FİZİK

5 Maddede Nükleer Fizik Hakkında Bilmeniz Gerekenler

Nükleer fiziğin doğumundan bu yana bir asırdan uzun bir süre geçti ancak yine de bir çok kişi nükleer fizik hakkında temel düzeyde bile olsa bilgi sahibi değil.

Bu düşünceden yola çıkarak yeni başlayanlar için nükleer fizik ile ilgili bilmeniz gereken beş maddeyi sıralayalım…

1) Nükleer Fizik Nedir? 

Nükleer kelime anlamı olarak çekirdek demektir. Atomdan on bin kez küçük olan atom çekirdeklerinin birbirleriyle olan etkileşimlerinin incelendiği fiziğin bir dalıdır. Diğer bir deyişle çekirdek fiziğidir.

2) Nükleer Enerji Nedir?

Atomun çekirdeğinden elde edilen enerjidir. Einstein tarafından keşfedilen formülle kütlenin enerjiye dönüşmesini (E=mc² ) ifade eder.

Atomdan enerjiyi elde edebilmek için iki tane yol vardır. Bir tanesi bir atoma nötron gönderek atomun parçalanmasıyla birlikte enerji elde edebilmektir ki buna fisyon (parçalara ayrılma) diyoruz.

Örneğin; Uranyum elementine nötron gönderdiğimizde uranyum elementi nötronu yutar ve uranyum parçalanarak iki yeni element oluşturur. Oluşan iki yeni element ile birlikte enerji de açığa çıkar. Uranyumun nükleer fizik alanınında yaygın olarak kullanılmasının nedeni parçalanma özelliği yüksek olmasıdır.

Şekil1: Fisyon Tepkimesi

Atomdan enerji elde etmek için  gerekli olan diğer yol ise birleşme tepkimeleridir. İki tane hafif radyoaktif madde birleştirilerek daha ağır radyoaktif çekirdekler oluşturulur buna da füzyon(parçaları birleştirme) diyoruz. Meydana gelen yeni element ile birlikte enerji de açığa çıkmaktadır. Örnek olarak, döteryum ve tirityum elementleri birleşerek Helyum atomunu oluşturmaktadır.

Şekil 2 Füzyon tepkimesi Kaynak: Fizikolog.com

3) Nükleer Fizik Nasıl Keşfedildi? 

Nükleer fiziğin keşfi ikinci dünya savaşından yaklaşık 50 sene öncesine uzanıyor. William Röntgen gazlarla ilgili deney yaptığı esnada üstü kapalı olan deney setinin dışında aydınlanma fark etti. Deney setini ne kadar kapatırsa kapatsın dışarı ışın çıktığı görüyordu.

Röntgen, deneyi tekrarlasa da ışınların ne olduğunu yorumlayamadı ve bu gizemli ışınlara ‘X ışınları’  adını verdi. Tesadüf eseri bulduğu X ışınları Röntgen’e Nobel Ödülü kazandırdı fakat o dönemde diğer bilim insanları bu ışını anlamak adına çalışmalara başlamıştı bile.

Antoine Henri Becquerel, Paris Doğa Müzesinin müdürüyken renklendirme amacıyla kullanılan Uranyum elemetini ‘X ışını’ yayar düşüncesiyle güneş ışığında bekletti. Uranyum tozlarını siyah kâğıtlara sarıp fotoğraf filmlerinin yanına koydu, gerçekten uranyumdan çıkan ışınlar fotoğraf filmini renklendiriyordu.

Becquerel, 1 yıl boyunca sakladığı uranyum tuzlarıyla çalışmalarına devam etti ve uranyumun hala fotoğraf filmini renklendirdiğini görünce şaşırdı. Aslında Becquerel X ışınlarını ararken radyoaktiviteyi bulmuştu ancak fark edememişti.

