Altın Levhadan Geri Seken Tanecikler
1909-1911 yılları arasında Rutherford'un ekibi, yaklaşık bin atom kalınlığındaki bir altın levhaya pozitif yüklü alfa tanecikleri gönderdi. O dönemin beklentisi, taneciklerin levhadan hafifçe sapıp geçmesiydi. Sonuç şaşırtıcıydı:
- Taneciklerin çok büyük bölümü hiç sapmadan geçti.
- Çok küçük bir bölümü büyük açılarla saptı, bazıları geldiği yöne geri döndü.
Duralım ve soralım: bu iki gözlemden ne çıkar? Birincisinden, atomun hacminin büyük ölçüde boşluk olduğu. İkincisinden, atomun ortasında çok küçük, çok yoğun ve pozitif yüklü bir bölge bulunduğu. Pozitif alfa taneciğini geri itebilen şey ancak pozitif bir yük olabilir. Bu bölgeye çekirdek dendi.
Ölçeği hayal etmek için: atom bir futbol sahası kadar büyütülseydi çekirdek, sahanın ortasındaki bir toplu iğne başı kadar kalırdı. Atomun çapı yaklaşık $10^{-10}$ m, çekirdeğinki yaklaşık $10^{-15}$ m'dir; arada 100 000 kat fark vardır.
Bir Model Neden Terk Edilir?
Her atom modeli, kendi döneminin deney sonuçlarını açıklayabildiği için kabul gördü ve açıklayamadığı yeni bir sonuç gelince değiştirildi.
| Model | Temel fikir | Neyi açıklayamadı? |
|---|---|---|
| Dalton (1803) | Atom bölünemeyen, içi dolu küredir | Elektronun varlığını |
| Thomson (1897) | Pozitif küre içine gömülü elektronlar ("üzümlü kek") | Alfa taneciklerinin geri sekmesini |
| Rutherford (1911) | Küçük pozitif çekirdek, çevresinde elektronlar | Elektronun neden çekirdeğe düşmediğini |
| Bohr (1913) | Elektronlar belirli enerji düzeylerinde (katmanlarda) bulunur | Çok elektronlu atomların ışık tayfını |
| Modern model | Elektronun yeri kesin değil; bulunma olasılığı yüksek bölgeler (orbital) | — |
Sınavda "elektronlar belirli enerji düzeylerinde bulunur" ifadesi Bohr'u, "çekirdek" ifadesi Rutherford'u, "elektron bulutu" ya da "orbital" ifadesi modern modeli işaret eder.
Sayılarla Atom
| Tanecik | Yük | Yaklaşık kütle | Yeri |
|---|---|---|---|
| Proton | +1 | 1 | Çekirdek |
| Nötron | 0 | 1 | Çekirdek |
| Elektron | −1 | 1/1836 | Katmanlar |
Atom numarası ($Z$) proton sayısıdır ve elementin kimliğidir: 17 protonlu her atom klordur. Kütle numarası ($A$) proton ve nötron sayılarının toplamıdır. Gösterimde $A$ üstte, $Z$ altta yazılır:
$^{35}_{17}\mathrm{Cl}$ için nötron sayısı $= A - Z = 35 - 17 = 18$.
İyon oluşurken yalnız elektron sayısı değişir. Atom numarası 12 olan magnezyum 2 elektron verirse $\mathrm{Mg^{2+}}$ olur: 12 proton, $12 - 2 = 10$ elektron. Daha zor bir örnek: $^{56}_{26}\mathrm{Fe^{3+}}$ iyonunda proton 26, nötron $56 - 26 = 30$, elektron $26 - 3 = 23$'tür. Negatif iyonda ise elektron eklenir: $\mathrm{S^{2-}}$ (Z = 16) iyonunun 18 elektronu vardır.
Elektronlar Katmanlara Nasıl Yerleşir?
İlk 20 element için basit kural: birinci katman en çok 2, ikinci 8, üçüncü (bu düzeyde) 8 elektron alır; katmanlar içten dışa doldurulur.
- Na (Z = 11): 2, 8, 1
- S (Z = 16): 2, 8, 6
- Ca (Z = 20): 2, 8, 8, 2
Modern modelde aynı dizilim orbitallerle yazılır. Fosfor (Z = 15) için $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3$. Üsler toplamı $2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15$ elektron eder. En büyük katman numarası 3 olduğu için element 3. periyotta, son katmanda $2 + 3 = 5$ elektron bulunduğu için 5A grubundadır.
