1. BÖLÜM ATOM VE ELEKTRİK. İçerik. 1. Elektriklenme Deneyimlerinden. 2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar 3.

Transkript

1 1. BÖLÜM İçerik 1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma 2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar 3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi 4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması Millikan ın Yağ Damlası Deneyi 5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki 6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi ATOM VE ELEKTRİK Maddenin elektrik yüklü taneciklerden oluştuğunu gösteren ilk ciddi bulgular, Faraday ın elektroliz ile ilgili çalışmalarında ortaya çıkmıştır. Gaz tüplerinde elektrik boşalması ve katot ışınları konusundaki deneyler, atom yapısının açıklanması yönünden çok önemli gelişmeler sağlamıştır. J.J.Thomson un elektronun yük/kütle (e/m) oranını hesaplaması için yaptığı deney, elektron yükünün ve kütlesinin ayrı ayrı hesaplanmasını sağlayan Millikan ın yağ damlacığı deneyi ile atom çekirdeğinin varlığını kanıtlayan Rutherford (1911) deneyi bu konuda yapılan çalışmaların başlıcalarıdır. Bu bölümde yukarıda söz edilen deneyleri ve bilim insanlarının atom altı parçacıklara yönelik çalışmalarını tanımaya çalışacaksınız.

2 10. Sınıf Kimya Resim Süs eşyası yapımında kullanılan kehribar taşı Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma Atomun yapısı ile ilgili teorilerin türetilmesi birçok elektriksel deneyle mümkün olmuştur. Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanları tarafından, ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşan kehribarın (Resim 1.1.1) ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçük cisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir. Aynı olayı siz de plastik bir tarağı saçınıza sürttüğünüzde tarağın saçınızı çekmesinden veya Şekil deki gibi akan suya yaklaştırdığınızda suyu çekmesinden anlayabilirsiniz. Kapı tokmağına dokunduğunuzda ya da yün kazağınızı çıkarırken oluşan kıvılcım elektrik yükünün bir yerden diğer bir yere hareket ettiğini gösterir. Pozitif (+) ve negatif (-) olmak üzere iki tür elektrik yükü keşfedilmiştir. Bu yüklerin oluşumunu Etkinlik 1.1 i yaparak görelim. Etkinlik 1.1 Ebonit ve Cam Çubuktaki Elektriklenme Etkinliğin Amacı Farklı elektrik yüklerinin varlığını ayırt edebilme Şekil Sürtme sonucu elektrik yüklü hâle gelen tarak akan suya yaklaştırılınca suyu çeker. Bunu suyun akış doğrultusundaki değişimden anlayabiliriz. Tarak elektrik yüklü olduğuna ve suyu çektiğine göre suda da elektrik yükleri olmalıdır. Etkinliği Uygulayalım Bağlama parçası ile döküm ayağa şekilde- ki gibi yatay olarak tutturulmuş olan destek çubukla ebonit çubuğu yine yatay duracak şekilde birbirine iple bağlayınız. İpe bağlı ebonit çubuğa diğer ebonit ve cam çubuğu yaklaştırarak gözlemleyiniz. Diğer ebonit çubuğu saçınıza veya yünlü kumaş parçasına sürterek elektrikle sini yüklenmesağlayınız. Araç ve Gereç 2 adet ebonit çubuk 1 adet cam çubuk 30 cm uzunluğunda ip Döküm ayak Bağlama parçası Yünlü kumaş parçası 2 adet destek çubuğu Deney düzeneğindeki gibi ipe astığınız ebonit çubuğa elektrikle yüklü diğer ebonit çubuğu yaklaştırınız. Cam çubuğu saçınıza veya yünlü kumaş parçasına sürterek elektrikle yüklenmesini sağlayınız. Yatay olarak ipe astığınız ebonit çubuğa bu defa elektrik yüklü cam çubuğu yaklaştırınız. 16

3 1. Ünite Atomun Yapısı Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Saçınıza veya yünlü kumaşa sürtmeden ebonit ve cam çubukları asılı duran ebonit çubuğa yaklaştırdığınızda ne gibi değişiklikler gözlemlediniz? Gözlemleriniz ışığında ebonit ve cam çubuğu elektriksel bakımdan nasıl nitelersiniz? 2) Saçınıza veya yünlü kumaşa sürttükten sonra ebonit ve cam çubukları asılı durmakta olan ebonit çubuğa yaklaştırdığınızda ne gibi değişiklikler gözlemlediniz? Gözlemleriniz ışığında ebonit ve cam çubuğu elektriksel bakımdan nasıl nitelersiniz? 3) Gözlemlediğiniz bu değişikliklerin nedeni veya nedenleri ne olabilir? Tartışınız. Etkinlik 1.1 den sonra elektriklenmeyi sorgulayalım. Demokritos (Demokritos) tan Dalton a kadar olan atom tanımlamaları düşünüldüğünde özellikle Dalton un atomu yekpare bir parça olarak gördüğü anlaşılır. O hâlde Etkinlik 1.1 ve benzeri durumlardaki elektriklenme nasıl gerçekleşir? Maddenin elektrikle yüklü hâle gelmesi maddede elektrik yüklerinin olduğunu ve bunların hareket ettiğini gösterir. Hareket eden bu yükün türü ne olabilir? Yaptığınız etkinlikte cam veya ebonit gibi bazı cisimlerde iki tür elektrik yükü olduğunu görüyorsunuz. Bunlardan cam çubukta oluşan elektrik yüküne pozitif elektrik yükü, ebonit çubukta oluşan elektrik yüküne negatif elektrik yükü adı verilir. Madde elektriklenmeden önce nötral olduğuna göre bir maddenin (+) yüklü olması maddeden (-) yükün ayrıldığını gösterir. Bu durum maddenin (+) ve (-) yüklü tanecikler içerdiğinin bir göstergesidir. Maddenin iki ayrı elektrik yükü içerdiğini, bu elektrik yüklerinin etkileşimini ve hangi yükün hareket ettiğini Şekil deki gibi bir elektroskop denemesiyle ortaya çıkarabilirsiniz. Bu çıkarımın nasıl yapılabileceğini tartışınız. Elektriklenme atom alış verişiyle olmaz. Eğer öyle olsaydı elektriklenmede bir maddenin atomunun diğer maddeye geçmesi gerekirdi. Bu gerçekleştiğinde ise iki maddenin de yapısının değişmesi gerekecekti. Ancak elektriklenme olayında maddenin yapısının değişmediği görülmektedir. Yün kumaş ile tarak arasındaki elektriklenme olayında yün kumaş ve tarak kendi yapısını korumuş, başka bir maddeye dönüşmemiştir. Etkinlikte kullandığımız ebonit çubuk, yün kumaşa sürtülüp elektriklenirken herhangi bir değişime uğramış mıydı? Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar Elektriklenmenin çeşitli maddelere etkisi eski dönemden beri araştırma konusu olmuştur. Bu konuda çalışan anatomi profesörü Luigi Galvani (Luici Galvani) kurbağa bacağının kas sinirine farklı metaller dokundurulduğunda seğirdiğini gözlemledi. Ona göre bu olay biyolojik elektrikten kaynaklanan bir durumdu. Galvani nin söz edilen çalışmaları fizik profesörü Alessandra Volta (Alessandra Volta) ya ilham kaynağı olmuştur. Volta, metal çiftler arasındaki etkileşimle oluşan elektriklenme olayından yararlanarak kendi adını taşıyan pili geliştirmiştir. Şekil Elektroskop ile yüklü kürelerin etkileşimi Dalton un teorisi ile Demokritos un teorisi arasındaki farklılık Demokritos un atom kavramının test edilmeyen felsefi bir evren anlayışı; Dalton un atom kavramının ise deneysel inceleme gerektiren bilimsel bir hipotez olduğu gerçeğidir. 17

