konu anlatım 02.qxd
advertisement
2. BÖLÜM ATOMUN YAPISI ATOMUN YAPISI Eski Yunan’da MÖ 5. yy.’da Leukippos, Democritos (M.Ö. 460-370) ve Epicuros (M.Ö. 342-270), maddenin bölünmesinde bir son sýnýr olacaðýný düþünerek bu en küçük þeye, “bölünmez” anlamýnda “atom” demiþlerdi. Yüzyýllarca sonra, 19. yüzyýlýn baþýnda, denel temellere dayalý bilimsel atom kuramýný ortaya koyan Dalton da, atomlarýn “bölünemez katý kürecikler” olduðunu sanmýþtý. Atomun da “bölünebilir” ya da “tanecikli” yapýda olduðunun anlaþýlmasý 100 yýldan fazla zamaný gerektirdi. Bugün atomun proton, nötron ve elektron denen üç temel parçacýðý olduðunu biliyoruz. Halen sayýsý en az 35 olan bir çok “atom altý parçacýk” tanýnýyor. Bütün bunlarý doðanýn sýrlarýna karþý savaþ açmýþ bilimcilerin belki yorucu ama coþku verici deneylerinden ve yorumlarýndan öðrendik. 2.1 DALTON ATOM KURAMI 19. yüzyýl baþlarýnda John DALTON (1766-1844), element ve bileþiklerin varlýðýný, kimyasal olaylarda kütlenin korunmasýný, elementlerin belirli bir bileþiði oluþtururken hep sabit bir kütle oranýnda birleþmesini ve iki element arasýnda farklý bileþikler oluþurken elementlerden birinin miktarý sabit tutulduðunda onunla birleþen ikinci elementin miktarlarý arasýnda basit ve tam sayýlý bir oran bulunmasýný, bu deneysel sonuçlarýn tümünü, atomu varlýðýnýn delilleri olarak yorumladý. Dalton atom kuramý, kimyanýn temel yasalarýna ve deneylere dayandýðý için bilimsel nitelik taþýyan ilk atom kuramýdýr. Dalton’un kuramý þöyle özetlenebilir: 1. Her element, atom denen bölünemeyen parçacýklardan oluþur. 2. Verilen bir elementin atomlarý ayný özelliktedir. (örneðin kütleleri) 3. Farklý elementlerin atomlarý farklý özelliktedir. 4. Bir elementin atomlarý, kimyasal tepkimelerle baþka tip atomlara dönüþtürülemez. Atomlar, kimyasal deðiþime katýlan birimlerdir; kimyasal deðiþmeler sadece atomlarýn baðlanmasýný ve yeniden düzenlenmesini içerir. Atomlar bölünemez, yeniden üretilemez ve deðiþtirilemez. 5. Bileþikler, birden fazla elemente ait atomlarýn birleþmesiyle oluþur. 6. Verilen bir bileþikte atomlarýn cinsi ve baðýl sayýlarý sabittir. Elementlerin Sembolleri (Simgeleri) John DALTON (1766 - 1844) Kendisi Manchester Quaker okulunda öðretmendir ve 1807’de Kimyasal Filozofide Yeni Sistem adlý kitabýný yayýmlamýþtýr. Simyacýlar, gezegenlerden esinlenerek maddeleri simgelemiþlerdi. Bu simgeler, yalnýzca kendilerinin anladýðý bir takým gizli bilgileri içeriyordu. Dalton, bir adým ileri giderek element ve bileþikleri içi iþaretlenmiþ dairelerle göstermeyi önerdi. Dalton’un atom ve molekül simgeleri Ama Dalton’un simgeleri de oldukça kaba ve zaman alýcýydý. Bugün de kullandýðýmýz alfabedeki harflerden oluþan simgeleme yöntemini 1813’te J.J Berzelius (1779-1848) getirdi. Buna göre her element atomu, genellikle Latince adýndan gelen bir ya da iki harfle simgelenir. (Tungsten için kullanýlan W harfi onun Almanca ismi olan Wolfram’dan gelir.) Bu simgelerde ilk harf büyük, varsa ikinci harf küçüktür. Kobalt (Co), toryum (Th), baryum (Ba), Vanadyum (V).... 19 ATOMUN YAPISI Dalton kuramýnda “bir elementin atomlarý her bakýmdan özdeþtir” görüþü, izotop atomlarýnýn keþfiyle yanlýþlanmýþtýr. Yine sonraki çalýþmalar atomun bölünebilir olduðunu göstermiþtir. Atomun “bölünebilir” olduðunun anlaþýlmasý þu üç temelde oldu: Birincisi, madde-elektrik iliþkisinin çözümlenmesidir. Piller, elektroliz, gazlarýn elektriksel boþalýmý gibi olgular her maddenin doðasýnda elektrik olduðunu kanýtladý. Kuþkusuz bu, tüm atomlarýn elektriksel bir yapýda olduklarýna baðlanabilirdi. Bu deneyler, elektriðin de maddesel ve “tanecikli” olduðunu kanýtladý. Atomda, elektrikle yüklü tanecikler örgütlüydü. Ýkincisi, radyoaktifliðin anlaþýlmasýdýr. Radyoaktiflik, bir elementten baþkasýnýn doðusunu kanýtlýyordu. Demek bir atom baþka bir atoma dönüþebiliyordu. Bu durum, atomlarýn bölünebilir yapýlarýnýn güçlü bir kanýtýydý. Dahasý radyoaktiflikle tanýnan alfa, beta ve gama ýþýnlarý atom çekirdeðinin ne derece güçlü bir enerji kaynaðý olduðunu, atom çekirdeðinin parçalanabilirliðini ortaya koydu. Üçüncüsü, madde-ýþýk iliþkilerinin, ýþýk tayfalarýnýn dilinin çözülmesidir. Her element, kendine özgü ýþýnlar soðuruyor ve yayýyordu. Öte yandan ýþýk, hem bir “dalga” hem de “foton” denen “parçacýk” saðanaðý idi. Görünür ve görünmez bileþenleri vardý. Atomlardan yayýlan ýþýk, yüksek enerjili elektronlarýn düþük enerjili konuma geçerken yaydýðý fotonlardan baþka bir þey deðildi. Bu konulardaki veriler, atom çekirdeði çevresindeki elektron daðýlýmýnýn aydýnlatýlmasýný saðladý. Bu süreci daha yakýndan inceleyelim. 2.2 MADDELERÝN ELEKTRÝKSEL TABÝATI ELEKTROLÝZ Sülfürik asitinin (H2SO4) sulu çözeltisine bir çinko (Zn) ve bir bakýr (Cu) levha daldýralým. Bu levhalar, bir iletkenle baðlanýnca çinkodan bakýra doðru bir akým geçtiði görülür (yaklaþýk 1 volt). 1800 yýlýnda Kont Alessandro Volta (17451827)’nýn bulduðu bu aygýta “volta pili” ya da “galvanik pil” denir. Volta pilinde elektriði üreten þey, maddenin kimyasal deðiþimidir. Dýþ devrede çinkodan bakýra doðru dolaþan akým, çinko çubuðunun aþýnmasýna ve bakýr çevresinde hidrojen gazý çýkýþýna yol açar. Asit de suyun iletkenliði artýran bir katalizör durumundadýr. Kýsaca, pilde kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüþmektedir. Bu olay bize, elektriðin kaynaðýnýn, madde ya da maddesel deðiþim olduðunu söyler. 1807-1808’de Ýngiliz kimyacý Sir Humpry Davy (1778-1829), bazý bileþiklerin elektrikle ayrýþtýðýný gördü. Buradan potasyum, sodyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum elementlerini ayýrdý. Davy, bileþikteki elementlerin elektriksel çekimle tutulduðunu ileri sürdü. Bu olay, elektrik enerjisinin kimyasal deðiþme yol açtýðýný kanýtlýyordu. Elektrik ile maddesel deðiþmeler arasýndaki iliþkilerin yasalarýný 1832-1833’de Ýngiliz bilgin Michael Faraday (1791-1867) ortaya koydu. Elektroliz yasalarý da dediðimiz deney sonuçlarý þöyleydi: 1. Belli miktarda elektrik, belli bir maddenin hep ayný miktarýný deðiþime uðratýr. 2. Elektrotlardan birinde (anot, katot) deðiþime uðrayan (açýða çýkan ya da çözünen) madde miktarý, hep o maddenin eþdeðer kütlesinin tam katlarý kadar olur. 96.500 Coloumb (1 Faradaylýk) yük ile deðiþime uðrayan madde miktarýna o maddenin eþdeðer kütlesi denir. Bu yük, örneðin sodyumun 23; magnezyumun 12 ve alüminyumun 9 gramýný deðiþime uðratýr. Devreden 2 Faradaylýk akým geçerse, bu kütleler iki katýna çýkar. Eþdeðer kütle nasýl ki atomun varlýðýnýn gücü bir kanýtý ise elektrik yükündeki sabitlik de, elektriðin kesikli ya da tanecikli olduðunun güçlü bir kanýtýydý. Ama 20 KATOT IÞINLARI - ELEKTRONLAR o zaman bunu yadsýyan önyargýlar daha etkiliydi. Elektroliz sonuçlarý, ayrýca, maddenin elektriksel doðasýnýn atomun elektrikselliðinden ileri geldiðini açýklý yordu. Nitekim özellikle 2. sonucu ele alan Faraday, bunun bir element atomlarýnýn eþit elektrikle yüklü oluþuna baðlanabileceðini söylemiþti. 2.3 KATOT IÞINLARI : Elektronlar Maddelerin elektriksel tabiatta, elektrik yükünün “parçalý” olduðunun diðer bir kanýtý, katot ýþýnlarýnýn davranýþlarýydý. Hava ve baþka gazlar, normal durumda yalýtkandýrlar. Ama basýnç çok düþük (0,01 mmHg) ve gerilim yüksek (örneðin 10.000 volt) olursa gazlar ýþýk yayarak elektriði iletirler. Katottan anota doðru yayýlan bu ýþýnlarý 1859’da Julius Pucker (1801-1868) Alman fizikçi J. W. Hittorf (1824-1914) bu ýþýnlarýn manyetik alanda saptýðýný gördü. Sir William Crookes (1832-1919), 1879’ da katot karþýsýnda keskin gölgeler oluþturan, manyetik alanda sapan bu ýþýnlarýn yollarýna konan pervaneciði de döndürdüðünü, bunlarýn parçacýk akýmý olabileceðini açýkladý (2.1 Þekil). Heinrich Hertz’in (1857-1894) önderlik ettiði bir grup fizikçi ise buna karþý çýkýyor ve her türlü ýþýðýn yalnýzca elektromanyetik dalga olduðunu savunuyordu. 1895’te Fransýz fizikçi J. Babtiste Perrin (1870-1942), katottan anota doðru yayýlan bu ýþýnlarýn elektroskobu negatif elektrikle yüklediðini belirledi. Bunlarýn elektrikle yüklü parçacýklar olduðu kesindi. KATOT IÞINLARININ ÖZELLÝKLERÝ Plucker, Hittorf, Crookes ve baþka bilim adamlarýnýn çalýþmalarý, katot ýþýnlarýnýn aþaðýdaki özelliklere sahip olduðunu gösterdi: 1. Katot ýþýnlarý, içi boþ bir tüpten elektrik akýmý geçirilince katottan anota doðru yayýlýr (elektrik akýmý zorunludur). 2. Katot ýþýnlarý doðrusal olarak yayýlýr. 