Bölünemez
denilen şey
“Maddenin en küçük yapı taşı nedir?” sorusu 2500 yıldır soruluyor. Democritus’un bölünemez atomundan, elektronun keşfine; oradan Rutherford’un boşluklu atomuna ve Bohr’un kuantumlu yörüngelerine. Bu ünite, o yolculuğun tamamı.
“Maddenin en küçük yapı taşı nedir?” sorusu bilim tarihi boyunca merak edilmiştir. 1800’lü yıllara kadar bu soruya deneyle değil, düşünceyle cevap arandı.
Democritus’a göre atom görülemez ve bölünemez bir parçacık olup bütün maddeler aynı tür atomlardan oluşmaktaydı. Maddeler arasındaki farklılık, farklı sayıdaki atomların bir araya gelmesiyle ve bu atomların dizilişlerindeki farklılıklardan kaynaklanıyordu. Bu parçacığa Yunancada bölünemeyen en küçük parçacık anlamına gelen atomos adını vermiştir. Görüşleri 1800’lü yıllara kadar varlığını sürdürmüştür.
Aristoteles (Aristo)’e göre Dünya’daki her şey hava, su, ateş ve toprak olarak belirttiği dört elementin değişik oranlardaki kombinasyonlarından oluşuyordu. Aristo, bu elementlerin oluşturduğu maddenin sonsuza dek bölünebileceğine inanıyordu. Yani Democritus’un tam tersini savundu.
Batılıların Geber olarak tanıdığı Fars kökenli Müslüman bilim insanı Cabir Bin Hayyan; “Madde yoğun enerji olup Yunan bilim insanlarının parçalanamaz en küçük parça olarak tanımladıkları atom, parçalanabilir ve bu parçalanma sonucunda büyük bir enerji açığa çıkar.” demiş, batılı bilim insanlarından 1000 yıl kadar önce atomun parçalanabileceğini ifade etmiştir.
Bilim tarihinde atomla ilgili daha detaylı bilgiler 1800’lü yıllardan itibaren geliştirilmiş olan modeller, günümüzdeki atom modeline ulaşılmasının yolunu açmıştır. Fark şu: önceki görüşler düşünceye dayanıyordu, sonrakiler deneye.
İlk iki model, atomun içi dolu olduğunu varsayıyordu. Aralarındaki fark, içinde elektron olup olmadığıydı.
İngiliz bilim insanı John Dalton’ın 1805 yılında geliştirdiği modele göre; atom maddenin en küçük yapı taşıdır ve bölünemeyen berk (esnemeyen, kırılmayan, bükülmeyen), içi dolu kürelerden oluşmuştur. Model genellikle “bilardo topu” modeli olarak adlandırılır.
Dalton’un atom modeli, protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıkların varlığını hesaba katmamıştır.
Thomson 1897 yılında atomun yapısında elektron adı verilen (−) yüklü tanecikleri keşfederek katot ışınları ile yapılan birçok deney sonucunda elektronun yükü (e) ve kütlesi (m) ile ilgili e/m oranını hesaplamıştır.
Thomson, katot tüpüne elektrik alan uyguladığında katot ışınlarının sapma yönünün yukarı, manyetik alan uyguladığında ışınların sapma yönünün aşağı olduğunu ve her ikisini eşit uyguladığında ışınların sapmadığını tespit etmiştir. Elektrik ve manyetik alanda ışınların sapmasını yükle tanımlamış, katot ışınlarının yüklü olduğunu yani elektronlardan oluştuğunu bulmuştur. Deneydeki veriler ışığında elektronun yükünün kütlesine (e/m) oranını ölçmeyi başarmış ve çalışmaları ile 1906 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü almıştır.
Millikan yağ damlası deneyinde, kaba X ışınları gönderilmiş ve iki metal elektrot arasına yüklü yağ damlacıkları püskürterek, yağ damlacıklarına etki eden kütle çekim ve elektriksel kuvvetlerin eşitliğinden yararlanarak yağ damlacıklarının yükünü bulmuştur.
F(e) = G → q(e) · E = m · g
Millikan, deneyi tekrarladığında yağ damlacıklarında oluşan elektron yükünün (q(e)) bugün bilinen yaklaşık değerinin 1,6 · 10⁻¹⁹ sayısının katları olduğunu bulmuştur. Thomson’ın bulduğu e/m oranından faydalanıp elektronun kütlesini (m) hesaplamıştır.