4 10. Sınıf Kimya Araştırma Atomun kelime anlamını araştırıp bugün atom hakkında edindiğiniz bilgilerle atom kelimesinin anlamını tartışınız. Nasıl oluyor da pillerde bir kimyasal madde başka bir kimyasal maddeye dönüşürken elektrik akımı ortaya çıkıyor? Atomun yapısı hakkındaki bilgiler nasıl oluşturulmuştur? Elektronun farkına nasıl varılabilmiştir? Michael Faraday (Maykıl Faraday) ın yapmış olduğu deneylerdeki sonuçlar bizlere bu konularda ipucu vermektedir. Faraday ın, elektroliz deneylerini ilk defa yaptığı 1830 lu yıllarda atom teorisi ileriye sürülmüştü. Fakat bu yıllarda henüz kimse elektronların varlığını bilmiyordu. Elektriğin tanecikli birimlerden oluştuğunu söylemek için bilim insanlarının elle tutulur bir kanıtları da yoktu. Elektriğin tanecikli yapıdan meydana geldiğini kanıtlamaya yönelik Etkinlik 1.2 yi yapalım. Etkinlik 1.2 Atom Altı Parçacıkların Varlığı İçin Deliller Etkinliğin Amacı Elektriklenme olayı ile maddenin tanecikli yapısı arasındaki ilişkiyi kavrayabilme Etkinliği Uygulayalım Pb(NO 3 ) 2 ve CuSO 4 çözeltilerini 400 ml lik beherglaslara ayrı ayrı koyunuz. Üretecin negatif kutbuna bağlaya-- cağınız Pb elektrotu ve Cu elektrotu terazide hassas bir şekilde tartınız. Hangi elektrotun kaç gram olduğunu aşağıdaki tabloya not ediniz. Pb elektrotları Pb(NO 3 ) 2 çözeltisine, Cu elektrotları da CuSO 4 çözeltisine; elektrotlar birbirlerine temas etmeyecek şekilde ve tarttığınız elektrotların üretecin negatif kutbuna bağlı olmasına dikkat ederek yerleştiriniz. Bağlantı kabloları ile devreyi sayfa 19 daki resimde görüldüğü gibi kurunuz. Araç ve Gereç 2 adet Cu elektrot 2 adet Pb elektrot 2 adet 400 ml lik beherglas 400 ml lik 0,5 M Pb(NO 3 ) 2 çözeltisi 400 ml lik 1 M CuSO 4 çözeltisi Terazi 6 voltluk doğru akım sağlayan üreteç (pil veya güç kaynağı) 3 adet devre bağlantıları için kablo ve krokodil kablo Saf su Devreden dakika süre ile akım geçmesini sağlayınız. Süre bitiminde akımı keserek negatif kutba bağlı elektrotları çıkartınız. Damıtık su ile elektrotları durulayınız ve tartınız. Tartım değerlerini aşağıdaki tabloya not ediniz. Negatif kutba bağlı elektrot Pb Cu Deneyden önceki tartım (g) Deneyden sonraki tartım (g) 18

5 1. Ünite Atomun Yapısı Pb elektrotlar Cu elektrotlar Pb(NO 3 ) 2 çözeltisi CuSO 4 çözeltisi Etkinliği Sonuçlandıralım Negatif yüklü elektrotta toplanan Pb ve Cu miktarları arasında fark var mıdır? Varsa nedenini açıklayınız. Faraday, Etkinlik 1.2 dekine benzer deneyler yapmıştır. Bu deneylerde bir elementin çeşitli bileşiklerinin çözeltilerine elektrik akımı uygulamış, eksi yüklü elektrotta (katotta) bileşiği oluşturan artı yüklü iyonları element olarak elde etmiştir. Faraday, katotta belirli bir miktar madde biriktirmek için gereken elektrik yük miktarının daima sabit bir değere veya bu sabit değerin basit katlarına eşit olduğunu gözlemledi. Örneğin, cıva(ii) perklorat [Hg(ClO 4 ) 2 ]çözeltisinden 6,05 g metalik cıvayı biriktirmek için gerekli olan elektrik yük miktarı; cıva(ii) nitrat [Hg(NO 3 ) 2 ] çözeltisinde de aynı miktarda cıvanın birikmesine yol açar. Oysa ki aynı elektrik yük miktarı, cıva(i) perklorat [Hg 2 (CIO 4 ) 2 ] çözeltisinden geçirilirse tam iki kat (12,10 g) cıvanın birikmesine sebep olur. Devreden aynı miktarda elektrik akımı geçmesine rağmen katotta farklı miktarlarda (iki katı) cıva toplanmasının sebebini tartışınız. Faraday, aynı miktar elektrik yüküyle çeşitli elementlerin biriken kütlelerini bu elementlerin atom kütlelerine böldüğünde sabit tam sayı elde etmiştir. Faraday ın yaptığı deneylerden, bir atomun ancak belirli bir miktar veya bu miktarın bazı basit katları kadar elektrik yükü taşıyabileceği sonucu çıkarılabilir. Demek ki elektrik yükleri parçacıklar hâlinde taşınmaktadır. Bir atom bazen bir, bazen iki veya üç parçacık taşıyabilir. Taşınan bu yük parçacığı bütün atomlar için aynıdır. Elektrik yükünün parçacıklar hâlinde taşınması, elektriğin taneciklerden meydana geldiğini göstermektedir. Atomlar, elektrik yükleri taşıdığı için bu taneciklerin atomlarda bulunması gereklidir. Elektrik yük akışı atomlarda var olan bu parçacıkların akışı sonucudur. O halde atom yekpare değil ayrıntılı bir yapıya sahiptir. Resim Michael Faraday ( ) 19

6 10. Sınıf Kimya Elektrik ve kimyasal değişme arasındaki nicel ilişki ilk kez Michael Faraday tarafından bulunmuştur. AgNO 3 çözeltisi, elektroliz edildiğinde katotta toplanan gümüş metalinin miktarı belirlenerek elektroliz düzeneğinden geçen elektrik yük miktarı coulomb(c) olarak hesaplanır. AgNO 3 çözeltisinden 1,118 mg Ag açığa çıkaran elektrik yükü miktarı 1C dur. Etkinlik 1.2 ve Faraday ın yapmış olduğu deneyler incelendiğinde elektrotlarda toplanan madde miktarının devreden geçen yük miktarı ile doğru orantılı olduğu görülür. Bu durum m = A I t bağıntısı ile ifade edilir. Bu formülde geçen A, maddeye bağlı bir sabit; I, devreden geçen akım miktarı; t ise saniye cinsinden zamanı göstermektedir. Elektrik yükü miktarı Q = I t olarak gösterildiğine göre yukarıdaki formülü m = A Q şeklinde de yazabiliriz. Faraday ın yapmış olduğu deneyler ve bu deneylerden çıkarmış olduğu nicel sonuçlara göre maddeyi temsil eden en küçük birim olan atomu oluşturan ve bir atomdan diğer atoma taşınabilen alt parçacıklar mevcuttur. Bu alt parçacıklar daha sonra elektron olarak adlandırılmıştır. Thomson ın yapmış olduğu çalışmalar sonucunda atomda eksi yükler kadar artı yüklerin olduğu ve atomda bu yüklerin homojen dağıldığı fikri ortaya çıkmıştı. Acaba gerçekte durum bu şekilde miydi? Rutherford un yapmış olduğu çalışmalar (altın plaka deneyi) sonucunda atomdaki artı yüklü taneciklerin atomun merkezinde (çekirdeğinde) toplandığı ve atomun yaklaşık yarı kütlesini oluşturduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra Rutherford un öğrencilerinden Chadwick, Rutherford un işaret ettiği atomun yaklaşık yarı kütlesini oluşturan nötronu keşfetmiştir. Bütün bu bilim insanlarının keşifleri sonucunda Bohr tarafından öngürülen atom modeline göre proton ve nötronlar atomun çekirdeğinde çok küçük bir hacimde bulunurken elektronlar çekirdek etrafında çok daha büyük hacimli bir bölgede kendi yörüngelerinde dolanmaktadır. Sonra geliştirilen kuantum fiziğine göre çekirdek etrafında elektronlar belli yörüngelerde değil katmanlarda orbital adı verilen olası bölgelerde bulunmaktadır. Bütün bu öngörülere göre atomun şeklini aşağıdaki gibi çizebiliriz. Şekil Atomun yapısı 20

