Modern Atom Teorisi: Giriş

Atom (atom kavramı ile ilgili detaylı bilgiye erişmek için burayı tıklayın), bir elementin bütün özelliklerini taşıyan en küçük parçacığıdır. Yalnızca taramalı tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) ile incelenebilir.

Maddenin temelde atom adı verilen çok küçük parçacıklardan oluştuğu kavramı eski Yunanlılara kadar dayanır. Milattan önce beşinci yüzyılda Leucippus ve Democritus maddenin sonsuz küçük parçacıklara ayrılamayacağını öne sürdüler. Onlar, bir madde daha küçük parçalara bölünmeye devam edilirse en sonunda atom denen bölünemeyen taneciklerin meydana geleceğine inanıyorlardı. Atom sözcüğü Yunancada “bölünemez” anlamına gelen atomos sözcüğünden türetilmiştir.

Eski Yunan atom kuramları planlı deneylere dayanmıyordu. Bunun için yaklaşık 2000 yıllık bir zaman diliminde atom kuramı sadece tartışılmaktan öteye gidemedi. John Dalton’un 1803-1808 yılları arasında geliştirip önerdiği atom kuramı kimya tarihinde en önemli aşamalardan biri olmuştur.

I) Atomla İlgili Düşünceler

A) Dalton Atom Modeli

Kimyanın temel yasalarından olan sabit ve katlı oranlar yasalarından gidilerek ilk atom modeli olan Dalton atom modeli ortaya atılmıştır. Bu model aşağıdaki gibi özetlenebilir:

• Madde atom adı verilen çok küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur.
• Kimyasal tepkimelerde atomlar bir bütün olarak davranır. Atomlar parçalanamaz ya da yeniden oluşturulamaz.
• Bir elementin bütün atomları şekil, büyüklük ve kütle bakımından birbirinin aynıdır. Ancak diğer elementlerin atomlarından farklıdır.
• Atomlar birleşerek molekülleri oluşturur. Bir bileşikteki tüm moleküller birbirinin aynıdır. Molekül içindeki atom sayıları arasında basit bir oran vardır.

Dalton atom modelinin eksiklikleri:

• Maddelerin en küçük yapı taşı atom değildir.
• Atomların içi tamamen dolu değildir. Büyük oranda boşluklar vardır. Ayrıca sadece küresel olmayıp farklı yapılara sahiptir
• Atomlar nükleer yollarla parçalanabilir.
• Aynı cins elementlerin atomları, büyüklük ve kütlece birbirinin aynısı değildir. (İzotop atom)
• Farklı cins elementlerin atomları da farklıdır.
• Bir bileşiği oluşturan atomların kütleleri arasında basit tam sayılarla ifade edilen bir oran vardır

B) Thomson Atom Modeli

Atom yapısı ile ilgili çalışmalar, elektriğin yüklü taneciklerden oluştuğunu göstermiştir. Joseph John Thomson  katot ışınları ile yaptığı deneylerde negatif yüklü taneciklerin yani elektronların varlığını saptamıştır. Elektronun varlığının belirlenmesinden sonra Dalton Atom Modeli yeni bir şekil almıştır. Atomlar yüksüz tanecikler olduklarına göre atom içinde (-) yüklü elektronları nötrleştirecek (+) yüklerin de bulunması gerekmektedir. Bu artı (+) yüklü taneciklere proton adı verilmiştir. J.J. Thomson’a göre;

• Bir atomda elektronların sayısı protonların sayısına eşittir. Bu nedenle atomlar yüksüzdür.
• Elektronların kütlesi, atomunkinden çok küçük olduğundan atomları başlıca artı yükler oluşturmuştur.
• Atom bir küre şeklindedir. Elektriksel dengeyi sağlamak için elektronlar ve protonlar küre içine dağılmışlardır.

Thomson atom modelini üzümlü keke benzetebiliriz. Kekin hamur kısmı pozitif yük, üzümler ise rastgele dağılmış negatif yüklerdir.

Thomson Atom Modelinin eksiklikleri:

• Elektronlar atom üzerinde rastgele dağılmamışlardır.
• Atomlar pozitif yüklü kürecikler değildir.
• Nötron hakkında bilgi verilmemiştir.

