Çevremizde her zaman için bir miktar radyasyon bulunur, fakat radyasyonun fazlası insan sağlığını tehdit ettiği gibi, daha ileri safhalarda ölüme yol açabilir.

Doğal radyasyon uranyum gibi bazı kimyasal elementler ile uzay boşluğundaki yıldızlar ve bazı nesneler tarafından üretilir. Bazı nesneler bir saniyeden çok daha az süreyle radyoaktif kalabilirler, bazıları ise binlerce yıl radyoaktif özelliğini koruyabilir.

Radyasyon özel makineler sayesinde de üretilebilir, bu makinelere Siklotron (ivme makinesi), doğrusal hızlandırıcı veya parçacık hızlandırıcı adı verilir. Bazı bilim adamları bu makineleri üzerinde çalışabilecekleri radyasyonu üretebilmek için kullanırlar. Röntgen cihazları az miktarda üretilen (X ışınları) sayesinde insan vucudunun iç kısımlarının görüntülenmesini sağlar.

Nükleer silahlar (atom bombaları), yapıları tahrip etmek ve insanları öldürmek amacıyla çok hızlı bir şekilde çok yüksek miktarda radyasyon ortaya çıkarırlar. Bu konuda en büyük ve insanlığın hafızasına kazınmış en acı deneyim, Amerikan ordusunun İkinci Dünya Savaşı?nın sonunda (1945) Hiroşima ve Nagazaki?ye attığı bombalardır. Öte yandan nükleer silahlar, İkinci Dünya Savaşı?ndan seksenli yılların sonuna kadar Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği başta olmak üzere, kapitalist ve sosyalist bloklar arasında meydana gelen Soğuk Savaş?ın temelini oluşturmuştur. Uzun yıllar boyunca devam eden karşılıklı nükleer tehditler, insanlık için korkutucu bir deneyim meydana getirmiştir.

Nükleer reaktörler elektrik üretmek için kullanılmaktadırlar. Bunlar da çok miktarda radyasyon meydana çıkarırlar, bu nedenle radyasyonun reaktörden dışarı sızmasını önleyecek şekilde dikkatlice inşa edilirler. Fakat birçok insan, reaktörlerde bir sorun oluşması durumunda radyasyonun çevreye yayılabileceğinden ve insanlara ve diğer canlılara zazar verebileceğinden endişe duymaktadır. 16 Nisan 1986?da Ukrayna?nın Çernobil şehrinde meydana gelen ve kanserojen etkileri Sovyetler Birliği ile Türkiye?nin Karadeniz kıyılarında bugün de hissedilen büyük felaket, bu korkunun başlıca temelidir. Öte yandan nükleer reaktörlerin parçaları ve atıkları büyük sorun oluşturmaktadır. Kimi parçalar, yüzlerce hatta binlerce yıl boyunca radyoaktif kalabilmekte ve çevreye zarar verebilmektedir. Bu nedenle bunların güvenli bir şekilde nasıl saklanması gerektiğine ilişkin bugün bile devam eden tartışmalar vardır.

Özellikleri

Radyoaktiflik: Bir atom çekirdeğinin, tanecikler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanması. Bu olayı ilk kez 1896 yılında Henri Becquerel uranyum üzerinde ortaya çıkardı. Doğada kendiliğinden radyoaktif olan bazı elementler vardır, bunlar dört grupta toplanır:

• Radyum grubu: Bu grup uranyum 238 ile başlar ve art arda parçalanmalarla kararlı kurşun 206′ya dönüşür.

• Aktinyum serisi: Bu seri uranyum 235 ile başlar ve kurşun 207′ye dönüşerek biter.

• Toryum serisi: Adını aldığı toryum 232 ile başlar ve kurşun 208 ile son bulur.

• Neptünyum serisi: Neptünyum 237 ile başlayıp, bizmut 209 ile biter.

Radyoaktifliğin tipleri

Bu serilerde radyoaktifliğin çeşitli tipleri ile karşılaşılır:

• ? (Alfa) radyoaktiflik: İki Nötron ve iki protondan meydana gelen bir heliyum çekirdeği yaymaktır. Bu radyoaktiflikte çekirdeğin yükü, iki birim oranında eksilir.

• ? (Beta) radyoaktiflik: Bir pozitif ve negatif elektron yayımıdır. Bu radyoaktiflikte, elektron eksi yüklü ise çekirdek yükü bir birim artar, artı yüklü ise bir birim azalır.

• ? (Gamma) radyoaktiflik: Bir çekirdeği uyarılmış bir halden, daha az uyarılmış veya kararlı hale getiren elektromanyetik bir ışınım kuvantumunun yayımıdır. Radyoaktif dönüşünler az veya çok hızlı olurlar. Göz önüne alınan element çekirdeğin yarısının parçalanması için gerekli süreye Periyot (radyoaktiflik) denir. Dış etkenlerin hiç birine bağlı değilmiş gibi görünen bu periyot çekirdekten çekirdeğe çok değişir. Bir saniyenin milyarda birinin binde biri ( 10-12 ) kadar süren periyotlar olduğu gibi 1017 yıla ulaşan periyotlar olduğu bilinmektedir. Nükleer tepkimelerde, doğada bulunmayan radyoaktif çekirdekler elde edilebilir. Bu olaya suni radyoaktiflik denir.

Yapay Çekirdek Tepkimeleri

Çekirdeği kararsız, radyoaktif bir atomun hiçbir dış etkiye bağlı kalmaksızın, kendiliğinden ışımalar yaparak başka çekirdeklere dönüşmesi olayına doğal radyoaktiflik denir.

Doğal radyoaktif çekirdek tepkimeleri;

• X ===> Y + (ışıma)

şeklindedir.Tepkimedeki X, doğal radyoaktif atomu, Y ise oluşan yeni atomu göstermektedir.

Radyoaktif olmayan bir atom çekirdeğinin, temel taneciklerle(alfa,nötron,proton,…) bombardıman edilerek kararsız çekirdek haline dönüştürülmesi olayına yapay radyoaktiflik denir.

Yapay radyoaktif çekirdek tepkimeleri,

• X + a ===> Y + (ışıma)

şeklindedir.Tepkimedeki X kararlı çekirdeği, a ise bombardıman taneciğini gösterir.X, bombardıman edilerek Y kararsız taneciğine dönüşürken bir de ışıma yapmaktadır.Oluşan Y çekirdeği, doğal radyoaktif bozunmaya uğrayarak başka çekirdeklere dönüşür.

• Doğal radyoaktiflik olaylarında bozunma, ışıma ve fırlatma gibi ifadeler kullanılırken yapay radyoaktiflikte bombardıman ifadesi kullanılır.

Bombardıman etme işlemlerinde kullanılan en uygun tanecik nötrondur.Çünkü nötron yüksüz olduğu için çekirdek tarafından itilmez ve böylelikle kolayca etkileşime girilebilir.

Fisyon(Bölünme)

Büyük atom çekirdeklerinin nötronlarla bombardıman edilerek daha küçük atom çekirdeklerine dönüştürülmesine fisyon denir.

Atom ağırlığı büyük olan kararsız çekirdekler kendiliğinden parçalanarak kararlı çekirdeklere dönüşebilirler.Bu olaya doğal fisyon denir.

Füzyon(Kaynaşma)

Küçük atom çekirdeklerinin kaynaşması ile daha büyük ve kararlı çekirdekler haline geçmesine füzyon denir.

• Füzyon tepkimesinde açığa çıkan enerji, fisyon tepkimesinde açığa çıkan enerjiden daha büyüktür.

Radyoaktifliğin uygulamaları

Radyoaktiflik hemen hemen bütün bilimsel ve teknik alanlarda geniş bir uygulama alanı bulur. Radyoaktif izotopların nükleer tepkimelerinden tekniğin birçok dalında kontrol aracı olarak faydalanılır. Bu kontrolde özellikle radyoaktif bir elementin radyoaktif olmayan bütün izotoplarıyla aynı özellikleri göstermesinden yararlanılır. Radyoaktif uygulamalardan bazı bilim dallarında şu şekilde yararlanılmıştır:

• Kimyada uygulamalar: Işınım Kimyası adında yeni bir kimya dalı gelişmiştir. Bu dalın konusu ışıma altında gelişen yeni kimyasal tepkimelerin incelenmesidir. Bu işlemlerde kobalt 60 gibi radyoaktiflik derecesi çok yüksek kaynaklar kullanılır.

• Biyoloji ve Tarımdaki uygulamalar: Radyoaktifliğin en geniş uygulaması bu alanda bulunur. Bitkinin bünyesine düşük miktarda karbon 14 verildiğinde, bünyede karbon izlenebilir. Radyoaktif ışınımlar canlı hücreler üzerinde büyük etki yapar; bu hücreleri önce değişikliğe uğratır, sonra öldürür. İnsan için çok zararlı olan bu etkiler tarımda çok yararlıdır. Böylece çok çabuk olgunlaşan yeni bir domates türü geliştirilmiştir.

• Tıbbi uygulamalar: yok edilmesi kanser ve tümör tedavisinde metot haline gelmiştir; bu amaçla X ışınları uzun süredir kullanılıyor.

• Metalurjideki uygulamalar: Radyoaktiviteden çeliğin katılaşmasını, metalürjik tepkimelerin kinetiğini vb. incelemekte yararlanılır. Bu yolla metallerin yayılması kolayca izlenir.

• Tarih, Arkeoloji ve Jeolojide uygulamalar: Ahşap eşyanın veya kumaşların yapıldığı tarih, karbon 14 metoduyla kesin olarak bulunur. Bu usul eski medeniyetlerin incelenmesinde çok yararlıdır.

Örneğin kalsiyum (Ca) elementinin tüm atomlarında proton sayısı 20 iken ⁴⁰Ca’da 20, ⁴²Ca’da 22, ⁴³Ca’da 23, ⁴⁴Ca’da 24, ⁴⁶Ca’da 26, ⁴⁸Ca’da 28 adet nötron bulunur (^xxCa, xx= proton + nötron sayısı).

Herhangi bir element için, ağırlıklı atom kütlesi

Elementin atom kütlesi = (1. İzotop’un kütlesi x İzotop’un doğada bulunma yüzdesi + 2. İzotop’un kütlesi x İzotop’un doğada bulunma yüzdesi + 3. İzotop’un kütlesi x İzotop’un doğada bulunma yüzdesi + …)/100

İzotop atomların kimyasal özellikleri aynı, fiziksel özellikleri farklıdır.

2-) Kuarklar

3-) Nötrinolar

Temel Parçacıklar

Leptonlar ve kuarklar şimdiki bilgilerimize göre elementer parcacıklardır. Yani, kendilerini oluşturan başka parçacıklardan yapılmamışlardır.

Leptonlar içinde hepimizin yakından tanıdığı ?Elektron? vardır. Elektron şimdilik

başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini (dönüş) ½ ve elektrik yükleri -1 veya 0 dır. Yunanca lepton

hafif parçacık anlamına gelmektedir.

Elementer parçacıklar içinde adını James Joyce dan alan parçacıklar Kuarklardır. Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır.

Şimdilik bilinen 6 kuark vardır.

Atom cekirdeği etrafında bulunan elektron bir elementer parcacık olduğu için onunla fazla uğraşmayacağız. Geriye kalan, “çekirdek nedir”?

Sorusuna cevap arayacağız.

Çekirdek Nukleon adını verdiğimiz proton ve nötrondan meydana gelmiştir. Elektron ve çekirdek, içindeki Nötron ile Proton kararlı parçacıklardır.

Çekirdeği ilgilendiren parçacıklar ailesi iki kısımdır.

1-) Baryonlar

2-) Mezonlar

Baryonlar ağır parcacıklardır, mezonlar orta ağır parçacıklardır. Baryonlar ve Mezonların hepsine Hadronlar adı verilir.

Yunanca kuvvetli parçacık anlamındadır.