3. Bu ýþýnlar cam ya da fluoresan özelliði gösteren belli maddelerden ýþýn yayýlmasýna neden olur. Katot ýþýnlarý doðrudan görülmez. Sadece fluoresan etkisiyle -dolaylý olarak- görülebilir. 4. Katot ýþýnlarý negatif yüklü parçacýklarýnýn yaptýðý gibi elektriksel ve manyetik alanda pozitif kutbun etkisiyle sapmaya uðrar. 5. Katot ýþýnlarýnýn özellikleri, kullanýlan elektrodun cinsine (demir, platin vb.) baðlý olmaksýzýn aynýdýr. katot ýþýnlarý katot vakum pompasý anot 2.1 Þekil Katot ýþýnlarý tüpü Katot ýþýnlarý gerçekte gözle görülemez. Çarptýklarý bir yüzeyden yaydýklarý ýþýkla görülebilir. (Yüksek enerjili bir ýsýnýn bir madde yüzeyine çarpmasýyla 21 ATOMUN YAPISI maddenin ýþýk yaymasýna fluoresans denir.) Katot ýþýnlarýnýn önemli bir özelliði, elektrik ve manyetik alanlarda negatif yüklü iyonlar gibi sapmaya uðramalarýdýr. 2.2 Þekili inceyiniz. Katot ýþýnlarý N a b S Katot c Anot + 2.2 Þekil Katot ýþýnlarýnýn elektriksel ve manyetik alanda sapmasý. (a) Manyetik alanda (b) Manyetik ve elektriksel alan kuvvetlilere eþitken (c) Elektrik alanda Thomson, 1897'de, katot ýþýnlarýnýn yük/kütle (q/m) oranlarýný hesapladý; bu oranýn iyondakine göre çok büyük olduðunu, dolayýsýyla katot ýþýný parçacýklarýnýn çok küçük kütleli olacaðýný açýkladý. Bu oranýn katotun cinsine baðlý olmadýðýný görünce, katot ýþýnlarýnýn tüm atomlarda bulunan negatif yüklü temel parçacýklar olduðunu ileri sürdü. Bundan sonra katot ýþýnlarýna elektronlar adý verildi. (Bu terimi ilk olarak 1874'te George Stoney önermiþti.) Thomson’un Bulgularý ve Thomson Atom Modeli J.J. Thomson (1856-1940), 1894 ve 1897 yýllarý arasýnda yaptýðý çalýþmalarla katot ýþýnlarýnýn parçacýk niteliði taþýdýðýný gösterdi. Bu ýþýnlarýn kütlelerini doðrudan ölçmek imkansýzdý. Thomson, katot ýþýnlarýnýn manyetik alanda sapmalarýndan yararlanarak yükün (e) kütleye (m) oranýný (e/m) ölçtü. Hesaplanan oran, gram baþýna 2x108 coulomb dolayýndaydý. Bu da hidrojenin yük/kütle oranýndan yaklaþýk 2000 kat büyüktü (Hidrojen için yük / kütle oraný suyun elektrolizi sýrasýnda ölçülebiliyordu. Deney sonucuna göre katot ýþýný parçacýklarýnýn kütlesi, hidrojen atomu kütlesinin 1/2000 kadardý. Thomson buradan þu sonuca vardý: Katot ýþýnlarý maddelerin dolayýsýyla atomlarýn negatif yüklü temel parçacýklarýdýr. Katot ýþýný parçacýklarý, Stoney’in 1874’de öngördüðü birim negatif elektrik yükü taþýyan elektronlardýr. Thomson bu sonucu, atomun yapýsýna uyarlamaya çalýþtý. Hidrojen atomu, atomlarýn en küçük kütleli olanýydý. Bir elektron kütlesi en hafif atomun bile ikibinde biri kadardýr. Elektron negatif yüklü olduðuna göre atomun asýl kütlesini pozitif yük taþýmalýydý. Thomson, “pozitif yük atomun kütlesini belirlediðine göre, atomik hacmin de çoðunu kapsamalýdýr” diye düþündü. O’na göre atom, pozitif yükün sürekli ve düzenli olarak daðýldýðý; yaklaþýk 10-8cm yarýçaplý; içi dolu bir kürecikti. Elektronlar da kararlý bir elektrostatik düzen oluþturacak biçimde bu küreciðin içinde gömülüydü (2.3 Þekil). J.J. THOMSON (1856-1940) Britanya’lý fizikçi. Elektronu bulduðu için 1906 Nobel Ödülü’nü aldý. elektron Elektronun yükü Thomson, elektronun yük/kütle oranýný ölçmüþ ve bu oraný e/m = 1.759x108 coulomb/gram bulmuþtur; ama yük(e) ve kütle (m) ayrý ayrý belli deðildi. Biri ölçülse diðeri de kolayca hesaplanabilirdi. Olasý en küçük elektrik yükünü, 22 2.3 ÞEKÝL Thomson Atom Modeli X IÞINLARI Robert MILLIKAN (1868-1953) Elektron yükünü ölçmeyi baþaran Amerikalý bilimci. 1909’da Amerikalý fizikçi R.A. Millikan (1868-1953) ölçtü. Millikan, yað damlacýklarý deneyi diye anýlan ünlü deneyinde þunlarý yaptý: Elektrik alan içindeki bir gaz odacýðýna yað damlacýklarý püskürttü. Bu damlacýklarý da x-ýþýnlarýyla bombardýman etti. Yüksek enerjili ýþýnlar olan x-ýþýnlarý gaz moleküllerine çarpýp onlardan elektron söker. Sökülen bu elektronlar, yað damlacýklarýna yapýþarak onlarý elektrikle yükler. Farklý yað damlacýklarý farklý yüklerle yüklenecektir. Milikan’ýn baþardýðý þey, bu karmaþýk ortamdaki yað damlacýklarýnýn yükünü belirlemektir. Milikan, deney ortamýný ýþýkla aydýnlatarak (güneþ ýþýðýndaki tozlarýn parýldamasý gibi) damlacýklarýn elektronlara koþuþunu denetlemeye yöneldi. Elektron potansiyellerini ayarlayarak bir damlacýðý hareketsiz kýldý. Bu damlacýða elektrik alanýnýn, yerçekiminin ve havanýn kaldýrma kuvvetinin etkisi vardýr. Millikan, bu deneyi ile çok sayýda ölçmeler yaptý. Her damlacýk, belirli bir eþdeðer yükün ya kendisi ya da tam katlarý biçiminde yük taþýyabiliyordu. Millikan en küçük yükün -1.621x10-19 coul (4.8x10-10 esyb) olduðunu buldu. Farklý yükler bunun ancak tamsayýlý katlarý olabiliyordu. Millikan deneyi daha duyar ölçümlerle sonralarý da yineledi. Sonuç, elektriðini birim negatif yükünün (elektrondaki yükün) gerçekliðini pekiþtiriyordu. Millikan’ýn birim yükü, Thomson oranýnda yerine konarak elektronun kütlesi de bulundu: m yük e 1.6010 19 coulomb 9.11 x10 28 g yük / kütle e /m 1.76 x10 8 coulomb / g Pillerden, elektrolizlerden, katot ýþýnlarýndan geçen serüven böylece sonuca varmýþ oldu: Deðiþik maddelerden birbirinin eþi olan birim yüklü parçacýklar yani elektronlar yayýlýyordu. Elektriðin temel kuantumu; negatif yüklü, pek küçük kütleli elektronlardýr. Katot ýþýnlarý, kýzgýn katý metallerden yayýlan ýþýnlarý ve radyoaktif maddelerden yayýlan beta ýþýnlarý hep aynýdýr; bütün bunlar deðiþik hýzlardaki elektron saðanaðýdýr. 2.4 X - IÞINLARI katot ( ) katot ýþýnlarý x ýþýnlarý yüksek gerilim kaynaðý anot (+) 2.4 Þekil X ýþýnlarý tüpü 1895 Kasým ayýnda, yine katot ýþýnlarý tüpünde beklenmedik bir buluþ, araþtýrmalarýn yönünün deðiþmesine yol açtý. Thomson’un içinde bulunduðu araþtýrmacýlar katot ýþýnlarýnýn tüp dýþýndaki etkilerini araþtýrýyorlardý. Bunlardan Wilhelm Roentgen (1845-1923), 23 Kasým 1895’te, katot ýþýnlarý tüpünün dýþýnda “bir þeyler” olduðunu, tüp çevresindeki bazý maddelerin parýldadýðýný, bazýlarýnýn deðiþtiðini ilk olarak gözledi. Bu ýþýnlar, çantalarýn içindeki madenin paralarý ya da elin kemiklerini gösteren resimler veriyordu. O sýra bu ýþýnlarýn kaynaðý bilinmediði için X ýþýnlarý adý konmuþtur. X ýþýnlarýnýn bazý özellikleri aþaðýdadýr: 1. X ýþýnlarý, katot ýþýnlarý tüpünde anota çarpan katot ýþýnlarýnýn (elektronlarýn) etkisiyle yayýlan ýþýnlardýr. 2. X ýþýnlarý, elektriksel ve manyetik alandan etkilenmez, gün ýþýðý gibi elektromanyetik dalgadýr. 3. Bu ýþýnlar çok yüksek enerjili (yüksek frekanslý, düþük dalga boylu) görünmez ýþýnlardýr. Kalýn siyah bir kaðýda sarýlmýþ fotoðraf filmine bile etki eder. 4. Týpký parmak izi gibi deðiþik maddelerden yayýlan X-ýþýnlarýnýn da fotoðraf filmini ve baþka maddeleri etkileme gücü farklýdýr. Her elementin yaydýðý X-ýþýný o elementin “parmak izi” dir. X-ýþýnlarýnýn bulunmasýndan dört ay sonra fizikte yeni bir devrim patlak verdi. Fransýz fizikçi Henri Becquerel (1852-1909), radyoaktiflik denen olguyu buldu. 23 ATOMUN YAPISI 2.5 RADYOAKTÝFLÝK Eski çaðlarda, “simyacýlar”, demir, kuþun, cýva gibi elementleri “filozof taþý” ile altýna dönüþtürmeyi düþlemiþlerdi. Yüzyýllar sonra bu düþ, radyoaktivitenin bulunmasýyla, gerçek oldu. 1896’da A. Henry Becquerel (1852-1908), çok önemli bir olay gözledi. O sýralarda potasyum uranil sülfat denen uranyum filizi üzerinde çalýþýyordu. Bir miktar filizi dýþarýdan sýzdýrmayan kapalý bir kutuya koydu. Yanýna bir fotoðraf plaðý yerleþtirdi. Levha, donuk bir renge büründü. O zaman güneþe tutulan bazý maddelerin bir süre sonra bu ýþýðý geri saçtýðý biliniyor ve buna fosforluluk deniyordu. Oysa Becquerel’in elindeki filiz, fosforluluktan çok farklýydý, kendiliðinden ýþýn yayýyordu. Bu ýþýnlar, x-ýþýnlarýna benziyordu; ama X-ýþýnlarýný oluþturmak için boþaltýlmýþ tüpten sürekli bir dýþ gerilim geçirmek gerekirken yeni bulunan ýþýmalar, hiç bir dýþ uyarma gerektirmeden kendiliðinden yayýlýyordu. Dahasý uranyum cevheri, hangi fiziksel ya da kimyasal etkilerin altýnda kalýrsa kalsýn þiddeti deðiþmiyor, sývý kurþun ya da sývý hava içindeyken de ayný oranda ýþýn yaymayý sürdürüyordu. Bu yeni ve gizemli olguya Madam Curie tarafýndan radyoaktiflik adý verildi. 1899’da Becquerel, radyoaktif ýþýmanýn manyettik alanda saptýðýný, bu yüzden de, hiç olmazsa bir kýsmýnýn küçük, yüklü taneciklerden oluþtuðunu açýkladý. Olayýn çözümlenmesine iliþkin yorucu ve tehlikeli deneyler, Maria Curie ve kocasý Pierre Curie tarafýndan yapýldý. Curie’ler, 1898’de uranyum filizinden polonyum ve radyum adýný alan iki element ayýrmayý baþardýlar. Kendiliðinden ýþýma yapan maddelere radyoaktiflik maddeler denir. Bu maddeler, çok yüksek hýzdaki mermilerle ateþ eden topçu bataryalarý gibidir. Becquerel’le açýlan süreç, bir dizi ilginç buluþun baþlangýcý oldu. Radyoaktif maddeler üç tür ýþýma yayýyordu. 