atom modellerinin tarihsel gelişimi

ATOMUN YAPISI
ATOM VE ELEKTRİK
1.ELEKTRİKLENME DENEYİMLERİNDEN ATOMA:
Antik dönemde insanlar KEHRİBAR(sarı amber) taşını kürk türünden bir hayvan postu ya da yünlü kumaşa
sürtmüşler, daha sonra da bu taşı saman, saç teli, kağıt parçası, kuş tüyü gibi hafif maddelere yaklaştırdıklarında
bu maddeleri çektiğini fark etmişlerdir.
Sir William Gilbert (1544-1603) cam, reçine ve kükürt gibi maddelerin de kehribarla aynı özelliği taşıdığını
ispatlamıştır. Gilbert bu türden çekme kuvvetine sahip olan maddeleri nitelemek için kehribar( eski Yunancada
elektron) sözcüğünden elektrik sözcüğü türetmiştir.
Sürtünme ile elektriklenmede iki tür yükün ( + ve – yükler) olduğunu keşfeden ilk kişi Benjamin Franklin
(1706-1790) dir.
2.FARADAY’IN ELEKTROLİZ DENEYLERİ VE ATOM ALTI PARÇACIKLAR:
İtalyan fizikçi Alessandra Volta 1800 yılında belirli sayıdaki gümüş ve çinko levhayı üst üste yerleştirerek
aralarına tuz çözeltisine batırılmış bez parçalarını koymuş ve kendi adıyla anılan ilk kimyasal pili (Volta Pili)
bulmuştur. Üst üste koyduğu bu gümüş ve çinko levhalara bağladığı telleri birbirine değdirerek kıvılcım çıktığını
görmüş ve ilk kez sürtünme dışında bir olay ile de elektriğin oluştuğu anlaşılmıştır. Böylece kimyasal enerji elektrik
enerjisine dönüşmüştür. Volta pili ile nitel olarak anlaşılan kimyasal değişim-elektrik enerjisi ilişkisi Faraday
deneyleri ile nicel olarak pekişmiştir.
Michael Faraday (1791-1867) , bir elementin (örneğin Hg) çeşitli bileşiklerinin [ Hg(ClO 4)2 , Hg(NO3)2 ,
Hg2(ClO4)2 ] çözeltilerini ayrı kaplara koyarak içlerinden belirli miktarda elektrik akımı geçirerek, Hg elementin her
bir çözeltide serbest halde elektrotta toplandığını görmüştür (ELEKTROLİZ).
Bu çözeltilerden geçen aynı miktardaki elektrik akımı sonucu ayrılan Hg miktarlarının Hg(ClO4)2 ve
Hg(NO3)2 çözeltileri için aynı olduğunu, Hg2(ClO4)2 çözeltisinden ayrılan cıvanın ise bu miktarların iki katı olduğunu
gözlemlemiştir.
3.ELEKTRONUN KEŞFİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ:
1874 yılında Faraday’ın çalışmalarına dayanarak, George Johnstone Stoney atomlarda elektrik yükü
birimlerin bulunduğunu öne sürerek 1891’de de bu yüklü birimlere ELEKTRON adı verilmesini önermiştir.
Elektronların varlığına dair ilk kanıt
1870’lerde İngiliz fizikçisi William Crooks tarafından
bulunmuştur. Crooks geliştirdiği vakumlu tüp
içerisinde gazların elektrikle etkileşim sonucu ortaya
çıkan davranışlarını inceledi. Crooks tüpleri olarak da
bilinen bu tüpler televizyon tüplerinin de öncüsü
olmuştur. Crooks tüpünde elektrotlar arasına yüksek
gerilim uygulandığında tüpün ortasındaki gölgenin
görülmesinin sebebinin tüp içerisinde bazı ışınların
oluşmasıdır. Bu ışınlar daha sonra KATOT IŞINI
olarak adlandırılmıştır. Crooks tüpü günümüzde
KATOT IŞIN TÜPÜ olarak adlandırılır.
19.yy’ın sonlarında katot ışınlarının hızla hareket eden eksi yüklü tanecikler olduğu kesinleşmiştir. Bu
taneciklere Stoney’in önerdiği gibi ELEKTRON adı verilmiştir.