Ernest Rutherford öğrencileri olan Hans Geiger ve Ernest Marsden ile birlikte 1911 yılında yüksek hızdaki (+) yüklü alfa parçacıkları ile yaptıkları deneyde atomun yapısını incelemeye çalışmışlardır.
Radyoaktif bir kaynaktan çıkan pozitif yüklü alfa ışınları çok ince altın levha üzerine gönderilmiştir. Işınların büyük bir kısmının altın levhadan geçtiği görülmüştür. Çok az ışının çeşitli açılarla saptığı, bazı ışınların da aynı doğrultuda geri döndükleri gözlenmiştir.
Rutherford, elektronların enerji kaybederek çekirdeğe yaklaşması ve sürekli ışıma yapması gerektiğini öngörmüştü. Bu durumda elektronlar çekirdeğe düşmeliydi. Elektronların sabit frekansta ışıma yapması ve çekirdeğe düşmemesi atom teorisindeki eksiklikleri ortaya çıkarmıştır. Bir sonraki bölümdeki Bohr modeli tam olarak bu boşluğu doldurmak için kuruldu.
Rutherford’un atom teorisindeki eksikleri fark eden Niels Bohr, Max Planck ve Einstein’ın teorilerinden yararlanarak atomik boyutta geçerli olacak yeni bir atom teorisi sundu. Bohr, kendi atom teorisinde belirli yörüngelerden bahsetmiş, klasik fiziğin atomik boyutta yeterli olmadığını söylemiştir.
Bohr, atomun yapısını anlamak için tek proton ve tek elektronu bulunan hidrojeni seçmiştir. Çünkü elektriksel kuvvet sadece proton ve elektron arasında oluşacak ve kolaylık sağlayacaktı. Bohr teorisinde atom yarıçapı, enerji seviyeleri, uyarılma, iyonlaşma ve ışıma kavramlarını açıklamış ve atom modeline kuantum kavramını katmıştır.
Elektronlar, pozitif yüklü çekirdek çevresinde Coulomb kuvvetinin etkisiyle ışıma yapmadan kararlı yörüngelerde dolanır. Bu yörüngelerde dolanan elektronlar ışıma yapmadıklarından dolayı elektron veya atom enerji kaybetmez.
Kararlı seviyede dönen elektronların açısal momentumu h/2π nin tam katlarına eşittir.
L = m · v · r = n · h/(2π)
n yörünge numarası olup tam sayıdır (n = 1, 2, 3, …); h Planck sabitidir (h = 6,62 · 10⁻³⁴ J·s).
Elektron yüksek enerjili kararlı bir yörüngeden, düşük enerjili kararlı bir yörüngeye kendiliğinden geçiş yapabilir. Elektron bu geçiş sırasında ışıma yaparak dışarıya foton salar. Dışarı yayılan fotonun enerjisi elektronun bulunduğu ilk ve son yörüngelerdeki enerjileri farkı kadardır.
E(foton) = E(ilk) − E(son) = h · f = h · c / λ
Bohr atom modeline göre çekirdek çevresinde çembersel hareket yapan elektrona etki eden merkezcil kuvvetin kaynağı çekirdek ile elektron arasındaki elektriksel kuvvettir. Bu iki kuvveti eşitleyip 2. varsayımla birleştirince yarıçap bağıntısı çıkar.
r(n) = 0,53 · n² / Z (Å)
a₀ = 0,53 Å ifadesine Bohr yarıçapı denir; bu durumda r(n) = a₀ · n²/Z olur. Buna göre elektronun bulunduğu yörünge yarıçapı n² ile doğru orantılıdır. Hidrojen için Z = 1 alınıp r₁ = r denirse r₂ = 4r, r₃ = 9r olur. 1 Å = 10⁻¹⁰ m.
Atom tek elektronlu yapıda olduğu için üç yörüngeden sadece bir yörüngede dolanabilir. Bohr atom teorisi tek elektronlu atomları incelediği için elektronun dolanım yarıçapı atomun yarıçapı sayılır.
E(n) = −13,6 · Z² / n² (eV)
Çekirdeğin etrafında kararlı yörüngelerde v hızıyla dolanan elektronların sahip olduğu kinetik enerji ve potansiyel enerjinin toplamına elektronun toplam enerjisi denir. Eşitlikteki (−) işareti elektronun çekirdeğe bağımlı olarak hareket ettiğini gösterir. Elektronu çekirdekten bağımsız hâle getirmek için bu negatif enerji kadar enerji elektrona verilmelidir; bu enerjiye bağlanma enerjisi adı verilir.
