Modern Atom Teorileri

MODERN ATOM MODELLERİ VE TARİHÇELERİThomson Atom Modeli             J. J. Stoney’ın elektronu keşfinden sonra,  J.

MODERN ATOM MODELLERİ VE TARİHÇELERİ

Thomson Atom Modeli

            J. J. Stoney’ın elektronu keşfinden sonra,  J.J.Thomson 1897 yılında katot ışınlarının magnetik ve elektrik alanlarında sapmalarını gözleyerek elektronlar için yük/kütle (e/m) oranını saptamayı başarmıştır. Bu amaçla Thomson aşağıdaki şekilde görülen katot ışınları tübüne benzer bir tüp kullanmıştır.

 Cihazın Çalışması :  Başlangıçta herhangi bir elektriksel ve magnetik alan yokken delikten geçen  ışın A noktasına düşer. Işığın doğrultusuna dik bir magnetik alan uyulanırsa  ışın yolundan sapar ve A noktasından r kadar uzaklaşır. Ve B noktasında bir  ışıldama meydana gelir. Magnetik sapmayı sağlayan kuvvet; magnetik alan  şiddetine, elektronun yüküne ve hızına bağlıdır. 

 
   
   
 

 

       

F = HeV                          (1)

H : Magnetik alan şiddeti

     e : elektronun yükü
     v : elektronun hızı 

elektronun dairesel hareketi için etkiyen kuvvet ise

 
   
   
 

 

       

F = mv2/r                          (2)

m : elektronun kütlesi

       

v : elektronun hızı

olduğundan 2 kuvvet birbirine eşitlenirse ve e/m oranı

 
   
   
 
     e/m =    v/Hr                         (3) 

 

olarak belirlenebilir. Denel olarak r ve H büyüklüğü ölçülebilir. Fakat elektronun hızı ölçülemez. Elektronun hızı belirleyebilmek için Thomson magnetik alanın saptırmasını tam olarak karşılayabilcek elektrik alanı uygulayarak B noktasına düşen demeti A noktasına geri kaydırmıştır. Bu elektrik ve magnetik kuvvetlerin eşit olması anlamına gelir.

 
   
   
 
     Hev = eE                        (4) 

E : elektrik alan

Buradan v = E/H yazılabilir. Bu sonuç 3 nolu eşitlikle birleştirilirse

 
   
   
 
     e/m = E/H2r                     (5) 

 

yazılabilir. e/m oranı bu şekilde –1.7588´1011 C/Kg olarak belirlenmiştir.

