ATOM YAPISI ve MODELLERİ Kimya Ders Notu
ATOM ve ELEKTRİK Bir elementin bütün özelliklerini taşıyan en küçük yapı taşına atom denir. Maddelerin tüm fiziksel ve kimyasal özellikleri atomun elektrik yapısı ile ilgilidir. Atomun yapısı ile ilgili teorilerin türetilmesi birçok elektriksel deneyle mümkün olmuştur. Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanları tarafından ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşan kehribarın ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçük cisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir. Genel olarak cam, ebonit ve kehribar gibi cisimler ipekli veya yünlü kumaş parçasına sürtüldüklerinde hafif cisimleri (kağıt parçası veya saman parçası gibi) çekme özeliiği kazanırlar. Cisimlerde görülen bu özelliğin nedeni statik elektriktir. Bu özelliği kazanan cisimlere elektriklenmiş cisimler denir. Statik elektrik; durgun elektrik olarak iş yapmayan elektrik türüdür. Kontrolsüz bir enerji olduğundan zaman zaman boşalma gerçekleştirir. Örneğin; şimşeklerin oluşması, yıldırımın düşmesi.
* Cisimler yalnız iki tür elektrikle yüklenebilir. Bunlardan cam çubukta oluşan elektrik yüküne pozitif (+) elektrik yükü, ebonit çubukta oluşan elektrik yüküne negatif (-) elektrik yükü adı verilir. * Aynı elektrikle yüklü cisimler birbirini iter, zıt elektrikle yüklü cisimler birbirini çeker. Çekme ve itme kuvvetleri cisimlerin sahip oldukları yük miktarına bağlıdır.
Maddelerin birbirine sürtünerek elektriklenmesinde maddenin kimliğinde bir değişiklik olmaz. Dolayısıyla bu olayda bir atom alış verişi yoktur. O halde atomdan atoma geçen daha küçük tanecikler vardır. Ayrıca maddeler elektriklenmeden önce nötr olduklarına göre maddenin (+) yüklü olması bu maddeden (-) yükün ayrıldığını gösterir ki bu da maddede (+) ve (-) yük ü tanecikler bulunduğunun belirtisidir. Elektrik yükü bir yerden başka bir yere akabilir. Fakat elektrik yükünün akışı gözle görülemez. Ancak bunu, etkilerinden anlamak mümkündür. Örneğin; bir lambanın ışık vermesi, elektrik motorunun dönmesi, elektroliz kaplarında gaz toplanması elektrik yüklerinin hareket ettiği sonucuna ulaşmaya yardımcı olur.
Madde - Elektriksel Yük İlişkisi Madde ile elektriksel yük arasındaki ilişkiyi ilk ortaya koyan ve bunun için deneyler yapan lngiliz bilgini Michael Faraday'dır. Faraday çeşitli maddeleri elektroliz ederek, elektrotlarda toplanan madde miktarının devreden geçen elektrik yükü miktarı ile doğru orantılı olduğunu bulmuştur. O halde elektrotlarda toplanan madde miktarı m, devreden geçen yük miktarı Q, devreden geçen akım miktarı l, saniye cinsinden zaman t, maddeye bağlı sabit A ile gösterilirse Q = l. t ve m = A. I. t eşitlikleri yazılabilir.
Elektrik yük miktarı coulomb (C) olarak hesaplanır. 1 coulomb; AgNO 3 çözeltisinden 1,118 mg Ag açığa çıkaran elektrik yükü miktarıdır. Faraday'ın yaptığı deneylerden, bir atomun ancak belirli bir miktar veya bu miktarın bazı basit katları kadar elektrik yükü taşıyabileceği sonucu çıkarılmıştır. O halde elektrik yükleri parçacıklar halinde taşınmaktadır. Bir atom bazen bir, bazen iki veya üç parçacık taşıyabilir. Taşınan bu yük parçacığı bütün atomlar için aynıdır. Elektrik yükünün parçacıklar halinde taşınması, elektriğin taneciklerden meydana geldiğini göstermektedir. O halde atomlar, elektrik yükleri taşıdıklarına göre bu tanecikler atomlarda bulunmalıdır.
Katot lşınları ve Elektronun Keşfi Faraday'ın çalışmalarına dayanarak George Stoney atomlarda elektrikle yüklü birimler olduğundan söz edip bunlara elektron adını vermiştir. Elektronların varlığına dair ilk kanıt İngiliz fizikçi William Crooks tarafından bulundu. Crooks geliştirdiği vakumlu tüp (Crooks tüpü) içerisindeki gazların elektrikle etkileşim sonucu ortaya çıkan davranışlarını inceledi. Crooks tüpünde elektrotlar arasına yüksek gerilim uygu andığında tüpün cam çeperinde sarı - yeşil florasan ışık yansıması olur. Eğer tüpün ortasına bir cisim yerleştirilirse bu cismin görüntüsü tüpün sonunda bir gölge şeklinde oluşur. Crooks'a göre gölgenin bu şekilde görülmesinin sebebi tüp içerisinde bazı ışınların oluşmasıdır. Bu ışınlara katot ışınları denir.
Katot ışını tüpü: Yüksek gerilim kaynağı soldaki elektrot (katot) üzerinde negatif yük oluşturur. Sağdaki elektrotta (anot) ise pozitif yük meydana getirir. Katottan çıkan katot ışını metal bir levhanın yarığından geçerek anota gider. Katot ışını, ancak çinko sülfür kaplanmış bir ekran üzerinde oluşturduğu yeşil fluoresansla görülebilir. ZnS ekran bulunmayan yerlerde görünmez.
Katot ışınlarının özellikleri; 1. Negatif yüklüdüder. 2. Hızlı akan elektronlardır. 3. Elektriksel ve manyetik alanda saparlar. 4. Tüptekigazın cinsine bağlı değildirler. 5. Gözle görülmezler. 6. Çarptıkları yerde fluoresans oluştururlar. 7. Katottan anota doğru giderler.
EIektronun Yük Kütle Oranının (e/m) Bulunması İngiliz bilim insanı J.J. Thomson geliştirilmiş bir katot ışını tüpü kullanarak elektronların yük/kütle oranını belirlemiştir. Şekilde görüldüğü gibi katot ışınl tüpünün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar konursa elektronlar (+) yüklü levhaya doğru sapıp tüpün Yüzeyinde A noktasına çarparlar. (Yüklü bir parçacığın elektriksel alanda sapma miktarı, parçacığın elektrik yükü ile doğru, kütlesi ile ters orantılıdır.) Daha sonra elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün yüzeyinde C noktasına çarparlar. Eğer katot ışınları demetini elektrik ve manyetik alan kuvvetleri ters yönde dengelerse, ekrana çarpan katot ışınları sapmaya uğramazlar, Böylece elektrik ve manyetik alan şidetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m yük/kütle) oranı (- 1,7588.10 8 coulomb/gram) bulunmuştur.
Millikan'ın Yağ Damlası Deneyi- Elektron Yükünün Belirlenmesi Elektronların varlığı bulunduktan sonra Robert Millikan bir dizi yağ damlası deneyi yaparak elektronun yükünü - 1,6022.10-19 coulomb olarak bulmuştur.
Millikan; deneyinde, bir püskürtücü (pülverizatör) ile oluşturulan yağ damlacıklarını elektrik yüklü iki plâka arasına püskürtmüş ve iki plâka arasına aynı zamanda X ışınları göndermiştir. X-ışınlarının ortamdaki gaz moleküllerinden koparttığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutularak damlacıkların negatif yükle yüklenmelerini sağlamıştır. Plakalardan üstte olanı (+), altta olanı (-) yükle yüklenmiştir. Böylece bir yağ damlacığına etki eden yer çekimi kuvveti ile elektriksel çekim kuvvetini dengeleyerek yağ damlacığını plakalar arasında hareketsiz bırakmıştır. Bu şekilde çeşitli yağ damlacıklarının hareketlerini teleskopla izleyen Millikan, yağ damlacıkları üzerindeki yükün, -1,6.10-19 coulomb veya bu değerin tam katları olduğunu belirlemiştir. Bu yükün -1,6.10-19 coulomb ya da bunun tam katları olması en küçük temel yükün yani elektron yükünün -1,6.10-19 coulomb olduğunu gösterir.
