Atom modelleri

Hiç kimse bir atomu çıplak gözle görmedi; en güçlü ışık mikroskobu bile onu tek tek seçemez. Buna rağmen bugün bir atomun ortasında küçük, yoğun bir çekirdek bulunduğunu, elektronların bu çekirdeğin çevresinde belirli enerji düzeylerinde yer aldığını biliyoruz. Bu bilgi tek bir gözlemden değil, yaklaşık bir yüzyıl süren bir dizi deneyden ve her seferinde yeniden çizilen bir resimden geldi. Bilim insanları görmedikleri bir şeyin resmini, onun davranışından çıkardılar: atom bir deneyde nasıl davranıyorsa, resmin de o davranışı açıklaması gerekiyordu. Açıklayamadığı bir deney sonucu çıktığında resim değiştirildi. Bu derste dört atom modelini sırayla inceleyeceğiz ve her birinin neyi açıkladığını, neyi açıklayamadığını, bir sonrakine nasıl yol açtığını göreceğiz.

• Dalton, Thomson, Rutherford ve Bohr atom modellerinin temel varsayımlarını açıklarsın.
• Her modeli doğuran deneyi ya da gözlemi ve modelin açıklayamadığı olguyu eşleştirirsin.
• Rutherford'un alfa saçılması deneyinin sonuçlarını yorumlar, çekirdek fikrine nasıl ulaşıldığını açıklarsın.
• Bohr modelinde enerji düzeylerini, temel ve uyarılmış hâli ve ışık yayınlanmasını ilişkilendirirsin.

Model nedir?

Bir model, doğrudan göremediğimiz bir şeyin, bildiğimiz davranışlarını açıklayan basitleştirilmiş bir resmidir. Atom modelleri de böyledir: hiçbiri atomun fotoğrafı değildir. Bir model, o güne kadarki deney sonuçlarını açıklayabildiği sürece kullanılır. Onunla açıklanamayan yeni bir sonuç ortaya çıkınca ya düzeltilir ya da yerini daha iyi bir modele bırakır. Bu yüzden eski bir modeli "yanlış" diye bir kenara atmak yerine, neyi doğru gördüğünü ve nerede yetersiz kaldığını bilmek gerekir.

Atomun bölünemez bir temel parça olduğu fikri Antik Yunan'da da dile getirilmişti; "atom" sözcüğü bölünemez anlamına gelir. Ama bu fikir deneye değil düşünceye dayanıyordu. Deneysel atom modellerinin öyküsü on dokuzuncu yüzyılın başında başlar.

Dalton modeli

John Dalton, kimyasal tepkimelerdeki kütle ilişkilerini açıklamak için şu varsayımları ortaya koydu:

• Madde, bölünemeyen ve parçalanamayan atomlardan oluşur; atomlar dolu kürelere benzer.
• Aynı elementin bütün atomları kütle ve özellik bakımından özdeştir; farklı elementlerin atomları farklıdır.
• Bileşikler, farklı element atomlarının belirli ve tam sayılı oranlarda birleşmesiyle oluşur.
• Bir tepkime boyunca atomlar ne kaybolur ne de yeniden yaratılır; yalnız aralarındaki bağlar değişir ve atomlar yeni bileşiklerde bir araya gelir.

Son varsayım, Lavoisier'in kütlenin korunumu yasasına atom düzeyinde bir açıklama getirir. Dalton modelinin açıklayamadığı şey ise maddenin elektrikle ilişkisidir: sürtünmeyle yüklenen cisimler ve elektrik akımı, atomun içinde yüklü taneciklerin varlığını gerektiriyordu. Ayrıca sonradan bulunan izotoplar, aynı elementin atomlarının farklı kütlelerde olabileceğini göstererek "özdeş atomlar" varsayımını sarstı.

Thomson modeli

1897'de J. J. Thomson, katot ışınlarıyla yaptığı deneylerde bu ışınların eksi yüklü ve çok hafif taneciklerden oluştuğunu gösterdi; bu tanecikler elektronlardır. Elektronlar her elementten elde edilebildiğine göre her atomda bulunmalıydı. Atom bir bütün olarak yüksüz olduğuna göre de, elektronların eksi yükünü dengeleyen artı bir yük olmalıydı.

