ATOMUN KÜTLESİ
• Rutherford, çekirdekteki + yüklü parçacığı proton olarak adlandırdı. Yaptığı deneylerde protonların, atom çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık yarısını
oluşturduğunu gözlemiştir.
• 20. yüzyılın başlarında kütle spektrometresi icat edildi. Hemen bütün
elementler için kullanıldı. Bu teknikle ölçüm sayesinde bir elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip olmadıkları görülmüştür.
• Neon’un kütlesi (3,3x10
-23g), Hidrojenin kütlesinden (1.67x10
-24g) 20 kat
büyüktür. Ama yapılan bu ölçümler sonucu bazılarının 21 kat bazılarının da 22
kat fazla oldukları saptanmıştır. Bu 3 tür atomunda atom numaraları aynıdır
(Neon’dur.)
• Belli bir elementin atomları arasındaki kütle farkları, araştırmacıları
çekirdekte üçüncü bir parçacık varlığını kabule götürmüştür. Chadwick 1932 yılında, yüksüz olması nedeniyle nötron adı verilen bu parçacığı deneysel verilerle kanıtlayarak bulmuştur.
• Chadwick nötron oluşturan bazı çekirdek reaksiyonlarından yararlanarak nötronun kütlesini hesaplamıştır.
• Bu hesaplamaya göre nötronun kütlesini 1.6749 10
–27kg ve protonun
kütlesini ise 1.6726 10
–27kg olarak bulmuştur.
Frederick Soddy yaptığı çalışmalar sonucunda aynı elementin değişik kütleli atomlarının varlığını bulmuştur ve bunlara izotop adı verilmiştir.
Atom numaraları aynı fakat kütleleri farklı olan atomlara izotop denilmektedir.
İzotop kavramı esas olarak Chadwick 'in nötronu keşfetmesi ile kabul görmüştür.
İzotoplar ancak kütle spektrometrisi ile birbirlerinden ayrılabilirler, çünkü kütle spektrometresi kütle farklılıklarına göre ayrım yapabilir. 1912 yılında J.J.Thomson geliştirdiği kütle spektrometresi yardımıyla ilk kez izotopları birbirlerinden
ayırmayı başarmıştır.
Kütle
Spektrometrisi
• Yükü e olan bir tanecik V potansiyelinin etkisi altında e.V kadar bir enerji kazanır. Bu enerji kinetik enerji haline dönüşür ve parçacığın kinetik enerjisi 1/2 mv
2olur.
eV = 1/2 mv
2eşitliğinden taneciğin hızı
v
2= 2eV / m olur.
Şiddeti H olan bir magnetik alan içinde hareket eden tanecğin yük/kütle oranı parçacığın alan etkisiyle üzerinde hareket ettiği dairenin r yarıçapına,
şeklinde bağlıdır. Bu bağıntıda v’nin yerine değeri konulursa;
e / m = 2V / H
2r
2elde edilir.
Yükü az olan tanecikler yollarından daha çok saparlar. Yük/kütle oranları farklı olan tanecikler kütle spektrometrisi ile ayrılırlar.
Pratikte kütle spektrometrisi ancak belirli bir daire yayı üzerinde hareket eden iyonları yakalayan sabit bir toplayıcı ile çalışır. Manyetik alanın ve potansiyelin şiddetini değiştirerek belirli yük/kütle değerine sahip iyonlar toplayıcı üzerinde
odaklanabilir. Belirli bir demet için yük/kütle değerleri farklı geçişler elde edilebilir.
e / m = v / H.r
Böylece kütleleri (m/e oranları) farklı parçacıklar birbirlerinden ayrılarak kütle
spektrumunda görülebilirler. Dolayısıyla izotoplar bu yöntemle birbirlerinden
ayrılabilirler.
Örneğin neon gazı üzerinde yapılan deneylerde elde edilen sonuçlara
bakıldığında m/e oranı (e = 1 olduğu için bu doğrudan m, yani kütle olarak alınabilir) + 4.81 10
3, + 9.62 10
3ve
+ 4.30 10
3Kulon g
–1olarak bulunmuştur.
2. Değer 1. değerin tam iki katıdır. Bu verilere göre araştırmacılar önce 1 e
–sonra 2 e
–ayrıldığını düşünmüşler ama 3. değere bakıldığında 3. elektronun ayrıldığı söylenememiş. Farklılığın nedenleri araştırılmış ve farklılığın
izotoplardan kaynaklandığı anlaşılmıştır. Diğer bir deyişle Neon elementi
birbirlerinden farkı olmayan atomlardan yani izotoplardan meydana gelmiştir.
Böylece izotopların varlığı kütle spektrumlarındaki m/e oranlarına bakılarak
ortaya çıkarılmıştır.
Örneğin oksijen atomunun izotopları
16O,
17O,
18O gibi. Bu izotopların kütleleri aşağıdaki gibidir:
16
O = 15.9946 akb bulunma % si = % 99.759
17
O = 16.9991 akb bulunma % si = % 0.037
18
O = 17.9991 akb bulunma % si = % 0.204
Doğal oksijen için hesaplamalarda kullanılan atom kütlesi, bu üç izotopun kütlelerinin ortalamasıdır. Yani; her 100.000 oksijen atomundan:
99.759 tanesi
16O 37 tanesi
17O
204 tanesi
18O izotopudur.
