... konulu sunumlar: "Rutherford A tom Modeli Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Işığın İkili Doğası Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Siyah."— Sunum transkripti:
1
Rutherford A tom Modeli Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Işığın İkili Doğası Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Siyah Cisim Işıması Planck Kuantum Kuramı Fotoelektrik Olay Atom Spektrumları BohrAtom Modeli ve Varsayımları Atom ve Özellikleri 2.Bölüm: Atom Modellerinin Tarihsel gelişimi Atom ve Özellikleri 2.Bölüm: Atom Modellerinin Tarihsel gelişimi
2
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Elektronların e/m oranı üzerine yaptığı deneyler sonucunda J.J.Thomson, atomların negatif elektronların içinde yüzdüğünü, pozitif yüklü elektrikten meydana gelmiş küreye benzediğini ve atomun kütlesinin büyük kısmının bu pozitif yüklü elektriklerden oluştuğunu ileri sürdü. Üzümlü Kek modeli
3
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Aynı tarihte Rutherford, alfa taneciklerinin (pozitif yüklü taneciklerin) ince altın levhada saçılmalarını gözlemledi. Yaptığı deneyde dar bir aralıktan, paralel ve pozitif yüklü tanecikler demetini çok ince altın bir levhaya gönderdi. Sapmaya uğrayan taneciklerin açısal dağılımını, ZnS sürülmüş levha üzerinde beliren parıldatmalar sayesinde belirledi. Deneyin önemli nitel sonucu pozitif yüklü taneciklerin büyük bir kısmının levhayı hiç sapmadan veya küçük açılarla saparak geçmesidir. Çok az sayıda tanecik 180° ye kadar büyük açılarla sapar.
4
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Bu sapmayı Rutherford, bir top mermisinin ince bir kâğıda çarpıp geri dönmesi olayına benzetmiştir. Kinetik enerjileri çok büyük olan alfa taneciklerinin çok azının büyük sapmaya uğramaları güçlü elektriksel kuvvetin atom içinde çok küçük bölgeye (atom çekirdeğine) toplanmış olduğunda gösterir. Bu sebeple atom, Thomson'un ileri sürdüğü gibi düzenli bir şekilde dağılmış yük ve kütle yoğunluğunda değildir. Böylece Rutherford, Thomson atom modelinin geçerli olmadığını ispatlamış oldu. + -
5
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Alfa taneciklerinin saçılma deneyi, sadece çekirdeğin bulunuşunu gösteren nitel bir deney olmayıp aynı zamanda çekirdeğin yükünün ve büyüklüğünün nicel ölçümünü de verir. Elektronlar, atom içinde yaklaşık olarak cm çapında bir hacmi kapladığı hâlde, pozitif elektrik çok küçük olmakla birlikte ağır bir çekirdek içinde toplanmıştır ( cm). Çekirdeğin çapı atomundakinden yaklaşık 100,000 kez daha küçüktür.
6
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Rutherford yaptığı deney sonucunda 1911'de yeni bir atom modeli geliştirdi. Bu atom modeline göre; Bir atomda pozitif yükün tümü, çekirdek denilen küçük bölgede toplanmıştır. Pozitif yüklerin toplam kütlesi atomun kütlesinin yaklaşık yarısı kadardır. (Nötrondan bahsetmedi) Alfa parçacıklarının çoğu hiçbir sapmaya uğramadığına göre atom çoğunlukla boşluktan ibarettir. Elektronlar, çekirdek etrafında bulunur ve pozitif yüklere (proton) eşit sayıdadır. + -
7
1.2.1 Rutherford Atom Modeli Rutherford'un çalışmaları sonucunda ulaştığı önemli bir öngörüsü de; çekirdekte pozitif taneciklere eş kütlede yüksüz tanecikler bulunduğundan söz etmesidir. Bu yüksüz taneciklerin (nötronların) varlığı 1932 de James Chadvvick (Ceymis Çedvik) tarafından kanıtlanmıştır. Rutherford atom modelinin, atomların yaydığı spektrumları açıklamada yetersiz kalması yeni teorilerin ortaya atılmasına neden olmuştur, + -
8
+ F M = 1/2 mv 2 F C = kZe 2 /r 2 Rutherford’ un öngördüğü modelde elektronlar pozitif yüklü küre etrafında merkezkaç kuvveti ( F M ) ve Coulomb kuvvetlerinin ( F C ) dengesi altında dönerler. Rutherford atom modeli ilk bakışta dengeli ve kararlı gibi görülse de modelde öngörülen yörüngelerde ivmeli bir hareket yapan elektronlar Klasik Elektromagnetizma kanunlarına göre ışıma yapmalıydı ve bir süre sonra enerjisi tükenen elektron çekirdek üzerine düşecekti !.. Ruterford bu durumu açıklayamıyordu. Oysa gözlemlerden böyle bir sonuç ortaya çıkmıyordu. Bohr bu probleme çözüm olarak 1913 yılında kendi adı ile anılan bir atom modeli ile çözüm sunmuştur. Rutherford atom modeli ilk bakışta dengeli ve kararlı gibi görülse de modelde öngörülen yörüngelerde ivmeli bir hareket yapan elektronlar Klasik Elektromagnetizma kanunlarına göre ışıma yapmalıydı ve bir süre sonra enerjisi tükenen elektron çekirdek üzerine düşecekti !.. Ruterford bu durumu açıklayamıyordu. Oysa gözlemlerden böyle bir sonuç ortaya çıkmıyordu. Bohr bu probleme çözüm olarak 1913 yılında kendi adı ile anılan bir atom modeli ile çözüm sunmuştur.
