TEMEL KAVRAMLAR
•
•
•
•
Temell Özellikleri
T
Ö llikl i
Birimler ve Boyutlar
Temel Etkileşmeler
ş
Tarihsel Gelişimi
Temel
e e Özellikleri
Ö e
e
Bir atomun çekirdeği, çekirdek içindeki proton sayısı
(atom numarası, Z), nötron sayısı (N) ve kütle numarası (A)
ile tanımlanır.
Çekirdekteki pozitif yüklü temel parçacık protondur ve en
basit atom olan Hidrojen’ in çekirdeğidir.
Elektrikçe nötr olan bir atomda eşit miktarda elektron
bulunur.
Ç
Çekirdeği
ğ tanımlamada kullanılan kütle numarası A,,
atomdaki proton ve nötran sayılarının toplamıdır.
Hemen hemen bütün çekirdeklerde, kütle numarası atom
numarasından iki veya daha fazla kat büyüktür.
Bu da, çekirdek içinde protondan dışında başka ağır
kütlelerin varlığını göstermektedir.
Ş d ye kadar
Şimdiye
ada bu
bulunan
u a 108
08 farklı
a
atom numarasına
ato
u a as a sa
sahipp
çekirdek bulunmuştur. Toplam çekirdek sayısı ise 1000’
den fazladır.
1932 yyılına kadar,, ççekirdek içinde
ç
A tane pproton ve
çekirdeğin net yükü +Ze olacak şekilde AZ tane elektron
olduğu
ğ düşünülüyordu.
ş
y
Çekirdek içerisinde, aşağıdaki sebeplerden
elektron bulunması mümkün değildir:
dolayı
• Böyle bir durumun olabilmesi için,
için elektronların
protonlara Coulomb çekim kuvvetinden daha güçlü bir
kuvvetle bağlı olmaları gerekirdi.
gerekirdi Ancak,
Ancak protonlarla atom
elektronları arasında böyle bir kuvvetin varlığına
rastlanmamıştır.
rastlanmamıştır
• Elektronların ççekirdek büyüklüğünde
y
ğ
((x~10-14 m)) bir
yerde bulunmaları durumunda, belirsizlik ilkesine göre
p~(ħ/x)=20 MeV/c bulunur. Radyoaktif  bozunumunda
çekirdekten yayınlanan elektronların enerjileri genellikle
1 MeV’ den daha düşüktür. Bu tür bozunmalarda enerjisi
20 MeV olan elektronlara rastlanmamıştır.
• AZ’ si tek olan çekirdeklerin toplam özgün açısal
momentumları incelendiğinde,
incelendiğinde çekirdek içinde A tane
proton ve AZ tane elektron bulunmasının imkansız olduğu
deneylerle gözlenmiştir. (Örneğin, Döteryum çekirdeğinde
A=2 ve Z=1’ dir. Buna göre çekirdekteki proton sayısı 2
elektron sayısı
y da 1’ dir. Proton ve elektronun spinleri
p
1/2
olduğuna göre, Döteryum çekirdeğinin toplam toplam spini
1/2 veya
y 3/2 olmalıdır. Oysaki,
y
, Döteryum
y
ççekirdeğinin
ğ
gözlenen spini 1’ dir).
• Çiftl
Çiftlenmemiş
i elektron
l kt
i
içeren
çekirdeklerin,
ki d kl i
gözlenen
ö l
değerlerinden çok daha büyük manyetik dipol momente
sahip olmaları gerekir.
gerekir (Örneğin,
(Örneğin Döteryum çekirdeğinin
manyetik dipol momentinin elektronunkiyle aynı olması
gerekir Oysaki,
gerekir.
Oysaki gözlenen manyetik moment elektronun
manyetik momentinin ~1/2000 kadarıdır).
Chadwik’ in 1932’ de nötronu keşfetmesiyle, çekirdek
içindeki proton harici parçacığın elektron değil nötron olduğu
anlaşılmıştır. Nötron, elektrik bakımından yüksüzdür ve
k l i protonun kütlesinden
kütlesi
k l i d sadece
d
% 0,1
0 1 daha
d h büyüktür.
b
k
Bu
nedenle çoğu zaman proton ve nötronun kütleleri eşit kabul
edilir.
dili Böylece,
Bö l
çekirdekte
ki d kt elektron
l kt
b l
bulunmasına
gerekk
kalmaksızın, Z tane protonu ve AZ tane nötronu olan
çekirdek
ki d k uygun bir
bi toplam
t l
kütl
kütleye
ve yüke
ük sahiptir.
hi ti Proton,
P t
nötron ve elektron’ un özellikleri aşağıdaki tabloda
verilmiştir.
verilmiştir
Parçacık
Kütle
Yük
Spin
Man. Mom.
gg-çarpanı
çarpanı
Nötron
1,008982
0
1/2
1,9135N
3,83
Proton
1,00759
+1e
