1.ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ 1.BÖLÜM: ATOMLA İLGİLİ DÜŞÜNCELER “Atom” Kavramını İlk Kim Kullandı? Eski Yunanlılarda, maddenin sonsuza kadar bölünmesinin veya artık daha fazla bölünmesinin mümkün olmadığı bir noktaya gelip gelinemeyeceği büyük tartışma konusuydu. Örneğin Platon ve Aristoteles dahil pek çok düşünür maddenin sürekli olduğunu (madde-form teorisi) düşünmelerine rağmen Democritus onlardan farklı düşünüyordu. Democritus şu sorulara cevap arıyordu: Madde sürekli olarak daha küçük parçalara bölünebilir mi, yoksa daha fazla bölünemeyeceği bir son nokta var mıdır? Bir gümüş parçasını önce ikiye, sonra o parçalardan birini tekrar ikiye keserek sonsuz şekilde bu iş sürdürülebilir mi yoksa durulması gereken bir nokta var mıdır? Anadolu’nun bilim merkezi Milet’te doğan ve doğa filozoflarının sonuncusu olan Yunan filozof Democritus (MÖ 460-370) bütün maddelerde bu bölme işleminin bölünemeyecek kadar küçük bir parça ile son bulacağını ve Yunanca bölünemeyen anlamına gelen “atomus” adını verdiği günümüzde atom dediğimiz taneciklerden oluştuğunu iddia ediyordu. Ancak bilemediğimiz bir sebepten dolayı, Democritus’un değil Aristo’nun madde-form teorisi 17. yüzyılın başına kadar kabul gördü. Tahmin edeceğiniz gibi Eski Yunan döneminde önerilen atom kuramları planlı deneylere dayanmıyordu. Bu nedenle 2000 yıl kadar bir süre atom kuramı tartışılmaktan öteye gidemedi. İlk bilimsel çalışmalardan elde edilen deneysel kanıtlar atom kavramına destek sağlamış ve zamanla element ve bileşiklerin modern tanımlarının yapılmasına yol açmıştır. Bu bölümde maddenin yekpare bölünemez olmayıp atom adı verilen çok küçük taneciklerden oluştuğuna götüren bazı gözlemlerden ve sonuçlardan bahsedilecektir.
Maddenin Atom Denilen “Çok Küçük Taneciklerden” Oluştuğuna Götüren Deneysel Çalışmalar Maddenin bileşiminin ne olduğu ile ilgili sorulara 18. yüzyılın sonlarında yapılan ve kimyacılar için çok önemli olan iki farklı gözlemle cevap bulunabilmiştir. Bu çalışmalar bilim insanlarını “kütlenin korunumu yasası” ve “sabit oranlar yasası” na götüren çalışmalardır. İlerleyen bölümlerde göreceğiniz gibi Dalton, bu iki yasayı ve “katlı oranlar yasası” olarak bilinen diğer bir gözleminde elde ettiği sonuçları, öne sürdüğü teoriyle (Dalton atom teorisi) kolayca açıklayabilmiştir.
Kütlenin Korunumu Yasası (Lavoisier) Gazların doğası ve davranışlarına ilişkin yaptığı kimyasal deneyler sonucu İngiliz kimyager Robert Boyle (Rabırt Boyl), maddenin atomik yapıda olduğuna ilişkin açık kanıtlar elde eden ve önemli sayıda farklı elementlerin bulunabileceğini ifade eden ilk kişidir. Boyle’u takip eden 100 yıl içinde kimyadaki ilerlemeler oldukça yavaştı. Antoine Lavoisier, 1774 yılında yaptığı çalışmalar ile kimya bilimine oldukça önemli katkılarda bulunmuştur. Lavoisier’i unutulmaz yapan özelliği maddelerin kimyasal değişimleri ile ilgili deneylerinde çok dikkatli ölçümler ve gözlemler yapması idi. Lavoisier kapalı bir kapta gerçekleştirdiği bir yanma olayı sonucunda, yaptığı dikkatli ölçümler sayesinde yanma ürünlerinin kütlelerinin, başlangıçtaki maddelerin kütlelerine tam olarak eşit olduğunu göstermiştir. “Kütlenin korunumu yasası” olarak tanımlanan bu prensip kimya bilimi için çok önemlidir. Lavoisier kimi kez kendi adıyla da anılan bu ilkeyi şöyle dile getirmiştir: “Bir kimyasal tepkimede kütle yoktan var edilemez, var olan yok edilemez.”.
