Elektron Nedir: Özellikleri : Elektron’un Keşfi : Elektronların Kuantum Teorisi
Elektron Nedir: Eksi (-) bir temel elektrik yüküne sahip atomaltı parçacığına elektron denir. Elektron e-veya β- sembolleri ile gösterilir. Elektron, Lepton adlı atomaltı parçacık grubuna dahildirler. Bileşenleri veya bilinen bir alt yapıları olmadığından temel parçacıklar olarak düşünülürler. Kütleleri, protonların yaklaşık 1/1836’sı kadardır.
Atomun üç bileşeninden biri elektron (proton ve nötrondur). Atomu maddenin en küçük birimi kabul eden teori ile, elektriğin taneciksel bir yapı içinde bulunduğu sonucuna varılır. En küçük elektrik yükü taşıyan ve atomu meydana getiren bu tanecik elektrondur.
Atomun yapısında, çekirdeğin etrafında hareket edebilen elektronlar negatif yüklü parçacıklardır. Çekirdeği elektrik yükünden meydana gelen zırh şeklinde kuşatmışlardır. Elektronlar çekirdeğin etrafında döndükleri gibi kendi etraflarında da dönerler.
Bir atomu dünya büyüklüğüne getirdiğimiz zaman elektron bir elma kadar olur. Elektronlar çekirdeğin içinde olan nötron ve protonların iki binde biri kadar küçüktür. Atomlar o kadar küçüktür ki örnek olarak bir toz şekerinin bile atomlarını saymak için milyonlarca yıl gerekmektedir.
Atom, mikroskobik olarak ölçülebildiği için 3 boyutlu olarak kabul edilmektedir. Bu da, proton ve nötronun da 3 boyutlu olduğu anlamına gelmektedir. Elektron ile birlikte atomda daha başka temel parçacıklar da bulunmaktadır: Kuark ve gluon. Kuark, proton ve nötronu oluşturan temel parçacıktır ve gluon ise kuarkları birbirine bağlanmasını sağlar.
Maddenin temel parçacıklarını oluşturan elektron, kuark ve gluon ise tek boyutlu yani nokta parçacıklardır. Elektronlar hem parçacık hem dalga özelliklerini gösterirler. Bu sayede diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınabilirler.
Nokta parçacıkların boyutunu anlamak için CERN’ de bulunan hızlandırıcılarda bu parçacıkları kafa kafaya çarpıştırmaktır. Kafa kafaya çarpışan parçacıklar, daha küçük parçacıklara dönüşüyorsa, bu, parçacığın tek boyutlu olduğu anlamına gelmektedir.
Elektronlar; ısıl iletkenlik, elektrik, manyetizma, kimya gibi çeşitli fizik fenomeninde etkindirler. Bunun yanı sıra; kütleçekimsel, elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerde de yer alır.
Elektronların radyasyona uğraması veya hızlandırılmasında enerjiyi foton şeklinde emerler. Laboratuvarda elektronlar tek veya elektromanyetik alanlar kullanılarak elektron plazmasından yakalanabilir. Özel teleskoplar aracılığıyla dış uzaydaki elektron plazmasının belirlenmesi mümkündür.
Enerji ve Elektron Yörüngeleri
İş yapmaya yarayan güce enerji denir. Her iş belirli bir enerji ile gerçekleşir. Enerjinin Sakınımı Yasası‟na göre; “enerji yoktan var edilemeyeceği gibi, var olan enerji de yok edilemez. Ancak bir enerji türü başka bir enerji türüne çevrilir. Örnek: Elektrik enerjisi ışık veya radyasyon enerjisine çevrilebilir.
Atomda yörüngeler içten dışa doğru K,L,M,N,O,P ve Q şeklinde sıralanmış olup her yörüngenin enerji seviyesi birbirinde farklıdır. Elektronların çekirdek etrafında bulunur. Elektron hareket ettiği enerji seviyelerine katman denir. Elektron katmanlarına enerji seviyesi de denir.
Bütün atomların dış bölümü elektron katmanlarından oluşur. Her katman çekirdekten uzaklığına göre K, L, M. gibi harflerle adlandırılmaktadır. Atomun etrafında katman katman yörüngeler vardır. Atomda yörüngeler içten dışa doğru K,L,M,N,O,P ve Q şeklinde sıralanmış olup her yörüngenin enerji seviyesi birbirinde farklıdır.
Bu yörüngelerde elektronlar bulunur. Yörünge “n” harfi ile gösterilir.
