1.6 Bağ Enerjisi İki parçacık bir araya gelip birbirine bağlandığında, toplam kütle azalır ve bu kütle azalması, Einstein'in E=mc2 eşitliği uyarınca, enerji olarak açığa çıkar. Parçacıkları birbirinden ayırmak için, bu enerjinin geri verilmesi gerekir. Bu yüzden, sözkonusu enerji miktarına 'bağ enerjisi' denir. Kütle azalması ne kadar büyükse, parçacıklar birbirine o kadar sıkı bağlanır. Daha genel olarak; bir çekirdek ya da atomun kütlesi, o çekirdek ya da atomu oluşturan parçacıkların kütlelerinin toplamından az olup, aradaki fark toplam bağ enerjisine eşdeğerdir. 1.7 Kabuk Modeli Çekirdekteki protonlarla nötronların oluşturduğu yapı, atomdaki elektronların yörünge yapısına benzetilebilir. Çekirdeğin 'kabuk modeli' denilen bu tasarıma göre, çekirdekçikler, artan enerji düzeylerine karşılık gelen yörüngelerde oturur. Protonlar ve nötronlar, farklı parçacık türleri olduklarından, bağımsız yörünge kabuklarını doldurur. Enerji düzeyleri arasındaki farklar, atomlarda eV veya kesri kadar iken, çekirdeklerde keV, hatta MeV düzeyinde olabilir. Her iki çekirdekçik türünün de bu kabuk yapısını, alttan yukarıya doğru sıra atlatmaksızın doldurmaları halinde, çekirdek olası en düşük enerji düzeyindedir. Bu enerji düzeyi, 'temel enerji durumu'na karşılık gelir. Çekirdekçiklerden bazılarının, temel enerji durumundaki dizilimin gerektirdiğinden daha yüksek enerji düzeylerinde bulunması durumunda, çekirdeğin 'uyarılmış hal'de olduğu söylenir. Uyarılmış çekirdek, hızla foton ışıyarak temel enerji durumuna geçer. Atomların ışdığından çok daha yüksek enerjilere sahip olan bu fotonlar, gama ışını olarak adlandırılırlar. 1.8 Bozunma Bazı izotoplar, zamanla değişmediklerinden, 'kararlı' sayılırlar. Bazıları ise, iç yapılarındaki kuvvetler dengelenmemiş olduğundan 'kararsız'dır. Bunlar, çeşitli parçacıklar ışıyarak, değişik hızlarla bozunur ve aynı ya da başka bir elementle ait kararlı izotoplara doğru dönüşürler. Kararsız bir izotopun başlangıçtaki sayısının yarıya inmesi için geçen süreye 'yarılanma ömrü' denir. Yarılanma ömrü, saniyenin kesrinden milyarlarca yıla kadar değişir. Çekirdek bozunmasına radyoaktivite de denir ve bozunan çekirdeklerin radyoaktif olduğu söylenir. En sık karşılaşılan bozunma biçimleri; alfa , beta ve gama bozunmalarıdır... Gama bozunmasında, çekirdek bir enerji düzeyinden daha alttaki bir enerji düzeyine geçerken, yüksek enerjili bir foton ışır. Atom ve kütle numaraları aynı kalır. Beta bozunmaları, β- ve β+ bozunması olarak ikiye ayrılır. β- bozunması daha çok, nötronca zengin olan çekirdeklerde görülür. Bu bozunmada, çekirdekteki nötronlardan birisi, bir elektron ışıyarak protona dönüşür. Sonuçta, izotopun kütle numarası değişmezken, atom numarası 1 artar. β+ bozunması daha çok, proton zengini çekirdeklerde görülür. Bu bozunmada; çekirdek, 'pozitron' da denilen 'artı yüklü bir elektron' ışıyarak protonlarından birini nötrona dönüştürür. Bozunma sonucunda, izotopun kütle numarası değişmez, atom numarası 1 azalır, yani başka bir elemente dönüşür. Eğer atom tümüyle iyonlaşmamışsa ve çekirdeğin etrafında elektronlar varsa, bu bozunmaya paralel olarak bir de 'elektron yakalama' süreci çalışır. Bu süreçte çekirdek, yine protonlarından birini nötrona dönüştürmekte, fakat bunu yörünge elektronlarından birini yakalayarak yapmaktadır. Alfa bozunmasında; çekirdek, iki proton ile iki nötrondan oluşan ve 'alfa parçacığı' da denilen bir helyum-4 çekirdeği ışıyarak bozunur. Bozunma sonrasında çekirdek bazen uyarılmış enerji düzeyinde kalır ve enerji fazlasını, bir gama fotonu olarak ışınlar. Sonuç olarak, çekirdeğin atom numarası 2, kütle numarası 4 azalır. Bu bozunma türü, hem nötron hem de protonca zengin olan ağır çekirdeklerde görülür. Bozunma ürünü olan çekirdek, genellikle kararsızdır; hatta bazen bozunan çekirdekten daha bile kararsız olabilir. Ki bu durumda, kendisi de bozunur. Bozunmalar, kararlı bir çekirdekle son bulana kadar devam eder. Böyle, birbirini izleyen bozunma dizilerine 'bozunma zinciri' denir. 