Kuark kuramına göre Baryonlar 3 kuarktan, Mezonlar ise bir kuark ve bir antikuarktan oluşmuşlardır.

Nötron UDD kuarklarından, Proton ise UUD kuarklarından meydana gelmiştir.

Elektrik yükleri hesaplandığında 2/3 -1/3-1/3 = 0 yani yüksüz Nötron ve 2/3+2/3-1/3 = 1 yüklü Proton olduğu görülür.

Hadronlar ailesi

Bir atom çekirdeğini oluşturan Hadronlar,Kuarklardan yapılmışlardır ve aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar. Bu olay esnasında ki kuvvet güçlü

etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar. Bu olgu ilk kez H. Yukova tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur.

Ortalıkta fazla görülmeyen bu maddelerin ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon 10-8 sn yaşar.

Bir atom çekirdeğinin her zaman kararlı olmadığını biliyoruz, kararsız atom

çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur bunu sağlayan zayıf etkileşimdir.

Doğada varolan ve şimdilik bilinen 4 temel kuvvetin bağlantı kuantasına Gluon adı verilir.

Elektromagnetik kuvvet gluonu FOTON

Zayıf Etkileşim kuvvet gluonu W+ W- Z0 parçacığı

Çekim Kuvveti gluonu GRAVİTON

Kuvvetli Etkileşim gluonu RENKLİ GLUONLAR

dır. Atom çekirdeğini ilgilendiren gluonlar Kuarkların tad dediğimiz özelliğini değiştirir

ve onların yapmış olduğu hadronları parçalar veya kuarkları zamk gibi birarada tutarak kararlı parçacıkların yapılmasını sağlar.

Şimdiye kadar bahsedilen bu parçacıkların Pauli yasası ile belirlenen spinleri göz

önüne alındıklarında (spin parcacığın iç açısal momentumudur), parçacıklar ya tamsayılı spinlere sahiptir. 0 , 1 ,2 ?gibi veya yarım tamsayılı (buçuklu)

spinlere sahiptir ½ , 3/2 , 5/2 … gibi. Yarı tamsayılı spinli parçacıklar FERMİ istatiklerine, tamsayılı spin?e sahip olanlar BOSE istatiklerine uyarlar.

Bu nedenle Spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar.

1-) Fermionlar ( Enrico Fermi den)

2-) Bozonlar ( M. K. Bose dan )

Fermi istatistiklerine uyan parcacıklar aynı anda aynı konumda olamazlar (elektron gibi).

Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda konumda olabilirler (foton dolayısı ile laser gibi).

Tüm bahsedilen parçacıkların bir antiparçacığı da olduğunu, ki buna antimadde diyoruz.

Unutmamakta fayda var. En çok bilinen örnek Pozitron yani antielektrondur. “Peki ortalıkta antimadde niye görülmüyor?” diyorsanız sebebi; madde ile

antimadde karşılaştığında, ortaya enerji çıkmasıdır.

Kısaca özet halinde konuyu anlatmaya çalıştık, konu çok geniş ve gittikçe karmaşık hale gelmektedir. Korunum yasaları, Pauli dışarlama etkisi, Parite,

Ayar teorileri, Sicim teorisi, sekizli yol gibi teferruata girmedik belki ileride meraklısı artarsa konuyu daha geniş olarak inceleriz, şimdilik aklınızda bu

kadar kalsın yeter.

NÖTRİNOLAR

Nötrinolar leptondur. Yüksüz (nötr) ve sıfır veya çok küçük kütleye sahiptirler. Bu yüzden diğer parçacıklarla neredeyse hiç etkileşmezler. Bir çok nötrino, bir kere bile etkileşmeden yeryüzünün içinden geçerler.

Nötrinolar değişik bozunma ve etkileşmeler ile üretilir. Örneğin, bir nötron bir proton, bir elektron, ve bir anti-nötrinoya bozunur. Aslında, fizikçiler nötrinoların, radyoaktif bozunmaların dikkatli gözlemleri sounucu varolduklarını varsaymışlardır.

