Düşen Elmanın Fiziği

Güneş’teki Fizik
Güneş’in Kimlik Kartı:
Doğum Yeri: Evren
Annesi:
Büyük Patlama (Big Bang)
Kütlesi:
1,99 x 1030 kg
Yarıçapı:
6.96x108 m
Yaşı:
4.5 x 109 yıl
Açısal Hızı: 2,87 x106 radyan/saniye
Çekim İvmesi: 274 m/s2
Yeryüzüne Ortalama Uzaklığı:149,5 milyon km
(1,495 x 1026 m)
Yüzey Sıcaklığı: 5778 K
Çekirdeğinin Sıcaklığı: 1,57x107 K
Yüzeyinden yayınladığı enerji: 4,5 x 1026 W (W=J/s)





Güneş kendi ekseni etrafında saatte
70 000
km hızla döner.
Güneşin kendi ekseni etrafında tam bir turu
yaklaşık 25 gündür.
Güneş’ten çıkan enerjinin 2,2 milyarda 1’i
yeryüzüne ulaşır ve geriye kalan enerji uzayda
kaybolur.
Güneş’in üç günde yaymış olduğu enerji,
Dünya’daki tüm petrol, ağaç, doğal gaz v.b.
yakıta eşdeğerdir.
Güneş ışınları yaklaşık 8,44 dakikada yeryüzüne
ulaşır.
Bu süre doğru mu? Bu süreyi
hesaplayalım.
Dünya
Güneş
X=1,495 x 1011 m
X = c t , c=3x 108 m/s (Işık hızı)
t= X/c = 1,495x1011/3x108
= 498,333 saniye
= 8,311 dakika

Uzun yıllar öncesinde de insanoğlu bu
gerçeği benimsemiş olsa gerek ki çok sayıda
uygarlık Güneş’i tek ya da en büyük Tanrı
olarak kabul etmiş, güneş tutulmasını bir
felaket olarak görmüş, Güneş’e kurbanlar ve
armağanlar adayarak Güneş ile aralarını
hoş tutmaya çalışmışlardır.

Güneşin bu muazzam kütle ve boyutlarına
karşın evrendeki önemsiz sayılabilecek orta
boyutlardaki yıldızlardan biridir.



Güneş yoğun toz ve gaz bulutlarından oluşur.
Güneş, Güneş sisteminin merkezinde yer alan bir
yıldızdır. Güneş, tek başına Güneş sistemi kütlesinin
%99,8 ‘ni oluşturur. Geri kalan kütle Güneşin
çevresinde dönen gezegenler, asteroitler(gök cisimleri),
gök taşları, kuyruklu yıldızlar ve kozmik tozlardan
oluşur.
Güneş:


Güneş’in nasıl oluştuğu ve zamanla ne olacağı
kozmolojinin uzun yıllardır yanıtlamaya çalıştığı
ve aslında evrenin doğuşu ve ne olacağı ile
yakından
ilgili olan iki temel sorudur.
Kozmolojinin diğer konularda olduğu gibi
Güneş’in doğuşu ve olası ölümü ile ilgili bir dizi
teori vardır.
Güneş’in doğuşu ile ilgili teoriler bu olayın
günümüzden yaklaşık 4 ya da 5 milyar yıl önce
olduğunu ve ‘‘Büyük Patlama’’ dan arda kalan
büyük bir toz ve buhar bulutunun herhangi bir
şekilde sıkışmaya başlamasından kaynaklandığını
kabul eder.
Binlerce yıl süren sürekli bir sıkışma sonucunda
bulutu
oluşturan
parçacıkların
arasındaki
mesafenin azalması, dolayısıyla parçacıklar arası
çekim kuvvetlerinin artmasıyla ve dolayısıyla
basıncın artması sonucunda sıcaklık artmaya
başlamıştır. Artan sıcaklık merkezdeki kütleyi
buharlaştırınca, oluşan buhar basıncı, merkeze
doğru olan ve çekimden kaynaklanan çöküşü
dengelemeye başlamıştır. Böylece Güneş’in ‘ilk
yılları’ tamamlanmıştır. Doğal olarak bu ‘ilk
yıllarda’ Güneş’in çapı, bugünkünden çok daha
büyüktü ve buna bağlı olarak da ortalama
yoğunluğu daha azdı. Aslında çok yoğun olan
merkez dışındaki toz ve buhar tabakası bugünkü
Güneş Sistemi’nin çok ötesine uzanıyordu. Öne
sürülen teorilere göre, Güneş’in çöküşü sonucu
daha küçük boyutlara inmesi milyonlarca yıl sürdü.
Bu arada sürekli olarak iç basınçla, dış tabakaların
merkeze yaptığı çekim basıncı birbirini
dengelemeye devam etti.
Bu teorilerde güneş
enerjisinin kaynağı olan nükleer reaksiyonların
başlaması için gerekli olan 10 milyon santigrat
derece sıcaklığa erişilmesinin on milyon yıl kadar
sürdüğü savunulmaktadır. Nükleer reaksiyon
başladıktan sonra bu reaksiyonun oluşturduğu ve
merkezden yüzeye doğru olan muazzam basınç,
çekim
kuvvetlerinden doğan dış basıncı
dengelemeye başlamış ve Güneş gerçek anlamda
kararlı bir yıldız olmuştur.
 Güneşin doğuşundan bu yana, yani 4-5 milyon
yıldır nükleer reaksiyonlarının sürdürebilmesi
için gerekli yakıtın ne olduğu ve bunun hangi
reaksiyonlarla
enerjiye
dönüştürüldüğü
sorularının yanıtları, 1930’lu yıllarda C.F. Von
Weizacker ve H. Bethe’nin Güneş’in nükleer
füzyon ile hidrojeni sürekli olarak helyuma
çevirdiğini kanıtlamalarına dek bekledi.
 1 saniyede 700 milyon ton hidrojen helyuma ve
4,9 milyon tonluk bir kütle Einstein’ın ünlü
E = mc2 eşitliğine göre enerjiye dönüşür.
m : Kütle, c : Işığın boşluktaki hızı
Her geçen saniye Güneş 4,9 milyon tonluk kütle
kaybından dolayı hafiflemektedir.
Güneşteki
füzyon olayı sonucunda kızıl
kırmızımsı bir alev 15-20 bin km yükselir ve Güneş
fırtınası meydana gelir.
Füzyon, iki çekirdeğin büyük bir güçle bir araya
getirilip birleşmesi ile oluşan ekzotermik bir nükleer
reaksiyondur. Ekzotermik reaksiyonlarda ısı açığa
çıkar. Füzyon olayında küçük kütleli iki atom
çekirdeği, çekirdekleri artı(+) yüklü protonların
birbirlerini itmelerini yok edecek dış bir enerji
verilerek (ısı enerjisi) birbirlerine öylesine
yaklaştırılırlar ki (1x10-15 m) bu küçük mesafelerde
etkin olan çekici nükleer kuvvetler itici elektriksel
kuvvetleri tamamen yenerler ve iki atom çekirdeği
birbirlerine kaynayarak yeni bir çekirdek
oluştururlar. Yeni çekirdeğin kütlesi, Einstein’ın
yukarıda verilen eşitliğiyle enerjiye dönüşür. Bu
hidrojen
bombası
dediğimiz
Termonükleer
bombanın çalışma ilkesidir. Güneş’teki enerji kaynağı
da
bir
dizi
nükleer
füzyon
olayından
kaynaklanmaktadır. Güneş’te süregelen füzyon
reaksiyonun şematik gösterimi:
ve füzyon reaksiyonu:
1
1
2
0
1 H 1 H 1 H  1 e
2
1
3
1 H 1 H  2 He 
3
2
   0,4MeV
  5,5MeV
3
4
1
1
H  2 H  2 He1 H 1 H
 12,9MeV
Tüm bu proton-proton çevriminin net etkisi
dört protonun bir helyuma dönüşmesidir:
411H 24 He 210 e  2  24,7MeV
(İki pozitron hemen iki elektronu bulup yok
olurken 2,0 MeV enerji daha açığa çıkarır,
böylece toplam enerji 27 MeV olur.)
İlk aşamada iki hidrojen atomu çekirdeği yani iki
proton birleşerek hidrojenin ağır bir formu olan
bir proton bir nötrona sahip döteryum (2H)
oluştururlar. Döteryumun oluşum sürecinde,
protonlardan birisi pozitronunu yani artı yüklü
elektronunu
kaybederek,
yüksüz
nötrona
dönüşmüştür. Bu pozitron, çekirdeğin çevresinde
dolaşan elektronlardan birisiyle birleşerek gamma
ışını yayar. İkinci aşamada bir başka proton ilk
aşamada oluşan döteryumla birleşir ve hafif
helyum olarak bilinen 3He’u oluşturur.
Bu
reaksiyon sırasında da bir gamma ışını salınımı
olur. Daha sonra, iki tane hafif helyum çekirdeği
birleşerek, iki proton ve iki nötrondan oluşan
normal 4He’u oluştururlar. Reaksiyondan çıkan iki
proton aynı reaksiyonu yeniden başlatmak üzere
serbest kalırlar. Reaksiyon sırasında enerjiye
dönüşen kütle, helyum çekirdeğinin kütlesinin
binde 7’si kadardır.
Bu reaksiyonlar sonucu, çekirdeğin 20 milyon
Kelvin mertebesinde yüksek sıcaklık meydana gelir.
Bu sıcaklıkta madde, atom ve molekül halinde
kalamaz. Elektron salan atomlar iyon haline
gelirler. İyon ve elektronlardan meydana gelen
maddenin dördüncü hali olarak bilinen, çok yüksek
sıcaklıktaki bu gaz ortamına Plazma denir.
Güneşin katmanları:
Güneş çekirdeğinden çıkan ısı radyasyonu(ışıması),
Güneş yüzeyine yakın bölgelerindeki hidrojen
iyonları tarafından soğrulur. Güneşin parlak,
beyazımsı görünür diskine ışık küre(fotosfer)
denir. İyon tabakası tarafından soğurulan ısı ışık
küresi tabakası tarafından yayılır. Işık küre tabakası
6000 K sıcaklıkta devamlı elektromanyetik dalgalar
şeklinde enerji yayarlar. Güneş’te saniyede 657
milyon ton Hidrojenin, 653 milyon ton Helyum’a
dönüşmektedir. Bu yolla Güneş yaklaşık 4x1029
MW güç üretilirken bir günde 50 trilyon hidrojen
helyuma dönüştürür. Güneş’ten yayılan bu enerji
Dünya’ya yaklaşık 8,44 dakikada ulaşır.