 J.J. Thomson döneminde atomların kütleleri ve yarıçapları  yaklaşık olarak biliniyordu. Thomson bu çalışmaları ile atom içersinde negatif  yüklü ve atomdan çok daha küçük parçacıkların bulunduğunu göstermiştir. Ve  kendi adı ile anılan atom modelini önermiştir. Bazen bu modelden  bahsedilirken  üzümlü kek modeli de  denilmektedir. Modele göre; Madde, küre şeklindeki atomlardan oluşmuştur.  Atomda negatif yüklü elektronlar vardır. Ve elektronların kütlesi atomun  kütlesinden çok küçüktür. Elektriksel nötralliği sağlamak için atomun geri  kalan kısmı pozitif yüklü olmalıdır. Pozitif yük kütlenin çok büyük bir  kısımını oluşturduğuna göre atom, artı yüklü kütlenin homojen olarak dağıldığı  bir küredir. Elektronlar bu küre içinde elektriksel nötralleşmeyi sağlayacak  şekilde serpilmişlerdir. 
 RUTHERFORD ATOM  MODELİ
 Ernest Rutherford,  fotoğraf plakası ile çevrilmiş yarım mikron kalınlığındaki bir altın plakayı  alfa tanecikleri ile doğrusal olarak bombaladığında, alfa taneciklerinin  çoğunun yön değiştirmeksizin altın plakasının arkasında kalan fotoğraf  plakasına ulaştığını gözlemledi. Bununla beraber bazı alfa taneciklerinin ise  büyük açılarla sapmaya uğradıklarını gözlemledi (Animasyon 1). Rutherford  tarafından kullanılan altın plakanın kalınlığı yaklaşık olarak 2000 atomdan  oluşuyordu ve alfa taneciklerinin çoğu arkadaki fotoğraf plağına  ulaştığından altın atomları büyük boşluklardan oluşmalıydı. Kimi alf  ataneciklerinin sapmaları çok fazla olmasının nedeni atomun bir yerinde pozitif  yüklü alfa taneciklerini saptırabilecek güçte büyük kütleli bir  bölge bulunmalıydı (Şekil 2). Rutherford bu deneylerden sonra çekirdekli atom  kuramını 1911 yılında açıkladı. 
 Rutherford  yaptığı deneylere göre bu pozitif yüklü çekirdeğin atomun çapına göre onbin kat  daha küçük olduğunu öne sürdü. Bugünkü bilgiler göre çekirdek çapı yaklaşık  olarak 10–13  cm kadardır. Rutherford atomu bir güneş sistemine benzeterek atom çekirdeğini  güneşe, elektronları da gezegenlere benzetmiştir. Çünkü deney sonuçlarında  anlaşıldığına göre elektronlar atom çekirdeği etrafında bulunuyorlarsa,  çekirdeğe düşmemek için çekirdek etrafında dönmek zorundaydılar ve onları  çekirdeğe çeken coulomb çekim kuvvetine denk bir merkezkaç kuvveti ile hareket  etmeleri gerekiyordu. Böylece elektronlar gezegenler gibi yörüngelerinde  bulunacaklardı (Animasyon 2).
 Rutherford  Atom Modelinin Eksik Tarafları
 Rutherford  atom modeli ilk bakışta iyi görülse de modelin ayrıntıları üzerinde durulmaya  başlanırsa bazı eksik noktaların bulunduğu görülür. Rutherford atom çekideğinin  protonlardan oluştuğunu öne sürdü fakat tek pozitif yüke sahip hidrojen  çekirdeğinin neden iki pozitif yükse sahip helyumdan dört kat daha ağır  olduğunu anlamak zordu. Gerçi Rutherford atom çekirdeği içinde  protondan başka türler olabileceğini düşündü ama 1932 yılında Chadwich nötronu  keşfedinceye kadar bu konu karanlık kaldı. 
 Fakat  Rutherford atom modelinin eksik tarafı dediğimizde bu anlaşılmaz. Bu atom  modelinde asıl anlaşılmaz olan başka şeyler sözkonusuydu. 
 Eğer  elektronlar coulomb çekim kuvvetlerini karşılayacak büyüklükte sabit bir açısal  hızla çekirdek etrafında dönmesi sabit bir ivmesinin olması gerektirir. İvmenin  varlığı ise, kuvvetin, momentumun, ve kinetik enerjinin varlığı demektir. Bu  nedenle elektromagetik enerji taşıyan elektronlar, atmosferde enerji kaybeden  yapma bir uydunun dünyaya düşmesi gibi çekirdeğe çakılmalıdır. Enerjisini,  ışıma yolu ile kaybederek elektronun bir spiral bir yörünge üzerinden çekirdeğe  düşme süresi yaklaşık olarak 10-11 saniye kadar olacaktır. Bu süre  atomu bizim boyutlarımız içinde kararlı yapamayacak kadar kısadır. Bu nedenle  model elektromagnetik ışıma hakkındaki bilgilerimizle çelişki oluşturmaktadır. 
 Atomlar  tarafından ışığın yayılması rutherford atom modeline uyar fakat aynı zaman da  bu modeli bozar. Çünkü biz atomların yaydığı ışığı görmeden çok önce, atomlar  çekidek boyutuna kadar büzülmüş olmalıdır. Bu nedenle normal bir atomda  elektronlar çekirdeğin üzerine düşmüş ve saplanmış olmaları gerekir. Fakat bu  düşünce alfa tanceciklerinin saçılması olayına tam ters düştüğü gibi,  gazlardaki çarpışmalardan ve katı ve sıvılardaki atom istiflenmelerinden  hareketle elde edilen atomik büyüklüklerde de uyuşmayacaktır. 
 Rutherford  atom modelinin diğer bir hatası da spektrum analizi ile çelişkiye düşmesidir.  Atom tarafından yayılan ışığın frekansı elektronun çekidek çevresinde bir  saniyedeki dönüş sayısına bağımlı olacaktır. Daha küçük yörüngelerde dönen  elektronların dönme peryodu daha küçük dolayısıyla yaydıkları ışığın frekansı  da daha büyük yörüngelerdeki hareket eden elektronların yaydıkları ışık  frekansına göre daha büyük olacaktır. Bir elektron ışıma yaptıkça enerji  kaybedeceğinden yörünge çapı da gittikçe küçülmelidir. Böylece yaydığı ışığın  frekansı gittikçe artmalıdır. Bir ışık kaynağında birden çok fazla sayıda atom  vardır ve bu atomlardan bazıları ışık yayma işleminin bir basamağında iken,  diğerleri başka basamaklarda bulunabilir. Böylece pratik olarak bütün dalga  boylarında ışık yayması beklenir. Örneğin bir elektrik boşalması ile ışıklı  hale getirilmiş hidrojen gazının sürekli bir ışık spektrumu vermesi beklenir.  Halbuki beklenenin tersine, hidrojen ışığının spektrumu analiz edildiğinde  belirli sayıda keskin çizgiler yani farklı farklı dalga boyları gözlenir
 Bu  spektrumlar atomların parmak izleri gibidir. Uzak yıldız ya da galaksilerdeki  atomlar ve miktarı bu tür spektrumlar kullanılarak saptanmaktadır ve bu  uygulamlardan yalnızca biridir. 
 Rutherford  atom modelinin başka bir hatası da atomu güneş sistemine benzetmesiydi. Bunun  nedenini daha iyi anlayabilmek için hidrojen atomunu düşünelim.Hidrojenin  elektronunun döndüğü yörüngenin çapını r, açısal hızını , elektronun kütlesini m, elektron ve  çekirdeğin yükleri e ve -e kadar olacağından, merkezkaç kuvveti için ve Coulomb çekim kuvveti için yazılabilir. Denge hali için 
 
