Eski Yunan’da MÖ 5. yy.’da Leukippos, Democritos (M.Ö. 460-370) veEpicuros (M.Ö. 342-270), maddenin bölünmesinde bir son sýnýr olacaðýnýdüþünerek bu en küçük þeye, “bölünmez” anlamýnda “atom” demiþlerdi.Yüzyýllarca sonra, 19. yüzyýlýn baþýnda, denel temellere dayalý bilimsel atomkuramýný ortaya koyan Dalton da, atomlarýn “bölünemez katý kürecikler” olduðunusanmýþtý. Atomun da “bölünebilir” ya da “tanecikli” yapýda olduðunun anlaþýlmasý100 yýldan fazla zamaný gerektirdi. Bugün atomun proton, nötron ve elektrondenen üç temel parçacýðý olduðunu biliyoruz. Halen sayýsý en az 35 olan bir çok“atom altý parçacýk” tanýnýyor. Bütün bunlarý doðanýn sýrlarýna karþý savaþ açmýþbilimcilerin belki yorucu ama coþku verici deneylerinden ve yorumlarýndan öðrendik.

19. yüzyýl baþlarýnda John DALTON (1766-1844), element ve bileþiklerin var-lýðýný, kimyasal olaylarda kütlenin korunmasýný, elementlerin belirli bir bileþiðioluþtururken hep sabit bir kütle oranýnda birleþmesini ve iki element arasýndafarklý bileþikler oluþurken elementlerden birinin miktarý sabit tutulduðunda onunlabirleþen ikinci elementin miktarlarý arasýnda basit ve tam sayýlý bir oran bulun-masýný, bu deneysel sonuçlarýn tümünü, atomu varlýðýnýn delilleri olarak yorum-ladý. Dalton atom kuramý, kimyanýn temel yasalarýna ve deneylere dayandýðý içinbilimsel nitelik taþýyan ilk atom kuramýdýr. Dalton’un kuramý þöyle özetlenebilir:1. Her element, atom denen bölünemeyen parçacýklardan oluþur. 2. Verilen bir elementin atomlarý ayný özelliktedir. (örneðin kütleleri)3. Farklý elementlerin atomlarý farklý özelliktedir. 4. Bir elementin atomlarý, kimyasal tepkimelerle baþka tip atomlara dönüþtü-

rülemez. Atomlar, kimyasal deðiþime katýlan birimlerdir; kimyasal deðiþmeler sadece atomlarýn baðlanmasýný ve yeniden düzenlenmesini içerir. Atomlar bölüne-mez, yeniden üretilemez ve deðiþtirilemez.

5. Bileþikler, birden fazla elemente ait atomlarýn birleþmesiyle oluþur.6. Verilen bir bileþikte atomlarýn cinsi ve baðýl sayýlarý sabittir.

Elementlerin Sembolleri (Simgeleri)Simyacýlar, gezegenlerden esinlenerek maddeleri simgelemiþlerdi. Bu simgeler,

yalnýzca kendilerinin anladýðý bir takým gizli bilgileri içeriyordu. Dalton, bir adýmileri giderek element ve bileþikleri içi iþaretlenmiþ dairelerle göstermeyi önerdi.

Dalton’un atom ve molekül simgeleriAma Dalton’un simgeleri de oldukça kaba ve zaman alýcýydý. Bugün de kul-landýðýmýz alfabedeki harflerden oluþan simgeleme yöntemini 1813’te J.JBerzelius (1779-1848) getirdi. Buna göre her element atomu, genellikle Latinceadýndan gelen bir ya da iki harfle simgelenir. (Tungsten için kullanýlan W harfionun Almanca ismi olan Wolfram’dan gelir.) Bu simgelerde ilk harf büyük, varsaikinci harf küçüktür. Kobalt (Co), toryum (Th), baryum (Ba), Vanadyum (V)....

19

ATOMUN YAPISI

2.1 DALTON ATOM KURAMI

2. BÖLÜMATOMUN YAPISI

Kendisi ManchesterQuaker okulunda öð-retmendir ve 1807’deKimyasal Filozofide

Yeni Sistem adlýkitabýný yayýmlamýþtýr.

John DALTON(1766 - 1844)

20

Dalton kuramýnda “bir elementin atomlarý her bakýmdan özdeþtir” görüþü,izotop atomlarýnýn keþfiyle yanlýþlanmýþtýr. Yine sonraki çalýþmalar atomunbölünebilir olduðunu göstermiþtir.Atomun “bölünebilir” olduðunun anlaþýlmasý þu üç temelde oldu:Birincisi, madde-elektrik iliþkisinin çözümlenmesidir. Piller, elektroliz,gazlarýn elektriksel boþalýmý gibi olgular her maddenin doðasýnda elektrikolduðunu kanýtladý. Kuþkusuz bu, tüm atomlarýn elektriksel bir yapýda olduklarý-na baðlanabilirdi. Bu deneyler, elektriðin de maddesel ve “tanecikli” olduðunukanýtladý. Atomda, elektrikle yüklü tanecikler örgütlüydü.Ýkincisi, radyoaktifliðin anlaþýlmasýdýr. Radyoaktiflik, bir elementten baþka-sýnýn doðusunu kanýtlýyordu. Demek bir atom baþka bir atoma dönüþebiliyordu.Bu durum, atomlarýn bölünebilir yapýlarýnýn güçlü bir kanýtýydý. Dahasý radyoak-tiflikle tanýnan alfa, beta ve gama ýþýnlarý atom çekirdeðinin ne derece güçlü birenerji kaynaðý olduðunu, atom çekirdeðinin parçalanabilirliðini ortaya koydu.Üçüncüsü, madde-ýþýk iliþkilerinin, ýþýk tayfalarýnýn dilinin çözülmesidir. Herelement, kendine özgü ýþýnlar soðuruyor ve yayýyordu. Öte yandan ýþýk, hem bir“dalga” hem de “foton” denen “parçacýk” saðanaðý idi. Görünür ve görünmezbileþenleri vardý. Atomlardan yayýlan ýþýk, yüksek enerjili elektronlarýn düþükenerjili konuma geçerken yaydýðý fotonlardan baþka bir þey deðildi. Bu konular-daki veriler, atom çekirdeði çevresindeki elektron daðýlýmýnýn aydýnlatýlmasýnýsaðladý.Bu süreci daha yakýndan inceleyelim.

ELEKTROLÝZSülfürik asitinin (H2SO4) sulu çözeltisine bir çinko (Zn) ve bir bakýr (Cu) levha

daldýralým. Bu levhalar, bir iletkenle baðlanýnca çinkodan bakýra doðru bir akýmgeçtiði görülür (yaklaþýk 1 volt). 1800 yýlýnda Kont Alessandro Volta (1745-1827)’nýn bulduðu bu aygýta “volta pili” ya da “galvanik pil” denir. Volta pilindeelektriði üreten þey, maddenin kimyasal deðiþimidir. Dýþ devrede çinkodanbakýra doðru dolaþan akým, çinko çubuðunun aþýnmasýna ve bakýr çevresindehidrojen gazý çýkýþýna yol açar. Asit de suyun iletkenliði artýran bir katalizör duru-mundadýr. Kýsaca, pilde kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüþmektedir.Bu olay bize, elektriðin kaynaðýnýn, madde ya da maddesel deðiþim olduðunusöyler.

1807-1808’de Ýngiliz kimyacý Sir Humpry Davy (1778-1829), bazý bileþik-lerin elektrikle ayrýþtýðýný gördü. Buradan potasyum, sodyum, kalsiyum, stron-siyum ve baryum elementlerini ayýrdý. Davy, bileþikteki elementlerin elektrikselçekimle tutulduðunu ileri sürdü. Bu olay, elektrik enerjisinin kimyasaldeðiþme yol açtýðýný kanýtlýyordu. Elektrik ile maddesel deðiþmeler arasýndakiiliþkilerin yasalarýný 1832-1833’de Ýngiliz bilgin Michael Faraday (1791-1867)ortaya koydu. Elektroliz yasalarý da dediðimiz deney sonuçlarý þöyleydi:1. Belli miktarda elektrik, belli bir maddenin hep ayný miktarýný deðiþime uðratýr.2. Elektrotlardan birinde (anot, katot) deðiþime uðrayan (açýða çýkan ya daçözünen) madde miktarý, hep o maddenin eþdeðer kütlesinin tam katlarý kadarolur.

96.500 Coloumb (1 Faradaylýk) yük ile deðiþime uðrayan madde miktarýna omaddenin eþdeðer kütlesi denir. Bu yük, örneðin sodyumun 23; magnezyumun12 ve alüminyumun 9 gramýný deðiþime uðratýr. Devreden 2 Faradaylýk akýmgeçerse, bu kütleler iki katýna çýkar.

Eþdeðer kütle nasýl ki atomun varlýðýnýn gücü bir kanýtý ise elektrik yükünde-ki sabitlik de, elektriðin kesikli ya da tanecikli olduðunun güçlü bir kanýtýydý. Ama

ATOMUN YAPISI

2.2 MADDELERÝN ELEKTRÝKSEL TABÝATI

21

o zaman bunu yadsýyan önyargýlar daha etkiliydi. Elektroliz sonuçlarý, ayrýca,maddenin elektriksel doðasýnýn atomun elektrikselliðinden ileri geldiðini açýklý -yordu. Nitekim özellikle 2. sonucu ele alan Faraday, bunun bir element atom-larýnýn eþit elektrikle yüklü oluþuna baðlanabileceðini söylemiþti.

Maddelerin elektriksel tabiatta, elektrik yükünün “parçalý” olduðunun diðer birkanýtý, katot ýþýnlarýnýn davranýþlarýydý.

Hava ve baþka gazlar, normal durumda yalýtkandýrlar. Ama basýnç çok düþük(0,01 mmHg) ve gerilim yüksek (örneðin 10.000 volt) olursa gazlar ýþýk yayarakelektriði iletirler. Katottan anota doðru yayýlan bu ýþýnlarý 1859’da Julius Pucker(1801-1868) Alman fizikçi J. W. Hittorf (1824-1914) bu ýþýnlarýn manyetik alan-da saptýðýný gördü. Sir William Crookes (1832-1919), 1879’ da katot karþýsýn-da keskin gölgeler oluþturan, manyetik alanda sapan bu ýþýnlarýn yollarýnakonan pervaneciði de döndürdüðünü, bunlarýn parçacýk akýmý olabileceðiniaçýkladý (2.1 Þekil). Heinrich Hertz’in (1857-1894) önderlik ettiði bir grup fizikçiise buna karþý çýkýyor ve her türlü ýþýðýn yalnýzca elektromanyetik dalgaolduðunu savunuyordu. 1895’te Fransýz fizikçi J. Babtiste Perrin (1870-1942),katottan anota doðru yayýlan bu ýþýnlarýn elektroskobu negatif elektrikle yük-lediðini belirledi. Bunlarýn elektrikle yüklü parçacýklar olduðu kesindi.

KATOT IÞINLARININ ÖZELLÝKLERÝPlucker, Hittorf, Crookes ve baþka bilim adamlarýnýn çalýþmalarý, katot ýþýn-

larýnýn aþaðýdaki özelliklere sahip olduðunu gösterdi:1. Katot ýþýnlarý, içi boþ bir tüpten elektrik akýmý geçirilince katottan anota doðruyayýlýr (elektrik akýmý zorunludur).2. Katot ýþýnlarý doðrusal olarak yayýlýr.3. Bu ýþýnlar cam ya da fluoresan özelliði gösteren belli maddelerden ýþýn yayýl-masýna neden olur. Katot ýþýnlarý doðrudan görülmez. Sadece fluoresan etk-isiyle -dolaylý olarak- görülebilir. 4. Katot ýþýnlarý negatif yüklü parçacýklarýnýn yaptýðý gibi elektriksel ve manyetikalanda pozitif kutbun etkisiyle sapmaya uðrar.5. Katot ýþýnlarýnýn özellikleri, kullanýlan elektrodun cinsine (demir, platin vb.)baðlý olmaksýzýn aynýdýr.

