Nükleer fizik

Nükleer fizik veya çekirdek fiziği, atom çekirdeklerinin etkileşimlerini ve parçalarını inceleyen bir fizik alanıdır. Nükleer enerji üretimi ve nükleer silah teknolojisi nükleer fiziğin en çok bilinen uygulamalarıdır fakat nükleer tıp, manyetik rezonans görüntüleme, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu, jeoloji ve arkeolojide radyo karbon tarihleme gibi birçok araştırma da nükleer fiziğin uygulama alanıdır.

Atom fiziğinden farklı bir disiplin olan nükleer fiziğin tarihçesi 1896’da Henri Becquerel’in uranyum tuzlarının fosforesans olayını araştırırken radyoaktiviteyi keşfetmesiyle başlar. Bir yıl sonra J.J. Thomson tarafından elektronun keşfedilmesiyle atomun bir iç yapıya sahip olduğu ortaya çıktı. 20. yüzyılın başlarında ise kabul edilen atom modeli J.J. Thomson’un üzümlü kek modeli oldu. Buna göre büyük pozitif yüklü parçacıklar, küçük negatif yüklü parçacıklarla atomun içine gömülüdür. 20. yüzyılda fizikçiler aynı zamanda atomdan yayılan alfa, beta ve gama ışınlarını keşfetti. 1911 yılında Otto Hahn ve James Chadwick tarafından yapılan deneyler sonucunda 1914’te beta ışını bozunma spektrumun ayrılmasına göre daha devamlı olduğu keşfedildi. Diğer bir deyişle, alfa ve gama bozunmalarına göre beta ışınında daha çok enerji gözlemlenmiştir. Fakat nükleer fizikçiler için bu bir problem olmuştur, bu bozunmalar sonuncunda enerjinin korunmadığı anlaşıldı.

1915 yılında Albert Einstein kütle-enerji eşdeğerliği fikrini formüle etti. Madam Curie ve Becquerel’in radyoaktivite üzerine çalışmaları bundan daha eski olmasına rağmen radyoaktif enerji kaynağıyla ilgili açıklama çekirdeğin küçük bileşenlerden -nükleonlardan- oluştuğunun anlaşılmasına kadar beklemek zorundaydı.

1907'da Ernest Rutherford “Radyumdan Gelen Alfa Parçacıklarının Radyasyonunun Maddeden Geçmesi” makalesini yayımladı. Hans Geiger de bu çalışmayı Royal Society ile iletişim içinde genişletti ve alfa taneciklerinin ince metal yapraklardan saçılmasını inceledi. 1909 yılında Geiger ve Ernest Marsden tarafından yayımlanmış, daha ileri düzeyde genişletilmiş bir çalışma 1910 yılında Geiger tarafından yayımlanmıştır. 1911-1912 yıllarında Rutherford önce Royal Society’e deneylerini açıklamak için gitti ve daha sonra atom çekirdeği teorisini ortaya attı.

Bunun ardındaki anahtar deneyi, 1910 yılında Rutherford gözetimi altında Geiger ve Marsden’ın ince altın folyo filminden alfa parçacıklarını ateşleyip yaptıkları deneyle gerçekleştirdiler. Üzümlü kek atom modeline göre folyodan çıkan alfa parçacıkları folyoyu hafifçe bükmesi gerekiyordu. Rutherford takımını bilgilendirmek için birçok deney yaptı, bu deneylerde alfa paracıklarının genel anlamda küçük açılarla saptığını ama bazılarının büyük açılarla saptığını hatta bazılarının geri döndüğünü gözlemledi. 1911 yılında Rutherford’un analiziyle başlayan bu keşif sonucunda atomun kütlesinin çoğunu içeren yoğun bir kütleye sahip olduğu, pozitif parçacıklar içinde dengeli olarak elektronların gömülü olduğu Rutherford atom modelini buldu. Bu modele göre örneğin Nitrojen-14 14 proton 7 elektron içeriyor (21 parçacık) ve çekirdeğin çevresinde 7 den fazla elektron yörüngesi vardır.

Bu model 1929 yılında Franco Rasetti’nin atom dönüşü çalışmasına kadar geçerliliğini sürdürdü. 1925 yılında proton ve elektronların ½ oranında spine sahip olduğu ve Rutherford modeli biliniyordu. Fakat Rasetti Nitrojenin 1 spin olduğunu keşfetti.

1932 yılında Walther Bothe, Herbert Becker, Irene and Frederic Joliot-Curie gözlemlediği nötronların varlığı Chadwick tarafından keşfedilmiştir. Aynı yıl Dmitri Ivanenko nötronların ½ spinde olduğunu keşfetmiştir ve çekirdeğin nötron ve protondan oluştuğunu elektron bulunmadığını söylemiştir. Böylece nötron spinler Nitrojen-14 problemini çözdü çünkü buna göre 1 tane eşlenmemiş proton ve bir tane eşlenmemiş nötron vardır her biri aynı yönde ½ spinine katkıda bulunur sonuç olarak 1 spin olur. Nötronun keşfiyle, bilim adamları bağlanma enerjisinin sürtünmesini her atom çekirdeği için nükleer kütle içindeki her proton ve nötronu karşılaştırarak hesaplayabildiler. Nükleer kütleler arasındaki fark da bu yolla bulunmuştur ve Einstein’ın kütle-enerji hesaplamalarıyla da desteklenmiştir.