4.ELEKTRONUN KÜTLESİ VE YÜKÜNÜN BULUNMASI:
Elektronun yük ve kütle gibi özellikleri, elektriksel ve manyetik kuvvetler yardımıyla ölçülür.
1858’de Julius Plücker katot tüpünün yakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarını gözlemleyip bu
ışınların manyetik alandaki davranışlarını ilk kez inceleyen bilim insanıdır.
Joseph John Thomson 1897’de katot ışınlarının elektrik ve manyetik alanlarda sapmasını gözlemleyerek
bu alanların ışınları saptırma miktarını ölçmüştür. Bu gözlemlerin sonucunda katot ışınlarının yükünün (e) kütlesine
11
(m) oranını ( e/m ) ölçtü.Thomson katot ışınları parçacıkları (elektronlar) için e/m oranını - 1,7588.10 C/kg
bulmuştur.
Katot ışınlarının özellikleri:
*Negatif yüklüdür.
*Tüp içinde elektriksel ve manyetik alan yokluğunda yolu çizgiseldir.
*Elektrotlar arasına konan metal levhayı ısıtır.
*Özellikleri elektrot olarak kullanılan maddenin ve tüp içindeki gazın cinsine bağlı değildir.
*Elektriksel ve manyetik alanda sapmaya uğrar.
*Katot ışınları hızlı akan elektronlardır.
Elektron Yükünün Bulunması:
1906-1914 yılları arasında Robert Andrews Millikan , Thomson tarafından bulunan e/m değerinden
faydalanarak yaptığı deneylerle elektronun yükü ve kütlesini bulmuştur. (Millikan Yağ Damlası Deneyi)
Gönderilen X-ışınları havadaki gaz
taneciklerine çarparak oluşturduğu elektronlar yağ
damlacıkları tarafından tutulur ve onların eksi yükle
yüklenmesine neden olur. Yağ zerreciğinin kütlesi ve
yağ zerreciğini dengede tutmak için levhalara
uygulanan gerilim bilinirse, her damla üzerindeki yük
miktarı hesaplanabilir.
-19
Deney her tekrarlanışında yükün – 1,6022.10 coulombun katları olduğu belirlenmiştir.
-19
Elektronun yükü, e= - 1,6.10 coulomb’dur. Bulunan değer e/m değerinde yerine yazılırsa elektronun
-31
kütlesi hesaplanabilir. Elektronun kütlesi, me = 9,1.10
kg dır.
5.ATOMDA ELEKTRONUN YÜKÜ İLE POZİTİF YÜKLER ARASINDAKİ İLİŞKİ:
Atomlar yüksüzdür(nötral). Atomun
yapısındaki eksi yüklü elektronlar bulunduğuna göre
bu elektronların yükünü dengeleyecek kadar artı
yüklü bir kısmında bulunması gerekir. Kanal ışınları
deneyi bu düşünceyi doğrulamıştır. Şekilde
görüldüğü gibi, vakum tüpü ve bu tüpün ortasında
gözenekli(delikli) bir katot vardır. Vakum tüpünün
elektrotları arasına yüksek gerilim uygulanırsa;
katottan çıkan ve tüpün ikinci yarısında, katot
ışınlarına ters yönde yayılan, artı yüklü ışınlara
rastlanır. Bu ışınlara POZİTİF IŞINLAR veya KANAL
IŞINLARI denir. Kanal ışınları protonlardan ibarettir.
Bu deneylerle, bütün atomların yapısında elektronlar
yanında protonların da bulunduğu anlaşılmıştır. İlk
olarak Eugen Goldstein tarafından 1886’da
araştırılmıştır.
Elektronlar gibi, protonun da e/m oranı, daha
sonra da ayrı ayrı yükü ve kütlesi hesaplanmıştır.
-19
Protonun yükü= +1,6022.10
C, Protonun
-27
kütlesi = 1,6725.10 kg olarak hesaplanmıştır.
