Atoma Kuantum Yaklaşımı: Modern Atom Teorisi
1913'te Rutherford’un öğrencisi Bohr, yeni bir atom modeli ortaya koydu. Bu model bize iki şeyi söylüyordu:
● Elektronlar, katmanlar dediğimiz enerji seviyelerinde dolaşıyordu. Bu katmanlar çekirdeğin etrafındaydı.
● Çekirdeğe yakın katmanlarda daha az enerjiye sahip olan elektronlar, üst katmanlara çıktıkça daha çok enerjiye sahip olurlar. (Protonların çekiminden bu şekilde sıyrıldıkları düşünülüyor.)
Bu iki bilgiden yola çıkarak Bohr bize şunları öğretmişti: eğer bir elektron üst katmandan alt katmana geçerse dışarıya enerji salar ve alt katmandan da üst katmana geçmek için enerji alır. Aşağıda örnek bir enerji katmanları diyagramı görüyorsunuz:
Peki bir elektrona nasıl enerji verilir?
Çok basit bir şekilde: ışık vererek! Şimdi bunun hakkında konuşalım. Bir atom düşünelim, temel seviyesi 0 eV olsun. Diğer katmanları da sırası ile 4 eV, 6 eV, 7 eV olsun. Biz yer katmanında bulunan bir elektronu bir sonraki katmana getirmek için ona 4 eV’lik bir foton göndermeliyiz.
Peki neden 5 değil? Çünkü gelen fotonun enerjisi elektronu bir katmana yönlendirmiyor ise elektron bu fotonu absorbe etmez. Diyelim ki 4 eV’lik fotonu verdik, ne olacak şimdi? Elektron bir üst katmana çıkacak ve bir süre
orada kalacak. Enerjisini kaybettiği için bir süre sonra dışarı foton salınımı yapacak. Bu fotonun enerjisi:
(Bulunduğu katman eV) — (gideceği katman eV)
şeklinde olur. Yani bizim örneğimizdeki 3. katmandaki bir elektron 1. katmana düşerken (temel seviye değil)
7 eV — 4 eV = 3 eV
enerjisinde foton salınımı yapar. Bu olaya fotoelektrik olay denir.
Uzaktaki Maddelerle Konuşmak
Yukarıda çok önemli bir bilgi verdik aslında: “ Fotonun enerjisi elektronu bir katmana yönlendirmiyor ise elektron bu fotonu absorbe etmez.” Yani, bir atoma bütün enerji miktarlarına sahip olan bir grup foton gönderirsek absorbe olan renklerden atomun cinsini belirleyebiliriz.
Hatta bu yöntem astronom ve kozmologlar tarafından yıllardır kullanılan bir yöntem, ismine de absorpsiyon spektrum tekniği deniliyor.
Peki bu elektronlar, üst katmanlardan alt katmanlara geçerken foton salınımı yapmıyor muydu? O konuda bir çalışma var mı? Bilim insanları durur mu, tabiki var! Emisyon Spektrumu dedikleri model ise elektronun yaydığı foton enerjilerini gösteriyor. Aşağıdaki resimde iki yöntem için de karşılaştırma görebilirsiniz:
Bohr’un Yanlış Düşünceleri
Bohr her ne kadar müthiş bir fikir ortaya atmış olsa da ortada anlaşılmayan noktalar vardı. Örneğin, eğer elektronlar atomun etrafında belli katmanlarda dönüyorsa, biz dairesel hareketin yasalarını ve elektrostatik kuvveti kullanarak elektronunun pozisyonunu ve hatta momentumunu bulabilirdik — hem de hiçbir kuşku olmadan. Ama bu Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi’ ne karşı gelmiyor mu?
Diğer bir nokta ise bu model, tek elektronlu iyonların veya atomların spektrumlarını açıklıyor. Daha da kötüsü, tek elektronlu iyonların manyetik alan etkisi altındaki fazla foton salınımı yapmasını ( Zeeman Efekti) dahi açıklayamamıştır.
