1. ATOM MODELLERİNİN TARİHİ GELİŞİMİ
Thomson Atom Modeli :
(1902) üzümlü kek şeklindeki atom modeli;
Thomson atom altı parçacıklar üzerinde çalışmalar yaparken icat ettiği katot
tüpü yardımıyla 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya
attı. Thomson'a göre Atom dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup ve negatif
yüklü olan elektronlar ise kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre
içerisine gömülmüş hâldedir.
Rutherford Atom Modeli:
(1911) güneş sistemine benzeyen atom modeli;
Thomson'm modeline pek inanmayan Rutherford ünlü alfa saçılması deneyi ile
kimya tarihine nükleer atom kavramım sokarak yeni çığır açmıştır. İnce altın
levhayı radyoaktif atomların yayınladıkları alfa ışınlarıyla bombardımana tabii
tutan Lord Ernest Rutherford gözlemlerine ve deneylerinin sonuçlarına
dayanarak, atomun Thomson tarafından hayâl edilmiş "fon statik topluluk
olamayacağına hükmetti. Ve atomun yapısını, topta gezegenlerin Güneş'in
etrafında gravitasyon kuvvetinin etkisiyle dolandıkları gibi gibi elektronlum
da pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında elektrik:)sel çekim kuvvetinin etkisi
alanda dolanmakta olduğu dinamik bir model olarak açıkladı.
Bohr Atom Modeli :
(1913) kuvantum teorisinin sahneye çıkışı;
Rutherford atom modeli üzerinde kafa yoran Danimarkalı fizikçi Niels Bohr,
klasik fizik gereği çekirdeğin etrafında dolanan elektronların ivmeli
hare:)ketlerinden dolayı, enerji kaybederek çekirdeğe düşmeleri gerektiğini
düşündü. Ama hiç de böyle olmamakta ve atom kararlılığını muhafaza etmektedir.
Bohr atomun bu karalılığını;
1. Elektron hareketlerinin ancak belirli yörüngeler (enerji seviyeleri)
üzerinde mümkün olmasıyla,
2. Elektronun, bir yörüngeden bir başkasına geçişini ise belirli bir miktarda
(bir kuvantum miktarında) bir enerji kazanmasına (ya da kaybetmesine) bağlı
olduğuna, ve
3. Bir atomda, elektronların daha da alana düşmeyecekleri bir en alt enerji
düzeyinin var olmasıy:)la açıklamaktadır.
De Broglie'un Atom Modeli:
(1923) Broglie'un dalga modeli;
Bohr’n atom modeli elektronların yörüngeler arası geçişlerin mümkün kılan
“enerji (kuvantum) sıçramaları” açıkla:)makta yetersiz kalmaktaydı. Bunun
çözümü Fransız fizikçisi Prens Victor De Broglie tarafın:)dan teklif edildi. De
Broglie bilinen bazı taneciklerin uygun koşullar altında tıpkı elektromanyetik
radyasyonlar gibi, bazen de elektromanyetik radyasyonların uygun şartlarda
tıpkı birer tanecik gibi davranabileceklerini düşünerek elektronlara bir
"sanal dalga”nın eşlik ettiği öne sürerek bir mo:)del teklif etti. Bu
modele göre farklı elektron yörüngelerini çekirdeğin etrafında kapalı dalga
halkaları oluşturmaktaydılar.
Born'un Atom Modeli :
(1927) olasılık kavramına dayanan atom modeli;
Almanya'lı kuramsal bir fizikçi olan Born Heisenberg'in belirsizlik ilke
katlamakla beraber bir takım olasılık ve istatistiki hesaplar neticesinde bir
elektronun uzaydaki yerini yaklaşık olarak hesap etmenin mümkün olabileceğini
öne sürdü. Born Schrödinger'in dalga denklemini olasılık açısından yorumlayarak
dalga mekaniği ile kuvantum teorisi arasında bir bağıntı kurdu. Böylece
elektronun uzayın bir noktasında bulunması ihtimalinin hesaplanabileceğini
göstermiş oldu.
1.1. ATOM MODELLERİ
Bugün bildiğimiz atom bilgisi, teorik ve deneysel konularda yıllardır sürekli
yapılan çalışmaların bütünüdür. Çalışmalar sonucunda atomun var-im ı kesin
bilgi hâlini aldıktan sonra, onları daha yakından tanımak, özelikleri ile
ilgili araştırma ve incelemeler yapmak için modeller tasarlanmaya başlanmıştır.
Model, bir konu ya da olayın anlaşılmasını kolaylaştırmak amacıyla tasarlanır,
ancak olayın gerçek niteliğini belirtmez.
