Atom çekirdeğinin içine bakış
Güncelleme Tarihi:
Oluşturulma Tarihi: Mart 15, 2002 16:52
Çekirdek fizikçileri, atomu nükleer santrallarda denetim altında parçalayarak elektrik ürettiler. Şimdi çok daha zoru deniyorlar: Atomu kaynaştırarak, sürekli ve daha ucuza elektrik üretecekleri bir nükleer fırın yaratmak. Tıpkı Güneş’teki gibi!...
Aşağıda atomun yapısına ve özelliklerine kısaca bir göz atıyoruz.
Atomlar, pozitif elektrik yüklü çekirdekler ve bunları saran negatif elektrik yüklü elektronlardan oluşur. Çekirdek, atomun binde biri büyüklüğündedir, ama atom kütlesinin % 99.9'unu içerir. Çekirdekte pozitif yüklü protonlar ve nötr olan nötronlar bulunur.
Atomun yapısı
Bir çekirdekteki proton sayısına atom numarası denir ve Z olarak gösterilir. Nötron sayısı ise N ile gösterilir. Z ile N'nin toplamı, çekirdeğin atom kütlesi olan A'yı verir.
Elementlerin yapısı
Bugün 112 element bilinmektedir. En hafifi hidrojen, en ağırı, henüz adlandırılamayan 112'dir. Uranyumdan ağır olan tüm elementler, insan yapımıdır.
Radyoaktivite
Henri Becquerel 1896'da uranyum içeren elementlerle çalışırken, ışığı önlemek amacıyla kullandığı levhaların buğulandığını, yani ışık aldığını farketti. Uranyum ve birkaç elementin bu tür bir ışınım yaydıkları anlaşıldı. Bunlara radyoaktif madde denir ve bu tür maddeler radyoaktif bir bozunma yaşarlar.
1899'da Ernest Rutherford uranyum bileşimlerinin üç tür ışınıma yol açtığını gördü ve bunlara alfa, beta ve gamma ışınımı adlarını verdi. Alfa ışınları bir kağıt parçasıyla önlenebilirken, yüksek hızda elektronlar olduğu anlaşılan beta ışınları ancak altı milimetre kalınlığında alüminyumla durdurulabiliyordu. Yüksek enerjili fotonlardan oluşan gamma ışınları içinse birkaç milimetre kalınlığında kurşun gerekiyordu.
Alfa parçacıklarında radyoaktif bozunma, çekirdeğin atom numarasının düşmesiyle sonuçlanır ve bu işlem sırasında bir enerji salınır. Beta parçacıkları salan bir çekirdeğin elektron kütlesi zaten çok küçük olduğundan, bozunum sonunda atom numarası çok az değişir. Gamma ışınları ise çekirdek içindeki elektrik yükünün yeniden dağılmasıyla sonuçlanır, ama çekirdeğin kütlesi ve atom numarası değişmez.
Yarı ömür
Belli bir miktardaki radyoaktif izotopun atomlarının yarısının bozunması için gereken zamana yarı ömür denir. Sözgelimi Uranyum 238'in yarı ömrü 4,5 milyar yıldır, yani 4,5 milyar sonra Yer'deki uranyumun yarısı başka elementlere dönüşecektir. Bundan sonraki 4,5 milyar yıl içinde ise geri kalanın yarısı bozunmaya uğrayacaktır. Karbon 14'ün yarı ömrü 5730 yıldır ve arkeolojik tarihleme işlemlerinde çok yararlı bir element olarak uzun bir süre kullanılabilecektir.
Tepkimeler
Birbirine yaklaşan çekirdekler, güçlü çekirdek çekimiyle bir tepkimeye girebilirler. Çekirdek kaynaşması ve çekirdek bölünmesi olmak üzere iki tür çekirdek tepkimesi vardır.
Çekirdek kaynaşması
İki hafif atom çekirdeğinin kaynaşarak daha ağır bir çekirdek oluşturmasıdır. Nükleer silahlar ve nükleer santrallar, iki ayrı hidrojen izotopunun tepkimeye girerek helyum izotopu oluşturmasıyla gerçekleştirilir.
Kaynaşma (füzyon)
H2 + H3 ----> He4 + n
Bu tür tepkimeler, güneşin ve benzeri yıldızların enerji yaymasına yol açar. Bir yıldız oluştuğunda önce Big Bang'de yaratılan hidrojen ve helyumdan oluşur. Çarpışan hidrojen izotopları helyum çekirdeğini oluşturur. Daha sonra helyum çekirdeği de çarpışarak daha ağır elementleri oluşturur. Böylece giderek daha ağır elementler ortaya çıkar. Sonunda çekirdek kütlesi demire ulaştığında ve 60'ı bulduğunda yıldızda artık çekirdek kaynaşması gerçekleşmez. Bu, bir yıldızın yakıtını tüketmesi ve ölmesi anlamına gelir. Kimi yıldız soğuyan bir demir koru olarak gittikçe küçülür. Yeterince büyük bir yıldız ise büyük bir patlamayla genişleyerek Güneş'ten de büyük bir enerji yaratabilir. Bu tür yıldızlara süpernova denir. Yeryüzündeki kurşun, altın ve gümüş gibi elementler, bu tür süpernova patlamaları sırasında yeryüzüne saçılmıştır. Demir de ölü yıldızlardan gelmiştir.
Bu nedenle yaşamın temeli de sayılabilecek olan çekirdek kaynaşımını yeryüzünde de gerçekleştirerek temiz enerji üretmek amacıyla 60 yıldır benzeri tepkimeler oluşturmaya çalışan bilim insanları, ancak hidrojen bombası yapabildiler.
