Atomun Uyarılması ve İyonlaşma Alıştırma Soruları — YKS AYT (Alan Yeterlilik Testi)

Bir $X$ atomuna ait bazı enerji seviyeleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:

Enerji Düzeyi	Enerji Değeri ( $\text{eV}$ )
$n = 1$ (Temel Hâl)	$0$
$n = 2$	$3,2$
$n = 3$	$5,4$
$n = 4$	$6,7$
İyonlaşma Sınırı	$8,0$

Bu atomların bulunduğu gaz ortamına $7,2\text{ eV}$ kinetik enerjili elektronlar gönderilmektedir. Elektronların atomlarla birden fazla çarpışma yapabildiği bilindiğine göre, sistemde gerçekleşebilecek olaylarla ilgili aşağıdakilerden hangileri doğrudur?

Geçerli olan tümünü seçin

Ortamdan ayrılan bazı elektronların kinetik enerjisi

0,8\text{ eV}

olabilir.

Uyarılmış atomların temel hâle dönerken yayabileceği fotonlardan birinin enerjisi

2,2\text{ eV}

olabilir.

Gaz ortamına

7,2\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar yerine

7,2\text{ eV}

enerjili fotonlar gönderilseydi de uyarılma gerçekleşebilirdi.

Elektronların atomlarla etkileşimi sonucunda ortamdan en fazla 4 farklı dalga boyunda foton yayınlanabilir.

Ortamdan ayrılan elektronların kinetik enerjisi

1,5\text{ eV}

olabilir.

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: Ortamdan ayrılan bazı elektronların kinetik enerjisi $0,8\text{ eV}$ olabilir.; Uyarılmış atomların temel hâle dönerken yayabileceği fotonlardan birinin enerjisi $2,2\text{ eV}$ olabilir.

Cevap

Ortamdan ayrılan bazı elektronların kinetik enerjisinin

0,8\text{ eV}

olabilmesi ve uyarılmış atomların temel hâle dönerken

2,2\text{ eV}

enerjili foton yayınlayabilmesi ifadeleri doğrudur.

Ortamdan ayrılan elektronların iki ardışık esnek olmayan çarpışma sonucunda

0,8\text{ eV}

kinetik enerjiye sahip olması ve uyarılmış atomların

n=3

seviyesinden

n=2

seviyesine geçerken

2,2\text{ eV}

enerjili foton yayınlaması fiziksel olarak mümkündür.

Adım Adım Çözüm

1

Gelen elektronun enerjisini (

7,2\text{ eV}

) ve atomun uyarılma düzeylerini (

3,2\text{ eV}

,

5,4\text{ eV}

,

6,7\text{ eV}

) analiz edin.

Elektron tek bir çarpışmada atomu

n=2

,

n=3

veya

n=4

düzeylerine uyarabilir. Kalan kinetik enerjiler sırasıyla

4,0\text{ eV}

,

1,8\text{ eV}

veya

0,5\text{ eV}

olur.

Elektronun uyarılma gerçekleştirebilmesi için sahip olduğu kinetik enerjinin atomun uyarılma seviyelerine eşit veya büyük olması gerekir.

2

Elektronun birden fazla çarpışma yapma olasılığını değerlendirin.

İlk çarpışmada atomu

n=2

(

3,2\text{ eV}

) düzeyine uyaran elektronun kalan enerjisi

4,0\text{ eV}

olur. Bu elektron başka bir atomla tekrar çarpışarak onu da

n=2

düzeyine uyarabilir. Bu durumda kalan kinetik enerji

4,0 - 3,2 = 0,8\text{ eV}

olur.

Elektronların uyarılma sonrası kalan enerjileri diğer atomların uyarılma enerjilerine yetiyorsa ardışık uyarılmalar gerçekleşebilir.

3

Uyarılmış atomların temel hâle dönerken yapabileceği geçişleri ve bu geçişlerde salınan fotonların enerjilerini hesaplayın.

n=3

seviyesine uyarılmış bir atom

n=2

seviyesine dönerken

E_3 - E_2 = 5,4 - 3,2 = 2,2\text{ eV}

enerjili bir foton yayınlayabilir.