1/2
+2,7927N
5,59
Elektron
1/1837
1e
1/2
1,0021B
2
Çekirdeği tanımlarken,
tanımlarken çekirdek simgesinin sol üst
köşesine kütle numarası (A), sol alt köşesine proton
sayısına eşit olan atom numarası (Z),
(Z) sağ alt köşesine de
nötron sayısını belirten ve N=AZ ile verilen değer
yazılır Ancak,
yazılır.
Ancak yalnızca kütle numarasının yazılması da
yeterlidir.
A
Z
X N veya
A
Z
X veya
A
X
Proton ve nötrona ortak olarak “nükleon” denir. Bu
nedenle kütle numarası olarak kullandığımız A, aynı
zamanda nükleon sayısıdır.
y
Bir atomun kimyasal
y
özellikleri, ççekirdeğindeki
ğ
ppozitif
elektrik yüküne bağlıdır. Çekirdeklerinde aynı sayıda
proton içeren
p
ç
atomlar kimyasal
y
olarak aynı
y özelliktedir.
Atom numaraları aynı fakat kütle numaraları farklı
çekirdeklere “izotop”
p denir. İzotopp çekirdekler nükleer
reaksiyonlar yardımıyla yapay olarak oluşturulabilir.
1
1
2
1
3
1
17
8
18
8
H ; H ;
16
8
O ;
35
17
Cl ;
O ;
37
17
Cl
H
O
Hidrojen atomunun izotopları
Oksijen
j atomunun izotopları
p
Klor atomunun izotopları
Nötron sayısı aynı, proton sayısı farklı çekirdeklere
“izoton”, kütle numaraları aynı atom numarası farklı
çekirdeklere “izobar”
izobar denir. Aynı çekirdeğin uzun ömürlü
uyarılmış durumu, taban durumundaki halinin bir izomeri
şeklinde adlandırılır.
İzoton:
12
5
B ;
38
18
İzobar:
13
6
C
(B=Boron)
(
)
Ar ;
39
19
Fe ;
58
2
27
Ce ;
76
34
58
26
76
32
K ;
Ni
Se
40
20
Ca
Birimler ve Boyutlar:
Nükleer fizikte en çok kullanılan “femtometre (fm)” dir ve
1 fm 1015 m
m’ lik uzunluğa karşı gelir.
gelir Nükleer büyüklükler
(yarıçap) 1 fm ile, ağır çekirdekler için, 7 fm arasında
değişir Atomik boyut (1010 m) ile karşılaştırıldığında,
değişir.
karşılaştırıldığında
çekirdek ile elektronlar arasındaki boşluk oldukça
büyüktür.
büyüktür
Nükleer olayların zaman ölçeği çok geniştir. Örneğin, 5He
ve 8Be gibi bazı çekirdekler 1020 s gibi bir süre içinde
parçalanırlar. Bir çok nükleer reaksiyon bu zaman ölçeği
içinde gerçekleşir. Reaksiyona giren çekirdeklerden birinin,
diğerinin nükleer kuvvet menzilinde kalma süresi bu
mertebededir.
Çekirdeklerin elektromanyetik  ışımaları genellikle 109 s ile
12 s kadar bir yarı-ömür
1012
yarı ömür arasında meydana gelir.
gelir Ancak,
Ancak
bozunmaların çoğu daha kısa veya daha uzun süreler içinde
gerçekleşir  ve  bozunmaları ise daha uzun sürelerde
gerçekleşir.
oluşur. Bu bozunmaların süresi dakika mertebesinden
milyonlarca yıl mertebesine kadar uzanabilir.
uzanabilir
Nükleer enerji milyon elektron-volt (MeV) birimi ile ölçülür.
1 eV=1,6021019 J’ dür. Bir elektronun 1 V’ luk potansiyel
fark altında durgun halden ivmelenerek kazandığı enerji
miktarı olarak tanımlanır. Tipik  ve  bozunma enerjileri
1 MeV civarındadır. Düşük enerjili reaksiyonlar 10 MeV’ lik
ki ik enerjiyle
kinetik
ji l oluşturulur.
l
l Atom
A
fi iği eV,
fiziği
V Çekirdek
Ç ki d k fiziği
fi iği
keV-MeV ve yüksek enerji fiziği GeV-TeV mertebesindeki
enerjilerle
jil l ilgilidir.
il ilidi
Nükleer kütleler “atomik kütle birimi” cinsinden ölçülür ve
kısaca “akb veya u” ile gösterilir. Atomik kütle birimi, nötr
bir karbon atomunun kütlesinin 1/12’ si olarak tanımlanır.
Karbonda 12 nükleon bulunduğu için, her nükleonun
kütlesi yaklaşık olarak 1 u alınır. Nükleer bozunma ve
reaksiyonların incelenmesinde kütlelerin yerine çoğunlukla
kütle enerjileri kullanılır.
1 u 1, 66051027 kg
g
27

mc 2 1, 660510  310
E

19
e
1, 60210
8

2
931,502
931 502 MeV
M V
Temel Etkileşmeler:
Tabiatta 4 temel etkileşme görülür. Bunlar gravitasyonel,
elektromanyetik, kuvvetli ve zayıf etkileşmelerdir. İki
parçacık arasındaki etkileşme, bu etkileşmeye özgü bir
parçacığın değiş
değiş-tokuş
tokuş edişiyle mümkündür ve bu
parçacığa “alan kuantumu” ya da “taşıyıcı” denir.
Bu 4 temell etkileşmenin
kil
i alan
l kuantumları
k
l ve bunların
b l
spin,
i
kütle, menzil ve şiddet değerleri tabloda verilmiştir.
Etkileşme
Taşıyıcı
Spin
Kütle (GeV)
Menzil (m)
Şiddet
Gravitasyonel
Graviton
2
0

1039
Elektromanyetik
Foton
1
0


Kuvvetli
Gluon
1
0
1015
1
Zayıf
W, Z0
1
80,2 ; 91,2
1018
105
Tarihsel Gelişimi:
1896: Raioaktivitenin keşfi (Antoine Henri Becquerel)
1898: Radyumun ayrılması (Marie ve Pierre Currie)
1905: Özel görecelik teorisi (Albert Einstein)
1909:  parçacığının 4He çekirdeği olduğunun gösterilemsi
(Rutherford ve Royds)
1911: Nükleer atom teorisi (Rutherford)
9 3: Kararlı
a a izotopların
otop a keşfi
eş ((Thomson)
o so )
1913:
Yörüngesel atom modeli (N. Bohr)
1914 X-ışınlarıyla
1914:
X
l
l saptanan
t
nükleer
ükl yük
ük (Moseley)
(M l )
1919: Nükleer reaksiyonlarla gerçekleştirilen yapay
dönüşümler (Rutherford)
1925: Özgün spinin önerilmesi (Goudsmith ve Uhlenbeck)
1928:  radioaktiflik teorisi (Gamov, Gurney ve Condon)
1930: Nötrino hipotezi (Pauli)
1931: İlk
İ elektrostatik hızlandırıcı (Van de Graaff)
İlk lineer hızlandırıcı (Sloan ve Lawrence)
1932: İlk
İ siklotron (Lawrence ve Livingston)
Döteryumun keşfi (Urey, Brickwedde ve Murphy)
Pozitronun keşfi (Anderson)
Nötronun keşfi (Chadwick)
Proton-nötron nükleer modeli (Heisenberg)
Hızlandırıcı kullanılarak ilk nükleer reaksiyon
(Cockcroft ve Walton)
1934: Yapay radioaktifliğin keşfi (I. Curie ve F. Joliot)
 bozunma teorisi (E. Fermi)
Ders notlarının hazırlanmasında
kullanılan temel kaynak:
Kenneth S. Krane
Introductory Nuclear Physics
John Wiley & Sons,
Sons New York,
York 1988.
1988
Download

bolum-1