Atom modelleri; ilim adamları tarafından hayal edilmiş tablolardan ibarettir.
Bunlar atomu doğrudan doğruya gözlemleyerek yapılan tasanlar Değildir. En sade
atom modelinde atomlar, içi dolu esnek küre olarak kail edilir. Şimdi atom
modellerini inceleyelim.
1.1.1. DALTON ATOM MODELİ
Sabit oranlar kanunu ve katlı oranlar kanunu olarak gördüğümüz bileşik-i
terdeki kütlesel ilişkilere bakarak 1803 yılında John Dalton, maddelerin çok
çok küçük yapı taşlarının topluluğu halinde bulunduğu, fikrini ileri sürdü.
Dalton atom teorisi olarak ortaya konulan temel özellikler şunlar:)dır;
1. Maddelerin özelliklerini gösteren birim parçacıklar atomlar veya atom
gruplarıdır.
2. Aynı cins elementlerin atomları birbirleriyle tamamen aynıdır.
3. Atomlar içi dolu kürelerdir.
4. Farklı cins atomlar farklı kütlelidir.
5. Maddenin en küçük yapıtaşı atomdur. Atomlar parçalanamaz.
6. Atomlar belli sayılarda birleşerek molekülleri oluştururlar. Örneğin, 1 atom
X ile l atom Y’den XY, l atom X ile 2 atom Y den XY2 bileşiği oluşur. Oluşan
bileşikler ise standart özellikteki moleküller topluluğudur.
Atomla ilgili günümüzdeki bilgiler dikkate alındığında Dalton atom
modelin:)deki eksikliklere ek olarak üç önemli yanlış hemen fark edilir.
1. Atomlar, içi dolu küreler değildir. Boşluklu yapıdadırlar.
2. Aynı cins elementlerin atomları tam olarak aynı değildir. Kütleleri farklı
(İzotop) olanları vardır.
3. Maddelerin en küçük parçasının atom olduğu ve atomların parçala:)namaz
olduğu doğru değildir. Radyoaktif olaylarda atomlar parçalanarak daha farklı
kimyasal özellikte başka atomlara ayrışabilir; proton, nötron, elektron gibi
parçacıklar saçabilirler.
1.2. THOMSON ATOM MODELİ
Dalton atom modelinde (-) yüklü elektronlardan ve (+) yüklü protonlardan söz
edilmemişti. Yapılan de:)neyler yardımıyla, katot ışınlarından elektronun,
kanal ışınlarından protonun varlığı ortaya konulmuştu. Bu bilgiler ışığında
Thomson'un atomla İlgili fikirlerini aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz.
1. Protonlar ve nötronlar yüklü parçacıklardır. Bunlar yük bakımın:)dan eşit,
işaretçe zıttırlar. Proton + 1 birim yüke; elektron ise -l birim yüke eşittir.
2. Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler
toplamı sıfırdır.
3. Atom yarıçapı 10-8 cm olan bir küre şeklindedir. Söz konusu küre içerisinde
proton ve elektronlar atomda rast gele yerlerde bulunurlar. Elektronun küre
içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer.
4. Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bu nedenle atomun
ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder.
Nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson Atom teorisinin
eksiklerinden biridir. Proton ve elektronların atomda rastgele yerlere
bulunduğu İddiası ise teorinin hatalı yönüdür.
1.1.3. RUTHERFORD ATOM
Atomun yapısının açıklanması hakkında,önemli katkıda bulunanlardan birisi de
Ernest Rutherford (Örnıst Radırford) olarak bilinir. Rutherford'dan önce Thomson
atom modeli geçerliydi. Bu modele göre, atom küre şeklindedir. Ve küre
içerisinde proton ve elektronlar bulunmaktadır. Acaba bu proton ve elektronlar
atom içerisinde belirli bir düzene mi, yoksa rastgele bir dağılım içerisinde mi
bulunuyorlar? Bu sorunun cevabı daha bulunamamıştı. Rutherford bu sorunun
cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı alfa
(a) parçacıkları deneyi sonucunda bir model geliştirmiştir.
Polonyum ve radyum bir a-ışını kaynağıdır. Rutherford, bir radyoaktif kaynaktan
çıkan a-taneciklerini bir demet hâlinde iğne ucu büyüklüğündeki yarıktan
geçirdikten sonra, kalınlığı 10-4 cm kadar olan ve arkasında çinko sülfür (ZnS)
sürülmüş bir ekran bulunan altın levha üzerine gönderdi.
Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen a - parçacıkları ekrana sürülen ZnS
üzerinde ışıldama yaparlar. Böylece metal levhayı geçen a - parçacıklarını
sayma imkanı elde edilir. Rutherford, yaptığı deneylerde metal levha üzerine
gönderilen a- parçacıklarının % 99,99 kadarının ya hiç yollarında sapmadan ya
da yollarından çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir
kısmının ise metale çarptıktan sonra büyük bîr açı yaparak geri döndüklerini
gördü. Rutherford daha sonra deneyi altın levha yerine, kurşun, bakır ve platin
metallerle tekrarladığında aynı sonucu gördü. Kinetik enerjisi çok yüksek olan
ve çok hızlı olarak bir kaynaktan çıkan a - parçacıklarının geriye dönmesi
için;
1. Metal levhada pozitif kısmın olması,
2. Bu pozitif yüklü kısmın kütlesinin (daha doğrusu yoğunluğunun) çok büyük
olması gerekir.
Bu düşünceden hareketle Rutherford, yaptığı bu deneyden şu sonuçlan çıkardı.
Eğer, a tanecikleri atom içerisindeki bir elektrona çarpsaydı, kinetik
enerjileri büyük olduğu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam
edebilirlerdi. Ayrıca, a - taneciği pozitif, elektron negatif olduğundan geriye
dönüş söz konusu ol:)maması gerekirdi. Bu düşünceyle hareket eden Rutherford,
metale çarparak geriye dönen alfa parçacıklarının sayısı metal levhadan
geçenlere oranla çok küçük olduğundan; atom İçerisinde pozitif yüklü ve kütlesi
büyük olan bu kısmın hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olması
gerektiğini düşünerek, bu pozitif yüklü kısma çekirdek dedi.
Rutherford, atomun kütlesinin yaklaşık olarak çekirdeğin kütlesine eşit
olduğunu ve elektronlarında çekirdek etrafındaki yörüngelerde döndüğü:)nü ileri
sürmüştür. Buna göre, Rutherford atomu güneş sistemine benzetmiş oluyordu.
Rutherford atom modelini ortaya koyduğunda nötronların varlığı daha
bilinmiyordu. Günümüzde ise «çekirdeğin proton ve nötronlar içerdiği ve
bunların çekirdeğin kütlesini oluşturduklarına inanıl:)maktadır. Rutherford'un
ortaya koyduğu atom modelinin boyutlarını da anlamak önemlidir. Bunu şu şekilde
ifade edebiliriz. Eğer, bir atomun çekirdeği bir tenis topu büyüklüğünde
olsaydı, bu atom büyük bir stadyum büyüklüğünde olurdu.
He atomu 2 proton, 2 nötron ve 2 elektron:)dan oluşur. Bir He atomunun 2
elektronu tamamen uzaklaştırılırsa geriye +2 yüklü helyum iyonu (He+2) kalır.
Bu iyona alfa (a) parçacığı (alfa ışını) denir.
Bir atomu a - taneciği ile incelemek, bir şef:)taliyi uzun bir iğne ile
incelemeye benzer, iğ:)nenin şeftalinin ortasında sert bir şeye çarp:)tığını
tespit ederek şeftali çekirdeğinin varlığını ve büyüklüğünü onu hiç görmeden
anlamak mümkündür. Bu arada şeftali ile çekirdeğinin büyüklüğü ve atom ile
çekirdeğinin büyüklüğünün aynı oranda olamayacağı unutulmamalıdır.
1.1.4. Bohr Atom Teorisi
Buraya kadar anlatılan atom modellerinde, atomun çekirdeğinde, (+) yüklü proton
ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların
dolaştığı ifade edildi. Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede
dolaştığı, hız ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya
konmadı. Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan
inceledi.
1913 yılında Neils Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck'ın
kuvantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Bu bilgiler ışığında
Bohr postulatları şöyle özetlenebilir.
1. Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıkta ve kararlı hâller:)de
hareket ederler. 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.
3. Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon)
yayınlamaz. Ancak, yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine
geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar.
Burada E = h-i) bağıntısı geçerlidir.
4. Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi
harflerle veya en düşük enerji düzeyi l olmak üzere, her enerji düzeyi pozitif
bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak "n" İle gösterilir, (n:
1,2,3 .....¥)
Bugünkü bilgilerimize göre; Bohr kuramının, elektronların dairesel yörüngelerde
hareket ettikleri, ifadesi yanlıştır.
Bohr atom modeli, hidrojen atomunun davranışını çok iyi açıkladığından ve basit
olduğundan önce büyük ilgi gördü. Ancak, bu model çok elektronlu atomların
davranışlarını (atomların spektrumlarını, atom çekirdeğinin bir elektronunu
yakalayarak başka atom çekirdeğine dönüşünü) açıklayamadığından yaklaşık 12 yıl
kadar geçerli kaldı. Daha sonra yerini modern atom teorisine bıraktı.
