Becquerel ve Curie’lerin radyoaktifliği keşfetmesi, insanoğlu için atom çekirdeğine giden yolu aydınlattı. Radyoaktifliğin keşfinden sonraki araştırmalar, birinci olarak bu sorunun çekirdek kaynaklı olduğunu gösterdi. İkinci olarak çekirdekten kendiliğinden olan bu yayılmaların kademeli olarak değil, ani patlamalarla olduğu anlaşıldı. Üçüncü olarak da her radyoaktif bozunmada açığa çıkan enerjinin kimyasal tepkimelere göre çok büyük (yaklaşık bir milyon kat) olduğu öğrenildi. Dördüncü olarak her radyoaktif maddenin belirli bir yarı ömrü vardı. Radyoaktif maddenin mevcut herhangi bir miktarının yaklaşık yarısının bozunduğu bu zaman dilimine, onun yarı ömrü denir. Yarı ömür saniyenin kesirlerinden milyarlarca yıla kadar değişir.
Gelelim radoaktif çekirdeklerden yapılan ışımalara, yani alfa (⍺), beta (β) ve gama (?) ışımalarına. Gama bozunumu, gizemli bir şey değildi. Bunlar, yüksek enerjili ışımalardı. Tıpkı elektronların atom içindeki kuantum devinimleri gibi çekirdek içindeki protonların da benzer bir şey yaparak gama ışınları yayabileceği söylenebilirdi. Yani yüksek enerjili (uyarılmış) çekirdekler, gama ışımaları yaparak daha düşük enerjili konumlara inerdi. Buna karşın alfa ve beta ışımalarının nasıl gerçekleşebildiği ise sorunluydu.
Alfa Parçacığı Çekirdekten Nasıl Kurtulur?
Artık biliyoruz, alfa parçacığı denen şey, iki proton ve iki nötrondan oluşur; helyum atomunun çekirdeğidir. Yükü artı 2, kütlesi 4 olan son derece kararlı bir çekirdektir. Bazı ağır çekirdeklerin alfa yayması milyarlarca yıl almaktadır. Bu ilki önemli görünen sorundu: Alfa parçacığı, ebeveyn çekirdekten ayrılmak için neden çok uzun süre beklemekteydi?Başka bir sorun, alfa parçacıklarının kinetik enerjileri de ölçüldüğünde onların çekirdekten kaçıp kurtulamaması gerekiyordu. Bu, çok daha kafa karıştırıcı bir sorundu. Çünkü enerji bakımından olmaz görünen bir olay, hem de kendiliğinden olabilmekteydi. Bu sorunun yanıtı, kuantum mekaniği kullanılarak, ilk olarak Rus asıllı fiikçi George Gamow (1904-1968) ve ayrıca bağımsız olarak Ronald Gurney (1898-1953) ve Edward Condon (1902-1974) tarafından 1928’de verilmiştir.Gamow, Ukraynalıydı, Odessa’da doğdu ve Leningrat’ta öğrenim gördü. Üniversitede Lev Landau, Dmitri İvanenko ve Matvei Bronshtein (bu son kişi, 1937’te tutuklandı, 1938’de Sovyet rejimince idam edildi) ile yakın arkadaş oldular. Gamow, 1928-31 arasında Avrupa’da Copenhagen (Kopenhag) Üniversitesi’nde çalıştı. 1931’de İtalya’da bir bilimsel konferansa katılmasına Stalin yönetimindeki Sovyet devleti izin vermedi. 1934’te ülkesini terk etti ve Amerika’ya göç etti ve orada fizik profesörü oldu. Önce George Washington ve sonra Colorado Üniversitesi’nde çalıştı. Kuantum mekaniği, atom çekirdeğinin yapısı, yaldızların fiziği konularında üretken ve parlak bir bilim adamı ve yazarıydı. 1948’de ünlü Alpher, Bethe ve Gamow makalesini yazdılar (makalenin başlığı, alfa, beta ve gama çağrışımına uyarlanmıştı). Gamow ve arkadaşları, uranyum-238 veya herhangi bir alfa yayıcı çekirdeğin enerji ve kütle durumuna bakıldığında bu yayımın kendiliğinden olamayacağı sonucuna vardılar. Çünkü alfa parçacığı, çekirdeksel güçler tarafından çok sıkı tutulmaktaydı. Daha doğrusu klasik fiziğe göre, alfa parçacığı, bir potansiyel kuyusuna hapsedilmiştir. Yani alfa parçacığının E enerjisi, engel yüksekliğinden daha düşüktür. Alfa parçacığı, çekirdeğin potansiyel kuyusundan çıkamaması gerekir. Oysa bu, kendiliğinden olabilmektedir. Kendiliğinden enerji açığa çıkması ekzotermik bir süreçtir. Bu durumda prensip olarak aşağıdaki tepkimenin olması gerekir:
84Po-214 bir alfa yayarak 82Pb-206 çekirdeğine dönüşür.