1899’da Rutherford alfa (D) ve beta (E) ýþýmalarýný, az sonra P. Villard da gamma (J) ýþýmasýný buldu. + N S 2.5 Þekil Radyoaktif ýþýnlarýnýn elekriksel ve magnetik alanda sapmalarý 2.1 TABLO Radyoaktif ýþýmalarýnýn özellikleri Iþýn Alfa Beta Gamma Simge Yapýsý Yükü Hýzý (Km/sn) 2 proton 2 nötron elektron Elektromanyetik dalga +2 16.000 -1 0 130.000 300.000 Alfa Iþýnlarý (D ýþýnlarý): Helyum çekirdekleridir; yükü +2, kütlesi 4’dür. Çekirdekten yaklaþýk saniyede 1600 km hýzla çýkarlar; havada 3-8 cm kadar yol alabilirken normal bir defter yapraðý ya da ince metal levhalarda durdurulabilir. Elektriksel ve manyetik alanda negatif kutbun çekimiyle hareket eder. Alfa yayan bir çekideðin yükü 2, kütlesi 4 azalýr. Alfa: 42 He. Beta Iþýnlarý (E ýþýnlarý): Çekirdekten fýrlayan elektronlardýr. Çünkü beta ýþýnlarýnýn yük/kütle (e/m), katot ýþýnlarýnýnkiyle (elektronla) aynýdýr. Buna baðlý olarak beta ýþýnlarý, elektriksel ve manyetik alanda pozitif kutbun çekimine baðlý hareket eder. Beta: 01 e. Çekirdekten yaklaþýk 130.000 km/s hýzla çýkan elektronlar, havada 10 m kadar yol alabilirler. 24 Maria CURIE (1867-1934) 1898’de kocasý Pierre ile birlikte uranyum cevheri içindeki iki radyoaktif elementi (polonyum ve radyum) keþfetti. 1903 Nobel Fizik Ödülünü Maria, Pierre ve Becquerel paylaþtý. Maria, radyum ve polonyumu keþfinden dolayý 1911’de Nobel Kimya Ödülünü kazandý. (Kocasý Pierre 1906’ da bir at arabasýnýn çarpmasý sonucu hayatýný kaybetmiþti.) ÇEKÝRDEKLÝ ATOM Gama Iþýnlarý (J ýþýnlarý): X ýþýnlarýndan çok daha yüksek enerjili, giriciliði çok yüksek, görünmez ýþýk türüdür (yüksek frekanslý elektromanyetik dalgadýr.) Yükü ve kütlesi pratikçe sýfýrdýr. J 0 0 Radyoaktifliðin bulunuþu, atomun bölünemezliði yolundaki yerleþmiþ görüþleri yýktý. Çünkü olay atomun kendiliðinden bölünebildiðini, bir elementten bir baþkasýnýn ya da baþka taneciklerin doðduðunu kanýtlýyordu. Öte yandan radyoaktiflik, radyoaktif elementin elementel ya da bileþik durumunda oluþuna fiziksel haline, nötral ya da iyon olmasýna ve hatta sýcaklýk, basýnç gibi dýþ etkenlere baðlý olmayan ve hýzý deðiþtirilmeyen bir olaydý. Bütün bunlar, radyoaktifliðin basit bir deðiþme deðil, atomdaki çok derin bir deðiþme olduðunu ve atomun çok güçlü bir enerji odaðý bulunduðunu gösteriyordu. Ernest Rutherford (1871-1937) adlý genç bir Yeni Zelandalý, fizikçi ve Ýngiliz kimyacý Frederick Soddy (1871-1937) bu olayýn bir çekirdek dönüþümü olduðunu önerdiler. Daha sonra Rutherford, elektron kümeleriyle sarýlmýþ çekirdekli atom düþüncesini kanýtlayacak ve radyoaktifliðin, iþte bu çekirdekten geldiði anlaþýlacaktý. 2.6 ÇEKÝRDEKLÝ ATOM RUTHERFORD ATOM MODELÝ E. RUTHERFORD (1871-1937) Atomda pozitif yüklü bir çekirdek olduðunu kanýtladý; 1908’de kimyadan Nobel Ödülü aldý. Normal, sýradan bir madde, yüklü elektronlarca ne çekilir, ne de itilir. Bu da atomlarýn elektrikçe nötral olduðunu gösterir. Thomson’un deneyleri atomda negatif elektrikle yüklü elektronlar bulunduðunu göstermiþ, Thomsaon da bunun ýþýðýnda “üzümlü kek” e benzettiði bir atom modeli önermiþti (1898). Bu modelde negatif yük taneli, pozitif yük sürekli görünüyordu. Atomda pozitif yükün konumu, Ernest Rutherford tarafýndan belirlendi. Alfa Parçacýklarýnýn Saçýlmasý 1909’da, Rutherford’un yönetiminde Hans Geiger ve Ernest Marsden, radyoaktif maddelerden elde edilen alfa parçacýklarýnýn ince metal levhalardaki (Au, Pt, Ag, Cu...) giriciliði üzerine bir dizi deney düzenlediler. Levhalarýn kalýnlýðý 104 ve 105 cm kadardýr. Geiger ve Marsden, alfa parçacýklarýnýn çinko sülfürle kaplý perdedeki ýþýmalarýný gözlediler. Gözlem sonuçlarý aþaðýdaki gibiydi: Radyum Alfa parçacýklarý demeti Sapma gösteren alfa parçacýklarý 2.6 Þekil Alfa parçacýklarýnýn ince metal levhadaki saçmalarý. Çizgiler alfa parçacýklarýnýn yolunu ise atom çekirdeklerini temsil ediyor. Fluoresanlý döner ekran Ýnce altýn levha Sapmadan geçen alfa parçacýklarý 2.7 Þekil Radyumdan yayýlan alfa ýþýnlarýnýn ince metal levhadan saçýlmasý 25 ATOMUN YAPISI 1. Alfa parçacýklarýnýn büyük çoðunluðu metal levhayý sapmadan delip geçmiþtir (2.6 ve 2.7 Þekil). 2. Alfa parçacýklarýnýn pek azý (yaklaþýk 20.000’de biri) metal levhayý geçerken deðiþik açýlarda saçýlmaya uðramýþtýr. 3. Çok az alfa parçacýðý da ince metal levhayý geçememiþ geldiði doðrultuda geri dönmüþtür. Alfa parçacýklarý oldukça hýzlý (1.6x107 m/s), pozitif yüklü ve kütlece hidrojen atomundan 4 kat, elektrondan 8 bin kat aðýr parçacýklardýr. Rutherford bir konferansýnda alfa parçacýklarýnýn saçýlmasý ile ilgili olarak þöyle diyordu: “Bu, yaþamýmda baþýma gelen en inanýlmaz olaydý. O kadar inanýlmaz bir þeydi ki, attýðýnýz 30 cm’lik güllenin bir kaðýt yapraðýna çarpýp geri gelmesine ve sizi yaralamasýna benziyordu... Hesaplarýmý yapýnca gördüm ki bu büyüklükte bir sonuç elde edebilmek için, atomun kütlesinin büyük kýsmýnýn pek ufak bir çekirdekte toplandýðý bir sistemi, gözönüne almak zorunludur.” Yeniden pozitif yüklü alfa parçacýklarýnýn nasýl olup da deðiþik açýlarda saçýldýðý sorusuna dönelim. Elektronlar çok küçük kütleli olduklarý için bu hýzlý ve “aðýr” gülleleri yollarýndan saptýrmada etkili olmaz; bu gülleler pozitif yüklü, çok ufak, ama çok sert (çok yoðun) bir “yere” çarpýyordu. Eðer atom, Thomson’un önerdiði gibi kütle ve yükün düzenli daðýldýðý bir kürecik olsaydý, alfa taneciklerinin hiçbiri yollarýndan sapmayacak, atomu delip geçecekti. Çünkü Thomson atomunun pozitif yükü, alfa parçacýklarýný saptýracak yoðunlukta olamazdý. Deney, atomdaki yük ve kütlenin homojen biçimde daðýlmýþ olamayacaðýný açýkça göstermekteydi. Ýþte bütün bu sonuçlar, Rutherford’un “çekirdekli atom” modelini açýklamasýna temel oldu (2.8 Þekil). çekirdek 2.8 Þekil Rutherford atom modeli (merkezdeki nokta çekirdek) Rutherfod’un Atom Modeli Alfa parçacýklarýnýn ince metal levhalardan saçýlmasýný temel alan Rutherford þu sonuçlarý açýkladý: 1. Atomik hacmin merkezinde; pozitif yüklü, atom kütlesinin çok büyük bir kýsmýný barýndýran, çok yoðun ve atomik hacme göre pek küçük hacimli bir çekirdek vardýr. 2. Farklý element atomlarýnýn çekirdek yüklerinin deðeri farklýdýr ve yaklaþýk olarak elemetin atom kütlesinin sayýsal deðerinin yarýsýdýr. 3. Bir atomun çekirdeðinin dýþýnda birim çekirdek yükleri sayýsýna eþit sayýda elektron olmalýdýr (atomun elektrikçe nötral olabilmesi için). Çok sayýda alfa taneciðinin levhalarý delip deðiþik açýlarda saçýlmasý, elektronlarýn çekirdeðe uzaklýðýnýn, çekirdek çapý yanýnda çok büyük olduðunu gösterir. Rutherford, bu nitel sonuçlarý nicel kanýtlarýyla birleþtirdi ve çekirdeðin yükü ve büyüklüðü konusunda çýðýr açýcý bilgileri sundu. Alfa taneciklerinin sapmalarýndan yararlanarak çekirdek yarýçapýnýn 1013 - 1012 cm düzeyinde olduðunu hesapladý. Atom çapý, çekirdek çapýndan 105 ya da 106 kez daha büyüktü. Arada elektronlarýn gezdiði bir boþluk vardý. Çekirdek yoðunluðu da madde yoðunluðunun 1015 katýydý. Rutherford, farklý yönlere sapan alfa taneciklerinin sayýsýndan yararlanarak çekirdekteki yük sayýsýnýn yaklaþýk hesaplanabileceðini gösterdi. Farklý çekirdeklerin yükleri hep birim elektrik yükünün tam katlarý idi. Bu hesaplar elementlerin periyodik cetveldeki yerleriyle de uyuþuyordu. Deneyin geliþtirilmesini ve çekirdek yükünün tam ölçülmesini 1920’de onun öðrencisi olan Sir James Chadwick (1891-1974) yaptý. Deney ve hesaplar, yüksüz bir atomda elektron sayýsý ile çekirdekteki pozitif yük sayýsýnýn eþit olduðunu gösteriyodu. Zamanýn fizik bilgileri ýþýðýnda Rutherford “Güneþ sistemine benzeyen 26 J. CHADWICK (1891-1974) Nötronu o buldu. X IÞINLARI ve ATOM NUMARASI bir atom modeli önerdi. Güneþin yerine pozitif yüklü atom çekirdeði, gezegenlerin yerine de geliþgüzel yörüngelerde dolanan negatif yüklü elektronlar geçiriyordu. Ýlk sorun þuydu: Atom çekirdeklerini oluþturan protonlar, ayný yüklü olduklarý halde nasýl olup da küçücük bir hacimde son derece kararlý olarak bulunabiliyorlar? Öyle ya pozitif yüklü olan ve herbiri, herbir elektrondan 1836 kat aðýr olan protonlar þiddetle birbirlerini iteceðine göre onlarý birarada baðlayan nedir? Ýkinci sorun: Çekirdek ile elektronlar arasýndaki iliþkinin niteliðiydi. Güneþ ile gezegenler arasýndaki etkileþim kütlesel, çekirdek ile elektronlar arasýndaki ise elektriksel çekimdir. Birisi