Bohr'a göre, elektronlar çekirdekten belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler
izlerler. Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan (n = 1) K tabakası en düşük
enerjilidir. Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarıçapı ve o kabukta bulunan
elektronun enerjisi artar. Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken (n @ ¥)
elektronla çekirdek arasında, çekim kuvveti bulunmaz. Bu durumda elektronun
potansiyel enerjisi sıfırdır. Elektron atomdan uzaklaşmış olur. Bu olaya
iyonlaşma denir.
Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektro:)nun bir
potansiyel enerjisi olur. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hâle
doğru gelir, potansiyel enerjisi azalır. Buna göre, elektronun her enerji
düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur. Yani negatif olur. Bohr
hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde (K yörüngesi) bulunan
elektronun enerjisini -313,6 kkal/mol olarak bul:)muştur.
1.1.5. MODERN ATOM MODELİ
Bohr, elektronu, hareket hâlinde yüklü tanecik olarak kabul edip, bir hidrojen
atomundaki elektronun sadece bazı belirli enerjilere sahip olacağı:)nı
varsayarak teorisini ortaya atmıştı. Bu teori, hidrojen gibi tek elektronlu
He+, Li+2 iyonlara da uymasına rağmen çok elektronlu atomların, ayrıntılı
spektrumlarının, kimyasal özelliklerinin açıklanmasına uyma:)maktadır. Yine de,
modern atom modelinin gelişmesinde bir basamak teşkil etmiştir.
Modern atom modeli, dalga mekaniğindeki gelişmelerin elektronun hare:)ketine
uygulanmasına dayanmaktadır. Bu modelin öncüleri Lois de Broglie , Heisenberg
ve Schrödinger gibi bilim adamlarıdır.
1924 yılında Louis de Broglie, ışık ve maddenin yapısını dikkate alarak, küçük
tanecikler bazen dalgaya benzer özellikler gösterebilirler, şeklin:)deki
hipotezini ortaya attı. 1927 yılında de Broglie'nin hipotezi elektron
demetlerinin bir kristal tarafından, X-ışınlarına benzer biçimde saptırılması
ve dağıtılması deneyi İle ispatlandı.
1920'li yıllarda Werner Heisenberg, atomlardan küçük taneciklerin davranışlarını
belirlemek için ışığın etkisini inceledi. Bunun sonucunda Heisenberg
belirsizlik ilkesi olarak anılan şu neticeyi çıkardı.
"Bir taneciğin nerede olduğu kesin olarak biliniyorsa, aynı anda taneciğin
nereden geldiği veya nereye gittiğini kesin olarak bilemeyiz. Benzer şekilde,
taneciğin nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun yerini kesin olarak bilemeyiz."
Buna göre, elektronun herhangi bir andaki yeri ve hızı aynı zamanda kesin
olarak bilinemez. Bir taneciğin yerini ve hızını ölçebilmek için, o taneciği
görmek gerekir. Taneciğin görünmesi de taneciğe ışık dalgası göndermek ile
olur. Elektron gibi küçük tanecikleri tespit etmek için düşürülen uygun dalga
boyundaki ışık, elektronun yerini ve hızını değiştirir. Bu yüzden, aynı anda
elektronun yeri ve hızı ölçülemez. Bu nedenle de elektronların çekirdek
etrafında belirli dairesel yörüngeler izledikleri söylenemez. Yörünge yerine
elektronun (ya da elektronların) çekirdek etrafında bulunma olasılığından söz
etmek gerekir.
Modern atom modeli, atom yapısı ve davranışlarını diğer atom modellerine göre,
daha iyi açıklamaktadır. Bu model, atom çekirdeği etrafındaki elektronların
bulunma olasılığını kuvantum sayılan ve orbitaller ile açıklar, kuvantum
sayıları, bir atomdaki elektronların enerji düzeylerini belirten tam
sayılardır. Orbitaller ise elektronun çekirdek etrafında bulunabilecekleri
bölgelerdir.
Elektron tanecik olarak düşünüldüğünde; orbital, atom içerisinde elektronun
bulunma olasılığı en yüksek olan bölgeyi simgeler. Elektron maddesel bir dalga
olarak düşünüldüğünde ise, orbital, elektron yük yoğunluğunun en yüksek olduğu
bölgeyi simgeler. Yani, elektron tanecik olarak kabul edildiğinde elektronun
belirli bir noktada bulunma olasılığın:)dan, dalga olarak kabul edildiğinde ise
elektron yük yoğunluğundan söz edilir.
0 yorum:
Yorum Gönder