Ana içerik

Konu: Kimya Kütüphanesi > Ünite 7

Ders 1: Atom Yapısının Tarihçesi

Elektron ve Çekirdeğin Keşfi

Google Classroom

Thomson'ın katot ışın tüpü deneyini ve Rutherford'un altın levha deneyini öğrenmek ister misiniz?

Önemli noktalar

J.J. Thomson'ın katot ışın tüpleriyle yaptığı deneyler bütün atomların çok küçük negatif yüklü atom altı parçacıklar veya elektronlar içerdiğini göstermiştir.
Thomson'ın erikli puding atom modeli, pozitif yüklü bir "çorbaya" gömülü negatif yüklü elektronlara sahipti.
Rutherford'un altın levha deneyi, atomun çoğunlukla boşluktan oluştuğunu ve içerisinde küçük, yoğun, pozitif yüklü bir çekirdeğin olduğunu göstermiştir.
Bu sonuçlara dayanarak, Rutherford atomun çekirdek modelini önermiştir.

Giriş: Dalton'un atom teorisinin geliştirilmesi

Dalton'un atom teorisi isimli bir önceki makalede, aşağıdaki önermeler üzerine konuşmuştuk:

Bütün maddeler, yok edilemediği gibi yoktan var edilemeyen ve kendisinden daha küçük parçalara bölünemeyen atom adında parçacıklardan oluşmaktadır.
Aynı elemente ait bütün atomlar kütle ve özellikleri bakımından aynıdır.
Bileşikler, $2$ ‍ veya daha fazla atomun ya da elementin birleşmesinden oluşmuştur.
Bütün kimyasal tepkimelerde, atomlar yeniden düzenlenirler.

Dalton'un fikirleri modern atom teorisinin temellerini oluşturur. Ancak kullandığı varsayımlarından birinin, daha sonra yanlış olduğu ispatlanmıştır. Dalton, atomların

-

küçük, sert küreler

-

maddenin en küçük birimi olduğunu ve kendilerinden daha küçük parçalara bölünemediğini düşünüyordu. Fizikteki deneyler, atomun daha da küçük parçacıklardan oluştuğunu gösterene kadar bu varsayım sürdürüldü. Bu makalede, elektron ve çekirdeğin keşfedilmesine yol açan bazı önemli deneylerden bahsedeceğiz.

J.J. Thomson ve elektronun keşfi

Fizikçi J.J. Thomson, katot ışın tüpleri ile

19.

yüzyılın sonlarına doğru deney yapmaya başlamıştır. Katot ışın tüpleri, içindeki havanın büyük kısmının boşaltılmış olduğu kapalı cam tüplerdir. Tüpün bir ucundaki iki elektroda yüksek voltaj uygulanır, bu da bir parçaçık demetinin katottan (negatif yüklü elektrot) anoda (pozitif yüklü elektrota) akmasına neden olur. Bu tüplere katot ışın tüpleri denir, çünkü parçacık demeti veya "katot ışını" katotta oluşmaktadır. Işın, anodun arkasındaki tüpün uzak ucunu fosfor olarak bilinen bir malzemeyle boyayarak tespit edilebilir. Fosfor, katot ışınından etkilendiğinde parlar veya ışık yayar.

Thomson, parçacık özelliklerini test edebilmek için katot ışınının etrafına iki adet ters yüklü elektrik plakası yerleştirmiştir. Katot ışını negatif yüklü elektrik plakasından pozitif yüklü elektrik plakasına doğru sapmıştır. Bu da katot ışınının negatif yüklü parçacıklardan oluştuğunu göstermiştir.

Thomson aynı zamanda tüpün her iki yanına iki mıknatıs yerleştirmiş ve bu manyetik alanın da katot ışınını saptırdığını gözlemlemiştir. Bu deneylerin sonuçları, Thomson'ın katot ışın parçacıklarının kütle/yük oranını belirlemesine yardımcı olmuş ve bu da büyüleyici bir keşfe

-

her bir parçacık kütlesinin bilinen herhangi bir atomunkinden çok daha küçük olduğu

-

zemin hazırlamıştır. Thomson, deneylerini elektrot materyali olarak farklı metalleri kullanarak tekrarlamış ve katot ışınının özelliklerinin katot materyali ne olursa olsun sabit kaldığını bulmuştur. Thomson bu bulguları ışığında şu sonuçlara varmıştır:

Katot ışını negatif yüklü parçacıklardan oluşmuştur.
Parçacıkların atomun bir parçası olması gerekir, çünkü her parçacığın kütlesi bir hidrojen atomunun kütlesinin sadece $\sim$ ‍ $\frac{1}{2000}$ ‍ kadarıdır.
- Bu atom altı parçacıklar tüm elementlerin atomlarında bulunabilir.

Başta tartışmalara yol açsa da Thomson'ın keşifleri bilim insanları arasında yavaş yavaş kabul görmeye başlamıştı. Sonunda, Thomson'ın katot ışını parçacıklarına daha alışılmış bir isim olan elektron adı verildi. Elektronun keşfiyle, Dalton atom teorisinin atomların bölünmez olduğunu varsayan kısmı çürütülmüş oldu. Ve artık, elektronların varlığını hesaba katmak için tamamen yeni bir atom modeline ihtiyaç duyuluyordu.