9
1.2.2 Elektromanyetik Işın Elektromanyetik Işınlar denildiğinde aklımıza; 1- Gama Işınları 2- X- Işınları 3- Ultraviyole Işık 4- Görünür (Visible) Işık 5- Kızıl Ötesi (Infrared) Işık 6- Radyo Dalgaları’ gelmektedir.
10
1.2.2 Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Radyo dalgaları çok uzun dalga boylarına, kızıl ötesi ışınlar orta uzunlukta dalga boylarına sahiptir. Radyoaktif bozunmadan oluşan gama ışınları ise çok kısa dalga boylarına sahiptir. Görünür ışık ise dalga boyları yaklaşık (380 nm nm) arasındaki ışınları içerir.
11
1.2.2 Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Frekansı kırmızı renginkinden düşük ışınlara kızıl ötesi (İR); frekansı morunkinden yüksek olanlara ise mor ötesi (UV) ışınlar denir. Görünür bölge dışında kalan ve gözün duyarlı olmadığı ışınlar, dolaylı olarak gözlenebilir.
12
Uçucu olmayan bir katı, örneğin volfram metali kızdırılırsa beyaz ışık verir. Bu ışık bir cam prizmadan geçirildiğinde çeşitli renklere ayrılır. Görünen her renk, belirli bir dalga boyundaki ışıktan oluşur. Tek bir dalga boyuna sahip olan ışığa monokromatik ışık, dalga boyları farklı ışınlardan oluşan ışığa çok renkli anlamına gelen polikromatik ışık denir. Yeşil boyalı ampulden gelen ışık monokromatik ışığa, güneş ışığı ise polikromatiğe örnek verilebilir Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması
13
Görünür bölgede bütün dalga boylarındaki ışınlardan oluşan beyaz ışık prizmadan geçirilirse renklere ayrılır. Bu ayrılma dalga boyu farklı olan ışınların kırılma açılarının farklı olmasından ileri gelir. Renk dizisi kırmızıdan başlar, mora kadar devam eder. Renkler arasında kırmızı en uzun dalga boyu ve en düşük frekansa; mor ise en kısa dalga boyu ve en yüksek frekansa sahiptir. Göz, ancak bu iki renk arasındaki ışınlara karşı duyarlıdır.
14
Bütün frekansları kapsayan elektromanyetik ışın dizisine elektromanyetik dalga spektrumu denir. Spektrum, elektromanyetik ışının frekansı veya dalga boyuna göre gruplandırılır. Görünür bölge, elektromanyetik spektrumun çok dar bölgesidir (4x10 14 Hz(s -1 ) veya nm). Spektrumun değişik bölgelerindeki elektromanyetik ışınlar, madde ile farklı şekillerde etkileşir. Maddenin tanınmasında bu etkileşimlerden faydalanılır. Elektromanyetik ışımanın maddeyle (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi, bu etkileşmenin incelendiği aletlere spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere de spektrometre denir.
15
1.2.2 Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Durgun yüzeye sahip bir göle bir taş attığımızı varsayalım. Taşın suya çarpması ile birlikte göl yüzeyinde bir takım su kabarmaları ve bunların da arasında çöküntüler görülecektir. İşte su yüzeyindeki bu düzenli kabarma ve çalkantılara DALGA denir. Dalgalar bütün katı, sıvı ve gazlarda görülebilir, ör. hava, su, toprak, metal vs. Suya attığımız taş su kütlesinin dengesini bozan bir tedirginlik kaynağıdır. Uygun bir tedirginlik kaynağı varlığında yukarıda saydığımız tüm ortamlarda dalgalar oluşabilir. Elektromanyetik ışın uzayda dalga hareketi ile ilerler. Aşağıdaki terimler bu dalgaları tanımlamada kullanılır. Dalga boyu: Bir dalga hareketinde birbirini izleyen iki tepe veya çukur noktası arasındaki uzaklığa yada elektromanyetik dalgaların bir salınımda aldıkları yola DALGA BOYU denir. Dalga boyu birimi bizim kullandığımız mesafe birimleridir, örneğin santimetre, metre, kilometre.
16
1.2.2 Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Genlik (A): Bir dalgada maksimum yüksekliğe veya minimum derinliğe denir. Dalganın şiddeti, genliğin karesi (A 2 ) ile orantılıdır. (genliği büyük olan sert daha serttir) Hız (c): Hız: Bir dalganın hızı dalga boyunun frekansına çarpımına eşittir. Vakumda (boşlukta) elektromanyetik dalgalar dalga boyuna bağlı olmaksızın aynı hızla hareket eder. "c" sembolü ile gösterilen ve2,99 x 10 8 ms -1 değerinde olan bu hıza ışık hızı denir. Dalga periyodu: İki dalga tepesinin veya çukurunun belirli bir noktadan art arda geçişi arasındaki süreye DALGA PERYODU denir. Frekans: Elektromanyetik dalgaların saniyede yaptığı salınım sayısına yani kendilerini tekrarlama sıklığına FREKANS denir. Frekansın birimi Hertz (Hz) dir. 1 Hz saniyede bir salınım yani bir tekrar;1 kHz yada kilohertz saniyede 1000 Hz; 1 MHz yada megahertz saniyede Hz;1 GHz yada gigahertz ise saniyede 1 milyar Hz yada 109 Hz’ dir.
