Atom gözle veya en gelişmiş elektron
mikroskopları ile bile görülemez Maddenin kütlei olduğu halde maddeyi
oluşturan atomların tek tek kütleleri ölçülemez ve atomlar duyu
organları tarafından algılanamaz Eski çağlardan günümüze kadar gözle
görülemeyen atom hakkında çeşitli bilim adamları deneyler yapmışlar,
atom hakkında elde ettikleri bilgileri açıklamak için çeşitli bilimsel
modeller ortaya koymuşlardır Atom hakkında ortaya konan her yeni model
bir önceki modelin eksikliğini gidermiştir Atom hakkında yapılan yeni
deneyleri açıklayamayan modelin yerine de yeni bir model
geliştirilmiştir
Eski atom modellerinin bugün geçerli olmamasının nedeni, o modelleri geliştiren bilim adamlarının iyi düşünememesinden değil, o dönemde bilinenlerin bugün bilinenlere göre daha az olmasından kaynaklanır (Dalton atom modeli açıklandığında o dönemde bilinenler dikkate alındığında o modeli geliştirmek, Bohr atom modelini geliştirmekten daha zordu)
Atom hakkında Democritus, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr ve De Broglie isimli bilim adamları ve filozoflar görüşlerini ortaya koymuşlar ve günümüzdeki atom modeli ortaya çıkmıştır Günümüzde kullanılan atom modeli Modern Atom Teorisi sonucu ortaya konmuştur ve bugünkü model, yeni bir model bulununcaya kadar geçerliliğini sürdürecektir
Eski atom modellerinin bugün geçerli olmamasının nedeni, o modelleri geliştiren bilim adamlarının iyi düşünememesinden değil, o dönemde bilinenlerin bugün bilinenlere göre daha az olmasından kaynaklanır (Dalton atom modeli açıklandığında o dönemde bilinenler dikkate alındığında o modeli geliştirmek, Bohr atom modelini geliştirmekten daha zordu)
Atom hakkında Democritus, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr ve De Broglie isimli bilim adamları ve filozoflar görüşlerini ortaya koymuşlar ve günümüzdeki atom modeli ortaya çıkmıştır Günümüzde kullanılan atom modeli Modern Atom Teorisi sonucu ortaya konmuştur ve bugünkü model, yeni bir model bulununcaya kadar geçerliliğini sürdürecektir
A) Democritus Atom Modeli (Democritus–M Ö 400) :
Atom hakkında ilk görüş M Ö 400’lü yıllarda Yunanlı filozof Democritus tarafından ortaya konmuştur (Teosta yaşamıştır) Democritus, maddenin taneciklerden oluştuğunu savunmuş ve bu taneciklere atom adını vermiştir Democritus, atom hakkındaki görüşlerini deneylere göre değil varsayımlara göre söylemiştir Democritus’ a göre;
• Madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilir ve bu tanecik atomdur
• Bütün maddeler aynı tür atomlardan oluşur
• Maddelerin farklı olmasının nedeni maddeyi oluşturan atomların sayı ve dizilişi biçiminin farklı olmasıdır
• Atom görülemez
• Atom görülemediği için bölünemez
Atom hakkında ilk görüş M Ö 400’lü yıllarda Yunanlı filozof Democritus tarafından ortaya konmuştur (Teosta yaşamıştır) Democritus, maddenin taneciklerden oluştuğunu savunmuş ve bu taneciklere atom adını vermiştir Democritus, atom hakkındaki görüşlerini deneylere göre değil varsayımlara göre söylemiştir Democritus’ a göre;
• Madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilir ve bu tanecik atomdur
• Bütün maddeler aynı tür atomlardan oluşur
• Maddelerin farklı olmasının nedeni maddeyi oluşturan atomların sayı ve dizilişi biçiminin farklı olmasıdır
• Atom görülemez
• Atom görülemediği için bölünemez
B) Dalton Atom Modeli (John Dalton 1766–1844) :
Atom hakkında ilk bilimsel görüş 1803 – 1808 yılları arasında İngiliz bilim adamı John Dalton tarafından ortaya atılmıştır Dalton’ a göre;
• Maddenin en küçük yapı taşı atomdur (Maddeler çok küçük, bölünemez, yok edilemez berk taneciklerden oluşur )
• Atom parçalanamaz
• Atom içi dolu küre şeklindedir
• Bütün maddeler farklı tür atomlardan oluşmuştur
• Maddelerin birbirlerinden farklı olmasının nedeni maddeyi oluşturan atomların farklı özellikte olmasıdır
• Bir maddeyi oluşturan atomların tamamı birbirleriyle aynı özelliklere sahiptir.