2.1 Þekil Katot ýþýnlarý tüpüKatot ýþýnlarý gerçekte gözle görülemez. Çarptýklarý bir yüzeyden yaydýklarý

ýþýkla görülebilir. (Yüksek enerjili bir ýsýnýn bir madde yüzeyine çarpmasýyla

katot ýþýnlarý

katot

anot

vakum

pompasý

KATOT IÞINLARI - ELEKTRONLAR

2.3 KATOT IÞINLARI : Elektronlar

22

maddenin ýþýk yaymasýna fluoresans denir.) Katot ýþýnlarýnýn önemli bir özelliði,elektrik ve manyetik alanlarda negatif yüklü iyonlar gibi sapmaya uðramalarýdýr.2.2 Þekili inceyiniz.

2.2 Þekil Katot ýþýnlarýnýn elektriksel ve manyetik alanda sapmasý.(a) Manyetik alanda(b) Manyetik ve elektriksel alan kuvvetlilere eþitken(c) Elektrik alanda

Thomson, 1897'de, katot ýþýnlarýnýn yük/kütle (q/m) oranlarýný hesapladý; buoranýn iyondakine göre çok büyük olduðunu, dolayýsýyla katot ýþýný parçacýk-larýnýn çok küçük kütleli olacaðýný açýkladý. Bu oranýn katotun cinsine baðlýolmadýðýný görünce, katot ýþýnlarýnýn tüm atomlarda bulunan negatif yüklü temelparçacýklar olduðunu ileri sürdü. Bundan sonra katot ýþýnlarýna elektronlar adýverildi. (Bu terimi ilk olarak 1874'te George Stoney önermiþti.)

Thomson’un Bulgularý ve Thomson Atom ModeliJ.J. Thomson (1856-1940), 1894 ve 1897 yýllarý arasýnda yaptýðý çalýþ-

malarla katot ýþýnlarýnýn parçacýk niteliði taþýdýðýný gösterdi. Bu ýþýnlarýn kütle-lerini doðrudan ölçmek imkansýzdý. Thomson, katot ýþýnlarýnýn manyetik alandasapmalarýndan yararlanarak yükün (e) kütleye (m) oranýný (e/m) ölçtü. Hesap-lanan oran, gram baþýna 2x108 coulomb dolayýndaydý. Bu da hidrojeninyük/kütle oranýndan yaklaþýk 2000 kat büyüktü (Hidrojen için yük / kütle oranýsuyun elektrolizi sýrasýnda ölçülebiliyordu. Deney sonucuna göre katot ýþýnýparçacýklarýnýn kütlesi, hidrojen atomu kütlesinin 1/2000 kadardý. Thomsonburadan þu sonuca vardý: Katot ýþýnlarý maddelerin dolayýsýyla atomlarýn negatifyüklü temel parçacýklarýdýr. Katot ýþýný parçacýklarý, Stoney’in 1874’de öngördü-ðü birim negatif elektrik yükü taþýyan elektronlardýr. Thomson bu sonucu, ato-mun yapýsýna uyarlamaya çalýþtý. Hidrojen atomu, atomlarýn en küçük kütleliolanýydý. Bir elektron kütlesi en hafif atomun bile ikibinde biri kadardýr. Elektronnegatif yüklü olduðuna göre atomun asýl kütlesini pozitif yük taþýmalýydý.Thomson, “pozitif yük atomun kütlesini belirlediðine göre, atomik hacmin deçoðunu kapsamalýdýr” diye düþündü. O’na göre atom, pozitif yükün sürekli vedüzenli olarak daðýldýðý; yaklaþýk 10-8cm yarýçaplý; içi dolu bir kürecikti.Elektronlar da kararlý bir elektrostatik düzen oluþturacak biçimde bu küreciðiniçinde gömülüydü (2.3 Þekil).

Elektronun yüküThomson, elektronun yük/kütle oranýný ölçmüþ ve bu oraný e/m = 1.759x108

coulomb/gram bulmuþtur; ama yük(e) ve kütle (m) ayrý ayrý belli deðildi. Biriölçülse diðeri de kolayca hesaplanabilirdi. Olasý en küçük elektrik yükünü,

Katot ýþýnlarý

Katot

Anot+

Na

b

c

S

ATOMUN YAPISI

J.J. THOMSON(1856-1940)

Britanya’lý fizikçi.Elektronu bulduðu

için 1906 NobelÖdülü’nü aldý.

elektron

2.3 ÞEKÝLThomson Atom

Modeli

23

1909’da Amerikalý fizikçi R.A. Millikan (1868-1953) ölçtü. Millikan, yað damla-cýklarý deneyi diye anýlan ünlü deneyinde þunlarý yaptý: Elektrik alan içindeki birgaz odacýðýna yað damlacýklarý püskürttü. Bu damlacýklarý da x-ýþýnlarýyla bom-bardýman etti. Yüksek enerjili ýþýnlar olan x-ýþýnlarý gaz moleküllerine çarpýponlardan elektron söker. Sökülen bu elektronlar, yað damlacýklarýna yapýþarakonlarý elektrikle yükler. Farklý yað damlacýklarý farklý yüklerle yüklenecektir.Milikan’ýn baþardýðý þey, bu karmaþýk ortamdaki yað damlacýklarýnýn yükünübelirlemektir. Milikan, deney ortamýný ýþýkla aydýnlatarak (güneþ ýþýðýndakitozlarýn parýldamasý gibi) damlacýklarýn elektronlara koþuþunu denetlemeyeyöneldi. Elektron potansiyellerini ayarlayarak bir damlacýðý hareketsiz kýldý. Budamlacýða elektrik alanýnýn, yerçekiminin ve havanýn kaldýrma kuvvetinin etkisivardýr.

Millikan, bu deneyi ile çok sayýda ölçmeler yaptý. Her damlacýk, belirli bireþdeðer yükün ya kendisi ya da tam katlarý biçiminde yük taþýyabiliyordu.Millikan en küçük yükün -1.621x10-19 coul (4.8x10-10 esyb) olduðunu buldu.Farklý yükler bunun ancak tamsayýlý katlarý olabiliyordu. Millikan deneyi dahaduyar ölçümlerle sonralarý da yineledi. Sonuç, elektriðini birim negatif yükünün(elektrondaki yükün) gerçekliðini pekiþtiriyordu. Millikan’ýn birim yükü, Thomsonoranýnda yerine konarak elektronun kütlesi de bulundu:

Pillerden, elektrolizlerden, katot ýþýnlarýndan geçen serüven böylece sonucavarmýþ oldu: Deðiþik maddelerden birbirinin eþi olan birim yüklü parçacýklar yanielektronlar yayýlýyordu. Elektriðin temel kuantumu; negatif yüklü, pek küçükkütleli elektronlardýr. Katot ýþýnlarý, kýzgýn katý metallerden yayýlan ýþýnlarý veradyoaktif maddelerden yayýlan beta ýþýnlarý hep aynýdýr; bütün bunlar deðiþikhýzlardaki elektron saðanaðýdýr.

1895 Kasým ayýnda, yine katot ýþýnlarý tüpünde beklenmedik bir buluþ,araþtýrmalarýn yönünün deðiþmesine yol açtý. Thomson’un içinde bulunduðuaraþtýrmacýlar katot ýþýnlarýnýn tüp dýþýndaki etkilerini araþtýrýyorlardý. BunlardanWilhelm Roentgen (1845-1923), 23 Kasým 1895’te, katot ýþýnlarý tüpünündýþýnda “bir þeyler” olduðunu, tüp çevresindeki bazý maddelerin parýldadýðýný,bazýlarýnýn deðiþtiðini ilk olarak gözledi. Bu ýþýnlar, çantalarýn içindeki madeninparalarý ya da elin kemiklerini gösteren resimler veriyordu. O sýra bu ýþýnlarýnkaynaðý bilinmediði için X ýþýnlarý adý konmuþtur. X ýþýnlarýnýn bazý özellikleriaþaðýdadýr:1. X ýþýnlarý, katot ýþýnlarý tüpünde anota çarpan katot ýþýnlarýnýn (elektronlarýn)etkisiyle yayýlan ýþýnlardýr.2. X ýþýnlarý, elektriksel ve manyetik alandan etkilenmez, gün ýþýðý gibi elektro-manyetik dalgadýr. 3. Bu ýþýnlar çok yüksek enerjili (yüksek frekanslý, düþük dalga boylu) görün-mez ýþýnlardýr. Kalýn siyah bir kaðýda sarýlmýþ fotoðraf filmine bile etki eder. 4. Týpký parmak izi gibi deðiþik maddelerden yayýlan X-ýþýnlarýnýn da fotoðraffilmini ve baþka maddeleri etkileme gücü farklýdýr.

Her elementin yaydýðý X-ýþýný o elementin “parmak izi” dir. X-ýþýnlarýnýnbulunmasýndan dört ay sonra fizikte yeni bir devrim patlak verdi. Fransýz fizikçiHenri Becquerel (1852-1909), radyoaktiflik denen olguyu buldu.

1928

8

yük e 1.6010 coulombm 9.11x10 g

yük /kütle e /m 1.76x10 coulomb /g

���

� � � ��

X IÞINLARI

Robert MILLIKAN(1868-1953)

Elektron yükünü ölçmeyi baþaranAmerikalý bilimci.

2.4 ÞekilX ýþýnlarý tüpü

2.4 X - IÞINLARI

yüksekgerilimkaynaðý

katot ýþýnlarý

x ýþýnlarý

anot(+)

katot( )�

24

Eski çaðlarda, “simyacýlar”, demir, kuþun, cýva gibi elementleri “filozof taþý”ile altýna dönüþtürmeyi düþlemiþlerdi. Yüzyýllar sonra bu düþ, radyoaktiviteninbulunmasýyla, gerçek oldu. 1896’da A. Henry Becquerel (1852-1908), çokönemli bir olay gözledi. O sýralarda potasyum uranil sülfat denen uranyum fi-lizi üzerinde çalýþýyordu. Bir miktar filizi dýþarýdan sýzdýrmayan kapalý bir kutuyakoydu. Yanýna bir fotoðraf plaðý yerleþtirdi. Levha, donuk bir renge büründü. Ozaman güneþe tutulan bazý maddelerin bir süre sonra bu ýþýðý geri saçtýðý bilini-yor ve buna fosforluluk deniyordu. Oysa Becquerel’in elindeki filiz, fosforluluk-tan çok farklýydý, kendiliðinden ýþýn yayýyordu. Bu ýþýnlar, x-ýþýnlarýna benzi-yordu; ama X-ýþýnlarýný oluþturmak için boþaltýlmýþ tüpten sürekli bir dýþ gerilimgeçirmek gerekirken yeni bulunan ýþýmalar, hiç bir dýþ uyarma gerektirmedenkendiliðinden yayýlýyordu. Dahasý uranyum cevheri, hangi fiziksel ya dakimyasal etkilerin altýnda kalýrsa kalsýn þiddeti deðiþmiyor, sývý kurþun ya da sývýhava içindeyken de ayný oranda ýþýn yaymayý sürdürüyordu. Bu yeni ve gizemliolguya Madam Curie tarafýndan radyoaktiflik adý verildi.

1899’da Becquerel, radyoaktif ýþýmanýn manyettik alanda saptýðýný, bu yüz-den de, hiç olmazsa bir kýsmýnýn küçük, yüklü taneciklerden oluþtuðunu açýk-ladý. Olayýn çözümlenmesine iliþkin yorucu ve tehlikeli deneyler, Maria Curie vekocasý Pierre Curie tarafýndan yapýldý. Curie’ler, 1898’de uranyum filizindenpolonyum ve radyum adýný alan iki element ayýrmayý baþardýlar. Kendiliðin-den ýþýma yapan maddelere radyoaktiflik maddeler denir. Bu maddeler, çokyüksek hýzdaki mermilerle ateþ eden topçu bataryalarý gibidir.

Becquerel’le açýlan süreç, bir dizi ilginç buluþun baþlangýcý oldu. Radyoaktifmaddeler üç tür ýþýma yayýyordu. 1899’da Rutherford alfa (�) ve beta (�) ýþý-malarýný, az sonra P. Villard da gamma (�) ýþýmasýný buldu.

