Maddeleri oluşturan temel parçacıkların ne olduğu, yani bir maddenin en küçük yapıtaşının ne olduğu önceden beri 02Democritus gibi insanlar tarafından araştırılmış ve bu konuda bir çok fikirler ortaya atılmıştır. Bilim adamlarının öne sürdüğü fikirlerin bilim ve teknoloji ilerledikçe bir çok açıdan hatalı ya da eksik bilgiler içerdiği ortaya çıkmıştır. Maddenin küçük bölünemez parçacıklardan oluştuğu düşüncesini ilk olarak Yunanlı filozof Democritus ortaya atmış ve bu parçacıklara eski Yunanca “bölünemez” karşılığı olan “atomos” adını vermiştir. Kronolojik sırası ile maddeyi oluşturan temel parçacık olan atomun yapısı ile ilgili olarak sunulan modelleri, bunların doğru ve yanlış yönlerini inceleyelim.
Atom Modelleri ve Özellikleri
- Dalton Atom Modeli
- Thomson Atom Modeli
- Rutherford Atom Modeli
- Bohr Atom Modeli
- Modern Atom Modeli
Dalton Atom Modeli
John Dalton’un 1805 yılında bugünkü atom modelinin ilk temellerini attığı modelidir.
Daltonun atom kuramına göre elementler kimyasal bakımdan birbirinin aynı olan atomlar içerirler. Farklı elementlerin atomları birbirinden farklıdır. Bu atom teorisine göre kimyasal bir bileşik iki veya daha çok sayıda elementin basit bir oranda birleşmesi sonucunda meydana gelir. Kimyasal tepkimelere giren maddeler arasındaki kütle ilişkilerine istinaden, Dalton atomların bağıl kütlelerini de bulmuştur. Modern atom kuramı Dalton’un kuramına dayanır ancak bazı kısımları değiştirilmiştir. Atomun parçalandığını, elementlerin birbirinin aynı atomlardan değil, izotoplarının karışımından meydana geldiğini biliyoruz. Daltonun atom teorisi kimyasal reaksiyonların açıklanmasına, maddenin anlaşılmasına ve atomun temel özelliklerinin ortaya atılmasına oldukça büyük yararlar sağlamıştır. Bu sebeple ilk bilimsel atom teorisi olarak kabul edilir.
Dalton Atom kuramı üç varsayıma dayanır;
- Elementler Atom adı verilen küçük bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşmazlar ve bölünmezler.
- Bir elementin tüm atomlarının kütlesi ve diğer özellikleri aynı, diğer elementlerin atomlarından farklıdır.
- Kimyasal bir bileşik iki ya da daha fazla elementin basit bir oranda birleşmesi ile oluşur.
Dalton atom teorisi kimyasal değişme konularının da daha iyi tanımlanmasına olanak sağlar:
1. Kütlenin korunumu: Bir kimyasal reaksiyonda reaksiyona giren maddelerin kütleleri toplamı çıkan maddelerin kütleleri toplamına eşittir
2. Sabit oranlar Yasası: İki element birden fazla bileşik meydana getiriyorsa, birleşen iki elementin farklı miktarları arasında ağırlıkça tam sayılarla ifade edilen basit bir oran bulunur. Örneğin: H2O da 2 g hidrojenle 16 g oksijen birleşirken, OH de 1 g hidrojenle 16 g oksijen birleşmiştir. Buradan her iki bileşikte de aynı miktar oksijenle birleşen 2 g hidrojen ve 1 g hidrojeni birbirine oranlarsak 2 sayısını elde ederiz.
Thomson Atom Modeli
Thomson değişik gazlarda yapmış olduğu deneylerle her atomun elektron yükünün kütlesine oranını hesaplayarak elektronu keşfetmiştir. Elektron veren atomun artı (+, pozitif) yüklü olacağını ispatlamış, atom içerisinde proton ve elektronun homojen olarak dağıldığını tanımlamıştır, Bu yüzden bu modele üzümlü kek modeli de denilmektedir. Rutherford Atom Modeli ile proton ve elektronun homojen dağıldığı ilkesi çürütülmüştür.
