ATOM II.DERS

Oysa ortaçağ kimyasının en büyük ismi olan Cabir Bin Hayyan (Geber); maddenin en küçük parçası olan atomda yoğun bir enerjinin olduğunu, parçalanabileceğini ve parçalanınca da korkunç bir güç (enerji) meydana getirebileceğini ortaya koymuştur. Türk Bilgini Cabir’in bu düşüncesi, atom bombası fikrinin ilk mucidi olmasını sağlamıştır.

ELEKTRONLARIN KEŞFİ Faraday, havası boşaltılmış bir cam borunun iki ucuna bir doğru akım üreteci bağlamış, tüpün negatif uç bağlanmış ucundan, yani katodundan çıkan ışının pozitif uç bağlanmış ucuna yani anoda gittiğini görmüş ve katot ışınlarını keşfetmiştir. Gerçekte katot ışınları gözle görülmezler. Çarptıkları bir yüzeyden yaydıkları ışıkla görülebilirler. (Yüksek enerjili bir ışının bir madde yüzeyine çarpmasıyla ışık yayılmasına fluroresans denir.)

e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Pozitif yüklü küre J.J. Thompson‘un üzümlü kek Atom Modeli

Thomson’ın Deneyi Vakum Katot Anot Katot Anot (Mıknatıs) (metal) Hızla akan negatif Yüklü e’lar (metal) (Floresans kaplı yüzey) e’ların izlediği yol sapar, floresans oluşur. Zıt elektriksel alan Katot Anot Katot Anot (Mıknatıs) Kapalı katot ışınları tüpü

Elektrotlar arasına yüksek gerilim uygulayarak, bir elektrik akımı gözlenir (bir ışımayla). Işınlar, metal katottan çıkarak metal anod elektroduna doğru doğrusal bir yolda ilerlerler. Anotda bir ışıldama yaparlar. Yüksek enerjili olan bu ışınlar katot ışınlarıdır (yani hızlı akan negatif yüklü elektronlardır). Elektronların elde edildiği katot tüplerinde, katot ışınlarının tüpün diğer ucundaki floresans maddeyi ışıldattığını söyleyen Thomson’a göre bu ışınlar; Önlerine bir metal levha konduğunda geçemezler ve iz bırakırlar. Metal bir yaprağı akkor haline getirirler. Tüp içinde hava yerine gaz kullanılırsa, katot ışınları gaz moleküllerini iyonlaştırırlar. Işımanın rengi kullanılan gaza göre değişir. Fotoğraf plakalarında iz yaparlar. Tüpün cam çeperinde floresans (ışıldama) oluştururlar. Bir metale çarptıklarında yüksek giriciliği olan X-ışınlarını oluştururlar. Çarptıkları metali negatif yükle yüklerler. Işınların yolu bir mıknatıs yardımıyla ancak değiştirilebilir. Doğrusal yolda ışınlar akarken, bir elektriksel veya magnetik alan kendilerine yaklaştırıldığında, saparlar.

Thomson, katot ışınlarının magnetik ve elektrik alanda sapmalarından yararlanarak, elektronun e/m (yük/kütle) oranının bulunabileceğini düşünmüştür. Yani sapmalar, elektronun yükü (e) ile doğru, kütlesi (m) ile ters orantılıdır. Kütlesi m, yükü e olan bir elektron katot tüpünde V hızı ile hareket ederken H gibi bir magnetik alandan geçerse, bir noktaya çarpar ve r yarıçaplı bir daire çizmiş olur. Bu sapmayı sağlayan kuvvet F, magnetik alan şiddetine (H), elektronun yüküne (e) ve hızına (V) bağlıdır: F = H.e.V Elektrona dairesel hareketi için etkileyen kuvvet: F = m.V2/r F = m.V2/r = H.e.V e/m = V/H.r Elektronu elektriksel alanda saptıran alan şiddeti E, elektronun yükü (e) ile doğru orantılıdır: F = E.e Elektron normal olarak çarpması gereken noktaya çarptığında elektrik ve magnetik alan şiddetleri birbirine eşittir: H.e.V = E.e V = E/H e/m = E/H2.r -1,76.10-8 coulomb/g Uluslararası elektrik yük birimi olan Coulomb (kulon), 1 sn de taşınan yük miktarıdır.