 olacaktır  ki denklemden de görüldüğü gibi herhangi bir r değeri için elektronun açısal hızı bulunabilecektir. Böylece  birbirinden çok farklı atomik çaplara sahip hidrojen atmları bekleyebiliriz. Bu  sonuç hidrojen atomlarının ne fiziksel nede kimysal davranışlarında gözlenmez  ve tüm hidrojen atomları büyküklükleri açısından birbirlerine benzerler. Bütün  bu farklılıklar Rutherford atom modelinin eksik taraflarıdır. 
 BOHR  ATOM MODELİ
 Niels  Hendrik Bohr, Rutherford atom modeli ile Planck’ın kuantum teorisini kullanarak 1913  yılında yeni bir atom modeli öne sürdü. Bu yeni model Rutherford modelinin  açıklayamadığı noktalara ışık tutuyordu. Bohr’un atom teorisi 3 temel varsayıma  dayanır.

     
       
  • Bir atomda bulunan her elektron çekirdekten ancak belirli uzaklıklardaki yörüngelerde bulunabilir. Her yörünge belirli bir enerjiye karşı gelir ve elektron yörüngelerden birinde hareket ederken enerji kaybederek çekirdeğe doğru yaklaşmaz.
  •  
     
       
  1. Yüksek enerji düzeyinde bir elektron düşük enerji düzeyine inerse enerji düzeyleri arasındaki enerji farkına eşit enerji yayınlanır.
  2.    
  3. Elektronlar çekirdek çevresinde dairesel yörüngeler izlerler ve elektronların açısal momentumları ancak belirli değerler alabilirler. Bu değerler planck sabitine bağımlıdır.
  4.  