Kavram kontolü: Thomson elektronların neden bütün elementlerin atomlarında bulunabileceği sonucuna varmıştır?

Erikli puding (üzümlü kek) modeli

Thomson atomların genel olarak nötr yüke sahip olduklarını biliyordu. Bu nedenle, elektronlardaki negatif yükü dengelemek için atom içinde pozitif bir yük kaynağı olması gerektiğini düşünüyordu. Bu sayede Thomson, atomların dağınık pozitif yüklü bir çorbanın içinde yüzen negatif yükler olarak tanımlanabileceğini öne sürdü. Bu model, ünlü bir İngiliz tatlısı olan erikli pudinge (aşağıdaki resimde gösterilmiştir) çok benzediği için erikli puding modeli olarak adlandırılır. Buna "üzümlü kek" modeli diyenler de vardır.

Atomların gerçek yapısı hakkında bildiklerimizi göz önünde bulundurduğumuzda, bu model biraz gerçek üstü gelebilir. Neyse ki, bilim insanları Thomson'ın erikli puding modelinin geçerliliğini test etmek de dahil olmak üzere atomun yapısını araştırmaya devam etti.

Kavram kontrolü: Thomson ayrık negatif yüklerin pozitif yüklü bir "denizde" yüzdüğü bir atom modeli önermişti. Thomsun'ın deneysel sonuçlarını açıklayabilecek başka bir atom modeli düşünebilir misiniz?

Ernest Rutherford ve altın levha deneyi

Atom tarihinde çığır aşan bir başka deney de kariyerinin çoğunu İngiltere ve Kanada'da geçirmiş Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford tarafından gerçekleştirilmiştir. Meşhur altın levha deneyinde Rutherford, çok ince bir saf altın levha üzerine

α

parçacıklarından (alfa parçacıkları olarak telaffuz edilirdi) oluşan ince bir ışın demeti yöneltmiştir. Alfa parçacıkları, helyum çekirdekleri

(_{2}^{4} {He}^{2 +})

olup, çeşitli radyoaktif bozunma işlemlerine maruz bırakılmıştır. Bu deneyde Rutherford, üzerinde iğne deliği kadar küçük bir delik olan kurşundan yapılmış kutu içine bir radyum numunesi (radyoaktif bir metal) yerleştirmiştir. Işınımın çoğu kurşun tarafından emilmiş, ancak

α

parçacıklarından oluşan ince bir ışın demeti altın levha yönündeki iğne deliğinden dışarıya çıkabilmiştir. Altın levha

α

parçacık çarptığında yanıp sönecek bir dedektör ekranı ile çevriliydi.

İster inanın ister inanmayın, altın kullanması Rutherford'un müsrifliğinden kaynaklanmıyordu. Altın şekil verilebilir bir metal ve bu da son derece ince tabakalara kadar inceltilebileceği anlamına geliyor. Hatta en ince altın tabakası

0, 00004 cm

yani sadece birkaç yüz atom kalınlığında olabiliyor! Rutherford'un deneyini başarıyla gerçekleştirebilmesi için bu inceliğe sahip bir folyo gerekliydi. Folyo biraz daha kalın olsaydı

α

parçacıkları içine giremeyebilirdi.

Rutherford, Thomson'ın erikli puding modelini temel alarak

α

parçacıklarının çoğunun altın levhadan doğrudan geçeceğini öngörmüştü. Bunun nedeni, erikli puding modelindeki pozitif yüklerin atom hacminin tamamına yayılmış olduğuna dair olan varsayımdı. Bu yüzden, pozitif yüklü "çorbadan" kaynaklı elektrik alanı, göreceli olarak büyük ve hızlı hareket eden

α

parçacıklarının izleyecekleri yolu değiştirmek için önemli ölçüde etkilemek için çok zayıf kalacaktı.

Deneyin sonuçları yine de çarpıcıydı.

α

parçacıklarının neredeyse tamamı altın levhadan doğrudan geçerken, bazı

α

parçacıkları (yaklaşık

20

000

'de

1

) yolundan

90^{\circ}

'den fazla sapmıştı! Rutherford sonuçları şu benzetmeyle açıklamıştı: "Bu, hayatımda başıma gelen en inanılmaz olaydı. Tıpkı bir parça kâğıt mendile

40

cm

lik bir mermi atmışsınız, mermi de geri dönüp size çarpmış gibi inanılmazdı".

Erikli puding atom modeline göre, altın atomlarının içinde büyük $α$ ‍ parçacıklarını yolundan saptıracak kadar yoğun ve yeterince ağır hiçbir şeyin olmadığı varsayılıyordu (soldaki görsele bakın). Fakat Rutherford'un gözlemlediği şey öngörüsüyle eşleşmemişti (sağdaki görsele bakın) $-$ ‍ ve bu da, yeni bir atom modeline ihtiyaç olduğu anlamına geliyordu!

