Elektron
elekron
Çok kararlı temel parçacıklardan biri olan elektron, çekirdekle birlikte atomu meydana getirir. Onun fiziksel niteliklerinin incelenmesiyle atomun yapısı ve maddenin elektrik ve ısı iletimi gibi makroskobik
özellikleri arasında bağlantı kurulabilmiştir.
Karıncanın başı, bir elektronik parçanın önünde. Bu resim, eiektron-madde etkileşiminden doğan çeşitli ışınımlan kullanan taramalı bir elektron mikroskopuyla elde edilmiştir.
İÇİNDEKİLER
ELEKTRONUN FİZİĞE GİRİŞİ ELEKTRON, ATOMUN BİLEŞENİ KATİLARDA ELEKTRON
ELEKTRONUN FİZİĞE GİRİŞİ
Elektron terimini, ilk olarak 1891’de İrlandalı George Stoney kullandı. Bu kelime kehribar (elektron) demektir. Önce elektrik kavramı ondan türetilmiş, sonra Stoney elektrik olaylarıyla bu kavram, yani elektron arasında doğrudan bir bağlantı kurmuştur. Ne var ki bu bağlantıyı benimsemede yorum güçlükleriyle karşılaşıldı. Aslında elektrodinamik, yani elektrik akımım inceleyen bilim dalı, elektrik yükü ile küde arasındaki ilişkinin henüz tam olarak belirlenemediği XIX. yy’da gelişti. Üstelik atom kavramı ve bunun maddenin oluşumundaki rolü, bilimsel alanda birçok soruya yol açtı, felsefe ve epistemoloji alanında şiddetli tartışmalar doğurdu.
Atom kavramını, Sokrates’ten önceki felsefeciler sezinledi ve atom kuramları maddeci felsefeler arasında sınıflandırıldı.
Fizikte atom kavramını kabul etmek, böyle bir felsefî seçimi kabul etmeyi de beraberinde getirir mi?
Elektrolitik olaylar: inceleyenr.ı. yükü arasındaki birliği belirtmek j’.- sez sözcüğü türetirken Yunanca «gitmek» ar. a—.:.: lenmişti. Gerçekten «yüklü maddenin» bir pils kişiyle bir çözelti içinde yer değiştirmesi göz sodyum klorür (NaCl) çözeltisinin elektroliz: larda Cl2 ve H2 elemenderinin toplanması, bir ■ (reaksiyon) oluştuğunu ve aynı elemenderin ı laştığını kamdıyordu. Böylece elektrokimyarj kimyada atomlardan başka parçacıklar da diki dı. Öte yandan gazlarda da benzer olayların çacıkların niteliğine ilişkin yeni sorular doğu: kavramının yaygın olarak kullanılmasına yol William Crookes, 1878’de içi gaz dolu kap olay gözlemledi: bazı fiziksel koşullarda (elet deti veya sıcaklık) tüp içinden doğru akım geç rötesi (ültraviyole) ışınlar negatif yüklü met; ğünde elektrik akımı üretiyordu. Bu olaylar, lan (X ışınları veya doğal radyoaktif elemeni açıkça ortaya çıkıyordu. Bütün bu deneylerdi daki (sıcaklık, elektrik alanının şiddeti) değiş rın saptanmasını sağladığı, ama yaratamadığ Sulu çözeltilerle ilgili olaylar hakkında da lüyordu: çözünen bileşikler ayrışmış durumd mn geçmesi bu ayrışmayı yaratmıyor, yalnızı yordu. Bununla birlikte çözeltilerdeki olaylı benzerlik ve gazların iletkenliği, bu olaylarda çacıklara iyon denmesini haklı gösterir miydi Bu farklı gözlemleri bağdaştırmak için mo ce bir denge kuruldu. Gerçekten, iyonlar çol bunların gerçek olmama, yaygın, tek ve tem lirtileri olma olasılığı söz konusuydu. Mesela yerde var olan, ama fiziksel parametrelerle s yen uçucu bir akışkan veya bir maddeydi. I; tomlar için düşünüldüğü gibi, bu maddenin belirtisi olamaz mıydı? Kütleleri, bu akışkanı: likte değişiyor muydu?
Elektrona iki yaklaşım
Bu parçacıkların yükü bir elektroliz sırasın jen iyonunun yüküne tekabül ediyorsa, kütlf küçük olacaktır. Küdenin yüke oranı (m/e) de ca ölçülebilir; bu yüzyılın başında birçok fizi John Thomson, Jean-Baptiste Perrin, Pierre \ ter Kaufmann, VVilhelm Wien) çeşitli olgu oran için birbirine uyan değerler elde ettiler, rılan sonuç, kaynak madde ne olursa olsun ö söz konusu olduğuydu. Negatif iyon, poz: madde içinde her yanda bulunan bölüneme veriyordu; pozitif iyonların küdeleri kayna karşılaştırılabilecek nitelikte görünüyordu. P tif iyonları oluşturan kimyasal elementler aı mak mümkündü; çünkü küdeleri büyük ölçü pozitif iyon olan hidrojen iyonunun kütleş küdesinden yaklaşık 1 000 kat daha büyük kimyasal elemenderdeyse, atom küdeleri ile ri arasında sıkı bir ilişkinin bulunduğu izleni adamlarının önemlice bir kesiminin madde: benimsemeyi reddettiği bir dönemde bile, a nin en küçük parçacığı olarak düşünülmüy tron ve pozitif iyon arasındaki bakışımsızlı atomun iki bileşenine ayrılmasından başka siliğini doğuruyordu. Bu defa elektrolizle beı Elektron «gerçeğini» gün ışığına çıkarma bilim adamları istemeden atomu parçalan atom içinde tutsaklıktan kurtarmayı başardı ortaya çıktı: ya serbest parçacıkların bir elek manyetik alan içinde yer değiştirmelerini in ların atomun yapısına nasıl katıldıklarım açı Her iki yaklaşımın da üstünde duruldu; b de edilen sonuçlar, klasik elektromanyetizr oluşturdu; İkincisi fiziğe yeni bir kuramın, 1 nin girişini sağladı.
