FİZ406 NÜKLEER FİZİK DERS NOTLRI Hazırlayan: Dr. Menekşe ŞENYİĞİT nkara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü 2017 1
Tavsiye Edilen Kitaplar: 1. W. S. C. Williams, "Nuclear and Particle Physics"; (Oxford,1991) 2. Kenneth S. Krane, "Introductory Nuclear Physics"; (John Wiley and Sons, 1988) 3.. Das and T. Ferbel, " Introduction to Nuclear and Particle Physics ", (World Scientific, 2005) Ders İçeriği: 1. Nükleer Fiziğe Giriş Tarihçe ve genel bakış Terminoloji Birimler ve boyutlar 2. Çekirdeğin Genel Özellikleri Elektrik yük dağılımı Nükleer kütle dağılımı Nükleer yarıçap Nükleer bağlanma enerjisi Nükleer spin ve parite Nükleer elektromanyetik momentler 3. Nükleer Kuvvetin Özellikleri Döteron problemi Nükleonlar arasındaki nükleer kuvvetin özellikleri 4. Çekirdek Modelleri Sıvı damlası modeli Nükleer kabuk modeli Kollektif model 5. Radyoaktif Bozunma Radyoaktiflik lfa bozunumu Beta bozunumu Gama bozunumu 6. Nükleer Reaksiyonlar Reaksiyon türleri ve korunum yasaları Rutherford saçılması 2
BÖLÜM 1: NÜKLEER FİZİĞE GİRİŞ Nükleer fizik, atomun çekirdeğini inceleyen bir fizik dalıdır. Döterondan Uranyuma kadar, dünyada neredeyse 1700 çeşit çekirdek bulunmaktadır. Diğer büyük çoğunluk ise laboratuvarlarda üretilmektedir ve yıldızların içerisinde bulunmaktadır. Nükleer özelliklerden sorumlu olan esas kuvvet, güçlü etkileşmeden kaynaklanmaktadır. Diğer yandan, zayıf ve elektromanyetik etkilerin de önemli rolü vardır. 1.1 NÜKLEER FİZİĞİN KIS TRİHİ Nükleer fiziğin başlangıcı 1896 yılında Becquerel tarafından radyoaktivitenin keşfedilmesine dayanmaktadır. (Radyoaktiflik: bazı çekirdekler kararsızdır ve kendiliğinden bozunabilir.) İyi sarılmış fotoğraf plakalarının uygun minerallerin yanına koyulduğunda karardığını kazara farketmiştir. Becquerel fotoğraf plakalarının bazılarının güneş ışığından uzağa konulmasına rağmen, bozulduğunu fark etti. Bu fotoğraf plakaları uranyum numunelerinin yanında bulunmaktaydı. Böylelikle radyoaktifliği keşfetti. Becquerel in keşfinden 2 yıl sonra, Pierre ve Marie Curie maden cevherinden Radyum u (Z=88) ayırmayı başardı. Kısa süre sonra, bu tür aktivitelerle bir elementin kimyasal özelliklerinin değişeceği farkedilmiştir. Bir kaynak bir manyetik alana yerleştirildiğinde, üç farklı olası tipte aktivite vardır, bazı ışınların izleri bir yönde sapmaktadır, bazıları zıt yönde ve bazıları da etkilenmemektedir. Bu ışınlar, alfa, beta ve gama ışınlarıdırlar. lfa ışınlarının pozitif yüklü 4He çekirdeğinden oluştuğu, beta ışınlarının elektron ve pozitronlardan meydana geldiği ve gama ışınlarının net yükü olmayan elektromanyetik radyasyon olduğu bulunmuştur. Elektronların keşfi 1897 yılında J. J. Thomson tarafından yapılmıştır. Katot ışını tüpü denilen havası alınmış bir tüp içerisinde katottan salınan ışınların (katot ışınları) magnetik alan tarafından saptırıldığını gözlemlemiştir. e/m oranını bulmuştur. 