Güneş, bugünkü gibi ışık yaymasını ileri sürülen bir
teoriye göre 5x109 yıl daha sürdürülecektir. Sonra
dünya yörüngesini aşacak kadar büyüyerek dev bir
kırmızı (kırmızı dev) dönüşecektir. Daha sonra ise,
dünyadan büyük beyaz bir yıldız (beyaz cüce) haline
gelecektir. Daha sonra da tamamen sönerek siyah,
soğuk bir cisim haline gelecektir.



Dünya’ya ulaşan enerjinin büyük bir bölümü
atmosfer tarafından yansıtılırken bir bölümü
süzülerek yeryüzüne ulaşır.
Yeryüzüne ulaşan güneş ışınları atmosfer alt
tabakalarının ısınmasını sağlar. Buna bağlı olarak
ısınan atmosfer tabakasında hareket oluşur.
Isınan hava molekülleri yükselir. Yükseldikçe
soğuyan hava molekülleri alçalır. Hava
moleküllerinin hareket etmesiyle oluşan rüzgar
ise ısının Dünya’ya dağılmasına yardımcı olur.
Güneş, Dünya’nın aynı bölgesine eşit miktarda
ısı gönderdiği halde denizler karalara oranla geç

ısınıp soğumaktadır. Bunun sonucunda
denizlerin sıcaklıkları karalara oranla farklılık
gösterir.
Güneş’ten gelen ısı Dünya’ya birim alana aynı
miktarda ulaşır. Ancak Dünya’nın ekseninin 23o
27’ eğik oluşu farklı sıcaklık değerinin ortaya
çıkmasını sağlar. Ayrıca Dünya’nın kendi
etrafında dönüşü, yeryüzündeki jeolojik yapı,
denizler, Güneş’e olan uzaklık vb. faktörler
sıcaklık farkı oluşumuna yardımcı olur.
Güneş'ten yayılan enerji Dünya’ya
nasıl ulaşır?
Isı geçişi üç farklı biçimde gerçekleştirilebilir:
1. İletim(kondüksiyon): Bir maddenin, enerjisi
daha fazla olan moleküllerinden yakınındaki diğer
moleküllere, moleküller arasındaki etkileşim
sonucunda enerji geçişidir. İletim katı, sıvı veya gaz
ortamlarında gerçekleşebilir.


Sıvılarda ve gazlarda iletim, moleküllerin rastgele
hareketleri sırasında birbirleriyle çarpışmaları
sonucu oluşur.
Katılarda ise moleküllerin sabit düzen içindeki
titreşimleri ve serbest elektronların hareketleri
sonucunda gerçekleşir.
2. Taşınım (konveksiyon): Katı bir yüzeyle onun
temas ettiği akışkan bir ortam arasında gerçekleşen
ısı geçişidir. İletimin ve akışkan (gaz veya sıvı)
hareketinin ortak sonucu olarak gerçekleşir.
3. Işınım(radyasyon): Maddenin atom veya
moleküllerinin elektron düzeninde olan değişimler
sonucunda yayılan elektromanyetik dalgalar veya
fotonlar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır.
 İletim ve taşınımdan farklı olarak, ışınımla ısı
geçişi cisimler arası boşluk olması durumunda
da gerçekleşir. Işınımla ısı geçişi ışık hızında
gerçekleşir.
 Sorunun cevabı: Güneş enerjisinin yeryüzüne
ulaşması ışınımla olmaktadır.

