Süperağır Element Koşusu Son Düzlükte!

Teknolojinin ağır topları maddenin sınırlarını zorluyor
Süperağır Element Koşusu Son Düzlükte!
Rusya'nın Dubna kentindeki nükleer araştırmalar merkezinde 1957'de hizmete giren Synchropasotron adlı parçacık
hızlandırıcısı, zamanının en büyüğüydü. Parçacıkları 36.000 ton ağırlığında bir mıknatısla halka şeklindeki tünellerde
hızlandıran makine 2002 yılında yerini Nuclotron adlı daha gelişkin bir modele bıraktı.
Dünyanın en donanımlı fizik laboratuvarlarında, uluslararası kamuoyunun fazlaca dikkatini çekmeyen bir
yarıştır sürüp gidiyor. Arada bir yapılan açıklamalarla yepyeni bir elementin keşfedildiği, daha doğrusu
dev makinelerde “sentezlendiği” duyuruluyor. Son olarak 2012 eylülünün sonlarında, önceki keşifleri
kuşkulu görüldüğü için kabul edilmeyen Element 113’ün bu kez kesinleşen keşfiyle, Periyodik Tablo’da
elementlerin 1’den 118’e kadar olan tüm serisi tamamlanmış oldu.
Ancak, bu son bulunanlar, bizim bildiğimiz, dünyamızı, bedenlerimizi, atmosferimizi oluşturan
elementlere benzemiyor. Bizim tanış olduklarımız, Dünya, hatta Güneş Sistemi ortaya çıktığından beri
var. Bunların pek çoğu da “ithal ürün”: Başka yıldızların merkezlerinde ve onların ömrünü noktalayan
şiddetli süpernova patlamaları süreçlerinde sentezlenmiş “ağır” elementler. Altın, kurşun, uranyum gibi.
Tantanalı açıklamalarla duyurulan yeni keşiflerse, insanda karışık duygular yaratıyor. Bir kere bunlar
“süperağır” elementler diye adlandırılıyor. Doğada bulunmuyorlar. Gerçi, insanlığın, doğanın
yapamadığını başarması bizi gururlandırıyor. Ancak, açıklamalarda çoğumuzun okumadan geçtiği “ince
yazılı” ayrıntılar bu duyguyu silip süpürüyor. Bakıyorsunuz, bu ağır sıkletlerin ömrü, saniyeler, hatta
saniyelerin binde biri ölçeklerde. Eee, ne anladık? Böyle element mi olur? Bunlar ne işe yarayacak ki?
Bilimciler de, bunların bu kısacık ömürleriyle herhangi bir pratik kullanım alanı olacağı iddiasında değiller.
Yeni keşfedilen elementlerin sağladığı yarar, atomların yapısının daha iyi anlaşılması. Ama yarışın
tarafları daha büyük bir hedefi kovalıyorlar ve öyle görünüyor ki, çalkantılı bir denizde parlamalarıyla
sönmeleri bir olan ışıklara benzeyen bu elementler, bilimcileri güvenli bİr adaya ulaştırmak üzere. Çok
kısa ömürlü izotopların işaretlediği yolun sonunda “kararlılık adası” denen bir bölgede, çok daha kararlı,
bazılarının ömürlerinin milyonlarca, hatta milyarlarca yıl olduğu elementlerin varolduğu düşünülüyor. Bu
bölgeye bir an önce ulaşmak için artık yarışa falan boşverip işbirliğine yönelen fizikçiler, pahalı ve güçlü
makinelerin ötesinde “sihir” den de yararlanmaya çalışıyorlar!
BU SÜPERAĞIR ELEMENTLER NEYİN NESİ?
Atomlar, çapları 1.3 - 1.5 x 10-10 metre arasında
değişen bileşik yapılar. Bir çekirdek ve onu en basit
ifadeyle bir küre gibi çevrelediği düşünülen , eksi
(negatif) elektrik yükü taşıyan elektronların olası
yerleri anlamına gelen bir “yük bulutu”ndan
oluşuyorlar. Çekirdekler, çok daha küçük: çapları,
atomlarınkinin yüz binde biri kadar: 10-15 m.
Atomların ağırlığını, ve kararlılık durumlarını,
çekirdeklerindeki proton ve nötronlar ile, çekirdeği
çevreleyen elektronların sayısı ve enerji durumları
tayin ediyor. En hafif element olan hidrojen atomunun çekirdeğinde yalnızca + elektrik yüklü tek bir
proton ve çekirdeğin çevresinde tüm öteki atomlarda olduğu gibi aynı sayıda (Hidrojen için 1) – elektrik
yüklü elektron bulunuyor. (Daha ağır izotopları (ileride göreceğiz) hariç, hidrojen atomu, çekirdeğinde
nötron bulunmayan tek element). Buna karşılık doğada bulunan elementlerin en ağırı olan ve Periyodik
Tablo’da proton sayılarıyla (atom numarası) belirlenen sıralamada 92. Sırada yer alan uranyum-238’in
çekirdeğinde de 92 proton (dolayısıyla çevresinde 92 elektron) ve 146 nötron bulunuyor. Proton ve
nötronların kütleleri birbirlerine çok yakın (Proton: 1.6726 x 10-27 kg, yani, bir kilonun trilyonda birinin
trilyonda birinin binde birinden biraz fazla. Çok az daha ağır olan (yüzde 0.1 kadar) Nötron’un kütlesiyse
1.6749 x 10-27 kg. Elektronun kütlesi çok daha küçük: 9.11 x 10-31 kg (yani kilonun katrilyonda birinin
katrilyonda birine yakın!). Böylesine küçük ölçekleri üstel sayılarla bile göstermenin güçlüğü nedeniyle,
Einstein’ın ünlü E=mc2 formülüyle ifade edilen madde=enerji eşlenikliği uyarınca atomaltı parçacıkların
kütleleri elektronvolt cinsinden gösterilirler.