2.1 TABLO Radyoaktif ýþýmalarýnýn özellikleri

Alfa Iþýnlarý (� ýþýnlarý): Helyum çekirdekleridir; yükü +2, kütlesi 4’dür. Çekir-dekten yaklaþýk saniyede 1600 km hýzla çýkarlar; havada 3-8 cm kadar yol ala-bilirken normal bir defter yapraðý ya da ince metal levhalarda durdurulabilir.Elektriksel ve manyetik alanda negatif kutbun çekimiyle hareket eder. Alfa yayanbir çekideðin yükü 2, kütlesi 4 azalýr. Alfa: .

Beta Iþýnlarý (� ýþýnlarý): Çekirdekten fýrlayan elektronlardýr. Çünkü beta ýþýn-larýnýn yük/kütle (e/m), katot ýþýnlarýnýnkiyle (elektronla) aynýdýr. Buna baðlýolarak beta ýþýnlarý, elektriksel ve manyetik alanda pozitif kutbun çekimine baðlýhareket eder. Beta: . Çekirdekten yaklaþýk 130.000 km/s hýzla çýkan elek-tronlar, havada 10 m kadar yol alabilirler.

01 e�

42 He

Iþýn

Simge

Yapýsý

Yükü

Hýzý(Km/sn)

Alfa

BetaGamma

2 proton2 nötronelektronElektro-manyetikdalga

+2

-10

16.000

130.000300.000

ATOMUN YAPISI

Maria CURIE(1867-1934)

1898’de kocasý Pierreile birlikte uranyumcevheri içindeki ikiradyoaktif elementi

(polonyum ve radyum)keþfetti. 1903 NobelFizik Ödülünü Maria,Pierre ve Becquerel

paylaþtý. Maria,radyum ve polonyu-mu keþfinden dolayý1911’de Nobel Kimya

Ödülünü kazandý.(Kocasý Pierre 1906’da bir at arabasýnýnçarpmasý sonucu

hayatýný kaybetmiþti.)

2.5 RADYOAKTÝFLÝK+

N S

2.5 ÞekilRadyoaktif ýþýnlarýnýnelekriksel ve magnetik

alanda sapmalarý

25

Gama Iþýnlarý (� ýþýnlarý): X ýþýnlarýndan çok daha yüksek enerjili, giriciliði

çok yüksek, görünmez ýþýk türüdür (yüksek frekanslý elektromanyetik dalgadýr.)

Yükü ve kütlesi pratikçe sýfýrdýr.

Radyoaktifliðin bulunuþu, atomun bölünemezliði yolundaki yerleþmiþ görüþ-leri yýktý. Çünkü olay atomun kendiliðinden bölünebildiðini, bir elementten birbaþkasýnýn ya da baþka taneciklerin doðduðunu kanýtlýyordu.

Öte yandan radyoaktiflik, radyoaktif elementin elementel ya da bileþik duru-munda oluþuna fiziksel haline, nötral ya da iyon olmasýna ve hatta sýcaklýk,basýnç gibi dýþ etkenlere baðlý olmayan ve hýzý deðiþtirilmeyen bir olaydý. Bütünbunlar, radyoaktifliðin basit bir deðiþme deðil, atomdaki çok derin bir deðiþmeolduðunu ve atomun çok güçlü bir enerji odaðý bulunduðunu gösteriyordu. Ernest Rutherford (1871-1937) adlý genç bir Yeni Zelandalý, fizikçi ve Ýngilizkimyacý Frederick Soddy (1871-1937) bu olayýn bir çekirdek dönüþümüolduðunu önerdiler. Daha sonra Rutherford, elektron kümeleriyle sarýlmýþçekirdekli atom düþüncesini kanýtlayacak ve radyoaktifliðin, iþte bu çekirdektengeldiði anlaþýlacaktý.

RUTHERFORD ATOM MODELÝNormal, sýradan bir madde, yüklü elektronlarca ne çekilir, ne de itilir. Bu da

atomlarýn elektrikçe nötral olduðunu gösterir. Thomson’un deneyleri atomdanegatif elektrikle yüklü elektronlar bulunduðunu göstermiþ, Thomsaon da bununýþýðýnda “üzümlü kek” e benzettiði bir atom modeli önermiþti (1898). Bu modeldenegatif yük taneli, pozitif yük sürekli görünüyordu. Atomda pozitif yükün konu-mu, Ernest Rutherford tarafýndan belirlendi.

Alfa Parçacýklarýnýn Saçýlmasý1909’da, Rutherford’un yönetiminde Hans Geiger ve Ernest Marsden,

radyoaktif maddelerden elde edilen alfa parçacýklarýnýn ince metal levhalardaki(Au, Pt, Ag, Cu...) giriciliði üzerine bir dizi deney düzenlediler. Levhalarýn kalýn-lýðý 10�4 ve 10�5 cm kadardýr. Geiger ve Marsden, alfa parçacýklarýnýn çinkosülfürle kaplý perdedeki ýþýmalarýný gözlediler. Gözlem sonuçlarý aþaðýdaki gibiy-di:

2.7 Þekil Radyumdan yayýlan alfa ýþýnlarýnýn ince metal levhadan saçýlmasý

RadyumAlfa parçacýklarý demeti

Sapma gösteren alfa parçacýklarý

Fluoresanlý döner ekran

Ýnce altýn levha Sapmadan geçen alfa parçacýklarý

� ��00

ÇEKÝRDEKLÝ ATOM

2.6 ÇEKÝRDEKLÝ ATOM

2.6 ÞekilAlfa parçacýklarýnýnince metal levhadaki

saçmalarý. Çizgiler alfaparçacýklarýnýn yolunu�ise atom çekirdek-lerini temsil ediyor.

E. RUTHERFORD(1871-1937)

Atomda pozitif yüklübir çekirdek olduðunu

kanýtladý; 1908’dekimyadan Nobel

Ödülü aldý.

26

1. Alfa parçacýklarýnýn büyük çoðunluðu metal levhayý sapmadan delipgeçmiþtir (2.6 ve 2.7 Þekil). 2. Alfa parçacýklarýnýn pek azý (yaklaþýk 20.000’de biri) metal levhayý geçerkendeðiþik açýlarda saçýlmaya uðramýþtýr. 3. Çok az alfa parçacýðý da ince metal levhayý geçememiþ geldiði doðrultudageri dönmüþtür.

Alfa parçacýklarý oldukça hýzlý (1.6x107 m/s), pozitif yüklü ve kütlece hidrojenatomundan 4 kat, elektrondan 8 bin kat aðýr parçacýklardýr. Rutherford bir kon-feransýnda alfa parçacýklarýnýn saçýlmasý ile ilgili olarak þöyle diyordu: “Bu,yaþamýmda baþýma gelen en inanýlmaz olaydý. O kadar inanýlmaz bir þeydi ki,attýðýnýz 30 cm’lik güllenin bir kaðýt yapraðýna çarpýp geri gelmesine ve siziyaralamasýna benziyordu... Hesaplarýmý yapýnca gördüm ki bu büyüklükte birsonuç elde edebilmek için, atomun kütlesinin büyük kýsmýnýn pek ufak birçekirdekte toplandýðý bir sistemi, gözönüne almak zorunludur.” Yeniden pozitifyüklü alfa parçacýklarýnýn nasýl olup da deðiþik açýlarda saçýldýðý sorusuna döne-lim. Elektronlar çok küçük kütleli olduklarý için bu hýzlý ve “aðýr” gülleleri yollarýn-dan saptýrmada etkili olmaz; bu gülleler pozitif yüklü, çok ufak, ama çok sert (çokyoðun) bir “yere” çarpýyordu. Eðer atom, Thomson’un önerdiði gibi kütle veyükün düzenli daðýldýðý bir kürecik olsaydý, alfa taneciklerinin hiçbiri yollarýndansapmayacak, atomu delip geçecekti. Çünkü Thomson atomunun pozitif yükü,alfa parçacýklarýný saptýracak yoðunlukta olamazdý. Deney, atomdaki yük ve küt-lenin homojen biçimde daðýlmýþ olamayacaðýný açýkça göstermekteydi. Ýþtebütün bu sonuçlar, Rutherford’un “çekirdekli atom” modelini açýklamasýna temeloldu (2.8 Þekil).

Rutherfod’un Atom ModeliAlfa parçacýklarýnýn ince metal levhalardan saçýlmasýný temel alan Rutherford þusonuçlarý açýkladý:1. Atomik hacmin merkezinde; pozitif yüklü, atom kütlesinin çok büyük bir kýs-mýný barýndýran, çok yoðun ve atomik hacme göre pek küçük hacimli birçekirdek vardýr.2. Farklý element atomlarýnýn çekirdek yüklerinin deðeri farklýdýr ve yaklaþýkolarak elemetin atom kütlesinin sayýsal deðerinin yarýsýdýr.3. Bir atomun çekirdeðinin dýþýnda birim çekirdek yükleri sayýsýna eþit sayýdaelektron olmalýdýr (atomun elektrikçe nötral olabilmesi için).

Çok sayýda alfa taneciðinin levhalarý delip deðiþik açýlarda saçýlmasý, elekt-ronlarýn çekirdeðe uzaklýðýnýn, çekirdek çapý yanýnda çok büyük olduðunu gös-terir. Rutherford, bu nitel sonuçlarý nicel kanýtlarýyla birleþtirdi ve çekirdeðin yüküve büyüklüðü konusunda çýðýr açýcý bilgileri sundu. Alfa taneciklerinin sap-malarýndan yararlanarak çekirdek yarýçapýnýn 10�13 - 10�12 cm düzeyinde oldu-ðunu hesapladý. Atom çapý, çekirdek çapýndan 105 ya da 106 kez daha büyük-tü. Arada elektronlarýn gezdiði bir boþluk vardý. Çekirdek yoðunluðu da maddeyoðunluðunun 1015 katýydý. Rutherford, farklý yönlere sapan alfa taneciklerininsayýsýndan yararlanarak çekirdekteki yük sayýsýnýn yaklaþýk hesaplanabileceði-ni gösterdi. Farklý çekirdeklerin yükleri hep birim elektrik yükünün tam katlarý idi.Bu hesaplar elementlerin periyodik cetveldeki yerleriyle de uyuþuyordu. Dene-yin geliþtirilmesini ve çekirdek yükünün tam ölçülmesini 1920’de onun öðrencisiolan Sir James Chadwick (1891-1974) yaptý. Deney ve hesaplar, yüksüz biratomda elektron sayýsý ile çekirdekteki pozitif yük sayýsýnýn eþit olduðunu gös-teriyodu. Zamanýn fizik bilgileri ýþýðýnda Rutherford “Güneþ sistemine benzeyen

ATOMUN YAPISI

çekirdek

2.8 ÞekilRutherford atom

modeli (merkezdekinokta çekirdek)

J. CHADWICK(1891-1974)

Nötronu o buldu.

27

bir atom modeli önerdi. Güneþin yerine pozitif yüklü atom çekirdeði, gezegen-lerin yerine de geliþgüzel yörüngelerde dolanan negatif yüklü elektronlar geçiri-yordu.Ýlk sorun þuydu: Atom çekirdeklerini oluþturan protonlar, ayný yüklü olduklarýhalde nasýl olup da küçücük bir hacimde son derece kararlý olarak bulunabili-yorlar? Öyle ya pozitif yüklü olan ve herbiri, herbir elektrondan 1836 kat aðýrolan protonlar þiddetle birbirlerini iteceðine göre onlarý birarada baðlayan nedir?Ýkinci sorun: Çekirdek ile elektronlar arasýndaki iliþkinin niteliðiydi. Güneþ ilegezegenler arasýndaki etkileþim kütlesel, çekirdek ile elektronlar arasýndaki iseelektriksel çekimdir. Birisi evrenin her yerinde varolan ama zayýf bir çekim,öbürü ise ondan 1036 kat güçlü olan elektriksel çekim. Zamanýn fizik bilgilerinegöre elektron gibi yüklü ve hareket halindeki bir tanecik sürekli enerji kaybeder.Bu durumda elektron uzaya sürekli elektromanyetik ýþýmalar yayan küçük bir is-tasyon gibidir. Buna göre çekirdeðe en uzaktaki bir elektron bile daralan bir spi-ral harekete 10�8 sn içinde çekirdek üzerine düþmelidir. Bu ise atomun ölümüdemeye gelir. Çekirdekli kararlý atomlarýn varlýðý bir gerçek olduðuna göre her-halde yanlýþ olan gezegen türü modeldi.