Elektron kuramı ve metalleriı
Elektronları incelemenin yararı, bunların özelliklerinden harekede karmaşık olaylar
imliklerini daha iyi açıklamada görülebilirdi.
Isıl iletkenlik. Bir metal, çok sayıda atomun çok titiz bir bir-: _= .midir. Bu birleşimi basit bir şekilde göstermenin bir yolu, me-_;dnde serbestçe yer değiştirebilen, ama ortamdan kurtulama-i- bir elektron bulutu düşünmektedir. Bu basit modelde metal-;’ – iki özelliğini, yani ısıl ve elektriksel iletkenliği inceleyelim. T_atı maddelerin özgül ısısı, 3R’ye eşittir; burada R, ideal gaz sa-r. ix Bu yasa XIX. yy başında biliniyordu; o dönemde, 1817-:1″ arasında Pierre Louis Dulong ve Alexis Petit, birçok metalin ilkliğini 1 derece yükseltmek için gereken ısı miktarlarını ölç-
” zgül ıs! denen bu nicelik, iki Fransız fizikçiye o dönemde karşı
• _an «atom gerçeği»nin en iyi kanıtlarından biri olarak göründü. /IIX. yy ortalarında, Rudolf Clausius’un düşüncelerinden ~lenen James C. Maxwell’in çalışmaları sayesinde, ısının, bir
_~vasal maddenin temel bileşenlerinin hareketinin belirtileri -,ğu kanısına varıldı. Bu model, atomların birleşimi olarak edilen gazlar üzerinde denendi; bu varsayımın başarısı .r.vig Boltzmann’ı resmi tamamlamaya yöneltti ve Josiah „_ard Gibbs gibi bazı fizikçiler, yeni bir araştırma alanı olan
• ‘ sükt mekaniği ortaya atarak bu varsayımı yaygınlaştırma ça-:; ,r.a girdiler.
~vnı şema metallere uygulanabilir miydi? Bunun için atomla-ienge konumları çevresinde titreştiğini düşünmek ve bu tedir-:.’^:ğe elektronların yer değiştirmesinden kaynaklanan titreşimi :: eklemek gerekiyordu. Hesaplar kısa sürede bir çelişkiyi ortaya : iu: atomların titreşimleri tek başına özgül ısıyı açıklayabili-:bu yüzden, serbest elektron sayısının çok sınırlı olduğu dü-.-.;esi ortaya çıktı.
.:.aci bir açıklama zorunlu olmuştu: sıcaklığın artmasıyla bir-. :e ek bir miktar atomun daha elektronlarını serbest bırakması ::: esiyordu; ne var ki, sıcaklığı artırmak için soğurulan enerji Du-ve Petit’nin deneysel yasasının gösterdiği miktarın çok üs-;e olması zorunluydu. Kuşkusuz bu yasa ancak mudak sıfıra . • .aşan veya tam tersine aşırı yüksek sıcaklıklarda geçerli olabi-Serbest elektronlar modeli oldukça tutarlı görünüyordu, . – = Saha derin analizlere girildiğinde yeni sorunlarla karşılaşılı-
; j güç problemi çözmek yerine fizikçiler elektrik iletkenliği : ~.~ıma yöneldiler. Bu iletkenlik bir metalde serbest elektronla-er değiştirmesine bağlanabilir miydi? Bununlu birlikte bu
– : zz’j. de inandırıcı olmaktan uzak görünüyordu. Mesela metal _ -_■£ elektronlara aşırı bir yer değiştirme serbesdiği tamndığın-u; Coulomb yasasıyla çelişkiye düşülüyordu; bilindiği gibi bu
.; v;a göre aynı işaretli iki yük birbirinden çok uzakta olsa bile : -.imi iter. Bu olguya iyonlaşma sonucunda metal içinde oluşan : z.’zi iyonların elektronlara uyguladığı çekme kuvvetini de ek-: ~_=k gerekiyordu.
Yeni bir elektron modeli. Paul Drude ve Hendrik Lorentz • _ temel itirazların dışına çıktılar, elementlere göre elektriksel : iletkenliği tanımlamak için matematiksel formüllere baş-,-^^lar; ayrıca bu son iki niceliğin kendi aralarında ilişkili ol-. -i_nu gösterdiler. Drude deneysel düşünceleri izlerken, Lo-: bu bağlantıları yalnızca kuramsal yaklaşımlardan çıkar-
– ^ a çalıştı.
; onunla birlikte bu kesin çıkartım ilginç bir güçlükle karşılaş-: . .ramsal değerler ile deneysel değerler arasında düzenli bir r vardı. Bu sabit sapma, kuramsal planda hâlâ eksik olan te-
– ; -;r noktanın bulunduğuna işaret ediyordu. Aynı şema izle-■ ısılelektrik (termoelektrik) etki gibi diğer olgular kavransa
– _; vani bir metalden belli bir miktar akımın geçişi sonucunda :: ısı üretimi veya ısı soğurumuyla ilgili Thomson etkisi ve-
; ; :k ince metal levhalarda akım çizgilerinin sapmasıyla ilgili -j_ etkisi anlaşılsa bile, deneysel verilerde aynı sistemli sapma-i : atlanıyordu.
ELEKTRONUN KİMLİK KARTI
iij temel parçacık olan elektronun fizikî özellikleri şöyledir:
– .r-tie : m0 = 9,1083 x İO^31 kg;
– rsrr.ei elektrik yükü : e = -1,60206 • 10 19 C;
– ;r_.: + 1/2;
– ~_^~yet_ık moment: 0.92827 • 10 23 A m2.
Crookes tüpü. Morötesi ışınlarla aydınlatılan negatif yüklü metal bir yüzey, belirli fiziksel koşullar altında bir elektrik akımı doğurur.
Gül radyografisi. Elektron bombardımanına tutulan bir hedefin yayımladığı X ışınımı tayfı, bu elektronlar ile hedefin atomlan arasındaki
etkileşimlerden kaynaklanır.
Çok kararlı temel parçacıklardan biri olan elektron, çekirdekle birlikte atomu meydana getirir. Onun fiziksel niteliklerinin incelenmesiyle atomun yapısı ve maddenin elektrik ve ısı iletimi gibi makroskobik
özellikleri arasında bağlantı kurulabilmiştir.