7 1. Ünite Atomun Yapısı Atomu oluşturan taneciklerden çekirdekteki proton ve nötronlar topluca nükleon olarak isimlendirilir. Elektronun kütlesi 9,1096x10-31 kg (9,1096x10-28 g), protonun kütlesi, 1,6726 x kg, nötronun kütlesi ise kg dır. Elektron, proton ve nötronun kütlelerini incelediğimizde proton ve nötronun kütlelerinin yaklaşık aynı, elektronun kütlesinin ise protonun kütlesinin yaklaşık 1836 da biri kadar olduğu görülür. Atomun kütlesini oluşturan nükleonlar (proton ve nötronlar) atom çekirdeğinde yoğunlaşmış bir hâlde bulunur. Yoğunlaşmış kütle çok küçük bir hacimde yer alır. Atomu bir futbol sahası büyüklüğünde tasavvur edecek olursak çekirdeğin hacminin atom hacmi yanındaki küçüklüğü futbol sahasının ortasında toplu iğne başı kadar hacim kaplayan kütlenin duruşuna benzetebiliriz. Çekirdekte bulunan proton pozitif, çekirdek etrafında hareket hâlinde olan elektron ise negatif elektrik yüküne sahiptir. Çekirdekteki nötron ise nötrdür. Protonlar elektronları güçlü bir şekilde çekirdeğe doğru çeker. Elektronlar ise çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilmek için çekirdeğin etrafında çok hızlı bir şekilde hareket eder. Bu hareket o kadar hızlıdır ki çekirdek ile elektronlar arası boşluk olmasına rağmen atomun berk bir küre gibi davranmasına neden olur Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi Dalton un atom teorisinde ve daha önceki kuramlarda atom, maddenin en küçük taneciği olarak kabul edilmiştir. 19. yüzyılın sonlarına doğru atomun daha küçük taneciklerden oluştuğu düşünülmeye başlanmıştır. Atomun yapısı hakkındaki düşüncelerde zamanla değişiklikler olmuştur. Bu düşüncelerdeki değişikliklerin nedeni elektroliz deneyleridir yıllarında ünlü İngiliz kimyacısı Humphry Davy (Hampri Devi) bileşikleri ayrıştırmak için elektrik akımı kullanarak potasyum, sodyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum elementlerini saf olarak bileşiklerinden ayırarak keşfetmiştir. Bu elementleri bulmak için yaptığı çalışmalara dayanarak Davy, bileşiklerde elementlerin elektriksel nitelikli çekim kuvvetleriyle bir arada tutulduklarını öne sürmüştü. Faraday ın çalışmalarına dayanarak George Johnstone Stoney (Corç Conston Stoney) atomlarda elektrik yüklü birimlerin bulunduğundan söz etti ve 1891 de bunlara elektron adının verilmesini önerdi. Stoney in elektron adını verdiği negatif yüklü bu taneciklerden her maddede farklı miktarlarda vardır. Maddenin nötr olması için bu negatif yüklere eş sayıda pozitif yük bulunması gerekir. Elektronların varlığına dair ilk kanıt 1870 lerde İngiliz fizikçi William Crooks (Vilyım Kruks) tarafından bulundu. Crooks geliştirdiği vakumlu tüp içerisinde gazların elektrikle etkileşim sonucu ortaya çıkan davranışlarını inceledi. Crooks tüpleri olarak da bilinen bu tüpler (Resim ve 1.1.4), televizyon tüplerinin de öncüsü olmuştur. Katot Anot Resim Crooks tüpleri 21

8 10. Sınıf Kimya Crooks tüpünde elektrotlar arasına yüksek gerilim uygulandığında tüpün cam çeperinde sarı-yeşil floresan ışık yansıması olur. Eğer tüpün ortasına bir nesne yerleştirilirse bu nesnenin görüntüsü tüpün sonunda bir gölge şeklinde oluşur. Crooks a göre gölgenin bu şekilde görülmesinin sebebi tüp içerisinde bazı ışınların oluşmasıdır. Bu ışınlar daha sonra katot ışını olarak adlandırıldı. Katot ışınları üzerinde yapılan daha ileri araştırmalar, bu ışınların tüpün içindeki gazın ve elektrotların yapıldığı maddenin cinsine bağlı olmadığını göstermiştir. Böylece ışınların doğrusal yol boyunca hareket eden negatif taneciklerden meydana geldiği ortaya çıkmıştır. Crooks tüpü günümüzde katot ışın tüpü olarak adlandırılır. Resim Crooks tüpleri televizyon tüplerinin öncüsü olmuştur. Katot ışınları denilmesinin nedeni bu ışınların (taneciklerin), (-) yüklü elektrottan (katottan) çıkıp (+) yüklü elektrota (anota) doğru hareket etmesidir. 19. yüzyılın sonlarında katot ışınlarının hızlı hareket eden eksi yüklü tanecikler olduğu kesinleşti. Bu taneciklere daha sonra Stoney in önerdiği gibi elektron adı verildi. Bu çalışmalardan yaklaşık 20 yıl sonra Joseph John Thomson (Jozef Con Tamsın), Crooks un deneylerini elektrik akımı (elektriksel alan) ve mıknatıs etkisinin (manyetik alan) uygulandığı ortamlarda tekrarladı. Thomson un deney tüpüne elektrik ve manyetik alan uygulamasının nedeni sizce ne olabilir? Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması 1858 de Julius Plücker (Julyüs Plüker), katot tüpünün yakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarını gözlemleyip bu ışınların manyetik alandaki davranışlarını ilk kez inceleyen bilim insanıdır. Bu deneme ile Plücker, katot yakınlarında gördüğü parlak yeşil ışık lekelerinin yerini mıknatıs kullanarak değiştirmeyi başarmıştı; fakat tüpün havasını yeterince boşaltamadığı için denemesi tam başarılı olamamıştı. Katottan çıkan elektronlar anota doğru hareket eder. Anotta delik açılırsa elektronlar delikten geçerek floresan boya ile kaplı yüzeye (Şekil te gösterildiği gibi) B noktasında çarpar. Böylece ışıklı bir nokta görülmesine neden olur. Tüpe, elektriksel alan uygulanırsa yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı levhalar) konursa elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptığı görülür. Yüklü bir parçacığın elektriksel alanda sapma miktarı, parçacığın elektrik yükü ile doğru orantılıdır. Diğer taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır. Çünkü 22

9 1. Ünite Atomun Yapısı büyük kütleli bir parçacık, yüklü levhaların oluşturduğu elektrostatik çekimden daha az etkilenecektir. Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün yüzeyinde C noktasına çarpar. Thomson, deneylerinde elektriksel alana dik belli bir şiddetle manyetik alan uygulayarak elektron demetinin sapmasını ölçmüştür. Ayrıca elektriksel alan da uygulayarak sapmayı durdurmuş yani B noktasına getirmiştir. Elektriksel ve manyetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m (yük/kütle) oranını 1,7588 x C kg -1 olarak bulmuştur. Thomson, Plücker in deneyini model alarak 1897 de yaptığı bu deneyde katot ışınlarının manyetik ve elektriksel alanda sapmalarını gözlemlemiş ve elektronlar için yük/kütle (e/m) oranını ölçmüştür. Bunun için kullanılan düzenek aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Resim Joseph John Thomson ( ) (a) + (c) Manyetik alan Floresan ekran Elektronların yolu e S N A - Katot Anot B (b) S N S N C - Elektronların yolu N Elektrik yüklü levhalar (elektriksel alan) Elektronların yolları S e - Şekil Elektronların; (a) elektrik alanda, (b) manyetik alanda, (c) elektriksel ve manyetik alanın beraber kullanılması durumunda izledikleri yol Resim Katot ışınlarının elektrik ve manyetik alandaki sapmaları 23

10 10. Sınıf Kimya Millikan ın Yağ Damlası Deneyi Elektron yükü, 1908 de Robert Andrews Millikan (Rabırt Endruv Milikan) tarafından ölçülmüştür. Elektrik yükü, Şekil teki düzenek ve e/m değeri kullanılarak hesaplanmıştır. Deneyde pülverizatör (püskürteç)den püskürtülen küresel yağ damlacıkları, kabın üst bölümüne gönderilir. Sis hâlinde dağılmış küçük yağ damlacıkları, üst levhadaki delikten aşağı inerken bu damlacıklara X-ışınları gönderilir. Bu ışınların ortamdaki havayı oluşturan N 2 ve O 2 molekülleri ile çarpışarak kopardığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulur ve damlacıklar negatif yüklenir. Üst plaka pozitif (+), alt plaka negatif (-) yüklenirse negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabildiği gibi damlacıkların yukarıya hareket etmesi de sağlanabilir. Damlacığın davranışları ve düşme hızı, elektriksel alan yokluğunda (akım uygulanmadığında) mikroskop ile gözlemlenerek bulunabilir. Küçük yağ damlacıkları Pülverizatör Yüklü levha Yağ X- ışınları Yüklü levha Mikroskop Pencere Yağ damlasının mikroskop görüntüsü Şekil Millikan ın yağ damlası deney düzeneği Resim Millikan ın yağ damlası deneyinde kullandığı düzenek Resim Millikan, yağ damlası deneyini yaparken 24