17
Belli bir ışıma için dalga boyu ile frekansın çarpımı elektromanyetik dalgalar için ışık hızına eşittir. Buradan da bir saniyede alınan yola ulaşılabilir Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması
18
ETKİNLİK Isıtılan Bazı Maddelerin Işıma Yaptığının Gözlemlenmesi Etkinliğin Amacı Işıma ile atomun yapısı arasındaki ilişki Ucu kıvrılmış platin teli cam çubuğa sarınız. Cam çubuğun tel sarılmamış tarafından tutarak telin ucu kıvrılmış olan bölümüne bir miktar madde (tuz) alınız. Platin teli benzen bekinin mavi alevinin üstüne tutunuz. Not: Etkinliği uygularken tuzu almadan önce platin teli her seferinde bir defa HCI çözeltisine batırıp daha sonra aleve tutarak temizleyiniz. İmkân varsa her tuz için ayrı platin tel kullanınız. Etkinliğin Uygulanışı
19
Kullanılan madde NaClLiClKNO3BaCl2 Gözlenen renk Kullanılan madde Na2CO3NaNO3CuClCu(NO3)2 Gözlenen renk Alevin rengine dikkatle bakarak gözlemlediğiniz rengi aşağıdaki kutucuğa yazınız?
20
Etkinliği Sonuçlandıralım Maddeyi benzen beki alevine tutunca alevin renginin değişmesinin nedeni ne olabilir? Alevdeki renkler nasıl oluşmaktadır? Aynı element için farklı bileşiklerin bunzen beki alevinde aynı renk oluşturmasından nasıl bir sonuç çıkarabilirsiniz? Atomların yapısı ile oluşan alev rengi arasında bir bağ kurulabilir mi? Değişik maddelere ait alev analizleri incelendiğinde her maddenin kendine özgü bir şekilde alev rengi verdiği gözlemlenmiştir. Alev renklerinin farklı olması maddenin ısıtıldı ğ ında farklı frekanslarda ışın yayıldı ğ ının göstergesidir.
21
Işığın yapısı ve özellikleriyle ilgili iki farklı model ortaya sürüldü. Bir çok bilim insanı ışığın dalga modeli ile dağıldığını, farklı bilim insanları ise ışığın tanecik modeli ile yayıldığını ortaya atmıştır. 19. yüzyılın başlangıcından önce ışığın, ışık kaynağından yayılan taneciklerin akışı olduğu kabul edilmiştir. Işığın tanecikler hâlinde yayıldığını ilk olarak ortaya atan Newton'dur. 1678'de Hollanda'n fizikçi ve astronom (Gök bilimci) Christian Huygens (Kristiın Huygıns), ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin, saydam ortamlarda dalgalar halinde yayıldığını ileri sürdü Işı ğ ın İ kili Do ğ ası
22
Işı ğ ın dalga teorisi hemen kabul edilmedi. Çünkü bazı bilim insanları ışık, dalga hareketi şeklinde da ğ ılsaydı dalgalar köşeli engellerin çevresinde bükülecekler ve bunun sonucunda da köşelerin çevresini görebileceklerini düşünüyorlardı. Günümüzde ise ışı ğ ın cisimlerin kenarları çevresinde gerçekten büküldü ğ ü bilinmektedir. Kırınım olarak bilinen bu olayı, ışık dalgaları kısa dalga boylu oldukları için gözlemlemek kolay de ğ ildir. Kırınıma ait deneysel kanıt olmasına ra ğ men ço ğ u bilim insanı dalga teorisini reddetti. Yüzyıla yakın bir süre kadar tanecik teorisine ba ğ lı kaldılar.
23
Huygens'in ışığın dalga hareketi şeklinde olduğu prensibini ispatlayabilmek için İngiliz fizikçi Thomas Young (Tomas Yang) meşhur girişim deneyini yaptı. Bu deney düzeneğinde bir ışık demeti, ortasında K deliği bulunan levhaya çarptığında bu delik noktasal ışık kaynağı gibi davranarak ışık dalgaları yayar. Dalgalar A'dan B levhasına gelir. B levhası üzerinde K 1 ve K 2 delikleri yine etrafa ışık dalgaları yayar. Bu dalgaların birbiri içine girmesi (girişim), C ekranı üzerinde girişim çizgileri dediğimiz bir sıra aydınlık (kırmızı) ve karanlık çizginin belirdiği görülür. A K A A K K A K A
24
Bir dalga kaynağından gelen düz dalgaların önü kesilip sadece çok ufak bir aralıktan ilerlemelerine izin verildiğinde, dalga noktasal bir kaynaktan geliyormuş gibi davranır. Bu dalganın da önü bu kez çift aralıktan geçecek şekilde kesildiğinde, dalga iki eşzamanlı kaynaktan yayılıyormuşçasına ilerlemeye devam eder. Karşıya koyulmuş bir ekrana bakıldığında sırasıyla aydınlık ve karanlık desenler gözükür. Bunun sebebi, iki kaynaktan ilerleyen dalgaların ekran üzerinde kimi noktalarda iki tepe noktasının üst üste gelmesi (yapıcı girişim=aydınlık desen), kimi noktalarda ise tepe ve çukur noktalarının üst üste gelmesi (yıkıcı girişim=karanlık desen)dir. Bir kaynaktan çıkan şeyin dalga mı yoksa parçacık yapısında mı olduğunu anlamak için bu çift yarık deneyi tatbik edilebilir. Aydınlık-karanlık desenler gözüküyorsa kaynaktan çıkan şey dalga özelliği göstermektedir. İki kaynaktan atılan mermiler (yani parçacıklar) durumunu düşünelim. Böyle bir durumda ekranda sıralı aydınlık-karanlık desenler yerine sadece düz aydınlık bir desen görmemiz gerekirdi
25
Tanecik modeline göre ışı ğ ın hızı, camlarda ve sıvılarda, havadakinden daha yüksek olmalıydı. 19. yüzyıldaki gelişmeler ışı ğ ın dalga teorisinin genel olarak kabul edilmesine sebep olmuştur.
