Atomik Orbitallere Genel Bakış

Önceki konu başlığında atomun yapısını tarif ederken, Bohr atom modelini temel alarak atomu anlatmıştık. Çünkü, her ne kadar bilimin güncel görüşüne kıyasla oldukça basit kalsa da, bu model malzeme biliminde ele aldığımız birçok kavramı anlayabilmemiz ve açıklayabilmemiz için gereken kavramsal altyapıyı bize sunuyor. Fakat, ilerleyen konu başlıklarında da göreceğimiz üzere, atomu Bohr’un tarifine sadık kalarak hayal ettiğimiz sürece, malzemelerin bazı özelliklerini ve bazı davranışların ardındaki nedenleri açıklayamıyoruz. Bu nedenle, bu ve ilerleyen başlıklarda, elektron yörüngelerinin yapısını, bir de bilimin güncel tarifi üzerinden ele alacağız.

Hatırlarsanız, Bohr’un tarifine göre atom üç temel parçacıktan oluşuyor demiştik: proton, nötron ve elektron. Protonlar ve nötronlar kümelenerek atom çekirdeğini meydana getirirken, elektronlar da, güneşin etrafında dönen gezegenler misali çekirdeğin etrafında dönüyor. Bu tarif her ne kadar kolay anlaşılır olsa da, gerçeği tam olarak yansıtmıyor. Elektronların çekirdeğin etrafında gezindikleri doğru. Fakat bu gezinme, Newton’un yaptığı gezegen yörüngesi tarifine benzer şekilde değil, daha ziyade, gece yanan bir lambanın çevresinde gezinen ateş böceklerini andıran bir şekilde gerçekleşiyor.

Elektron yörüngesi denildiğinde, gözümüzde canlanması gereken resmin güneşin etrafında dönen gezegenlerden ziyade, ateş böceklerinin lambanın etrafındaki dansını andıran bir şekilde olması lazım. Andıran diyoruz, çünkü elektronların hareketini ateşböceklerinin hareketinden ayıran bazı farklar bulunuyor. Örneğin, bir lambanın etrafında ister bir ateş böceği olsun, ister on ateş böceği, hepsi kendi kafasına göre, rasgele hareketlerle lambanın etrafında geziniyorlar. Bir atom çekirdeğinin etrafındaki elektron sayısı arttığında ise, elektronlar tamamen rasgele hareketlerle değil, belli konumları tercih ederek çekirdek çevresinde dans ediyorlar. Elektron sayısına göre ortaya çıkan bu konum olasılıklarına, atomik orbital adını veriyoruz.

Konunun devam eden kısımlarında, elektron yörüngesi yerine atomik orbital tabirini kullanacağız. Yörünge kelimesini (İngilizce: orbit) fizikte Newton’un tarifi ettiği iki boyutlu düzlemlerde yer alan eliptik yörüngeleri tarif etmek için kullanıyoruz. Atomik orbitaller dediğimizde ise, bu eliptik yörüngelerden farklı olarak, üç boyutlu matematiksel konum olasılıklarını kastediyoruz. Bu nedenle, her ne kadar Türkçe bir tabir olmasa da, konunun ilerleyen kısımlarında orbital kelimesiyle devam edeceğiz.

Tekrar kaldığımız yerden devam edelim. Bir yukarıdaki paragrafta enteresan bir tabir kullandık: konum olasılıkları. İsterseniz, orbitallerin yapısını anlayabilmek için, bu tabir üzerinde biraz daha duralım. Aşağıdaki resimde, bir hidrojen atomu resmediliyor. Resmin ortasındaki nokta atom çekirdeğini, çekirdeği çevreleyen bulutumsu alan ise orbitali, yani hidrojenin sahip olduğu tek elektronun bulunabileceği konum olasılıklarının yoğunluk dağılımını gösteriyor.

ey01

Yukarıdaki cümlenin doğru anlaşıldığından emin olmak için bir kez daha tekrarlayalım: bu orbital tarifi, elektronun bulunabileceği konum olasılıklarının yoğunluğunu gösteriyor. Bu nedenle bu resim fiziksel bir yapıyı değil, olasılık yoğunluğunu tarif eden bir matematiksel fonksiyonu görselleştiriyor (İngilizce: probability density function). Orbitalin koyulaştığı kısımlarda elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğunu, dışarı doğru gidildiğinde ise bu olasılığın azaldığını görüyoruz. Bu da, elektronun zamanının çoğunu çekirdeğe yakın konumlarda gezinerek geçirdiği, arada bir de çekirdekten uzaklaştığı anlamına geliyor.

İlerleyen konu başlıklarında atomun çevresindeki elektron sayısı arttıkça, bu orbitallerin nasıl şekil değiştirdiğini göreceğiz. Orbitallerin şekillerini incelerken ve anlamaya çalışırken, bu orbitalerin atomların çevresinde bulunan gerçek fiziksel yapılar değil, elektronların hangi konumlarda bulunabileceklerini görselleştirmek için insanlar tarafından uydurulmuş görselleştirmeler olduklarını aklımızın bir köşesinde tutmamızda fayda var.


Devamı: