APA 7: Göktaş, S. M. (2023, September 25). Atom Nedir? PerEXP Teamworks. [Article Link]
Günümüzde atomlar hala bilimin temel yapı taşları olarak kabul edilir. Bir atom, genellikle merkezi bir çekirdek içerir ki bu çekirdek protonlar ve nötronlar gibi yüklü parçacıklardan oluşur. Bu çekirdeğin etrafında ise yörüngelerinde veya elektron bulutu olarak adlandırılan bölgelerde elektronlar döner.
Ancak, bazı temel özellikler ve fiziksel prensipler atomları ilginç ve karmaşık yapılara sahip olmalarını sağlar. Örneğin, hidrojen atomu sadece bir proton ve bir elektron içerir, nötronu yoktur. Bunun nedeni protonların aynı yükte olmaları nedeniyle birbirlerini itmesidir. Ancak nötronlar, protonları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet tarafından çekilirler böylece atomlar dengede kalabilirler.
Atomların elektronlarının tam konumlarını belirlemek tam olarak mümkün değildir. Bu nedenle, elektronların muhtemel bulunma bölgelerini ifade etmek için “Elektron bulutu” veya “Orbital” terimleri kullanılır. Bu, elektronların atom çevresindeki hareketini daha iyi anlamamıza yardımcı olur.
Ayrıca atomların büyük bir kısmının boşluktan oluştuğu unutulmamalıdır. Atomların iç yapısı, evrenin daha büyük ve karmaşık fenomenleri hakkında daha fazla anlayış geliştirmemize yardımcı olur. Örneğin karadelikler ve nötron yıldızları gibi. Bu nedenle atomların doğası ve davranışı bilimin derinliklerine olan yolculuğumuzda temel bir rol oynamaya devam ediyor.
Atomun yapısını oluşturan üç temel bileşen vardır:
- Elektron (e- veya β): Elektronlar negatif bir temel elektrik yüküne sahip atomaltı parçacıklardır. Elektronlar, fiziksel ve kimyasal olaylarda temel bir rol oynarlar. Aynı zamanda elektrik, manyetizma, ısıl iletkenlik gibi bir dizi fiziksel fenomende önemli bir etkisi vardır. Ayrıca elektronlar kütleçekimi, elektromanyetizma ve zayıf kuvvetler gibi temel kuvvetlerde etkin rol oynarlar. Elektronlar yüklü oldukları için kendilerini çevreleyen bir elektrik alanı oluştururlar. Elektronlar nispeten küçük kütleleri nedeniyle atom ağırlığına önemli bir katkıda bulunmazlar ve bu nedenle temel parçacık olarak kabul edilirler.
- Proton: Protonlar atom çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü atomaltı parçacıklardır. Protonlar, elektronlardan farklı olarak atomun kütlesine önemli bir katkıda bulunurlar. Protonlar, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluştuğu kabul edilen temel parçacıklardır. Bütün protonlar aynı büyüklükte (1,6 x 10-19) pozitif bir elektrik yüküne sahiptirler.
- Nötron (n): Nötronlar, atomun çekirdeğini oluşturan atomaltı parçacıklardır. Nötronlar protonlar gibi iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşurlar. Nötron ve proton toplam sayıları, atomun kütle numarasını belirler. Nötronların elektrik yükü yoktur, yani nötronlar yüksüz parçacıklardır. Hidrojen haricindeki bütün atomların çekirdeklerinde nötronlar bulunur.
Bu üç temel yapıtaşı, atomların karmaşık yapısını oluşturur ve atomların kimyasal ve fiziksel davranışlarını belirler. Bu parçacıkların etkileşimi, atomların özelliklerini ve davranışlarını anlamamıza yardımcı olur.
Füzyonu mümkün kılan kuvvet: Güçlü nükleer kuvvet
Protonların çekirdekte neredeyse dokunur gibi bulunması ilk bakışta tuhaf görünebilir ancak bu durum güçlü nükleer kuvvet adı verilen önemli bir etkileşimle açıklanır. Bu kuvvet, oldukça kısa bir mesafede etkilidir, yaklaşık olarak çekirdeğin çapı kadar kısa bir mesafe olan 10-15 metreyi içerir. İlginç olan şu ki güçlü nükleer kuvvet, protonlara doğrudan etki etmez; aslında bu kuvvet, protonların kendisi değil protonların iç yapısını oluşturan kuarklara etki eder. Bu, güçlü nükleer kuvvet’in diğer temel kuvvetlerden belirgin bir şekilde farklı olduğu anlamına gelir.
Kuarklar birbirlerine yaklaştıkça birbirlerini daha az çekerlerken, birbirlerinden uzaklaştıkça daha fazla çekerler. Öyle ki proton içindeki iki kuark arasındaki mesafe 10-15 metreyken aralarındaki çekim kuvveti Dünya üzerindeki 16 ton ağırlığındaki bir kütleye etki eden kütleçekim kuvvetine denk gelir. Bu, kuarkların birbirlerinden ayrılmasını imkansız hale getirir. Bu nedenle henüz serbest kuarklar gözlenmemiştir. Nedeni ise bu bağın çok güçlü olmasıdır. Kuarklar arasındaki bağı kırmaya çalıştıkça bu bağ enerjiyi emer ve yeterince enerji biriktiğinde bu enerji bir parçacık oluşturur ve bağ tekrar eski haline döner.
Füzyon nedir?
