Kimya Nedir?Element veya bileşiklerin yapısını,

bileşimini, özelliklerini, uğradıkları değişim ve dönüşümleri ve bunlar sırasında soğurduğu ya da açığa çıkardığı enerjiyi inceleyen bilim dalıdır. Kimyanın Anabilim Dalları

Nelerdir?Fizikokimya Analitik KimyaOrganik KimyaAnorganik KimyaBiyokimya

Kuantum Kimyası Nedir?Kuantum Mekaniği’ni atom altı taneciklere, atom

ve moleküllere uygulayarak kimyadaki problemleri çözmeyi amaçlayan teorik kimyanın bir dalıdır.

ÖNEMLİ NOT: Kuantum kimyası kimyanın bütün anabilim dallarına uygulanabilirliği açısından son derece önemlidir.

Kuantum mekaniği, teorik fiziğin temel dallarından olup atom ve atom altı seviyelerde klasik mekanik ve klasik cisimlerin denge ve hareketini inceleyen bilim dalıdir.

İngilizce 'de quantum (Latince: 'quantus', "ne kadar") olarak kullanılan terim, kuramın belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar.

Kuantum Kimyasının ÖnemiKlasik teoriler, atomik ve atom-altı

düzeydeki olayları doğru bir biçimde açıklayamazlar.

Kimya, doğası gereği atom ve moleküllerin birbiriyle olan etkileşimi inceler ve bu etkileşimleri açıklayabilmek için de kuantum kimyasına ihtiyaç duyar.

Bu nedenle kuantum kimyası kimyanın tüm anabilim dallarında uygulama alanı bulur.

Kuantum Kimyasının Uygulama AlanlarıFizikokimyaMoleküler özellikler (molekül geometrisi, bağ uzuluğu,

açılar, vb.)Termodinamik parametreler (U,H,S,G vb.) (istatistik

mekanik ile)Moleküller arası kuvvetlerGeçiş hal yapıları

Kuantum Kimyasının Uygulama AlanlarıOrganik KimyaOrganik bileşiklerin birbirlerine göre termodinamik

kararlılıkları-nın bulunması

Anorganik KimyaMetal komplekslerinin ve diğer anorganik

bileşiklerin yapı ve özeliklerinin bulunmasıMetal komplekslerinin tepkime mekanizmalarının

çıkarılmasıAnalitik KimyaSpektroskopik yöntemlerin sonuçlarının anlaşılıp

değerlendirilmesiBiyokimyaBiyokimyasal bileşiklerin yapı ve özeliklerinin

tahminiBiyokimyasal tepime mekanizmalarının çıkarılması

Kuantum Kimyasına Neden Olan Gözlemler

Siyah Cisim Işıması

Fotoelektrik Etki

Rutherford Saçılım Deneyi

Compton Olayı

Işığın dalga tanecik etkileşimi(De Broglie Hipotezi)

Kuantum Kimyasına neden olan birçok gözlem vardır fakat burada biz burada sadece bu beş gözlemi inceleyeceğiz. Gözlemlerin iyi anlaşılabilirliği açısından ışık ile ilgili bazı terimleri vermek daha iyi olacaktır.

19. yüzyılın sonlarına doğru yapılan bazı gözlemler, makroskopik yani insanın algılayabileceği düzeydeki olayları mükemmel şekilde açıklayan klasik fizik kurallarıyla açıklanamıyordu. Bu gözlemler kuantum mekaniğinin doğmasına neden oldu.

Işık hakkında Kuantum Mekaniğinin Doğuşuna kadar bilinenler

1800’lü yılların başlarına kadar ışık Newton tarafından ortaya atılan “çok hızlı hareket eden çok küçük tanecikler” olarak kabul edilmekteydi.

1801’de Young, iki komşu delikten geçen ışığın kırınım ve girişim yaptığını bularak ışığın dalga karakteri hakkında çok önemli bulgular elde etti.

1860’da Maxwell ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ileri sürdü.

