1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ MODERN ATOM TEORİSİ

Transkript

1 1. ÜNİTE MODERN ATOM TEORİSİ Kavramlar ve Terimler 1. Model 2. Atom 3. Işın 4. Spektrum 5. Dalga boyu 6. Frekans 7. Işık hızı 8. Genlik KONULAR 9. Dalga sayısı 10. Yörünge 11. Enerji düzeyi (katman) 12. Absorpsiyon 13. Emisyon 14. Fotoelektrik olay 15. Siyah cisim ışıması 16. Orbital (dalga fonksiyonu) 17. Kuantum sayıları 18. Elektron dizilimi 19. Periyodik sistem 20. İyonlaşma enerjisi 21. Elektronegatiflik 22. Elektron ilgisi 23. Yükseltgenme basamağı 1.1. Atom Hakkındaki Düşünceler ve Oluşturulan Modeller 1.2. Atomun Kuantum Modeline Yönlendiren Bulguların Tarihsel Gelişimi 1.3. Atomun Kuantum Modeli 1.4. Elektron Dizilimi ve Periyodik Sisteme Yerleşim 1.5. Periyodik Özellikler 1.6. Elementlerin Periyodik Çizelgedeki Konumları ve Özellikleri 1.7. İyon Yükleri ve Yükseltgenme Basamakları 1.8. İyonik ve Kovalent Bileşiklerin Adlandırılması Bu ünitede maddenin temel taşı olan atom hakkındaki modern anlayışın tarihsel gelişimini gözden geçirecek, modern atom modeliyle ilgili temel kavramları ilişkilendirecek, elementlerin periyodik dizgesini atomun yapısı üzerinden tartışarak gündelik hayat açısından önemli elementlerin ve bileşiklerinin sembol, formül ve adlandırılma esaslarını irdeleyeceksiniz. 13

2 Hatırlatma Kutusu Lavoisier (Lavazye) oluşturduğu Kütlenin Korunumu Yasası nı Bir kimyasal tepkimede kütle yoktan var edilemez, var olan yok edilemez. şeklinde dile getirmişti. Resim 1.1: Antoine Lavoisier ( ) Resim 1.2: Joseph Proust ( ) Yaşadığımız yüzyılda çevremizdeki tüm maddelerin atom adı verilen çok küçük taneciklerden oluştuğunu ve atomların farklı şekillerde düzenlenerek farklı maddeleri oluşturduğunu biliyoruz. Sizce atomun yapısını açıklamaya yönelik modeller nasıl bir tarihsel gelişim sürecinden geçerek günümüzdeki atom modeline ulaşılmıştır? Hiç düşündünüz mü? 1.1. Atom Hakkındaki Düşünceler ve Oluşturulan Modeller Atomun sahip olduğu elektron dağılımı, maddenin tüm kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirler. Eski çağlarda Yunanlı düşünürlerden Aristoteles (Aristo) ve Platon (Pilaton) maddenin sonsuza kadar bölünebileceğini ve maddenin sürekli olduğunu düşünüyorlardı. Ancak MÖ yılları arasında yaşayan Democritus (Demokritus) maddenin bölünme işleminin sürekli olamayacağını ve bölünemeyecek kadar küçük bir parçayla sonlanacağını düşünerek bu parçaya Yunanca bölünemez anlamına gelen atomus adını vermişti. Ancak o dönemde ileri sürülen görüşler bilimsel planlı deneylere dayanmıyordu. Maddenin atom adı verilen küçük taneciklerden oluştuğu sonucuna götüren ilk deneysel çalışmalar, 18. yüzyıl sonlarında Antoine Lavoisier (Antuan Lavazye, Resim 1.1) ve Joseph Proust (Cozıf Prust, Resim 1.2) tarafından yapılmıştır. 9. sınıfta da öğrendiğiniz gibi Lavoisier maddelerin gerçekleştirdiği yanma olayı ile ilgili uyguladığı deneyler ve ölçümlerle Kütlenin Korunumu Yasası nı oluşturmuştur. Lavoisier yaptığı çalışmalarla kimyada nicel deneysel yöntemlerin kullanılmasına öncülük etmiş, kimyanın modern bilim olarak kabul edilmesinde önemli rol oynamıştır. Lavoisier nin deneysel çalışmalarını izleyen Proust, uyguladığı deneyler sonrasında Sabit Oranlar Yasası olarak bildiğimiz yasayı ileri sürmüştür. Bu yasa Bir bileşiği oluşturan elementlerin birleşen kütle oranları her zaman sabit bir değerdir. şeklinde ifade edilir. Hatırlatma Kutusu Proust, oluşturduğu Sabit Oranlar Yasası nı Bir bileşiği oluşturan atomların kütleleri arasında basit ve tam sayılarla ifade edilen sabit bir oran vardır. şeklinde dile getirmişti. 14

3 1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ a. Dalton Atom Modeli Kimyasal tepkime ile bileşiklerin oluşumunu açıklayan Lavoisier nin ve Proust un oluşturduğu bu iki yasayı değerlendiren John Dalton (Con Daltın, Resim 1.3) kendi adıyla anılan modelde maddenin gözle görülemeyen, gerçekte var olduğunu düşündüğü atomlardan oluştuğu fikrini ileri sürmüştür. Dalton ın atom teorisindeki görüşleri şunlardır: Madde, çok yoğun, bölünemez ve yok edilemez atomlardan oluşmuştur. Resim 1.3: John Dalton ( ) Bir elementin atomları şekil, kütle, büyüklük bakımından birbirinin aynıdır. Bir elementin bütün kimyasal tepkimelere katılabilen en küçük parçası atomdur. Atomlar parçalanamaz veya oluşturulamaz. Tepkimelerde atomların sadece düzenlenişi değişebilir. Bu nedenle tepkimelerde atomların sayıları, cinsleri ve kütleleri korunur. Farklı element atomlarının birleşmesiyle moleküller oluşur. Bir bileşiğe ait moleküller birbirinin aynıdır. Dalton Atom Modeli nde Bir elemente ait atom bölünemiyorsa kimyasal tepkime öncesinde var olan atomlar, tepkime sonrasında da var olmalıdır. diye düşünmüş ve bu durumda Hatırlatma Kutusu Katlı Oranlar Yasası na göre iki element birden fazla bileşik oluşturmak üzere birleşirken bileşiklerdeki bir elementin belli bir kütlesiyle birleşen ikinci elementin farklı kütleleri arasında küçük tam sayılarla ifade edilen bir oran olmalıdır. kütlenin değişmeyeceği sonucuna ulaşarak Kütlenin Korunumu Yasası nın daha iyi tanımlanmasına olanak sağlamıştır. Bir elementin bütün atomlarının kütlece aynı olduğunu düşünen Dalton, aynı bileşikte yüzde bileşimin tek bir değer alması gerektiği sonucuna varmıştır. Bu görüşüyle Sabit Oranlar Yasası nı desteklemiştir. 9. sınıfta öğrendiğiniz gibi bu yasalardaki bilgileri değerlendirip tamamen düşünsel olarak Katlı Oranlar Yasası nı ifade etmiştir. Kütlenin Korunumu, Sabit Oranlar ve Katlı Oranlar Yasaları maddenin kimyasal değişimlerdeki davranışlarını tanımlarken, bu değişimlerde gerçekleşen tepkimelerde maddenin neden böyle davrandığını Dalton Atom Teorisi açıklar. Örnek mx 7 X ve Y elementlerinden oluşan X2Y bileşiğinde elementlerin kütlece birleşme oranı m = tür. 4 Y Eşit kütlelerde X ve Y alınarak 8,8 gram X2Y bileşiği elde edildiğine göre hangi elementten kaç gram artar? 15

