4. ATOMUN KUANTUM MODELİ

1. 4. ATOMUN KUANTUM MODELİ

2. ATOMUN YAPISINDAKİ KANUNLAR

3. ATOMDAKİ KANUNLAR • ÇEKİM (CAZİBE) KANUNU: Atomun çekirdeğinde pozitif yüklü protonlar, etrafında ise negatif yüklü elektronlar bulunmaktadır. Bu iki zıt değer birbirini çekmektedir. • MERKEZKAÇ KUVVETİ: Protonlar, etrafındaki elektronları dağılmadan çekebilmesi ve döndürebilmesi için, çekirdek maddesinin çok büyük ve ağır olması gerekmektedir.

4. Bu yüzden de protonlar, elektronlardan yüzlerce kez daha büyüktür ve ağırdır; çünkü etrafındaki elektronları dağılmadan çekebilmesi ve döndürebilmesi için protonun ağır olması gerekir. 1 elektronun ağırlığı 1 birimdir. 1 proton ondan tam 1836 defa daha ağırdır; protonun ağırlığı 1836 birimdir. Bu ağır cisim etrafında, hafif olan elektronlar çok hızlı hareket etmektedirler. Elektronlar, bu süratli dönüşleriyle yörüngede kalmaktadırlar. Her elektronun hızı farklı farklıdır.

5. Etrafta çok hızlı hareket etme, çekirdekte ise ağır bir yük yüklenme vardır. Dolayısıyla ağırlık, merkezdedir. Çekirdeğin veya merkezi tutan ağırlığın önemi büyüktür. Çekirdeğe en yakın elektron en yüksek hıza sahiptir. Çekirdekten uzaklaştıkça elektronların hızı azalır. Çekirdeğin etrafındaki elektronlar biraz yavaş dönseydi, elektronlar dağılıp gidecek ve çekirdek yok olacaktı. Bunu koca dünya çekirdeğinin müthiş bir gürültü ile infilak edip yok olması takip edecekti.

6. Elektronlar, dönmesi gerekenden biraz daha hızlı dönseydi ve elektron çekirdeğe yanaşsaydı, düzenlilik yine bozulacaktı. Bu kanunun sosyal boyutuyla ilgili şunları söyleyebiliriz: En iyisi konumumuzun gereğini yerine getirmektir. Gerekli donanımı olmadığı hâlde, olduğundan fazla gözükerek kendilerini ülkesine hizmet ediyor gibi gösterip çekirdeğe yanaşanlar, bu yanaşmanın gereği olan samimi çalışkanlığı, başka niyetleri olduğundan dolayı sergilemediklerinden, kendilerine zarar verirler.

7. Çekirdeğe yakın elektronlar daha hızlı döner. Bunların yakınlığı ise uzaklık sebebi olmuştur. Gerekli donanımı olduğu hâlde, kendinden beklenen hızı göstermeyenlerin durumu ise şöyledir: Çekirdeğin cazibesi devam ettiği, çekirdek fırlatmadığı hâlde, onlar kendiliklerinden dağılıp giderler, çekirdekten uzaklaşırlar. Burada çekirdeğin de yok olması söz konusudur ki bu çok tehlikeli ve veballi bir durumdur; çünkü insan, iradesi olan bir varlıktır.

8. Doğrusu elektron gibi insanın da kendi makamında olmasıdır. Olduğundan fazla ya da noksan görünmemelidir. Aşırı alçak gönüllülük de gururdandır. Çekirdek çok ağır yük taşır. Elektron ise çok rahatlıkla akıp gider. Elektronların çekirdekten uzaklıkları, 1 mm’nin milyonda biri kadardır. Saniyedeki hızları ise 1000 km ile 15 000 km arasında değişir. Bu hızdaki elektronlar, çekirdek etrafında minicik yollarında saniyede milyarlarca defa tur atarlar.

9. Elektronların dönüş hızı her atomda farklı farklıdır. Hızlarını hiç kesmeden dönerler. Merkezkaç kuvvet bu dönüşle oluşur. • İTME (DAFİA) KUVVETİ: Aynı yükler birbirini iter. Çekirdekte birden fazla proton bulunursa bunlar, pozitif yüklü, yani aynı yüklü oldukları için birbirlerini iterler. Hidrojen hariç bütün atom çekirdeklerinde birden fazla proton bulunur. Elektronlar da, negatif yüklü, yani aynı yüklü oldukları için birbirlerini iterler.

