|
|
|
(03-Nisan-2008)Shabidyn
NÜKLEER ve ATOMUN YAPISI
Bugünkü fizik bilgimizle maddenin içinde 4 çeşit kuvvetin varlığını gözlüyoruz ama işin kötüsü bu 4 çeşit kuvvet arasında bir ilişki kuramıyoruz. Böyle bir ilişki kurabilsek tek bir teoriyle tüm maddeyi açıklayabilirdik. Sezgisel olarak tüm madde tek bir büyük patlamayla oluşmuşsa bunun iç dinamiklerini oluşturan etkilerin de tek bir kuraldan çıkan türev etkiler olması umulur ama öyle olmuyor ve birbiriyle ilişkisiz 4 çeşit kuvvet önümüzde duruyor.
* * *
Kısaca hatırlamak gerekirse : “Kütleçekim kuvveti”, “Elektromanyetik kuvvet”, “Güçlü Çekirdek kuvvetleri”, “Zayıf Çekirdek kuvvetleri” var. Ancak ilk iki kuvvetle çeşitli hesaplamalar yapılsa da, bunların aralarında şimdiki bilgi sınırlarımızı aşan ilişkiler bulunduğu da düşünülmektedir. Diğer iki kuvvet hakkında ise, elementlerin dönüştürülmesi ve çekirdeklerden fisyon yolu ile enerji elde etmek gibi bilgilere sahibiz. Çekirdek bağlama kuvvetleri “kuvvetli”, bozunma kuvvetleri ise “zayıf” olarak nitelenmektedir. Birbirine temasta olan iki protonun çekirdek kuvveti elektromanyetik itme kuvvetinden 100 kere daha fazladır. O yüzden protonlar bir arada dururlar. Zayıf interaksiyon ise, “Güçlü çekirdek kuvveti”nden 10 milyar milyon (10^16) kere daha zayıftır. Gravitasyon kuvveti ise, en zayıf olan çekme kuvveti olup bu, kuvvetli çekirdek kuvvetinden (10^39) kere daha zayıftır. Gravitenin yani kütleçekiminin önemi makro alemde ve uzun mesafelerde oluşundadır.
* * *
Makro ve mikro alemlerdeki bu küreler arasındaki kuvvetleri ileten elemanların olması gerekir. Bu konuda derin çalışmalar yapılmaktadır. “Elektromanyetik” kuvvette “foton”lar, “Gravitasyonda” “graviton”lar etki elemanı olarak bilinmektedir. Ancak “graviton”lar bir teori olarak durmakta ve araştırılması gerekmektedir. Çekirdek kuvvetinin etki elemanı ise “mezon” olarak bilinir. “Foton” bir yüke sahip değildir ama “mezon” belli bir yüke sahiptir. Bugün Fizik bilginleri bu dört kuvveti de kapsayan bir teori kurmaya çalışıyorlar. Henüz görünür bir başarı sağlanamadı.
* * *
Atomun ilginç yapısına devam edelim. Güneşin etrafındaki gezegenlerin yörüngelerinin Güneşe olan mesafeleri için kısıtlayıcı bir fizik kanunu olmamasına rağmen atomda çekirdeğin etrafında dönen elektronlar çekirdeğe belli uzaklıklardaki yörüngeler üzerinde dönerler. Elektronlara dışarıdan etki etsek bile ancak belli mesafedeki yörüngelerden birine geçeceklerdir arada bir mesafede durmazlar. Atom’un bütün kütlesi hemen hemen çekirdeğindedir. Çekirdek, atoma göre (yani çekirdek ve elektronarın oluşturduğu sistem atomdur) çok küçüktür. Elektronların çekirdeğe olan mesafeleri kendi boyutlarından yüzbin defa daha büyüktür. Bu yüzden atomun içindeki boşluk, çekirdek ve elektronların işgal ettiği hacme göre milyonlarca defa daha büyüktür. Yani “atom” hemen hemen içi boş bir sistemdir. Elektronlarla değil Çekirdekle ilgilenirsek Nükleer’in açıklaması için bize daha faydalı olacaktır. Elektronların elektrik akımındaki rolünü zaten biliyoruz.
