NÜKLEER FİZİK

NÜKLEER FİZİK

NÜKLEER FİZİK
Yapay nükleer süreçlere ulaşmanın son zamanlarda
insan yaşamı üzerinde yarattığı korkunç sonuçlar, «nükleer»
terimine son derece olumsuz simgesel bir değer yüklemiştir:
nükleer silahın geliştirilmesinden bu yana, bu sözcük bazı
ülkelerin insanlığı yok etme gücünü hatırlatmaktadır.
Bununla birlikte, biz fark etmesek bile, doğal nükleer tepkimeler
bizi kuşatan dünyayı derinden derine biçimlendirmektedir.
£SBF (European Synchrotron
Raölation Faci/ity). Elektronlar,
Granoble'dakt (Fransa) bu
senkrotronda önce doğrusal bir
ttzlandınada, sonra dairesel bir
Kündınada S milyar elektronvo/tluk
bir enerjiye kadar h/z/andınlır;
ondan sonra stoklama halkasına
(çevre uzunluğu 884 m) şmngalanır.
Bu elektronlar, maddenin atom
Güzeyinde •gönHmesM sağlayan
senkrotron /sığı yayar.
CSflH'ltıLEP'Inde
gerçekltftlrllen deney:
ttlr Z°"ın bir kuvark, bir karsıkuvark
ve bir gluona bölünmesinden
doğan üç huzmeli bir olay.
iÇiNDEKiLER
ÖZGÜN BiR ALAN
NÜKLEER YAPININ
KARARLILIK SINIRLARI
SiHiRLi SAYILAR
NÜKLEER MADDENiN HAL
DENKLEMİ
NÜKLEER TEPKİMELER VE NÜKLEER MODELLER
Nükleer tepkimeler yaşamın ortaya çıkmasının kuşkusuz uzak ama birinci koşuludur. Mesela, 1930lardan bu yana, güneş enerjisinin, dört protondan bir helyum çekirdeğinin oluşmasına yol açan nükleer parçalanma tepkimelerinden kaynaklandığı bi*linmektedir. Güneşin merkezinde açığa çıkan ışık veya ışın ener*jisi 1,5 kW/W gücündedir ve uzayda yayılıp bize ulaşmadan ön*ce, güneşin yüzeyine kadar kendine bir yol açmak zorundadır. Yanardağ püskürmelerine ve yerkabuğu hareketlerine yol açan dünyanın iç ısısı da nükleer süreçlerden kaynaklanır: bu kez, oluşumu sırasında dünyanın içinde kapana kısılmış radyoaktif maddelerin parçalanması sırasında açığa çıkan enerji söz konu*sudur. Bu radyoaktif rezervler tükendiğinde, hiçbir süreç, dünya*mızın yavaş yavaş soğumasını, dolayısıyla da, bugünkü vaşam biçimlerinin yok olmasını önleyemeyecektir. Nükleer fiziğin tıp*tan tarıma, arkeolojiden sanayiye kadar uzanan pratik uygula*malarına gelince, bunlar, yavaş yavaş bütün etkinlik alanlarına yayılmaktadır.
ÖZGÜN BİR ALAN
191 l'de, Ernest Rutherford, bir atomun içindeki elektrik yük*lerinin mekânda hep aynı biçimde dağılmış olmadıklarını göster*mek üzere, çok önemli bir deney gerçekleştirdi.