Karıncanın başı, bir elektronik parçanın önünde. Bu resim, elektron-madde etkileşiminden doğan çeşitli ışınımları kullanan taramalı bir elektron mikroskopuyla elde edilmiştir.
İÇİNDEKİLER
ELEKTRONUN FİZİĞE GİRİŞİ ELEKTRON, ATOMUN BİLEŞENİ KATİLARDA ELEKTRON
ELEKTRONUN FİZİĞE GİRİŞİ
Elektron terimim, ilk olarak 1891’de Mandalı George Stoney kullandı. Bu kelime kehribar (elektron) demektir. Önce elektrik kavramı ondan türetilmiş, sonra Stoney elektrik olaylarıyla bu kavram, yani elektron arasında doğrudan bir bağlantı kurmuştur. Ne var ki bu bağlantıyı benimsemede yorum güçlükleriyle karşılaşıldı. Aslında elektrodinamik, yani elektrik akımını inceleyen bilim dalı, elektrik yükü ile kütle arasındaki ilişkinin henüz tam olarak belirlenemediği XIX. yy’da gelişti. Üstelik atom kavramı ve bunun maddenin oluşumundaki rolü, bilimsel alanda birçok soruya yol açtı, felsefe ve epistemoloji alanında şiddetli tartışmalar doğurdu.
Atom kavramını, Sokrates’ten önceki felsefeciler sezinledi ve atom kuramları maddeci felsefeler arasında sınıflandırıldı.
Fizikte atom kavramım kabul etmek, böyle bir felsefî seçimi kabul etmeyi de beraberinde getirir mi?
Elektrolitik olayları inceleyen Michael Faraday, kü yükü arasındaki birliği belirtmek için iyon sözcüğüm sözcüğü türetirken Yunanca «gitmek» anlamına geleı lenmişti. Gerçekten «yüklü maddenin» bir pilden gel kişiyle bir çözelti içinde yer değiştirmesi göz ardı ed sodyum klorür (NaCl) çözeltisinin elektrolizi sırasır larda CI2 ve H2 elementlerinin toplanması, bir «kimya (reaksiyon) oluştuğunu ve aynı elementlerin aym ele laştığını kamdıyordu. Böylece elektrokimyamn katkı: kimyada atomlardan başka parçacıklar da dikkate alır dı. Öte yandan gazlarda da benzer olayların gözlem çacıklarm niteliğine ilişkin yeni sorular doğurdu. Bu kavramımn yaygın olarak kullanılmasına yol açtı.
William Crookes, 1878’de içi gaz dolu kapalı bir t olay gözlemledi: bazı fiziksel koşullarda (elektrostati deri veya sıcaklık) tüp içinden doğru akım geçiyordu, rötesi (ültraviyole) ışınlar negatif yüklü metal bir yü ğünde elektrik akımı üretiyordu. Bu olaylar, yeni ışır lan (X ışınları veya doğal radyoaktif elemender) kull açıkça ortaya çıkıyordu. Bütün bu deneylerden, fizik, daki (sıcaklık, elektrik alanının şiddeti) değişimin, bu rın saptanmasını sağladığı, ama yaratamadığı sonucu
Sulu çözeltilerle ilgili olaylar hakkında da aym şey lüyordu: çözünen bileşikler ayrışmış durumdaydı; ele nin geçmesi bu ayrışmayı yaratmıyor, yalnızca gün ış: yordu. Bununla birlikte çözeltilerdeki olaylar arasın benzerlik ve gazların iletkenliği, bu olaylardan sorum çacıklara iyon denmesini haklı gösterir miydi?
Bu farklı gözlemleri bağdaştırmak için modeller ara ce bir denge kuruldu. Gerçekten, iyonlar çok çeşitli o bunların gerçek olmama, yaygın, tek ve temel bir ma lirtileri olma olasılığı söz konusuydu. Mesela eter bu ti yerde var olan, ama fiziksel parametrelerle sınırları bı yen uçucu bir akışkan veya bir maddeydi. İyonlar, da tomlar için düşünüldüğü gibi, bu maddenin hareketin belirtisi olamaz mıydı? Küdeleri, bu akışkanın hareket likte değişiyor muydu?
Elektrona iki yaklaşım
Bu parçacıkların yükü bir elektroliz sırasında elde ed jen iyonunun yüküne tekabül ediyorsa, kütleleri 1 000 küçük olacaktır. Küdenin yüke oram (m/e) deneysel ola ca ölçülebilir; bu yüzyılın başında birçok fizikçi (özelli John Thomson, Jean-Baptiste Perrin, Pierre ve Marie C ter Kaufmann, Wilhelm Wien) çeşidi olgulardan haı oran için birbirine uyan değerler elde ettiler. Bu olgulaı rılan sonuç, kaynak madde ne olursa olsun özdeş «cisiı söz konusu olduğuydu. Negatif iyon, pozitif iyonlar madde içinde her yanda bulunan bölünemez bir varlıl veriyordu; pozitif iyonların küdeleri kaynak atomun karşılaştırılabilecek nitelikte görünüyordu. Hatta madd tif iyonları oluşturan kimyasal elemender arasında bir mak mümkündü; çünkü küdeleri büyük ölçüde özdeşti, pozitif iyon olan hidrojen iyonunun küdesi, negatif b kütlesinden yaklaşık 1 000 kat daha büyük görünüyor kimyasal elemenderdeyse, atom kütleleri ile pozitif iyo ri arasında sıkı bir ilişkinin bulunduğu izlenimi edinilm: adamlarının önemlice bir kesiminin maddenin cisimcü benimsemeyi reddettiği bir dönemde bile, atomlar artık nin en küçük parçacığı olarak düşünülmüyordu. Nitek tron ve pozitif iyon arasındaki bakışımsızlık, iyonlaşrr atomun iki bileşenine ayrılmasından başka bir şey olm; sılığmı doğuruyordu. Bu defa elektrolizle benzerlik koru
Elektron «gerçeğim» gün ışığına çıkarma imkâm varc bilim adamları istemeden atomu parçalamayı, bu pa: atom içinde tutsaklıktan kurtarmayı başardılar. Bu açıdî ortaya çıktı: ya serbest parçacıkların bir elektrik alanı ve, manyetik alan içinde yer değiştirmelerini incelemek; ya ların atomun yapısına nasıl katıldıklarını açıklığa kavuşt
Her iki yaklaşımın da üstünde duruldu; birinci yaklaş de edilen sonuçlar, klasik elektromanyetizmanın bir alt oluşturdu; İkincisi fiziğe yeni bir kuramın, kuvantum m nin girişini sağladı.