Bu birimle, protonun
kütlesi: 938.27 MeV
(MeV: milyon
elektronvolt),
nötronunki: 939.56
MeV, elektronunkiyse
0.511 MeV olarak
yazılıyor. Ancak
basitleştirmek için
proton ve nötronun
kütleleri için 1 milyar
elektronvolt, elektron için de 500.000 elektronvolt değerleri kullanılır.
Ancak, yine kütle= enerji eşlenikliği dolayısıyla atomların kütleleri hesaplanırken, normal olarak atom
çekirdeği içindeki parçacıkların içinde (proton ve nötronlar, aslında “kuark” denen çok daha küçük temel
parçacıklardan oluşur) ve aralarında etkiyen “şiddetli çekirdek kuvveti” ile çekirdek ve elektronları bir
arada tutan elektromanyetik kuvvetin de kütle karşılıklarının hesaba katılması gerekir. Ama bu işleri daha
da karmaşık hale getireceğinden atomların ve parçacıklarının kütlelerinden sözedilirken, bunların
“hareketsiz” oldukları varsayılan en düşük enerji düzeyleri anlamında “duragan kütleleri” kastedilir.
Uzun lafı kısası, bu değerleri alt alta yazıp topladığınızda atomların kütleleri (duragan haldeyken) ortaya
çıkar. Dolayısıyla atom çekirdeklerindeki parçacıklar ile elektronların sayısı arttıkça, o atomların temsil
ettiği elementin ağırlığı da artar. Bu elementlerin ağırlıklarına göre sınıflandırılmasında kesin bir ölçüt
olmasa da genelde hafif, orta ağırlıklı, ağır ve süper ağır elementler olarak adlandırılırlar. Çoğu kez,
çekirdeğinde 26 proton bulunan ve Güneş’ten çok daha büyük yıldızların merkezlerindeki element
sentezinin son durağı olan demirden, doğada bulunan en ağır element olan uranyuma kadar (92 proton)
olanlar, ağır element olarak adlandırılıyorlar. Uranyumun ötesinde yapay süreçlerle üretilen elementler
genelde süperağır elementler olarak adlandırılırken, bazı sınıflandırmalarda 100 proton ve üzeri proton
taşıyan elementler süperağır kategorisine sokuluyor. Biz, süperağır element sınırını, 93 protonla
Periyodik Tablo’da 93. sırada yer alan neptünyum ile başlatıyoruz.
Periyodik Tablo’da uranyumun ötesinde yer alan elementler “süperağır elementler” olarak tanınıyor ve
dünyanın en ileri fizik laboratuvarlarında bunların yenilerinin oluşturulması için güç ve pahalı deneyler
sürdürülüyor. Bu çabaların sonunda 118. Element de Periyodik Tablo’ya girmiş durumda.
BUNLARIN ÜRETİLMESİ NEDEN BU KADAR GÜÇ?
Doğada bulunmayan ve ancak nükleer reaktör ve parçacık hızlandırıcılarının kullanıldığı deneylerde
nükleer füzyon (hafif elementlerin kaynaştırılmasıyla daha ağır elementler elde edilmesi) ya da nötron
yakalama yoluyla oluşturulan bu elementlerin üretilmesindeki güçlük, elementlerin ağırlaştıkça
kararsızlaşmaları (radyoaktif bozunma yoluyla çekirdeklerindeki parçacıkların bir kısmını atarak daha
hafif elementlere parçalanmaları) ve ömürlerinin genellikle çok kısa, bazılarının saniyeler, hatta
milisaniyeler düzeyinde olması.
AĞIR ELEMENTLER NİYE KARARSIZ?
Periyodik Tablo’da elementler, çekirdeklerindeki proton sayısını
gösteren “atom numaraları” ile sıralanırlar. Atom çekirdekleri ,
pozitif elektrik yükü taşıyan protonlar ve yüksüz nötronlardan
oluşur. Doğada tek bir protonu olan hidrojenden başlayarak,
teker teker artan sayılarda protona sahip 92 element bulunur
(uranyum: 92 proton). Bunlardan uranyum dahil en ağır on
tanesi radyoaktif, yani kararsızdır.
Artı yükler, dolayısıyla da protonlar birbirlerini iteceğinden,
nötronlar bu itmeye karşı protonları bir arada tutan “tutkal”
işlevi görürler. Hafif elementlerde protonların ve nötronların
sayısı aşağı yukarı birbirine eşit olurken, ağır elementlerdeki çok
sayıda proton daha güçlü elektrostatik itiş gücü anlamına geldiği
için daha fazla tutkal, yani daha çok sayıda nötron gerekir. Böyle
olunca da, çekirdekteki parçacık sayısı arttığından, ağır
çekirdekler kararsızlaşırlar ve bu parçacıklardan küçük bir
bölümünü atarak daha küçük (ve daha dengeli) bir elemente
dönüşme eğilimine girerler.
PEKİ AMA, BİR ELEMENT NASIL BAŞKA BİR ELEMENTE DÖNÜŞEBİLİYOR?
Bir elementi diğerlerinden farklı kılan, çekirdekteki proton sayısıdır. Farklı proton sayısı, farklı element
anlamına gelir. Nötron sayısı ise, elementin kimliğini değiştirmez. Aynı elementin, aynı sayıda proton,
ama farklı sayıda nötron içeren türleri olabilir ki, bunlara o elementin “izotopları” denir.
