Bir atomun nasıl parçalandığını öğrenmeden önce atomun ne olduğunu ve nelerden oluştuğunu bilmek parçalanma olayının anlaşılması için temel oluşturacaktır. Atomlar, çevremizdeki her şeyi oluşturan oldukça küçük birimlerdir ve evrendeki bütün maddelerin temel yapı taşlarıdır.
Her atomun merkezinde bir çekirdek bulunur. Çekirdek, nötronlar ve protonlardan oluşur. Nötronlar yüksüz, protonlar ise pozitif yüklü parçacıklardır. Nötron ve proton bütününe nükleon denir. Atomların yörüngelerinde elektronlar vardır. Elektronlar negatif yüklüdür ve çekirdeğin içinde bulunmazlar, çekirdek etrafında dönerler.
Radyoaktif İzotop Bombardımanı
1.Adım: Hızlı bir parçalanma söz konusu olduğunda tüm izotoplar aynı miktarda ayrılmaz. Uranyumun en yaygın izotopu; 92 proton,146 nötrondan oluşur ve atom ağırlığı mol başına 238 gramdır. Bu çekirdekler parçalanmadan önce nötronları absorplama eğilimindedir.238U’den daha az sayıda nötron içeren 235U olarak gösterilen uranyum izotopu daha kolay parçalanabilir böyle izotoplar fissile materyal olarak adlandırılır.
Uranyum parçalandığında diğer uranyum atomlarıyla çarpışarak 3 nötron salar ve böylece bir zincir reaksiyonu oluşur. Bazı izotoplar çok kolay bir şekilde parçalanabilir, hatta bu parçalanma o kadar hızlıdır ki fisyon reaksiyonu döngü halinde gerçekleşemez ve buna, kendiliğinden fisyon denir. Örneğin, plütonyum izotopu (240Pu) daha yavaş fisyon oranına sahip olan (239Pu) izotopun aksine böyle bir izotoptur.
2. Adım: 1. Adımda bahsedilen bu fisyon reaksiyonunu sürdürülebilir yapmak için belirli miktarda fissile izotopunun bulunması gerekir ve buna, kritik kütle denir. Kritik kütle, izotopun fisyon olasılığını artırmak için yeterli miktarda kaynak sağlar.
3. Adım: Atom altı parçacıkları çekirdekten koparmak zordur bu nedenle ait oldukları atomlardan ayrılmaları için zorlamak gerekir. Bu, belirli bir izotopun atomlarını aynı izotopun diğer atomları ile ateşleyerek yapılan bir yöntem ile yapılabilir.
Hiroşima’ya düşen 235U atom bombası bu yöntem ile yapıldı. Uranyum çekirdekli kimyasal bir silah olan 235U, 235U atomlarını içeren başka bir parçayı ateşledi ve serbest kalan nötronlar diğer 235Uatomlarının çekirdeklerine çarptı ve onları parçaladı. Atomlar parçalandıkça daha fazla miktarda nötron serbest kaldı ve diğer 235U atomlarına çarparak onları parçaladı ve sonuç büyük bir patlama oldu.
4.Adım: Tek bir atom altı parçacık, 235U atomuna çarpar ve onu 2 ayrı atoma parçalar, bunun sonucunda 3 nötron salınır. Bu parçacıklar, ayarlanmış bir kaynaktan (örneğin bir nötron tabancası) gelebilir veya çekirdekler çarpıştığında kendiliğinden de üretilebilir. Üç tip atom altı parçacık yaygın olarak kullanılmaktadır.
1)Protonlar; Bu atom altı parçacıkların kütlesi ve pozitif yükü vardır. Bir atomdaki proton sayısı, atomun hangi element olacağını belirler.
2)Nötronlar; Bu atom altı parçacıklar belirli bir kütleye sahiptir, ancak yükleri yoktur.
3)Alfa parçacıkları; Bu parçacıklar yörüngesinde elektron bulunmayan helyum atomlarıdır. Bunlar 2 proton ve 2 nötrondan oluşur.