Millikan, daha sonra Thomson'un hesapladığı e/m = -1,76.10 8 coulomb/gram değerini kullanarak elektron kütlesini 9,11.10-28 gram olarak hesaplamıştır.
Kanal lşınları ve Proton'un Keşfi Eugen Goldstein (Öjen Goldştayn), katot ışınlarının özelliklerini, üzerinde delikler bulunan bir katot ışınları tüpü ile incelemiş ve pozitif yüklü ışınların varlığını göstermiştir. Katottan çıkan ve elektrik alan nedeniyle, hızla anota doğru hareket eden elektronlar, çarptıkları gaz moleküllerinin elektronlarını kopararak (+) yüklü iyonların oluşmasına neden olur. Bu iyonlar, zıt yükleri nedeniyle katota doğru hızlanır ve bazıları katottaki deliklerden geçerek katot bölgesindeki cam yüzeyinde ışıldamalara neden olur. Bu pozitif yüklü ışınlara kanai ışınları denir. Tüpte hidrojen gazı kullanıldığında kanal ışınları protonlardan ibarettir. Böylece bütün atomların yapısında elektronlardan başka protonların da bulunduğu anlaşılmıştır.
Kanal ışınlarının özellikleri : 1. Pozitif yüklüdürler. 2. Hızlı akan protonlardır. 3. Elektriksel ve manyetik alanda saparlar. 4. Tüpteki gazın cinsine bağlıdırlar. 5. Gözle görülmezler.
* Thomson kanal ışınları için e/m değerlerini ölçmüş ve aynı pozitif yüklü iyonlarda e/m değerinin iyonun kütlesi küçüldükçe arttığını bulmuştur. Tüpte hidjen gazı varsa pozitif iyonlar için gözlenen en büyük e/m değeri elde edilir. Sadece, t tane pozitif yük barındırması nedeniyle hidrojen iyonu için elde edilen e/m değeri protona ait değer olarak alınır. Bu yük değeri 1,6022 x 10-19 C'dur. Kütlesi de 1,67 x 10-27 kg'dır. Elektronun kütlesi hidrojenin en hafif izotopundan türeyen pozitif iyonun kütlesinin 1836'da biridir. O halde hidrojenin en hafif izotopu çekirdeği oluşturan bir proton ve çekirdek dışında bir elektron olarak düşünülebilir.
Atom Numaralarının Belirlenmesi X - ışınları, görünür ışıktan daha yüksek enerjiye sahip elektromagnetik ışınlardır. Moseley X ışınlarını kullanarak değişik elementlerin farklı X ışınları spektrumunu elde etmiştir. Her elementin sadece birkaç karakteristik spektral çizgi (Fraunhofer çizgileri) içeren X - ışınları spektrumu vardır. Elementlerin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışının frekansı da artar. Moseley, elementin atom numarası ile X - ışınları frekansının kare kökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu bulmuş ve elementlerin atom numaralarını doğru bir şekilde belirlemiştir. 1932 yılında atom çekirdeğinde protonlardan başka kütlesi protonun kütlesine yaklaşık olarak eşit bir başka taneciğin daha olduğu James Chadwick tarafından bulunmuş ve bunlara yüksüz anlamında nötron adı verilmiştir. Protonlar ve nötronlar için ortak isim olarak nükleon da kullanılır. Tabiatta nötronu olmayan tek element hidrojendir. Bunun için hidrojenin kütlesi protonun kütlesine eşittir. Elektronun kütlesi proton ve nötronlara göre çok küçük olduğundan ihmal edilir. Bu nedenle, atomun kütlesini proton ve nötron oluşturur.
ATOMUN YAPISI Atomun yapısında proton (p), nötron (n) ve elektron (e) adı verilen tanecikler bulunmaktadır. * Atomun merkezinde çekirdek adı verilen küçük bir hacimsel bölge vardır. Atomun taneciklerinden proton ve nötron çekirdekte bulunur. Proton (+) yüklü, nötronlar ise yüksüzdür. Kütleleri yaklaşık olarak birbirine eşittir. * Elektronlar, atom çekirdeğinin etrafındaki temel enerji düzeylerinde (yörüngelerde) bulunurlar. Elektronlar (-) yüklüdür. Kütleleri çok küçük olduğundan kütlesiz kabul edilirler. Bu nedenle, atomun kütlesi çekirdek kütlesine eşit olarak alınır. Tanecik adı Sembol Bağıl yük Bağıl kütle proton p +1 1 akb nötron n 0 1 akb elektron e -1 yaklaşık olarak sıfır (0)
Atom Numarası Bir element atomunun çekirdeğindeki toplam proton sayısına atom numarası denir. Atom Numarası Proton Sayısı = = Çekirdek Yükü * Bir elementin tüm atomlarında eşit sayıda proton bulunur. Farklı element atomlarının ise, proton sayıları farklıdır. UYARI: Karşılaştırılan atom veya iyonların aynı elemente ait olması için, proton sayılarının eşit olması gerekir.
Kütle Numarası Bir element atomunun çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayılarının toplamına kütle numarası (nükleon sayısı) denir. Kütle Numarası Proton Sayısı + Nötron Sayısı = = Nükleon Sayısı Bir elementin atom numarası, sembolünün sol alt köşesine yazılır ve Z ile gösterilir. Bir elementin kütle numarası ise, sembolünün sol üst köşesine yazılır ve A ile gösterilir. Toplam Tanecik Sayısı= p + n + e
Nötr Atom Proton sayısı, elektron sayısına eşit olan atomlara nötr (yüksüz) atom denir. Nötr bir atom için: Atom Numarası Proton Sayısı = = Elektron Sayısı eşitliği yazılabilir.
İyon Bir atomun elektron alışverişi yaparak oluşturduğu pozitif (+) ya da negatif (-) yüklü taneciklere iyon denir. İyon yükü = Proton Sayısı Elektron Sayısı Atom Numarası = İyon yükü + Elektron Sayısı
* Nötr bir atom elektron verdiğinde, verdiği elektron sayısı kadar pozitif (+) yüklü olur. Pozitif yüklü iyonlara katyon denir. Nötr atom elektron vererek katyona dönüştüğünden, katyonunun elektion sayısı proton sayısından küçüktür. * Nötr bir atom elektron aldığında, aldığı elektron sayısı kadar negatif H yüklü olur. Negatif yüklü iyonlara anyon denir. Nötr atom elektron alarak anyona dönüştüğünden, anyonunun elektron saylsı proton sayısından büyüktür. Nötr atom, anyon ve katyondaki proton ve elektron sayıları arasındaki ilişki; Nötr atomda (X); proton sayısı (P) = elektron sayısı (e) Katyonda (X + ); proton sayısl (p) > elektron sayısı (e) Anyonda (X - ); proton sayısı (p) < elektron sayısı (e) şeklindedir.
ÖRNEK 1: Aşağıda proton, nötron ve elektron sayıları veriien taneciklerden hangileri nötr'dür?