Yukarıda değinildiği gibi, ağır elementlerin bazıları ya da izotopları kararsız olduklarından bunlar
çekirdeklerindeki kütlenin bir kısmını atarak “rahatlama” yani kararlı bir duruma gelme eğilimi taşırlar.
Bunu sağlayan sürece “radyoaktif bozunum” denir. Bu bozunumun hızı “yarılanma ömrü” ile ölçülür.
Yarılanma ömrü, belli bir elementin kütlesinin radyoaktif bozunma ile yarıya inmesi için geçen zamana
deniyor. Örneğin, radyoaktif bir elementin kütlesi 1 kg ve yarılanma ömrü 10 saniye (ya da 1 milyon yıl)
ise, bu kadar süre sonunda kütle bozunum yoluyla 0.5 kg’ye iniyor. Bir o kadar süre sonra 250 grama
iniyor ve tümüyle yok olana kadar bu bozunum sürüyor. Bu yarılanma ömürlerinin süreleri, evrenin
yaşını (13.7 milyar yıl) geçebildiği gibi, saniyenin çok ufak kesirleri de olabiliyor.
92 proton içeren ve doğada bulunan en ağır element olan uranyumun ötesindeki “sentetik” elementler,
laboratuvarlarda yapay olarak oluşturuluyor. Bunun için iki yöntem var: Proton sayısı 93’ten 100’e kadar
olan elementlerin oluşturulması için nötron yutturma tekniği kullanılıyor. Bu işlem, bazen bu amaç için
özel olarak tasarlanmış küçük nükleer reaktörlerde yapılıyor, ya da ticari nükleer enerji santrallarda
gerçekleştiriliyor ve nötron yutarak oluşan ağır izotoplar, daha sonra atık yakıttan ayrıştırılarak elde
ediliyor.
Nötron yutan çekirdeklerdeki nötronların bazıları beta bozunması denen bir süreç geçiriyor. Beta
bozunmasında çekirdeklerdeki nötronlardan biri bir protona dönüşür (negatif beta), ya da bir proton
nötrona dönüşür (pozitif beta). Negatif beta sürecinde nötron, protona dönüşmek için bir elektron ile
bir elektron antinötrinosu atar. Pozitif beta sürecinde de proton, nötrona dönüşmek için elektronun ters
elektrik yüklü (yani pozitif yüklü) karşı (anti) parçacığı olan bir pozitron ile birlikte bir elektron nötrinosu
atar. Her iki halde de proton sayısı değişmiş olacağı için element farklı bir elemente dönüşmüştür.
Uranyumdan daha ağır çekirdekler
oluşturmak için proton sayısını artırmak
gerekeceğinden, açıktır ki nötronu protona
dönüştüren negatif beta bozunumu işler.
Radyoaktif bozunum yoluyla elementlere
kimlik değiştirtmenin bir alternatif yolu da,
“alfa bozunumu” denen olgu. Çok sayıda
proton ve nötron içeren kararsız çekirdek,
“alfa parçacığı” diye de adlandırılan ve iki proton ile iki nötrondan oluşan bir helyum çekirdeği atarak
dengeye kavuşur. Ama çekirdekteki proton sayısı eskisine göre azalmış olduğundan, artık başka bir
element haline gelmiştir.
BU ALFA PARÇACIĞI NEDEN KİLİT ROLE SAHİP?
Doğa’da bulunan elementlerin bir kısmı evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’da yaratılan hidrojen ve
helyum hariç, yıldızların çok büyük sıcaklık ve yoğunluktaki merkezlerinde hidrojen’den başlayarak hafif
elementleri birleştirerek daha ağır elementlere dönüştüren “çekirdek füzyonu” (nükleer füzyon) yoluyla
üretilirler. Ancak, çekirdek füzyonu, kütleleri Güneş’ten küçük ya da onun kadar olan “Güneş benzeri”
yıldızlarda karbon ve oksijen sentezine kadar sürebilir. Güneş’ten daha büyük yıldızlardaysa demire
varıncaya kadar ve yıldızın merkezi demirle doluncaya kadar süren element sentezlerinin çoğu, daha
hafif elementin, bir alfa parçacığı, yani helyum çekirdeği yakalayıp bir sonraki ağır elemente
dönüşmesiyle sürer. Demirden daha ağır elementlerin, (örneğin bakır, gümüş, altın)sentezi , büyük
kütleli yıldızın normal ömrü sırasında yakalanan nötronlarla; daha da ağır radyoaktif elementlerin (ör:
uranyum, toryum vb.) senteziyse, süpernova patlamaları sırasında hızlı nötronların yakalanması süreciyle
olur.
Görüldüğü gibi, alfa
parçacığı, yani helyum
çekirdeği, element
sentezinde önemli bir
yapıtaşı olduğu için, bir
duvarı kaldırmak için
tuğlalarının teker teker
sökülmesi gibi, kararsız
elementlerin daha hafif
elementlere bozunmasında
da alfa parçacıklarının
çekirdekten atılması (alfa
radyasyonu) devreye girer.
Bu alfa bozunması, kararsız
çekirdek ya da izotop, kararlı
bir izotopa dönüşünceye
kadar merdiven basamakları
ya da zincir halkaları gibi devam eder. Zaten bu süreç, “bozunma zinciri” diye adlandırılır.. Bu zincirn
halkalarının sayısı kuramlarda belli olduğu için, bazı süperağır elementlerin oluşturulduğunun dolaylı
kanıtı olarak görülürler.
