Atom Fiziği ve Radyoaktivite

Atom modellerinin gelişimi

Atom fikri antik Yunan'da Demokritos'a kadar uzanır, ama atomun iç yapısı ancak 19. yüzyılın sonunda incelenebildi. 1897'de J. J. Thomson, katot ışınlarının atomlardan kopan negatif yüklü parçacıklar olduğunu gösterdi ve elektronu keşfetti. Atom nötr olduğuna göre içinde elektronların yükünü dengeleyecek pozitif yük de bulunmalıydı. Thomson, pozitif yükün atomun her yerine düzgün yayıldığı ve elektronların bu yükün içine kekteki üzümler gibi gömüldüğü bir model önerdi (üzümlü kek modeli).

1909–1911 yıllarında Ernest Rutherford'un yönetimindeki Geiger ve Marsden, ince bir altın levhaya alfa parçacıkları gönderdi. Thomson modeline göre bütün parçacıkların çok az sapmasıyla geçmesi beklenirdi. Gerçekte parçacıkların çoğu sapmadan geçti, bazıları saptı ve yaklaşık 8 000'de biri geri döndü. Rutherford bu sonucu, "kâğıt mendile ateşlenen bir top mermisinin geri dönüp size çarpması kadar inanılmaz" diye tanımladı. Bu deneyden şu sonuçlar çıkarıldı:

• Atomun büyük kısmı boşluktur.
• Pozitif yükün tamamı ve kütlenin neredeyse tamamı, atomun ortasındaki çok küçük ve yoğun bir çekirdekte toplanmıştır. Çekirdeğin çapı, atomunkinin yaklaşık 100 000'de biridir.
• Elektronlar çekirdeğin çevresinde dolanır.

Rutherford modelinin ciddi bir sorunu vardı. Klasik fiziğe göre çembersel hareket yapan, yani ivmeli olan bir elektron sürekli elektromanyetik dalga yayarak enerji kaybetmeli ve sarmal bir yol izleyerek saniyenin milyarda birinden kısa sürede çekirdeğe düşmeliydi. Ayrıca bu model, atomların neden yalnızca belirli renklerde ışık yaydığını açıklayamıyordu.

Bohr atom modeli

1913'te Niels Bohr, hidrojen atomu için Rutherford modelini üç varsayımla yeniledi:

1. Elektron çekirdek çevresinde yalnızca belirli kararlı yörüngelerde dolanabilir ve bu yörüngelerdeyken ışıma yapmaz.
2. Her yörüngenin belirli bir enerjisi vardır; enerji kuantumludur (yalnızca belirli değerleri alabilir).
3. Elektron bir yörüngeden diğerine geçtiğinde, iki düzey arasındaki enerji farkına eşit enerjili bir foton yayar ya da soğurur: \(E_{\text{foton}} = h f = E_{\text{üst}} - E_{\text{alt}}\).

Hidrojen atomunun enerji düzeyleri ve yörünge yarıçapları:

Burada \(n = 1, 2, 3, \dots\) baş kuantum sayısıdır. En düşük enerjili \(n = 1\) düzeyine temel hâl, daha yüksek düzeylere uyarılmış hâller denir. Enerjiler negatiftir, çünkü elektron çekirdeğe bağlıdır; sıfır enerji elektronun atomdan koptuğu duruma karşılık gelir. Temel hâldeki hidrojeni iyonlaştırmak için gereken enerji, yani iyonlaşma enerjisi 13,6 eV'tur.

Bir fotonun enerjisi ile dalga boyu arasında kullanışlı bir bağıntı vardır: \(E\,(\text{eV}) \cdot \lambda\,(\text{nm}) \approx 1\,240\). Hidrojende \(n = 3\)'ten \(n = 2\)'ye geçişte yayılan fotonun enerjisi \(13{,}6(1/4 - 1/9) \approx 1{,}89\) eV, dalga boyu yaklaşık 656 nm'dir; bu, hidrojenin karakteristik kırmızı çizgisidir.

