ÇEKİRDEK FİZİĞİNDE TEMEL KONULAR 2.1. ATOM ÇEKİRDEĞİ

BÖLÜM 2: ÇEKİRDEK FİZİĞİNDE TEMEL KONULAR
2.1. ATOM ÇEKİRDEĞİ
Rutherford, 1911’ de atom çekirdeği modelini şu şekilde tanımladı. Onun tanımına göre atom
2 kısma ayrılmaktaydı. Bunlar pozitif yüklü çekirdek ve etrafını saran elektronlar şeklindeydi.
Bazıları çekirdek fiziğin başlangıcını Rutherford’un bu buluşuna atfeder. Elektronların
özellikleri atomik fiziğin bir konusudur. Çekirdeklerin özellikleri ise nükleer fiziğin
konusudur. Her iki alanda birbirleriyle etkileşim içerisindedirler. Diğer bir yandan bazıları
nükleer fiziğin başlangıcını 1896 yılında radyoaktiviteyi keşfeden Becqurel’e atfetmektedir.
Alfa, beta ve gama ışınları çekirdeğin anlaşılmayan dünyasından bize gelen birer bilgi
elçileridir. Bu elçiler olmadan çekirdeğin anlaşılması yarım kalacaktır. Uzun yaşam ömürlü
Uranyum ve Toryum izotoplarının alfa bozunma enerjileri, şu anki durumlarından birkaç yüz
keV daha yüksektedir. Bu bozunmaların yarı ömürleri çok kısa olacak ve böylece dünya
katmanlarında bulunamayacak olduklarından Becqurel radyoaktiviteyi keşfedemiyecekti.
Rutherford ve arkadaşları alfa parçacıklarını kullanarak atomik çekirdeği keşfetmiş Hahn ve
Strassman enerji yüklü alfa parçacıklarını kullanarak uranyum fizyonunu belirlemişlerdir.
1985 yılında bilim adamları evrendeki bütün kuvvetlerin yerçekimi kuvveti ve
elektromanyetik kuvvetlerden ibaret olduğunu düşünmüşlerdi. Rutherford bütün pozitif
yükleri ve hemen hemen bütün atom kütlelerini içeren oldukça küçük bir atom çekirdeği
olduğunu keşfettiğinde, bilim adamları evrende yeni bir kuvvetin olabileceğini ve bu kuvvetin
son derece kuvvetli ve kısa menzilli olabileceğini fark etmişlerdi. Son derece güçlü bir
kuvvet olduğu tahmini oldukça kabul edilebilir bir durum olacaktır. Zira bu kuvvet
çekirdekteki bütün pozitif yükleri bir arada tutan ve Coulomb itmesini yenebilecek kabiliyette
kısa menzillidir. Elbette kısa menzillidir, zira 10–14 m’den daha uzak mesafelerde
gözlenememiştir. İşte bu yeni kuvvetin keşfi bilim dünyasında bir dönüm noktasıdır. Başka
bir yirmi yıl içerisinde çekirdeğin beta radyoaktif bozunmaları bu kuvvetlerin varlığını
ispatlamış ve başka yeni çekirdek kuvvetlerinin olduğu hakkında yeni bir ipucu vermiştir.
Daha sonra yapılan çalışmalar sonucunda bunun, zayıf nükleer kuvvetler hakkında olduğu
anlaşılacaktır.
Nükleer fizik, maddenin temel yapı taşlarını anlamada, yüksek enerji fiziği disiplinlerini
kullanarak, deneysel teknikler geliştirilerek ve teorik metotlar ortaya koyarak tanımlamaya
çalışmaktadır. Günümüz nükleer fizikçileri çekirdeklerin kütlelerini, boyutlarını, şekillerini,
birbirinden bağımsız ya da nükleonların kolektif hareketlerini anlamaya çalışmakta ve
böylece güçlü nükleer kuvvetin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. Mezonlar ve
nükleonların birleştirilmesi ve kuark-gluon kuvvetli etkileşim sistemlerinin tanımlanması ve
böylece elektro-zayıf etkileşimin test edilmesi standart model adı verilen bir modelle
anlaşılmaya çalışılmaktadır(Şekil9–1). Çekirdeğin kendisi bilimsel bir laboratuardır. Birçok
kimsenin daha önceden söylediği gibi, nükleer yapının bütün özelliklerini aktarabilecek
merkezcil motivasyonlardan bir tanesi, atomik çekirdek olarak tanımlanabilir. Çekirdeğin
yapısı kuantum mekaniksel çok cisim problemleri ya da istatistiksel bir sistem olarak
karşımıza çıkar.