1.9 Doğal İzotoplar Doğada, hidrojenden uranyuma kadar, 92 element var. Bunlar, her biri değişik sayılarda olmak üzere, toplam 307 izotopa sahip. Bu doğal izotoplardan, bilindiği kadarıyla 244'ü kararlı. Kalan 63'ü kararsız. Elementlerden 80'i, en az bir kararlı izotopa sahip. Bunlar, ilk 82 element arasında yer alıyor. Bir de insan yapımı, 'yapay' izotoplar var. Yapay veya doğal, bilinen tüm izotopların sayısı 2600 kadar... 1.9 Çekirdek Tepkimeleri İki hafif çekirdek kaynaştığında, çekirdekçik başına bağ enerjisiyle birlikte, toplam bağ enerjisi artar. Dolayısıyla, kütle azalır. Toplam bağ enerjisindeki artışa eşdeğer olan bu kütle azalması, enerji olarak açığa çıkar. Ağır bir çekirdeğin, orta ağırlıkta iki çekirdeğe parçalanması halinde de yine; çekirdekçik başına bağ enerjisiyle birlikte, toplam bağ enerjisi artar; kütle azalır, enerji açığa çıkar. Çekirdek kaynaşmasına 'füsyon', parçalanmasına da 'fisyon' denir. Her iki durumda da, açığa çıkan enerji miktarı MeV düzeyindedir. Kimyasal tepkimelerin verdiği eV düzeyindeki enerjilerin milyon katı kadar... Fisyona bir örnek, uranyumun U-235 izotopunun yavaş bir nötron yuttuktan sonra parçalanmasıdır. Sonuçta ortaya, 'fisyon ürünleri' denilen orta ağırlıkta iki çekirdekle, 2 veya 3 (ortalama 2,47) hızlı nötron çıkar. Örnek bir parçalanma; 0n1 + 92U235 - 56Ba141 + 36Kr92 + 3 0n1 şeklindedir. Gerçekleşen kütle azalması, 200 MeV eşdeğeri kadardır. Bu enerjinin 168 MeV kadarı fisyon ürünlerinin, 5 MeV kadarı da nötronların kinetik enerjisi şeklinde iken, kalanı gama ışınları veya diğer parçacıklar tarafından taşınır. Örnek bir füsyon tepkimesi ise; hidrojenin bir nötron içeren döteryum izotopu (1D2) ile, iki nötron içeren trityum izotopu (1T3) arasında yer alır: 1D2 + 1T3 - 2He4 + 0n1

Nükleer Enerji Atomun Yapısı 1.1 Nükleer Enerji Nükleer enerji üretimi, atomun çekirdeğiyle ilgili bir süreç olup, iki şekilde gerçekleştirilebilir. Birincisi ağır bir çekirdeğin parçalanması, yani 'fisyon', ikincisi ise, iki küçük çekirdeğin birleştirilmesi, yani 'füsyon'... 1.2 Atomun Yapısı Atomun çekirdeği, 'çekirdekçik' de denilen proton ve nötronlardan oluşan, hareketli ve karmaşık bir yapıya sahip. Çekirdekçiklerin de, 'kuark' üçlülerinden oluşan birer iç yapısı var. Proton iki 'yukarı' ve bir 'aşağı' kuarktan, nötron ise iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Kuarklar, tıpkı elektron gibi, iç yapısı olmayan 'temel' parçacıklardır. Proton artı yüklü, nötron yüksüzdür. Dolayısıyla, çekirdeğin toplam yükü; protonların yüklerinin toplamına eşittir. Bilindiği gibi, benzer yükler birbirini iter, zıt yükler çeker. Bu 'elektrostatik' kuvvete, 'Coulomb kuvveti' de denir. Çekirdekteki protonlar, benzer yüklü olduklarından birbirini itmektedir. Buna rağmen çekirdeği bir arada tutan, çekirdekçikler arasındaki, sadece çekici olan 'güçlü kuvvet'tir. Atomda ayrıca, çekirdeğin etrafında elektron bulutları dolaşır. Elektronun yükü, protonunkinin negatifidir. Dolayısıyla, elektronları çekirdeğe bağlayan, artı yüklü çekirdeğin