Yörüngede olan en fazla elektron sayısı 2n2 formülü ile bulunur. aX: a, X atom numarasını gösterir. Bunlar K, L, M, N,… gibi harflerle gösterilirken aynı zamanda 1, 2, 3, 4,… gibi numaralarla da gösterilir. Bu numaralara baş kuantum sayısı adı verilir. Yörüngelerinde kendi içlerinde alt birimleri vardır. Bunlara orbital adı verilir.
Çevrede bulunan elektronların sayısı ve konumu, o elementin kimyasal değeri ile ilişkilidir. Bu elektronlar maddeden çıkarılıp az veya çok büyük bir hızla, bir elektrik alanı ile, harekete geçirilerek boşlukta yayılabilir. Örneğin; boş bir tüple elde edilen katot ışınları. Radyoaktif cisimlerin beta ışınları. Işığın metalleri etkileyerek çıkardığı elektrik, vb.
Normal şartlarda elektronlar atomun artı yüklü çekirdeğine bağlı halde bulunur. Nötr bir atomdaki elektronların sayısı, çekirdekteki artı yüklerin sayısına eşittir. Fakat bir atomda artı yüklerin sayısından daha fazla veya daha az elektron bulunabilir. Bu halde atomun toplam yükü eksi ya da artı olur; böyle yüklü atomlara iyon denir. Bir atoma bağlı olmayan elektronlara serbest elektronlardır.
Belirli bir atomdaki elektronlar çekirdek etrafında düzgün bir şekilde sıralanmış yörüngemsiler üzerinde dolaşır. Elektronlar ile çekirdek arasında çekim kuvveti vardır. Elektronların kendi aralarındaki itme kuvvetine üstün geldiği için, elektronlar normal şartlarda atoma bağlı kalır. Elektronların üzerinde dolaştığı yörüngeler kendi aralarında kümelenerek kabukları oluştururlar. Çekirdeğe en yakın yörüngemsilerdeki elektronlar atoma en sıkı bağlı olanlardır.
En dış yörüngede bulunan elektronlar çekirdek ile diğer elektronların engel olmasından dolayı atoma en gevşek şekilde bağlıdır. Elektronlar, atom yapısı içindeki hareketlerinde, atomun tüm hacmini kaplayan dağınık bir eksi yük bulutu oluşturur. Bu nedenle atomun büyüklüğünü elektronların atom içindeki diziliş şekli belirler. Atomun elektromagnetik ışıma karşısındaki davranışını da elektronların bu diziliş şekli belirler.
Elektronlar statik ve dinamiktir. İşte bu statik ve dinamik elektronların meydana getirdiği fiziksel oluşuma elektrik denir. Birçok yalıtkan malzemelerde (tahta, cam, plastik, hava gibi) elektronlar atomlara sıkıca bağlanmıştır.
Bu malzemelerde elektronlar hareket etmezler. İletken malzemelerde (altın, bakır, gümüş, alüminyum v.b.) elektronlar atomlarından ayrılıp hareket edebilirler. Bu elektronlar serbest elektronlardır. İletkenler üzerinde bulunan serbest elektronlar elektriği kolaylıkla taşırlar.
Serbest Elektronlar
Atomda, elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça çekirdeğe bağlanma güçleri zayıftır. Bundan dolayı çekirdeğe en zayıf bağlarla bağlı olan elektronlar, atomun dış yörüngesinde yer alır. Atomda, elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça çekirdeğe bağlanma güçleri zayıftır.
Bundan dolayı çekirdeğe en zayıf bağlarla bağlı olan elektronlar, atomun dış yörüngesinde yer alır. Atomların yörüngelerinde bulunan elektronlara “valans elektron” veya “serbest elektron” denir. Dış yörüngedeki elektronları yörüngelerinden koparmak kolaydır. Değişik kimyasal olaylarda bu elektronlar rol alır.
Serbest elektronlar; atomun dış yörüngesinde veya atomlar arası boşlukta dolaşırlar. Uyarıldıklarında yörüngesini terk ederler. Başka bir atomun yörüngesine girebilen iyonizasyondan sorumlu elektronlardır.
Atom veya moleküllerin elektron kaybetme veya elektron kazanmasına, iyonizasyon (iyonization) denir. Elektron kaybeden veya kazanan atomlara yüklü atom veya iyon denir. Elektron kaybetmiş atomlara pozitif iyon, elektron kazanan atomlara ise negatif iyon denir. İyon halindeki atomlar elektrikle yüklüdür. Elektrik yüklü olduğundan yüklü cisimlerle karşılaştıklarında, Coulomb Yasası na göre itilir veya çekilir.
Serbest elektronlar dışında yüksek enerjili radyasyonlar da iyonizasyona yol açabilir. Örneğin: Gama ve x- ışınları gibi yüksek enerjili radyasyonlar havadan geçerken havayı iyonlaştırır.