1888’da Hertz, elektrik akımında hızlandırılmış elektrik yükleri tarafından radyo dalgalarının oluşturulduğunu keşfetti.

Böylece ışığın tanecik değil dalga olduğu kabul edildi.

Elektromanyetik Işıma (EMI)Elektromanyetik ışıma yayılma eksenine ve birbirlerine dik açılarda olan aynı fazda yayılan sinüs salınımları şeklinde elektrik ve manyetik alanların varlığı ile tanımlanır.

Boşlukta (vakum) her türlü elektromanyetik ışıma aynı hızla hareket eder, bu hıza ışık hızı denir.c = 299 792 458 m/s

c 3 x 108 m/s

Dalgaboyu (l): Birbirini izleyen iki dalganın aynı tipteki noktaları arasındaki uzaklığa dalga boyu denir. Dalga boyu ne olursa olsun ışık hızı değişmez. Birimi SI’da m’dir. Işığın dalga boyu için genellikle nm ve Å birimleri kullanılır

Elektromanyetik ışımanın frekansı (): EMI’nın birim zamandaki titreşim sayısıdır, ve (nü) ile gösterilir. SI birimi Hz’dir.

Frekans (f): Periyodik bir olayın birim zamanda kaç defa tekrarlandığının ölçüsüdür. SI sistemindeki birimi 1/s (Hz)’dir.

Elektromanyetik Işıma (EMI)

1

f

Elektromanyetik ışımanın dalga sayısı : EMI’nın birim zamandaki dalga sayısıdır, ve (nü çizgi) ile gösterilir. SI birimi m-

1’dir. Genellikle cm-1 birimi kullanılır. Dalga oyunun çarpmaya göre tersidir ve frekansın uzaysal benzeridir.

c

1

c

Periyot (): Periyodik bir olayın bir kez gerçekleşmesi için gereken süreye periyot denir. Frekans ile ters orantılıdır. SI birimi s (saniye)’dir.

Elektromanyetik Spektrum (Tayf)EMI’nın tüm frekanslarına ait ışımayı içeren spektrumdur.EMI’lar frekanslarına (ya da dalga boylarına) göre

isimlendirilirler.

EMI ile ilgili bu bilgileri verdikten sonra, artık kuantum mekaniğinin doğuşuna neden olan gözlemleri detayları ile inceleyebiliriz.

Kuantum Kimyasına Neden Olan Gözlemler

Siyah Cisim Işıması

Fotoelektrik Etki

Rutherford Saçılım Deneyi

Compton Olayı

Işığın dalga tanecik etkileşimi(De Broglie Hipotezi)

Siyah cisim ışımasına geçmeden önce termik ışımadan söz etmemiz gerekir.

Termik IşımaDoğadaki tüm cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak

elektromanyetik ışıma yayınlarlar, bu ışımaya termik ışıma denir.

Siyah Cisim Işıması

Siyah Cisim IşımasıSiyah cisim: Üzerine düşen tüm

elektromanyetik ışımayı tamamen soğuran ideal cisimlerdir.

Üzerinde küçük bir delik bulunan içi boşaltılmış cisimler siyah cisim gibi davranırlar, çünkü delikten giren tüm EMI ardışık yansımalar sonucu cismin iç çeperleri tarafından hemen hemen tamamen soğurulur.

Siyah cisim üzerine düşen tüm dalga boylarındaki EMI’yı soğurduğu için, olabilecek en iyi termik ışıma yayınlayıcısıdır.

Siyah cisimden yayılan enerjisinin sıcaklığa bağlı eşitliği Stefan-Boltzmann yasası olarak bilinir.

Stefan- Boltzman Yasası

Joseph Stefan (1835-1893)

Ludwig Boltzman (1844-1906)

Bir siyah cismin birim yüzeyinden, birim zamanda yayınladığı toplam ışınım enerjisi onun mutlak sıcaklığının dördüncü kuvveti ile orantılıdır.