Ýlk soruna yaklaþýmý Rutherford’un kendisi yaptý. Atom kütlesinin, içerdiðielektron ve protonlarýn kütleleri toplamýndan daha büyük çýkmasýný gözönünealan Rutherford, 1919’da çekirdekkte bu kütle açýðýný tamamlayan yüksüz birtaneciðin olabileceðini ileri sürmüþtü. Nötron denen bu yüksüz taneciði1932’de, onun öðrencisi Chadwick buldu.

Ýkinci temel sorun, yani elektronlarýn çekirdek çevresindeki düzeninin nasýlolduðunun anlaþýlmasý ýþýðýn niteliðinin ve atom ile ýþýk iliþkisinin tanýnmasýylaoldu. Rutherford, deneyini yaptýðý aralarda iki ünlü bilimci ýþýðýn iki ayrý bileþeniüzerinde çalýþýyordu. Ýngiliz fizikçi H.G. Moseley (1887-1915) X-ýþýnlarýný,Danimarkalý fizikçi Niels Bohr (1885-1962) da hidrojen atomunun soðurduðu veyaydýðý ýþýðýn mekanizmasýný inceliyordu. Rutherford’un modelindeki çeliþkiler,onunla birlikte çalýþmaya gelen Bohr tarafýndan yanýtlandý. Bohr’un kuramýnýanlamak için, yüzyýlýmýzýn baþlarýnda yer alan önemli olaylara göz atmakgerekiyor.

Alfa parçacýklarýnýn saçýlmasý deneyinin analizleri atom çekirdeðinde birimpozitif yükün tam katlarýna sahip bir yük bulunmasý gerektiðini gösteriyordu.Rutherforda her elementin atomlarýnda karakteristik bir çekirdek yükü bulu-nduðunu belirtmiþti. X-ýþýnlarý üzeinde çalýþan H.G.J. Moseley, 1913’de X-ýþýnýtüpünde anottaki madde deðiþtikçe oluþan ýþýðýn frekansýnýn da deðiþtiðini veher elementin kendine özgü bir X-ýþýný yaydýðýný gördü. Elementin atom kütle-si arttýkça yayýlan X-ýþýnlarýnýn frekansý da artýyordu. Moseley, kullandýðý metal-lerin atom kütleleri ile onlarýn yaydýklarý X-ýþýnlarý frekansýnýn kare kökü arasýn-da bir grafik çizildiðinde, kimi sapmalarýn yanýnda kalktýðýný gördü. Moseley X-ýþýnlarý tüpünde anot olarak bileþik kullanýldýðýnda da bileþiðin içerdiði ele-mentlere özgü ýþýnlar elde etti. Yani bir element ister bileþik içinde yer alsýn,ister almasýn hep ayný X-ýþýnlarýný yayýyordu. Moseley’in deney sonuçlarý,kimyasal tepkimelerde atom çekirdeðinin korunduðunu, ama çekirdek yükü aynýolan atomlarýn ayný kimyasal davranýþ gösterdiðini ortaya koydu. Yani kimyasaldavranýþta atom aðýrlýðýnýn temel olduðu sanýsý yýkýldý. Ýzotoplarýn ayrý ayrý ele-ment olmadýðý böylece anlaþýldý. Elementlerin artan atom kütlelerine göre sýrala-masýnda Ni - Co, Ar - K ve Te - Ý çiftleri kimyasal özellikleriyle baðdaþmaz. X-

X IÞINLARI ve ATOM NUMARASI

2.7 X IÞINLARI ve ATOM NUMARASI

28

ýþýnlarý kimyasal davranýþta çekirdek yükünün temenolduðunu gösterince buuyuþmazlýk da çözüldü. Moseley, çekirdek yüküne atom numarasý dedi.

2.9 Þekil X-ýþýnlarýnýn oluþumu. X-ýþýnlarý, katot ýþýnlarý ve morötesi ýþýnlar,görünür ýþýk yayan bazý floresan maddeler aracýlýðýyla “görülür”.

Pozitif yüklü temel birimlerin, yani protonlarýn baðýmsýz olarak varlýðý ilk kez1919’da Rutherford tarafýndan saptandý. Bu sonuç, alfa parçacýklarýnýn havada-ki ilerleyiþinin incelenmesinden elde edilmiþir. Radyumdan çýkan alfa parçacýk-larý azot (nitrojen) atomlarýnýn çekirdeklerinden proton açýða çýkarmýþtýr.

Azot çekirdeði + Alfa parçacýðý � Oksijen çekirdeði + Proton

Protonlar ve NötronlarRutherford, atom çekirdeðinde birim pozitif yüke sahip parçacýklarýn bulun-

duðunu düþünüyordu. 1919'da havadaki azot atomlarýnýn alfa parçacýklarýylabombardýman edince pozitif yüklü parçacýk oluþtuðunu gördü ve bu parçacýðaproton adýný verdi. Rutherford, çekirdekte elektrikçe nötral temel parçacýklarýnbulunmasý gerektiðini açýkladý. Bu nötral parçacýklarý 1932'de öðrencisi JamesChadwick gözledi. Atom çekirdeðinin bu ikinci parçacýðýna nötron dendi. 2.10Þekilde helyum atomu gösterilmiþtir. (2 proton, nötron ve 2 elektron). Proton venötronlarýn herbirine nükleon (“çekirdeði oluþturan”) denir. Atomun temelparçacýklarýnýn yük ve kütleleri 2.2 Tabloda verilmiþtir.

2.2 TABLO Atomun Temel Parçacýklarý

* Bir atomik kütle birimi (akb), 1.66x10�27 kg’dýr.

Atom Numarasý (Z), Kütle Numarasý (A) Bir atomdaki proton sayýsýna (çekirdek yüküne) atom numarasý denir; bu

numara Z ile gösterilir. Nötral bir atomda Z, elektron sayýsýna da eþittir.Elektronlarýn kütleleri çok küçüktür. Proton ve nötronlarýn kütleleri birbirine

çok yanýdýr (nötronun biraz büyük) ve bunlarýn herbiri, bir elektron kütlesininyaklaþýk 1840 katý kütlelidir. Buna göre atomun kütlesinin çok büyük bir çoðun-luðu çekirdektedir. Atom çekirdeðindeki proton ve nötron sayýlarý toplamýnakütle numarasý denir ve bu numara A ile gösterilir.

Parçacýk Kütlesi (kg) Yükü (C) Kütle(akb)* Yükü (e)

Elektron

Proton

Nötron

9.10939x10

1.67262x10

1.67493x10

31

27

27

-

-

- -1.60218x10

+1.60218x10

0

-19

19-

0.00055

1.00728

1.00866

-1

+1

0

vakum giriþi

hedef

X ýþýnlarý

Katot ýþýnlarý

anot (+) katot

ATOMUN YAPISI

2.8 ATOMUN TEMEL PARÇACIKLARI

nötronproton

elektron

2.10 ÞekilHelyum atomununçekirdekli modeli

29

Elementler, genellikle, Ýngilizce adýndaki bir veya iki harfle simgeleniyor. Ýlkharf büyük, varsa ikincisi küçüktür: karbon C, oksijen O, nitrojen (azot) N, sil-isyum Si. Bazý elementlerin simgesi, eski zamanlardan kalma Latince adýnagöredir: demir Fe (ferrum) ve kurþun Pb (plumbum). Bugün kullandýðýmýz ele-mentleri simgeleme yöntemini 1813'te Ýsveçli kimyacý Jons Jakob Berzelius(1779-1848) geliþtirdi.

ÝzotoplarDalton, 19. yüzyýl baþýnda açýkladýðý atom kuramýnda belli bir elementin

atomlarýnýn ayný kütlede olduðunu ileri sürmüþtü. 1912'de J.J. Thomson, neongazýndan oluþan pozitif iyonlarýn kütle/yük oranlarýný ölçtüðünde farklý kütlelineon atomlarý olduðu anlaþýdý:

Bir elementin tüm atomlarýnda atom numarasý, yani proton sayýsý aynýdýr;ama nötron sayýsý farklý olabilir. Atom numarasý (Z) ayný, kütle numarasý (A)farklý olan atomlara izotop atomlar denir.

Ýzotop atomlarýn doðadaki bulunma yüzdeleri farklýdýr. Örneðin doðadakineon atomlarýnýn % 90.48 i neon-20; % 9.26 sý neon-22 ve % 0.27 si neon-21izotoplarýdýr. Ýzotop atomlarýnýn kimyasal özellikleri aynýdýr.

Ýzotop terimi, daha önce F. Soddy tarafýndan, kimyasal özelliði ayný olduðuhalde radyoaktifliði farklý olan atomlar için kullanýlmýþtý. Radyoaktifliðin bulun-masý ile Dalton’un “bir atom baþka bir atoma dönüþemez” yargýsý yýkýldý. Ýzotop-larýn varlýðý da Dalton’un “belirli bir elementin tüm atomlarý ayný kütlededir”yargýsýný yýktý.

; ; Karbonun izotoplarý Oksijenin izotoplarý Klorun izotoplarý

Ýzotop Atomlar1. Atom numarasý ayný, kütle numarasý farklý atomlardýr.2. Ayný elemente ait atomlardýr.3. Kimyasal özellikleri ayný olan atomlardýr.

2.1 ÖRNEKAþaðýdaki atomlarýn kapsadýðý proton, nötron ve elektron sayýlarýný belirtiniz.

ÇÖZÜM

� �� �� �� �

2411

2412

8035

23090

A) Na 11p, 11e, 13n

B) Mg 12p, 12e, 12n

C) Br 35p, 35e, 45n

D) Th 90p, 90e, 140n

24 24 80 23011 12 35 90A) Na B) Mg C) Br D) Th

35 3717 17Cl, Cl16 17 18

8 8 8O, O, OC,C,C 146

133

126

20 21 2210 10 10Ne Ne Ne

p sayýsý + n sayýsý elementin simgesiEAZ

P sayýsý

ATOMUN TEMEL PARÇACIKLARI

J. J. BERZELIUS(1779-1848)

Ýsveçli kimyacý.Simge ve formüllerin

modern yazýlýmýnýgeliþtirdi. Berzelius,ayný zamanda yorul-maz bir deneyciydi.

Çeþitlerin atomkütlelerini ölçmek için

yýllarca çalýþtý.

30

2.2 ÖRNEKNötral oksijen atomu 8 elektron içerir. Oksijen elementinin 8, 9, 10 nötron

içeren üç izotopunu simgeleyerek gösterin.

ÇÖZÜMAtomlar elektrikçe nötralken elektron sayýsý = proton sayýsý = atom numara-

sýdýr. Ýzotoplarýn kütle numaralarý da 8+8=16; 8+9=17 ve 8+10=18 dir.Bunagöre izotoplarýn gösterimi þöyledir:

ÝyonlarKimyasal deðiþmelerde atomlarýn çekirdekleri deðiþmez. Elektronlar alýnýp

verilir ya da ortak kullanýlýr. Bir atomdan kaç elektron koparsa -proton sayýsý aynýkalýp elektron sayýsý azaldýðý için- o sayý kadar pozitif yük taþýyan bir iyon oluþur.Pozitif yüklü iyonlara katyon (“katota giden”) denir. Örneðin Baryum (Ba) atom-larý bileþiklerinde hep +2 yüklü iyonlar halinde bulunur.

Bir atom, kazandýðý elektron sayýsý kadar net negatif yük taþýr. Negatif yüklüiyonlara anyon (“anota giden”) denir. Örneðin azot atomu (N), bazý bileþilerinde-3 yüklü iyonlar halinde bulunur.

2.3 ÖRNEKZn+2 iyonu 28 elektron 35 nötron içerdiðine göre atom numarasý ve kütle

numarasý kaçtýr?

ÇÖZÜM28 elektron, 28 birim negatif yük demektir; iyon +2 yüklü olduðunda birim

pozitif yük sayýsý (proton sayýsý) 30’dur. Kütle numarasý = proton sayýsý + nötron sayýsý = 3x+35=65’dir.

