Cekirdek
Çekirdek Tepkimeleri
Bilindiği gibi atomlarda bir çekirdek bulunduğunu 1911'de Rutherford ve öğrencileri Geiger ile Marsden, alfa parçacıklarının saçılması deneyi ile göstermişlerdi.Fakat çekirdek kimyasının ve fiziğinin doğuşu 1896 yılına dek geri götürülebilir. Çünkü bu yıl,Becquerel'in uranyum bileşiklerindeki radyoaktiviteyi keşfettiği yıldır. Radyoaktifliğin keşfinden sonra, rayoaktif maddelerden yalılan ışımalar üzerine çeşitli araştırmalar yapılmış ve Rutherford bu çalışmaları birleştirerek yayınlanan ışımalar alfa, beta ve gamma olarak adlandırılmıştır. Bu ışımalar, elektrik yüklerine, maddelerdeki giriciliklerine ve havayı iyonlaştırıp iyonlaştırmamalarına göre sınıflandırılmışlardır. Sonradan yapılan çalışmalar alfa ışınlarının helyum çekirdekleri, beta ışınlarının elektron ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları göstermiştir.
1911 yılının iki büyük olayı var: Atom fiziğinin kurucularının ilk toplantısı Solvay Konferansının yapılması. Bu toplantıda tarihin en büyük kadınlarından biri de vardı: Marie Curie. Fotoğrafta ön sırada, soldan ikinci (oturan) Rutherford.atomun neye benzediğini biliyorum ve güçlü geriye saçılmayı anladım” dedi. O yılın Mayıs ayında atomda çekirdek bulunduğunu bildiren makalesi yayımlandı. Bu olayın üzerinde duran Rutherford şöyle yazdı: “ Bu olay şu ana kadar yaşamımda karşılaştığım en inanılmaz olaydır. Bu olay, öyle ki 35 santimlik (15 inç kalınlığında) bir parça kağıt dokuya tabancayla ateş etmenizden sonra, merminin kağıt dokudan geri gelerek sizi vurmasına benzeyen inanılmaz bir olaydır.”Üzümlü kek modeli temel alındığında, Rutherford deneyinde görülen büyük sapmaların olmaması gerekiyordu. Çünkü pozitif yüklü bir alfa parçacığının üzümlü kek modelindeki yük hacmine büyük açılı sapmalar yapacak kadar yaklaşması mümkün değildir. Saçıcı metal yapraktan floresans(çinko sülfürlü) ekrana gelen alfa parçacıklarının birim yüzeye düşen sayısı, metal yaprağın kalınlığıyla, metal yaprakta birim hacimdeki atom sayısıyla ve atomdaki çekirdek yükünün karesiyle doğru orantılıdır. Rutherford gözlemlerini pozitif yükün atomun boyutuna göre küçük olan bir bölgede yoğunlaştığını varsayarak açıkladı. Rutherford pozitif yüklü bu yoğun bölgeye atomun çekirdeği adını verdi. Deneyler, pek çok çekirdeğin yaklaşık küresel geometriye sahip oldukları ve tüm çekirdeklerin yaklaşık aynı yoğunluğa sahip olduğunu gösterdi. Aristoteles, “doğa boşluktan nefret eder “ demişti, oysa atomlar çok büyük oranda boşluk içeriyordu. Doğanın boşluktan nefret ettiği saptaması Aristo’nun hüsnü kuruntusuydu!
"Üzümlü kek" içinde ne olduğunu anlamının yolu onun içine "bakmak"tır. Bu işi, Yeni Zelandalı bilimci Ernest Rutherford (1871-1937) başardı. O, J.J. Thomson’un yönettiği ünlü Cavendish Laboratuvarına alınan ilk yabancı araştırma öğrencisiydi. Patronunun tersine el becerisi yüksek bir deneyciydi. Ayıbalığı şekilndeki bıyıkları,iri yapısı ve küfürbazlığıyla ün saldı. Bir deneye küfretmenin onu daha iyi sonuç vereceğine inanmış olsa gerek! Yeni Zelanda’dan 1895’te geldi. Mesleki başarılarda (hatta evlenmemizde) şans önemli bir yer tutar. O şanslıydı. Bu başarıda doktora öğrencisi Hans Wilhelm Geiger (1882-1945)ve mezun olmamış bir tufeyli Sir Ernest Marsden(1888-1970) yardım etti. Onlar, bir deney düzenlediler. 1911'de Manchester Üniversitesinde yaptıkları ünlü deneyde, şimdi helyum atomlarının çekirdeği olarak bildiğimiz pozitif yüklü,hızlı alfa parçacıklarıyla ince altın yaprağı bombardıman ettiler. Deneyin sonuçları çok şaşırtıcıydı. Bu deneyin yorumunu anlamak için bu arada nelerin bilindiğini belirtmeliyiz: Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan üç tip ışıma(radyasyon) konusunda ayrıntılı çalışmalar yapmış, bu ışımalardan alfa ve betayı kendisi bulmuştu(1908). 1908’de radyoaktiflik üzerindeki çalışmasıyla Nobel ödülü almıştı.
