DERS 6: HİDROJEN ATOMU

Dersin Konuları

• Hidrojen atomunun tayfı
• Hidrojenin 21-cm Salması
• Atomların İyonizasyonu
• Astronomide bu salma ve soğurmaların nasıl kullanılıyor.
• Her element, iyon, yada molekülün kendine özgü imzası vardır
• Bu imzalar Astronominin temel taşıdır.

Hidrojen atomunun tayfı

• Hidrojen atomunun bir tane elektronu vardır, böylece tayf açısından en basit yapıya sahip element özelliğini taşımaktadır.
• Diğer elementler gibi Hidrojen'inde kesikli salma yada sağurma çizgileri vardır ki bu çizgiler elektronun bir enerji seviyesinden başka bir enerji seviyesine geçişlerde ortaya çıkar.
• Bir enerji düzeyi "yukarıya" elektronun çıkması için bir fotonun doğru bir enerjiye (yada dalgaboyuna) sahip olması gerektiğini unutmamak gerekir.
• Hidrojen atomu moröte, görünür, kırmızıöte ve radyo bölgede kesikli dalgaboylarında enerji soğurabilir ve salabilir.
• Görünür bölgede olanlarına Balmer çizgileri adı verilmektedir.

Enerji

• Atom dünyasındaki enerjiler genellikle elektron volt (eV) biriminde ifade edilir.
• 1 eV = 1.6 x 10^-19 J
• Örneğin Hidrojen atomu için n=2 ile n=1 enerji seviyeleri arasınaki farkı 10.2eV'dur.
• E = hc/lamda olduğundan lamda = 1216 A olur.

Hidrojen Atomunun Tayfsal Çizgileri

• Lyman Çizgileri - Morötesi (Ultraviole)
• Ly-alfa: n=2 ==> 1, lamda = 1216 A
• Ly-beta: n=3 ==> 1, lamda = 1026 A
• Ly-gama: n=4 ==> 1, lamda = 973 A
• Balmer Çizgileri - Görünür Bölge
• H-alfa: n=3 ==> 2, lamda = 6563 A
• H-beta: n=4 ==> 2, lamda = 4861 A
• H-gama: n=5 ==> 2, lamda = 4341 A

H Tayfsal Çizgileri hakkında Notlar

• Kuantum sayısı büyüdükçe enerji düzeyleri birbirine yaklaşmaktadır.
• Kuantum sayıları arasındaki büyük farklılıklar büyük enerjilerin soğurulması yada salınması anlamına gelir.

"Süreklilik"

• Süreklilikteki bir elektron protondan kaçabilir.
• Süreklilikteki bir elektron quantize olmamiştir.
•  

Hidrojen'in 21-cm Işınımı

• Astronomide önemli bir tayf çizgisi olan Hidrojen'in 21-cm çizgisi yıldızlararası gazın ölçülmesinde kullanılır.
• Bu tayfın radyo bölgesine ait değildir.
• n=1 seviyesinde (temel seviye) bulunan H atomu aslında iki küçük enerji seviyesine ayrılır.
• Bu enerji ayrimi elektronun ve protonun kendine özgü dönme eksenini olmasından kaynaklanır, küçük mıknatıslar biçiminde davranışlar gösterir.
• Kuzey kutup ile enerji aynı yönlenmeye sahip ise bu yönde olmama halinden daha fazla enerjiye sahiptir.
• Küçük sayıda H-atomlarının salmaları zayiftir fakat Hidrojenin uzayda çok bol bulunmasi bu zayıf enerjinin ölçülebilmesini sağlamaktadır.
• Kendi galaksimizde bu tür ışınımların oldukça bol olduğunu görebilmekteyiz.

. 

İyonizasyon ve İyonlar

• Eğer foton yeterince enerjiye sahip ise bir atomu iyonize edebilir.
• Bir atom iyon haline bir yada daha fazla elektronunu kaybettiğinde ulaşır.
• Çok ender ve az rastlanmasına rağmen ayrıca ilave bir elektrona sahip olabilen atomlarda iyon durumuna geçer.

Hidrojenin İyonlaşması

• Hidrojen atomunun iyonlaşma enerjisi 13.6 eV dur.
• Temel seviyeden (n=1) bir elektronun iyonlaşması için fotonun enerjisi 13.6 eV veya daha büyük olmalıdır.
• => lamda < 912 A
• İyonize olmuş bir hidrojen atomu kendi başına bir protontan oluşur.

• Astronomlar yukarıdaki gösterimleri bir atomun iyonize durumunu göstermek amacıyla kullanırlar.
• It takes progressively more energy to remove successive electrons from an atom.
• Bunun anlamı He II'nin He I'den daha zor iyonize yapılabileceğidir.
• Not: He IV'i oluşturamazsınız.

Tayf Çizgileri: Astronominin Temel Taşı

• Bir iyon tarafından oluşturulan tayf çizgileri seti her yerde aynıdır ve astronomi açısından temel öneme sahiptir.
• Astronomlar bunlara bir iyonun "parmak izleri" şeklinde bakarlar.
• Galaksi ve evren boyunca elementlerin belirlenebilmesini sağlarlar.
• Bu parmak izlerine bakarak oksijen, karbon, demir, vb. elementleri tesbit edebiliyoruz.
• Bu parmak izlerine ilaveten:
• Yıldızların kimyasal bileşimlerini
• Elementlerin bolluklarını
• Gazların fiziksel durumlarını
• Yoğunluklarını ve sıcaklıklarını

Katı cisimlerin salmaları

• Katı cisimler kesiklilikten çok sürekli tayf verirler.
• Bu durum atomlar için farklıdır.
• Örneğin:
• Tungsten filamalı lamba - süreklilik gösterirken
• Fluorasan lambası - kesikli spektrum verir.