Radyoaktif bozunma çalışmaları, çok kararlı durumlardan egzotik yeni çekirdeklere kadar
uzanmaktadır. Egzotik çekirdeklerden maksadımız, yeni hareket şekilleri, yapıları ve
bozunma modları gösteren çekirdeklerdir. Çekirdekler arasındaki reaksiyonlarda çekirdeği
anlamada birçok ipucu elde edilmektedir. Çekirdekler normalde sıkıştırılamazlar fakat ultra
göreceli ağır iyon çarpışmaları ile normal çekirdek yoğunluğunu 5 kattan 10 kata çıkarmak
mümkündür. Bu yoğunluk oranı nötron yıldızlarında ve süpernovalarda böyledir. Bu şartlar
altında nükleonlar yeni bir faz geçişine doğru gitmekte ve kuark-gluon plazması oluşmaktadır.
Kuark-gluon plazma durumu büyük patlamadan hemen sonraki duruma karşılık gelmektedir.
Araştırmacılar çekirdek fiziği ile parçacık fiziğini bir araya getirme çabasındadırlar. Nükleer
durumlar bugün 10-16 m ile 10+21 km arasında bir araştırma spektrumuna sahiptir. Sonuç
olarak çekirdek fiziği tabi bilimlerin dışındaki araştırmacılara da birçok önemli katkılarda
bulunmaktadır. Nükleer tekniklerin uygulanmasıyla nükleer tıp alanında, uzun süreli enerji
kaynaklarında ve nükleer silah yapımlarında birçok gelişme kaydedilmiştir.
Bundan sonraki bölümlerde nükleer fiziğin temel konuları hakkında bilgiler verilecektir.
Bunlar kısaca çekirdeklerin temel enerji düzeyleri, radyoaktif bozunma kanunları, nükleer
kuvvetler, nükleer modeller ve nükleer reaksiyonlar olarak anlatılacaktır.
2.1.1. ATOMİK MERKEZ: ÇEKİRDEK
Tipik bir çekirdeğin çapı 10-14-10–15 m arasındadır. Buna karşın atomun çapı 10-4 -10-5 m’dir.
Fakat çekirdeğin kütlesi atomun toplam kütlesinin % 99’u kadardır. Çekirdek yoğunluğu 1017
kg/m3 ya da 1014 gr/cm3 tür. Bu değerler suyun yoğunluğundan yüz milyar kere milyar daha
büyüktür. Buna ilaveten çekirdek, atomun bütün pozitif yüklerini içermektedir. Temel olarak
elementlerin fiziksel, kimyasal ve ışık radyasyon özellikleri elektronlarla ilişkilidir. Yani
atomun çekirdeğinden çok çok uzaktadır. Ortalama olarak elektronlar 10-10 m’lik bir
yörüngede yerleşiktirler. Günlük yaşantımızda birçok olayı atomik fizikle ilişkili olarak
gözlemlerken, nükleer durumları çok nadir olarak gözlemleriz. Bunun bir istisnası maalesef
1945 yılında atılan atom bombasıyla herkes tarafından bilinen bir hale gelmiştir.