Çekirdek atom modeli

Deney sonuçlarına dayanarak, Rutherford atomun yapısı hakkında şu sonuçlara ulaşmıştır:

Pozitif yük, atom kütlesinin çoğunu içeren çok küçük bir atom hacmi üzerine yerleşmiş olmalıdır. Bu, $α$ ‍ parçacıklarının çok küçük bir kısmının, büyük olasılıkla altın çekirdeğiyle arada çarpışmasına bağlı olarak nasıl büyük ölçüde saptırıldığını açıklıyor.
$α$ ‍ parçacıklarının çoğu altın levhadan doğrudan geçtiği için atom çoğunlukla boşluktan oluşmuş olmalıdır!

Tüm bunların sonucunda Rutherford, atomun negatif yüklü elektronlarla çevrili çok küçük pozitif yüklü bir çekirdekten oluştuğu çekirdek modelini önermiştir. Rutherford, deneyinde saptırılan

α

parçacıklarının sayısına dayanarak çekirdeğin atom hacminin çok küçük bir bölümünü kapsadığını hesaplamıştır.

Çekirdek modeli Rutherford'un deney sonuçlarını açıklamış, fakat başka soruları da beraberinde getirmiştir. Örneğin, elektronlar atomda ne yapıyordu? Karşı yükler birbirini çekiyorsa, elektronlar çekirdeğe kapılmaktan nasıl korumuştu kendilerini? Neyse ki, bilim, bu meydan okumaya hazırdı! Niels Bohr gibi fizikçiler, sonunda modern kuantum mekanik modeline evrilen çekirdek atom modelini test etmek için deneyler tasarlamaya devam etmişlerdir.

Özet

J.J. Thomson'ın katot ışın tüpleriyle yaptığı deneyler bütün atomların çok küçük negatif yüklü atom altı parçacıklar veya elektronlar içerdiğini göstermiştir.
Thomson, negatif yüklü elektronların pozitif yüklü "çorba" içine gömülü olduğu erikli puding atom modelini önermiştir.
Rutherford'un altın levha deneyi, atomun küçük, yoğun, pozitif yüklü bir çekirdeği olduğunu ve çoğunlukla boşluktan oluştuğunu göstermiştir.
Bu sonuçlara dayanarak, Rutherford çekirdek atom modelini önermiştir.
Özellikler
Bu makale, aşağıdaki makalelerden uyarlanmıştır:
“Evolution of Atomic Theory (Atom Teorisinin Gelişimi)”, Openstax, CC BY 4.0.
"Atomic Theory (Atom Teorisi)", UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3.0 US.
Uyarlanmış makale CC-BY-NC-SA 4,0 lisansıyla lisanslanmıştır.
Ek Referanslar
Zumdahl, S.S. ve Zumdahl S.A. (2003). Atomic Structure and Periodicity. Chemistry (6. baskı, sayfa 290-94), Boston, MA: Houghton Mifflin Company.
Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R. ve Treichel, D. A. (2015). Key Experiments: How Do We Know the Nature of the Atom and Its Components? Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9. baskı, sayfa 54-55). Stamford, CT: Cengage Learning.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

Mustafa ÖZDEMİR
6 yıl önce önce paylaşıldı. Mustafa ÖZDEMİR kullanıcısının ''türkçe tercümesini istiyo'...' gönderisini görmek için direkt link
türkçe tercümesini istiyorum
Bu düğme kayıt sayfasına yönlendirirBu düğme kayıt sayfasına yönlendirir
(1 oy)
Cevap
Tahir Gorgen
5 yıl önce önce paylaşıldı. Tahir Gorgen kullanıcısının ''Bu kadarini biliyordunuzd'...' gönderisini görmek için direkt link
Bu kadarini biliyordunuzda, neden Cern Higs Boson buyuk patlamadan sonra, birseye mass verildiginin imasinda bulunup, fizik dunyasini ve insanlari (youtubeda falan) anasini yitirmis sipalar gibi ortada biraktiginda, yok idiniz?

Hollandada sadece ben var idim. Ve bunun yuzundende zarar gorenim.

Cerne kayitli 80 ulkeden 300 universite, ilim bilim dunyasi,sizler, bunu kabul ettiniz.

Ben sizleredemi mass=kutlesi yani maddenin (atomlarin birlesikligi= madde. Atomun icerikligi) icerikligi, demem lazim? Kendiniz atomlarin icerikligini parcaciklar ve elekron olaraktan tanimliyorsunuz.

Peki Higgs Boson neye olmayan icerikligini verdi desem? Yani tamaminin icerikligi higgs bosondan olusuyor demektir bu.

Ayrica kinetic energy cok daha onemli ve mass ke de agirlik birimi olaraktan goruluyor. Bunuda acayim. Icerikligin sigligi pro'su sayesinde yercekiminde icerikligine agirlik tanilir.

Tahir gorgen.
Bu düğme kayıt sayfasına yönlendirirBu düğme kayıt sayfasına yönlendirir
(1 oy)
Cevap

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.