Atomlar ve Atom Kuram
advertisement
ATOMLA İLGİLİ DÜŞÜNCELER Maddenin en küçük yapısı olan atomla ilgili düşünceler, eski Yunan filozoflarına kadar uzanmaktadır. Eski Yunan filozoflarından Demokritos (MÖ. 470-361) maddenin tanecikli yapıda olduğunu ileri sürmüş ve maddenin bölünemeyen en küçük parçasına da “atom” (Yunanca “atomos”, “bölünemez”) adını vermiştir. Demokritos evrenin, atomların sahip oldukları hareketlerle kurulduğunu öne sürmüştür. Atomla ilgili somut düşünceler ve ilk teoriler ancak günümüzden 200 yıl kadar önce geliştirilebilmiştir. Atomun yapısı ile ilgili geliştirilen modellerin çoğu, geçmişte yapılan deneylerle mümkün olmuştur. Bu deneylerden biri olan yanma olayının açıklanması oldukça önemlidir. Bu deneyle havadaki oksijenin yanma olayında gerekli olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Havanın başlıca bileşenleri olan oksijen ve azot gazları 18. yüzyılda atmosferden elde edilmiştir. Gazlarla ilgili yasalar bu dönemde ortaya konmuştur. Antoine Lavoisier , gerçekleştirdiği deneylerinde, kimyasal tepkimelerde toplam kütlenin korunduğunu belirlemiştir. Lavoisier, bir miktar hava içeren bir cam balona kalay koyarak ağzını kapatmış ve tartmıştır. Sonra bu kapalı balonu ısıtmış, kalayın tebeşir tozuna benzer bir toz verdiğini görmüştür. Kabı yeniden tartmış ve kütlenin değişmediğini bulmuştur. Havadaki oksijenin yanma için gerekli olduğunu gösteren bu ve benzeri deneyler sonucunda Lavoisier, temel bir yasa olan Kütlenin Korunumu Yasası’nı ortaya koymuştur. Joseph Proust, 1799’da yaptığı çalışmalarda, bir bileşiğin bütün örnekleri aynı bileşime sahiptir fikrini ile sürmüş, “Bileşenler kütlece sabit bir oranda birleşir.” şeklinde ifade edilen Sabit Oranlar Yasası’nı ortaya koymuştur. Yanma olayının açıklanması çalışmalarında ortaya konan Kütlenin Korunumu Yasası ve Sabit Oranlar Yasası’ndan yararlanan John Dalton, kendi adı ile anılan Dalton Atom Modeli’ni geliştirmiştir. Dalton Atom Modeli temel olarak üç varsayıma dayanır: Her bir element, atom adı verilen çok küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Bir elementin tüm atomlarının kütlesi ve diğer özellikleri aynıdır. Fakat bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır. Kimyasal bir bileşik iki ya da daha çok sayıda elementin belirli bir oranda birleşmesiyle oluşur. Dalton’ın atom modeli aynı zamanda Katlı Oranlar Yasası ile de uyum hâlindedir. Katlı Oranlar Yasası’na göre, eğer iki element birden fazla bileşik oluşturursa bu elementlerin herhangi birinin sabit miktarıyla birleşen diğer elementin kütleleri arasında tam sayılarla ifade edilebilen bir oran vardır. Atomun yapısı ile ilgili çalışmalar, atom altı taneciklerin varlığının anlaşılmasından sonra büyük bir hız kazanmıştır. Atom altı taneciklerden hem Demokritos’un Atom ve Bölünemeyen Öz Teorisi’nde hem de John Dalton’ın Atom Modeli’nde bahsedilmemiştir. Atom altı parçacıkların var olduğu belirlendikten sonra atomun yapısını açıklamak, bilim insanlarının başlıca uğraş konusu olmuştur. Benjamin Franklin’in sürtünme ile elektriklenme deneyi ile Michael Faraday’ın elektroliz deneyi, maddenin elektrik yüklü taneciklerden oluştuğunu gösteren ilk bulguları içermesi bakımından önemlidir. Bu bilimsel çalışmalar 20. yüzyılın başında Rutherford’un atomun yapısını belirleme deneylerinde daha da değer kazanmıştır. Elektriklenme sonucu maddelerin elektrik ile yüklenmesi ve ardından elektroliz deneyleri ile elde