O sıralarda Marie Curie doktora tezi için konu ararken Becquerel’in bulduğu ışınlarla çalışmak istedi. Bu çalışmada Becquerelden farklı olarak ışınların özelliklerini ‘elektriksel tekniklerle’ gözlemleyecekti.

Curie, piezoelektrik kristal kullanarak elektroskop konusunda uzman olan eşi Pierre Curie ile çalıştı. Curie ailesi hayli yoğun ve yıllarca süren tehlikeli çalışmalar sonunda radyoaktiviteyi buldu.

Aynı zamanda radyoaktif polonyum ve radyum elementlerini de keşfettiler. Madam Curie henüz doktorasını almadan, 1903 yılında Becquerel ve Pierre Curie ile birlikte Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Atom çekirdeği keşfedilememişken, kâşiflerinin radyoaktivitenin ne olduğunu henüz anlayamaması normaldi. Günümüzde radyoaktivitenin ne olduğunu biliyoruz: Bazı çekirdekler kararsız durumdayken, daha kararlı hale gelebilmek için yüksek enerjili gama ışınları, alfa, helyum atomun çekirdeği ya da beta parçacıkları (elektron) fırlatarak yapısının değişmesi demekti.

Bu bilgiler bize nükleer fiziğin kapısını araladı. 1905 yılında özel görelilik kuramıyla maddenin enerjiye dönüşümünün formüle edilmesi nükleer fiziğe hız kazandırmaya devam etti.

Ernest Rutherford ve öğrencilerinin atom çekirdeğini (1911) ve nötronu (1932) bulması tam anlamıyla çığır açtı. Bu keşiflerle atomun nasıl çalıştığı, ışığı nasıl emdiği ve yaydığı anlaşıldı.

Dahası atom çekirdeğindeki iki etkin kuvveti karşımıza çıkardı: Elektrik yükleri arasındaki elektromanyetik kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet.

4) Atom Bombası ile Nükleer Fizik Bağlantısı Nasıldır ?

Atom çekirdeğinin patentine sahip olan Rutherford’un verdiği bir konferansta dinleyenler arasında bilim insanı Leo Szilard’da vardı. Szilard 1930’ların başında Almanya’yı terk ederek İngiltere’ye göçmek durumunda kalmıştı. Rutherford konuşmasında atom çekirdeğinden enerji sağlamanın mümkün olmadığını söylemişti. Fakat Szilard bunun tam tersini düşünüyordu.

Bir nötronla bir atoma vurulursa atomun parçalanacağı ve iki nötronun serbest kalacağı, böylece zincirleme bir reaksiyon elde edileceği ileri sürüyordu.

Bu konuda patent almak için, içinde “zincir reaksiyon” deyiminin geçtiği makalesiyle 1934’te başvuru yaptı. Szilard ortaya attığı fikrin kötüye kullanılmasını önlemek için patenti gizledi çünkü savaşın yaklaştığını hissetmişti. Szilard’ın talebiyle patent İngiliz Bahriye Nezareti’ne devredilir ve gerçekten de savaş sonrasına dek yayımlanmaz.

Bilim insanı Enrico Fermi 1934 yılında nötronları ağır atom çekirdeklerine çarptırarak daha ağır (uranyum ötesi) çekirdekler bulmaya çalışırken iki tane yeni element keşfetmişti. Bu buluştan Nobel ödülü alsa da istediği sonuçlara ulaşamadığını düşünmüştü. Fermi’nin ausenium ve hesperium diye isimlendirdiği elementler daha sonra savaş esnasında Berkeley Üniversitesi’nin laboratuvarında bulundu ve neptünyum ve plütonyum olarak isimlendirilmiştir.

Fermi 1942’de Chicago Üniversitesi’nde kendiliğinden devam eden ilk zincirleme tepkimeyi gerçekleştirmeyi başardı. Elde edilen güç 0,5 Watt’tır (bir ampulu yakamaz) ama deneysel olarak atom çekirdeğinden enerji elde etmişti.

