Bozunmalar > Çekirdek Bozunmaları

Bozunmalar
Çekirdek Bozunmaları:
Çekirdekler bir kere oluştuklarında, hep öyle aynı kalmıyor, onlar da bozunabiliyor ve bu sırada çeşitli parçacıklar ışınlıyor. Bu ışınlara; hangi parçacıklardan oluştukları ilk keşfedildiklerinde bilinmediğinden; isim olarak Grekçe alfabenin harfleri, ilkinden başlayarak sırasıyla verilmiş. Örneğin bazı çekirdekler, iki nötron ve iki protondan oluşan helyum çekirdeği gibi kocaman parçacıklar ışınlıyorlar. Böyle çekirdeklere sahip atomlardan oluşan bir cismin yaydığı ışınlara 'α ışınları' deniyor. Bazı çekirdeklerse elektron salıyor ve bu tür çekirdeklere sahip cisimlerin yaydığı ışınlara 'β ışınları' denmiş. Bir de çok yüksek enerjili foton salanlar var. Bunlardan yayılan ışınlara da 'γ ışınları' deniyor.
Radyoaktivite denilen bu olay, geçen yüzyılın başında, o zamanki klasik fiziğin karşı karşıya bulunduğu en ciddi sorunlardan birini oluşturuyordu. Çünkü Newton'un klasik mekanik yasalarına göre; eğer bir sistem kararlıysa, hep ayakta kalmalı; yok eğer kararsızsa, örneğin bir bina ayakta duramayısısacak durumdaysa, hemen çökmeliydi. Hem de; bu durumda olan binaların hepsi, hemen hemen aynı anda... Halbuki radyoaktif çekirdekler hiç de böyle davranmıyordu. Kararsız oldukları belliydi, o yüzden parçacık ışıyıp bozunuyorlardı. Fakat radyoaktif bir kütlenin çekirdekleri bunu hep birlikte ve aynı anda yapmak yerine; sıcak bir tavadaki mısırların aralıklarla patlamasında olduğu gibi, zamana yaygın bir şekilde yapıyorlardı. Gerçi zamanla, kararsız çekirdeklerin sayısı giderek azaldığından, söz konusu ışıma zayıflıyor, fakat devam edip gidiyordu. Klasik mekanikle açıklanması imkansız görünen bu durum, kuantum mekaniğinin doğuşunu zorlayan ana etkenlerden birini oluşturdu.

Çekirdeği oluşturan protonlarla nötronların, birbirleri açısından, yaklaşık merkezi bir çekim alanı oluşturdukları ve atomdaki elektronlarınkilere benzer şekilde, farklı enerji düzeylerine karşılık gelen yörünge kabuklarında oturdukları düşünülebilir. Çekirdeğin 'kabuk modeli' denilen bu tasarımda, nötronlarla protonlar, farklı türden parçacıklar oldukları için, bağımsız yörünge şemalarına sahiptirler. Öte yandan her ikisi de, ћ/2 spinleriyle fermion olduklarından, ayrı ayrı kendi yörüngelerini, tıpkı elektronlar gibi; spinleri zıt yönlerde olacak şekilde, çiftler halinde paylaşmak durumundadırlar. Dolayısıyla çekirdek, nötronlarının ve protonlarının hangi yörünge yapısında oturuyor olduğuna bağlı olarak; en düşük enerjili temel durumunda veya uyarılmış enerji durumlarından birinde bulunuyor olabilir. Uyarılmış haldeki çekirdekler, zamanla foton yayarak, daha düşük enerjili durumlara geçiş yaparlar. Işınlanan fotonun enerjisi, arasında geçiş yapılan iki düzeyin enerjileri arasındaki farka eşittir. Çekirdekteki enerji düzeylerinin, hem kendi değerleri ve hem de aralarındaki farklar; atomdaki elektronların enerji düzeylerine oranla çok daha büyüktür. Bu yüzden, çekirdek ışımalarından kaynaklanan fotonların enerjisi veya frekansı, atom ışımalarında görülen fotonlarınkinden çok daha yüksektir. Hem de yüksüz olduklarından, gama ışınları malzemelerde uzun mesafeler katedebilirler ve durdurulmaları, diğerlerine göre çok daha zordur. Bu amaçla, kurşun gibi ağır bir metalden levhalar kullanılır. Nihayet bazı çekirdekler, oluştukları anda uyarılmış durumdadır veya uyarılmış halde oluşmuşlardır. Zamana bağlı olarak, gama ışınları yayarlar. Bazı radyoaktif çekirdeklerin gösterdiği gama etkinliği bundan ibarettir ve kaynağını, nükleonların yörünge yapısını belirleyen güçlü etkileşimden alır. Alfa ışıması biraz daha karışık.

