Atom çekirdeği

Bir atomun çekirdeği, nükleer kuvvet tarafından birleştirilen proton ve nötronlardan (iki tür baryon) oluşur. Bu baryonlar ayrıca güçlü etkileşimle bir araya gelen kuarklar olarak bilinen atom altı temel parçacıklardan oluşur. Çekirdek aşağı yukarı bir sferoiddir ve bir şekilde prolate (uzun) veya oblate (düz) olabilir veya başka bir şekilde tamamen yuvarlak olmayabilir.

İzotoplar ve nüklitler

Bir atomun izotopu, çekirdeğindeki nötron sayısına dayanır. Aynı elementin farklı izotopları çok benzer kimyasal özelliklere sahiptir. Bir kimyasal örneğindeki farklı izotoplar bir santrifüj veya bir kütle spektrometresi kullanılarak ayrıştırılabilir. İlk yöntem normal uranyumdan zenginleştirilmiş uranyum üretiminde, ikincisi ise karbon tarihlemede kullanılır.

Proton ve nötron sayısı birlikte nüklidi (çekirdek türü) belirler. Protonlar ve nötronlar neredeyse eşit kütleye sahiptir ve bunların toplam sayısı, yani kütle numarası, bir atomun atomik kütlesine yaklaşık olarak eşittir. Elektronların birleşik kütlesi çekirdeğin kütlesiyle kıyaslandığında çok küçüktür; protonlar ve nötronlar elektronlardan yaklaşık 2000 kat daha ağırdır.

J. J. Thomson tarafından elektronun keşfi, atomun bir iç yapısı olduğuna dair ilk işaretti. 20. yüzyılın başında kabul gören atom modeli, J. J. Thomson'ın atomun içinde negatif yüklü küçük elektronlar bulunan pozitif yüklü büyük bir top olduğu "erik pudingi" modeliydi. Yüzyılın başında fizikçiler ayrıca atomlardan gelen ve alfa, beta ve gama radyasyonu olarak adlandırdıkları üç tür radyasyon keşfetmişlerdi. Lise Meitner ve Otto Hahn tarafından 1911'de ve James Chadwick tarafından 1914'te yapılan deneyler, beta bozunma spektrumunun ayrık değil sürekli olduğunu keşfetti. Yani elektronlar atomdan, gama ve alfa bozunumlarında gözlemlenen ayrık enerji miktarları yerine, bir dizi enerjiyle fırlatılıyordu. Bu o zamanlar nükleer fizik için bir sorundu, çünkü bu bozunumlarda enerjinin korunmadığını gösteriyordu. Bu sorun daha sonra nötrinonun keşfine yol açacaktı (aşağıya bakınız).

1906 yılında Ernest Rutherford "Radyumdan α Parçacığının Madde İçinden Geçerken Yaydığı Işıma "yı yayınladı. Geiger, Rutherford ile birlikte α parçacıklarını hava, alüminyum folyo ve altın folyodan geçirerek yaptıkları deneylerle Royal Society'ye gönderdiği bir yazıda bu çalışmayı genişletti. Geiger ve Marsden tarafından 1909'da daha fazla çalışma yayınlandı ve Geiger tarafından 1910'da daha da genişletilmiş çalışma yayınlandı. 1911-2'de Rutherford, deneyleri açıklamak ve şimdi anladığımız şekliyle atom çekirdeğinin yeni teorisini öne sürmek için Royal Society'nin önüne çıktı.

Bu olayların yaşandığı sıralarda (1909) Ernest Rutherford, Hans Geiger ve Ernest Marsden'in kendi gözetiminde ince bir altın folyo tabakasına alfa parçacıkları (helyum çekirdekleri) attığı olağanüstü bir deney gerçekleştirdi. Erik pudingi modeli, alfa parçacıklarının folyodan yörüngeleri en fazla hafifçe bükülmüş olarak çıkması gerektiğini öngörüyordu. Birkaç parçacığın büyük açılarla, hatta bazı durumlarda tamamen geriye doğru saçıldığını keşfettiğinde şok oldu. Rutherford'un 1911'de verileri analiz etmesiyle başlayan keşif, sonunda atomun, yükü dengelemek için elektronların gömülü olduğu ağır pozitif yüklü parçacıklardan oluşan çok küçük, çok yoğun bir çekirdeğe sahip olduğu Rutherford atom modeline yol açtı. Örnek olarak, bu modelde nitrojen-14 14 protonlu ve 7 elektronlu bir çekirdekten oluşuyordu ve çekirdek yörüngede dönen 7 elektronla daha çevrelenmişti.