6.ATOMUN PROTON SAYILARININ DENEYSEL OLARAK BELİRLENMESİ:
X-ışınları, görünür ışıktan daha yüksek
enerjiye sahip elektromanyetik ışınlardır. 1913-1914
yıllarında İngiliz fizikçi Henry Gwyn Jeffreys
Moseley , X-ışınlarını kullanarak değişik elementlerin
farklı X-ışınları spektrumunu elde etmiştir. Moseley,
1912’de anotta çeşitli elementleri kullanarak her
elementin farklı karakteristik X-ışınları spektrumu
verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça
yayınlanan ışının frekanslarının buna paralel olarak
arttığını gözlemlemiştir. Moseley, X-ışınları
frekanslarının atomun çekirdeğindeki yükün
karakteristiği olduğunu anlamıştır. Atom numaraları
13 ile 79 arasındaolan 38 elementin X-ışınları
spektrumunu incelemiştir.
Kütle Spektrometresi:
Atom ve moleküllerin kütlelerinin belirlenmesi Kütle Spektrometresi ile yapılır. Kütle Spektrometresi gaz
halinde örneğin, yüksek enerjili elektronlarla bombardımanı ilkesi ile çalışır.
ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ
1.RUTHERFORD ATOM MODELİ:
Ernest Rutherford , alfa taneciklerinin (pozitif yüklü taneciklerin) ince altın levhada saçılmalarını
gözlemlemiştir. Yaptığı deneyde dar bir aralıktan, paralel ve pozitif yüklü tanecikler demetini çok ince altın bir
levhaya göndererek sapmaya uğrayan taneciklerin açısal dağılımını, çinko sülfür sürülmüş levha üzerinde beliren
parıldamalar sayesinde belirlemiştir.
Rutherford yaptığı deney sonucunda 1911’de yeni bir atom modeli geliştirmiştir.
*Alfa ışınlarının çoğu ince levhadan geçtiğine göre atomda büyük boşluklar vardır.
*Atom kütlesinin tamamına yakını ve pozitif yüklerin tamamı çekirdekte toplanmıştır. Çekirdeğin hacmi çok
küçüktür.
*Çekirdekteki (+) yükün miktarı elementten elemente değişir. Çekirdek kütlesinin yarısını protonlar oluşturur.
*Çekirdeğin dışında, pozitif yüke eşit sayıda elektron bulunur.
Rutherford, kütlesi yaklaşık protonun kütlesine eşit ve yüksüz bir taneciğin varlığını önermiştir. Ancak bu
yüksüz taneciğin özelliklerini 1932’de James Chadwick ortaya koymuş ve nötron adını vermiştir.
Çekirdekli atom modelini ilk öneren kişi Rutherdford’dur.
2.ELEKTROMANYETİK IŞINLARIN DALGA MODELİYLE AÇIKLANMASI:
Dalga, titreşen ve enerji transfer eden bir bozulmadır. Bir dalganın hızı, dalganın türüne ve yol aldığı
ortama (hava, su veya vakum gibi) bağlıdır. Elektromanyetik ışın uzayda dalga hareketi ile ilerler.
Elektromanyetik ışıma; renk, elektrik ve manyetik alanların dalgalar biçiminde bir ortam veya vakumda
yayıldığı bir enerji şeklidir.
Dalga boyu (λ:lamda) :Art arda gelen iki dalga
üzerinde benzer noktalar arasındaki uzaklıktır. (İki
max veya iki min nokta arasındaki uzaklık)
Dalga sayısı : 1/ dalga boyuna dalga sayısı denir. √
ile gösterilir. √ = 1/ λ
Genlik(A) :Bir dalgada max yüksekliğe veya min
derinliğe denir. Dalganın yani ışımanın şiddeti,
2
genliğin karesi (A ) ile doğru orantılıdır.
Frekans(√: nü ) :Belli bir noktadan 1 saniyede geçen
dalga sayısıdır. Birimi Hz (Hertz)’dir. 1 Hz = 1/ saniye
Hız (c) :Belli bir ışıma için dalga boyu ile frekansın
çarpımı elektromanyetik dalgalar için ışık hızına
eşittir. Boşlukta bütün dalgalar aynı hızla hareket
8
eder. Bu hız ışık hızına eşit olup 3.10 m/s dir.