Öyleyse alfa parçacığı çekirdekten nasıl kaçabilmektedir?Kuantum mekaniğinde olayların yorumu, olasılıklar düzeyinde ele alınır. Kuantum mekaniğine göre alfa parçacığının potansiyel enerji engelini aşma olasılığı vardır. Buna tünelleme ( potansiyel kuyusu içinde bir tür tünel açma) denir. Dalga fonksiyonu, hem engelin içinde hem de dışında titreşir. Burada kuantum teorisinin sağ duyuyu zorlayan bir örneğiyle karşılaşmış durumdayız; ama bu teorinin çok başarıyla işlediğini söyleyelim
Tünelleme, alfa radyoaktivitesini açıklamada kullanılır. Bu olay, tünel diyot denilen önemli bir katı hal elektronik aygıtın da temelidir. Tünel diyotlar, yüksek kapasitelerde işlem yapabilen ve çok katkılı bir yarı-iletkendir. Çok hızlı anahtarlama yeteneğine sahip olan tünel diyotlar, radyolarda, anahtarlama devrelerinde, osilatörlerde vb. yüksek hız isteyen birçok devrede kullanılmaktadır. Tünel diyot, 1957 yılında Leo ESAKİ tarafından icat edildi. Bunun için bir yarımetal olan germanyum kullanılır. Bunun yanı sıra GaAs ve Si da tünel diyot yapmak için kullanılabilir. Yine 1980’lerde keşfedilen ve atomları tekil düzeyde görmemize ve manipule etmemize yarayan taramalı tünelleme mikroskopu (STM: stanning tunelling microscope) bu ilkeye göre çalışmaktadır. Hayaletsi görünen bu tünel etkisi, çağdaş bilgisayarlar ve diğer elektronik aygıtlar için esastır. Onun deneylerle uyuşan bir matematiği olduğunu da hatırlatalım.
Beta Bozunması
Beta parçacıkları, bir nükleer bozunmada çevreye saçılan bildiğimiz elektronlardır (ya da onların antiparçacığı olan pozitronlardır). Beta bozunmasının en basit örneği, çekirdek dışındaki ‘serbest’ nötronun, proton ve elektrona dönüşmesidir (bozunması). Sayısız ölçüm, hem enerjide hem momentumda şöyle bir sorun göstermekteydi: Bozunma ürünleri olan elektronun ve protonun enerjileri, başlangıçtaki nötronun enerjisinden daha küçük çıkmaktadır! Proton ve elektronun momentum vektörleri de sırt sırta değildi. Enerji ve momentum kayboluyordu! Enerjinin ve momentumun korunumu yasaları işlemiyor muydu?!
Aslında nötronun çekirdek içinde bulunması da dikkate alınınca sorun daha da karmaşıklaşıyordu. Elektronun çekirdekte işi neydi? İlk anlayışa göre protonlarla birlikte çekirdekte yer aldığıydı. Fakat, kuantum mekaniği, elektronun çekirdek içinde bulunamayacağını, bulunma olasılığının sıfır olduğunu söyler. Belirsizlik ilkesi, bu durumu yasaklar. Bu ilkeye göre elektronun çekirdek içinde olması, konum belirsizliğinin çok küçük, momentumdaki belirsizliğin çok büyük olacağı anlamına gelir. Bu durumda elektron, çekirdekte bulunamayacak kadar yüksek kinetik enerjiye sahip olacaktır. Bu birincisi. İkinci olarak ölçümler, radyoaktif çekirdekten fırlatılan ve elektronların enerjisinin çekirdeğin kaybettiği enerjiden daha az olduğunu göstermiştir. Ya enerji görünmez olup kaçıyor, ya da enerjinin korunumu yasası bu alanda geçerli değil!
