You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Muhtemelen her şeyin atomlardan oluştuğunu ve bir atomun da gerçekten çok minik bir parçacık olduğunu biliyorsunuzdur. Her atomun bir çekirdeği vardır, çekirdek ise proton adı verilen pozitif elektrik yüklü en az bir tanecikten oluşur ve çoğu durumda nötron adı verilen birkaç nötr parçacıktan oluşur. Çekirdek, elektronlar adı verilen negatif elektrik yüklü taneciklerle çevrilidir. Bir atomun kimliği, yalnızca çekirdeğindeki proton sayısı ile belirlenir. Hidrojen 1 protona sahip olduğu için hidrojendir, karbon 6 protona sahip olduğundan karbodur, altın ise 79 protona sahip olduğundan altındır ve böyle devam eder. Bir dakikalığına konudan sapalım. Atomik yapı hakkındaki bilgiyi nereden biliyoruz? Protonları, nötronları veya elektronları göremeyiz. Bu yüzden, birtakım deneyler yapıyor ve olduğunu düşündüğümüz şeyin modelini geliştiriyoruz. Sonra biraz daha deney yapıyoruz ve modele uyup uymadığını görüyoruz. Uyuyorsa harika. Uymuyorsa yeni bir model oluşturma zamanı gelmiş demektir. MÖ 400'de yaşamış Demokritos'tan beri, çok farklı atom modellerine sahibiz ve gelecekte de çok daha fazlası olacağa benziyor. Tamam, konumuza dönelim. Atom çekirdekleri birbirine yapışma eğilimdedir fakat elektronlar özgürce gezer, bu yüzden, kimyagerler elektronları sever. Onları evlendirebilseydik gerçekten evlenirlerdi. Fakat elektronlar gariptir. Ya küçük beyzbol topları gibi tanecikler olarak hareket ederler ya da dalgalar gibi, su dalgaları gibi hareket ederler, tabii bu durum gerçekleştirdiğimiz deneye bağlıdır. Elektronlarla ilgili en ilginç şeylerden birisi, tam olarak nerede olduklarını söyleyememizdir. Sebebi, ekipmana sahip olmadığımızdan değil, bu belirsizliğin, elektron modelimizin bir parçası olmasındandır. Yerlerini belirleyemiyoruz, pekâlâ. Fakat çekirdeğin çevresindeki bir alandaki elektronu bulma olasılığımızın kesin olarak var olduğunu söyleyebiliriz. Bu durumda şu soruyu sorabiliriz: Eğer çekirdeğin etrafına bir şekil çizsek ve bu şekil içerisinde bir elektronu bulma konusunda %95 emin olsak bu şekil neye benzerdi? İşte bu şekillerden birkaçı. Kimyagerler onlara yörüngeler diyor ve her birinin neye benzeyeceği de her şeyden çok sahip olduğu enerjiye bağlıdır. Bir yörüngede ne kadar çok enerji varsa yoğunluğu da çekirdekten o kadar uzak olur. Bu arada, neden %100 değil de %95 dedik? Bu, elektron modelimizin diğer bir garipliği. Çekirdekten belirli bir mesafe uzaklaştığınızda, bir elektron bulma olasılığınız takriben katlanarak düşmeye başlar, bunun anlamı şudur, sıfıra yaklaşacak olsa bile aslında sıfırı hiçbir zaman bulamayacaktır. Yani, her atomda çok çok kısa bir süre için, elektronlarından birisinin bilinen evrenin diğer ucunda olmasına dair birkaç küçük, sıfıra eşit olmayan olasılık bulunmaktadır. Fakat elektronlar çoğunlukla çekirdeğe yakın dururlar, tıpkı negatif elektrik yüklü yoğunluğa sahip bulutların zamanla değişip hareket etmesi gibi. Bir atomdaki elektronların diğer bir atomdaki elektronlarla etkileşme biçimi neredeyse her şeyi belirliyor. Atomlar elektronlarını bırakabilir, onları diğer atomlara teslim edebilir veya elektronları paylaşabilirler. Bu sosyal ağın dinamikleri de kimyayı ilginçleştiren şeydir. Sade, eski kayalıklardan yaşamın güzel karmaşıklığına kadar gördüğümüz, duyduğumuz, kokladığımız, tattığımız, dokunduğumuz ve hatta hissettiğimiz her şeyin doğası atom seviyesinde belirlenmektedir.