Schrödinger’in Kuantum Modeli
Matematikçi olan Schrödinger, kendi adı ile anılan denklemleri ile açıkladığı modelin en büyük özelliği elektronların yörüngelerde değil, elektron bulutlarında yer aldığını söylemesidir. Elektron bulutları
denilen şeyler aslında elektronların atom çevresinde nerelerde bulunabileceğinin olasılığıdır. Buna ek olarak bu modelde hala elektronların enerji katmanları bulunuyor. Ancak bu sefer işler biraz daha karmaşık çünkü
alt-katmanlar dediğimiz bazı terimlerde işin içine giriyor.
Modeli bir eve benzetirsek, enerji seviyeleri katlar oluyor; alt-katmanlar dediklerimiz ise daireler. Anlayabileceğiniz gibi ise orbitaller, odalar ve elektronlar da eşyalar oluyor. Yukarıdaki görselde gördüğünüz n ile gösterilenler enerji seviyeleri, s — p — d — f şeklinde ile sembolize edilenler ise (ki bunlar belirlenmiştir) alt-katmanlardır. Her orbital 2 elektrona kadar depo edebilir. Bu yüzden s denilen alt-katman 1 orbital, p denilenler 3 orbital, d denilenler 5 orbital ve f denilen alt-katman ise 7 orbitale sahiptir.
4d⁴ örneğinden ilerlersek, bu örnekte ilk katsayı n miktarına eşittir. Yani örneğimizde 4. enerji seviyesinden bahsediyoruzdur. d ise bize kaç tane orbitale sahip olduğunu söylüyor. 5 orbitale sahip olan bu katmanın 4 elektronu varmış. Eğer spinlerini yazarsak (spin yazılımında bütün orbitaller boyunca +1/2'lik, sona ulaşıldığında ise -1/2'lik yazılır veya tam tersi) 4 tane 1/2'lik spine sahip olduğunu görürüz. Son elektronun konumunu orbital üzerinde m(l) ile gösteririz.
Örneğin n = 3, l = 2, m(l) = 1 ve m(s) = -1/2 ise şu bilgilere sahibizdir:
- 3'üncü enerji düzeyinde bulunur,
- orbital numaraları 2'de biter, yani: -2 -1 0 1 +1 +2
- son elektron 1. orbitalde bulunur,
- son elektron -1/2 yüklüdür.
Bu bilgilerden yola çıkarak biz şunu anlarız:
“l = 2” ise alt katmanımız 5 orbitale sahiptir. Bu yüzden beş tane alt çizgi çekeriz. “m(s) = -1/2” ve “m(l) = 1” ise son elektron 1 numaralı orbitalde ve -1/2 spinine sahiptir. Bu yüzden 1 numaraya gelene kadar yukarı ok (+1/2) ve daha sonra aşağı ok (-1/2) çizeriz.
Yukarı oklar +1/2 spinli elektronları, aşağı yönlü olanlar -1/2 spinli elektronları gösterir ve alt çizgiler orbitallerdir. Görüldüğü toplam 9 elektron bulunuyor bu enerji katmanında.
Çekirdek Etrafında Yörüngesel Dönüş
Elektron bulutlarından, enerji seviyelerinden, orbitallerden ve bir çok şeyden bahsettik. Peki hep o aklımızdaki yörüngesel hareket yok mu yani?
Schrödinger’in de dediği gibi aslında biz elektronlardan bahsederken, onların bulunma olasılıklarından bahsediyoruz. Aşağıda gördüğünüz resimdeki gibi gösteriliyor elektronların olasılık bulutları:
Yani aslında elektronlar orbitallerde stabil ve kesin olmayan dağılmış bir vaziyette bulunurlar — Rutherford’un Atom Modelindeki gibi dönme işlemi gerçekleşmez. Bütün bu katman muhabbeti ise aslında Bohr’dan bize kalmış basit bir model. Ortada gezegenlerdeki gibi bir yörünge veya ona benzer bir şey yok.
Umarım bu yazımda size kuantumu genel olarak tanıtabilmişimdir. Bir yazı dizisi hazırlamak istediğim bu konu aslında bir çok yönden hayatımızla etkileşim içinde, gerek kuantum bilgisayarlar gerek kuantum düşünce tekniği ve hatta kuantum zayıflama yöntemleri (!) ile sürekli duyduğumuz bu konuda artık bilgilendik.
Keyifli araştırmalar!
August 7, 2019.