(c=√.λ)
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. Görünür ışık dalga boyları
yaklaşık 380 nm – 760 nm arasındaki ışınları içerir. Frekansı kırmızı renginkinden düşük ışınlara Kızıl ötesi (IR)
Infrared; frekansı morunkinden yüksek olanlara ise Mor ötesi (UV) Ultraviyole Işınlar denir.
Bütün bu frekansları kapsayan elektromanyetik ışın dizisine ELEKTROMANYETİK DALGA SPEKTRUMU
denir. Spektrum, elektromanyetik ışının frekansı veya dalga boyuna göre gruplandırılır.
Elektromanyetik ışımanın maddeyle (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına
Spektroskopi, bu etkileşmenin incelendiği aletlere Spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere de
Spektrometre denir.
Bir ışığın cam prizmadan geçirilerek kendisini oluşturan farklı dalga boylarında ışınlara ayrışmasına
Spektrum ya da tayf denir.
8
ÖRNEK : Bir yeşil ışığın dalga boyu 500 nm’dir. Bu radyasyonun frekansını hesaplayınız. (c=3.10 m/s)
-9
1 nm
10 m
500 nm
x
-9
-7
x= 500.10 =5.10 m
8
-7
λ = c / √ = 3.10 / 5.10 = 6.10
14
Hz
3.IŞIĞIN İKİLİ DOĞASI:
Işığın tanecikler halinde yayıldığını ilk olarak
ortaya atan Newton’dur. Işığın tanecikler halinde
yayılması yansıma ve kırılma gibi bazı bilinen
olayların açıklanmasını sağlıyordu. Newton hayatta
iken 1678’de Hollandalı fizikçi Christian Huygens ,
ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler
meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin, saydam
ortamlarda dalgalar halinde yayıldığını ileri
sürmüştür. Bu kanıya dar bir aralıktan ışık ışınları
geçirerek bu ışınların önündeki ekranda karanlık ve
aydınlık alanlar oluşturmasını gözlemleyerek
varmıştır.
Huygens’in ışığın dalga hareketi şeklinde
olduğu prensibini açıklayabilmek için İngiliz fizikçi
Thomas Young çift aralıklı ışık girişim deneyini
yapmıştır.
Yarıklarda geçen iki ışının perde üzerinde aynı titreşim yaptıklarında birbirini kuvvetlendireceğini (aydınlık
bölge), zıt titreşim yaptıklarında birbirini söndüreceğini (karanlık bölge) söyleyerek Young’ın bu deneyi ışının dalga
teorisini desteklemektedir. Yani ışın uygun koşullarda dalgalar gibi girişime uğramaktadır.
Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği:
Elektromanyetik ışımanın hem dalga hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır. Işık, elektromanyetik
ışımanın gözle görülen bölümüdür.
Elektromanyetik ışımanın dalga kuramı, gözlenen pek çok özellikleri açıklar. CD üzerinde görülen
gökkuşağı renkleri, elektromanyetik ışımanın “dalga” girişimine örnek teşkil ederken “siyah cisim ışıması” ve
“fotoelektrik olay” gibi olaylar ise ışımanın parçacıklardan oluşması ile açıklanabilir.
Işıma enerjisinin parçacık özelliği için Max Planck tarafından kuantum kuramı önerilmiş, enerjinin ancak
belli bir büyüklük halinde alınıp verilebileceğini belirtmiştir. Belli bir büyüklük halinde alınıp verilebilen bu enerjiye
“KUANTUM”, ışıma enerjisine ise “KUANTLANMIŞ ENERJİ” denir.
Albert Einstein, 1905’te ışımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği kabul edilen bu kuantumları
“FOTON” lar olarak isimlendirilmiştir. Işıma enerjisi hem ışıma dalgaları hem de foton akımlarıdır. Işıma enerjisi
sürekli değil, kesikli bir biçimde, kuantumlar halinde alınıp verilebilir.
Siyah Cisim Işıması:
Üzerine gelen bütün ışınları soğuran cisimlere “SİYAH CİSİM” denir. Siyah cisim bir metalden veya kilden
yapılmış, her yanı kapalı ve içi karbonla sıvanmış borunun üzerine bir delik açmakla hazırlanabilir. Siyah cisim
ısıtılıp delikten çıkan ışımalar gözlendiğinde her çeşit dalga boyunda ışığın olduğu görülür.