evrenin her yerinde varolan ama zayýf bir çekim, öbürü ise ondan 1036 kat güçlü olan elektriksel çekim. Zamanýn fizik bilgilerine göre elektron gibi yüklü ve hareket halindeki bir tanecik sürekli enerji kaybeder. Bu durumda elektron uzaya sürekli elektromanyetik ýþýmalar yayan küçük bir istasyon gibidir. Buna göre çekirdeðe en uzaktaki bir elektron bile daralan bir spiral harekete 108 sn içinde çekirdek üzerine düþmelidir. Bu ise atomun ölümü demeye gelir. Çekirdekli kararlý atomlarýn varlýðý bir gerçek olduðuna göre herhalde yanlýþ olan gezegen türü modeldi. Ýlk soruna yaklaþýmý Rutherford’un kendisi yaptý. Atom kütlesinin, içerdiði elektron ve protonlarýn kütleleri toplamýndan daha büyük çýkmasýný gözönüne alan Rutherford, 1919’da çekirdekkte bu kütle açýðýný tamamlayan yüksüz bir taneciðin olabileceðini ileri sürmüþtü. Nötron denen bu yüksüz taneciði 1932’de, onun öðrencisi Chadwick buldu. Ýkinci temel sorun, yani elektronlarýn çekirdek çevresindeki düzeninin nasýl olduðunun anlaþýlmasý ýþýðýn niteliðinin ve atom ile ýþýk iliþkisinin tanýnmasýyla oldu. Rutherford, deneyini yaptýðý aralarda iki ünlü bilimci ýþýðýn iki ayrý bileþeni üzerinde çalýþýyordu. Ýngiliz fizikçi H.G. Moseley (1887-1915) X-ýþýnlarýný, Danimarkalý fizikçi Niels Bohr (1885-1962) da hidrojen atomunun soðurduðu ve yaydýðý ýþýðýn mekanizmasýný inceliyordu. Rutherford’un modelindeki çeliþkiler, onunla birlikte çalýþmaya gelen Bohr tarafýndan yanýtlandý. Bohr’un kuramýný anlamak için, yüzyýlýmýzýn baþlarýnda yer alan önemli olaylara göz atmak gerekiyor. 2.7 X IÞINLARI ve ATOM NUMARASI Alfa parçacýklarýnýn saçýlmasý deneyinin analizleri atom çekirdeðinde birim pozitif yükün tam katlarýna sahip bir yük bulunmasý gerektiðini gösteriyordu. Rutherforda her elementin atomlarýnda karakteristik bir çekirdek yükü bulunduðunu belirtmiþti. X-ýþýnlarý üzeinde çalýþan H.G.J. Moseley, 1913’de X-ýþýný tüpünde anottaki madde deðiþtikçe oluþan ýþýðýn frekansýnýn da deðiþtiðini ve her elementin kendine özgü bir X-ýþýný yaydýðýný gördü. Elementin atom kütlesi arttýkça yayýlan X-ýþýnlarýnýn frekansý da artýyordu. Moseley, kullandýðý metallerin atom kütleleri ile onlarýn yaydýklarý X-ýþýnlarý frekansýnýn kare kökü arasýnda bir grafik çizildiðinde, kimi sapmalarýn yanýnda kalktýðýný gördü. Moseley Xýþýnlarý tüpünde anot olarak bileþik kullanýldýðýnda da bileþiðin içerdiði elementlere özgü ýþýnlar elde etti. Yani bir element ister bileþik içinde yer alsýn, ister almasýn hep ayný X-ýþýnlarýný yayýyordu. Moseley’in deney sonuçlarý, kimyasal tepkimelerde atom çekirdeðinin korunduðunu, ama çekirdek yükü ayný olan atomlarýn ayný kimyasal davranýþ gösterdiðini ortaya koydu. Yani kimyasal davranýþta atom aðýrlýðýnýn temel olduðu sanýsý yýkýldý. Ýzotoplarýn ayrý ayrý element olmadýðý böylece anlaþýldý. Elementlerin artan atom kütlelerine göre sýralamasýnda Ni - Co, Ar - K ve Te - Ý çiftleri kimyasal özellikleriyle baðdaþmaz. X- 27 ATOMUN YAPISI ýþýnlarý kimyasal davranýþta çekirdek yükünün temenolduðunu gösterince bu uyuþmazlýk da çözüldü. Moseley, çekirdek yüküne atom numarasý dedi. X ýþýnlarý Katot ýþýnlarý anot (+) katot hedef vakum giriþi 2.9 Þekil X-ýþýnlarýnýn oluþumu. X-ýþýnlarý, katot ýþýnlarý ve morötesi ýþýnlar, görünür ýþýk yayan bazý floresan maddeler aracýlýðýyla “görülür”. Pozitif yüklü temel birimlerin, yani protonlarýn baðýmsýz olarak varlýðý ilk kez 1919’da Rutherford tarafýndan saptandý. Bu sonuç, alfa parçacýklarýnýn havadaki ilerleyiþinin incelenmesinden elde edilmiþir. Radyumdan çýkan alfa parçacýklarý azot (nitrojen) atomlarýnýn çekirdeklerinden proton açýða çýkarmýþtýr. Azot çekirdeði + Alfa parçacýðý o Oksijen çekirdeði + Proton 2.8 ATOMUN TEMEL PARÇACIKLARI Protonlar ve Nötronlar Rutherford, atom çekirdeðinde birim pozitif yüke sahip parçacýklarýn bulunduðunu düþünüyordu. 1919'da havadaki azot atomlarýnýn alfa parçacýklarýyla bombardýman edince pozitif yüklü parçacýk oluþtuðunu gördü ve bu parçacýða proton adýný verdi. Rutherford, çekirdekte elektrikçe nötral temel parçacýklarýn bulunmasý gerektiðini açýkladý. Bu nötral parçacýklarý 1932'de öðrencisi James Chadwick gözledi. Atom çekirdeðinin bu ikinci parçacýðýna nötron dendi. 2.10 Þekilde helyum atomu gösterilmiþtir. (2 proton, nötron ve 2 elektron). Proton ve nötronlarýn herbirine nükleon (“çekirdeði oluþturan”) denir. Atomun temel parçacýklarýnýn yük ve kütleleri 2.2 Tabloda verilmiþtir. elektron proton nötron 2.2 TABLO Atomun Temel Parçacýklarý Kütle(akb)* Yükü (e) Parçacýk Kütlesi (kg) Yükü (C) Elektron 9.10939x10-31 -1.60218x10-19 0.00055 -1 -27 -19 1.00728 +1 1.00866 0 Proton 1.67262x10 Nötron 1.67493x10-27 +1.60218x10 0 * Bir atomik kütle birimi (akb), 1.66x1027 kg’dýr. Atom Numarasý (Z), Kütle Numarasý (A) Bir atomdaki proton sayýsýna (çekirdek yüküne) atom numarasý denir; bu numara Z ile gösterilir. Nötral bir atomda Z, elektron sayýsýna da eþittir. Elektronlarýn kütleleri çok küçüktür. Proton ve nötronlarýn kütleleri birbirine çok yanýdýr (nötronun biraz büyük) ve bunlarýn herbiri, bir elektron kütlesinin yaklaþýk 1840 katý kütlelidir. Buna göre atomun kütlesinin çok büyük bir çoðunluðu çekirdektedir. Atom çekirdeðindeki proton ve nötron sayýlarý toplamýna kütle numarasý denir ve bu numara A ile gösterilir. 28 2.10 Þekil Helyum atomunun çekirdekli modeli ATOMUN TEMEL PARÇACIKLARI p sayýsý + n sayýsý P sayýsý A Z E elementin simgesi Elementler, genellikle, Ýngilizce adýndaki bir veya iki harfle simgeleniyor. Ýlk harf büyük, varsa ikincisi küçüktür: karbon C, oksijen O, nitrojen (azot) N, silisyum Si. Bazý elementlerin simgesi, eski zamanlardan kalma Latince adýna göredir: demir Fe (ferrum) ve kurþun Pb (plumbum). Bugün kullandýðýmýz elementleri simgeleme yöntemini 1813'te Ýsveçli kimyacý Jons Jakob Berzelius (1779-1848) geliþtirdi. J. J. BERZELIUS (1779-1848) Ýsveçli kimyacý. Simge ve formüllerin modern yazýlýmýný geliþtirdi. Berzelius, ayný zamanda yorulmaz bir deneyciydi. Çeþitlerin atom kütlelerini ölçmek için yýllarca çalýþtý. Ýzotoplar Dalton, 19. yüzyýl baþýnda açýkladýðý atom kuramýnda belli bir elementin atomlarýnýn ayný kütlede olduðunu ileri sürmüþtü. 1912'de J.J. Thomson, neon gazýndan oluþan pozitif iyonlarýn kütle/yük oranlarýný ölçtüðünde farklý kütleli neon atomlarý olduðu anlaþýdý: 20 10 21 10 Ne Ne 22 10 Ne Bir elementin tüm atomlarýnda atom numarasý, yani proton sayýsý aynýdýr; ama nötron sayýsý farklý olabilir. Atom numarasý (Z) ayný, kütle numarasý (A) farklý olan atomlara izotop atomlar denir. Ýzotop atomlarýn doðadaki bulunma yüzdeleri farklýdýr. Örneðin doðadaki neon atomlarýnýn % 90.48 i neon-20; % 9.26 sý neon-22 ve % 0.27 si neon-21 izotoplarýdýr. Ýzotop atomlarýnýn kimyasal özellikleri aynýdýr. Ýzotop terimi, daha önce F. Soddy tarafýndan, kimyasal özelliði ayný olduðu halde radyoaktifliði farklý olan atomlar için kullanýlmýþtý. Radyoaktifliðin bulunmasý ile Dalton’un “bir atom baþka bir atoma dönüþemez” yargýsý yýkýldý. Ýzotoplarýn varlýðý da Dalton’un “belirli bir elementin tüm atomlarý ayný kütlededir” yargýsýný yýktý. 12 13 14 6 C, 3 C, 6 C ; 16 8 Karbonun izotoplarý O, 178 O, 188 O Oksijenin izotoplarý ; 35 17 Cl, 37 17 Cl Klorun izotoplarý Ýzotop Atomlar 1. Atom numarasý ayný, kütle numarasý farklý atomlardýr. 2. Ayný elemente ait atomlardýr. 3. Kimyasal özellikleri ayný olan atomlardýr. 2.1 ÖRNEK Aþaðýdaki atomlarýn kapsadýðý proton, nötron ve elektron sayýlarýný belirtiniz. A) 24 11 Na B) 24 12 Mg C) 80 35 Br D) 230 90 Th ÇÖZÜM A) 11p, 11e, 13n Mg 12p, 12 e, 12n Br 35p, 35 e, 45n Th 90p, 90 e, 140n 24 11 Na B) 24 12 C) 80 35 D) 230 90 29 ATOMUN YAPISI 2.2 ÖRNEK Nötral oksijen atomu 8 elektron içerir. Oksijen elementinin 8, 9, 10 nötron içeren üç izotopunu simgeleyerek gösterin. ÇÖZÜM Atomlar elektrikçe nötralken elektron sayýsý = proton sayýsý = atom numarasýdýr. Ýzotoplarýn kütle numaralarý da 8+8=16; 8+9=17 ve 8+10=18 dir.Buna göre izotoplarýn gösterimi þöyledir: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O Ýyonlar Kimyasal deðiþmelerde atomlarýn çekirdekleri deðiþmez. Elektronlar alýnýp verilir ya da ortak kullanýlýr. Bir atomdan kaç elektron koparsa -proton sayýsý ayný kalýp elektron sayýsý azaldýðý için- o sayý kadar pozitif yük taþýyan bir iyon oluþur. Pozitif yüklü iyonlara katyon (“katota giden”) denir. Örneðin Baryum (Ba) atomlarý bileþiklerinde hep +2 yüklü iyonlar halinde bulunur. 