4 Çözüm X + Y " X 2 Y 7 g? 4 g? 11 g 8,8 g 7 g X 2 ile 11 g X 2 Y bileşiği elde edilir. 4 g Y ile 11 g X 2 Y bileşiği elde edilir.? 8,8 g X 2 Y bileşiği 7 8, 8 = 56, gx 11? 8,8 g X 2 Y bileşiği 8,8 gram X 2 Y bileşiği elde etmek için 5,6 gram X, 3,2 gram Y harcanmalıdır. Bileşikte birleşme oranı büyük olan X tir. Bu durumda X ve Y eşit kütlelerde alınacağına göre başlangıçta 5,6 şar gram X ve Y alınmalıdır. X in tamamı harcanırken 56, 32, = 24, gram Y artar. 4 8, 8 = 32, gy 11 Alıştırma SO 3 bileşiğinde elementlerin kütlece birleşme oranı m m fazla kaç gram SO 3 bileşiği elde edilir? S = O 2 tür. 8 gram S, 15 gram O alınarak en 3 b. Atom Altı Taneciklerin Keşfi Bunları Biliyor musunuz? Galvani, kurbağalar ile yaptığı deneylerde, farklı metaller dokundurulduğunda kurbağa bacak sinirlerinin seğirdiğini gözlemlemiştir. Biyolojik elektriklenme ile ilgili olan bu çalışmalar Volta ya ilham kaynağı oluşturmuştur. Volta, bu deneyi metaller ve çözeltileri ile uygulayarak volta pili ya da galvanik pil olarak isimlendirilen pili oluşturmuştur. Maddenin en küçük yapı taşının atomlar olduğunu açıklayan Dalton Atom Modeli, atomun hangi alt parçacıklardan oluştuğunu açıklayamıyordu. 9. sınıf Kimya dersinden de hatırlayacağınız gibi sürtünmeyle elektriklenme sonrasında atom içerisinde yüklü bazı alt taneciklerin olduğu düşünülmüştür. Maddeler nötr olduğuna göre, maddeleri oluşturan atomlar da nötr olmalıdır. Bu durumda her maddenin atomlarında eşit sayıda pozitif ^+ h ve negatif ^h yüklü parçacıklar bulunmalıdır. Elektrik yükü bir yerden başka bir yere akabilir. Ancak bu gözle görülmez. Kimyasal tepkimeler yardımıyla elektrik akımı verebilen ilk akım kaynağını 1880 yılında Alexandra Volta (Alesandra Volta) oluşturmuştur. Volta nın kendi adıyla anılan pilde meydana gelen kimyasal değişmelerin nedeni, hareket eden elektrik yükleridir. Bu pillerde gerçekleşen tepkimeler incelendiğinde, atomlar elektrik yükü taşıdıklarından, negatif ^h ve pozitif ^+ h yüklü tanecikleri içermeleri gerektiği ve atomun elektriksel yapıda olduğu sonucuna ulaşılmıştır. 9. sınıfta da öğrendiğiniz gibi madde ile elektriksel yük arasındaki ilişkiyi ortaya koyan ilk bilim insanı Michael Faraday dır (Maykıl Faraday). Faraday, uyguladığı deneylerde çeşitli mad 16

5 deleri elektroliz ederek devreden geçen elektrik yükü miktarı ile ayrışan madde miktarı arasındaki ilişkiyi ortaya çıkarmıştır. Uyguladığı deneylerde elektroliz edilen çözeltideki iyon miktarı arttıkça çözeltinin elektrik iletkenliğinin de arttığını gözlemlemiştir. Elektrolizde güç kaynağının negatif kutbuna giden pozitif ^+ h yüklü tanecikler burada negatif ^h yüklü taneciklerle etkileşerek indirgenir ve elektrot üzerinde toplanır. Bu durum, maddenin elektrikli yapıda olduğunun kanıtıdır. Elektroliz deneyleri sonrasında Dalton ın atomu, içi dolu kürecikler şeklinde kabul eden modeli çürütülmüştür. Elektronların Keşfi Maddenin elektrikli yapıda olduğunu ortaya koyan önemli deneylerden biri de William Crookes ın (Vilyım Kruks) kendi adıyla anılan tüplerle uyguladığı deneylerdir. Camdan yapılmış olan Crookes tüpleri, iki ucuna kaynak yapılmış elektrotlar ve tüp içinden gaz boşaltılmasını sağlayan bir musluktan oluşuyordu. Tüp içerisindeki gaz basıncı 0,01 atm e düşürülerek tüpte bulunan metal levhalar bir yüksek voltaj kaynağına bağlandığında, rengi tüp içindeki gazın cinsine göre değişen bir ışıldama olduğu gözlenir (Resim 1.4). Bu ışıldama tüpün katot ucundan anot ucuna doğru hareket eden negatif ^h yüklü katot ışınlarından kaynaklanır. Crookes tüpleri, katot ışını tüpü olarak da isimlendirilir. Crookes tan sonra benzer deneyler yapan Joseph John Thomson (Jozef Con Tamsın, Resim 1.5), katot ışını tüpüyle yaptığı deneyler sonrasında atomların çok küçük negatif tanecikler içerdiği sonucuna ulaşmıştı. Thomson, katot ışınlarının tüm maddelerin yapısında bulunan negatif yüklü temel parçacıktan oluştuğuna karar verdi. Ancak atomun nötr olduğunu biliyordu. Atom nötr olduğuna göre içerisindeki negatif yüklü tanecik sayısına eşit sayıda pozitif yüklü tanecik de içermeliydi yılında George Stoney (Corc Stoni) tüm maddelerin yapısında bulunan bu negatif yüklü taneciğe elektron adını verdi. Thomson, katot ışınlarının hızının ışık hızından daha küçük olduğunu belirlemiş ve ışınların tanecikli yapıda olması gerektiğini düşünmüştü. Bu taneciklerin elektrik ve manyetik alandaki sapmalarını inceleyerek yük/kütle (e/m) oranını hesapladı. Thomson ın Üzümlü Kek Modeli olarak da bilinen atom modelindeki (Şekil 1.1) görüşleri şunlardır: Atom, pozitif ^+ h yüklerden oluşan bir küreciktir. Modelde kek kısmı pozitif yükleri ifade eder. Resim 1.4: Crookes tüpünden akım geçirildiğinde ışıldama gözlenir. Resim 1.5: J. John Thomson ( ) Şekil 1.1: J. Thomson Atom Modeli 17

6 Atomda yük dengesini sağlayacak kadar negatif ^h yük, pozitif ^+ h yükler arasında homojen olarak dağılmaktadır. Modelde kek içerisindeki üzümler negatif yükleri ifade eder. Elektronların varlığı belirlendikten sonra 1908 yılında Robert Andrews Millikan (Rabırt Endruv Milikan) yaptığı bir dizi yağ damlası deneyi sonucunda elektronun yükünü buldu (Şekil 1.2). Millikan, Thomson ın hesapladığı yük/kütle değerini kullanarak elektronun kütlesini de hesapladı. Bunları Biliyor musunuz? püskürtücü iyonlaştırıcı kaynak pozitif yüklü plaka () negatif yüklü plaka Şekil 1.2: Millikan yağ damlası deney düzeneği Millikan, uyguladığı deneylerde bir pulverizatör (püskürtücü) kullanarak elektrik yüklü iki plaka arasına yağ damlacıklarını püskürtür. Plakalar arasına gönderdiği X ışınları, ortamdaki gaz moleküllerinden elektronları koparır. Bu elektronlar yağ damlacıkları tarafından tutularak damlacıkların negatif yükle yüklenmelerini sağlar. Millikan plakaların üstte olanını pozitif ^+ h, altta olanını negatif ^h yükle yükler. Bir yağ damlacığına etki eden yer çekimi kuvveti ile elektriksel çekim kuvvetini dengeleyerek plakalar arasındaki yağ damlacıklarının hareketsiz kalmasını sağlar. Elektrik yüklü plakaya uyguladığı elektrik yükü miktarını değiştererek yağ damlacıklarının hareketlerini inceleyen Millikan, yağ damlacıkları üzerindeki yükün 1, coulomb veya bu değerin tam katları olduğunu gözlemler. Böylece, bir elektronun yükünün 1, coulomb olduğu sonucuna ulaşır Protonların Keşfi Atomların nötr olması, yapısında elektronların ve elektronların yüküne eşit fakat zıt yüklü, pozitif bir taneciğin de var olmasını gerektirir da Eugen Goldstein (Öjen Goldştayn), 18