1900 yılında Villard da gama ışınlarını bulmuştu. Onlara gama ışıması adını 1903’te, Rutherford verdi. Gama ışınları ışın tedavisinde ve mühendislikte kalite kontrolünde kullanılır. Sonradan yapılan deneyler sonucunda alfa ışınlarının gerçekte helyum çekirdeği, beta ışınlarının çekirdekten çıkan elektronlar ve gamma ışınlarının yüksek enerjili fotonlar oldukları gösterilmişti. Alfa parçacıkları, iki elektronunu kaybetmiş helyim çekirdekleriydi ve +2 yüklüydü. Rutherford, alfa parçacıklarının pozitif elektrikle yüklü parçacıklar olduğunu biliyordu. Alfa parçacıkları artı yüklü olduklarından atomun eksi yüklü bölümü tarafından çekilmeli, artı yüklü bölümü tarafından ise itilmelidir. Ama elektronlar,hidrojen atomuna göre 1840 kat hafif, alfa parçacıkları ise hidrojen atomunun dört katı kadar ağırdı. Eğer elektronu bir pinpon topu ile gösterirsek, alfa parçacığı 12 cm çapında bir gülleye karşılık gelirdi. Böylece bir alfa parçacığı bir atomun içinden ya da yakınından geçtiğinde, o atomun elektronları,alfa parçacığının hareketini hiç etkilemeden tüm yönlerde dağılır.Alfa parçacıklarının çoğu sanki boş uzayda gidiyormuş gibi metal yapraktan geçip gidiyordu. Bazıları da sanki bir duvara çarpıp yansıyormuş gibi gerisin geriye geliyordu. Geiger, bazı alfa parçacıklarının geriye doğru da saçıldığını vurgulayarak Rutherford’a bilgi verdi(1909). Rutherford, 1911’in başlarında sorunu çözdü ve öğrencilerine “
Thomson, kendi atom modelinde elektronların atomu dolduran pozitif yüklü madde içinde gömülü olduğunu ve bu nedenle hareket edeyeceğini düşünmüştü. Rutherford modelinde ise elektronlar durgun olamaz. Atomdaki elektronların çekirdekten epeyce uzakta olduğu varsayıldı. Elektronlar niçin pozitif çekirdeğin üzerine düşmüyor sorusunu yanıtlamak için Rutherford, güneş sistemine benzeyen bir model önerdi. Yani nasıl gezgenler,Güneş çevresinde dolanıp duruyor ve Güneş’in üzerine düşmüyorsa elektronlar da çekirdek çevresinde öyle dolanıp durmalıdır.Rutherford’un önerdiği atomun gezgen modelinde iki temel güçlük vardır:
Rutherford modeli şu iki soruyu yanıtlayamıyordu:1. Elektronlar, çekirdeki üzerine düşmeden nasıl hareket ediyor?Her element atomu,elektromanyetik spektrumda kendine özgü belli frekansları yaymakta ve bunların dışındakileri yaymamaktadır. Bunun gezgen modeliyle ilgisi nedir? Klasik kurama göre ivmeli bir yükün yani elektronların elektromanyetik ışıma yapması zorunluluğudur. Bu modele göre elektron çekirdek etrafında dolanırken enerji yayar,enerji yaydıkça yörüngesinin yarıçapı sürekli olarak küçülür,buna karşın dolanım frekansı büyür. Bu da yayılan ışınım frekansının sürekli artışına karşılık gelir. Sonunda elektron çekirdek üzerine düşmeli ve atom çökmelidir.
Elektronlar elektrostatik çekim sonucu spiral bir hareketle çekirdeğe düşecektir(klasik fizik yasalarına göre). Oysa atomlar yadsınamaz kararlılıklarıyla ortadadır.