1911 yılında Rutherford, çekirdeğin varlığını bir atomun merkezi küçük kısmı olarak tanımlamıştır. tom çekirdeğinin keşfi ise Ernest Rutherford, Hans Geiger, E. Marsden tarafından gerçekleştirilmiştir (1908 1913). Dört helyum çekirdeğinden alfa parçacıklarının çok ince bir altın folyodan saçılmasını gözlemlemişlerdir. O tarihlerde tahmin edilen atom modeline uygun olmayacak şekilde, bazı alfa parçacıklarının düz bir doğrultuda ilerlerken, bazılarının beklenenden daha büyük açılarda saçıldıklarını görmüşlerdir. lfa parçacıkları altın folyodan düz bir doğrultuda geçip gidiyorsa atomun büyük bir çoğunluğu boşluktan oluşuyor demektir. Büyük açılarla saçılıyorsa pozitif yüklü alfa parçacıklarını iten bir şey var demektir. Böylece atomun kütlesinin nerdeyse tamamını oluşturan çekirdeğinin pozitif yüklü olduğunu keşfetmişlerdir. 1920 yılında, birkaç ağır çekirdeğin yarıçapı Chadwick tarafından ölçülmüştür ve 10-14 m basamağında olduğunu bulmuştur. Bakır, gümüş ve altın gibi ağır radyoaktif elementlerden alfa parçacıklarının saçılmasını içeren deneyler yapılmıştır ve ölçülen tesir kesitlerinin, nokta yüklerden Coulomb saçılması için Rutherford formülünün beklenen değerinden farklı olduğu bulunmuştur. James Chadwick ise 1932 yılında nötronu keşfetmiştir. 1920 li yıllardan beri Rutherford tarafından proton kadar ağır bir yüksüz parçacığın var olabileceği öne sürülmüştür. Chadwick 3
polonyum kaynağından çıkan alfa parçacıklarını berilyum hedefine çarptırarak son derece girici bir yüksüz radyasyon elde etmiştir. Bu radyasyon reaksiyon sonucunda açığa çıkan parçacık parafine çarptırılarak gözlenmiştir. Nötron, parafindeki su moleküllerine çarptığında proton açığa çıkar ve bu protonlar detektör (iyon odası) yardımıyla gözlenmiştir. Enerji ve momentumun korunumu denklemlerinden bu reaksiyonda açığa çıkan yüksüz parçacığın en az proton kadar ağır olduğu elde edilmiştir. Çekirdeklerin yapı taşları nötronlar ve protonlardır. Nötron net elektrik yükü taşımadığı ve izole bir parçacık olarak (yeni çekirdeğin dışında) kararsız olduğundan 1932 yılına kadar keşfedilememiştir. Chadwick, Curie ve Joliot tarafından keşfedilmiştir. Çekirdeğin içerisinde yüklü olan parçacıklar sadece protonlardır. Pozitif yüklüdürler. Çekirdeğin içerisinde sadece pozitif yükler olduğu için bir çekirdeğin içerisinde elektromanyetik kuvvet iticidir ve Coulomb kuvvetinden daha güçlü ve çekici olan başka bir kuvvet olmadan nükleonlar birarada tutulamazlar. Bu güçlü etkileşme ile ilk karşılaşmamızdır. Bir kaç önemli olay: 1868 Mendeleev, elementlerin periyodik sınıflandırmasını gerçekleştirdi. 1895 Rontgen x-ışınlarını keşfetti. Röntgen, başlangıçta bu ışınların yapısını tam olarak anlayamadığı için onları, bilinmeyen anlamında X olarak adlandırdı. 1896 Radyoaktifliğin keşfi- Becquerel 1897 J. J. Thomson, katot ışınlarının keşfi, katot ışınları serbest elektronlardır. Elektronun yükünü ve kütlesini ölçtü. 1898 Marie (1867-1934) -Pierre Curie (1859-1906) Polonyum ve radyumu keşfettiler. (1903 yılında Nobel Fizik ödülü aldılar) 1900 Paul Villard= Gamma ışınları 1908 Geiger ve Rutherford alfa parçacıklarının +2 yükünü ölçtüler. 1911 Rutherford Çekirdeğin keşfi 1913 Ernest Rutherford (1871-1937) ve Niels Bohr (1885-1962) ilk atom modeli. Rutherford, aynen gezegenlerin güneş etrafında dolandıkları gibi, elektronların pozitif yüklü çekirdeğin etrafında farklı yörüngelerde dolandığını söyledi. Bohr atomik spektra teorisini geliştirdi. (1908 de Nobel Kimya ödülünü aldı.) 1914 Robinson ve Rutherford alfa parçacıklarının kütlesini ölçtüler. 