Atom bilindiği gibi maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük yapı birimidir. Modern atom kavramının ortaya çıkmasıyla ve yeni geliştirilen teorilerle de beraber atomun doğasına ilişkin düşüncelerimiz gelişti ve yerini yeni ve daha karmaşık teorilere bıraktı. Bugün bilinen ve kabul edilen son teori Kuantum Atom Teorisi olsa da kendinden önceki teorilerin ışığında geliştiğini ve yerini daha kapsamlı teorilere bırakacağını öngörebiliyoruz. Ancak günümüz atom teorileri Bohr Atom Modeli’ni baz alarak geliştiği için bu dersimizde daha çok Bohr Atom Modeli’ne ve hidrojen atomunun Bohr Modeli’ne değineceğiz.
Atomun Yapısı
Bir atomun çapı yaklaşık olarak 10ˉ¹⁰ metredir. Atomun kütlesinin büyük bir bölümünü, yaklaşık 10ˉ¹⁴ metre çapa sahip atom çekirdeği oluşturur. Çekirdek hacim olarak küçük olmasına rağmen atom kütlesinin çoğunluğunu oluşturur. Çekirdek iki parçacıktan oluşur. Bunlar proton ve nötrondur.
Protonlar pozitif yüklü parçacıklar olup elektron yükünü dengelerler. Proton sayısı atomlar için ayırt edici özelliktir.
Nötronlar yüksüz nötr parçacıklardır. Protondan ağır olup yine sayıları atomun cinsine göre değişmektedir.
Elektronlar çekirdeğin dışındaki yörüngelerde hareket ederler ve kimyasal reaksiyonlarda sayısı değişebilen parçacıklardır. Elektronun tam olarak nerede bulunduğunu bilemeyiz. Ancak elektronları belirli yörüngelerde bulunma olasılığına göre kuantum mekaniksel olarak tanımlayabiliriz. Ancak bu olasılık kavramı Bohr Atom Modeli ile değil, 1926 yılında Erwin Schrödinger’in Bohr Atom Modeli’ni bir adım daha öteye taşımasıyla atom modellerine taşındı.
Atom Numarası = Proton Sayısı
Kütle Numarası = Proton Sayısı +Nötron Sayısı
İyon Yükü = Proton Sayısı – Elektron Sayısı
Kuantum Mekaniği ve Atomlar
Hidrojen Atomunun Bohr Modeli
Bohr’un Atom Modeli +Ze yüklü bir çekirdeğin etrafında dönen tek bir elektronu tanımlar ve çekirdeğin etrafında dönen elektron ile doğadaki yıldız sistemlerine benzemektedir. 1913 yılında Niels Bohr hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck’ın kuantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü.
Bohr atom teorisine göre;
- Elektronların bu yörüngelerdeki açısal momentumları h/2π nin tam katları şeklinde olmalıdır.
- Elektron kararlı halde bulunurken foton (radyasyon) yayınlamaz.
- Elektronlar sadece “yörünge” adı verilen belli konumlarda bulunabilirler.
- Elektronun her özel konumu “enerji seviyesi” adı verilen belirli enerji miktarlarına karşılık gelir.
- Enerji seviyeleri kesiklidir. Yörünge numarasına “baş kuantum sayısı” da denir ve “n” ile gösterilir. n=1,2,3,4… gibi tamsayı değerlerini alabilir.
- Bohr’un atom modeli orbitallerin dairesel yörüngeler şeklinde olduğunu varsayar. Ancak bu tam anlamıyla elektronun konumunu açıklamaya yetmez. Çünkü orbitaller, enerji ve elektronun açısal momentumu gibi iki parametreye göre belirlenebilir.
Sadece enerji ile ilgileneceksek Bohr Atom Modeli hala kullanışlı bir modeldir.
Bohr Atom Modeli üzerine daha önce Kuark Bilim Topluluğu Fizik Çalışma Grubu tarafından Türkçeleştirilen “Atomik Yapı” isimli video ilginizi çekebilir (Mobil kullanıcılar için izleme adresi: https://www.youtube.com/watch?v=LQpFziQKW-4).
Ayrıca aşağıdaki uygulama Hidrojen atomunun Bohr Modeli’ne göre elektronun seviyeler arası geçişini göstermektedir.
En düşük enerji seviyesi “taban durumu” olarak adlandırılır ve enerji diyagramında en içteki n=1 yörüngesine karşılık gelir. Eğer elektron n=1 enerji seviyesinde ise atomun “kendi taban seviyesinde” olduğunu söyleriz. Eğer elektron n=1 den daha yüksek bir enerji seviyesinde yer alıyorsa yani n>1 ise “atom uyarılmış haldedir” deriz.
E₁ taban seviyesindeki atomun enerjisi, En n. uyarılmış seviyedeki atomun enerjisi ise,
En > E₁ olur.
Enerji Seviyeleri Arasındaki Geçişler
Bir atomun uyarılmış hale gelebilmesi ve kuantum sıçrama yapılacak enerji seviyesine ulaşabilmesi için yeterince enerjiyi absorbe etmesi (soğurulması) gerekir. Elektronun taban seviyesinden n. seviyeye sıçrayışında atom,
E= En – E₁
enerjisini sağlayabilmelidir.
En azından bir sonraki enerji düzeyine geçiş için yeterli olan enerjinin bulunması gerekir. Enerjinin bundan daha az olan miktarları emilemez ya da depolanamaz.
Uyarılma için enerji, foton parçacıklarının enerjisi şeklinde ya da atom çarpışmalarından elde edilebilir. Uyarılma için atom enerjisini serbest bırakmalı, enerji de kesikli miktarlarda salınmalıdır. Bir foton yayınlanması ile uyarılan atom, kendisini tekrar daha düşük enerji seviyesine taşıma eğilimi gösterir.