10. NÜKLEER KUVVET (BAĞLANMA ENERJİSİ): Çekirdekteki nötronlar, protonların birbirlerini itmelerini önleyerek bağlayıcı rol oynarlar. Bu da protonlar, nötronsuz bir arada bulunamazlar demektir. Bunun tersi de söz konusudur; nötronlar da her zaman protonlara muhtaçtırlar; çünkü onlar da tek başlarına kaldıkları zaman 13 dakikada yarısı bozulmaya uğrayarak proton ve elektron çıkartırlar. Nükleer kuvveti kavramak için nötronların özelliklerini görelim:

11. Çekirdekteki nötronlar, elektrik bakımından yüksüzdür. Yüksüz oldukları için bir madde içinde uzun yol alabilirler. Bu ağır parçalar, ağırlıklarına göre süratlenirler. Hızları, ışık hızından saniyede birkaç km’ye kadar değişir. Nötronların bazıları çok ağırdır; bu ağırlıklarından dolayı öyle hız kazanabilirler ki, en kesif maddelerin bile bir tarafından girip öbür tarafından çıkarlar.

12. Nötronlar bu süratle, 30 cm kalınlığındaki demir ve kurşundan bile geçebilirler. Ancak atom çekirdeğiyle çarpışmalarında enerjilerini kaybederler. Kuş havada ne kadar rahat uçuyor veya balık denizde ne kadar rahat yüzüyorsa, nötronlar da o hız sayesinde o kadar rahat hareket ederler. Bu özellikleri taşıyan nötronlar, çekirdek içinde, enerjilerini, protonları bir arada tutmak için kullanırlar.

13. Hidrojen hariç bütün atom çekirdeklerinde, mutlaka nükleer enerji bulunur. Hidrojen atomunun çekirdeğinde proton 1 adet olduğundan, hem nötrona hem de nükleer enerjiye ihtiyaç yoktur. Einstein, çekirdekteki nükleer enerjiyi E=mc2 formülü ile açıklar. Formüldeki m maddenin kütlesi, c ışık hızı, E ise enerjidir. Nükleer reaksiyonlarda, atom numarası ve kütle numarası korunmaktadır; bu durum kütlenin korunduğu anlamına gelmez. Nükleer reaksiyonlarda kütle kaybı olur.

14. Hidrojen dışındaki bütün atomların, bir tartılan kütlesi bir de hesap edilen kütlesi vardır. Tartılan kütle, mutlak surette her zaman daha az çıkmaktadır. Bu azalan miktar kadar madde, daha ilk oluşumda, hidrojen hariç tüm atomların çekirdeğinde, enerjiye dönüşmüştür. İşte bu enerji, nükleer enerjidir. Olay, saatin kurulup bırakılması gibi de değildir: Protonların birbirlerini itmemeleri için başlangıçta maddenin enerjiye dönüşmesiyle başlayan görevi, nötronlar her an sürdürmektedirler.

15. ZIT SPİNDEN DOLAYI ORTAYA ÇIKAN, ELEKTRONLARI BİR ARADA TUTMAKLA GÖREVLİ KANUN: Hidrojen hariç, bütün atomlarda birden fazla elektron vardır. Elektronlar, negatif yüklü, yani aynı yüklü oldukları için birbirlerini iterler. Bu durumda her iki elektrondan birisinin saat yönünde, diğerinin ise saat yönünün tersi istikamette dönmesi; elektronların birbirlerini itmelerini önleyerek bir arada kalmalarında rol oynar. Zıt spin, farklı yönde dönüş demektir.

16. ELEKTRONLARDAN ENERJİSİ DÜŞÜK OLAN MI YOKSA YÜKSEK OLAN MI HIZLI DÖNER? • 7 enerji düzeyi vardır. Çekirdeğe en yakın olan 1. enerji düzeyi, en uzak olan da 7. enerji düzeyidir. • 1. enerji düzeyinden 7. enerji düzeyine doğru enerji düzeylerinin enerjisi fazlalaşır. 1. enerji düzeyinin enerjisi en az; 7. enerji düzeyinin enerjisi en çoktur.

17. Çekirdeğe yakın elektronlar daha hızlı, çekirdeğe uzak elektronlar ise daha yavaş dönerler. • Herhangi bir atomun üst enerji düzeyindeki elektronların enerjisi daha fazladır. Buna rağmen diğerlerine göre daha yavaş dönerler. Elektronun hızı ile enerji düzeyinin enerjisi ters orantılıdır; bu iki konu birbiriyle karıştırılmamalıdır. • Kimyasal bağ, en üst düzeydeki elektronların bir kısmı ile meydana getirilir.