Elektron kuramı ve metallerin özellikli
Elektronları incelemenin yararı, bunların gün ışığına c özelliklerinden hareketle karmaşık olayları, mesela m Sentez yoluyla elde edilmiş bir kristalde elektron kırınımı.
Eektronun dalga özellikleri vardır: uygun bir kristal kafesi içinden geçirilirse ışık gibi kınlma olaylarıyla karşılaşır.
Satürn ve halkaları.
-jn karmaşık yapısını açıklamak fi öne sürülen ilk modellerden birinde, çekirdek Satürn gezegenine, elektronlarda onun halkalanna benzetildi.
ELEKTRON, ATOMUN BİLEŞENİ
XX. yy başında atomun karmaşık bir yapıya sahip olduğu yolundaki düşünce son derece devrimci bir yaklaşımdı; bu yüzden bu kavramı tasarlamak için fiziğin «klasik modellerine» başvuruldu. Pozitif iyonların ve elektronun nitelikleri kesinleşince, bunların atom içinde bir arada bulunma sorunu fizikçilerin kafalarım karıştırdı.
Atom modeli oluşturma girişimleri
Atomun yapısını gözlemek imkânsız olduğudan, atomla ilişkili olduğu düşünülen fiziksel olguları açıklayabilecek bir «model» tasarlamak gerekiyordu. Hantaro Nagaoka’ya (1904) göre, kimyasal olgulardan elde edilen temel ölçütün, atomlardan harekede moleküllerin oluşumunu açıklayabilmesi gerekiyordu. Bu bilim adamı atomu, Satürn gezegeni gibi kararlı bir yapı olarak görüyordu: elektronları gezegenin halkalanna yerleştiriyor ve gezegeni çekirdek olarak algılıyordu. J. J. Thomson, karşılaştırma ölçütünü kimyanın sağlaması gerektiğini tamamen kabul ediyor, ama elektronların, Nagaoka’nın tersine, yüzeyi pozitif yüklü bir kürenin içinde dolandıklarını düşünüyordu.
Bu model bir başka olay hesaba katılır katılmaz geçerliğini yitirdi: Ernest Rutherford’un yaptığı gözleme göre polonyumun radyoaktif bozunması sonucunda yayılan a parçacıkları bir platin varağın içinden geçebiliyordu; bu olay, atomun pozitif yükünün bir noktada yoğunlaştığı düşüncesini doğurmuştu, çünkü birkaç a parçacığı güçlü bir şekilde sapmaktaydı. Deneysel sonuçların gezegen modeline uyabilmesi için, pozitif yükün atomun merkezinde yoğunlaştığını düşünmek gerekiyordu. 191 l’e doğru bu model, fizik yasalarına tümüyle uygunluk göstermesi olanaksız olsa bile, hem fiziği, hem kimyayı tatmin etmiş gibi görünüyordu. Atom, Güneş Sistemi’ne benzer: pozitif çekirdek merkezde bulunur ve elektronlar çekirdek dışındaki bir yörünge üzerinde dolanır. Bununla birlikte elektronlar dolanırken enerji yaymak zorundadır. Bugün de hadarım koruyan bu modele göre, elektronlar pozitif ve negatif yüklerin birleşmesi sonucunda parçalanana kadar çekirdeğe yaklaşacak ve atomu büyük ölçüde karar-sızlaştıracaktır. On yıllık bir araştırmadan sonra bu temel itiraza rağmen, bu düşünceler araştırmacılarla paylaşılmaktaydı: küde ve pozitif yük çekirdekte yoğunlaşmıştır, elektronlarsa çekirdeğin dışındadır; ama öte yandan Rutherford’un modeli de çok kararlıdır. Ama atomun yapısını kavramak için ek bir anahtar gerekir.
Atom yapısı ve spektroskopi
Atomların yapısı ile tayfları arasında ilişki kurma girişimini ilk kez DanimarkalI Niels Bohr gerçekleştirdi. Tayf, atomların soğur-duğu veya yaydığı enerji yelpazesidir. Her elementin tayfı, birbirinden farklı olmakla birlikte benzer bir görünüm sunar: birbirinden farklı uzaklıklarda yer alan çizgiler, soğurulan veya yayılan enerjinin değerlerine tekabül eder. Bu düzenli yapı aşağıdaki formülle yorumlandı: «iki çizgi arasındaki enerji farkı, iki tamsayı arasındaki farkla çarpılan ve fiziksel büyüklükleri gösteren bir sabite eşittir». Böylece yüzyılın başından beri fizikte yeni bir kavrayış ortaya çıktı: enerjinin, küçük taneciklerden, yani önceleri «ışık kuvantumu» (Einstein, 1905), 1924’ten beri de «foton» denen birimlerden oluştuğu kabul edilebilir.
Tayfların enerjisi, aynı şekilde kuvantumun tamsayı kat^7.:_ mı tekabül ediyordu? Enerjinin soğurulması veya yayımı ile ; ; ı tronların atom içindeki yer değiştirmeleri arasında bir ilişki i labilir miydi? Bu sonuca ulaşıldığı taktirde enerjinin, atorr.;^ elektrona tekabül ettiğini söylemek mümkün olacaktı. O Li.— gezegen modeline göre kurulan atom modeli doğrulamy”::-elektronlar, olası tek konum olan bir yörünge üstünde karar_ şekilde dolanır. Bir elektron, enerji soğurarak veya yayarak k- : rüngeden öbürüne geçebilir; bu enerji, daima kuvantumun ^ ~ sayı katlarıdır.
