En Sosyal Blog

Atomlar neden ışıma yapar

Atomlar neden ışıma yapar

Işık, şüphesiz ki insanlık tarihi boyunca en çok ilgi çeken doğal olaylardan bir tanesi olmuştur. Işığın yapısı, bilim tarihi boyunca en çok tartışılan konulardan birisi olmuş, dalga gibi mi yoksa parçacık şeklinde mi davrandığı hep ateşli tartışmalara vesile olmuştur. Gündelik hayatımızın devam etmesini sağlayan güneş ışığı, karanlıkta bizi aydınlatan lambalar, pek çok bilimsel araştırmada kullanılan, eğlence sektörünün de vazgeçilmezleri arasında yer alan lazerler, kimyasal incelemelerde kullandığımız spektroskopik yöntemler hep atomların/moleküllerin yaptıkları ışımalar sonucunda mümkün olmaktadır.

Atomlar neden ışırlar? Bu ışıma işlemini nasıl anlayabilir, nasıl bir teorik çerçeveye oturtabiliriz? Bu sorular bizim ışığı ve atomik yapıyı anlamamızın kaçınılmaz bir gereksinimi, aynı zamanda da pratik bir sonucudur.

Bu noktaya kadar okuduğunuzda atomların neden ışıdığı sorusunun cevabını belki bildiğinizi düşünüyorsunuz. Eğitim aşamamızın illaki bir noktasında bize, elektronların yüksek enerji seviyelerinden düşük enerji seviyelerine düşmeleri sonucunda ışıma yaptıklarını, bu iki enerji seviyesi arasındaki farka eşit enerjide bir fotonun üretildiğini söylemişlerdir. Aynı şekilde, atomlardaki enerji seviyelerinin kararlı yörüngeler oldukları ve buralarda bulunan elektronların sonsuza kadar hiçbir rahatsızlık hissetmeden orada bulunmaya devam edeceklerini anlatmışlardır. İyi ama, madem bu yörüngeler kararlı ve elektronların orada sonsuz zaman boyunca bulunması gerektiği hesaplanabiliyor, neden daha düşük enerjilere geçiyor elektronlar?

Bohr atom modeline göre ışımalar bu şekilde oluyor. Kaynak: Wikipedia

Yukarıda sorduğum soruya, ne yalan söyleyeyim, ben de ilk başta bir cevap bulamamıştım. Ama daha sonrasında cevabı öğrendiğimde bunu hemen herkesle paylaşmam gerektiğini ( ki aslında öyle aman aman bir cevabı da yok, kitapları karıştırdığınız zaman bulabileceğiniz cinsten bir şey) düşünmüştüm. Sorunun cevabı, yukarıda kurduğum cümlenin içinde gizli: “rahatsız edilmeden orada bulunmaya devam edecekleri”. İşte bu nokta, atomların aslında neden ışıma yaptıklarını anlatıyor. Gene de, konuya en baştan başlayıp, ışıma olayını olabildiğince geniş, ama aynı zamanda da basit bir şekilde anlatmaya çalışacağım.

Atomlar, hepimizin bildiği üzere, genel olarak protonlar ve nötronlarla dolu pozitif yüklü bir çekirdek ve etrafında gezinen negatif yüklü elektronlardan oluşur. Elbette, bu elektronlar çekirdeğin etrafında gelişigüzel şekilde dolanmazlar; belli enerji seviyeleri ve bu seviyelere karşılık gelen orbitaller elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu yerlerdir ve biz de pratik olarak elektronların bu yörüngelerde gezindiklerini söyleyebiliriz. Bu yörüngeler ise matematiksel olarak Schrödinger denkleminin farklı enerji değerleri için çözümlerine karşılık geliyor. Kimyagerlerin kullandığı dil ile, 1s, 2s, 3s orbitalleri hep aynı denklemin farklı enerjiler için çözümleri demek.

Yörüngelerin her birinin enerjisi birbirinden farklı olduğu için (1s ve 2p mesela), 2p’de gezinen bir elektronun 1s’e geçiş yapması, iki enerji seviyesi arasındaki fark kadarlık bir fotonun ortaya çıkması demek, ki bu da bizim “ışık” olarak adlandırdığımız, “ışıma” dediğimiz olgu. Elbette ki, şu anda 2p’den 1s’e elektronun kendiliğinden geçiş yapması, bize alışılmadık veya anlaşılmaz gelmiyor. Nihayetinde, sürekli olarak gördüğümüz bir olgu, alışageldiğimiz bir açıklaması var ve bundan dolayı da bizim için hiçbir sorun yok. Ama aslında, esas sorun da burada ortaya çıkıyor; bizim öğrendiğimiz şekilde bir elektronun 2p’den 1s’e kendiliğinden geçiş yapması için hiç bir sebep yok!