7 1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ katot ışınlarının özelliklerini incelemiş ve pozitif yüklü ışınların varlığını göstermiştir. Bu pozitif yüklü ışınlara kanal ışınları denir. Thomson, uyguladığı deneyler sonucunda oluşturduğu modelde atomların pozitif elektrikle yüklü bir küre olduğunu ve negatif yüklerin pozitif yükler içerisinde homojen olarak dağıldığını düşünmüştü. Acaba maddenin en küçük birimi olan atomlar için ileri sürülen bu model doğru muydu? 1909 yılında Ernest Rutherford (Ernist Radırford, Resim 1.6) Thomson Atom Modeli nin doğruluğunu kanıtlamak için a Işınları Saçılma Deneyi olarak bilinen bir dizi deney uyguladı (Şekil 1.3). Rutherford, bu deneylerde ince bir altın levhayı a ışınlarıyla bombardıman etti ve ışınların levhaya çarptıktan sonra izledikleri yolu çinko sülfür sürülmüş ekranla izledi. Deney sonucunda pozi Resim 1.6: Ernest Rutherford ( ) tif yüklü taneciklerin büyük bir kısmının levhadan hiç sapmadan ya da küçük açılarla saparak geçtiğini, çok az sayıda taneciğin ise büyük açılarla saptığını veya geri yansıdığını gözlemledi. Eğer atomda Thomson ın modelinde olduğu gibi negatif ve pozitif yükler homojen bir dağılım gösterseydi a parçacıklarının levhadan geçerken dağılmaması gerekirdi. Bu deneyler sonrasında Geri dönen a parçacıkları Rutherford, Thomson Atom Modeli nin geçerli olmadığını ispatlamıştır. a parçacıklarının çok azının sapmasına neden olan kısım kütlece yoğun ve pozitif elektrikle yüklü olmalıdır ki a parçacıklarının, sapmasına neden olsun. Rutherford bu kıs Altın levha ma atom çekirdeği adını verdi. a parçacıklarının saçılma deneyi atom çekirdeğinin bulunmasını sağlayan nitel bir deney olup aynı zamanda çekirdeğin yükünün ve büyüklüğünün nicel ölçümünü Dairesel floresan ekranı de sağlamıştır. a tanecik yayıcısı Rutherford un, oluşturduğu atom modelindeki görüş leri şunlardır: Şekil 1.3: Rutherford un a ışınları saçılma deneyi Bir atomda pozitif yük ve kütle, atomun merkezinde çekirdek adı verilen küçük bir hacimde toplanmıştır. Pozitif yüklerin toplam kütlesi, atom kütlesinin yaklaşık yarısına sahiptir. Atomda, negatif yüklü elektronlara eşit sayıda pozitif yüklü tanecik bulunduğu için atom nötrdür. a parçacıklarının çoğu sapmaya uğramadığına göre atomun büyük bir kısmı boşluktur. Elektronlar çekirdek etrafındaki boşlukta hızla hareket eder. Bilgi Kutusu Çekirdekli atom modelini ilk kez Ernest Rutherford ileri sürmüştür. 19

8 Nötronların Keşfi Rutherford, oluşturduğu modelde çekirdekte toplanan pozitif yüklere proton adını vermiştir. Rutherford un modeli, Thomson Atom Modeli ni geçersiz kılmış olsa da elektronların neden çekirdeğe düşmediği veya dışarı fırlayıp gitmediği sorusuna yanıt veremediği için yetersiz kalmıştır. Rutherford, 1920 yılında atom çekirdeğinde protonların yalnız olmadığını, çekirdekte yüksüz ve kütlesi protonun kütlesine eşit bir taneciğin de bulunduğunu ileri sürmüştür. Ancak bu tanecik 1932 yılında James Chadwick (Ceyms Çedvik) tarafından deneysel olarak belirlenmiş ve nötron olarak isimlendirilmiştir. Nötronun keşfiyle birlikte atomu oluşturan temel taneciklerin proton, nötron ve elektronlar olduğu belirlenmiştir. Proton ve nötronlar atom çekirdeğinde bulunur. Tablo 1.1 de bu temel taneciklerin simgeleri, gerçek ve bağıl yükleri, gerçek kütleleri verilmiştir. Tablo 1.1: Atomun temel taneciklerinin simgeleri, gerçek ve bağıl yükleri, gerçek kütleleri Tanecik Simge Gerçek yükü (coulomb) Bağıl yükü Gerçek kütle (gram) Proton p +1, , Nötron n 0 0 1, Elektron e 1, , Bunları Biliyor musunuz? 1920 yılında Rutherford atom çekirdeğinde yüksüz taneciklerin bulunduğundan bahsetmişti yılları arasında Almanya da Walter Bothe ile Hans Backer in, Fransa da da Joliot Cura çiftinin yaptıkları deneyler sırasında berilyum, alfa tanecikleriyle bombardıman edildiğinde gizemli bir ışın yayınlamıştı. Bu ışın önceleri gamma ışını sanılmıştı. Ancak daha sonra 1932 de, İngiltere de James Chadwick tarafından ışınlamanın nötronlardan kaynaklandığı deneysel olarak kanıtlanmıştır. Atom Kütlelerinin Belirlenmesi Atomun temel taneciklerinden elektronun kütlesi çok küçük olduğundan ihmal edilirse bir atoma ait iyonun kütlesi, atomun kütlesine eşit kabul edilir. Bu durumda bir atomun bağıl kütlesi o atomun iyonlarının bağıl kütlesi ölçülerek belirlenir. Bu ölçüm, kütle spektrometresi ile yapılır. Gaz hâlindeki bir iyon demeti spektrometreden geçerken elektrik ve manyetik alan yardımı ile ayrılır. Ayrılan iyonların miktarı bir ölçü aletine gönderilerek belirlenir. Bir maddenin atomlarını iyonlaştırmak için kullanılan yöntemlerden biri, gaz hâlindeki atomları yüksek enerjili elektronlarla bombardıman etmektir. Henry Moseley (Henri Mozli) katot ışınları tüpünde anot olarak çeşitli elementleri kullanarak bunları katot ışınlarıyla bombardıman etmiş, bombardıman sonunda her elementin kendine özgü farklı dalga boylarında ışınlar yayınladığını gözlemlemiştir. Moseley, bu ışınların dalga boylarının element atomunun çekirdeğindeki pozitif yük sayısına bağlı olarak değiştiğini söylemiştir. 20