Foton enerjisi, atomun geçiş yaptığı iki enerji seviyesi arasındaki farka eşittir.

4

Fotonla uyarılma şartını kontrol edin.

Fotonların atomu uyarabilmesi için enerjisinin uyarılma seviyelerine (

3,2\text{ eV}

,

5,4\text{ eV}

veya

6,7\text{ eV}

) tam olarak eşit olması gerekir.

7,2\text{ eV}

bu seviyelere eşit olmadığı için foton uyarılma gerçekleştiremez.

Foton uyarılmasında foton enerjisinin tamamı tek bir atoma aktarılmak zorundadır ve uyarılma seviyesine tam uymalıdır.

5

Yayınlanabilecek toplam farklı dalga boyundaki foton sayısını hesaplayın.

n=4

düzeyine kadar uyarılma gerçekleştiği için yayınlanabilecek maksimum farklı foton sayısı

\frac{4 \times 3}{2} = 6

olur.

n

seviyesine uyarılmış bir atomun temel hâle dönerken yapabileceği maksimum farklı ışıma sayısı

\frac{n(n-1)}{2}

formülüyle bulunur.

Anahtar Kavram

Atomun Elektron ve Fotonlarla Uyarılması, Ardışık Çarpışmalar ve Uyarılma Sonrası Işıma Geçişleri

Soru 2Soru →

Taban durumunda bulunan seyreltik X gazı atomlarının bazı enerji düzeyleri ve iyonlaşma sınırı aşağıda gösterilmiştir:

Düzey	Enerji (eV)
Taban Durumu ( $n=1$ )	$0,0$
1. Uyarılma Düzeyi ( $n=2$ )	$4,0$
2. Uyarılma Düzeyi ( $n=3$ )	$6,0$
İyonlaşma Sınırı	$8,5$

Bu gaz ortamına $10,0\text{ eV}$ kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde veya farklı enerjili fotonlar yollanarak atomların uyarılması ve iyonlaşması inceleniyor.

Buna göre; elektronların gaz ortamındaki atomlardan en fazla biriyle esnek olmayan çarpışma yaptığı varsayımı altında, yapılan etkileşimler sonucunda ortaya çıkan aşağıdaki durumlardan hangisi gerçekleşebilir?

Ortama

10,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde, ortamı terk eden elektronlardan birinin kinetik enerjisinin

1,2\text{ eV}

olması

Ortama

5,0\text{ eV}

enerjili fotonlar gönderildiğinde, atomların uyarılması

Ortama

8,0\text{ eV}

enerjili fotonlar gönderildiğinde, atomların iyonlaşması

Ortama

10,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde, ortamı terk eden saçılan elektronun kinetik enerjisinin

5,0\text{ eV}

olması

Ortama

6,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde, atomların iyonlaşması

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: Ortama $10,0\text{ eV}$ kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde, ortamı terk eden elektronlardan birinin kinetik enerjisinin $1,2\text{ eV}$ olması

Cevap

Ortama

10,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar gönderildiğinde, ortamı terk eden elektronlardan birinin kinetik enerjisinin

1,2\text{ eV}

olması

Ortama gönderilen

10,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektronlar, iyonlaşma enerjisi

8,5\text{ eV}

olan X atomunu iyonlaştırdığında geriye kalan

1,5\text{ eV}

kinetik enerji serbest kalan iki elektron (saçılan ve kopan elektron) arasında sürekli bir şekilde paylaşılabilir. Dolayısıyla ortamı terk eden elektronlardan birinin kinetik enerjisi

1,2\text{ eV}

(diğerinin ise

0,3\text{ eV}

) olabilir.

Adım Adım Çözüm

1

Elektronla uyarılma ve iyonlaşma kurallarını analiz etme

Gelen elektronun kinetik enerjisi

10,0\text{ eV}

'dir. Bu enerji uyarılma eşiği olan

4,0\text{ eV}

'den ve iyonlaşma eşiği olan

8,5\text{ eV}

'den büyüktür. Dolayısıyla gelen elektron atomu uyarabilir veya iyonlaştırabilir.

Gelen elektronun hangi süreçleri gerçekleştirebileceğini belirlemek için.