Alexandra Proca, vektör boson alanı denklemlerini ve nükleer kuvvetlerin mesonıc alan teorisini geliştiren ve rapor eden ilk kişi olmuştur. Proca’nın denklemleri Wolfgang Pauli’nin nobel konuşmasında bu denklemlerden bahsetmesiyle bilindi. Aynı zamanda bu denklemler atom çekirdeği teorisini geliştirdiği için Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler, ve Fröhlich tarafından takdir edilmesiyle bilinir.

1935 yılında Yukawa’nın ilk önemli kuramı olan güçlü kuvvetler kuramında çekirdeğin nasıl bir arada tutulduğunu fikrini öne sürmüştür. Daha sonra meso olarak anılacak olan Yukawa’nın sanal parçacıklarının etkileşimi tüm nükleonlar arasındaki kuvvete aracı olmuştur. Bu kuvvetler çekirdeğin proton itmesi altında neden parçalandığı ve aynı zamanda etkili ve güçlü kuvvetlerin protonlar arasındaki elektromanyetik itmelere göre neden daha sınırlı aralığı olduğuna açıklama getirdi. Daha sonra pi mesonunu keşfi ile Yukawa parçacıkların özelliklerini kanıtladı.

Yukawa’nın kâğıtları ile modern atom modeli tamamlandı. Atomun merkezi çok büyük olmayan sıkı bir top içerisinde nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan nötron ve protonlardan oluşur. Kararsız çekirdekler, enerjik bir helyum çekirdeği ya da beta bozunmasına uğrayabilirler. Bu bozunmalardan sonra çıkan çekirdek uyarılmış halde olabilir ve bu durumda yüksek enerjili fotonlar salarak taban durumuna düşer.

Güçlü ve zayıf nükleer kuvvet çalışması çarpışmasına daha yüksek enerjideki elektron ve çekirdeğin çarpışmasına yol açmıştır. Bu araştırmalar parçacık fiziğinin standart modeli olan güçlü ve zayıf elektro manyetik kuvvetleri açıklayan bir bilim haline geldi.

Ana makaleler: sıvı damla modeli ve çekirdek kabuğu modeli ağır çekirdekler kısmi yüzey gerilimine ve kısmi protonun elektriksel itilmesinden kaynaklanan bir enerjiye sahiptir.

Sıvı damla modelinde kütle numarasına göre genel bağlanma enerjisi eğiliminin yanı sıra nükleer fisyon fenomeni içeren çekirdeklerin birçok özelliğini çıkarmak mümkündür. Fakat bu klasik resim üzerine büyük ölçüsü Maria Goeppert-Mayer tarafından gerçekleştirilen ve nükleer kabuk kullanımı olarak tanımlanan kuantum mekaniğinin de etkisi vardır. Çekirdekte proton ve nötronlar belirli numaralara göre (bunlar 2.8.20.28) dizilmiştir çünkü onların kabukları doludur.

Çekirdek için diğer karmaşık modellerde öne sürülmüştür. Örneğin; etkileşen bozon modeli, bu modele göre nötron ve proton çiftleri bozonlar gibi etkileşimdedir. Bu Cooper elektron çiftlerine benzer.

Mevcut fizik araştırmalarının çoğu yüksek spin uyarma enerjisi gibi uç koşullarla da ilgilidir. Çekirdekler aynı zamanda farklı şekillere, farklı nötron ve proton oranlarına sahip olabilirler. Uzmanlar, hızlandırıcıdan çıkan iyon ışınlarını kullanarak, yapay füzyon ya da nükleon transfer reaksiyonları oluşturabilir. Daha yüksek enerjiler ile yüksek sıcaklıkta çekirdek oluşturmak için kullanılabilir.

Seksen elementin bozunmada gözlenmeyen en az bir kararlı izotopu vardır 254 izotop içerisinde. Fakat bununla birlikte binlerce izotopun kararsız olduğu karakterize edilmiştir. Bu radyo izotoplar haftalarca, yıllarca, milyonlarca ve hatta trilyonlarca yıl gibi değişen zaman ölçeklerinde bozunabilirler.

Çekirdeğin kararlılığı içindeki nötron ve proton oranı ya da dengeli düştüğü zaman en yükseğe ulaşır, çok az ya da çok fazla nötron bozunmaya neden olabilir. Örneğin beta bozunmasıyla nitrojen atomu (7 proton, 9 nötron ) oksijen atomu ( 8 proton, 8 nötron ) birkaç saniye içerisinde dönüşür. Bu element başka bir elemente yeni protonlar elde ettikçe dönüşür.