Düşük sıcaklıkta az enerjili (uzun dalga boylu) ışımalar olurken sıcaklık yükseldikçe ışıma yüksek enerjili
(kısa dalga boylu) olur. Siyah cisim ısıtılıp görünür ışık yaydığında önce kırmızı renk görülür. Sıcaklık arttırılınca
turuncu ve sarı ışıma mora kadar devam eder.
Planck Kuantum Kuramı:
1900 yılında Max Planck , siyah cismin ışımasıyla yayılan ışının, sürekli bir elektromanyetik dalga
olmadığını göstermek için, kesikli enerji paketlerinden (foton) oluştuğunu ileri sürmüştür. Buna göre enerji de
madde gibi sürekli değildir. Elektromanyetik radyasyon şeklinde yayılan enerjinin en küçük birimine “KUANTUM”
demiştir. Kuantum modeli “ENERJİNİN KUANTLAŞMASI” temeline dayanır.
Klasik fizik ile Planck’ın kuantum modeli
arasındaki temel fark şudur: klasik fizik bir sistemin
sahip olabileceği enerjiye bir sınırlama getirmezken
kuantum modelli bu enerjiyi belli değerlerdeki özel
paketler halinde sınırlamıştır.
Max Planck, herhangi bir √ frekansında
salınan enerji miktarının belirli bir E değerinden küçük
olmayacağını kabul etmiştir. Siyah cisimden
salınacak en küçük enerji değerinin titreşim
frekansına oranının sabit olduğunu göstermiştir.
Kendi adıyla anılan bu sabit “h” ile gösterilmiştir. Her
kuantum enerjisi, ışımanın frekansı ile doğru
orantılıdır. Planck bir kuantumun taşıdığı enerji için;
E=h. √ bağıntısını kullanmıştır.
-34
Planck sabiti (h) değeri 6,626196.10 J.s dir.
Fotoelektrik Olay:
1905’te Albert Einstein, kuantum kuramını
kullanarak fotoelektrik olayını çözmüştür. Fotoelektrik
Olay, bir metal yüzeyine ışık tutulduğu zaman
elektronların kopması olayıdır. Einstein, Planck’ın
ortaya attığı kesikli ve belli büyüklükteki enerji
kuantumlarının (fotonların) metal elektronları ile
etkileşmesinin fotoelektrik olaya yol açtığını
söylemiştir. Bir foton bir metal atomuna çarptığı
zaman tüm enerjisini elektronlara verir. Bir elektron
koparmak için minimum enerjiye sahip olması
gerekir. ( Eo = h. √o )
Belli frekansta bir ışımanın şiddetinin artırılması fotonların sayısını artıracak ama enerjilerini
değiştirmeyecektir. Işımanın enerjisi artarsa elektronun hızı da buna bağlı olarak artmaktadır.
Işın kuantumlarının (fotonların) enerjisi ile dalga nicelikleri arasındaki ilişki:
c
E=h. √ = h.
λ
5
ÖRNEK: Dalga boyu 4.10 nm olan bir fotonun enerjisini Joule cinsinden hesaplayınız.
-34
(c=3.10 m/s) (h=6,63.10 J.s)
8
c
3.10
-9
-34
-22
1 nm
10 m
E=h. √ = h
= 6,63.10 .
= 4,97.10 J
5
-4
4.10 nm
x
λ
4.10
5
-9
-4
x= 4.10 .10 =4.10 m
8
4.ATOM SPEKTRUMLARI:
Atom spektrumlarının incelenmesi elementlerde elektron düzenini bulmak için kullanılan en iyi yöntemdir.
Beyaz ışık (güneş ışığı) önce dar bir demet yapıcı yarıktan ve daha sonra prizmadan geçirilirse görünür bölgede
mordan kırmızıya kadar değişen bütün renkleri içeren KESİKSİZ (SÜREKLİ) SPEKTRUM elde edilir.