9 Her element atomunun çekirdeğinde taşıdığı pozitif elektrik yüküne (proton) o elementin atom numarası denir. Moseley nin deneyleri sonucunda atom numaraları belirlenen element atomlarının kütle spektrometresi ile tek tek kütleleri ölçüldüğünde, çekirdekte protondan başka bir taneciğin bulunması gerektiği ortaya çıkmıştır. Bu tanecik Chadwick tarafından keşfedilen nötrondur. Rutherford elektronların çekirdek çevresindeki büyük hacimde hareket ettiğini düşünmüştü. Ancak atom modeli elektronların yeri ve hareketi konusunda tam bir açıklama getiremiyordu. Coulomb Kanunu na göre pozitif yüklü çekirdek negatif yüklü elektronları çekmeli ve sonuçta elektronlar çekirdeğe düşmelidir. Bu da atomun yok olması demektir. Ayrıca her atom ısıtıldığında kendine özgü bir ışın yayar. Rutherford bu ışınların oluşumunu da açıklayamamıştır. Oluşturulan bu modelin eksikliklerinin giderilmesi için yeni bir modele ihtiyaç duyulmuştur. Yeni model Niels Bohr (Niıls Bor) tarafından geliştirilmiştir. Bohr un geliştirdiği bu modelin daha iyi kavranabilmesi ve Rutherford Atom Modeli nin eksikliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için atom ile ışık arasındaki ilişkiyi incelemeliyiz. c. Elektromanyetik Işınların Dalga ve Tanecik Karakteri Çevremize baktığımızda görme duyusuyla elde ettiğimiz verileri bize ışık sağlar. Maddelere ait atomlar, elektron ya da atom çarptırma, yüksek sıcaklıklara kadar ısıtma, bir ışınla karşılaştırma gibi etkilerle enerji kazanır. Bu enerji kazanan atomlar ilk hâllerine dönerken çeşitli yollarla aldıkları enerjiyi dışarıya ışık olarak yayar. Atomlar tarafından dışarıya salınan bu enerjinin gözle fark edilebilen bölümü görünür ışığı, gözle fark edilemeyen bölümü ise görünmeyen ışığı oluşturur. Işığın yapısı ile ilgili birçok bilim insanı değişik görüşler ileri sürmüştür. Bu bilim insanlarının bir kısmı ışığın tanecik gibi davrandığını, bir kısmı da ışığın dalgalar hâlinde yayıldığını kabul etmiştir. Gözümüzün algılayamadığı radyo ve televizyon dalgaları, kızıl ötesi dalgalar, röntgen çektirirken kullanılan Xışınları, mutfaklarımızdaki fırınlarda kullandığımız mikrodalgalar ve gözle algılayabildiğimiz görünür bölgedeki ışık, elektromanyetik ışıma türlerindendir. Elektromanyetik ışıma, ışık enerjisinin elektromanyetik dalgalar hâlinde ilerlemesi olayıdır. Sizce elektromanyetik ışıma türleri neden birbirinden farklıdır? Bu soruyu yanıtlayabilmek için elektromanyetik ışınların özelliklerini incelemeliyiz. Hatırlatma Kutusu Atomun ve atom altı parçacıkların yapısını anlamak için alfa saçılma deneyleri uygulanmıştır. Rutherford ince altın folyoya alfa parçacıkları gönderdiğinde, bu parçacıkların büyük bir kısmının folyoyla etkileşmeden geçip gittiğini, çok az parçacığın belli açılar yaparak sektiğini gözlemlemişti. Buradan hareket ederek atomun kütlesinin neredeyse tamamının pozitif yüklü merkezde toplandığı sonucuna ulaşan Rutherford, bu bölgeye çekirdek adını verdi. Bilgi Kutusu Atomlardan çeşitli şekillerde ortaya çıkan enerji türleri ve bunların yayılma şekilleri elektromanyetik ışıma olarak adlandırılır. Elektromanyetik ışımanın dalga boyları 10 6 m ile m arasında değişir. Frekansları, çok düşük elektromanyetik dalga frekansları ile çok yüksek kozmik ışınların frekansları arasında değişim gösterir. En yüksek frekanslı dalgalar, en büyük enerjiye sahiptir. 21

10 Resim 1.7: Suda noktasal kaynak ile elde edilen dairesel dalgalar Bunları Biliyor musunuz? Yıldızlardan bize ulaşan ışık, elektrik ve manyetik alan değişimleriyle oluşan bir elektromanyetik dalgadır. Bilgi Kutusu Dalga boyu, bir dalga örüntüsünün tekrarlanan birimleri ara sındaki mesafedir. Dalga boyu frekansla ters orantılıdır. Dalga, enerji taşıma yollarından biridir. Elektromanyetik ışıma, uzayda dalga hareketi ile ilerler. Depreme neden olan enerji, radyo ve TV yayınları, tıpta kullanılan görüntüleme yöntemleri, konuştuğumuzda sesimizin çevremizdeki kişiler tarafından duyulabilmesi dalga hareketi ile sağlanır. Bir su birikintisine taş attığımızda, taş aracılığıyla suya aktarılan enerji, suda şekil değişikliği oluşturarak dalgalar hâlinde başka bir yere taşınır (Resim 1.7). İşte bu şekilde oluşturulan titreşim hareketi aracılığıyla bir ortama aktarılan enerjinin, bir noktadan diğerine iletilmesini sağlayan şekil değişikliğine dalga hareketi denir. Dalgalar, taşıdığı enerjiye göre mekanik ve elektromanyetik dalgalar olarak ikiye ayrılır. Mekanik dalganın oluşabilmesi için bir dalga kaynağı ve oluşan dalgaları iletebilecek esnek bir ortam gerekir. Elektromanyetik dalgaların iletilebilmesi için esnek bir ortam gerekmez. Elektromanyetik dalgalar boşlukta da yayılabilir. Dalgalarla ilgili temel terimler ve önemli kavramlar 10. sınıf Fizik dersinde dalgalar ünitesinde öğrendiğiniz dalga hareketi ve dalgalarla ilgili temel terimleri hatırlayalım. Dalga boyu: Ardışık dalgalarda, eş noktalar arasındaki uzaklığa dalga boyu denir. m (lamda) ile gösterilir. Birimi metredir. Dalga boyu, dalganın yayıldığı kaynağın frekansına ve yayıldığı ortama bağlıdır. Bir dalganın enerjisi, dalga boyu ile ters orantılıdır. Genlik: Dalganın orta çizgisinden tepesine veya çukuruna olan dik mesafeye genlik denir. A ile gösterilir (Şekil 1.4). dalga tepesi dalga boyu (m) genlik (A) zaman bir salınım dalga çukuru Şekil 1.4: Bir dalga hareketinde dalga tepesinin, dalga çukurunun, dalga boyunun ve genliğin gösterimi 22

11 Frekans: Belirli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısına frekans denir. o (nü) ile sembolize edilir. Birimi hertz dir (Hz). Frekans, dalga boyu ile ters orantılı olarak değişir. Uzun dalga boyuna sahip dalgalar düşük frekanslı, kısa dalga boyuna sahip dalgalar yüksek frekanslıdır. Dalga hızı: Dalgaların birim zamanda aldığı yola dalga hızı denir. v ile gösterilir. v = m o Bilgi Kutusu Boşlukta tüm elektromanyetik dalgalar aynı hıza sahip olup hızları ışık hızına eşittir. bağıntısıyla hesaplanır. Işık hızı: Elektromanyetik dalgaların boşlukta, dalga boyuna bağlı olmaksızın hareket ettikleri hıza ışık hızı denir. c ile gösterilir. c = 2, m/s dir. Elektromanyetik dalgaların hızı boşlukta ışık hızına eşittir. Bu durumda; c = m o bağıntısı kullanılabilir. Örnek Dalga boyu olan ışımanın frekansı kaç Hz dir? (c = m/s) Çözüm c = m o formülü kullanılarak ışımanın frekansı hesaplanır. c = m o = 5 10 o o = 8 = 06, Hz Alıştırma Frekansı 1, Hz olan ışımanın dalga boyu kaç metredir? (c = m/s) Dalga Modeliyle Açıklanan Olaylar Işığın tanecik hâlinde yayıldığı fikrini ilk kez Sir Isaac Newton (Sör Ayzek Nivtın) savunmuştu. Daha sonra ışığın dalgalar hâlinde yayıldığını savunan Huygens (Huygens), yansıma ve kırılma olaylarının dalga modeliyle de açıklanabileceğini gösterdi. 19. yüzyılda Maxwell (Meksvel) ışığı, elektrik ve manyetik alan titreşimlerinden oluşan bir elektromanyetik dalga olarak tanımlayarak düşüncelerini formüllerle ispatladı. Girişim ve kırınım olayları ışığın dalga modeli ile açıklanır. 23