26
Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Elektromanyetik ışımanın hem dalga hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır. Beyaz ışık, elektromanyetik ışımanın gözle görülen bölümüdür. Elektromanyetik ışımanın dalga kuramı, gözlenen pek çok özellikleri açıklar. CD üzerinde görülen gökkuşağı renkleri, elektromanyetik ışımanın dalga girişimine örnek teşkil ederken siyah cisimlerin ışıması ve fotoelektrik olay gibi olaylar ise ışımanın parçacıklardan oluşması ile açıklanabilir. Işıma enerjisinin parçacık özelliği için Max Planck (Maks Plank) tarafından kuantum kuramı önerilmiş, enerjinin ancak belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebileceği belirtilmiştir. Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelli ğ i So ğ urma: Bir ortamın ışık enerjisini belli nicelikte emmesi olayıdır.
27
Belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebilen bu enerjiye kuantum, ışıma enerjisine ise kuantlanmış enerji denir. Albert Einstein (Albert Aynştayn), 1905'te ışımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği kabul edilen bu kuantumları fotonlar olarak isimlendirmiştir. O hâlde ışıma enerjisi hem ışıma dalgaları hem de foton akımlarıdır. Işıma enerjisi sürekli değil kesikli bir biçimde, kuantumlar hâlinde alınıp verilebilir. Her iki özellik de deney yoluyla yapılan gözlemlere dayanır. Foton Photon, Kuant Elektromanyetik radyasyon demetinden sadece bir tanesine foton denir. Albert Einstein 1905 yılında 25 yaşındayken ilk bilimsel yazısı olan "Fotoelektrik etki" isimli makalesini "Annalen der Physik" dergisinde yayınlattı. Einstein makalesinde ışı ğ ın bir makineli tüfekten çıkan kurşunlar gibi kesikli ve darbeli parçacıklar halinde yol aldıklarını ileri sürdü ve bu parçacıklara foton adını verdi. Fotonların enerjisi ışı ğ ın frekansına ba ğ lıydı ve frekans arttıkça fotonun enerjisi yükseliyordu. Bu olayın izahı Planck tarafından bir formülle anlatılmıştı. Einstein'ın teorisini do ğ ruluyordu. E = h x V
28
Üzerine gelen bütün ışınları soğuran cisimlere siyah cisim denir. Siyah cisim bir metalden veya kilden yapılmış, her yanı kapalı ve içi karbonla sıvanmış borunun üzerine bir delik açmakla hazırlanabilir. Bununla beraber bir siyah cisim bu şekilde absorbe ettiği ışımayı dışarıya vermek zorundadır. Siyah cisim ısıtılıp delikten çıkan ışımalar gözlendiğinde her çeşit dalga boyunda ışığın olduğu görülür. Siyah Cisim Işıması Tanım olarak kara cisim, üzerine düşen bütün ışınları soğuran bir cisimdir. Hiçbir ışını yansıtmadığı veya geçirmediği için de kara bir görüntü olur. Bu tanıma uyan gerçek bir cisim yoktur
29
Siyah Cisim Işıması Siyah cismin yaydığı ışıma çeşitli dalga boylarının bir karşımı şeklinde kesiksizdir. Fakat her sıcaklıkta ışımanın şiddetinin belli bir dalga boyu için maksimum bir değere ulaşır. Düşük sıcaklıklarda maksimum ışımanın yapıldığı dalga boyu, uzun dalga boylarına karşı gelirken; cismin sıcaklığının arttırılması ile birlikte cisim tarafından yapılan maksimum ışımanın yapıldığı dalga boyu da daha kısa dalga boylarına doğru kayar. Siyah cisim görünür bölgede ışıma yaptığında, kırmızı ışıma yaparken, sıcaklığı arttıkça turuncu, sarı ve maviye doğru değişen ışıma yapar. Işımanın şiddetinin ışımanın dalga boyuna bağlı olması dalga kuramına göre açıklanamaz. Çünkü dalga kuramına göre ışımanın şiddeti genliğinin karesi ile orantılıdır. Şekilde; sıcaklığın artışı ile ışıma şiddetinin dalga boyuna karşı nasıl değiştiği gösterilmiştir.
30
Planck Kuantum Kuramı Cisimler ısıtıldıkça değişik renkte ışık yayar. Demir parçasını ısıttığımızda ilk önce kırmızı, sonra sarı, en sonunda da beyaz renk oluşur. Sıcak cisimden yayımlanan ışık, prizmadan geçirilerek sürekli spektrum elde edilir. Işık şiddeti dalga boyu ile düzenli şekilde değişir. Işık kaynağına bağlı olarak belirli dalga boyunda ışık şiddeti maksimuma ulaşır. Klasik atom teorisine göre metal yüzeyine vuran ışığın şiddeti, yani ışık kaynağının birim yüzeyinden birim zamanda çıkan ışık miktarı arttıkça sökülen elektron sayısının ve onların kinetik enerjilerinin artması bekleniyordu. Yani frekans aynı da olsa, yoğun bir kırmızı ışığın da metal yüzeyinden elektron sökmesi ve kırmızı ışığın şiddeti arttıkça hem sökülen elektron sayısını hem de onların enerjilerinin artması gerekiyordu.