2. Çekirdek boyutu on üzeri eksi ondört metre ve daha küçük boyutlarda olduğu halde pozitif yük, bu küçük ve yoğun hacimde nasıl dağılmadan durabiliyordu? Artı yükün doğası gizdi. Rutherford'un öğrencileri Geiger ve Marsden, alfa kaynağını, üzerinde küçük bir delik bulunan kurşun perdenin arkasına yerleştirdiler. Böylelikle hedefi küçültmek ve ince bir alfa parçacıkları demeti elde etmek amaçlanmıştı. Altın yaprağın öbür yanına,kendisine alfa parçacığı çarptığı zaman görünür ışık parıltısı veren, hareketli, çinko sülfürlü ekran yerleştirilmişti. Beklenen şey, alfa parçacıklarının çoğunun yaprak içinden doğrudan geçeceği, belki bazılarının çok küçük sapmalara uğrayacağıydı. Bu beklenti Thomson atom modelinin sonucudur. Çünkü Thomson atom modeli doğruysa, ince metal levhadan geçen alfa parçacıkları üzerine yalnızca zayıf elektriksel kuvvetler etkir ve alfa paçacıklarının momentumları, bunların ilk yollarından çok küçük sapmalar olacak şekilde ilerlemelerini sağlar.Geiger ve Marsden, alfa parçacıklarının çoğunun sapmadan ilerlediğini, bazılarınını çok geniş açılarda saçılıdığını, hatta çok az bir kısmının gerisin geriye döndüğünü gördüler. Geliş doğrultusuyla 180 derece açı yapacak şekilde geri saçılan bu parçacıklar, direkt olarak bir çekirdeğe yönelir ve kafa kafaya çarpışma olur.Bu modelde pozitif yüklü alfa parçacıklarıyla atomdaki elektronların ilişkisi merak edilir. Elektronlar pek küçük kütleli olduğu için alfa parçacıklanının hareketine bir etki yapamaz.Alfa parçacıkları, elektronlardan yaklaşık 7.000 defa daha ağır kütleli parçacıklardı. Üstelik bu deneyde kullanılan alfa parçacıklarının hız yüksekti. Alfa parçacıklarını bu derece saptırabilmek için büyük kuvvetler uygulanması gerektiği açıktı. Bu kuvvetlerin Thomson atom modelindeki elektriksel kuvvetlere göre 100 milyon kat güçlü olduğu hesaplanıyordu!Rutherford, sonuçları açıklamak için, bir atomun pozitif yüklü bir çekirdek ile biraz uzaktaki elektronlardan oluştuğunu önerdi. Buna göre atomun pozitif yükü ve kütlesi atom çekirdeğinde toplanmıştı.
Geiger ve Marsden'in deneyleri, daha sonraki benzer çalışmalar, hedefleri oluşturan değişik metallerin çekirdekleri hakkında bilgiler verdi. Bir alfa parçacığının, bir çekirdek yakınından geçerken uğradığı sapma(karşılaştığı elektriksel alan), çekirdek yükünün büyüklüğüne bağlıdır. Bu sapmalardan yanrarlanılarak çekirdek yükü ve çekirdek boyutu konusunda bilgiler elde edildi. Rutherford, 19 Ekim 1937’de sessiz sedasız ölüverdi. Bohr, ertesi gün öğretmeni ve arkadaşı olan Rutherford’un anısına yaptığı konuşmada şöyle dedi:
Vaktiyle Galileo’nun dediği gibi… o bilimi bulduğundan farklı bir aşamada bıraktı… Yokluğu herhalde şimdiye kadar yitirilmiş herhangi bir bilim işçisinden daha çok hissedilecek. Lederman, Tanrı Parçacığı’nda(1994) onun işlevini şöyle özetler:“Klasik fizikle çelişen bir çok denel sonuçtan sonra gelen Rutherford’un keşfi tabutun son çivisiydi” Çekirdek kuvvetleri çok kısa mesafeli kuvvetlerdi. Atom çekirdeğiyle ilgili kilometre taşı sayılan diğer olaylar şunlardır:
1. 1930 yılında Cockroft ve Walton hızlandırılmış parçacıkların kullanılmasıyla çekirdek tepkimeleri gözlendi.
2. 1932 yılında Chadwick'in(1891-1974) nötronu buldu.
3. 1933 yılında, Joliot ve İrene Curie'nin yapay radyoaktifliği buldular.
4. 1938'de Hahn ve Strassman'ın çekirdek bölünmesini (çekirdek fisyonunu) keşfettiler.
5.1942 yılında Fermi ve ekibi, kontrol edilebilen ilk fisyon reaktörünün geliştirdiler.
ÇEKİRDEKLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ
Yalnızca hidrojen elementinde çekirdek deyince bir proton bulunan bir izotop durumu vardır. Onun da döteryum izotopunda bir proton bir nötron, trityum denen izotopunda ise bir proton ve iki nötron bulunur. Öteki tüm element atomlarının çekirdeklerinde proton ve nötron vardır. Çekirdek tepkimelerini izleyebilmek ve anlatabilmek için atomun yapısından bildiğimiz bazı terimleri anımsamalıyız:
1. Z, atom numarasını, yani çekirdekteki proton sayısını gösterir.
2. N, çekirdekteki nötron sayısını gösterir.
3. A, çekirdekteki proton ve nötron sayıları toplamını, yani kütle numarasını gösterir.
Yaygın olarak kullanılan simgelemede element simgesinin sol altına Z, sol üstüne A yazılır:
(atominsan.com-sitenin güncellenmesi sürüyür)
Rutherford’un atom modeli bir anda fazlasıyla kuramsal zorlukla getirdi. Onun keşfi, Leon Lederman’ın deyişiyle bir bakıma “klasik fiziğin tabutuna çakılan son çivi” idi.
Aslında negatif elektrik yüküne sahip olan ve çekirdeğin etrafında hızla dönen elektronların, çevrelerindeki uzaya elektromanyetik dalgalar yayan küçücük istasyonlar gibi davranmaları bekleniyordu. Bu ışımanın hesaplanan dalga boyu,ışığın dalga boyuna uyuyordu ki bu da güven vericiydi. Ama bir türlü açıklanamayan durum, elektronların bu yörüngelerde kalabilmesiydi. Klasik kurama göre, elektromanyetik ışımanın,yörüngedeki elektronların enerjisini tüketmesi ve bunun sonucu olarak da elektronların daralan bir spiral hareketle 10-8 saniye içinde çekirdeğe düşmeleri gerekiyordu. Böylece deneyler sonucu elde edilen Rutherford modeline göre atomlar saniyenin yüz milyonda biri kadar bir ömüre sahip olmalıydı. Oysa bunların sınırsızca yaşadıklarını biliyoruz. Atomların kararlılığını nasıl açıklayacağız? Bunu Rutherford ile çalışmaya gelen Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1963)1913’te açıkladı. Bohr, atomların kararlılığını açıklamak için Planck’ın kuantum önerisiyle bağ kurmayı başardı.
Hidrojen atomunun gözlenen kararlılığı, klasik fizik ilkeleriyle bağdaşmıyordu. Çünkü klasik elektromanyetik kurama göre elektron bir spiral çizerek çok kısa bir zanman içinde(saniyenin milyarda biri kadar bir zaman içinde) çekirdek üzerine düşerdi. Hidrojen atomunda elektronun yörüngesi kendi üzerine kapanmış bir tam elektron dalgasına karşılık gelir. Tel bir halkanın titreşimini gözönüne alalım.Titreşimler,oluşan dalga boylarının tam katları olsaydı bu titreşimler sonsuz olarak sürüp giderdi. Eğer halka boyunca kesirli sayıda dalga boyu yerleştirilirse,dalgalar halka üzerinde hareket ederken yok edici girişim oluşacak ve titreşimler giderek sönecektir. Hidrojen atomundaki elektron dalgalarının davranışını bir tel halkanın titreşimlerine benzetirsek şu varsayımı ileri sürebiliriz: yörüngesi bir tam sayı kadar dalga boyu içermek koşuluyla bir elektron, enerji ışımaksızın,bir çekirdek çevresinde sürekli olarak dolanabilir. Bu varsayım, atomu anlamada anahtar rol oynar. Çünkü bu varsayım, elektronun parçacık ve dalga özelliklerini tek bir ifadede birleştiriyor. Elektronun dalga boyu, çekirdek ile elektron arasındaki elektrostatik çekimi dengelemek için gereken yörünge hızından hesaplanmıştır. Bu karşıt özellikleri aynı anda hiçbir zaman gözleyemeyiz; ama bunlar doğada birbirinden ayrılmaz özelliklerdir.
Cambridge’de J.J. Thomson’un bir öğrencisi olan Niels Bohr, kendi memleketine, Kopenhag’a dönmeden önce, Manchester’da altı aydan az bir süre kaldı. Ancak, kısa ziyaretine rağmen, Rutherford, genç Danimarka’lı üzerinde etkili oldu.