Örneğin, bir nötron, bir elektron ve bir protona bozunduğunda, elektron ve protonun momentumları toplamı başlangıçtaki nötronunkine eşit değildir. Bu yüzden, kayıp momentuma karşı gelecek başka bir parçacık olmalıdır : yani, nötrino.

Nötrinolar çok sayıda üretildiklerinden ve maddeyle çok nadir etkileşmeye girdiklerinden, Evrende çok büyük miktarda bulunurlar. Eğer kütleleri varsa, Evrenin toplam kütlesinin çoğuna katkıda bulunacak ve genişlemesini etkileyeceklerdir.

ATOM ve ELEKTRON

Maddenin temelinde atom adı verilen çok küçük parçacıklardan oluştuğu kavramı eski yunanlılara kadar uzanır. Milattan önce 5. yüzyılda Leucippus ve Democritus maddenin sonsuz küçük parçacıklara ayrılamayacağını öne sürdüler.Onlar,bir madde daha küçük parçalara bölünmeye devam edilirse en sonunda atomun bölünmeyeceğini iddia ediyorlardı.Atom sözcüğü Yunanca?da bölünmez anlamına gelen atomos sözcüğünden türetilmiştir.
Eski yunan atom kuralları planlı deneylere dayanmıyordu.Bunun için yaklaşık 2000 yıllık bir zaman süresince atom kuramı sadece tartışılmaktan öteye gidilmedi.Atomların varlığı Robert Boyle tarafından THE SCEPTİCAL CHYMİST (1661),Isaac Newton tarafındanda Principia (1687) ve Opticks(1704) kitaplarında kabul edilmişti . Fakat John Dalton?un 1803-1808 yılları arasında geliştirip önerdiği atom kuarmı kimya tarihinde en önemli aşamalardan biri olmuştur.

Elektron:

Gerek Dalton?un gerekse yunanlıların kuramlarında atom, maddenin en küçük taneciği olarak kabul edilmişti.19.yüzyılın sonlarına doğru atomun kendisinin de daha küçük taneciklerden oluştuğu düşünülmeye başlandı.Atom hakkındaki düşüncelerde meydana gelen bu değişikliğe elektrikle yapılan deneyler neden oldu.

1807-1808 yıllarında ünlü İngiliz kimyacısı Humphry Davy bileşikleri ayrıştırmak için elektrik kullanarak beş element (potasyum,sodyum,kalsiyum,stronsiyum ve baryum) buldu.Bu çalışmalarına dayanarak Davy , bilesiklerde elementlerin elektriksel nitelikli çekim kuvvetleriyle bir arada tutulduklarını önerdi.

Vakumdan elektrik akımının geçirildiği deneyler 1859 da Julius Plücker katod ışınlarını bulmasına yol açtı.Katot ışnları elde etmek için havası iyice boşaltılmış bir cam tüpün uçlarına iki elektrod yerleştrilir.Bu elektrodlara yüksek gerilim uygulandığında katot adı verilen negatif elektroddan ışınlar çıkar.Bu ışınlar negatif yüklüdür doğrusal yol izler ve katodun karşısındaki tüp çeperlerinin ışık saçmasına sebep olur. 19.yüzyılın son yıllarında katot ışınları ayrıntılı olarak incelendi.Birçok bilim adamının deneyleri sonucunda katot ışınlarının hızla hareket eden eksi yüklü parçacıklar olduğu ortaya çıktı ve bu parçacıklar daha sonra Stoney?in önerdiği gibi elektron adı verildi.

Katottan çıkan elektronlar katot için hangi metal kullanılırsa kullanılsın aynı özelliktedir.Zıt yükler birbirini çektiğinden katot ışınlarını oluşturan elektron hüzmeleri yolları üzerinde üstte ve altta bulunan zıt yüklü iki levha arasından geçerken pozitif yüklüsüne doğru çekilirler.Demek ki bir elektrik alanı içinde katot ışınları normal doğrusal yollarından saparlar.Bu sapmanın açısı :

1. Tanecik yükü ile doğru orantılıdır.Yükü büyük olan tanecik az yük taşıyan tanecikten daha çok sapar.

2. Tanecik kütlesi ile ters orantılıdır.Kütlesi büyük olan tanecik küçük olandan daha az sapar.

Bundan dolayı yükün kütleye oranı bir elektrik alanı içinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını belirler.elektronlar magnetik bir alan içinde de sapma gösterirler.Fakat bu durumda sapma uygulanan magnetik alana dik yöndedir.