2.1.1.1 ÇEKİRDEĞİN OLUŞUMU
Nötron keşfedilmeden önce yalnızca elektron ve proton temel parçacıklar olarak
bilinmekteydi. Yalnızca bu iki parçacığın düşünülmesiyle çekirdeğin oluşumu açıklamak gün
geçtikçe zorlaşmaya başlamıştı. Örneğin 4He çekirdeğinin kütlesi protonun kütlesinden
yaklaşık 4 kat büyüktür ve yükü +2 elektrondur. Eğer 4He çekirdeği protonlardan ve
elektronlardan oluşmuş olsaydı 4 tane proton ve 2 tane elektrona sahip olması gerekirdi. Fakat
çekirdeğin boyutu yaklaşık 5 fm’dir. Eğer elektron çekirdeğin içindeyse elektronun de Broglie
dalga boyu 2d=10 fm’ den daha az olmalıdır. Böylece momentumu,
p=
h
λ
= h.c / λ.c ≥ 1240 fm.MeV / 10 fm.c = 124 MeV/c olur.
Göreceli olmayan durumun kabullenilmesi ile elektronun hızı
V = p/m =p.c2 /m.c2 =124c MeV / 0.511 MeV = 240c
Şeklindedir. Işık hızından yaklaşık 240 kat daha fazla olduğundan bu kabullenme yanlıştır.
Göreceli denklem ile ifade edecek olursak;
E2 =(p.c)2 +(mc2)2
p.c=124 MeV >> mc2= 0.511 MeV, E≈p.c =124 MeV’dir. Fakat deneysel olarak çekirdeğin
içinde elektronun bu enerjide bulunduğu gözlenememiştir. Örneğin beta bozunumunda
elektronun maksimum enerjisi 18 keV ile bir kaç MeV arasındadır. 124 MeV enerjiye sahip
elektronun çekirdeğin içerisinde tutabilecek bilinen herhangi bir nükleer kuvvet yoktur.
Eğer çekirdek proton ve elektronlardan meydana gelmişse çekirdek spinini de
açıklayamayız. Örneğin 14N çekirdek kütlesi protonun kütlesinden 14 kat büyüktür ve yükü 7
elektrondur. p-n hipotezine göre 14 tane proton 7 tane elektron ½ spin ile 14N çekirdeğinde
olması gerekir. Eğer çekirdekteki toplam parçacık sayısı 21 ise çekirdeğin spini yarım tamsayı
olmalıdır. Fakat 14N ün spini deneysel yollarla bir birim açısal momentum olarak
belirlenmiştir. Benzer argümanlarla diğer çekirdeklerde örneğin 2H çekirdeğinde de bu son
söylediğimizi geçerlidir. Chadwick’ in nötronu keşfettiği zamandan beri en temel problem
hangi parçacıkların çekirdeğin içerisinde olduğudur. Heisenberg, çekirdeği proton ve
nötronlardan meydana geldiğini ileri sürmüştür. Nötronun keşfi ile ilgili daha ayrıntılı bilgiler
ileride verilecektir.
Nötronların ve protonların kütleleri hemen hemen birbirine eşittir.
mn =1,008665u ,mp=1.007277u
Burada u Atomik Kütle Birimi olup her ikisinin spini ½ dir. Akb 12C izotopunun kütlesine
dayanarak belirlenir ve yaklaşık olarak 12’dir. Heisenberg çekirdeği nötronlardan ve
protonlardan meydana gelen nükleonlar olarak adlandırdı. Nötron ve proton farklı nükleon
düzeylerine karşılık gelmektedir.
Simgesi atomik çekirdeği belirler. Burada N ve Z nötron ve protonlara karşılık
gelir. A ise nükleon sayısıdır. A=N+Z olup aynı Z sayısına sahip çekirdeklere izotop, aynı
kütle numarasına sahip çekirdeklere izobar, aynı N sayısına sahip çekirdeklere de izoton
denir. Tabiatta 3 tane oksijen izotopu karalı halde bulunur. Bunlar 16O,17O,18O’ dir ve bunların
atom numarası 8’dir.
2.1.1.2 ÇEKİRDEKLERİN SIRALANIŞI
Periyodik tabloda elementler kimyasal özelliklerine göre sıralanmıştır. Ayrıca çekirdekler
çekirdek şekillerine, radyoaktif bozunma özelliklerine, sihirli sayılara göre de sıralanabilir.
Bazı gösterimler şekil 9-2’de verilmiştir. Şekil9-2’de ki sıralamalar atomik sayı Z’ye göre ve
nötron sayısı N’ye göre verilmiştir. Şekil 9-3 daha geniş bir gösterimle verilmiştir.
Tabiatta 325 den fazla çekirdek vardır. Bunların 263 ü kararlı arta kalanları radyoaktiftir.
Bazı radyoaktif çekirdekler laboratuar ortamında üretilirler ve bunlara suni çekirdekler denir.
Bu zamana kadar tanımlanan çekirdeklerin sayısı yaklaşık 2200 tanedir. Belirlenemeyen 6000
çekirdek arasında sadece bu kadarı belirlenebilmiştir.
Çekirdeklerin dizilişlerini inceleyecek olursak hemen hemen kararlı çekirdeklerin tamamı
düzgün bir eğri boyuncadır. Bu bölge kararlılık vadisi olarak tanımlanır. Daha özel bir tanım
söyleyecek olursak bu bölgeye beta kararlılık vadisi de denir ve bu bölgede bozunmalar
olmaz. Hafif çekirdekler için bu eğri N=Z çizgisinde çakışır. Fakat N ve Z’ nin artmasıyla
kararlılık çizgisinden N’ ye yakın olacak şekilde sapmalar olur. Kararlılık çizgisinin üstünde
nötron sayılarının azlığından dolayı radyoaktif bozunmalara karşı çekirdekler kararlıdır.
Kararlılık çizgisinin altında ise nötronca zengin bölgeler bulunduğundan ve birkaç proton
olduğundan yine aynı şekilde radyoaktif bozunmalara karşı çekirdekler bu bölgelerde
kararlıdır. Kararlılık çizgisinin her iki tarafında da proton drip çizgisi ve nötron drip çizgisi
limitleri söz konusudur.
Bu limitlerde başka bir proton ya da nötron çekirdeğe bağlanamaz. Böyle bir durum söz
konusu olsa bile çok kısa zamanlıdır. Bağlı olmayan proton ve nötronlar çekirdeğin
dışındadır. Bir kez kararlılık çizgisinden nötronca zengin ya da nötronca az olan bölgelere
doğru çıkılsa bu bölgelerdeki çekirdeklerin yarı ömürleri artarak kısalır ve sıfıra doğru
yaklaşır( Şekil9-2). Bu iki drip çizgisinin altında (n ve p drip çizgileri) yaklaşık 6000
çekirdek vardır. Protonca zengin çekirdekler için yukarda bahsettiğimiz kısa yarı ömürlerle
ilgili durum geçerli değildir. Coulomb bariyeri, çekirdek içerisinde bağlı olmayan protonları
gama yayılımına (10-12 sn) göre çok daha uzun bir süre bir arada tutmaktadır. Ağır iyon
reaksiyonlarında üretilen bir çok çekirdek için proton emisyon ile gama emisyon yarışı
gözlemlenebilir. Örneğin proton drip çizgisi boyunca egzotik numuneler üretilemezler.
(egzotik çekirdeklerin tanımına bakılabilir) Fakat yeni radyoaktif iyon demet hızlandırıcıları
bu yeni sınıf çekirdekleri anlamak için bir araç olabilir. Bu çalışmalar nötronca zengin
çekirdekler için mümkün olamamaktadır.