11 1. Ünite Atomun Yapısı Damlacığın düşüşünü durdurmak için uygulanacak yük miktarı bilinirse her damla üzerindeki yük de hesaplanabilir. Millikan deneyi tekrarladığında yağ damlacıkları üzerindeki yükün en büyük ortak böleninin (ebob) daima -1,6022x10-19 coulomb değerini verdiğini görmüştür. Bunun sonucunda, yağ damlalarının birden fazla elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün katları olması gerektiği sonucuna varmıştır. Millikan, bir elektron yükünü -1,6022x10-19 C olarak belirledikten sonra Thomson un e/m değerinden faydalanarak elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesaplamıştır. Elektronun kütlesi = yük yük / kütle m = e e/m m = -1,6022x10-19 C -1,7588x10 11 C kg -1 m = 9,1096x10-31 kg veya (9,1096x10-28 g) Okuma Metni Millikan Deneyi ile Elektron Yükünün Bulunması Millikan 1909 yılının başlarında Chicago (Şikago) Üniversitesinde profesör iken yağ damlası deneyi üzerinde çalıştı. Millikan ı bu çalışmaya iten sebep kendisinden önce bilim insanlarının elektronun yükünü ölçme çabalarıydı. Ancak diğer bilim insanları elektron yükünü ölçmek için su damlacıklarını kullanmışlardı. Millikan su damlacıkları ile yapılan deneyleri yağ damlacıklarını kullanarak geliştirdi. Deneyde kullanılan yağ düşük buhar basıncına sahipti, genellikle vakum düzeneklerinde kullanılan tipteydi. Bu çalışma sırasında bilinen yağları tercih etmemesinin sebebi bu yağların ışık kaynağının ısısıyla kolayca buharlaşması, böylece yağ damlalarının kütlesinin deney boyunca sabit kalmasıydı. Yağ damlası deneyinin önemi, temel fiziksel sabitlerden biri olan elektronun elektrik yükünü oldukça hassas bir şekilde belirlemesidir. Millikan ın deney düzeneği bunu oldukça basit ve yalın bir şekilde gösterir. Millikan yaptığı bu deneyle 1923 yılında Nobel Fizik Ödülü nü kazandı. Bu deneyin gerçekleştirilmesi oldukça zor ve maliyetli olmasına rağmen, hâlen öğrenciler tarafından tekrarlanmaktadır. Millikan ın yağ damlası deney düzeneğinde, yatay ve birbirine paralel iki plaka arasına büyük bir potansiyel farkı uygulanarak homojen bir elektrik alanı oluşturulur. Üst levha pozitif, alt levha negatif elektrikle yüklenerek elektrik yüklü yağ damlacığı hareketsiz tutulduğu zaman damlacığı yukarı çeken elektriksel kuvvetin damlacığa etki eden yerçekimi kuvvetine eşit olduğu görülür. E q = m g Bu eşitlikte, E elektriksel alan şiddetini; q damlacık üzerindeki elektrik yükünü; m damlacığın kütlesini ve g yerçekimi ivmesini göstermektedir. Damlacığın kütlesi bilinirse taşıdığı elektrik yükü 25

12 10. Sınıf Kimya bulunabilir. Yağın yoğunluğu (d) bilindiği için küre olarak kabul edilen yağ taneciğinin yarıçapı (r) ölçüldüğünde hacmi (V) ve dolayısıyla kütlesi (m) de hesaplanabilir. d = m/v d = m/(4/3)πr 3 m = 4/3 πr 3 d Millikan, damlacığın levhalar arasında serbest bir biçimde düşmesini gözlemlemiştir. Bir süre sonra damlacığın hızı, hava sürtünmesinin (viskozite değeri) yerçekimi kuvvetine eşit olması nedeni ile ulaşabileceği en fazla hıza erişecek ve damlacık bu hızla düşmeye devam edecektir. Sürtünme kuvvetinin [Stokes (Stoks) yasasına göre bulunabilir.] yerçekimi kuvvetine eşitliği için; mg = 6πhrv formülü yazılabilir. Burada, "h havanın viskozluk kat sayısı; v damlacığın eriştiği limit hızdır. Eşitlikten yarıçapı çekersek; r = mg / 6 πhv bağıntısını buluruz. m değerini eşitlikte yerine koyarsak damlacığın yarıçapı için; r 2 = 9hv / 2dg bulunur. Bu formülle damlacığın limit hızı ölçülebilir. Damlacık bu hıza eriştikten sonra düzgün doğrusal hareket yaparak düşeceğinden ve levhalar arasında yükseklik (l) belli olduğundan düşme süresi (t) bulunur. Hız bağıntısını yazacak olursak; v = l/t olarak bulunur. Sırasıyla damlacığın yarıçapı ve kütlesi hesaplanmış olur. Eq = mg eşitliğinden de damlacığın taşıdığı q yükü bulunur. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki Nötr bir atom veya molekülden bir veya daha çok elektron koparıldığında geriye kalan tanecik, koparılan elektronların toplamına eşit miktarda artı yük kazanır. Örneğin bir neon atomundan bir elektron koparıldığında Ne + oluşur. Bir Crooks tüpünde katot ışınları, tüpün içinde bulunan gaz atomlarından veya moleküllerinden elektronların ayrılmasına sebep olduğundan pozitif yüklü iyonlar oluşur. Bu pozitif yüklü tanecikler (iyonlar) negatif yüklü elektroda (katoda) doğru hareket eder. Katot olarak delikli metal katot kullanıldığında floresan boya ile kaplı arka yüzeyde ışıldama görülür. H H e e Proton H + Pozitif ışınlar H + Anot H e H + Delikli metal katot Floresan boya ile kaplı yüzey Şekil Katot ışınlarının delikli metal katotta hareketi 26

13 1. Ünite Atomun Yapısı Görülen ışınlamanın sebebi tüpte oluşan elektron akımı sırasında, katottan fırlayan elektronların nötral gaz atomları ile çarpışarak onlara elektron kaybettirmesi ve gaz atomlarının pozitif yüklü parçacıklar hâline gelmesidir (Şekil 1.1.5). Bu iyonlar katot tarafından çekilir ve bir kısmı deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarpar. Bunlara pozitif ışınlar veya kanal ışınları denir. Bu ışınlar ilk olarak Eugen Goldstein (Ögen Goldştayn) tarafından 1886 da araştırılmıştır. Elektrik ve manyetik alanların etkisinden dolayı pozitif ışınların sapmaları 1906 da J.J. Thomson tarafından araştırıldı. Pozitif yüklü iyonlar için e/m değerlerinin saptanmasında, katot ışınlarını incelemek için kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı. Aynı pozitif yüklü iyonlar için e/m değeri, iyonun kütlesi küçüldükçe artar. Gaz boşalma tüpünde hidrojen gazı varsa pozitif iyonlar için gözlenen en büyük e/m değeri elde edilir. Sadece 1 tane pozitif yük barındırması nedeniyle hidrojen iyonu için elde edilen e/m değeri bu pozitif yüklü taneciğe (protona) ait değer olarak alınır. Bu yük değeri 1,6022x10-19 C dur. Kütlesi de 1,67x10-27 kg dır. Elektronun kütlesi hidrojenin en hafif izotupundan türeyen pozitif iyonun kütlesinin 1/1836 sı kadardır. O hâlde hidrojenin en hafif izotopu çekirdeği oluşturan bir proton ve çekirdek dışında bir elektron olarak düşünülebilir Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi X-ışınları, görünür ışıktan daha yüksek enerjiye sahip olan elektromanyetik ışınlardır yıllarında Henry G. J. Moseley X-ışınlarını kullanarak değişik elementlerin farklı X-ışınları spektrumunu elde etmiştir. Her elementin sadece birkaç karakteristik spektral (Fraunhofer) çizgi içeren X-ışınları spektrumu olduğunu görmüştür. Elementlerde karakteristik olan bu çizgiler art arda gelen her elementte, deneyde kullanılan X-ışınları frekansının artma yönünde sola doğru kaymaktadır. Fraunhofer çizgilerini (Şekil a) inceleyen Moseley elementlerin çizgilerini karşılaştırdığında Ca ve Ti elementlerinin Fraunhofer çizgilerinin diğer elementlerin çizgileri gibi sistematik olmadığını gözlemledi (Şekil b). Atom kütlelerine göre sıralamaya baktığında iki element arasında başka bir elementin bulunması gerektiğini belirtti. Bu gerçekten hareketle Sc elementi keşfedilmiştir (Şekil c). Araştırma X-ışınları cihazlarının insan sağlığı üzerine etkilerini araştırarak poster oluşturup arkadaşlarınızla paylaşınız. Resim Henry G. J. Moseley ( ) (a) (b) (c) Şekil X- ışınları analizi sonucu ortaya çıkan bazı elementlerin Fraunhofer çizgileri (Moseley in 1913 tarihli bir yayınından alınmıştır.) 27