ÇÖZÜM 1: Bir atomda; Proton sayısı elektron sayısına eşitse bu atom nötrdür. Proton sayısı elektron sayısından fazla ise katyondur. Elektron sayısı proton sayısından fazla ise anyondur. Buna göre X taneciğinde proton ve elektron sayıları eşit olduğundan X taneciği nötr atomdur. Y taneciğinde proton sayısı elektron sayısından fazla olduğu için Y katyondur. Z taneciğinde elektron sıyısı proton sayısından fazla olduğu için Z anyondur. YANIT A
ÖRNEK 2: l. Nötr X atomu X 2+ iyonuna ll. Nötr Y atomu Y - iyonuna III. Z 2- iyonu Z atomuna dönüşüyor. Buna göre, hangilerinin elektron sayılarında azalma olur? A) Yalnız l B) Yalnız ll C) Yalnız lll D) l ve lll E) ll ve lll
ÇÖZÜM 2: Nötr atomlarda elektron sayısı proton sayısına eşittir. Negatif (-) yüklü iyonlarda elektron sayısı proton sayısından fazla, pozitif (+) yüklü iyonlarda elektron sayısı proton sayısından azdır. Nötr X atomu X +2 iyonuna dönüşmek için 2 elektron verir. Böylece elektron sayısı azalır. Nötr Y atomu Y - iyonuna dönüşmek için 1 elektron alır. Böylece elektron sayısı artar. Z 2- iyonu nötr Z atomuna dönüşmek için 2 elektron verir. Böylece elektron sayısı azalır. YANIT D
ÖRNEK 3:
ÇÖZÜM 3:
İyonlaşma Sırasında Değişen ÖzellikIer Atom iyonlaştığında; - Elektron sayısı - Elektron başına düşen çekim kuvveti - Hacmi - Enerjisi - Kimyasal özelliği - Fiziksel özelliği değişir.
* Nötr atom elektron alışverişi ile iyona dönüştüğünden, iyonlaşma sırasında elektron sayısı değişir, ancak proton sayısı değişmez. * Nötr bir atom iyonlaştığında elektron sayısı değişip, proton sayısı değişmez. Proton sayısı değişmediğinden, çekirdeğin çekim gücü değişmez. Ancak elektronlar ve protonlar arasındaki eşitlik bozulduğundan, elektron başına düşen çekim kuvveti değişir. Nötr bir atom elektron verip pozitif (+) yüklü bir katyon haline geldiğinde, elektron başına düşen çekim kuvveti artar. Atom çapı dolayısıyla atom hacmi küçülür. Nötr bir atom elektron alıp negatif (-) yüklü bir anyon haline geldiğinde ise, elektron başına düşen çekim kuvveti azalır. Atom çapı dolayısıyla atom hacmi büyür. UYARI: Proton veya elektron sayıları birbirine eşit olan iyonlarda; iyon çapı veya iyon hacmi, iyon yüküne göre belirlenir. İyon yükü büyük olan taneciğin çapı küçük olur.
UYARI: Proton veya elektron sayıları birbirine eşit olan iyonlarda; iyon çapı veya iyon hacmi, iyon yüküne göre belirlenir. İyon yükü büyük olan taneciğin çapı küçük olur. Örneğin;
* Bir elementin kimyasal özelliği, proton ve elektron sayısına bağlı olarak değişir. Atom iyonlaştığında, elektron sayısı değiştiği için kimyasal özelliği de değişir. Ayrıca proton sayıları farklı olan atomların, kimyasal özellikleri de farklı olur. * Bir elementin fiziksel özelliği proton sayısı, elektron sayısı ve nötron sayısına bağlı olarak değişir. Atom iyonlaştığında, elektron sayısı değiştiğinden fiziksel özelliği de değişir. Ayrıca kütle numarası ya da proton sayısı farklı olan atomların, fiziksel özellikleri de farklıdır.
ÖRNEK 4: Yüksüz bir atom elektron kaybettiğinde, aşağıdakilerden hangisi doğru olur? A) Çekirdek yükü azalır. B) Çapı küçülür. C) Kimyasal özelliği değişmez. D) Kütle numarası artar. E) Atom numarası artar.
ÇÖZÜM 4: Yüksüz yani nötr bir atom elektron kaybettiğinde çekirdeğinde bir değişiklik olmaz. Bu nedenle atom numarası, kütle numarası ve çekirdek yükü değişmez. * Elektron kaybeden atom pozitif (+) yüklü iyon haline geldiğinden kimyasal özelliği değişir. * Yüksüz bir atom elektron kaybedip pozitif (+) yüklü bir katyon haline geldiğinde elektron başına düşen çekim kuvveti artar. Atom çapı küçülür. YANIT B
ÖRNEK 5:
ÇÖZÜM 5: Z 2+ katyonunun elektron sayısı proton sayısından 2 eksiktir. Bu iyon 2 elektron aldığında proton sayısı ile elektron sayısı eşitlenir. Proton sayısı değişmediğinden çekirdeğin çekim kuvveti değişmez. Elektron sayısı arttığından elektron başına düşen çekim kuvveti azalır. İyon çapı artar. YANIT C
İzotop Atomlar Proton sayıları aynı, nötron sayıları dolayısıyla kütle numaraları farklı olan atomlara izotop atomlar denir. * Bir elementin tüm atomlarının proton sayıları aynıdır, ancak nötron sayıları farklı olabilir. İzotop = atomlar aynı elementin nötron sayıları farklı olan atomlardır. * İzotop atomların kimyasal özellikleri aynı, fiziksel özellikleri ise farklıdır. Ancak izotop atomların, elektron sayıları farklı olan iyonlarında, kimyasal özellikleri de farklıdır.
* İzotop atomlar aynı elementle bileşik oluşturduklarında, oluşan bileşiklerin kimyasal özellikleri aynıdır, ancak fiziksel özellikleri, nükleon sayıları, toplam nötron sayıları, mol kütleleri ve elementlerin kütlece birleşme oranları farklıdır.
Ortalama Atom Kütlesi Elementlerin çoğu, doğada izotoplarının farklı yüzdelerdeki karışımı halinde bulunur. Örneğin, Cl atomunun izotoplarının doğada bulunma yüzdeleri; Bu nedenle, izotopları bulunan elementlerin kütle numaraları ve doğada bulunma yüzdelerine göre, ortalama atom kütleleri hesaplanır. Bir elementin ortalama atom kütlesi;
ÖRNEK 6:
ÇÖZÜM 6:
İzobar Atomlar Kütle numaraları (nükleon sayıları) aynı, atom numaraları (proton sayıları) farklı olan atomlara izobar atomlar denir. Örneğin; 40 20 Ca ve 40 19 K atomları izobardır. * Proton sayıları farklı olduğu için izobar atomlar, farklı elementlerin atomlarıdır. * İzobar atomların hem fiziksel hem de kimyasal özellikleri farklıdır.
İzoton atomlar Nötron sayıları aynı, proton sayıları farklı olan atomlara izoton atomlar denir. Örneğin: 40 20 Ca ve 37 17 Cl atomları izoton atomlardır. * İzoton atomlaı farklı elementlerin atomlarıdır. * İzoton atomların hem fiziksel hem de kimyasal özellikleri farklıdır.
İzoelektronik Atomlar Proton sayıları farklı, elektron sayıları ve elektron dizilişleri aynı oian taneciklere izoelektronik tanecikler denir. iyonları izoelektroniktir. * İzoelektronik taneciklerin hem fiziksel hem de kimyasal özellikleri farklıdır.
Allotrop Maddeler Bir elementin atomlarının farkh sayı ve dizilişte biraraya gelerek oluşturdukları, farklı kristalik ve moleküler yapıya sahip maddelerin herbirine, o elementin allotropu denir.
* Allotrop maddelerin atomlarının dizilişleri, molekül büyüklükleri, molekül şekilleri, moleküllerindeki atom sayıları, atomlar arasındaki bağ kuvvetleri ve kristalik yapıları birbirinden farklıdır. * Allotropların fiziksel özellikleri (özkütle, erime ve kaynama noktaları...) birbirinden farklıdır. * Allotroplar; aynı tür kimyasal tepkimeleri verebilmelerine rağmen, kimyasal tepkimelere girme istekleri (aktiflikleri) farklıdır. * Allotroplar, aynı proton sayılı atomların bir araya gelmesiyle oluşurlar. * Allotrop arın aynı elementle tepkimeye girerek oluşturdukları bileşiklerin formülleri ve özellikleri aynıdır.
