Atom ve Yapısı

Atom veya zerre, bilinen evrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapıtaşıdır. Atom Yunancada bölünemez anlamına gelen atomustan türemiştir. Atomus sözcüğünü ortaya atan ilk kişi MÖ 440’lı yıllarda yaşamış Demokritos’tur. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) vb. ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.

Bir atom, sahip olduğu proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: atomdaki proton sayısı kimyasal elementi tanımlarken, nötron sayısı da bu elementin izotopunu tanımlar. Her elementin radyoaktif bozunma veren en az bir izotopu vardır.

Elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve foton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanı sıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir.

Atom Modelleri

Atomla ilgili zamanla birçok teori ortaya atılmıştır. Bu teoriler geliştikçe bilginin doğruluğu da artmıştır.

Dalton Atom Teorisi

1. Bir element, aynı büyüklükte, aynı ağırlıkta atom adı verilen içi dolu küçük küreciklerden ibarettir.
2. Aynı elementteki atomların gösterdiği özellikler aynıdır.
3. Farklı elementlerin atomları farklı özellik gösterir.
4. Atomlar parçalanamaz.
5. Bütün maddeler atomlardan oluşur.
6. Elementler bileşik oluştururken belirli sayı ve kütle oranlarında birleşirler.

Dalton Atom Teorisi’ndeki eksiklik ve hatalar

Bir elementin bütün atomları aynı değildir. O dönemde nötron tanecikleri tespit edilemediği için izotop atomların farkına varılamadı. Bir elemente ait bütün atomların proton ve elektron sayısı aynı olmak zorundadır. Nötron sayısı farklı olsa da aynı elemente aittir, fakat farklı atomdur.

Atomların içi dolu değildir. Aksine boşluklu yapıya sahiptir.

Bilinen en küçük parçacık atom değildir. Günümüzde atom çekirdeğini oluşturan yetmişten fazla çeşit parçacığın var olduğu öne sürülmüştür.

Bir elementin bütün atomları aynı olmadığı gibi bir bileşiğin bütün molekülleri de aynı değildir.

Atomlar çekirdek tepkimeleri sonucu parçalanabilir.

Atomlar parçalanamaz ve yeniden yapılamaz görüşüne ters düşen olaylardan biri atomların alfa ışıması yapmasıdır.

Thomson Atom Teorisi

J. Thomson tarafından hazırlanan düzenekte; negatif elektrot (katot) elektron yayar. Yayılan elektronlar havası boşaltılmış tüp içinde sağa doğru hızlandırılır. Elektronların bir kısmı pozitif yüklü elektrot (anot) tan geçerek ZnS yüzeyine çarpar. Çarpma esnasında yüzey parlar. Bu deney sonucunda;

• Atomlar yarıçapları 10^-8 santimetre olan küre şeklinde olup elektronlar bu küre üzerinde rastgele dağılmıştır. (Üzümlü Kek Modeli)
• Atomun yapısında pozitif ve negatif yükler vardır.
• Atomun yapısındaki Pozitif ve negatif yüklerin sayısı birbirine eşittir. Bu sayede atomlar dengededir.
• Atomdaki – yüklü parçacıkların kütlesi önemsenmeyecek kadar küçüktür.
• Atomun görüntüsü üzümlü keke benzemektedir.

Thomson Atom Modelinin Eksiklikleri

• Modelde çekirdek kavramından söz edilmemektedir.
• Elektron ve protonların bulunduğu yerler rastgele olarak tanımlanmıştır.
• Atom kütlesinin proton kütlesine eşit olduğu düşünülmüştür.
• Protonlarla eşit kütleye sahip nötronlar hakkında bir bulgu ortaya konmamıştır.

Elbette bu model modern atom teorisini karşılamamaktadır. Modeldeki eksikler daha sonra gelecek olan Rutherford atom modeli ile kısmen eksilecektir. Bütün bu eksiklere rağmen Thomson’un yaptığı keşif bilim tarihi açısından çok önemlidir. Sonraki çalışmaları anlamak için bu modeli bilmek gerekir.

Rutherford Atom Teorisi

1911 yılında Rutherford ünlü altın folyo deneyini gerçekleştirdi. Deneyde Rutherford ve meslektaşı Hans Geiger, folyodan düz geçmelerini bekleyerek, pozitif yüklü alfa parçacıkları ile bir altın folyoyu bombardıman ettiler. Düz geçmek yerine parçacıklar sapmaya uğradı. Bu pozitif kuvveti çekirdek olarak adlandırdılar. Rutherford Modeli bu yeni verilere dayanarak oluşturuldu.

