Bölüm III: Atomun Yapısı

Atom hakkındaki ilk görüşler, yaklaşık 2000 yıl süreyle, deneylere değil, yalnız düşünceye dayanmış, ve bilim adamları kitaplarında görüşlerini açıklamışlardır:
R. Boyle (1661), I.Newton (1687 ve 1704).
Bir atom kuramı önerilmesi ve böylece kimyanın gelişmesine en önemli katkı J. Dalton (1803-1807) tarafından yapılmıştır.
Dalton atom kuramı, zamanında bilinen deneylere ve kimya yasalarına dayanır, ancak temelleri günümüzde de geçerlidir.
Bölüm 2′ de gördüğümüz hesaplamalar, örneğin atomun bir kütlesi olması, onun buluşlarına dayanır.
Dalton kuramı, kimyasal reaksiyonlardaki kütle bağıntılarını açıklamakla beraber nedenleri hakkında bir görüş vermemektedir.
ATOMUN YAPISI
Örneğin, zamanında bir oksijen atomunun en fazla iki hidrojen atomu ile reaksiyona girdiği bulunmuş, fakat bunun neden böyle olduğu açıklanamamıştır.
Günümüzde yaklaşık 300 kadar farklı atom bilindiği gibi, atomdan küçük yaklaşık 35 çeşit parçacığın –pek çoğu kararsız ve ömrü saniyenin kesirleri kadar dahi olsa- varlığı gösterilmiştir.
Bu bölümde, atomun yapısı hakkındaki bilgimizin nasıl geliştiğini ve atom yapısı bilgisinin elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin anlaşılmasındaki önemini göreceğiz.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSEL YAPISI, ELEKTRON
M. Faraday, 1834’te, kimyasal bileşiklerin sulu çözeltilerinden elektrik akımı geçirilerek kimyasal yapıda değişiklik sağlandığını göstermiş ve maddenin elektriksel yapısı hakkında ipuçları elde etmiştir.
Bir elementin çeşitli bileşiklerinin ayrı kaplardaki çözeltilerinden elektrik akımı geçirilirse ayrılıp toplanan element miktarının geçen akıma bağlı olarak arttığı ve diğer taraftan, çeşitli elementlerin bileşiklerinin çözeltilerinden elektrik akımı geçirilirse, toplanan elementlerin miktarları arasında bir düzenlilik olduğu gözlenmiştir.
1874’te JJ.Stoney, elektriğin taneciklerden ibaret olduğunu ve bu taneciklerin atomun yapısında da bulunduğunu önermiş, ve 1891’de bunları, elektronlar olarak adlandırmıştır.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-1)
Elektronlar hakkında daha ayrıntılı bilgi, 19. yüzyılın sonlarında, gaz boşalma tüplerinde elektrik akımı üzerinde yapılan çalışmalarla elde edilmiştir.
Bu tüpler, her iki ucunda birer elektrot bulunan ve havası boşaltılabilen tüplerdir (Şekil 3.1.1) .
Tüpün havası kısmen boşaltılır (10-2 atmosfere kadar) ve elektrotlar arasına bir gerilim (10 000-20 000 volt kadar) uygulanırsa bir elektrik akımı gözlenir ve tüpteki hava renkli bir ışıldama yapar.
Tüp içinde, hava yerine çoğunlukla bir gaz, örneğin neon kullanılır ve ışıldamanın rengi gazın çeşidine bağlıdır.
Eğer elektrotlar arasına, üzerine fluoresan boya (örneğin çinko sülfür veya fosfor) sürülmüş, bir ekran yerleştirilirse, ekranın negatif elektrot (katot) karşısına gelen tarafında ışıldama görülür.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-2)
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-3)
Bu gözlemler, katottan anota doğru bir elektrik akımı olduğunu gösterir ve katottan anota doğru hareket eden bu elektrik yüküne katot ışınları denir.
Katot ışınları üzerindeki daha ileri araştırmalar, bunların a) bir doğru boyunca yol aldıklarını, b) elektrotlar arasına konan bir metal levhayı ısıttıklarını,c) özelliklerinin elektrot olarak kullanılan maddeye ve d) tüpteki gaza bağlı olmadığını ve d) negatif elektrikle yüklü olduklarını gösterecek şekilde elektriksel ve magnetik alanda saptıklarını göstermiştir.
O halde katot ışınları, hızlı akan elektronlardır.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-4)
JJ. Thomson, 1897’de, katot ışınlarının magnetik ve elektriksel alanda sapmalarını gözleyerek, elektronlar için yük/kütle, e/m oranını ölçmüştür; fakat Thomson yöntemi ile e ve m’nin değerleri tek tek ölçülemez.
Bunun için kullanılan düzenek Şekil 3.1.2′ de gösterilmiştir.
Katot ışınları tüpünde katotta oluşturulan elektronlar, anottaki delikten geçerek, fluoresan boya ile kaplı yüzeye çarparlar ve ışıklı bir nokta görülür.
Tüpe elektriksel alan uygulanırsa, yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı levhalar) konursa, elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptıkları görülür.
Bu sapma, parçacığın negatif elektrik yükü ile doğru orantılıdır.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-5)
Diğer taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır; çünkü büyük kütleli bir parçacık, elektrostatik çekmeden daha az etkilenecektir.
Sonuçta, gözlenen sapma parçacığın e/m oranının değerine bağlıdır.
Elektriksel alana dik bir magnetik alan uygulanırsa, elektriksel alan yokluğunda, elektronlar eğri (dairesel) bir yol çizerler ve tüpün yüzeyine B noktasında çarparlar.
(Elektronların magnetik alan içinde hangi yönde sapacağı Fleming’in sol el kuralı* uygulanarak bulunabilir.)
Thomson, deneylerinde, tüpe dik ve belli şiddette bir magnetik alan uygulayarak elektron demetinin sapmasını ölçmüş, ve sonra elektriksel alan da uygulayarak sapmayı orijinal yerine, C noktasına getirmiştir.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-6)
Elektriksel ve magnetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m oranı -1,76 x 10 11 C/kg bulunmuştur.
Katot ışınları tüpünde gazın basıncının düşürülmesiyle önce renkli bir ışık görülmesini ve sonra daha düşük basınçlarda ışığın kaybolarak ışıldamanın ortaya çıkmasını açıklayalım:
Herşeyden önce, tüpün havası boşaltılmadığı durumda, elektrik akımı olmayacaktır; çünkü elektronlar, gaz moleküllerine çarparak dağılacaklardır.
Basınç 10 -2 atmosfere düşürülürse elektronlar hızlanabilir ve gaz molekülleri ile çarpışarak onlardan da elektronlar koparabilirler.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-7)
Böylece oluşan gaz iyonları ve elektronlar, elektriğin katottan anota akmasını sağlarlar.
Çarpışma sırasında daha yüksek enerji düzeyine geçen (uyarılan) gaz molekülleri de temel durumlarına dönerken almış oldukları fazla enerjiyi, ışık halinde yayarlar ve ışığın rengi gazın türüne bağlıdır.
Basınç, daha fazla, 10-6 atmosfere düşürülürse, elektron akımı, gaz molekülleri ile çarpışma hemen hemen olmayacağından çok hızlanır.
Bu durumda gazın yaydığı ışık kaybolacak ve elektronlar tüpün çeperlerinde veya elektrotlar arasına konan ekranda veya anot delikli ise deliğin karşısına gelen yerlerde ışıldama yapacaklardır.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-8)
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-9)
Elektronun yükü 1908’de R.A. Millikan tarafından ölçülmüştür.
Kullanılan düzenek basitçe Şekil 3.1.3′ te gösterilmiştir.
Şekil 3.1.3: Milikan’ın yağ damlası deneyi düzeneği.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-10)
Bir sıvı, özellikle bir yağ, paralel metal levhalar arasına çok küçük damlacıklar halinde püskürtülür ve üst levhadaki delikten aşağı inerken X-ışınları ile ışınlandırılırlar.
X ışınlarının gaz atomlarından fırlattığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutularak onları negatif yükler.
Üst levha, artı, alt levha eksi yüklenirse, negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabilir (ve hatta damlacık geri yukarıya da çıkarılabilir).
Damlacığın kütlesi (damlacığın, elektriksel alan yokluğunda düşme hızını gözleyerek bulunabilir) ve damlacığı durdurmak için levhalar üzerine uygulanacak yük bilinirse, her damla üzerindeki elektriksel yük hesaplanabilir.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-11)
Milikan deneyi tekrarladığı zaman yağ damlacıkları üzerindeki yükün daima -1,60 x 10-19 C’ un katları olduğunu görmüştür.
Buradan, yağ damlalarının bir, iki, üç veya daha fazla sayıda elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün katları olması gerektiği sonucuna varmıştır.
O halde bir elektron yük -1,60×10-19 C’dur.
Daha önce ölçülen e/m oranının değerinden yararlanarak elektronun kütlesi 9,1 x 10-31 kg bulunur.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-12)
Thomson deneyi ile e/m oranının bulunması:
Katot ışınları tüpünde yükü e ve kütlesi m olan bir elektron, v hızıyla hareket ederken, şiddeti H olan bir magnetik alan içine girerse r yarıçaplı bir daire çizerek tüpün yüzeyine B’ de çarpar.
Magnetik sapmayı sağlayan kuvvet, magnetik alan şiddetine, elektronun yüküne ve hızına bağlıdır:
F = Hev (3.1.1)
Diğer taraftan elektrona dairesel hareketi için etkiyen kuvvet
F = mv2/r (3.1.2)
nolduğundan Eşitlik 3.1.1 ve 3.1.2′ nin eşitlenmesiyle e/m oranı için
e/m = v/Hr (3.1.3)
elde edilir. r, ölçülebilir, v hızının ise bulunması gerekir.
Thomson’ un v’ yi bulmak için uyguladığı yöntemlerden biri, elektriksel ve magnetik alanları birbirine dik olarak ve aynı zamanda uygulamak olmuştur.
Yalnız elektriksel alan uygulanması durumunda, elektronlar tüpe A’da çarparlar.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-13)
Elektronu, elektriksel alanda saptıran kuvvet elektriksel alan şiddeti, E ve elektron yükü, e ile orantılıdır:
F = Ee (3.1.4)
Elektriksel ve magnetik alan şiddetleri değiştirilerek ayarlanırsa, elektronların tüpe orijinal C noktasında çarpması sağlanabilir; bu durumda
Hev = Ee (3.1.5)
yazılabilir. Buradan
v = E/H (3.1.6)
bulunur ve Eşitlik 3.1.3’te yerine konursa
e/m = e/HzR (3.1.7)
elde edilir. E ve H’ nin değeri bilindiğine ve r ölçüldüğüne göre e/m oranı hesaplanabilir.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-14)
Milikan deneyi ile elektron yükünün bulunması:
Elektrikle yüklü yağ damlacığı, üst levha artı ve alt levha eksi yüklenerek hareket tutulduğu zaman damlacığı yukarı çeken elektriksel kuvvet, damlacığa etkiyen yerçekimi kuvvetine eşit demektir;
Eq = mg (3.1.8)
bu eşitlikte E, elektriksel alan şiddetini, q, damlacık üzerindeki elektrik yükünü, m, damlacığın kütlesini ve g, yerçekimi ivmesini göstermektedir.
Damlacığın kütlesi bilinirse, taşıdığı elektrik yükü bulunabilir.
Yağın yoğunluğu (p) bilindiğine göre, yarıçapı, r’ nin ölçülmesi ile hacmi ve dolayısıyla kütlesi de hesaplanabilir.
m = 4/3 πr3d (3.1.9)
Fakat, Millikan, damlacığın yarıçapını ölçmek yerine, daha az hatalı ve dolaylı bir yoldan hesaplamayı seçmiştir.
nBu amaçla damlacığın, yüksüz levhalar arasında serbest düşmesi gözlenmiştir; bir süre sonra damlacığın hızı, hava sürtünmesinin yerçekimi kuvvetine eşit olması nedeniyle limit hıza erişecek ve damlacık limit hızla düşmeye devam edecektir.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-14)
Sürtünme kuvvetinin (Stokes yasasına göre bulunabilir) yerçekimi kuvvetine eşitliği için
mg= 6πη rv (3.1.10)
yazılabilir, burada η havanın viskozluk katsayısı ve v, damlacığın eriştiği limit hızdır. Eşitlik 3.1.10’dan r bulunur.
r=mg/6πη v (3.1.11)
ve m’ nin Eşitlik 3.1.9’daki değeri, Eşitlik 3.1.11′ de yerine konursa damlacığın yarıçapı
r2 = 9η v/2ρg (3.1.12)
bulunur. O halde damlacığın limit hızı ölçülür:
Damlacık bu hıza eriştikten sonra düzgün doğru hareket yaparak düşeceğinden levhalar arasında belli bir yüksekliği (1), düşme süresi (t) gözlenir ve v hızı
v = 1/t (3.1.13)
olarak bulunur.
Eşitlik 3.1.12 ve 3.1.9 ile damlacığın, sırasıyla yarıçapı ve kütlesi hesaplanır ve Eşitlik 3.1.8 ile damlacığın q yükü bulunur.
3.2 POZİTİF PARÇACIKLAR, PROTON
Gaz boşalma tüplerinde negatif parçacıklar gözlendiğine göre, maddenin nötral elektriksel yapısı nedeniyle pozitif yüklü parçacıkların da bulunması gerekir.
Eğer tüpte üstünde delikler bulunan bir katot kullanılırsa, tüpün katot arkasında kalan yüzeyinde, yüzey fluoresan boya ile kaplanmışsa ışıldama görülür.
Çünkü tüpte elektron akımı sırasında, katottan fırlayan elektronlar, nötral gaz atomları ile çarpışarak onların elektron kaybetmesine ve pozitif yüklü parçacıklar (pozitif iyonlar) haline gelmesine yol açarlar.
Bu iyonlar katot tarafından çekilir ve bir kısmı deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarparlar.
Bunlara pozitif ışınlar veya kanal ışınları denir, ilk olarak E. Goldstein tarafından 1886’da gözlenmiştir (Şekil 3.2.1).
3.2 POZİTİF PARÇACIKLAR, PROTON(D-1)
3.2 POZİTİF PARÇACIKLAR, PROTON(D-2)
Pozitif ışınların elektriksel ve magnetik alanda sapmaları W. Wien (1898) ve J.J. Thomson (1906) tarafından çalışılmış ve bu ışınları oluşturan pozitif iyonlar için e/m değerleri bulunmuştur (Bölüm 3.5).
Pozitif iyonlar için e/m değeri, iyonun yüküne (bu da gaz atomlarının kaybettikleri elektron sayısına bağlıdır) ve kütlesine bağlıdır.
Aynı pozitif yüklü iyonlar için e/m değeri, iyonun kütlesi küçüldükçe artar.
Gaz boşalma tüpünde hidrojen varsa, pozitif iyonlar için gözlenen en büyük e/m değeri elde edilir.
Bu iyonlar yani protonlar için yük +1,6 x 10-19 C ve kütle 1,67 x 10-27 kg (bir elektronun kütlesinin 1836 katı) dır.
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ
Atomun yapısı hakkındaki bilgimize en önemli katkılardan biri 1911’de. E. Rutherford tarafından yapılmıştır.
O zamana dek J.J. Thomson’un atom modeli geçerliydi ve bu modelde atomun yaklaşık 10-10 m çaplı bir küre olduğu, artı yükün atomun kütlesi içine düzgün yayıldığı ve elektronların bu yükü nötralleştirecek şekilde artı yüklü gövde içinde serpiştirilmiş bulunduğu kabul ediliyordu.
Rutherford, Thomson’un atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı deneyler sonucunda yeni bir atom modeli geliştirmiştir.
Rutherford’un α-ışınları saçılması deneyinde radyoaktif α -ışınları ince metal levhalar üzerine gönderilmiş ve büyük bölümü levhadan geçtiği halde bazı α -parçacıklarının yollarından saptığı, hatta geriye döndükleri gözlenmiştir (Şekil 3.3.1).
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-1)
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-2)
Deney, α -ışınları kaynağı, demet yapıcı kurşun levha ve hedef metal levha, havası boşaltılmış ve iç yüzüne fluoresan boya sürtülmüş bir kap içine alınarak yapılmıştır, böylece α-ışınlarının nasıl saptıkları yaptıkları ışıldamalar ile anlaşılır.
α -ışınları, iki elektron kaybetmiş helyum atomlarından ibaret radyoaktif ışınlardır (Bölüm 5.2).
Bu α -parçacıkları, radyoaktif çekirdeklerden yaklaşık 104 km s-1 hızla fırlatılırlar.
Deneyde, α –ışınları, delikli bir kurşun levhadan geçirilerek ince bir demet halinde, çok ince (yaklaşık 0,0004 cm) altın, platin, gümüş, ve bakır levhalar üzerine yollanmıştır.
Rutherford, gözlemlerini, ancak atomun çok küçük fakat yoğun artı yüklü bir çekirdek içerdiği ve bütün protonların ve atomun yaklaşık tüm kütlesinin burada bulunduğu sonucuna vararak açıklayabilmiştir.
Elektronlar ise atomun toplam hacminin içinde ve çekirdeğin dışında hareket halindedirler.
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-3)
Atomlar, Thomson modeline uygun olsaydı, α-parçacıklarının hiçbir sapmaya uğramadan metal levhadan geçmeleri gerekirdi;
çünkü artı yüklü tanecikler atomun her tarafında aynı şekilde itilecekler, fakat yeterli kinetik enerjileri olduğundan yollarını değiştirmeden metal levhadan geçeceklerdi (Şekil 3.3.2(a)).
Rutherford’un α-ışınları saçılması deneyinde, pozitif yüklü α -parçacığı, pozitif yüklü çekirdeğe yakın geçerse metal levhadan geçmekte, fakat çarparsa geri dönmektedir, çekirdeğe yakın geçerse yolundan sapma gözlenmektedir (Şekil 3.3.2(b).
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-3)
Şekil 3.3.2: (a) Thomson’ un atom modeli doğru olsaydı α -parçacıkları metal levhadan geçerdi (b) Gerçek sonuçlar: α -parçacıkları atom çekirdeğine yakın geçmezse metal levhadan geçer (1) yakın geçerse yolundan sapar (2) ve çarparsa geriye itilir (3).
Atom çekirdeğinin yapısı ve kararlılığı Bölüm 5’te incelenecektir.
3.4 NÖTRON
Rutherford, protonların, atom çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık yarısını oluşturduğu gözlemiştir.
Diğer taraftan, atomlar elektrikçe nötral olduklarından, bir atomun aynı sayıda elektron ve proton içermesi gereği de açıktır.
Bundan dolayı, E. Rutherford, 1920’de yüksüz, fakat kütlesi protonun kütlesi ile hemen hemen aynı olan bir parçacığın varlığını ortaya atmıştır.
Fakat yüksüz olduğundan parçacığı bulmak ve özelliklerini belirtmek zordu.
1932’de J. Chadwick, nötronun varlığını kanıtlayan çalışmalarını yayınlamış ve nötron oluşturan bazı çekirdek tepkimelerinden (Bölüm 5.5) kütlesini hesaplamıştır.
Nötronun kütlesi yaklaşık protonun kütlesi kadardır, 1,67 x 10 -27kg. (Gerçekte, nötronun ve protonun daha duyarlıklı kütleleri sırasıyla 1,6749×10-27kg ve 1,6726xl0 -27kg’dır.)
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR
Dalton’un atom kuramı postulatlarından biri, bir elementin her atomunun birbirine her bakımdan eşdeğer olduğudur.
Fakat 20. yüzyılın ilk yıllarında bir elementin değişik kütleli atomlardan oluşabileceği gözlenmiştir;
F. Soddy, bir elementin kütleleri değişik atomlarına izotoplar demiştir.
İzotopların varlığı,kütle spektrografı ile ortaya çıkarılmıştır;
F.W. Aston (1919) ve A.J Dempster (1918), J.J. Thomson (1912) tarafından geliştirilen ilkelere bağlı olarak kütle spektrografı cihazını hazırlamışlardır.