edilen verilerden sonra Dalton Atom Modeli’nin öngördüğü içi dolu küre şeklindeki bölünemez tanecik olan atom tanımı çürütülmüştür. Atom altı taneciklerin tahmin edilmesi, bunların keşfinin gerçekleşmesi sürecine dönüşmüştür. İngiliz bilim insanı William Crooks, kendi adını taşıyan katot ışını tüpünü (Crooks tüpü) geliştirmiş ve geliştirdiği bu vakumlu tüp içerisinde gazların elektrikle etkileşimi sonucunda ortaya çıkan davranışlarını incelemiştir. Katot ışınlarını elde etmek için havası büyük oranda boşaltılmış bir cam tüpün uçlarına iki elektrot yerleştirilir. Bu elektrotlara gerilim uygulandığında katot ışınlar oluşur. Bu ışınlara katot ışınları adı verilir. Bu ışınlar negatif yüklüdür, doğrusal yol izler ve tüpün cam çeperinde sarı-yeşil floresan ışık yansıması oluşturur. Bunlara katot ışınları denmesinin nedeni bu ışınların (–) yüklü katottan çıkıp (+) yüklü anota gitmesidir. Tüpün içindeki negatif elektrot hangi malzemeden yapılırsa yapılsın, gaz türü ne olursa olsun katot ışınları daima aynı özellikte, negatif yüklü olarak elde edilir. 1859’da Julius Plucker, katottan anoda doğru yayılan bu ışınları manyetik alanda saptırmış ve bu ışınlara yaklaştırılan elektroskobun negatif elektrikle yüklendiğini tespit etmiştir. Faraday’ın elektroliz ve Crooks’un katot ışınları deneylerini yorumlayan George Johnstone Stoney, aslında doğrusal bir yol boyunca hareket eden katot ışınlarının ışın olmayıp (–) yüklü tanecikler olduğunu belirterek bunlara elektron adının verilmesini önermiş ve bu öneri bilim insanları tarafından kabul görmüştür. 1897 yılında, Joseph John Thomson havası daha iyi boşaltılmış katot tüpüne manyetik ve elektriksel alanı uygulayarak Plucker’in çalışmalarını tekrarlamıştır. Yaptığı deneyler sonucunda katot ışınlarının yani elektronların oranını bulmuştur. Katot ışınları demetine hiçbir kuvvet etki etmezse elektron demetinin yüzeye çarpma noktası B’dir. (+) ve (–) yüklü bir elektriksel alan uygulanırsa zıt elektrikle yüklenmiş levhaların (saptırıcı levhalar) elektronları, (+) yüklü levhaya doğru saptırdığı ve elektronların yüzeye A noktasında çarptığı görülür. Sapma miktarı parçacığın elektron yükü ile doğru orantılı, kütlesi ile ters orantılıdır. Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar bu defa yüzeye C noktasında çarpar. Thomson, yaptığı deneyde manyetik alan uygulaması sayesinde elektron demetinin sapmasını ölçmüştür. Daha sonra elektriksel alan uygulayarak sapma noktasını B noktasına geri getirip manyetik alan kuvveti ile elektriksel alan kuvvetinin birbirine eşit olduğunu gözlemlemiştir. Bu çalışmalar sonucunda elektronlar için olarak bulmuştur. 1908’de Robert Andrews Millikan, gerçekleştirdiği yağ damlası deneyi ile elektronun yükünü, Thomson’ın e/m değerinden yararlanarak da elektronun kütlesini bulmayı başarmıştır. Millikan, basıncı düşürülmüş deney düzeneğini oluşturmuştur. Düzenekte iki kondansatör levhası arasında istenilen elektrik alanı oluşturulmuştur. Üst levhada bulunan bir delikten yağ püskürtülerek iki levha arasında yağ sisi oluşturulmuştur. Yağ zerreleri aşağıya doğru hareket ederken yan pencereden X ışınları gönderilerek havayı oluşturan N2 ve O2 gazlarından elektron koparılmıştır. Bu elektronlar yağ damlasına yapışmış ve yağ damlacıklarının negatif elektrik yüküyle yüklenmesi sağlanmıştır. Üst tabaka pozitif (+), alt tabaka negatif (–) yüklü olduğundan negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabilmiş hatta yukarıya doğru hareket etmesi de sağlanabilmiştir. Yağ damlasına etki eden alan kuvveti, damla hızını azaltan yer çekimi ve sürtünme kuvvetlerine eşit olduğu anda damla, belirli bir potansiyel enerji ile yüklenmiş olur. Bu potansiyel enerji damlanın (Bu hareket sırasında yağ damlası üzerindeki yük, elektron yüküdür.) düzgün bir hızla yukarıya doğru (+ plakaya doğru) hareket etmesini sağlamıştır. Millikan, deneyi tekrarladığında, yağ damlacıkları üzerindeki yükün daima –1,6022.10–19 coulombun katları kadar olduğunu görmüştür. Daha önce Thomson tarafından bulunan e/m değeri ve Millikan’ın tespit ettiği elektron yükü yardımıyla elektronun kütlesi bulunabilmiştir: Thomson, yaptığı deneylerden elde ettiği verilere göre nötr atomlarda, negatif yüklü elektronları dengeleyecek sayıda pozitif yüklü taneciğin de bulunması gerektiğini düşündü. 1886’da Alman fizikçi Euquen Goldstein, Crooks tüpleri ile yaptığı çalışmalarda katottan anoda doğru hareket eden katot ışınlarının tersine anottan katoda doğru hareket eden pozitif yüklü ışınların varlığını tespit etti. Bu ışınlara pozitif ışınlar ya da kanal ışınları adını vermiş ve tüpün cam çeperinde floresan ışığın yansımasını gözlemlemiştir. Havası boşaltılmış tüpün ortasında delikli metal katot vardır. Elektronlara yüksek gerilim uygulandığında yayılan hidrojen iyonunda e/m oranının diğer atomlara göre en büyük olduğu bulunmuştur. Bu hidrojen iyonuna proton adı verilmiştir. Proton için yük/kütle oranı e/m= 9,5791.107 C.kg–1 olarak hesaplanmıştır. Protonun yükü, elektronun yüküne eşit ancak zıt işaretlidir. O hâlde protonun yükü +1,6022.10–19 coulombdur. Elektron kütlesinin hesaplandığı formülle proton kütlesi de hesaplanabilir: Henry Moseley 1913-1914 yıllarında, atomdaki proton sayısını, X ışınları spektrumlarını inceleyerek deneysel olarak belirlemiştir. Yüksek enerjili katot ışınlarını bir hedefe odaklayarak X ışınlarını oluşturmuştur. Bu X ışınlarını, çeşitli dalga boylarında bileşenlerine ayırmış ve bu şekilde elde ettiği çizgi spektrumlarını da fotoğrafik olarak kaydetmiştir. Alüminyum ile altın arasında olan elementlerin X ışınları spektrumlarını incelemiştir. Her element için o elemente karşılık gelen karakteristik spektrum çizgisini kullanan Moseley, elementin atom numarası (Z ile gösterilir) ile çizgi frekansının karekökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu bulmuştur. Elementlerin atom numaralarını X ışınları spektrumlarına dayanarak tayin eden Moseley, spektrum çizgilerini incelediğinde Ca (Kalsiyum) ve Ti (Titanyum) elementlerinin spektrum çizgilerinin diğerleri gibi sistematik olmadığını gözlemlemiştir Bu iki element arasında başka bir elementin bulunması gerektiğini belirtmiştir . Gerçekten de Sc (skandiyum) elementi bu boşluğu doldurmuştur. Moseley, atom numarasının, atom çekirdeğinde bulunan taneciklerin sayısı olduğunu belirtmiş, elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin artan atom numaraları ile ilgili olabileceğini ifade ederek periyodik sistemde eksik olan elementlerin atom numaralarını doğru şekilde belirlemiştir. Örneğin periyodik sistemde Ce’dan (Seryum) Lu’a (Lutesyum) kadar sadece 14 element bulunması ve bu elementlerin La’dan (Lantan) sonra gelmesi gerektiğini söylemiştir. Atomun elektriksel açıdan yüksüz olabilmesi için bir atomda eşit sayıda (+) ve (–) yükler bulunmalıydı. J. J. Thomson, atomu içinde gömülmüş hâlde elektronlar bulunan artı yüklü bir küre olarak belirtmişti. Thomson’ın “kuru üzümlü kek” benzeri atom modeli 5 yıl atom kuramı olarak kabul gördü. Ancak bu atom modelinin, sonraki yıllarda yapılan Rutherford deneyinin sonuçlarına göre yetersiz kaldığı görüldü. 