Atomun Tarihçesi-2

Atomun Fiziksel yapısı


Atomun yapısı hakkında ilk denel bilgi ERNEST RUTHERFORD tarafından, 1911 de, alfa partiküllerinin katı cisimlerden geçişleri sırasında uğradıkları sapmaların keşif ve izahı sayesinde mümkün olmuştur. Bu suretle bir atomun, merkezde atomun bütün kütlesini, gayet küçük ve pozitif elektrik yüklü bir çekirdekle bunun etrafında ve çekirdeğin yükünü nötralleştirecek sayıda elektronun dönmekte oldukları modeli verilmiştir. Eğer bir atomun çekirdeği dışındaki elektronların sayısı Z ise, bir elektronun yükü e olduğuna göre çekirdeğin pozitif yükü Z e dir. Bir atomun karakteristiği olan Z ye o atomun ait olduğu elementin atom numarası denmiştir. Daha 1869 da MENDELEYEFF, elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki benzerlikleri göz önüne alarak elementlerin atom tartılarına göre sıralandıklarında, özelliklerinin periyodik bir tarzda tekrarlandığını görmüş ve bu gün de kendi adını taşıyan, elementlerin periyodik sistemini kurmuştur. Uzun zaman bu devriliğin mahiyeti anlaşılamamıştır. Fakat X ışınları spektrumu MOSELEY kanunu sayesinde (1913) elementlerin sıralanmalarının atom ağırlıklarına göre değil, atom ağırlıklarıyla beraber giden fakat onu her yerde takip etmeyen atom numarasına dayandığı denel olarak meydana konulmuştur. Bir elementin Z si aynı zamanda onun periyodik sistemdeki yer numarasıdır.

Rutherford'un atom modeli bazı itirazlara uğramıştır. Gerçekten de bu atom modeli klâsik elektromangetik teorilere göre kararsızdır. Çünkü elektronların çekirdek etrafında dönmeleri lâzımdır, aksi taktirde pozitif olan çekirdek üzerine düşmeleri icap eder. Diğer taraftan, elektronlar döndükleri taktirde enerji kaybederler, bunun neticesi ise yörüngeleri gittikçe küçüleceğinden nihayet çekirdeğin üzerine düşmeleri lâzım gelecektir. Rutherford teorisini bu çıkmazdan NIELS BOHR kurtarmıştır (1913). Bohr, MAX PLANCK'ın 1900 de enrejinin süreksiz bir tarzda quantum şeklinde alınıp verildiğini ifade eden quantum teorisine dayanmak suretiyle Rutherford atom modelini bazı postulat'larla tamamlamıştır. Böylece Rutherford-Bohr atom modeli meydana gelmiştir.

Bu atom modeliyle başta hidrojenin olmak üzere bazı elementlerin spekturumlarıyla Rydberg sabitinin menşei izah edilmekle beraber bir çok denel neticeler izah edilemediği gibi Bohr postulat'larının biraz sunî olduğu da meydana çıkmıştır. Bu model daha sonra SOMMERFELD atom modeli ile tamamlanmak istenmiştir. Bohr atom modelindeki elektronların dairesel yörüngeleri yanında eliptik yörüngelerin de bulunduğu düşünülmüştür. Gerek bu model ve gerekse elektronların hareketlerine izafiyet düzeltilme-sini de ilâve etmekle beraber spekturumların tam izahı mümkün olamamıştır.

GOUDSMIT ve UHLENBECK, 1924 de, elektronun çekirdek etrafındaki hareketinden başka kendi etrafında da döndüğü (spin) hipotezini ortaya atmışlardır. Bu hipotez çok verimli neticeler sağlamış ve tayfların tam olarak izahı da mümkün olmuştur.

PAULI, 1925 de, kendi adını taşıyan exclusion prensibi sayesinde bir atomun çekirdek dışı elektronlarının dağılımının aritmetiğini ve elementle-rin periyodik sisteminin anahtarını vermiştir.