138 56 Ba 56 proton 56 elektron 82 nötron iki elektron vererek 138 +2 56 Ba 56 proton 54 elektron 82 nötron Bir atom, kazandýðý elektron sayýsý kadar net negatif yük taþýr. Negatif yüklü iyonlara anyon (“anota giden”) denir. Örneðin azot atomu (N), bazý bileþilerinde -3 yüklü iyonlar halinde bulunur. 14 7N 7 proton 7 elektron 7 nötron üç elektron alarak 14 -3 7N 7 proton 10 elektron 7 nötron 2.3 ÖRNEK Zn+2 iyonu 28 elektron 35 nötron içerdiðine göre atom numarasý ve kütle numarasý kaçtýr? ÇÖZÜM 28 elektron, 28 birim negatif yük demektir; iyon +2 yüklü olduðunda birim pozitif yük sayýsý (proton sayýsý) 30’dur. 65 Kütle numarasý = proton sayýsý + nötron sayýsý = 3x+35=65’dir. 30 Zn. 2.4 ÖRNEK Uranyum (U) atomuna ait +2 yüklü iyonda 90 elektron vardýr. Buna göre çekirdeðinde 142; 143 ve 146 nötron taþýyan izotoplarý simgeleyiniz. ÇÖZÜM +2 yüklü iyon, 90 elektron taþýdýðýna göre nötral U atomunda 92 elekron bulunur. Ýzotop atomlarýnda çekirdek yükü (proton sayýsý) aynýdýr. Ýzotoplarýn kütle numaralarýný bulalým. 30 92 142 234 ; 92 143 235 ; 92 146 238 ; 234 92 U 235 92 U 238 92 U BOHR ATOM KURAMI 2.5 ÖRNEK Se2 iyonunda 36 elektron, 45 nötron bulunduðuna göre: I. Nötral Se atomu, 34 elektronludur. II. Tüm Se atomlarý 34’er proton taþýr. III. Verilen izotopun kütle numarasý 81’ dir. yargýlarýndan hangileri doðrudur? ÇÖZÜM Se2 iyonu 36 elektronlu olduðuna göre nötral Se atomu 34 elektronludur; ya da Se’un atom numarasý 34; kütle numarasý da 34+45=79’dur. I. ve II. yargýlar doðru, III. yanlýþtýr. 2.9 BOHR ATOM KURAMI Max PLANCK (1858-1947) 1900 yýlýnda enerjinin kuantlý olduðunu belirten E=h.f (enerji=Planck sabiti x ýþýðýn frekansý) baðýntýsýný buldu. Niels BOHR (1885-1962) Atom tayflarýný, elektronlarýn belirli enerji düzeylerinde bulunduðunun kanýtlarý olarak yoruladý ve ispatladý. 1922’de Nobel Fizik Ödülü’nü aldý. 1920’lerde fizikçilerin baþkenti olan Kopenhag’taki kurumsal fizik enstitüsünün baþkanlýðýný yaptý. Atomlardan yayýlan ýþýk Rutherford’un minyatür Güneþ sistemine benzeyen atom modeli ile tam çeliþki gösteriyordu. Elektronlar, belli enerji düzeylerinde deðil de çekirdek çevresinde geliþigüzel yollarda dolanýyor olsaydý, atomdan yayýlan ýþýk, tipik tayf çizgileri yerine kesiksiz bir tayf oluþturmalýydý. Çünkü elektron sürekli ýþýmayla sürekli enerji yitirmeli ve sürekli enerji deðiþtirmeliydi. Yine klasik kurama göre, elektromanyetik ýþýma yörüngedeki elektronlarýn enerjisini tüketmeli ve bunun sonucu olarak da elektronlar daralan bir spiral düþüþ hareketiyle 108 saniye içinde çekirdeðe düþmeliydi. Oysa atomlarýn tayfý, çizgili tayftý ve üstelik atomlar yadsýnamaz kararlýlýklarýyla ortadaydýlar. Hidrojen gazýnýn tayfýný inceleyen Danimarkalý fizikçi Niels BOHR (18851962) iþte bu çeliþkilere çözüm olarak 1913’de yeni bir atom modeli ortaya attý. Bohr, o zamanki fiziksel buluþlarýn dört ayrý kýyýsýný birleþtirmek ve bunlarý elektron sayýsýna baðlamak baþarýsýný göstermiþti. Bu dört kýyý, þöyledir: (a) Rutherford’un varlýðýný kanýtladýðý, çok küçük hacimde istiflenmiþ, çok yoðun ve pozitif yüklü atom çekirdeði. (b) Atomlarýn çizgisel tayf vermesi ve Balmer’in daha önceden bulmuþ olduðu basit tayf yasalarý. (c) Moseley’in her elementin týpký parmak izi gibi kendine özgü x-ýþýnlarý oluþturmasý. (d) Bütün bunlarý birbirine baðlamayý olanaklý kýlan Planck’ýn kuantum kuramý ve E=hX baðýntýsý. Bütün bu düþünceleri kaynaþtýran Bohr þu sonuca ulaþtý: “Mekanik bir sistemin iç hareketi, her enerjiye deðil, sadece kesikli enerjilere sahip olabilir. Hareket, ancak sonlu adýmlarla durumunu deðiþtirebilir. Kuantum olaylarý, atom ve moleküllerin içinde etkili olur, kuantum sabitinin küçüðü de bunun belirtisidir.” Iþýðýn sürekli deðil yalýnýk (kesikli) olduðu ve “foton” denen enerji kuantlarýndan oluþtuðu düþüncesinden ve hidrojen tayfýnýn denel verilerinden yola çýkan Bohr, yeni bir Kepler gibi “elektron yörüngeleri de belirli ya da kuantlaþmýþ olmalýdýr.” dedi. Yani elektronlar, öyle geliþigüzel deðil, belirli, adeta izin verilen enerji düzeylerinde dolanmalýydý. Bir merdivende buçuðuncu basamaða ya da vites kutusunda üç yetmiþ beþinci vites olmadýðý gibi çekirdek çevresindeki elektronlarda n=1, 2, 3, 4 ile “kuantum sayýlarý” ile belirtilebilen “dairesel yörüngelerde” dolanýyor olmalýdýr. n, “baþkuant sayýsý” diye anýlýr. Bohr’un düþünceleri þöyle özetlenebilir: 1. Hidrojen atomu her düzeyi deðil, belirli bazý enerjileri alabilir; yani hidrojen atomunun enerjisi kuantize olmuþtur. Bunlar çekirdeðe yakýndan uzaða n=1, 2, 3, 4, 5, 6 ve 7 gibi kuantum numaralarý ile ya da yine ana düzeylerini simgeleyen K, L, M, N, O, P ve Q harfleri ile belirtilir. Elektron ve proton, birbirlerine elekt- 31 ATOMUN YAPISI riksel çekim uygulayamayacak kadar uzaksa çekim potansiyel enerjisi sýfýrdýr. Elektron çekirdeðe yaklaþtýkça potansiyel enerjisi de azalýr. (Bu nedenle elektronun dolayýsýyla atomun potansiyel enerjisi negatif iþaretlidir.) Bohr, hidrojen atomunun alabileceði enerjilerin E=-313.6/n2 Kkal / mol atom baðýntýsýna uyduðunu denel olarak gösterdi. 2. Hidrojen elektronu n=1’de iken atom ve elektron en düþük enerjilidir ve “temel durumda” dýr. Temel durumdaki atom kararlýdýr, hiçbir ýþýma yapmaz. Enerjisi E1 ve E2 olan iki enerji düzeyi arasýndaki deðiþmeler için (n1 o n2 için) ýþýk soðurulur veya (n2 o n1 için) ýþýk yayýlýr. Yüksek enerjili atoma “uyarýlmýþ atom” denir. Uyarýlmýþ atomlar (daha açýkçasý onlarýn elektronlar) kendi haline býrakýlýr býrakýlmaz, ýþýk yayarak temel duruma iner. Ýki düzey arasýndaki enerji farký E2E1=hX’dür. 3. Enerji düzeyleri çekirdek çevresindeki belirli yarýçaplý dairesel yörüngelerdir. Elektronlar dairesel hareket yaparlar. 4. Dairesel yörünge üzerinde dolanan her parçacýk gibi elektronun da bir açýsal momentumu (m.v.r) vardýr. Bu h / 2S’nin tam katlarý olacak þekildedir. h m.v.r n 2S m : elektron kütlesi v : elektron hýzý r : dairesel yörüngenin yarýçapý n : yörünge numarasý h : Planck sabiti Bohr’a göre hidrojenin çekirdeðinin kütlesi 1.67x1027 kg; çapý, yaklaþýk 15 10 cm; yükü 1.6x1019 coulomb’dur. Bohr, hidrojen atomu için çekirdeðe en yakýn (n=1) yörünge yarýçapýný da hesapladý: 0.526 A°. Diðer yörüngelerin yarýçaplarý n=2 için 22=4, n=3 için 33=9 kat daha büyüktü. n=1 düzeyinde elektronun hýzý da 2200 km / s idi. Bu hýz ýþýðýnýn hýzýnýn yüzde birinden daha küçük bir deðerdir. Bohr’un yukarýda anýlan temel öngörülerinden 1. ve 2. doðru, 3. yanlýþ, 4. ise kýsmen doðrudur. Bu öngörüler hidrojen atomunu ve He+, Li+2, Be+3 gibi elektronlu basit iyonlarýn davranýþýný baþarýyla açýkladý. Bohr, tek bir sezgisel darbeyle tayf ölçümünün karmaþýk sonuçlarýný çözmeyi ve atom elektronlarýnýn mekanik momentumlarýnýn temel kuantum sabiti h’nin tam sayý katlarý olmasý gerektiðini belirten varsayýmla tüm gözlenen emisyon frekanslarýný açýklayabilmeyi baþarmýþtý. Ama O’nun öngörüleri çok elektronlu atomlardaki durumu açýklayamýyordu. Çok elektronlu atomlarýn her enerji düzeyinde 2n2 kadar elektron olabileceðini spektrum çizgileri de bildiriliyordu. Bu, atom ya da iyonlarýn tayflarý enerji düzeylerinin yarýlmalara uðradýðýný gösteriyordu. Atomdan yayýlan ýþýk bir elektrik ya da manyetik alan içine alýndýðýnda bu yarýlmalar çok daha net ve ayrýntýlý görülüyordu. Oysa Bohr, belirli bir enerji düzeyindeki tüm elektronlarýn enerjisinin de ayný olacaðýný söylüyordu. Ortaya atýldýðýnda bir baþarýlar destaný olan Bohr kuramý, ancak 12 yýl yaþayabildi ve yerini yeni kuantum mekaniðine terketti. Bohr, kuramýný ortaya attýðý yýllarda, 1914’de, James Franck ve Gustav Hertz, atomlarýnýn iyonlaþmaksýzýn ancak belirli enerjileri yutabildiðini ya da atomlarýn belirli enerji deðerlerinden geçtikten sonra iyonlaþtýklarýný buldular. Onlar çeþitli gazlarý elektronlarla bombardýman ettiler. Elektron tabancasýyla hýzlandýrýlan elektronlar, belirli bir enerji aralýðýnda esnek çarpmaya ve sonra belli bir enerji aralýðýnda esnek çarpmaya ve sonra belli bir enerji kaybýna uðruyor. 32 DALGA - PARÇACIK ÝKÝLÝÐÝ Elektronlarýn enerjisi belli bir sýnýrýn altýnda iken atomlarda hiçbir deðiþiklik gözlenmiyordu. Demek, elektronun taþýdýðý enerji atomu birinci kuantum durumundan ikinciye yükseltmeye yetmiyordu. Örneðin cýva (Hg) buharý, ilk adýmda 5.2 eV (elektron volt) ikinci adýmda 6.7 eV’luk bir enerji soðuyordu. Ýþte bir atomun ardarda, kesikli biçimde alabildiði böylesi enerji deðerlerine uyralýma potansiyeli denir. Bu da elektronun atomdaki temel durumundan daha üst düzeye çýkarken gerek duyduðu ve ya da geri dönerken yaydýðý enerjidir. Franck ve Hertz, atomun kesikli enerjileri yuttuðunu ya da elektronlarýn kesikli enerji basamaklarýnda bulunduðunu denel olarak göstermiþ oldular. Eðer atoma verilen enerji, çekirdek ile elektron arasýndaki çekimi büsbütün yenecek deðere ulaþýrsa elektron çekirdek ve atomdan kopar. Bu enerjiye iyonlaþma enerji denir. Hidrojen atomunda iyonlaþma enerjisi 1311 kJ/mol dür. Elektron çekirdekten sonsuz uzakta (n=f) ise potansiyel enerjisi sýfýrdýr. Öyleyse çekirdeðe yaklaþtýkça enerjisi negatif olacaktýr. 