Sabit Oranlar Yasası (Joseph Proust) Lavoisier’in kütlenin korunumu yasası’na götüren deneysel çalışmalarını takibeden yıllarda Fransız kimyacı Joseph Proust 1799'da daha ileri araştırmalar yaparak bugün sabit oranlar yasası olarak bildiğimiz ikinci temel kimya prensibini ortaya atmıştır. Proust, sabit oranlar yasası’nı; “Bir bileşiği oluşturan atomların kütleleri arasında basit tam sayılarla ifade edilen sabit bir oran vardır.”
Katlı Oranlar Yasası John Dalton “kütlenin korunumu yasası” ve “sabit oranlar yasası” ile ilgili bilgileri de kullanarak yaptığı deneyler sonucunda Katlı Oranlar Yasası’nı ifade etmiştir. Karbon ve oksijenden oluşan iki bileşiği göz önüne alalım. Karbon ve oksijen, karbon monoksit ve karbon dioksit olarak adlandırılan iki bileşik oluşturur. Bu bileşikler farklı özelliklere sahiptir. Örneğin, karbon monoksit yanıcı ve zehirli iken karbon dioksit değildir.
Katlı oranlar yasası, aynı elementlerden oluşan iki bileşiğin elementlerinden birinin belli bir miktarına karşılık, diğerinin değişen miktarları arasında küçük ve tam sayılarla ifade edilen bir oran olduğunu gösterir. Katlı Oranlar Yasası, “kimyasal elementlerin atom adı verilen parçalanamaz taneciklerden oluştuğunu ve her elementin atomlarının kütlesinin aynı olduğunu” gösterir.
İlk Bilimsel Atom Teorisi: Dalton Atom Teorisi İngiliz kimyacı ve öğretmen John Dalton bu sorulara cevap verebilmek amacıyla farklı maddelerle deneyler yaparak bugünkü anlamda atom fikrini ilk kez 1808 yılında ortaya atmıştır. Dalton, yaptığı deneyler sonucunda her iki yasanın maddenin bütünsel yapısıyla açıklanmasının mümkün olmadığını elementlerde görülemeyen fakat gerçekte var olan bir şeyler (tanecikler) olduğunu düşünmüştür. Dalton, görülemeyen bu taneciklere Democritus’un da önerdiği şekilde atom adını vermiştir. Bu çalışma ilk atom modeli olması bakımından da oldukça önemli olup Democritus'unkinden çok daha spesifiktir. Dalton atom teorisinin temelinde şu fikirler yer almaktadır: 1. Elementler atom denilen bölünemeyen çok küçük taneciklerden oluşmuştur. 2. Bir elementin bütün atomlarının kütlesi ve diğer özellikleri özdeştir. 3. Ancak bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır. Dalton atomların nasıl olduklarını bilmemesine rağmen, bu kadar çok ve farklı elementin varlığının ancak bu şekilde açıklanabileceğini düşünüyordu. 4. Kimyasal tepkimeler, yalnızca atomların birbirinden ayrılması, birbirleri ile birleşmesi ya da yeniden düzenlenmesinden ibarettir. Kimyasal tepkimelerde, bir element atomu diğer bir elementin atomuna dönüşemez, parçalanamaz ve yok olamaz. 5. Bir elementin atomları ile diğer bir elementin atomları ile birleşerek bileşikleri meydana getirirler. Elementler bileşik oluştururken atomlar tam sayılı olarak birleşirler (sabit oranlar yasası). Örneğin, bir A atomu ve bir B atomu (AB) ya da A atomu ve 2 B atomu (AB2)gibi.
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.
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(ClO4)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(ClO 4)2 ve Hg(NO3)2 çözeltileri için aynı olduğunu, Hg2(ClO4)2 çözeltisinden ayrılan cıvanın ise bu miktarların iki katı olduğunu gözlemlemiştir.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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 görünür bölge soğurma (absorbsiyon) çizgi spektrumu
Hidrojenin görünürbölge 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
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 =
.Z
2
2
n (Z=atom numarası, n=enerji düzeyi)
ÖRNEK: Hidrojen elektronunun 1.Bohr yörüngesinden 4.Bohr yörüngesine uyarılması için; a)Gereken enerji kaç J olur? -34 b)Elektronun soğurduğu ışımanın dalga boyu kaç m dir? ( h=6,62.10 ) a) -18 2 -18 2 -18 2 -2,18.10 . Z -2,18.10 .1 -2,18.10 . 1 -18 -18 EİLK= = = -2,18.10 J ESON= = -0,136.10 J 2 2 2 n 1 4 -18
ΔE= ESON-EiLK = -0,136.10
b) ΔE= Efoton = h.√ = h. c / λ
– ( -2,18.10
-18
) = 2,044.10
2,044.10
-18
-18
J
= 6,62.10
8
-34
3.10
19,86.10 λ=
. λ
2,044.10
-26
-18
-8
= 9,716.10 m