1924-1928 Kuantum teori gelişmeye başladı. (de Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born, Dirac) 1930-33 Pauli nötrinonun varlığını ortaya koydu, Fermi beta bozunma teorisini açıkladı. 1932 James Chadwick (1891-1974) nötronu keşfetti. 1934 Frederic Joliot (1900-1958) ve eşi Irene Curie (1897-1956) tarafından yapay radyoaktifliğin keşfedilmesi (alimünyum 27, alfa parçacıkları ile bombardıman edildi, açığa nötron ve fosfor çıktı. Fosfor da beta bozunmasına uğrar.) 1935 Bohr un bileşik çekirdek ve sıvı damlası modeli ortaya atıldı. 1935 Bethe ve WeizsÄcker in yarı deneysel kütle formülünü buldular. 1938 Hahn ve Strassman tarafından fisyon olayı keşfedildi. 1938 Bethe ve WeizsÄcker yıldızların enerjisinin termonükleer füzyon reaksiyonlarından geldiğini açıkladılar. 1939 Meitner, Bohr ve Wheeler fisyon olayını teorik olarak açıkladılar. 1934-1938 Nötronlarla deneyler yapılmaya başlandı. 4
Chadwick nötronu elde eden deneyini gerçekleştirdikten sonra, fizikçiler bu tür deneylere yöneldiler. Nötron yüksüz olduğundan atomun çekirdeğine kolayca yaklaşır ve çekirdek tarafından yutulabilir. Bu süreç sonucunda bazen radyoaktif olabilen bir izotop oluşur ve beta bozunması ile başka bir elemente dönüşür. Fermi özellikle bu reaksiyonlarla ilgilendi, uranyum 92 yi nötronlarla bombardıman ederek yeni, yapay elementler elde etmiştir. 1939 enerji üreten cihazların patenti alındı. Fisyonun keşfedilmesinden sonra dünyadaki diğer laboratuarlarda bu deney tekrarlandı ve 1930 lu yıllarda nükleer fizik alanında büyük bir hareketlilik yaşandı. Joliot, Hans von Halban ve Lew Kowarski (1907-1979), fisyon sürecinde ikincil nötronların açığa çıktığını ve açığa çıkan nötron sayısının yaklaşık 3 olduğunu keşfettiler. yrıca açığa çıkan bu nötronların tekrar ortamdaki uranyum çekirdeği ile etkileşerek zincirleme bir reaksiyonla fisyon olaylarının gerçekleştiğini fark ettiler. 1942 Fermi ilk fisyon reaktörünü kurdu. Francis Perrin (1901-1992) ve bir grup fizikçi kritik kütle kavramını açıkladı ve bugünkü nükleer reaktörlerin benzeri bir cihazın patentine başvurdu. Bu araştırma ekibi lman işgali nedeniyle bir iki hafta içerisinde dağıtıldı ve savaş boyunca bu patent sır olarak saklandı. Bu arada çalışmalar İngiltere, Kanada ve US da aktif bir biçimde devam ediyordu. tom silahlarını geliştirmesi ile Nazi lmanya sına karşı bir korku doğmuştu. Bu korku, Leo Szilard (1898-1964) ve Eugune Wigner (1902-1995) in girişimi ile lbert Einstein (1879-1955) tarafından Başkan Roosevelt e 2 ğustos 1939 yazılan bir mektupla dile getirildi. Böylece merika Büyük Manhattan Projesini başlattı. 1945 Hiroşima ve Nagazaki ye atom bombaları atıldı. Bu proje, Robert Oppenheimer tarafından yönetilmiştir, uranyum 235 ve plütonyum 239 elementleri ile çalışmışlardır. 