Rutherford modeli, 1929 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde Franco Rasetti tarafından nükleer spin üzerine çalışmalar yapılana kadar oldukça iyi çalışmıştır. 1925 yılına gelindiğinde proton ve elektronların 1/2 spine sahip olduğu biliniyordu ve Rutherford azot-14 modelinde 14 proton ve altı elektron birbirlerinin spinini iptal edecek şekilde eşleşmeli ve son elektron çekirdeği 1/2 spinle terk etmeliydi. Ancak Rasetti, nitrojen-14'ün bir spine sahip olduğunu keşfetti.

1930 yılında Wolfgang Pauli Tübingen'deki bir toplantıya katılamadı ve bunun yerine klasik "Sevgili Radyoaktif Bayanlar ve Baylar" girişiyle ünlü bir mektup gönderdi. Pauli mektubunda çekirdekte belki de "nötron" adını verdiği üçüncü bir parçacık olduğunu öne sürdü. Bunun çok hafif olduğunu (elektrondan daha hafif), yüksüz olduğunu ve maddeyle kolayca etkileşime girmediğini (bu yüzden henüz tespit edilemediğini) öne sürdü. Bu umutsuz çıkış yolu hem enerji korunumu sorununu hem de nitrojen-14'ün spinini çözdü; birincisi Pauli'nin "nötronu" fazladan enerji taşıdığı için, ikincisi ise fazladan bir "nötron" nitrojen-14 çekirdeğindeki elektronla eşleşerek ona bir spin verdiği için. Pauli'nin "nötronu" 1931 yılında Enrico Fermi tarafından nötrino (İtalyanca küçük nötr) olarak yeniden adlandırıldı ve yaklaşık otuz yıl sonra nihayet beta bozunumu sırasında gerçekten bir nötrino yayıldığı gösterildi.

1932 yılında Chadwick, Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène ve Frédéric Joliot-Curie tarafından gözlemlenen radyasyonun aslında nötron adını verdiği büyük bir parçacıktan kaynaklandığını fark etti. Aynı yıl Dmitri Ivanenko nötronların aslında spin 1/2 parçacıkları olduğunu ve çekirdeğin nötronlar içerdiğini ve içinde elektron bulunmadığını öne sürdü ve Francis Perrin nötrinoların nükleer parçacıklar olmadığını ancak beta bozunması sırasında oluştuğunu öne sürdü. Yılı kapatmak için Fermi Nature dergisine bir nötrino teorisi sundu (editörler bu teoriyi "gerçeklikten çok uzak" olduğu gerekçesiyle reddetti). Fermi teorisi üzerinde çalışmaya devam etti ve 1934 yılında nötrinoyu sağlam teorik temellere oturtan bir makale yayınladı. Aynı yıl Hideki Yukawa, çekirdeğin nasıl bir arada durduğunu açıklamak için güçlü kuvvetin ilk önemli teorisini önerdi.

Fermi ve Yukawa'nın makaleleri ile atomun modern modeli tamamlanmış oldu. Atomun merkezi, güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan nötron ve protonlardan oluşan sıkı bir top içerir. Kararsız çekirdekler, enerjik bir helyum çekirdeği yaydıkları alfa bozunmasına ya da bir elektron (veya pozitron) fırlattıkları beta bozunmasına uğrayabilir. Bu bozunumlardan birinin ardından ortaya çıkan çekirdek uyarılmış bir durumda kalabilir ve bu durumda yüksek enerjili fotonlar yayarak temel durumuna bozunur (gama bozunumu).

Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin incelenmesi, fizikçileri çekirdekleri ve elektronları giderek daha yüksek enerjilerde çarpıştırmaya yöneltti. Bu araştırma, en önemlisi güçlü, zayıf ve elektromanyetik kuvvetleri birleştiren parçacık fiziğinin standart modeli olan parçacık fiziği bilimine dönüştü.

Bir çekirdek yüzlerce nükleon içerebilir, bu da bir miktar yaklaşımla kuantum-mekanik bir sistemden ziyade klasik bir sistem olarak ele alınabileceği anlamına gelir. Sonuçta ortaya çıkan sıvı-damla modelinde, çekirdek kısmen yüzey geriliminden ve kısmen de protonların elektriksel itmesinden kaynaklanan bir enerjiye sahiptir. Sıvı-damla modeli, kütle sayısına göre bağlanma enerjisinin genel eğilimi ve nükleer fisyon olgusu da dahil olmak üzere çekirdeklerin birçok özelliğini yeniden üretebilmektedir.