Uyarılma ve iyonlaşma

Bir atom iki yolla uyarılabilir:

• Fotonla uyarılma: Foton ancak enerjisi iki düzey arasındaki farka tam olarak eşitse soğurulur. Daha az ya da biraz fazla enerjili fotonlar atomu uyaramaz ve geçip gider. Enerjisi iyonlaşma enerjisinden büyük bir foton ise atomu iyonlaştırabilir; fazla enerji kopan elektronun kinetik enerjisi olur.
• Elektron çarpmasıyla uyarılma: Çarpan bir elektron, enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Elektronun enerjisi bir uyarılma enerjisine eşit ya da ondan büyükse atom uyarılır ve elektron kalan enerjiyle yoluna devam eder.

Uyarılmış atom yaklaşık \(10^{-8}\) s içinde daha düşük düzeylere geçerek foton yayar. \(n\). düzeye uyarılmış bir hidrojen atomu topluluğu, aşağı inerken tüm ara geçişleri yapabilir; yayılabilecek farklı çizgi sayısı:

1914'te James Franck ve Gustav Hertz, cıva buharından elektronlar geçirerek elektronların ancak belirli enerjilerde enerji kaybettiğini gösterdi. Bu deney, atomlardaki enerji düzeylerinin kesikli olduğunun doğrudan kanıtıdır.

Atom tayfları

Sıcak ve seyrek bir gazdan çıkan ışık bir prizmadan geçirilirse kesintisiz bir renk kuşağı yerine yalnızca birkaç parlak renkli çizgi görülür; buna yayınma (salma) tayfı denir. Beyaz ışık, soğuk bir gazdan geçirilip prizmayla ayrıştırılırsa sürekli renk kuşağının üzerinde koyu çizgiler görülür; buna soğurma tayfı denir. Bir elementin soğurma çizgileri, yayınma çizgileriyle tam aynı dalga boylarındadır, çünkü ikisi de aynı enerji düzeyleri arasındaki geçişlerden kaynaklanır.

Her elementin tayf çizgileri, insanların parmak izi gibi kendine özgüdür. Gök bilimciler yıldızların tayflarındaki soğurma çizgilerinden yıldızların hangi elementlerden oluştuğunu belirler. Helyum, ilk kez 1868'de Güneş'in tayfında bilinmeyen bir sarı çizgi olarak keşfedilmiş ve adını Güneş anlamına gelen Yunanca "helios" sözcüğünden almıştır; Dünya'da ancak 27 yıl sonra bulunmuştur. Sokak lambalarının turuncu ve neon tabelaların kırmızı ışığı da sodyum ve neon atomlarının yayınma çizgileridir.

Modern atom modeli

Bohr modeli hidrojen ve tek elektronlu iyonlar için çok başarılıydı, ama çok elektronlu atomların tayflarını açıklayamadı. 1920'lerde geliştirilen kuantum mekaniği, elektronları belirli yörüngelerde dolanan noktasal parçacıklar olarak değil, çekirdek çevresinde belirli bölgelerde bulunma olasılığı olan dalgalar olarak tanımlar. Elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgelere orbital denir. Bohr'un enerji düzeyleri bu modelde de korunur; ama "yörünge" yerine "elektron bulutu" kavramı kullanılır.

Çekirdeğin yapısı

Çekirdek, proton ve nötronlardan oluşur; ikisine birlikte nükleon denir. Bir çekirdek \(^{A}_{Z}X\) biçiminde gösterilir: \(Z\) atom numarası (proton sayısı), \(A\) kütle numarası (proton + nötron sayısı), \(N = A - Z\) nötron sayısıdır. Proton sayısı aynı, nötron sayısı farklı çekirdeklere izotop denir: hidrojenin üç izotopu protyum (\(^1\)H), döteryum (\(^2\)H) ve trityumdur (\(^3\)H). Kimyasal özellikler proton (ve elektron) sayısıyla belirlendiği için izotopların kimyasal davranışları aynıdır.