Peki Fermi’nin 1934 yılında fark edemediği neydi? Aslında daha ağır çekirdekler bulamamıştı, tam tersine çekirdek bölünmesini bulmuştu ama yorumlayamamıştı.

1938’de Alman bilim insanları Ohto Hahn ve Fritz Strassmann, Fermi’nin idda ettiği gibi uranyum ötesi elementleri elde etmek için nötronları uranyum çekirdeğine çarptırdıklarını ve periyodik tablonun ortalarındaki elementleri gördüklerini belirttiler.

Biyolog arkadaşlarından öğrendikleri “fisyon” sözcüğünü ilk defa kullanarak, çekirdeğin iki parçaya bölünebileceğini açıklayan bir makaleyi dergiye yazdılar. Niels Bohr ile kimseye söylememesi şartıyla buldukları sonucu paylaştılar. ABD’ye kaçmakta olan Bohr daha makale yayımlanmadan bilgiyi ABD’ye getirdi.

Artık Szillard’ın zincirleme tepkime fikri artık gündeme gelmişti: Yavaş giden bir nötron, Uranyum-235’e çarpınca değişik ihtimallerle pek çok şey açığa çıkıyordu ve ortalamada 2,5 nötron oluşuyordu. Fermi de 1934 yılında neyi gözden kaçırdığını da anlamıştı.

Szillard tanıdığı bütün fizikçiler ile bağlantı kurarak nötronlar ve uranyum ile yaptıkları deneyleri yayınlamamalarını istedi. Diğer taraftan da, Almanya’nın nükleer silah yapmasından korktuğu için, eski dostu Albert Einstein’i ziyaret ederek, ABD Başkanı Roosevelt’e bir mektup yazmasına ikna etti.

 ‘Nükleer enerji elimizin altında. Savaş kaçınılmaz. Bilim insanlarının bu konuda ne yapması gerektiğine karar vermek Başkan’a düşmektedir.”.

1942’de Fermi ile birlikte Chicago Üniversitesi’nde ilk nükleer reaktörü kurup çalıştırdılar. Böylece ilk denetimli zincirleme çekirdek tepkimesinin gerçekleşmesine katkı sağladı. Artık atom bombasına giden yol döşenmişti.

Szilard 1945’te, Avrupa’da savaş bittiğinde, atom bombasının yapıldığını ve Japonya üzerinde kullanılmak üzere olduğunu anladı. Telaşla ulaşabildiği her yere protestolar yağdırdı ve Başkan Roosevelt’e yazsa da sonuç alamadı; mektup ulaşmadan Roosevelt hayatını kaybetmişti. Ve maalesef İlk atom bombası 6 Ağustos 1945’te Hiroşima’ya atıldı.

Ek okumalar için: 2. Dünya Savaşının Gölgesinde Bilim

5) Nükleer Fizik Hangi Alanlarda Kullanılır?

  • Nükleer enerji elektrik üretiminde de yoğun bir şekilde kullanılmaktadır.
  • Fosillerin yaş tahminlerinde kullanılmaktadır.
  • Yangın alarm sisteminde radyoiztoplar yardımıyla nükleer fiizk kullanılmaktadır.
  • Sağlık alannda teşhisi ve tedavide kullanımı oldukça yaygındır.
  • Teknolojinin gelişmesine önemli katkı sağlamaktadır.

Matematiksel

Aracılığıyla
Szilard’ların trajedisinin kaynağı ne?
Kaynak
Radyoaktiviten Atom Bombasına

Şefika Çokcoşkun

İstanbul Üniversitesi 'Nükleer Fizik' anabilim dalında yüksek lisans mezuniyetim sonrası yazarlık serüvenim başladı. Bilimin hayatın parçalarından biri olduğunu aktarmak her bilim insanı gibi benim de görevim... Okumak, dinlemek, merak etmek, araştırmak hep bir adım daha atmamı sağlıyor. Paylaştıkça çoğalacağımız günler yakındır...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu