Transcript bohr atom modeli - Fiziklerin Efendisi

NÜKLEER SİLAHLANMAYA HAYIR
SEDA DAĞBAŞI
11/D
185
Thomson Atom Modeli
J. J. Stoney’ın elektronu keşfinden sonra, J.J.Thomson 1897
yılında katot ışınlarının magnetik ve elektrik alanlarında sapmalarını
gözleyerek elektronlar için yük/kütle (e/m) oranını saptamayı
başarmıştır. Bu amaçla Thomson aşağıdaki şekilde görülen katot
ışınları tübüne benzer bir tüp kullanmıştır.
Cihazın Çalışması : Başlangıçta herhangi bir elektriksel ve magnetik alan
yokken delikten geçen ışın A noktasına düşer. Işığın doğrultusuna dik bir
magnetik alan uyulanırsa ışın yolundan sapar ve A noktasından r kadar
uzaklaşır. Ve B noktasında bir ışıldama meydana gelir. Magnetik sapmayı
sağlayan kuvvet; magnetik alan şiddetine, elektronun yüküne ve hızına
bağlıdır.
F = HeV
(1)H : Magnetik alan şiddeti
e
v
: elektronun yüküv
: elektronun hızı
elektronun dairesel hareketi için etkiyen kuvvet ise
F = mv2/r
(2)m : elektronun kütlesi
v : elektronun hızı
olduğundan 2 kuvvet birbirine eşitlenirse ve e/m oranı
e/m = v/Hr
(3)
olarak belirlenebilir. Denel olarak r ve H büyüklüğü ölçülebilir. Fakat
elektronun hızı ölçülemez. Elektronun hızı belirleyebilmek için Thomson
magnetik alanın saptırmasını tam olarak karşılayabilcek elektrik alanı
uygulayarak B noktasına düşen demeti A noktasına geri kaydırmıştır. Bu
elektrik ve magnetik kuvvetlerin eşit olması anlamına gelir.
Hev = eE
(4)E : elektrik alan
Buradan v = E/H yazılabilir. Bu sonuç 3 nolu eşitlikle birleştirilirse
e/m = E/H2r
(5)
yazılabilir. e/m oranı bu şekilde –1.7588´1011 C/Kg olarak belirlenmiştir.
J.J. Thomson döneminde atomların kütleleri ve yarıçapları yaklaşık olarak
biliniyordu. Thomson bu çalışmaları ile atom içersinde negatif yüklü ve atomdan
çok daha küçük parçacıkların bulunduğunu göstermiştir. Ve kendi adı ile anılan
atom modelini önermiştir. Bazen bu modelden bahsedilirken üzümlü kek modeli
de denilmektedir. Modele göre; Madde, küre şeklindeki atomlardan oluşmuştur.
Atomda negatif yüklü elektronlar vardır. Ve elektronların kütlesi atomun
kütlesinden çok küçüktür. Elektriksel nötralliği sağlamak için atomun geri kalan
kısmı pozitif yüklü olmalıdır. Pozitif yük kütlenin çok büyük bir kısımını
oluşturduğuna göre atom, artı yüklü kütlenin homojen olarak dağıldığı bir küredir.
Elektronlar bu küre içinde elektriksel nötralleşmeyi sağlayacak şekilde
serpilmişlerdir.
Thomson Atom Modeli
Yukarıda Thomsonun Atom modeli görülüyor. Elektronun kütlesi ve yükü ise 1913
yılında Robert Millikan tarafından hesaplanmıştır
RUTHERFORD ATOM MODELİ
Ernest Rutherford, fotoğraf plakası ile çevrilmiş yarım mikron kalınlığındaki bir altın
plakayı alfa tanecikleri ile doğrusal olarak bombaladığında, alfa taneciklerinin
çoğunun yön değiştirmeksizin altın plakasının arkasında kalan fotoğraf plakasına
ulaştığını gözlemledi. Bununla beraber bazı alfa taneciklerinin ise büyük açılarla
sapmaya uğradıklarını gözlemledi (Animasyon 1). Rutherford tarafından kullanılan
altın plakanın kalınlığı yaklaşık olarak 2000 atomdan oluşuyordu ve alfa
taneciklerinin çoğu arkadaki fotoğraf plağına ulaştığından altın atomları büyük
boşluklardan oluşmalıydı. Kimi alf ataneciklerinin sapmaları çok fazla olmasının
nedeni atomun bir yerinde pozitif yüklü alfa taneciklerini saptırabilecek güçte
büyük kütleli bir bölge bulunmalıydı (Şekil 2). Rutherford bu deneylerden sonra
çekirdekli atom kuramını 1911 yılında açıkladı.
