Atomaltı dünyaya baktığımız bu yüzyılda en önemli konulardan biri nükleer fizik. Bu yazımızda nükleer fizik dünyasına 5 adımda bir göz atıyoruz.
1) Nükleer Fizik Nedir?
Nükleer kelime anlamı olarak çekirdek demektir. Bu alanda atomdan on bin kez küçük olan atom çekirdeklerinin dünyasına konuk oluyoruz. Atom çekirdeklerinin birbirleriyle olan etkileşimleri inceleniyor. Diğer bir deyişle çekirdek fiziğidir.
2) Nükleer Enerji nedir?
Atomun çekirdeğinden elde edilen enerjidir. Einstein’ın meşhur denklemi (E=mc²), kütlenin enerjiye dönüşmesidir.
Atomdan enerjiyi elde edebilmek için iki tane yol vardır. Bir tanesi bir atoma nötron gönderek atomun parçalanmasıyla enerji elde edebilmektir ki buna fisyon (parçalara ayrılma) diyoruz. Örneğin; Uranyum elementine nötron gönderdiğimizde Uranyum elementi nötronu yutar.Uranyum parçalanarak iki yeni element oluşturur. Oluşan iki yeni element ile birlikte enerji de açığa çıkar.
Şekil 1: Fisyon Tepkimesi
Atomdan enerji elde etmek için gerekli diğer yol ise birleşme tepkimeleridir. İki tane hafif radyoaktif madde birleştirilerek daha ağır radyoaktif çekirdekleri oluştururulur buna da füzyondur (parçaları birleştirme). Oluşan yeni element ile birlikte enerji açığa çıkmaktadır. Örnek olarak, döteryum ve tirityum birleşerek Helyum atomunu oluşturmaktadır.
Şekil 2: Füzyon tepkimesi Kaynak: Fizikolog.com
3) Nükleer Fizik Nasıl Keşfedildi?
Nükleer fiziğin keşfi ikinci dünya savaşından yaklaşık 50 sene öncesine uzanıyor. William Rontgen gazlarla ilgili deney yaptığı esnada üstü kapalı olan deney setinin dışında aydınlanma fark etti. Deney setini ne kadar kapatırsa kapatsın dışarı ışın çıktığı gördü. Bu deneyi tekrarlasada ışınların ne olduğunu yorumlayamayamadı ve bu gizemli ışınlara ‘X ışınları’ adını verdi. Tesadüf eseri bulduğu X ışınları Rontgen’e Nobel Ödülü kazandırdı. O dönemde diğer bilim insanları bu ışını anlamak adına çalışmalara başlamıştı bile.
Bacquerel Paris Doğa Müzesinin müdürüyken renklendirme amacıyla kullanılan Uranyum elemetini X ışını yayar düşüncesiyle güneş ışığında bekletti. Uranyumu siyah kâğıtlara sarıp fotoğraf filmlerinin yanına koydu, gerçekten uranyumdan çıkan ışınlar fotoğraf filmini renklendiriyordu. Dahası 1 yıl boyunca sakladığı uranyum tuzlarının hâlâ fotoğraf filmini renklendirdiğini görünce oldukça şaşırdı. Aslında Becquerel X-ışınlarını ararken radyoaktiviteyi bulmuştu ancak fark edememişti.
O sıralarda Marie Curie doktora tezi için konu ararken Becquerel’in bulduğu ışınlarla çalışmak istedi. Bu çalışmada Becquerelden farklı olarak ışınların özelliklerini ‘elektriksel tekniklerle’ gözlemleyecekti. Madam Curie piezoelektrik kristal kullanarak elektroskop konusunda uzman olan eşi Pierre Curie ile çalıştı. Curie ailesi hayli yoğun ve yıllarca süren tehlikeli çalışmalar sonunda radyoaktiviteyi buldular. Bu süreçte radyoaktif polonyum ve radyum elementlerini de keşfettiler. Madam Curie henüz doktorasını almadan, 1903 yılında Becquerel ve Pierre Curie ile birlikte Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.
Resim 3 : Madam Curie
Atom çekirdeği keşfedilememişken, kâşiflerinin radyoaktivitenin ne olduğunu henüz anlayamaması normaldi. Radyoaktivite: Bazı çekirdekler kararsız durumdayken, daha kararlı hale gelebilmek için yüksek enerjili gama ışınları, alfa, helyum atomun çekirdeği ya da beta parçacıkları (elektron) fırlatmasıdır.
1905 yılında özel görelilik kuramıyla maddenin enerjiye dönüşümünün formülüze edilmesi nükleer fiziğin kapılarını aralamaya başladı. Ernest Rutherford ve öğrencilerinin atom çekirdeğini (1911) ve nötronu (1932) bulması çığ açan keşiflerdi. Bu keşiflerle atomun nasıl çalıştığı, ışığı nasıl emdiği ve yaydığı anlaşıldı. Dahası atom çekirdeğindeki iki etkin kuvveti karşımıza çıkardı: Elektrik yükleri arasındaki elektromanyetik kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet.