Çekirdekteki protonlar birbirini elektriksel olarak çok güçlü bir kuvvetle iter. Onları bir arada tutan, protonlar ve nötronlar arasında etki eden güçlü çekirdek kuvvetidir. Bu kuvvet doğadaki en güçlü kuvvettir, ama çok kısa menzillidir (yaklaşık \(10^{-15}\) m); yalnızca birbirine değen komşu nükleonlar arasında etkilidir.

Kütle eksikliği ve bağlanma enerjisi: Bir çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan proton ve nötronların serbest hâldeki kütlelerinin toplamından küçüktür. Aradaki farka kütle eksikliği (\(\Delta m\)) denir. Einstein'ın \(E = m c^2\) bağıntısına göre bu kütle, çekirdek oluşurken enerji olarak açığa çıkmıştır. Çekirdeği nükleonlarına ayırmak için aynı miktarda enerji vermek gerekir; buna bağlanma enerjisi denir:

Bir çekirdeğin kararlılığını gösteren ölçü, nükleon başına bağlanma enerjisidir (\(E_b/A\)). Bu değer demir (\(^{56}\)Fe) çevresinde en büyüktür (yaklaşık 8,8 MeV); demir evrendeki en kararlı çekirdeklerden biridir. Hafif çekirdekler birleşerek (füzyon), ağır çekirdekler bölünerek (fisyon) demire doğru ilerlediğinde nükleon başına bağlanma enerjisi artar ve enerji açığa çıkar.

Radyoaktivite

1896'da Henri Becquerel, uranyum tuzlarının kendiliğinden, karanlıkta bile fotoğraf plakalarını kararttığını keşfetti. Marie ve Pierre Curie bu olguyu ayrıntılı olarak inceledi, polonyum ve radyumu keşfetti ve olguya radyoaktivite adını verdi. Kararsız çekirdeklerin kendiliğinden parçacık ya da enerji yayarak daha kararlı çekirdeklere dönüşmesine radyoaktif bozunma denir. Bozunma; sıcaklık, basınç ya da kimyasal bağ gibi dış etkenlerden etkilenmez.

Beta eksi bozunmasında çekirdekteki bir nötron, bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya dönüşür: \(n \to p + e^- + \bar\nu\). Beta artı bozunmasında bir proton nötrona dönüşür ve bir pozitron ile bir nötrino yayılır. Gama ışıması ise genellikle alfa ya da beta bozunmasından sonra uyarılmış hâlde kalan çekirdeğin temel hâle inmesiyle olur; çekirdeğin bileşimini değiştirmez.

Bütün çekirdek tepkimelerinde kütle numarası ve atom numarası (yük) korunur. Örneğin \(^{238}_{92}\text{U} \to\, ^{234}_{90}\text{Th} + \,^4_2\text{He}\) ve \(^{234}_{90}\text{Th} \to\, ^{234}_{91}\text{Pa} + \,^{0}_{-1}e\).

Bozunma serileri: Ağır bir çekirdek genellikle tek bir bozunmayla kararlı hâle gelemez; art arda alfa ve beta bozunmalarıyla bir bozunma serisi oluşturur. Uranyum-238, on dört basamaklı bir seriyle sonunda kararlı kurşun-206'ya dönüşür. Seride kaç alfa ve kaç beta bozunması olduğu, kütle numarasındaki azalmadan (her alfa 4 azaltır, beta değiştirmez) ve atom numarasındaki değişimden bulunur.