94 Pu elementi üzerinde Fermi çalışmış ancak Glenn Seaborg (1912-1999) tarafından 1940 yılında keşfedilmiştir. Plütonyum ile ilgili deneyler 16 Temmuz 1945 de New Mexico da lamogordo da yapılmış ve daha sonra 9 ğustos 1945 de Nagasaki ye atom bombası atılmıştır. Uranyum 235 ile yapılan atom bombası ise 6 ğustos 1945 de Hiroshima ya atılmıştır. Bir kaç yıl sonra US, Rusya ve kimi gelişmiş ülkeler nükleer enerji ile ilgili bu yarışa katılmış, 1952-53 yıllarında ise bir füzyon ürünü olan Hidrojen bombası üretilmiştir. Nükleer enerji ilk kez 1951 de Chicago da EBR-I denilen küçük bir hızlı (fast) nötron reaktöründe üretilmiştir, 18 Ekim 1945 de Charles de Gaulle tarafından imzalanan bir antlaşma ile CE (tomic Energy Commission) kurulmuştur. 1946 Gamov kozmolojik nukleosentez teoriyi açıkladı. (çeşitli nükleer reaksiyonlar aracılığı ile evrende bulunan değişik nüklitlerin (çekirdeklerin) oluşması) 1953 Salpeter güneşteki temel füzyon olayını açıkladı. 1957 Yıldızların nükleosentez teorisinin Burbidge, Fowler ve Hoyle tarafından açıklandı. 1960 güneşteki nötrinoların detekte edildi. 1987 SN1987a supernovasından gama ışını ve nötrinolar detekte edildi. 1.2. NÜKLEER ÖZELLİKLER tom kavramı ilk kez M.Ö. 450 420 yıllarında Yunan filozofları Democritus ve Leucippus tarafından ileri sürülmüştür. tom sözcüğünün anlamı Yunancada bölünemez demektir. tom bir çekirdek ve elektron kabuğundan oluşur. 5
Çekirdek ise proton ve nötronlardan oluşur. Proton ve nötronların her ikisine birden nükleonlar denir. Protonlar pozitif, elektron ise negatif yüklüdür. tomda proton sayısı elektron sayısına eşittir. Elektronlar çekirdeğin etrafında yörüngede dolanırlar, hafif parçacıklardır. Proton elektrondan 1836 kez daha ağırdır Nötronlar ise yüksüzdür. Çekirdekteki proton sayısı Z ile gösteriler, atom sayısı da denir. Nötron sayısı ise N ile gösterilir. Nötronun kütlesi neredeyse protonun kütlesine eşittir. Bu nedenle atom nötrdür. Proton sayısı ve nötron sayısının toplamına kütle numarası veya atom ağırlığı denir ve yaklaşık olarak atomun kütlesini verir, = N + Z. Kütle numarası olan bir çekirdek, tane nükleon içerir. Herhangi bir çekirdek Z X N ile gösterilir. 12 6C, 16 8O gibi. Elektron sayısı Z yani çekirdekteki elektrik yüklerinin sayısı, elementin kimyasal özelliklerini açıklar. Kimyasal bağlar atomun sadece elektronik yapısını içerir. Elektronlar yörüngelere belli bir kuralla yerleştirilerek Mendeleev tarafından periyodik tablo oluşturulmuştur. Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı elementlere izotop denir. İzotop aynı yer- demektir ve periyodik tabloda aynı konumda bulunan farklı atomları gösterir. İzotopların kimyasal özelikleri aynı olsa bile nükleer özellikleri tamamen farklıdır. Örneğin Hidrojen (, 1, N 0 ) izotopları, hidrojen, deteryum ve trityumdur. (deteryum çekirdeğine deteron, trityum atomunun çekirdeğine ise triton denir.) Deteryum (ağır su) olarak da adlandırılır, kararlıdır. Trityum H 2 1 1 H 3 1 2 Z X 1 1H veya (veya D), ( =2,N =1 ) ağır hidrojen (veya T) ise radyoaktiftir ( = 3,N =2 ). Beta bozunması ile He-3 e dönüşür, yarı ömrü 12.3 yıldır. Nükleer reaksiyonlar sonucu yapay olarak elde edilen izotoplara radyoaktif izotoplar veya radyoizotoplar denir. İzoton, aynı nötron sayısına, farklı proton sayısına sahip çekirdeklere denir. 4 3 13 14 ( 2He 2 ve 1H 2 ; 6C 7 ve 7N 7 ) He, H ve İzobar, aynı kütle numarasına sahip çekirdeklere denir. 