EKSİLTEMİYORSAN ÇOĞALT
Alfa parçacığının kullanıldığı bir alternatif yöntemse, ağır bir çekirdeğe alfa parçacığı yutturup proton
sayısını artırarak daha ağır bir çekirdek elde edilmesi. Proton sayısı 101 ve üzerinde olan elementleri
oluşturmanın bir yöntemi olarak, ağır atomlardan oluşan hedef, özel parçacık hızlandırıcılarında ya alfa
parçacığı ile ya da aranan elementte olması gereken proton sayısını tamamlayacak kadar proton içeren
bir başka element ile bombardıman ediliyor. Örneğin, Hızlandırıcılar içinde ışık hızının onda birine kadar
hızlandırılan çekirdeklerle yapılan bombardıman, haftalar hatta bazen aylar boyunca kesintisiz
sürdürülüyor ve sonuçta aranan süperağır atomun bir iki sayıda olmak üzere bir ya da birkaç izotopu
oluşturulabiliyor.
SÜPERAĞIR ELEMENTLER NASIL OLUŞTURULUYOR?
Yöntem, ağır çekirdeklerden oluşan bir hedefi, ya alfa parçacıklarıyla ya da oluşturulması istenen
elementin taşıyacağı proton sayısını tamamlayacak kadar protona sahip orta ağırlıkta bir element
çekirdeğiyle bombardıman etmek. Örneğin, daha önce Dubna’da Amerikalı ve Rus bilimcilerce element
117’nin sentezlenmesi için ince bir folyo tabakasına sabitlenmiş berkelyum atomlarından (97 proton)
oluşan bir hedef, kalsiyum elementinin (20 proton)ve yüksek sayıda nötron (28 adet) içeren bir
izotopuyla bombardıman edilmiş.
Keza, element 118’in sentezi de de kaliforniyum (98 proton) atomlarının, yine kalsiyum çekirdekleriyle
bombardıman edilmesiyle gerçekleştirilmiş bulunuyor.
SÜPER ELEMENTLER İÇİN SÜPER BÜTÇELER
Y ıldızların son derece sıcak ve yoğun merkezlerinde ya da süpernova patlamalarında doğal yollarla
gerçekleşen ağır element sentezlerini dünyada laboratuvar koşullarında yapay olarak gerçekleştirmek
için muazzam enerjiler ve pahalı düzenekler gerekiyor. Hedefteki elementlerin bombardımanı, elektrik
yüklü parçacıkları (protonlar nedeniyle pozitif elektrik yükü taşıyan atom çekirdeklerini) güçlü
mıknatıslarla yönlendirip, ışık hızının onda biri gibi çok yüksek hızlara çıkaran, dolayısıyla enerjilerini çok
büyük ölçeklere yükselten çok güçlü ve çok pahalı parçacık hızlandırıcıları içinde yapılıyor. Moskova
yakınlarındaki Rus bilim kasabası Dubna’daki “Synchrophazotron” ve daha sonra geliştirilen “Nuclotron”,
bunlardan bazıları. Dolayısıyla, süperağır elementler şimdiye kadar ancak ABD, Rusya ve Almanya’daki
araştırma merkezlerinde sentezlenebildi. Hatta, 114’üncü elementten 118’inciye kadar olanları
sentezleyebilmek, ABD’nin Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı ile Dubna’daki Ortak Nükleer
Araştırmalar Enstitüsü’nden (Joint Institute for Nuclear Research – JINR) bilimcilerin yoğun işbirliğini
gerektirmişti.
Dubna'da 2002 yılında devreden çıkarılan Synchrophasotron'un tabanına yerleştirilen Nuclotron adlı daha gelişkin hızlandırıcı
Şimdiyse kervana, daha önce keşfi yapılmış süperağır elementlerin arasında eksik diş gibi duran element
113’ü sentezleyen Japonya’da katılmış bulunuyor. Japon Fizik ve Kimya Araştırmaları Enstitüsü RIKEN’de
görevli bilimciler, 2003 ve 2005 yıllarında, altılı bozunma zinciri tanımlanamadığı için Uluslararası Temel
ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından tescil edilmeyen sentezi, Eylül 2012 sonunda altılı alfa
bozunma zinciriyle kuşkuya yer bırakmayacak biçimde gerçekleştirerek, elemente adını vermeye hak
kazandılar.
BÖYLESİNE GÜÇLÜ EKİPMAN NİÇİN GEREKLİ?
Bir atom çekirdeği içindeki proton ve nötronları çekirdek içinde tutan temel doğa kuvvetine şiddetli
çekirdek kuvveti ya da kısaca “güçlü kuvvet” deniyor. Öteki temel doğa kuvvet leri olan elektromanyetik
kuvvet, zayıf çekirdek kuvveti ve kütleçekiminden (adı üstünde) çok daha güçlü olmasına karşın, bu
kuvvetin erimi, atom çekirdeğiyle sınırlı.
Atom çekirdekleri içindeki protonlar, çekirdeğe pozitif yük kazandırıyorlar. Çekirdekteki proton sayısı
çoğaldıkça, yani çekirdek ağırlaştıkça pozitif yükün şiddeti de arttığından, iki çekirdek arasında aynı
yüklerin yol açtığı itme gücü de büyüyor.
Gerçi atomlarda, çekirdekteki proton sayısı kadar negatif elektrik yüklü elektron adlı temel parçacıklar da
bulunduğundan, atomlar yüksüzdür. O halde niye yüksüz atomlar çarpıştırılmıyor da, pozitif yük taşıyan
çekirdekler ya da elektronlarının bir kısmından arındırılmış atomlar (bunlara iyon deniyor) çarpıştırlıyor?
Nedeni, iyonlar yük eşitliğini
sağlayan elektronların tümünden
ya da bir kısmından arındırılmış
oldukları için pozitif yük taşırlar,
böylece güçlü mıknatıslarla
çevrelenmiş hızlandırıcılarda
oluşturulan manyetik alanlar
sayesinde hedefteki atomlara
odaklandırılırlar.