Eğer bir element, kütleleri değişik atomlar (izotoplar) içeriyorsa, bu elementten türeyen pozitif iyonların m/q değerlerin farklı olması gerekir.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-1)
Kütle spektrografı, iyonları m/q değerlerine göre ayırır ve bunlar bir fotoğraf plağı üzerinde belirtilirler (Şekil 3.5.1).
Kütle spektrografında gaz halinde element atomları, elektrotlar arasında elektronlarla bombardıman edilerek pozitif iyonlara dönüştürülür.
Bu iyonlar, birkaç bin voltluk bir elektrik alanından geçirilerek hızlandırılır.
İyonların hızları, hızlandırıcı gerilime ve m/q de­ğerlerine bağlıdır; eğer hızlandırıcı gerilim sabit tutulursa, aynı m/q değerine sahip bütün iyonlar, magnetik alana aynı hızla girerler.
Bu hız ve magnetik alan şiddeti, iyonun magnetik alanda çizdiği daire yayının yarıçapını belirtir.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-2)
Magnetik alan şiddeti ve hızlandırıcı gerilim sabit tutulursa, farklı m/q değerine sahip iyonlar, fotoğraf plağı üzerinde farklı yerlerde görünürler.
Çoğunlukla +1 yüklü atom iyonları oluşur; dolayısıyla, m/q değerleri atom kütlelerini gösterir.
Neon, bu yolla izotoplarına ayrılan ilk elementtir.
Fotoğraf plağı yerine iyon demetlerinin şiddetini de ölçen bir düzenek yerleştirilirse, cihaz kütle spektrometresi adını alır ve m/q değerlerine (yani atom kütlelerine) karşı bu değerlere sahip iyonların bağıl bolluğunu pikler halinde gösteren grafiklere kütle spektrumu denir.
Kütle spektrometresi ile izotopların atom kütleleri ve elementlerin izotopik bileşimi yani bir elementte bulunan izotoplar ve bağıl oranları elde edilir.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-3)
Şekil 3.5.1’de gösterilen neon’un kütle spektrumları, Bölüm 3.6’da açıklanacaktır. Kütle spektrometresi ile bileşiklerin molekül kütleleri de bulunabilir.
Kütle spektrometresinde aynı yüklü iyonların magnetik alanda sapmaları kütlelerine bağlıdır, küçük kütleli iyonlar daha fazla saparlar.
Aynı kütleli iyonların sapması ise yükleri ile doğru orantılıdır.
Pozitif parçacıklar ışın m/q değerlerinin ölçülmesi aşağıdaki sonuçları verir:
(i) Pozitif iyonlar için m/q değerleri, elektronunkinden daima daha büyüktür. Nötral atomlardan elektron kaybı ile oluştuklarına göre, yükleri elektron yükünün birkaç katıdır, o halde kütleleri elektronunkinden çok daha büyük olmalıdır.
(ii) m/q oranı, elementin türüne bağlıdır, yani bütün pozitif iyonlar ayni m/q değerini vermez.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-4)
Kütle spektrometresinde m/q oranları farklı pozitif iyonların çizdikleri dairesel yolların farklılığını açıklayalım:
Yükü q, kütlesi m ve hızı v olan bir iyon, V geriliminin etkisi altında kazandığı qV enerjisini, kinetik enerjiye dönüştürecektir:
qV = ½ mv2 (3.5.1)
Buradan iyonun hızı
v=(2qV/m)1/2 (3.5.2)
olarak bulunur.
Şiddeti H olan magnetik alan içine girdiği zaman iyonun çizdiği dairenin yarıçapı, r için Eşitlik 3.2.3’ten yararlanarak
m/q = Hr/ (3.5.3)
yazılabilir. Eşitlik 3.5.2’den v’ nin değeri Eşitlik 3.5.3’te yerine konursa, m/q oranı için
m/q = H2r2/2V elde edilir. 3.5.4)
O halde sabit gerilimde ve magnetik alan şiddetinde, m/q oranı küçük iyonlar daha küçük çaplı daire çizecekler, yani daha çok sapacaklardır.
nBaşka bir deyişle, q sabitse, örneğin birim pozitif yük ışın küçük kütleli iyonlar daha çok saparlar.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-4)
Bir element atomu, X iki sayı ile gösterilir:
Atom numarası: Z ve atom kütle numarası: A. Atom numarası (Bölüm 3.10) çekirdekteki pozitif yük sayısını, yani proton sayısını gösterir.
Atom numarası, nötral bir atom için elektron sayısına da eşittir.
Atom kütle numarası, çekirdekteki nötron ve proton sayılarının toplamına (yani nükleonların sayısına) eşittir.
O halde nötron sayısı = A – Z’dir.
İzotoplar, aynı atom numaralı, fakat farklı atom kütle numaralı elementlerdir.Kimyasal özellikleri birbirine çok benzer.
Örneğin, klorun iki doğal izotopu vardır 17Cl35 ve 17Cl37 her iki atomda 17 proton ve 17 elektron vardır, fakat 17Cl35 ‘de 18 nötron, 17Cl37 ‘de 20 nötron bulunur.
İzobarlar, aynı atom kütle numaralı, fakat değişik atom numaralı elementlerdir: 16S36 ve 18Ar36 gibi
İzobarlarda nükleon sayısı aynı olduğu halde proton ve nötron sayıları farklıdır. S izotopunda 16 proton ve 20 nötron, Ar izotopunda ise 18 proton ve 18 nötron vardır.
İzobarlar kimyasal özellikleri farklı elementlerdir, çünkü kimyasal özellikler daha çok atom numarası ile gösterilen elektron sayısına bağlıdır.
Nötron sayıları aynı ve proton sayıları farklı atomlara ise izotonlar denir: 17Cl35 ve 18Ar36 atomları, birbirlerinin izotonları olup, nötron sayıları aynı ve 18’dir; fakat proton sayıları farklıdır.
3.5. KÜTLE SPEKTROMETRESİ, İZOTOPLAR VE İZOBARLAR (D-5)
nŞekil 3.5.1: Kütle spektrometresi. Değişik m/q değerindeki iyonlar değişik uzunlukta oklarla gösterilmiştir: m/q değeri büyük (kısa oklu) iyonlar, m/q değeri küçük (uzun oldu) iyonlardan daha yavaş hareket ederler yani daha az saparlar. (a) ve (b), neon kütle spektrumlarıdır.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ
Atomların ve nükleonların kütlelerini ölçmek için standart kütle birimleri çok büyük olacağından atom kütleleri için yeni bir kütle birimi geliştirilmiştir.
Bir atom kütle birimi (akb, ing. atomic mass unit, amu, SI simgesi: u, eskiden kullanılan birim: Dalton) bir tane atomunun kütlesinin 1/12’si olarak tanımlanır.
Karbon-12 izotopu seçilerek kütlesinin 12,0000 u kabul edilişi 1961’den beri geçerlidir.
Bundan önce standart olarak oksijen kullanılmaktaydı.
Fakat kimyacılar doğal oksijen atomunun kütlesini 16,0000 u kabul etmişlerdi; fizikçiler ise izotopunun kütlesini standart ve 16,0000 u olarak almışlardı.
Gerçekte, doğal oksijen, üç izotoptan (kütle numaraları 16, 17 ve 18) oluştuğundan fizikçilerin ölçeğinde kütlesi 16,0044 u’ dur.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-1)
Bu ikiliği ortadan kaldırmak için, 6C12’ye dayanan birleştirilmiş bir ölçek geliştirilmiştir. (Atom kütlesini belirten SI simgesi, u, “birleşmiş” anlamının ingilizce karşılığı, “unified” sözcüğünün baş harfidir.)
Günümüzde, bütün atomların kütleleri, 6C12 izotopunun kütlesi, standart 12,000 u kabul edilerek u birimiyle verilir. (Atom kütleleri, bazen birimsiz verilir, bu değerler yine aynı standarda göre bağıl atom kütleleridir. Bağıl atom kütlesi için eski deyim, atom ağırlığıdır.) u(akb)’nin g eşdeğeri Çözülmüş Soru 2.1.9’da hesaplanmıştır.
Atomu oluşturan temel parçacıkların kütleleri ve yükleri Çizelge 3.6.1’de verilmiştir.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-3)
Çizelge 3.6.1 Atomu oluşturan temel parçacıkların kütleleri ve yükleri
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-3)
Kütle spektrometresinin izotopların atom kütleleri ve bağıl bollukları hakkında bilgi verir.
Şekil 3.5.1 de verilen neon kütle spektrumlarını şimdi açıklayabiliriz.
Spektrometrede neon iyonları, üç demete ayrılır; çünkü üç izotop vardır: 10Ne20,10Ne21 ve 10Ne22 .
Her bir Ne+ iyonu kütlesi, iyonun magnetik alanda sapma miktarından bulunur ve kütle spektrumu ile beraber kaydedilerek verilir.
(a) Spektrumunda, iyon demetlerinin şiddeti ve
(b) spektrumunda (piklerin) çizgilerin yüksekliği, 10Ne20,10Ne21 ve 10Ne22 atomlarının (yani Ne+ iyonlarının) bağıl sayılarını gösterir.
İzotopların bağıl bollukları, yani izotop yüzdeleri, Ne atomlarının bağıl sayılarından hesaplanır.
Neon izotopları, kütleleri ve bağıl bollukları, neon-20, 19,992 u (% 90,92), neon-21, 20,994 u (% 0,26) ve neon-22, 21,99 (% 8,82) dur.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-4)
Özetle, kütle spektrumunda, her m kütlesinde kaydedilen pikin alanı, m kütlesindeki izotopun element içindeki yüzdesi ile orantılıdır.
(Thomson, neon içinde 20 u yanında 22 u atom kütlesini de gözlemiş ve yeni bir element sanmıştır.Daha sonra, Aston, daha geliştirilmiş bir cihazla neon gibi pek çok elementin izotoplar karışımından ibaret olduğunu göstermiştir.)
Elementlerin çoğu doğada izotop karışımları halinde bulunurlar.
Çok az ayrıcalıklı durum dışında, izotop karışımlarının bileşimi bellidir.
Yukarıda, neon izotopları kütleleri ve bağıl bollukları verilmiştir.
Neonun atom kütlesi 20,18 u dur ve hesaplamalarda bu değer kullanılır.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-5)
Gerçekte 20,18 u atom kütleli hiç bir neon atomu yoktur; çünkü bu değer neon için ortalama atom kütlesidir.