3 3 2 1 1 2 seryum) yna çekirdek, N ve Z sayılarının karşılıklı yer değiştirdiği çekirdekler 15 15 7N8 ve 8O 7. 14 14 6Ce 8, 7 7 Na. (Ce 14 14 6C8 8 6 ve O ve İzomer, aynı Z ve N sayısına sahip iki çekirdek (yani aynı sayısına), farklı enerji durumlarında bulunuyorsa nükleer izomerleri oluşturur. Uyarılmış durumları taban durumundan daha yüksektir. İzomer bir çekirdek alışılmadık bir şekilde uyarılmış nötron veya protona sahiptir. İzomer bir çekirdek, çok uzun bir süre uyarılmış durumda kalabilir. Enerji 6
fazlalıklarını gamalar biçiminde salarak, taban durumuna geri düşerler. Bazı durumlarda açığa çıkan gama ışını atomun kendi yörüngesindeki elektronlarından birine çarpar, elektron bu enerjiyi soğurur ve atomdan dışarı atılır. Bu duruma iç dönüşüm denir, kendiliğinden iyonlaşma gibi düşünülebilir. Enerji fazlalıklarını dışarıya verirken spinlerinde önemli değişiklikler olur. Spinleri arasında büyük bir fark vardır. Daha yüksek enerjili izomer metastable izomerdir ve m işareti ile gösterilir. Örneğin 60 60 ve m Co Co 60. Co 60m Ni v, 60m Ni 60 Ni Metastable izomer radyoaktiftir ve gama yayınlayarak taban durumuna ulaşır, radyoaktiftir. İzomere uzun yarı ömre sahip kararsız bir çekirdek de denilebilir. Birkaç piko saniyede (10-12 58 27Co s) oluşur. Örneğin nin yarı ömrü 71 gün iken, bozunmalara izomerik geçiş de denilir. 1.3 NÜKLEER BİRİMLER 58m 27Co nin yarı ömrü 9 saattir. Bu tip Nükleer fizikte en çok kullanılan birim femtometre (fm) dir ve bir fm 10-15 m mertebesindeki uzunluğa karşılık gelir. Bu uzunluk ölçüsüne, İtalyan-merikan nükleer fizikçisi Enrico Fermi anısına fermi denilmiştir. Nükleer enerji milyon electron volt (MeV) birimi ile ölçülür ve 1 ev = 1.602 10 19 J dür. 1 ev, bir tek elektrik yükünün bir voltluk potansiyel farkı altında ivmelenmesi ile kazandığı enerji olarak tanımlanır. SI veya MKS (metre, kg,s) birim sisteminde aşağıdaki birimler kullanılır: Nükleer kütleler atomic kütle birimi cinsinden ölçülür ve kısaca u şeklinde gösterilir. tomik kütle birimi (u veya akb), bir karbon 12 atomunun kütlesinin 1/12 sine eşittir. 1 akb 1,660538782(83) x 10 27 kg. yani yaklaşık olarak bir nükleonun kütlesine eşittir. Nükleer bozunma ve reaksiyonların incelenmesinde genellikle kütleler yerine kütle enerjilerini kullanırız: 1u=931.502 MeV Elektron volt, 1 elektronun 1V luk potansiyel farkı altında kazandığı enerjiye eşittir. 1 ev=1,60218 x 10 19 J. 1 MeV = 10 6 ev dur. Yük Kütle MeV/c Kütle (kg) Kütle (akb) 2 (Coulomb) Elektron -19-1,6 10 Proton + 1,6 10-19 -31 9,1094 10-4 5.48579903 10 0.510998902-27 1,6726 10 1,0072764669 938,272004 Nötron --- -27 1.6749x 10 1,0086649158 939,565334-27 1 akb= 1,66053873 10 kg = 931,494013 MeV/c 2 tomik boyutlar ngström basamağındadır. 1Å = -15 (veya fermi) basamağındadır. 1fm = 10 m. -10 10 m. Nükleer boyutlar ise femtometre Bir gram atomik kütle vagadro sayısı kadar, 6,02x10 23 adet, atom içerir ve 12 gram karbon 1 gr akb 12 içindeki atom sayısıdır ( N ). vagadro sayısı N ile gösterilirse, 7
gram başına atom sayısı.. gram başına elektron sayısı gram başına atom sayısı Bir maddenin N Z N N ile verilir. N sayıdaki atom veya molekül miktarına 1 mol denir. 8