Elementler, gaz veya buhar halinde gerekli yüksek sıcaklığa kadar ısıtılırsa bir ışıma yayımlar. Işımanın
prizmadan geçirilmesi bir KESİKLİ (ÇİZGİ) SPEKTRUM verir. Çizgi spektrumunda elementler (atomlar) görünür
bölgenin değişik kesimlerinde parlak çizgiler oluşturur. Oluşan bu çizgi spektrumlarının nedeni maddelerin enerji
(ısı, elektrik) aldıklarında kendine özgü dalga boylarında ışık yayımlamasıdır. Her elementin kendine özgü belirgin
yayınma (emisyon) çizgi spektrumu vardır.
Güneş ışığının kesiksiz spektrumunda soğurma (absorpsiyon) dalga boyları siyah çizgiler şeklinde görülür.
Bunlara “Fraunhofer Çizgileri” denir. Bu çizgiler, güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışığın bazı dalga boylarını
soğurmaları nedeniyle oluşur.
Hidrojenin yayınma (emisyon) spektrumu:
Emisyon spektrumu, madde örneğinin ısı ve ışık gibi enerji türleriyle etkileşmesinden sonra gözlenebilir.
Atomik hidrojenin görünür bölgedeki spektrumu 4 çizgiden oluşur. En parlak çizgi 656 nm dalga boyu ile kırmızıdır.
Bu değer hidrojenin yayınma spektrumunun görünür bölgedeki dalga boylarına karşılık gelir. Bu eşitlikle bulunan
spektrum çizgileri dalga boylarına “BALMER SERİSİ” denir.
Hidrojen atomu spektrumunda gözlenen seriler:
n=1
Lyman Serisi
Mor ötesi (UV)
n=2
Balmer Serisi
Görünür bölge
n=3
Paschen Serisi
Kırmızı ötesi (IR)
n=4
Brackett Serisi
Kırmızı ötesi (IR)
n=5
Pfund Serisi
Kırmızı ötesi (IR)
Hidrojenin soğurma (absorpsiyon) spektrumu:
Elementlerin emisyon (yayınma) spektrumları olduğu gibi bir de soğurma (absorpsiyon) spektrumları vardır.
Bunun nedeni hangi dalga boylarında ışıma yapıyorlarsa o dalga boylarındaki ışımayı soğurabilir. Her element
atomunun kendine özgü bir absorpsiyon ve emisyon spektrumları vardır. Ayırt edici bir özelliktir.
Hidrojenin görünürbölge çizgi spektrumu
Hidrojenin görünür bölge soğurma
(absorbsiyon) çizgi spektrumu
J.Balmer ve J.Rydberg hidrojenin görünür bölge yayınma spektrumundaki en uzun dalga boylu üç çizginin
(kırmızı, yeşil, mavi) dalga boylarını hesaplamaya yarayan bir eşitlik geliştirmişlerdir. Bu eşitlik Rydberg eşitliği
olarak bilinir.
1
1
1
7
Rydberg eşitliği;
=R.
Rydberg sabiti; R= 1,0974.10 1/m dir.
2
2
λ
2
n
5.BOHR ATOM MODELİ VE VARSAYIMLARI:
Hollandalı fizikçi Niels Henrik David Bohr , atomların spektrumları ile Planck ve Einstein’in kuantum
düşüncelerinden yaralanmıştır. Atomun elektron yapısını açıklayabilmek için Boht; atomun bir çekirdek ile
çevresindeki elektronlardan oluştuğunu ve elektronların çekirdek üzerine düşmediği gerçeğinden yola çıkarak basit
bir atom modeli önermiştir. Hidrojenin çizgi spektrumu ışımanın belli miktarlar (kuantumlar) halinde yayıldığını
gösterir. Hidrojenin elektronunun enerjisi kuantlanmıştır. Elektron, yüksek enerjili bir düzeyden daha düşük olan
düzeye geçerken enerji farkı, ışıma kuantumu olarak yayılmakta ve yayınma spektrumundaki bir çizgiye karşılık
gelmektedir.
Bohr atom modeline göre;
1.Bir atomda bulunan her elektron çekirdekten ancak belirli uzaklıklarda küresel yörüngelerde bulunabilir.