2

Fotonla uyarılma ve iyonlaşma kurallarını analiz etme

Fotonun uyarabilmesi için enerjisinin tam olarak

4,0\text{ eV}

veya

6,0\text{ eV}

olması gerekir. İyonlaştırabilmesi için ise enerjisinin en az

8,5\text{ eV}

olması yeterlidir.

Seçeneklerdeki foton etkileşimlerinin gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini belirlemek için.

3

İyonlaşma durumunda kinetik enerji dağılımını hesaplama

10,0\text{ eV}

kinetik enerjili elektron atomu iyonlaştırdığında, iyonlaşma için

8,5\text{ eV}

harcanır. Geriye kalan

10,0 - 8,5 = 1,5\text{ eV}

kinetik enerji, saçılan elektron ile atomdan kopan elektron arasında sürekli bir şekilde paylaşılır. Yani bu iki elektrondan biri

1,2\text{ eV}

kinetik enerjiye sahipken diğeri

0,3\text{ eV}

kinetik enerjiye sahip olabilir.

İyonlaşma sonrası ortaya çıkan elektronların sahip olabileceği kinetik enerjileri bulmak için.

4

Seçeneklerin doğruluğunu kontrol etme

Ortama gönderilen

10,0\text{ eV}

'lik elektron iyonlaşma yaptığında ortamı terk eden elektronlardan birinin enerjisi

1,2\text{ eV}

olabilir. Diğer seçeneklerde belirtilen uyarılma ve iyonlaşma durumları uyarılma ve iyonlaşma kurallarına aykırıdır.

Doğru seçeneği belirlemek için.

Anahtar Kavram

Elektron ve fotonlarla atomun uyarılması ve iyonlaşması arasındaki farklar, iyonlaşma sonrası enerjinin paylaşılması

Soru 3Soru →

Bir hidrojen atomunun bazı enerji düzeyleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:

Enerji Düzeyi	Enerji Değeri ( $\text{eV}$ )
$n = 1$ (Temel Hâl)	$0$
$n = 2$	$10{}20$
$n = 3$	$12{}09$
İyonlaşma Sınırı	$13{}60$

Temel hâldeki hidrojen atomlarının bulunduğu seyreltik bir gaz ortamına kinetik enerjisi $E$ olan elektronlar gönderildiğinde, çarpışma sonrası ortamdan ayrılan elektronların kinetik enerjisi $0{}31\text{ eV}$ veya $2{}20\text{ eV}$ olarak ölçülüyor.

Çarpışmaların ardından ortamda uyarılmış hâlde kalan hidrojen atomlarını iyonlaştırmak amacıyla bu ortama;

I. $1{}50\text{ eV}$ enerjili foton

II. $3{}50\text{ eV}$ enerjili foton

III. $13{}60\text{ eV}$ enerjili foton

gönderiliyor.

Buna göre, gönderilen bu fotonlardan hangileri uyarılmış atomlardan en az birini iyonlaştırabilir?

Yalnız I

Yalnız II

I ve II

II ve III

I, II ve III

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: II ve III

Cevap

II ve III öncüllerinde verilen fotonlar uyarılmış atomlardan en az birini iyonlaştırabilir.

Doğru seçenek, uyarılmış durumdaki atomların iyonlaşma eşiklerini aşan fotonları içerir. Elektronların saçılma enerjilerinden atomların n=2 ve n=3 düzeylerine uyarıldığı bulunur. n=2 düzeyindeki atom için iyonlaşma enerjisi 3,40 eV, n=3 düzeyindeki atom için ise 1,51 eV'dir. 3,50 eV ve 13,60 eV enerjili fotonlar bu eşiklerden büyük olduğu için uyarılmış atomları iyonlaştırabilir. Ancak 1,50 eV enerjili foton her iki eşik değerinden de küçük olduğundan iyonlaşma gerçekleştiremez.