Atomların elektron verme veya alma eğilimlerini dış, yörüngelerindeki elektron sayıları belirler. Dış yörüngesinde 4 elektrondan az elektronu olan atomlar, elektron vermeye eğilimlidir. Dış yörüngesinde 4 elektrondan fazla elektron olan atomlar ise elektron almaya eğilimlidir.
Elektrikte kullanılan maddeler;
- İletken madde
- Yalıtkan madde ve
- Yarı iletken
madde olarak isimlendirilir.
Elektronların Özellikleri
- Elektronların çekirdek çevresinde dönme hızı, 2,18.108 cm/sn’dir.
- Çekirdekte bulunan protonlar, atomun bütün kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirler.
- Proton sayısı atomlar (elementler) için ayırt edici bir özelliktir. Proton sayısının farklı olması elementin diğerinden farklı olduğu anlamındadır.
- Elektronların bulunma ihtimalinin olduğu bölgelere “elektron bulutu” denir.
- Kimyasal olaylarda sadece elektron sayısı değişir. Proton ve nötron, çekirdekte bulunduğu için sayıları değişmez.
- Nötr bir atom için; elektron sayısı= proton sayısı
- Atom numarası= proton sayısı
- Çekirdek yükü= proton sayısı
- İyon yükü= proton sayısı – elektron sayısı
- Kütle numarası= proton + nötron sayısı
- Atom Numarası = Proton Sayısı = Çekirdek Yükü = Elektron Sayısı
Elektronların Kullanım Alanları
Elektronlar; elektronik, kaynak, katot ışını tüpleri, elektron mikroskoplarında kullanılır. Ayrıca radyoterapi, lazerler, gaz iyonlaştırma sayaçları ve parçacık hızlandırıcıları gibi alanlarda kullanılırlar.
Elektronun Tarihsel Gelişimi
Eski Yunanda, kehribarın sürtünmesiyle statik elektrik ile yüklendiği biliniyordu.
1733’te yayımlanan Sur l’électricité adlı eserinde Charles François de Cisternay du Fay;
Yüklü altın yaprağın ipek sürtülen cam tarafından itildiğini gözlemlemiştir. Aynı yüklü altın varağın yün sürtülen kehribar tarafından çekildiğini gözlemlediğini yazdı.
Buradan yola çıkarak du Fay, camsal ile kehribarsal adlarını verdiği iki tür elektrik akışı içerdiği sonucunu çıkardı. Bu akışkanlar, birleştirildiğinde birbirini etkisiz duruma getirmekteydi. Daha sonra Ebenezer Kinnersley de aynı sonucu elde etti.
1743 yılında Benjamin Franklin, elektriğin fazla (+) veya eksik (-) aynı akıştan geldiğini tespit etmiştir. Bunlara, yüklerin pozitif ve negatif isimlerini verdi. Franklin, yükün taşıyıcısını pozitif olarak düşündü. Fakat hangi durumda yük taşıyıcısının fazlası ve hangi durumda yük taşıyıcısının eksiği olduğunu tanımlayamadı.
1838 ve 1852 yılları arasında Richard Laming;
Atomların, atomaltı parçacıklar tarafından çevrelenmiş maddenin özünün birleşimi olduğu fikrini ortaya attı. Johnstone Stoney, elektroliz çalışmaları yapmıştır. 1874’te, “elektriğin tek kesin özelliği” olduğunu ve bunun da tek değerlikli iyonun yükü olduğunu öne sürdü.
Faraday’ın elektroliz kanunları aracılığıyla bu temel yükün (e) değerini tahmin edebilmişti. Ancak bu yüklerin atomlara sabitlenmiş olduğuna ve ayrılamayacağına inanmaktaydı.1881’de Hermann von Helmholtz; + ve – yüklerin “elektriğin atomları gibi davranan” temel parçalara ayrıldığını söylemiştir.
William Crooks tarafından atomdaki negatif yüklere ait ilk kanıt 1870’lerde ortaya kondu. Crooks’ın yaptığı katot ışını tüpü deneyinde görülen sarı-yeşil renkteki ışımalar elektronlardır. Bu yüklere 1891 yılında G.J.Stoney elektron demiştir.
J.J. Thomson’ a göre bu parçacıkların tüm atomlarda olduğunu gösterdi ve elektronların yük/kütle oranını hesapladı (-1,7588 1011 C/kg). Millikan, yağ damlası deneyi ile elektronun yükünü ölçtü. Thomson’ın bulduğu eşitlikte yerine koyarak kütlesini hesapladı.