- Atom artı yüklü maddeden oluşmuştur
- Elektronlar bu artı madde içinde gömülüdür ve hareket etmezler.
- Elektronların kütleleri çok küçüktür bu yüzden atomun tüm kütlesini bu artı yüklü madde oluşturur.
- Atom küre şeklindedir.
Rutherford Atom Modeli
Atomun yapisinin açıklanmasi hakkında,önemli katkida bulunanlardan birisi de Ernest Rutherford (Örnist Radirford) olarak bilinir. Rutherford’dan önce Thomson atom modeli geçerliydi. Bu modele göre, atom küre seklindedir. Ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunmaktadir. Acaba bu proton ve elektronlar atom içerisinde belirli bir düzene mi, yoksa rastgele bir dagilim içerisinde mi bulunuyorlar? Bu sorunun cevabi daha bulunamamisti. Rutherford bu sorunun cevabi ve Thomson atom modelinin dogruluk derecesini anlamak için yaptigi alfa (a) parçaciklari deneyi sonucunda bir model gelistirmistir.
Polonyum ve radyum bir a-isini kaynagidir. Rutherford, bir radyoaktif kaynaktan çikan a-taneciklerini bir demet hâlinde igne ucu büyüklügündeki yariktan geçirdikten sonra, kalinligi 10-4 cm kadar olan ve arkasinda çinko sülfür (ZnS) sürülmüs bir ekran bulunan altin levha üzerine gönderdi.
Altin levhayi geçip ekran üzerine düsen a – parçaciklari ekrana sürülen ZnS üzerinde isildama yaparlar. Böylece metal levhayi geçen a – parçaciklarini sayma imkani elde edilir. Rutherford, yaptigi deneylerde metal levha üzerine gönderilen a- parçaciklarinin % 99,99 kadarinin ya hiç yollarinda sapmadan ya da yollarindan çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kisminin ise metale çarptiktan sonra büyük bîr açi yaparak geri döndüklerini gördü. Rutherford daha sonra deneyi altin levha yerine, kursun, bakir ve platin metallerle tekrarladiginda ayni sonucu gördü. Kinetik enerjisi çok yüksek olan ve çok hizli olarak bir kaynaktan çikan a – parçaciklarinin geriye dönmesi için;
- Metal levhada pozitif kismin olmasi,
- Bu pozitif yüklü kismin kütlesinin (daha dogrusu yogunlugunun) çok büyük olmasi gerekir.
Bu düsünceden hareketle Rutherford, yaptigi bu deneyden su sonuçlan çikardi.
Eger, a tanecikleri atom içerisindeki bir elektrona çarpsaydi, kinetik enerjileri büyük oldugu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam edebilirlerdi. Ayrica, a – tanecigi pozitif, elektron negatif oldugundan geriye dönüs söz konusu olmamasi gerekirdi. Bu düsünceyle hareket eden Rutherford, metale çarparak geriye dönen alfa parçaciklarinin sayisi metal levhadan geçenlere oranla çok küçük oldugundan; atom Içerisinde pozitif yüklü ve kütlesi büyük olan bu kismin hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olmasi gerektigini düsünerek, bu pozitif yüklü kisma çekirdek dedi.
Rutherford, atomun kütlesinin yaklasik olarak çekirdegin kütlesine esit oldugunu ve elektronlarinda çekirdek etrafindaki yörüngelerde döndügünü ileri sürmüstür. Buna göre, Rutherford atomu günes sistemine benzetmis oluyordu. Rutherford atom modelini ortaya koydugunda nötronlarin varligi daha bilinmiyordu. Günümüzde ise «çekirdegin proton ve nötronlar içerdigi ve bunlarin çekirdegin kütlesini olusturduklarina inanilmaktadir. Rutherford’un ortaya koydugu atom modelinin boyutlarini da anlamak önemlidir. Bunu su sekilde ifade edebiliriz. Eger, bir atomun çekirdegi bir tenis topu büyüklügünde olsaydi, bu atom büyük bir stadyum büyüklügünde olurdu.