Karbon izotopları,kütleleri ve bağıl bollukları, karbon-12,12,0000 u (%98,89) ve karbon-13,13,0034 u (%1,11) dir.
Karbon-14, radyoaktiftir ve yüzdesi çok düşük olduğu için ihmal edilir.
Karbonun atom kütlesi, 12,011 u dur.
Bu değer karbonun, ortalama atom kütlesidir ve bu kütleli bir karbon atomu yoktur.
Hidrojenin atom kütlesi, 1,0079 u dur ve bu değer, hidrojen-1, (1,00783 u, % 99,98),hidrojen-2 (döteryum) (2,01410 u, %0,02) ve hidrojen-3 (tritiyum) (yüzdesi çok düşük) izotoplarının karışımı olan hidrojenin atom kütlesidir.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-6)
Bir elementin (ortalama) atom kütlesi,doğal izotoplarının atom kütlelerinin ağırlıklı ortalamasından ibarettir.
Bir elementi, ortalama atom kütlesine sahip tek bir atomdan oluşmuş farzetmekle yapacağımız hesaplamalarda hiç bir yanlışlık olmaz.
Bir elementin ortalama atom kütlesi, her bir izotopun atom kütlesini, yüzde bağıl bolluğu ile çarpıp toplayarak bulunur.
Karbonun izotoplarının, atom kütleleri ve bağıl bollukları yukarıda verilmiştir.
O halde, karbonun atom küt­lesi
12,0000 u x 0,9889 + 13,0034 u x 0,0111= 12,011 u bulunur.
Bir izotopun, atom numarası ve atom kütle numarası biliniyorsa, Çizelge 3.6.l’ deki değerleri kullanarak atom kütlesinin hesaplanması beklenir, fakat bu hesaplama gerçek atom kütlesini vermez.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-7)
Örneğin, izotopunun kütlesinin 17 proton, 18 nötron ve 17 elektronun kütleleri toplamına eşit olması beklenir:
17×1,007277u + 18×1,008665u + 17×0,000549u = 35,289005u. izotopunun gerçek (denel) kütlesi ise 34,96885 u bulunmuştur.
İki kütle farkı 35,28901u – 34,96885u = 0,32016u dur.
O halde atomu oluşturan parçacıkların bir araya gelmeleri kütle kaybına neden olmaktadır.
Bu kütle farkının enerji eşdeğeri, bağlanma enerjisi (çekirdek bağlanma enerjisi) olarak bilinir.
Kütle, Einstein’in E = mc2 formülüne göre enerji cinsinden hesaplanabilir.
3.6 ATOMLARIN KÜTLELERİ(D-8)
Konu, Bölüm 5.7’de ayrıntılı olarak açıklanacağından burada 1 g bir kütlenin 9,00 x 1013 J (veya 1 u = 1,49 x 10-10J) enerjiye eşdeğer olduğunu söylemekle yetinelim.
Bağlanma enerjisi, çekirdeği oluşturan parçacıkların bir araya gelmesi sırasında açığa çıkan enerji olarak tanımlanır ve elektronların katkısı ihmal edilebilir.
Çekirdeği bir protondan oluşan hidrojen hariç her atom için proton, nötron ve elektronların kütleleri toplamı, atomun gerçek kütlesinden büyüktür, yani iki veya daha fazla nükleondan oluşan her çekirdeğin bir bağlanma enerjisi vardır.
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN
Atomun yapısı hakkında daha ayrıntılı bilgi, elektromagnetik ışın (radyasyon) nın atomlar tarafından yayınması (emisyonu) ve soğurulması (absorbsiyonu) üzerindeki çalışmalar ile kazanılmıştır.
Elektromagnetik ışının aşağıda göreceğimiz gibi hem dalga ve hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır ve ışık elektromagnetik ışımanın gözle görünür bölümüdür.
Işın enerjisinin değişik şekillerinin hepsi, boşlukta aynı hızla (ışık hızıyla, 3 x 108 m s-1) yayılan elektromagnetik dalgalardır (Şekil 3.7.1) ve bir elektromagnetik dalga, yayılma doğrultusunda birbirine dik düzlemler içinde elektriksel ve magnetik alanlardan oluşur.
Elektromagnetik dalganın yayılmasında, ard arda iki dalga tepesi arasındaki uzaklık dalga boyu, λ’ dır. 1/ λ ‘ ya dalga sayısı n denir. Dalganın yüksekliği, genlik (veya amplitüd), A dır ve ışımanın şiddetine bağlıdır.
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN(D-1)
Dalga yayılmasında bir noktadan 1 saniyede geçen dalga sayısına frekans, n denir. O halde ışımanın frekansı, ışık hızının dalga boyuna oranı olacaktır:
n = c/λ veya c = λn (3.7.1)
Soru 3.7.1: Dalga boyu 1,54 x 10 –10 m olan ışımanın frekansını bulunuz.
Çözüm: Frekans için SI birimi Hertz (Hz) dir,
1 Hz = 1 devir/s = 1/s = s-1 yazılabilir.
ν = c/λ
eşitliğinde, ışık hızı, c = 3,00 x 10 8 m s-1 ve λ = 1,54 x 10-10 m yerine konursa
ν = 3,00 x 108 m Hz/1,54 x l0 -10 m = 1,95 x 1018 Hz
bulunur.
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN(D-2)
Şekil 3.7.2 de elektromagnetik spektrum çizilmiştir.
Elektromagnetik ışın türlerinin* dalga boyları çok çeşitlidir.
Beyaz ışık görünür ışık), dalga boyları 4xl0 -5 cm – 7 x 10-5 cm (4000 A° – 7000 A°) olan ışımalardan ibarettir
(1 A° (Angstrom) = 10-10 m) A° yerine kullanılması önerilen birim nm’dir, (lnm = 10A°) O halde beyaz ışık, dalga boyları 400-700 nm olan ışımaları içerir.)
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN(D-3)
Şekil 3.7.2: Elektromagnetik spektrum.
Not: Radyofrekansı (rf) bölgesi içinde radar dalgaları (λ ~ 10 –1 – 1 m), TV dalgaları (λ ~ l-10 m), NMR (nükleer magnetik rezonans) dalgaları (λ ~ 10-10 2 m) ve radyo dalgaları (λ ~ 102-104) bulunur.
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN(D-4)
Elektromagnetik ışının dalga kuramı, gözlenen pek çok özelliklerini açıklar.
Fakat bazı özellikler, örneğin siyah cisimlerin ışıması ve fotoelektrik olay ışının parçacıklardan oluşması ile açıklanabilir.
Işın enerjisinin parçacık özelliği için, 1900’de M. Planck tarafından kuantum kuramı önerilmiş ve enerjinin ancak belli büyüklükler halinde alınıp verilebileceği belirtilmiştir.
Bu büyüklüklere kuan­tum, ışıma enerjisine (yani kuantumlardan oluşmuş enerji akımına) ise kuantlanmış, enerji denir.
A. Einstein, 1905’te, ışımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği varsayılan bu kuantumları fotonlar olarak adlandırmıştır.
3.7 ELEKTROMAGNETiK IŞIN(D-4)
O halde ışıma enerjisi hem ışıma dalgaları ve hem de foton akımlarıdır ve ışıma enerjisi sürekli değil,kesikli bir biçimde, kuantumlar halinde alınıp verilebilir.
Her iki özellik de denel gözlemlere dayanır ve herhangi bir olgu, uygun gelen özellikle açıklanabilir.
Aşağıda atomun yapısına çok önemli katkıları olan siyah cisimlerin ışıması ve özellikle fotoelektrik olay ayrıntılı açıklanmıştır.
Atomu oluşturan parçacıkların, özellikle elektronun ikili, yani hem dalga ve hem de parçacık olma özelliği Bölüm 4.2’de anlatılacaktır.
3.8.1. Siyah Cisim Işıması
Üzerine gelen bütün ışınları soğuran cisimlere siyah cisim denir.
Siyah cisim ısıtılırsa yaydığı ışımalarda her çeşit dalga boyunun bulunduğu görülür.
Siyah cisim, örneğin bir metalden veya kilden yapılmış, her yanı kapalı ve içi siyaha boyanmış, bir borunun üzerinde bir delik açmakla hazırlanabilir ve uygun bir şekilde ısıtılarak delikten çıkan ışımalar gözlenebilir.
Her sıcaklıkta, ışımanın şiddetinin belli bir dalga boyunda en fazla olduğu gözlenmiştir.
Düşük sıcaklıkta az enerjili (uzun dalga boylu) ışımalar vardır ve sıcaklık yükseldikçe ışıma yüksek enerjili (kısa dalga boylu) olur.
Siyah cisim ısıtılıp görünür ışık yaydığında önce kırmızıdır (görünür bölgenin en uzun dalga boylu ışını).
Sıcaklık artarsa turuncu ve sarı ışıma görülür ve sonuçta beyaz ışık dediğimiz bütün görü­nür bölge ışıması yayımlanır (Şekil 3.8.1).
O halde, siyah cismin çeşitli sıcaklıklarda ışıma şiddetinin ışımanın dalga boyuna bağlı olması, dalga kuramına göre açıklanamaz. Çünkü dalga kuramına göre ışımanın şiddeti genliğin karesi ile orantılıdır.
3.8.2 Planck Kuantum Kuramı
Işıma enerjisinin gözlenen bu özelliklerini açıklayabilmek için M. Planck, 1900’de kuantum kuramını önermiştir. Planck, ışıma enerjisinin ancak belli büyüklüklerde soğurulup yayımlanabileceğini yani kuantumlar halinde alınıp verileceğini ileri sürmüştür.
Her kuantumun enerjisi, ışımanın frekansı, ν ile orantılıdır,
E = hv = hc/λ (3.8.1)
Burada orantı katsayısı h, Planck sabitidir: h = 6,626 x 10-34 Js (veya h=6,626xl0-27 ergs.s).
Işının frekansı arttıkça kuantumun enerjisi ve kuantumlardan oluşmuş enerji akımı olarak tanımlayabileceğimiz ışının enerjisi de artar.