1910’da İngiliz Ernest Rutherford, radyoaktif bir kaynaktan pozitif yüklü alfa ışınlarını çok ince altın levha üzerine göndermiştir. Işınların büyük bir kısmının levhadan geçtiğini görmüştür. Bu arada bazı ışınların çeşitli açılarla saptığını hatta bazı ışınların da aynı doğrultuda geri döndüklerini gözlemlemiştir Rutherford, atomdaki artı yüklerin tümünün, atomun içinde merkezî bir çekirdekte, yoğun olarak toplandığını ifade etmiştir. Çekirdekteki artı yüklü taneciklere daha önce belirtildiği gibi proton adı verilir. Yapılan başka deneyler ile bir protonun yükünün büyüklük olarak bir elektronun yüküne eşit olduğu ve protonun kütlesinin 1,673.10–27 kg yani bir elektronun kütlesinin 1836 katı olduğu bulundu. Rutherford’un atom yapısı ile ilgili modeli bir sorunu çözümsüz bırakıyordu. Bu dönemde hidrojen atomunun bir tane proton, helyum atomunun ise iki tane proton içerdiği biliniyordu. Bu nedenle helyum atomunun kütlesinin hidrojen atomunun kütlesine oranı 2 : 1 olmalıydı. Oysa gerçekte bu oran 4 : 1 idi. Buna göre Rudherford ve diğer bilim insanları atom çekirdeğinde, diğer bir atom altı tanecik bulunması gerektiğini düşündüler. 1932 yılında İngiliz James Chadwick, yaptığı deneylerde protonun kütlesinden biraz daha büyük kütleye sahip, elektrik yükü taşımayan nötr bir taneciği yani nötronu keşfetti. Böylece kütle oranlarındaki sorun artık açıklanabiliyordu. Helyum çekirdeğinde iki tane proton ve iki tane nötron vardır. Fakat hidrojenin çekirdeğinde sadece bir proton vardır ve hiç nötron yoktur. Bu nedenle kütle oranı 4 : 1’dir. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronların tümüne nükleon adı verilir. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronların toplamına aynı zamanda atomun kütle numarası da denir ve “A” ile gösterilir. Elektromanyetik Işınların Dalga ve Tanecik Karakteri Atomun yapısını anlamak için yapılan deneylerde, elektromanyetik dalgaların kullanılması önemli sonuçlar vermiştir. Bu nedenle ışının ve elektromanyetik dalgaların yapısının bilinmesi gerekir. Işın bir elektromanyetik dalgadır. Elektrik yüklü bir cisim çevresinde bir elektrik alanı oluşturur. Bu cisim titreşim hareketi yaparsa elektrik alanı bir dalga hâline dönüşür ve bir manyetik alan dalgası oluşturur. Elektromanyetik ışınların dalga modeli; yansıma, girişim ve kırınım olaylarını açıklar. Bir dalgayı tanımlayan özellikler ise dalga boyu, genlik ve frekans gibi terimlerdir. Dalga boyu (λ, lambda): Art arda gelen iki dalga üzerindeki ardışık noktalar arasındaki uzaklık dalga boyu olarak tanımlanır. Genlik: Bir dalganın maksimum yüksekliği veya derinliği genlik olarak tanımlanır. Herhangi bir dalganın şiddeti, genliğinin karesi ile doğru orantılıdır. Frekans (ν, nü): Belirli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısı frekans olarak tanımlanır. Birimi saniye–1 yani Hertz (Hz)’dir. Hız (c): Bir dalga hareketinin birim zamanda aldığı yol dalganın hızı olarak tanımlanır. Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızında hareket eder. Ancak hava veya başka bir ortamda daha düşük hıza sahiptir. “c” sembolü ile gösterilen ve 3.108 m s–1 değerinde olan bu hıza ışık hızı denir. Dalganın hızı (c) = λ . ν Yüksek enerjili dalgaların dalga boyu düşük, frekansı büyüktür. Bütün frekansları içeren elektromanyetik ışın dizisine elektromanyetik dalga spektrumu denir. Elektromanyetik dalga spektrumunun çeşitli bölgeleri, maddenin tanınmasına yardımcı olur. Elektromanyetik spektrumda çıplak gözle gördüğümüz tüm renkleri içeren ışınların oluşturduğu bölge, görünür bölge (görünür ışık) olarak adlandırılır. Aralığın sınırları tam olarak belirlenmemiş olmakla birlikte, ortalama bir insan gözü 380 ile 760 nm arasındaki dalga boylarını saptayabilir. Bu dalga boyu aralığı görünür bölgedir. İngiliz Thomas Young çift yarıklı girişim deneyi ile ışığın girişim olayını açıklayarak ışının dalgalar hâlinde yayıldığını ispatlamıştır. Bunun için bir ışık kaynağından gelen ışın demeti, önünde bulunan çift yarık engelinden geçirilerek ekranda girişim desenleri oluşturulur. Bu desenler birbirini takip eden aydınlık ve karanlık çizgiler biçiminde gözlemlenir. Bu tür bir görüntünün olması yani aynı kaynaktan gelen iki özdeş farklı ışık kaynağının girişim deseni oluşturması; ışın dalgalarından birinin tepesi, diğerinin çukuru ile örtüştüğünde dalga sönümü gerçekleşmesine ve karanlık bölge oluşmasına neden olur. Eğer dalgalardan birinin tepesi ile diğer dalganın tepesi ya da dalgalardan birinin çukuru ile diğer dalganın çukuru örtüşürse aydınlık bölge oluşur. Young’a göre ışın sadece tanecik yapısında olsaydı girişim deseni oluşmazdı. Bu da ışının dalgalar hâlinde yayıldığını gösterir ki Young deneyi ışının dalga teorisini desteklemektedir. 19. yüzyıla kadar atom spektrumlarını açıklamada yetersiz kalan klasik yaklaşım, devrim niteliğinde bir düşünce ileri sürdü: “Enerji de madde gibi sürekli değildir’’. Bu düşünce Max Planck tarafından geliştirilmiştir. Planck, atom ve moleküllerin enerjiyi, küçük paketler hâlinde yayınlayabileceğini ya da soğurabileceğini savunmuştur. Buna siyah cisim ışıması örnek olarak verilebilir. Siyah cisim; üzerine düşen bütün ışınları soğuran, hiçbir ışını yansıtmayan cisimdir. Bu tanıma tamamen uyan gerçek bir cisim yoktur. Siyah cisim, içi tamamen karbon tozu ile kaplanmış ve üzerinde çok küçük bir delik açılmış küre şeklindedir. Küredeki bu delikten içeri giren ışığın büyük bir kısmı küre tarafından soğrulur, ışık cismin içinde hapsolur ve cisim siyah görünür. Planck, enerjinin elektromanyetik ışıma şeklinde yayılabilen (veya soğurulabilen) en küçük miktarına kuantum adını vermiştir. Tek bir kuantumun enerjisi E ise (E) = h . ν eşitliği ile ifade edilmiştir. Eşitlikte h, planck sabitidir ve değeri ise yaklaşık 6,626.10–34 J.s’dir. Kuantum hipotezi, 1905’te Albert Einstein’ın fotoelektrik olayını açıklamasında da başarı ile kullanılmıştır. Bir metal yüzeyine enerjisi yeterli olan ışın düşürüldüğü zaman, metal yüzeyindeki atomlardan elektronların kopması olayına fotoelektrik olay adı verilir. Fotoelektrik olay, ışının dalga modelini destekleyici en kuvvetli delili ortaya koymaya çalışırken, farkında olmadan tanecik modelini açıklayan en önemli olay olmuştur. Einstein, ışık demetinin gerçekte bir parçacık şeklinde olduğunu öne sürerek sıra dışı bir yaklaşım ortaya koymuştur. Bu parçacıklar günümüzde foton olarak bilinmektedir. Einstein, Planck’in kuantum kuramında frekansı ν olan her fotonun E = h . ν kadar enerjiye sahip olacağını öne sürmüştür. Elektronları metalden ayırarak serbest hâle geçirebilmek için metal üzerine yüksek frekansa sahip bir ışın göndermek gerekir. Foton