BÖLÜM 2: ÇEKİRDEK FİZİĞİNDE TEMEL KONULAR 2.1. ATOM ÇEKİRDEĞİ Rutherford, 1911 de atom çekirdeği modelini şu şekilde tanımladı. Onun tanımına göre atom 2 kısma ayrılmaktaydı. Bunlar pozitif yüklü çekirdek ve etrafını saran elektronlar şeklindeydi. Bazıları çekirdek fiziğin başlangıcını Rutherford un bu buluşuna atfeder. Elektronların özellikleri atomik fiziğin bir konusudur. Çekirdeklerin özellikleri ise nükleer fiziğin konusudur. Her iki alanda birbirleriyle etkileşim içerisindedirler. Diğer bir yandan bazıları nükleer fiziğin başlangıcını 1896 yılında radyoaktiviteyi keşfeden Becqurel e atfetmektedir. Alfa, beta ve gama ışınları çekirdeğin anlaşılmayan dünyasından bize gelen birer bilgi elçileridir. Bu elçiler olmadan çekirdeğin anlaşılması yarım kalacaktır. Uzun yaşam ömürlü Uranyum ve Toryum izotoplarının alfa bozunma enerjileri, şu anki durumlarından birkaç yüz kev daha yüksektedir. Bu bozunmaların yarı ömürleri çok kısa olacak ve böylece dünya katmanlarında bulunamayacak olduklarından Becqurel radyoaktiviteyi keşfedemiyecekti. Rutherford ve arkadaşları alfa parçacıklarını kullanarak atomik çekirdeği keşfetmiş Hahn ve Strassman enerji yüklü alfa parçacıklarını kullanarak uranyum fizyonunu belirlemişlerdir. 1985 yılında bilim adamları evrendeki bütün kuvvetlerin yerçekimi kuvveti ve elektromanyetik kuvvetlerden ibaret olduğunu düşünmüşlerdi. Rutherford bütün pozitif yükleri ve hemen hemen bütün atom kütlelerini içeren oldukça küçük bir atom çekirdeği olduğunu keşfettiğinde, bilim adamları evrende yeni bir kuvvetin olabileceğini ve bu kuvvetin son derece kuvvetli ve kısa menzilli olabileceğini fark etmişlerdi. Son derece güçlü bir kuvvet olduğu tahmini oldukça kabul edilebilir bir durum olacaktır. Zira bu kuvvet çekirdekteki bütün pozitif yükleri bir arada tutan ve Coulomb itmesini yenebilecek kabiliyette kısa menzillidir. Elbette kısa menzillidir, zira 10 14 m den daha uzak mesafelerde gözlenememiştir. İşte bu yeni kuvvetin keşfi bilim dünyasında bir dönüm noktasıdır. Başka bir yirmi yıl içerisinde çekirdeğin beta radyoaktif bozunmaları bu kuvvetlerin varlığını ispatlamış ve başka yeni çekirdek kuvvetlerinin olduğu hakkında yeni bir ipucu vermiştir. Daha sonra yapılan çalışmalar sonucunda bunun, zayıf nükleer kuvvetler hakkında olduğu anlaşılacaktır. Nükleer fizik, maddenin temel yapı taşlarını anlamada, yüksek enerji fiziği disiplinlerini kullanarak, deneysel teknikler geliştirilerek ve teorik metotlar ortaya koyarak tanımlamaya çalışmaktadır. Günümüz nükleer fizikçileri çekirdeklerin kütlelerini, boyutlarını, şekillerini, birbirinden bağımsız ya da nükleonların kolektif hareketlerini anlamaya çalışmakta ve böylece güçlü nükleer kuvvetin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. Mezonlar ve nükleonların birleştirilmesi ve kuark-gluon kuvvetli etkileşim sistemlerinin tanımlanması ve böylece elektro-zayıf etkileşimin test edilmesi standart model adı verilen bir modelle
