güneş çevresindeki yoğunluk sadece yaklaşık 10³ atom/m³'tür. Yıldızlar ISM'deki yoğun bulutlardan oluşur ve yıldızların evrimsel süreçleri ISM'nin hidrojen ve helyumdan daha büyük kütleli elementlerle sürekli zenginleşmesine neden olur. ⓘ

Samanyolu'nun baryonik maddesinin %95 kadarı, koşulların atomik madde için elverişsiz olduğu yıldızların içinde yoğunlaşmıştır. Toplam baryonik kütle galaksinin kütlesinin yaklaşık %10'udur; kütlenin geri kalanı ise bilinmeyen karanlık maddedir. Yıldızların içindeki yüksek sıcaklık çoğu "atomu" tamamen iyonize hale getirir, yani tüm elektronları çekirdeklerden ayırır. Yıldız kalıntılarında - yüzey katmanları hariç - muazzam bir basınç elektron kabuklarını imkansız hale getirir. ⓘ

Oluşum

Her elementin kökenini gösteren periyodik tablo. Karbondan sülfüre kadar olan elementler küçük yıldızlarda alfa süreciyle oluşabilir. Demirin ötesindeki elementler büyük yıldızlarda yavaş nötron yakalama (s-süreci) ile oluşur. Demirden daha ağır elementler r-sürecinden sonra nötron yıldızı birleşmelerinde veya süpernovalarda oluşabilir. ⓘ

Elektronların evrende Büyük Patlama'nın ilk aşamalarından beri var olduğu düşünülmektedir. Atom çekirdekleri nükleosentez reaksiyonlarında oluşur. Büyük Patlama nükleosentezi yaklaşık üç dakika içinde Evren'deki helyum, lityum ve döteryumun çoğunu ve belki de berilyum ve borun bir kısmını üretmiştir. ⓘ

Atomların yaygınlığı ve kararlılığı, bağlanma enerjilerine bağlıdır; bu da bir atomun, çekirdek ve elektronlardan oluşan bağlanmamış bir sistemden daha düşük bir enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Sıcaklığın iyonlaşma potansiyelinden çok daha yüksek olduğu yerlerde madde, pozitif yüklü iyonlar (muhtemelen çıplak çekirdekler) ve elektronlardan oluşan bir gaz olan plazma şeklinde bulunur. Sıcaklık iyonlaşma potansiyelinin altına düştüğünde, atomlar istatistiksel olarak elverişli hale gelir. Atomlar (bağlı elektronlarla birlikte) Büyük Patlama'dan 380.000 yıl sonra, genişleyen Evren elektronların çekirdeklere bağlanmasına izin verecek kadar soğuduğunda, rekombinasyon adı verilen bir çağda yüklü parçacıklara baskın hale geldi. ⓘ

Karbon ya da daha ağır elementler üretmeyen Büyük Patlama'dan bu yana, atom çekirdekleri yıldızlarda nükleer füzyon süreciyle birleşerek daha fazla helyum elementi ve (üçlü alfa süreciyle) karbondan demire kadar olan element dizisini üretmiştir; ayrıntılar için yıldız nükleosentezine bakınız. ⓘ

Lityum-6 gibi izotopların yanı sıra bazı berilyum ve bor da uzayda kozmik ışın yayılması yoluyla üretilir. Bu, yüksek enerjili bir protonun bir atom çekirdeğine çarparak çok sayıda nükleonun fırlatılmasına neden olmasıyla gerçekleşir. ⓘ

Demirden daha ağır elementler süpernovalarda ve çarpışan nötron yıldızlarında r-süreciyle, AGB yıldızlarında ise her ikisi de atom çekirdekleri tarafından nötronların yakalanmasını içeren s-süreciyle üretilmiştir. Kurşun gibi elementler büyük ölçüde daha ağır elementlerin radyoaktif bozunması yoluyla oluşmuştur. ⓘ

Dünya

Dünya'yı ve sakinlerini oluşturan atomların çoğu, Güneş Sistemi'ni oluşturmak için moleküler bir buluttan çöken nebulada mevcut halleriyle bulunuyordu. Geri kalanlar radyoaktif bozunmanın sonucudur ve göreceli oranları radyometrik tarihleme yoluyla Dünya'nın yaşını belirlemek için kullanılabilir. Dünya'nın kabuğundaki helyumun çoğu (düşük helyum-3 bolluğunun da gösterdiği gibi gaz kuyularındaki helyumun yaklaşık %99'u) alfa bozunmasının bir ürünüdür. ⓘ