2.10 DALGA - PARÇACIK ÝKÝLÝÐÝ Saçýlan foton Gelen foton e 2.11 Þekil Yüksek enerjili olan x ýþýnlarý, serbest ya da atoma zayýf baðlý elektronlara çarpýnca týpký maddesel tanecik gibi saçýlmaya uðrar. Fotonun elektrona çarpma doðrultusuna baðlý olarak saçýlma her doðrultuda olabilir. Saçýlan fotonlarýn dalga boyu, genellikle gelenlere göre daha büyüktür. Bu da gelen fotonlarýn enerjilerinin bir kýsmýnýn elektrona geçmesiyle olabilir. Louis de BROGLIE (1892-1977) Hareket eden parçacýðýnýn ayný zamanda dalga özelliði taþýdýðýný öne süren Fransýz bilim adamý. Ýlginçtir, ýþýðýn dalga katarý biçiminde mi yoksa parçacýk akýný biçiminde mi olduðu tartýþmasý, daha 17. yüzyýlda Newton’la Huygens arasýnda baþlamýþtý. Newton ýþýðýn yayýlmasýný bir parçacýk akýný olarak, Huygens de bir dalga akýný olarak öneriyordu. Tartýþma hem parçacýklarýn hem de dalgalarýn en kestirme yolu seçtikleri düþüncesiyle noktalanýyordu. Dalgalar; zamaný, parçacýklar da; hareketi en kýsa yapacak bir yol izlerdi. Einstein, 1905’de fotoelektrik olayý temel alarak ýþýðýn kesikli olduðunu kanýtladý ve Newton’u haklý çýkardý. Iþýk, foton denen birimlerin akýmýydý. Ama Huygens de haklýydý. Compton Olayý Güneþten gelen ýþýnlar, atmosferde yansýr; ama bu sýrada ýþýðýn dalga boyu ve frekansý deðiþmez. Oysa yüksek enerjili, çok kýsa dalga boylu olan x ýþýnlarý atomlara çarpýnca dalga boyu deðiþir. Bu olgu ilk kez 1923’de Amerikalý fizikçi Arthur Compton (1892 - 1962) tarafýndan gözlendi. Compton, grafit üzerine x ýþýnlarý saldýðýnda yansýyan x ýþýnlarýnýn enerjilerinde azalma olduðunu gördü. Bu durum ancak esnek iki topun çarpýþmasýna benzetilebilirdi. (2.11 Þekil) Fotoelektrik olay gibi Compton olayý da elektromanyetik ýþýmanýn fotonlu (parçalý) olduðunun bir kanýtý oldu. Atomlardan yayýlan ýþýk, “uyarýlmýþ” elektronlarýn “taban” duruma inerken yaydýklarý belli frekanslý ýþýktýr. Elektrik ve manyetik alanda bu enerji sýçramalarý kýsmi çizgilerle yeniden kesilir. Tayf çizgilerindeki bu yarýlmalarla atom çekirdeði çevresindeki elektron düzeni arasýndaki iliþkiler 1925-30 yýllarýnda geliþtirilen “Yeni Kuantum Mekaniði” adlý kuramla açýklandý. Bunun üç temel adýmý vardýr: parçacýklarýn dalga niteliði, belirsizlik ilkesi ve olasýlýk hesaplarý. Hemen hemen ayný anda dört farklý fizikçi, biçimce farklý da olsa özce ayný olan çözümlere ulaþtýlar. Bu fizikçiler Fransa’da Broglie, Almanya’da Schrödinger ve Heisenberg, Ýngitere’de Dirac’týr. de Broglie Baðýntýsý Elektronlarý katý birer boncuk gibi düþünmeye alýþmýþýzdýr. Iþýðýn dalga olduðu düþüncesine alýþtýktan sonra, bazý hallerde, örneðin fotoelektrik olayda, ýþýðýn bir parçacýklar saðanaðý gibi davrandýðýný da þaþarak görmüþtük. Þimdi de maddenin ya da elektron dediðimiz parçacýklarýn dalga niteliðinde olduðunu 33 ATOMUN YAPISI göreceðiz. Hareketli bir parçacýðýn dalga ile ilgisi ne olabilir? 1923-1924’de Louis de Broglie (1892-1977) parçacýk ve dalga ayrýlýðý yerine bunlarýn baðdaþtýðý düþüncesini geliþtirdi. 0, 17. yüzyýla, Newton’la Huygens’in tartýþmasýna kadar geri gitti. Bu tartýþma hem parçacýklarýn hem de dalgalarýn en kestirme yolu seçtikleri düþüncesiyle noktalanýyordu. Dalgalar zamaný, parçacýklar da hareketi en kýsa yapacak bir yol izlerlerdi. Broglie, iþte bu benzerliðin tek bir ilkeye indirgenip indirgenmeyeceðini düþündü. Iþýk kesikli, parçacýklýydý; iyi de elektron gibi parçacýklar da dalga özelliði göstermez miydi? Her parçacýða bir dalganýn eþlik ettiði ve her dalganýn da dalga boylarýnda sýralanmýþ parçacýklardan oluþtuðu düþünülmez miydi? Maddenin dalga niteliði konusundaki temel varsayýmý ortaya koyarken Broglie’nin kullandýðý matematik, son derece basit ve yalýndýr; ama temel düþünceler derin ve zengin sonuçludur. Bir fotonun enerjisinin h x X (Planck eþitliði, 1900) m kütleli bir maddenin enerji eþdeðerinin de m.c2 (Einstein baðýntýsý, 1905) olduðunu biliyoruz. Broglie iþte bu ayrý ayrýymýþ gibi duran iki eþitliði birleþtirdi. h . Q = m. c2 (a) (b) 2.12 Þekil X-ýþýnlarý ve elektron kýrýnýmýnýn karþýlaþtýrýlmasý. Altýn (Au) levhadan geçen X-ýþýnlarýnýn kýrýmýný (a), elektron kýrýnýmý (b) (1) Elektron ya da bir taneciðin “dalga” ile iliþkisini bulacaðýmýza göre “dalga boyu nedir?” sorusunun yanýtýný vermeliyiz. Iþýk hýzý (c), dalga boyu (O) ile frekansýn (Q) çarpýmýna eþittir: O c idi, buradan Q Q c bulunur. O Bunu (1)baðýntýsýnda yerine koyarsak h O m c bulunur. (2) (2) baðýntýsýnda h, Planck sabiti (6.626x1034 Js.), “mc” de fotonun momentumunu gösterir. Momentum, maddesel varlýklarýn bir özelliðidir; c, ýþýk hýzýdýr; elektronun ya da baþka bir parçacýðýn hýzýný v ile gösterirsek dalga boyu baðýntýsý þöyle yazýlabilir: h m.v Kýrýným, giriþim, polarýlma gibi olaylar, ýþýðýn dalga tabiatýnýn kanýtlarýdýr. Broglie’nin öngörüsü doðruysa bir kristalden geçen elektron demeti de týpký bir ýþýk demeti gibi kýrýným göstermeliydi. Broglie düþüncesini açýkladýktan 3 yýl sonra, 1927’de Amerikalý bilimciler Clinton Davisson ve Lester Germer elektronlarýn kritallerdeki kýrýnýmýný denel olarak gösterdiler. Kristallerdeki iyon demetlerinin arasý, kýrýným yarýklarý görevini gördü. Ayný deneme ayný yýl Sovyet bilimci P. Tartakovsky tarafýndan da gerçekleþtirildi (2.12 Þekil). Böylece foton, elektron, hatta proton, nötron gibi elementer parçacýklarýn ikili doðada olduðu anlaþýldý: hem dalga, hem parçacýk. Broglie baðýntýsý, hareket halindeki her parçacýðýn ayný zamanda dalga özelliði taþýdýðýný bildiriyor. Gündelik yaþamdaki maddeler için dalga boyu pek küçük ve önemsizdir; dalga özelliði atomaltý parçacýklar için önem taþýr. 65 km / saat hýzla giden 100 - g tenis topunun dalga boyu 1030 m; 2000 km / s hýzdaki bir elektronun dalga boyu ise 3.6 x 108 cm’dir. O 34 E. SCHRODINGER (1887-1961) Kuantum kuramýnýn büyük öncülerindendir. Dalga mekaniðinin temeli olan bir denklem türetti. 1933 Nobel fizik ödülünü aldý. ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ Schrödinger Denklemi mikroskop fo to n Parçacýklarýn dalga özelliði göstermesini dikkate alan Erwin Schrödinger (1887-1961) 1926’da ünlü denklemini türetti. Bu denklem, bir parçacýðýn bir yerde bulunma olasýlýðýný verir; herhangi bir ilkeye dayanmaz, kendisi bir ilk ilkedir. Belirsizlik Ýlkesi elektron mikroskop (a) foton elektron (b) 2. 13 Þekil Serbest bir elektron düþünsel bir mikroskobun (a) görüþ alanýndadýr. Bu ýþýk fotonu elektrona çarpar ve kýrýlýr. Bu çarpýþmada foton momentumunu elektrona aktarýr. Mikroskopta kýrýlan foton görülürken elektron mikroskobun görüþ alanýnýn dýþýna çýkar (b). Bu nedenle elektronun gerçek konumu belirlenemez. Elektronun çekirdek çevresindeki durumuyla ilgili diðer bir görüþü 1927’de Werner Heisenberg (1901-1976) açýkladý. Belirsizlik ilkesi diye anýlan bu düþünceye göre, kütlesi çok küçük, hýzý çok yüksek olan bir parçacýðýn “yer”i ve “hýzýný” ayný anda tam bir kesinlikle deðil, ancak bir dereceye kadar saptayabiliriz. Bu sonuç düþünsel bir deneyle anlatýlýr (2.13 Þekil). Bunu anlamak için elektronun, yer, hýz, momentum gibi niceliklerini ýþýk ile bulabileceðimiz akýlda tutulmalýdýr. Bir elektronun “yer”ini kullandýðýmýz ýþýðýn dalga boyundan daha duyar ölçemeyiz. Çünkü kullandýðýmýz ýþýðýn dalga boyu ne derece küçük olursa olsun foton çarpmasý ile elektronun yeri O kadar deðiþecektir. Yine fotonelektron çarpýþmasý elektronun çarpýþma öncesindeki hýzýný ve dolayýsýyla momentumunu da deðiþtirecektir. “Yer” ve “momentum” daki belirsizliklerin çarpýmý “belirlidir” ve Planck sabiti (h) sýnýrlarý içindedir. “Yer”deki deðiþme= 'x = O= h / (m . 'v) “Momentum” daki deðiþme = (m . 'v) Yer ve momentum deðiþmelerinin çarpýmý 'x . (m . 'v) h Demek ki elektronun yer ya da momentumundan hangisi duyar ölçmeye kalkarsak kalkalým ötekinin belirsizliði o denli yükselir. Bu gerçeðin bize söylediði þey þudur: Yerini ve hýzýný tam olarak ölçemediðimiz elektronlarýn kesin yarýçaplý daireler üzerinde dolandýðýný de belirtemeyiz. Örneðin dalga boyu 0.05 A° olan bir ýþýk kullanýldýðýnda, elektronun hýzýnýn 107 m / sn dolayýnda deðiþeceði hesaplanabilir. Werner HEISENBERG (1901-1976) Kuantum kuramýnda büyük önemi olan "belirsizlik ilkesi"ni o buldu. 