Yukarıda belirtildiği gibi ağır
çekirdeklerdeki pozitif yükler
arasındaki itme kuvveti son derece
Element 115'in bir alfa bozunmasıyla element 113'e dönüşmesini gösteren çizim
güçlüdür. Oysa hedefteki ağır
element, ve hedefe yöneltilen
“mermi” elementin füzyonunun
(kaynaşıp süperağır elemente dönüşmesinin) sağlanabilmesi için, mermi çekirdekteki proton ve
nötronların, hedef çekirdekteki güçlü çekirdek kuvvetinin etkisine girmesi lazım. Oysa, az önce
gördüğümüz gibi bu gücün erimi, çekirdeğin çapıyla sınırlı. Dolayısıyla, iki çekirdeğin birleşebilmesi için,
çekirdeklerin aralarındaki itme gücünü yenerek birbirleriyle temas etmeleri gerekir. İşte bunun için
“mermi” çekirdeklere, hızlandırıcılarda manyetik alanlarla çok büyük hızlar kazandırılıp hedefteki
çekirdeklerle fiziki temas sağlamalarına çalışılır.
Bu enerjileri oluşturmak için de , çekirdekleri ışık hızının yüzde 10’una kadar hızlandıran güçlü parçacık
hızlandırıcıları kullanılıyor. Yine de her saniye milyarlarca çekirdek çarpışmasının cereyan ettiği süreçte,
bir hafta içinde yeterli enerjide ve doğru açıda yalnızca 6 çarpışmanın meydana gelerek element 117’nin
oluştuğunu gösteren altı adımlı bozunma zinciri izlenebilmiş.
1. Bir kalsiyum-48 iyonu, hızlandırıcı içinde hedefteki amerikyum
243 atomlarına yönlendiriliyor.
3. Hızlandırılmış bir kalsiyum-48 iyonuyla hedef amerikyum-243
atomlarından biri çarpışmadan hemen önce.
5. Çarpışmanın enkazından oluşan elemnt 115, alfa parçacıkları
atarak element 113'e dönüşmeye başlıyor.
KAYNAK: LAWRENCE LIVERMORE ULUSAL LABORATUARI (ABD)
2. Proton ve nötronlardan oluşan çekirdeği bir elektron
bulutunca sarılmış hedef amerikyum atomlarından biri.
4. Kalsiyum-48 iyonuyla, amerikyum-243 hedef atomunun
çarpışma anı.
6.Kendiliğinden parçalanma yoluyla bozunma, en sonunda
bilinen iki ayrı atoma bölünüyor
NİYE BU KADAR AZ SAYIDA OLUYORLAR?
“mermi” iyonların hedefteki atomlar üzerine her saniye milyarlarcasının gönderilmesine karşın, parçacık
fiziği jargonunda “olay” diye adlandırılan çarpışmalar son derece ender gerçekleşiyor. Ayrıca bu
“olay”larda çarpışmanın türü de önemli, kimi olayda parçacıklar birbirine sürünerek geçmiş oluyor,
kimisinde çarpmalar doğrudan değil, açılı biçimde gerçekleşiyor. Oysa, füzyonun gerçekleşmesi için, iki
çekirdeğin tam karşıdan, “kafa kafaya” çarpışması gerekli. Bu durumda bile füzyonun gerçekleşmesi
garanti değil, çünkü çarpışan çekirdeklerde bulunan ve birbirlerini tamamlayarak yeni elementi
oluşturması beklenen protonlardan ve nötronlardan bazıları, çarpışmanın etkisiyle dışarıya kaçıyor.
Ayrıca, füzyon gerçekleşse bile, bunların varlığının belirli alfa bozunum zincirleriyle sırayla kendilerinden
bir önceki parçacıklara bozunmasıyla anlaşılabildiğini daha önce görmüştük. Ama bazen füzyonu
tamamlanmış parçacıklar bu bozunma zincirini izlemiyor, ya da zincir eksik gerçekleşiyor. Örneğin oluşan
element , giderek atom numarası kendisinden bir düşük olan elemente dönüştüğü sürecin bir
aşamasında “kendiliğinden fisyon (parçalanma)” denen bir olguyla daha hafif iki çekirdeğe bölünüveriyor
ve inilmesi gereken merdivenin son halkasındaki element detektörlerde belirlenemediği için, hedeflenen
süperağır elementin sentezlendiği kesin olarak anlaşılamıyor. IUPAC da bu nedenle keşif bildirimlerini
onaylamıyor. Sonuçta, yukarıda değinildiği gibi son derece pahalı hızlandırıcılarda haftalar, hatta aylarca
süren bombardımanlarda aranan elementin değişik izotoplar halinde yalnızca birkaç örneği
sentezlenebiliyor.
BU KADAR KISA ÖMÜRLÜ ELEMENTLER İÇİN BUNCA UĞRAŞ NİYE?
Süperağır elemetlerin çoğu, proton sayıları aynı olmakla birlikte nötron sayıları hayli farklı çok değişik
izotoplar ve bunların farklı kristal biçimleri olan izomerler halinde sentezleniyorlar. Aynı elementin
izotoplarından bazılarının yarılanma ömürleri milyonlarca yıl, bazılarınınkiyse saniyeler ya da
milisaniyeler düzeyinde olabiliyor. 93-100 atom numaralı elementlerin bazıları askeri (plütonyum,
neptünyum nükleer silah yapımında) ve endüstriyel (amerisyum, duman detektörlerinde; kaliforniyum,
metal detektörlerinde) kullanıma uygun, bazıları da uzay endüstrisinde (ör: küriyum uzay araçlarındaki
termoelektrik jeneratörlerinde) kullanım alanı buluyor. Ama, 101 atom numarasından itibaren,
keşfedilen süperağır elementlerin, genellikle kısa yarılanma ömürleri ve kararsızlıkları nedeniyle bilimsel
araştırmanın ötesinde pratik kullanımları bulunmuyor.
