Atom Maddelerin en küçük yapı taşlarına atom denir. Atomlar, elektron, nötron ve protonlardan oluşur. 1.Elektronlar: Çekirdek etrafında yörüngelerde bulunurlar ve ( ) yüklüdürler. Boyutları çok küçüktür. 2. Çekirdek: Proton: (+) yüklü parçacıktır. Elektrondan 1836 kat büyüktür. Nötron: Yüksüzdür. Boyutları proton kadardır. - + Atom Atom, merkezde bir çekirdek ve çekirdeğin çevresinde dönen elektronlardan oluşur. Eksi ( ) yüklü olan elektronlar, yörüngelerinin bulunduğu yarı çapla orantılı bir enerjiye sahiptirler. Çekirdeğe en yakın yörüngedeki elektronların enerji seviyeleri en düşüktür. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyeleri artar. 1
Atom Nötronların elektriksel ve kimyasal etkileşimlerde işlevi yoktur. AtomdakielektronlarK, L, M, N, O, P, Qkabuklarında dağılmıştırlar. Sırasıyla en içteki kabukta en fazla 2, ikinci kabukta en fazla 8, üçüncü kabukta en fazla 18, dördüncü kabukta en fazla 32 elektron bulunur. Örneğin, elektrik iletiminde sıklıkla kullanılan 29 elektrona sahip bakır atomun 29. elektron tek başına dönmektedir. 29 elektronlu Cu 11 elektronlu Na Atom Elektronlar, bulundukları yörüngeye göre belirli bir enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlara sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, elektron bir üst yörüngeye geçer. Bir maddenin elektriksel olaylarının oluştuğu son kabukta bulunan elektronlarına valans elektronları denir. Valans elektronu uygulanan bir enerji ile serbest hale geçerek atomu terk eder ve söz konusu madde iletken olur. 29 elektronlu Cu 2
Enerji Band Diyagramları Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır: 1. Çekirdeğin çekme kuvveti 2. Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti Enerji Band Diyagramları Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, elektron bir üst yörüngeye geçer. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder. Valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir. 3
Enerji Band Diyagramları Valans elektronlarına enerji veren etkenler: 1) Elektriksel etki 2) Isı etkisi 3) Işık etkisi 4) Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 5) Manyetik etki Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir. Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir. Enerji Band Diyagramları a) Yalıtkan b) Yarıiletken c) İletken Bant-enerji diyagramları 4
Elektrik Yükü Atomdaki proton ve elektron sayıları eşit olduğundan, atomun tümü elektriksel olarak nötrdür. Nötr: proton sayısı = elektron sayısı İyon: proton sayısı elektron sayısı + yüklü iyon: Dış etkilerle atomun son yörüngesinde bulunan elektronun biri alınırsa elektriksel denge bozularak atom, artı yüklü iyon durumuna geçer. yüklü iyon: Dengedeki bir atomun son yörüngesine bir elektron girecek olursa atom eksi yüklü iyon durumuna geçer. Elektrik Yükü 5
Elektrik Yükü Elektrik Yükü 6
Elektrik Yükü Madde içerisindeki atomlar kimyasal bağlar sayesinde bir arada tutularak düzenli bir geometri oluştururlar. Sertlik, elektriksel, ısısal, iletkenlik, v.b. özellikler kimyasal bağlara göre şekillenmektedir. 7
Metaller ile ametaller arasında metallerin elektron vermesi ametallerin elektron almasıyla oluşan bağlardır. Metaller elektron vererek (+) değerlik, ametaller elektron alarak ( ) değerlik alırlar. Bu şekilde oluşan (+) ve ( ) yükler birbirini büyük bir kuvvetle çekerler. Bu çekim iyonik bağın oluşumuna sebep olur. Onun için iyonik bağlı bileşikleri ayrıştırmak zordur. 8
