Nükleer Fizik

Çekirdek fiziği veya nükleer fizik fiziğin atomun çekirdeğini inceleyen dalıdır. Başlıca 3 amacı vardır:


Temel parçacıkları (proton ve nötron) ve etkileşimlerini incelemek
Çekirdek özelliklerini sınıflandırmak değerlendirmek
Teknolojik gelişmeler sağlamak

Atom çekirdeğini ve temel tanecikleri aralarındaki etkileşimler açısından düşük enerjiler alanında inceleyen fizik dalıdır (çekirdek fiziği de denir). Nükleer fizik İkinci Dünya savaşının sonundan beri çok büyük bir gelişme gösterdi.
Nükleer fizik doğal bir radyoaktif kaynaktan çıkan a tanecikleriyle (helyum çekirdekleri) azot çekirdeklerinin bombardıman edilerek yapay dönüşümün (transmütasyon) gerçekleştirilmesinden sonra XX. yy’ın başlarında doğdu. Ama doğal kaynaklardan yayınlanan taneciklerin enerjisinin yetersiz kaldığı çok çabuk ortaya kondu ve fizikçiler 1930′dan başlayarak bu tanecikleri doğrudan doğruya oluşturmaya ve hızlandırmaya yöneldiler. İlk doğrusal hızlandırıcı 1931′de gerçekleştirildi ama bilginlere yüksek enerji dönemini açan E. O. Lawrence’in kurduğu siklotron oldu.

Atom Taneciklerinin Maddeyle Etkileşmesi

Atom tanecikleri A kütle sayılarına göre hafif tanecikler (döton) ve ağır tanecikler (uranyum 235′in ya da bölünebilen başka elementlerin çekirdek fisyonlarının parçaları) olarak sınıflandırılmışlardır. Bu taneciklerin ya da “mermiler”in (projektil) maddeyle etkileşimi çeşitli görünümler alır. Tanecik hedef oluşturan atomlardan biri üstünden sıçrayabilir; bu esnek şok ancak çarpan taneciğin yani merminin hızı yeterince küçükse meydana gelebilir. Megaelektronvolta yakın daha yüksek enerjiler için tanecik atomu uyarır ya da iyonlaştırır; bu durumda şok elektron düzeyinde yer alır. Merminin enerjisi daha da büyükse elektron bulutundan geçerek çekirdeğin yakınma kadar ulaşır; böylece iletilen enerjilere göre birçok olay meydana gelebilir. Pozitif olarak yüklü tanecik aynı yükü taşıyan çekirdek tarafından itilebilir: Bu durumda esnek şok söz konusudur. Daha yüksek enerjili tanecik çekirdeğin içine sızıp nükleonlardan biri üstünden sıçrayabilir; o zaman nükleer bir esnek şok söz konusu olur. Tanecik çekirdeğin içine sızdıktan sonra yakalanabilir; bu durumda şok esnek değildir. Bununla birlikte bu son olay nükleer çekim kuvvetlerinin etkisinin zayıflığı yüzünden seyrek olur. Gene de meydana geldiği zaman bileşik bir çekirdek elde edilir; bu da parçalanır.

Demek ki hızı yeterli büyüklükte olan bir tanecik enerjisini uyarılma ve iyonlaşmayla yitirmeye başlar. Birçok atomla aynı anda etkileşen tanecik nükleer şok durumu dışında hemen hemen düz bir yörünge çizer. İyonlaştırıcı gücü yavaş yavaş azalırken atomik ve nükleer şok olasılığı artar; aldığı yolun sonunda böyle şoklardan kaynaklanan bazı sapmalar gözlenir.