Bu gün bir atomun çekirdek dışı hakkındaki bilgilerimiz bilhassa dalga ve quanta mekanikleri sayesinde tamdır. Atomun kabuğunu ilgilendi-ren bütün özelliklerin izahı mümkündür. Dalga mekaniği, ışığın mahiyeti hakkında uzun zamandır mevcut olan dalga ve korpüsküler paradoksal hale son vermek için 1923 de LOUIS DE BROGLIE tarafından kurulmuş ve bilhassa SCHRÖDINGER tarafından geliştirilmiştir. Quanta mekaniği ise HISENBERG tarafından kurulmuş ve BORN, JORDAN, DIRAC tarafından geliştirilmiştir.

Dalga mekaniğinde, harekette bulunan bir taneciğe bir faz dalgasının refakat ettiği kabul edilir. Bu netice hızlandırılmış elektronları muhtelif billûrlar üzerine göndermek suretiyle önce DAWISSON ve GERMER ; sonra G.P. THOMSON ve daha sonra da PONTE tarafından denel olarak ispat edilmiştir.

Atomun yapısı hakkındaki bilgilerimizin gelişmesi üzerine KOSSEL (1910), LEWIS-LANGMUIR ve başkalarının çalışmaları sayesinde «valans (değerlik)» kavramı izah şeklini bulmuş ve bu sayede bilhassa organik kimyanın büyük gelişmesi sağlanmıştır.

Atom için olduğu gibi çekirdek için de bir yapı araştırılmıştır. İnsanoğlu daima kâinatın sonsuz karışıklığını az sayıda prensibe irca etmeye çalışmıştır. Eskiden beri bütün cisimlerin müşterek bir tipten teşekkül oldukları hakkında hipotezler ileriye sürülmüştür. Daha 1815 de İngiliz doktoru PROUT, çeşitli elementlerin, en basit element olan hidrojen atomlarının yoğunlaşmasından teşekkül etmiş oldukları hipotezini ileriye sürmüştür. Bu hipoteze göre esasta madde birliği vardır ve temel madde de hidrojendir. Bu hipotez doğru ise, cisimlerin atom ağırlıklarının hidrojenin-kinin tam katı olması lâzımdır. Prout'un bu tam sayılar hipotezi bazı elementlere uyuyor, bir çoklarına ise hiçbir suretle uymuyordu. Meselâ atom ağırlığı 35,46 olan klor bunun tipik bir misâliydi. Bu sebepten Prout hipotezi ifade edildiği devirde kabul edilmemiştir.



J.J. THOMSON ve ASTON (1919), kütle spektrografı metoduyla yaptıkları denemeler neticesinde, o zamana kadar basit olarak düşünülen bir çok cisimlerin gerçekte atom ağırlıkları farklı cisimlerin karışımı olduklarını meydana koymuşlardır. Bu suretle daha önce radioelementler hakkında SODDY'nin bulmuş olduğu izotopluk kavramı âdi elementler halinde de meydana konulmuştur. Bu izotoplar çekirdeklerinde aynı sayıda proton içerirler. Yani Z leri aynıdır Mendeleyeff cetvelinde aynı yeri işgal ederler, kimyasal özellikleri aynıdır, ancak fiziksel özellikleriyle fark edilirler. O halde izotop atomlarının çekirdeklerinde aynı sayıda protona karşılık farklı sayıda nötron vardır. Böylece klorun 35,46 atom tartısı bir ortalama atom tartısıdır ve atom tartıları 36 ve 37 olan iki izotopun 3/1 oranında karışımından ibarettir. İzotopları atom tartılarının tam sayılara eşit olmasının ispatıyla, Prout'un tam sayılar hipotezi yüzyıl sonra denel olarak gerçekleşmiştir. Klor halinde Z = 17 dir. O halde atom tartısı 35 olan klor çekirdeğinde 17 proton ve 35 - 17 = 18 nötron ; 37 izotopunda ise 17 proton ve 37 - 17 = 20 nötron olacaktır. Atomlar nötr olduklarından, bunların çekirdek dışlarında da 17 şer elektronları bulunur. Çekirdeklerin kütleleri proton ve nötronunkinin tam katlarından ibaret olmalıdır. Halbuki çekirdeklerin kütleleri, kendilerini teşkil eden proton ne nötronların kütleleri toplamından, pek az da olsa, daima daha küçük bulunmuştur. Bu kütle noksanlığının, tanecikler birleşirken Einstein'ın E = mc 2 ilişkisine göre bir miktar enerji kaybetmelerinden ileri geldiği tespit edilmiştir. Bir çekirdeğin sağlamlığının bu kütle noksanlığının fazlalığıyla arttığı görülmüş ve çekirdekler buna göre bir sınıflandırmaya tabi tutulmuştur. Ağır ve çok hafif çekirdeklerin kararsız, orta ağırlıktakilerin ise en sağlam oldukları görülmüştür. Nitekim çok ağır atomlu olan çekirdekler tabiî radioaktiftir ve kendiliklerinden parçalanırlar.