Elektron aktarımıyla oluşan bileşiklerde, kaybedilen ve kazanılan elektron sayıları eşit olmalıdır. İyonik katılar belirli bir kristal yapı oluştururlar. İyonik bağlı bileşikler oda sıcaklığında katı halde bulunurlar. İyonik bileşikler katı halde elektriği iletmez. Sıvı halde ve çözeltileri elektriği iletir. 9
İki atom arasında, bir veya daha fazla elektronun paylaşılmasıyla karakterize edilen kimyasal bağın bir tanımıdır. Genellikle bağ, ortaya çıkan molekülü bir arada tutan ortak çekim gücü olarak tanımlanabilir. Paylaşılan elektron ya da elektronlar, her iki çekirdek etrafında dolanacaklar, iki çekirdek arasındaki bölgede daha uzun süre bulundukları için bu bölgede ( ) yüklü bir alan yaratacaklardır. Bu alan, her iki çekirdeğe bir çekme kuvveti uygulayarak bir bağ yaratır. Kovalent bağ, söz konusu atomların dış yörüngelerinin dolması ile meydana gelir. 10
11
Örnek: Na, Cu gibi metaller metalik bağlar oluștururlar. Metalik bağ iyi elektrik iletkenliği sağlar. Uygulanan bir voltaj (gerilim) etkisi altında, valans elektronları hareket eder, devre tamamlanırsa akıma neden olur. 12
13
14
Atomların Yapı Türleri ve Bohr Atom Modeli 1. Atomik Yapı Türleri Kristal (Metalik) Yapı Amorf Yapı Bileşik Yapı Kolloidal Yapı Seramik Yapı 2. Bohr Atom Modeli Atomların Yapı Türleri 15
Atomların Yapı Türleri Atomların Yapı Türleri Amorf cisimlerde moleküllerin birbirlerine göre konumları sabit olmakla birlikte geometrik yapıları herhangi bir matematik kuralı ile açıklanamaz. Amorf katılar farklı doğrultu ve yönlerde, ayrıca farklı uzaklıklarda bulunan atomlardan oluşmuştur. Gazlar, sıvılar, camlar ve plastiklerin büyük bir çoğunluğu amorf yapıya sahiptir. 16
Atomların Yapı Türleri Atomların Yapı Türleri 17
Atomların Yapı Türleri Atomların Yapı Türleri 18
Atomların Yapı Türleri Atomların Yapı Türleri 19
Atomların Yapı Türleri Atomların Yapı Türleri 20
Atomların Yapı Türleri Katların Fiziksel Yapıları Kristallerde ise moleküller arası uzaklıklar ve uzaklıkları belirten açıların katı madde içinde sabit olduğu görülür. X ışınları ve başka yöntemler kullanılarak yapılan araştırmalar, metallerin ve yarıiletkenlerin pek çoğunun kristal yapılı oldukları gözlenmiştir. 21
Kristal Yapılar Kristal yapılar da kendi içerisinde birçok farklı şekilde bulunurlar. Bunlardan bazıları: Basit Kübik Kristaller (BKK) (Simple Cubic Cyrstals): Her bir köşesinde bir atom bulunduran kübik yapıdır. a ile gösterilen boyut kafes sabitini (lattice constant) tanımlar. Bu yapılara örnek olarak Polonium gösterilebilir. Kristal Yapılar Gövde Merkezli Kübik Krsitaller (GMK) (Body Centered Cubic Cyrstals): Bir GMK kristali, köşe atomlarına ek olarak, kübik yapının ortasında da bir atom bulunduran kristal yapısıdır. Bu özelliği gösteren yapılara örnek olarak Sodyum, Molybdenum, Tungsten gösterilebilir. 22
Kristal Yapılar Yüzey Merkezli Kübik Kristal Yapılar (YMK) (Face Centered Cubic Cyrstals): 8 köşe atomuna ek olarak 6 adet yüzey atomu da bulunduran yapıdır. Bir çok element bu kristal formda bulunur. Alüminyum, Bakır, Altın, Gümüş, Nikel, Platinyum v.b. Kristal Yapılar Elmas Yapı (Diamond Structure): Silikon ve Germanyum gibi yarı iletken yapılarda görülür. İki YMK nın birbirine geçmesiyle oluşur. 23