18. EVRENDEKİ KANUNLARIN DEĞİŞMEDİĞİ GÖRÜLMEKTEDİR • En büyük alemdeki en büyük sistemlerdeki itme ve çekme kanunları ile en küçük atom parçacıklarındaki kanunlar aynıdır. Eğer bu tür kanunlar değişseydi, hiçbir ilim inkişaf edemez ve kanunlar belirli, kararlı olamadığından hiçbir formülden, sabit sayıdan vb. hususlardan bahsedilemezdi. İlimlerin meydana gelmesi, bu değişmez kananlar vasıtasıyla olmaktadır.

19. GÜNEŞ SİSTEMİ İLE ATOM YAPISI ARASINDAKİ BENZERLİKLERBir kısım kürelerin güneşin etrafında peykler hâlinde sürekli dönmeleri gibi elektronlar da atom çekirdeğinin etrafında hareket etmekte ve dönmektedirler.

20. Güneşin büyüklüğüne nazaran dünya ile olan uzaklık mesafesi ne ise, atom çekirdeğinin küçüklüğüne nazaran elektronlar arasındaki uzaklık mesafesi de aynıdır.Elektronların hızı, çekirdeğe olan uzaklıklarına göre değişir. Güneşe en yakın gezegen en fazla hıza sahip olduğu gibi çekirdeğe en yakın elektron da en yüksek hıza sahiptir.

21. Elektronların öz kütlesi, çekirdeğe olan uzaklıklarına göre değişir. Güneşe en yakın gezegen en fazla öz kütleye sahip olduğu gibi çekirdeğe en yakın elektron da en büyük öz kütleye sahiptir. Dünyada en çok bulunan element demirdir. Güneşe bizden daha yakın olan gezegenlerin öz kütlesi demirden fazladır. Güneşe bizden daha uzak olan gezegenlerin öz kütlesi ise demirden azdır.

22. ATOMUN YAPISINDA VE YILDIZLARDA AYNI KANUN GEÇERLİDİR

23. KÜTLESEL ÇEKİM KUVVETİ: Gezegenlerdeki kanundur. m1 x m2 F= G r2 • COULOMB (KULOMB) ÇEKİM KUVVETİ: Atomdaki kanundur. q1 x q2 F= k r2 • G ve k sabit sayıdır. F, çekim kuvvetidir; birimi Newton (N)’dur. r, uzaklıktır. m gezegenlerin kütlesi, q ise elektron ve protonun yüküdür.

24. ATOMUN YAPISINDA KİMYASAL BAĞ DIŞINDAKİ ÇEKİMLER • Atom yapısında, her şey zıddıyla dengelenmiştir: a) Protonların birbirini itmesi nükleer kuvvetle (bağlanma enerjisi) dengelenmiştir. b) Elektronların birbirini itmesi zıt spinli dönüşle dengelenmiştir. c) Protonla elektronun birbirini çekmesi merkezkaç kuvvetiyle dengelenmiştir.

25. Atomun yapısında eşit sayıda proton (+) ve elektron (–) olmasıyla denge sağlanmıştır. • Proton ile elektron birbirini çeker. Elektrondaki merkezkaç kuvveti bu çekimi zıt yönde dengeler. • Elektronlar, atom çekirdeği etrafında ikişerli dolanırlar. Biri saat yönünde, diğeri ise saat yönünün tersi yönde döner. Böylece elektronlar da, kendi aralarında eşlenmiştir.

26. Kainatın herhangi bir noktasında bir partikül yaratılınca onunla birlikte zıt ikizi de meydana gelir. Elektronun zıt ikizi pozitron, protonun zıt ikizi anti proton, nötronun zıt ikizi anti nötron, nötrinonun zıt ikizi anti nötrinodur. • Proton ve nötronun meydana geldiği kuark adı verilen partiküller de çiftler hâlindedir: Yukarı kuark–aşağı kuark, üst kuark–alt kuark, tuhaf kuark–tılsım kuark.

27. Bildiğimiz atomun yapısına karşılık olarak; çekirdeği negatif, elektronu pozitif olan atomlar da vardır. Bu atomlardan oluşan madde; maddenin zıt eşi veya anti madde olarak adlandırılır. Anti madde bazı yıldız sistemlerinde bulunmaktadır. • Elektriğin de pozitif ve negatif olmak üzere iki cinsi vardır.

28. ORBİTAL • Atomda elektronların bulunduğu varsayılan yerlerdir. Maddi varlığı olan bir yapı değildir; meridyen ve paralel daireleri gibidir. • Bir orbitalde en çok iki elektron bulunabilir. • Orbitaller boş, yarı dolu veya tam doludur.

29. ORBİTALLERİN ENERJİSİ • Çekirdeğe en yakın orbitalin enerjisi en düşük, çekirdeğe en uzak orbitalin enerjisi ise en yüksektir. • Orbitallerin enerjisiyle ilgili başlıca 3 kuralı bilmek gerekir: Birincisi; orbitallerin enerjisi n+l değerinin artmasıyla yükselir. İkincisi; n+l değerinin aynı olması durumunda, n sayısı büyük olanın enerjisi daha yüksektir. Üçüncüsü ise; bilinen sıradır.

30. ORBİTAL ENERJİLERİNİN DÜŞÜKTEN YÜKSEĞE SIRALANIŞI • 1s <2s <2p <3s <3p <4s <3d <4p <5s <4d <5p <6s <4f <5d <6p <7s <5f < 6d <7p

31. AUFBAU KURALI • Temel hâlde elektronlar, çekirdeğe en yakın düşük enerjili orbitalden başlayarak sırayla yüksek enerjili orbitale doğru dolarlar. Buna Aufbau kuralı denir.

32. HUND KURALI • Eş enerjili orbitallere, elektronlar önce birer birer yerleşir. Sonra her bir orbitaldeki elektron sayısı ikiye tamamlanır. Buna Hund kuralı denir.

33. KUANTUM SAYILARI • Bohr atom kuramına göre, elektronlar çekirdek etrafında belirli enerji düzeylerinde dolanmaktadır. Enerji düzeyleri, 1’den başlamak üzere sırasıyla 7’ye kadar tam sayılı rakamlarla belirtilir. Bu rakamlara kuantum sayısı denir. • Baş kuantum sayısı, açısal momentum sayısı (ikincil kuantum sayısı), manyetik kuantum sayısı ve spin kuantum sayısı olmak üzere dört çeşit kuantum sayısı vardır.

34. İlk üç kuantum sayısı, elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu yerlerin belirlenmesinde kullanılır. • Bohr atom kuramında bir varsayıma dayanan kuantum sayıları, Schrödinger dalga denkleminde matematiksel analizle de ispatlanmıştır. • Kuantum sayısına kuantum numarası da denir.

35. BAŞ KUANTUM SAYISI (n) • Baş kuantum sayısı “n” harfi ile gösterilir. • n; 1’den başlamak üzere sırasıyla tam sayılı rakamlardır (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). • Baş kuantum sayısı, elektron katmanının çekirdeğe olan uzaklığı ile ilgilidir. • n sayısının büyüklüğü elektronun çekirdeğe olan uzaklığı ve potansiyel enerjisi ile doğru orantılıdır.

36. Baş kuantum sayısına katman veya kabuk da denir. Bu katmanlar 1, 2, 3… gibi sayılardan başka K, L, M… gibi harflerle de gösterilebilir.

37. AÇISAL MOMENTUM SAYISI (l) • İkincil kuantum sayısı da denir. • Açısal momentum kuantum sayısı, “l” ile gösterilir. • l, küçük harf l’dir. • Teorik ve deneysel çalışmalar l’nin, n’ye bağlı olarak bütün tam sayı değerlerini alabileceğini göstermiştir. • l = n–1 formülü ile belirlenir.

38. Açısal momentum kuantum sayısı, elektron bulutunun şeklini ve şekil farkı nedeniyle oluşan enerji seviyelerindeki değişmeyi belirlemede kullanılır. • Açısal momentum kuantum sayısı, baş kuantum enerji düzeylerinin de alt gruplara ayrılabileceğini gösterir. Bu enerji seviyelerine de ikincil katman denir. • İkincil katmanlar s, p, d, f, g gibi harflerle gösterilir. Bunlar, orbital sembolleridir.