Bir Fotonun Soğurulması (Absorbsiyon)
Bir fotonun enerjisinin E=hf olduğunu hatırlarsınız. Burada f frekans ve h ise Planck sabiti idi.
Planck sabiti h= 6.626*10ˉ34 J.s
Eğer fotonun frekansı,
f= (En – E₁) / h
frekans değerine sahipse taban seviyesinden geçişlere izin verilir.
Atom zaten uyarılmış haldeyse ve N. seviyede ise n. seviyeye geçişi için ise;
f= (En – EN) / h
frekansına sahip olmalıdır.
Atom foton emilimi yaptığı için bu sürece “absorbsiyon” ya da “soğurulma” adı verilir.
Sadece belli frekansları olan fotonlar absorbe edilebilir.
Bir Fotonun Yayınlanması (Emisyon)
Yukarıdaki durumun tersi sürece emisyon adı verilir.
Yüksek enerji seviyesindeki fotonun, daha düşük enerji seviyesine geçişi foton yayınlanması (emisyon) olarak adlandırılır. Eğer elektron n. enerji seviyesinden taban seviyesine geçiş yaparsa foton,
f= (En – E₁) / h
frekası ile yayınlanır.
Atom Spektrumu
Beyaz ışık prizmadan geçirildiğinde dalga boylarına göre kırılarak bileşenlerine ayrılır. Buna görünür ışığın spektrumu denir.
Renkler arasında kesin bir sınır olmadığında sürekli spektrum oluşur.
Sürekli spektrum: örneğin ısınan bir kaynaktan karacisim ışıması
Eğer bir atomdan yayılan ışın prizmadan geçirilecek olursa kesikli spektrum ya da çizgi spektrumu elde edilir. Kesikli spektrum ise yayma (emisyon) ve soğurulma (absorbsiyon) spektrumu olarak iki kısımda incelenir.
Kesikli emisyon spektrumu: ısınan şeffaf gaz kaynaklı emisyon.
Kesikli soğurma spektrumu: bir yıldıza ait
Hidrojen Atomunun Spektrumu
Kimyasal elementler çekirdeğin proton sayısına göre belirlenir. 1 elektron 1 protondan oluşan hidrojen atomu basit atomik yapısı, ışık soğurulma ve yayma spektrumu sayesinde atomik yapının geliştirilmesinde önemli rol oynar. Atom iyonize halde değilken elektron sayısı proton sayısına eşittir.
Hidrojenin enerjisi,
En= -R (Z² / n²) ile verilir.
Burada n kuantum sayısını, R Rydberg sabitini (R=1.0973731568525*10⁷ mˉ¹ =13.6056923 eV) Z ise atom numarası (proton sayısı) nı temsil eder.
Hidrojen atomu için Z=1 olduğundan,
E= -13.6 eV olur.
(1 eV= 1.60218*10ˉ¹⁹ Joule)
Uyarılma ve foton yayınlama aşamasında atomun sadece belirli dalga boylarına duyarlı olduğu gözlenmiştir. 1888 yılında Rydberg tarafından geliştirilen;
1/ λ = R ( 1/ n1² -1/n2² )
formülü ile enerji seviyeleri arasındaki geçişler karakterize edilmiştir.
n1 =1 için Lyman Serisi (λ= 91.13 nm)
n1=2 için Balmer Serisi (λ= 364.51 nm)
n1=3 için Paschen Serisi (λ= 820.14 nm)
n1=4 için Brackett Serisi (λ= 1458.03 nm)
n1=5 için Pfund Serisi (λ= 2278.17 nm)
n1=6 için Humphreys Serisi (λ= 3280.56 nm)
(λ en kısa dalga boyunu gösterir.)
İyonizasyon ve Yeniden Birleşme (Rekombinasyon)
Eğer atom çok fazla enerji yüklü ise bir veya daha fazla elektron atomdan uzağa çekilebilir. Bu duruma iyonizasyon adı verilir. Üretilen iyonun artı veya eksi olmasına göre süreç farklı işler. Artı yüklü bir iyon için, atomdaki elektronun onu kısıtlayan elektriksel gerilimden kurtulmasına yetecek miktarda enerjiyi dış kaynaktan soğurması gerekir. Eksi yüklü bir iyon için ise bir elektronun atom ile çarpışıp elektriksel gerilimine kapılması gerekir.
Bir atomun n sonsuz seviye geçişi dikkate alınarak, gerek duyduğu minimum enerjiye ise iyonizasyon enerjisi adı verilir.
Hidrojen için taban seviyesindeki iyonizasyon enerjisi 13.6 eV’tur.
Eğer atomlar sıcak bir ortamda bulunuyorsa, birbirleriyle çarpışmaları sonucu iyonize olurlar. İyonun elektron yakalamasının aksine gerçekleşen bu sürece ise yeniden birleşme süreci denir.
Bu dersimizde atomun yapısını ve atomların kesikli spektrumlarını ele aldık. Astronomi ve Astrofizik Dersleri’nde gelecek konumuz Kirchhoff Yasaları ve Yıldızların Spektrumu olacak. Önceki dersler için aşağıdaki listeyi kontrol edebilirsiniz.
Tuğba Yaşar
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Referanslar:
https://sites.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect5/lecture5.html
Marc L. Kutner, Astronomy: A Physical Perspective, Cambridge University Press, 2003
Neb Duric, Advanced Astrophysics, Cambridge University Press, 2004
https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_formula
http://www.kuark.org/2012/08/bohr-atom-modeli/
Ders1: Astronomide Uzaklıklar
Ders2: Astronomide Açılar
Ders3: Işığın Doğası
Ders4: Yıldızların Renkleri ve Sıcaklıkları
Ders5: Planck Yasası