Madde fiziksel veya kimyasal değişmeye uğradığında atomlar varlıklarını korurlar,
parçalanmaz ve yeniden oluşturulamazlar
Kimyasal olaylar atomların birleşmesi veya ayrılması sonucu oluşur Atomlar birleşerek molekülleri oluşturur Bir bileşiğin molekülleri tamamen birbirinin aynısıdır
Dalton İngiltereli bir kimyacı olup daha çok maddenin yapısını açıklayan atom teorisiyle ün kazanmıştır Bunun yanında gazların bir takım özellikleriyle ve özellikle kısmi basınçlarıyla ilgili çalışmalarda yapmıştır
Birçok elementin atomlarının ağırlıklarını kendi ilkel ortamında çalışarak ölçmeye çalışmış ve bu ağırlıklarla ilgili bir tablo yapmıştır Ancak daha sonra gelişen teknik ve teknolojiyle bilim adamları tarafından atomların ağırlıklarını yeniden ölçülmüş ve Dalton’un hazırladığı bu tablonun hatalı olduğu ortaya çıkmıştır
Sabit oranlar kanunu ve katlı oranlar kanunu olarak gördüğümüz bileşiklerdeki kütlesel ilişkilere bakarak 1803 yılında John Dalton, maddelerin çok çok küçük yapı taşlarının topluluğu halinde bulunduğu, fikrini ileri sürdü Dalton atom teorisi olarak ortaya konular temel özellikler şunlardır
• Aynı elementin atomları biçim, büyüklük, kütle ve daha başka özellikler bakımından aynıdır Ancak bir elementin atomları başka bir elementin atomlarından farklıdır
• Atomlar belli sayılarda birleşerek molekülleri oluştururlar 1 atom X ile 1 atom Y den XY, 1 atom X ile 2 atom Y den XY2 bileşiği oluşur Oluşan bileşikler ise standart özellikleri moleküller topluluğudur
• Farklı cins atomlar farklı kütlelidir
Atomla ilgili günümüzdeki bilgiler dikkate alındığında Dalton atom teorisinde üç önemli yanlış hemen fark edilir:
• Atomlar içi boş küreler değildir Boşluklu yapıdadırlar
• Aynı cins elementlerin atomları tam olarak aynı değildir Kütleleri farklı (izotop) olanları vardır
• Maddelerin en küçük parçasının atom olduğu ve atomların parçalanamaz olduğu doğru değildir Radyoaktif atomlar daha küçük parçalara ayılarak daha farklı kimyasal özellikte başka atomlara ayrışabilir; proton, nötron, elektron gibi parçacıklar saça bilirler
C) Thomson Atom Modeli (John Joseph Thomson 1856–1940) :
Atomun yapısı hakkında ilk model 1897 yılında Thomson tarafından ortaya konmuştur Thomson atom modeli bir karpuza ya da üzümlü keke benzer Thomson’ a göre;
• Atom küre şeklindedir (Çapı 10–8 cm)
• Atomda (+) ve (–) yüklü tanecikler bulunur
• Thomson’a göre atom; dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup negatif yüklü olan elektronlar kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre içerisine gömülmüş haldedir
• Atomlar, daha küçük taneciklerden oluştuğu için parçalanabilirler
parçalanmaz ve yeniden oluşturulamazlar
Kimyasal olaylar atomların birleşmesi veya ayrılması sonucu oluşur Atomlar birleşerek molekülleri oluşturur Bir bileşiğin molekülleri tamamen birbirinin aynısıdır
Dalton İngiltereli bir kimyacı olup daha çok maddenin yapısını açıklayan atom teorisiyle ün kazanmıştır Bunun yanında gazların bir takım özellikleriyle ve özellikle kısmi basınçlarıyla ilgili çalışmalarda yapmıştır
Birçok elementin atomlarının ağırlıklarını kendi ilkel ortamında çalışarak ölçmeye çalışmış ve bu ağırlıklarla ilgili bir tablo yapmıştır Ancak daha sonra gelişen teknik ve teknolojiyle bilim adamları tarafından atomların ağırlıklarını yeniden ölçülmüş ve Dalton’un hazırladığı bu tablonun hatalı olduğu ortaya çıkmıştır
Sabit oranlar kanunu ve katlı oranlar kanunu olarak gördüğümüz bileşiklerdeki kütlesel ilişkilere bakarak 1803 yılında John Dalton, maddelerin çok çok küçük yapı taşlarının topluluğu halinde bulunduğu, fikrini ileri sürdü Dalton atom teorisi olarak ortaya konular temel özellikler şunlardır
• Aynı elementin atomları biçim, büyüklük, kütle ve daha başka özellikler bakımından aynıdır Ancak bir elementin atomları başka bir elementin atomlarından farklıdır
• Atomlar belli sayılarda birleşerek molekülleri oluştururlar 1 atom X ile 1 atom Y den XY, 1 atom X ile 2 atom Y den XY2 bileşiği oluşur Oluşan bileşikler ise standart özellikleri moleküller topluluğudur
• Farklı cins atomlar farklı kütlelidir
Atomla ilgili günümüzdeki bilgiler dikkate alındığında Dalton atom teorisinde üç önemli yanlış hemen fark edilir:
• Atomlar içi boş küreler değildir Boşluklu yapıdadırlar
• Aynı cins elementlerin atomları tam olarak aynı değildir Kütleleri farklı (izotop) olanları vardır
• Maddelerin en küçük parçasının atom olduğu ve atomların parçalanamaz olduğu doğru değildir Radyoaktif atomlar daha küçük parçalara ayılarak daha farklı kimyasal özellikte başka atomlara ayrışabilir; proton, nötron, elektron gibi parçacıklar saça bilirler
C) Thomson Atom Modeli (John Joseph Thomson 1856–1940) :
Atomun yapısı hakkında ilk model 1897 yılında Thomson tarafından ortaya konmuştur Thomson atom modeli bir karpuza ya da üzümlü keke benzer Thomson’ a göre;
• Atom küre şeklindedir (Çapı 10–8 cm)
• Atomda (+) ve (–) yüklü tanecikler bulunur