Thomson’un Deneyleri Voltage source - + Metal Disks

- + Thomson’un Deneyleri Voltage source Elektrik akımının geçişiyle tüpün negatif uç bağlanmış ucundan çıkan ışın pozitif uça gitmektedir.

Thomson’un Deneyleri Voltage source + - Elektrik alanın ilavesiyle hareket eden parçalar negatif yüklülerdir..

Elektronun kütlesinin bulunması: Elektronun yükü R.A.Milikan tarafından yağ damlacığı deneyi ile ölçülmüştür. Bir sıvı, (özellikle de bir yağ) paralel levhalar arasına çok küçük damlacıklar halinde püskürtülür ve üst levhadan aşağıya doğru inerken X-ışınları ile ışıldatılır, böylece yağ damlası negatif yükle yüklenir. Yağ damlasının arasından geçmekte olduğu levhalar üstteki pozitif, alttaki negatif olacak şekilde yüklenirse, aradan geçerken negatif yükle yüklenmiş halde bulunan yağ damlasının aşağıya düşmesi durdurulabilir. Geriye doğru dönmesi ise ters olarak uygulanan elektrik yüküne bağlıdır. Uygulanan bu elektrik yükü bilinirse, her damla üzerindeki yük bulunabilir. Milikan yaptığı denemeler sonucunda yağ damlasının yükünün daima 1,6.10-19 Coulomb’un katları halinde olduğunu bulmuştur. Buradan elektronun kütlesi: m = e / (e/m) = 1,6.10-19 Coulomb /1,76.10-8 Coulomb/g m = 9,11.10-28 g/elektron

X-Işınlarının Oluşumu: Hızlandırılmış elektronlar Metal Filament Vh Katot (-) Vf - + Hedef anot Vf: Filament voltajı Vh:Hızlandırma voltajı X-ışınları 1895 yılında W.Rontgen katot ışınları bir metale çarptığında yeni türde ışınlar oluştuğunu buldu. Bu ışınlara Röntgen ışınları veya X-ışınları adı verildi. X-ışınlarının oluşturulduğu tüpte; metal filament, elektrik akımı verilerek ısıtılır. Bu sayede yeterli enerjiye sahip elektronlar filamentin ucunda birikerek bir elektron bulutu oluştururlar. Eğer filamente verilen akım kaldırılırsa, bu elektronlar filament tarafından tekrar absorbe edilirler. Filamentin karşısında (+) yüklü bir hedef (anot) bulunmaktadır. Anotla katot arasında bir elektrik alanı oluşturulursa, elektronlar çok yüksek bir hızla anoda doğru yönelirler ve çarparlar. Bu çarpışma sonucunda X-ışınları açığa çıkar.

Rutherford Atom Modeli Radyum Kaynak (polonyum veya radyum alfa-parçacıkları) yarık altın levha Detector 2 1 Floresan ekran (ZnS sürülmüş) 3

Rudherford’un atomu güneş sistemine benzetmesinden sonra, Chadwick bazı çekirdek tepkimelerinden yararlanarak, nötronu açıklamış ve nötronun kütlesinin protonun kütlesiyle (1,6726.10-27 kg) yaklaşık aynı, 1,6749.10-27 kg olması gerektiğini ileri sürmüştür. Tabiatta nötronu olmayan tek element hidrojendir ve kütlesi protonun kütlesine eşdeğerdir. (H+)

IŞIK ve ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM Işığın yapısı ile atomun elektronik yapısı arasında bir ilişki vardır. Işık, elektromanyetik bir dalgadır. Dalga, enerji taşıyan bir harekettir (ışık dalgası, radya transistörünün yayınladığı dalgalar, X-ışınları, gama ışınları gibi). Ancak frekans veya dalga boyları elektromanyetik dalgadan farklıdır (su dalgaları, ses dalgaları, sismik dalgalar gibi). Işık dalga özelliği gösterdiğine göre bir frekansı (belli bir noktadan 1 sn de geçen dalga sayısı: 1/sn) ve bir dalga boyu (ard arda gelen iki min. yada iki max. arasındaki uzaklık: cm) olmalıdır. Bir dalga hareketi için frekans ve dalga boyunun çarpımı dalganın birim zamanda aldığı yolu gösterir ki buna dalga hızı denir. Aynı şekilde ışık için ışık hızı ise : c = λ . ν : 3.1010 cm/s Vakumda tüm elektromanyetik dalgaların hızı, aynı ışık hızına (3.1010 cm/s) eşittir.