ÖRNEK 7: İzotop olduktarı bilinen X ve X +1 taneciklerinin, aşağıda verilen niceliklerinden hangisi aynıdır? A) Elektron sayısı B) Tanecik çapı C) Çekirdek yükü D) Kütle numarası E) Kimyasalözellik
ÇÖZÜM 7: Atom numaraları (proton sayıları) aynı, kütle numaraları farklı olan tanecikler birbirinin izotopudur. Proton sayısı aynı zamanda çekirdek yüküne eşit olduğundan, taneciklerin çekirdek yükleri aynıdır. X taneciği nötr, X +1 ise katyon halinde olduğu için, elektron sayısı dolayısıyla tanecik çapı birbirinden farklıdır. Taneciklerin kimyasal özelliğinin aynı olabilmesi için, hem proton hem de elektron sayılarının aynı olması gerekir. X ve X +1 taneciklerinin elektron sayıları farklı olduğundan kimyasal özellikleri de farklıdır. YANIT C
ÖRNEK 8:
ÇÖZÜM 8:
ÖRNEK 9:
ÇÖZÜM 9:
ÖRNEK 10:
ÇÖZÜM 10:
DALTON ATOM MODELİ ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Dalton'a göre bütün maddeler bilardo topları gibi küçük, yoğun ve bölünemez taneciklerden oluşmuştur. Dalton bu tanecikleri atom diye adlandırarak kendi adıyla bilinen ve ilk bilimsel atom modeli olan Dalton Atom Modelini ileri sürmüştür. DaIton modelinin varsayımları aşağıdaki gibi özetlenebilir: 1. Madde, çok küçük, yoğun, bölünemez ve yok edilemez atomlardan oluşmuştur. 2. Bir elementin bütün atomları şekil, büyüklük, kütle ve özellik olarak birbirinin aynıdır. Fakat başka bir elementin atomlarından farklıdır. 3. Bir elementin bütün kimyasal tepkimelere katılabilen en küçük parçası atomdur. Atomlar parçalanamaz veya oluşturulamaz. Tepkimelerde atomlar sadece yer değiştirir. Bu nedenle tepkimelerde atomların sayıları, kütleleri ve cinsleri daima korunur. 4. Farklı element atomlarının belirli oranlarda birleşmesiyle moleküller oluşur. Bir bileşiğin molekülleri birbirinin aynıdır.
Dalton Atom modeli, kimyasal tepkimelerdeki kütle bağıntılarını, sabit oranlar ve katlı oranlar yasalarını başarıyla açıklamış, ancak zamanla atomla ilgili elde edilen yeni bilgileri açıklamakta yetersiz kalmıştır. Günümüzde atom parçalanabilmekte ve bir elementin değişik kütleli atomlara (izotoplara) sahip olduğu bilinmektedir.
THOMSON ATOM MODELİ Katot ışınlarından elektronun, kanal ışınlarından protonun varlığının ortaya konması atomun daha basit parçacıklarından oluştuğunu, yapısında (+) ve (-) yüklü tanecikler içerdiğini kanıtlamıştır. Bunun sonucunda Thomson, Dalton'un atom modelini geliştirmiş ve buna elektrikli bir yapı kazandırmıştır.
Thomson modelinin varsayımları şunlardır: 1. Proton ve elektron yük bakımından eşit, işaretçe zıttır. 2. Notr atomda proton ve elektron sayısı birbirine eşit olduğundan yükler toplamı sıfırdır. 3. Atomlar küre şeklinde olup yarıçapları yaklaşık 10-8 cm'dir. 4. Atom hacmi hemen hemen tümüyle (+) yüklü protonlar tarafından doldurulmuştur. Yük dengesini korumak için elektronlar, protonlar arasına homojen şekilde dağılmışlardır. 5. Elektronların kütlesi, protonların kütlesine göre çok küçüktür. Bu nedenle atom kütlesinin büyük çoğunluğunu protonlar oluşturur. Bu modelin hatalı yönleri; 1. Nötronlardan söz edilmemesi 2. Protonların ve elektronların atomda gelişigüzel yerlerde bulunması 3. Protonların atom hacminin büyük bir kısmını doldurması
Rutherford çok ince bir altın levhayı α (alfa) ışınları ile bombardıman etmiş, ışınların levhaya çarptıktan sonra izledikleri yolları incelemiştir. (α ışınlarının saçılması deneyi) α taneciklerinin bir altın yaprak tarafından saçılmasını önlemek için Rutherford un Tasarladığı deney düzeneği.
Altın yaprağının içinden geçen ve çekirdek tarafından saptırılan α taneciklerinin büyütülmüş görüntüsü. Rutherford yaptığı deneyde aşağıdaki sonuçları bulmuştur: 1. α taneciklerinin çoğunluğu hiçbir sapmaya uğramadan levhayı geçmiştir. 2. Çok az sayıda (yaklaşık 1/20000) tanecik levhayı geçerken sapmaya uğramıştır. 3. Yine çok az sayıda a taneciği levhayı geçemeden geriye yansımıştır.
Bu sonuçlara göre; α parçacıklarının levhadan geçebilmeleri için atomun kendi içinde büyük boşluklar olmalıdır. Buna karşılık α parçacıklarının çok azını geçirmeyen kısım, kütlece dolu ve pozitif (+) elektrikle yüklü olmalıdır ki α parçacıklarını gerisin geriye itsin. Rutherford bu kısma atom çekirdeği adını vermiştir. Atomlar elektrikçe nötr olduğundan, elektronların çekirdek etrafında dönmesi gerektiğini kabul etmiş ve çekirdekle, elektronlar arasında çekirdeğe oranla büyük boşluk bulunduğunu, α parçacıklarının bu boşluklardan rahatça geçebileceğini ileri sürmüştür. Rutherford tarafından ileri sürülen atom teorisi, güneş sisteminin benzeri gibi düşünülebilir.
Rutherford atom modeli şöyle özetlenebilir: 1. Atomda pozitif yük ve kütle, atom merkezinde çekirdek olarak adlandırılan çok küçük bir hacimde toplanmıştır. Atomun yarıçapı 10-8 cm, çekirdeğin yarıçapı 10-13 cm civarındadır. 2. Çekirdekteki pozitif yük miktarı bir elementin bütün atomları için aynı ve diğer atomlarınkinden farklıdır. Pozitif yük sayısı atom kütlesinin yaklaşık yarısına eşittir. 3. Atomun nötrlüğünü sağlamak üzere, proton sayısına eşit sayıda elektron, çekirdek etrafında bulunur. Atom hacminin büyük bir bölümü çok hızlı hareket eden elektronlar tarafından doldurulur.
Rutherford Atom Modelinin Eksiklikleri Rutherford tarafından önerilen çekirdekli atom modeli; o ışınlarının saçılma deneyinin sonuçlarını açıklamada başarılıydı. Ancak atomdaki elektronların yeri ve hareketleri için bir açıklama getirmiyordu. Proton (+), elektron (-) yüklü olduğundan Coulomb Kanunu'na göre proton ve elektronun birbirlerini çekmeleri gerekir. Yüklü bir parçacık olan elektronun, çekirdeğin çekimini yenebilmesi, çekirdek çevresinde hızla dönmesiyle olanaklı hale gelir. Bu dönüş elektronun elektromanyetik ışıma ile enerji kaybetmesine, gittikçe daha hızlı dönerek ve spiraller çizerek çekirdeğe yaklaşmasına ve sonuçta çekirdeğe düşmesine yol açar. Elektronun çekirdeğe düşmesi atomların yok olması demektir ki bu gözlenmemiş bir olaydır. Ayrıca atomlar ısıtıldıklarında kendilerine özgü ışın yayarlar. Yayılan ışığın rengi ve diğer özellikleri atomun cinsine göre değişir. Rutherford modeli bu ışınların oluşumunu da açıklamada yetersiz kalmaktadır. Bu durumda Rutherford atom modelinin eksikliklerinin giderildiği yeni bir model N. Bohr tarafından geliştirilmiştir. Yeni modeli açıklamadan önce atom ve ışık arasındaki ilişkiyi inceleyelim.