PERİYODİK DİZGE


19. yüzyıl başlarında kimyasal çözümleme yöntemlerinde hızlı gelişmeler elementlerin ve bileşiklerin fiziksel ve kimyasal özelliklerine ilişkin çok geniş bir bilgi birikimine neden oldu. Bunun sonucunda bilim adamları elementler için çeşitli sınıflandırma sistemleri bulmaya çalıştılar. Rus kimyacı Dimitriy İvanoviç Mendeleyev 1860'larda elementlerin özellikleri arasındaki ilişkileri ayrıntılı olarak araştırmaya başladı ; 1869'da, elementlerin artan atom ağırlıklarına göre dizildiklerinde özelliklerinin de periyodik olarak değiştiğini ifade eden periyodik yasayı geliştirdi ve gözlemlediği bağlantıları sergilemek için bir periyodik tablo hazırladı. Alman kimyacı Lothar Meyer de, Mendeleyev'den bağımsız olarak hemen hemen aynı zamanda benzer bir sınıflandırma yöntemi geliştirdi.

Mendeleyev'in periyodik tablosu o güne değin tek başına incelenmiş kimyasal bağlantıların pek çoğunun birlikte gözlemlenmesini de olanaklı kıldı. Ama bu sistem önceleri pek kabul görmedi. Mendeleyev tablosunda bazı boşluklar bıraktı ve bu yerlerin henüz bulunmamış elementlerle doldurulacağını ön gördü. Gerçekten de bunu izleyen 20 yıl içinde skandiyum, galyum ve germanyum elementleri bulunarak boşluklar doldurulmaya başlandı.

Mendeleyev'in hazırladığı ilk periyodik tablo 17 grup (sütun) ile 7 periyottan oluşuyordu ; periyotlardan, potasyumdan broma ve rubidyumdan iyoda kadar olan elementlerin sıralandığı ikisi tümüyle doluydu ; bunun üstünde, her birinde 7 element bulunan (lityumdan flüora ve sodyumdan klora) iki kısmen dolu periyot ile altında üç boş periyot bulunuyordu. Mendeleyev 1871 de tablosunu yeniden düzenledi ve 17 elementin yerini (doğru biçimde) değiştirdi. Daha sonra Lothar Meyer ile birlikte, uzun periyotların her birinin 7 elementlik iki periyoda ayrıldığı ve 8. gruba demir, kobalt, nikel gibi üç merkezi elementin yerleştirildiği 8 sütunluk yeni bir tablo hazırladı.