Mini soru: 2, 8, 1 dizilimli bir atomun çekirdeğinde 12 nötron varsa kütle numarası kaçtır? Önce proton: nötr atomda elektron sayısı $2 + 8 + 1 = 11$, proton da 11. Sonra $A = 11 + 12 = 23$.
İyonların dizilimi de aynı kuralla yazılır; yalnız önce elektron sayısını düzeltmek gerekir. $\mathrm{Mg^{2+}}$ iyonunun 10 elektronu vardır: 2, 8. $\mathrm{O^{2-}}$ iyonunun da 10 elektronu vardır: 2, 8. İkisi de soy gaz neonun (Z = 10) dizilimine ulaşmıştır. Elektron sayısı ve dizilimi aynı olan bu taneciklere izoelektronik denir. Atomların iyon oluşturma eğiliminin nedeni de budur: son katmanını soy gaz gibi doldurmak, yani daha kararlı bir hâle geçmek.
Peki izoelektronik iki tanecik aynı büyüklükte midir? Hayır. $\mathrm{Mg^{2+}}$'nın 12 protonu aynı 10 elektronu, $\mathrm{O^{2-}}$'nin 8 protonundan daha güçlü çeker; bu yüzden $\mathrm{Mg^{2+}}$ daha küçüktür.
İzotop, İzoton, İzobar: Tek Atomla Üç Kavram
Üç kavramı ezberlemek yerine karbon-14 üzerinden kuralım:
| Çift | Aynı olan | Kavram |
|---|---|---|
| $^{12}_{6}\mathrm{C}$ ve $^{14}_{6}\mathrm{C}$ | Proton (6) | İzotop |
| $^{14}_{6}\mathrm{C}$ ve $^{16}_{8}\mathrm{O}$ | Nötron (8) | İzoton |
| $^{14}_{6}\mathrm{C}$ ve $^{14}_{7}\mathrm{N}$ | Kütle numarası (14) | İzobar |
İzotopların kimyasal özellikleri aynıdır, çünkü elektron sayıları ve dizilimleri aynıdır. Kütleleri farklı olduğu için yoğunluk gibi fiziksel özellikleri farklıdır. Karbon-14 ile yaş tayini, izotopun kimyasal davranışı değil, çekirdeğinin zamanla bozunması üzerine kuruludur.
Çözümlü örnek: X: 8 proton, 8 nötron, 8 elektron. Y: 8 proton, 10 nötron, 8 elektron. Z: 9 proton, 9 nötron, 10 elektron. X ile Y izotoptur (proton aynı). Y'nin kütle numarası $8 + 10 = 18$, Z'ninki $9 + 9 = 18$: Y ile Z izobardır. Z'de elektron protondan bir fazla olduğu için Z nötr değil, $-1$ yüklü bir iyondur.
Sık Yapılan Hata
1. İyon oluşurken proton sayısının değiştiğini sanmak. Proton sayısı değişseydi element değişirdi. Kimyasal olaylarda çekirdek değişmez; yalnız elektron alınır ya da verilir.
2. Her tabloda proton = elektron diye düşünmek. Bu eşitlik yalnız nötr atomda geçerlidir. Soruda "nötr" sözcüğü yoksa elektron sayısını proton sayısından değil, yükten hesaplayın.
3. İzotopların kimyasal özelliklerini farklı sanmak. Kimyasal davranışı elektronlar belirler; izotopların farkı çekirdektedir.
Sınav ipucu: TYT'de atom sorusu çoğunlukla bir tablo verir. Önce her satırda $Z$, $A$ ve yükü yazın; kavram sorusu ondan sonra kendiliğinden çözülür.
Sık sorulanlar
Rutherford deneyi atom hakkında ne gösterdi?
Taneciklerin çoğu sapmadan geçtiği için atomun büyük ölçüde boşluk olduğunu, azı geri döndüğü için ortada küçük, yoğun ve pozitif yüklü bir çekirdek bulunduğunu gösterdi.
İyon oluşurken hangi tanecik sayısı değişir?
Yalnızca elektron sayısı. Proton ve nötron sayıları değişmez; proton sayısı değişseydi element değişirdi.
Elektron dizilimiyle periyot ve grup nasıl bulunur?
Katman sayısı periyodu, son katmandaki elektron sayısı A grubunu verir. Örneğin 2, 8, 6 dizilimli kükürt 3. periyot 6A grubundadır.