14 10. Sınıf Kimya Ayrıca spektrumda dikkat çeken diğer bir nokta ikiden fazla çizginin görüldüğü yerlerde örnek maddenin safsızlık içerdiği anlaşılmasıdır. Örneğin Co spektrumundaki çizgilerden biri, dikkat edilirse Fe spektrumundaki bir çizgiye denk gelmektedir. Bir diğeri de Ni spektrumundakine denktir. Bir bakır çinko alaşımı olan pirinç (Brass), iki Cu için ve iki de Zn için spektrum çizgileri göstermektedir. Moseley, 1912 de anotta çeşitli elementleri kullanarak her elementin farklı karakteristik X-ışınları spektrumu verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışının frekanslarının buna paralel olarak arttığını gözlemlemiştir. Moseley, X-ışınları frekanslarının atomun çekirdeğindeki yükün karakteristiği olduğunu anlamıştı. Atom numaraları 13 ile 79 arasında olan 38 elementin X-ışınları spektrumunu inceledi. Her element için o elemente karşılık gelen karakteristik spektrum çizgisini kullanan Moseley, elementin atom numarası ile çizgi frekansının karekökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu buldu. Başka bir deyişle elementler atom numarası artışına göre dizildiğinde spektrum çizgisine ait frekansın karekökünün bir elementten diğerine gittikçe sabit bir miktarda arttığını tespit etti (Grafik 1.1.1). 4x10 9 3x10 9 2x10 9 1x Grafik Elementlerin atom numarası artışına göre spektrum çizgisi frekansının karekökü ile değişimi 28

15 1. Ünite Atomun Yapısı Bu tespitten hareketle Moseley, X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin atom numaralarını doğru bir şekilde belirledi. Diğer taraftan Moseley periyodik sistemde Ce dan Lu a kadar olan seride 14 element bulunması ve bu elementlerin La dan sonra gelmesi gerektiğini bildirdi. Moseley in çalışmalarına dayanılarak periyodik yasa, Elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri atom numarasının periyodik işlevidir. şeklinde tekrar tanımlandı. Ayrıca Moseley atom numarasının atom çekirdeğinde bulunan artı birimlerin sayısı olduğunu da önerdi. Moseley atomda bir elementten diğerine gidildikçe artan temel bir nicelik bulunduğunu ifade ederek bu niceliğin ancak merkezdeki artı yüklü çekirdeğin yükü olabileceğini de belirtti. Okuma Metni X-ışınları Spektrumları ve Atom Numarası Atomların gözle görülen spektrumları bağı çok zayıf olan elektronların enerjilerini değiştirmeleri ile ortaya çıkar. Çok yüksek elektriksel uyarmalarda atomlar X-ışınları yayar. Bu ışınlar, atomun dış katmanlarındaki elektronlarının sebep olduğu görünür bölge spektrumlarını açıklamakta bilim insanlarına yardımcı olmuştur. Spektrumları kendi içinde sürekli ve kesikli spektrumlar olarak ikiye ayırabiliriz. Akkor hâline gelmiş bir metalin verdiği ışık bir prizmadan geçirilirse, kırmızıdan mora kadar bütün renkler sıra ile görülür. Arada boşluklar yoktur. Buna sürekli spektrum denir. Hidrojen gazı cıva buharı veya sodyum buharı içeren Geissler tüpünün verdiği ışık bir prizmadan geçirilip incelenirse bazı renklerin görüldüğü ve bu renkler arasında siyah boşluklar bulunduğu gözlenir. Bu tür spektrumlara kesikli veya çizgi spektrum denir. Çizgi spektrumu X-ışınlarının dalga boyu (λ), atomlar arası uzaklığın (d) kırılma açısı (θ) ile Bragg denklemi (nλ=2dsinθ) kullanılarak bulunabilir. Dalga boyu, ölçülen θ kırınım açısından hesaplanabilir. Moseley, anotta çeşitli elementleri kullanarak her elementin farklı karakteristik X-ışınları spektrumu verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışınların frekanslarının buna paralel olarak arttığını gözlemleyerek bütün frekansların aşağıda gösterilen ampirik formüle uyduğunu bulmuştur. n =a(z-b) 2 Bu denklemde a ve b bütün elementlere uyan evrensel sabitlerdir. Z, periyodik cetvelde art arda gelen elementlerde düzenli olarak bir elementin çekirdeğindeki yük veya atom numarası olduğu sonucunu ortaya çıkardır. Bohr un teorisine göre tek elektronlu atomun yaydığı 29

16 10. Sınıf Kimya ışığın frekansı çekirdekteki yükün karesi (Z 2 ) ile doğru orantılı olmalıdır. Moseley, X-ışınları frekanslarının Z 2 ile değil, (Z-b) 2 ile orantılı olduğunu tespit etmiştir. Herhangi bir elektron ele alındığında etkin çekirdek yükü Z değil Z-b dir. Bu açıklama, atomdaki elektronların davranışları ve X-ışınları spektrumlarının kaynağı üzerine bugünkü bilgilerimizle tam bir uyum gösterir. Elementler, periyodik cetvelde atom kütlelerine göre yerleştirildiklerinde Ni-Co, Ar-K ve Tc-I elementlerinin kimyasal özelliklerine uymayan bir düzende yerleştiği görülür. Moseley, elementleri atom sayılarına göre sıraladıktan sonra bu çelişkinin ortadan kalktığını görmüştür. Kısacası, atom kütlelerinin değil atom numarasının kimyasal özelliklerde temel olduğunu göstermiştir. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 30

17 ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ 2. BÖLÜM İçerik 1. Rutherford Atom Modeli 1. Atom Modeli 2. Işınların Enerjisinin Dalga Özelliği 3. Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği 2. Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması 3. Işığın İkili Doğası Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Siyah Cisim Işıması Planck Kuantum Kuramı Fotoelektrik Olay 4. Atom Spektrumları 5. Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Gökkuşağı yağmurlu bir günde güneşin görünmesiyle oluşan güzel bir doğa olayıdır. Geçmişte gökkuşağındaki tarifsiz renklerin oluşumu ile ilgili çeşitli efsaneler anlatılmıştır. Bugün ise gökkuşağının, güneş ışınlarının çok küçük yağmur damlalarına çarparak kırılmasıyla oluştuğu bilinmektedir. Bu bölümde ışığın özellikleri, ışık ile maddenin etkileşimi sonucu ışın yayılması ve buradan hareketle atomun yapısının nasıl aydınlatılmaya çalışıldığı anlatılacaktır.