12 Resim 1.8: Durgun suda iki farklı noktasal kaynaktan yayılan dairesel dalgaların girişimi Resim 1.9: Sabun köpüğü üzerinde gözlenen renkler elektromanyetik dalgaların girişimine örnektir. Bilgi Kutusu Işığın dalga özelliğinde olduğunu kanıtlayan çift yarık (Young) deneyinde, eş fazlı bir ışık kaynağı iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır. Yarıktan geçen ışık, levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga özelliğinde olması, ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar. Bu durum, ışık sadece tanecikli yapıda olsa gözlemlenemez. Girişim Girişim, dalga olayının sonuçlarından biridir. Su dalgalarında kolayca gözlemlenebilir (Resim 1.8). Işığın dalga boyu çok küçük olduğundan ışıkta girişim olayı kolayca gözlemlenemez. Günlük yaşantımızda önemli bir yeri olan sabunun oluşturduğu köpük üzerinde gözlemlenen gökkuşağı renkleri elektromanyetik dalgaların girişimine örnek olarak verilebilir (Resim 1.9). Işıkta girişim deneyi ilk kez Thomas Young (Tamıs Yang) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu deney, ışığın dalga özelliğinde olduğunu kanıtlayan ilk deneydir. Young, uyguladığı deneyde ışığın su dalgalarında olduğu gibi girişime uğradığını ve bu nedenle ışığın dalga karakterinde olduğunu kanıtlamış ve ışığın dalga boyunu ölçmüştür. Kırınım Işığın dalga modelinin kabul görmesinden sonra kırınım olayı da açıklanmıştır. Kırınım, girişim olayının bir benzeridir. Işığın kırınımı ilk defa Francesca Grimaldi (Françeska Grimaldi) tarafından yorumlanmıştır. Grimaldi, bir ışık kaynağı önüne yerleştirdiği bir cismin gölgesini incelediğinde gölge sınırlarının net olmadığını gözlemlemiştir. Bu durumu ışığın cismin kenarları çevresinde bükülmesi yani kırınıma uğraması şeklinde açıklamıştır. Elektromanyetik Işınların Tanecik Modeli Dalga modeli bazı optik olayları açıklamada başarılı olmuş ancak fotoelektrik olay, Compton Olayı gibi bazı olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Bu olaylar ışığın tanecik modeli ile açıklanır. Işığın tanecikli yapıda olduğu ilk kez Newton tarafından ileri sürülmüştür. Işık bir enerji türüdür. Newton dan sonra ışık enerjisinin paketler hâlinde, kütlesiz tanecikler tarafından taşındığını düşünen Planck (Plank) bunu formüllerle de tanımlamıştır. Daha sonra Einstein (Aynştayn), Planck ın oluşturduğu modeli geliştirerek ışık enerjisini paketler hâlinde taşıyan bu tanecikleri foton olarak adlandırmıştır de Hertz in elektromanyetik dalgaları kanıtlamak için uyguladığı deneyler sırasında gözlemlediği ışığın metalden elektron koparması olayı yıllar sonra tanecik modeline bir destek olmuştur. Işığın metal yüzeyine çarparak metalden elektron koparması olayına fotoelektrik olay denir. Fotoelektrik olay gözlemleri sırasında yayınlanan elektronların hızının yani kinetik enerjilerinin ışığın frekansına bağlı olduğu belirlenmiştir. Dalga modeline göre kinetik enerji, ışımanın şiddetine bağlıdır. Bu durumda ki 24

13 netik enerjinin gelen ışığın frekansına bağlı olması dalga modeli ile açıklanamaz. Bu olayda madde olmayan ışık ile tanecikli yapı olan elektronun etkileşmesi söz konusudur. Elektronun metalden ayrılması sırasında ışığın enerjisini elektrona aktarma işlemi fotonlarla gerçekleşmiştir. Fotoelektrik olayın açıklanması ile ışığın tanecikler hâlinde taşındığı düşüncesi kanıtlanmıştır yılında Einstein ın ileri foton momentumu düşüncesi 1923 te Arthur Holly Compton ın (Artır Holy Kamptın) Compton Olayı olarak tanınan deneyi ile açıklanmıştır. Yüksek enerjili ışık fotonlarının atomda serbest hâlde elektronlara çarparak saçılmasına Compton Olayı denir. Compton Olayı ışığın tanecik karakterinde olduğunu açıklayan önemli olaylardan biridir. Siyah cisimler üzerlerine düşen tüm ışınları soğuran, hiçbir ışını geri yansıtmayan ve bu nedenle de siyah görünen cisimlerdir. Bir siyah cisim soğurduğu ışınları dışarı vermek zorundadır. Siyah cisim ışıması bir cismin sahip olduğu ısı enerjisinden dolayı etrafa yaydığı ışınımdır. Siyah cismin dışarı yaydığı ışıma çeşitli dalga boylarının karışımı hâlindedir. Işık şiddeti dalga boyuna bağlı olarak düzenli bir şekilde değişir. Siyah cisim ısıtıldığında yaydığı ışımanın şiddeti artar. Yüksek sıcaklıkta kısa dalga boylu ışımalar oluşurken düşük sıcaklıkta uzun dalga boylu ışımalar olur. Işıma şiddetinin, ışımanın dalga boyuna bağlı olarak değişmesi de dalga modeliyle açıklanamayıp tanecik modeliyle açıklanır. Bilgi Kutusu Compton Olayı, yüksek enerjili X ışınlarının fotonu ile karbon atomunun serbest elektronunun çarpıştırılması sonucu elektronun ve fotonun saçılması olayıdır. X ışınlarının elektronlardan saçılması klasik dalga teorisi ile açıklanamaz. Compton Olayı, ışığın tanecikli yapıda olduğunu desteklemiş ve açıklamıştır. ç. Elektromanyetik Dalga Spektrumu Elektromanyetik ışımanın dalga boyuna ve frekansına göre gruplandırıldığı ışın dizisine elektromanyetik dalga spektrumu denir (Şekil 1.5). gama ışınları mor ötesi kızıl ötesi X ışınları ışınlar ışınlar radar FM TV kısa dalga AM 1 x x x x x x x 10 4 Dalga boyu (m) Görünür bölge 4 x x x x 10 7 Dalga boyu (m) Yüksek enerji Düşük enerji Şekil 1.5: Elektromanyetik spektrum 25

