ATOM TEORİLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ VE MODERN ATOM TEORİSİ

ATOM TEORİLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ VE MODERN ATOM TEORİSİ

 ATOM TEORİLERİ

 Maddenin tanecikli yapıda yani atomlardan olabileceği fikri insanlık tarihi kadar eskidir. Teos’ta doğmuş Anadolulu düşünür Demokritos (Demokritos), günümüzden 2500 yıl kadar önce (M.Ö. 500. yıllar) bütün maddelerin bölünemeyen parçalardan ibaret olduğunu belirtmiştir. Maddedeki değişmelerin bölünemeyen bu taneciklerin sayı; biçim ve dizilişlerindeki değişmeye bağlı olduğunu kabul etmiştir. Atomlar hakkında ilk bilimsen teori 1808 yılında John Dalton (Can Daltın) tarafından ortaya atılmıştır. Daha sonra Thomsen, Rufherford, Borh, Brogli Born, Atom teorileridir. Daha sonra da Modern Atom teorisi ortaya atılmıştır.

 John Dalton Atom Teorisi (1803)

1. Sir Joseph John Thomson Atom Teorisi (1902)
2. Ernest Rutherford Atom Teorisi (1911)
3. Borh Atom Teorisi (1913)
4. De Brogli Atom Teorisi (1923)
5. Born Atom Teorisi (1927)

 1.   DALTON ATOM MODELİ

 Dalton İngiltereli bir kimyacı olup daha çok maddenin yapısını açıklayan atom teoriyle ün kazanmıştır. Bunun yanında gazların bir takım özellikleriyle ve özellikle kısmi basınçlarıyla alakalı çalışmalarda yapmıştır.Dalton’un atom teorisi modern kimyanın temellerinden biri halini almıştır. Bir çok elementin atomlarının ağırlıklarını kendi ilkel ortamında çalışarak ölçmeye çalışmış ve bu ağırlıklarla alakalı bir tablo yapmıştır Ancak daha sonra gelişen teknik ve teknolojiyle bilim adamları tarafından atomların ağırlıklarını yeniden ölçülmüş ve maalesef Dalton’un hazırladığı bu tablonun hatalı olduğu ortaya çıkmıştır.

 Sabit oranlar kanunu ve katlı oranlar kanunu olarak gördüğümüz bileşiklerdeki kütlesel ilişkilere bakarak 1803 yılında John Dalton, maddelerin çok çok küçük yapı taşlarının topluluğu halinde bulunduğu, fikrini ileri sürdü Dalton atom teorisi olarak ortaya konular temel özellikler şunlardır.

 Maddenin özelliklerini gösteren birim parçacıklar atomlar veya atom gruplarıdır

1. Aynı cins elementlerin atomları birbirleriyle aynıdır.
2. Atomlar içi dolu kürelerdir.
3. Maddenin en küçük yapı taşı atomdur. Atomlar parçalanamaz.
4. Atomlar belli sayılarda birleşerek molekülleri oluştururlar.  1 atom X ile 1 atom Y den XY, 1 atom X ile 2 atom Y den XY₂ bileşiği oluşur. Oluşan bileşikler ise standart özellikleri moleküller topluluğudur.
5. Farklı cins atomlar farklı kütlelidir.

 Atomla ilgili günümüzdeki bilgiler dikkate alındığında Dalton atom teorisinde üç önemli yanlış hemen fark edilir

 Atomlar içi boş küreler değildir. Boşluklu yapıdadırlar.

1. Aynı cins elementlerin atomları tam olarak aynı değildir.Kütleleri farklı (izotop) olanları vardır.
2. Maddelerin en küçük parçasının atom olduğu ve atomların parçalanamaz olduğu doğru değildir.  Radyoaktif atomlar daha küçük parçalara ayılarak  daha farklı kimyasal özellikte başka atomlara ayrışabilir;proton, nötron, elektron gibi parçacıklar saça bilirler.

 2.   THOMSON ATOM TEORİSİ

 İngiliz fizik alimlerinden biri olup, elektronlar hakkındaki çalışmalardan dolayı 1906 da Nobel fizik ödülünü almıştır. 1885’te içi boş bir cam tüp içerisinden elektrik akımları üzerinde çalışırken ışınları tüpün negatif (katot) kutbundan geldiğini görmüş ve ilk defa katot ışınlarını bulmuştur. Böylece elektronları da bulmuştur. Ve sonuç olarak elektronların her atomun tabiatında var olan temel parçacıklar olduğunu söylemiştir.