18 10. Sınıf Kimya Şekil Thomson tasarladığı atom modelini üzümlü keke; kekteki üzümleri negatif yüke, keki ise pozitif yüke benzetmiştir. ZnS sürülmüş levha Rutherford Atom Modeli Thomson un yaptığı deneyler ve geliştirmiş olduğu atom modeli, acaba atomu açıklamakta yeterli miydi? Şimdi bu sorunun cevabını anlamaya çalışalım. Elektronların e/m oranı üzerine yaptığı deneyler sonucunda J.J.Thomson atomların, negatif elektronların içinde yüzdüğünü, pozitif yüklü elektrikten meydana gelmiş küreye benzediğini ve atomun kütlesinin büyük kısmının bu pozitif yüklü elektriklerden oluştuğunu ileri sürdü. Atom gerçekten böyle miydi? Aynı tarihte Rutherford, alfa taneciklerinin (pozitif yüklü taneciklerin) ince altın levhada saçılmalarını gözlemledi. Yaptığı deneyde dar bir aralıktan, paralel ve pozitif yüklü tanecikler demetini çok ince altın bir levhaya gönderdi. Sapmaya uğrayan taneciklerin açısal dağılımını, ZnS sürülmüş levha üzerinde beliren parıldamalar sayesinde belirledi (Şekil 1.2.2). Deneyin önemli nitel sonucu, pozitif yüklü taneciklerin büyük bir kısmının levhayı hiç sapmadan veya küçük açılarla saparak geçmesidir. Çok az sayıda tanecik 180 o ye kadar büyük açılarla sapar (Şekil 1.2.3). Bu sapmayı Rutherford bir top mermisinin ince bir kâğıda çarpıp geri dönmesi olayına benzetmiştir. Kinetik enerjileri çok büyük olan alfa taneciklerinin büyük sapmaya uğramaları güçlü elektriksel kuvvetin atom içinde çok küçük bölgeye (atom çekirdeğine) toplanmış olduğunu da gösterir. Oysa Thomson un atom modeline göre negatif ve pozitif yükler atomun içinde dağılmış durumda olduğundan alfa parçacıklarının metal levhadan geçerken dağılmaması gerekirdi. Bir başka deyişle atom, Thomson un ileri sürdüğü gibi düzenli bir şekilde dağılmış yük ve kütle yoğunluğunda değildir. Böylece Rutherford, Thomson atom modelinin geçerli olmadığını ispatlamış oldu. Alfa taneciklerinin saçılma deneyi, sadece çekirdeğin bulunuşunu gösteren nitel bir deney olmayıp aynı zamanda çekirdeğin yükünün ve büyüklüğünün nicel ölçümünü de verir. Elektronlar, atom içinde yaklaşık olarak m çapında bir hacmi kapladığı hâlde, pozitif elektrik çok küçük olmakla birlikte ağır bir çekirdek içinde toplanmıştır (10-14 m yarıçap). Doğrultusu değişmeyen ışınlar Altın levha Alfa ışın kaynağı Doğrultusu değişen (sapan) ışınlar Şekil Rutherford un altın levha deneyi Şekil Rutherford un deneyinde çekirdeğe (+ yüklü küreye) çarpıp geri dönen ve sapan alfa (pozitif yüklü) tanecikleri 32

19 1. Ünite Atomun Yapısı Rutherford, yaptığı deney sonucunda 1911 de yeni bir atom modeli geliştirdi. Bu atom modeline göre; Bir atomda pozitif yükün tümü, çekirdek denilen küçük bölgede toplanmıştır. Pozitif yüklerin toplam kütlesi, atomun kütlesinin yaklaşık yarısı kadardır. Alfa parçacıklarının çoğu, hiçbir sapmaya uğramadığına göre atom çoğunlukla boşluktan ibarettir. Elektronlar, çekirdek etrafında bulunur ve pozitif yüklere (proton) eşit sayıdadır. Rutherford un çalışmaları sonucunda ulaştığı önemli bir öngörüsü de; çekirdekte pozitif taneciklere eş kütlede yüksüz tanecikler bulunduğundan söz etmesidir. Bu yüksüz taneciklerin (nötronların) varlığı 1932 de James Chadwick (Ceymis Çedvik) tarafından kanıtlanmıştır. Rutherford atom modelinin, atomların yaydığı spektrumları açıklamada yetersiz kalması yeni teorilerin ortaya atılmasına neden olmuştur Atom Modeli Atomun yapısı ile ilgili olarak Faraday, Thomson, Rutherford ve Bohr un çıkarımlarını basitçe işlemiştik. Bu çıkarımlardan hareketle atomu, çekirdekte nükleonlar ve çekirdek etrafında ise elektronların bulunduğu bir sistem şeklinde tarif etmek mümkündür. Çekirdekteki nükleonları, proton ve nötronlar oluşturur. Nötronlar yüksüz, protonların ise pozitif (+) yüklü dür. Protonların pozitif yüklü olması dolayısıyla çekirdek de pozitif yüklü olur. Peki, çekirdekte pozitif yükler bir arada nasıl bulunabilmektedir? Protonların hepsi pozitif yüklü olduğuna göre birbirini itmezler mi? Çekirdek pozitif yüklü, elektronlar negatif yüklü olduğuna göre atomu oluşturan parçacıklar durgun mu, yoksa hareketli midir (statik mi / dinamik mi)? Nükleonların bir arada bulunuşlarında kütle ve elektriksel çekim kuvveti etkilidir. Proton ve nötron içi yük dağılımı, proton ve nötronu oluşturan daha alt taneciklerden dolayı tam simetrik değildir. Bu durum ise protonlar ve nötronlar arasında çekim etkileri meydana gelmesine neden olur. Çekirdek içinde sadece proton-nötron çekimi değil; protonproton, nötron-nötron çekimleri de gerçekleşir. Bu etkileşimler, protonlar arası itmeden daha fazla olduğu için protonların bir arada bulunmasını (çekirdeğin kararlılığını) sağlar. Nötronlar da nötron - proton arasındaki çekim etkileşmesiyle ve protonların aralarına girerek proton - proton itmesini azaltarak çekirdeğin bütünlüğü için katkı yapmış olur. Çekirdeğin kütlesi ile çekirdeği oluşturan proton ve nötronların kütleleri toplamı karşılaştırldığında çekirdeğin kütlesinin daha küçük olduğu görülür. Bunun sebebi nükleonların bir araya gelişleri sırasında bir miktar kütlenin enerjiye dönüşmesidir. Enerjiye dönüşen bu kütle çekirdeğin toplam bağlanma enerjisini sağlamış olur. Nükleonların sayısı çok arttığında nükleonların bir arada bulunmasını sağlayan çekim kuvvetlerine göre elektriksel itme kuvvetleri daha etkili olur ve çekirdek parçalanır. (Bu konu ile ilgili daha ayrıntılı bilgiler Kimya 11 in 5. ünitesinde verilecektir). Çekirdeğin, pozitif yüklü; elektronların ise negatif yüklü olmasına rağmen elektronların çekirdeğe düşmeden ayrı kalabilmesi elektronların dönmeye bağlı savrulması ile ilişkilidir. Normalde elektronların dönmeye bağlı savrulma hareketleri olmasaydı elektronlar çekirdeğe düşerdi. Elektronlar, çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilmek için çekirdek etrafında elektronun enerjisiyle doğru orantılı dönme hareketinde bulunur. 33