Araştırmacılar, sentezledikleri elementlerle yenilerini ortaya çıkarmak için sürdürdükleri uğraşlarında,
süper ağır ve orta ağırlıktaki çekirdeklerin nötronca zengin izotoplarını seçmeye özen gösteriyorlar.
Nedeni, elementlerin atomlarındaki enerji düzeylerini, optimal sayıda proton ve nötronla doldurarak
mümkün olduğunca kararlı izotoplar elde etmek.
Atomların içinde bulundukları enerji düzeyleri, çekirdek parçacıklarıyla, çekirdek çevresindeki
elektronların enerji
düzeyleriyle belirleniyor. Bu
enerji düzeyleri basitleştirmek
adına birbiri üzerine dizilmiş
kabuklar biçiminde
betimleniyor olsa da, durum
(hayli) daha karmaşık.
Çekirdek parçacıklarının da
enerji durumlarına örnek
oluşturduğu için, önce
elektronların “kabuk”
modeline bir göz atalım:
Atomlarda çekirdekteki her
pozitif elektrik yüklü protona
karşılık, çekirdek çevresinde
negatif yüklü bir elektron
bulunduğunu görmüştük. Bu
elektronlarçekirdek çevresinde ilk başlarda sanıldığı gibi, Güneş Sistemi’ni andıran dairesel yörüngelerde
düzgün hareketlere sahip değiller. Bunun yerine, her enerji düzeyinde, içinde bulunma olasılıkları yüksek
olan ve “orbital” diye adlandırılan bölgeler var. Bir elektronuın, belli bir anda nerede bulunduğu belli
değil; ancak belli bir anda çekirdeğin herhangi bir yerinde bulunabilecek “olası” yörüngeler üzerindeki
yeri olasılık hesaplarıyla “tahmin” ediliyor. Dolayısıyla atom, merkezde çok küçük bir çekirdeğin çevresini
küre biçimde kaplayan bir “elektrik yükü bulutu” olarak betimleniyor. Ancak yerleri noktasal olarak
belirlenemese de, elektronlar bu bulut içinde ancak belli enerji düzeylerinde bulunabilen orbitaller içinde
belirli sayılarda bulunabiliyorlar.
SAMİMİYET BİR YERE KADAR!..
Elektronlar da, proton ve nötronlar gibi “fermiyon” diye adlandırılan ve madde parçacıklarını kapsayan
bir parçacık sınıfında yer alıyorlar. Fermiyonlar, pek bir araya gelmekten hazzetmeyen “asosyal”
parçacıklar. “Pauli Dışlama İlkesi” denen bir kuantum fiziği kuralı uyarınca, “aynı kuantum durumunda”
olan, yani aynı özelliklere sahip fermiyonlar aynı enerji düzeyinde olamıyorlar. Dolayısıyla bir enerji
düzeyinde iki elektrondan fazlası bulunamıyor. Bu ikisi de, spin (dönme) denen bir kuantum özelliği
birbirine ters kutuplandığı , dolayısıyla da kuantum durumları böylece farklılaştığı için yasağı delerek aynı
enerji düzeyinde yer alabiliyorlar. Çekirdeğe en yakın enerji düzeyindeki küresel biçimde olan orbitalde
yalnızca iki elektron yer alıyor. Daha sonraki enerji düzeylerinde (ve bunların alt düzeylerinde) yer alan
orbitaller, kum saati, dörtlü balon, altılı balon ve giderek daha karmaşık biçimler alıyor. Ama her
orbitalde ikiden daha fazla elektron
bulunamıyor.
İlk düzeyden sonraki enerji
düzeylerinde, o temel enerji
düzeyinin (Ör: en alttakinin bir üstü
olan 2. enerji düzeyinde, düzeyin
numarasının karesi kadar, yani dört
orbital bulunuyor. Dolayısıyla da
bunların herbirinde ikişer olmak
üzere 8 elektron yer alıyor. Aynı
enerji düzeyleri, s, p, d ve f harfleriyle
gösterilen alt enerji düzeylerine sahip
orbitallere bölünmüş durumda.
Her enerji düzeyindeki ilk alt düzeyler olan s alt düzeylerinde
yalnızca 1 orbital var. İzleyen temel enerji düzeylerinin s, p, d, f, g,
h...alt düzeylerinde 1, 3, 5, 7... diye tek sayılarla artan orbitaller
bulunuyor. Bu durumda, 2. Enerji düzeyinde 4 (ikinin karesi) orbital
bulunabileceğine göre, s alt düzeyinde 1, p alt düzeyinde 3 olmak
üzere toplam 4 orbital yer alıyor ve bunlar üzerindeki toplam
elektron sayısı da maksimum 8 oluyor. Bir sonraki, yani 3. enerji
düzeyinde toplam 9 (üçün karesi) kadar orbital yer alabilir. Bunlar da
s alt düzeyinde 1, p alt düzeyinde 3, d alt düzeyinde 5 olmak üzere
dağılıyorlar ve hepsinin toplamında bu enerji düzeyinde 9 x2=18
elektron bulunabiliyor ve bu böylece sürüp gidiyor. Ancak kuramsal
olarak düzenin böyle olmasına karşılık hiçbir atomun herhangi bir
temel enerji düzeyindeki elektronların toplam sayısı 32’yi geçmiyor.