• Thomson’a göre atom; dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup negatif yüklü olan elektronlar kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre içerisine gömülmüş haldedir
• Atomlar, daha küçük taneciklerden oluştuğu için parçalanabilirler
İngiliz fizik âlimlerinden biri olup, elektronlar hakkındaki çalışmalardan dolayı 1906
da Nobel fizik ödülünü almıştır 1885’te içi boş bir cam tüp içerisinden elektrik akımları üzerinde çalışırken ışınları tüpün negatif (katot) kutbundan geldiğini görmüş ve ilk defa katot ışınlarını bulmuştur Böylece elektronları da bulmuştur Ve sonuç olarak elektronların her atomun tabiatında var olan temel parçacıklar olduğunu söylemiştir
Dalton atom modelinde (–) yüklü elektronlardan ve (+) yüklü protonlardan söz edilmemiştir Yapılan deneyler yardımıyla; katot ışınlarından protonun varlığını ortaya koymuştur Thomson atom altı parçacıklar üzerinde çalışmalar yaparken icat ettiği katot tüpü yardımıyla 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya attı
Elektronların kütlesi pozitif yüklerin kütlesinden çok küçüktür Bu nedenle atomları başlıca pozitif yükler oluşturur
Atomda elektriksel dengeyi sağlamak için pozitif yük sayısına eşit sayıda elektron küre içinde dağılmıştır
Elektronun Keşfi:
Maddenin yapısına ilk olarak modern yaklaşım Thomson’un katot ışınlarını inceleyerek elektronun keşfi ile başlar Thomson: elektriksel gerilim uygulanan katot ışınları tüpünde katot ışınların negatif kutup tarafından itildiğini pozitif kutba doğru çekildiğini tespit etti
Aynı cins elektrik yüklerinin bir birini itmesi ve farklı yük elektrik yüklerinin birbirini çekmesi nedeniyle Thomson katot ışınlarının negatif elektrik yüklerinden olduğu sonucu çıkardı
Thomson deneyinde katot için farklı madde kullandığında ve deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda da katot ışınlarının aynı davranışta bulunduğunu gördü Böylece elektronun maddenin cinsinin karakteristik bir özelliği olmadığını bütün atom cinsleri için elektronun her birinin aynı olduğunu neticesini ortaya koydu
Elektron negatif yüklü olduğundan elektriksel alanda pozitif kutba doğru saparlar Elektriksel alandaki bu sapmalar taneciğin yükü (e)ile doğru, kütlesi(m) ile ters orantılıdır Yükün kütleye oranı (e/m) bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir
Protonun Keşfi:
Katot tüpleriyle elektron elde edildiği gibi, elektrik deşarj (boşalma ) tüpleri ile de pozitif iyonlar elde edilir Bu tüplerde uygulanan yüksek gerilim sonucunda atomdan elektronlar koparılarak pozitif iyonlar oluşturulur Oluşan bu pozitif iyonlar bir elektriksel alanda elektronun ters yönünde hareket ederek negatif elektrota (katota) doğru ilerler Bu iyonların büyük bir kısmı hareketleri sırasında ortamdaki elektronlara çarparak nötral atomlar oluştururlar Çok az bir kısmı ise yollarına devam ederek katota erişirler Eğer ortası delikli bir katot kullanılırsa, pozitif parçacıklar delikten geçerler Bu ışınlara pozitif iyonlar ya da kanal ışınları denir
Pozitif iyonlar için e/m nin saptanmasında katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı Katot ışınlarında katot maddesi ne olursa olsun elde edilen ışınların e/m oranı hep aynı bulunmuştu Oysa pozitif ışınlarda elde edilen e/m oranı tüpteki gazın oranına göre farklı olduğu bulundu.
Protonlar ve elektronlar yüklü parçacıklardır Bunlar yük bakımından eşit, işaretçe zıttılar Protonlar +1 birim yüke, elektron ise –1 birim yüke eşittir
Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler toplamı sıfıra eşittir
Atom yarı çapı 10-8 cm olan bir küre şeklindedir Söz konusu küre içerisinde proton ve elektronlar atomda rasgele yerlerde bulunurlar Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer
Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçüktür Bu nedenle atomun ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder
• Nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson atom teorisinin
eksikliklerinden biridir
• Proton ve elektronların atomda rasgele yerlerde bulunduğu iddiası ise teorinin hatalı yönüdür
D) Rutherford Atom Modeli (Ernest Rutherford 1871–1937) :
Atomun çekirdeğini ve çekirdekle ilgili birçok özelliğin ilk defa keşfeden bir bilim adamı Rutherford’dur
• Atom kütlesinin tamamına yakını merkezde toplanır, bu merkeze çekirdek denir
• Atomdaki pozitif yüklere proton denir
• Elektronlar çekirdek etrafında gezegenlerin Güneş etrafında dolandığı gibi dairesel yörüngelerde sürekli dolanırlar Çekirdekle elektronlar arasında çekim kuvveti olduğu için elektronların çekirdeğe düşmemeleri için dolanmaları gerekir (Yörünge daire şeklinde değil, enerji seviyesine karşılık gelen orbitallerde dolanır)
• Elektronların bulunduğu hacim çekirdeğin hacminden çok büyüktür
• Çekirdekteki protonların sayısı (yük miktarı) bir maddenin bütün atomlarında aynı, fakat farklı maddenin atomlarında farklıdır
• Çekirdekteki proton (yük) sayısı, elektron sayısına eşittir
• Çekirdekteki pozitif yüklerin kütlesi yaklaşık atom kütlesinin yarısına eşittir.