20 10. Sınıf Kimya Işınların Enerjisinin Dalga Özelliği Işığı araştıran bilim insanları ışığın yapısı ve özellikleriyle ilgili iki farklı model ortaya sürmüşler ve bu modelleri savunmuşlardır. Bilim insanlarının birçoğu ışığın dalga modeli ile dağıldığını, diğer bilim insanları ise ışığın tanecik modeli ile yayıldığını ortaya atmıştır. 19. yüzyılın başlangıcından önce ışığın, ışık kaynağından yayılan taneciklerin akışı olduğu kabul edilmiştir. Işığın tanecikler hâlinde yayıldığını ilk olarak ortaya atan Newton dur. Işığın tanecikler hâlinde yayılması yansıma ve kırılma gibi bazı bilinen olayların açıklanmasını sağlıyordu. Hollandalı fizikçi ve astronom (Gök bilimci) Christian Huygens (Kristın Huygıns), 1678 yılında yani Newton hayatta iken ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin saydam ortamlarda dalgalar hâlinde yayıldığını ileri sürdü. Bu kanıya, dar bir aralıktan ışık ışınları geçirerek bu ışınların önündeki ekranda karanlık ve aydınlık alanlar oluşturmasını gözlemleyerek vardı. Işığın dalga teorisi hemen kabul edilmedi. Çünkü bazı bilim insanları ışık, dalga hareketi şeklinde dağılsaydı dalgalar köşeli engellerin çevresinde bükülecekler ve bunun sonucunda da köşelerin çevresini görebileceklerini düşünüyorlardı. Günümüzde ise ışığın cisimlerin kenarları çevresinde gerçekten büküldüğü bilinmektedir. Kırınım olarak bilinen bu olayı, ışık dalgaları kısa dalga boylu oldukları için gözlemlemek kolay değildir. Kırınıma ait deneysel kanıt olmasına rağmen çoğu bilim insanı dalga teorisini reddetti. Yüz yıla yakın bir süre kadar tanecik teorisine bağlı kaldılar. Huygens in ışığın dalga hareketi şeklinde olduğu fikri İngiliz fizikçi Thomas Young (Tomas Yang) ın deneyi ile kanıtlanmıştır. Bu deneye göre ışık ışınları, denizdeki dalgalar gibi bazen birbirini yok ediyor bazen güçlendiriyordu. Tanecik teorisi, bu durumu açıklayamamıştır. Jean Foucault (Jan Fako, ) nun 1850 de ışığın sıvılardaki hızının havadakinden daha az olduğunu kanıtlaması da tanecik teorisinin yetersizliğinin başka bir göstergesidir Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Işık, elektromanyetik ışımanın gözle görülen bölümüdür. Elektromanyetik ışımanın hem dalga hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır. Elektromanyetik ışımanın dalga kuramı, gözlenen pek çok özelliği açıklar. CD üzerinde ışığın kırılması ile görülen gökkuşağı renkleri, elektromanyetik ışımanın dalga girişimine örnek teşkil eder. Işıma enerjisinin parçacık özelliği için Max Planck (Maks Plank, ) tarafından kuantum kuramı önerilmiş, enerjinin ancak belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebileceği belirtilmiştir. Belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebilen bu enerjiye kuantum, ışıma enerjisine ise kuantlanmış enerji denir. Işımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği kabul edilen bu kuantumlar foton olarak adlandırılmıştır. O hâlde ışıma enerjisi hem ışıma dalgaları hem de foton akımlarıdır. Işıma enerjisi sürekli değil, kesikli bir biçimde, kuantumlar hâlinde alınıp verilebilir. Her iki özellik de deney yoluyla yapılan gözlemlere dayanır. 34

21 1. Ünite Atomun Yapısı Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Radyo dalgaları, kızıl ötesi (infrared) dalgalar, görünür bölgedeki ışık ve X-ışınları elektromanyetik ışıma türleridir. Elektromanyetik ışın, uzayda dalga hareketi ile ilerler. λ A Şekil Bir dalganın, dalga boyu (λ) ve genliği (A) Aşağıdaki terimler, bu dalgaları tanımlamada kullanılır. 1. Dalga boyu (λ, lamda): Ardı ardına gelen iki dalga üzerinde benzer noktalar arasındaki uzaklıktır (İki maksimum veya iki minimum nokta arasındaki uzaklık). 2. Genlik (A): Bir dalgada maksimum yüksekliğe veya minimum derinliğe denir. Dalganın şiddeti, genliğin karesi (A 2 ) ile orantılıdır. 3. Hız (c): Vakumda (boşlukta) elektromanyetik dalgalar dalga boyuna bağlı olmaksızın aynı hızla hareket eder. c sembolü ile gösterilen ve 2,99x10 8 ms -1 değerinde olan bu hıza ışık hızı denir. Işık hızı boşlukta ve maddesel ortamlarda farklıdır. Örneğin havada 2,99x10 8 ms -1 hızla hareket eden ışık, suda 2,25x10 8 ms -1, camda ise daha düşük bir hızla (yaklaşık 2 x 10 8 ms -1 ) hareket eder. 4. Işımanın frekansı (n, nü): Belli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısıdır. Birimi Hz (herts) dir. Belli bir ışıma için dalga boyu ile frekansın çarpımı elektromanyetik dalgalar için ışık hızına eşittir. Buradan da bir saniyede alınan yola ulaşılabilir. Işığın frekansı ışık kaynağına bağlı olup ortamla değişmez. Resim Rutherford laboratuvarda çalışırken Uzunluk ölçü birimleri 1 Terametre (Tm) = m 1 Gigametre (Gm) = 10 9 m 1 Megametre (Mm) = 10 6 m 1 Kilometre (km) = 10 3 m 1 Hektometre (hm) = 10 2 m 1 Dekametre (dam) = 10 m 1 Metre (m) = 1 1 Desimetre (dm) = 10-1 m 1 Santimetre (cm) = 10-2 m 1 Milimetre (mm) = 10-3 m 1 Mikrometre (µm) = 10-6 m 1 Nanometre (nm) = 10-9 m 1 Angstrom (A o ) = m 1 Pikometre (pm) = m 1 Femtometre (fm) = m λn = c n = c λ Örnek Frekansı 9,7 x Hz (s -1 ) olan ışığın havada, suda ve camda dalga boyu kaç nanometredir? (c hava : 2,99x10 8 m.s -1,c su : 2,25x10 8 m.s -1, c cam : 2 x10 8 m.s -1 ) Çözüm c = λn Işığın havadaki dalga boyu 2,99x10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 λ= c n = 0,308 x 10-6 m (308 x 10-9 m) = 308 nm 35

22 10. Sınıf Kimya Işığın sudaki dalga boyu 2,25x10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 = 0,232 x 10-6 m (232 x 10-9 m) = 232 nm Işığın camdaki dalga boyu 2 x 10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 = 0,206 x 10-6 m (206 x 10-9 m) = 206 nm Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Frekansı 2,5 x Hz olan ışığın elmastaki dalga boyu 500 nanometre olduğuna göre ışığın elmastaki hızı kaç m s -1 dir. Cevap: 1,25 x 10 8 m s Işığın gliserindeki hızı 2,03 x 10 8 m s -1 dir. Gliserinde 406 nanometrelik dalga boyuna sahip olan ışığın frekansı kaç Hz dir? Cevap: 5 x Hz Radyo dalgaları çok uzun dalga boylarına, kızıl ötesi ışınlar orta uzunlukta dalga boylarına sahiptir. Radyoaktif bozunmadan oluşan gama ışınları (g) ise çok kısa dalga boylarına sahiptir. Görünür ışık ise dalga boyları yaklaşık (380 nm nm) arasındaki ışınları içerir. Uçucu olmayan bir katı, örneğin volfram metali kızdırılırsa beyaz ışık verir. Bu ışık bir cam prizmadan geçirildiğinde çeşitli renklere ayrılır. Görünen her renk, belirli bir dalga boyundaki ışıktan oluşur. Tek bir dalga boyuna sahip olan ışığa monokromatik ışık, dalga boyları farklı ışınlardan oluşan ışığa çok renkli anlamına gelen polikromatik ışık denir. Yeşil boyalı ampülden gelen ışık momokromatik ışığa, güneş ışığı ise polikromatiğe örnek verilebilir. Görünür bölgede bütün dalga boylarındaki ışınlardan oluşan beyaz ışık prizmadan geçirilirse renklere ayrılır. Bu ayrılma dalga boyu farklı olan ışınların kırılma açılarının farklı olmasından ileri gelir. Renk dizisi kırmızıdan başlar, mora kadar devam eder. Renkler arasında kırmızı en uzun dalga boyu ve en düşük frekansa; mor ise en kısa dalga boyu ve en yüksek frekansa sahiptir. Göz, ancak bu iki renk arasındaki ışınlara karşı duyarlıdır. Frekansı kırmızı renginkinden düşük ışınlara kızıl ötesi (IR); frekansı morunkinden yüksek olanlara ise mor ötesi (UV) ışınlar denir. Görünür bölge dışında kalan ve gözün duyarlı olmadığı ışınlar, dolaylı olarak gözlenebilir. Bütün frekansları kapsayan elektromanyetik ışın dizisine elektromanyetik dalga spektrumu denir. Spektrum, elektromanyetik ışının frekansı veya dalga boyuna göre gruplandırılır. 36