Her atomun bir çekirdeği ve elektronları olduğu anlaşılmıştı. Thomson, atomik hacmin pozitif elektrik yüküyle dolu olduğunu elektronların da bu pozitif yüklü ortamda gömülü, hareket edemez durumda bulunduğunu tasarlamıştı. Rutherford'un modelindeki elektronlar ise durgun olamaz. Bu elektronlar, kütlenin ve pozitif yükün yoğunlaştığı çekirdek tarafından çekilir. Buna göre elektronları çeken elektrostatik kuvvete karşı onları yerinde tutacak hiçbir kuvvet yoktur. Klasik fizik ( o zamana dek bilinen fizik yasalarına) açısından eletronlar ivmelendirilmiş elektrikle yüklü parçacıklar olarak ışıma yaparak saniyenin yüz milyonda biri kadar bir sürede(yol bu kadar) spiral bir hareketle çekirdek üzerine düşmeledir.Doğrudan denendiği başka olgularda başarılı olan elektromanyetik kuram, bu öngörüde başarılı olamadı. Çünkü çekirdekli atımunu yaşadığı bir gerçekti. Bu çelişki şu anlama geliyor: Makroskopik dünyada geçerli olan fizik yasaları, atomal boyutta, yani mikroskopik dünyada geçerli olmamaktadır. İncelenen olayın ölçeği küçüldükçe klasik fizğin geçerliliği de azalıyor ve atom anlaşılmak istenirse kenislikle dalgaların parçacık gibi, parçacıkların da dalgalar gibi davrandığını dikkate almalıyız. Günlük yaşantımızdan edinilenn kavramlarla kuantum kuramının kavramları arasında hiç bir bağlantı yok ne yazık ki! Işığı ve elektronu, "hem dalga, hem parçacık" gibi, yani bu ikili tabiatta kavramaktan başka bir seçeneğimizin olmadığını anımsatmalıyım. Yine ileri gittik galiba. Daha ileri gideceğiz de gitmeden önce genç Danimarkalı’nın- o zaman henüz 23 yaşındaydı-Bohr' un 1913'te ortaya koyduğu kuramın temellerini ve kendisini bir araştıralım.
Niels Bohr, zamanındaki çağdaş bulguları birleştiren bir kuram üretti. Onun önünde biriken denel sonuçlar ve kendi buluşları şöylece özetlenebilir:
1. Rutherford'un 1911'de varlığını kanıtladığı çok yoğun, çok küçük hacimde istiflenmiş, pozitif yüklü atom çekirdeği; bu çekirdek çevresinde dolanan elektronlar
2. Gaz halindeki atomların verdiği çizgisel tayf ve tayf çizgileriyle ilgili daha önce bulunmuş yasalar
3. Her elementin, insanlardaki parmak izi gibi, kendine özgü x-ışınları tayfı oluşturması (Bohr, hidrojen atomunun tayfını ayrıntılı olarak incelemişti)
4. Bütün bunları birbirine bağlamayı olanaklı kılan, Planck'ın 1900'de açıkladığı kuantum kuramı ve Einstein’in 1905’teki foton kavramı(fotoelektrik olayın açıklaması)
Sürekli enerji kaybeden klasik elektron probleminden kurtulmak için Planck’ın kuantumlu enerji düzeyleri düşüncesini yörüngede dolanan elektronlara uyguladı. Bohr, atomdaki elektronların kararlı durumlar denen ve elektronlar oradayken ışıma yapmadığı,kararlı enerji düzeylerinde bulunduğunu öngördü. Daha da ileri giderek elektronların bir kararlı durumdan başka bir kararlı duruma geçmesi halinde yayınlanan ışığın frekansını ifade etmek için de Einstein’in foton kavramını kullandı.Bohr kuramının önermeleri şunlardır:
- Elektron, protonun etrafında Coulomb çekim kuvvetinin etkisi altında, dairesel bir yörüngede hareket eder.
- Hareket, ancak sonlu (kesikli) adımlarla değişime uğrar. Yalnızca belirli yörüngeler kararlıdır. Bu kararlı yörüngeler,elektronun ışıma yapmadığı yörüngelerdir.
- Elektron yüksek enerjili bir durumdan daha alçak kararlı bir duruma “düştüğünde”, atomdan ışık yayınlanır. Bu düşme, klasik olarak gösterilemez ya da ele alınamaz. Özellikle sıçramada yayınlanan fotonun frekansı, elektronun yörüngesel hareketinin frekansından bağımsızdır.
- Elektron yörüngesinin izin verilen büyüklüğü, elektronun yörüngesel açısal momentumuna dayanan ek bir kuantum koşulu ile belirlenir. Elektronların açısal momentumu yalnızca h/2π ‘nin tam katı değerleri alabilir.