1s, 2s ve 2p orbitallerinin gösterimi. s orbitalleri çift (g), p orbitalleri ise tektir (u). Kaynak: Wikipedia

Kuantum mekaniği dersini alanlar hemen hatırlayacaklardır, almamış olanlar içinse ben açıklamaya çalışayım. Schrödinger denkleminin farklı enerjilere karşılık gelen çözümleri, kararlı/durgun (stationary) haller olarak adlandırılır. Bu demek oluyor ki, siz parçacığınızı Schrödinger denkleminin çözümlerinden olan bir yörüngeye koyduğunuz zaman, parçacık orada sonsuz kadar bulunmaya devam edecektir, çünkü zaman içerisinde başka yörüngelere geçiş olasılığı “0” olacaktır*. O halde, atomlar neden ışıma yapıyorlar? Kuantum mekaniğinde bir yanlış mı var? Biz mi yanlış öğrendik? Keklediler mi bizi?

İşin özü şu ki, maalesef Schrödinger denklemi etrafında şekillenmiş olan “klasik kuantum mekaniği”nde bu sorunun bir cevabı yok. Daha doğrusu, Schrödinger amcamız bize cevabın 0 olduğunu, bu yüzden de bir geçiş olamayacağını söylüyor. Ama elbette kendisinin hesaba katmadığı başka etmenler var ve bizim bu etkileri de göz önünde bulundurmamız gerekiyor.

Elektrik ve manyetizmayı hatırlayın. Hem lisede, hem de üniversitede bizlere bu iki olgudan da bahsettiler. Elektrik yüklü bir parçacığın etrafında bir elektrik alanı oluşturacağını, eğer bu parçacık hareket ederse manyetik alanın oluşacağını biliyoruz. Elektromanyetik adı altında topladığımız bu iki olguda hep aklımızda kalan şey, manyetik ve elektrik alanlarının varlığı. Alan dediğimiz zaman ise aklımıza sürekli bir ortam gelir; aynı çarşaf gibi, üzerinde delik, kesik olmayan bir yapı. Halbuki, elektromanyetik alan da, aynı atomların enerji seviyeleri gibi kesikli bir yapıya sahip. Kuantum elektrodinamiği adı verilen teori, bizlere klasik elektromanyetik alan ile kuantum mekaniğini birleştirmenin bir yolunu veriyor ve bu teoriye göre elektromanyetik alan da kesikli değerlere sahip. Dahası, elektromanyetik alanda her an pek çok enerji dalgalanması oluyor**(hiçbir parçacığın olmadığı boşlukta bile!) ve bu enerji dalgalanmaları da atomlarımızın ışıma yapmasından sorumlu.

Evet, biraz karmaşık ve beklenmedik bir durum.

Peki, nasıl oluyor? Bir tane atom aldık, kolaylık olsun diye bu hidrojen atomu olsun. Atomun tek elektronunu da ikinci enerji seviyesine koyduk. Normalde, eğer boşlukta bile bir enerji dalgalanması olmasaydı, bu elektron burada sonsuza kadar duracaktı (emin olun, öyle). Ama elektromanyetik alanın dalgalanmaları, birinci enerji seviyesi (yani 1s yörüngesi) dışındaki bütün yörüngeleri kararsız bir yapı haline getiriyor. Diğer bir deyişle, ikinci, üçüncü, … enerji seviyeleri artık Schrödinger denkleminin bir çözümü olmaktan çıkıyorlar. Yaklaşık olarak hala çözümler belki, ama yaklaşık demek tam ve kesin demek değildir. İşte bu yüzden, artık diğer enerji seviyelerinde bulunan elektronlar kararlı bir yörüngede bulunmuyorlar ve tek kararlı enerji seviyesi olan birinci enerji seviyesine düşüyorlar.

Kendiliğinden ışımanın şematik bir gösterimi.

Yani, klasik kuantum mekaniğinin üzerine pek çok şey koymamız gerekiyor bu durumu anlamak için.

Burada hemen başka bir soru gelebilir aklımıza. Eğer atomumuz hidrojen değil de lityum olsaydı ne olurdu? Lityum atomunda üç tane elektron vardır ve bunlardan bir tanesi de ikinci enerji seviyesindedir. O zaman bu elektronun da birinci enerji seviyesine düşmesi gerekmez miydi? Eğer Pauli Prensibi olmasaydı, yani ikiden fazla elektron aynı yörüngeyi paylaşabilseydi, elbette bu da olacaktı.

O zaman, şimdiye kadar bahsettiklerimi kısaca toparlayayım. Elektronlar çekirdeğin etrafında farklı enerjilerdeki yörüngelerde dolanırlar, ancak bu yörüngeler elektromanyetik alandaki enerji dalgalanmaları yüzünden kararlı yörüngeler değil. Bu yüzden de, elektronlar, eğer mümkünse, daha düşük enerji seviyelerine geçiyorlar ve bu geçişleri sırasında da aradaki enerji farkı kadar enerjiye sahip bir fotonun ortaya çıkmasına sebep oluyorlar. Bu fotonlar da, bizim temelde ışık dediğimiz şeye karşılık geliyor. Bilimsel olarak, bu geçişlere de kendiliğinden geçiş, kendiliğinden ışıma adı veriliyor (aslında, hiç de kendiliğinden olmuyor, tarihsel olarak dilimize yerleşmiş bir isim bu).