hâlinde gönderilen ışının h . ν değeri, elektronları metale bağlayan enerjiye tam olarak eşit veya bu enerjiden büyükse elektron metalden kopacaktır. Einstein’ın ışın kuramı, fotoelektrik olayını başarılı bir şekilde açıklayabilmesine karşın, tanecik kuramı ışının bilinen dalga davranışına uymamaktadır. Bu durum ışığın hem tanecik hem de dalga özelliği gösterdiğini doğrulamıştır. Kuantum kuramında, Young deneyinde ve Einstein’ın ışının ikili doğası (tanecik-dalga özelliği) ile ilgili çalışmalarında atom spektrumlarından yararlanılmıştır. Atom spektrumları, kesin olarak bilinen belirli sayıda dalga boyu çizgilerinden oluştuğu için, atomların yapıları hakkında bilgi edinilmesinde önemli rol oynamıştır. Her elementin kendine özgü bir çizgi spektrumu vardır. Örneğin bir ışık kaynağından bir elektrik boşalımı geçirildiğinde helyum atomları enerjiyi soğurur (absorbe eder) ve bu enerjiyi ışın şeklinde yayar (emisyon). Bu ışık dar bir yarıktan geçirildikten sonra bir prizmada dağılır. Prizmadan çıkan ışığın renkli bileşenleri, bir fotoğraf filmi üzerinde kaydedilir. Her bir dalga boyu bileşeni, yarığın bir görüntüsü gibi ince bir çizgi şeklinde ortaya çıkar. Helyum spektrumunda çıplak gözle görülebilen altı çizgi vardır. Atom spektrumları arasında en genel şekilde incelenen hidrojen olmuştur. Bir hidrojen lambasından gelen ışık kırmızı-mor renkte görülür. Hidrojen atomunun görünür bölge spektrumuna Balmer spektumu denmiştir. 1885’te John Balmer bu spektrum çizgileri için bir formül geliştirmiştir. Daha sonra Johannes Rydberg tarafından düzenlenen formül şöyledir: n > 2 ve λ spektrum çizgisinin dalga boyudur. R ise Rydberg sabiti olup değeri 2,18.10–18 J’dür. Z atom numarasıdır. Rutherford’un, atom modelinde çekirdek ile elektronlar arasındaki büyük boşlukları deneyle ortaya koyması atomdaki temel düzeni belirleyen önemli bir aşama olmuştur. Fakat Rutherford’un atom modeli, elektronun atomdaki davranışını, bilinen fizik ilkeleri ile açıklayamaması nedeniyle yetersiz kalmıştır. Bu dönemde hidrojen atomu spektrumundan yararlanan Niels Bohr, hidrojen atom modelini ortaya koymuştur. Bohr, atomları çekirdek etrafındaki dairesel yörüngelerde hızla dönen elektronlarla çevrili cisimler olarak tasarlamıştır. Güneş’in etrafında gezegenlerin hareketini andıran bu model, kolayca kabul görmüştür. Bohr, hidrojen atomu için aşağıdaki varsayımları ortaya atmıştır: Elektron, çekirdeğin çevresindeki dairesel yörüngede hareket eder. Hidrojen atomundaki elektron, çekirdeğe en yakın yörüngede (n = 1) bulunur. Bu, en düşük enerji düzeyi yani temel hâlidir. Elektron bir enerji kazandığında daha yüksek enerji düzeyine geçer (n = 2, 3, .....) ve hidrojen atomu uyarılmış hâle gelir. Elektron, çekirdeğe yakın bir yörüngeye indiği zaman iki enerji düzeyi arasındaki fark kadar enerji yayar. Bohr, hidrojen atomuna ait elektronun enerjisini eşitliği ile ele almıştır. İki enerji düzeyi arasındaki enerji farkını hesaplayabileceğimiz bir bağıntı elde etmek için aşağıdaki eşitliği kullanabiliriz: ÖRNEK: Hidrojen atomunda bir elektronun n=2 enerji seviyesinden n=1 enerji seviyesine geçişi sırasında oluşan spektral çizginin frekansı kaç hertzdir? (RH : 2,18.10–18 J, h: 6,626.10–34 J · s) ÇÖZÜM: Elektronun 2. enerji seviyesinden 1. enerji seviyesine geçişi sırasındaki enerji değişimini bulalım. Yayılma spektrumundaki her bir çizgi, hidrojen atomunun belirli bir geçişine karşılık gelir. Çok sayıda hidrojen