Dalton atom modelinde (-) yüklü elektronlardan ve (+) yüklü protonlardan söz edilmemiştir. Yapılan deneyler yardımıyla ; katot ışınlarından protonun varlığını ortaya koymuştur. Thomson atom altı parçacıklar üzerinde çalışmalar yaparken icat ettiği katot tüpü yardımıyla 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya attı Thomson’a göre “ Atom dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup ve negatif yüklü olan elektronlar ise kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre içerisine gömülmüş haldedir”

 ELEKTRON’UN KEŞFİ 

               Maddenin yapısına ilk olarak modern yaklaşım Thomson’un katot ışınlarını inceleyerek elektronun keşfi ile başlar. Thomson : elektriksel gerilim uygulanan katot ışınları tüpünde katot ışınların negatif kutup tarafından itildiğini pozitif kutba doğru çekildiğini tespit etti.

               Aynı cins elektrik yüklerinin bir birini itmesi ve farklı yük elektrik yüklerinin birbirini çekmesi nedeniyle Thomson katot ışınlarının negatif elektrik yüklerinden olduğu sonucu çıkardı.

Thomson deneyinde katot için farklı madde kullandığında ve deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda da katot ışınlarının aynı davranışta bulunduğunu gördü. Böylece elektronun maddenin cinsinin karakteristik bir özelliği olmadığını bütün atom cinsleri için elektronun her birinin aynı olduğunu neticesini ortaya koydu.

Elektron negatif yüklü olduğundan elektriksel alanda pozitif kutba doğru saparlar. Elektriksel alandaki bu sapmalar taneciğin yükü (e)ile doğru, kütlesi(m) ile ters orantılıdır. Yükün kütleye oranı (e/m) bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir.

 PROTONUN KEŞFİ

      Katot tüpleriyle elektron elde edildiği gibi, elektrik deşarj (boşalma ) tüpleri ile de pozitif iyonlar elde edilir. Bu tüplerde uygulanan yüksek gerilim sonucunda atomdan elektronlar koparılarak pozitif iyonlar oluşturulur. Oluşan bu pozitif iyonlar bir elektriksel alanda elektronun ters yönünde hareket ederek negatif elektrota (katota) doğru ilerler. Bu iyonların büyük bir kısmı hareketleri sırasında ortamdaki elektronlara çarparak nötral atomlar oluştururlar. Çok az bir kısmı ise yollarına devam ederek katota erişirler. Eğer ortası delikli bir katot kullanılırsa , pozitif parçacıklar delikten geçerler. Bu ışınlara pozitif iyonlaryada kanal ışınları denir.

               Pozitif iyonlar için e/m nin saptanmasında katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı. Katot ışınlarında katot maddesi ne olursa olsun elde edilen ışınların e/m oranı hep aynı bulunmuştu. Oysa pozitif ışınlarda elde edilen e/m oranı tüpteki gazın oranına göre farklı olduğu bulundu

 Bu bilgiler ışığında Thomson’un atomla ilgili fikirlerini aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz

 Protonlar ve nötronlar yüklü parçacıklardır. Bunlar yük bakımından eşit, işaretçe zıttılar. Protonlar +1 birim yüke, elektron ise –1 birim yüke eşittir.

1. Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler toplamı sıfıra eşittir.
2. Atom yarı çapı 10^-8 cm olan bir küre şeklindedir. Söz konusu küre içerisinde proton ve elektronlar atomda rasgele yerlerde bulunurlar. Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer.
3. Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek  kadar küçüktür. Bu nedenle  atomun  ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder.

Nötron  denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson atom teorisinin eksikliklerinden biridir. Proton ve elektronların atomda rastgele yerlerde bulunduğu iddiası ise teorinin hatalı yönüdür.