anlaşılmaya çalışılmaktadır(şekil9 1). Çekirdeğin kendisi bilimsel bir laboratuardır. Birçok kimsenin daha önceden söylediği gibi, nükleer yapının bütün özelliklerini aktarabilecek merkezcil motivasyonlardan bir tanesi, atomik çekirdek olarak tanımlanabilir. Çekirdeğin yapısı kuantum mekaniksel çok cisim problemleri ya da istatistiksel bir sistem olarak karşımıza çıkar. Radyoaktif bozunma çalışmaları, çok kararlı durumlardan egzotik yeni çekirdeklere kadar uzanmaktadır. Egzotik çekirdeklerden maksadımız, yeni hareket şekilleri, yapıları ve bozunma modları gösteren çekirdeklerdir. Çekirdekler arasındaki reaksiyonlarda çekirdeği anlamada birçok ipucu elde edilmektedir. Çekirdekler normalde sıkıştırılamazlar fakat ultra göreceli ağır iyon çarpışmaları ile normal çekirdek yoğunluğunu 5 kattan 10 kata çıkarmak mümkündür. Bu yoğunluk oranı nötron yıldızlarında ve süpernovalarda böyledir. Bu şartlar altında nükleonlar yeni bir faz geçişine doğru gitmekte ve kuark-gluon plazması oluşmaktadır. Kuark-gluon plazma durumu büyük patlamadan hemen sonraki duruma karşılık gelmektedir. Araştırmacılar çekirdek fiziği ile parçacık fiziğini bir araya getirme çabasındadırlar. Nükleer durumlar bugün 10-16 m ile 10 +21 km arasında bir araştırma spektrumuna sahiptir. Sonuç olarak çekirdek fiziği tabi bilimlerin dışındaki araştırmacılara da birçok önemli katkılarda bulunmaktadır. Nükleer tekniklerin uygulanmasıyla nükleer tıp alanında, uzun süreli enerji kaynaklarında ve nükleer silah yapımlarında birçok gelişme kaydedilmiştir.
Bundan sonraki bölümlerde nükleer fiziğin temel konuları hakkında bilgiler verilecektir. Bunlar kısaca çekirdeklerin temel enerji düzeyleri, radyoaktif bozunma kanunları, nükleer kuvvetler, nükleer modeller ve nükleer reaksiyonlar olarak anlatılacaktır. 2.1.1. ATOMİK MERKEZ: ÇEKİRDEK Tipik bir çekirdeğin çapı 10-14 -10 15 m arasındadır. Buna karşın atomun çapı 10-4 -10-5 m dir. Fakat çekirdeğin kütlesi atomun toplam kütlesinin % 99 u kadardır. Çekirdek yoğunluğu 10 17 kg/m 3 ya da 10 14 gr/cm 3 tür. Bu değerler suyun yoğunluğundan yüz milyar kere milyar daha büyüktür. Buna ilaveten çekirdek, atomun bütün pozitif yüklerini içermektedir. Temel olarak elementlerin fiziksel, kimyasal ve ışık radyasyon özellikleri elektronlarla ilişkilidir. Yani atomun çekirdeğinden çok çok uzaktadır. Ortalama olarak elektronlar 10-10 m lik bir yörüngede yerleşiktirler. Günlük yaşantımızda birçok olayı atomik fizikle ilişkili olarak gözlemlerken, nükleer durumları çok nadir olarak gözlemleriz. Bunun bir istisnası maalesef 1945 yılında atılan atom bombasıyla herkes tarafından bilinen bir hale gelmiştir. 