Rutherford yaptığı deneylere göre bu pozitif yüklü çekirdeğin atomun çapına göre
onbin kat daha küçük olduğunu öne sürdü. Bugünkü bilgiler göre çekirdek çapı
yaklaşık olarak 10–13 cm kadardır. Rutherford atomu bir güneş sistemine
benzeterek atom çekirdeğini güneşe, elektronları da gezegenlere benzetmiştir.
Çünkü deney sonuçlarında anlaşıldığına göre elektronlar atom çekirdeği etrafında
bulunuyorlarsa, çekirdeğe düşmemek için çekirdek etrafında dönmek zorundaydılar
ve onları çekirdeğe çeken coulomb çekim kuvvetine denk bir merkezkaç kuvveti ile
hareket etmeleri gerekiyordu. Böylece elektronlar gezegenler gibi yörüngelerinde
bulunacaklardı (Animasyon 2).
Rutherford Atom Modelinin Eksik Tarafları
Rutherford atom modeli ilk bakışta iyi görülse de modelin ayrıntıları üzerinde
durulmaya başlanırsa bazı eksik noktaların bulunduğu görülür. Rutherford atom
çekideğinin protonlardan oluştuğunu öne sürdü fakat tek pozitif yüke sahip
hidrojen çekirdeğinin neden iki pozitif yükse sahip helyumdan dört kat daha ağır
olduğunu anlamak zordu. Gerçi Rutherford atom çekirdeği içinde protondan
başka türler olabileceğini düşündü ama 1932 yılında Chadwich nötronu
keşfedinceye kadar bu konu karanlık kaldı.
Fakat Rutherford atom modelinin eksik tarafı dediğimizde bu anlaşılmaz. Bu atom
modelinde asıl anlaşılmaz olan başka şeyler sözkonusuydu.
Eğer elektronlar coulomb çekim kuvvetlerini karşılayacak büyüklükte sabit bir
açısal hızla çekirdek etrafında dönmesi sabit bir ivmesinin olması gerektirir.
İvmenin varlığı ise, kuvvetin, momentumun, ve kinetik enerjinin varlığı demektir.
Bu nedenle elektromagetik enerji taşıyan elektronlar, atmosferde enerji kaybeden
yapma bir uydunun dünyaya düşmesi gibi çekirdeğe çakılmalıdır. Enerjisini, ışıma
yolu ile kaybederek elektronun bir spiral bir yörünge üzerinden çekirdeğe düşme
süresi yaklaşık olarak 10-11 saniye kadar olacaktır. Bu süre atomu bizim
boyutlarımız içinde kararlı yapamayacak kadar kısadır. Bu nedenle model
elektromagnetik ışıma hakkındaki bilgilerimizle çelişki oluşturmaktadır.
Atomlar tarafından ışığın yayılması rutherford atom modeline uyar fakat aynı
zaman da bu modeli bozar. Çünkü biz atomların yaydığı ışığı görmeden çok önce,
atomlar çekidek boyutuna kadar büzülmüş olmalıdır. Bu nedenle normal bir
atomda elektronlar çekirdeğin üzerine düşmüş ve saplanmış olmaları gerekir. Fakat
bu düşünce alfa tanceciklerinin saçılması olayına tam ters düştüğü gibi, gazlardaki
çarpışmalardan ve katı ve sıvılardaki atom istiflenmelerinden hareketle elde edilen
atomik büyüklüklerde de uyuşmayacaktır.
Rutherford atom modelinin diğer bir hatası da spektrum analizi ile çelişkiye
düşmesidir. Atom tarafından yayılan ışığın frekansı elektronun çekidek
çevresinde bir saniyedeki dönüş sayısına bağımlı olacaktır. Daha küçük
yörüngelerde dönen elektronların dönme peryodu daha küçük dolayısıyla
yaydıkları ışığın frekansı da daha büyük yörüngelerdeki hareket eden
elektronların yaydıkları ışık frekansına göre daha büyük olacaktır. Bir elektron
ışıma yaptıkça enerji kaybedeceğinden yörünge çapı da gittikçe küçülmelidir.