1932'de Nobel fizik ödülünü aldý. Belirsizlik ilkesi birçok kiþi için felsefi açýdan kabul edilmesi kolay olmayan bir ilkedir. Einstein 1920 ’lerin ortalarýndan 1955 ’de ölümüne kadar bu ilkenin geçersizliðini ispatlamak için çok zaman harcamýþtýr. 2.11 ELEKTRONLAR VE ORBÝTALLERÝ Orbital, matematiksel bir fonksiyondur. Onun kabaca fiziksel anlamý, elektron dediðimiz parçacýðýn bulunma olasýlýðýnýn en yüksek olduðu bölgedir. s orbitalleri küreseldir. Örneðin hidrojenin 1s orbitali elektronun bulunma olasýlýðýnýn % 90 olduðu küresel sýnýr yüzeti göstermektedir (2.15 Þekil). 35 ATOMUN YAPISI Elektronlarýn Hareketleri Çekirdek çevresindeki elektronun iki tip hareketi vardýr: 1. Orbital hareketi: Elektronun çekirdek çevresindeki belirli bir uzayý (orbitali) tarama hareketidir. Günümüzde 4 orbital hareketi tanýmlanýyor: s, p, d ve f orbitalleri. Orbitaller, elektronlarýn zamanlarýnýn yüzde doksanýný geçirdiði ya da elektronlarýn bulunma olasýlýklarýnýn en büyük olduðu atomik uzaylar olarak düþünülebilir (2.15 Þekil). 2. Spin hareketi: Çekirdek çevresindeki uzayý tarayan her elektron, ayný anda kendi ekseni etrafýnda da döner. Bu dönmeye spin hareketi denir. Zýt spinli iki elektron, zýt uçlarý birbirini çeken iki mýknatýs gibidir. Ýþte bu nedenle bir atomik orbital, zýt spinli iki elektron barýndýrabilir. (Pauli dýþarma ilkesi) (2.14 Þekil) 1. Bir elektron, çekirdeðe en yakýn (en düþük enerjili) orbitale yerleþir. Örneðin atom numarasý (Z), 5 olan bir atomda 2 elektron öncelikle 1s orbitaline girer. Kalan 3 elektrondan biri 2s, ikisi 2p orbitaline girse ne olur? 2s orbitali 2 elektron alabilir; bu orbitalde yer varken elektronun 2p orbitaline konmasý, atomu yüksek enerjili konumda göstermek olur. 5B: N S S N 2.14 Þekil Elektronun spin hareketi Her orbital, biri saat yelkovaný, diðeri ters yönde dönen iki elektron barýndýrabilir. 1s2 2s2 2p1 ve 2. Bir atomik orbital, zýt spinli olmak koþuluyla iki elektron barýndýrabilir. Kendi ekseni etrafýnda dönen bir elektron küçücük bir mýknatýs gibidir. Biri saat yelkovaný diðeri ters yönde dönen iki elektron, zýt kutuplarý birbirine bakan iki mýknatýs gibidir. s orbitali p orbitalleri d orbitalleri f orbitalleri ................ s2 ................ p6 ................ d10 ................ f14 3. Elektronlar, p,d ve f orbitallerine girerken, eðer olanaklýysa, yöndeþ spinli konum alýr (Hund kuralý). Yöndeþ (paralel) spinli yerleþim, elektronlarýn birbirinden en uzak konumlara yerleþmesi demektir. 6C 7N 8O 4. Çok elektronlu atomlarda elektronlarýn orbitallere giriþ sýrasý, 2.16 þekildeki gibi bir þemayla belirlenebilir. Bu þemadan çýkan orbital sýrasýna "atomik orbitallerin aufbau sýrasý" denir (aufbau: Almanca "inþa etmek") 36 Wolfgang PAULI (1900-1958) Alman bilimci. "Bir atomda iki elektronun hareketi birbiriyle týpatýp ayný olamaz" diye özetlenebilecek kuralý buldu. ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ 37 ATOMUN YAPISI 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4f 4d 5f 5d 5p 6d 6f 7p 7d 6p 6s 7f 7s 1s, 2s2p, 3s3p, 4s3d4p,5s4d5p, 6s4f5d6p, 7s5f6d7p 2.16 Þekil Çok elektronlu atomlarda elektronlarýn orbitallere giriþ sýrasý Örneðin azot (Z=7) atomunun elektron diziliþini inceleyelim. 1s orbitaline 2, 2s orbitaline 2 elektron yerleþtirirsek kalan 3 elektron da 2p orbitallerine (px, py, pz) yerleþir: 1s 2s 2Px 2Py 2Pz 7N: 2.2 TABLO Bazý Atomlarýn Elektron Daðýlýmý 2.3 TABLO 3. Periyot elementlerinin temel durumdaki elektron daðýlýmý , 38 Na [Ne] 3s1 Mg [Ne] 3s2 Al [Ne] 3s23p 1 Si [Ne] 3s23p 2 P [Ne] 3s23p 3 S [Ne] 3s23p 4 Cl [Ne] 3s23p 5 Ar [Ne] 3s23p 6 ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ 1s2 2s2 2p2 için þu iki elektron daðýlýmý tasarlanabilir: 1s 2s 2p 6C: (1) (2) Bunlardan (2) doðrudur. Çünkü yöndeþ spinli konuma geçmekle Hund kuralýna uyulmuþ olur. px, py ve pz orbitallerinin enerjileri aynýdýr. Ayrýca yöndeþ spinli konum, iki elektronun çekirdek çevresinde tek bir p orbitalinin deðil, iki orbitali iþgal etmesiyle “daha geniþ bir uzayda” hareket edebilmesini saðlamýþtýr. C atomu için aþaðýdaki orbital düzeni de düþünülebilir: (3) Bu düzende 2s elektronlarýndan biri 2p orbitaline atlamýþtýr. Bilindiði gibi 2s’in enerjisi 2p’den daha düþüktür. Ýþte bu nedenle (3) düzeni “temel durumu” deðil, “uyarýlmýþ durumu” gösterir. (C, bað yaparken uyarýlýr ve (3) düzenini alýr.) 7N ve 15P atomlarýnýn 4elektron daðýlýmlarý da aþaðýdaki gibidir: 7N 1s 2s 2p 1s 2s 2p : 15P 3s 3p : Þimdi yöndeþ spinli daha ilginç birkaç örneðini görelim. Atom numarasý 24 olan kromun elektron daðýlýmý 24Cr: 1s2 2s22p6 3s23p63d4 4s2 olmalýdýr. Oysa denel olgular 4s2’deki elektronlarýn 3d’ye geçtiði ve elektron düzeninin aþaðýdaki gibi olduðunu gösteriyor: 24Cr: 1s2 2s22p6 3s23p6 3d5 4s1 Bu yapý, atoma küresel simetri kazandýrdýðý için daha düþük enerjilidir. Çünkü d orbitalleri 5 elektronla yarýdolu olmuþtur (küreseldir); s orbitalleri her durumda küreseldir. Böylesi küresellik, en dýþ elektron düzenin ns2(n-1)d4 olan türlerde geçerlidir. ns2(n-1)d4 o ns1(n-1)d5). Atom numarasý 29 olan bakýrýn elektron düzeni 29Cu: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s2 olmalýdýr. Oysa deneyler 4s2’deki elektronlardan birinin 3d’ye atlayarak d orbitallerini doldurduðunu gösteriyor. Böylece atom küresel simetri kazanmaktadýr. Böylesi küresellik (n-1)d9 ns2 düzenlerinden tümünde görülür. (n-1)d9 ns2 o (n-1)d10 ns1 39 ATOMUN YAPISI 2.6 ÖRNEK Aþaðýdaki türlerin elektron daðýlýmlarýný ve orbital düzenlerini belirtiniz. 8O, 9F , 11Na, 11Na +, 15P, 16S. ÇÖZÜM Önce elektron düzenini yazmalýyýz: O: 1s2 2s22p4 Sonra orbitalleri simgeleyen kutucuklarý çizmeliyiz. 1s 2s 2p 1s ve 2s orbitallerini zýt spinli elektronlarla doldurmalýyýz. 2p orbitallerine 4 elektron yerleþtireceðiz. Bunun için Hund kuralýna uyup 3 elekt ronu yöndeþ spinli olarak yerleþtirelim. Son adýmda elde kalan bir elektronu 2p orbitallerinden herhangi birine (p orbitallerinin üçünün de ayný enerjide olduðunu unuttunuz mu?) koyabiliriz. O 1s 2s 2p Benzer düþüncelerle diðer türlerin orbital düzenleri yazýlabilir: F Na 1s2 2s22p6 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s2 2s22p6 3s1 Na+ 1s2 2s22p6 40 3s PERÝYODÝK SÝSTEM P 1s2 2s22p6 3s23p3 1s 2s 2p 3s 3p 1s 2s 2p 3s 3p S 1s2 2s22p6 3s23p4 2.12 PERÝYODÝK SÝSTEM Enerji kabuðu K s L s p M s p d N s p d f O s p d f P s p d Q s p Elementlerin periyodik tabloya uyan orbital sýrasý K,1. enerji düzeyi (n=1) L, 2. enerji düzeyi (n=2)... Atomun yapýsýnýn aydýnlatýlmasý, elementlerin kimyasal özelliðini aom numarasýnýn belirlediðini ortaya koydu. Yüksüz bir atomda atom numarasý ayný zamanda elektron sayýsýný da bildirir. Elementler dizisi atom numarasý 1 olan hidrojenle baþlar. Ancak bu nitelik deðiþmesi belli atom numaralý atomlar arasýnda bir dizi benzerlik ve düzenlilikler de doðurur. Periyodik sistem, atom numaralarýnýn temel olduðu düzenlilikleri gösterir. Elementlerin yatay dizisine periyot, dikey dizisine içeren sütunlara da grup adý verilir. Günümüzde bilinen elementler 7 periyot, 8 uzun ve 8 kýsa grupta toplanmýþtýr. Uzun gruplara A grubu, ortadaki kýsa gruplara da B grubu denir. Deðerlik elektronlarý, s yada p orbitallerinde bulunan atomlar A grubunda, d ya da f orbitalinde olanlar da B grubunda bulunur. Her periyot, s orbitalinde 1 deðerlik elektronu taþýyan bir elementle baþlar. Birinci periyotta, yalnýzca H ve He bulunur. Ýkinci periyotta, 2s ve 2p deðerlik orbitallerinin doluþuyla 8 element yer alýr. Üçüncü periyot; 3s ve 3p deðerlik orbitallerinin doluþuyla 8 elementlidir. Dördüncü periyot; 4s 3d 4p orbitallerinin doluþuyla toplam 18 element alýr. I II 1s III IV V VI 1s 2s 2p 3s 3p 4 s 3d 3d 4p 5 s 4d 4d 5p 5d 6p 6 s 5d 7 s 6d 6d 4f 5f 2.17 Þekil Orbitaller ve Periyodik Sistem Elementlerin sýralanýþýnda her periyot bir soygazýn ortaya çýkýþýyla sonuçlanýr. Bunlar helyum neon, argon, kripton, xenon ve radon’dur. Dizide her bir soygazý bir alkali metal (lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum ve fransiyum) izler. Alkali metaller 1A grubunu, soygazlar da 8A ya da sýfýrýncý grubu oluþturur. 41 ATOMUN YAPISI Beþinci periyotta, 5s 4d ve 5p orbitallerinin doluþuyla toplam 18 element bulunur. 