Her yörünge belirli enerjiye sahiptir. Bu yörüngelere “ENERJİ DÜZEYİ” denir. Yörüngelerin ortak merkezi çekirdek
olup yörüngeler K, L, M, N,O gibi harflerle gösterildiği gibi 1, 2, 3, 4, 5 gibi rakamlarla bir “n” değeri ile belirtilir.
2.Bir atomun elektronları en düşük enerji düzeyinde bulunmak ister. Bu düzeye “TEMEL HÂL DÜZEYİ”
denir. Madde ısıtıldığında atomlarındaki elektronlar daha yüksek enerji düzeyine geçer. Bu durumdaki atomlara
“UYARILMIŞ HÂL” denir. Uyarılmış atom yüksek enerjili olduğundan kararsızdır.
3.Yüksek enerji düzeyinde bulunan elektron düşük enerji düzeyine inerse aradaki enerji farkına eşit
enerjide ışın yayılır.
Bir dış yörüngedeki (nd) elektronun enerjisine Ed ve bir iç yörüngedeki (ni) elektronunun enerjisine de Ei
diyelim. Elektron dış yörüngeden iç yörüngeye geçtiğinde (Ed-Ei) kadar enerji bir ışık fotonu şeklinde yayılır.
-18
-2,18.10
İyonlar için çekirdek yükü enerji düzeyi denklemi; EA =
2
n
(Z=atom numarası, n=enerji düzeyi)
.Z
2
KUANTUM (DALGA) MEKANİĞİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ
1.ATOM ALTI PARÇACIKLARININ DALGA ÖZELLİĞİ:
+
+2
Bohr atom modeli; H, He ve Li vb. gibi tek elektronlu türlerin spektrumlarını başarıyla açıkladığı halde
birden fazla elektron içeren türlerin spektrumlarını açıklamada yetersiz kalmıştır. Bohr’un hidrojen üzerinde yaptığı
çalışmalardan on yıl sonra elektronlar için ortaya atılan iki temel kavram (tanecik ve dalga) kuantumun yeniden
gözden geçirilmesine sebep olmuştur.
Dalga – Tanecik İkiliği:
Louis de Broglie ve Schrödinger ışığın dalge ve tanecik teorilerini birleştirerek bugünkü dalga
mekaniğinin temelini oluşturdular. De Broglie bir fotonun enerjisini hesaplayabilmek için Planck bağıntısını ve
Einstein enerji eşitliğini birlikte kullanmıştır.
Planck bağıntısı;
Einstein eşitliği;
E=h.√
2
E=m.c
√= c/λ yerine konularak;
λ=
h
eşitliği bulunur.
m.c
De Broglie X-ışınları kırınımından yola çıkarak hareket eden maddesel parçacıkların dalga gibi
davranabileceğini söylemiştir.
De Broglie eşitliği;
λ=
h
şeklinde yazılır.
m.V
De Broglie, maddesel taneciklerle bir arada kabul edilen dalgalara “MADDE DALGALARI” adını vermiştir.
Küçük tanecikler için madde dalgaları varsa elektron gibi taneciklerin demetleri de dalgaların özelliklerini
taşımalıdır. Eğer dalgaların dağıldığı nesneler arasındaki uzaklık, ışımanın dalga boyuna eşitse kırılma gerçekleşir.
Elektronun Dalga Özelliği:
Fotonlar gibi davrana ışık dalgacıklarından hareketle, de Broglie elektronların da dalga özelliği
gösterebileceğini fikrini ileri sürmüştür. Bu fikre göre elektron duran bir dalga gibi davranmaktadır.
Elektronun Dalga Özelliğine Deneysel Kanıt:
De Broglie’nin önerdiği madde dalgalarının ilk denel doğrulaması C.Davisson ve L.H.Germer ile George
Paget Thomson tarafından kanıtlanmıştır. Elektronun tıpkı X-ışınları gibi kristalde kırınıma uğradığını gösterdiler
ve elektronların dalga boylarını ölçmeyi başarmışlardır.