Dünya'da başlangıçta mevcut olmayan (yani "ilksel" olmayan) ve radyoaktif bozunmanın sonucu olan birkaç eser atom vardır. Karbon-14 atmosferdeki kozmik ışınlar tarafından sürekli olarak üretilmektedir. Dünya üzerindeki bazı atomlar ya kasıtlı olarak ya da nükleer reaktörlerin veya patlamaların yan ürünleri olarak yapay bir şekilde üretilmiştir. Atom numarası 92'den büyük olan transuranik elementlerden sadece plütonyum ve neptünyum Dünya'da doğal olarak bulunur. Transuranik elementlerin radyoaktif ömürleri Dünya'nın mevcut yaşından daha kısadır ve bu nedenle, muhtemelen kozmik toz tarafından biriktirilen plütonyum-244 izleri dışında, bu elementlerin tanımlanabilir miktarları çoktan bozunmuştur. Doğal plütonyum ve neptünyum yatakları uranyum cevherinde nötron yakalama yoluyla üretilmektedir. ⓘ

Dünya yaklaşık 1.33×10⁵⁰ atom içerir. Argon, neon ve helyum gibi az sayıda bağımsız soy gaz atomu bulunmasına rağmen, atmosferin %99'u karbondioksit ve diyatomik oksijen ve nitrojen gibi moleküller şeklinde bağlıdır. Dünya yüzeyinde atomların büyük bir çoğunluğu birleşerek su, tuz, silikatlar ve oksitler de dahil olmak üzere çeşitli bileşikler oluşturur. Atomlar ayrıca kristaller ve sıvı ya da katı metaller de dahil olmak üzere ayrı moleküllerden oluşmayan malzemeler oluşturmak için de birleşebilir. Bu atomik madde, moleküler madde ile ilişkili belirli küçük ölçekli kesintili düzen türünden yoksun olan ağa bağlı düzenlemeler oluşturur. ⓘ

Nadir ve teorik formlar

Süper ağır elementler

Atom numarası 82'den (kurşun) yüksek olan tüm nüklidlerin radyoaktif olduğu bilinmektedir. Atom numarası 92'yi (uranyum) aşan hiçbir nüklit Dünya'da ilkel bir nüklit olarak bulunmaz ve daha ağır elementler genellikle daha kısa yarı ömürlere sahiptir. Bununla birlikte, atom numarası 110 ila 114 olan süper ağır elementlerin nispeten uzun ömürlü izotoplarını kapsayan bir "kararlılık adası" mevcut olabilir. Adadaki en kararlı nüklidin yarı ömrüne ilişkin tahminler birkaç dakika ile milyonlarca yıl arasında değişmektedir. Her halükarda, süper ağır elementler (Z > 104 ile), herhangi bir dengeleyici etkinin yokluğunda artan Coulomb itmesi (giderek daha kısa yarı ömürlü kendiliğinden bölünme ile sonuçlanır) nedeniyle var olmayacaktır. ⓘ

Egzotik madde

Her madde parçacığı, zıt elektrik yüküne sahip karşılık gelen bir antimadde parçacığına sahiptir. Dolayısıyla pozitron pozitif yüklü bir antielektron, antiproton ise protonun negatif yüklü bir eşdeğeridir. Bir madde ve ona karşılık gelen antimadde parçacığı karşılaştığında birbirlerini yok ederler. Bu nedenle, madde ve antimadde parçacıklarının sayısı arasındaki dengesizlikle birlikte, sonuncular evrende nadirdir. Bu dengesizliğin ilk nedenleri henüz tam olarak anlaşılamamıştır, ancak baryogenez teorileri bir açıklama sunabilir. Sonuç olarak, doğada hiç antimadde atomu keşfedilmemiştir. 1996 yılında Cenevre'deki CERN laboratuvarında hidrojen atomunun antimadde karşılığı (antihidrojen) sentezlenmiştir. ⓘ

Diğer egzotik atomlar proton, nötron ya da elektronlardan birinin aynı yüke sahip başka parçacıklarla değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. Örneğin, bir elektron daha büyük kütleli bir müon ile değiştirilerek müonik bir atom oluşturulabilir. Bu tür atomlar fiziğin temel öngörülerini test etmek için kullanılabilir. ⓘ