31
Oysa Max Planck ( ) 1900 yılında önerdiği kuantum kuramında ışık şiddetinin sürekli artmadığını ileri sürdü. Ortaya attığı teze göre enerji de madde gibi sürekli değildir. Planck'ın ileri sürdüğü kuantum kuramı ile klasik fizikçiler arasındaki fark, klasik fizikçiler cismin sahip olabileceği enerji miktarı için herhangi bir sınırlama getirmezken, Max Planck'ın kuantum kuramı enerjiyi belirli değerlerde özel paketler biçiminde sınırlar. Planck Kuantum Kuramı
32
Işımanın frekansı arttıkça kuantumun enerjisi ve kuantumlardan oluşmuş enerji akımı olarak tanımlayabileceğimiz ışımanın enerjisi de artar. Dolayısıyla siyah cismin ışımasında sıcaklık yükseldikçe enerji artar, dalga boyu kısalır. Siyah çişimin ışıması üzerine yaptığı çalışmalar sonucunda kuantum fiziğinin doğmasına sebep olan görüşlerinden dolayı 1918 yılı Nobel Fizik Ödülü Planck'a verilmiştir. Planck Kuantum Kuramı Yayılan Foton Emilen Foton
33
Cismin iki enerji seviyesi arasındaki fark enerji kuantumu olarak isimlendirilir. Başka bir ifadeye göre Planck, ışıma enerjisinin belli büyüklüklerde soğurulup yayımlanabileceğini yani kuantumlar hâlinde alınıp verilebileceğini ileri sürmüştür. Her kuantum enerjisi, ışımanın frekansı ile doğru orantılıdır. Planck bir kuantumun taşıdığı enerji için ; E= h.V bağıntısını kullandı. Bu bağıntıdaki h, Planck sabiti olup değeri 6,626196x Js'dir. Planck Kuantum Kuramı Yayılan Foton Emilen Foton
34
E= h.V Elektronun uygun frekansta bir foton emmesi durumunda, emdiği fotonun enerjisine bağlı olarak üstteki bir katmana sıçramaktadır. Buna karşılık bu elektronun yerini doldurmak için üst katmandan bir elektron boşalan bu katmana iner ve arada oluşan enerjiyi kuantlar halinde yayınlar. Planck Kuantum Kuramı - Özet
35
Fotoelektrik Olay Planck'ın enerjinin kuantlaştığı şeklindeki şok kuramı başlangıçta yeterli kabul görmedi. Einstein'ın fotoelektrik etkiyi açıklamak için bu kuramı kullanmasından sonra Planck'ın kuantum kuramı sağlam şekilde kabul gördü. Işık bir metal yüzeye çarpar ve yüzeyden elektron uzaklaşırsa fotoelektrik etki (olay) meydana gelir. Fırlatılan elektronların enerjisi, dalga kuramına göre ışımanın şiddeti (genliği) ile orantılı olmalıdır. Gerçekte ise ışımanın frekansı ile orantılı olduğu gözlenmiştir.
36
Diğer taraftan bir metalden elektron koparabilmek için ışımanın belirli bir frekansa eşit veya daha yüksek frekansta olması gerekmektedir. Işımanın şiddetinin arttırılması fırlatılan elektronların sayısını arttırır fakat enerjilerini değiştirmez. Deneysel fizikçi Millikan, Einstein'ın bu varsayımının yanlış olduğunu ispatlamak için çalışmıştır. Millikan, Einstein'ın varsayımına ışığın klasik elektromanyetik dalga teorisine aykırı olduğu gerekçesiyle karşı çıkmıştır. On yıl süren deneysel çalışmalar sonrasında başlangıçtaki beklentisinin tersine, Einstein'ın varsayımını doğrulayan sonuçlar elde etmiştir. Millikan, Einstein'ın varsayımına dayanarak Planck sabitini yüksek bir hassasiyetle ölçmeyi başarmıştır. Bu çalışmalar Millikan'a 1923 yılında "Nobel Fizik Ödülü'nü" kazandırmıştır. Fotoelektrik Olay
37
Fotoelektrik Olay - Özet Herhangi bir metal katot için, fotoelektronların salıverilmesi katot üzerine düşürülen ışığın belli bir frekansı geçmesinden sonra meydana gelir. Bu frekansa eşik frekansı denir ve her metal için bu değer farklıdır. Katodun birim zamanda serbest bıraktığı fotoelektronların sayısı, katot üzerine düşürülen ışığın şiddetiyle doğru orantılıdır. Katot üzerine düşürülen ışığın şiddeti değiştirildiğinde, fotoelektronların kinetik enerjisi değişmez. Fotoelektronların kinetik enerjisi, düşen ışığın frekansı değiştiğinde değişir. Katot üzerine düşürülen ışıkla, kopan fotoelektronlar arasında bir zaman farkı ölçülmez. Fotoelektrik akım, katodun kimyasal bileşimiyle ilgilidir.