Her izotopun sayısı kütlesi ile çarpılır ve çarpım sonuçları toplanıp 100.000’e
bölünürse oksijen için ortalama kütle olarak 15,9994 akb çıkar.
akb (atomik kütle birimi): 12C nin kütlesi tam 12 akb alınarak bunun 1/12 ‘sinin 1 akb olarak alınması kabul edilmiştir.
12C nin kütlesi tam 12 akb olduğu için ve bir atom gramında da Avogadro sayısı kadar (6.02 1023) atom bulunduğuna göre bir C atomunun ağırlığı: 12 / 6.02 1023 = 1.99 10–23 g ve bunun 1/12 si 1.99 10–23 / 12 = 1.66 10–24 g dır. Yani;
1 akb = 1.66 10–24 g dır.
Bir atomun bütün kütlesi çekirdekte toplanır. Ama çekirdekden çekirdeğe geçişte 1 ‘e 1 değişim olmaz. Örneğin:
İzole edilmiş halde;
proton kütlesi = 1.00728 akb nötron kütlesi = 1.00867 akb
elektron kütlesi = 0.000549 akb olarak bulunmuştur.
12C 12.0000 akb
13C 13.0034 akb dir.
12C 12.0000 akb
12N 12.0187 akb dir.
Bir atom çekirdeği proton ve nötrondan meydana gelmiştir.
Atom numarası= proton sayısı = Z Nötron sayısı = n dir
Atom kütlesi = Z+n dir
Bir atom örneğin şeklinde gösterilir. Burada 8, oksijen elementinin atom numarasını, 18 ise atomik kütlesini göstermektedir. Böyle bir çekirdekteki nötron sayısı 18 – 8 = 10 dur.
İzotoplarda değişen nötron sayısıdır. Örneğin atom numarası 6 olan karbon’un izotoplarında:
de 6 proton + 6 nötron,
de 6 proton + 7 nötron vardır.
•
Kimyasal reaksiyonlarda çekirdeğin etrafında yer alan elektronlar etkileşir.
Elementlerin kimyasal özellikleri elektronlarının düzenine bağlıdır.
Elektronların düzenini bulmak için atomik spektroskopiden yararlanılır.
Elektronlar atom içerisinde belli enerji seviyelerinde bulunurlar ve yeterli enerjiyi aldıklarında daha yüksek enerjili üst enerji seviyelerine çıkarlar ve sonra önceki enerji seviyelerine dönerler. Dönerken de aldıkları enerjiyi geri verirler ve bu enerji ölçülebilir.
Ölçülen değerlerden faydalanılarak elektronların enerji seviyelerindeki yerleşimleri hakkında bilgi edinilir.
ATOMİK SPEKTROSKOPİ
Beyaz ışık bir prizmadan geçirilirse, şiddetleri yavaş yavaş değişen çeşitli renklerden meydana gelen devamlı bir spektrum elde edilir. Bu ışınların
tümü dalga boylarına göre sıralandığında elektromanyetik spektrum ortaya çıkar.
Elektromanyetik spektrumda dalga boyları aralıkları belli adlarla anılır.
Çünkü bu aralıklardaki ışınlar atom veya moleküllerde bazı değişimlere neden olurlar.
Spektrumun kırmızı tarafı küçük enerjiye, küçük frekansa ve uzun dalga
boyuna, mavi tarafı ise büyük enerjiye, büyük frekans ve kısa dalga boyuna karşılık gelir. Gözle görülen ışığın enerjisi bu iki enerjinin arasında düşer.
Yüksek enerjili olan UV ışınları mor ötesi, düşük enerjili olan IR ışınları kızıl
ötesi bölgede yer alırlar.
Ancak beyaz ışık yerine herhangi bir elementin çok yüksek sıcaklığa kadar ısıtılmış gaz hali kullanılırsa, spektrum bu kez kesikli olarak meydana gelir.
Kesikli spektrumlar elementten elemente değişirler ve eldeki elementlerin enerji seviyelerini karakterize ederler.
Bir element ısıtıldığı zaman atomları farklı enerjili seviyelere çıkar ve belirli bir frekansta ışık yayarak tekrar düşük enerjili hallerine dönerler. Bu frekanslar atomdaki çeşitli enerji seviyelerinin varlığını açıklar.
Yalnızca bir elektron bulunan Hidrojen atomunu üzerinde ilk çalışmalar
yapılmıştır.
Hidrojen, alev ile uyarılmış ve sonra salınan enerjiler bir prizmadan geçirilerek bir fotoğraf filmi üzerine düşürülmüştür.
Bunun sonucunda fotoğraf filmi üzerinde inceli-kalınlı ve ayrık-bitişik çok sayıda çizginin meydana geldiği gözlenmiştir.
Elde edilen çizgi dizisine çizgi spektrumu adı verilmiştir.
Balmer, hidrojenin spektrumunda görünür bölgedeki çizgiler arasındaki
aralıkların büyük dalga boylarından küçük dalga boylarına doğru gidildiğinde düzenli olarak küçüldüğünü gözlemiş ve bunun dalga boyunun fonksiyonu olduğunu söylemiştir.
Rydberg, bu düzenliliğin dalgaboyu değil dalga sayısının (1/ λ) fonksiyonu
olduğunu göstermiş ve Rydberg sabit (R=10973731.568 m
–1) ile bir bağlantı kurmuştur: 1
λ = R
2
2– R
n
22n
2=3, 4, 5, … … .
(n2 = daha yüksek enerjili üst enerji seviyesi)