2.1.1.1 ÇEKİRDEĞİN OLUŞUMU Nötron keşfedilmeden önce yalnızca elektron ve proton temel parçacıklar olarak bilinmekteydi. Yalnızca bu iki parçacığın düşünülmesiyle çekirdeğin oluşumu açıklamak gün geçtikçe zorlaşmaya başlamıştı. Örneğin 4 He çekirdeğinin kütlesi protonun kütlesinden yaklaşık 4 kat büyüktür ve yükü +2 elektrondur. Eğer 4 He çekirdeği protonlardan ve elektronlardan oluşmuş olsaydı 4 tane proton ve 2 tane elektrona sahip olması gerekirdi. Fakat çekirdeğin boyutu yaklaşık 5 fm dir. Eğer elektron çekirdeğin içindeyse elektronun de Broglie dalga boyu 2d=10 fm den daha az olmalıdır. Böylece momentumu, h p = = h.c / λ.c 1240 fm.mev / 10 fm.c = 124 MeV/c olur. λ Göreceli olmayan durumun kabullenilmesi ile elektronun hızı V = p/m =p.c 2 /m.c 2 =124c MeV / 0.511 MeV = 240c Şeklindedir. Işık hızından yaklaşık 240 kat daha fazla olduğundan bu kabullenme yanlıştır. Göreceli denklem ile ifade edecek olursak; E 2 =(p.c) 2 +(mc 2 ) 2 p.c=124 MeV >> mc 2 = 0.511 MeV, E p.c =124 MeV dir. Fakat deneysel olarak çekirdeğin içinde elektronun bu enerjide bulunduğu gözlenememiştir. Örneğin beta bozunumunda elektronun maksimum enerjisi 18 kev ile bir kaç MeV arasındadır. 124 MeV enerjiye sahip elektronun çekirdeğin içerisinde tutabilecek bilinen herhangi bir nükleer kuvvet yoktur. Eğer çekirdek proton ve elektronlardan meydana gelmişse çekirdek spinini de açıklayamayız. Örneğin 14 N çekirdek kütlesi protonun kütlesinden 14 kat büyüktür ve yükü 7 elektrondur. p-n hipotezine göre 14 tane proton 7 tane elektron ½ spin ile 14 N çekirdeğinde olması gerekir. Eğer çekirdekteki toplam parçacık sayısı 21 ise çekirdeğin spini yarım tamsayı olmalıdır. Fakat 14 N ün spini deneysel yollarla bir birim açısal momentum olarak belirlenmiştir. Benzer argümanlarla diğer çekirdeklerde örneğin 2 H çekirdeğinde de bu son söylediğimizi geçerlidir. Chadwick in nötronu keşfettiği zamandan beri en temel problem hangi parçacıkların çekirdeğin içerisinde olduğudur. Heisenberg, çekirdeği proton ve nötronlardan meydana geldiğini ileri sürmüştür. Nötronun keşfi ile ilgili daha ayrıntılı bilgiler ileride verilecektir. Nötronların ve protonların kütleleri hemen hemen birbirine eşittir. m n =1,008665u,m p =1.007277u
Burada u Atomik Kütle Birimi olup her ikisinin spini ½ dir. Akb 12 C izotopunun kütlesine dayanarak belirlenir ve yaklaşık olarak 12 dir. Heisenberg çekirdeği nötronlardan ve protonlardan meydana gelen nükleonlar olarak adlandırdı. Nötron ve proton farklı nükleon düzeylerine karşılık gelmektedir. Simgesi atomik çekirdeği belirler. Burada N ve Z nötron ve protonlara karşılık gelir. A ise nükleon sayısıdır. A=N+Z olup aynı Z sayısına sahip çekirdeklere izotop, aynı kütle numarasına sahip çekirdeklere izobar, aynı N sayısına sahip çekirdeklere de izoton denir. Tabiatta 3 tane oksijen izotopu karalı halde bulunur. Bunlar 16 O, 17 O, 18 O dir ve bunların atom numarası 8 dir. 2.1.1.2 ÇEKİRDEKLERİN SIRALANIŞI Periyodik tabloda elementler kimyasal özelliklerine göre sıralanmıştır. Ayrıca çekirdekler çekirdek şekillerine, radyoaktif bozunma özelliklerine, sihirli sayılara göre de sıralanabilir. Bazı gösterimler şekil 9-2 de verilmiştir. Şekil9-2 de ki sıralamalar atomik sayı Z ye göre