Bundan dolayı, siyah cismin ışımasında sıcaklık yükseldikçe yayımlanan ışın gittikçe daha kısa dalga boylarına kayar.
3.8.2 Planck Kuantum Kuramı
Şekil 3.8.1: Siyah cisim ışımasında enerji dağılımı.
3.8.3 Fotoelektrik Olay
Planck, zamanında fiziğin temellerini zorlayan bu tür bir kuramı ortaya attığı için mutlu olmadığı halde, A. Einstein, 1905’te, fotoelektrik olayın bu kuramla açıklanabileceğini sezmiştir.
Fotoelektrik olay, bir metal yüzey üzerine ışıma düşürülürse elektronların fırlaması olayıdır.
Şekil 3.8.2′ de görüldüğü gibi havası boşaltılmış cam kaptaki A metal levhası ve B metal kabı arasına V voltluk bir gerilim uygulanır ve A levhası monokromatik (tek dalga boylu) ışıma ile ışınlanırsa devreden bir akım geçtiği görülür ve G galvanometresi ile ölçülür.
Bu tür bir düzeneğe, fotoelektrik hücre denir.
3.8.3 Fotoelektrik Olay (D-1)
Akımın şiddeti, yani fırlatılan fotoelektronların enerjisi, dalga kuramına göre ışımanın şiddeti (genliği) ile orantılı olmalıdır, gerçekte ise ışımanın frekansı ile orantılı olduğu gözlenmiştir.
Diğer taraftan, bir metalden elektron koparabilmek için ışımanın belirli bir frekansa eşit veya daha yüksek frekansta olması gerekmektedir (Şekil 3.8.3).
3.8.3 Fotoelektrik Olay (D-2)
Işın şiddetinin artırılması, fırlatılan elektronların sayısını artırır, fakat enerjilerini değiştirmez.
Millikan’ın fotoelektrik olay üzerindeki çalışmaları ile Nobel ödülünü aldığını belirtelim.
Einstein, Planck’ ın kesikli ve belli büyüklükteki enerji kuantumlarının (fotonların)* metal elektronları ile etkileşmesinin fotoelektrik olaya yol açtığını açıklayarak başarılı bir öneri yapmıştır.
Bir foton, bir metal atomuna çarptığı zaman tüm enerjisini elektronlara verir; fakat bir elektron koparması için minimum bir enerjiye sahip olması gerekir; bu enerji Eo = hno dır ve no, eşik frekansıdır.
Başka bir deyişle, metal atomundan elektron koparmak için eşik frekansından daha yüksek frekanslı ışıma kullanmak gerekir.
Örneğin, bir bakır levhadan elektron koparabilmek için mor ötesi veya daha yüksek frekanslı ışıma gerektiği halde, daha düşük frekanslı mavi ışık potasyumdan elektron koparabilir.
Işımanın (fotonların) enerjisi (E = hn), elektron koparmak için gerekli enerjiden (Eo = hno) büyükse, aradaki fark elektrona kinetik enerji (elektronun kütlesi m ve hızı v ise 1/2 mv2 ) halinde verilerek elektronun fırlatılmasını sağlar.
3.8.3 Fotoelektrik Olay(D-3)
*Aşağıda Laser (ing. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ışınları hakkında çok kısa bilgi verilmiştir:
Atomları uyarıldıkları, yani bulundukları düzeyden daha yüksek enerjili düzeye çıkarıldıkları zaman ışıma yayınladıklarını gördük.
Fakat bu ışıma düzenli değildir ve özellikle uyaran etki sıcaklık ise aşırı düzensiz olur.
Her bir atom, bir foton yayınladıktan sonra, yeniden uyarılması gerekir ve tekrar ışıma yaptığında farklı dalga boyunda ve yeni bir doğrultuda foton yayınlar.
Uygun bir düzenekle atomların büyük çoğunluğu daha yüksek enerjili düzeye çıkarılır (pompalama işlemi); bu düzeyde kalma süreleri, düşük enerjili düzeydekinden daha fazla olmalıdır.
Böylece bütün fotonların belirli zamanlarda ve aynı doğrultuda yayımlanmaları sağlanabilir ve çok güçlü bir enerji elde edilebilir.
Aynı dalga boylu fotonlardan ibaret, keskin ve çok güçlü ışıma, Laser ışınları olarak bilinir ve günümüzde bilimde ve teknolojide çok kullanılmaktadır.
Laser ışınları, diğer ışınlardan farklı olarak tek bir noktada odaklanabilirler ve çok kısa bir anda 100 mW’ lık bir güce sahip olabilirler.
Bu nedenle, özellikle ses, resim ve bilgi sinyallerinin nakledilmesinde ve cerrahide kan akıtmadan kesme, vb. işlemlerde uygulanmaktadır.
3.8.3 Fotoelektrik Olay(D-4)
Eo, iş fonksiyonu olarak da tanımlanır.
E = Eo + ½ mv2 (3.8.2)
hν = hνo + ½ mv2 (3.8.3)
O halde yukarıda belirtildiği gibi belli frekansta bir ışımanın şiddetinin artırılması fotonların sayısını artıracağı fakat enerjilerini değiştirmeyeceği için, fırlatılan fotoelektronların sayısı artacak, fakat enerjileri (yani fırlama hızları) değişmeyecektir.
Fotoelektrik olay, Şekil 3.8.4’te özetlenmiştir.
3.8.3 Fotoelektrik Olay(D-5)
Soru 3.8.1: Kalsiyumdan fotoelektronların fırlatılması için ışımanın en düşük frekansı (eşik frekansı) 6 x 10 14 Hz olmalıdır. Kalsiyumu ışınlama için dalga boyu 3000 A0 olan ışıma kullanılırsa, yayımlanan fotoelektronların hızı ne olur? İş fonksiyonu nedir? (h = 6,63 x 10-34 J s, c = 3 x 108 ms-1, elektronun kütlesi, m = 9,1 x 10-31 kg ve 1 A°= 10-10 m)
Çözüm: Fotoelektrik olay için, kalsiyum üzerine düşürülen ışımanın frekansı ν, kalsiyumun eşik frekansı νo ve fırlayan fotoelektronların kütlesi m ve hızı ν ise (3.8.3)
Eşitliğinde
hν = hνo + ½ mv2
bilinen değerler yerine konursa,
(6,63 x 10-34 Js) x (3 x 108 ms-1/3000 x 10-10m)
= (6,63 x 10-34 Js) x (6 x 1014 s-1) + 1/2 x (9,1 x 10-31 kg) v2
6,63 x 10-19J = 3,97x 10-19 J + 1/2 x (9,1 x 10-31 kg) v2
Soru 3.8.1
nelde edilir ve fotoelektronların hızı
bulunur. İş fonksiyonu
Eo = hνo
olarak bilindiğine göre
E = (6,63 x 10-34J s) x (6 x 1014s-1) = 3,97×10-19 J
olarak bellidir.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI
Kimyasal tepkimeler sırasında atomlar değil, çekirdeği çevreleyen elektronlar etkileşirler.
Bundan dolayı, elementlerin özellikleri, elektronların düzenine bağlıdır; atom çekirdeği, nötral bir atom oluşturacak elektron sayısını belirler.
Elementlerde elektronların düzenini bulmaya yarayan en iyi yöntem, atom spektrumlarının incelenmesidir.
Bir elektromagnetik ışın demeti, bir prizmadan geçirilirse, ışın demetinin yolundan saptığı görülür.
Prizmada kırınım, ışımanın dalga boyuna bağlıdır; kısa dalga boylu ışımalar daha çok kırınıma uğrar.
Beyaz ışık önce dar bir demet yapıcı bir yarıktan ve sonra bir prizmadan geçirilirse, görünür bölgede mordan kırmızıya kadar değişen bütün renkleri içeren bir kesiksiz (sürekli) spektrum (Şekil 3.9.1) elde edilir.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI(D-1)
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-3)
Elementler, gaz veya buhar halinde, gerekli yüksek sıcaklığa kadar ısıtılırsa, bir ışıma yayımlanır; fakat ışımanın prizmadan geçirilmesi bir kesikli spektrum(çizgi spektrumu) verir (gözlenen spektrumdaki çizgiler, yarığın görüntüsüdür).
Örneğin, ışıma kaynağı olarak, hidrojenle dolu bir gaz boşalma tüpü kullanılırsa Şekil 3.9.2’deki çizgi spektrumu elde edilir; görüldüğü gibi, hidrojenin yayınladığı görünür bölge ışıması, beyaz ışıkta gözlenen tüm dalga boylarını değil, hidrojene özgü bir bölümünü içerir.
Her elementin kendine özgü belirgin bir çizgi yayınma spektrumu vardır.
Şekil 3.9.2’de hidrojen spektrumunda, spektrumun, yalnız görünür bölgesinde ortaya çıkan çizgiler gösterilmiş, ve karşılık gelen dalga boyları yazılmıştır.
Hidrojen, aynı zamanda mor ötesi ve kırmızı ötesi bölgelerde de ışıma yayınlar.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-4)
1885’te Balmer, hidrojenin görünür bölgedeki spektrum çizgilerinin dalga boylarının veya frekanslarının, oldukça basit bir eşitlik yardımıyla hesaplanabileceğini göstermiştir:
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-5)
veya
Bu eşitliklerde λ ve ν, ışımanın sırasıyla dalga boyu ve frekansı ve n, 3,4,5… ∞ değerlerini alabilen tam sayılardır.
n için uygun bir değer seçilerek, spektrumdaki bir çizginin dalga boyu bulunabilir. Örneğin, n = 3 ise
1/ λ = 1523300 m-1
n λ = 6,564 x 10-7 m = 656,4 nm
bulunur. n = 4,5 ve 6 alınırsa A, sırasıyla 486,3 nm, 432,4 nm ve 410,3 nm olarak hesaplanır.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-6)
Bu değerler, Şekil 3.9.2’de görüleceği gibi, hidrojenin yayınma spektrumunun görünür bölgedeki dalga boylarına karşılık gelir.
Eşitlik 3.9.l’ de n için daha büyük değerler konursa, mor ötesi bölgedeki yayınmaların dalga boyları bulunur.
Eşitlik 3.9.1 ile bulunan spektrum çizgileri dalga boyları, Balmer serisi olarak adlandırılır.
