Atom numarası, atom kütlesi ve izotoplar

Megaturks

 
Kurucu
Katılım
7 Tem 2020
Mesajlar
332
Tepkime puanı
14
Günlük hayatta radyoaktiviteden bahsedildiğini sıkça duyarız. Örneğin, nükleer enerji, Fukuşima nükleer santral kazası veya nükleer silah geliştirme tartışmaları hakkında bir şeyler okumuş olabilirsiniz . Radyoaktivite aynı zamanda popüler kültürde de karşınıza çıkabilir: birçok süper kahramanın hikayesi radyasyona maruz kalma ile başlar, örneğin Spider Man, radyoaktif bir örümcek tarafından ısırılır. Peki bir şeyin radyoaktif olması tam olarak ne demektir?

Radyoaktivite aslında atomun bir özelliğidir. Radyoaktif atomların kararsız çekirdekleri vardır, daha kararlı hale gelebilmek için atom altı parçacık salınımı yaparlar. Bu süreçte enerji açığa çıkar ve bu enerji radyasyon olarak adlandırılır. Elementler, içerdikleri nötron sayısına bağlı olarak radyoaktif olabilir veya olmayabilir. Elementlerin bu farklı versiyonlarına "izotop" denir ve doğada küçük miktarlarda radyoaktif izotoplar bulunur. Örneğin, atmosferde karbonun küçük bir miktarı radyoaktif karbon-14 olarak bulunur ve fosillerde bulunan karbon-14 sayesinde paleontologlar fosillerin yaşını saptayabilir.

Bu makalede farklı atomlarda bulunan atom altı parçacıklarını ve bir izotopu radyoaktif yapan etkenleri inceleyeceğiz.

Atom Numarası, Atom Kütlesi ve İzafi Atom Kütlesi

Her elementin atomu kendine özgü sayıda proton sayısı içerir. Aslında proton sayıları bizim hangi atomu inceledeğimizi belirler (örneğin, altı protonlu bütün atomlar karbon atomudur). Bir atomdaki proton sayısına o atomun atom numarası denir. Buna karşılık elementteki nötron sayısı değişkenlik gösterebilir. Aynı atomun sadece nötron sayıları farklıysa buna izotop adı verilir. Atomun proton ve nötron sayısı beraber kütle numarası olarak adlandırılır: Kütle numarası=proton+nötron. Bir atomun hangi sayıda nötronu olduğunu hesaplamak istiyorsanız, atom numarasını veya proton sayısını kütle numarasından çıkarabilirsiniz.

Bir atomun kütle numarasıyla yakından ilişkili olan özellik atom kütlesidir . Atom kütlesi, atomun toplam kütlesidir ve atomik kütle birimi yani akb ile ifade edilir. 6 nötronlu bir karbon atomu olan karbon-12, 12 akb'lik bir atom kütlesine sahiptir. Diğer atomların genellikle tam sayıdan oluşan atom kütleleri yoktur, ancak bu makalede bu konuya değinemiyoruz. Ancak genellikle atomların atom kütleleri, kütle numaralarına çok yakındır ve ondalık basamaklar düzeyinde farklılık gösterirler.

Elementlerin izotopları farklı atom kütlelerine sahip olduğundan, bilim insanları bir elementin atom ağırlığı da denen bağıl atom kütlesini belirleyebilir. Bağıl atom kütlesi, her bir örnekteki bütün farklı izotopların katılımı ile elde edilen atom kütleleri ortalamasıdır. Her izotopun ortalamada ne kadar yer tutacağını o izotopun örneklemin ne kadarlık kesimini oluşturduğu belirler. Periyodik tabloda yer alan bağıl atom kütlesi -örneğin hidrojende, aşağıda- her elementin doğada bulunan her izotopu için bu izotopların Dünya'daki bolluğu tartılarak hesaplanır. Asteroidler ve meteorlar gibi dünya dışı maddelerin çok fazla miktarda değişik izotop bollukları bulunabilir.

Görsel periyodik tablonun anatomisini gösteriyor. Üst solda atom numarası veya proton sayısı var. Ortada elementin sembolü var (örneğin H). Altta ise Dünya'da doğal olarak bulunan izotoplar için hesaplanan bağıl atom kütlesi var. En aşağıda ise elementin ismi var (örneğin hidrojen).

Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax CNX Biology.

Görsel periyodik tablonun "anatomisini" gösteriyor. Üst solda atom numarası veya proton sayısı var. Ortada elementin sembolü var (örneğin H). Altta ise Dünya'da doğal olarak bulunan izotoplar için hesaplanan bağıl atom kütlesi var. En aşağıda ise elementin ismi var (örneğin hidrojen).


İzotoplar ve radyoaktif bozunma

Yukarıda da bahsedildiği gibi, izotoplar bir elementin farklı formlarıdır ve proton sayıları aynıyken nötron sayıları farklıdır. Karbon, potasyum ve uranyum gibi birçok elementin çok sayıda doğal olarak bulunan izotopları vardır. Nötr bir Karbon-12 atomunda altı proton, altı nötron ve altı elektron vardır: Bu sebeple kütle numarası 12'dir (altı proton artı altı nötron). Nötr bir Karbon-14 atomunda ise altı proton, sekiz nötron ve altı elektron bulunur: Bu sebeple kütle numarası 14'tür (altı proton artı sekiz nötron). Karbonun bu iki farklı formu izotoptur.

Bazı izotoplar kararlıdır ancak bazıları daha kararlı, düşük enerjili yapıda olmak için atom altı parçacıkları yayar veya bünyesinden atar. Bu izotoplara radyoizotoplar ; parçacıkları ve enerjiyi yayma işlemlerine de bozunma adı verilir. Radyoaktif bozunma çekirdekteki proton sayısında değişime neden olabilir; bu meydana geldiğinde atomun kimliği de değişir (örneğin, karbon-14'ün nitrojen-14'e bozunması).

Radyoaktif bozunma rastgele ancak üstel bir süreçtir. İzotopun yarı ömrü, maddenin yarısının görece daha kararlı bir ürüne dönüşene kadar bozunduğu zamana verilen addır. İzotopun ilk halinin bozunan ürüne ve daha kararlı maddeye dönüşüm oranı tahmin edilebilir; bu tahmin edilebilirlik sayesinde, bağıl izotop bolluğu izotopun (örneğin bir fosile) karışımından bugüne kadar geçen zamanın hesaplanmasında bir saat gibi kullanılabilir.

Karbon-14'ün radyoaktif bozunma grafiği. Karbon-14 miktarı zamanla katlanarak azalıyor. Orijinal karbon-14'ün yarısının bozunduğu  -ve yarısının hala bozunmadan kaldığı- zaman t 1/2 olarak gösterilmiş. Bu zaman ayrıca  radyoizotopun yarı ömrü olarak bilinir ve karbon-14 için bu 5730 yıla eşittir.

Görselin uyarlandığı kaynak: CK-12 Biology

Karbon-14'ün radyoaktif bozunma grafiği. Karbon-14 miktarı zamanla katlanarak azalıyor. Orijinal karbon-14'ün yarısının bozunduğu -ve yarısının hala bozunmadan kaldığı- zaman t 1/2 olarak gösterilmiş. Bu zaman ayrıca radyoizotopun yarı ömrü olarak bilinir ve karbon-14 için bu 5730 yıla eşittir.

Örneğin, karbon normalde atmosferde gaz halinde karbondioksit olarak bulunur ve karbon-12 ve karbon-13 adında iki kararlı hali, karbon-14 adında ise radyoaktif bir hali vardır. Karbonun bu halleri atmosferde nispeten sabit oranlarda bulunur: Karbon-12 %99 oranında, karbon-13 %1'in altı oranında, karbon-14 ise çok ufak miktarlarda olmak üzere. Bitkiler şeker üretmek için havadan karbondioksit aldıklarında dokularındaki karbon-14 miktarı atmosferdeki karbon-14 yoğunluğuna eşit olacaktır. Hayvanlar bitkileri ya da bitkileri yiyen diğer hayvanları yedikçe, vücutlarında atmosferdeki yoğunluğa eşit miktarda karbon-14 yoğunluğu görülecektir. Bir organizma öldüğünde vücuduna karbon-14 alışı durur, dolayısıyla fosilleşmiş kemikler gibi organizmadan geri kalan bedende karbon-14’ün karbon-12’ye oranı, karbon-14’ün nitrojen-14’e bozunmasıyla aşamalı olarak düşer2^22squared.

Yarı ömrü olan yaklaşık 5730 yıl sonra, karbon-14'ün yarısı nitrojen-14'e dönüşmüş olur. Bu özellik, geçmişte yaşamış olan kemik veya tahta gibi maddelerin yaşlarını ölçmek için kullanılabilir. Bir maddedeki karbon-14 ve karbon-12 yoğunlukları oranını atmosferdeki aynı oranla (başlangıçta maddenin sahip olduğu yoğunluğa eşittir) karşılaştırılarak, henüz bozunmayan izotop oranı belirlenebilir. Bu orana dayanılarak, madde eğer 50.000 yıldan çok daha yaşlı değilse maddenin yaşı tam olarak hesaplanabilir. Diğer elementlerin farklı yarı ömürlere sahip olan izotopları vardır ve dolayısıyla farklı zaman ölçeklerinde yaş hesaplamalarında kullanılabilirler. Örneğin potasyum-40'ın yarı ömrü 1,25 milyar yıl, uranyum-235'in yarı ömrü yaklaşık 700 milyon yıldır ve ay taşlarının yaşını hesaplamada kullanılmıştır.