ve nötron sayısı N ye göre verilmiştir. Şekil 9-3 daha geniş bir gösterimle verilmiştir. Tabiatta 325 den fazla çekirdek vardır. Bunların 263 ü kararlı arta kalanları radyoaktiftir. Bazı radyoaktif çekirdekler laboratuar ortamında üretilirler ve bunlara suni çekirdekler denir. Bu zamana kadar tanımlanan çekirdeklerin sayısı yaklaşık 2200 tanedir. Belirlenemeyen 6000 çekirdek arasında sadece bu kadarı belirlenebilmiştir. Çekirdeklerin dizilişlerini inceleyecek olursak hemen hemen kararlı çekirdeklerin tamamı düzgün bir eğri boyuncadır. Bu bölge kararlılık vadisi olarak tanımlanır. Daha özel bir tanım söyleyecek olursak bu bölgeye beta kararlılık vadisi de denir ve bu bölgede bozunmalar olmaz. Hafif çekirdekler için bu eğri N=Z çizgisinde çakışır. Fakat N ve Z nin artmasıyla kararlılık çizgisinden N ye yakın olacak şekilde sapmalar olur. Kararlılık çizgisinin üstünde nötron sayılarının azlığından dolayı radyoaktif bozunmalara karşı çekirdekler kararlıdır. Kararlılık çizgisinin altında ise nötronca zengin bölgeler bulunduğundan ve birkaç proton olduğundan yine aynı şekilde radyoaktif bozunmalara karşı çekirdekler bu bölgelerde kararlıdır. Kararlılık çizgisinin her iki tarafında da proton drip çizgisi ve nötron drip çizgisi limitleri söz konusudur.
Bu limitlerde başka bir proton ya da nötron çekirdeğe bağlanamaz. Böyle bir durum söz konusu olsa bile çok kısa zamanlıdır. Bağlı olmayan proton ve nötronlar çekirdeğin dışındadır. Bir kez kararlılık çizgisinden nötronca zengin ya da nötronca az olan bölgelere doğru çıkılsa bu bölgelerdeki çekirdeklerin yarı ömürleri artarak kısalır ve sıfıra doğru yaklaşır( Şekil9-2). Bu iki drip çizgisinin altında (n ve p drip çizgileri) yaklaşık 6000 çekirdek vardır. Protonca zengin çekirdekler için yukarda bahsettiğimiz kısa yarı ömürlerle ilgili durum geçerli değildir. Coulomb bariyeri, çekirdek içerisinde bağlı olmayan protonları gama yayılımına (10-12 sn) göre çok daha uzun bir süre bir arada tutmaktadır. Ağır iyon reaksiyonlarında üretilen bir çok çekirdek için proton emisyon ile gama emisyon yarışı gözlemlenebilir. Örneğin proton drip çizgisi boyunca egzotik numuneler üretilemezler. (egzotik çekirdeklerin tanımına bakılabilir) Fakat yeni radyoaktif iyon demet hızlandırıcıları bu yeni sınıf çekirdekleri anlamak için bir araç olabilir. Bu çalışmalar nötronca zengin çekirdekler için mümkün olamamaktadır. 1900 lerde yalnızca iki tane temel kuvvet bilinmekteydi. Bunlar yerçekimi kuvveti ve elektromanyetik kuvvettir. Her bir atom içerisinde ince bir kor tabakasının olduğu ve bu tabakanın pozitif yüklerden oluştuğunun keşfedilmesi, ekstra bir kuvvetin varlığını da ortaya koydu. Nükleer yük pozitif birim yüklü protonlardan meydana geldiğinden, Uranyum çekirdeği en az Z=92 proton içermektedir. Coulomb kuvvetinden dolayı 92 tane pozitif yük birbirlerini itmektedir. Zira 10-14 m çaplı bir alan içerisindedirler. Coulomb itici kuvveti bu alan içerisinde olağanüstü büyüklüğe sahiptir. Bir tek proton tipik bir çekirdeğin dışında itici kuvveti, potansiyel enerjisi 100 MeV olacak şekilde hissedebilir. Bu gerçek çekirdeğin içerisinde başka bir kuvvetin olduğunun delilidir. Bu öyle güçlü kuvvettir ki itici coulomb kuvvetini üst üste bindirebilmektedir. Bunun yanında Rutherford saçılma deneyleri Coulomb kuvvetinin çok küçük mesafelerde olduğunu göstermiştir.