Hidrojen için gözlenen diğer spektrum çizgileri, aşağıdaki genel eşitlik (Rdyberg eşitliği) ile hesaplanabilir;
burada 10967758 m-1, Rydberg sabiti olarak bilinir ve n1 ve n2, 1,2,3,…, ∞ değerlerini alabilen tam sayılardır, fakat n2 nin n1 den büyük olması koşulu vardır. n1 = l ise, n2 = 2, 3, 4,…, ∞ olabilir ve Lyman serisindeki spektrum çizgileri elde edilir. n1 = 2 ve n2 = 3,4,5,…, ∞ olması durumu Balmer serisini verir. Bu seriler Çizelge 3.9.l’ de özetlenmiştir.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-7)
Soru 3.9.1: Hidrojen spektrumunun Brackett serisinde üçüncü spektrum çizgisinin dalga boyunu bulunuz
Çözüm: Rydberg eşitliğinde Brackett serisi için n1 = 4 ve n2 = 7 olacaktır:
1/λ = 461653 m-1 ve
λ = 2,166 x 10-6 m = 2166 nm bulunur.
Her element atomunun kendine özgü bir çizgi yayınma spektrumu olduğu gibi, bir de çizgi soğurma spektrumu vardır.
Çünkü elementler hangi dalga boyunda ışıma yayıyorlarsa, o dalga boyundaki ışımaları soğurabilirler.
Örneğin, beyaz ışık, gaz boşalma tüpünde hidrojenin içinden geçirildikten sonra analiz edilirse kesiksiz spektrumun üzerinde siyah çizgilerin oluştuğu görülür ve bunların dalga boyları gazın yayınma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-8)
Güneş ışığının kesiksiz spektrumunda görülen siyah çizgilere Fraunhofer çizgileri denir, bunlar güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışığın bazı dalga boylarını soğurmaları nedeniyle oluşur.
nHidrojenin yayınma ve soğurma spektrumları oldukça basittir, fakat atomlar büyüdükçe spektrumların açıklanması güçleşir.
Elektromagnetik ışının madde ile (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi, bu etkileşmenin incelendiği aletlere spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere spektrofotometre veya kısaca spektrometre denir.
Atomların yayınma ve soğurma spektrumlarının nasıl oluştuğu aşağıda açıklanmıştır.
Alkali ve toprak alkali metaller ve tuzları, Bunsen beki alevinde ısıtılırsa, alev, metale özgün bir renge boyanır.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI (D-9)
nMetallerin, buhar halinde, elektronları ısı enerjisiyle uyarılır ve oluşan yayınma spektrumlarının çizgilerinin bir bölümü görünür bölgede bulunur.
Örneğin, sodyum ve tuzları sarı ışık, potasyum ve tuzları, mor ışık, lityum ve tuzları kırmızı ışık, kalsiyum ve baryum tuzları yeşil ışık yayımlar.
Alkali ve toprak alkali metallerin bu yolla analizi alev analizi olarak bilinir.
Sodyumun sarı ışığı, spektroskopta incelenirse, kesikli spektrumda 5890 A° ve 5896 A° de iki sar çizgi gözlenir (Sodyumun D çizgileri); bu yolla sodyumun yayınma spektrumu oluşur.
Beyaz ışık, sodyum buharı içinden geçirildikten sonra, spektroskopta incelenirse, beyaz ışığın kesiksiz spektrumu üzerinde, aynı dalga boylarında iki siyah çizgi gözlenecektir; bu yolla sodyumun soğurma spektrumu oluşur.
3.10 BOHR ATOM KURAMI
E. Rutherford ve diğer bilim adamları, elektronların çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde hareket ettiklerini ileri sürmüşlerdir.
n1913’te N. Bohr, atomların elektron yapıları için, Rutherford’ un çekirdek modeline, Planck’ in (Einstein tarafından geliştirilmiş) kuantum kuramına ve hidrojenin atom spektrumuna dayanarak bir atom kuramı önermiştir.
Atom spektrumlarını, Rutherford atom modelini ve çekirdek etrafında dönen elektronları göz önüne alarak açıklama girişimleri tam bir başarısızlıkla sonuçlanmıştı.
Çünkü bu modele göre elektron, çekirdek etrafında dairesel bir yörüngede dolanmalıdır, aksi halde atomdan ayrılması gerekir.
Fakat elektrodinamik yasalarına göre, yüklü bir parçacık olan elektronun çekirdeğin çekimini yenebilmek için hızla dönmesi, onun elektromagnetik ışıma ile enerji kaybetmesine ve gittikçe daha hızlı dönerek ve spiraller çizerek çekirdeğe yaklaşmasına ve sonuçta çekirdeğe düşmesine yol açar.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-1)
Atom bu kadar küçülürse, maddenin ve dünyanın da oluşumundan çok kısa bir süre sonra yok olması gerekirdi!
Gerçekte dönen elektron enerjisini kaybediyorsa, kesintisiz bütün enerji değerlerini alabilmesi beklenir.
Fakat yayınma ve soğurma spektrumları, ancak belli dalga boylarındaki ışımaların yayıldığını ve soğurulduğunu göstermiştir.
Bohr, atom kuramını hidrojenin yayınma spektrumuna dayanarak ve Planck’ in kuantum kuramını göz önüne alarak geliştirmiştir.
Spektroskopik gözlemlerde, yayılan ışımanın, atomlarda elektronların yer değiştirmelerinden ileri geldiği düşünülmüştür.
Hidrojenin çizgi spektrumu. ışının belli miktarlar (kuantumlar) halinde yayıldığını gösterir.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-2)
O halde hidrojenin elektronunun enerjisi kuantlanmıştır ve elektron, yüksek enerjili bir düzeyden daha düşük enerjili bir düzeye geçerken, enerji farkı, ışıma kuantumu olarak yayılmakta ve yayınma spektrumundaki bir çizgiye karşılık gelmektedir.
Hidrojen elektronunun yüksek enerjili düzeye geçmesi, daha önce açıklandığı gibi bir gaz boşalma tüpünde sağlanabilir.
Bohr kuramına göre, hidrojen elektronu, çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngelerde dolanabilir, bunlara enerji düzeyleri denir.
Bu düzeylerde, elektron, belli miktarlarda yani kuantlanmış enerjiye sahiptir. Bohr, elektronun enerjisinin
E = -A(1/n2) (3.10.1)
nbağıntısı ile verilebileceğini hesaplamıştır; A, elektronun yükü, kütlesi ve Planck sabiti bilinirse bulunabilir.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-3)
A’ nın değeri 2,18 x 10-18 J dür; n,l,2,3,…,∞ değerleri olabilen bir tamsayıdır ve baş kuantum sayısı olarak adlandırılır.
E için negatif değer, çekirdeğe yakın elektronun enerjisinin sonsuz uzaklıktaki elektronun enerjisinden (n = ∞ ve E = 0) daha düşük olduğunu gösterir.
Bu referans duruma göre her bir yörüngedeki elektronun enerjisi negatiftir.
Enerji düzeyleri için gerekli bir kuantum koşulu vardır:
Bir elektronun bir düzeyde (yörüngede) açısal momentumu (mvr, m elektronun kütlesi, v, hızı ve r yörüngenin yarıçapı), h/2π nin tam katları olmalıdır (Bohr kuantum koşulu).
mvr = nh/2π n = 1,2,3,… (3.10.2)
Başka bir deyişle, her yörüngedeki elektron, bu yörüngeye özgü bir enerjiye veya hıza sahiptir ve bu yörüngede kaldığı sürece ne enerji yayabilir ve ne de soğurabilir (veya ancak bu açısal momentuma sahip olabilecek kadar enerji yayabilir ve soğurabilir).
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-4)
n = 1 olduğu enerji düzeyi (K tabakası), en küçük yarıçaplı, en düşük enerjili ve çekirdeğe en yakın yörüngedir.
Çekirdekten uzaklaştıkça (K, L, M, N ve O tabakaları için n sırasıyla 1,2,3,4 ve 5) yörüngenin yarıçapı ve enerjisi artar.
Atomda hiçbir elektron, bu enerji düzeyleri arasında bir yerde bulunamaz, yani bu düzeyler arasında bulunabilecek bir enerjiye sahip olamaz.
Belirli bir yörüngede ışıma yaymadan dolaşan bir elektron ile çekirdek arasındaki Coulomb çekme kuvveti, çekirdeğin yükü + Ze, ve elektronun yükü -e olduğuna göre -Ze2 / 4πεor2 dir*.
(*) SI sisteminde, q1 ve q2 elektrik yükleri r uzaklığı ile ayrılmışsa, aralarındaki çekme kuvveti q1q2 /4 πεor2 ile verilir. Burada ε0, değeri serbest uzayda 8,85 x 10-12 C2N-1m-2 olan denel bir niceliktir. (Boşluğun dielektrik sabiti) ve 4 πεo =(l/9×109) C2N-1m-2 dir.
CGS sisteminde, bu çekme kuvveti, – Ze2 /r2 ile verilir.
Fakat, kitapta SI birimleri ve tanımları kullanıldığı için, çekme kuvveti, rasyonalize edilmiş, yani 4π faktörünü içeren bir bağıntı ile verilmiştir. Ayrıntılı bilgi için EK 4’e bakınız.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-5)
Bu çekme kuvveti , elektronu çizgisel yolundan saparak çekirdek etrafında dönmeye zorlar, dolayısıyla merkezkaç kuvvet olarak düşünülebilir Merkezkaç kuvvet -mv2 / r ile verilir, eksi işareti, gerçekte çekmenin içeri doğru olduğunu gösterir. Bundan dolayı,
mv2/r = Ze2 / 4 πεor2 (3.10.3)
ve
v2 = Ze2/4πεom2 (3.10.4)
yazılabilir.
v hızı Bohr kuantum koşulundan (Eşitlik 3.10.2)
v = nh/2πmr n= 1,2,3,… (3.10.5)
olarak bellidir.
Eşitlik 3.10.5, Eşitlik 3.10.4’te yerine konursa
Ze2/4πεomr = n2h2 / 4π2m2r2 (3.10.6)
elde edilir; buradan bir yörüngenin yarıçapı için
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-5)
r = n2h2eo/πmZe2 n=l,2, 3,… (3.10.7)
bulunur. Hidrojen atomunda en küçük yörünge (n = 1) için
r = 0,529 x 10-10 m = 0,53A°
elde edilir.
Buna Bohr yarıçapı denir ve bazı yerlerde ao ile gösterilir.
Bir elektron enerjisi, kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamı olarak ifade edilebilir:
E = Ekin.+ Epot.= (mv2/2) + (- Ze2/4πεor) (3.10.8)
elektronun kinetik enerjisi mv2/2 kadardır, potansiyel enerjisi ise elektronu sonsuz uzaklıktan r yarıçaplı yörüngeye getirmek için verilmesi gerekli enerjidir ve –Ze2/4πεor kadardır.
Eşitlik 3.10.4’ten
nmv2 = Ze2/4πεor (3.10.9)
bulunur ve Eşitlik 3.10.8’de yerine konursa,
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-6)
E = (Ze2/8πεor) – (Ze2/4πεor) = – Ze2/8πεor (3.10.10)
elde edilir .
Eşitlik 3.10.7’den r’ nin değeri yerine konursa,
E =-(me4/8h2εo2) x (Z2/n2) n=l,2, 3,… (3.10.11)
bulunur ve me4/8h2εo2 = A denirse, hidrojen için Z = 1 olduğuna göre, Eşitlik 3.10.1 yani,
E = -A(1/n2)
elde edilir.
Elektronun yükü, kütlesi ve Planck sabiti değerlerinin yerine konulması ile A’ nın yukarıda verilen sayısal değeri bulunacaktır.
Elektronun bir yörüngedeki enerjisi n’ye bağlıdır ve n = 1 olması durumunda en düşük enerji düzeyindedir, çünkü E için en düşük yani en negatif değer elde edilir (Şekil 3.10.1)
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-7)
Şekil 3.10.1: Bohr enerji düzeyleri
Negatif enerji ilk bakışta biraz şaşırtıcı gelebilir, fakat gerçekte ancak enerji düzeyleri arasındaki fark ölçülebildiğinden sıfır noktasının yerinin seçimi önemsizdir.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-8)
Negatif enerji ilk bakışta biraz şaşırtıcı gelebilir, fakat gerçekte ancak enerji düzeyleri arasındaki fark ölçülebildiğinden sıfır noktasının yerinin seçimi önemsizdir.
Bohr, kuramı ile elektronun atomda davranışını açıklayan bir model geliştirmiştir.
Fakat, her kuram için olduğu gibi, denel kanıtlar gereklidir. Elektronu gözlemek olanağı olmadığına göre, modelin geçerliliği için, Bohr dolaylı bir kanıt aramıştır.
Bohr’a göre bir atoma enerji verilirse elektron(lar) bulundukları enerji düzeyinden daha yüksek enerjili bir düzeye çıkar(lar); örneğin ısı ile, gaz boşalma tüpünde veya elektrik arkı ile, vb.. En düşük enerjili düzeye temel durum, daha yüksek enerjili düzeye uyarılmış durum denir.
Elektron uyarılmış durumdan, daha düşük enerjili bir düzeye veya temel duruma dönerken, enerjisi iki düzey arasındaki enerji farkına eşit bir foton yayar.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-9)
Başka bir deyişle, bu enerji farkını ışıma şeklinde yayar ve sonuçta, (spektroskopik analiz yapılırsa) belirgin bir dalga boyu (ve frekansı) olan bir spektrum çizgisi oluşturur.
Yüksek ve düşük enerjili düzeylerin kuantum sayılarına, sırasıyla n2 ve n1 denirse (n2 > n1), enerji farkı, yani yayılan fotonun enerjisi,
(3.10.12)
(3.10.14)
olarak hesaplanır.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-10)
λ, hesaplanırken ΔE’ nin pozitif değeri için Eşitlik 3.10.12’de ΔE = Eilk durum – Eson durum olarak yazılmıştır.
Gerçekte, bir sistemde enerji değişmesi, ΔE = Eson durum – Eilk durum olarak bellidir.
O halde elektronun n2’den n1’e düşmesiyle enerji değişmesi
(3.10.14a)
Dir.
ΔE nin negatif değeri, elektronun enerji kaybettiğini yani daha kararlı duruma geçtiğini gösterir (Beklendiği gibi).
n2’den n1’e düşüşte salınan enerji (negatif değer) ve n1’den n2’ye çıkışta alınan enerji (pozitif değer), mutlak değerce eşittir
ve 3.10.14 eşitliği, elektronun hem n2 → n1 ve hem de n1 → n2 geçişinde enerji alışverişinin hesaplanmasında ve 3.10.17
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-11)
neşitliği n2 → n1 geçişinde yayınlanan ışımanın (fotonun) ve n1 → n2 geçişinde soğurulan ışının dalga boyunun hesaplanmasında kullanılabilir.
nFotonun enerjisi için Eşitlik 3.8.1’den E = hν değeri yerine konursa,
( 3.10.15 )
elde edilir, buradan,
( 3.10.16 )
bulunur. A/hc = 10973731 m-1 olduğundan son eşitlik
olarak
( 3.10.17)
yazılabilir.
bulunur. A/hc = 10973731 m-1 olduğundan son eşitlik olarak
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-12)
Eşitlik 3.9.3 ve 3.10.17 karşılaştırılırsa aynı oldukları -Rydberg sabiti dışında- görülür.
Rydberg eşitliği (3.9.3) denel gözlemlere dayanılarak bulunmuş, Eşitlik. 3.10.17 ise kuramsal yoldan çıkarılmıştır.
O halde, Bohr kuramı, hidrojen atomu yapısını, elektronun davranışını ve atom spektrumunu başarıyla açıklar.
Kuram, tek elektronlu He+ ve Li2+ atom spektrumların açıklanmasında da yararlıdır, fakat daha büyük atomlar için geçerli değildir.
Bununla beraber, getirdiği, kuantum sayıları ve kuantlanmış, enerji düzeyleri kavramları, atomun yapısı hakkındaki bilgimizin gelişmesine önemli katkılarda bulunmuştur.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-13)
Hidrojen atomunun spektrum çizgileri ve elektronun enerji düzeyini değiştirmesi arasındaki bağıntı Şekil 3.10.2’de gösterilmiştir.
n = 1 olduğu K tabakasına geçişler, n = 2 olduğu L tabakasına geçişlerden daha fazla enerji yaydığından Lyman serisi çizgilerinin dalga boyları, Balmer serisi çizgilerine göre daha kısadır.
Lyman se­risi çizgileri mor ötesi bölgede ve Balmer serisi çizgileri görünür bölgede bulunur.
n = 3 olduğu M tabakasına geçişler ise, Balmer serisi çizgilerinden daha uzun dalga boylu olan ve kırmızı ötesi bölgede yer alan Paschen serisi çizgilerini oluştururlar.
Elektronun, temel durumdan, sonsuzdaki enerji düzeyine çıkarılmasına yani atomdan ayrılmasına iyonlaşma denir.
3.10 BOHR ATOM KURAMI (D-13)
Soru 3.10.1: Hidrojen atomu elektronunu en düşük düzeyinden uzaklaştırarak, H+ iyonu oluşturmak üzere verilmesi gereken enerjiyi yani iyonlaşma enerjisini, bir atom hidrojen için ve bir mol hidrojen için hesaplayınız.
Çözüm: En düşük enerji düzeyi için n1 = l’ dir ve elektron n2 = ∞ düzeyine çıkarılırsa serbest kalır, yani hidrojen iyonlaşır. O halde,
yazılır, A = 2,18 x 10-18 J ve 1/∞= 0 olduğuna göre
∆E = 2,18x 10-18 J
bulunur.
Bu miktarda enerji bir hidrojen atomunu iyonlaştırır. Bir mol hidrojen için iyonlaşma enerjisi, İE
İE = 2,18 x 10-18J x 6,022 x 1023 mol-1 = 1313 kJ mol-1
= 1313 kJ mol -1 x (l eV/96,49 kJ mol -1) = 13,6 eV bulunur.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA
19. Yüzyılın başında, kimyacılar elementler arasındaki bağıntılarla ilgilenmeye başladılar.
1817’de ve 1829’da J.W.Dobereiner, elementlerin üçlü gruplar halinde sıralanabileceğini yayınladı.
1863-66 yıllarında J.A.R. Nevvlands, elementlerin artan atom kütleleri yasasına göre sıralanırsa bir elementin kendisini izleyen sekizinci elemente benzediğini ileri süren oktavlar yasasını ortaya koydu.
Nevvlands’ ın elementlere verdiği seri numaraları, ilk atom kütleleri sayılabilir, fakat zamanında fiziksel anlamları olmadığı gibi günümüzdeki değerlere de karşılık gelmezler.
Elementlerin periyotlu düzenlenmesi, 1869’da J.L.Meyer ve D. Mendeleev tarafından ayrı ayrı önerilmiştir.
Bölüm 4’te göreceğimiz gibi modern periyotlu yasa,elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin atom numaralarının fonksiyonu olduğunu belirtir.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-1)
Elementler artan atom numaralarına göre sıralanırsa, benzer özellikleri periyotlu olarak ortaya çıkar.
Mendeleev’ in hazırladığı periyotlu dizge atom numaralarına değil, atom kütlelerine dayanıyordu.
Fakat bu durumda dahi elementlerin başarılı ve yararlı bir dizilişini vermiştir; çünkü atom numaraları ve atom kütleleri, üç ayrıcalıklı element (K, Ni ve I; atom kütlelerine göre dizilişte K, Ar’ dan, Ni, Co’ dan ve I, Te’ den önce gelmeliydi) dışında birbirlerine paralel olarak artarlar.
Mendeleev, periyotlu dizgesini, benzer özellikler taşıyan elementleri ardı ardına dizerek hazırlamış, zamanında bilinmeyen elementlerin yerini boş bırakmıştır.
Fakat önerdiği sisteme dayanarak zamanında bilinmeyen bazı elementlerin (örneğin, Sc, Ga ve Ge) varlığını belirtmiş ve özelliklerini de tahmin edebilmiştir.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-2)
Mendeleev’ in periyotlu dizgesi üzerinde daha ileri çalışmalar, gözlenen periyotlu özelliklerin atom kütlesine değil, fakat başka bir atom özelliğine bağlı olması gerektiği sonucunu vermiştir.