Lord Rayleigh (Jonh William Strutt) ve Sir William Ramsay'in 1894 den başlayarak soygazlar olarak anılan helyum, neon, argon, kripton, radon ve ksenonu bulmalarından sonra, Mendeleyev ve öbür kimyacılar periyodik tabloya yeni bir "sıfır" grubunun eklenmesini önerdiler ve sıfırdan sekize kadar olan grupların yer aldığı kısa periyotlu tabloyu geliştirdiler. Bu tablo 1930'lara değin kullanıldı.

Daha sonraları elementlerin atom ağırlıkları yeniden belirlenip periyodik tabloda düzeltmeler yapıldıysa da, Mendeleyev ile Meyer'in 1871 deki tablolarında özelliklerine bakılarak yerleştirilmiş olan bazı elementlerin bu yerleri, atom ağarlıklarına göre dizilme düzenine uymuyordu. Örneğin argon - potasyum, kobalt - nikel ve tellür - iyot çiftlerinde, birinci elementlerin atom ağırlıkları daha büyük olmakla birlikte periyodik sistemdeki konumları ikinci elementlerden önce geliyordu. Bu tutarsızlık atom yapısının iyice anlaşılmasından sonra çözümlendi.

Yaklaşık 1910'da Sir Ernest Rutherford'un ağır atom çekirdeklerin- den alfa parçacıkları saçılımı üzerine yaptığı deneyler sonucunda çekirdek elektrik yükü kavramı geliştirildi. Çekirdek elektrik yükünü elektron yüküne oranı kabaca atom ağırlığının yarısı kadardı. A. van den Broek 1911'de, atom numarası olarak tanımlanan bu niceliğin elementin periyodik sistemindeki sıra numarası olarak kabul edilebileceği görüşünü ortaya attı. Bu öneri H.G.J. Moseley'in pek çok elementin özgün X ışını tayf çizgi- lerinin dalga boylarını ölçmesiyle doğrulandı. Bundan sonra elementler periyodik tabloda artan atom numaralarına göre sıralanmaya başladı. Periyodik sistem, Bohr'un 1913'te başlattığı atomların elektron yapıları ve tayfın kuvantum kuramı üzerindeki çalışmalarla açıklığa kavuştu.

Periyotlar. Periyodik sistemin bugün kullanılan uzun Periyotlu biçiminde, doğal olarak bulunmuş ya da yapay yolla elde edilmiş olan 107 element artan atom numaralarına göre yedi yatay periyotta sıralanır ; lantandan (atom numarası 57) lütesyuma (71) kadar uzanan lantanitler dizisi ile aktinyumdan (89) lavrensiyuma (103) aktinitler dizisi bu periyotların altında ayrıca sıralanır. Periyotların uzunlukları farklıdır. İlk periyot hidrojen periyodudur. Ve burada hidrojen (1) ile helyum (21) yer alır. Bunun ardından her birinde 8 element bulunan iki kısa periyot uzanır. Birinci kısa periyotta lityumdan (3) neona (10) kadar olan elementler, ikinci kısa periyotta ise sodyumdan (11) argona (18) kadar olan elementler yer alır. Bunları, her birinde 18 elementin bulunduğu iki uzun periyot izler. Birinci uzun periyotta potasyumdan (19) kriptona (36), ikinci uzun periyotta rubidyumdan (37) ksenona (54) kadar olan elementler bulunur. Sezyumdan (55) radona (86) kadar uzanan 32 elementlik çok uzun altıncı periyot, lantanitlerin ayrı tutulmasıyla 18 sütunda toplanmıştır ve özellikleri birinci ve ikinci uzun periyottaki elementlerinkine çok benzeyen elementler bu elementlerin altında yer alır. 32 elementlik en son uzun periyot tamamlanmamıştır. Bu periyot ikinci en uzun periyottur ve atom numarası 118 olan elementlerle tamamlanacaktır.