Elementler katı yada gaz durumunda iken dışarıdan yeteri kadar enerji alırsa, belli dalga boylarında ışınlar yayarlar. Bir elementin yaydığı elektromanyetik dalgaların bütünü o elementin spektrumunu oluşturur. Gözümüz, spektrumun dalga boyu 7.10-5 cm olan kırmızı ışık ile (en uzun) dalga boyu 4,5.10-5 cm olan mor ışık (en kısa) arasındaki kısmı görür. Oysa bu aralığın dışındaki en uzun dalga boylu ışınlar olan radyo, TV dalgaları ile en kısa dalga boylu ışınlar olan Röntgen ışınlarını görmez. Röntgen 1 nm= 1.10-7 cm

ATOM SPEKTRUMLARI Işık bir ortamdan başka bir ortama geçerken yolundan sapar. Bu kırılma yada yansıma ile olur. Bir ışık kaynağının verdiği beyaz ışık demeti ince bir yarıktan geçerek cam bir prizmaya gönderilirse, prizmadan geçerken kırılarak fotoğraf filmi üzerinde kırmızıdan mora kadar görünür bölgedeki bütün renkleri içeren sürekli bir spektrum oluşturur. Gaz halindeki bazı maddelerin oluşturdukları spektrum ise kesikli spektrumdur ve bunlara atom yada çizgi spektrumu denir.

Bu tür spektrumlar sadece birkaç tane renkli çizgi içerir ve her çizgi dalga boyları farklı olan ışınları ifade eder. Her elementin kendine özgü değişik dalga boylarında farklı çizgiler ifade eden bir çizgi spektrumu vardır. Gaz halindeki hidrojen atomunun çizgi spektrumu: Elektromanyetik kurama göre; Elektromanyetik dalganın enerjisi sürekli olmalıdır. Işığın şiddeti arttıkça yayınlanan dalganın enerjisi de artmalıdır.

Kuantum Teorisi (Kuramı) Elektromanyetik teori akkor duruma getirilmiş cisimlerin yayınladığı ışığın niteliğini açıklamakta yetersiz kalmıştır. Max Planck, ısıtılan katı cisimlerin yayınladıkları ışınları incelemiş, ışığın enerjisi ile frekansı arasında bir bağıntı olması gerektiğini düşünmüştür. Örneğin; ısıtılan bir katı sıcaklığa bağlı olarak önce kırmızı, sonra turuncu, sarı, beyaz ve mavi renk alır. Eğer ışık sürekli bir enerjiye sahip olsaydı bu şekilde ayrı ayrı renkler yerine sürekli bir renk görünürdü. Planck, sıcaklık değiştiği halde, yayınlanan her bir ışının enerjisinin sabit kaldığını bulmuştur ve şöyle ifade etmiştir: Hiçbir mekanik sistemin enerjisi sürekli değildir ve bütün sistemlerin enerjileri kuantlaşmıştır (paketler halindedir). Bu nedenle ısıtılan bir katı ancak belli bir enerjiye sahip ışınlar yayar. Katıların yaydıkları bu ışınların enerjisi: 6,63.10-34 J.s

Bir ışının enerjisi frekansına bağlı olduğundan, enerjisi yüksek olan ışının frekansı da yüksektir. Yüksek frekans, bir noktadan 1 saniyede çok sayıda dalga geçtiği anlamına geldiğine göre, yüksek enerjili ışının dalga boyu kısadır. Düşük enerjili ışının ise frekansı düşük, dalga boyu yüksektir. Fotoelektrik Olayı Bir metal yüzeyine düşürülen ışın ile metalden elektron koparılması olayı fotoelektrik olayıdır. Eğer ışımanın şiddeti arttırılırsa, daha fazla sayıda elektron fırlar. Işımanın enerjisi arttırılırsa da fırlayan elektronların hızı artar. Işık hızı: c = λ . ν, Fotonun (ışımanın) enerjisi : E = h.ν = h. c / λ ‘den bulunabilir.