Thomson'un modelinde atom, artı yükün düzgün dağıldığı bir küredir ve elektronlar bu kürenin içine, bir kekin içindeki üzümler gibi gömülüdür. Bu yüzden model "üzümlü kek modeli" olarak da anılır. Atomun bölünemez olmadığını, içinde daha küçük ve yüklü parçalar bulunduğunu ilk kez ortaya koyan modeldir. Elektronun kütlesinin en hafif atom olan hidrojenden bile çok daha küçük çıkması, atomun kütlesinin büyük kısmının başka bir yerde olması gerektiğini de düşündürüyordu. Açıklayamadığı sonuç ise birkaç yıl sonra Rutherford'un deneyinden geldi.

Rutherford modeli

Ernest Rutherford ve çalışma arkadaşları, artı yüklü alfa taneciklerini çok ince bir altın levhaya gönderdi ve levhanın arkasında taneciklerin nereye düştüğünü gözledi. Thomson modeline göre artı yük atoma yayılmış olduğundan taneciklerin hepsinin küçük sapmalarla geçmesi bekleniyordu. Sonuçlar beklentiden farklı çıktı:

• Taneciklerin çok büyük kısmı levhadan hiç sapmadan geçti. Buradan atomun büyük kısmının boşluk olduğu sonucu çıktı.
• Az sayıda tanecik büyük açılarla saptı, çok azı ise geldiği yöne geri döndü. Bu ancak atomun ortasında artı yükün ve kütlenin neredeyse tamamının toplandığı çok küçük, yoğun bir bölge varsa açıklanabilirdi.

Rutherford 1911'de bu bölgeye çekirdek adını verdi. Modelinde artı yüklü, küçük ve yoğun çekirdek atomun merkezindedir; elektronlar çekirdeğin çevresinde, atomun büyük kısmını oluşturan boşlukta dolanır. Çekirdeğin kütlesinin protonlarla tam açıklanamaması daha sonra yüksüz bir parçacığın, nötronun, varlığını düşündürdü; nötron 1932'de James Chadwick tarafından bulundu.

Rutherford modelinin önemli bir zayıflığı vardı. Dönen yüklü bir taneciğin ışıma yaparak sürekli enerji kaybetmesi ve sonunda çekirdeğe düşmesi gerekirdi. Oysa atomlar kararlıdır. Model ayrıca elementlerin yalnız belirli renklerde ışık yaymasını açıklayamıyordu.

Bohr modeli

Niels Bohr 1913'te hidrojen atomu için yeni bir model önerdi. Bohr'a göre elektron çekirdeğin çevresinde rastgele yörüngelerde değil, yalnız belirli enerji düzeylerinde bulunabilir. Elektron bu düzeylerden birinde kaldığı sürece ışıma yapmaz ve enerji kaybetmez; atomun kararlılığı böyle açıklanır. Elektronun bulunabileceği en düşük enerjili duruma temel hâl denir.

Elektron dışarıdan enerji soğurursa daha yüksek bir düzeye çıkar; atom uyarılmış hâle geçer. Uyarılmış hâl kararsızdır; elektron daha düşük bir düzeye döner ve iki düzey arasındaki enerji farkı kadar ışık yayınlar. Düzeyler belirli olduğu için yayınlanan ışığın enerjisi, dolayısıyla rengi de belirlidir. Hidrojenin ısıtıldığında yalnız belirli renklerde çizgiler veren hat spektrumu böylece açıklandı.

Enerji düzeyleri her elementte farklı olduğu için her elementin hat spektrumu da kendine özgüdür; spektrum bir elementin parmak izi gibi çalışır. Alev deneyi bunun gündelik bir örneğidir: sodyum bileşikleri alevi sarıya, lityum bileşikleri kırmızıya, potasyum bileşikleri mora boyar. Aynı ilke gökbilimde de kullanılır; helyum, Dünya'da bulunmadan önce Güneş ışığının tayfındaki bilinmeyen çizgilerden fark edilmiştir. Uzaktaki bir yıldızın hangi elementleri içerdiği, oraya hiç gitmeden, ışığındaki çizgilerden okunabilir.