Gruplar. Helyum, neon, argon, kripton, ksenon ve radondan oluşan altı soy gaz, tümüyle dolu altı periyodun sonunda yer alır ve bunlar periyodik sistemin 0 grubunu oluştururlar. Lityumdan flüora ve sodyumdan klora kadar uzanan ikinci ve üçüncü periyottaki yedişer element ise sırasıyla I., II., III., IV., V., VI., VII. grupları oluştururlar. Dördüncü periyotta yer alan, potasyumdan broma kadar sıralanan 17 elementin özellikleri farklıdır. Bunların periyodik sistemde 17 alt grup oluşturdukları düşünülebilir, ama bu elementler geleneksel olarak 15 alt grupta toplanırlar ve demir, kobalt, nikel ve bundan sonraki periyotta benzer özellikte olan elementler tek bir grupta, VIII. Grupta yer alırlar. Potasyumdan (19) manganeze (25) kadar olan elementler sırasıyla Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, VIa, VIIa alt gruplarında, bakırdan (29) broma (35) kadar olan elementler de Ib, IIb, IIIb, IVb, Vb, VIb, VIIb, alt gruplarında toplanırlar.

I. grup alkali metaller grubudur ; lityum ve sodyumun yanı sıra potasyumdan fransiyuma kadar inen metalleri kapsayan bu grup, farklı özelliklere sahip Ib grubu metallerini içermez. Aynı biçimde, berilyumdan radyuma kadar inen elementleri kapsayan II. grup toprak alkali metallerdir ve IIb grubundaki elementleri kapsamaz. III. grubu oluşturan bor grubu elementlerinin özellikleri, IIIa grubunun mu yoksa IIIb grubunun mu, bu grupta yer alacağı sorusuna kesin bir yanıt getirmez, ama çoğunlukla IIIa grubu elementleri bor grubu olarak düşünülür. IV. grubu karbon grubu elementleri oluşturur ; bu grup silisyum, kalay, kurşun, gibi elementleri kapsar. Azot grubu elementleri V. grupta toplanmışlardır. VI. grup oksijen grubu elementlerinden, VII. grup ise halojenlerden oluşur.

Hidrojen elementi bazı tablolarda Ia grubunda gösterilmekle birlikte kimyasal özellikleri alkali metallere ya da halojenlere çok benzemez ve elementler arasında benzersiz özelliklere sahip tek elementtir. Bu nedenle hiç bir grubun kapsamında değildir.

Uzun periyotların (4., 5. Ve 6. periyotlar) orta bölümünde yer alan IIIb, IVb, Vb, VIIb, Ib gruplarındaki ve VIII. gruptaki 56 elemente geçiş elementleri denir.

Bir Periyotta Soldan Sağa Doğru Gidildikçe ;

Atom no, kütle no, proton sayısı, atom kütlesi, nötron sayısı, elektron sayısı, değerlik elektron sayısı artar.

Atom çapı ve hacmi küçülür.

İyonlaşma enerjisi artar.

Elektron ilgisi ve elektronegatifliği artar. (8A hariç)

Elementlerin metal özelliği azalır, ametal özelliği artar. (8A hariç)

Elementlerin oksitlerinin ve hidroksitlerinin baz özelliği azalır, asitlik özellik artar. (8A hariç)

Elementlerin indirgen özelliği azalır, yükseltgen özelliği artar. (8A hariç)


Bir Grupta Yukarıdan Aşağıya Doğru İnildikçe ;


Proton sayısı, nötron sayısı, elektron sayısı, çekirdek yükü, Atom no, Kütle no artar.

Atom çapı ve hacmi büyür.

Değerlik elektron sayısı değişmez.

İyonlaşma enerjisi, elektron ilgisi ve elektronegatiflik azalır.

Elementlerin metal özelliği artar, ametal özelliği azalır.

Elementlerin, oksitlerin ve hidroksitlerin baz özelliği artar, asit özelliği azalır.

Elementlerin indirgen özelliği artar, yükseltgen özelliği azalır.