ÇEKİRDEKLER DE KABUKLU
Yaygın kabul gören atom modellerine göre çekirdek içindeki proton ve nötronlar da tıpkı elektronlarda
olduğu gibi, birbiri üzerine dizilmiş temel ve alt enerji düzeylerindeki “kabuklar” üzerine yerleşiyorlar.
Protonlar ve nötronlar, kendi ayrı kabukları üzerinde sıralanıyorlar.
Ancak, proton ve nötronlar , kabuklar üzerinde kendilerine ayrılmış yerleri, farklı izotoplarda farklı
sayılarda dolduruyorlar.
İzotoplarda proton
sayısı aynı olmakla
birlikte, farklı enerji
düzeylerindeki
kabuklar üzerine
yerleşmiş
olabiliyorlar;
nötronlar da farklı
sayılarda ve farklı
kabuklar üzerinde
sıralanabiliyorlar.
Aynı elementin
İzotoplarının farklı
özellikleri,
milyonlarca yıl ile
milisaniye
ölçeklerindeki
yarılanma ömürleri,
kararlı ya da
kararsız olmaları,
radyoaktivite
düzeyleri bu
dizilişlerden
kaynaklanıyor.
Temel olarak, kabuklardaki boş yerler ne kadar az olursa, elementin izotopları o ölçüde kararlı oluyor.
Dolayısıyla araştırmacılar daha kararlı süperağır elementleri sentezleme çabalarında “hedef” ve “mermi”
izotopların nötronca zengin çeşitlerini tercih ediyorlar.
NE SİHİRDİR, NE KERAMET!
Kimyacılarca onyıllardır doğada bulunan elementler üzerinde sürdürülen araştırmalarda belli sayılarda
proton ve nötron içeren çekirdeklerdeki bağlama enerjisinin, başkalarınkinden çok daha güçlü olduğu
belirlenmişti. Ayrıca bu sayılardaki çekirdeklerde bulunan nötron ve protonların sıralanma biçimlerinde
belli enerji aralıkları saptanmıştı. Bu çekirdek içi parçacıkların sayısının sağladığı özelliklerin, bu sayılarda
nötron ya da proton içeren tüm izotoplar için geçerli olduğu da görülmüştü.
Bu gözlemlerden yola çıkan bilimciler 2, 8, 16, 20, 28, 50, 82 ve 126 sayıdaki aynı cinsten (nötron ya da
proton) çekirdek içi parçacığın bu güçlü bağlanma enerjisi özelliğini sergilediğini ortaya koydular.
Dolayısıyla bu sayılar “sihirli sayılar” olarak adlandırıldı. Çekirdeğe parçacıklar eklendiğinde, birbiri ardına
sıralanmış kabukları (enerji temel ve alt düzeylerindeki orbitalleri) dolduruyorlar. Birinci kabuk 2 proton
ya da nötronla, ikincisi 8 parçacıkla, daha sonraki 20, sonraki 28 ve sırayla 50, 82 ve 126 diye gidiyor.
Sihirli sayılar, çekirdekler içindeki parçacıkların orbitalleri yukarıdaki sayılarla tam olarak doldurdukları
yerler.
Bir izotop, hem proton
kabukları, hem de nötron
kabukları y)ukarıdaki
sayılardan birini taşıyorsa
“çifte sihirli” (ya da çift
kat sihirli) diye
adlandırılıyor. Örneğin,
Kalay-132 çifte sihirli bir
izotop, çünkü 50 proton
ve 82 nötrona sahip. Çifte
sihirli izotoplara başka
örnekler olarak helyum-4
(iki proton ve iki nötron),
oksijen-16 (8 proton,
sekiz nötron), kalsiyum40 (20 proton, 20
nötron), kalsiyum -48 (20 proton, 28 nötron),
Çifte sihirli izotop örneklerinden kalay-132
nikel- 48 (28 proton, 20 nötron) ve kurşun-208
(82 proton, 126 nötron) gösterilebilir. Ancak, bu sihirli sayılar üzerinde tam olarak bir netlik yok. Bazı
kuramlarda farklı sihirli sayıların varlığı da öne sürülebiliyor. Yakın zamanda gerçekleştirilen bazı
deneylerde, süperağır elementlerin bazılarının çekirdeklerinin küre biçiminde olmayıp, çarpıldığı ortaya
çıkmış bulunuyor. Bazı bilimciler bu çarpılmış çekirdeklerde, orbitallerin de yerlerinden kayabileceği
görüşünü taşıyorlar. Örneğin protonlar için sihirli sayıların en fazla 114 olabileceği ya da nötronlar için
184’ün de bir sihirli sayı olabileceği yolunda görüşler de var.
UFUKTA BİR ADA GÖRÜNDÜ!
Şekilde görüldüğü gibi, süperağır elementlerin atom numarası (proton sayısı) arttıkça, en uzun ömürlü
izotoplarının yarılanma ömürleri de giderek günlerden saatlere, dakikalara, saniyelere ve milisaniyelere
doğru azalıyor. Ancak, bilimciler “sihirli sayılar” yardımıyla daha ağır elementler sentezledikçe, bu gidişin
tersine çevrildiği bir “kararlılık adasına” ulaşılacağı görüşündeler. Element 118’in ötesindeki süperağır
parçacıkların izotoplarından bazılarının yarılanma ömürlerinin milyonlarca, hatta milyarlarca yıl
olabileceği düşünülüyor. Bu elementlerden bazılarının, okyanus tabanlarında varolabileceği yolunda
spekülasyonlar da yapılıyor.