Katot ışınlarının elektrik ve magnetik alanlar içindeki sapmalarını inceleyen Joseph T. Thomson , 1897?de elektron için değerini saptadı bu değer:

E/M=-1,7588.10 üzeri sekiz coul /g dır.

Coul uluslar arası sistemde elektrik yükü birimidir.Bir kulon bir amperlik akım tarafından iletkenin belirli bir noktasından bir saniyede taşınan yük miktarıdır.

Elektron yükünün duyar olarak ölçümü ilk defa Robert A. Milikan tarafından 1909 da yapıldı.Milikan?ın deneyinde x-ışınları etkisi ile havayı oluşturan moleküllerden elektronlar koparılır.Çok küçük yağ damlacıkları da bu elektronları alıp elektrik yükleri ile yüklenirler.Bu yağ damlacıkları iki yatay levha arasından geçirilirler.Yağ damlacıklarının düşüş hızları ölçülerek kütleleri hesaplanır.

Yatay levhalara elektrik akımı uygulandığında negatif yüklü damlacık pozitif yüklü levhaya doğru çekileceğinden damlacığın düşüş hızı değişir.bu koşullar altında düşüş hızı ölçülerek damlacığın yükü hesaplanabilir.Belli bir damlacık bir veya daha çok sayıda elektron alabileceğinden bu yöntemle hesaplanan yükler daima birbirinin aynı değildir.Fakat bu yükler hep belli bir yük değerinin katları olduğundan bu yük değeri bir elektronun yükü kabul edilir.

Proton:

Nötral bir atom veya molekülden bir veya daha çok elektron koparıldığında geriye kalan tanecik koparılan elektronların tolam eski yüküne eşit miktarda artı yük kazanır.Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında geriye kalan tanecik koparılan elektronların toplam eksi yüküne eşit miktarda artı yük kazanır.Bir neon atomundan bir elektron koparıldığında bir Ne(+) iyonu oluşur.Bir elektriksel deşarj tüpünde katot ışınları tüpün içinde bulunan gaz atomlarından ve moleküllerinden elektronların çıkmasına sebep oldukları zaman , bu tür artı yüklü tanecikler oluşur.Bu artı yüklü iyonlar eksi yüklü elektroda doğru hareket ederler.Eğer katot delikli bir levhadan yapılmışsa artı yüklü iyonlar bu deliklerden geçerler.katot ışınlarının elektronları ise ters yönde hareket ederler.

Pozitif ışınlar adı verilen bu artı yüklü iyon demetleri ilk defa 1886 da Eugen Goldstein tarafından bulundu.Pozitif ışınların elektrik ve magnetik alanların etkisinde sapmaları ise 1898 de Wilhelm Wien ve 1906 da J.J. Thomson tarafından incelendi.Artı yüklü iyonlar için e/m değerlerinin saptanmasına , katot ışınlarının incelenmesinde kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı.Deşarj tüpünde değişik gazlar kullanıldığı zaman değişik tür artı yüklü iyonlar oluşur.

Proton adı verilen bu tanecikler bütün atomların bir bileşenidir.Protonun yüklü elektronun yüküne eşit fakat ters işaretlidir.

Bu yüke yük birimi denir.Proton artı bir elektrik yük birimine , elektron ise eksi bir elektrik yük birimine sahiptir.(Protonun kütlesi elektronun kütlesinin 1836 katıdır).