2.4 ÖRNEKUranyum (U) atomuna ait +2 yüklü iyonda 90 elektron vardýr. Buna göre

çekirdeðinde 142; 143 ve 146 nötron taþýyan izotoplarý simgeleyiniz.

ÇÖZÜM+2 yüklü iyon, 90 elektron taþýdýðýna göre nötral U atomunda 92 elekron

bulunur. Ýzotop atomlarýnda çekirdek yükü (proton sayýsý) aynýdýr. Ýzotoplarýnkütle numaralarýný bulalým.

23492

23592

23892

92 142 234 ; U

92 143 235 ; U

92 146 238 ; U

�

�

�

6530 Zn.

N147

7 proton7 elektron7 nötron

üç elektronalarak

N147

7 proton10 elektron7 nötron

-3

Ba13856

56 proton56 elektron82 nötron

iki elektronvererek

Ba13856

56 proton54 elektron82 nötron

+2

16 17 188 8 8O, O, O

ATOMUN YAPISI

31

2.5 ÖRNEKSe�2 iyonunda 36 elektron, 45 nötron bulunduðuna göre:I. Nötral Se atomu, 34 elektronludur.II. Tüm Se atomlarý 34’er proton taþýr.III. Verilen izotopun kütle numarasý 81’ dir.yargýlarýndan hangileri doðrudur?

ÇÖZÜMSe�2 iyonu 36 elektronlu olduðuna göre nötral Se atomu 34 elektronludur; ya

da Se’un atom numarasý 34; kütle numarasý da 34+45=79’dur. I. ve II. yargýlardoðru, III. yanlýþtýr.

Atomlardan yayýlan ýþýk Rutherford’un minyatür Güneþ sistemine benzeyenatom modeli ile tam çeliþki gösteriyordu. Elektronlar, belli enerji düzeylerindedeðil de çekirdek çevresinde geliþigüzel yollarda dolanýyor olsaydý, atomdanyayýlan ýþýk, tipik tayf çizgileri yerine kesiksiz bir tayf oluþturmalýydý. Çünkü elek-tron sürekli ýþýmayla sürekli enerji yitirmeli ve sürekli enerji deðiþtirmeliydi. Yineklasik kurama göre, elektromanyetik ýþýma yörüngedeki elektronlarýn enerjisinitüketmeli ve bunun sonucu olarak da elektronlar daralan bir spiral düþüþhareketiyle 10�8 saniye içinde çekirdeðe düþmeliydi. Oysa atomlarýn tayfý, çizgilitayftý ve üstelik atomlar yadsýnamaz kararlýlýklarýyla ortadaydýlar.

Hidrojen gazýnýn tayfýný inceleyen Danimarkalý fizikçi Niels BOHR (1885-1962) iþte bu çeliþkilere çözüm olarak 1913’de yeni bir atom modeli ortaya attý.Bohr, o zamanki fiziksel buluþlarýn dört ayrý kýyýsýný birleþtirmek ve bunlarý elek-tron sayýsýna baðlamak baþarýsýný göstermiþti. Bu dört kýyý, þöyledir:(a) Rutherford’un varlýðýný kanýtladýðý, çok küçük hacimde istiflenmiþ, çok yoðunve pozitif yüklü atom çekirdeði.(b) Atomlarýn çizgisel tayf vermesi ve Balmer’in daha önceden bulmuþ olduðubasit tayf yasalarý.(c) Moseley’in her elementin týpký parmak izi gibi kendine özgü x-ýþýnlarý oluþtur-masý.(d) Bütün bunlarý birbirine baðlamayý olanaklý kýlan Planck’ýn kuantum kuramý veE=h� baðýntýsý.

Bütün bu düþünceleri kaynaþtýran Bohr þu sonuca ulaþtý: “Mekanik bir sis-temin iç hareketi, her enerjiye deðil, sadece kesikli enerjilere sahip olabilir.Hareket, ancak sonlu adýmlarla durumunu deðiþtirebilir. Kuantum olaylarý, atomve moleküllerin içinde etkili olur, kuantum sabitinin küçüðü de bunun belirtisidir.”

Iþýðýn sürekli deðil yalýnýk (kesikli) olduðu ve “foton” denen enerji kuant-larýndan oluþtuðu düþüncesinden ve hidrojen tayfýnýn denel verilerinden yolaçýkan Bohr, yeni bir Kepler gibi “elektron yörüngeleri de belirli ya da kuantlaþmýþolmalýdýr.” dedi. Yani elektronlar, öyle geliþigüzel deðil, belirli, adeta izin verilenenerji düzeylerinde dolanmalýydý. Bir merdivende buçuðuncu basamaða ya davites kutusunda üç yetmiþ beþinci vites olmadýðý gibi çekirdek çevresindeki elekt-ronlarda n=1, 2, 3, 4 ile “kuantum sayýlarý” ile belirtilebilen “dairesel yörünge-lerde” dolanýyor olmalýdýr. n, “baþkuant sayýsý” diye anýlýr. Bohr’un düþünceleriþöyle özetlenebilir:1. Hidrojen atomu her düzeyi deðil, belirli bazý enerjileri alabilir; yani hidrojenatomunun enerjisi kuantize olmuþtur. Bunlar çekirdeðe yakýndan uzaða n=1, 2,3, 4, 5, 6 ve 7 gibi kuantum numaralarý ile ya da yine ana düzeylerini simgeleyenK, L, M, N, O, P ve Q harfleri ile belirtilir. Elektron ve proton, birbirlerine elekt-

BOHR ATOM KURAMI

2.9 BOHR ATOM KURAMI

Niels BOHR (1885-1962)Atom tayflarýný, elek-tronlarýn belirli enerji

düzeylerinde bulunduðu-nun kanýtlarý olarak

yoruladý ve ispatladý.1922’de Nobel Fizik

Ödülü’nü aldý.1920’lerde fizikçilerin

baþkenti olanKopenhag’taki kurumsal

fizik enstitüsününbaþkanlýðýný yaptý.

Max PLANCK (1858-1947)

1900 yýlýnda enerjininkuantlý olduðunu belirtenE=h.f (enerji=Plancksabiti x ýþýðýn frekansý)

baðýntýsýný buldu.

32

riksel çekim uygulayamayacak kadar uzaksa çekim potansiyel enerjisi sýfýrdýr.Elektron çekirdeðe yaklaþtýkça potansiyel enerjisi de azalýr. (Bu nedenle elektro-nun dolayýsýyla atomun potansiyel enerjisi negatif iþaretlidir.) Bohr, hidrojen ato-munun alabileceði enerjilerin E=-313.6/n2 Kkal / mol atom baðýntýsýna uyduðunudenel olarak gösterdi. 2. Hidrojen elektronu n=1’de iken atom ve elektron en düþük enerjilidir ve“temel durumda” dýr. Temel durumdaki atom kararlýdýr, hiçbir ýþýma yapmaz.Enerjisi E1 ve E2 olan iki enerji düzeyi arasýndaki deðiþmeler için (n1 � n2 için)ýþýk soðurulur veya (n2 � n1 için) ýþýk yayýlýr. Yüksek enerjili atoma “uyarýlmýþatom” denir. Uyarýlmýþ atomlar (daha açýkçasý onlarýn elektronlar) kendi halinebýrakýlýr býrakýlmaz, ýþýk yayarak temel duruma iner. Ýki düzey arasýndaki enerjifarký E2�E1=h�’dür.3. Enerji düzeyleri çekirdek çevresindeki belirli yarýçaplý dairesel yörüngelerdir.Elektronlar dairesel hareket yaparlar.4. Dairesel yörünge üzerinde dolanan her parçacýk gibi elektronun da bir açýsalmomentumu (m.v.r) vardýr. Bu h / 2�’nin tam katlarý olacak þekildedir.

m : elektron kütlesiv : elektron hýzýr : dairesel yörüngenin yarýçapýn : yörünge numarasýh : Planck sabiti

Bohr’a göre hidrojenin çekirdeðinin kütlesi 1.67x10�27 kg; çapý, yaklaþýk10�15 cm; yükü 1.6x10�19 coulomb’dur.

Bohr, hidrojen atomu için çekirdeðe en yakýn (n=1) yörünge yarýçapýný dahesapladý: 0.526 A°. Diðer yörüngelerin yarýçaplarý n=2 için 22=4, n=3 için 33=9kat daha büyüktü.

n=1 düzeyinde elektronun hýzý da 2200 km / s idi. Bu hýz ýþýðýnýn hýzýnýnyüzde birinden daha küçük bir deðerdir.

Bohr’un yukarýda anýlan temel öngörülerinden 1. ve 2. doðru, 3. yanlýþ, 4. isekýsmen doðrudur. Bu öngörüler hidrojen atomunu ve He+, Li+2, Be+3 gibi elek-tronlu basit iyonlarýn davranýþýný baþarýyla açýkladý.

Bohr, tek bir sezgisel darbeyle tayf ölçümünün karmaþýk sonuçlarýný çözmeyive atom elektronlarýnýn mekanik momentumlarýnýn temel kuantum sabiti h’nintam sayý katlarý olmasý gerektiðini belirten varsayýmla tüm gözlenen emisyonfrekanslarýný açýklayabilmeyi baþarmýþtý. Ama O’nun öngörüleri çok elektronluatomlardaki durumu açýklayamýyordu. Çok elektronlu atomlarýn her enerjidüzeyinde 2n2 kadar elektron olabileceðini spektrum çizgileri de bildiriliyordu.Bu, atom ya da iyonlarýn tayflarý enerji düzeylerinin yarýlmalara uðradýðýný gös-teriyordu. Atomdan yayýlan ýþýk bir elektrik ya da manyetik alan içine alýndýðýn-da bu yarýlmalar çok daha net ve ayrýntýlý görülüyordu. Oysa Bohr, belirli birenerji düzeyindeki tüm elektronlarýn enerjisinin de ayný olacaðýný söylüyordu.

Ortaya atýldýðýnda bir baþarýlar destaný olan Bohr kuramý, ancak 12 yýlyaþayabildi ve yerini yeni kuantum mekaniðine terketti.

Bohr, kuramýný ortaya attýðý yýllarda, 1914’de, James Franck ve GustavHertz, atomlarýnýn iyonlaþmaksýzýn ancak belirli enerjileri yutabildiðini ya daatomlarýn belirli enerji deðerlerinden geçtikten sonra iyonlaþtýklarýný buldular.Onlar çeþitli gazlarý elektronlarla bombardýman ettiler. Elektron tabancasýylahýzlandýrýlan elektronlar, belirli bir enerji aralýðýnda esnek çarpmaya ve sonrabelli bir enerji aralýðýnda esnek çarpmaya ve sonra belli bir enerji kaybýna uðru-yor.

hm.v.r n

2

�

ATOMUN YAPISI

33

Elektronlarýn enerjisi belli bir sýnýrýn altýnda iken atomlarda hiçbir deðiþiklikgözlenmiyordu. Demek, elektronun taþýdýðý enerji atomu birinci kuantum duru-mundan ikinciye yükseltmeye yetmiyordu. Örneðin cýva (Hg) buharý, ilk adýmda5.2 eV (elektron volt) ikinci adýmda 6.7 eV’luk bir enerji soðuyordu. Ýþte bir ato-mun ardarda, kesikli biçimde alabildiði böylesi enerji deðerlerine uyralýmapotansiyeli denir. Bu da elektronun atomdaki temel durumundan daha üst düz-eye çýkarken gerek duyduðu ve ya da geri dönerken yaydýðý enerjidir. Franck veHertz, atomun kesikli enerjileri yuttuðunu ya da elektronlarýn kesikli enerjibasamaklarýnda bulunduðunu denel olarak göstermiþ oldular.

Eðer atoma verilen enerji, çekirdek ile elektron arasýndaki çekimi büsbütünyenecek deðere ulaþýrsa elektron çekirdek ve atomdan kopar. Bu enerjiye iyon-laþma enerji denir. Hidrojen atomunda iyonlaþma enerjisi 1311 kJ/mol dür.Elektron çekirdekten sonsuz uzakta (n=�) ise potansiyel enerjisi sýfýrdýr.Öyleyse çekirdeðe yaklaþtýkça enerjisi negatif olacaktýr.

