Atom Modelleri: Dalton’dan Bohr’a Atomun Yapısı

Dalton’un bölünemez küresi neden yeterli olmadı?

Dalton atom modeli, maddelerin atomlardan oluştuğunu ve elementlerin kendilerine özgü atomlar içerdiğini savunur. Modelde atom, iç yapısı olmayan, bölünemez ve katı bir küre gibi düşünülür. Bu yaklaşım, elementlerin ve bileşiklerin belirli oranlarda oluşmasını açıklamak açısından tarihsel bir başlangıçtır; ancak atomun elektrik yüklü parçacıklar içerdiğini açıklayamaz.

Elektronun keşfedilmesiyle atomun daha küçük bileşenlere ayrılabildiği anlaşıldı. Böylece Dalton’un 'atom bölünemez' kabulü, atomun kimyasal olaylarda temel birim gibi davranması bakımından yararlı kalsa da fiziksel iç yapı açısından yetersiz hale geldi. Burada önemli ayrım şudur: Kaynaklarda belirtildiği gibi kimyasal tepkimelerde atomların oluşturulması ya da yok edilmesi söz konusu değildir; tepkime sırasında atomların türü korunur, atomların bağlanma düzeni değişir. Bu ifade, atomun hiçbir koşulda daha küçük parçacıklara ayrılamayacağı anlamına gelmez.

Thomson modeli: elektron bulundu, fakat çekirdek yoktu

J. J. Thomson’un elektronun varlığını ortaya koymasından sonra atomun içinde negatif yüklü parçacıklar bulunduğu kabul edildi. Thomson modeli, atomu pozitif yükün yayıldığı bir yapı içinde dağılmış elektronlardan oluşan bir bütün olarak tasvir eder. Bu nedenle model, yaygın biçimde 'kuru üzüm kekine' benzetilir.

Modelin açıklamak istediği temel sorun, toplamda yüksüz görünen atomun negatif elektronları nasıl barındırdığıdır. Pozitif yükün bütün hacme yayıldığı ve elektronların bu yapı içinde bulunduğu düşünülür. Ancak bu modelde pozitif yükün küçük ve yoğun bir merkezde toplandığı bir çekirdek bulunmaz.

Rutherford’un saçılma deneyi, Thomson modelinin temel varsayımını sınadı. Eğer pozitif yük atomun her yerine yayılmış olsaydı, hızlı parçacıkların büyük açılarla sapması beklenmezdi. Deneyde parçacıkların çoğu doğrultusunu korurken küçük bir bölümü büyük açılarla saptı. Bu sonuç, atom hacminin çoğunun boş olduğunu ve pozitif yük ile kütlenin çok küçük bir bölgede toplandığını gösteren çekirdek fikrine götürdü.

Rutherford çekirdeği nasıl ortaya çıkardı?

Rutherford atom modelinde atomun merkezinde çok küçük, yoğun ve pozitif yüklü bir çekirdek bulunur. Elektronlar çekirdeğin çevresindeki bölgede yer alır. Modelin en önemli sonucu, atomun büyük kısmının boşluklu bir yapı olduğunun anlaşılmasıdır.

Altın folyo deneyiyle ilişkilendirilen gözlem üç parçalı okunmalıdır: Parçacıkların büyük çoğunluğu folyodan sapmadan geçti; bu, atom hacminde geniş boşluklar bulunduğunu düşündürdü. Daha az sayıda parçacık küçük açılarla saptı; bu, pozitif yük dağılımının homojen olmadığını gösterdi. Çok az sayıdaki parçacığın büyük açılarla hatta geri dönmesi ise yoğun, küçük ve pozitif yüklü bir merkez bulunduğunu destekledi.

Rutherford modeli, çekirdeği açıklamada Thomson modelinden daha başarılıdır; fakat klasik elektrodinamik açısından bir sorun bırakır. Klasik düşünceye göre ivmeli hareket yapan yüklü parçacık enerji yaymalı ve enerji kaybederek çekirdeğe yaklaşmalıdır. Model, atomların kararlı kalmasını ve çizgi spektrumlarını yeterince açıklayamadı. Bu eksikliği gidermek için Bohr, elektronların yalnızca belirli enerji durumlarında bulunabileceğini öne sürdü.

Proton, nötron, elektron: üç sayıyı birbirinden ayırma

Atomun çekirdeğinde proton ve nötronlar, çekirdek çevresindeki elektron bölgesinde ise elektronlar bulunur. Proton pozitif, elektron negatif, nötron ise elektrik bakımından yüksüzdür. Bir elementin kimliğini belirleyen büyüklük proton sayısıdır. Bu sayıya atom numarası denir ve $Z$ ile gösterilir:

$Z = p$

Burada $p$, proton sayısıdır. Dolayısıyla proton sayısı değişirse elementin türü de değişir. Nötr bir atomda pozitif proton sayısı negatif elektron sayısına eşittir:

$p = e$

Ancak atom elektron alır veya verirse iyon oluşur. Bu durumda proton sayısı değişmeden elektron sayısı değişir; elementin kimliği korunur, net elektrik yükü değişir.

Kütle numarası, çekirdekteki proton ve nötronların toplamıdır ve $A$ ile gösterilir:

$A = p+n = Z+n$

Buradan nötron sayısı $n=A-Z$ bağıntısıyla bulunur. Kütle numarası elektronları içermez; çünkü bu gösterimde çekirdek parçacıklarının toplamı dikkate alınır. Atom numarası aynı, kütle numarası farklı atomlar izotoptur. İzotoplarda proton sayısı aynı kalırken nötron sayısı farklıdır. Nötr izotoplarda elektron sayısı da aynı proton sayısına eşittir; iyonlaşma varsa elektron sayısı ayrıca değerlendirilmelidir.

Bohr modelinde enerji düzeyi değişimi nasıl okunur?

Bohr modeli, elektronların atom içinde rastgele her enerjiye sahip olamayacağını; belirli enerji düzeylerinde bulunabileceğini öne sürer. Elektron düşük enerjili bir düzeyden daha yüksek enerjili bir düzeye geçmek için dışarıdan enerji alır. Tersine, yüksek enerjili düzeyden daha düşük enerjili düzeye geçerken iki düzey arasındaki enerji farkını foton olarak yayar.

Geçişin enerji ilişkisi sade biçimde şöyle yazılır:

$\Delta E = |E_2-E_1| = hf$

Burada $\Delta E$ geçişte alınan veya yayılan enerji, $h$ Planck sabiti ve $f$ fotonun frekansıdır. Kaynakta verilen yaklaşık Planck sabiti $6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$ değerindedir. Foton enerjisi geçiş farkına eşit olduğundan, enerji farkı büyüdükçe frekans da büyür. Frekans ile dalga boyu arasındaki $c=f\lambda$ ilişkisi kullanılıyorsa, ışık hızı sabit kabul edildiğinde frekans arttıkça dalga boyu küçülür.

Elektronun en düşük enerjili uygun düzeyde bulunmasına temel durum, dışarıdan enerji alarak daha yüksek düzeye çıkmasına uyarılmış durum denir. Uyarılmış durumdan alt düzeye dönüşte yayılan fotonun frekansı, elektronun geçtiği iki enerji düzeyinin farkına bağlıdır. Bu nedenle atomların çizgi spektrumları, enerji düzeylerinin sürekli değil belirli değerlerde olduğunu gösteren önemli bir kanıttır.

Bohr modeli özellikle hidrojen atomunun spektrumunu açıklamada başarılıdır. Bununla birlikte çok elektronlu atomların davranışını eksiksiz açıklamak için yeterli değildir. Modern atom yaklaşımında elektronun çekirdek çevresinde gezegen gibi kesin yörüngelerde dolaştığı söylenmez; elektronun bulunma olasılığıyla tanımlanan bölgelerden söz edilir.

Çözümlü örnekler: model ve atom sayıları birlikte

Örnek 1 — İzotop ve iyon ayrımı

Verilen: Bir atom için proton sayısı $Z=17$, kütle numarası $A=37$ olsun. Atom nötr değil, $1^-$ yüklü bir iyon olsun.