Elektron kelimesi elektrik ve iyon kelimelerinin birleşimiyle oluşturulmuştu. Günümüzde, atomaltı parçacıkları tanımlamak için kullanılan -on eki de elektron kelimesinden sonra kullanılmaya başlandı.
Elektron’ un Keşfi
Maddenin yapısına ilk olarak modern yaklaşım Thomson’un katot ışınlarını inceleyerek elektronun keşfi ile başlamıştır. Thomson: Elektrik gerilimi katot ışın tüpüne verildiğinde katot ışınların – kutuptan itildiği, + kutba doğru gittiğini tespit etti.
- Aynı cins elektrik yükleri bir birini iter. Farklı yük elektrik yükleri birbirini çeker. Bu doğrultuda Thomson katot ışınlarının negatif elektrik yüklerinden olduğu sonucuna vardı.
- Thomson deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda da katot ışınlarının aynı davranışta olduğunu gördü. Bu durumda elektronun maddenin cinsinin karakteristik bir özelliği olmadığını gördü. Bütün atom cinsleri için elektronun her birinin aynı olduğunu sonucunu ortaya koydu.
- Elektron negatif yüklü olduğu için elektriksel alanda pozitif kutba doğru sapar. Elektriksel alandaki bu sapmalar taneciğin yükü (e) ile doğru, kütlesi(m) ile ters orantılıdır. Yükün kütleye oranı (e/m) bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir.
Katot Işınları
Katot ışınları elde etmek için havası boşaltılmış cam tüpün uçlarına iki elektriksel yerleştirilir. Bu elektronlara yüksek gerilim uygulandığında, katot denilen negatif elektrottan ışınlar çıkar. Bu ışınlar (-) yüklüdür. Doğrusal yol izler. Katodun karşısındaki tüp çeperlerinin ışık saçmasına sebep olur. Bilim adamlarının deneyleri sonucu katot ışınlarının hızla hareket eden eksi yüklü parçacık oldukları ortaya çıktı. Bu parçacılara elektron adı verildi.
Elektronun yükü e = -1,602 .10-19 C
Elektron kütlesi m = 9,108.10-31 kg dir.
Elektronların özelliği, atom hakkındaki bilgiler ve X ışınlarının keşfi. Bunlar elektriğin gazlar içerisinden geçişinin incelenmesiyle bulunmuştur. Normal basınçta gazlar iyi iletken değildir. Ama gazın basıncı azaltılırsa iletkenliği artar.
Mesela bir cam borunun havası alınıp, içindeki basınç 10 mm civa (Hg)’ ya düşürülsün. Camın iki yanına elektrot bağlanıp,10.000 voltluk bir gerilim tatbik edildiğinde, boru içindeki gaz ışık yayar. Işığın rengi boru içindeki gazın cinsine bağlıdır (renkli reklam lambaları).
Basınç 0,01 mm civadan aşağı düşerse tüp karanlık olur. Buna karşın katodun karşısındaki cam hafif yeşilimsi floresana verir. Burada katottan çıkan ışınlar cama sürekli ışıklar gönderir. Bu da floresana sebep olmaktadır ki bu ışınlara, katot ışınları adı verilir.
Katot ışınlarının meydana gelmesi, gazın iyonlaşmasından olur. Bir gaz molekülünün iyonlaşması, bu molekülden elektronların ayrılmasıdır. 1895’ de katot ışınlarının, bir manyetik alandan geçirilerek + kutba doğru ilerledikleri ve – yüklü partiküllerden oluştuğu anlaşılmıştır. Bu partiküllerin elektrik ve manyetik alan da saptırılmasıyla hızları bulunmuş ve bunlara elektron adı verilmiştir.
Elektronların Kuantum Teorisi
Elektronun kuantum mekaniği özellikleri arasında;
indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde tanımlanan, yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum (spin) vardır.
Fermiyon olmalarından dolayı, Pauli dışarlama prensibine göre;
İki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz.
Heisenberg Belirsizlik Prensibi
Belirsizlik prensibi, 1927 yılında Werner Heisenberg tarafından öne sürüldü. Elektronun bir dalga ve bir tanecik gibi davrandığı gözlemlenmiştir. Belirsizlik prensibine göre;
Elektronun aynı anda bir dalga ve bir tanecik olarak hareket edemeyeceğini göstermiştir. Bir elektronun yeri belirlenmek istendiği zaman momentum kaybedilmektedir . Momentum belirlenmek istendiğinde ise yeri kaybedilmektedir.
Kuantum fiziğinde Heisenberg belirsizlik prensibi’ ne göre;
Bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez . (momentum değişimi = kütle değişimi x hız değişimi).