Üçüncü bir sorun da çekirdeklerin beta bozunumu öncesindeki ve sonrasındaki spin durumlarıyla ilgili. Çekirdeğin spinini ölçen bilim insanı, onun içindeki yarım spinli parçacıkların tek sayılı mı yoksa çift sayılı mı olduğunu söyleyebilir. Beta ve pozitron bozunumuna birer örnek verelim:
Beta yayımı: C-14 beta yayıyor N-14’e dönüşüyor:
Pozitron yayımı: C-11 pozitron yayıyor, B-11’e dönüşüyor:
Beta bozunumundaki sorunların çözümü iki hamleyle mümkün oldu. Birincisi Avusturyalı Wolfgang Pauli’den (1900-1958, Nobel Fizik 1945) geldi. Pauli, elektron fırlatılırken onunla birlikte, elektron gibi yarım spinli ve küçük kütleli; ama yüksüz bir parçacığın ayrıldığını ileri sürdü ve bu parçacığı da nötrino olarak adlandırdı. Bu öneri, yukarıda andığımız üç sorundan ikisini (enerjinin korunumu ve çekirdek spinini) çözdü; ama teorik bir parçacık varsayımı ile. Pauli, bu önerisini 4 Aralık 1930’da yapmıştı. Aradan iki yıldan daha az bir süre geçmişti ki 1932’de nötron bulundu. Sorunların üçüncüsü için Enrico Fermi (1901-1954, Nobel Fizik 1938),1933’te net bir etkileşim teorisi geliştirdi (Fermi, teorisine ilişkin açıklamayı Aralık 1933’te İngiliz bilim dergisi Nature’a gönderdi; ama makalesi “okurların ilgisini çekmeyecek kadar gerçeklikten uzak spekülasyonlar içerdiği” gerekçesiyle geri çevrildi). Fermi, Pauli’nin nötrinosunu aldı. Kısa bir süre önce Heisenberg’in ortaya attığı görüşü, yani çekirdeğin iki yapı taşını proton ve nötron olarak kabul eden, böylece elektronları çekirdek dışına çıkaran yaklaşımı da benimsedi: Çekirdekten elektronla (beta) birlikte aynı anda bir de nötrino (aslında bir antinötrino) yayıldığını düşündü, bunu bir matematiksel yapıya kavuşturdu. Özetle şöyle dedi: “Elektronlar ve nötrinolar yaratılabilir ya da yok olabilir… Ağır ve hafif parçacıklardan oluşan sisteme ilişkin Hamilton fonksiyonu öyle seçilmelidir ki, nötrondan protona her geçişe bir elektron ve bir nötrino yaratımı eşlik etsin. Tersine sürece, yani bir protonun değişip nötron haline gelmesine de bir elektronun ve bir nötrinonun yok oluşu eşlik etmelidir.”
Yani elektron, çekirdekte bulunmuyor; nötronun bozunma ürünü olarak doğuyor. O günden beri kuantum fiziğinin merkezine şu görüş yerleşti: Küçük ölçekli dünyada etkileşimler, parçacıkların yaratılışı ve yok oluşu ile olmaktadır. Pauli ve Fermi’nin ilk nötrinosu, elektron anti nötrinosuydu ve ilk olarak 1956 yılında gözlenebildi: Frederick Reines ve Clyde Cowan, 1956’da tasarladıkları cihaz yoluyla milyarlarca nötrinodan rastgele birini (aslında bir antinötrino idi) yakalamayı başardılar. Bir kere daha olasılıkla karşılaşıyoruz. Milyarlarca özdeş parçacıktan çok azı da olsa yakalanabilir. Modern terimlerle bir nötron boş uzayda bir proton, bir elektron ve antielektron nötrinosuna bozunur. 1962’de Leon Lederman, Mel Schwartz ve Jack Steinberger, elektron nötrinolarından farklı olarak muon nötrinolarını keşfettiler. 2000 yılında da tau nötrinosu keşfedildi: Bugün en azından üç çeşit nötrino olduğunu biliyoruz; üç lepton ve onların üç nötrinosu var: elektron, muon ve tau; elektron nötrinosu, muon nötrinosu ve tau nötrinosu. (atomevren.com)
Yorum Ekle