23 1. Ünite Atomun Yapısı λ (cm) g ışınları Hertz dalgaları (radyo, TV) yüksek enerji yüksek frekans kısa dalga boyu X- ışınları mor ötesi (ultraviyole) ışınlar kızıl ötesi (infrared) ışınlar mikro dalgalar düşük enerji düşük frekans uzun dalga boyu görünür bölge (ışık) mor mavi yeşil sarı turuncu kırmızı λ (nm) Şekil Elektromanyetik dalga spektrumu X- Işını kullanılarak çekilmiş röntgen görüntüsü Kızıl ötesi ışınlar kullanılarak yapılan görüntüleme Atom bombasının patlaması sırasında gama ışınları oluşur. Masa lambası görünür bölgede ışık yayar. Radyo dalgalarını yayan istasyon Resim Değişik dalga boylarındaki ışınların günlük yaşantımızda karşımıza çıktığı bazı alanlar Görünür bölge, elektromanyetik spektrumun çok dar bölgesidir (4x10 14 Hz (s -1 ) veya nm). Spektrumun değişik bölgelerindeki elektromanyetik ışınlar, madde ile farklı şekillerde etkileşir. Maddenin tanınmasında bu etkileşimlerden faydalanılır. Elektromanyetik ışımanın maddeyle (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi, bu etkileşmenin incelendiği aletlere spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere de spektrometre denir. Resim Spektrometre 37

24 10. Sınıf Kimya Etkinlik 1.3 te ısıtılan bazı maddelerin alevdeki renklerini (ışımalarını) inceleyerek maddelerin bu ışımaya bağlı olarak farklılığını görelim. Isıtılan Bazı Maddelerin Işıması Etkinliğin Amacı Işıma ile atomun yapısı arasındaki ilişkiyi açıklayabilme Etkinliği Uygulayalım Uyarı: Etkinliği uygularken tuzu almadan önce platin teli her seferinde bir defa HCl çözeltisine batırıp daha sonra aleve tutarak temizleyiniz. İmkân varsa her tuz için ayrı platin tel kullanınız. Ucu kıvrılmış platin teli cam çubuğa sarınız. Cam çubuğu tel sarılmamış tarafından tutarak telin ucu kıvrılmış olan bölümüne bir miktar madde (tuz) alınız. Platin teli bunzen bekinin mavi alevinin üstüne tutunuz. Alevin rengine dikkatle bakarak gözlemlediğiniz rengi aşağıdaki ilgili kutucuğa yazınız. Kullanılan Madde Gözlenen Renk Kullanılan Madde Gözlenen Renk Etkinlik 1.3 NaCl Na 2 CO 3 Etkinliği Sonuçlandıralım LiCl KNO 3 BaCl 2 NaNO CuCl 3 Cu(NO 3 ) 2 Araç ve Gereç Bunzen beki Deney tüpü Spatül HCl çözeltisi Katı NaCl Katı KCl Katı KNO 3 Katı BaCl 2 Katı Na 2 CO 3 Katı NaNO 3 Katı CuCl Katı Cu(NO 3 ) 2 Dereceli silindir Cam çubuk Saat camı Platin tel Tüplük 1) Maddeleri bunzen beki alevine tutunca alevin renginin değişmesinin nedeni ne olabilir? Alevdeki renkler nasıl oluşmaktadır? 2) Aynı element için farklı bileşiklerin bunzen beki alevinde aynı renk oluşturmasından nasıl bir sonuç çıkarabilirsiniz? 3) Atomların yapısı ile oluşan alev rengi arasında bir bağ kurulabilir mi? Değişik maddelere ait alev analizleri incelendiğinde her maddenin kendine özgü bir şekilde alev rengi verdiği gözlemlenmiştir. Alev renklerinin farklı olması maddenin ısıtıldığında farklı frekanslarda ışın yaydığının göstergesidir. Frekansla dalga boyu ters orantılıdır. Bir dalga boyun- 38

25 1. Ünite Atomun Yapısı dan diğerine geçişin sürekli olduğu spektrumlara sürekli spektrum denir. Örneğin, beyaz ışık, bir prizmadan geçirilirse sürekli spektrum elde edilir. Renkler (yani dalga boyları) arasında kesintisiz bir geçiş vardır. Sürekli spektrum verebilecek beyaz ışık bir gazdan (örneğin, He dan) geçirildikten sonra prizmada kırılırsa elde edilen spektrumda belirli frekanslarda siyah çizgiler görülür. Bu çizginin yeri ve sayısı, ışığın içinden geçtiği maddenin türüne bağlıdır. Bu durum maddelerin tanınmasına yarar. Spektrumun bu şekilde kullanılması insanların ayırt edilmesinde parmak izlerinin kullanılması durumuna benzemektedir Işığın İkili Doğası Işığı araştıran bilim insanları ışığın yapısı ve özellikleriyle ilgili iki farklı model ortaya sürerek bunları savunmuşlardır. Bilim insanlarının birçoğu ışığın dalga modeli ile dağıldığını, diğer bilim insanları ise ışığın tanecik modeli ile yayıldığını ortaya atmıştır. 19. yüzyılın başlangıcından önce ışığın, ışık kaynağından yayılan taneciklerin akışı olduğu kabul edilmiştir. Işığın tanecikler hâlinde yayıldığını ilk olarak ortaya atan Newton dur. Işığın tanecikler hâlinde yayılması yansıma ve kırılma gibi bazı bilinen olayların açıklanmasını sağlıyordu. Newton hayatta iken 1678 de Hollandalı fizikçi ve astronom (Gök bilimci) Christian Huygens (Kristiın Huygıns), ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin saydam ortamlarda dalgalar hâlinde yayıldığını ileri sürdü. Bu kanıya, dar bir aralıktan ışık ışınları geçirerek bu ışınların önündeki ekranda karanlık ve aydınlık alanlar oluşturmasını gözlemleyerek vardı. Işığın dalga teorisi hemen kabul edilmedi. Çünkü bazı bilim insanları ışık, dalga hareketi şeklinde dağılsaydı dalgalar köşeli engellerin çevresinde bükülecekler ve bunun sonucunda da köşelerin çevresini görebileceklerini düşünüyorlardı. Günümüzde ise ışığın cisimlerin kenarları çevresinde gerçekten büküldüğü bilinmektedir. Kırınım olarak bilinen bu olayı, ışık dalgaları kısa dalga boylu oldukları için gözlemlemek kolay değildir. Kırınıma ait deneysel kanıt olmasına rağmen çoğu bilim insanı dalga teorisini reddetti. Yüzyıla yakın bir süre kadar tanecik teorisine bağlı kaldılar. Huygens in ışığın dalga hareketi şeklinde olduğu prensibini ispatlayabilmek için İngiliz fizikçi Thomas Young (Tomas Yang), Şekil da olduğu gibi düzeneği kurarak deney yaptı. Bu deney düzeneğinde bir ışık demeti, ortasında K deliği bulunan levhaya çarptığında bu delik noktasal ışık kaynağı gibi davranarak ışık dalgaları yayar. Dalgalar A dan B levhasına gelir. B levhası üzerinde K 1 ve K 2 delikleri yine etrafa ışık dalgaları yayar. Bu dalgaların birbiri içine girmesi (girişim) ile C ekranı üzerinde girişim çizgileri dediğimiz bir sıra aydınlık (kırmızı) ve karanlık çizginin belirdiği görülür. Young un deneyinde bu şekilde ortaya çıkan çizgiler, ışığın dalga özelliğini açıkça kanıtlamaktadır. K 1 ve K 2 deliklerinden biri kapatılınca aydınlık ve karanlık çizgiler yok olur. Bu deneye göre ışık ışınları, denizdeki dalgalar gibi bazen birbirini yok ediyor bazen güçlendiriyordu. Tanecik teorisi, bu durumu açıklayamamıştır. Jean Foucault (Jan Fako, ) nun 1850 de ışığın sıvılardaki hızının havadakinden daha az olduğunu kanıtlaması da tanecik teorisinin yetersizliğinin başka bir göstergesidir. Araştırma Bir metal para havuzun dibinde görülmektedir. Paranın bulunduğu derinlik ile göründüğü derinlik arasında fark var mıdır? Varsa sebebi sizce ne olabilir? Resim Thomas YOUNG ( ) 16 yaşındayken Latince, Yunanca, Fransızca, İtalyanca, Türkçe, İbranice, Arapça, Farsça, Sümerce biliyordu. Arkeoloji ve tarih başta olmak üzere birçok ilgi alanı vardı. Önce tıp okudu ve 1796 Göttingen de doktor unvanını aldı den 1804 e kadar Kraliyet Enstitüsünde fizik profesörlüğü yaptı. 39