Adım Adım Çözüm

1

Elektronların uyardığı atomların hangi enerji düzeylerine çıktığını belirleme

Gelen elektronların saçılma sonrası kinetik enerjileri

0{}31\text{ eV}

ve

2{}20\text{ eV}

'dir. Bu iki enerji arasındaki fark:

2{}20 - 0{}31 = 1{}89\text{ eV}

olur. Tablodaki enerji seviyeleri incelendiğinde,

n=3

ve

n=2

düzeylerinin enerjileri arasındaki farkın da

12{}09 - 10{}20 = 1{}89\text{ eV}

olduğu görülür. Buradan, gelen elektronların enerjisinin

E = 12{}40\text{ eV}

olduğu ve atomları

n=2

ile

n=3

düzeylerine uyardığı anlaşılır.

Çarpışma sonrasında ortamda hangi uyarılmış enerji düzeylerinde atom bulunduğunu tespit etmek.

2

Uyarılmış düzeylerdeki atomların iyonlaşması için gereken minimum enerjileri hesaplama

n=2

düzeyindeki bir atomu iyonlaştırmak için gereken enerji:

E_{\text{iyon,2}} = 13{}60 - 10{}20 = 3{}40\text{ eV}

'dir.

n=3

düzeyindeki bir atomu iyonlaştırmak için gereken enerji:

E_{\text{iyon,3}} = 13{}60 - 12{}09 = 1{}51\text{ eV}

'dir.

İyonlaşma için gönderilecek fotonların sahip olması gereken eşik enerjilerini bulmak.

3

Gönderilen fotonların enerjilerini iyonlaşma eşikleriyle karşılaştırma

Fotonların bir atomu iyonlaştırabilmesi için enerjisinin, o atomun bulunduğu düzeydeki iyonlaşma enerjisine eşit veya bu değerden büyük olması gerekir (

E_{\text{foton}} \geq E_{\text{iyon}}

). Bu durumda:
- I. Foton (

1{}50\text{ eV}

):

1{}50\text{ eV} < 1{}51\text{ eV}

ve

1{}50\text{ eV} < 3{}40\text{ eV}

olduğu için hiçbir atomu iyonlaştıramaz.
- II. Foton (

3{}50\text{ eV}

):

3{}50\text{ eV} > 3{}40\text{ eV}

ve

3{}50\text{ eV} > 1{}51\text{ eV}

olduğu için hem

n=2

hem de

n=3

düzeyindeki atomları iyonlaştırabilir.
- III. Foton (

13{}60\text{ eV}

):

13{}60\text{ eV} > 3{}40\text{ eV}

ve

13{}60\text{ eV} > 1{}51\text{ eV}

olduğu için uyarılmış atomları iyonlaştırabilir.

Hangi fotonların iyonlaşma şartını sağladığını belirlemek.

Anahtar Kavram

Atomların elektronlarla uyarılması sırasında enerji korunumu ve uyarılmış atomların fotonlarla iyonlaşması için gereken minimum enerji şartı.

Soru 4Soru →

Temel hâlde (taban durumunda) bulunan $Z$ atomunun bazı uyarılma enerjileri ile iyonlaşma enerjisi aşağıdaki tabloda verilmiştir:

Enerji Düzeyi	Uyarılma Enerjisi ( $\text{eV}$ )
$n = 1$ (Temel Hâl)	$0$
$n = 2$	$1{}80$
$n = 3$	$3{}20$
$n = 4$	$4{}50$
İyonlaşma	$5{}80$

Bu atomlarla dolu bir gaz ortamına gönderilen elektron veya fotonlar ile ilgili yapılan gözlemlerde aşağıdakilerden hangisi gerçekleşebilir?

4{}00\text{ eV}

enerjili bir foton, atomu

n=3

düzeyine uyarabilir.

4{}80\text{ eV}

enerjili bir foton, atomu

n=4

düzeyine uyararak

0{}30\text{ eV}

enerjili başka bir fotona dönüşür.

3{}00\text{ eV}

kinetik enerjili bir elektron, atomu

n=2

düzeyine uyararak ortamdan

1{}20\text{ eV}

kinetik enerji ile ayrılabilir.

6{}00\text{ eV}

enerjili bir foton, enerjisi iyonlaşma enerjisine (

5{}80\text{ eV}

) eşit olmadığı için atomu iyonlaştıramaz.