(10-14 m gönderilen alfa parçacılarının
Çekirdeğe en fazla yaklaşabildiği mesafedir) Bu yeni kuvvet Coulomb itici kuvvetlerini üst üste bindirebildiğine göre bu mesafeden daha kısa menzilli bir kuvvettir. Elbette protonlar arasındaki Coulomb kuvveti çekici nükleer kuvvetlere azaltıcı bir etkide bulunur. Hafif çekirdek bölgesinde Coulomb itme etkisi çok güçlü değildir ve çekirdek N=Z olduğu durumda daha kararlıdır. N lar ve p lar ½ spine sahip fermiyonlar olduğundan dolayı Pauli dışarılıma ilkesine uyarak yalnızca 2 nötron ve 2 proton her bir enerji düzeyinde bulunabilir. Bununla birlikte Z arttıkça durum değişir. Her bir proton çekirdekte diğer protonlarla etkileşim içerisinde olduğundan Coulomb etkileşimi uzun menzilli ve Z x (Z-1) ile doğru orantılıdır. Daha önceden de söylediğimiz gibi nükleer kuvvet çok kısa menzillidir. Bunun anlamı bir tek nükleon komşu birkaç nükleonla etkileşim içerisindedir. Bu etkileşim A ile doğru orantılıdır. Z nin artmasıyla birlikte Coulomb kuvveti nükleer kuvvetten daha hızlı yükselir. Büyük Z ye sahip kararlı çekirdekleri oluşturabilmek için nötron ilave edilmesi ve böylece ekstra nükleer kuvvetlerle itici Coulomb kuvvetin dengelenmesi gerekir. Z(A) arttıkça kararlı çekirdeklerde n sayısı p sayısına nazaran çok daha fazla artmaktadır. Böylece kararlılık çizgisi şekil 9-2 de görüldüğü üzere aşağıya doğru eğilmektedir. Z=83 boyunca Bi,daha fazla nötron ilave etmekle Coulomb itici kuvvetini dengeleyerek kararlı bir çekirdek oluşturamamaktadır. Z=83 ün üzerindeki çekirdekler radyoaktif özellik göstermektedir. Bu radyoaktif bozunmaların yarı ömürleri çok kısadır. Z nin artmaya devam etmesiyle de daha da kısalmaktadır. Bu zamana kadar belirlenen en ağır çekirdek Z =110 ve A=269 numaralı çekirdektir. Bu çekirdeğin yarı ömrü 241 µsn dir. Diğer bir örnek Z=111 ve A=272 olan çekirdektir bunun yarı ömrü 2,04 µsn dir. Bu çekirdekler Almanya da bulunan ağır iyon laboratuarlarında keşfedilmiştir. Z artarken bununla birlikte bazı limit durumları da söz konusudur. Bu limitlerin zorlandığı durumlarda çok çok kısa ömürlü radyoaktif çekirdekler artık tespit edilememekte ve çekirdeklerin sıralanışı bitmektedir. Fakat bu bitiş nerededir? Geçen 20 yıl boyunca Z=114 ile 126 arasında ki bölgelerde kararlı kümecikler bulunduğu önerildi. Ya da en azından uzun yaşam ömürlü elementler süper ağır elementler olarak ortaya kondu. Bununla birlikte Z=110 bölgesinin altında 6000 çekirdeğin olduğu teorik olarak tahmin edilmektedir ve bunların 2200 tanesi belirlenmiştir.