Nötron:

Atomlar elektrik yükü bakımından nötral olduklarından bir atomun içerdiği proton sayısı elektron sayısına eşit olmalıdır. Atomun toplam kütlesini açıklayabilmek için 1920 de Ernest Rutherford atomda yüksüz bir taneciğin var olduğunu savundu. Bu tanecik yüksüz olduğundan onu incelemek ve tanımlamak zordu. Fakat 1932 de James Chadwick nötronun varlığını kanıtlayan çalışmalarını sonuçlarını yayınladı.Chadwick, nötronların oluştuğu bazı nükleer tepkimelerin verilerinden nötronun kütlesini hesaplayabildi.Bu tepkimelerde kullanılan ve oluşan bütün taneciklerin kütlelerini ve enerjilerini göz önüne alarak Chadwick nötronun kütlesini hesapladı.Bu kütle protonun kütlesinden biraz daha büyüktü.

Günümüzde daha birçok atom altı tanecik bulunmuştur.Fakat bu taneciklerin atom yapısı ile olan ilişkisi çok iyi bilinmemektedir.Kimyasal çalışmalar için atomun yapısı elektron , proton ve nötronun varlığına dayanarak yeterince açıklığa kavuşturulmuştur.

İZOTOPLAR

Belli bir elementin bütün elementlerinin atom numarası aynıdır. Fakat bazı elementler kütle numarası bakımından farklılık gösteren çeşitli tipte atomlardan oluşmuştur.Aynı atom numarasına fakat farklı kütle numarasına fakat farklı kütle numarasına sahip atomlara İZOTOP atomlar adı verilir.

Görüldüğü gibi izotoplar çekirdeklerindeki nötron sayısı bakımından farklıdırlar;bu da doğal olarak atom kütlelerinin farklı olduğu anl¤¤¤¤¤ gelir.Bir atomun kimyasal özellikleri ilke olarak atom numarası ile belirtilen proton ve elektron sayısına bağlıdır. Bundan dolayı bir elementin izotopları birbiri ile hemen hemen aynı olan kimyasal özelliklere sahiptir.Bazı elementler doğada tek bir izotop halinde bulunurlar.Fakat çoğu elementlerin birden çok izotopu vardır.Örnek olarak kalayın 10 doğal izotopu vardır.

Kütle spektrometresi bir elementte kaç izotop bulunduğunu , her izotopun tam olarak kütlesini ve bağıl miktarını saptamak için kullanılır.Buharlaştırılmış madde , elektronlarla bombardıman edilerek artı yüklü iyonlar oluşturulur.Bu iyonlar eksi yüklü bir levhaya doğru çekilerek bu levha üzerinde bulunan dar bir aralıktan hızla geçirilirler.

İyot demeti bundan sonra magnetik bir alan içinden geçirilir.yüklü tanecikler magnetik bir alan içinde dairesel bir yörünge izlerler.Taneciğin yükü arttıkça doğrusal yörüngesinden sapma da artar.Bu nedenle , magnetik bir alanda artı yüklü bir iyonun izlediği dairesel yörüngenin yarıçapı o iyonun e/m değerine bağlıdır.

Değişik e/m değerine sahip iyonların bu son aralıktan geçmesi ise magnetik alan şiddeti veya iyonları hızlandırmak için kullanılan voltaj ayarlanarak sağlanır.Böylece aygıttaki farklı iyon türlerinden her biri bu aralıktan ayrı ayrı geçirilirler.Detektör her farklı iyon demetinin şiddetini ölçer ; bu iyon şiddeti örnekte bulunan izotopların bağıl miktarına bağlıdır.

Atom Numarası ve Periyotlar yasası

19.yüzyılın başlarında kimyacılar elementler arasında bulunan fiziksel ve kimyasal benzerliklerle ilgilendiler.1817 ve 1829 da Johann W. Döbereiner ?triad? lar adını verdiği element serileri (Ca,Sr,Ba;Li,Na,K;Cl,Br,I;S,Se,Te) hakkındaki incelemelerini yayınladı burada her seriyi oluşturan elementler birbirine benzeyen özeliklere sahip olup serideki ikinci elementin atom ağırlığı yaklaşık diğer iki elementin atom ağırlıklarının ortalamasına eşittir.

