Atom Modelleri
Çok parçalı bir puzzle (yapboz) yaparken ilk parçayı yerine yerleştirmek ancak birkaç denemeden sonra mümkün olur. Parçalar doğru yerleştikçe işiniz kolaylaşır. Uzun uğraşlar sonucunda puzzle tamamlanır. Bilim insanları bugün sahip olduğumuz atomla ilgili bilgilere yapbozda olduğu gibi pek çok uğraş, deneme ve bilgi sonucunda ulaşmışlardır.
Atomu daha iyi anlamak için bilim insanları araştırmalar yapmış, bunun sonucunda çeşitli atom modelleri geliştirmişlerdir. Deneysel gözlemlere dayanarak atomun yapısını ve davranışını akılcı bir biçimde açıklayan şekillere atom modeli denir.
Model yetersiz kaldığında geçerliğini yitirebilir. Bu durumda yeni gözlem ve deneyler yapılarak elde edilen bulgular genişletilir ve yeni modeller ortaya atılır.
Atom hakkında ilk bilimsel model John Dalton (Can Daltın) tarafından ortaya atılmıştır.
Dalton Atom Modeli
Democritus’un bir elementin en küçük birimine ‘‘bölünemeyen’’ anlamında atomos adını verdiğini daha sonraki yıllarda Lavoisier’nin Kütlenin Korunumu Yasası’nı bulduğunu biliyorsunuz. Proust (Prus)’un sabit oranlar, Dalton’ın Katlı Oranlar Yasası’nı bulması bilimsel anlamdaki ilk atom modeli olan Dalton atom modelinin temelini oluşturur.
Bilardo topuna benzetilen Dalton atom modelinin varsayımlarını maddeler hâlinde inceleyelim:
• Madde, atom denilen küçük taneciklerden oluşmuştur.
• Atomlar kimyasal tepkimelerde parçalanamaz, bölünemez, yoktan var edilemez, varken yok edilemez ve başka bir atoma dönüşemez.
• Kimyasal tepkimelerde atom türü ve sayısı korunur.
 |
| H(2)O oluşurken atom sayısı ve türü korunur. |
• Atomlar çok yoğun, içi dolu kürelerdir.
• Bir elementin bütün atomları büyüklük, şekil ve kütle bakımından özdeştir.
• Farklı element atomları birbirinden farklıdır.
• Farklı element atomlarının belirli oranda birleşmesinden bileşikler oluşur. Ancak zaman içinde Dalton atom modelinin yanlışları olduğu anlaşılmıştır. Bu yanlışlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
Günümüzden Dalton Atom Modeline Bakış
• Atomun içinde daha küçük tanecikler (atom altı tanecikler) vardır.
• Radyoaktif tepkimeler sonucunda atom parçalanabilir.
• Atomun büyük kısmı boşluktur.
• Bir elementin bütün atomları aynı değildir, aynı elementin farklı kütleli olan atomları vardır (izotop atomlar).
Thomson Atom Modeli
Joseph John Thomson (Jozef Can Tamsın) katot ışınları ile yaptığı deneylerde negatif (-) yüklü taneciklerin (elektronların) varlığını kanıtlamıştır. Elektronun varlığının kanıtlanmasından sonra Thomson, Dalton atom modelini de göz önünde bulundurarak yeni bir atom modeli ortaya atmıştır.
Üzümlü keke benzetilen Thomson atom modelinin varsayımları aşağıdaki şekildedir:
• Atomlar çapları yaklaşık 10-8 cm olan kürelerdir.
• Elektron adı verilen negatif (-) yüklü tanecikler, pozitif yüklü atomun içinde homojen olarak dağılmıştır.
• Atomdaki negatif (-) yük sayısı, pozitif (+) yük sayısına eşit olup atomlar yük bakımından nötrdür.
• Elektronların kütlesi atomun kütlesi yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu için atomun kütlesini pozitif yükler oluşturur.
Günümüzden Thomson Atom Modeline Bakış:
• Atomdaki pozitif (+) ve negatif (-) yükler atomda homojen olarak dağılmaz.
• Atomdaki pozitif (+) yükler çok küçük hacme sıkışmışken negatif (-) yükler çok büyük hacim kaplar.
• Atomda bulunan pozitif tanecikler atom kütlesinin yaklaşık yarısını oluşturur.
Rutherford Atom Modeli
Rutherford (Radırford), Thomson atom modelinin doğruluğunu kanıtlamak için alfa saçılması deneyini yapmıştır. Bu deneyde radyoaktif bir elementten elde ettiği pozitif yüklü (+) alfa taneciklerinin ince altın levhada saçılmalarını gözlemlemiştir.
Gözlem sonucuna göre pozitif yüklü taneciklerin büyük bir kısmının levhadan hiç sapmadan geçmesi atomun büyük kısmının boşluk olduğunu gösterir. Alfa taneciklerinin az bir kısmının saparak geçmesi, çok az kısmının ise levhaya çarparak geri dönmesi pozitif yüklü taneciklerin atomun merkezinde çok küçük bir hacimde toplandığının kanıtıdır. Rutherford, deney sonuçlarını değerlendirerek gezegen modeli olarak da bilinen yeni bir atom modeli geliştirmiştir.
Rutherford atom modeline göre:
• Bir atomda pozitif yükün tümü, çekirdek denilen küçük bölgede toplanmıştır.