14 Bunları Biliyor musunuz? Elektromanyetik ışımanın a tomlar ve moleküllerle etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi denir. Elektromanyetik dalga spektrumlarının kaydedildiği aletlere spektrometre, ışımanın madde ile etkileşmesini inceleyen aletlere de spektroskop adı verilir. Elektromanyetik ışınların enerjisi ile frekansı doğru orantılıdır. Frekansı düşük olan ışınların enerjisi de düşüktür. RadyoTV dalgaları düşük enerjili ışınlar olup dalga boyları uzundur. Gama ve X ışınları ise yüksek enerjili ışınlar olup dalga boyları kısadır. Şimdi, spektrumdaki dalgaları, oluşmaları ve özellikleri açısından inceleyelim. Radyo Dalgaları Elektromanyetik dalgaları ilk kez deneysel olarak elde eden Hertz in keşfettiği dalgalar, radyo dalgalarıdır. Radyo dalgaları bir iletken üzerinde yüklü taneciklerin ivmeli hareketleriyle elde edilir. Dalga boyları yüklerin titreşimine bağlı olarak binlerce kilometreden birkaç santimetreye kadar değişebilir. Radyo dalgaları sadece dünya üzerindeki iletişimlerde kullanılmaz. Evrenin yapısı hakkında radyo teleskoplar yardımıyla elde edilen birçok bilgiye yıldızlardan ve pulsarlardan dünyaya ulaşan radyo dalgaları sayesinde ulaşılır (Resim 1.10). Resim 1.10: Radyo dalgalarını algılamak ve evren hakkındaki bilgilerimizi artırmak için radyo teleskoplar kullanılır. Mikrodalgalar Mikrodalgalar da bir iletken üzerinde yüklü taneciklerin ivmelendirilmesiyle oluşur. Radarlarda, mutfaklarımızda kullandığımız mikrodalga fırınların (Resim 1.11) çalışmasında, maddelerin atom ve molekül özelliklerini incelemede mikrodalgalardan yararlanılır. Resim 1.11: Mikrodalga fırın Kızılötesi Dalgalar Dalga boyları görünür bölgedeki kırmızı ışıktan büyük olan dalgalardır. Bu dalgalar ilk kez Sir William Herschel (Sör Vilyım Hörşıl) tarafından keşfedilmiştir. Kızılötesi ışınlar, cisimlerin sıcaklığına bağlı olarak atomların enerji düzeylerindeki değişmeler ve tanecik titreşimleriyle oluşur. Fizik tedavi, spektroskop, ev ve hastanelerin ısıtılması gibi uygulama alanları vardır (Resim 1.12). Bunları Biliyor musunuz? Her gün seyrettiğimiz televizyonlara kumanda eden uzaktan kumanda cihazları kızılötesi ışınların günlük yaşamımızda kullandığımız uygulamalarından biridir. Kumandalarda kızılötesi ışınım yapan özel LED ler (light emiting diode) kullanılır. Resim 1.12: Binalarda hasarlı ya da enerji kaybı olan bölgeler kızılötesi ışınlar yardımıyla termal görüntü alınarak belirlenir. 26

15 Görünür Dalgalar Elektromanyetik spektrum içerisinde sınırları en küçük ve en belirgin olan dalgalardır. Bilinen bütün renkler ve bu renklerin birleşimi olan beyaz ışık, görünür ışık dalgalarını oluşturur. Beyaz ışık, prizmadan geçerken kırılır ve renklere ayrılır. Bunun nedeni prizmadan geçirildiğinde farklı dalga boylarına sahip ışınların farklı şekilde kırılarak kırmızıdan mora tüm renkleri içeren spektrumun oluşmasıdır. Bu spektrum görünür bölge spektrumudur. Gökkuşağı bir görünür bölge spektrumudur (Resim 1.13). Görünen tüm farklı renkler, farklı dalga boylarındaki ışıktan oluşur. Tek bir dalga boyuna sahip ışığa monokromatik (tek renkli) ışık, farklı dalga boylarına sahip ışığa ise polikromatik (çok renkli) ışık denir. Güneş ışığı polikromatik ışıktır. Farklı maddelerin aleve tutulduğunda kendine özgü bir alev rengi verdiğini hiç gözlemlediniz mi? Periyodik cetvelde 1A grubunda bulunan alkali metallerden sodyum (Na) alevde açık sarı renk verirken potasyum (K) mor renk verir (Resim 1.14). Bunun nedeni farklı maddelerin ısıtıldığında farklı frekanslarda ışın yaymasıdır. CaCI 2 KNO 3 NaCI Resim 1.13: Bir görünür bölge spektrumu olan gökkuşağında ışınları dağıtan ortam atmosferdeki su damlacıklarıdır. Bunları Biliyor musunuz? Morötesi ışınlar, görünür mor ışıkla, Xışınları arasındaki görünmez elektromanyetik ışınlardır. Güneşteki morötesi ışıma üç banda ayrılır. Deri hastalıkları ve deri kanserine yol açan UVA (3, m) ışınları, yaz aylarında gücü artan ve güneş yanıklarına neden olan UVB (2, , m) ışınları ve çok güçlü oldukça zararlı UVC (2, m altı) ışınlarıdır. Resim 1.14: Bazı maddelerin bunzen beki alevindeki renkleri Morötesi Dalgalar Frekansı ve enerjisi görünür ışıktan daha büyük, dalga boyları ise daha küçük olan ışınlardır. Dalga boyları m den daha kısadır. Güneş, önemli bir morötesi ışık kaynağıdır. Güneşten gelen ve canlılar için tehlikeli olan morötesi ışınlar, atmosferin stratosfer denilen üst katmanlarında oksijenle tepkimeye girerek ozon tabakasını oluşturur. Böylece Güneş ışınları zarardan 27

16 Resim 1.15: Solaryum cihazlarında morötesi ışın yayınlayan lambalar kullanılır. Resim 1.16: X ışınlarıyla çekilen röntgen filmi arındırılarak yeryüzüne ulaşır. Ultraviyole ışın olarak da adlandırılan morötesi ışınlar bazı kimyasal maddeler üzerine düştüğünde gözle gözlenebilen bir parıldama oluşturur. Buna floresan denir. Ayrıca morötesi ışınlar fotoğraf filmine etki eder, gazları iyonlaştırır, kimyasal tepkimeleri hızlandırır, bazı metaller üzerinde fotoelektrik olaya neden olur. Spektroskopide ve mineral analizlerinde morötesi ışınlardan yararlanılır. Bronzlaşmaya yardımcı, Güneş ışığının içerdiği morötesi ışınımları sağlayan solaryum cihazlarında da morötesi dalgalar kullanılır (Resim 1.15). X Işınları Wilhelm Konrad Roentgen (Vilhem Konrad Rontgın) tarafından Crookes tüpüyle yapılan çalışmalar sırasında keşfedilmiş ışınlardır. Röntgen ışınları olarak da bilinen bu ışınlar floresan parıldamaya neden olup fotoğraf filmine etki eder. X ışınları morötesi ışınlara göre daha yüksek enerjilidir. Metal levhaya yüksek hızla çarpan elektronların yavaşlayarak durması sürecinde yayınlanan elektromanyetik dalgalardır. Tıpta bazı görüntüleme sistemlerinde, bazı kanser tedavilerinde ve dişçilikte kullanılır (Resim 1.16). Gama Işınları Elektromanyetik dalgalar içinde enerjisi en büyük ve giriciliği en fazla olan, ışık hızında yayılan dalgalardır. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronların hareketliliği nedeniyle oluşur. Dalga boyları atom ve çekirdek boyutunda olduğundan, atom çekirdeği ile ilgili bazı bilgilerin elde edilmesi gama ışınları sayesinde olur. Gama ışınları tıpta, metal dökümlerin defolarının belirlenmesinde kullanılır. d. Hidrojen Atomunun Spektrumu ve Bohr Atom Modeli Resim 1.17: Beyaz ışığın kesiksiz spektrumu Işığın kırılma nedeni herhangi bir ortamdaki hızının boşluktaki hızından daha düşük olmasıdır. Işığın ne kadar kırıldığı ise dalga boyuna bağlıdır. Işığın dalga boyu kısaldıkça kırılma miktarı artar. Daha önce de söz ettiğimiz gibi beyaz ışık, görünür bölgedeki tüm dalga boylarını içeren dalgalardan oluşmuştur. Prizmadan geçirildiğinde çeşitli renklerden oluşmuş bir gökkuşağı görünümünde, renkler arasında boşluk olmayan bir spektrum elde edilir. Buna sürekli (kesiksiz) spektrum adı verilir (Resim 1.17). Gaz hâlindeki maddeler ısıtıldığında ışık yayınlar. Bu ışığın ince bir demeti prizmadan geçirildiğinde renklerin sürekli olmadığı ve bazı koyu çizgilerin yer aldığı bir spektrum elde edilir. Buna çizgi (kesikli) spektrum adı verilir. Her elementin kendine özgü bir çizgi spektrumu vardır. 28

