Kütle Numarası Nedir? Nasıl Hesaplanır?

Kütle numarasının tanımı

Kütle numarası, atom çekirdeğindeki proton sayısı ile nötron sayısının toplamıdır. Proton ve nötronlar birlikte nükleon olarak adlandırılır. Bu yüzden kütle numarası, çekirdekteki toplam nükleon sayısını belirtir ve genellikle A harfiyle gösterilir. Kütle numarası bir atomun çekirdek yapısına ait bir sayıdır; periyodik tablodaki element sembolünün kendisi değildir.

Bir çekirdekteki proton ve nötronların her biri yaklaşık bir atomik kütle birimi kadar katkı yaptığı için tek bir atomun kütlesi, yaklaşık olarak kütle numarasına eşit kabul edilir. Örneğin çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunan karbon atomunun kütle numarası 12’dir. Başka bir örnekte 12 proton ve 13 nötron içeren magnezyum atomunun kütle numarası 25 olur. Burada yapılan işlem, çekirdekteki iki tanecik türünün sayısını toplamaktır.

Kütle numarası atomun çekirdeğini tanımlar; elektronların çekirdek dışında bulunması bu toplamın kapsamına girmez. Bu nedenle bir atomun kütle numarasını bulurken önce proton ve nötron sayılarına bakılır, ardından bu iki sayı toplanır.

Proton, nötron ve elektronların kütle numarasındaki rolü

Protonlar pozitif yüklü, nötronlar yüksüz ve elektronlar negatif yüklü atom altı taneciklerdir. Protonlar ve nötronlar atomun çekirdeğinde bulunur; elektronlar ise çekirdeğin çevresindeki bölgede yer alır. Kütle numarasını oluşturan tanecikler yalnızca protonlar ve nötronlardır. Elektronlar çok küçük bir kütleye sahip oldukları ve çekirdekte bulunmadıkları için kütle numarasına eklenmez.

Bu ayrımın nedeni, kütle numarasının atomun bütün taneciklerinin sayısını değil, çekirdekteki nükleonların sayısını göstermesidir. Örneğin 8 proton, 8 nötron ve 8 elektrondan oluşan yüksüz bir oksijen atomunda kütle numarası 8 + 8 = 16 olur. Elektron sayısı da 8 olmasına rağmen hesaplamaya katılmaz. Elektron sayısı, atomun yüksüz mü yoksa iyon hâlinde mi olduğunu anlamada önemlidir; ancak kütle numarasını değiştirmez.

Bir atomda proton sayısı elementin kimliğini, nötron sayısı ise aynı elementin farklı kütle numaralarına sahip olup olamayacağını etkiler. Elektron sayısı değiştiğinde iyon oluşabilir, fakat çekirdekteki proton ve nötron sayıları aynı kaldığı sürece kütle numarası da aynı kalır.

Kütle numarasının hesaplanması

Proton ve nötron sayıları biliniyorsa kütle numarası doğrudan toplama işlemiyle bulunur. Hesaplamanın temel adımları şunlardır: çekirdekteki proton sayısını belirlemek, nötron sayısını belirlemek ve iki sayıyı toplamaktır. Kütle numarası tam sayı olarak yazılır; çünkü proton ve nötron sayıları sayılabilir tanecik miktarlarıdır.

Örneğin bir atomun çekirdeğinde 11 proton ve 12 nötron varsa kütle numarası 11 + 12 = 23 olur. Bu atom sodyum-23 olarak adlandırılabilir. Çekirdeğinde 17 proton ve 18 nötron bulunan bir atom için işlem 17 + 18 = 35’tir; dolayısıyla kütle numarası 35’tir. Elektron sayısı verilmiş olsa bile bu sayı toplama işlemine eklenmez.

Bazen kütle numarası ve atom numarası bilinirken nötron sayısı sorulabilir. Atom numarası proton sayısına eşit olduğundan nötron sayısı, kütle numarasından atom numarası çıkarılarak bulunur. Örneğin kütle numarası 27 ve atom numarası 13 olan bir atomda nötron sayısı 27 - 13 = 14’tür. Böylece kütle numarası yalnızca sonuç bulmak için değil, çekirdeğin yapısındaki eksik taneciği belirlemek için de kullanılabilir.

Atom gösteriminde kütle numarasının yeri

Bir atomun gösteriminde kütle numarası, element sembolünün sol üst tarafına üst indis olarak yazılır. Atom numarası ise genellikle sembolün sol alt tarafında gösterilir. Genel gösterim ^A_ZX biçimindedir. Burada A kütle numarasını, Z atom numarasını, X ise element sembolünü belirtir. Örneğin ^{23}_{11}Na gösteriminde 23 kütle numarası, 11 atom numarasıdır.