Olası farklı yörüngeleri hesaplamak için mekaniğin teorerr. –rine başvuruldu. Bunun sonucunda eliptik yörüngeler tasarir r. bu yörüngeler bir eksene göre farklı eğimler yapabilirdi; elektr: * lan, parametlere bağlayarak ayırt etmek mümkündü: ilk iki r;‘-metre elipsin iki eksenine tekabül ediyordu, üçüncüsüyse çt-dekten geçen ve birinci yörüngeye dik olan eksene göre gör—;’ eğim oluşturmaktaydı. Bu yapı, spektroskopi (tayfölçüm) ver_-. ri ve mekanik modellerden hareketle elde edilen kuramsal ç:r;’ şamalar karşılaştırılarak kuruldu. Bununla birlikte bu yönterr. j. sa sürede, büyük bir güçlükle karşılaştı.
Kuvantum modeli
Kimyasal elemenderin çeşitliliği, atomun gezegen model; ‘ çevesinde her elementin belli sayıda elektron (atom sayısın: : ren) taşıması olgusuyla açıklanmaktaydı; elektronlar enerji aç;;-‘ dan olası yörüngeler üzerinde yer alıyordu. Her elektron, c”:; kuvamtum sayısı denen ve yörüngelerin geometrik inclenmesr -. elde edilen üç tamsayıyla belirleniyordu. Böylece bu üç sa>”_’ kendi aralarında bağımsız olduğu ortaya çıkıyordu.
İlk sayı, ana kuvantum sayısıdır; genellikle n ile gösterilir; ene: ji düzeyine bağlıdır ve elipsin ana eksenini gösterir. İkincisi baş -cu kuvantum sayısıdır ve / ile belirtilir; bu sayı 0 ila n-1 arasın; i ki değerleri alabilir ve yörüngenin dışmerkezliliğini ifade ec;’ Üçüncü sayı m ile belirtilen manyetik kuvantum sayısıdır; -1 +1 arasındaki değerleri alabilir ve yörüngenin uzaysal eğimj\ gösterir.
Wolfgang Pauli, spektroskopi verilerinin noktasal analizine.;’ hareketle 1924-1925’te bir atomda gözlenen çizgilerin tümü kuvantum sayıları arasında bir bağlantının ancak bir dördün:, kuvantum sayısı eklenerek kurulabileceğini ortaya koydu; bu s: yı ancak +1/2 ve -1/2 değerlerini alabilirdi. Kısa süre sonra Gec: ge E. Uhlenbeck ve Samuel A. Goudsmit, hidrojen için bu ek se yının, elektronun özgün dönme kinetik momenti olduğunu kî nıtladılar; söz konusu sayıya spin adı verildi. Bu mekanik göste rim, eski modellere sadık kalmanın son çabaları oldu. Gerçektir modellerin çokluğu ve bunlara katılmak için fiziksel ölçüderr bulunmayışı karşısında fizikçiler, atomun yapısını tümüyle gez den geçirmek gerektiği sonucuna vardılar.
ılga yaklaşımı
ıa anda iki ayrı yol izlendi: araştırmacılar, aşırı gerçekçi ge-modelini bir yana bırakarak, konum ve hareket miktarı gi-lenebilen ve ölçülebilen mekanik kökenli niceliklere daya-olayı ele aldılar; bir başka araştırmacı grubu, elektronun özelliğini vurguladı.
lis de Broglie’nin çalışmaları. 1924’te Broglie, elektron-parçacık yaklaşımına karşıt olarak, h Planck değişmezi ve tronun hareket miktarı olmak üzere, dalga boyu X=h/p> te-ağıntısıyla gösterilen dalga niteliği taşıdığını ortaya koy-X. yy ortasında Hamilton’un çalışmalarından beri, bir par-kümesinin matematiksel açıdan dalga boyu olarak göste-eceği biliniyordu. Bununla birlikte tam bir matematiksel k söz konusu muydu? Elektronun, dalga kuramına özgü r yaratacak gücü var mıydı? Bu olaylardan biri, hatta en in olanı, kırınım desenleriydi. Nitekim 1927’de bir elek-emetinin ince bir çinko kristali üzerindeki kırınım deseni-■deden Davisson ve Germer’in deneyleri, elektronun ikili ınm, yani dalga ve parçacık özelliğinin reddedilmez kanı-ak karşılandı.
talde elektron, hem sıfır spinli fotonlardan oluşan bir par-akısı, hem de bir dalga olarak tanımlanabilen ışığa ben-du. Yalnızca foton için bir tamsayı, elektron içinse tamın yarısı kadar olan spin değeri söz konusuydu; bu neden-
le temel (atomaltı) parçacık gerçeğinin tipik büyüklüğünü spin oluşturdu.
Elektronun dalga olarak benimsenmesinin, çok önemli teknik uzantıları oldu. Optik mikroskopla bir benzerlikten yararlanarak bir elektron mikroskobu tasarlama imkânı bulundu; bu aygıt bir elektron kaynağı, bir kırınım ağı ve bir kayıt sisteminden oluşur; büyütülen cismin görüntüsü bir fotoğraf levhasına veya flüoresan bir ekrana kaydedilir; bu tip bir mikroskopun büyütme gücü 100 000’in üzerindedir.
Erwin Schrödinger’ın yaklaşımı. Shrödinger, elektronu bir dizi dalga fonksiyonu biçiminde betimledi. Üstelik parçacık modelleriyle hesaplanan değerlerle aynı enerji değerlerini elde etti. Nihayet bir betimlemeden ötekine geçilebiliyordu; çünkü mete-matiksel açıdan bunlar eşdeğerdi.
Bu olgu yüzünden fizikçiler ek bir sorunla karşılaştılar. Her parçacığa bir dalganın eşlik ettiği, dalga ve parçacık anlayışının, gözümüzden kaçan aynı gerçeğin birbirini tamamlayan iki anlatım biçimi olduğu düşünülebilir mi? Özetle, bu sorunun, optik ve akustik gibi birçok farklı yaklaşımın yürürlükte olduğu başka fizik dallarında ortaya çıkmış sorunlarla benzerliği üstünde durmak gerekir mi? Yoksa her iki görüşe başvurma zorunluluğuna bağlı tamlayıcılık özelliğini rafa kaldıracak yeni bir kuram bekleyerek, bu sonuçlar geçici şekilde benimsenebilir mi? Bu fizik tartışması henüz sürmektedir ve şimdilik bunun yerini alacak bir başka kuram yoktur.