Atom çekirdeği
Pozitif elektrik yüklü olan protonlar, atom çekirdeği denilen ve yarıçapı birkaç femtometre (simgesi fm, l fm = l O'15 m) olan hemen hemen küresel küçük bir top oluşturur; elektronlar, çe*kirdekten birkaç on nanometre (l nm = 10'*) uzaklıkta bir ne*gatif elektrik bulutu diye düşünülebilir. Çekirdekte, aşağı yu-kan protonlarla eşit sayıda olan ve elektrik yükü taşımayan nötron adlı parçacıklar bulunduğunun keşfedilmesi için yirmi
168
yıldan fazla beklemek gerekmiştir. Bir nükleon (yani, bir proton veya bir nötron) bir elektrondan yaklaşık l 800 kat ağır oldu- s] ğundan, bir atomun kütlesinin esas bölümü çekirdekte yogimi; taşmıştır; bu nedenle, çekirdeğin özgül kütlesi olağanüstü biz; değer olan 2«10Mg/cm3'e ulaşır; oysa, sıradan bir maddenin öz-. gül kütlesi santimetre küpte bir gramla birkaç gram arasında* ] değişir. Bu veriler göstermektedir ki, çekirdeğin kendine özgü;' bir uzaklık ölçeği vardır ve bu ölçek atomunkinden net bir bi*çimde farklıdır (10 000 kati). Bu uzaklık ölçeğiyle özel enerji ve: zaman ölçekleri de birleşir: bir çekirdeğe bir nükleon eklemek , veya almak birkaç milyon elektrovoltluk (î eV, l V'luk bir ge*rilime tabi olan l elektronunun enerjisidir) enerjileri harekete geçirirken, bir atomun iyonlaştınlması (atomun bir elektron al*ması veya vermesi) birkaç eletrovolt ölçeğinde gerçekleşir. De*mek ki, eşit kütlede, nükleer bir tepkime -ister denetimli (nük*leer santrallar), ister patlayıcı (bombalar) olsun- kimyasal bir tepkimeden l milyon kat fazla enerji üretecektir. Nihayet, ha*reket enerjisine (kinetik enerji) dönüştürülen l MeV'luk bir enerji, eşit hızdaki bir nükleon için, ışık hızının yaklaşık dört*te birine eşittir; oysa, l eV'luk bir enerji, eşit hızdaki bir elekt*ron için ışık hızının binde birine tekabül eder. Böylece, bir nük-leonun, çekirdeğin bir ucundan ötekine geçmesi için sadece l O"32 sn gerekir.
Demek ki, çekirdeğe özgü ve nükleer Eziği tanımlayan bir olay*lar ölçeği vardır. Nükleer fizikten doğan parçacık fiziği, temel par*çacık kavramının karmaşıklaşmasına bağlı olarak, yavaş yavaş ba*ğımsız bir etkinlik durumuna gelmiştir; temel parçacık kavramını, özellikle, yeni parçacıklann bulunması, ardından da temel olduğu sanılan parçacıklann aslında bileşik oldukianmn keşfedilmesine yol açmıştır; maddeyi çekirdekaltı bir ölçekte incelemek için giderek daha güçlü hırlandıncılann geliştirilmesi de gerekmiştir.
Güçlü etkileşim
Pozitif yükler, güçlü elektrostatik itimi karşılayacak güçte bir kuvvet olmadıkça, bu kadar küçük uzaklıklarda kararlı bir biçim*de bir arada var olamazlar. Gerçekten de, bu kuvvet, uzaklığın karesinin tersi olarak değişmekte ve aralarında 2 fm'lik bir uzak*lık olan iki proton, birbirlerini, iki elektronla bir atom arasında etkili olan kuvvetten 10 milyar kat büyük bir kuvvede itmekte*dir. Bundan daha da önemlisi, kuvantik nitelikli etkidir: dar bir mekâna hapsedilmiş olan parçacıklar, bu mekânın boyutunun karesiyle ters orantılı bir kinetik enerji elde ederler: bu enerji, bi*zim iki proton misalinde 10 MeV dolaylarındadır (burada, Hc-isenherg belirsizlik bağıntılarının doğrudan bir sonucu söz konusu-,dur). Bu iki etkiyi karşılayacak bir güç gereklidir. Burada, nükle*er ölçekte tamamen göz ardı edilebilir bir kuvvet olan kütle çe*kimine başvurulamaz: kütle çekimi, bir çekirdeğin içindeki iki proton için, elektrostatik itimden l O34 kat daha zayıfurl
Çekirdeğin bütünlüğünü sağlayan, güçlü etkileşim denen özel bir etkileşimdir, mikroskobik açıdan bakıldığında nükleonlar fi-on veya mezon k denen parçacık alışverişlerinde bulunurlar; bu, kendini, erimi pionun kütlesine doğrudan bağlı olan bütünüyle çekici bir kuvvetle gösterir. 1935'te tasarlanan bu kuramsal sü*reç, yaratıcısı Yukava Hideki'ye. 1949 Nobel Fizik Ödülü'nü ka*zandıracaktır. Pion, 1947'de deneysel olarak saptanmıştır.