 3.   RUTHERFORD MODELİ

 Atomun çekirdeğini ve ilgili bir çok özelliğin ilk defa keşfeden bir bilim adamıdır. Yeni Zellanda’da  doğmuş ve başarılı bir öğrenci olduğundan 1894 yılında İngiltere’ye gelmiştir. İlk önceleri elektromanyetik radyasyon hakkında çalışmalar yapmıştır. Daha sonraları ilgisini X ışınlarına ve radyoaktiviteye çevirmiştir. Farklı tipte elektromanyetik radyasyonların varlıklarını ortaya atmış bunlara ilk defa  a,b ve g sembolleri ve isimlerini vermiştir. Devamla a ışımasının helyum çekirdeği, b ışımasının ise elektron içerdiğini bulmuş ve bu çalışmasından dolayı 1908 yılında kimya Nobel ödülü almıştır. 1911 yılında atomun kütlesinin çoğunu içine alan çok küçük bir merkezinin olduğunu ortaya attı, ve buna çekirdek adını verdi.

Atomun yapısının açıklanması hakkında önemli katkıda bulunanlardan biride Ernest Rutherford (Öırnıst Radırford) olarak bilinir. Rutherford’dan önce Thomsan atom modeli geçerliydi bu kurala göre atom küre şeklindedir. Ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunur. Acaba bu proton ve elektronlar atom içerisinde belirli bir yere mi yoksa rast gele mi dağılım içerisinde mi bulunuyordu? Bu sorunun cevabı daha bulunamamıştı. Rutherford bu sorunun cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı alfa  (a) parçacıkları deneyinde bir model geliştirdi

Polonyum ve radyum bir a- ışını kaynağıdır. Rutherford bir radyoaktif kaynaktan çıkan a- taneciklerini bir demet halinde iğne ucu büyüklüğündeki yarıktan geçirdikten sonra kalınlığı 10^-4 cm kadar olan ve arkasında çinko sülfür (ZnS) sürülmüş bir ekran bulunan altın levha üzerine gönderdi. Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen a - parçacıkları ekrana sürülen ZnS üzerine ışıldama yaparlar. Böylece metal levhayı geçen a - parçacıklarını sayma imkanı elde edilmiş olunur. Rutherford yaptığı deneyde metal levha üzerine gönderilen a - parçacıklarının %99,99 kadarının ya hiç yollarında sapmadan ya da yollarında çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kısmının ise metale çarptıktan sonra büyük bir açı yaparak geriye döndüklerini gördü. Rutherford daha sonra deneyi altın levha yerine kurşun, bakır ve platin levhalar üzerinde denedi. Hepsinde de aynı sonuç ortaya çıktığını gördü.

Kinetik enerjisi çok yüksek olan çok hızlı olarak bir kaynaktan çıkan a - parçacıklarının geriye dönmesi için

1. Metal levhada pozitif kısmın olması
2. Bu pozitif yüklü kısmın kütlesinin (daha doğrusu yoğunluğunun) çok büyük olması gerekir.

Bu düşüncelerden harekele Rutherford bu deneyden şu sonucu çıkardı:

Eğer a - tanecikleri atom içerisinde ki bir elektrona çarpsaydı kinetik enerjileri büyük olduğu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam edebilirdi. Ayrıca a -  taneciği pozitif, elektron olduğundan söz konusu almaması gerekliydi. Bu düşünceyle hareket eden Rutherford metale çarparak geriye dönen a -  parçacıklarının sayısı metal levhadan geçenlere oranla çok küçük olduğundan atom içerisinde pozitif yüklü ve kütlesi büyük olan bu kısmın hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olması gerektiğini düşünerek, bu pozitif yüklü kısma çekirdek dedi.   

Rutherford atomun kütlesini yaklaşık olarak çekirdeğin kütlesine eşit olduğu ve elektronlarda çekirdek etrafındaki yörüngelere döndüğünü ileri sürmüştür. Buna göre Rutherford atomu güneş sistemine benzetmiş oluyor. Rutherford atom modelini ortaya koyduğunda nötronların varlığı daha bilinmiyordu Günümüzde ise çekirdeğin proton ve nötronlar içerdiği ve bunların çekirdeğin kütlesini oluşturduklarına inanılmaktadır. Rutherford’un ortaya koyduğu atom modelinin boyutlarını da anlamak önemlidir. Bunu şu şekilde ifade edebiliriz. Eğer bir atomun çekirdeği Bir tenis topu büyüklüğünde olsaydı, bu atom büyük bir stadyum büyüklüğünde olurdu.