Yeni Zellanda’da doğmuş ve başarılı bir öğrenci olduğundan 1894 yılında İngiltere’ye gelmiştir İlk önceleri elektromanyetik radyasyon hakkında çalışmalar yapmıştır Daha sonraları ilgisini X ışınlarına ve radyoaktiviteye çevirmiştir Farklı tipte elektromanyetik radyasyonların varlıklarını ortaya atmış bunlara ilk defa ve sembolleri ve isimlerini vermiştir Devamla ışımasının helyum çekirdeği, ışımasının ise elektron içerdiğini bulmuş ve bu çalışmasından dolayı 1908 yılında kimya Nobel ödülü almıştır
1911 yılında atomun kütlesinin çoğunu içine alan çok küçük bir merkezinin olduğunu ortaya attı ve buna çekirdek adını verdi
Atomun yapısının açıklanması hakkında önemli katkıda bulunanlardan biride Ernest Rutherford olarak bilinir Rutherford’dan önce Thomsan atom modeli geçerliydi bu kurala göre atom küre şeklindedir Ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunur Acaba bu proton ve elektronlar atom içerisinde belirli bir yere mi yoksa rast gele mi dağılım içerisinde mi bulunuyordu? Bu sorunun cevabı daha bulunamamıştı Rutherford bu sorunun cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı alfa parçacıkları deneyinde bir model geliştirdi
Polonyum ve radyum bir ışını kaynağıdır Rutherford bir radyoaktif kaynaktan çıkan taneciklerini bir demet halinde iğne ucu büyüklüğündeki yarıktan geçirdikten sonra kalınlığı 10-4 cm kadar olan ve arkasında çinko sülfür (ZnS) sürülmüş bir ekran bulunan altın levha üzerine gönderdi Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen parçacıkları ekrana sürülen ZnS üzerine ışıldama yaparlar Böylece metal levhayı geçen parçacıklarını sayma imkanı elde edilmiş olunur Rutherford yaptığı deneyde metal levha üzerine gönderilen parçacıklarının 99,99 kadarının ya hiç yollarında sapmadan ya da yollarında çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kısmının ise metale çarptıktan sonra büyük bir açı yaparak geriye döndüklerini gördü Rutherford daha sonra deneyi altın levha yerine kurşun, bakır ve platin levhalar üzerinde denedi Hepsinde de aynı sonuç ortaya çıktığını gördü
Kinetik enerjisi çok yüksek olan çok hızlı olarak bir kaynaktan çıkan parçacıklarının geriye dönmesi için;
1- Metal levhada pozitif kısmın olması
2- Bu pozitif yüklü kısmın kütlesinin (daha doğrusu yoğunluğunun) çok büyük olması gerekir
Bu düşüncelerden harekele Rutherford bu deneyden şu sonucu çıkardı:
• Eğer tanecikleri atom içerisinde ki bir elektrona çarpsaydı kinetik enerjileri büyük olduğu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam edebilirdi Ayrıca a - taneciği pozitif, elektron olduğundan söz konusu almaması gerekliydi Bu düşünceyle hareket eden Rutherford metale çarparak geriye dönen a - parçacıklarının sayısı metal levhadan geçenlere oranla çok küçük olduğundan atom içerisinde pozitif yüklü ve kütlesi büyük olan bu kısmın hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olması gerektiğini düşünerek, bu pozitif yüklü kısma çekirdek dedi
• Rutherford atomun kütlesini yaklaşık olarak çekirdeğin kütlesine eşit olduğu ve elektronlarda çekirdek etrafındaki yörüngelere döndüğünü ileri sürmüştür Buna göre Rutherford atomu güneş sistemine benzetmiş oluyor Rutherford atom modelini ortaya koyduğunda nötronların varlığı daha bilinmiyordu Günümüzde ise çekirdeğin proton ve nötronlar içerdiği ve bunların çekirdeğin kütlesini oluşturduklarına inanılmaktadır Rutherford’un ortaya koyduğu atom modelinin boyutlarını da anlamak önemlidir Bunu şu şekilde ifade edebiliriz Eğer bir atomun çekirdeği Bir tenis topu büyüklüğünde olsaydı, bu atom büyük bir stadyum büyüklüğünde olurdu
E) Bohr Atom Modeli (Niels David Bohr 1875–1962) :
Bohr atom teorisi hidrojenin yayınma spektrumuna dayanılarak açıklanır Bohr’ a göre;
• Elektronlar çekirdek etrafında belirli uzaklıklardaki katmanlarda dönerler, rasgele dolanmazlar
• (Yüksek enerji düzeyinde bulunan elektron, düşük enerji düzeyine geçerse fotonlar halinde ışık yayarlar)
• (Kararlı hallerin tamamında elektronlar çekirdek etrafında dairesel yörünge izlerler)
Bohr, Danimarkalı bir fizikçidir Doktorasını bu şehirde bitirdikten sonra 1911 yılında J J Thomson ile birlikte çalışmak için İngiltere’ye gitti Birkaç yıl içinde ciddi ve başarılı çalışmalarda bulunarak atomların yapısını ve spektrumların açıklanışı hakkında teorisini ortaya koymuş ve kitap halinde yayınlamıştır Daha sonra Kopenhag’a geriye dönmüş ve orada teorik fizik enstitüde yöneticilik yapmıştır Bu enstitüde gerek kimya ve gerek fizik dalında birçok Nobel ödülü kazanmış olan W Heisenberg, W Pouli ve L Pauling gibi birçok genç bilim adamı yetiştirmiştir Atomun ilk kuantum modelini önerdi Kuantum mekaniğinin ilk gelişmesinde aktif olarak katıldı ve bu konuda pek çok felsefi çalışmalar yaptı Çekirdek fiziğine, çekirdeğin sıvı damlası modelinin geliştirilmesinde büyük rol oynadı Atomların yapısı ve onlardan yayılan ışınım üzerine yaptığı çalışmalar için 1922'de fizikte Nobel ödülünü kazandı
Buraya kadar anlatılan atom modellerinde atomun çekirdeğinde (+) yüklü proton ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların dolaştığı ifade edildi Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede dolaştığı, hızı ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya konmadı Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan inceledi
• Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıkta ve kararlı hâllerde hareket ederler Her kararlı halin sabit bir enerjisi vardır
• Her hangi bir enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir
• Elektronlar kararlı hallerden birinde bulunurken atomdan ışık (radyasyon) yayılmaz Ancak yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar Bunlara E=h ν bağıntısı geçerlidir
• Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere her enerji düzeyi pozitif bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak “n” ile gösterilir (n : 1,2,3, ∞ )
Bugünkü atom modelimize göre : Borh kuramını elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettiği, ifadesi yanlıştır
1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu En düşük enerjili durumdaki atoma temel durumdaki atom, enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atom denir Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer, bu sırada ışık yayınlanır Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerine başarıyla uygulandı Ancak bu model çok elektronlu atomların davranışlarını açıklayamadığından yaklaşık 12 yıl geçerli kaldı Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı Daha sonra yerini Modern atom modeli aldı
Bohr’a göre elektronlar çekirdek belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler izler Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan ( n = 1 ) K tabakası en düşük enerjilidir Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarı çapı ve kabukta bulunan elektronun enerjisi artar Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken ( n = ∞ ) elektronla çekirdek arasında çekim kuvveti bulunmaz Bu durumda elektronun potansiyel enerjisi sıfırdır Elektron atomdan uzaklaşmış olur Bu olaya iyonlaşma denir
Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektronun bir potansiyel enerjisi oluşur Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hale gelir, potansiyel enerjisi azalır Buna göre elektronun her enerji düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur Yani negatif olur Bohr hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde K yörüngesi ) bulunan elektronun enerjisini –313,6 kkral/mol olarak bulmuştur
da Nobel fizik ödülünü almıştır 1885’te içi boş bir cam tüp içerisinden elektrik akımları üzerinde çalışırken ışınları tüpün negatif (katot) kutbundan geldiğini görmüş ve ilk defa katot ışınlarını bulmuştur Böylece elektronları da bulmuştur Ve sonuç olarak elektronların her atomun tabiatında var olan temel parçacıklar olduğunu söylemiştir
Dalton atom modelinde (–) yüklü elektronlardan ve (+) yüklü protonlardan söz edilmemiştir Yapılan deneyler yardımıyla; katot ışınlarından protonun varlığını ortaya koymuştur Thomson atom altı parçacıklar üzerinde çalışmalar yaparken icat ettiği katot tüpü yardımıyla 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya attı
Elektronların kütlesi pozitif yüklerin kütlesinden çok küçüktür Bu nedenle atomları başlıca pozitif yükler oluşturur
Atomda elektriksel dengeyi sağlamak için pozitif yük sayısına eşit sayıda elektron küre içinde dağılmıştır
Elektronun Keşfi:
Maddenin yapısına ilk olarak modern yaklaşım Thomson’un katot ışınlarını inceleyerek elektronun keşfi ile başlar Thomson: elektriksel gerilim uygulanan katot ışınları tüpünde katot ışınların negatif kutup tarafından itildiğini pozitif kutba doğru çekildiğini tespit etti
Aynı cins elektrik yüklerinin bir birini itmesi ve farklı yük elektrik yüklerinin birbirini çekmesi nedeniyle Thomson katot ışınlarının negatif elektrik yüklerinden olduğu sonucu çıkardı
Thomson deneyinde katot için farklı madde kullandığında ve deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda da katot ışınlarının aynı davranışta bulunduğunu gördü Böylece elektronun maddenin cinsinin karakteristik bir özelliği olmadığını bütün atom cinsleri için elektronun her birinin aynı olduğunu neticesini ortaya koydu
Elektron negatif yüklü olduğundan elektriksel alanda pozitif kutba doğru saparlar Elektriksel alandaki bu sapmalar taneciğin yükü (e)ile doğru, kütlesi(m) ile ters orantılıdır Yükün kütleye oranı (e/m) bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir
Protonun Keşfi:
Katot tüpleriyle elektron elde edildiği gibi, elektrik deşarj (boşalma ) tüpleri ile de pozitif iyonlar elde edilir Bu tüplerde uygulanan yüksek gerilim sonucunda atomdan elektronlar koparılarak pozitif iyonlar oluşturulur Oluşan bu pozitif iyonlar bir elektriksel alanda elektronun ters yönünde hareket ederek negatif elektrota (katota) doğru ilerler Bu iyonların büyük bir kısmı hareketleri sırasında ortamdaki elektronlara çarparak nötral atomlar oluştururlar Çok az bir kısmı ise yollarına devam ederek katota erişirler Eğer ortası delikli bir katot kullanılırsa, pozitif parçacıklar delikten geçerler Bu ışınlara pozitif iyonlar ya da kanal ışınları denir
Pozitif iyonlar için e/m nin saptanmasında katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı Katot ışınlarında katot maddesi ne olursa olsun elde edilen ışınların e/m oranı hep aynı bulunmuştu Oysa pozitif ışınlarda elde edilen e/m oranı tüpteki gazın oranına göre farklı olduğu bulundu.