Füzyon, temel olarak iki farklı atomun bir araya gelerek yeni bir atom oluşturduğu bir süreçtir. Örneğin, iki hidrojen atomu çarpışarak önce döteryumu ardından da iki döteryumun birleşerek bir helyum atomunu oluşturduğu bir reaksiyonla gerçekleşir. Bu süreçte kütle korunmaz. Yani başlangıçta toplam hidrojen kütleleri ile sonuçta oluşan helyum ve nötrinoların kütleleri eşit değildir. Bu noktada, artık herkes tarafından bilinen ve fizik için temel bir denklem olan “E=mc2” devreye girer. Bu denklem kütle-enerji dönüşümünü açıklar. Denklem, kütle miktarının ışık hızının (300.000.000 m/s) karesi ile çarpılmasıyla enerjiye dönüştürüldüğünü gösterir. Yani çok küçük bir kütle miktarı bile büyük miktarda enerji içerebilir.
Ancak dünyada kararlı bir füzyon reaktörü inşa etmek kolay değildir. En temel faktör enerjidir. Füzyon yapılacak madde (Hidrojen) atomları, belirli bir hızdan daha yüksek bir hızda hareket etmelidirler ki çarpışmalar gerçekleşebilsin. Bu sıcaklık ve basınç koşulları, 32 milyon derece civarında olmalıdır. Ancak uygun koşullar altında daha düşük sıcaklıklarda da füzyon gerçekleşebilir. Güneş, bu örneği en güzel şekilde sergiler. Güneş’in çekirdeğinde sıcaklıklar yaklaşık 16 milyon derece civarındadır. Bununla birlikte göreceli olarak düşük sıcaklıklarda bile kararlı bir füzyon gerçekleşebilir. Bu, yıldızın büyük kütlesine ve bu kütlenin oluşturduğu yüksek kütleçekim kuvvetine borçludur. Yıldızın merkezinde yüksek basınç oluşturan bu kütleçekim kuvveti, atomları sıkıştırır. Daha fazla atom, daha küçük bir alana sıkıştığı için çarpışma olasılığı artar ve bu nedenle daha düşük sıcaklıklarda bile kararlı bir füzyon gerçekleşebilir.
Dünya üzerinde bu tür bir füzyonu gerçekleştirmek istediğimizde karşımıza çıkan temel sorun, yeterince yüksek bir basınç elde edemememizdir. Bu nedenle füzyonu başlatmak için sıcaklığı yükseltmek zorundayız. Ancak böyle yüksek sıcaklıklara ulaşmak büyük miktarlarda enerji gerektirir. Şu an için harcanan enerjiden daha fazla enerji elde etmek mümkün değildir. Bu nedenle füzyon reaktörleri şu an için pratik bir enerji kaynağı olarak kullanılamazlar. Ancak gelecekte bu yöntemle çok büyük miktarda enerji üretmek mümkün olabilir. Örnek vermek gerekirse füzyon reaktörlerinde kullanılan 3.8 litre deniz suyu, yaklaşık 1,136 litrelik benzine eşdeğer enerji üretebilme potansiyeline sahiptir. Bu, füzyonun potansiyelini ve enerji üretme kapasitesini gösteren heyecan verici bir göstergedir.
Atom bombalarının gücü: Zayıf nükleer kuvvet
Diğer bir nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet olarak adlandırılır. Bu kuvvet parçacıkları birbirlerine doğru çekmek yerine atom çekirdeklerinin parçalanmasında önemli bir rol oynar. Atom bombalarından yıldızların enerji üretimine kadar bir dizi önemli süreçle ilişkilendirilen zayıf nükleer kuvvet, radyasyonun temel kaynağıdır.
Zayıf nükleer kuvvetin yıldızlarla ilişkisi ise oldukça ilginçtir. Yıldızlardaki görevi, iki hidrojen atomunun birleşmesi sonucu ortaya çıkan atomun ve iki protonun bir kısmının nötron ve nötrinolara dönüşmesini sağlamaktır. Bu süreç yıldızların içindeki termonükleer reaksiyonlarda gerçekleşir ve yıldızların ısısını ve ışığını üretmelerini sağlar. Yani zayıf nükleer kuvvet yıldızlar gibi büyük gök cisimlerinin varlığını ve enerji üretimini sürdürebilmeleri için kritik bir rol oynar.
Radyasyonun kaynağı olan bu kuvvetin anlaşılabilmesi için öncelikle radyasyonun ne olduğunu anlamak önemlidir. Radyasyon terimi, belirli bir süre içinde sizinle etkileşime giren nötronların sayısını ifade eder. Zayıf nükleer kuvvet bu nötronların ortaya çıkmasından sorumludur. Bu süreci daha iyi anlayabilmek için bir atomu ele alalım: Bir nötron, bir atoma çarptığında atom kararsız hale gelir ve parçalanma eğilimi gösterir. Bu parçalanan atom, nötronları açığa çıkarır ve bu serbest nötronlar diğer atomlara çarpabilir. Sonuç olarak bu zincirleme reaksiyon olarak adlandırılan bir süreci başlatır. Eğer bu zincirleme reaksiyon kontrolsüz bir şekilde devam ederse atom bombalarının içindeki patlamalar gibi ciddi enerji açığa çıkabilir. Bu nedenle zayıf nükleer kuvvetin doğru anlaşılması ve kontrol altında tutulması büyük önem taşır.
Kaynaklar
- WEBSITE Özkarayel, L., & Telimenli C. C. (2011, May 31). Atom Nedir? Atomları Nasıl Keşfettik? Maddenin Yapıtaşını Açıklayan Atom Teorisi, Zamanla Nasıl Evrimleşti?. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
- WEBSITE Sarıgül, T. (2016, September 18). Güçlü ve Zayıf Nükleer Kuvvet Nedir?. Bilim Genç | TÜBİTAK. [Bilim Genç | TÜBİTAK]