E Birim zamanda birim yüzeyden yayılan toplam enerji

4281067,5

Ksm

J

Mutlak sıcaklık (K)Stefan-Boltzmann sabiti

Siyah cisimden yayılan enerjinin dalga boyuna göre değişimi

• Sabit sıcakta dalga boyu değişirken ışıma enerjisi bir maksimumdan geçer.

• Sıcaklık artıkça maksimuma karşılık gelen dalga boyu küçülür.

• Bu durum Alman fizikçi W. Wien tarafından eşitliğe dökülmüştür.

Stefan Boltzman eşitliği yayılan enerjinin yalnızca sıcaklıkla olan ilişkisini verir, ancak dalga boylarına göre nasıl dağıldığına ait bir bilgi vermez. Oysa, belli bir sıcaklıktaki siyah cisim aşağıdaki şekilde ışıma yapar.

Bir siyah cismin ışıması spektrumunda maksimum şiddetteki noktaya karşılık gelen dalga boyu mutlak sıcaklığı ile ters orantılıdır.

max.

0,2898 cm.K

T

Bu çok basitmiş gibi görünen eşitlik kuantum mekaniğinin doğuşuna neden olan gözlemlerden biridir. Çünkü bu eşitliğin klasik mekanik kuralları ile açıklanması mümkün değildir.

Wien Kayma Yasası

Rayleigh ve Jeans belli bir sıcaklığa sahip bir cismin hangi dalga boyunda ne kadar ışıma yapacağını klasik fizik yöntem-lerini kullanarak hesaplamaya çalıştılar.

Buldukları sonuç, uzun dalga boylarında deneylerle uyumluydu ama düşük dalga boylarında çok büyük bir sapma gösteriyordu.

R-J eşitliğine göre, dalga boyu kısaldıkça enerji yoğunluğunun sonsuza gitmesi gibi fiziksel olmayan bir sonuç çıkmaktadır.

Klasik fizik teorilerinin mor ötesi dalga boyları için uğradığı başarısızlığa morötesi felaketi denir.

Rayleigh-Jeans eşitliğine göre

48

T

kE

Rayleigh-Jeans Yasası

sJk 231038,1 Boltzmann sabiti

0lim0

E

1900 yılında Alman termodinamikçi Planck, siyah cisim ışımasının enerji yoğunluğuna ait denklemi oluşturdu.

Max. Planck 1858 -1947

Planck bu eşitliği çıkarırken siyah cismin doğasıyla ilgili bazı yeni, klasik teorilere aykırı varsayımlar ortaya attı.

Max Planck in Enerji Yoğunluğu Formülü

)1(

185

kT

hc

e

hcE

Planck sabiti

sJh 3410626,6

Siyah cisim, elektromanyetik ışıma ile etkileşebilen izotropik bir osilatörler topluluğudur. Her osilatör n frekansı ile titreşir.

Planck 'a göre; Her yöndeki özellikleri aynı

n 1,2,3,.....nE nh

PLANCK’IN VARSAYIMLARI1. Osilatörlerin her biri ancak belirli enerji değerlerine sahip olabilir. Bu değerler:

(Siyah cisim osilatörünün enerjisini kuantlaşmış olduğunu kabul etmiştir, klasik fiziğe aykırı…)

h

2. Radyasyon yayılması veya soğurulması ancak iki farklı enerji seviyesindeki geçiş sonucu olabilir. Yayılma ve soğurulma miktarı hv kadar enerji kaybına sebep olur.

h siyah cismin bileşiminden bağımsızdır.

Planck, yaşamının büyük bir kısmını bu varsayımların temel olarak yanlış olduğuna ve siyah cisim ışımasını tesadüfen açıkladığına inanarak geçirdi. Oysa, bugün biliyoruz ki, Planck sabiti, özellikle atom altı düzeydekiler olmak üzere doğadaki tüm süreksizliklerle ilişkili temel bir sabittir. 1918 yılında Nobel Fizik ödülü aldı.