SÜPERAĞIR ELEMENTLERİN EN UZUN ÖMÜRLÜ İZOTOPLARI
Number
Name
Longest-lived
isotope
Half-life
100
Fermium
257
Fm
101 days
101
Mendelevium
258
Md
52 days
102
Nobelium
259
No
58 minutes
103
Lawrencium
262
Lr
3.6 hours
104
Rutherfordium 267Rf
1.3 hours
105
Dubnium
268
Db
29 hours
106
Seaborgium
271
Sg
1.9 minutes
107
Bohrium
270
Bh
61 seconds
108
Hassium
277m
109
Meitnerium
278
Mt
7.6 seconds
110
Darmstadtium
281
Ds
11 seconds
111
Roentgenium
281
Rg
26 seconds
112
Copernicium
285
Cn
29 seconds
113
Ununtrium
286
Uut
19.6 seconds
114
Flerovium
289
Fl
2.6 seconds
115
Ununpentium
289
Uup
220 milliseconds
116
Livermorium
293
Lv
61 milliseconds
117
Ununseptium
294
Uus
78 milliseconds
118
Ununoctium
294
Uuo
0.89 milliseconds
Hs
~12 minutes[9]
NASIL ADLANDIRILIYORLAR?
Yeni keşfedilen süper ağır elementlere geçici
olarak proton sayılarını gösteren atom numaralarının latincedeki adları veriliyor Ör: unnilnovium
(element 109) ununnilium (Element 110)unununum ( element 111) ununbium (112) ununtrium (113),
ununquadium (114), ununpentium (115) ununhexium (116), ununseptium (117) ununoctium (118). Daha
sonra bunlar, IUPAC tarafından onaylanmak kaydıyla keşfi yapan kurumun bağlı olduğu ülke tarafından,
genellikle bilime önemli katkı yapmış insanların, ya da keşfin yapıldığı ülke ya da kentin adıyla
onurlandırılıyorlar. Ör: amerisyum (Element 95), küriyum (96, radyumu bulan Fransız bilimci Marie Curie
anısına), berkelyum (97, Bu süperağır elementi ve birçok başkasını sentezleyen Lawrence Berkeley
Ulusal Laboratuvarı anısına), kaliforniyum (98, Berkeley Laboratuvarı’nın bulunduğu California eyaleti
anısına) einsteinium (99, açıklamaya gerek var mı?), fermiyum (100, İtalyan asıllı Amerikalı fizikçi Enrico
Fermi anısına), mendelevium (101, Periyodik Tablo’yu geliştiren Rus kimyacı Dimitry Mendelev anısına),
nobelium (102, İsveçli petrol ve silah taciri, Nobel ödüllerinin kurucusu Alfred Nobel anısına), lawrencium
(103, süperağır elementlertin keşfinde önemli rol oynayan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
anısına), rutherfordium (104, nükleer fiziğin babası sayılan İngiliz fizikçi Ernest Rutherford anısına),
dubnium (105, birçok süperağır element keşfine imza atan Rusya’daki Dubna kentindeki araştırma
laboratuvarları anısına), seaborgium (106, aktinidler serisinden birçok elementin keşfini yapan Amerikalı
kimyager Glenn Seaborg anısına), bohrium (107, kuantum mekaniğinin kurucularından Danimarkalı
fizikçi Niels Bohr anısına), hassium (108, keşfin yapıldığı Alman Ağır İyonlar Araştırma Enstitüsü’nün
bulunduğu Hessen eyaletinin Latince isminden [Hassia]), meitnerium (109, nükleer fisyon [parçalanma]
sürecini keşfedenlerden Avusturyalı bilimci Lise Meitner anısına), darmstadtium (110, keşfin yapıldığı
Alman Ağır İyonlar Araştırma Enstitüsü’nün bulunduğu kentin anısına), Rontgenium (111, X-ışınlarını
keşfede Alman fizikçi Wilhelm Röntgen anısına), Copernicium (Dünya’nın Güneş çevresinde dolandığını
gösteren ünlü Polonyalı gökbilimci Nicolaus Copernicus’un anısına), ununtrium (113, Japonların isim
koyması bekleniyor), flerovium (114, Dubna da keşfin yapıldığı Flerov Nükleer Tepkimeler
Laboratuvarı’nın kurucusu Sovyet fizikçi Georgy Flyorov anısına), ununpentium (115, Rusya’nın Dubna
kasabasında Rus ve Amerikalı bilimcilerce sentezlendi, henüz resmi adı konmadı), livermorium (keşfin
yapıldığı Dubna’da Rus bilimcilerce çalışan Amerikalı bilimcilerin bağlı olduğu Lawrence Livermore Ulusal
Laboratuvarı’nın bulunduğu Livermore kasabası anısına), ununseptium (117, Dubna’da Rus ve Amerikalı
bilimcilerin işbirliğiyle sentezlendi, resmi adı henüz konmadı), ununoctium (118, Dubna’da keşfedildi,
resmi adı henüz yok).
Raşit Gürdilek
10 Aralık 2013
KAYNAKLAR:
http://en.wikipedia.org/wiki/Island_of_stability
http://www.gsi.de/start/forschung/forschungsgebiete_und_experimente/nustarenna/she_physik/resea
rch/super_heavy_elements.htm
http://www.triumf.ca/research-highlights/experimental-result/exploring-shell-structure-limits-nuclearexistence
http://www.ck12.org/user:amVmZmVyeV9mZWF0aGVyc0BoYm9lLm9yZw../concept/Atoms-andElectromagnetic-Spectra-%253A%253Aof%253A%253A-The-Structure-of-the-Atom/
http://chemmaster.co.in/showchapter.php?id=2&id2=47&title=atomic%20structure
http://en.wikipedia.org/wiki/Magic_number_(physics)
http://en.wikipedia.org/wiki/Ununseptium
ETİKETLER:
Element, “süperağır element”, orbital, “kararlılık adası”, kimya, dubna, izotop, atom, proton, nötron,
elektron