Modern Fizik · 9. Ünite: Molekül ve Katıhal Fiziği

Moleküler Bağlar

İki nötr atom birbirine yaklaştığında toplam enerji düşüyorsa atomlar bir arada kalır ve molekül oluşur. Bu konuda iyonik, kovalent, van der Waals, hidrojen ve metalik bağların ortak kaynağını (elektrostatik etkileşim + Pauli itmesi) kuracak, Lennard-Jones potansiyelinden denge uzaklığını ve kuvvet sabitini türetecek, NaCl için basit bir iyonik bağ enerjisi modeli ile H₂⁺ ve H₂ için bağlayıcı/karşıt orbital resmini kullanacaksınız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Atomlar Neden Molekül Oluşturur?

  2. Bağ Türleri ve Enerji Ölçekleri

  3. Lennard-Jones Potansiyeli: Çekim ve İtmenin Dengesi

  4. İyonik Bağ: NaCl İyon Çifti Modeli

  5. Kovalent Bağ: H₂⁺ ve H₂ Orbitalleri

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sınır Durumları ve Simülasyon Yönlendirmesi

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Bağ enerjisi ($D_e$)
Potansiyel enerji eğrisinin minimumu ile ayrılmış atomların enerjisi arasındaki fark; molekülü atomlarına ayırmak için gereken en küçük enerji (sıfır nokta enerjisi hariç).
Denge bağ uzunluğu ($r_0$)
Potansiyel enerjinin minimum olduğu, net kuvvetin sıfır olduğu çekirdekler arası uzaklık.
Lennard-Jones potansiyeli
$U=4\varepsilon[(\sigma/r)^{12}-(\sigma/r)^6]$ biçiminde, $r^{-6}$ çekim ve $r^{-12}$ itme içeren iki parametreli model potansiyel.
Kuvvet sabiti ($k$)
Denge çevresinde potansiyelin ikinci türevi, $k=U''(r_0)$; Lennard-Jones için $72\varepsilon/r_0^2$.
İndirgenmiş kütle ($\mu$)
İki cisimli titreşim probleminin tek cisimli eşdeğerindeki kütle, $\mu=m_1m_2/(m_1+m_2)$.
Madelung sabiti
İyonik kristalde bir iyonun bütün diğer iyonlarla Coulomb toplamını $\alpha e^2/4\pi\varepsilon_0 r_0$ biçiminde veren geometrik sabit (NaCl için 1.7476).
LCAO
Moleküler orbitallerin atomik orbitallerin doğrusal birleşimi olarak yazılması (linear combination of atomic orbitals).
Bağlayıcı / karşıt bağlayıcı orbital
Atomik orbitallerin aynı / zıt fazlı toplamı; birincisi enerjiyi düşürür ve çekirdekler arasında yoğunluk biriktirir, ikincisi enerjiyi yükseltir ve orta düzlemde düğüm oluşturur.
Bağ derecesi
$(n_b-n_a)/2$; bağlayıcı ve karşıt orbitaldeki elektron sayılarından bulunan bağ sayısı.
Örtüşme integrali ($S$)
İki atomik orbitalin çarpımının tüm uzay üzerindeki integrali; bağın kovalent karakterinin ölçüsü.

Örnek soru

Lennard-Jones potansiyeli $U(r)=4\varepsilon[(\sigma/r)^{12}-(\sigma/r)^6]$ için $r=r_0=2^{1/6}\sigma$ noktasında aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. Potansiyel enerji sıfırdır, $U(r_0)=0$; çünkü çekim ve itme enerjileri birbirini götürür.
  2. Net kuvvet çekicidir ve büyüklüğü bu noktada en yüksektir.
  3. Net kuvvet sıfırdır ve potansiyel enerji $U(r_0)=-4\varepsilon$ değerini alır.
  4. Net kuvvet itici, potansiyel enerji ise $-\varepsilon$ değerindedir.
  5. Net kuvvet sıfırdır ve potansiyel enerji minimumdur, $U(r_0)=-\varepsilon$.

Doğru cevap: E

Çözüm

1. $F=-dU/dr=0$ koşulu $2(\sigma/r)^{12}=(\sigma/r)^6$ yani $r_0=2^{1/6}\sigma$ verir.
2. Bu noktada $(\sigma/r_0)^6=1/2$ olduğundan $U(r_0)=4\varepsilon\,(1/4-1/2)=-\varepsilon$.
3. Sonuç: denge noktasında net kuvvet sıfır, enerji minimum ve $-\varepsilon$.
En güçlü çeldirici $U=0$ seçeneğidir: $U=0$ noktası $r=\sigma$'dır ($r_0=1.122\sigma$ değil) ve orada kuvvet güçlü biçimde iticidir.

Modern Fizik: tüm konular