• Çekirdek çapı yaklaşık 10-12 - 10-13cm, atom çapı ise 10-8 cm olduğundan atom hacminin büyük bir kısmı boşluktur. Elektronlar bu boşlukta bulunur ve çekirdek etrafında döner.
• Çekirdekteki (+) yük miktarı bir elementin tüm atomlarında aynıdır, farklı elementin atomlarında farklıdır.
• Atomdaki elektron sayısı çekirdekteki proton sayısına eşittir.
• Pozitif yüklerin toplam kütlesi, atomun kütlesinin yaklaşık yarısı kadardır. O hâlde çekirdekte kütlesi protonun kütlesine eşit yüksüz tanecikler bulunur.
Rutherford atom çekirdeğini Güneş’e, çekirdeğin etrafındaki elektronları da gezegenlere benzetmiştir. Yüksüz taneciklerin (nötron) varlığını öngörmesi bu modelin başarısıdır. Rutherford’un öngördüğü yüksüz taneciklerin varlığını ilerleyen yıllarda James Chadwick (Ceymis Çedvik) kanıtlamıştır.
Günümüzden Rutherford Atom Modeline Bakış:
• Çekirdek etrafında dönen elektronların neden pozitif yüklü çekirdek üzerine düşmediğini açıklayamamıştır.
• Rutherford atom modeli, elektronun davranışını açıklamada yetersiz kalmıştır.
Rutherford atom modelindeki eksiklikler yeni bir atom modelinin ortaya atılmasına neden olmuştur.
Bohr Atom Modeli
Havai fişeklerden yayılan renkli ışıklar nasıl oluşur? Alevin üzerine bir miktar yemek tuzu döküldüğünde alev rengi sarıya dönüşür. Alev renginin sarıya dönüşmesi ve havai fişeklerde görülen renkli ışıkların nedeni farklı elementlerin ısıtıldıklarında farklı frekanslarda ışın yaymasıdır. Kalsiyum ve stronsiyum bileşikleri alevin rengini kırmızı, bakır bileşikleri yeşil, potasyum bileşikleri menekşe rengine dönüştürür.
Elementlerin alev rengi üzerinde yaptığı değişiklikler (alevin rengini farklı renklere dönüştürmesi) maddeler için ayırt edici bir özelliktir.
Platin tel alev rengi gözlemlenecek çözeltiye daldırılarak aleve tutulduğunda çözeltideki atomlar alevden ısı alır. Bir maddenin ısı enerjisini almasına absorbsiyon (soğurma), aldığı enerjinin bir kısmını ışıma olarak geri yaymasına emisyon (yayma) denir.
Beyaz ışık cam prizmadan geçirilirse kırmızıdan mora kadar renkleri içeren gökkuşağında gördüğümüz renk tayflarını oluşturur. Yüksek sıcaklığa kadar ısıtılan maddelerin yaydığı bu ışınlar, prizmadan geçirilirse değişik açılarla kırılarak farklı renkleri içeren çizgiler oluşturur. Bu çizgilere ışık spektrumu adı verilir.
Her maddenin ışık spektrumu birbirinden farklıdır ve ışık spektrumları atomun yapısı hakkında bilgi verir.
Niels Bohr (Nils Bor) hidrojenin spektrumunu inceleyerek yeni bir atom modeli ortaya atmıştır.
Yörüngeli model olarak da bilinen Bohr atom modeline göre;
• Elektronlar çekirdekten belirli uzaklıkta ve belirli enerjiye sahip yörüngelerde bulunur. Bu yörüngelere; enerji düzeyi (seviyesi), katman veya kabuk denir.
• Enerji düzeyi bir tam sayı ile belirtilir. Çekirdeğe en yakın enerji düzeyi 1 olmak üzere n = 1, 2, 3, 4... sayı veya K, L, M, N... gibi harflerle ifade edilir. Çekirdeğe en yakın kabuk minimum, en uzaktaki kabuk maksimum enerjiye sahiptir.
• Elektronun çekirdeğe en yakın en düşük enerjili hâline atomun temel hâli denir. Temel hâlde atom kararlıdır ve ışın yaymaz.
• Elektronun dışarıdan enerji alarak daha yüksek enerji düzeyine geçmesine atomun uyarılmış hâli denir. Atom uyarılmış hâlde kararsızdır. Kararlı olmak için düşük enerjili temel hâle geçer. Temel hâle geçerken aldığı enerjiyi ışıma olarak geri verir.
• Yayılan ışığın enerjisi, iki enerji düzeyi arasındaki enerji farkına eşittir. Işığın enerjisi, ΔΕ = Eyüksek– Edüşük olarak hesaplanır.
Günümüzden Bohr Atom Modeline Bakış:
Bohr atom modeli tek elektronlu atomların (1H , 2He+ , 3Li2+ gibi) davranışını kolayca açıklarken çok elektronlu atomların davranışını açıklamada yetersiz kalmıştır.
Bohr atom modelinde bahsedildiği gibi elektronların yeri tespit edilemez. Ancak modern atom teorisine (bulut modeli) göre elektronların bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgelerden bahsedilebilir. Bu bölgelere elektron bulutu (orbital) denir. Elektronun davranışını açıklaması bakımından modern atom teorisi oldukça önemlidir.