Maddenin Yapısına Giriş Ders-2 DOÇ. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR EKİM 2017
Maddeden kuark a maddenin yapıtaşının serüveni
Elementlerin Varlığının Keşfi Maddenin yapıtaşı arayışı M.Ö. 2000 lerde Eski Yunan da ilk olarak karşımıza çıkıyor. Yunanlılar iki soruya cevap arıyorlar: 1)Çevremizdeki binlerce farklı madde içinde hepsinin yapısında olan ortak maddeler nelerdir? 2) Eğer böyle bir ortak yapı varsa bunun en küçük birimi ne olabilir? O çağda Yunanlılar ın bu sorulara cevap araması, gerçekten bilimsel düşünce anlamında ilerde olduklarının bir kanıtıdır.
Elementlerin Belirlenmesi İçin 3700 Yıl Geçmesi Gerekti!!! Antoine Lavoisier (1743-1794) Modern kimyanın babası 1789 da Lavoisier elementleri Metal Ametal Gaz Nadir Toprak elementleri olarak kategorize etti.
Bugün Dünya üzerinde doğal olarak 90 elementin ve nükleer çarpışma yoluyla üretilen bir düzine element olduğunu biliyoruz.
Peki Elementlerin Atomlardan Oluştuğunun İlk Kanıtını Ne Zaman ve Kim Buldu? Elementlerin atomlardan oluştuğunu ilk kez İngiliz kimyager Dalton 1800 lerin başında öngördü. 1) Maddenin bölünemez en küçük yapıtaşı atomdur ve atom küresel bir şekle sahiptir. (Atomun küresel şekilde oluşu daha sonra J.J. Thomson, Rutherford ve Bohr tarafından doğrulandı.) 2) Tüm elementler atomlardan oluşur. 3) Aynı elementin tüm atomları özdeştir. 4) Bir elementin atomları ile başka bir elementin atomları birbirinden faklıdır; en azından kütleleri farklıdır.
Dalton un Atom Modeli 5) Atomlar kimyasal reaksiyonlarda kimliklerini korurlar. 6) Bileşikler ise; atomların ancak belirli kütle oranlarında birleşmeleri sonucu elde edilirler. H 2 O da kütlece %11.1 oranında hidrojen ve kütlece %88.9 oranında oksijen vardır. Ancak bu oran sağlanırsa su molekülü elde edilebilir. H 2 O 2 içinse kütlece %5.88 oranında hidrojen ve kütlece %94.11 oksijen olmalıdır.
Atom ve Moleküllerin Varlığına Bir Kanıt da Fizikçilerden Gazların kinetik teorisine göre, gazlar çok sayıda hızlı hareket eden küçük moleküllerden oluşur. Moleküllere Newton yasalarını uygulanarak gazların pek çok özelliği tespit edilebildi. Ayrıca kinetik teorisi moleküllerin kütle ve çapları hakkında da bilgiler verdi.
Atomun Varlığının Deneysel Kanıtı Bulunmadan Önce Bölünebileceği Keşfedildi!! (1897) J.J. Thomson 1897 de katot ışınları tüpünde gözlenen ve katot ışını adı verilen demetlerin, aslında negatif yüklü parçacıklardan oluştuğunu gösterdi. Ve böylelikle atomdan önce ilk bulunan temel parçacık elektron oldu. Ayrıca elektronun varlığının tespiti aslında atomun da bölünebileceğini ortaya çıkardı.
Katot Işını Tüpü
Katot Işınları, elektrik alanda «-» yüklü parçacığa uygun olarak sapar!
J.J Thomson elektrik ve manyetik alanları birlikte uygulayarak parçacıkların sapma miktarlarını ölçtü. Önce sadece elektrik alan uyguladı; sapma miktarını belirledi. Sonra elektrik alanı kaldırıp; aynı sapmayı sağlayacak manyetik alanı belirledi. V=E/B R=Yörünge yarıçapı=mv/eb L=Saptırıcı levha uzunluğu
Elektronun keşfi J.J. Thomson elektrik ve manyetik alanlardaki sapma miktarları yardımıyla e/m=1.8x10-11 C/kg oranını buldu. Katot ışını tüpünde çok çeşitli gazlar ve farklı katot malzemeleri için deneyi tekrarlayan Thomson her seferinde aynı e/m oranını buldu. O halde bu negatif yüklü parçacık tüm atomlar için aynı olmalıydı. Bu parçacığa elektron adı verildi.