39. Bu harfler l’nin her bir sayısal değerine karşılık gelir. • n = 1 olursa; l sadece 0 değerini alır. Bu ifade; 1. enerji düzeyinde açısal momentum kuantum sayısı l = 0 olan yalnız s orbitali olduğunu (1s), bir tane alt kabuk olduğunu belirtir. • n = 2 olursa l; 0, 1 değerlerini alır. Bu ifade; 2. enerji düzeyinde açısal momentum kuantum sayısı l = 0 ve l = 1 olan 2s ve 2p orbitali olduğunu, iki tane alt kabuk olduğunu belirtir.

40. Aynı şekilde n = 3 olursa l; 0, 1, 2 değerlerini alır (s, p, d orbitalleri). • n = 4 olursa l; 0, 1, 2, 3 değerlerini alır (s, p, d, f orbitalleri).

41. s ORBİTALİ • l = 0’dır. • Her bir enerji düzeyinde bir tane s orbitali vardır. • 1s orbitali en küçük, 7s orbitali en büyüktür.

42. p ORBİTALİ • l = 1’dir. • p orbitali çizimlerinde orta kısım boş bırakılır; çünkü s orbitalinin olduğu yerdir. • p orbitalleri px, py ve pz olmak üzere üç çeşittir; bu üç p orbitalinin özdeş oldukları varsayılır; örneğin, Hund kuralına göre p2, px1 ve py1 anlamına gelmez, pz1 de olabilir. Özdeş denilmesinin nedeni, px, py ve pz orbitallerinin ayırt edilememesidir.

43. d ORBİTALİ • l = 2’dir. • 5 çeşit d orbitali vardır. Bunlar; dx2y2, dz2, dxy, dxz ve dyz orbitalleridir.

44. ENERJİ DÜZEYİNDE BULUNABİLECEK EN FAZLA ELEKTRON SAYISI • Enerji düzeyinde bulunabilecek en fazla elektron sayısı, 2n2 formülü ile hesaplanır; n enerji düzeyi numarasıdır.

45. MANYETİK KUANTUM SAYISI (ml) • Manyetik kuantum sayısı, ml ile gösterilir. • Alt katmandaki orbital sayısını, aşağıdaki bağıntı ile hesaplayabiliriz: • ml (Alt katmandaki orbital sayısı) = 2l+1 • Verilen l değeri için ml değeri; 2l+1 kadar farklı değer alır.

46. Açısal momentum kuantum sayısı l olan her bir kabukta, 2l+1 tana orbital yer alır; örneğin l, 1 ise üç tane p orbitali vardır. • I = 0 olursa ml = 0 olur (s). • I = 1 olursa (2 x 1) + 1 = 3 olur. Bundan dolayı da ml = –1, 0,+ 1 değerlerini alır (px, py ve pz). • I = 2 olursa (2 x 2) + 1 = 5 olur. Bundan dolayı da ml = –2, –1, 0, +1, +2 değerlerini alır (dx2y2, dz2, dxy, dxz ve dyz ).

47. ENERJİ DÜZEYİNDE BULUNABİLECEK EN FAZLA ORBİTAL SAYISI • Enerji düzeyinde bulunabilecek en fazla orbital sayısı, n2 formülünden bulunur; n enerji düzeyi numarasıdır.

48. SPİN KUANTUM SAYISI (ms veya me) • Elektronun davranışını belirlemede kullanılan kuantum sayısıdır. • Spin kuantum sayısına, spin kuantum numarası da denir. • Orbitaldaki her iki elektrondan birisinin saat yönünde, diğerinin ise saat yönünün tersi istikametinde dönmesi gerekliliği ile ilgili sayılardır.

49. PAULİ İLKESİ veya PAULİ DIŞARILAMA İLKESİ • Her orbital en fazla 2 elektron alır. Bu iki elektronun kendi eksenleri etrafındaki dönme hareketleri (spinleri) birbirine zıttır. • Elektronların birbirini itmesi zıt spinli dönüşle dengelenmiştir. • Hidrojen hariç, bütün atomlarda birden fazla elektron vardır.

50. Elektronlar, aynı yüklü olduklarından birbirlerini iter. Bu durumda her iki elektrondan birisinin saat yönünde, diğerinin ise saat yönünün tersi istikametinde dönmesi gereklidir ki; elektronların birbirlerini itmelerinin yanında bir arada kalmaları da sağlanmış olsun. Aynen öyle de olmuştur. Zıt spin, farklı yönde dönüş demektir. • İşte, zıt spinden dolayı ortaya çıkan ve elektronları bir arada tutmakla görevli bu kanuna Pauli dışarılama ilkesi denir.