Fizikçiler için kesin olan tek şey, elektronun atom içinde bulunduğu ve ancak bu sınırlar içinde işgal ettiği olası konumun belir-lenebileceğidir. Elektronun konumunu belirlemek için deney yapmak gerekir; ne var ki her deney sistemde bir tedirginlik doğurur ve deneyden sonra elektronun nerede yer aldığı artık bilinemez. Üstelik ölçülebilir bazı fiziksel nicelikler birbirine bağlıdır; birinin ölçümünde duyarlık artırılırsa ötekinin duyarlığı aym ölçüde azalır: bu niceliklere ilişkin deneysel bilgimizde temel belirsizlikler vardır. Bu nedenle elektronu incelemede aşağıdaki sonuçlara ulaşılır:
– her kuramsal betimleme olayların olasılıkları üzerine kuruludur;
– ölçülen her sistemde deney tedirginlik doğurur;
– bir deney boyunca birbirine bağlı nicelikleri aynı anda değerlendirmek istenirse, her ölçümün duyarlığı yüksek olamaz: parametrelerden birine daha çok özen gösterilirse, öbürü için elde edilen duyarlık bu özen ölçüsünde azalır; öyleyse duyarlık daima sınırlıdır.
Işıldayan tüp. Tüpün ürettiği ışığın rengi içerdiği gaza bağlıdır ve belirli bir dalga boyuna tekabül eder.
POZİTRON
Elektron oldukça kararlı bir parçacıktır. Onun karşıt parçacığı pozitron, yani pozitif elektron doğada vardır, ama çok kısa ömürlüdür. Pozitron elektronla özdeştir; yalnızca elektrik yükleri birbirine karşıt işaretlidir. Î931’de Paul Dirac tarafından öngörülen ve 1932’de Cari Anderson tarafından kanıtlanan pozitronun çok kısa bir ömrü vardır; çünkü bir elektronla etkileşerek ikisi de yok olur. Bu tepkime bir y ışıması doğurur. Çekirdekler üzerine 1 022 MeV’tan daha yüksek bir enerji yollanarak elektron-po-zitron çiftleri üretilebilir. Bu, nükleer fizik (çekirdek fiziği) ve parçacık fiziği alanına giren bir olgudur.
Spektroskop. Elektrik boşalımlarıyla uyanları bir atom, ışık salar; ışık, prizmalı bir spektroskopta yayıldıktan sonra atomun özgün niteliğini veren tayf çizgileri eiüe edilir: tayf çizgilerinin sayısı, atom numarasına, yani elektron sayısına göre artar.
FOTONUN YAYINMA İLKESİ
—-«—-£-iîS5S.ÎI E,
Ep
Foton yayınımı. Uyan mı kesilen bir elektron, Eq enerji düzeyinden daha düşük Ep enerji düzeyine iner; (Ep-Eq) enerji kuvantumu bir fotona tekabül eder.
Artan enerji düzeyi sırasına göre elementlerin sınıflandırılması.
Bu yöntemde elementler, atom çekirdeklerine bağlı elektron sayılarına göre dizilir.
Mikrodalga fırını. Gündelik bayatta maddenin niteliğinin değişimine sık rastianz: su moleküllerinin belirli bir enerji kuşağını soğurması, besinlerin ısınmasını sağlar
KATİLARDA ELEKTRON
Bu yeni bakış açısı, metallerin niteliğine ilişkin bilgilerimizde devasa bir sıçramaya yol açtı. X ışınlarının özelliği dalga boylarının kısa olmasıdır; maddenin içinden geçen bu ışınlar için bir metalin yapısı doğal bir kırınım ağı oluşturur. Bu nedenle kırınım ağı incelenerek çok karmaşık sayısal hesaplarla bir atomun yapısı belirlenebilir. Kristalografi, kristaller içinde düzenli geometrik yapıların bulunduğunu ortaya çıkarmıştı; bu bilgi yaygınlaştırılarak metallere uygulandı; böylece makroskopik düzeyde fark edilemeyen düzenlilik atom ölçeğinde ortaya kondu. Dahası X ışınlarının kırınımı, atom ağı çizgileri arasındaki uzaklığı saptama ve böylece atomlararası uzaklığı ölçme imkânı yarattı. Bu değerler, atom modellerinden harekede hesaplanabilen boyudarla karşılaştırıldı; böylece bir metalin atomları arasındaki uzaklığın, en dış elektron katmanlarının birbirine temas etmesine imkân verecek boyudarda olduğu görüldü. Öyleyse metalin yapısı düşünüldüğünden çok daha pekişikti. Böylece değerlik elektronlarının, çekirdeğin ve başka atom elektronlarının doğurduğu şiddetli ve çok karmaşık bir elektrik alanında yer değiştirdiği sonucuna varıldı. O halde serbest elektron varsayımı sadece bir kurguydu. Ama bu model ile deney verileri arasında, en azından niteliksel olarak, dikkat çekici bir uyuşma bulunduğu nasıl yadsınabilir?
Kimyasal yaklaşım
Bu bilmecenin anahtarı, kimyasal bağın kavranması sonucunda elde edildi. Dış elektron katmanlarının birbirine dokunacak kadar yakın olması nedeniyle, atomların molekül oluşumuna benzer bir olgu yaratacağı düşünülebilir. Benzerlik hemen hemen eksiksizdir: moleküller gibi atomlar da kişiliklerini koruyarak, kendine özgü niteliklere sahip yeni bir bileşik oluşturur; metalde de atomlar kişiliklerini korur ve birleşmeleri özgün bir fiziksel ve kimyasal özellik taşır.