3{}20\text{ eV}

enerjili bir foton, bir atomu uyardıktan sonra kalan enerjisiyle başka bir atomu daha uyarabilir.

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: $3{}00\text{ eV}$ kinetik enerjili bir elektron, atomu $n=2$ düzeyine uyararak ortamdan $1{}20\text{ eV}$ kinetik enerji ile ayrılabilir.

Cevap

Kinetik enerjisi

3{}00\text{ eV}

olan bir elektronun, atomu

n=2

düzeyine uyararak ortamdan

1{}20\text{ eV}

kinetik enerji ile ayrılması

Kinetik enerjisi

3{}00\text{ eV}

olan bir elektron, atomun birinci uyarılma düzeyi (

n=2

,

1{}80\text{ eV}

) enerjisinden daha büyük bir enerjiye sahip olduğu için bu atomu uyarabilir. Etkileşim sonucunda enerjisinin

1{}80\text{ eV}

'lik kısmını atomu uyarmak için verir ve kendisi kalan

1{}20\text{ eV}

kinetik enerji ile ortamdan saçılır.

Adım Adım Çözüm

1

Fotonların atomu uyarma şartını kontrol etmek.

Fotonun atomu uyarabilmesi için enerjisinin atomun uyarılma enerji düzeylerinden birine (

1{}80\text{ eV}

,

3{}20\text{ eV}

,

4{}50\text{ eV}

) tam olarak eşit olması gerekir. Foton enerjisini bölerek kısmi uyarılma yapamaz veya ardışık olarak birden fazla atomu uyaramaz.

Fotonlar atomla etkileşime girdiğinde ya tamamen soğurulur ya da hiç etkileşime girmezler (ya hep ya hiç prensibi).

2

Elektronların atomu uyarma şartını kontrol etmek.

Elektronun atomu uyarabilmesi için kinetik enerjisinin, uyarılmak istenen düzeyin enerjisine eşit veya bu değerden büyük olması yeterlidir. Elektron uyarılmayı gerçekleştirdikten sonra kalan kinetik enerjiyle yoluna devam eder.

Elektronlar kinetik enerjilerinin bir kısmını atomu uyarmak için aktarabilirler.

3

Fiziksel olarak gerçekleşebilecek durumu tespit etmek.

3{}00\text{ eV}

kinetik enerjili bir elektron, uyarılma enerjisi

1{}80\text{ eV}

olan

n=2

düzeyini uyarabilir. Bu durumda elektronun kalan kinetik enerjisi

3{}00\text{ eV} - 1{}80\text{ eV} = 1{}20\text{ eV}

olur.

Enerjinin korunumu yasası gereğince, elektronun başlangıçtaki kinetik enerjisi, uyarılma enerjisi ile saçılan elektronun kinetik enerjisinin toplamına eşittir.

Anahtar Kavram

Atomun Elektronlar ve Fotonlarla Uyarılması

Soru 5Soru →

Temel hâldeki (enerjisi $0\text{ eV}$ olan) bir $X$ atomunun birinci, ikinci ve üçüncü uyarılma enerji düzeyleri sırasıyla $3,2\text{ eV}$ , $5,4\text{ eV}$ ve $7,5\text{ eV}$ 'dir. Bu atomlardan oluşan gaz ortamına $6,5\text{ eV}$ kinetik enerjili elektronlar gönderiliyor. Gönderilen elektronlar hedef atomlarla sadece birer kez esnek olmayan çarpışma yapmaktadır.

Buna göre, uyarılma gerçekleştiren elektronların ortamdan ayrılırken sahip olabileceği en kü��ük kinetik enerji ile uyarılmış bu atomların temel hâle dönerken salabileceği en küçük enerjili fotonun enerjisi aşağıdakilerin hangisinde sırasıyla doğru verilmiştir?

1,1\text{ eV}

ve

2,2\text{ eV}

1,1\text{ eV}

ve

3,2\text{ eV}

3,3\text{ eV}

ve

2,2\text{ eV}

1,1\text{ eV}

ve

5,4\text{ eV}

3,3\text{ eV}

ve

3,2\text{ eV}

Cevabı ve açıklamayı göster

Cevap: $1,1\text{ eV}$ ve $2,2\text{ eV}$

Cevap

Uyarılma gerçekleştiren elektronların ortamdan ayrılırken sahip olabileceği en küçük kinetik enerji

1,1\text{ eV}

, uyarılmış atomların temel hâle dönerken salabileceği en küçük enerjili fotonun enerjisi ise

2,2\text{ eV}

'dir.