Yörüngeler arasındaki geçişler de öyle rastgele olamıyor elbette. Misal, 5p orbitalinden 1s orbitaline öyle tek seferde geçme şansınız yok. Ya da belli durumlarda 3s orbitalinden 2s orbitaline de geçiş yapamıyorsunuz. Bütün bu yasak-izinli geçişler de “geçiş kuralları” (selection rules) adı altında toplanıyor.

Çok temel iki tane geçiş kuralını inceliyip yazıyı noktalamak istiyorum. Bunlardan birincisi Laporte geçiş kuralı. Laporte geçiş kuralı der ki, merkezi simetrik moleküllerde, yani molekül merkezi simetri noktası olan moleküllerde, s-s, p-p, d-d gibi geçişler yasaktır. Daha matematiksel bir dille, iki tane çift orbital (gerade) veya iki tane tek orbital (ungerade) arasındaki geçişler yasaktır. Bunun sebebi, her bir geçiş olasılığı hesaplanırken kullanılan integraller. Daha açık bir dille, eğer siz u-u veya g-g geçiş ihtimallerini hesaplamak istiyorsanız, ulaşacağınız sonuç her zaman sıfır olacaktır.

Merkezi simetrik moleküle bir örnek. Molekül, merkez atoma göre simetrik, yani her atomun merkeze göre simetriğini alırsanız molekül aynı kalıyor.

Ama Laporte kuralı her merkezi simetrik molekül için uygulanır mı, istisnaları mevcut mu? Laporte kuralı öncelikle merkezi simetrik molekülleri için geçerlidir. Ancak bu simetrinin bozulması, yani molekülün daha asimetrik bir hal alması, simetriyi bozduğu için Laporte-yasak olan geçişler mümkün olabilmektedir. Bu etkiye de Jahn-Teller etkisi denir.

Dahası, molekülün simetrisi bozulmasa da geçişin olma olasılığı vardır. Yazının ilk kısmında bahsettiğim elektromanyetik alandaki dalgalanmalar, üst enerji seviyelerindeki orbitalleri daha kararsız hale getirdiği için bu geçişler zaman zaman olabilmektedir. Ölçülen spektrumlarda Laporte-yasak bölgelere karşılık gelen sinyallerin, çok zayıf da olsa, bulunabilmesinin temel sebebi budur.

Bahsetmek istediğim ikinci kural ise, elektronik geçişlerde manyetik kuantum sayısının ya bir azalıp artması, ya da hiç değişmemesi gerektiğidir; geri kalan bütün geçişler yasaktır (Δm=0,1,-1). Bu kural temel olarak, misal, f orbitallerinden s orbitallerine her zaman tek basamakta geçemeyeceğinizi söyler. Bunun da çok basit olan sebebini de son paragrafa sakladım.

Elektronik geçişlerde ortama bir foton yayıldığını biliyoruz. Elbette, toplam açısal momentum (bir nevi sistemin dönüşünü tanımlayan değer) korunmak zorunda. Fotonların açısal momentum büyüklüğü 1’dir, yani herhangi bir fotonun m sayısı -1,0 ve ya 1 olabilir (hatırlayın, m değeri +l,-l arasında değişir). Eğer toplam açısal momentumu korumak istiyorsak, bu durumda bizim yaptığımız geçişin de m sayısını -1,0 veya 1 değiştirmesi gerekir, yoksa açısal momentumu koruma şansımız olmaz. Kısacası, bu geçiş kuralı da çok temel bir ilkeye, açısal momentumun korunumuna bağlı.

Böylelikle yazının sonuna gelmiş oluyorum. Işığın ortaya çıkışını ve atomların neden ışıma yaptığını anlatmaya çalıştım. Genel olarak bildiğimizin aksine, aslında bu ışıma olayının o kadar da basit bir sebebinin olmadığını, elektromanyetik alanın kesikli olması ve burada meydana gelen dalgalanmalardan dolayı ışımanın mümkün olduğundan bahsetmeye çalıştım. En sonunda ise, kimyagerlerin özellikle inorganik kimya ve spektroskopide sıklıkla kullandıkları bazı geçiş kurallarının sebeplerinden bahsettim. Elbette, daha pek çok geçiş kuralı mevcut. Bunlar ise ancak başka bir yazının konusu olabilecek nitelikteler.

Notlar:

* Schrödinger denkleminin çözümleri birbirine diktir (ortogonal). Bu durumda, herhangi iki orbital arasındaki üstüste binme (overlap) 0 olmak zorundadır.

**Kuantum elektrodinamiği, elektromanyetik alanın kesikli bir şekilde incelenmesidir. Yani alanlar sürekli değil, kesiklidir. Bu alanda meydana gelen enerji dalgalanmaları da Heisenberg belirsizlik ilkesinin bir sonucudur.

ZİYARETÇİ YORUMLARI

Henüz yorum yapılmamış. İlk yorumu aşağıdaki form aracılığıyla siz yapabilirsiniz.

BİR YORUM YAZ

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.