Protonlar ve elektronlar yüklü parçacıklardır Bunlar yük bakımından eşit, işaretçe zıttılar Protonlar +1 birim yüke, elektron ise –1 birim yüke eşittir
Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler toplamı sıfıra eşittir
Atom yarı çapı 10-8 cm olan bir küre şeklindedir Söz konusu küre içerisinde proton ve elektronlar atomda rasgele yerlerde bulunurlar Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer
Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçüktür Bu nedenle atomun ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder
• Nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson atom teorisinin
eksikliklerinden biridir
• Proton ve elektronların atomda rasgele yerlerde bulunduğu iddiası ise teorinin hatalı yönüdür
D) Rutherford Atom Modeli (Ernest Rutherford 1871–1937) :
Atomun çekirdeğini ve çekirdekle ilgili birçok özelliğin ilk defa keşfeden bir bilim adamı Rutherford’dur
• Atom kütlesinin tamamına yakını merkezde toplanır, bu merkeze çekirdek denir
• Atomdaki pozitif yüklere proton denir
• Elektronlar çekirdek etrafında gezegenlerin Güneş etrafında dolandığı gibi dairesel yörüngelerde sürekli dolanırlar Çekirdekle elektronlar arasında çekim kuvveti olduğu için elektronların çekirdeğe düşmemeleri için dolanmaları gerekir (Yörünge daire şeklinde değil, enerji seviyesine karşılık gelen orbitallerde dolanır)
• Elektronların bulunduğu hacim çekirdeğin hacminden çok büyüktür
• Çekirdekteki protonların sayısı (yük miktarı) bir maddenin bütün atomlarında aynı, fakat farklı maddenin atomlarında farklıdır
• Çekirdekteki proton (yük) sayısı, elektron sayısına eşittir
• Çekirdekteki pozitif yüklerin kütlesi yaklaşık atom kütlesinin yarısına eşittir.
Yeni Zellanda’da doğmuş ve başarılı bir öğrenci olduğundan 1894 yılında İngiltere’ye gelmiştir İlk önceleri elektromanyetik radyasyon hakkında çalışmalar yapmıştır Daha sonraları ilgisini X ışınlarına ve radyoaktiviteye çevirmiştir Farklı tipte elektromanyetik radyasyonların varlıklarını ortaya atmış bunlara ilk defa ve sembolleri ve isimlerini vermiştir Devamla ışımasının helyum çekirdeği, ışımasının ise elektron içerdiğini bulmuş ve bu çalışmasından dolayı 1908 yılında kimya Nobel ödülü almıştır
1911 yılında atomun kütlesinin çoğunu içine alan çok küçük bir merkezinin olduğunu ortaya attı ve buna çekirdek adını verdi
Atomun yapısının açıklanması hakkında önemli katkıda bulunanlardan biride Ernest Rutherford olarak bilinir Rutherford’dan önce Thomsan atom modeli geçerliydi bu kurala göre atom küre şeklindedir Ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunur Acaba bu proton ve elektronlar atom içerisinde belirli bir yere mi yoksa rast gele mi dağılım içerisinde mi bulunuyordu? Bu sorunun cevabı daha bulunamamıştı Rutherford bu sorunun cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı alfa parçacıkları deneyinde bir model geliştirdi
Polonyum ve radyum bir ışını kaynağıdır Rutherford bir radyoaktif kaynaktan çıkan taneciklerini bir demet halinde iğne ucu büyüklüğündeki yarıktan geçirdikten sonra kalınlığı 10-4 cm kadar olan ve arkasında çinko sülfür (ZnS) sürülmüş bir ekran bulunan altın levha üzerine gönderdi Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen parçacıkları ekrana sürülen ZnS üzerine ışıldama yaparlar Böylece metal levhayı geçen parçacıklarını sayma imkanı elde edilmiş olunur Rutherford yaptığı deneyde metal levha üzerine gönderilen parçacıklarının 99,99 kadarının ya hiç yollarında sapmadan ya da yollarında çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kısmının ise metale çarptıktan sonra büyük bir açı yaparak geriye döndüklerini gördü Rutherford daha sonra deneyi altın levha yerine kurşun, bakır ve platin levhalar üzerinde denedi Hepsinde de aynı sonuç ortaya çıktığını gördü
Kinetik enerjisi çok yüksek olan çok hızlı olarak bir kaynaktan çıkan parçacıklarının geriye dönmesi için;
1- Metal levhada pozitif kısmın olması
2- Bu pozitif yüklü kısmın kütlesinin (daha doğrusu yoğunluğunun) çok büyük olması gerekir
Bu düşüncelerden harekele Rutherford bu deneyden şu sonucu çıkardı:
• Eğer tanecikleri atom içerisinde ki bir elektrona çarpsaydı kinetik enerjileri büyük olduğu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam edebilirdi Ayrıca a - taneciği pozitif, elektron olduğundan söz konusu almaması gerekliydi Bu düşünceyle hareket eden Rutherford metale çarparak geriye dönen a - parçacıklarının sayısı metal levhadan geçenlere oranla çok küçük olduğundan atom içerisinde pozitif yüklü ve kütlesi büyük olan bu kısmın hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olması gerektiğini düşünerek, bu pozitif yüklü kısma çekirdek dedi
• Rutherford atomun kütlesini yaklaşık olarak çekirdeğin kütlesine eşit olduğu ve elektronlarda çekirdek etrafındaki yörüngelere döndüğünü ileri sürmüştür Buna göre Rutherford atomu güneş sistemine benzetmiş oluyor Rutherford atom modelini ortaya koyduğunda nötronların varlığı daha bilinmiyordu Günümüzde ise çekirdeğin proton ve nötronlar içerdiği ve bunların çekirdeğin kütlesini oluşturduklarına inanılmaktadır Rutherford’un ortaya koyduğu atom modelinin boyutlarını da anlamak önemlidir Bunu şu şekilde ifade edebiliriz Eğer bir atomun çekirdeği Bir tenis topu büyüklüğünde olsaydı, bu atom büyük bir stadyum büyüklüğünde olurdu