1. Elementin türünü proton sayısı belirler. $Z=17$ olduğundan elementin kimliği 17 protona sahip atomla aynıdır.
2. Nötron sayısı kütle numarasından bulunur: $n=A-Z=37-17=20$.
3. $1^-$ yük, atomun proton sayısından bir fazla elektrona sahip olduğunu gösterir. Elektron sayısı $e=18$ olur.
4. Aynı elementin $A=35$ olan atomuyla karşılaştırıldığında proton sayısı yine 17, fakat nötron sayısı $35-17=18$ olur. Bu iki atom izotoptur.

Sonuç: Verilen iyonun proton sayısı 17, nötron sayısı 20 ve elektron sayısı 18’dir. İzotopluk kararında elektron sayısına değil, aynı element için proton sayısının aynı ve kütle numarasının farklı olmasına bakılır.

Örnek 2 — Enerji geçişinde yayılan foton

Verilen: Bir elektron, $E_2$ enerji düzeyinden daha düşük enerjili $E_1$ düzeyine geçiyor ve $E_2-E_1=3{,}315\times10^{-19}\ \mathrm{J}$ enerji farkı oluşuyor. $h=6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$ alınsın.

1. Elektron yüksek enerjiden düşük enerjiye geçtiği için enerji almaz, foton yayar.
2. Yayılan fotonun enerjisi geçiş farkına eşittir: $E=hf$.
3. Frekans hesaplanır: $f=E/h=(3{,}315\times10^{-19})/(6{,}63\times10^{-34})$.
4. Sayısal sonuç $f=5{,}0\times10^{14}\ \mathrm{Hz}$ olur.

Sonuç: Geçişte $5{,}0\times10^{14}\ \mathrm{Hz}$ frekanslı bir foton yayılır. Soruda elektronun alt düzeye mi üst düzeye mi geçtiğini önce belirlemek gerekir; yön, fotonun yayılması veya soğurulması kararını verir.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan sınır durumları

1. Atom numarası ile kütle numarasını karıştırmak: Atom numarası yalnızca proton sayısıdır ve elementin kimliğini belirler. Kütle numarası ise proton ve nötron toplamıdır.

2. İzotopu iyonla aynı sanmak: İzotopluk, aynı proton sayısına rağmen nötron sayısının veya kütle numarasının farklı olmasıdır. İyonlaşmada proton sayısı sabit kalır, elektron sayısı değişir.

3. Nötr atom koşulunu iyonlara uygulamak: $p=e$ eşitliği yalnızca nötr atom için kullanılır. Pozitif iyon elektron kaybetmiş, negatif iyon elektron kazanmış kabul edilir.

4. Elektronların her modelde aynı biçimde tanımlandığını düşünmek: Thomson’da elektronlar pozitif yapı içine dağılmıştır. Rutherford’da çekirdek çevresinde düşünülür. Bohr’da belirli enerji düzeyleri vurgulanır. Modern açıklamada kesin yörüngeler yerine olasılık bölgeleri kullanılır.

5. Uyarılmayı iyonlaşmayla karıştırmak: Uyarılmada elektron atomdan kopmadan daha yüksek enerji durumuna geçer. Elektron atomdan tamamen ayrılırsa iyonlaşma söz konusu olur; verilen kaynaklar temel düzeyde özellikle enerji düzeyi değişimini vurgular.

6. Enerji farkı ile foton frekansını ters orantılı sanmak: $E=hf$ olduğundan, Planck sabiti sabitken foton enerjisi ve frekansı doğru orantılıdır. Dalga boyuyla karşılaştırma yapılacaksa ayrıca $c=f\lambda$ bağıntısı gerekir.

7. Rutherford modelini modern atom modeli sanmak: Rutherford çekirdeğin varlığını ve atomun büyük ölçüde boş olduğunu açıklamıştır; ancak kararlılık ve çizgi spektrumları için Bohr yaklaşımına ihtiyaç duyulmuştur. Bohr modeli de tüm atomları eksiksiz açıklayan son model değildir.