4) Atom Bombası ile Nükleer Fizik bağlantısı ?
1933 yılında atom çekirdeğinin patentine sahip olan Rutherford’u dinleyenler arasında bilim insanı Leo Szilard’da vardı. Szilard 1930’ların başında Almanya’yı terk ederek İngiltere’ye göçmüştü. Rutherfordun konuşmasında atom çekirdeğinden enerjiyi sağlamanın mümkün olmadığını söylese de Szilard tam tersini düşünüyordu. Fakat Szilard, bir nötronla bir atoma vurulursa atomun parçalanacağı ve iki nötronun serbest kalacağı, böylece zincirleme bir reaksiyon elde edileceği ileri sürer. Bu konuda bir patent almak için, içinde “zincir reaksiyon” deyiminin geçtiği bir makaleyi tamamlar ve bu makale 1934’te dosyalanır. Szilard ortaya attığı fikrin kötüye kullanılmasını önlemek için patenti gizledi çünkü savaşın yaklaştığını hissetmişti.
Diğer bilim insanı Enrico Fermi 1934 yılında nötronları ağır atom çekirdeklerine çarptırarak daha ağır (uranyum ötesi) çekirdekler oluşturmaya çalışırken iki tane yeni element keşfetmişti. Bu buluştan Nobel ödülü alsa da istediği sonuçlara ulaşamamıştı. Fermi 1942’de Chicago Üniversitesi’nde kendiliğinden devam eden ilk zincirleme tepkimeyi gerçekleştirmeyi başardı. Elde edilen güç 0,5 Watt’tır (bir ampulu yakamaz) ama deneysel olarak atom çekirdeğinden enerji elde etmişti. Peki Fermi’nin 1934 yılında fark edemediği neydi? Deneyde daha ağır çekirdekler değil çekirdek bölünmesini bulmuştu.
1938’de Alman bilim insanları Ohto Hahn ve Fritz Strassmann, Fermi’nin idda ettiği gibi uranyum ötesi elementleri elde etmek için nötronları uranyum çekirdeğine çarptırdıklarını ve periyodik tablonun ortalarındaki elementleri gördüklerini belirttiler. Biyolog arkadaşlarından öğrendikleri “fisyon” sözcüğünü ilk defa kullanarak, çekirdeğin iki parçaya bölünebileceğini açıkladılar. Yazdıkları makaleyi bir dergiye gönderdiler ve Niels Bohr’a da kimseye söylememesi şartı ile buldukları sonucu söylediler. ABD’ye kaçmakta olan Bohr daha makale yayımlanmadan haberi ABD’ye getirdi.
Artık Szillard’ın zincirleme tepkime fikri artık gündeme gelmişti: Yavaş giden bir nötron, uranyum-235’e çarpınca değişik ihtimallerle pek çok şey oluyordu, ama ortalamada 2,5 nötron açığa çıkıyordu. Szillard tanıdığı bütün fizikçiler ile bağlantı kurarak nötronlar ve uranyum ile yaptıkları deneyleri yayınlamamalarını istedi. Diğer taraftan da eski dostu Albert Einstein’i ziyaret ederek, Almanya’nın nükleer silah yapmasından korktuğu için, ABD Başkanına bir mektup yazmasına ikna etti. ‘Nükleer enerji elimizin altında. Savaş kaçınılmaz. Bilim insanlarının bu konuda ne yapması gerektiğine karar vermek Başkan’a düşmektedir.”. 1942’de Fermi ile birlikte Chicago Üniversitesi’nde ilk nükleer reaktörü kurup çalıştırır. İlk denetimli zincirleme çekirdek tepkimesinin gerçekleşmesine katkı sağlar. Artık atom bombasına giden yol döşenmişti. Szilard 1945’te, Avrupa’da savaş bittiğinde, atom bombasının yapıldığını ve Japonya üzerinde kullanılmak üzere olduğunu anladı. Telaşla ulaşabildiği her yere protestolar yağdırır ve Başkan Roosevelt’e yazar fakat sonuç alamaz; çünkü mektup ulaşmadan Roosevelt hayatını kaybetmişti. Ve maalesef İlk atom bombası 6 Ağustos 1945’te Hiroşima’ya atıldı.
5) Nükleer Fizik Hangi alanlarda kullanılır?
- Nükleer enerji elektrik üretiminde de yoğun bir şekilde kullanılmaktadır.
- Fosillerin yaş tahminlerinde kullanılmaktadır.
- Yangın alarm sisteminde radyoiztoplar yardımıyla nükleer fiizk kullanılmaktadır.
- Sağlık alannda teşhisi ve tedavide kullanımı oldukça yaygındır.
- Teknolojinin gelişmesine kaykı sağlamaktadır.
Radyoaktivite, bazı çekirdekler kararsız durumdayken, daha kararlı hale gelebilmek için yüksek enerjili gama ışınları, alfa, helyum atomun çekirdeği ya da beta parçacıkları (elektron) fırlatarak yapısının değişmesi demekti
Tabii ki artık bugün radyoaktivitenin ne olduğunu biliyoruz