Alt indis her zaman yazılmayabilir; çünkü element sembolü zaten atomun kimliğini belirtir. Ancak kütle numarasının üstteki konumu, gösterimde ayırt edici bir bilgidir. ^{24}_{12}Mg ifadesi, 12 protonlu magnezyum atomunun kütle numarasının 24 olduğunu gösterir. Bu atomdaki nötron sayısı da 24 - 12 = 12 olarak bulunur. Aynı element için üstteki sayı değişebilir; örneğin magnezyum-25 gösteriminde üstte 25 bulunur.

Kütle numarası ile atom numarası arasındaki fark

Atom numarası, çekirdekteki proton sayısını gösterir ve Z harfiyle ifade edilir. Elementin kimliğini belirleyen sayı atom numarasıdır. Proton sayısı değişirse element de değişir. Kütle numarası ise çekirdekteki proton ve nötronların toplamıdır ve A harfiyle gösterilir. Bu nedenle kütle numarası, çekirdeğin toplam nükleon sayısı hakkında bilgi verir.

Örneğin ^{23}_{11}Na gösteriminde atom numarası 11’dir; bu sayı atomun sodyum olduğunu belirtir. Kütle numarası 23’tür; bu da çekirdekte toplam 23 nükleon bulunduğunu gösterir. Nötron sayısı 23 - 11 işlemiyle 12 bulunur. Atom numarası 11 olarak kaldığı sürece atom sodyum olmaya devam eder; nötron sayısının değişmesi kütle numarasını değiştirebilir ancak elementin kimliğini değiştirmez.

Karıştırmayı önlemek için üstteki sayının proton ve nötron toplamını, alttaki sayının ise yalnızca proton sayısını gösterdiği hatırlanabilir. Atom numarası kütle numarasından çıkarıldığında nötron sayısı elde edilir.

İzotoplarda kütle numarasının değişmesi

Aynı elementin proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan atomlarına izotop denir. Proton sayısı elementin kimliğini belirlediği için izotoplarda değişmez; nötron sayısı değiştiğinde ise proton ve nötron toplamı, yani kütle numarası değişir. Bu nedenle aynı elementin birden fazla kütle numarasına sahip atomları olabilir.

Magnezyum bunun açık bir örneğidir. Tüm magnezyum atomlarında 12 proton bulunur. Çekirdeğinde 12 nötron olan magnezyumun kütle numarası 24’tür. 13 nötron taşıyan magnezyumun kütle numarası 25, 14 nötron taşıyanınki ise 26’dır. Üç atomun da atom numarası 12 olduğu için üçü de magnezyumdur; farklılık, nötron sayılarından kaynaklanır.

Bir elementin izotoplarının ayrıntılı özellikleri ve kullanım alanları ayrı bir konudur; burada önemli olan, nötron sayısındaki değişimin kütle numarasını değiştirmesi ve proton sayısının element kimliğini korumasıdır. Bir atom elektron alır ya da verirse iyon oluşur; elektron sayısı değiştiği hâlde kütle numarası korunur, çünkü çekirdekteki proton ve nötron sayıları değişmez.

Kütle numarası ile periyodik tablodaki ortalama atom kütlesi arasındaki fark

Kütle numarası tek bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötronların toplamıdır ve tam sayı olarak ifade edilir. Periyodik tabloda element sembolünün yanında görülen ortalama atom kütlesi ise doğada bulunan farklı izotopların kütlelerinin ortalamasını temsil eder. Bu nedenle ortalama atom kütlesi çoğu element için tam sayı olmayabilir.

Bir elementin doğada birden fazla izotopu varsa bu izotopların her biri farklı kütle numarasına sahiptir. Periyodik tablodaki ortalama değer, izotopların doğadaki bulunma oranları dikkate alınarak elde edilir. Bu değer tek bir atomun kütle numarası değildir. Örneğin bor elementinin izotopları yaklaşık 10 ve 11 kütle numaralarına sahipken, periyodik tabloda bor için yaklaşık 10,8 gibi bir ortalama değer görülebilir. Hiçbir tek bor atomunun kütle numarası 10,8 değildir; tek tek atomların kütle numaraları tam sayıdır.

Bu nedenle atom gösterimindeki üst indis ile periyodik tablodaki ortalama atom kütlesi birbirinden ayrılmalıdır. Üst indis belirli bir atomun kütle numarasını verir; periyodik tablodaki ondalıklı değer ise element örneğindeki izotopların genel ortalamasını gösterir. Bu ortalamanın ayrıntılı hesaplamaları ayrı bir hesaplama konusudur.