Radyoaktif elementlerdeki alfa bozunmalar, helyum yayarak ya da başka verilen bir elementte bozunur. Bu işlem bozunmanın diğer türlerinde de sabit bir element oluşana kadar birkaç adım boyunca devam eder.

Gama bozunmasında, çekirdek uyarılmış bir durumdan daha düşük enerji haline gama ışını yayarak bozunur. Bu süre boyunca bu element başka bir elemente dönüşmez.

Diğer farklı bozunmalarda mümkündür ( ana yazıya bakınız ). Örneğin iç dönüşüm bozunmasında, uyarışmış bir çekirdek elektronları yüksek hızlı üreten bir işlemde atomun içyapısındaki orbitali çıkarmak için kullanılabilir, ancak bu beta bozunması değildir ve başka bir elemente dönüşmez.

Nükleer füzyonda iki düşük kütleli çekirdek birbirine çok yakın temas eder böylece güçlü kuvvet onları kaynaştırır. Çekirdekler arasındaki bu itmenin üstesinden gelebilmek için yüksek bir enerji gerekir, böylece nükleer füzyon sadece yüksek sıcaklıkta ve yüksek basınçta gerçekleşir. Bir kez bu işlem başarıya ulaşınca çok büyük miktarda enerji ortaya çıkar ve birleşik çekirdekler daha düşük enerji düzeyine gelir. Nükleon üzerindeki bağlanma enerjisi, kütle numarası 62 olan nikele kadar, kütleyle orantılı olarak artar. Güneş gibi yıldızlar, bir helyum çekirdeği iki pozitron ve iki nötrona içine dört proton füzyonu ile güçlendiriliyor. Helyumun içindeki hidrojenin bu kontrolsüz füzyonu termonükleer kaçak olarak bilinir. Örneğin, mevcut araştırmanın öncüsü olan, JET ve ITER kontrollü füzyon reaksiyonlarından ekonomik açıdan enerji kullanım yöntemi geliştirmişlerdir. Güneşinde içinde olduğu tüm yıldızlar çekirdek tarafından üretilen doğal ışık ve enerji kaynağıdır.

Nükleer fisyon, nükleer füzyonun ters işlemidir. Nikel-62’den daha ağır çekirdekler için, nükleonun bağlanma enerjisi kütle numarası ile azalır. Bu yüzden ağır bir çekirdek iki hafif çekirdeğe parçalanırsa enerjinin serbest kalması mümkün olur.

Alfa bozunumu kendiliğinden gerçekleşen bir fisyondur. Bu işlem yüksek derecede asimetrik fisyon üretir çünkü alfa parçacıkları birbirine sıkı bir şekilde bağlı yapan dört parçacık büyük olasılıkla fisyon çekirdeğinin üretimini yapıyor, fisyon üzerinden nötron üreten ve fisyonu başlatmak için nötronları soğuran ağır çekirdekler kendi kendine nötron ateşleme tipi olarak adlandırılan reaksiyonu elde edebilirler. Bu zincir reaksiyonları fizikten önce kimyada biliniyordu aynı zamanda yanma ve kimyasal patlama gibi birçok tanıdık olay kimyasal zincir reaksiyonudur. Fisyon veya nükleer zincir reaksiyonları nükleer santrallerin ve nükleer fisyon tipi bombaların enerji kaynağıdır, 2. Dünya Savaşı sonunda Amerikan’ın Hiroşima ve Nagasaki’ye attığı bombalar bu tiptir. Aynı zamanda Uranyum ve Toryum gibi ağır çekirdeklerde kendiliğinden fisyon olabilir, ama onların alfa bozunması geçirmeleri daha muhtemeldir.

Başlatılan nötron zincir reaksiyonun oluşması için, belirli koşullar altında, belli bir alan içinde mevcut elementin önemli düzeyde bir kütleye sahip olması gerekiyor. Bu koşullarda küçük kritik kütleler için yayılan nötronların korunmasını ve onların yavaşlamasını ve moderasyonunu gerektirir bu yüzden daha büyük bir kesit veya muhtemelen başka bir fisyon başlatılamasın vardır diyebiliriz. 1,5 milyar yıl önce, Oklo, Gabon, Afrikanın iki bölgesinde doğal nükleer fisyon reaktörleri aktifti. Doğal nötrona emisyon ölçümlerine göre Dünyanın çekirdeğinden kaynaklanan ısı radyoaktif bozumların iki katıdır. Bununla birlikte herhangi fisyon reaksiyon sonucu bilinmemektedir.

Helyum dışında bazı elementlerde büyük patlama sonucunda oluştu çünkü proton ve nötronlar birbiriyle çarpışmıştır sonucunda da lityum, berilyum ve muhtemelen biraz boron oluşmuştur, fakat bugün gördüğümüz bütün ağır metaller füzyon aşamaları boyunca yıldızlarda oluşmuştur. Örneğin proton proton zinciri CNO döngüsü ve üçlü alfa süreci. Kademeli ağır elementler her yıldızın evrimi sırasında oluşur.