ELEKTROMANYETİK IŞINLARIN DALGA MODELİ Enerjinin, elektromanyetik dalgalar halinde yayılması ve ilerlemesi elektromanyetik ışıma olarak adlandırılır. Oluşturulan bir sarsıntının veya titreşim hareketinin bir ortam aracılığı ile bir noktadan diğerine iletilmesine "dalga hareketi" denir. Kısaca dalga bir ortamda enerji taşıyan bir uyarıcıdır. Taşıdığı enerjiye göre mekanik ve elektromanyetik dalga şeklinde ikiye ayrılır. Mekanik dalga oluşturabilmek için bir dalga kaynağı ve bu kaynağın oluşturduğu dalgaları iletebilecek esnek bir ortam (su, sarmal yay gibi) gerekir. Örneğin: ses dalgaları, su dalgaları gibi. * Elektromagnetik dalgaların iletilmesi için esnek bir ortam gerekmez. Elektromagnetik dalgalar boşlukta da yayılır. Örneğin; Görünür ışık, X - ışınları, radyo dalgaları, kızıl ötesi ışınlar.
Dalga boyu (λ, lamda): Ardı ardına gelen iki dalga üzerinde benzer noktalar arasındaki uzaklıktır (İki maksimum veya iki minimum nokta arasındaki uzaklık). Dalganin enerjisi dalga boyu ile ters orantılıdır. Genlik (A): Bir dalgada maksimum yüksekliğe veya minimum derinliğe denir. Dalganın şiddeti, genliğin karesi (A 2 ) ile doğru orantılıdır. Frekans: Belli bir noktadan birim zamanda geçen dalga sayısına frekans denir ve γ (nü) ile gösterilir. Birimi 1 zaman dır. Zaman birimi olarak genellikle saniye alınır. 1 saniye = 1 Herz
Dalga Hızı: Bir dalganın frekansı (γ) ile dalga boyunun (λ) çarpımı, dalganın birim zamanda aldığı yolu verir. Bu değere dalga hızı denir ve bağıntısı ile gösterilir. Dalga hızı: γ. λ * Vakumda (boşlukta) bütün dalgalar dalga boyuna bağlı olmaksızin, aynı hızla hareket ederler. 2,99.10 8 m/s ya da yaklaşık 3.10 8 m/s değerinde olan bu hıza ışık hızı denir ve c sembolüyle gösterilir. * Belli bir ışıma için dalga boyu ile frekansın çarpımı, elektromanyetik dalgalarda ışık hızına eşittir ve bağıntısı ile gösterilir. c= γ. λ
BİRİMLER Çok sayıda elektromanyetik ışıma, çok kısa dalga boyuna sahip olduğundan bunlar için aşağıda belirtilen daha küçük birimler kullanılır. 1 santimetre (cm)= 1.10-2 m 1 mikrometre (µm)= 1.10-6 m 1 nanometre (nm)= 1.10-9 m=10a o 1 pikometre (pm)= 1.10-12 m = 10-2 A o 1 angstrom (A o )= 1.10-10 m = 10-8 cm= 100 pm
ÖRNEK 11: Dalga boyu 6000 A o olan ışığın frekansı kaç A o dur? 1c = 3.10 10 cm/sn
ÇÖZÜM 11: Dalga boyunun birimi (λ) santimetreye çevrilir. 1 A o = 1.10-8 cm 6000 A o = 6000.10-8 = 6.10-5 cm c= γ. λ eşitliğinde değerler yerine konulursa frekans; 3.10 10 cm/s = 6.10-5 cm. γ 3.10 10 cm/sn 6.10 5 cm γ = 5.10 14 s -1 = 5.10 14 Hz olarak bulunur.
ÖRNEK 12: Dalga boyu 0,7 m ve frekansı 4 s -1 oian bir dalganın hızı kaç m/s'dir?
ÇÖZÜM 12: Dalga hızı, dalga boyu (λ) ile frekansın (γ) çarpımına denktir. Buna göre dalganın hızı: Dalga hızı = λ. γ Dalga hızı = 0,7.4 Dalga hızı = 2,8 m/s dir.
Elektromanyetik Dalga Spektrumu Bütün frekansları kapsayan elektromanyetik ışın dizisine elektromanyetik daiga spektrumu denir. Spektrum, elektromanyetik ışının frekansına veya dalga boyuna göre gruplandırılır.* Elektromanyetik ışımanın dalga boyu kısa ise frekansı yüksek, dalga boyu uzun ise frekansı düşüktür. lşımanın enerjisi ile frekansı doğru orantılıdır. Frekansı yüksek olan ışınların enerjisi daha fazladır. Radyo dalgaları çok uzun dalga boylarına, kızıl ötesi ışınlar orta uzunlukta dalga boylarına sahiptir. Radyoaktif bozunmadan oluşan gama ışınları (ɣ) çok kısa dalga boylarına sahiptir. Görünür ışık ise dalga boyları yaklaşık 380nm - 760nm arasındaki ışınları içerir. Tek bir dalga boyuna sahip olan ışığa monokromatik ışık, dalga boyları farklı ışınlardan oluşan ışığa çok renkli anlamına gelen polikromatik ışık denir.
Görünür bölgede bütün dalga boylarındaki ışınlardan oluşan beyaz ışık prizmadan geçilirse 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 (lr); frekansı morunkinden yüksek olanlara ise mor ötesi (UV) ışınlar denir.
Işığın Dalga Modeli lşığın cisimlerden yansıması, farklı ortamlara geçişte kırılması, beyaz ışığın renklere ayrılması, girişim ve kırınım olayları ışığın dalga modeli ile açıklanabilir. Kırınım lşığın, cisimlerin kenarları çevresinde bükülmesi olayına kırınım denir. Kırınım yalnızca dalga özelliği ile açıklanabilen bir olaydır. Girişim İki veya daha çok dalganın birbiri içinden geçerken birbirini söndürmesi veya güçlendirmesi olayına girişim (interferans) denir. Bu olay dalgaların genel bir özelliğidir.
Burada üç önemli özellik vardır: 1. Dalga tepeleri üst üste gelince en yüksek noktalar oluşur. (Şiddetlendirici girişim) 2. Dalga çukurları üst üste gelince en çukur noktalar oluşur. (Şiddetlendirici girişim) 3. Bir dalganın tepesi ile diğerinin çukuru üst üste gelirse orada herhangi bir dalga hareketi gözlenmez. (Yok edici girişim) * lşın dalgalarında girişim sonucunda aydınlık olması için girişen iki dalganın yukarıdaki özelliklerden 1. ve 2. sini taşıması gerekir. 3. özellikteki girişimlerde aydınlık oluşmaz.
Çift Yarıkta Girişim (Young Deneyi) Thomas Young tarafından gerçekleştirilen ve kendi adıyla anılan Young deneyi ışığın dalgasal özellikte olduğunu ortaya çıkaran ilk deneydir. Young'ın çift yarıklı girişim deneyinde ekranda aydınlık ve karanlık bölgeler oluşur.
Bu deneyde ışık önce tek küçük yarıktan geçirilir böylece o yarık bir ışık kaynağı gibi hareket eder. Ancak girişim olayının gözlenebilmesi için iki tane birbirinin aynı ışık kaynağı gereklidir. Bunu sağlamak için üstünde iki tane yarık bulunan bir levha tek yarıklı levhanın önüne konulur ve bu durumda iki yarık farklı iki ışık kaynağı gibi davranır. İki ışık kaynağının önüne bir perde konulursa perdede birbirini takip eden karanlık ve aydınlık çizgiler (girişim saçakları) oluşur. Karanlık yerler ışık dalgalarının birbirini yok ettiği, aydınlık yerler ise birbirlerini kuvvetlendirdikleri yerleri belirtir. Young'ın bu deneyinde, ışın dalgalar gibi girişime uğradığından Young ışının dalga karakterinde olduğunu ortaya koymuş ve ışının dalga boyunu ölçmüştür. * Sabun köpüğü üzerinde görülen gökkuşağı renkleri, elektromanyetik dalgaların girişimine, günlük yaşamdan bir örnek olarak verilebilir.