C) Rutherford Atom Modeli

Rutherford, radyoaktif maddeden elde ettiği +2 yüklü alfa taneciklerini çok ince metal yaprak üzerine göndermiştir. Bu ışınların çok büyük bir kısmının sapmadan, az bir kısmının ise saparak metal yapraktan geçtiğini çok az bir kısmının ise geriye yansıdığını saptamıştır.

Rutherford, Thomson atom modeliyle bu sonuçları açıklayamamıştır. Atom homojen bir yapıda olsaydı, bütün α parçacıklarının levhayı geçmesi veya geçmemesi gerekirdi. α taneciklerinden bazılarının çok az sapması veya geri dönmesi, atom içinde (+) yüklü iyonların geçmesini zorlaştıran bir bölümün varlığını gösterdi. Bu nedenle Rutherford, atomda pozitif yükün ve kütlenin atom merkezinde çok küçük hacimde toplandığını düşündü ve bu bölüme çekirdek adını verdi. Deney sırasında sapan veya geri dönen a taneciklerinin çekirdeğe çok yakın gelen veya tam çekirdek üzerine isabet eden tanecikler olduğunu belirtti.

Bu modele göre;

• Atomun kütlesi ve artı yükler, atomun merkezinde çok küçük bir hacme toplanmıştır. (Rutherford bu merkeze atom çekirdeği adını vermiştir).
• Bir atomda çekirdekteki yükün sayısı, elektron sayısına eşittir.
• Çekirdekteki yük miktarı, bir elementin tüm atomlarında aynı, farklı elementlerin atomlarında farklıdır.
• Elektronların bulunduğu hacim, çekirdeğin hacminden çok büyüktür.

Rutherford atom modeli genellikle güneş sistemine benzetilebilir. Merkezde güneş yani çekirdek, etrafında belli bir yörüngede dönen gezegenler yani elektronlar vardır.

Rutherford Atom Modelinin eksiklikleri:

• Rutherford modeli atomdaki elektronların hareketlerini açıklayamadığı gibi elektronların niçin çekirdek üzerine düşmedikleri sorusunu da yanıtlayamamaktadır.
• Daha sonraki yıllarda Chadwick, atom çekirdeğinde nötron denilen yüksüz bir taneciğin varlığını saptamıştır. Bu şekilde, atomun üç temel tanecikten oluştuğu anlaşılmıştır.

D) Bohr Atom Modeli

Rutherford atom modeli çekirdek çevresinde bulunan elektronların hareketlerini fizik yasalarına göre açıklamakta yetersiz kalmıştır. Bunun üzerine Danimarkalı Fizikçi Bohr bir elektronlu olan atom ya da iyonlar (1H, 2He+1, 3Li+2…) için bir atom modeli geliştirmiştir. Bohr atom modelinin varsayımları şunlardır:

• Elektronlar çekirdek çevresinde yarıçapı belli dairesel yörüngelerde bulunabilir. Bu yörüngelere enerji düzeyi de denir. Yörüngeler çekirdeğe yakınlık sırasına göre ya K, L, M… gibi harflerle, ya da 1, 2, 3, …n gibi tam sayılarla gösterilir. Her enerji düzeyinin belirli bir enerjisi vardır.
• Çekirdeğe en yakın enerji seviyesinin enerjisi en küçüktür. Çekirdekten uzaklaştıkça yörüngelerin enerjisi artar. Hidrojen atomunda bir elektron en düşük enerjili yörüngede bulunur. Bu yörüngelerden birinde bulunan elektron kendiliğinden enerji yaymaz. Elektronu olası en düşük enerjili yörüngelerde bulunan atomun elektron dizilişine temel hâl elektron dizilişi denir. Atom dışarıdan enerji kazanırsa elektron aldığı enerjinin değerine bağlı olarak daha yüksek enerjili bir düzeye sıçrar. Böyle elektronlara uyarılmış elektron, atomlara da uyarılmış atom denir.