17 Element atomları hangi dalga boyunda ışıma yapıyorsa o dalga boyundaki ışımaları soğurabilir. Bu durumda her element atomunun kendine özgü bir ışıma (emisyon) spektrumu olduğu gibi bir de soğurma (absorbsiyon) spektrumu olmalıdır. Yani atomlar hangi dalga boyunda ışıma yapıyorlarsa o dalga boyundaki ışımayı soğurabilir. ışık kaynağı gaz boşalım tüpü 400 nm görünür spektrum 700 nm hidrojen gazı prizma Şekil 1.6: Hidrojenin görünür bölge çizgi spektrumu Kesikli spektrumları incelemek için yapılan çalışmalarda Şekil 1.6 da olduğu gibi beyaz ışık, yüksek sıcaklığa kadar ısıtılmış bulunan gaz odasına gönderilir. Gaz odasından çıkan beyaz ışık, prizmadan geçirilip fotoğraf filmi üzerine düşürüldüğünde filmdeki sürekli spektrum üzerinde bazı yerlerde siyah çizgiler gözlenir. Bu çizgiler beyaz ışığın enerjisinin bir kısmının gaz odasındaki atomlar tarafından soğurulduğunu gösterir. Şekil 1.6 da elde edilen görünür spektrumda dalga boyu aralığı nanometre (nm) biriminde verilmiştir. 1 nm 10 9 m dir. Elde edilen bu spektruma soğurma (absorbsiyon) spektrumu denir (Şekil 1.7.a). a 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm b Şekil 1.7: a. Hidrojenin soğurma ve ışıma b. spektrumu Sizce gaz odasında soğurulan enerji nerede harcanır? Bunu düşünen bazı bilim insanları, soğurulan bu enerjinin atomlar tarafından her yöne saçıldığını ileri sürmüşlerdir. Bu düşünceyi kanıtlamak için yapılan çalışmalarda gaz odasından dışarıya ışıma yapıldığı fark edildi ve bu ışınlar prizmadan geçirilip fotoğraf filmi üzerine düşürülerek incelendi. Film üzerinde elde edilen spektrum siyah bir zemin üzerinde değişik renkli parlak çizgiler içermekteydi. Çizgiler incelendiğinde renkli çizgilerin 29

18 Bilgi Kutusu Kirchoff un (Kirşof) bir element tarafından belirli bazı frekansların yayınlanabildiğini ve soğurma frekansları ile çakıştığını göstermesi sonrasında her elementin çizgi spektrumunun kendine has bir özellik olduğu anlaşıldı. Atom uyarıldığında elektronların enerji seviyeleri arasında geçişler olur ve bu geçişler sonucunda atom, foton salar. Bu geçişler her elemente özgü bir çeşit çizgi spektrumu var olduğu sonucunu doğurur. Rutherford un Atom Modeli bu durumu açıklayamadığı için yeni bir atom modeli ileri sürüldü. soğurma spektrumundaki siyah çizgilerle aynı yerlerde olduğu gözlendi. Bu spektrumlara da ışıma (emisyon) spektrumu adı verildi (Şekil 1.7.b). Rutherford Atom Modeli, element atomlarına ait çizgi spektrumlarını açıklayamıyordu. Rutherford atom modeline göre atomlar ışıma yaparsa sürekli spektrum oluşturmalıydı. Bu da atomların çizgi spektrumlarının varlığı ile ters düşüyordu tan 1885 e kadar birçok bilim insanı spektrum çizgileri ile ilgili çalışmalar yaptı. Spektrum çizgileri en kolay incelenebilen element hidrojendi. Hidrojen atomunun çizgi spektrumu görünür renklerde çok belirgin çizgiler içermekteydi yılında Johann Jacob Balmer (Yohan Yakop Balmır) bu çizgilerin yerlerinin bir formüle uyduğunu belirledi. Ancak formülün gerçeklerle sağladığı uyumu tam olarak açıklayamadı. Hidrojen spektrumundaki çizgilerin frekansları arasındaki ilişkiler daha sonra Johannes Rydberg (Cohanes Rıdbörg) ve Walther Ritz (Valtır Ritz) tarafından açıklandı. Balmer, Rydberg ve Ritz sadece atomların çizgi spektrumlarıyla ilgili yorumlar yaparak bir formül oluşturmuşlardı. Spektrumların atom modeli ile ilgili sağladığı bilgiler yıllar sonra Niels Bohr (Resim 1.18) tarafından belirlendi. Bohr, 1913 yılında Rutherford atom modelindeki eksiklikleri gidermek, Balmer ın hidrojen atomu spektrumuna ait bulduğu formülü açıklamak amacıyla Planck ın kuantum modeli ve Einstein ın foton teorilerini değerlendirerek bir model oluşturdu (Şekil 1.8). n = 2 elektron n = 1 çekirdek (proton) Şekil 1.8: Bohr Atom Modeli ne göre hidrojen atomu Bohr un Atom Modeli ndeki görüşleri şunlardır: Resim 1.18: Niels Bohr ( ) Elektronlar çekirdek çevresinde elektrostatik kuvvet etkisiyle, küresel kararlı yörüngelerde ışıma yapmadan dolanır. Her yörünge belli bir enerjiye sahiptir. Bu nedenle 30

19 1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ yörüngeler enerji düzeyi (n) ya da kabuk olarak isimlendirilir. Yörüngelerin ortak merkezi çekirdektir. Yörüngeler K, L, M, N, O gibi harflerle ya da 1, 2, 3 gibi sayılarla gösterilir (Şekil 1.9). Bilgi Kutusu Bohr Atom Modeli ne göre atom, merkezinde yoğun bir n=6 hacme sahip pozitif yüklü bir n=5 çekirdek bulundurur. Bu çekir n=4 dek civarında elektronlar, yarı n=3 çapı belirli olan yörüngelerde n=2 hareket eder. n=1 pozitif yük çekirdek Şekil 1.9: Bohr Atom Modeli ne göre kararlı yörüngeler Yörüngelerde hareket hâlinde olan elektronların açısal h momentum değerlerinin büyüklüğü n dir. Yani elekt2r ronlar çekirdek çevresinde rastgele yerlerde değil, açısal h momentum büyüklüklerinin sabit sayısının tam kat2r larına eşit olan yörüngelerde dolanır. Bu görüşüyle Bohr elektronların yeri ve hareketi hakkında ilk kez açıklama getiren bilim insanı olmuştur. Atomda elektronlar genellikle en az enerjili n = 1 seviyesinde bulunur. Bu seviyede bulundukları sürece enerji yaymazlar. Ancak bir elektron dış etkilerle daha yüksek enerji seviyelerine ^n = 2, 3, 4,... gibih geçmiş olabilir. Bu durumdaki atomlar uyarılmış hâldedir. Yüksek enerji seviyesine çıkan bir elektron daha kararlı uyarılmış hâl foton olan düşük enerji seviyesine geçerken bir miktar enerji sini foton olarak yayınlar. Yayınlanan bu enerji, yüksek enerji seviyesi ile düşük enerji seviyesi arasındaki fark kadar enerjidir. Foton şeklinde atomdan dışarıya enerji yayınlanması olayına ışıma (emisyon) denir (Şekil 1.10). foton temel hâl Elektronlar tarafından yayınlanan ya da soğurulan ışıma nın enerjisi ile frekansı arasında aşağıdaki bağıntı vardır. TE = Edış Eiç = h o Şekil 1.10: Enerji alarak bir üst enerji seviyesine geçen elektronlar alt enerji seviyesine dönerken ışıma yapar. 31

20 Bilgi Kutusu Hidrojen gazının görünür bölgedeki spektrum çizgilerinin frekanslarını veren eşitlik ilk kez Balmer tarafından bulunmuştur. Daha sonra tüm spektrum çizgilerinin frekansları belirlenmiştir. Elementlerin çizgi spektrumları tıpkı parmak izi gibidir. Elementlere ait spektrumların analizi ile element tayini yapılabilir. Hidrojen Spektrumunda Seriler Hidrojen atomunun gerçekleştirdiği bazı elektron geçişleri ile görünür bölgede oluşan spektral çizgiler, bunları belirleyen bilim insanlarının adıyla isimlendirilen serilerdir. Balmer in hidrojen spektrumunda gözlediği elektronların n = 2 seviyesinin üstündeki enerji seviyelerinden n = 2 seviyesine geçişleri görünür bölgede gerçekleşir. Spektrumda geçişler sırasında yayılan ışımaların tamamına Balmer (Balmır) serisi denir. Hidrojen atomunda elektronların yüksek enerjili bir katmandan n = 3 seviyesine geçişleri kızıl ötesi bölgede spektrum çizgileri oluşturur. Bu geçişler sırasında yayılan ışımaların tamamına F. Paschen (Peşhen) serisi denir. Hidrojen atomunda elektron, yüksek enerjili bir katmandan n = 1 seviyesine inerse enerji morötesi ışık şeklinde yayınlanır. Oluşan spektral seri Lymann (Laymin) serisi olarak adlandırılır. Hidrojen atomunda elektron yüksek enerjili bir katmandan n = 4 seviyesine geçiş yaparsa oluşan spektral seri Brackett (Bıraket) serisi, n = 5 seviyesine geçiş yaparsa oluşan spektral seri Pfund (Fand) serisi olarak isimlendirilir (Şekil 1.11). n = 7 n = 6 Enerji Balmer serisi n = Paschen serisi n = 3 Brackett serisi n = 4 Pfund serisi n = 5 n = 5 n = 4 n = 3 n = nm Lymann serisi n = 1 n = 1 Şekil 1.11: Elektron geçişleri ve seriler Bu seriler Bohr un hidrojen atomu için oluşturduğu bağıntılarla uyum içindedir. Bohr un bu çalışması daha sonraki yıllarda oluşturulan kuantum mekaniğinin temeli kabul edilmiştir. 32

21 Bohr, hidrojen atomuyla elde ettiği sonuçları tek elektronlu olacak şekilde iyonlaştırılmış helyum, lityum ve berilyum gibi elementler için de genelleştirmiştir. HHe, +, Li 2+ gibi tek elektronlu sistemlerde elektronların enerjisini hesaplatacak bir formül oluşturmuştur. E 218, 10 Z = 18 2 n n 2 E n = Herhangi bir enerji düzeyindeki elektronun enerjisi Z = Atom numarası Bilgi Kutusu Pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında dönen tek bir elektronu tanımlayan Bohr, oluşturduğu atom modelinde yörüngenin yarıçapı ile yörüngedeki elektronun toplam enerjisi arasında bir bağıntı kurmuştur. n = Enerji seviyesi R H = Rydberg sabiti = 2, joule Bu durumda herhangi bir enerji düzeyindeki elektronun enerjisi, E 218, 10 Z = 18 2 n n 2 bağıntısıyla hesaplanır. Formüldeki ^h, çekirdekten sonsuz uzaklıktaki elektronla atom çekirdeği arasındaki elektriksel çekim kuvvetinin sıfır kabul edilmesinden ileri gelir. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekirdeğin elektron üzerindeki çekim kuvveti artar. Bu durumda elektronun enerjisi azalır. Olay ekzotermiktir. Elektron çekirdeğe ne kadar yakınsa enerjisi o kadar azdır ve kararlıdır. Hidrojen atomundaki elektron çekirdeğe en yakın seviyede ^n = 1h bulunuyorsa temel hâldedir. Daha önce de öğrendiğimiz gibi elektron enerji kazandığında daha yüksek bir enerji düzeyine geçiş yapar. Hidrojen uyarılmış hâle geçer. Uyarılmış hidrojen atomu aldığı enerjiyi foton hâlinde geri vererek tekrar geldiği seviyeye döner. Bu sırada yayınlanan fotonun enerjisi, elektronun geçiş yaptığı enerji seviyeleri arasındaki fark enerji kadardır. Bu enerji, T E = RH Z c n n iç 2 d fl2 m bağıntısıyla hesaplanır. Örnek Hidrojen spektrumunda n = 3 ten n = 1 e olan elektron geçişini temsil eden enerji kaç joule dür? 33

22 Çözüm Yüksek enerji seviyesi n = 3, düşük enerji seviyesi n = 1 dir. Elektron bu iki enerji seviyesi arasındaki fark kadar foton yayarak kararlı hâle geçer. Bu sırada yayınlanan enerji aşağıdaki bağıntı kullanılarak hesaplanır TE = RH Z c n n iç 2 d fl TE = 218, 10 1 e 2 2o 1 3 m TE = 1938, joule Bu durumda elektron kararlı hâle gelmek için 1, joule enerji yayınlar. Etkinlik: Atom Modelleri ile İlgili Öğrendiklerimizi Kontrol Edelim Aşağıdaki ifadelerin doğru mu, yanlış mı olduğunu belirleyerek uygun kutucuğu işaretleyiniz. 1. Thomson ın oluşturduğu modele göre atomun pozitif yükü, merkezinde çekirdek adı verilen küçük hacimde toplanmıştır. 2. Madde ile elektriksel yük arasındaki ilişkiyi ortaya koyan ilk bilim insanı Michael Faraday dır. 3. Millikan, uyguladığı yağ damlası deneyleri sonucunda elektronun yükünü bulmuştur. 4. Elektromanyetik dalgaların iletilebilmesi için esnek bir ortam gereklidir. 5. Mikrodalga, radyo ve TV dalgaları elektromanyetik ışıma türleridir. D Y 6. Dalganın birim zamanda aldığı yola frekans denir. 7. CD ler üzerinde gözlemlenen gökkuşağı renkleri elektromanyetik dalgaların girişimine örnektir. 8. Işığın tanecikli yapıda olduğu fotoelektrik olay ve Compton Olayı ile doğrulanmıştır. 9. Hidrojen atomunun bir elektronu 4. enerji düzeyinden 1. enerji düzeyine geçerse görünür bölgede spektrum verir. 10. Bohr Atom Modeli ne göre elektronlar çekirdek çevresindeki dairesel yörüngelerde bulunur. 34