1 eV: bir elektronun 1 voltluk gerilim altında kazanacağı kinetik enerjidir.
| Büyüklük | n arttıkça |
|---|---|
| Açısal momentum | Artar |
| Yörünge yarıçapı | Artar |
| Toplam enerji | Artar (sıfıra yaklaşır) |
| Çizgisel momentum ve hız | Azalır |
Elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça çekirdeğe bağlılıkları azalacağından elektronların çizgisel momentumu ve hızı azalır. Ayrıca n. yörüngeye uyarılmış bir atomun salabileceği foton sayısı (spektrum çizgilerinin sayısı) N = n(n − 1)/2 bağıntısıyla bulunur.
Normal şartlarda atom temel hâlde yani minimum enerji seviyesinde bulunur. Atom yeteri kadar enerji alırsa elektronlar, bir üst enerji seviyesine çıkar. Atomun enerji alarak temel hâlden uzaklaşmasına uyarılma denir. Uyarılmış bir atom çok kısa bir süre içerisinde aldığı enerjiyi foton şeklinde yayarak tekrar temel hâle döner; bu olaya ışıma denir.
Temel hâldeki bir elektronu çıkarabilmek için gereken enerjiler:
Bir elektronu uyarabilmek için en az bulunduğu yörüngesindeki enerjisi ile bir üst yörüngedeki enerjisi arasındaki fark kadar enerji verilmelidir.
Elektrona enerji vererek çekirdekten koparan bu enerjiye iyonlaşma enerjisi denir. Bu durumun sonunda atom yüklü hâle geçer yani iyon oluşturur. Enerji bağıntısındaki eksi işaret bunu anlatır: elektron üst yörüngelere çıktıkça toplam enerjisi sıfıra yaklaşarak artar ve sıfır olunca elektron atomdan kopar.
DİKKAT: Bohr atom modeli tek elektronlu atomların spektrumlarını açıklayabilir, çok elektronlu atomların spektrumunu açıklayamaz.
| Ölçüt | Elektronla uyarma | Fotonla uyarma |
|---|---|---|
| Enerji uyarılma enerjisine eşitse | Uyarır | Uyarır, foton soğurulur |
| Enerji uyarılma enerjisinden büyükse | Gerekli kısmı verir, kalanla yoluna devam eder | Esnek çarpışma yapar, atom uyarılmaz |
| Enerji uyarılma enerjisinden küçükse | Esnek çarpışma, ışıma olmaz | Aynı enerjiyle dışarı çıkar |
| Enerjiyi bölebilir mi? | Evet, bir kısmını aktarır | Hayır, enerjisi bölünmez |
Bir foton, atomdan ancak bir elektron koparabilir. Yani bir foton enerjisini 2 veya daha fazla elektrona aktaramaz. Çünkü fotonun enerjisi bölünmez ve tüm enerjisi etkileştiği elektron tarafından soğurulur.
Örneğin 11 eV enerjili elektronların hidrojen atomu ile etkileştiğinde elektronlar, 11 eV’luk enerji ya da 11 − 10,20 = 0,80 eV’luk enerji ile atomdan uzaklaşır.
Örneğin 15 eV enerji ile temel hâldeki elektrona çarpan bir elektron enerjisinin 13,60 eV’luk kısmı ile elektronu iyonlaştırır ve kalan 1,40 eV’luk enerji ise elektronun kinetik enerjisidir. Ayrıca iyonlaşmada atom uyarılmıştır ama elektron bir alt enerji seviyesine inemeyeceğinden ışıma olmaz ve çarpışma sonucunda uyarılan bir elektron, üst enerji seviyesindeyken başka bir elektron ile 2. defa uyarılmaz.
Uyarılmış olan elektronların bulundukları enerji seviyesinden daha alt enerji seviyelerine inerken foton yayımlanması olayına emisyon veya yayımlama denir. Kendiliğinden emisyon ve uyarılmış emisyon olmak üzere iki çeşit emisyon türü vardır.