Bu yaklaşımlarla Bohr spektrumlardaki çizgileri ve Rutherford atom teorisinin açıklayamadığı diğer noktaları açıklamayı başardı

   BOHR  YÖRÜNGELERİNİN YARIÇAPI 
 Bohr’un  bu modeli H atomu, He+, Li+2, Be+3 iyonları  gibi tek elektronl sistemlerin spektrumlarını kolyca açıklayabilmektedir. Bu  tip türlerin atomik yarıçaplarının ne kadar olduğunu hesaplamaya çalışalım.
 Elektron  atom çekirdeği etrafında hareket ederken Coulomb çekme kuvveti ve merkezkaç  kuvveti etkisi altındadır. Elektron sürekli aynı yörüngeyi izlediğine göre bu  iki kuvvet birbirine eşit olmalıdır. 
 (1)
 Yukarıdaki  eşitlikten r değeri 
 (2)
 olarak  elde edilebilir. Ayrıca Bohr varsayımına göre bir elektronun açısal momentumu  (mvr), nin katlarına bağlı değerler alacaktır.
 (3)
 olup  buradan ;
 (4)
 kadar  olacaktır. Son bağıntı; 2 nolu bağıntıda yerine konursa;
 (5)
 bağıntısı  elde edilmiş olur. 
 BOHR  YÖRÜNGELERİNİN ENERJİSİ
 Atom  çekirdeği etrafında dairesel yörüngelerde hareket eden elektronlar kinetik ve  potansiyel enerjilere sahiptirler. Bu nedenle çekirdek etrafındaki elektronun  enerjisi için
 (6)
 CGS  sisteminde olduğundan 
 (7)
 yazılabilir.  (1) nolu denklem hatırlanacak olursa; 
 (8)
 ifadesi  yazılabilir. Bu da 7 nolu eşitlikte yerine konulacak olursa
 (9)
 elde  edilebilir. (5) nolu eşitlikteki r yerine konursa 
 (10)
 ifadesi  elde edilebilir. Bu formül n nin çeşitli değerleri için elektronların  bulundukları enerji seviyesinde sahip olabilecekleri toplam enerjiyi verir. 
 Bohr’un  ikinci varsayımını hatırlarsak elektronun enerji seviyesini değiştirmesi  sırasında kaybedeceği enerji 
 (11)
 kadar  olacaktır. Böylece 10 nolu denklemi kullanarak atomdan yayılan radyasyonun  dalga boyu veya atom tarafından yutulacak dalga boyu kolayca hesaplanabilir.  Dalga sayısı olduğu söylersek
 Hidrojen  atomu için
 
 yazılabilir.  Burada , Rydberg sabiti (R) olarak gösterilir ve  değeri 109677,581 0.007 cm-1 dir.
 BOHR  TEORİSİNİN EKSİK TARAFLARI
 Bohr  modeli rutherforad atom modeline göre oldukça üstün tarafları olsa da bu  kuramında eksik yönleri söz konusudur. 
 Elektronun,  maddesel nokta şeklinde düşünüldüğünden, yörünce üzerinde enerji yayımlamadan  dönüşleri, yörüngeden yörüngeye atlayışı ve açığa çıkan enerjinin ışıma halinde  alınıp verilmesi açıklanması kolay olmayan bir durumdur. 
 Bohr  atom modeli yalnızca tek elektronlu sistemlerin spektrumlarını açıklayabilir.  Ve çok elektronlu sistemlerin spektrumlarıı açıklamakta yetersiz kalır. Çok  elektronlu atomların spektrumlarında enerji düzeylerinin herbirinin iki ya da  daha fazla düzeye ayrıldığı görülmektedir. 
 Yine  hidrojen gazı, bir elektrik alanı veya magnetik alanda soğurma spektrumları  incelenirse, enerji düzeylerinin çok elektronlu sistemlerde olduğu gibi iki ya  da daha fazla enerji düzeyine ayrıldığı görülür. 
 KAYNAK:  http://w3.balikesir.edu.tr/~taner/dersler/genel_kimya/atomik_yapi/dalga_mekanigine_gore_atom_modeli/dalga_mekanigine_gore_atom_modeli.htm


Önceki Paylaşımlar