Kristal Yapılar Çinko Sülfür Yapısı (Zinc Blende Structure): Bir başka yarıiletken yapı olan GaAs (Galyum Arsenide) bu özelliği gösterir. Ayrıca GalyumFosfat, ÇinkoSülfat ve KadmiyumSülfat da bu yapıdadır. Bohr Atom Modeli 1913 yılında Neils Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck'ın kuantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşan en basit atom modelinde, elektronların toplam yükünün çekirdek yüküne denk olduğu kabul edilirse, atom elektriksel olarak nötr durumda olduğu düşünülebilir. Bohr atom modeline göre hidrojen atomu. 24
Bohr Atom Modeli Örneğin her bir atomunda tek bir elektron bulunduran hidrojene bir bakalım. Şekilden de görülebileceği üzere çekirdek ve elektron arasında iki kuvvet meydana gelmektedir. 1. Çekim kuvveti 2. Merkezkaç kuvveti Bohr atom modeline göre hidrojen atomu. Bohr Atom Modeli Bu kuvvetlerden ilki Coulomb un ortaya koyduğu çekim kuvvetidir. Coulomb Yasası: Elektrik yüklü iki parçacık arasındaki kuvvetin büyüklüğü, yüklerin çarpımı ile doğru, yüklerin arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır şeklinde ifade edilir. Burada q = elektronik yük; = boşluğun geçirgenlik katsayısını r = Yüklü parçacıkların arasındaki uzaklığı göstermektedir. 25
Bohr Atom Modeli Sabit bir yörünge bu kuvvetlerin birbirlerini dengelemeleri sonucu ortaya çıkar. Elektronun potansiyel enerjisi: Elektronun kinetik enerjisi: Elektronun toplam enerjisi: Bohr Atom Modeli Elektronun çekirdeğe ne kadar yakınlaşırsa üzerindeki enerji miktarının o kadar azalır. Çekirdeğe en yakın elektron kararlıdır, ışık yaymaz. 26
Bohr Atom Modeli Bir elektron yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık yayınlar. Burada bağıntısı geçerlidir. h= Planck sabiti, v= yayımlanan enerjinin frekansı, hv= foton enerjisi ifade eder. Bohr Atom Modeli Elektron'a yeterli enerji verilirse elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine sıçrar. Atom bu durumda kararsızdır. Kararlı hale gelmek için elektron tekrar eski enerji seviyesine dönerken almış olduğu enerji seviyesini eşit enerjide bir Foton (ışın taneciği) fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yapar. 27
Bohr Atom Modeli Bohr a göre sabit bir yörünge, elektronun açısal momentumunun durumuna göre belirlenebilir. Burada n sabit bir sayıyı ifade eder ve 1 dir. Elektronun toplam enerjisinin r ve v den sadeleştirilmiş hali: Böylece açısal momentum ayrık enerji seviyeleri oluşturmaktadır. Farklı enerji seviyeleri arasındaki geçişler sırasında yayımlanan foton frekansları böylece belirlenebilmektedir. Bohr Atom Modeli Bohr varsayımları (postulatları) şöyle özetlenebilir: 1. Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıktaki yörüngelerde hareket eder ve bu yörüngelerdeki açısal momentumu h/2π'nin tam katlarıdır. Her kararlı hâlin sabit bir enerjisi vardır. 2. Her hangi bir kararlı enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir. 28
Bohr Atom Modeli Bohr varsayımları (postulatları) şöyle özetlenebilir: 3.Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon) yayınlamaz. 4.Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere, her enerji düzeyi + bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak "n" ile gösterilir, (n: 1,2,3... ) Bugünkü bilgilerimize göre; Bohr kuramının, elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettikleri ifadesi yanlıştır. 29