Ýlginçtir, ýþýðýn dalga katarý biçiminde mi yoksa parçacýk akýný biçiminde miolduðu tartýþmasý, daha 17. yüzyýlda Newton’la Huygens arasýnda baþlamýþtý.Newton ýþýðýn yayýlmasýný bir parçacýk akýný olarak, Huygens de bir dalga akýnýolarak öneriyordu. Tartýþma hem parçacýklarýn hem de dalgalarýn en kestirmeyolu seçtikleri düþüncesiyle noktalanýyordu. Dalgalar; zamaný, parçacýklar da;hareketi en kýsa yapacak bir yol izlerdi. Einstein, 1905’de fotoelektrik olayý temelalarak ýþýðýn kesikli olduðunu kanýtladý ve Newton’u haklý çýkardý. Iþýk, fotondenen birimlerin akýmýydý. Ama Huygens de haklýydý.

Compton OlayýGüneþten gelen ýþýnlar, atmosferde yansýr; ama bu sýrada ýþýðýn dalga boyu

ve frekansý deðiþmez. Oysa yüksek enerjili, çok kýsa dalga boylu olan x ýþýnlarýatomlara çarpýnca dalga boyu deðiþir. Bu olgu ilk kez 1923’de Amerikalý fizikçiArthur Compton (1892 - 1962) tarafýndan gözlendi. Compton, grafit üzerine xýþýnlarý saldýðýnda yansýyan x ýþýnlarýnýn enerjilerinde azalma olduðunu gördü.Bu durum ancak esnek iki topun çarpýþmasýna benzetilebilirdi. (2.11 Þekil)Fotoelektrik olay gibi Compton olayý da elektromanyetik ýþýmanýn fotonlu(parçalý) olduðunun bir kanýtý oldu.

Atomlardan yayýlan ýþýk, “uyarýlmýþ” elektronlarýn “taban” duruma inerkenyaydýklarý belli frekanslý ýþýktýr. Elektrik ve manyetik alanda bu enerji sýçramalarýkýsmi çizgilerle yeniden kesilir. Tayf çizgilerindeki bu yarýlmalarla atom çekirdeðiçevresindeki elektron düzeni arasýndaki iliþkiler 1925-30 yýllarýnda geliþtirilen“Yeni Kuantum Mekaniði” adlý kuramla açýklandý. Bunun üç temel adýmý vardýr:parçacýklarýn dalga niteliði, belirsizlik ilkesi ve olasýlýk hesaplarý. Hemen hemenayný anda dört farklý fizikçi, biçimce farklý da olsa özce ayný olan çözümlereulaþtýlar. Bu fizikçiler Fransa’da Broglie, Almanya’da Schrödinger veHeisenberg, Ýngitere’de Dirac’týr.

de Broglie BaðýntýsýElektronlarý katý birer boncuk gibi düþünmeye alýþmýþýzdýr. Iþýðýn dalga

olduðu düþüncesine alýþtýktan sonra, bazý hallerde, örneðin fotoelektrik olayda,ýþýðýn bir parçacýklar saðanaðý gibi davrandýðýný da þaþarak görmüþtük. Þimdide maddenin ya da elektron dediðimiz parçacýklarýn dalga niteliðinde olduðunu

DALGA - PARÇACIK ÝKÝLÝÐÝ

2.10 DALGA - PARÇACIK ÝKÝLÝÐÝ

eGelen foton

Saçýlanfoton

2.11 ÞekilYüksek enerjili olan x ýþýn-larý, serbest ya da atomazayýf baðlý elektronlaraçarpýnca týpký maddeseltanecik gibi saçýlmaya

uðrar. Fotonun elektronaçarpma doðrultusuna baðlýolarak saçýlma her doðrul-tuda olabilir. Saçýlan foton-larýn dalga boyu, genellikle

gelenlere göre dahabüyüktür. Bu da gelen

fotonlarýn enerjilerinin birkýsmýnýn elektrona geçme-

siyle olabilir.

Louis de BROGLIE(1892-1977)Hareket eden

parçacýðýnýn aynýzamanda dalga özelliði

taþýdýðýný öne sürenFransýz bilim adamý.

34

göreceðiz. Hareketli bir parçacýðýn dalga ile ilgisi ne olabilir?1923-1924’de Louis de Broglie (1892-1977) parçacýk ve dalga ayrýlýðý ye-

rine bunlarýn baðdaþtýðý düþüncesini geliþtirdi. 0, 17. yüzyýla, Newton’laHuygens’in tartýþmasýna kadar geri gitti. Bu tartýþma hem parçacýklarýn hem dedalgalarýn en kestirme yolu seçtikleri düþüncesiyle noktalanýyordu. Dalgalarzamaný, parçacýklar da hareketi en kýsa yapacak bir yol izlerlerdi. Broglie, iþtebu benzerliðin tek bir ilkeye indirgenip indirgenmeyeceðini düþündü. Iþýk kesik-li, parçacýklýydý; iyi de elektron gibi parçacýklar da dalga özelliði göstermezmiydi? Her parçacýða bir dalganýn eþlik ettiði ve her dalganýn da dalga boylarýn-da sýralanmýþ parçacýklardan oluþtuðu düþünülmez miydi?

Maddenin dalga niteliði konusundaki temel varsayýmý ortaya koyarkenBroglie’nin kullandýðý matematik, son derece basit ve yalýndýr; ama temeldüþünceler derin ve zengin sonuçludur. Bir fotonun enerjisinin h x � (Planckeþitliði, 1900) m kütleli bir maddenin enerji eþdeðerinin de m.c2 (Einstein baðýn-týsý, 1905) olduðunu biliyoruz. Broglie iþte bu ayrý ayrýymýþ gibi duran iki eþitliðibirleþtirdi.

h . � = m. c2 (1)

Elektron ya da bir taneciðin “dalga” ile iliþkisini bulacaðýmýza göre “dalgaboyu nedir?” sorusunun yanýtýný vermeliyiz.

Iþýk hýzý (c), dalga boyu (�) ile frekansýn (�) çarpýmýna eþittir:

Bunu (1)baðýntýsýnda yerine koyarsak

bulunur. (2)

(2) baðýntýsýnda h, Planck sabiti (6.626x10�34 Js.), “mc” de fotonun momen-tumunu gösterir. Momentum, maddesel varlýklarýn bir özelliðidir; c, ýþýk hýzýdýr;elektronun ya da baþka bir parçacýðýn hýzýný v ile gösterirsek dalga boyu baðýn-týsý þöyle yazýlabilir:

Kýrýným, giriþim, polarýlma gibi olaylar, ýþýðýn dalga tabiatýnýn kanýtlarýdýr.Broglie’nin öngörüsü doðruysa bir kristalden geçen elektron demeti de týpký birýþýk demeti gibi kýrýným göstermeliydi. Broglie düþüncesini açýkladýktan 3 yýlsonra, 1927’de Amerikalý bilimciler Clinton Davisson ve Lester Germer elek-tronlarýn kritallerdeki kýrýnýmýný denel olarak gösterdiler. Kristallerdeki iyondemetlerinin arasý, kýrýným yarýklarý görevini gördü. Ayný deneme ayný yýl Sovyetbilimci P. Tartakovsky tarafýndan da gerçekleþtirildi (2.12 Þekil). Böylece foton,elektron, hatta proton, nötron gibi elementer parçacýklarýn ikili doðadaolduðu anlaþýldý: hem dalga, hem parçacýk. Broglie baðýntýsý, hareket halinde-ki her parçacýðýn ayný zamanda dalga özelliði taþýdýðýný bildiriyor. Gündelikyaþamdaki maddeler için dalga boyu pek küçük ve önemsizdir; dalga özelliðiatomaltý parçacýklar için önem taþýr. 65 km / saat hýzla giden 100 - g tenis topu-nun dalga boyu 10�30 m; 2000 km / s hýzdaki bir elektronun dalga boyu ise 3.6x 10�8 cm’dir.

v.mh �

cmh �

.bulunurcburadan,idic�

��

�

ATOMUN YAPISI

2.12 ÞekilX-ýþýnlarý ve elektron

kýrýnýmýnýn karþýlaþtýrýl-masý. Altýn (Au) lev-hadan geçen X-ýþýn-larýnýn kýrýmýný (a),elektron kýrýnýmý (b)

(a) (b)

E. SCHRODINGER(1887-1961)

Kuantum kuramýnýnbüyük öncülerinden-dir. Dalga mekani-

ðinin temeli olan birdenklem türetti.1933 Nobel fizik

ödülünü aldý.

35

Schrödinger DenklemiParçacýklarýn dalga özelliði göstermesini dikkate alan Erwin Schrödinger

(1887-1961) 1926’da ünlü denklemini türetti. Bu denklem, bir parçacýðýn biryerde bulunma olasýlýðýný verir; herhangi bir ilkeye dayanmaz, kendisi bir ilkilkedir.

Belirsizlik ÝlkesiElektronun çekirdek çevresindeki durumuyla ilgili diðer bir görüþü 1927’de

Werner Heisenberg (1901-1976) açýkladý. Belirsizlik ilkesi diye anýlan budüþünceye göre, kütlesi çok küçük, hýzý çok yüksek olan bir parçacýðýn “yer”i ve“hýzýný” ayný anda tam bir kesinlikle deðil, ancak bir dereceye kadar saptayabi-liriz. Bu sonuç düþünsel bir deneyle anlatýlýr (2.13 Þekil). Bunu anlamak içinelektronun, yer, hýz, momentum gibi niceliklerini ýþýk ile bulabileceðimiz akýldatutulmalýdýr. Bir elektronun “yer”ini kullandýðýmýz ýþýðýn dalga boyundan dahaduyar ölçemeyiz. Çünkü kullandýðýmýz ýþýðýn dalga boyu ne derece küçük olur-sa olsun foton çarpmasý ile elektronun yeri ��kadar deðiþecektir. Yine foton-elektron çarpýþmasý elektronun çarpýþma öncesindeki hýzýný ve dolayýsýylamomentumunu da deðiþtirecektir. “Yer” ve “momentum” daki belirsizliklerinçarpýmý “belirlidir” ve Planck sabiti (h) sýnýrlarý içindedir.

“Yer”deki deðiþme= �x = �= h / (m . �v)

“Momentum” daki deðiþme = (m . �v)

Yer ve momentum deðiþmelerinin çarpýmý

Demek ki elektronun yer ya da momentumundan hangisi duyar ölçmeyekalkarsak kalkalým ötekinin belirsizliði o denli yükselir. Bu gerçeðin bize söyle-diði þey þudur: Yerini ve hýzýný tam olarak ölçemediðimiz elektronlarýn kesinyarýçaplý daireler üzerinde dolandýðýný de belirtemeyiz.

Örneðin dalga boyu 0.05 A° olan bir ýþýk kullanýldýðýnda, elektronun hýzýnýn107 m / sn dolayýnda deðiþeceði hesaplanabilir.

Belirsizlik ilkesi birçok kiþi için felsefi açýdan kabul edilmesi kolay olmayan birilkedir. Einstein 1920 ’lerin ortalarýndan 1955 ’de ölümüne kadar bu ilkeningeçersizliðini ispatlamak için çok zaman harcamýþtýr.

Orbital, matematiksel bir fonksiyondur. Onun kabaca fiziksel anlamý, elektrondediðimiz parçacýðýn bulunma olasýlýðýnýn en yüksek olduðu bölgedir. s orbital-leri küreseldir. Örneðin hidrojenin 1s orbitali elektronun bulunma olasýlýðýnýn% 90 olduðu küresel sýnýr yüzeti göstermektedir (2.15 Þekil).

hv) . (m .x ��

ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ

2. 13 Þekil Serbest birelektron düþünsel bir mik-roskobun (a) görüþ ala-nýndadýr. Bu ýþýk fotonuelektrona çarpar ve kýrýlýr.Bu çarpýþmada foton mo-mentumunu elektrona ak-tarýr. Mikroskopta kýrýlanfoton görülürken elektronmikroskobun görüþ alaný-nýn dýþýna çýkar (b). Bunedenle elektronun ger-çek konumu belirlene-mez.