Ancak bu klasik resmin üzerine, büyük ölçüde Maria Goeppert-Mayer tarafından geliştirilen nükleer kabuk modeli kullanılarak tanımlanabilen kuantum-mekanik etkiler bindirilmiştir. Belirli sayıda nötron ve protona sahip çekirdekler (sihirli sayılar 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) özellikle kararlıdır, çünkü kabukları doludur.

Nükleer fizikteki mevcut araştırmaların çoğu, yüksek spin ve uyarma enerjisi gibi aşırı koşullar altında çekirdeklerin incelenmesiyle ilgilidir. Çekirdekler ayrıca aşırı şekillere (Amerikan futbol topuna benzer) veya aşırı nötron-proton oranlarına sahip olabilir. Deneyciler, bir hızlandırıcıdan gelen iyon ışınlarını kullanarak yapay olarak indüklenen füzyon veya nükleon transfer reaksiyonlarını kullanarak bu tür çekirdekler oluşturabilirler. Çok yüksek sıcaklıklarda çekirdek oluşturmak için daha da yüksek enerjili ışınlar kullanılabilir ve bu deneylerin normal nükleer maddeden, kuarkların nötron ve protonlarda olduğu gibi üçlüler halinde ayrılmak yerine birbirleriyle karıştığı yeni bir duruma, kuark-gluon plazmasına bir faz geçişi ürettiğine dair işaretler vardır.

Nükleer bozunma

Bir çekirdek çok az veya çok fazla nötrona sahipse kararsız olabilir ve bir süre sonra bozunacaktır. Örneğin, nitrojen-16 atomları (7 proton, 9 nötron) yaratıldıktan birkaç saniye sonra oksijen-16 atomlarına (8 proton, 8 nötron) bozunur. Bu bozunmada nitrojen çekirdeğindeki bir nötron zayıf nükleer kuvvet tarafından bir proton ve bir elektrona dönüştürülür. Atomun elementi değişir çünkü daha önce yedi protona sahipken (bu onu nitrojen yapar) şimdi sekiz protona sahiptir (bu da onu oksijen yapar). Birçok elementin haftalarca, yıllarca ve hatta milyarlarca yıl boyunca kararlı olan birden fazla izotopu vardır.

Nükleer füzyon

İki hafif çekirdek birbirine çok yakın temas ettiğinde, güçlü kuvvetin bu ikisini birbirine kaynaştırması mümkündür. Güçlü kuvvetin etkili olabilmesi için çekirdekleri birbirine yeterince yaklaştırmak büyük bir enerji gerektirir, bu nedenle nükleer füzyon süreci yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda veya yüksek yoğunluklarda gerçekleşebilir. Çekirdekler birbirine yeterince yaklaştığında, güçlü kuvvet elektromanyetik itme kuvvetinin üstesinden gelir ve onları yeni bir çekirdek haline getirir. Hafif çekirdekler birleştiğinde çok büyük miktarda enerji açığa çıkar çünkü nükleon başına bağlanma enerjisi nikel-62'ye kadar kütle numarasıyla birlikte artar. Güneşimiz gibi yıldızlar, dört protonun bir helyum çekirdeği, iki pozitron ve iki nötrinoya füzyonu ile çalışır. Hidrojenin helyuma kontrolsüz füzyonu termonükleer kaçak olarak bilinir. Kontrollü bir füzyon reaksiyonundan elde edilen enerjiyi kullanmak için ekonomik olarak uygulanabilir bir yöntem bulmaya yönelik araştırmalar şu anda çeşitli araştırma kuruluşları tarafından yürütülmektedir (bkz. JET ve ITER).

Nükleer fisyon

Nikel-62'den daha ağır çekirdekler için nükleon başına bağlanma enerjisi kütle numarasıyla birlikte azalır. Bu nedenle, ağır bir çekirdek iki hafif çekirdeğe ayrılırsa enerji açığa çıkması mümkündür. Atomların bu şekilde bölünmesi nükleer fisyon olarak bilinir.