E) Bohr Atom Modeli (Niels David Bohr 1875–1962) :
Bohr atom teorisi hidrojenin yayınma spektrumuna dayanılarak açıklanır Bohr’ a göre;
• Elektronlar çekirdek etrafında belirli uzaklıklardaki katmanlarda dönerler, rasgele dolanmazlar
• (Yüksek enerji düzeyinde bulunan elektron, düşük enerji düzeyine geçerse fotonlar halinde ışık yayarlar)
• (Kararlı hallerin tamamında elektronlar çekirdek etrafında dairesel yörünge izlerler)
Bohr, Danimarkalı bir fizikçidir Doktorasını bu şehirde bitirdikten sonra 1911 yılında J J Thomson ile birlikte çalışmak için İngiltere’ye gitti Birkaç yıl içinde ciddi ve başarılı çalışmalarda bulunarak atomların yapısını ve spektrumların açıklanışı hakkında teorisini ortaya koymuş ve kitap halinde yayınlamıştır Daha sonra Kopenhag’a geriye dönmüş ve orada teorik fizik enstitüde yöneticilik yapmıştır Bu enstitüde gerek kimya ve gerek fizik dalında birçok Nobel ödülü kazanmış olan W Heisenberg, W Pouli ve L Pauling gibi birçok genç bilim adamı yetiştirmiştir Atomun ilk kuantum modelini önerdi Kuantum mekaniğinin ilk gelişmesinde aktif olarak katıldı ve bu konuda pek çok felsefi çalışmalar yaptı Çekirdek fiziğine, çekirdeğin sıvı damlası modelinin geliştirilmesinde büyük rol oynadı Atomların yapısı ve onlardan yayılan ışınım üzerine yaptığı çalışmalar için 1922'de fizikte Nobel ödülünü kazandı
Buraya kadar anlatılan atom modellerinde atomun çekirdeğinde (+) yüklü proton ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların dolaştığı ifade edildi Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede dolaştığı, hızı ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya konmadı Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan inceledi
• Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıkta ve kararlı hâllerde hareket ederler Her kararlı halin sabit bir enerjisi vardır
• Her hangi bir enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir
• Elektronlar kararlı hallerden birinde bulunurken atomdan ışık (radyasyon) yayılmaz Ancak yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar Bunlara E=h ν bağıntısı geçerlidir
• Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere her enerji düzeyi pozitif bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak “n” ile gösterilir (n : 1,2,3, ∞ )
Bugünkü atom modelimize göre : Borh kuramını elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettiği, ifadesi yanlıştır
1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu En düşük enerjili durumdaki atoma temel durumdaki atom, enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atom denir Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer, bu sırada ışık yayınlanır Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerine başarıyla uygulandı Ancak bu model çok elektronlu atomların davranışlarını açıklayamadığından yaklaşık 12 yıl geçerli kaldı Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı Daha sonra yerini Modern atom modeli aldı
Bohr’a göre elektronlar çekirdek belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler izler Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan ( n = 1 ) K tabakası en düşük enerjilidir Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarı çapı ve kabukta bulunan elektronun enerjisi artar Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken ( n = ∞ ) elektronla çekirdek arasında çekim kuvveti bulunmaz Bu durumda elektronun potansiyel enerjisi sıfırdır Elektron atomdan uzaklaşmış olur Bu olaya iyonlaşma denir
Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektronun bir potansiyel enerjisi oluşur Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hale gelir, potansiyel enerjisi azalır Buna göre elektronun her enerji düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur Yani negatif olur Bohr hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde K yörüngesi ) bulunan elektronun enerjisini –313,6 kkral/mol olarak bulmuştur
F) Modern Atom Teorisi :
Günümüzde kullanılan atom modeli, modern atom teorisi sonucu ortaya konmuştur Bu teoriye göre elektronlar çok hızlı hareket ettikleri için belirli bir yerleri yoktur Yani elektronların bulunduğu kabuk kavramı yanlış bir kavramdır Elektronların sadece bulunma ihtimalinin olduğu bölgeler bilinebilir ve elektronların bulunma ihtimalinin olduğu bölgelere elektron bulutu denir (Elektronların yörüngeleri kesin olarak belli değildir)
Bohr, elektronu hareket halinde yüklü tanecik olarak kabul edip, bir hidrojen
atomundaki elektronun sadece bazı belirli enerjiye sahip olacağını varsayarak teorisini ortaya attı Bu teori hidrojen gibi tek tek elektronlu He+ , Li+2 iyonlarına da uymasına rağmen, çok elektronlu atomların ayrıntılı spektrumlarının, kimyasal özelliklerini açıklanmasına uymamaktadır Yine de modern atom modelinin gelişiminde bir basamak teşkil etmiştir