Rutherford atom modeli

• Atomda büyük boşluklar vardır.
• Atomda pozitif yük, kütle merkezinde çekirdek diye adlandırılan çok küçük bir hacimde toplanmıştır. (Çekirdekte toplanmıştır)
• Işınların küçük bir kısmının kırıldığı ve çok küçük bir kısmının yansıdığı görülmüştür: Öyleyse, atomda + (pozitif) yükler çekirdek adı verilen küçük bir hacimde toplanmıştır.
• Atomdaki pozitif yük miktarı farklı atomlarda aynı değildir. (Tüm atomların proton sayısı farklıdır)
• Atomda pozitif yüklü tanecikler kadar elektron, çekirdeğin etrafında bulunur ve atom hacminin büyük bir bölümünü elektronlar kaplar.

Rutherford Atom Modelinin Eksiklikleri

Rutherford, çekirdeği keşfettikten sonraki yıllarda, kimyagerler ve parçacık fizikçileri, elektron davranışının Rutherford modelinde tasvirden çok daha karmaşık olduğunu keşfetti. Elektronlar belirlenmiş yollarda ilerlemedi, hızları tutarsızdı ve çekirdeğin etrafındaki konumları sahip oldukları enerjiye göre değişebiliyordu. Elektronları düz yollarla ilerliyor olarak göstermek artık doğru değildi. Bunun yerine, fizikçiler onları herhangi bir zamanda elektronların nerede olabileceğini önerebilecek bir elektron bulutu ile temsil etmeye başladılar. Elektron bulutu modeli modern atomu oluşturan parçalardan biridir.

Rutherford atom modeli kimyanın gelişmesi ve bugüne gelmesi açısından önemli bir adım olmuştur. Atom modelindeki eksiklikler Bohr atom modeli ile nispeten giderilmeye çalışılmıştır. Atom ile ilgili elimize gün geçtikçe daha fazla bilgi geçmektedir.

Rutherford Atom Modelinin Eksiklik Ve Hataları

1. Nötronu bulamamıştır.
2. Elektronların yerlerini ve hareketlerini tam olarak açıklayamamıştır.

Not : Atomdaki nötron kavramını James Chadwick bulmuştur.

Bohr Atom Teorisi

1913 yılında Niels Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck’ın kuantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Bu bilgiler ışığında Bohr varsayımları (postulatları) şöyle özetlenebilir:

1. Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıktaki yörüngelerde hareket eder ve bu yörüngelerdeki açısal momentumu h/2pi’nin tam katlarıdır( Buarada h, Planck sabiti). Her kararlı hâlin sabit bir enerjisi vardır.
2. Herhangi bir kararlı enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir.
3. Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon) yayınlamaz. Ancak, yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar. Burada E = E_son-E_ilk bağıntısı geçerlidir.
4. Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere, her enerji düzeyi + bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak “n” İle gösterilir. (n: 1,2,3 …¥)

Uyarılmış atom : Bohr atom modeline göre, çekirdeğe en yakın enerji seviyesine dairesel hareket yapan elektron kararlıdır, ışık yaymaz. Elektrona yeterli enerji verilirse elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine sıçrar. Atom bu durumda kararsızdır. Kararlı hale gelmek için elektron tekrar eski enerji seviyesine dönerken almış olduğu enerji seviyesine eşit enerjide bir Foton (ışın taneciği / dalgası) fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yapar.

Bohr Atom Modelindeki eksiklikler

• Elektronlar çok hızlı olduğu için sadece klasik fizik değil, rölativite de göz önüne alınarak düşünülmeliydi.
• Bohr Atom Modeli, sadece tek elektronlu atomların (hidrojen) spektrumlarını açıklayabilir. Çok elektronlu atomların spektrumlarını açıklayamaz.
• Bohr Atom Modelinde dalga-parçacık ikiliği (De Broglie Hipotezi) göz önüne alınmamıştır.
• Heisenberg belirsizlik ilkesine göre atomdaki elektronun yeri ve hızı,aynı anda, tam bir kesinlikle belirlenemez. Bundan dolayı “yörünge” kavramı yanlıştır.
• Nötron yoktur. Nötronlar, 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedilmiştir.

Modern Atom Teorisi

19. yüzyılın başlarından itibaren atomla ilgili çalışmalar neticesinde modern atom teorisi ortaya konmuştur. Teoriye göre;

Elektronların kütlesi çok küçük, hızı çok büyük olduğundan elektronun yeri tam olarak bilinemez. (Heisenberg”in belirsizlik prensibi)

Elektronlar dalga özelliği gösterir.

Elektronların bulunma olasılığının fazla olduğu yerlere orbital adı verilir.

Yörünge kavramından bahsedilmemiştir.

Örnek : Atomda ilk defa çekirdek fikrini ortaya atan bilim adamı kimdir?

A) J. Dalton   B) J. Thomson   C) E. Rutherford   D) N. Bohr   E) J. Chadwick

Çözüm

Ernest Rutherford ilk defa protonların (+ yüklü taneciklerin) küçük bir hacimde toplandığını, elektronların (-) rastgele hareket ettiğini söyleyen bilim insanıdır.