G.P.Thomson şekilde
olduğu gibi çok ince metal
levhadan elektronları geçirerek
Davisson ve Germer gibi girişim
ve kırınım desenlerini
gözlemlemiştir. İnce alüminyum
levhanın elektron kırınımı
görüntüsünü incelediğimizde
Young’ın ışıkla yaptığı
deneydeki görüntüsüne
benzemektedir.
Bu görüntüde de ışık
deneyinde olduğu gibi aydınlık
ve karanlık bölgeler
görünmektedir. Young’ın deneyi,
ışığın (elektromanyetik dalga)
karakterinde olduğunu
göstermektedir. Elektronda aynı
görüntüyü (kırınımı) oluşturuyor
ise elektron da dalga özelliği
gösterir sonucuna ulaşılır.
Başka madde atomları
için de X-ışınları ile benzer
şekilde aynı görünüm
gözlenmiştir.
2.HEISENBERG BELİRSİZLİK İLKESİ:
1920 yıllarında Niels Bohr ve Werner Heisenberg atomlardan daha küçük taneciklerin örneğin elektronun
davranışlarının nereye kadar belirlenebileceğini görebilmek için deneyler tasarlamışlardır. Bunun için taneciğin
(elektronun) konumu (X) ve hızı (V) gibi iki değişkenin ölçülmesi gerekir.
Heisenberg’in ulaştığı sonuca göre ölçümlerde daima bir belirsizlikle karşılaşılmaktadır. Bu belirsizlik,
h
şeklinde olmalıdır.
(ΔX).(ΔV) ≥
( ΔX=konum, ΔV=hızdaki değişim )
4.π.m
ΔX konumdaki değişimi ölçmeye çalıştığımızda eşitsizliği sağlamak için hızdaki değişim de ΔV farklılaşarak
belirsiz hale gelecektir.
HEISENBERG BELİRSİZLİK İLKESİ: Bir taneciğin aynı anda hem hızı hem de konumu saptanamaz.
Heisenberg’e göre, elektronları çekirdek etrafında belli yörüngelerde dolaşan parçacıklar olarak düşünmek yanlıştır.
ATOMUN KUANTUM MODELİ
1.ATOMUN KUANTUM MODELİ:
1926 yıllarında Erwin Schrödinger Heisenberg’den bağımsız olarak de Broglie’nin hipotezinden ilham
alarak tüm parçacıkların hareketinin hesaplanabileceği bir “dalga mekaniği” oluşturmuştur. Schrödinger bir kuvvet
etkisi altında olan dalgaların nasıl oluşacağını ve gelişeceğini açıklamıştır. Bu açıklama tanecik yoğunluğunun
2
dalga fonksiyonunun karesi ( ψ ) ile doğru orantılı olduğu yönündedir. Fotonun bulunma ihtimalinin en yüksek
olduğu yerin dalga fonksiyonunun karesinin değer olarak en yüksek olduğu yer olarak açıklamasıdır.
Hidrojen atomunun elektronunun bulunabileceği enerji düzeyi ve dalga fonksiyonları Schrödinger denklemi
ile açıklanabilir. Enerji düzeyleri ve dalga fonksiyonları kuantum sayıları ile ifade edilir.
Bohr atom modelinde elektronun bulunduğu yer için yörünge tanımlaması kullanılırken kuantum
mekaniğinde bunun yerine orbital tanımlaması kullanılır. Orbital, elektronun kuantum sayıları ile belirlenen dalga
fonksiyonudur. Orbital bir matematik fonksiyonudur ve bu fonksiyondan hareketle elektronun yerinin kesin olarak
hesaplanması mümkün değildir. Ancak, elektronun belirli bir uzay bölgesinde bulunma olasılığı hesaplanabilir.
Schrödinger, dalga fonksiyonlarını hidrojen benzeri atomlar ve iyonlar için matematiksel yöntemlerle
bularak, her sistem için birden çok fonksiyon elde etmiştir. Bu fonksiyonlar n,l ve ml kuantum sayıları ile karakterize
edilir.
n, l ve ml ile karakterize edilen dalga fonksiyonlarının birden çok olması aynı sistemdeki tek elektronunun,
çok sayıda enerji düzeylerinde bulunabileceği anlamına gelir.