 .   BOHR ATOM TEORİSİ

 Bohr ,Danimarkalı bir fizikçidir.Doktorasını bu şehirde bitirdikten sonra 1911 yılında J.J. Thomson ile birlikte çalışmak için İngiltere’ye gitti. Birkaç yıl içinde ciddi ve başarılı çalışmalarda bulunarak atomların yapısını ve spektrumların açıklanışı hakkında teorisini ortaya koymuş ve kitap halinde yayınlamıştır. Daha sonra Kopenhag’a geriye dönmüş ve orada teorik fizik enstitüde yöneticilik yapmıştır. Bu enstitüde gerek kimya ve gerek fizik dalında bir çok Nobel ödülü kazanmış olan W. Heisenberg , W.Pouli ve L. Pauling gibi bir çok genç bilim adamı yetiştirmiştir. Atomun ilk kuantum modelini önerdi. Kuantum mekaniğinin ilk gelişmesinde aktif olarak katıldı ve bu konuda pek çok felsefi çalışmalar yaptı. Çekirdek fiziğine,çekirdeğin sıvı damlası modelinin geliştirilmesinde büyük rol oynadı. Atomların yapısı ve onlardan yayılan ışınım üzerine yaptığı çalışmalar için 1922'de fizikte Nobel ödülünü kazandı.

.Buraya kadar anlatılan atom modellerinde atomun çekirdeğinde (+) yüklü proton ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların dolaştığı ifade edildi. Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede dolaştığı, hızı ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya konmadı. Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan inceledi.

1. Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıkta ve kararlı hâllerde hareket ederler. Her kararlı halin sabit bir enerjisi vardır.
2. Her hangi bir enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir.
3. Elektronlar kararlı hallerden birinde bulunurken atomdan ışık (radyasyon) yayılmaz. Ancak yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar. Bunlara E=h.ν 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 pozitif bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak “n” ile gösterilir. (n : 1,2,3, ...∞ )

Bugünkü atom modelimize göre : Borh kuramını elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettiği, ifadesi yanlıştır.

 1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı. Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu. En düşük enerjili durumdaki atoma temel durumdaki atom, enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atom denir. Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer, bu sırada ışık yayınlanır. Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerine başarıyla uygulandı.Ancak bu model çok elektronlu atomların davranışlarını açıklayamadığından yaklaşık 12 yıl geçerli kaldı. Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı Daha sonra yerini Modern atom modeli aldı.

Bohr’a göre elektronlar çekirdek belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler izler. Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan ( n = 1 ) K tabakası en düşük enerjilidir Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarı çapı  ve kabukta bulunan elektronun enerjisi artar.Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken ( n = ∞ ) elektronla çekirdek arasında çekim kuvveti bulunmaz. Bu durumda elektronun potansiyel enerjisi sıfırdır. Elektron atomdan uzaklaşmış olur. Bu olayaiyonlaşma denir

Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektronun bir potansiyel enerjisi oluşur. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hale gelir, potansiyel enerjisi azalır. Buna göre elektronun her enerji düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur. Yani negatif olur. Bohr hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde K yörüngesi ) bulunan elektronun enerjisini –313,6 kkral/mol olarak bulmuştur.

 5.   DE BROGLİE’UN ATOM TEORİSİ

 Bohr’ın atom modeli elektronların yörüngeler arası geçişlerinin mümkün kılan“enerji  ( kuvantum ) sıçramalarını “ açıklamakta yetersiz kalmaktaydı . Bunun çözümü Fransız fizikçi  Prens Victor De Broglie tarafından teklif edilmişti. De Broglie bilinen bazı taneciklerin uygun koşullar altında tıpkı elektromanyetik radyasyonlar gibi bazen de elektromanyetik radyasyonlara uygun şartlarda tıpkı birer tanecik gibi davrana bileceklerini düşünerek elektronlara bir sanal dalganın eşlik ettiğini öne sürerek bir model teklif etti . Bu modele göre farklı elektron yörüngeleri çekirdeğin etrafında kapalı dalga halkaları oluşturmaktaydı.

 6.   BORN’UN ATOM TEORİSİ

 Almanyalı kuramsal bir fizikçi olan Born Heisenberg’in ilkesini katlamakla beraber bir takım olasılık ve istatistiki  hesaplar neticesinde bir elektronun uzaydaki yerini yaklaşık olarak Born Schrödinger’in dalga mekaniği ile kuvantum teorisi arasında bir bağıntı kurdu . Böylece elektronun uzayın bir noktasında bulunması ihtimalinin hesaplana bilineceğini göstermiş oldu.