ELEKTROMANYETİK IŞINLARİN TANECİK KARAKTERİ Fotoelektrik olay ve siyah cisimlerce yayılan ışınların dalga boyu - ışıma şiddeti grafikleri ışığın dalga modeli ile açıklanamaz. Bu olaylar ancak ışığın tanecik modeli ile açıklanabilir. Buna göre, eleklromanyetik ışımanın, hem dalga hem de tanecik özelliği vardır. lşık, eiektromanyetik ışımanın göz e görülebilen bölümüdür. Siyah Cismin lşıması Üzerine düşen tüm ışınları soğuran (absorbe eden) cisimlere siyah cisim denir. lsıtılan siyah cismin yaptığı ışıma maddenin cinsine bağlı olmayıp sadece sıcaklığına bağlıdır. Siyah cisim ısıtıldığında yaydığı ışımanın şiddetinin arttığı gözlenir. Düşük sıcaklıkta az enerjili (uzun dalga boylu) ışımalar oluşurken sıcaklık yükseldikçe, yüksek enerjili (kısa dalga boylu) ışımalar olur. * lşımanın şiddetinin ışımanın dalga boyuna bağlı olması dalga kuramına göre açıklanamaz. Çünkü dalga kuramına göre ışımanın şiddeti, genliğin karesi ile doğru orantılıdır.
Dalga kuramına göre ışımanın şiddeti genliğin karesi ile doğru orantılıdır. Sıcaklık arttıkça ışımanın dalga boyu küçülmeli genlik sürekli artmalıdır. Ancak yapılan deneyde sıcaklık yükseldikçe genlik önce artmakta sonra ise azalmaktadır. Bu sonuç ışığın dalga modeli ile çelişmektedir. O halde ışımanın şiddetinin ışımanın dalga boyuna bağlı olması dalga kuramına göre açıklanamaz.
Fotoelektrik Olay Metallerin yüzeylerine çarpan ışık ile metallerden elektron fırlatılması olayına fotoelektrik olay denir. Bu olayda gözlenenler; 1. Elektron yayınlanması, gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerinin üzerine çıktığında gerçekleşir. 2. Yayınlanan elektron sayısı, gelen ışığın şiddetine bağlıdır. lşımanın şiddeti artılırsa yayınlanan elektron sayısı da artar. Ancak elektronların hızı artmaz. 3. Bu da koparılan elektronların hızı, dolayısıyla kinetik enerjisi gelen ışığın frekansına bağlıdır. Işığın frekansı arttırıldığında ışımanın enerjisi artar. Bu da koparılan elektronların enerjisini dolayısıyla hızlarını arttırır.
Bu gözlemlerin özellikle de kinetik enerjinin frekansa bağlı olması dalga modeli ile açıklanamaz. (Çünkü dalga modeline göre kinetik enerji ışımanın şiddetine bağlıdır.) Bu olay ancak ışığın tanecikli yapıda olması ile açıklanabilir.
Planck Kuantum Kuramı lşığın kaynaktan yayınlanan çok sayıda tanecikler tarafından taşındığı düşüncesi ilk defa Newton tarafından belirtildi. Daha sonra Max Plank ışık enerjisinin belirli büyüklüklerdeki paketler (kuantumlar) halinde alınıp verileceği sonucuna vararak kuantum teorisini geliştirdi. Albert Enistein ise ışık hızı ile hareket eden bu kuantumları foton olarak adlandırdı. Fotonlar, atomlar gibi maddesel değildir. Kütlesiz enerji üniteleri olarak düşünülebilir. Bu durum şöyle açıklanabilir; Enerji yayılması dalga hareketi ile birlikte gerçekleşir. Bir başka deyişle, her fotona bir dalga eşlik eder. Dalgaların taşıdığı fotonun değeri (h,v), dalga hareketinin frekansına (v) bağlıdır. Bu nedenle yüksek frekanslı mor ışık, düşük frekanslı kırmızı ışıktan daha çok enerjiye sahiptir.
Planck'a göre, bir fotonun enerjisi ile frekansı arasındaki ilişki şöyledir. E = h. γ E = Fotonun enerjisi (J) γ = lşığın frekansı (1/s) h = Planck sabiti (6,63.10-34 J.s = 6,63.10-34 kg m 2 /sn Bir ışık dalgasının, dalga boyu ile frekansı arasındaki ilişki c = λ. γ olduğundan; E = c.h λ yazılabilir.
ÖRNEK 13: Dalga boyu 1.10 6 nm olan bir fotonun enerjisi kaç jouledür? (c = 3.10 8 m/s, h = 6,63.10-34 J.s)
ÇÖZÜM 13:
ATOM SPEKTRUMLARI lşığın herhangi bir ortamdaki hızı, vakumdaki (boşluktaki) hızından daha düşüktür. Bunun sonucunda lşık bir ortamdan diğer bir ortama geçtiğinde kırılır. lşının ne kadar kırıldığı bu ışının dalga boyuna bağlıdır. Kısa dalga boylu bir ışık, uzun dalga boylu olandan daha çok kırılır. Beyaz ışık, görünür bölgedeki bütün dalga boylarını içeren dalgalardan oluştuğu için bir beyaz ışık ışını prizmadan geçirilirse geniş bir bölgeye yayılan bir sürekli spektrum (kesiksiz) elde edilir. Bu spektrum çeşitli renklerden oluşmuş bir gökkuşağı görünümünde olup renkler arasında boşluklar yoktur.
Örneğin; mor mavinin, mavi yeşilin içine girmiştir. Bir kimyasal maddenin buharları; bir eleküik arkı veya bek alevi ile ısıtıldığında ışık yayınlar. Bu ışığın ince bir demeti bir prizmadan geçirildiğinde bir çizgi (kesikli) spektrumu elde edilir. Bu spektrum sadece birkaç tane renkli çizgi içerir ve her çizgi dalga boyları farklı olan ışınlara karşılık gelir. Her elementin kendine özgü bir çizgi spektrumu vardır ve bu element için ayırt edici özelliktir. * Her element atomunun kendine özgü bir ışıma (emisyon) spektrumu olduğu gibi bir de soğurma (absorbsiyon) spektrumu vardır. Çünkü elementler hangi da ga boyunda ışıma yapıyorsa o dalga boyundaki ışımaları soğurabilir.
Hidrojenin lşıma (Emisyon) Spektrumu Hidrojen gazının yüksek sıcaklığa kadar ısıtılmasıyla oluşturulan ışık, prizmadan geçirilip bir ekran üzerine düşürülürse ekran üzerinde değişik renkte çizgiler görülür.
Hidrojenin, görünür bölgedeki spektrumu dört çizgiden oluşur. En parlak çizgi (656,3 nm) kırmızıdır. 486 nm'de yeşilimsi- mavi, 434 nm'de menekşe ve 410 nm'de mor renk görülür. J. Balmer ve J. Rydberg hidrojenin görünür bölge yayınma spektrumundaki en uzun dalga boylu üç çizginin (kırmızı, yeşil- mavi, menekşe) dalga boylarını hesaplamaya yarayan bir eşitlik geliştirdiler. Bu eşitlik Rydberg eşitliği olarak bilinir. Rydberg eşitliği 1 λ = R. 1 2 1 2 n 2 R = Rydberg sabiti = 1,0974.10 7 m -1 n= Spektrumdaki çizgilere karşılık gelen bir tam sayıdır ve n > 2 dir.
Bu eşitlikte n = 3 alındığında kırmızı çizginin, n = 4 alındığında mavi-yeşil çizginin, n=5 alındığında menekşe çizginin dalga boyu elde edilir. Görünür bölgenin bu grubu çizgileri Balmer serisi olarak adlandırılır. Hidrojenin Soğurma (Absorpsiyon) Spektrumu Beyaz ışık hidrojen gazı içinden geçirilip prizmaya gönderilirse oluşan keşiksiz pektrumda hidrojen gazının ışıma spektrumundaki renk çizgilerine karşı gelen dalga boylarında siyah çizgi görünür. Bundan da hidrojen gazının o dalga boyundaki ışığı soğurduğu anlaşılır. * Güneş ışığının kesiksiz spektrumunda, soğurma dalga boyları siyah çizgiler şeklinde görülür. Bunlara Fraunhofer çizgileri denir. Bu çizgilere güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışığın bazı dalga boylarını soğurmaları nedeniyle oluşur.