Kimyasal bağlar, iyon bağı ve ortak değerlik bağı olmak üzere iki türdür:
İyon bağı. Moleküllerin yapışıklığının, zıt yüklü iyonların elektrostatik çekiminden kaynaklandığı düşünülür. Çözeltilerinde iyonlar şeklinde ayrışan tuzların çoğu buna örnek oluşturur. Genellikle bu moleküller, çok farklı elektron yapısı sunan atomlardan meydana gelir; hatta Mendeleyev tablosunda en uç karelerde yer alırlar. Atomlardan biri, kararlı bir elektron yerleşimine (dış katmanda 8 elektron) ulaşmak için, bir veya birkaç dış elektronundan kurtulma eğilimi gösterir; diğeri aynı nedenle bir veya birkaç elektronu kendine bağlama eğilimindedir.
Ortak değerlik bağı. Atomlar kararlı bir elektron yerleşimine ulaşmak için birbirleriyle ilişkiye de girebilirler ve dış elektronlarını ortak olarak kullanırlar. İki karbon atomu arasındaki bağ buna örnektir; bu duruma organik maddelerde sık rastlanır. Bu oluşum, iki çekirdeği çevreleyen bir elektron bulutu biçiminde düşünülebilir; çekirdekler, sistemin bütünü için minimum enerjiye tekabül eden bir uzaklıkta yer alır.
Po At Rn 84 85 86
Bpı
56 Ti pb Bi 84 82 83
Os İr Pt Au Hg 76 77 78 79 80
P 6s
5d\
osiB
Te 1 Xe Cs 52 53 54 55
5pP
Sr
38 İn Sn Sb 49 50 51
m
Gd Tb Dy H Lu Hf Ta W Re 64 65 66 6 71 72 73 74 75 r 4f –
Ru Rh Pd Ag Cd L, „ „
44 45 46 47 48 La Ce Pr N;
57 58 59 6(
Se Br Kr Rb 34 35 36 37
4pf
Ca
20 Ga Ge As 31 32 33
M 4s
W
S Cl A 16 17 18
«S
Mg 1—sara
12 Al Si P 13 14 15
K
19
Y Zr Cb Mo Tc 39 40 41 42 43
Fe Co Ni Cu Zn 26 27 28 29 30
Sc Ti V Cr Mn 21 22 23 24 25
♦
ENER
M 3s\
0 F Ne
Na 8 9 10
Be
4 B C N
5 6 7
L 2s\
Li
3
He
2
K Is1
ELEKTRON DÜZEYLERİ ARTAN ENERJİSİNE Gı ELEMENTLERİN SINIFLAND
basit elementler geçiş elementleri nadir toprak metalleri ametaller soy gazlar
Elektron ve elektron bulutu
Katilar düzeyinde ele alındığında elektron bulutu g elektonlarm bütün atomlar arasında paylaşımını gerektiı rum, metallere ilişkin olarak öne sürülen eski serbest el varsayımına çok benzer. Bunu denemek için kuvantum ğinin hesaplama yöntemlerine başvurmak gerekiyc önemli nokta bu problemi matematiksel olarak çözmek ket halindeki N adet cisim için bir denklem kurmak gere N, kimyasal bağa katılacak elektronlara tekabül eden çc bir değerdir. Bu problem ancak matematiksel yaklaşıklık leriyle çözülebilir ve çözümü basitleştirmek için «akl, fiziksel varsayımlar önermek gerekir.
ELEKTRON
ELEKTRONİK, BİLİM VE TEKNİK
Atom içinde elektronların yerleşim modelinden hareketle oluşturulan •çatılar fiziği, bu maddelerin fiziksel ve kimyasal bakımdan incelenmesi için kuramsal bir çerçeve sağlar. Gerçek koşullar genellikle karmaşık olsa bile, bu fizik dalı olayları anlama ve teknik uygulamalarda katiların özelliklerine egemen olma imkânı verir; katkısız gerçek kristalleri işleme fırsatı bulmak çok nadirdir. Gerçekten de kuvantum fiziği kadar klasikleşen elektron fiziği, XX. yy’ın en önemli teknik yeniliklerinden birinin temelini oluşturdu: klasik elektronik (tüpler) ve yarıiletkenler elektroniği.
Şu varsayım yaygınlık kazandı: elektronlar bireyselliklerini soruduğundan, tek tek göz önüne alınacaktır. Bu nedenle kristal safesinin (ağı) düğüm noktalarına göre yerleşen çekirdeklerin yoğurduğu elektrik alanı içinde elektronlardan birinin hareketimin denklemini yazmak söz konusudur; bu elektrik alanına direr elektronlar bir ekran oluşturur. Bu karmaşık alanın bakışım mzelliği, sadeleştirmelere başvurma olanağı verir; nihayet bu ienklemi akla uygun bir şekilde değerlendirmek gündeme gelir. ;:r bileşik veya bir metal kararlıysa, bu, o maddenin kendisini rluşturan atomların toplam enerjisinden daha düşük bir enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Matematiksel anlatım biçimine aktarıldığında, bu düşünce, elektronu betimleyen atom fonksiyonlarının tamamen olmasa da kısmen değiştiğini göz önüne al-~ak demektir; öyleyse bu fonksiyonlar, denklemi çözmek için mantıksal bir hareket noktası oluşturur. İlk çözüm bulunur bu-.iimaz, elektrik alanını ve fonksiyonları değiştirmek, sonra bu ■esabı yinelemek gerekir; bu, işlemi yapılan küçük değişimlerin ~etal içindeki her elektronun enerji değerlerinden oluşan önem-
verileri ekilemeyecek düzeye gelene kadar sürdürülür. Günümüzde bilgisayar sayesinde bu uzun sayısal hesap dizisini çözme olanağı doğmuştur.
Genellikle aşağıdaki tipte çözümler elde edilir: atom düzeyinde izin verilen enerji değerleri, birbirine çok yakın enerji gruplarında toplanır; bu enerjiler, enerji bandı denen bir bölgede çakıdır, Bu bantlar artan enerji ölçeği içinde dağılır; bunlar kısmen kamalıdır veya geniş enerji yarıklarıyla ayrılır. N sayıda atom fonksiyonundan hareketle, bantlar halinde gruplaşan N adet enerji £üzeyi elde edilir. Kimyasal bağda olduğu gibi, en dış banta elek-zronların yerleşimi, elektriksel ve ısıl iletim olaylarını anlama imkânı verir. Elektronlar, Pauli ilkesine göre ikişer ikişer ve işlevleri uyarınca dizilirler. Olası koşullar şöyle şemalaştırılabilir: dış ?ant tamamen veya kısmen elektronla doludur; hemen üstündeki boş bantsa, en son işgal edilen bandı kısmen kaplar veya hiç saplamaz.