1900’lerde yalnızca iki tane temel kuvvet bilinmekteydi. Bunlar yerçekimi kuvveti ve
elektromanyetik kuvvettir. Her bir atom içerisinde ince bir kor tabakasının olduğu ve bu
tabakanın pozitif yüklerden oluştuğunun keşfedilmesi, ekstra bir kuvvetin varlığını da ortaya
koydu. Nükleer yük pozitif birim yüklü protonlardan meydana geldiğinden, Uranyum
çekirdeği en az Z=92 proton içermektedir. Coulomb kuvvetinden dolayı 92 tane pozitif yük
birbirlerini itmektedir. Zira 10-14 m çaplı bir alan içerisindedirler. Coulomb itici kuvveti bu
alan içerisinde olağanüstü büyüklüğe sahiptir. Bir tek proton tipik bir çekirdeğin dışında itici
kuvveti, potansiyel enerjisi 100 MeV olacak şekilde hissedebilir. Bu gerçek çekirdeğin
içerisinde başka bir kuvvetin olduğunun delilidir. Bu öyle güçlü kuvvettir ki itici coulomb
kuvvetini üst üste bindirebilmektedir. Bunun yanında Rutherford saçılma deneyleri Coulomb
kuvvetinin çok küçük mesafelerde olduğunu göstermiştir.(10-14 m gönderilen alfa
parçacılarının
Çekirdeğe en fazla yaklaşabildiği mesafedir) Bu yeni kuvvet Coulomb itici kuvvetlerini üst
üste bindirebildiğine göre bu mesafeden daha kısa menzilli bir kuvvettir. Elbette protonlar
arasındaki Coulomb kuvveti çekici nükleer kuvvetlere azaltıcı bir etkide bulunur. Hafif
çekirdek bölgesinde Coulomb itme etkisi çok güçlü değildir ve çekirdek N=Z olduğu
durumda daha kararlıdır. N lar ve p lar ½ spine sahip fermiyonlar olduğundan dolayı Pauli
dışarılıma ilkesine uyarak yalnızca 2 nötron ve 2 proton her bir enerji düzeyinde bulunabilir.
Bununla birlikte Z arttıkça durum değişir. Her bir proton çekirdekte diğer protonlarla
etkileşim içerisinde olduğundan Coulomb etkileşimi uzun menzilli ve Z x (Z-1) ile doğru
orantılıdır. Daha önceden de söylediğimiz gibi nükleer kuvvet çok kısa menzillidir. Bunun
anlamı bir tek nükleon komşu birkaç nükleonla etkileşim içerisindedir. Bu etkileşim A ile
doğru orantılıdır. Z’nin artmasıyla birlikte Coulomb kuvveti nükleer kuvvetten daha hızlı
yükselir. Büyük Z’ye sahip kararlı çekirdekleri oluşturabilmek için nötron ilave edilmesi ve
böylece ekstra nükleer kuvvetlerle itici Coulomb kuvvetin dengelenmesi gerekir. Z(A)
arttıkça kararlı çekirdeklerde n sayısı p sayısına nazaran çok daha fazla artmaktadır. Böylece
kararlılık çizgisi şekil 9-2’de görüldüğü üzere aşağıya doğru eğilmektedir. Z=83 boyunca Bi
,daha fazla nötron ilave etmekle Coulomb itici kuvvetini dengeleyerek kararlı bir çekirdek
oluşturamamaktadır. Z=83 ün üzerindeki çekirdekler radyoaktif özellik göstermektedir. Bu
radyoaktif bozunmaların yarı ömürleri çok kısadır. Z’nin artmaya devam etmesiyle de daha da
kısalmaktadır. Bu zamana kadar belirlenen en ağır çekirdek Z =110 ve A=269 numaralı
çekirdektir. Bu çekirdeğin yarı ömrü 241 µsn’dir. Diğer bir örnek Z=111 ve A=272 olan
çekirdektir bunun yarı ömrü 2,04 µsn dir. Bu çekirdekler Almanya’da bulunan ağır iyon
laboratuarlarında keşfedilmiştir.
Z artarken bununla birlikte bazı limit durumları da söz konusudur. Bu limitlerin
zorlandığı durumlarda çok çok kısa ömürlü radyoaktif çekirdekler artık tespit edilememekte
ve çekirdeklerin sıralanışı bitmektedir. Fakat bu bitiş nerededir? Geçen 20 yıl boyunca Z=114
ile 126 arasında ki bölgelerde kararlı kümecikler bulunduğu önerildi. Ya da en azından uzun
yaşam ömürlü elementler süper ağır elementler olarak ortaya kondu. Bununla birlikte Z=110
bölgesinin altında 6000 çekirdeğin olduğu teorik olarak tahmin edilmektedir ve bunların 2200
tanesi belirlenmiştir.