Yarılanma süresi

Radyoaktif bozunma istatistiksel bir olaydır: tek bir çekirdeğin ne zaman bozunacağı bilinemez, ama çok sayıda çekirdekten belirli bir sürede ne kadarının bozunacağı kesin olarak bilinir. Bir örnekteki radyoaktif çekirdeklerin yarısının bozunması için geçen süreye yarılanma süresi (\(T_{1/2}\)) denir:

Her yarılanma süresinde kalan çekirdek sayısı yarıya iner: bir yarılanmada \(N_0/2\), iki yarılanmada \(N_0/4\), üç yarılanmada \(N_0/8\). Yarılanma süresi çekirdeğin cinsine özgüdür ve saniyenin milyonda birinden milyarlarca yıla kadar değişir: polonyum-214 için 164 mikrosaniye, iyot-131 için 8 gün, karbon-14 için yaklaşık 5 730 yıl, uranyum-238 için 4,5 milyar yıl. Örneğin etkinliği (birim zamandaki bozunma sayısı, birimi becquerel) de kalan çekirdek sayısıyla orantılı olarak azalır.

Karbon-14 ile yaş tayini: Atmosferde kozmik ışınlarla sürekli üretilen karbon-14, canlıların yapısına karbon-12 ile sabit bir oranda katılır. Canlı öldükten sonra yeni karbon alınmaz ve karbon-14 yarılanma süresiyle azalır. Bir arkeolojik kalıntıdaki karbon-14 oranının canlı dokudakinin dörtte biri olduğu bulunursa kalıntı yaklaşık iki yarılanma süresi, yani 11 500 yıl yaşındadır. Bu yöntem yaklaşık 50 000 yıla kadar güvenilirdir; daha eski kayaçların yaşı uranyum ve potasyum izotoplarıyla bulunur.

Fisyon ve füzyon

Fisyon, ağır bir çekirdeğin (örneğin uranyum-235) bir nötron soğurarak iki orta büyüklükte çekirdeğe bölünmesidir:

Her fisyonda yaklaşık 200 MeV enerji ve 2–3 yeni nötron açığa çıkar. Bu nötronlar başka uranyum çekirdeklerini bölerek bir zincirleme tepkime başlatabilir. Nükleer santrallerde zincirleme tepkime, nötronları soğuran kontrol çubuklarıyla denetim altında tutulur; açığa çıkan ısı suyu buharlaştırır ve buhar türbinleri döndürür. Bir kilogram uranyum-235'in tamamen fisyona uğraması, yaklaşık 3 000 ton kömürün yanmasıyla elde edilen enerjiyi verir.

Füzyon, hafif çekirdeklerin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturmasıdır:

Füzyon için çekirdeklerin elektriksel itmeyi yenecek kadar hızlı olması, yani milyonlarca derece sıcaklık gerekir. Güneş ve öteki yıldızlar enerjilerini çekirdeklerindeki hidrojenin helyuma dönüştüğü füzyon tepkimelerinden alır; Güneş her saniye yaklaşık 4 milyon ton kütleyi enerjiye dönüştürür. Dünya'da kontrollü füzyon santralleri üzerinde çalışılmaktadır (ITER projesi); füzyonun yakıtı bol, atığı az radyoaktiftir.

Radyasyonun kullanımı ve korunma

Radyoaktif izotoplar tıpta tanı ve tedavide (iyot-131 ile tiroit tedavisi, teknesyum-99m ile görüntüleme, kobalt-60 ile kanser tedavisi), endüstride kaynak ve kalınlık denetiminde, tarımda zararlıların kısırlaştırılmasında, gıdaların ve tıbbi malzemelerin sterilizasyonunda kullanılır. Duman dedektörlerinde küçük bir amerikyum-241 kaynağı bulunur. İyonlaştırıcı radyasyon canlı hücrelerdeki DNA'ya zarar verebileceği için korunmada üç ilke esastır: süre (radyasyona maruz kalınan süreyi kısaltmak), uzaklık (kaynaktan uzak durmak; şiddet uzaklığın karesiyle azalır) ve zırh (kurşun, beton, su gibi soğurucu malzemeler kullanmak).