Modern atom teorisini kısaca şu şekilde özetleyebiliriz:
• Atomda belirli bir enerji düzeyi vardır Elektron ancak bu düzeyden birinde bulunabilir
• Elektron bir enerji düzeyindeki hareketi sırasında çevreye ışık yaymazlar
• Atoma iki düzey arasındaki fark kadar enerji verilirse elektron daha yüksek enerji düzeyine geçer
• Atoma verilen enerji kesilirse elektron enerjili düzeyinde kalamaz daha düşük enerji düzeyinden birine geçer Bu sırada iki düzey arasındaki fark kadar enerjiyi ışık şekline çevreye verir
Modern atom modeli dalga mekaniğimdeki gelişmelerin elektronun hareketine uygulanmasına dayanmaktadır Bu modelin öncüleri Werner Heisenberg ve Erwin Schrödlinger gibi önemli bilim adamlarıdır
Erwin Schrödlinger (1887–1961) Avusturya’nın Viyana şehrinde doğmuş ve 1939 yılından 1956 yılına kadar İrlanda da çalışmıştır 1926 yılında henüz İsviçre de çalışırken Heisenberg tarafından ortaya atılıp formüllendirilen kuvantum teorisine alternatif olarak kendi adıyla anılan (Schrödlinger eşitliği ) dalga mekaniği teoremini ortaya atmıştır Schrödlinger teoremi kısaca elektronların gerek atom içerisinde gerekse moleküllerdeki hareketini dalga cinsinden matematiksel bir şekilde açıkladı Bu çalışmalarından dolayı 1933 yılında fizik Nobel ödülünü İngiliz fizikçi Paul Dirac ile paylaştı
Werner Heisenberg (1901 – 1976) Atomların yapısını ve elektron gibi atom altı parçacıkların davranışlarını açıklayan quantum mekaniği teorisinin kurucusu olan bir Alman fizikçidir 1927 yılında kendi adı il anılan belirsizlik ilkesini ortaya atmıştır Bu ilkesinde Heisenberg kısaca ”elektron kadar küçük olan bir parçacığın hem pozisyonunu hem de momentumunu kesin olarak bulmak mümkün değildir” demektedir Bu çalışmalarından dolayı 1932 yılında Nobel fizik ödülü almıştır
1924 yılında Louis De broglie ışı ve maddenin yapısını dikkate alarak küçük tanecikler bazen dalgaya benzer özellikler gösterebilirler şeklindeki hipotezi elektron demetlerinin bir kristal tarafından X – ışınlarına benzer biçimde saptırılması ve dağılması deneyi ile ispatlandı
1920’li yıllarda Werner Heisenberg, atomlardan küçük taneciklerin davranışlarını belirlemek için ışığın etkisini inceledi Bunun sonucunda Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılan şu neticeyi çıkardı:
“Bir taneciğin nerede olduğu kesin olarak biliniyorsa, aynı anda taneciğin nereden geldiği ve nereye gittiğini kesin olarak bilemeyiz Benzer şekilde taneciğin nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun yerin kesin olarak bilemeyiz”
Buna göre elektronun herhangi bir andaki yeri ve hızı aynı anda kesin olarak bilinmez Bir taneciğin yerini ve hızını ölçebilmek için o taneciği görmek gerekir Taneciğin görünmesi de taneciğe ışın dalgası göndermekle olur Elektron gibi küçük tanecikleri tespit etmek için düşünülen uygun dalga boyundaki ışık, elektronun yerini ve hızını değiştirir Bu yüzden aynı anda elektronun yeri ve hızı ölçülmez Bu nedenle de elektronların çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngeler izledikleri söylenemez Yörünge yerine elektronun ( yada elektronların ) çekirdek etrafında bulunma olasılığından söz etmek gerekir
Modern atom modeli atom yapısı ve davranışlarını diğer atom modellerine göre daha iyi açıklamaktadır Bu model atom çekirdeği etrafındaki elektronların bulunma olasılığını kuvantum sayıları ve orbitaller ile açıklar
Kuvantum sayıları bir atomdaki elektronların enerji düzeylerini belirten tam sayılardır Orbitaller ise elektronun çekirdek etrafında bulunabilecekleri bölgelerdir
Elektron tanecik olarak düşünüldüğünde; orbital, atom içerisinde elektronun bulunma olasılığı en yüksek bölgeyi simgeler Elektron maddesel bir dalga olarak düşünüldüğünde ise; orbital elektron yük yoğunluğunun en yüksek olduğu bölgeyi simgeler Yani, elektron tanecik olarak kabul edildiğinde elektronun belirli bir noktada bulunma olasılığından, dalga olarak kabul edildiğinde ise elektron yük yoğunluğundan söz edilir
G) De Broglie Atom Teorisi :
Bohr’ın atom modeli elektronların yörüngeler arası geçişlerinin mümkün kılan“enerji ( kuantum ) sıçramalarını “ açıklamakta yetersiz kalmaktaydı Bunun çözümü Fransız fizikçi Prens Victor De Broglie tarafından teklif edilmişti De Broglie bilinen bazı taneciklerin uygun koşullar altında tıpkı elektromanyetik radyasyonlar gibi bazen de elektromanyetik radyasyonlara uygun şartlarda tıpkı birer tanecik gibi davrana bileceklerini düşünerek elektronlara bir sanal dalganın eşlik ettiğini öne sürerek bir model teklif etti Bu modele göre farklı elektron yörüngeleri çekirdeğin etrafında kapalı dalga halkaları oluşturmaktaydı
H) Born Heisenberg’ in Atom Teorisi :
Almanyalı kuramsal bir fizikçi olan Born Heisenberg’in ilkesini katlamakla beraber bir takım olasılık ve istatistikî hesaplar neticesinde bir elektronun uzaydaki yerini yaklaşık olarak Born Schrödinger’in dalga mekaniği ile kuvantum teorisi arasında bir bağıntı kurdu Böylece elektronun uzayın bir noktasında bulunması ihtimalinin hesaplana bilineceğini göstermiş oldu
alıntı ...
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder