Atom Modellerinin Tarihi-Gelişimi

Thomson Atom Modeli :
(1902) üzümlü kek şeklindeki atom modeli;

Thomson atom altı parçacıklar üzerinde çalışmalar yaparken icat ettiği katot tüpü yardımıyla 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya attı. Thomson'a göre Atom dışı tamamen pozitif yüklü bir küre olup ve negatif yüklü olan elektronlar ise kek içerisindeki gömülü üzümler gibi bu küre içerisine gömülmüş hâldedir.



Rutherford Atom Modeli:
(1911) güneş sistemine benzeyen atom modeli;

Thomson'm modeline pek inanmayan Rutherford ünlü alfa saçılması deneyi ile kimya tarihine nükleer atom kavramım sokarak yeni çığır açmıştır. İnce altın levhayı radyoaktif atomların yayınladıkları alfa ışınlarıyla bombardımana tabii tutan Lord Ernest Rutherford gözlemlerine ve deneylerinin sonuçlarına dayanarak, atomun Thomson tarafından hayâl edilmiş "fon statik topluluk olamayacağına hükmetti. Ve atomun yapısını, topta gezegenlerin Güneş'in etrafında gravitasyon kuvvetinin etkisiyle dolandıkları gibi gibi elektronlum da pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında elektriksel çekim kuvvetinin etkisi alanda dolanmakta olduğu dinamik bir model olarak açıkladı.



Bohr Atom Modeli :
(1913) kuvantum teorisinin sahneye çıkışı;

Rutherford atom modeli üzerinde kafa yoran Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, klasik fizik gereği çekirdeğin etrafında dolanan elektronların ivmeli hareketlerinden dolayı, enerji kaybederek çekirdeğe düşmeleri gerektiğini düşündü. Ama hiç de böyle olmamakta ve atom kararlılığını muhafaza etmektedir. Bohr atomun bu karalılığını;

1. Elektron hareketlerinin ancak belirli yörüngeler (enerji seviyeleri) üzerinde mümkün olmasıyla,

2. Elektronun, bir yörüngeden bir başkasına geçişini ise belirli bir miktarda (bir kuvantum miktarında) bir enerji kazanmasına (ya da kaybetmesine) bağlı olduğuna, ve

3. Bir atomda, elektronların daha da alana düşmeyecekleri bir en alt enerji düzeyinin var olmasıyla açıklamaktadır.

De Broglie'un Atom Modeli:
(1923) Broglie'un dalga modeli;

Bohr’n atom modeli elektronların yörüngeler arası geçişlerin mümkün kılan “enerji (kuvantum) sıçramaları” açıklamakta yetersiz kalmaktaydı. Bunun çözümü Fransız fizikçisi Prens Victor De Broglie tarafından teklif edildi. De Broglie bilinen bazı taneciklerin uygun koşullar altında tıpkı elektromanyetik radyasyonlar gibi, bazen de elektromanyetik radyasyonların uygun şartlarda tıpkı birer tanecik gibi davranabileceklerini düşünerek elektronlara bir "sanal dalga”nın eşlik ettiği öne sürerek bir model teklif etti. Bu modele göre farklı elektron yörüngelerini çekirdeğin etrafında kapalı dalga halkaları oluşturmaktaydılar.



Born'un Atom Modeli :
(1927) olasılık kavramına dayanan atom modeli;

Almanya'lı kuramsal bir fizikçi olan Born Heisenberg'in belirsizlik ilke katlamakla beraber bir takım olasılık ve istatistiki hesaplar neticesinde bir elektronun uzaydaki yerini yaklaşık olarak hesap etmenin mümkün olabileceğini öne sürdü. Born Schrödinger'in dalga denklemini olasılık açısından yorumlayarak dalga mekaniği ile kuvantum teorisi arasında bir bağıntı kurdu. Böylece elektronun uzayın bir noktasında bulunması ihtimalinin hesaplanabileceğini göstermiş oldu.

1.1. ATOM MODELLERİ
Bugün bildiğimiz atom bilgisi, teorik ve deneysel konularda yıllardır sürekli yapılan çalışmaların bütünüdür. Çalışmalar sonucunda atomun var-im ı kesin bilgi hâlini aldıktan sonra, onları daha yakından tanımak, özelikleri ile ilgili araştırma ve incelemeler yapmak için modeller tasarlanmaya başlanmıştır. Model, bir konu ya da olayın anlaşılmasını kolaylaştırmak amacıyla tasarlanır, ancak olayın gerçek niteliğini belirtmez.

Atom modelleri; ilim adamları tarafından hayal edilmiş tablolardan ibarettir. Bunlar atomu doğrudan doğruya gözlemleyerek yapılan tasanlar Değildir. En sade atom modelinde atomlar, içi dolu esnek küre olarak kail edilir. Şimdi atom modellerini inceleyelim.

1.1.1. DALTON ATOM MODELİ
Sabit oranlar kanunu ve katlı oranlar kanunu olarak gördüğümüz bileşik-i terdeki kütlesel ilişkilere bakarak 1803 yılında John Dalton, maddelerin çok çok küçük yapı taşlarının topluluğu halinde bulunduğu, fikrini ileri sürdü. Dalton atom teorisi olarak ortaya konulan temel özellikler şunlardır;

1. Maddelerin özelliklerini gösteren birim parçacıklar atomlar veya atom gruplarıdır.

2. Aynı cins elementlerin atomları birbirleriyle tamamen aynıdır.

3. Atomlar içi dolu kürelerdir.

4. Farklı cins atomlar farklı kütlelidir.

5. Maddenin en küçük yapıtaşı atomdur. Atomlar parçalanamaz.

6. Atomlar belli sayılarda birleşerek molekülleri oluştururlar. Örneğin, 1 atom X ile l atom Y’den XY, l atom X ile 2 atom Y den XY2 bileşiği oluşur. Oluşan bileşikler ise standart özellikteki moleküller topluluğudur.

Atomla ilgili günümüzdeki bilgiler dikkate alındığında Dalton atom modelindeki eksikliklere ek olarak üç önemli yanlış hemen fark edilir.

1. Atomlar, içi dolu küreler değildir. Boşluklu yapıdadırlar.

2. Aynı cins elementlerin atomları tam olarak aynı değildir. Kütleleri farklı (İzotop) olanları vardır.

3. Maddelerin en küçük parçasının atom olduğu ve atomların parçalanamaz olduğu doğru değildir. Radyoaktif olaylarda atomlar parçalanarak daha farklı kimyasal özellikte başka atomlara ayrışabilir; proton, nötron, elektron gibi parçacıklar saçabilirler.

1.2. THOMSON ATOM MODELİ
Dalton atom modelinde (-) yüklü elektronlardan ve (+) yüklü protonlardan söz edilmemişti. Yapılan deneyler yardımıyla, katot ışınlarından elektronun, kanal ışınlarından protonun varlığı ortaya konulmuştu. Bu bilgiler ışığında Thomson'un atomla İlgili fikirlerini aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz.

1. Protonlar ve nötronlar yüklü parçacıklardır. Bunlar yük bakımından eşit, işaretçe zıttırlar. Proton + 1 birim yüke; elektron ise -l birim yüke eşittir.

2. Nötr bir atomda proton sayısı elektron sayısına eşit olduğundan yükler toplamı sıfırdır.

3. Atom yarıçapı 10-8 cm olan bir küre şeklindedir. Söz konusu küre içerisinde proton ve elektronlar atomda rast gele yerlerde bulunurlar. Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer.

4. Elektronların kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bu nedenle atomun ağırlığını büyük ölçüde protonlar teşkil eder.

Nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson Atom teorisinin eksiklerinden biridir. Proton ve elektronların atomda rastgele yerlere bulunduğu İddiası ise teorinin hatalı yönüdür.

1.1.3. RUTHERFORD ATOM
Atomun yapısının açıklanması hakkında,önemli katkıda bulunanlardan birisi de Ernest Rutherford (Örnıst Radırford) olarak bilinir. Rutherford'dan önce Thomson atom modeli geçerliydi. Bu modele göre, atom küre şeklindedir. Ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunmaktadır. Acaba bu proton ve elektronlar atom içerisinde belirli bir düzene mi, yoksa rastgele bir dağılım içerisinde mi bulunuyorlar? Bu sorunun cevabı daha bulunamamıştı. Rutherford bu sorunun cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı alfa (a) parçacıkları deneyi sonucunda bir model geliştirmiştir.

Polonyum ve radyum bir a-ışını kaynağıdır. Rutherford, bir radyoaktif kaynaktan çıkan a-taneciklerini bir demet hâlinde iğne ucu büyüklüğündeki yarıktan geçirdikten sonra, kalınlığı 10-4 cm kadar olan ve arkasında çinko sülfür (ZnS) sürülmüş bir ekran bulunan altın levha üzerine gönderdi.

Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen a - parçacıkları ekrana sürülen ZnS üzerinde ışıldama yaparlar. Böylece metal levhayı geçen a - parçacıklarını sayma imkanı elde edilir. Rutherford, yaptığı deneylerde metal levha üzerine gönderilen a- parçacıklarının % 99,99 kadarının ya hiç yollarında sapmadan ya da yollarından çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kısmının ise metale çarptıktan sonra büyük bîr açı yaparak geri döndüklerini gördü. Rutherford daha sonra deneyi altın levha yerine, kurşun, bakır ve platin metallerle tekrarladığında aynı sonucu gördü. Kinetik enerjisi çok yüksek olan ve çok hızlı olarak bir kaynaktan çıkan a - parçacıklarının geriye dönmesi için;

1. Metal levhada pozitif kısmın olması,

2. Bu pozitif yüklü kısmın kütlesinin (daha doğrusu yoğunluğunun) çok büyük olması gerekir.

Bu düşünceden hareketle Rutherford, yaptığı bu deneyden şu sonuçlan çıkardı.

Eğer, a tanecikleri atom içerisindeki bir elektrona çarpsaydı, kinetik enerjileri büyük olduğu için elektronu yerinden sökerek yoluna devam edebilirlerdi. Ayrıca, a - taneciği pozitif, elektron negatif olduğundan geriye dönüş söz konusu olmaması gerekirdi. Bu düşünceyle hareket eden Rutherford, metale çarparak geriye dönen alfa parçacıklarının sayısı metal levhadan geçenlere oranla çok küçük olduğundan; atom İçerisinde pozitif yüklü ve kütlesi büyük olan bu kısmın hacmi, toplam atom hacmine oranla çok çok küçük olması gerektiğini düşünerek, bu pozitif yüklü kısma çekirdek dedi.



Rutherford, atomun kütlesinin yaklaşık olarak çekirdeğin kütlesine eşit olduğunu ve elektronlarında çekirdek etrafındaki yörüngelerde döndüğünü ileri sürmüştür. Buna göre, Rutherford atomu güneş sistemine benzetmiş oluyordu. Rutherford atom modelini ortaya koyduğunda nötronların varlığı daha bilinmiyordu. Günümüzde ise «çekirdeğin proton ve nötronlar içerdiği ve bunların çekirdeğin kütlesini oluşturduklarına inanılmaktadır. Rutherford'un ortaya koyduğu atom modelinin boyutlarını da anlamak önemlidir. Bunu şu şekilde ifade edebiliriz. Eğer, bir atomun çekirdeği bir tenis topu büyüklüğünde olsaydı, bu atom büyük bir stadyum büyüklüğünde olurdu.

He atomu 2 proton, 2 nötron ve 2 elektrondan oluşur. Bir He atomunun 2 elektronu tamamen uzaklaştırılırsa geriye +2 yüklü helyum iyonu (He+2) kalır. Bu iyona alfa (a) parçacığı (alfa ışını) denir.

Bir atomu a - taneciği ile incelemek, bir şeftaliyi uzun bir iğne ile incelemeye benzer, iğnenin şeftalinin ortasında sert bir şeye çarptığını tespit ederek şeftali çekirdeğinin varlığını ve büyüklüğünü onu hiç görmeden anlamak mümkündür. Bu arada şeftali ile çekirdeğinin büyüklüğü ve atom ile çekirdeğinin büyüklüğünün aynı oranda olamayacağı unutulmamalıdır.

1.1.4. Bohr Atom Teorisi
Buraya kadar anlatılan atom modellerinde, atomun çekirdeğinde, (+) yüklü proton ve yüksüz nötronların bulunduğu, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde elektronların dolaştığı ifade edildi. Bu elektronların çekirdek etrafında nasıl bir yörüngede dolaştığı, hız ve momentumlarının ne olduğu ile ilgili bir netice ortaya konmadı. Bohr ise atom teorisinde elektronların hareketini bu noktadan inceledi.

1913 yılında Neils Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck'ın kuvantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Bu bilgiler ışığında Bohr postulatları şöyle özetlenebilir.

1. Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıkta ve kararlı hâllerde hareket ederler. Her kararlı hâlin sabit bir enerjisi vardır.

2. Her hangi bir kararlı enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir.

3. Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon) yayınlamaz. Ancak, yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık kuantı yayınlar. Burada E = h-i) bağıntısı geçerlidir.

4. Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi l olmak üzere, her enerji düzeyi pozitif bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak "n" İle gösterilir, (n: 1,2,3 .....¥)

Bugünkü bilgilerimize göre; Bohr kuramının, elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettikleri, ifadesi yanlıştır.

Bohr atom modeli, hidrojen atomunun davranışını çok iyi açıkladığından ve basit olduğundan önce büyük ilgi gördü. Ancak, bu model çok elektronlu atomların davranışlarını (atomların spektrumlarını, atom çekirdeğinin bir elektronunu yakalayarak başka atom çekirdeğine dönüşünü) açıklayamadığından yaklaşık 12 yıl kadar geçerli kaldı. Daha sonra yerini modern atom teorisine bıraktı.