Uyarılmış olan elektronlar bulundukları enerji seviyesinden bir alt enerji seviyesine geçişleri kendiliğinden oluyorsa bu olaya kendiliğinden emisyon denir. Ayrıca her elementin atomlarının enerji seviyeleri farklı olduğundan, atomlar kendiliğinden emisyona uğrarken yaydıkları ışıma enerjileri de farklıdır ve atoma özeldir.
| İnilen seviye | Serinin adı | Işık türü |
|---|---|---|
| n = 1 | Lyman serisi | Morötesi ışık |
| n = 2 | Balmer serisi | Görünür ışık |
| n = 3 | Paschen serisi | Kızılötesi ışık |
| n = 4 | Brackett serisi | — |
| n = 5 | Pfund serisi | — |
Louis De Broglie, tanecik ve dalganın birbirinin tamamlayıcısı olduğu ve her taneciğe bir dalganın eşlik ettiğini ifade eden hipotezini öne sürdü. Parçacıkların momentuma sahip olduğunu ve momentuma göre değişen bir dalga boyuna sahip olması gerektiğini öngördü. Bu dalgalar, elektromanyetik dalgalar değildi, madde dalgalarıydı. De Broglie’nin dalgası bir olasılık dalgasıdır ve çalışmaları elektron mikroskobunun keşfine temel oluşturmuştur.
Heisenberg belirsizlik ilkesi, bir parçacığın aynı anda hem momentumunun hem de konumunun tam doğrulukta ölçülemeyeceğini gösterir. Sonuç olarak maddenin parçacık özelliği öne çıkmışsa dalga özelliği, dalga özelliği öne çıkmışsa parçacık özelliği belirlenemez. Heisenberg enerji ve zamanın da aynı anda belirlenemeyeceği sonucuna ulaşmıştır.
Belirsizlik ilkesine göre elektronlar çembersel bir yörüngede değil, çekirdek etrafındaki bulut içerisinde herhangi bir yerde bulunma olasılığındadır. Elektronun bulunma ihtimalinin yüksek olduğu bölgeye elektron bulutu denir. Elektronun çekirdeğe yakın bölgelerde bulunma olasılığı daha yüksektir; çekirdekten uzaklaşıldıkça bu olasılık azalır.
Erwin Schrödinger, elektronların hareketini dalga paketleri hâlinde kendi adıyla anılan dalga denklemleri ile ifade etmiştir. Dalga denklemlerini hidrojen atomuna uyguladı ve Bohr atom teorisinde ifade edilen açısal momentumu, yarıçapı ve enerji seviyelerini doğruladı. Özel Görelilik Teorisi ile Schrödinger’in teorisini birleştiren Paul Dirac’ın ortaya koyduğu teoriye Rölativistik Kuantum Mekaniği denir.
Feza Gürsey; 1960’lı yıllarda Kiral Bakışım Kuralı’nı ortaya koyarak uzay-zaman bakışımı çalışmalarının genişletilmesine yol açmış, Kuantum Renk Dinamiği Kuramı ile ilgili çalışmalar yapmıştır. 1969’da Tübitak Bilim Ödülü’nü, 1979’da Einstein Madalya Ödülü’nü almıştır. Asım Orhan Barut; temel parçacıkların simetri özelliklerinin açıklanmasında yeni bir çığır açan fikir ve buluşların ortaya çıkmasında büyük rol oynamış, 1982’de Tübitak Bilim Ödülü’nü almıştır. Behram Nazmi Kurşunoğlu; Einstein ve Schrödinger ile birlikte “Birleşik Alan Teorisi”nin geliştirilmesi çalışmalarında bulunmuş, bu teori literatüre Einstein-Schrödinger-Kurşunoğlu Teorisi olarak geçmiştir; 1972’de Tübitak Bilim Ödülü’nü almıştır.
Uyarılma ve ışıma, gördüğün ışıkların çoğunun sebebi.
Demir belirli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında parlak bir renkte ışıma yapar ve aldığı ısı enerjisini dışarıya ışıma yoluyla salar. Bu olay sürekli spektruma örnektir.
Hava %78 azot, %21 oksijen ve diğer gazlardan oluşur. Elektrik akımı sayesinde ısınan bu gazların sıcaklığı 50000 K’e ulaştığında iyonlaşır ve fazla enerjilerini ışıma yoluyla dışarı salar.
Metallerin enerji seviyeleri farklı olduğundan farklı renklerde ışıma yapabilirler. Her elementin ışıması ona özeldir — havai fişeklerin renkleri de aynı sebeple değişir.
Gazlı lambalarda uyarılan atomlar 10⁻⁸ saniyede temel hâle dönerken foton salar. Rengi belirleyen, iki enerji seviyesi arasındaki farktır.