Radyoaktif Maddelerin Sıkıştırılması
1. Adım: Parçalanmanın devam edebilmesi için yeterli miktarda hammadde gerekir. Bazı elementlerin (örneğin plütonyum) 1’den fazla izotopu olabilir. Gerçekleşecek tepkime için ne kadar fissile izotopu gerektiği hesaplanmalıdır.
2. Adım: Bazı durumlarda sürdürülebilir bir fisyon reaksiyonunun oluşması için gereken fissile izotop miktarını arttırmak gerekir ve buna, zenginleştirme denir. Radyoaktif materyalleri zenginleştirmenin birkaç yolu vardır. Bunlardan bazıları şu şekildedir;
1) Gaz Difüzyonu
2) Santrifüj
3) Elektromanyetik Ayırma
4) Termal Sıvı Difüzyon
3. Adım: Bazen atomlar kendiliğinden ateşlenemeyecek kadar hızlı bir şekilde bozulurlar. Böyle bir durumda, atomlar birbirine yaklaştırılarak diğer atomlara çarpma ve atomlardan nötronların ayrılma şansları artmış olur. Atomların birbirine yakın olması için patlayıcılar kullanılabilir.
Bu yöntem Nagasaki’ye atılan 239Pu atom bombası yapımında kullanıldı. Patlayıcılar plütonyum çevresine yerleştirildi ve patlatıldıklarında plütonyum atomlarını parçalanabilecek yakınlığa getirdi ve 239Pu atomlarından ayrılarak serbest kalan nötronlar sürekli olarak diğer plütonyum atomlarına çarparak çekirdeği parçaladılar ve bu muazzam büyüklükte bir patlama yarattı.
Atomları Lazerle Bölme
1.Adım: Radyoaktif malzemeler altın bir kasaya yerleştirilir. Kasayı sabitlemek için bakır bir tutucu kullanılır. Bölünme gerçekleştiğinde hem fissile materyaller hem de metaller radyoaktif hale gelir.
2.Adım: Petawatt (1015 watt) lazerlerin gelişmesi ile radyoaktif bir madde içeren metallerdeki elektronlar lazer ışıkları ile uyarılır ve atom parçalanır. Veyahut, metaldeki elektronları uyarmak için 50 terawatt (5 x 1012 watt) bir lazer kullanılabilir.
3.Adım: Elektronlar yörüngelerinde düzenli olarak döndüklerinde, altın ve bakır, çekirdeklere nüfuz eden yüksek enerjili gama radyasyonu yayar. Bu radyasyon nötronların çekirdeklerden ayrılmasını yani atomun parçalanmasını sağlar. Bu işlem sonrasında, nötronlar uranyum atomlarını parçalayan altının alt kısmındaki uranyum ile çarpışırlar.
Bir atom parçalandığında ne olur?
Çekirdeğin içinde nükleonları bir arada tutmak için belli miktarda enerji gerekir ve buna, bağlama enerjisi denir. Çekirdeğe doğru bağlanma enerjisinden daha büyük miktarda kuvvet uygulanırsa çekirdek bölünür.
Bir atomu parçalamak için çekirdeğe doğru hızla hareket eden bir nötron çekilir. Uygun koşullar altında, çekirdek iki parçaya ayrılır ve enerji açığa çıkar. Bu sürece nükleer fisyon denir.
Sadece bir atom parçalandığında az miktarda enerji açığa çıkar. Çekirdek doğru koşullar altında parçalandığında, bazı nötronlar boşlukta yayılır ve bunlar daha fazla atomu parçalamaya devam ederek daha fazla enerji ve daha fazla nötron salınımına neden olarak zincir reaksiyonunu gerçekleştirebilir.
Bu zincir reaksiyonu sonucunda çok daha fazla miktarda enerji açığa çıkar. Uygun koşullar sağlandığında bir saniyeden çok daha kısa bir sürede nükleer patlamaya neden olacak kadar büyük miktarda enerji açığa çıkabilir.
Her atomu bu şekilde parçalamak mümkün müdür?
Teorik olarak her atom bu şekilde parçalanabilir, ancak uygulamada atom çekirdeğinin büyüklüğü önemlidir. Çekirdek küçük ise atomu parçalamak için daha fazla miktarda enerji gerekir. Büyük çekirdeğe sahip atomlar daha başarılı bir şekilde parçalanır.
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