Bohr'a göre, elektronlar çekirdekten belirli uzaklıklarda dairesel yörüngeler izlerler. Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan (n = 1) K tabakası en düşük enerjilidir. Çekirdekten uzaklaştıkça tabakanın yarıçapı ve o kabukta bulunan elektronun enerjisi artar. Elektron çekirdekten sonsuz uzaklıkta iken (n @ ¥) elektronla çekirdek arasında, çekim kuvveti bulunmaz. Bu durumda elektronun potansiyel enerjisi sıfırdır. Elektron atomdan uzaklaşmış olur. Bu olaya iyonlaşma denir.



Elektron çekirdeğe yaklaştıkça çekme kuvveti oluşacağından, elektronun bir potansiyel enerjisi olur. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça atom kararlı hâle doğru gelir, potansiyel enerjisi azalır. Buna göre, elektronun her enerji düzeyindeki potansiyel enerjisi sıfırdan küçük olur. Yani negatif olur. Bohr hidrojen atomunda çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde (K yörüngesi) bulunan elektronun enerjisini -313,6 kkal/mol olarak bulmuştur.

1.1.5. MODERN ATOM MODELİ
Bohr, elektronu, hareket hâlinde yüklü tanecik olarak kabul edip, bir hidrojen atomundaki elektronun sadece bazı belirli enerjilere sahip olacağını varsayarak teorisini ortaya atmıştı. Bu teori, hidrojen gibi tek elektronlu He+, Li+2 iyonlara da uymasına rağmen çok elektronlu atomların, ayrıntılı spektrumlarının, kimyasal özelliklerinin açıklanmasına uymamaktadır. Yine de, modern atom modelinin gelişmesinde bir basamak teşkil etmiştir.

Modern atom modeli, dalga mekaniğindeki gelişmelerin elektronun hareketine uygulanmasına dayanmaktadır. Bu modelin öncüleri Lois de Broglie , Heisenberg ve Schrödinger gibi bilim adamlarıdır.

1924 yılında Louis de Broglie, ışık ve maddenin yapısını dikkate alarak, küçük tanecikler bazen dalgaya benzer özellikler gösterebilirler, şeklindeki hipotezini ortaya attı. 1927 yılında de Broglie'nin hipotezi elektron demetlerinin bir kristal tarafından, X-ışınlarına benzer biçimde saptırılması ve dağıtılması deneyi İle ispatlandı.

1920'li yıllarda Werner Heisenberg, atomlardan küçük taneciklerin davranışlarını belirlemek için ışığın etkisini inceledi. Bunun sonucunda Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılan şu neticeyi çıkardı.

"Bir taneciğin nerede olduğu kesin olarak biliniyorsa, aynı anda taneciğin nereden geldiği veya nereye gittiğini kesin olarak bilemeyiz. Benzer şekilde, taneciğin nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun yerini kesin olarak bilemeyiz."

Buna göre, elektronun herhangi bir andaki yeri ve hızı aynı zamanda kesin olarak bilinemez. Bir taneciğin yerini ve hızını ölçebilmek için, o taneciği görmek gerekir. Taneciğin görünmesi de taneciğe ışık dalgası göndermek ile olur. Elektron gibi küçük tanecikleri tespit etmek için düşürülen uygun dalga boyundaki ışık, elektronun yerini ve hızını değiştirir. Bu yüzden, aynı anda elektronun yeri ve hızı ölçülemez. Bu nedenle de elektronların çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngeler izledikleri söylenemez. Yörünge yerine elektronun (ya da elektronların) çekirdek etrafında bulunma olasılığından söz etmek gerekir.

Modern atom modeli, atom yapısı ve davranışlarını diğer atom modellerine göre, daha iyi açıklamaktadır. Bu model, atom çekirdeği etrafındaki elektronların bulunma olasılığını kuvantum sayılan ve orbitaller ile açıklar, kuvantum sayıları, bir atomdaki elektronların enerji düzeylerini belirten tam sayılardır. Orbitaller ise elektronun çekirdek etrafında bulunabilecekleri bölgelerdir.

Elektron tanecik olarak düşünüldüğünde; orbital, atom içerisinde elektronun bulunma olasılığı en yüksek olan bölgeyi simgeler. Elektron maddesel bir dalga olarak düşünüldüğünde ise, orbital, elektron yük yoğunluğunun en yüksek olduğu bölgeyi simgeler. Yani, elektron tanecik olarak kabul edildiğinde elektronun belirli bir noktada bulunma olasılığından, dalga olarak kabul edildiğinde ise elektron yük yoğunluğundan söz edilir.