Elektronların Maddeyle Etkileşmesi
Elektronların davranışı atom taneciklerininkine benzer. En önemli fark kütlelerin büyüklük düzeylerinden kaynaklanır. Atomların dış elektronlarının etkileşimleri en sık raslanan olaylardır; ayrıca şokların yol açtığı enerji azalmalarından dolayı “mermi” elektron önemli sapmalar gösterir. Yörüngeler artık düz değildirler; elektronlar çevreye saçılırlar. Elektronların durdurulmasına yalnızca şoklar değil enerji ışıması da yol açar: Gerçekten hareket halindeki bir yük ışınım biçiminde enerji yitirir ve tanecik ne kadar yüksek bir hızla hareket ederse ve kütlesi ne kadar küçükse bu yitim o kadar büyük olur. Bu olay elektronlar söz konusu olduğunda çok önemli olmakla birlikte öbür temel atom tanecikleri için göz önüne alınmayacak kadar önemsizdir. Pozitif elektronun yani pozitonun konumunun özellikleri negatif elektronunkilere tümüyle benzerdir ama negatif elektronlar bol olduğundan bir pozitif elektronla oluşma olasılığı çok kuvvetli olan bir negatif elektronun bir etki olmadan ve kolaylıkla ortadan kalkması söz konusudur.

Fotonların Maddeyle Etkileşmesi
Nükleer fizikte kullanılan fotonlar özellikle X ve Y ışınlarına denk düşerler. Fotonun özellikleri başka taneciklerden tümüyle farklıdır (kütlesiz ve yüksüz); madde içinden geçerken de davranışı aynı böyledir. Özellikle foton yükünün sıfır olması nedeniyle çekirdek tarafından elektrostatik itilmeye uğramaz Y ışınlan çok daha fazla içe sızıcı ve az iyonlaştırıcıdırlar. Esnek bir şok sırasında foton enerjisinin bir bölümünü çarpan taneciğe verebilir böylece fotonla bütünleşen dalganın frekansında bir azalma olur: Bu hedef olan tanecik dışta az bağımlı bir elektron olduğu zaman çok önem taşıyan Compton olayıdır.

Foton enerjisinin tümünü de yitirebilir ve atomun aşağı düzeydeki elektronlarının etkisiyle yok olabilir. Fotoelektrik olay söz konusu olduğunda çarpan tanecik atomdan dışarı atılır. Y ışınları da bir çekirdeğin yakınında farklı biçimde yok olabilirler: Y fotonu ortadan kaybolur ve kütlesi sıfır olmayan tanecik oluşumu yoluyla özdekleşme (somutlaşma) gerçekleşir. Genel durumda bir foton demetinin soğurulması aynı anda meydana gelebilen bu çeşitli etkileşimlerin sonucudur.Böyle ışımaların dozunun ayarlanması özellikle bunların dokular üstündeki etkilerini araştıran biyoloji ve röntgen uzmanları için önemlidir.

Nötronların Maddeyle Etkileşmesi
Nötronun elektrik yükünün bulunmaması elektrostaiik kökenli bir etkileşme olasılığını ortadan kaldırır. Foton gibi nötronun da durdurulması dolayısıyla da ortaya çıkarılması güçtür.Nötron-çekirdek etkileşmesi yalnızca nötronun yörünge değişimi yoluyla esnek bir çarpışmayla ya da enerji alışverişi yoluyla esnek olmayan bir çarpışmayla sınırlanabilir. Elektronlarla nötronların kütlelerinin oransızlığı (çok farklı olması) böyle çarpışmalar sırasında çok hafif enerji alışverişine yol açar. Buna karşılık nükleer çarpışmalar yapay bir Y yayınımıyla birlikte bir çekirdek uyarılmasına ya da gerçek bir nükleer tepkimeye (dönüşüm) neden olabiir: Nötron soğurulur daha sonra da çekirdek parçalanır. Bu “mermiler” özellikle fisyon tepkimeleri sırasında kullanılır. Yukarda ortaya konmuş olan sonuçlar istatistik hesaplara ve kuvantum mekaniğinin ilkelerine dayanan matematiksel bir araştırmayla desteklenir.

Bu araştırmalar günümüzde farklı hızlandırıcılarda giderek duyarlı deneylere gereksinim gösterilerek sürdürülür. Uygulamaların bütünü nükleer kimya ile ilgili açıklamalara konu oluşturur.