En nihayetinde Bohr atom modelinin de eksiklikleri mevcuttur:

• Bohr atom modeli yalnızca tek elektronlu sistemlerin spektrumlarını açıklayabilir. Çok elektronlu sistemlerin spektrumları açıklamakta yetersiz kalır.
• Çok elektronlu atomların spektrumlarında enerji düzeylerinin her birinin iki ya da daha fazla düzeye ayrıldığı görülmektedir. Bu da Bohr’un teorisiyle açıklanamamaktadır.

E) Modern Atom Modeli (Kuantum Atom Teorisi)

Modern atom teorisi kabul görmeden önce şu gelişmeler gerçekleşmiştir;

• 1924 yılında W. Pauli elektronların değişik enerji seviyelerine (katman) dağılışları ve enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişleri hakkında Pauli ilkesini ortaya koydu.
• 1932 yılında James Chadwick, çekirdek içindeki nötronları buldu.
• Heisenberg belirsizlik ilkesi kabul gördü. Bu ilkeye göre atomdaki elektronun yeri ve hızı, aynı anda, tam bir kesinlikle belirlenemez.
• E. Schrödinger kendi adıyla anılan denkleminde elektronların bulunma ihtimalinin yüksek olduğu uzay bölgelerini tespit etti.

Tüm bu gelişmelerden sonra atom teorisi yeniden ele alınmış ve modern atom teorisi oluşmuştur. Bohr atom modeli, tek elektronlu türlerin davranışlarının açıklanmasında başarılı olmakla (örneğin hidrojen) birlikte çok elektronlu atomların davranışlarını açıklamada yetersiz kalmıştır. Modern atom teorisine göre Bohr atom teorisindeki gibi elektronları yörüngelerde sabit hızla dönen tanecikler olarak düşünmek yanlıştır. Modern atom teorisinin modelinin varsayımları şunlardır:

• Elektronlar çekirdek çevresinde belirli enerji düzeylerinde bulunur. Her enerji düzeyi “n” ile belirtilir. Bu enerji düzeylerine baş kuantum sayısı denir. Baş kuantum sayısı orbitallerin çekirdekten ortalama uzaklığını ya da enerjisini belirler. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji artar. Çünkü protonların elektronları çekim gücü azalır, buna bağlı olarak da elektronların hareketi ve enerjisi artar.
• Elektronlar hem kendi çevrelerinde hem de çekirdek çevresinde döner. Elektronun kendi ekseni etrafında dönme hareketine spin hareketi, çekirdek çevresindeki dönme hareketine de orbital hareketi denir. Çekirdek çevresinde dönmeleri sırasında elektronların bulunma ihtimalinin yüksek olduğu geometrik bölgelere orbital denir.
• Herhangi bir temel enerji seviyesinde n² kadar orbital bulunur.
• Her temel enerji seviyesinde orbital sayısının 2 katı kadar elektron bulunabilir. Buna göre bir temel enerji seviyesindeki en fazla elektron sayısı 2n²

Benzer konu anlatımı: Atom ve Periyodik Sistem: Modelleme ve Bohr Atom Modeli

II) Atomun Kuantum Modelinin Gelişim Süreci

Einstein, fotoelektrik olayını açıklarken ışığın fotonlardan oluşan tanecikli bir yapıya sahip olduğunu düşünerek hareket etmişti. Ancak yapılan bir çok deney (kırılım ve girişim deneyleri) ışığın dalga özelliği taşıdığını göstermişti. Aynı dönemlerde Bohr atom modeli de açıklamakta yetersiz kaldığı konular üzerinde sorgulanmaktaydı.

Yukarıdaki olayların temelinde yatan konu “ışık bir dalga mı yoksa tanecik mi” sorusudur. 1924 yılında De Broglie hipotezinde, ışık dalgalarının foton olarak davranabilmesinden yola çıkarak elektron gibi küçük taneciklerin dalga özelliği gösterebileceğini ileri sürdü.

De Broglie çalışmalarını daha çok elektronlar üzerine yoğunlaştırdı ve fotonun dalga boyunu hesaplamak için Einstein’ın formülüyle Planck’ın formülünü birleştirmiştir ve aşağıdaki formülleri üretmiştir.

De Broglie’nin çalışmaları ile Heisenberg’in ve Erwin Schrödinger’in çalışmaları sayesinde atomun kuantum modelinin gelişimi sağlanmıştır.