Çekirdek içerisindeki nötronlar ve protonlar, sürekli hareket halindedir. Bunlardan iki nötron ve iki proton bazen, çekirdek sınırları civarında bir araya gelerek, çekirdekten kopma girişiminde bulunur. Ağır çekirdeklerde daha büyük olasılıkla yer alan böyle bir girişimin başarılı olması halinde; hadron dörtlüsü, kendilerini çekirdeğe bağlayan güçlü kuvvet kalıntılarından kurtulur ve çekirdek, helyum çekirdeğinden oluşan bir alfa parçacığı ışınlamış olur.

Söz konusu iki nötronla iki protonun, çekirdek içinde ikenki bağlanma enerjilerinin büyük bir kısmı, alfa parçacığının kinetik enerjisine dönüşür. Kalanı ise, alfa parçacığının, kendi bağlanma enerjisidir.

Parçalanma girişiminin hangi sıklıkta, örneğin saniyede kaç kez yer alacağı ve girişimlerden herhangi birinin başarı şansının ne olduğu, çekirdeğin o anki yapısınca belirlenen, kuantum mekaniksel olasılıklardır. Daha da önemlisi; girişim başarılı olamadığı takdirde, çekirdek hemen hemen eski haline geri döner. Dolayısıyla, çekirdekteki alfa parçacığı oluşumu, örneğin saniyede 1 kez gerçekleşiyorsa ve herhangi bir girişimin başarılı olma olasılığı %10 ise, çekirdeğin parçalanma olasılığı, 10 saniye sonunda 10x0.1=1 olur ve yani %100'ü bulur. Bu durumda, çekirdeğin ömrü 10 saniyedir, ancak buna 'ortalama ömür' demek daha doğrudur. Çünkü gerçek ömür, çekirdekten çekirdeğe değişir ve bazıları ilk girişimde bozunmuş; bazıları ise, 10'cu denemeden sonra dahi, hala bozunamamış olabilir. Öte yandan bir çekirdeğin herhangi bir andaki bozunma olasılığı; daha önce kaç başarısız girişimde bulunmuş olursa olsun; geçmişinden bağımsızdır ve zamanla artmaz. Halbuki, örneğin bir insan yaşlandıkça, bir sonraki yıl ölme olasılığı artmaktadır. Fakat radyoaktif bir çekirdek için, böyle bir yaşlanma durumu söz konusu değildir. Çünkü, başarısız her parçalanma girişiminin ardından eski haline döndüğünden, takvimi sıfırlanmış ve çekirdek yeniden doğmuş gibidir.

Dolayısıyla, daha ilk bozunma girişimine hazırlanmakta olan bir çekirdekle, milyonlarca başarısız girişimde bulunmuş olan bir çekirdeğin, bir sonraki denemelerinde başarılı olma olasılığı eşittir. Ancak, radyoaktif bir kütlede çok sayıda atom bulunduğundan, bu kalabalık çekirdek grubunun zamanla bozunuşu, ortalama olarak; kuantum mekaniksel olasılıklara uygun, boyun eğer biçimde gelişir. Yani çekirdekler farklı farklı davranabilmekle beraber; tek bir çekirdeğin bozunma olasılığının %50'yi bulduğu saniye sonunda, trilyonlarca çekirdeğin, 1-2 eksiği veya fazlasıyla, yarısı bozunmuş olur. Bu süreye 'yarı ömür' denir ve her yarı ömür sonunda, süre başlangıcındaki bozunmamış çekirdeklerin, yarısı daha bozunur. Alfa bozunması, protonların birbirini itme kuvveti sayesinde gerçekleştiği için, kaynağını elektromanyetik etkileşimden alır.

Örneğin U-238, 4.46 milyar yıl yarı ömürlü, radyoaktif bir çekirdektir. Bozunması halinde bir alfa parçacığı ışınlayarak, Th-234 çekirdeğine dönüşür. Açığa çıkan alfa parçacığı ile toryum çekirdeğinin kütleleri toplamı, U-238'inkinden azdır. Aradaki kütle farkı, ürünlerin kinetik enerjisine dönüşür. Başlangıçtaki 1 gramlık U-238 kütlesi, 4.46 milyar yıl sonra yarım grama iner. Ancak, U-238 çekirdeklerinden belli birisi, ilk saniye içerisinde bozunmuş olabileceği gibi, milyarlarca yıl sonra hala bozunmamış da olabilir. Alfa parçacıkları, +2 yüklü olduklarından kolayca, kağıt kalınlığındaki malzeme içinde dahi durdurulabilirler. Beta etkinliği diğerlerinden farklı. Burada çekirdeğin kendisi parçalanmıyor. İçindeki nötronlardan birisi protona dönüşüyor ve bu arada, bir elektronla karşıt nötrinosu ışınıyor. Sonuç olarak, atom numarası 1 artan çekirdek, kimlik değiştirmiş oluyor. Evet: Nötronlar ve diğer karmaşık parçacıklar da bozunabiliyor. Bu bozunmalara; güçlü, elektromanyetik veya zayıf etkileşimlerden, biri veya diğeri yol açabiliyor.