He atomu 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan olusur. Bir He atomunun 2 elektronu tamamen uzaklastirilirsa geriye +2 yüklü helyum iyonu (He+2) kalir. Bu iyona alfa (a) parçacigi (alfa isini) denir.
Bir atomu a – tanecigi ile incelemek, bir seftaliyi uzun bir igne ile incelemeye benzer, ignenin seftalinin ortasinda sert bir seye çarptigini tespit ederek seftali çekirdeginin varligini ve büyüklügünü onu hiç görmeden anlamak mümkündür. Bu arada seftali ile çekirdeginin büyüklügü ve atom ile çekirdeginin büyüklügünün ayni oranda olamayacagi unutulmamalidir.
Bohr Atom Modeli
Niels Hendrik Bohr 1919 yılında kendinden önceki Rutherford Atom Modeli atom modellerinden yaralanarak yeni bir atom modeli fikrini öne sürdü.
Çekirdeğe en yakın enerji seviyesine dairesel hareket yapan elektron kararlıdır, ışık yaymaz. Elektron’a yeterli enerji verilirse elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine sıçrar. Atom bu durumda kararsızdır. Kararlı hale gelmek için elektron tekrar eski enerji seviyesine dönerken almış olduğu enerji seviyesini eşit enerjide bir Foton (ışın taneciği) fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yaparmış.
Buraya kadar anlatılan atom modellerinde, atomun çekirdeğinde, (+) yüklü proton ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların dolaştığı ifade edildi. Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede dolaştığı, hız ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya konmadı. Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan inceledi.
1913 yılında Neils Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck’ın kuvantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Bu bilgiler ışığında Bohr postulatları şöyle özetlenebilir.
- Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıktaki yörüngelerde hareket eder ve bu yörüngelerdeki açısal momentumu h/2pi’nin tam katlarıdır. Her kararlı hâlin sabit bir enerjisi vardır.
- Her hangi bir kararlı enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir.
- Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon) yayınlamaz. Ancak, yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar. BuradaE = Eson-Eilk) bağıntısı geçerlidir.
- Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere, her enerji düzeyi + bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak “n” İle gösterilir, (n: 1,2,3 …¥)
Bugünkü bilgilerimize göre; Bohr kuramının, elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettikleri, ifadesi yanlıştır.
Modern Atom Teorisi
Önceki atom modellerinin eksiklikleri göz önüne alınıp, bilim adamlarının yaptığı deney ve gözlemlere dayanarak modern atom teorisi geliştirilmiştir. Bu teori günümüzde de geçerliliğini korumaktadır. 1924 yılında W. Pauli elektronların değişik enerji seviyelerine (katman) dağılışları ve enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişleri hakkında Pauli ilkesini ortaya koydu. E. Schrödinger kendi adıyla anılan denkleminde elektronların bulunma ihtimallinin yüksek olduğu uzay bölgelerini tespit etmiştir. Bu bölgelere orbital denir.
Modern atom teorisinin özellikleri:
- Bir elektronun yeri ve hızı aynı anda belirlenemediğinden, elektronun çekirdek etrafında bulunma olasılığından bahsedilir.
- Elektronlar (+) yüklü atom çekirdeği etrafında belirli enerji düzeylerinde (katman), orbital (elektron bulutu) adı verilen hacimsel bölgelerde hareket ederler.
- Elektronlar dalga özelliği gösterir.
- Orbitaller elektronların çekirdek etrafında bulunma olasılığının en fazla olduğu bölgelerdir.
- Herhangi bir temel enerji seviyesinde n2 kadar orbital bulunur.
- Her temel enerji seviyesinde orbital sayısının 2 katı kadar elektron bulunabilir. Buna göre bir temel enerji seviyesindeki en fazla elektron sayısı 2n2
- Atom çekirdeği etrafındaki her temel enerji düzeyi (katman), belirli sayıda orbital denilen alt enerji düzeylerinden (alt katman) oluşmuştur.