Werner HEISENBERG(1901-1976)

Kuantum kuramýndabüyük önemi olan "belir-sizlik ilkesi"ni o buldu.

1932'de Nobel fizik ödülünü aldý.

(b)

(a)

mikroskop

foton

elektron mikroskop

foton

elektron

2.11 ELEKTRONLAR VE ORBÝTALLERÝ

36

Elektronlarýn HareketleriÇekirdek çevresindeki elektronun iki tip hareketi vardýr:

1. Orbital hareketi: Elektronun çekirdek çevresindeki belirli bir uzayý (orbitali)tarama hareketidir. Günümüzde 4 orbital hareketi tanýmlanýyor: s, p, d ve forbitalleri. Orbitaller, elektronlarýn zamanlarýnýn yüzde doksanýný geçirdiði ya daelektronlarýn bulunma olasýlýklarýnýn en büyük olduðu atomik uzaylar olarakdüþünülebilir (2.15 Þekil).

2. Spin hareketi: Çekirdek çevresindeki uzayý tarayan her elektron, ayný andakendi ekseni etrafýnda da döner. Bu dönmeye spin hareketi denir. Zýt spinli ikielektron, zýt uçlarý birbirini çeken iki mýknatýs gibidir. Ýþte bu nedenle bir atomikorbital, zýt spinli iki elektron barýndýrabilir. (Pauli dýþarma ilkesi) (2.14 Þekil)

1. Bir elektron, çekirdeðe en yakýn (en düþük enerjili) orbitale yerleþir. Örneðinatom numarasý (Z), 5 olan bir atomda 2 elektron öncelikle 1s orbitaline girer.Kalan 3 elektrondan biri 2s, ikisi 2p orbitaline girse ne olur? 2s orbitali 2 elektronalabilir; bu orbitalde yer varken elektronun 2p orbitaline konmasý, atomu yüksekenerjili konumda göstermek olur.

2. Bir atomik orbital, zýt spinli olmak koþuluyla iki elektron barýndýrabilir. Kendiekseni etrafýnda dönen bir elektron küçücük bir mýknatýs gibidir. Biri saat yelko-vaný diðeri ters yönde dönen iki elektron, zýt kutuplarý birbirine bakan iki mýknatýsgibidir.

3. Elektronlar, p,d ve f orbitallerine girerken, eðer olanaklýysa, yöndeþ spinlikonum alýr (Hund kuralý). Yöndeþ (paralel) spinli yerleþim, elektronlarýn bir-birinden en uzak konumlara yerleþmesi demektir.

4. Çok elektronlu atomlarda elektronlarýn orbitallere giriþ sýrasý, 2.16 þekildekigibi bir þemayla belirlenebilir. Bu þemadan çýkan orbital sýrasýna "atomikorbitallerin aufbau sýrasý" denir (aufbau: Almanca "inþa etmek")

6C

7N

8O

s orbitali

p orbitalleri

d orbitalleri

f orbitalleri

................ s2

................ p6

................ d10

................ f14

52 2 1B: 1s 2s 2p ve

ATOMUN YAPISI

N

N

S

S

2.14 ÞekilElektronun spin hareketi

Her orbital, biri saatyelkovaný, diðeri ters

yönde dönen iki elektron barýndýrabilir.

Wolfgang PAULI(1900-1958)

Alman bilimci."Bir atomda iki elek-

tronun hareketibirbiriyle týpatýp

ayný olamaz" diye özetlenebilecek kuralý

buldu.

37

ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ

38

1s, 2s2p, 3s3p, 4s3d4p,5s4d5p, 6s4f5d6p, 7s5f6d7p2.16 Þekil Çok elektronlu atomlarda elektronlarýn orbitallere giriþ sýrasý

Örneðin azot (Z=7) atomunun elektron diziliþini inceleyelim. 1s orbitaline 2,2s orbitaline 2 elektron yerleþtirirsek kalan 3 elektron da 2p orbitallerine (px, py,pz) yerleþir:

2.2 TABLO Bazý Atomlarýn Elektron Daðýlýmý

,

7N:

1s 2s 2Px 2Py 2Pz

1s

2s

3s

4s

5s

6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

4f

7p

6d

5f

6 f

7d

7f

ATOMUN YAPISI

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

[Ne]

[Ne]

[Ne]

[Ne]

[Ne]

[Ne]

[Ne]

[Ne]

3s

3s

3s 3p

3s 3p

3s 3p

3s 3p

3s 3p

3s 3p

1

2

2 1

2 2

2 3

2 4

2 5

2 6

2.3 TABLO3. Periyot element-

lerinin temel durumda-ki elektron daðýlýmý

39

6C: 1s2 2s2 2p2 için þu iki elektron daðýlýmý tasarlanabilir:

Bunlardan (2) doðrudur. Çünkü yöndeþ spinli konuma geçmekle Hund kuralý-na uyulmuþ olur. px, py ve pz orbitallerinin enerjileri aynýdýr. Ayrýca yöndeþ spin-li konum, iki elektronun çekirdek çevresinde tek bir p orbitalinin deðil, iki orbitaliiþgal etmesiyle “daha geniþ bir uzayda” hareket edebilmesini saðlamýþtýr. Catomu için aþaðýdaki orbital düzeni de düþünülebilir:

Bu düzende 2s elektronlarýndan biri 2p orbitaline atlamýþtýr. Bilindiði gibi 2s’inenerjisi 2p’den daha düþüktür. Ýþte bu nedenle (3) düzeni “temel durumu” deðil,“uyarýlmýþ durumu” gösterir. (C, bað yaparken uyarýlýr ve (3) düzenini alýr.)7N ve 15P atomlarýnýn 4elektron daðýlýmlarý da aþaðýdaki gibidir:

Þimdi yöndeþ spinli daha ilginç birkaç örneðini görelim. Atom numarasý 24olan kromun elektron daðýlýmý

24Cr: 1s2 2s22p6 3s23p63d4 4s2 olmalýdýr.

Oysa denel olgular 4s2’deki elektronlarýn 3d’ye geçtiði ve elektron düzenininaþaðýdaki gibi olduðunu gösteriyor:

24Cr: 1s2 2s22p6 3s23p6 3d5 4s1

Bu yapý, atoma küresel simetri kazandýrdýðý için daha düþük enerjilidir.Çünkü d orbitalleri 5 elektronla yarýdolu olmuþtur (küreseldir); s orbitalleri herdurumda küreseldir. Böylesi küresellik, en dýþ elektron düzenin ns2(n-1)d4 olantürlerde geçerlidir.

ns2(n-1)d4 � ns1(n-1)d5). Atom numarasý 29 olan bakýrýn elektron düzeni

29Cu: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s2 olmalýdýr.

Oysa deneyler 4s2’deki elektronlardan birinin 3d’ye atlayarak d orbitallerinidoldurduðunu gösteriyor. Böylece atom küresel simetri kazanmaktadýr. Böylesiküresellik (n-1)d9 ns2 düzenlerinden tümünde görülür.

(n-1)d9 ns2 � (n-1)d10 ns1

1s 2s 2p

7N :

15P :

1s 2s 2p 3s 3p

(3)

(1)

1s 2s 2p

(2)

ELEKTRONLAR ve ORBÝTALLERÝ

40

2.6 ÖRNEK

Aþaðýdaki türlerin elektron daðýlýmlarýný ve orbital düzenlerini belirtiniz.

8O, 9F�, 11Na, 11Na+, 15P, 16S.

ÇÖZÜMÖnce elektron düzenini yazmalýyýz:

O: 1s2 2s22p4

Sonra orbitalleri simgeleyen kutucuklarý çizmeliyiz.

1s ve 2s orbitallerini zýt spinli elektronlarla doldurmalýyýz.

2p orbitallerine 4 elektron yerleþtireceðiz. Bunun için Hund kuralýna uyup 3 elekt -ronu yöndeþ spinli olarak yerleþtirelim.

Son adýmda elde kalan bir elektronu 2p orbitallerinden herhangi birine (p orbital-lerinin üçünün de ayný enerjide olduðunu unuttunuz mu?) koyabiliriz.

Benzer düþüncelerle diðer türlerin orbital düzenleri yazýlabilir:

F� 1s2 2s22p6

Na 1s2 2s22p6 3s1

Na+ 1s2 2s22p6

1s 2s 2p

1s 2s 2p 3s

1s 2s 2p

1s 2s 2p

O

1s 2s 2p

ATOMUN YAPISI

41

P 1s2 2s22p6 3s23p3

S 1s2 2s22p6 3s23p4

Atomun yapýsýnýn aydýnlatýlmasý, elementlerin kimyasal özelliðini aomnumarasýnýn belirlediðini ortaya koydu. Yüksüz bir atomda atom numarasý aynýzamanda elektron sayýsýný da bildirir. Elementler dizisi atom numarasý 1 olanhidrojenle baþlar. Ancak bu nitelik deðiþmesi belli atom numaralý atomlar arasýn-da bir dizi benzerlik ve düzenlilikler de doðurur. Periyodik sistem, atom numa-ralarýnýn temel olduðu düzenlilikleri gösterir.

Elementlerin yatay dizisine periyot, dikey dizisine içeren sütunlara da grupadý verilir. Günümüzde bilinen elementler 7 periyot, 8 uzun ve 8 kýsa gruptatoplanmýþtýr. Uzun gruplara A grubu, ortadaki kýsa gruplara da B grubu denir.Deðerlik elektronlarý, s yada p orbitallerinde bulunan atomlar A grubunda, d yada f orbitalinde olanlar da B grubunda bulunur.

Her periyot, s orbitalinde 1 deðerlik elektronu taþýyan bir elementle baþlar.Birinci periyotta, yalnýzca H ve He bulunur.Ýkinci periyotta, 2s ve 2p deðerlik orbitallerinin doluþuyla 8 element yer alýr. Üçüncü periyot; 3s ve 3p deðerlik orbitallerinin doluþuyla 8 elementlidir.Dördüncü periyot; 4s 3d 4p orbitallerinin doluþuyla toplam 18 element alýr.

2.17 Þekil Orbitaller ve Periyodik SistemElementlerin sýralanýþýnda her periyot bir soygazýn ortaya çýkýþýyla

sonuçlanýr. Bunlar helyum neon, argon, kripton, xenon ve radon’dur. Dizide herbir soygazý bir alkali metal (lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum vefransiyum) izler. Alkali metaller 1A grubunu, soygazlar da 8A ya da sýfýrýncýgrubu oluþturur.

1s2 s3 s4 s5 s6 s7 s

3d4d5d6d 6d

3d4d5d

2 p3 p4 p5 p6 p

1s

4 f5 f

I II III IV V VI

1s 2s 2p 3s 3p

1s 2s 2p 3s 3p

PERÝYODÝK SÝSTEM

2.12 PERÝYODÝK SÝSTEM

sK

s p d fN

s p dP

s pQ

pL s

p dsM

s p d fO

Enerjikabuðu

Elementlerin periyodiktabloya uyan orbitalsýrasý K,1. enerji düzeyi (n=1)L, 2. enerji düzeyi (n=2)...

42

Beþinci periyotta, 5s 4d ve 5p orbitallerinin doluþuyla toplam 18 elementbulunur. 4d’nin doluþu bu periyotta “ikinci seri geçiþ elementlerinin” yer alýþýnýbelirtir.Altýncý periyot, daha ayrýntýlýdýr. Bu periyottaki elementler 6s 4f ve 5d 6porbitallerinin doluþuyla karakterize edilir. 4f’nin doluþu ile kendini gösteren 14elemente “iç geçiþ elementleri” ya da “nadir toprak metalleri” denir. 5d’nindoluþuyla kendini gösteren 10 element üçüncü ya da son geçiþ metalleri serisiadýný alýr. Bu periyot 6p’nin doluþuyla oluþan soygaz radonla son bulur. Toplam32 element bulunur.Yedinci periyot, 7s orbitalinin doluþuyla baþlar. 5f’ye giren 14 elektron burada14 tane element girmesi demeye gelir. Özellikleri ve elektronik yapýlarý nadirtoprak metallerine benzeyen bu 14 element “aktinitler” adýný alýr. Aktinitlerdensonra henüz isim verilmemiþ olan 104, 105 ve 106 no’lu elementlerde elektron-lar 6d orbitaline girer.

ATOMUN YAPISI

1H

1s1

3Li

2s1

11Na3s1

4Be2s2

12Mg3s2

19K

4s1

20Ca4s2

37Rb5s1

38Sr5s2

55Cs6s1

87Fr7s1

88Ra7s2

56Ba6s2

21Se

22Ti

39Y

40Zr

57La

89Ac

104Unq

72Hf

23V

24Cr

41Nb

42Mo

73Ta

105Unp

106Unh

74W

25Mn

26Fe

43Te

44Ru

75Re

107Uns

108Uno

76Os

27Co

28Ni

45Rh

46Pd

77Ir

109Une

79Au

29Cu

30Zn

47Ag

48Cd

79Au

80Hg

2He1s2

1A

2A

3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B

3A 4A 5A 6A 7A

8A

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2s 2p2 1 2s 2p2 2 2s 2p2 3 2s 2p2 4 2s 2p2 5 2s 2p2 6

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

3s 3p2 1 3s 3p2 2 3s 3p2 3 3s 3p2 4 3s 3p2 5 3s 3p2 6

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

4s 4p2 1 4s 4p2 2 4s 4p2 3 4s 4p2 4 4s 4p2 5 4s 4p2 6

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

5s 5p2 1 5s 5p2 2 5s 5p2 3 5s 5p2 4 5s 5p2 5 5s 5p2 6

81TI

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

6s 6p2 1 6s 6p2 2 6s 6p2 3 6s 6p2 4 6s 6p2 5 6s 6p2 6

4s 3d2 1 4s 3d2 2 4s 3d2 3 4s 3d1 5 4s 3d2 5 4s 3d2 6 4s 3d2 7 4s 3d2 8

5s 4d2 1 5s 4d2 2 5s 4d1 4 5s 4d1 5 5s 4d2 5 5s 4d1 7 5s 4d1 8 4d10

6s 5d2 1 6s 5d2 2 6s 5d1 3 6s 5d1 4 6s 5d2 5 6s 5d1 6 6s 5d1 7 6s 5d1 9

7s 6d2 1 7s 6d2 2 7s 6d1 3 7s 6d1 4 7s 6d2 5 7s 6d1 6 7s 6d1 7

58Ce

59Pr

90Th

91Pa

60Nd

61Pm

92U

93Np

62Sm

63Eu

94Pu

95Am

64Gd

65Tb

96Cm

97Bk

66Dy

67Ho

98Cf

99Es

68Er

69Tm

100Fm

101Md

70Yb

71Lu

102No

103Lr

6s 4f2 3 6s 4f2 4 6s 4f2 5 6s 4f2 6 6s 4f2 7 6s 4f2 9

7s 6d2 2 7s 6f2 6 7s 5f2 7 7s 5f2 9 7s 5f2 10 7s 5f2 117s 5f2 127s 5f2 13 7s 5f2 14

43

1. Simge ile formül kavramlarýný birer örnek vererek açýklayýnýz.

2. Simgeleri aþaðýda belirtilen elementleri adlandýrýnýz.Fe, F, K, Ca, S, Si, Sn

3. Aþaðýdaki elementlerin simgelerini yazýnýz.Azot, klor, flor, fosfor, demir, potasyum, magnezyum, mangan

4. Aþaðýdaki moleküllerden hangileri elementel molekülerdir?HCI, P4, P4O10, CO, S8, H2S, F2, O3

5. Kükürt trioksit (SO3) bileþiði kütlece % 40 kükürt, % 60 oksijen içerir. Bunagöre aþaðýdaki sorularý yanýtlayýnýz.

(a) Bileþikteki bu oran, bileþiðin elde ediliþ yoluna baðlý mýdýr?(b) 5 g kükürt, kaç g oksijen ile birleþebilir?(c) Eþit kütlelerde kükürt ve oksijen alýnarak 10 g SO3 elde edilebiliyor. Hangi

elementin kaç gramý tepkimeye girmemiþtir?

� 6. Kalsiyum bromür (CaBr2) bileþiði kütlece %20 kalsiyum içerir. Buna göreaþaðýdaki sorularý yanýtlayýnýz.

(a) 10 g kalsiyum ile 10 g bromun birbirleriyle tepkimesinden en çok kaç g bileþik oluþabilir?

(b) 25 g kalsiyum bromürde kaç g brom vardýr?

� 7. Aþaðýdaki bileþik çiftlerinden hangileri katlý oranlar yasasýna uyar?(a) H2O - H2O2 (b) N2O - NaO (c) CH4 - C3H8(d) FeS - FeS2 (e) FeO - FeCl2

� 8. Katlý oranlar yasasýna uyan bileþik çiftlerinin fiziksel ve kimyasal özellikleriayný mýdýr?

9. X ve Y elementlerinden oluþan iki bileþikten birinin formülü XY2’dir. Eþit mik-tarda X ile birleþen Y’lerin kütleleri oraný 4/3 olduðuna göre ikinci bileþiðin for-mülü nasýldýr?

10. Dalton, atomun varlýðýný kanýtlamak için hangi kimyasal yasalarý temelalmýþtýr?

KONU DENETLEME SORULARI

2. BÖLÜMKONU DENETLEME SORULARI

44

11. Thomson, elektronlarý üzümlü kekteki üzümlere benzetip atom kütlesininçoðunluðunu pozitif yükte toplarken neyi gerekçe göstermiþtir?

12. Alfa taneciði, hangi parçacýklarýn bileþimidir? Rutherford, atom çekirdeðininçok küçük hacimde ve çok yoðun olduðunu nasýl göstermiþtir? Deneyi açýk-layýnýz.

13. Atom numarasý ve kütle numarasý terimlerini açýklayýnýz; simgelerini belir-tiniz.

14. Bohr atom kuramýnýn en önemli eksiði nedir?

15. Hidrojen atomunda 2s ve 2p obitallerinin enerjileri eþittir. Nedeniniaraþtýrýnýz.

� 16. n=3 düzeyinde toplam orbital sayýsý kaçtýr?

� 17. Aþaðýdaki orbitallerden hangileri yoktur?(a) 6s (b) 1p (c) 4d (d) 2d

18.Aþaðýdaki atom ve iyonlarýn elektron daðýlýmýný yazýp orbital diyagramlarýnýçiziniz.

(a) 7N (b) 16S (c) 12Mg+2 (d) 17Cl� (e) 7N�3

19.Aþaðýdaki elementlerin atom numaralarýný belirtiniz.Ne(Z=10), Ar(Z=18)(a) [Ne]3s2 (b) [Ne]3s23p5 (c) [Ar]4s23d104p3

� 20.Aþaðýdaki çiftlerden hangileri birbirinin izotopudur?(a)18Ar�19K+ (b)40Ar�40K (c) (d)

21.Aþaðýdaki molekül ve iyonlardaki toplam elektron sayýlarýný bulunuz.(7N, 8O, 17Cl, 15P)(a) NO2 (b) O3 (c) (d) ClO2 (e) (f)

22.Aþaðýdaki elementlerin periyot ve grup numaralarýný belirtiniz.(a) 7N; (b) 10Ne; (c) 12Mg; (d) 16S; (e) 30Zn

� Ýþaretli sorularýn cevaplarý sayfa 184 - 185 - 186 - 187’de verilmiþtir.

34PO��

2NO�2O

�ClCl 3517

3517 ��� LiLi 7

363

ATOMUN YAPISI

45

Önemli Terimler

Katot Iþýnlarý

Thomson Atom Modeli

Radyoaktiflik

Radyoaktif Iþýmalar

Alfa Parçacýklarýnýn Saçýlmasý Deneyi

Rutherford Atom Modeli

Atom Numarasý (Z)

Kütle Numarasý (A)

Nükleon

Ýzotop

Bohr Atom Modeli

Atomik Orbitaller

Pauli Dýþarma Ýlkesi

Belirsizlik ilkesi

Periyot

Grup

ÖNEMLÝ TERÝMLER

46

BÝLÝM VE TOPLUM

"Bilim, insan yaþamý üzerinde iki yolda etki yapar. Birincisi, hepimizin bildiðibir yoldur: Bilim, insan hayatýný baþtanbaþa deðiþtirir, dolaysýz ve dolaylý olarak birtakým olanaklar yaratýr. Ýkinci yol, eðitici bir nitelik taþýr, insan düþüncesini etkiler.Bunun etkisi üstünkörü bir bakýþla görülmez ama bu etki de oldukça derindir.

Bilimin gözle görünen en pratik etkisi, yaþamý hem zenginleþtiren, hem kar-maþýk hale sokan bir takým buluþlara yol açmasýdýr; bunlar, buhar makinesi, demiry-olu, elektrik gücü ve ýþýðý, telgraf, radyo, otomobil, uçak dinamit gibi buluþlardýr.Bunlara bir de biyoloji ve týp alanýnda insan hayatýný koruma amacýyla yapýlanbuluþlarý, özellikle acýlarý dindirme yollarýný ve yiyeceklerini koruyup saklamayayarayan teknik icatlarý eklemek gerekir.

Ama bütün bu buluþlarýn insana saðladýðý en büyük iyilik, eskiden basityaþayýþý sürdürmek için pek gerekli olan o son derece yýpratýcý beden çalýþmasýndaninsaný kurtarmýþ olmasýdýr bence. Bugün köleliðin genel olarak ortadan kalktýðýný ilerisürebiliyorsak, bunu bilimin pratik sonuçlarýna borçluyuz. Öte yandan teknoloji ya dauygulamalý bilim, insanlýðý son derece ciddi bir takým toplumsal kurumlar ve gelenek-ler yaratmaktýr. Öyle kurumlar ki onlar olmadýkça, yeni aletler, ister istemez insanlýðýnbaþýna belalarýn en büyüðünü açabilir.

Þimdi bilimin insan düþüncesi üzerine yaptýðý etkilere gelelim. Bilim - öncesiçaðlarda, yalnýz düþünce ile bütün insanlýðýn zorunlu ve kesin diye kabul edebileceðisonuçlar elde edilemezdi. Doðadaki bütün olaylarýn katý yasalara baðlý olduðudüþüncesi de kabul edilemezdi. Doða yasasýnýn, ilkel bir insanýn gözündeki bölükpörçük görünüþü perilere, cinlere olan inancý beslemekle kalýr. Onun için ilkel insan,bugün bile, doðaüstü ve birtakým güçlerin hayatýna karýþabileceði korkusu içindeyaþayýp durmaktadýr.

Bilimin en büyük zaferi, insanýn kendine ve doðaya karþý duyduðu güven-sizliði insan aklý üstündeki etkisiyle yenmek olacaktýr. Eski Yunanlýlar, ilkel matematik-le birlikte ilk defa, sonuçlarýndan hiç kimsenin kaçýnamayacaðý bir düþünce sistemikurmuþlardý. Ondan sonra Rönesans bilginleri, sistemli deneyle matematik yöntemibirleþtirmeyi düþündüler. Bu birleþme, doða yasalarýný, deneyle doðrulayarak öyle-sine kesin bir biçimde dile getirebiliyorlardý ki doða biliminde artýk düþünce ayrýlýklarý-na yer kalmýyordu. O günden bu yana, her kuþak akýl ve bilgi mirasýný arttýrmýþtýr vebütün yapýyý tehlikeye sokabilecek en ufak bir buhran korkusu kalmamýþtýr.

Büyük halk yýðýnlarý, bilimsel araþtýrmanýn ayrýntýlarýný ancak kendi daranlayýþlarý ölçüsünde izleyebilir. Ama hiç deðilse, büyük ve önemli bir yararý olduðunuda görürler: Bu yarar da, insan düþüncesinin güvenilmeye deðer ve doða yasasýnýnevrensel olduðunu düþünmektir.”

Albert Einstein

Kaynak:A.Einstein, Dünyamýza Bakýþ (Çeviren Vedat Günyol), Alan Yayýncýlýk, Ýstanbul 1990

ATOMUN YAPISI