Bu özelliğin, o zamanlar, elementlerin yalnız peri­yotlu dizgede bulundukları yere verilen sıra numarası olarak gözüken atom numarası olabileceği üzerinde durulmuştur.
Sorunun çözümü ise 1914’te H.G.J. Moseley tarafından başarılmıştır.
Moseley, denel gözlemlerini, zamanında henüz yayınlanmış olan Bohr kuramına dayanarak açıklamıştır.
Moseley, X-ışınları (Roentgen ışınları) üzerinde yaptığı çalışmalarda, yüksek enerjili katot ışınlarını, anot olarak kullanılan çeşitli metal hedefler üzerine göndererek oluşan X-ışınları spektrumlarını incelemiştir.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-3)
1895’te W.C. Roentgen tarafından bulunan X-ışınları (Roentgen yapısını anlayamadığı bu ışınlara X-ışınları demişti) yüksek enerjili ışınlardır ve X- ışınları tüpünde (Şekil 3.11.1), anot olarak kullanılan elemente özgü birkaç dalga boyu içeren X-ışınları spektrumları oluştururlar.
Moseley atom numaraları 13 (Al) ve 79 (Au) arasında olan 39 elementin X-ışınları spektrumlarını incelemiş, ve elementlerin X-ışınları spektrumunun uygun bir çizgisinin frekansının karekökü ile elementin atom numarası arasında çizgisel bir bağıntı bulmuştur (Şekil 3.11.2); (3.11.1)
burada a ve b sabitlerdir (a = 5,0 x 107 ve b = 1,0). O halde X-ışınları frekansının karekökü, elementlerin atom numaralarının artmasıyla orantılı olarak artmaktadır.
Elementin atom numarası ile oluşturduğu X-ışını frekansı arasındaki bağıntı, atom numarasının basitçe bir sıra numarası değil, atomun temel özelliklerinden biri olduğunu gösterir
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-4)
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-5)
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-6)
Moseley, bu bağıntı yardımıyla atom kütlelerine (atom ağırlıklarına) göre düzenlenmiş, periyotlu dizgedeki ayrıcalıkların (yukarıda da açıklandığı gibi Ar-K, Co-Ni ve Te-I) dizgedeki düzeni değiştirmeyeceğini göstermiştir.
Çünkü periyotlu dizge, atom kütlelerine değil, atom numaralarına göre oluşmaktadır.
Örneğin Ar’ un atom numarası K’ dan daha küçüktür, atom kütlesi daha büyük olsa dahi periyotlu dizgede Ar, K’ dan önce gelmelidir ve bu sorun Moseley’ in X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin doğru atom numaralarını bulmasıyla çözülmüştür.
Moseley, aynı zamanda atom numaraları 42 ve 44 olan Mo ve Ru arasında atom numarası 43 olan bir elementin bulunması gerektiğini belirtmiştir; ancak bu element 1937’de ve radyoaktif olduğu için güçlükle bulunabilmiş ve Tc olarak adlandırılmıştır.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-7)
Moseley yasasının önemini gösteren bir diğer örnek, La ile Hf arasında 14 elementin varlığını bildirmiş olmasıdır.
Çünkü, La ve Hf un atom numaraları, X-ışınları spektrumlarına göre 57 ve 72’dir.
Beklenen bu elementler (61 atom numaralı olanı dışında) yer kabuğunda bulunmuş ve lantanitler adı altında -hepsi tek bir yere konamayacağı için-periyotlu dizgenin altında yer verilmiştir.
X-ışınları, katot ışınlarının, anot elementi atomlarının iç enerji düzeylerindeki elektronları fırlatmaları ve dış enerji düzeylerindeki elektronların bu boş düzeylere düşerken aradaki enerji farkını elektromagnetik ışıma olarak yaymaları ile oluşur.
Yayılan fotonlar yüksek enerjili, yani yüksek frekanslı ve kısa dalga boylu X-ışınlarıdır.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-8)
Bohr eşitliklerinde, eşitlik 3.10.11’de bir spektrum çizgisinin u frekansının, -E = hν olduğu göz önünde tutulursa -çekirdekteki artı yük sayısının karesi, Z2 ile orantılı olduğu görülür.
O halde, atom numarası, Moseley’ in de belirttiği gibi çekirdekteki artı yük sayısına eşittir.
Başka bir deyişle, atomları farklandıran özellik çekirdekteki artı yük sayısı, yani proton sayısı (ve nötral atomlar için buna eşit olan elektron sayısı)dır ve buna atom numarası denir.
3.12 ATOM KURAMINDA GELİŞMELER
Bu bölümün periyotlu dizge ve atom çekirdeğinin yapısı öğrenildikten sonra okunması önerilir.
Şimdiye dek, atomun bir tanımını yapmadık; atom, “maddenin kimyasal yolla bölünemeyen en büyük parçası” olarak tanımlanabilir.
Çünkü atomun, yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarla bölündüğünü biliyoruz.
Fakat 1930’larda geliştirilen ve protonları, nötronları ve elektronları, atomun yapı taşları yani atomaltı parçacıklar olarak kabul eden atom kuramı, bulunan diğer parçacıklarla geçerliliğini yitirmiştir.
1963’de Gell-Mann ve Zvveig, temel parçacık ve antiparçacık kavramlarını geliştirdiler ve temel parçacığa kuark, antiparçacığa ise antikuark dediler.
Günümüzde kuark kuramı biraz değiştirilmiş olmakla beraber temeli aynıdır: çekirdek içi parçacıklar, yani protonlar ve nötronlar, daha küçük parçalara bölünemeyen kuarklardan ve antikuarklardan oluşur.
Üç tür kuark vardır: u, d ve s kuarklar. Kurama göre, her çekirdek içi parçacık (hadron olarak adlandırılır), bir seri kuarkdan oluşmuştur; örneğin 1 proton = 2u + 1d ve 1 nötron = lu + 2d. Artık, protonlar ve nötronlar elemanter parçacıklar olarak düşünülmemektedir.
3.12 ATOM KURAMINDA GELİŞMELER (D-1)
Kuark bileşimlerine bağlı olarak, hadronlar, 119 grupta toplanırlar: Baryonlar, üç kuarktan oluşur (proton ve nötron bu gruptadır); antibaryonlar, üç antikuarktan oluşur (örneğin, antiproton ve antinötron) ve mezonlar yani kuark-antikuark çiftleri (örneğin, pion, kaon).
Günümüzde parçacık kuramı altı kuarkın ve altı antikuarkın varlığını kabul eder (gözleme olanakları arttıkça sayıları da artabilir) ve her toplam oniki temel parçacık, kuantun sayıları ile ayırdedilir.
“Bir hadronda, tüm kuantum sayıları aynı olan iki kuark bulunamaz” şeklinde ifade edilen özellikleri, elektronlar için verilen Pauli ilkesine benzer.
Hadronlar, elektrik yükleri kesirli sayılardır ve çok çabuk (10-11 – 10 –23 s) parçalanırlar.
Atom çekirdeği dışında yegane parçacık olarak bilinen elektronlar da bu özelliklerini yitirmiştir; Çünkü denel kanıtlara göre elektron, leptonlar adı verilen parçacık türlerinden biridir.
Leptonlar da kuarklar gibi daha küçük parçalara bölünemeyen temel parçacıklardır; fakat kuarkların aksine kesirli yüklü değildirler, birleşerek daha karışık parçacıklara dönüşmezler ve aşağıda göreceğimiz gibi kuarkları birarada tutan güçlü kuvvetten etkilenmezler.
3.12 ATOM KURAMINDA GELİŞMELER (D-2)
Lepton-antilepton parçacıkları sayısı da onikidir.
Elektron, muan, tau ve nötrino birer lepton, pozitron ise bir antileptondur.
Kuarklar ve leptonlar yani atomda varlığı ileri sürülen yirmi dört tane yapı taşı günümüz atom kuramının bir bölümünü oluşturur.
Diğer bölümü ise bu atom içi parçacıkları birarada tutan kuvvetlerdir. Dört kuvvetin varlığı kabul edilmektedir:
Yerçekimi ve elektrik, makroskopik düzeydedir; diğer ikisi güçlü kuvvet ve zayıf kuvvet ise ancak atom düzeyinde gözlenebilir.
Güçlü kuvvet, yani dört kuvvetten en güçlüsü, 10-13 cm uzaklığında (bir hadronun çapı) etkindir, elektrik kuvvetinden 100 kat daha güçlüdür.
Kuarkları bir arada tutar ve aynı zamanda protonları ve nötronları birarada tutar.
Elektrik kuvvetinin etkinliği sonsuzdur, yüklü parçacıklar arasında itme ve çekmeyi sağlar.
Zayıf kuvvet 10-15 cm uzaklığında etkindir, elektrik kuvvetinden 104 kere daha zayıftır, ku­arklar ve leptonlar üzerinde etkindir.
Yerçekimi ise bu kuvvetlerin en zayıfıdır.
3.12 ATOM KURAMINDA GELİŞMELER (D-3)
Günümüzde atom kuramı, zayıf kuvvet, elektrik kuvveti ve güçlü kuvvet, parçacıklar arasında iletildiği zaman, kısa ömürlü bir kuvvet taşıyıcı parçacığın değişimini ileri sürer ve boson olarak adlandırır.
Elektrik kuvveti için taşıyıcı fotondur; güçlü kuvvet, kuarklar arasında gluon ile taşınır. Parçacık hızlandırıcılarının gelişmesi ile parçacıklar ve kuvvet taşıyıcılar için yeni kanıtlar bulunacağı ümidedilmektedir.
Atom kuramı ile kainatın oluşumunun ve doğadaki kuvvetlerin açıklanmasına çalışıldığını ve ilgili diğer kuramların, örneğin, birleşik alanların kuramı, geliştirildiğini belirtelim; buna göre bütün parçacıkların ve kuvvetlerin çıkış noktası aynı olmalıdır.
Atom kuramındaki gelişmeler, atom fiziğinin konusu olduğundan kitabın kapsamı dışındadır ve bu özetle yetinilmiştir.

Bir cevap yazın