Alfa bozunumu süreci, kendiliğinden nükleer fisyonun özel bir türü olarak düşünülebilir. Bu süreç oldukça asimetrik bir fisyon üretir çünkü alfa parçacığını oluşturan dört parçacık birbirine özellikle sıkıca bağlıdır ve bu çekirdeğin fisyonda üretilmesini özellikle olası kılar.

Fisyon sırasında nötron üreten ve aynı zamanda fisyonu başlatmak için nötronları kolayca soğuran en ağır çekirdeklerden bazıları için, zincirleme reaksiyon olarak adlandırılan, kendiliğinden tutuşan bir nötron başlatmalı fisyon türü elde edilebilir. [Zincirleme reaksiyonlar fizikten önce kimyada bilinmekteydi ve aslında yangınlar ve kimyasal patlamalar gibi birçok tanıdık süreç kimyasal zincirleme reaksiyonlardır]. Fisyonla üretilen nötronların kullanıldığı fisyon ya da "nükleer" zincirleme reaksiyon, nükleer enerji santralleri ve ABD'nin İkinci Dünya Savaşı'nın sonunda Hiroşima ve Nagazaki'ye karşı kullandığı iki nükleer bomba gibi fisyon tipi nükleer bombalar için enerji kaynağıdır. Uranyum ve toryum gibi ağır çekirdekler kendiliğinden fisyona uğrayabilir, ancak alfa bozunması yoluyla bozunmaya uğrama olasılıkları çok daha yüksektir.

Nötron tarafından başlatılan bir zincirleme reaksiyonun gerçekleşmesi için, belirli koşullar altında belirli bir alanda elementin kritik bir kütlesinin bulunması gerekir (bu koşullar reaksiyonlar için nötronları yavaşlatır ve korur). Bilinen bir doğal nükleer fisyon reaktörü örneği vardır; bu reaktör 1,5 milyar yıl önce Afrika'da Gabon Oklo'nun iki bölgesinde faaliyet göstermiştir. Doğal nötrino emisyonu ölçümleri, dünyanın çekirdeğinden yayılan ısının yaklaşık yarısının radyoaktif bozunmadan kaynaklandığını göstermiştir. Ancak bunun herhangi bir kısmının fisyon zincir reaksiyonlarından kaynaklanıp kaynaklanmadığı bilinmemektedir.

Ağır elementlerin üretimi

Büyük patlamadan sonra evren soğudukça, bildiğimiz parçacıkların var olması mümkün hale geldi. Büyük patlamada yaratılan ve bugün hala kolayca gözlemleyebildiğimiz en yaygın parçacıklar protonlar (hidrojen) ve elektronlardır (eşit sayıda). Protonlar birbirleriyle çarpıştıkça bazı daha ağır elementler oluşmuştur, ancak bugün gördüğümüz ağır elementlerin çoğu proton-proton zinciri, CNO döngüsü ve üçlü-alfa süreci gibi bir dizi füzyon aşaması sırasında yıldızların içinde oluşmuştur. Bir yıldızın evrimi sırasında giderek daha ağır elementler oluşur.

Nükleon başına bağlanma enerjisi demir civarında zirve yaptığından, enerji yalnızca bu noktanın altında meydana gelen füzyon süreçlerinde açığa çıkar. Füzyon yoluyla daha ağır çekirdeklerin yaratılması enerjiye mal olduğundan, doğa nötron yakalama sürecine başvurur. Nötronlar (yüksüz olmaları nedeniyle) bir çekirdek tarafından kolayca emilir. Ağır elementler ya yavaş nötron yakalama süreci (s süreci olarak adlandırılır) ya da hızlı veya r süreci ile yaratılır. S süreci termal olarak titreşen yıldızlarda (AGB veya asimptotik dev dal yıldızları olarak adlandırılır) meydana gelir ve en ağır elementler olan kurşun ve bizmuta ulaşmak yüzlerce ila binlerce yıl sürer. R sürecinin süpernova patlamalarında meydana geldiği düşünülmektedir çünkü yüksek sıcaklık, yüksek nötron akısı ve fırlatılan madde koşulları mevcuttur. Bu yıldızsal koşullar, birbirini takip eden nötron yakalamalarını çok hızlı hale getirmekte ve nötronca zengin türlerin daha sonra, özellikle de kapalı nötron kabuklarına (sihirli sayılar) sahip daha kararlı nüklitlere karşılık gelen bekleme noktalarında daha ağır elementlere beta bozunmasına uğramasına neden olmaktadır. İşlem süresi tipik olarak birkaç saniye aralığındadır.