ΔE = E2 – E1 = h.ν = h.c/λ

Aynı zamanda, elektronların dairesel yönlerde hareket ettikleri ifadesi de bugün için yanlıştır.

1,672.10-27 kg 9,11.10-31 kg

Atomların kütlelerinin ölçülmesinde, yeni bir kütle birimi oluşturulmuştur. Bir atomik kütle birimi (akb), 6C atomunun kütlesinin 1/12’si olarak tanımlanmıştır. Günümüzde bütün atomların kütleleri 6C izotopunun kütlesi standart 12.000 u kabul edilerek u birimiyle verilmektedir. 12 12

A.N K.N Bir akb (atomik kütle birimi), 12C izotopunun 1/12’sinin kütlesidir.

K.N

Örnek: PO43- iyonunun 1 tanesinde kaç tane elektron vardır Örnek: PO43- iyonunun 1 tanesinde kaç tane elektron vardır. (Nötr P’nin 15 ve nötr O’nun 8 elektronu vardır.)

PO43- iyonunun 1 tanesindeki toplam elektron sayısı, P ve O atomlarında bulunan elektronlarla iyonun elektriksel yükünde bulunan 3 elektronun toplamına eşittir. P atomunda 15 elektron ve O atomunda 8 elektron vardır. Toplam e = P + 4.(O) + 3 = 15 + 4.8 + 3 = 50 elektron

Bir atomdaki elektronların enerji düzeylerini belirten tam sayılar (n), kuantum sayılarıdır (orbital sayıları). Çekirdek etrafındaki herhangi bir elektronun durumu kuantum sayısı (orbital sayısı) ile belirtilir. Ana (orbital) kuantum sayısı (n) Alt (orbital) kuantum sayısı (l)

Kuantum Sayısı Ana Orbital Ismi Alt Orbitaller Alt Orbital Sayısı Elektron Sayısı Alt Orb. Ana Orb. 1 K s 2 L p 3 6 8 M d 5 10 18 4 N f 7 14 32

Pauli, Aufbau yöntemini ortaya koymuştur: Elektronlar orbitallere atomun enerjisi en az olacak şekilde yerleşirler (önce 1s sonra 2s, 2p, 3s, 3p, 4s…sırasına göre) 2 3 4 5 6 7 Kuantum Numarası(n) Enerji s p d f

Pauli, elektronların orbitallere yerleşimi ilkesini (dışlama ilkesi) de ortaya atmıştır: Bir atomun aynı yörüngesinde zıt spinli (ters yönlü) en çok 2 elektron bulunabilir. Aynı bir atomda bulunan 2 elektron hiçbir zaman birbirinin aynı olan kuantum sayılarına sahip olamaz. Bu kuantum sayılarından en az biri farklı olmalıdır (Pauli Prensibi).

Hund Kuralı: Aynı enerjiye sahip farklı orbitallere eş enerjili orbitaller denir. Bir atomun 2px, 2py, 2pz orbitalleri eş enerjilidir. Elektronlar eş enerjili orbitallere önce birer birer yerleşirler, bunların hepsi birer elektron aldıktan sonra ikinci elektronu (ters spinli) almaya başlarlar.

Örnek: 12Mg2+ iyonunun elektron dizilişini (elektronik konfigürasyonunu) gösteriniz.

Z Element Orbital Düzeni 1 H 1s1 2 He 1s2 3 Li 1s22s1 4 Be 1s22s2 5 B 1s22s22p1 6 C 1s22s22p2 7 N 1s22s22p3 8 O 1s22s22p4 9 F 1s22s22p5 10 Ne 1s22s22p6 11 Na 1s22s22p63s1 12 Mg 1s22s22p63s2 13 Al 1s22s22p63s23p1 14 Si 1s22s22p63s23p2 15 P 1s22s22p63s23p3 16 S 1s22s22p63s23p4 17 Cl 1s22s22p63s23p5 18 Ar 1s22s22p63s23p6 19 K 1s22s22p63s23p64s1 20 Ca 1s22s22p63s23p64s2 21 Sc 1s22s22p63s23p63d14s2 22 Ti 1s22s22p63s23p63d24s2