Bohr modeli tek elektronlu hidrojen için çok başarılıdır, ama birden fazla elektronu olan atomların spektrumlarını açıklamakta yetersiz kalır. Elektronun yerini kesin bir yörünge olarak düşünmesi de sonradan değiştirildi. Bugünkü modern atom modelinde elektronlar, bulunma olasılıklarının yüksek olduğu bölgeler, yani orbitaller ile tanımlanır; bu model AYT kimyasının konusudur.

Örnek 1 — Dalton'un sınırı

Soru: Aynı elementin farklı kütlelere sahip atomlarının, yani izotopların bulunması Dalton modelinin hangi varsayımıyla çelişir?

• A) Atomlar tepkimede yok olmaz.
• B) Bileşikler tam sayılı oranlarla oluşur.
• C) Madde atomlardan oluşur.
• D) Farklı elementlerin atomları farklıdır.
• E) Aynı elementin bütün atomları kütle bakımından özdeştir.

Çözüm: İzotoplar aynı elementin farklı kütleli atomlarıdır; bu, "aynı elementin atomları özdeştir" varsayımını çürütür. Cevap: E.

Örnek 2 — Saçılma deneyi

Soru: Rutherford deneyinde alfa taneciklerinin çok azının geri dönmesi hangi sonuca götürür?

• A) Atomun büyük kısmı boşluktur.
• B) Atomun merkezinde artı yüklü, küçük ve yoğun bir çekirdek vardır.
• C) Elektronlar artı yüklüdür.
• D) Atom bölünemez.
• E) Elektronlar keke gömülü üzümler gibidir.

Çözüm: Ağır ve artı yüklü alfa taneciklerini geri çevirebilecek tek şey, artı yükün ve kütlenin toplandığı yoğun bir merkezdir. Sapmadan geçenler ise boşluğu gösterir. Cevap: B.

Örnek 3 — Bohr ve ışık

Soru: Bohr modeline göre bir elektron üst enerji düzeyinden alt enerji düzeyine geçerse ne olur?

• A) Enerji soğurulur.
• B) Elektron çekirdeğe düşer.
• C) İki düzey arasındaki enerji farkı kadar ışık yayınlanır.
• D) Atom iyonlaşır.
• E) Hiçbir değişiklik olmaz.

Çözüm: Elektron daha düşük enerjili düzeye inerken aradaki enerji farkını ışık olarak yayınlar. Cevap: C.

Örnek 4 — Model ve açıklayamadığı

Soru: Atomun kararlılığını açıklayamadığı için yerini başka bir modele bırakan model hangisidir?

• A) Rutherford modeli
• B) Dalton modeli
• C) Thomson modeli
• D) Bohr modeli
• E) Modern atom modeli

Çözüm: Rutherford modelinde çekirdeğin çevresinde dolanan elektronun enerji kaybedip çekirdeğe düşmesi beklenirdi; Bohr modeli bunu enerji düzeyleriyle çözdü. Cevap: A.

• Modelleri fotoğraf sanmak. Her model, o güne kadarki deneyleri açıklayan basitleştirilmiş bir resimdir.
• Elektronu Rutherford'a, çekirdeği Thomson'a atfetmek. Elektron Thomson'un, çekirdek Rutherford'un deneyinden çıktı.
• Sapmadan geçen tanecikleri çekirdeğe kanıt saymak. Sapmadan geçenler boşluğu, geri dönenler çekirdeği gösterir.
• Bohr modelinde ışığın elektron yukarı çıkarken yayınlandığını sanmak. Yukarı çıkarken enerji soğurulur, aşağı inerken ışık yayınlanır.
• Bohr modelini bütün atomlar için geçerli saymak. Model tek elektronlu hidrojende başarılıdır, çok elektronlu atomlarda yetersiz kalır.