4d’nin doluþu bu periyotta “ikinci seri geçiþ elementlerinin” yer alýþýný belirtir. Altýncý periyot, daha ayrýntýlýdýr. Bu periyottaki elementler 6s 4f ve 5d 6p orbitallerinin doluþuyla karakterize edilir. 4f’nin doluþu ile kendini gösteren 14 elemente “iç geçiþ elementleri” ya da “nadir toprak metalleri” denir. 5d’nin doluþuyla kendini gösteren 10 element üçüncü ya da son geçiþ metalleri serisi adýný alýr. Bu periyot 6p’nin doluþuyla oluþan soygaz radonla son bulur. Toplam 32 element bulunur. Yedinci periyot, 7s orbitalinin doluþuyla baþlar. 5f’ye giren 14 elektron burada 14 tane element girmesi demeye gelir. Özellikleri ve elektronik yapýlarý nadir toprak metallerine benzeyen bu 14 element “aktinitler” adýný alýr. Aktinitlerden sonra henüz isim verilmemiþ olan 104, 105 ve 106 no’lu elementlerde elektronlar 6d orbitaline girer. 1A 1 H 1s1 2A 3 4 Li Be 2s1 2s2 11 12 Na Mg 3s1 3s2 19 20 K Ca 4s1 4s2 37 38 Rb Sr 5s1 5s2 55 56 Cs Ba 6s1 6s2 87 88 Fr Ra 7s1 7s2 4A 5A 6A 7A 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 2s22p1 2s22p2 2s22p3 2s22p4 2s22p5 2s22p6 13 Al 3B 4B 5B 6B 7B 21 Se 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 8B 26 Fe 27 Co 28 Ni 1B 2B 29 Cu 30 Zn 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Te 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 79 Au 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 3s23p6 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 5s25p1 5s25p2 5s25p3 5s25p4 5s25p5 5s25p6 5s24d1 5s24d2 5s14d4 5s14d5 5s24d5 5s14d7 5s14d8 4d10 57 La 14 Si 4s24p1 4s24p2 4s24p3 4s24p4 4s24p5 4s24p6 4s23d1 4s23d2 4s23d3 4s13d5 4s23d5 4s23d6 4s23d7 4s23d8 79 Au 80 Hg 81 TI 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 6s26p1 6s26p2 6s26p3 6s26p4 6s26p5 6s26p6 6s25d1 6s25d2 6s15d3 6s15d4 6s25d5 6s15d6 6s15d7 6s15d9 89 104 105 106 107 108 109 Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une 7s26d1 7s26d2 7s16d3 7s16d4 7s26d5 7s16d6 7s16d7 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 62 Pm Sm 63 Eu 64 Gd 6s24f3 6s24f4 6s24f5 6s24f6 6s24f7 90 Th 7s26d2 42 3A 8A 2 He 1s2 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 96 Am Cm 7s26f6 7s25f7 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 98 Cf 99 100 101 102 103 Es Fm Md No Lr 69 Tm 70 Yb 71 Lu 6s24f9 97 Bk 7s25f9 7s25f10 7s25f11 7s25f12 7s25f13 7s25f14 KONU DENETLEME SORULARI 2. BÖLÜM KONU DENETLEME SORULARI 1. Simge ile formül kavramlarýný birer örnek vererek açýklayýnýz. 2. Simgeleri aþaðýda belirtilen elementleri adlandýrýnýz. Fe, F, K, Ca, S, Si, Sn 3. Aþaðýdaki elementlerin simgelerini yazýnýz. Azot, klor, flor, fosfor, demir, potasyum, magnezyum, mangan 4. Aþaðýdaki moleküllerden hangileri elementel molekülerdir? HCI, P4, P4O10, CO, S8, H2S, F2, O3 5. Kükürt trioksit (SO3) bileþiði kütlece % 40 kükürt, % 60 oksijen içerir. Buna göre aþaðýdaki sorularý yanýtlayýnýz. (a) Bileþikteki bu oran, bileþiðin elde ediliþ yoluna baðlý mýdýr? (b) 5 g kükürt, kaç g oksijen ile birleþebilir? (c) Eþit kütlelerde kükürt ve oksijen alýnarak 10 g SO3 elde edilebiliyor. Hangi elementin kaç gramý tepkimeye girmemiþtir? O O O 6. Kalsiyum bromür (CaBr2) bileþiði kütlece %20 kalsiyum içerir. Buna göre aþaðýdaki sorularý yanýtlayýnýz. (a) 10 g kalsiyum ile 10 g bromun birbirleriyle tepkimesinden en çok kaç g bileþik oluþabilir? (b) 25 g kalsiyum bromürde kaç g brom vardýr? 7. Aþaðýdaki bileþik çiftlerinden hangileri katlý oranlar yasasýna uyar? (b) N2O - NaO (c) CH4 - C3H8 (a) H2O - H2O2 (d) FeS - FeS2 (e) FeO - FeCl2 8. Katlý oranlar yasasýna uyan bileþik çiftlerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri ayný mýdýr? 9. X ve Y elementlerinden oluþan iki bileþikten birinin formülü XY2’dir. Eþit miktarda X ile birleþen Y’lerin kütleleri oraný 4/3 olduðuna göre ikinci bileþiðin formülü nasýldýr? 10. Dalton, atomun varlýðýný kanýtlamak için hangi kimyasal yasalarý temel almýþtýr? 43 ATOMUN YAPISI 11. Thomson, elektronlarý üzümlü kekteki üzümlere benzetip atom kütlesinin çoðunluðunu pozitif yükte toplarken neyi gerekçe göstermiþtir? 12. Alfa taneciði, hangi parçacýklarýn bileþimidir? Rutherford, atom çekirdeðinin çok küçük hacimde ve çok yoðun olduðunu nasýl göstermiþtir? Deneyi açýklayýnýz. 13. Atom numarasý ve kütle numarasý terimlerini açýklayýnýz; simgelerini belirtiniz. 14. Bohr atom kuramýnýn en önemli eksiði nedir? 15. Hidrojen atomunda 2s ve 2p obitallerinin enerjileri eþittir. Nedenini araþtýrýnýz. O O 16. n=3 düzeyinde toplam orbital sayýsý kaçtýr? 17. Aþaðýdaki orbitallerden hangileri yoktur? (a) 6s (b) 1p (c) 4d (d) 2d 18.Aþaðýdaki atom ve iyonlarýn elektron daðýlýmýný yazýp orbital diyagramlarýný çiziniz. (b) 16S (c) 12Mg+2 (d) 17Cl (e) 7N3 (a) 7N 19.Aþaðýdaki elementlerin atom numaralarýný belirtiniz. Ne(Z=10), Ar(Z=18) (b) [Ne]3s23p5 (a) [Ne]3s2 O 20.Aþaðýdaki çiftlerden hangileri birbirinin izotopudur? (b)40Ar40K (c) 63 Li 73 Li (a)18Ar19K+ (c) [Ar]4s23d104p3 (d) 35 17 Cl 35 17 Cl 21.Aþaðýdaki molekül ve iyonlardaki toplam elektron sayýlarýný bulunuz. (7N, 8O, 17Cl, 15P) (b) O3 (c) O2 (d) ClO2 (e) NO2 (f) PO43 (a) NO2 22.Aþaðýdaki elementlerin periyot ve grup numaralarýný belirtiniz. (b) 10Ne; (c) 12Mg; (d) 16S; (a) 7N; O 44 Ýþaretli sorularýn cevaplarý sayfa 184 - 185 - 186 - 187’de verilmiþtir. (e) 30Zn ÖNEMLÝ TERÝMLER Önemli Terimler Katot Iþýnlarý Thomson Atom Modeli Radyoaktiflik Radyoaktif Iþýmalar Alfa Parçacýklarýnýn Saçýlmasý Deneyi Rutherford Atom Modeli Atom Numarasý (Z) Kütle Numarasý (A) Nükleon Ýzotop Bohr Atom Modeli Atomik Orbitaller Pauli Dýþarma Ýlkesi Belirsizlik ilkesi Periyot Grup 45 ATOMUN YAPISI BÝLÝM VE TOPLUM "Bilim, insan yaþamý üzerinde iki yolda etki yapar. Birincisi, hepimizin bildiði bir yoldur: Bilim, insan hayatýný baþtanbaþa deðiþtirir, dolaysýz ve dolaylý olarak bir takým olanaklar yaratýr. Ýkinci yol, eðitici bir nitelik taþýr, insan düþüncesini etkiler. Bunun etkisi üstünkörü bir bakýþla görülmez ama bu etki de oldukça derindir. Bilimin gözle görünen en pratik etkisi, yaþamý hem zenginleþtiren, hem karmaþýk hale sokan bir takým buluþlara yol açmasýdýr; bunlar, buhar makinesi, demiryolu, elektrik gücü ve ýþýðý, telgraf, radyo, otomobil, uçak dinamit gibi buluþlardýr. Bunlara bir de biyoloji ve týp alanýnda insan hayatýný koruma amacýyla yapýlan buluþlarý, özellikle acýlarý dindirme yollarýný ve yiyeceklerini koruyup saklamaya yarayan teknik icatlarý eklemek gerekir. Ama bütün bu buluþlarýn insana saðladýðý en büyük iyilik, eskiden basit yaþayýþý sürdürmek için pek gerekli olan o son derece yýpratýcý beden çalýþmasýndan insaný kurtarmýþ olmasýdýr bence. Bugün köleliðin genel olarak ortadan kalktýðýný ileri sürebiliyorsak, bunu bilimin pratik sonuçlarýna borçluyuz. Öte yandan teknoloji ya da uygulamalý bilim, insanlýðý son derece ciddi bir takým toplumsal kurumlar ve gelenekler yaratmaktýr. Öyle kurumlar ki onlar olmadýkça, yeni aletler, ister istemez insanlýðýn baþýna belalarýn en büyüðünü açabilir. Þimdi bilimin insan düþüncesi üzerine yaptýðý etkilere gelelim. Bilim - öncesi çaðlarda, yalnýz düþünce ile bütün insanlýðýn zorunlu ve kesin diye kabul edebileceði sonuçlar elde edilemezdi. Doðadaki bütün olaylarýn katý yasalara baðlý olduðu düþüncesi de kabul edilemezdi. Doða yasasýnýn, ilkel bir insanýn gözündeki bölük pörçük görünüþü perilere, cinlere olan inancý beslemekle kalýr. Onun için ilkel insan, bugün bile, doðaüstü ve birtakým güçlerin hayatýna karýþabileceði korkusu içinde yaþayýp durmaktadýr. Bilimin en büyük zaferi, insanýn kendine ve doðaya karþý duyduðu güvensizliði insan aklý üstündeki etkisiyle yenmek olacaktýr. Eski Yunanlýlar, ilkel matematikle birlikte ilk defa, sonuçlarýndan hiç kimsenin kaçýnamayacaðý bir düþünce sistemi kurmuþlardý. Ondan sonra Rönesans bilginleri, sistemli deneyle matematik yöntemi birleþtirmeyi düþündüler. Bu birleþme, doða yasalarýný, deneyle doðrulayarak öylesine kesin bir biçimde dile getirebiliyorlardý ki doða biliminde artýk düþünce ayrýlýklarýna yer kalmýyordu. O günden bu yana, her kuþak akýl ve bilgi mirasýný arttýrmýþtýr ve bütün yapýyý tehlikeye sokabilecek en ufak bir buhran korkusu kalmamýþtýr. Büyük halk yýðýnlarý, bilimsel araþtýrmanýn ayrýntýlarýný ancak kendi dar anlayýþlarý ölçüsünde izleyebilir. Ama hiç deðilse, büyük ve önemli bir yararý olduðunu da görürler: Bu yarar da, insan düþüncesinin güvenilmeye deðer ve doða yasasýnýn evrensel olduðunu düþünmektir.” Albert Einstein Kaynak: A.Einstein, Dünyamýza Bakýþ (Çeviren Vedat Günyol), Alan Yayýncýlýk, Ýstanbul 1990 46