Katiların özellikleri
Enerji açısından olası koşulların bu basit şeması, eski serbest »lektron kuramıyla açıklanamayan noktaları hesaba katma imkânı verir. Bir elektronun, bir bant içinde herhangi bir enerji düzeyinde yer alabileceği düşünülebilir, iki bant üst üste gelirse, elektron birinden diğerine kolayca geçebilir.
Kuramsal olarak bu küçük sıçramalar, daima bir miktar enerji ~arcamayı zorunlu kılar; bununla birlikte sıçramaların oluşumu
için gereken enerji tüketiminin çok düşük düzeyde kalacağı düşünülebilir. Elektrik yalıtkanı olan bir katida son bant tümüyle doludur ve hemen üstündeki boş bant net bir şekilde ayrılmıştır. Burada bir hareketlilik olması için serbest kuşaktaki elektronları uyarmak için yeterince enerji sağlamak gerekir, iyi bir iletken yu-karıdakine ters bir dağılım gösterir: son iki bant iç içe geçmişse, elektronların yeniden dağılımı için çok az enerji yeterlidir. Kötü iletken bir katida dolu son bant ile bir üst bant arasındaki uzaklık büyük değildir. Böyle bir katiyı hafifçe iletken hale getirmek için az miktarda enerji gerekir. Ayrıca böyle bir model katiların özgül ısılarının, Dulong ve Petit yasasının geçerlik sınırları içinde niçin bir değişmez olduğunu açıklar. Kötü iletken halinde elektron katkısı sıfır olarak göz önüne alınabilir; diğer hallerde elektron hareketliliği, belirli sınırlar içinde sıcaklık artışıyla çok büyük ölçüde değişime uğramaz. Her iki halde de elektronların özgül ısıya katkısı ihmal edilebilir.
Üstelik bu yaklaşım, klasik elektroniğin kaynağını oluşturan ısıl ve iyonsal salım gibi diğer fiziksel olguları elektron dağılım biçimlerine bağlama imkânı sağlar. Bilindiği gibi bir metal ısıtıldığında elektron salımı gerçekleşir. Bu olay, söz konusu elektronların, metal yüzeyinin oluşturduğu engeli aşmak için gereken kinematik enerjilere sahip olduğunu ifade eder. Öyleyse fiziksel a-çıdan metal yüzeyi, potansiyel enerjide temel süreksizliği (kesikliği) belirler. Bu analiz doğruysa, benzeşim yoluyla fotoelektrik etki açıklanabilir; bu olayda enerjiyi dışarıdan gelen ışınım sağlar. Einstein’ın daha önce gözlemlediği gibi, elektronların kurtulması için dalga boyu belli bir ışımanın olması zorunludur. Bu nedenle termoelektrik (ısılelektrik) ve fotoelektrik (ışılelektrik) etkiler aynı şekilde açıklanır.
Kuvantum mekaniğinin denklemlerinde betimlenen elektron, bir kütle ve yük taşıyan parçacık görüntüsünü kaybeder; buna karşılık katilara özgü karmaşık olaylara egemen olma, daha iyi açıklama olanağı verir.
İyonlara uygulanan kuvantalama
Kuvantalama kavramını öbür enerji biçimlerine, mesela atom veya iyon titreşiminden kaynaklanan enerjiye uygulamak mantıklı bir çabadır. Fizikte bir niceliği kuvantalamak, temel bileşenlerin hareket serbestliğinin sınırlarım kesin bir şekilde hesaba katma biçimidir. Bir katının kristal kafesini oluşturan pozitif iyonların veya atomların ısıl çalkalanması sırasında, parçacıkların hareket serbestliği bizzat kafesin kararlılığıyla sınırlıdır. Titreşen bir ipte olduğu gibi, hareket bir «zincirleme tepkime»dir; ilk atomun sarsılması giderek diğerlerine geçer; demek ki ısıl yayılma, dalgalarının yayılmasına benzer. Bunun belirgin özelliklerini veren parametreler, ses dalgalarının parametrelerine tekabül eder. Öyleyse dalga mekaniğinden esinlenerek bu dalga kuvantalanabilir; temel birim kuvan-tuma fonon adı verilir.
Bu düşünce biçimi, Dulong ve Petit yasası ile özgül ısı arasında deneysel olarak ölçülen sapmayı hesaba katma olanağı verir. Üstelik elektronun hareketliliği üzerinde esnek titreşimlerin etkisi daha iyi anlaşılır. Yüksek sıcaklıkta bütün esnek dalgalar eşit düzeyde uyarılır; bir elektronun ortalama serbest yolu sıcaklığın yükselmesiyle doğru orantılıdır. Düşük sıcaklıkta ortalama serbest yol uzar ve mutlak sıfır dolayında sonsuza yönelir. □
Taramalı elektron mikroskobu. 5.
alet elektronla çalışır: a0r~sr~z kaynağı bir elektron tabancas : •
AYRICA BAKINIZ
– 1B.AN5LI aşıniletkenHç
– ib.ansu atomlar ve r,
– IB.AMSU elektrik
– ib.ansu elektronik
– lE.AMSLj elementler, rasız’.t
bileşik madde-sr
– 1B.ANSU kimya
– IE.ANSLİ kuvantum
– 1B.ANSLİ madde ve
– IB.ANSÜ metaller ve _
– IB.ANSLİ parçacıklar .
Güneş enerjisiyle çalışan bir uşak modeli. Fotopillerdekıyar 5″ Güneş ‘ten gelen fotonla r: ssğ-negatif yüklerin (elektrota’ ^sr değiştirmesine yol açar ve sz, s:~ bir doğru elektrik akı mı m r * sağlar, o da pervaneyi ça’şt’-‘