38
Planck Kuantum Kuramı - Özet Planck, ışığı enerji paketçikleri olarak tanımladı ve bu paketçiklerin her birinin enerjisini şu şekilde tanımladı: E= h f Burada 'f ' ışığın frekansı ve 'h' ise Planck sabitidir. Planck sabitinin değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. Bunların hepsi birbirinin aynısıdır, aralarındaki tek fark birimlerdir: h = 6,63 x J.s (Joule x Saniye) = 4,14 x eV.s (Elektron volt x Saniye) = 1,58 x cal.s (Kalori x Saniye) Örneğin; eğer 1000 nm dalga boyundaki bir kızıl ötesi fotonunun ne kadar enerji taşıdığını bulmak istiyorsak; yapacağımız tek hamle: f=c /λ formülünden yararlanarak frekansı hesaplamak ve sonra da yukarıdaki formülü uygulamaktır:
39
Einstein, Planck'ın ortaya attığı kesikli ve belli büyüklükteki enerji kuantumlarının (fotonların) metal elektronları ile etkileşmesinin fotoelektrik olaya yol açtığını söylemiştir. Bir foton bir metal atomuna çarptığı zaman tüm enerjisini elektronlara verir. Fakat bir elektron koparması için minimum enerjiye sahip olması gerekir. E= h V Belli frekansta bir ışımanın şiddetinin artırılması fotonların sayısını artıracak ama enerjilerini değiştirmeyecektir. Işımanın enerjisi artarsa elektronun hızı da buna bağlı olarak artacaktır. Metal yüzeyine düşen ışıma elektronları fırlatır, Işımanın şiddeti arttırılırsa fazla sayıda elektron fırlar, Işımanın enerjisi artarsa fırlayan elektronların hızı artar. Fotoelektrik Olay
40
Bir elektromanyetik ışın demeti, prizmadan geçirilirse ışın demetinin kırıldığı görülür. Prizmadaki kırılma, ışının dalga boyuna bağlıdır. Kısa dalga boylu ışınlar daha çok kırılır. Beyaz ışık (güneş ışığı) önce dar bir demet yapıcı yarıktan ve daha sonra prizmadan geçirilirse görünür bölgede mordan kırmızıya kadar değişen bütün renklen içeren kesiksiz (sürekli) spektrum elde edilir Atom Spektrumları
41
Elementler, gaz veya buhar hâlinde gerekli yüksek sıcaklığa kadar ısıtılırsa bir ışıma yayımlar. Işımanın prizmadan geçirilmesi bir kesikli (çizgi) spektrum verir, çizgi spektrumunda elementler dolayısıyla atomlar görünür bölgenin değişik kesimlerinde parlak çizgiler oluşturur. Oluşan bu çizgi spektrumlarının nedeni maddelerin enerji (ısı, elektrik) aldıklarında kendine özgü dalga boylarında ışık yayımlamasıdır. Dolayısıyla her elementin kendine özgü belirgin (yayınma) çizgi spektrumu vardır Atom Spektrumları Gazların Emisyon Spektrumu
42
Sürekli spektrum verebilecek beyaz ışık bir gazdan (örneğin, He'dan) geçirildikten sonra prizmada kırılırsa elde edilen spektrumda belirli frekanslarda siyah çizgiler görülür. Bu çizginin yeri ve sayısı, ışığın içinden geçtiği maddenin türüne bağlıdır. Bu durum maddelerin tanınmasına yarar. Spektrumun bu şekilde kullanılması insanların ayırt edilmesinde parmak izlerinin kullanılması durumuna benzemektedir. Gazların Absorbsiyon Spektrumu
43
Her element atomunun kendine özgü bir yayınma spektrumu olduğu gibi bir de soğurma (absorpsiyon) spektrumu vardır. Çünkü elementler hangi dalga boyunda ışıma yayıyorsa o dalga boyundaki ışımaları soğurabilir. Örneğin, beyaz ışık, gaz boşalma tüpünde hidrojenin içinden geçirildikten sonra analiz edilirse kesiksiz spektrumun üzerinde siyah çizgilerin oluştuğu görülür Atom Spektrumları Yayılan Foton Emilen Foton
44
Bunların dalga boyları gazın yayınma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir. Bu şekilde hidrojenin soğurma çizgi spektrumu elde edilir (Madde yani hidrojen beyaz ışık belirli dalga boylarını soğurduğundan). Spektrumdaki çizgilerin dalga boylan gazın yayılma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir. Hidrojenin yayınladığı görünür bölge ışıması, beyaz ışıkta gözlenen tüm dalga boylarını değil sadece hidrojene özgü bir bölümünü içerir Atom Spektrumları Gazların Absorbsiyon Spektrumu
45
Güneş ışı ğ ının kesiksiz spektrumunda so ğ urma dalga boyları siyah çizgiler şeklinde görülür. Bunlara Fraunhofer (Fraunhofer) çizgileri denir. Bu çizgiler, Güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışı ğ ın bazı dalga boylarını so ğ urmaları nedeniyle oluşur. Hidrojenin görünür bölge çizgi spektrumu Hidrojenin görünür bölge soğurma (absorbsiyon) çizgi spektrumu Bu şekilde hidrojenin soğurma çizgi spektrumu (Madde yani hidrojen beyaz ışık belirli dalga boylarını soğurduğundan). Spektrumdaki çizgilerin dalga boyları, gazın yayılma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir. Hidrojenin yayınladığı görünür bölge ışıması, beyaz ışıkta gözlenen tüm dalga boylarını değil sadece hidrojene özgü bir bölümünü içerir.