Niels Bohr; Planck'ın Kuantum kuramını ve hidrojenin emisyon spektrumunu göz önüne alarak kendi adıyla anılan atom kuramını ortaya atmıştır. Bohr atom modeiinin varsayımları; 1. Bir atomda bulunan her elektron çekirdekten ancak belirli uzaklıklarda küresel yörüngelerde bulunabilir. Bu yörüngelere enerji düzeyi ya da kabukları denir. Yörüngelerin ortak merkezi çekirdek olup yörüngeler K, L, M, N, O... gibi harflerle ya da 1, 2, 3,... n gibi sayılarla (baş kuant sayısı) gösterilir. Her yörüngenin belli bir enerjisi vardır. Çekirdekten uzaklaştıkça yörüngelerin enerjisi de artar. Elektronlar yörüngede kaldıkları sürece enerjileri değişmez. 2. Yörüngelerde hareket eden elektronların açısal momentumlarının alabileceği değerleri nh dir. ( n bir tam sayıdır. ) 2π 1.Yörünge için n=1 2.Yörünge için n=2.olarak belirlenir. Bu tam sayılara kuantum sayıları denir.
3. Atomlar temel halde iken elektronlar en az enerjili (çekirdeğe en yakın) enerji üzeylerinde bulunur. Elektronlar temel haldeki enerji düzeylerinde bulundukları sürece enerji yaymazlar. Madde ısıtıldığında atomlardaki elektronlar daha yüksek enerji düzeyine geçer. Bu durumdaki atomlar uyarılmış haldedir. 4. Bir elektron yüksek enerji düzeyinden daha düşük bir enerji düzeyine geçtiğinde belli bir miktarda enerji yayınlar. Yüksek enerji düzeyi ile düşük enerji düzeyi arasındaki enerji farkı ışık kuantumu şeklinde yayınlanır. Bu ışık kuantumunun kendine özgü bir frekansı ve dalga boyu olup karakteristik bir spektrum çizgisi vardır. Elektronlar tarafından yayınlanan ya da soğurulan ışığın enerjisi ile frekansı arasında aşağıdaki bağıntı vardır. ΔE = E dış E iç = h. γ
Hidrojen atomunda yer alan bazı elektron geçişleri ile görünür bölgedeki spektral çizgiler için bazı tanımlamaiar yapılmıştır. Elektron yüksek enerjili bir katmandan n = 1 katmanına inerse, mor ötesi (UV) ışık şeklinde enerji yayınlanır. Lyman serisi adı verilen spektral seri oluşur. n = 2 katmanına olan elektron geçişleri görünür bölgede gerçekleşir ve Balmer serisi adı verilir. Lyman serisindeki çizgilerin dalga boyları Balmer serisindekilerden daha kısadır. Lyman serisinde daha çok enerji açığa çıkar. Yüksek enerjili bir katmandan n = 3 katmanına elektron geçişleri kırmızı ötesi (lr) bölgede spektrum çizgileri oluşturarak Paschen serisi adını alır. Balmer serisindeki çizgilere göre daha uzun dalga boylarında oluşur. Yüksek enerjili katmanlardan n = 4 katmanına olan elektron geçişlerine Brackett serisi, n = 5 katmanına olan elektron geçişlerine ise Pfund serisi adı verilir.
Tek Elektronlu Sistemlerde Elektronun Toplam Enerjisi ve Hidrojenin İyonlaşma Enerjisi Bohr; H, He +, Li +2 gibitek elektronlu sistemlerde değişik yörüngelerdeki elektronların enerjisini belirleyen bir eşitlik türetmiştir.
E n = n enerjidüzeyindeki elektronun enerjisi Z = Atom numarası n = Enerji seviyesi R H = Rydberg sabiti = 2,18.10-18 Joule O halde herhangi bir enerji düzeyinin enerjisi:
ÖRNEK 14: Bir elektronun hidrojen atomunun 3. enerji düzeyinde buiunması için sahip olması gereken enerji kaç jouledur? ( 1 H) A) 1,21.10-19 B) 2,42.10-19 C) 1,21.10-18 D) 2,42.10-18 E) 7,26.10-18
ÇÖZÜM 14:
* Temel halde hidrojen atomundaki e ekiron çekirdeğe en yakın yörüngede (n = 1) bulunur. Elektron bir enerji kuantumu kazandığında (Absorpsiyon) daha yüksek enerji düzeyine geçer ve hidrojen atomu uyarılmış hale gelir. Uyarılrnış atom aldığı enerjiyi geri verirse elektron tekrar çekirdeğe yakın yörüngesine döner. Bu sırada iki enerji düzeyi arasındaki fark kadar enerji yayınlanır. (emisyon)
ÖRNEK 15: Hidrojen spektrumunda n = 3 ten n = 1'e olan elektron geçişini temsll eden çizginin dalga boyunu ve frekansını belirleyiniz. (h = 6,63.10-34 kgm 2 /s, c = 3.10 8 m/s)
ÇÖZÜM 15: Önce yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçen elektronun yayınladığı ışının enerjisi bulunur.
Bohr Kuramı, katyonların oluşumunu anlamada da önemli bir katkı sağlar. Temel haldeki (n = 1) bir elektronu atomdan uzaklaştırmaya yetecek enerjiye sahip bir foton, hidrojen atomu ile etkileştiğinde, elektron n = seviyesine çıkarak serbest hale geçer. Bu durumda H atomu iyonlaşır (H + ) ve serbest hale geçen elektronun enerjisi sıfır olur. olduğuna göre; hidrojen atomunun iyonlaşma enerjisi;
Bohr Kuramı H atomunun ve He +, Li +2 gibi tek elektronlu sistemleri açıkladığı halde, birden fazla elektron içeren atomların spektrumunu açıklamada yetersiz kalmıştır.
ÖRNEK 16: Li 2+ iyonunda 1. enerji düzeyinde bulunan elektronun iyonlaşması için soğurması gereken fotonum minumum eneriisi kaç joule olmalıdır? ( 3 Li) A) 1,96.10-18 B) 2,18.10-18 C) 4,36.10-18 D) 1,962,10-17 E) 2,18,10-17
ÇÖZÜM 16:
ÖRNEK 17: Frekansı 6.10 16 s- 1 olan blr fotonun etkisi ile temel haldeki Be 3+ iyonundan iyonlaşarak ayrılan elektronun kinetik enerjisi kaç joule dir? ( 4 Be, h = 6, 626.10-34 J.s.)
ÇÖZÜM 17:
Elektronun Dalga - Tanecik İkiliği Louis de Broglie; ışık ve maddenin doğasını dikkate alarak elektron, proton vb atom altı taneciklerin de dalga özelliğine sahip olduğunu ileri sürmüştür. De Broglie; bir fotonun enerjsini hesaplamak için Planck bağıntısını (hγ) ve Einstein enerji eşitliğini 1mc 2 eşitliğini kullanmıştır.
lşının frekansına bağlı olarak bir fotonun enerjisi; (Planck eşitliği)
Fotonun kütlesine bağlı olarak bir fotonun enerjisi; (Einstein eşitliği)
Fotonun dalga boyunun hesaplanması için kullanılan yukarıdaki eşitlik maddesel bir taneciğin (örneğin elektron, proton) dalga boyunun hesaplanması için de kullanılabilir. Eşitlik, taneciğin kütlesi m, hızı v alındığında; Bu eşitlik De Broglie eşitliği olarak anılır.
Bütün maddeler dalga davranışını gösterir. Büyük cisimlerin sahip olduğu dalgaboyu çok kısa olduğundan farkedilemez. Dalga - tanecik ikiliği atom veya atom altı (proton, nötron, elektron v.b.) tanecikler için önemlidir. Elektronun Dalga OzeIliğinin Kanıtlanması Davisson ve Germer düşük enerjili bir elektron demetinin nikel bir kristal tarafından aynı X ışınları gibi kırınıma uğradığını göstermiş ve elektronların dalga boylarını ölçmüşler, G. P. Thomson da bir elektron demetini ince bir metal levhadan geçirerek kırınım ve girişim desenlerini gözlemlemiştir. Bu olayda girişimin niteliğine bağlı olarak karanlık ve aydınlık bölgeler oluşur. Buradan da elektronun dalga özelliği kanıtlanmış olur.