* * *
En basit atom olan “Hidrojen” atomunu ele alalım. Çekirdekte bir Proton etrafında bir elektron vardır. Hidrojen nötr olduğuna göre negatif yüklü elektronu dengeleyen bir yük daha barındırıyor demektir. Bu yük “Proton”dur. Doğada ağırlığı 2 kat olan hidrojen atomları da vardır. Bunların yörüngesinde de bir elektron döndüğüne göre demek ki çekirdek içinde yüksüz ama neredeyse Protonla aynı ağırlıkta yüksüz bir parçacık daha var demektir. Bu yüksüz parçacığa “Nötron” diyoruz. Nükleer’de “Nörton” Matematikteki “Sıfır” gibi önemli bir olgudur. Çekirdeğinde bir nötron bulunduran hidrojene “döteryum” denir. Çok nadir de olsa çekirdeğinde iki nötron bulunduran hidrojen atomları da vardır, buna “trityum” (veya protriyum) denir. Bir elementin kimyasal özellikleri en dış yörüngelerindeki elektronlarca belirlendiğinden bu üç tür hirojen de kimya olarak aynıdırlar. Çekirdekteki proton sayısı atom numarasını belirler demiştik ama hidrojende olduğu gibi fazladan nötron içemekle atomun kütlesi değişebilir, bunlara o elementin “izotop”ları denr. O halde hidrojenin izotopları “Döteryum” ve “Trityum”dur diyebiliriz.
* * *
Elementlerin sıraya konulduğu Periyotlar tablosuna bakacak olursak. Proton sayısı az olan (yani hafif çekirdeklerde) aşağı yukarı çekirdekteki proton sayısı kadar nötron bulunur. Örneğin Helyum (He) atomunda 2 proton 2 nötron vardır, Sodyum (Na) atomunda 11 proton 12 nötron vardır. Atom numarası büyüdükçe (yani içerdiği proton sayısı artıp çekirdek ağırlaştıkça) barındırdığı nötron sayısı proton sayısının 1.5 katına kadar çıkabilir. Örneğin, Uranyum (U) 92 proton 146 nötron içermektedir. Çekirdeğin içindeki proton ve nötronları bir arada tutan kuvvetin “Güçlü Çekirdek kuvveti” olduğunu daha önce söylemiştik. Bu kuvvet protonu protona, protonu nötrona, nötronu nötrona bağlar. Elektromanyetizmaya ait elektromanyetik kuvvetlerin atom çekirdeğinde etkisi Çekirdek kuvveti yanında düşüktür ama tamamen önemsiz değildir. Çekirdek içindeki protonların artması doğal olarak bunların arasındaki itici elektrik kuvvetinin etkisinin artmasına da neden olur. Çünkü protonlar aynı ve pozitif elektrik yüküne sahip parçacıklardır. Çok ilginçtir, atom numarası arttıkça çekirdekteki nötron sayısının proton sayısından daha hızlı artması bu elektrik kuvvetlerinin dağıtıcı etkilerini önlemeye yarar. Bununla beraber ağır atomlarda parçacıkları birbirine sımsıkı bağlı tutan kuvvetlerin yanında uzaklaştırıcı kuvvetler ağır basmaya başlarlar ve çekirdek kendiliğinden bölünmeye uğar. Üstelik biz bu durumu kontrol edebilecek hiçbir şey yapamayız. Örneğin radyum (Ra) içinde 226 adet nükleon (proton artı nötron) vardır. Kendiliğinden bölününce 4 nükleon ve 222 nükleon olan iki atoma parçalanır. Bu kendiliğinden dönüşme olayına “radyasyon” diyoruz. “Zayıf kuvvet teorisi” bu durumu açıklamak için ortaya atılmıştır. Radyasyonda herşey zayıf kuvvetlerin kontrolündedir. Çekirdeği kendiliğinden kırılan bu elementlere radyoaktif elementler denir. Her radyoaktif element bu şekilde bozunarak mevcut kütlesini kaybeder, örneğin Radyum’un yarıya inmesi için gereken süre 1570 yıldır. Her radyoaktif elementin belli bir bozunma hızı vardır ve yarılanma süreleri farklıdır. Bozunma sırasında element “alfa”, “beta”, “gama” ışımaları yapar. Bu ışımaların bir enerjisi vardır. Bozunan elementin bir kısmı enerjiye dönüşüyor demektir. Örneğin, 1 gr element bu şekilde bozunsa 2700 ton kömüre eş değer ısı enerjisi üretmektedir. Atomda bulunan bu muazzam miktardaki enerjiyi kullanmak mümkün değil midir? Elbette mümkündür, nükleer santraller bunun için vardır.
|
|
|
