Fizik

Nükleer Fizik Hakkında Bilmeniz Gereken Temel Bilgiler

Nükleer fiziğin doğumundan bu yana bir asırdan uzun bir süre geçti. Ancak yine de bir çok kişi konu hakkında yeterince bilgi sahibi değil. Bu düşünceden yola çıkarak yeni başlayanlar için nükleer fizik ile ilgili bilmeniz gereken bazı şeyleri sıralayalım…

nükleer fizik

Öncelikle kelime anlamıyla başlayalım. Nükleer çekirdek demektir. Atomdan on bin kez küçük olan atom çekirdeklerinin birbirleriyle olan etkileşimlerinin incelendiği fiziğin bir dalıdır. Diğer bir deyişle nükleer fizik, çekirdek fiziğidir. Atomun tüm maddelerin yapı taşı olduğunu bu sayfayı okuyan herkesin biliyor olduğunu kabul ediyoruz. Gerçekten çevremizde gördüğümüz her şey atomlardan oluşur. 70 kilogram ağırlığındaki bir insan vücudunda yaklaşık 7.1027 kadar atom bulunur. Ancak atomun içinde büyük miktarda boş alan vardır; başka bir deyişle, bir atom çoğunlukla boştur. Bir atomu dolduran şey atomun çekirdeğidir. Elektronlar çekirdeğin etrafında farklı enerji seviyelerinde dönerler. Çekirdeğin içinde ise proton ve nötron olmak üzere iki temel bileşen yer alır.

Atom numarası, bir atomdaki proton sayısının ölçüsüdür; bir elementin çekirdeğinde sadece 1 protonu (Hidrojen) varsa, atom numarası 1 veya iki protonu vardır, o zaman atom numarası 2’dir (Helyum). daha fazla elektrona sahip bir atomun atom numarası yüksektir ve bu nedenle ‘ağır’ olduğu söylenir. Aslında periyodik tablodaki atom numarası 92’den büyük olan her element ‘ağır element’tir.

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer füzyon, iki veya daha fazla çekirdek, daha ağır bir çekirdeğe sahip yeni bir element oluşturmak için birleştiğinde meydana gelir. Füzyon sırasında madde korunmaz. Bunun yerine maddenin bir kısmının enerjiye dönüşür. Yeni, ağır bir çekirdek oluşturmak için iki veya daha fazla çekirdeğin böyle bir kombinasyonu, muazzam miktarda enerji açığa çıkarır. İşte bu nükleer enerjidir. Bu enerji Einstein tarafından keşfedilen kütlenin enerjiye dönüşmesi (E=mc² ) formüle ile ilişkilidir. 1905 yılında özel görelilik kuramıyla maddenin enerjiye dönüşümünün formüle edilmesi nükleer fiziğe hız kazandırdı. Ernest Rutherford ve öğrencilerinin atom çekirdeğini (1911) ve nötronu (1932) bulması ise tam anlamıyla çığır açtı. Bu keşiflerle atomun nasıl çalıştığı, ışığı nasıl emdiği ve yaydığı anlaşıldı. 

Dünyadaki en olası füzyon reaksiyonu, Hidrojenin iki izotopu, yani Deuterium ve Tritium arasında meydana gelir. Gezegenimizin artan enerji ihtiyacını sürdürülebilir bir şekilde karşılamak zor. Nükleer füzyon (Güneş’e güç veren süreç) bir gün Dünya’da sınırsız, ucuz, temiz enerji kaynağı olabilir ama önemli bir sorun var: Hidrojen atomlarını kaynaştırıp nükleer enerjilerini açığa çıkarmak için gereken yoğun basınç ve sıcaklık koşullarını yaratmak çok zor.

Nükleer Fisyon Nedir?

Bir atomun çekirdeğinin serbest nötronlar, gama parçacıkları ve çok fazla enerji gibi daha küçük atom altı parçacıklara ayrıldığı bir süreçtir. Aşağıda, hızlı hareket eden daha hafif elementler üretmek için bir Uranyum-235 çekirdeğinin nükleer fisyon reaksiyonu verilmiştir. Açıkça görebileceğiniz gibi, nükleer fisyon, nükleer füzyonun tam tersidir. Her iki süreçteki benzerlik, her ikisinin de büyük miktarda enerji salmasıdır. Nükleer fisyon, atom bombaları gibi nükleer silahların çalışmasının arkasındaki temel ilkedir.

Fisyon sırasında salınan enerji miktarı, ‘düzenli’ kimyasal reaksiyonlardan milyon kat daha fazla iken, füzyon sırasında salınan enerji, fisyondan 3-4 kat daha fazladır.

Nükleer füzyon reaksiyonları, güneş ve diğer yıldızlar gibi gök cisimlerinde kendi başlarına meydana gelir. Ancak yapay olarak bir fisyon reaksiyonu gerçekleştirmek için son derece kontrollü koşullar yaratmanız gerekir. Fisyon reaksiyonu esnasında etrafa çok sayıda radyoaktif parçacık yayılır. Her iki işlemin de yapay ortamlarda gerçekleştirilebilmesi için kusursuz ayarlar ve titiz bir uygulama gerekir. Ve vicdanlı bir bakış açısıyla kullanılırsa, hem nükleer fisyon hem de füzyon, Dünya’daki yaşamı sürdürmek için bizlere sınırsız enerji sağlama potansiyeline sahiptir.

Atom Bombası ile Nükleer Fizik Bağlantısı Nasıldır ?

Bu sorunun cevabını anlamak için biraz geçmişe gidelim. Atom çekirdeğinin patentine sahip olan Rutherford’un verdiği bir konferansta dinleyenler arasında bilim insanı Leo Szilard’da vardı. 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.

Fisyon, atom bombalarında; füzyon ise hidrojen bombalarında kullanılmaktadır.

Fizikçi Enrico 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. 1938 yılında Alman kimyacı Otto Hahn ve asistanı Fritz Strassman, Berlin’de yürüttükleri deneyler sırasında, uranyumu nötron bombardımanına tutunca uranyumun neredeyse yarı ağırlığındaki baryum gibi daha hafif elementlerin açığa çıktığını keşfederek nükleer fisyonun gerçekleştiğini gösterdiler.

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

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. Szilard 1945’te, Avrupa’da savaş bittiğinde, atom bombasının yapıldığını anladı. Başkan Roosevelt’e yazsa da sonuç alamadı. Çünkü mektup ulaşmadan Roosevelt hayatını kaybetmişti. Ve maalesef İlk atom bombası 6 Ağustos 1945’te Hiroşima’ya atıldı.

Kaynaklar ve İleri Okumalar:

Matematiksel

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...
Başa dön tuşu