J.J. Thomson un Üzümlü Kek Atom Modeli J.J. Thomson a göre 1) Atom küresel bir şekilde olmalıdır. 2) Atomun küresel yüzeyi «+» yüklü iken; negatif yüklü elektronlar tıpkı üzümlü bir kekteki gibi üzümler gibi, atomun içine rastgele dağılmışlardır. 3) Atomdaki negatif ve pozitif yükler eşit miktardadır; yani atom nötrdür.
Millikan ın Yağ Damlacıkları Deneyi (1909): Elektronun Yükünün Belirlenmesi J.J. Thomson m/e oranını belirlemişti; ama tek başına elektronun yükü ve kütlesini belirleyememişti. Robert Millikan elektronun yükünü kendi adıyla anılan deney düzeneği ile belirlemeyi başardı.
Elektronun Yükünün Belirlenmesi Millikan bir püskürtücü yardımıyla yağ damlacıkları püskürtür. Yağ damlacıklarının bir kısmı zemindeki küçük delikten geçerek 2. bölmeye aktarılır. Bu bölmedeki yağ damlacıklarını önce elektrik alan uygulanmaz ve hava direnci nedeniyle yağ damlacıkları hemen limit hıza ulaşırlar. Millikan 2. bölmede yağ damlacıklarına elektrik alan uyguladığında bazı damlacıkların daha hızlıca düştüğünü, bazılarınınsa yukarı doğru çıkmaya başladığını gözlemler. O halde damlacıkların bir kısmının pozitif bir kısmının negatif yüklendiği anlaşılır.
Elektronun Yükünün Belirlenmesi Millikan önce yağ damlacıklarının havada asılı kalmasını sağlayan kritik elektrik alan değerini buldu. qe=mg (E=V/d) E ve g bilindiğine göre; M bir başka şekilde belirlenebilirse; elektronun yükü hesaplanabilir. Millikan elektronun kütlesini elektrik alan yokken damlacıkların ulaştığı limit hız yardımıyla tespit etti. Yağ damlacıkları küresel kabul edilirse; F D =Hava direnci kuvveti: 6πηrv limit =F g =Mg=ρ(4/3)πr 3 g v limit =2r 2 ρg/9η M e =9.10x10-31 kg
Elektronun Yükünün Belirlenmesi Millikan birkaç yıl süren deneylerinde hem yağ yerine değişik sıvılar kullandı, hem de damlacıkların yükünü değiştirebilmek için 2. bölmedeki havayı X ışınlarıyla iyonlaştırdı ama damlacıklardaki yükün hep temel bir yükün pozitif veya negatif tam katları olduğu bulundu. q=ne=n(1.6x10-19 C) ; n: pozitif veya negatif tam sayı Millikan deneyinin başarısı elektronun yükünü belirlemek kadar, yükün kuantize olduğunu ispatlamasıdır.
Rutherford Atom Modeli (1913) Elektronun varlığının tespitinden sonra, elektronun atom içindeki dağılımı hakkında bilgi sahibi olmak üzere; Rutherford, Geiger ve Marsden ince metal folyolarla, atomun iç yapısını anlamaya yönelik deneyler yapmaya başladılar. Bu deneylerde 1µm kalınlığındaki altın folyolara, α parçacıkları (iki elektronunu kaybetmiş helyum) gönderdiler. α parçacıklarının büyük kısmı az bir sapmayla altın folyoyu geçerken; az bir kısmı da 90 0 den daha büyük açılarda saçılıyordu.
Rutherford Atom Modeli (1913) Alfa parçacıklarının az bir kısmı da 90 0 den daha büyük açılarda saçılıyordu. Bu durum alfa parçacığının çekirdeğin çok yakınından geçtiğine işaret ediyordu. Alfa parçacıklarının büyük kısmı az bir sapmayla altın folyoyu geçer; çünkü alfa parçacıklarının büyük bir çoğunluğu pozitif yüklü çekirdeğin çok uzağından geçiyordu.
Rutherford Atom Modeli (1913) Saçılma açıları, metal folyonun kalınlığı, gönderilen alfa parçacığının enerjisi gibi parametreler hesaba katılarak; atomun içindeki pozitif yüklü kısmın atomun çekirdeği olduğu anlaşıldı. Atomun büyük çoğunluğu boşluktur. Atomun merkezinde pozitif yüklü çekirdek adı verilen bir bölge vardır. Elektronların kütlesi çekirdekteki pozitif yüke oranla epey küçük olmalıdır ve elektron çekirdek içinde yer almamaktadır. Elektron çekirdek etrafındaki çeşitli yörüngelerdedir.
Ödev-1 (Teslim Tarihi: 19 Ekim 2017) Gönderilen alfa parçacıklarının enerjisi E, kütlesi m, yükü 2e ve çekirdeğin yükü Ze olmak üzere; sapma açısı θ ve vuruş parametresi b arasındaki ilişkinin b=(zke 2 /E )(cotθ/2) olduğunu gösteriniz.
Nötronun Varlığının Gerekliliği
Nötronun Keşfi- James Chadwick-1932 Lityum, berilyum gibi hafif elementler alfa parçacıklarıyla bombardıman edildiğinde; berilyumdan çıkan bir ışıma gözlenir. Bu ışınlar tarafından parafin bombardıman edildiğinde, parafinden protonların hızlıca saçıldığı görülür. Peki protonların saçılmasına neden olan bu ışın nelerden oluşuyordu? Bu ışınlar nötr parçacıklardan oluşmalıydı; çünkü elektrik alanda sapmıyorlardı. Ayrıca protonları saçabildiğine göre enerjisi yüksek; kütlece ve boyut olarak protonla aynı mertebede olmalıydı. Chadwick böylece çekirdek içindeki yüksüz bu parçacıkların varlığını tespit etmiş oldu ve bu parçacığa nötron adı verildi.
Atomik Spektrumlar Elektrik deşarjına uğrayan alçak basınçlı bir gaz kesikli bir çizgi spektrumu yayınlar. Buna emisyon spektroskopisi denir. Düşük basınçlı bir gazın deşarjından çıkan ışık incelendiğinde genellikle siyah bir fon üzerinde saf renkli birkaç parlak çizgi gözlemlenir.
Görünür Işık Spektrumu
Görünür Işık Spektrum Çeşitleri Sıcak bir gaz soğurken, belirli dalga boylarındaki ışığı yayınlar. Dolayısıyla emisyon spektrumu karanlık bir fon üzerindeki parlak çizgilerle karakterizedir. Katı veya sıvı bir madde ısıtıldığında emisyon spektrumu süreklidir. Soğuk bir gaz ısıtıldığında sadece belirli dalga boylarındaki ışınları soğurur. Absorpsiyon spektrumu sürekli spektrumdaki belli frekanslardaki siyah çizgilerle karakterize olur.
Görünür Işık Emisyon Spektrumları
Hidrojenin Görünür Işık Emisyon Spektrumu Jacob Balmer 1885 de hidrojenin görünür bölgede yayınladığı 4 ışığın dalga boyunu (H α -Kırmızı, H β -Yeşil, H γ - Mavi ve H δ -menekşe moru) doğru tahmin eden deneysel bir bağıntı buldu. Bu seriye Jacob Balmer e ithafen Balmer serisi adı verildi. R: Rydberg sabiti: 1.0973732x10 7 m -1
Bohr Atom Modeli (1913) Bohr 1913 de hidrojen atomu, bir kez iyonlaşmış helyum atomu ve iki kez iyonlaşmış lityum gibi hidrojene benzeyen atomlara başarıyla uygulanan bir model önermiştir. Bohr atom modeli Planck ın kuantum teorisi, Einstein ın ışığın foton kuramı ve Rutherford un atom modelinin harikulade bir bileşiminden ibarettir. Planck (Siyah cisim ışıması): Işınım yapan, titreşen moleküllerin sadece kesikli enerji düzeylerinde bulunabileceğini söyledi. E=nhf Einstein (Işığın kuantizasyonu): Fotoelektrik olayının başarılı açıklaması: Işığın metal yüzeyden elektron koparması olayı.
Bohr un Postülaları 1) Elektron protonun etrafında Coulomb çekim kuvvetinin etkisi altında dairesel yörüngede hareket eder. 2) Elektron yalnızca belirli yörüngelerde kararlıdır; yani elektron bu yörüngelerde ışıma yapmadan dolanabilir. Elektron ışıma yapmadığı zaman bu yörüngedeki hareketi klasik mekanik yasalarıyla tarif edilebilir. 3)Elektron daha enerjik izinli bir ilk kararlı durumdan daha az enerjili yine izinli bir başka kararlı bir duruma sıçradığı zaman, atom tarafından bir ışıma yapılır. Yayınlanan fotonun frekansı, elektronun dairesel yörüngedeki dolanım frekansından bağımsızdır. E i -E s =hf
Bohr un Postülaları 4) Elektronun yörüngesinin izin verilen büyüklüğü, elektronun yörüngesel açısal momentumuna dayanan ek bir koşul ile belirlenir. L=mvr=n(h/2π) n=1,2,3,... r n =n 2 a 0 ; a 0: Bohr yarıçapı E n =-ke 2 /2a 0 (1/n 2 )