46
Cam bir prizmadan geçen Güneş ışığının teknik olarak beyaz ışığın tayfı diye bilinen renkli bir gökkuşağı yelpazesi oluşturduğunu ilk kez Isaac Newton bulmuştu. Ancak bir yüzyıl kadar sonra Alman fizikçi Joseph von Fraunhofer daha iyi optik teknikler kullanarak, Newton’ un gökkuşağı demetinin çok sayıda ince karanlık çizgilerle kesildiğini fark etti. Fraunhofer, şimdi kendi adıyla bilinen, bu türden yaklaşık 600 çizginin bir listesini yayımladı. Güneş ışığı yüzeylerinden yansıdığı için parlak olan Ay’ın ve diğer gezegenlerin tayflarında da aynı çizgilerin göründüğünü fark etti. Öte yandan laboratuar beyaz ışık kaynakları tarafından yayılan ışığın tayfı, tayfölçer’ de hiçbir karanlık çizgi olmadan, sürekli bir gökkuşağı demeti olarak görünüyordu. Bu da Fraunhofer çizgilerinin Güneş kökenli olduğunu kanıtladı. Fraunhofer çizgilerinin anlamını 50 yıl sonra 1861’ de başka iki Alman bilim adamı, Gustav Robert Kirchhof ve Robert Wilhelm Bunsen açıkladı. Kirchhof, çoğu kez D ile gösterilen Fraunhofer çizgisinin, Güneş ışığı tayf ölçere girmeden önce, bir sodyum bileşeni (örneğin sofra tuzu) katılması ile sarartılan bir gaz yakıcısının alevinden geçirildiğinde çok daha karardığını gördü. Kirchhof, Fraunhofer çizgileri ile bozulmayan, bir laboratuar kaynağının beyaz ışığının aynı sarı alevden geçirildiğinde Güneş tayfındaki D çizgisi ile tam aynı noktada oldukça karanlık bir çizgi gözledi. Ama karanlık bir odada bir tayf ölçerden sodyum renkli bir aleve baktığında Kirchhof, karanlık fon üzerinde aynı noktada parlak bir sarı çizgi buldu. Okuma parçası
47
GÜNEŞ IŞIĞINDAKİ SODYUM “D” ÇİZGİSİ Bu deneylerden elde edilecek sonuç açıktı. Görünüşe göre Güneşin sıcak yüzeyi (fotosfer) tarafından yayılan beyaz ışık, dışarı çıkarken, baştaki kesintisiz tayftan belirli dalga boylarını soğuran gerek sodyum gazları gerekse diğer kimyasal maddeleri içeren seyrekleştirilmiş gaz tabakasından (kromosfer) geçiyordu. Eğer Güneş ışığı daha sonra sodyum gazı alevinden geçerse karanlık D çizgisi daha da koyulaşıyor. Öte yandan sodyum alevi karanlık bir odada gözlendiğinde alevin tayfında aynı dalga boyunda parlak bir salma çizgisi görülüyor. Buradan da Güneş atmosferinde buhar halinde sodyum metalinin bulunduğu anlaşılmıştır.
48
a) Hidrojen Spektrumu b) Cıva Spektrumu c) Neon Spektrumu Bazı elementlerin yayınma (çizgi) spektrumu Spektrumlardaki bu farklılıklar insandaki parmak izleri gibi her madde de kendine özgüdür. Bundan yararlanılarak maddelerin tanınması sağlanır ve atomun yapısı hakkında ipuçları elde edilir. Hidrojenin yayınma ve soğurma spektrumları oldukça basittir fakat atomların elektron sayısı arttıkça spektrumlar daha karmaşık hâle gelir. Bu nedenle spektrumun açıklanması güçleşir.
49
Na, He, Hg,H emisyonları
50
Hidrojenin görünür bölgedeki spektrumu dört çizgiden oluşur. En parlak çizgi (656,3 nm) kırmızı olup gaza uygulanan yüksek gerilim anında gaz bu hakim rengi alır. Bununla birlikte 486,1 nm de yeşilimsi mavi, 434,0 nm de menekşe ve 410,1 nm de mor renk görülür. 19.yüzyılda bilim insanlarının amaçlarından biri de gaz atomlarının neden belirli bir frekansta ışık yayımladığını açıklamaktı. Gözlemlenen frekans miktarını matematiksel bağıntı ile ilk ifade etme girişimi J.Balmer ( ) ve J. Rydberg yapmıştır.
51
Balmer ve Rydberg hidrojenin görünür bölge yayınma spektrumundaki en uzun dalga boylu üç çizginin (kırmızı, yeşil, mavi) dalga boylarını hesaplamaya yarayan bir eşitlik geliştirdiler. Bu eşitlik Rydberg eşitliği olarak bilinir. Bu eşitlikte "n" spektrumdaki çizgilere karşılık gelen bir tam sayıdır. "R" Rydberg sabiti olup değeri 1,0974 x m -1 dir. n = 3, 4, 5,....