Böylece yaydığı ışığın frekansı gittikçe artmalıdır. Bir ışık kaynağında birden çok
fazla sayıda atom vardır ve bu atomlardan bazıları ışık yayma işleminin bir
basamağında iken, diğerleri başka basamaklarda bulunabilir. Böylece pratik
olarak bütün dalga boylarında ışık yayması beklenir. Örneğin bir elektrik
boşalması ile ışıklı hale getirilmiş hidrojen gazının sürekli bir ışık spektrumu
vermesi beklenir. Halbuki beklenenin tersine, hidrojen ışığının spektrumu analiz
edildiğinde belirli sayıda keskin çizgiler yani farklı farklı dalga boyları gözlenir.
Bazı atomların bu şekilde yaydıkları ışıklar şekil 2 de ve spektrumları şekil 3 de
görülüyor.
BOHR ATOM MODELİ
Niels Hendrik Bohr, Rutherford atom modeli ile Planck’ın kuantum teorisini
kullanarak 1913 yılında yeni bir atom modeli öne sürdü. Bu yeni model
Rutherford modelinin açıklayamadığı noktalara ışık tutuyordu. Bohr’un atom
teorisi 3 temel varsayıma dayanır.
1.Bir atomda bulunan her elektron çekirdekten ancak belirli uzaklıklardaki
yörüngelerde bulunabilir. Her yörünge belirli bir enerjiye karşı gelir ve
elektron yörüngelerden birinde hareket ederken enerji kaybederek
çekirdeğe doğru yaklaşmaz.
2.Yüksek enerji düzeyinde bir elektron düşük enerji düzeyine inerse
enerji düzeyleri arasındaki enerji farkına eşit enerji yayınlanır.
3. Elektronlar çekirdek çevresinde dairesel yörüngeler izlerler ve
elektronların açısal momentumları ancak belirli değerler alabilirler.
Bu değerler planck sabitine bağımlıdır.
BOHR YÖRÜNGELERİNİN YARIÇAPI
Bohr’un bu modeli H atomu, He+,
Li+2, Be+3 iyonları gibi tek elektronl
sistemlerin spektrumlarını kolyca
açıklayabilmektedir. Bu tip türlerin
atomik yarıçaplarının ne kadar
olduğunu hesaplamaya çalışalım.
Elektron atom çekirdeği etrafında hareket ederken Coulomb çekme kuvveti ve
merkezkaç kuvveti etkisi altındadır. Elektron sürekli aynı yörüngeyi izlediğine göre
bu iki kuvvet birbirine eşit olmalıdır.
Yukarıdaki eşitlikten r değeri
olarak elde edilebilir. Ayrıca Bohr varsayımına göre bir
elektronun açısal momentumu (mvr), h/2 nin katlarına bağlı
değerler alacaktır.
olup buradan
kadar olacaktır. Son bağıntı; 2 nolu bağıntıda yerine konursa;
bağıntısı elde edilmiş olur.
BOHR TEORİSİNİN EKSİK TARAFLARI
Bohr modeli rutherforad atom modeline göre oldukça üstün tarafları olsa da bu
kuramında eksik yönleri söz konusudur.
Elektronun, maddesel nokta şeklinde düşünüldüğünden, yörünce üzerinde enerji
yayımlamadan dönüşleri, yörüngeden yörüngeye atlayışı ve açığa çıkan enerjinin
ışıma halinde alınıp verilmesi açıklanması kolay olmayan bir durumdur.
Bohr atom modeli yalnızca tek elektronlu sistemlerin spektrumlarını açıklayabilir.
Ve çok elektronlu sistemlerin spektrumlarıı açıklamakta yetersiz kalır. Çok
elektronlu atomların spektrumlarında enerji düzeylerinin herbirinin iki ya da daha
fazla düzeye ayrıldığı görülmektedir.
Yine hidrojen gazı, bir elektrik alanı veya magnetik alanda soğurma spektrumları
incelenirse, enerji düzeylerinin çok elektronlu sistemlerde olduğu gibi iki ya da
daha fazla enerji düzeyine ayrıldığı görülür.