Şekilde n = 4’e uyarılmış bir atom varsa salınabilecek foton sayısını N = n(n−1)/2 ile bul: 4·3/2 = 6.
Kimyada gördüğün 2n² kadar elektron kuralı, modern atom teorisinin 6. maddesidir. Aynı atom, iki dersin ortak konusu.
Ekrandaki her renk, uyarılmış maddelerin kendiliğinden emisyonla saldığı fotonlardır — enerji seviyesi farkı rengi belirler.
Tuzların alevde farklı renk vermesi, ışıma enerjilerinin atoma özel olmasıdır. Rengi görüp elementi tanıyabilirsin.
Biyoloji kitabındaki hücre fotoğrafları, De Broglie’nin çalışmalarının temel oluşturduğu elektron mikroskobuyla çekiliyor.
75 soruluk test · Democritus’tan modern atom teorisine bütün modeller, Bohr’un üç varsayımı, r = 0,53·n²/Z ve E = −13,6·Z²/n² bağıntıları, uyarılma yolları ve ışıma serileri
Democritus: atom görülemez ve bölünemez, adı “atomos”. Aristoteles: madde hava, su, ateş ve topraktan oluşur, sonsuza dek bölünebilir. Cabir Bin Hayyan: atom parçalanabilir ve büyük enerji açığa çıkar — batılılardan 1000 yıl önce.
Atom bölünemeyen, içi dolu berk küreler — “bilardo topu” modeli. Kütlenin korunumunun temelini attı; ama atom altı parçacıkları hesaba katmadı.
Elektronu keşfetti ve e/m oranını hesapladı (1906 Nobel). Atom içi dolu, nötr küre; yükler homojen dağılmış — üzümlü kek / karpuz modeli. Çap yaklaşık 10⁻¹⁰ m.
Yağ damlası deneyiyle elektronun yükünü buldu (1,6 · 10⁻¹⁹ un katları); Thomson’ın e/m oranından elektronun kütlesini hesapladı.
Alfa parçacıklarının çoğu geçti → atom boşluklu. Çok azı saptı, bir kısmı geri döndü → küçük ve pozitif çekirdek. Pozitif yüklere proton adını verdi; nötronları öngördü (1932, Chadwick).
Klasik teoriye göre elektron sürekli ışıma yapıp çekirdeğe düşmeliydi. Düşmemesi ve sabit frekansta ışıma yapması açıklanamadı — Bohr bu boşluğu doldurdu.
1. Elektron kararlı yörüngelerde ışıma yapmadan dolanır. 2. L = m·v·r = n·h/(2π). 3. Üst yörüngeden alta geçerken foton salar: E(foton) = E(ilk) − E(son) = h·f = h·c/λ.
r(n) = 0,53·n²/Z Å · E(n) = −13,6·Z²/n² eV
Yarıçap n² ile doğru orantılı (r, 4r, 9r). Enerjideki (−) işaret bağlılığı gösterir; n → ∞ da E = 0, elektron kopar.
−13,6 / −3,40 / −1,51 / −0,85 / −0,54 eV. Uyarılma enerjileri: 10,2 · 12,09 · 12,75 · 13,06 eV; iyonlaşma enerjisi 13,6 eV.
Açısal momentum, yarıçap ve toplam enerji artar; çizgisel momentum ve hız azalır. Salınabilecek foton sayısı N = n(n−1)/2.
Isıtma · atomların çarpışması · elektronla · fotonla. Elektron enerjisinin bir kısmını verip yoluna devam edebilir; foton ise enerjisini bölemez — tam eşitse soğurulur, değilse esnek çarpışmayla aynı enerjiyle çıkar.
n = 1 Lyman (morötesi), n = 2 Balmer (görünür), n = 3 Paschen (kızılötesi), n = 4 Brackett, n = 5 Pfund. Uyarılmış atom 10⁻⁸ saniyede temel hâle döner.
Tek elektronlu atomların spektrumlarını açıklayabilir, çok elektronlu atomların spektrumunu açıklayamaz. Bu yüzden Modern Atom Teorisi geliştirildi.
De Broglie: her taneciğe bir dalga eşlik eder (madde dalgaları). Heisenberg: konum ve momentum aynı anda tam ölçülemez → elektron bulutu. Schrödinger: dalga denklemleri Bohr’un sonuçlarını doğruladı. Dirac: Rölativistik Kuantum Mekaniği.