52
6,56 x m (656,1 nm) bulunur. (1 nanometre (nm) = m ) Bu sayı hidrojen spektrumundaki kırmızı çizgiye karşılık gelir. n=3 alındığında dalga boyu; 6,56 x m (656,1 nm) bulunur. n=4 alındı ğ ında yeşil çizginin dalga boyu, n=5 alındı ğ ında mavi çizginin dalga boyu elde edilir. Görünür bölgenin bu grubu (ve di ğ erleri. Örne ğ in, n= 6, 7, 8,...) çizgileri Balmer serisi olarak adlandırılmaktadır
53
+ F M = 1/2 mv 2 F C = kZe 2 /r 2 Rutherford’ un öngördüğü modelde elektronlar pozitif yüklü küre etrafında merkezkaç kuvveti ( F M ) ve Coulomb kuvvetlerinin ( F C ) dengesi altında dönerler. Rutherford atom modeli ilk bakışta dengeli ve kararlı gibi görülse de modelde öngörülen yörüngelerde ivmeli bir hareket yapan elektronlar Klasik Elektromagnetizma kanunlarına göre ışıma yapmalıydı ve bir süre sonra enerjisi tükenen elektron çekirdek üzerine düşecekti !.. Oysa gözlemlerden böyle bir sonuç ortaya çıkmıyordu. Bohr bu probleme çözüm olarak 1913 yılında kendi adı ile anılan bir atom modeli ile çözüm sunmuştur Bohr Atom Modeli ve Varsayımları
54
1) Atom, pozitif yüklü bir çekirdek ile bunun etrafında dairesel yörüngeler üzerinde dolanan negatif yüklü elektronlardan oluşmuştur ve atomun toplam yükü 0 dır. 2) Elektronlarla çekirdek arasındaki etkileşme Coulomb çekim kuvveti olup, elektronun dairsel yörüngesi üzerindeki dolanımı elektron üzerine etki eden merkezkaç kuvveti ile Coulomb kuvvetinin dengesi sayesinde olmaktadır. Bu iki varsayım Rutherford’ un modeli ile aynıdır. Farklı olarak; 3)Elektronlar Klasik Elektromagnetizma Kanunlarının öngördüğü gibi dairesel donanımları sırasında yörünge değiştirmedikçe hiçbir ışıma yapmazlar. 4)Elektronlar aldıkları enerji ile daha üst yörüngelere geçebilir veya enerji vererek alt yörüngelere inebilirler. Bu sırada elektronun ayrıldığı ve geldiği yörüngelerdeki enerjilerin farkına eşit enerjili bir foton yayınlanır Bohr Atom Modeli ve Varsayımları
55
+ F C = kZe 2 /r 2 E2E2 E1E1 hν= E 1 - E 2 F M = 1/2 mv 2 Bohr Atom Modeli ile ilk defa elektronların farklı yörüngelerde dolandığı fikri ortaya atıldı. Yörüngeler arasında elektron geçişleri dışarıya elektromanyetik radyasyon salınmasına neden olur Bohr atom modeli Z(atom no)=1 için tamamen doğru sonuçlar verirken Z >1 olması durumunda yetersiz kalmaya başlayınca yeni atom modelleri önerilmeye başlanıldı –1925 arasında Sommerfeld ve daha sonrasında Uhlenbeck ve Gouldmith ile devam eden çalışmalar ile Kuantum Mekaniği çerçevesinde Bohr atom modelini temel alan yeni bir Atom modeli türetildi.
56
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Bugün de kabul edilen Bohr atom modeline göre atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşurken elektronlar çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolanmaktadır. elektron proton nötron Çekirdeğin Çapı;~ m Atomun Çapı;~ m
57
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Yüksek enerji düzeyinde (Ey) bulunan elektron düşük enerji düzeyine(E d ) inerse aradaki enerji farkına eşit enerjide ışın yayılır. Bir dış yörüngedeki (n d ) elektronun enerjisine E d ve bir iç yörüngedeki (n i ) elektronun enerjisine de Ei diyelim. Elektron dış yörüngeden iç yörüngeye geçtiğinde (E d -E İ ) kadar enerji bir ışık fotonu şeklinde yayılır. E için negatif değer, çekirdeğe yakın elektronun enerjisinin sonsuz uzaklıktaki elektronun enerjisinden daha düşük olduğunu gösterir. Buna göre her bir yörüngedeki elektronun enerjisi negatiftir. + nd ni hν= E d - E i
58
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Planck eşitliğine göre bir fotonun enerjisi E = h v 'ye eşit olduğu için; + nd ni hν= E d - E i
59
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Elektron yüksek enerji düzeyinden, n=2 düzeyine olan geçişte elde edilen çizgilerin frekansları;
60
Uyarılmış hidrojen atomunda, elektronun değişik dış yörüngelerden, iç yörüngelerden herhangi birisine geçmesi ile yayılan ışımalar hidrojen spektrum serilerini oluşturur. Eğer elektronun son yörüngesi hidrojen atomunun birinci ( n = 1 ) enerji seviyesi ise bu sırada oluşan spektrum serisine Lyman Serisi denir. Bu seri mor ötesi ışınları içine alır. Lyman serisinde Lα; Lβ; Lγ.... gibi isimler verilir. Elektronun son yörüngesi ( n = 2 ) ise oluşan seriye Balmer Serisi denir. Bu seri de görünür bölgeyi oluşturur. Balmer serisinde de salınan fotonlar en küçük enerjiden başlamak üzere Hα; Hβ; Hγ;... gibi isimler alırlar.
61
Yine aynı şekilde yüksek enerjili bir katmandan n=3 katmanına olan elektron geçişleri ise kızılötesi (Infrared) bölgede spektrum çizgileri oluşturarak Paschen serisi adını alır. Paschen serisindeki çizgiler Balmer serisindeki çizgilere göre daha uzun dalga boylarında oluşur. Yüksek enerjili katmanlardan n=4 katmanına olan elektron geçişlerine Brackett serisi, n=5 katmanına olan elektron geçişlerine ise Pfund serisi adı verilir.
62
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Örnek: Hidrojen spektrumunda n=3 ten n=2 ye olan elektron geçişini temsil eden çizginin frekans ve dalga boyunu bulunuz?
63
1.2.5 Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Çözüm
64
Örnek: Hidrojen atomu elektronunu, en düşük enerji düzeyinden uzaklaştırarark, hidrojen iyonu oluşturmak üzere verilmesi gereken hesaplayınız? Çözüm
65
Bohr kuramı hidrojenin atom spektrumunu açıklamak için basit bir model oluşturmaktadır. Bu model aynı zamanda yapı olarak hidrojene benzeyen He + ve Li 2+ tek elektronlu iyonlar için de kullanılır. Bu iyonlar için çekirdek yükü enerji düzeyi denkleminde; Z= Atom numarası n= Enerji seviyesi
66
Örnek: Bir foton etkisiyle temel haldeki Li +2 iyonundan iyonlaşarak ayrılan elektronun kinetik enerjisini hesaplayınız? (Z=3)