Doğru seçenekte saçılan elektronun uyarılma sonrası sahip olabileceği en küçük kinetik enerji

1,1\text{ eV}

ve uyarılmış atomun yapabileceği ışımalardan en küçük enerjili olanının enerjisi

2,2\text{ eV}

olarak belirtilmiştir. Elektron atomu ikinci uyarılma düzeyine (

5,4\text{ eV}

) uyardığında geriye

1,1\text{ eV}

kalır ve bu en küçük değerdir. İkinci uyarılma seviyesindeki atomun birinci uyarılma seviyesine (

3,2\text{ eV}

) geçişinde ise

2,2\text{ eV}

'lik en küçük enerjili foton salınır.

Adım Adım Çözüm

1

Elektronların uyarabileceği enerji seviyelerini belirlemek

Gönderilen elektronların enerjisi

6,5\text{ eV}

olduğundan, bu elektronlar sadece enerjisinin yettiği uyarılma düzeylerini uyarabilir.

6,5\text{ eV} \geq 3,2\text{ eV}

(birinci uyarılma seviyesi) ve

6,5\text{ eV} \geq 5,4\text{ eV}

(ikinci uyarılma seviyesi) olduğundan her iki seviye de uyarılabilir. Ancak

6,5\text{ eV} < 7,5\text{ eV}

olduğundan üçüncü uyarılma seviyesi uyarılamaz.

Bir elektronun atomu uyarabilmesi için kinetik enerjisinin uyarılma düzeyinin enerjisine eşit veya ondan büyük olması gerekir.

2

Saçılan elektronun sahip olabileceği en küçük kinetik enerjiyi hesaplamak

Elektron birinci seviyeyi uyarırsa kalan enerjisi:

6,5 - 3,2 = 3,3\text{ eV}

olur. İkinci seviyeyi uyarırsa kalan enerjisi:

6,5 - 5,4 = 1,1\text{ eV}

olur. Bu durumda uyarılma gerçekleştiren elektronların ortamdan ayrılırken sahip olabileceği en küçük kinetik enerji

1,1\text{ eV}

'dir.

Elektron esnek olmayan çarpışmada uyardığı düzeyin enerjisi kadar enerjiyi atoma aktarır ve kalan enerjiyle ortamdan uzaklaşır.

3

Uyarılmış atomun salabileceği en küçük foton enerjisini bulmak

Atom

3,2\text{ eV}

seviyesine uyarıldığında sadece temel hâle dönerek

3,2\text{ eV}

enerjili foton salabilir. Atom

5,4\text{ eV}

seviyesine uyarıldığında ise temel hâle doğrudan dönerek

5,4\text{ eV}

veya önce birinci uyarılma düzeyine (

3,2\text{ eV}

) geçiş yaparak

5,4 - 3,2 = 2,2\text{ eV}

enerjili foton salabilir. Bu durumda salınabilecek en küçük foton enerjisi

2,2\text{ eV}

'dir.

Uyarılmış atomlar temel hâle dönerken izinli enerji düzeyleri arasındaki fark kadar enerjiye sahip fotonlar yayınlarlar.

Anahtar Kavram

Elektronlarla uyarılmada enerji korunumu ve uyarılmış atomların ışıma yaparken izlediği yollar

Atomun Uyarılması ve İyonlaşma

Cevap

Adım Adım Çözüm

Anahtar Kavram

Sık Yapılan Hatalar

Cevap

Adım Adım Çözüm

Anahtar Kavram

Sık Yapılan Hatalar

Cevap

Adım Adım Çözüm

Anahtar Kavram

Sık Yapılan Hatalar

Cevap

Adım Adım Çözüm

Anahtar Kavram

Sık Yapılan Hatalar

Cevap

Adım Adım Çözüm

Anahtar Kavram

Sık Yapılan Hatalar