Çekirdek bölünmesi (fisyon)
Ağır bir çekirdeğin iki küçük çekirdeğe ayrılmasıyla gerçekleşen çekirdek bölünmesi de bugüne değin yalnızca atom bombası yapımında ve nükleer reaktörlerde kullanıldı. Yer'in doğal bölünme reaktörü ise, Batı Afrika'da bulunan ve iki milyar yıldır etkinlik gösteren uranyum yataklarıydı.
Atomun yapısı
Bir çekirdekteki proton sayısına atom numarası denir ve Z olarak gösterilir. Nötron sayısı ise N ile gösterilir. Z ile N'nin toplamı, çekirdeğin atom kütlesi olan A'yı verir.
Elementlerin yapısı
Bugün 112 element bilinmektedir. En hafifi hidrojen, en ağırı, henüz adlandırılamayan 112'dir. Uranyumdan ağır olan tüm elementler, insan yapımıdır.
Radyoaktivite
Henri Becquerel 1896'da uranyum içeren elementlerle çalışırken, ışığı önlemek amacıyla kullandığı levhaların buğulandığını, yani ışık aldığını farketti. Uranyum ve birkaç elementin bu tür bir ışınım yaydıkları anlaşıldı. Bunlara radyoaktif madde denir ve bu tür maddeler radyoaktif bir bozunma yaşarlar.
1899'da Ernest Rutherford uranyum bileşimlerinin üç tür ışınıma yol açtığını gördü ve bunlara alfa, beta ve gamma ışınımı adlarını verdi. Alfa ışınları bir kağıt parçasıyla önlenebilirken, yüksek hızda elektronlar olduğu anlaşılan beta ışınları ancak altı milimetre kalınlığında alüminyumla durdurulabiliyordu. Yüksek enerjili fotonlardan oluşan gamma ışınları içinse birkaç milimetre kalınlığında kurşun gerekiyordu.
Alfa parçacıklarında radyoaktif bozunma, çekirdeğin atom numarasının düşmesiyle sonuçlanır ve bu işlem sırasında bir enerji salınır. Beta parçacıkları salan bir çekirdeğin elektron kütlesi zaten çok küçük olduğundan, bozunum sonunda atom numarası çok az değişir. Gamma ışınları ise çekirdek içindeki elektrik yükünün yeniden dağılmasıyla sonuçlanır, ama çekirdeğin kütlesi ve atom numarası değişmez.
Yarı ömür
Belli bir miktardaki radyoaktif izotopun atomlarının yarısının bozunması için gereken zamana yarı ömür denir. Sözgelimi Uranyum 238'in yarı ömrü 4,5 milyar yıldır, yani 4,5 milyar sonra Yer'deki uranyumun yarısı başka elementlere dönüşecektir. Bundan sonraki 4,5 milyar yıl içinde ise geri kalanın yarısı bozunmaya uğrayacaktır. Karbon 14'ün yarı ömrü 5730 yıldır ve arkeolojik tarihleme işlemlerinde çok yararlı bir element olarak uzun bir süre kullanılabilecektir.
Tepkimeler
Birbirine yaklaşan çekirdekler, güçlü çekirdek çekimiyle bir tepkimeye girebilirler. Çekirdek kaynaşması ve çekirdek bölünmesi olmak üzere iki tür çekirdek tepkimesi vardır.
Çekirdek kaynaşması
İki hafif atom çekirdeğinin kaynaşarak daha ağır bir çekirdek oluşturmasıdır. Nükleer silahlar ve nükleer santrallar, iki ayrı hidrojen izotopunun tepkimeye girerek helyum izotopu oluşturmasıyla gerçekleştirilir.
Kaynaşma (füzyon)
H2 + H3 ----> He4 + n
Bu tür tepkimeler, güneşin ve benzeri yıldızların enerji yaymasına yol açar. Bir yıldız oluştuğunda önce Big Bang'de yaratılan hidrojen ve helyumdan oluşur. Çarpışan hidrojen izotopları helyum çekirdeğini oluşturur. Daha sonra helyum çekirdeği de çarpışarak daha ağır elementleri oluşturur. Böylece giderek daha ağır elementler ortaya çıkar. Sonunda çekirdek kütlesi demire ulaştığında ve 60'ı bulduğunda yıldızda artık çekirdek kaynaşması gerçekleşmez. Bu, bir yıldızın yakıtını tüketmesi ve ölmesi anlamına gelir. Kimi yıldız soğuyan bir demir koru olarak gittikçe küçülür. Yeterince büyük bir yıldız ise büyük bir patlamayla genişleyerek Güneş'ten de büyük bir enerji yaratabilir. Bu tür yıldızlara süpernova denir. Yeryüzündeki kurşun, altın ve gümüş gibi elementler, bu tür süpernova patlamaları sırasında yeryüzüne saçılmıştır. Demir de ölü yıldızlardan gelmiştir.
Bu nedenle yaşamın temeli de sayılabilecek olan çekirdek kaynaşımını yeryüzünde de gerçekleştirerek temiz enerji üretmek amacıyla 60 yıldır benzeri tepkimeler oluşturmaya çalışan bilim insanları, ancak hidrojen bombası yapabildiler.
Çekirdek bölünmesi (fisyon)
Ağır bir çekirdeğin iki küçük çekirdeğe ayrılmasıyla gerçekleşen çekirdek bölünmesi de bugüne değin yalnızca atom bombası yapımında ve nükleer reaktörlerde kullanıldı. Yer'in doğal bölünme reaktörü ise, Batı Afrika'da bulunan ve iki milyar yıldır etkinlik gösteren uranyum yataklarıydı.