atomu incelendiğinde tüm olası geçişler ve bu geçişlere karşılık gelen spektrum çizgileri gözlemlenir. Elektron, yüksek enerjili bir katmandan n = 1 katmanına inerse mor ötesi ışık (ultraviyole) şeklinde enerji yayar. Lyman serisi adı verilen spektrum çizgileri meydana gelir. Yüksek enerjili bir katmandan n = 2 katmanına olan elektron geçişleri görünür bölgede gerçekleşir ve Balmer serisi adını alır. Lyman serisinde Balmer serisine göre daha çok enerji açığa çıkar. Yine aynı şekilde yüksek enerjili bir katmandan n = 3 katmanına olan elektron geçişleri ise kızıl ötesi (IR, infrared) bölgede gerçekleşir ve Paschen serisi adını alır. Yüksek enerjili katmanlardan n = 4 katmanına olan elektron geçişlerine Brackett serisi, n = 5 katmanına olan elektron geçişlerine ise Pfund serisi adı verilir. Bohr hidrojen atom modeli, hidrojen atomu ve tek elektronlu iyonlar (He+, Li2+ vb.) için başarılı bir model olduğu hâlde çok elektronlu atom ve iyonların yayılma spektrumlarının açıklanmasında yetersiz kalmıştır. Başarıları ve eksiklikleri ile Bohr’un hidrojen üzerinde yaptığı çalışmalardan sonra dalga-tanecik şeklinde iki yeni kavram ortaya çıkmıştır. Louis de Broglie, 1924 yılında ışık ve maddenin doğasını dikkate alarak “Küçük tanecikler bazen dalgaya benzer özellik gösterebilir.” düşüncesini ileri sürmüştür. Louis de Broglie, Einstein eşitliği ve Planck bağıntısını kullanarak elektron gibi küçük kütleli taneciklerin ikili (tanecik-dalga) doğasını, aynı denklemde matematiksel eşitlikle göstermiştir. ÖRNEK: 2,7.106 m . s–1 hızla hareket eden bir elektronun Louis de Broglie dalga boyunu Angström (A°) cinsinden hesaplayalım. Bu dalganın elektromanyetik spektrumda hangi bölgede bulunacağını belirtelim. (Elektronun kütlesi: 9,109.10–31 kg ve h: 6,626.10–34 J.s alınacak.) ÇÖZÜM: Çember yörüngeler varsayımı, çok elektronlu atomların spektrumlarını açıklayamaması ve elektronun ikili karakterini (dalga-tanecik) hesaba katmayışı, Bohr Hidrojen Atom Modeli’nin eksiklikleridir. Bohr atom modelini inceledikten sonra Werner Heisenberg, atom altı taneciklerin davranışlarının ne dereceye kadar belirleneceğini görebilmek için birçok deneysel çalışma yapmıştır. Bunun için taneciğin konumu ve hızı gibi iki değişkene bağlı olarak yapılan ölçümlerde daima bir belirsizlik olduğunu vurgulamıştır. Heisenberg Belirsizlik İlkesi olarak adlandırılan bu düşünce, bir taneciğin aynı andaki konumunun ve hızının büyük bir duyarlılıkla ölçülemeyeceğini ifade etmektedir. Örneğin bir elektronun yörünge üzerindeki hareketini izlemek isteyen gözlemci onu görmek veya varlığını belirten işaretler almak zorundadır. Bunun için kullanılacak araç ışıktır. Işık çeşitli dalga boylarında olabileceğine göre gözlemci elektronun büyüklüğüne uygun bir dalga boyu seçmelidir. Elektron çok küçük bir kürecik olarak düşünülürse bu kürenin çapından çok daha büyük dalga boyuna sahip bir ışık kullanıldığında, ışık elektronla hiçbir etkileşim yapmadan geçecek ve elektronun konumunun belirlenmesini sağlayacaktır. Ancak elektronun hızını tespit etmek mümkün olmayacaktır. Elektronun hızını tespit etmek için yüksek enerjili foton kullanıldığında ise atomdaki elektronu görmemiz güçleşecektir. Biz tam elektrona bakacağımız anda elektron, atomdan ayrılarak iyonlaşacak ve serbest elektron hâline geçecektir. Buna göre elektronun yeri ve hızını aynı anda tespit etmek güçleşecektir. Sonuç olarak ölçümlerde daima bir belirsizlik vardır.