Maddenin yapısına yönelik ilk çalışmalar MÖ
460 ‘lı yıllara rastlar. O yıllardan günümüze kadar
pek çok bilim insanı atom ve atomun yapısı
hakkında birçok çalışma yapılmıştır. Bunun
sonucunda atomun yapısına dair farklı modeller
geliştirilmiştir.

Yirminci yüzyılın başlarında yapılan deneysel
çalışmalar sonucunda, maddenin yapı taşı sayılan
atomun daha küçük parçalardan oluştuğu
anlaşılmıştır. Alman Fizikçi Otto Hahn ile
Avusturyalı Fizikçi Lise Meither çekirdek
bölünmesini keşfetmiştir.

Fransız Fizikçi Henri Becquerel tarafından
keşfedilen nükleer enerji, çekirdek bölünmesi
(fisyon) ya da çekirdek kaynaşması (füzyon)
reaksiyonlarıyla oluşur. Bunların her ikisi de
çekirdek tepkimesidir.
Fisyon: Ağır bir atom çekirdeğine yüksek hızlı
parçacık yollanarak çekirdeğin parçalanması
olayıdır.
235
1
236
148
85
1
U

n

U

La

Br

3
92
0
92
57
35
0 n  enerji
Füzyon: Hafif iki çekirdeğin yüksek sıcaklık ve basınç
altında ağır çekirdek oluşturulmasıdır. Bunun
sonucunda büyük bir enerji açığa çıkar. Füzyon
olayının gerçekleşmesi için 108 K gibi yüksek
sıcaklığa ihtiyaç duyulur. Fisyon’dan farklı olarak,
geride bir radyoaktif ürün kalmaz.
2
3
4
1
H

H

He

1
1
2
0 n  enerji


Kritik kütle: Bir bölünebilir madde içinde bir
zincirleme tepkimeyi sürdürebilmek için gerekli
plan en küçük kütle. Nükleer yakıtlar, kritik altı
kütlede olacak şekilde saklanır.
Fisyon bombası(Atom bombası): Kritik
altı
kütlede bulunan iki maddeyi bir tetikleyici patlama
aracılığıyla bir araya getirip, kritik kütlenin üstünde
çıkaran bir bomba. Sonuçta oluşan zincirleme
tepkime muazzam miktarda bir enerji açığa çıkar.

Füzyon bombası (Hidrojen bombası): Bir
döteryum ve trityum karışımında, kontrolsüz
çekirdek kaynaşması oluşturan bir bomba.
Tetikleyici bir fisyon bombası gerekli olan
yüksek sıcaklığı sağlar. Açığa çıkan enerji, aynı
büyüklükteki bir fisyon bombasında açığa çıkan
enerjiden 30 kat daha büyüktür.
Bir nükleer reaktör, çekirdek tepkimeleri
aracılığıyla çok büyük miktarda ısı üretilen bir
yapıdır. İki tür reaktör vardır: Fisyon reaktörleri ve
füzyon reaktörleri. Ancak, ikincisi şu an hala
araştırma aşamasındadır. Günümüzdeki nükleer
güç santralleri, bir fisyon reaktörü etrafında kurulur
ve her biri, kullanılan yakıtın birim kütlesi başına,
diğer bütün güç santrallerinde elde edilen daha
büyük miktarda enerji (elektrik) üretilir.
 1 kg kömür
30 MJ
 1 kg petrol
45 MJ
 1 kg uranyum
450 GJ
İlk nükleer reaktör, 1942 yılında İtalyan Fizikçi
Enrico Fermi tarafından Amerika’nın Chicago
eyaletinde kurulmuştur. Nükleer enerji santralleri
en fazla Amerika’da bulunmakla birlikte, gelişmiş
ülkelerin birçoğu enerjilerinin büyük bir kısmını
nükleer enerjiden karşılamaktadır.
Fisyon Rektörü: Fisyon reaktörünün şematik
görünüşü ve güç santrali kompleksi.
Nükleer enerji akla geldiğinde en çok korkulan
risklerden biri de nükleer sızıntıdır. Bir reaktörden
yayılan ve reaktörün sebep olduğu radyasyon
miktarına nükleer sızıntı denir. Sızıntı çevreye
büyük zarar verir. Tarihteki nükleer santral
kazaları:
 1967 de İngiltere’deki Windscale reaktöründe,
 1979 da ABD’nin Three Mile Island reaktörü,
 1986 da Ukrayna’daki Çernobil reaktöründe,
 1999 da Japonya’daki Tokaimura reaktörü,
 2011 de Japonya’daki Fukuşima reaktörü.