ÖRNEK 18:
ÇÖZÜM 18:
ÖRNEK 19:
ÇÖZÜM 19:
Heisenberg Belirsizlik İlkesi Heisenberg'e göre; bir cismin gözlenebilmesi için cismin ya ışık kaynağı olması ya da üzerine gönderilen ışığı yansıtması gerekir. (a) Elektron gibi çok küçük bir cismi görebilmek için kısa dalga boylu (yüksek enerjili) ışın kullanılmalıdır. (b) Foton elektrona çarptığında, enerji kazanan elektron hızını ve yerini değiştirir. (c) Elektrondan yansıyarak gözümüze ulaşan fotonlar elektronun gerçek yerini veya hızını yansıtamaz, Bu nedenle elektronların hareket ettiği kesin bir yörüngeden söz edilemez.
Heisenberg belirsizlik ilkesine göre; bir eiektronun aynı zamanda hem yeri hemde hızı belirlenemez! Bu durumu Heisenberg şöyle açıklamıştır: "Ölçüm yapmak için kullanılan araçlar, ölçülen şeyin özelliklerini değiştirebilir. " Bu durum da bir belirsizliğe neden olur. Heisenberg'in belirsizlik ilkesine ilişkin bağıntı;
Bohr Atom Modelinin Yetersizliği 1. Bohr atom modeli, hidrojen gibi tek elektronlu türlerin (H, He +1, Li +2... davranışlarının açıklanmasında başarılı olmakla birlikte, çok elektronlu atomların davranışlarını açıklamada yetersiz kalmıştır. 2. Hidrojenin emisyon spektrumu manyetik alanda incelendiğinde, tek bir çizgi gibi görünen bir renge ait çizginin, dalga boyu birbirine yakın birkaç çizgiden oluştuğu gözlenir. Bohr modeli bu çizgilerin oluşumunu da açıklayamaz. 3. Fizikte, dairesel bir yörüngede hızla dönen elektrik yüklü bir taneciğin enerji yaydığı ve giderek enerjisinin azaldığı bilinen bir gerçektir. O halde; çekirdek etrafında dönen elektronların enerji kaybederek çekirdeğe yaklaşmaları ve sonunda çekirdeğe çarparak atomun yok olması gerekir. Ancak böyle bir olay gözlenmez. 4. Çok nadir olarak gerçek eşen atom çekirdeğinin 1. enerji düzeyindeki elektronunu yakalayarak başka çekirdeğe dönüşmesini açıklayamaz.
* Heisenberg'in Belirsizlik ilkesine göre, bir elektronun hızı ve yeri aynı anda belirlenemez. Bohr teorisi elektronun ikili karakterini (dalga-tanecik) hesaba katmamışiır. Atomda belirli yörüngelerden değil, elektronların bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgelerden (elektron bulutlarından - orbitallerinden) söz edilebilir. * Dalga - tanecik ikiliğinin sonucunun belirsizlik ilkesi olduğu kavrandığında, Bohr modelindeki temel hatanın, atom üç boyutlu olduğu halde, bir elektronun tek boyutlu bir yörüngede bulunduğunun kabul edilmesi olduğu anlaşılır.
ATOMUN KUANTUM MODELİ
Orbital Kavramı Kuantum Sayıları Pauli prensibine göre; aynı atomda bulunan iki elektron hiç bir zaman birbirinin aynı olan dört kuantum sayısına sahip olamaz. Bu kuantum sayılarından en az birifarklı olmalıdır.
1. Baş Kuantum Sayısı (n) Baş kuantum sayısı, elektron bulutunun çekirdeğe olan uzaklığı ile ilgilidir. Bunlar, atomun enerji seviyelerini ifade eder. Bu enerji seviyelerine elektron kabukları veya katman da denir. Baş kuantum sayısı, "n" ile sembolize edilir, 1,2,3,4... gibi sıfırdan büyük pozitif tam sayılarla gösterildiği gibi, katmanlarını (kabuklarını) ifade etmek üzere K, L, M, N, O gibi harflerle de gösterilir. * Baş kuantum sayısı (n) :1, 2, 3, 4, 5 Katmanları gösteren harfler: K, L, M, N, O... * Baş kuantum sayısı, Bohr atom modelindeki temel enerji düzeylerinin karşılığı olup, n nin değeri ne kadar büyükse elektron bulutu çekirdekten o kadar uzaktadır. Elektronun potansiyel enerjisi de o kadar büyüktür.
2. Açısal Momentum Kuantum (ikincil) Sayısı Heisenberg belirsizlik prensibinde, elektronların çekirdek etrafında belli dairesel yörüngelerde dolaşan tanecikler halinde olmadığı, elektron bulutları halinde düşünülmesi gerektiği ifade edilmişti. Atomlardaki bu elektron bulutları bir elektrik alanı oluştururlar. Bu elektrik alanının, bir dış elektrik alanı ile etkileşimi sonucunda enerji seviyelerinde ayrılmalar olur. Böylece her enerji düzeyinin içerdiği alt tabakalar oluşur. Elektron bulutlarının şekillerini ve şekil farkı nedeni ile enerji seviyelerinde ne şekilde ayrılmaların olabileceğini belirtmek üzere açısal momentum kuantum sayısı kullanılır. Buna orbital(yan) kuantum sayısı da denir. "t' ile gösterilir. Baş kuantum sayısına bağlı olarak sıfırdan (n - 1)'e kadar pozitif tam sayılarla ifade edildiği gibi s, p, d, f, g... gibi harflerle (orbital sembolleriyle) de belirtilebilir. Aynı katmanda bulunan ikincil katmanların enerji seviyeleri s < p < d < f şeklinde sıralanır.
Şimdi de s, p, d ve f ikincil (alt) katmanlarına ait orbitalleri inceleyelim. değerine sahip tüm orbitaller s orbitalleridir. Eğer s orbitali birinci katmanda (n = 1) ise 1s orbitali, ikinci katmanda (n = 2) ise 2s orbitali, üçüncü katmanda (n = 3) ise 3s orbitalidir. s türü orbitallerde elektronların dağılımı küresel simetriktir. Elektronun çekirdekten belirli bir uzaklıkta bulunma olasılığı bütün yönler için aynıdır. Yani s orbitali uzayda herhangi bir yönelme gösteremez. Geometrik şekil merkezde çekirdeğin bulunduğu, yoğunluğu merkezden dışa doğru azalan bir küre biçimindedir.
1s, 2s ve 3s orbitallarinin şekilleri Bu orbitallerde elektronların bulunma olasılığı çekirdek etrafında herhangi bir uzaklıkta her yönde aynı, yani küresel simetriktir. Orbital büyijklüğü baş kuantum sayısının karesiyle doğru orantılıdır.
p Orbitali değerine sahip bütün orbitaller p - orbitalidir. p orbitallerinde yük yoğunluğu simetrik değildir. Damla şeklinde iki kısımdan oluşmuştur (Halter simetrisi). Bu damlalar elektronun bulunma olasılığının sıfır olduğu bir düzlemle ayrılmış olup düzlemin her iki tarafında bulunur. p orbitallerinde elektron dağılımı x, y ve z eksenlerine göre simetriktir. p x, p y ve p z, şeklinde gösterilirler. Buna göre her enerji seviyesinde (n = 1 hariç) 3 tane p orbitali bulunur. Bu 3 orbital enerji olarak birbirine özdeştir. p orbitallerinin boyutları baş kuantum sayısı ile doğru orantılıdır. En fazla 6 elektron alabilirler.
p orbitallerinin şekilleri Bu orbitallerde elektronların bulunma olasılığı çekirdek etrafında belirli yönlerde daha yoğundur. x ekseni boyunca elektron yoğunluğu içeren orbitale p x, y ekseni boyunca elektron yoğunluğu içeren orbitale p y, z ekseni boyunca elektron yoğunluğu içeren orbitale p z, orbitali denir.