uyguladığı çekim kuvvetidir. Nötür bir atomun yörünge kabuklarındaki elektronların sayısı, çekirdeğindeki protonların sayısına eşittir. Nötür atomlar bu nedenle, net yük taşımaz. Ancak, kimyasal tepkimelere girip çıkarken elektron alıp verebilir; iyonlaşıp yüklü hale gelebilirler. Bir atomun diğer atomlarla ne gibi kimyasal tepkimelere gireceğini, yörünge kabuklarının yapısı ve kabuklardaki elektronların sayısı belirler. Kabukların yapısı, çekirdeğin yükü tarafından belirlenir. Elektron sayısı da, nötür bir atom için proton sayısına eşit olduğuna göre, bu sayı; atomun kimyasal davranışlarının temel belirleyicisidir. Bu yüzden, genelde Z ile gösterilen proton sayısına; atomun periyodik tablodaki hangi elemente ait olduğunu belirleyen sayı anlamında, 'atom numarası' da denir. 1.3 Boyut Atomun yarıçapı, metrenin 10 milyarda biri, çekirdeğinki ise, atomunkinin 10 binde biri kadar. Bu yapılar için küresel şekiller düşünülecek olursa, yarıçapın küpüyle orantılı olan hacimler arasındaki oranlar, çok daha büyük oluyor. Örneğin atom, çekirdeğinin trilyon katı kadar hacme sahip. Yani çekirdek 1 cm3 hacmindaki bir bilye kadar olsaydı eğer, atom; 100x100x100 metre boyutlarındaki bir kapalı stadyumun, 1,000,000 m3'lük hacmine sahip olurdu: Maddenin neredeyse tamamı boşluk! Buna rağmen, el sıkışırken ellerimizin birbirinin içinden geçmemesinin nedeni, atomların dışındaki elektron bulutlarının birbirini itmesidir. 1.4 İzotop Aynı elemente ait çekirdeklerin proton sayıları aynıdır. Fakat, nötron sayıları farklı olabilir. Belli bir elemente ait olup, nötron sayıları farklı olan çekirdeklere, o elementin 'izotop'ları denir. O halde bir elementin farklı izotopları, aynı çekirdek yüküne, ama farklı kütlelere sahiptir. Nötronun kütlesi protonunkinden biraz daha büyük, fakat aradaki fark küçüktür. O halde çekirdeğin kütlesini, nötron ve proton sayılarının toplamından oluşan çekirdekçik sayısı, yaklaşık olarak belirler. Bu yüzden, A ile gösterilen bu sayıya, 'çekirdeğin kütle numarası' denir. Proton sayısı Z olduğuna göre, A-Z, nötron sayısını verir. Elektronun kütlesi görece çok küçük olduğundan, atomun toplam kütlesi kabaca, çekirdeğinkine eşittir. Bu yüzden, A'ya, 'atomun kütle numarası' da denir. Örneğin karbon elementi 6 protona sahiptir ve kimyada C simgesiyle gösterilir. Ancak, doğada bulunan karbon çekirdeklerinin çoğu 6 nötron içerirken, azında 7 nötron bulunur. Yani doğal karbon, kütle numaraları 12 ve 13 olan iki izotoptan oluşmaktadır. Karbonun bu izotoplarını ayırdetmek için, C simgesinden sonra 'tire' işaretiyle ayrılmış halde kütle numaraları yazılabilir: C-12, C-13. Yaygın kabul gören bir başka gösterim, diyelim X elementi için; atom numarasını simgenin sol alt, kütle numarasını da sağ üst köşesine yazarak elde edilir: ZXA. Örneğin, doğadaki hidrojen çekirdeklerinin hemen hepsi tek bir protondan oluşmaktadır. 'Protiyum' da denilen bu çekirdekler, 1H1 şeklinde gösterilir. Ancak, hidrojen çekirdeklerinin bazılarında 1, pek azında 2 de nötron vardır. Sırasıyla, 'döteryum' ve 'trityum' olarak adlandırılan bu çekirdekler, 1H2 ve 1H3 şeklinde gösterilir. Bir başka örnek, atom numarası 92 olan uranyum elementinin, doğadaki en bol izotopları olan 92U235 ve 92U238... 1.5 Kütle Standart kütle birimi kg, küçük cisimler için fazla büyüktür. Bu nedenle, atomların kütlesini ölçmekte, 'atom kütle birimi' denilen küçük bir birim kullanılır. Bu birimin tanımı, "durağan halde ve temel enerji düzeyindeki bir 6C12 izotopunun kütlesinin 12'de biri" şeklinde. .