Bunu izleyen yıllarda birçok kimyacı elementleri benzeyen özellikleri açısından sınıflandırmayı denedi.1863-66 yıllarında John A. R. Newlands ?oktavlar yasası? nı önerip geliştirdi.Newlands a göre elementler atom ağırlıklarının artış sırasına göre dizildiklerinde sekizinci element birinciye , dokuzuncu element ikinciye benziyor ve bu durum böylece devam ediyordu.Newlands bu ilişkiyi müzik notalarındaki oktavlara benzetti.Fakat gerçek ilişki Newlands?ın varsaydığı kadar basit değildi.Newlands ın çalışmaları dayanaksız bulunmuş ve diğer kimyacılar tarafından ciddiye alınmamıştır.

Elementlerin modern periyodik sınıflandırılması Julius Lothar Meyer ve özellikle Dimitri Mendeleev ?in çalışmalarına dayanır.Mendeleev periyodik bir yasa önerdi ; bu yasaya göre elementler atom ağırlığı artışına göre incelendiğinde , özelliklerindeki benzerlikler periyodik olarak tekrarlanır.Mendeleev in çizelgesinde benzer elementler grup adı verilen dikey sütunlarda toplanır.

Ayrıca Mendeleev in çizelgesinde henüz bulunmamış elementler için boş yerler bıraktı ve çizelgede olmayan elementlerden üç tanesinin özelliklerini önceden belirtti.Hemen sonra Mendeleev in öngördüğü özelliklerin çoğuna sahip oldukları belirlenen Skandiyum,galyum ve germanyum elementlerinin bulunması periyodik sistemin doğru olduğunu gösterdi.Asal gazların varlığı Mendeleev tarafından öngörülmediği halde bu elementler 1892-98 yılları arasında bulunduktan sonra periyodik çizelgedeki yerlerine oldukça iyi bir şekilde uydular.

Periyodik çizelgedeki plana göre K,Ni ve I elementlerinin atom ağırlığının artışına göre belirlenmiş dizilişinin dışında yer almamaları gerekliydi.Örneği iyot atom ağırlığına göre 52 numaralı element olmalıydı.Fakat kimyasal açıdan benzediği F,Cl ve Br elementleri ile aynı gurupta olabilmesi için iyot keyfi olarak 53 numaralı element oldu.Periyodik sınıflandırmanın daha ayrıntılı olarak incelenmesi ile bir çok araştırıcı periyodik özelliğin,atom ağırlığından çok , başka bir temel bağlı olduğuna inandı.Bu temel özelliğinde o zamanlar periyodik sistemden çıkarılan ve sadece bir seri numarası olan atom numarası ile ilişkisi olduğunu öğrendi.

1913-14 yıllarında Henry G. J. Moseley in çalışmaları bu problemleri çözdü.Yüksek enerjili katot ışınları bir hedefe odaklandığında X-ışınları oluşur.Bu X-ışınları çeşitli dalga boylarındaki bileşenlere ayrılabilir ve bu şekilde elde edilen çizgi spektrumları da fotografik olarak kaydedilebilir.Hedef olarak değişik elementler kullanıldığında değişik X-ışınları spektrumları elde edilir ve her spektrum sadece birkaç karakteristik spektral çizgi içeren X-ışınları spektrumu vardır.

Moseley atom numaraları 13 ile 79 arasında olan 38 elementin X-ışınları spektrumunu inceledi.Her elemen için o elemente karşılık gelen karakteristik spektrum çizgisini kullanan Moseley , elementin atom numarası ile çizgi frekansının kare kökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu buldu.Başka bir değişle elementler atom numarası artışına göre dizildiğinde spektrum çizgisi frekansının karekökü bir elementten diğerine gittikçe sabit bir miktarda artar.

Bundan dolayı Moseley X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin doğru atom numaralarını tahmin edebildi.Böylece atom ağırlıkları komşu atomlarınkine uygun düşmeyen K,Ni ve I un sınıflandırılması problemi de çözümlenmiş oldu.Diğer taraftan Moseley Ce den Lu e kadar olan seride 14 element bulunması ve bu elementlerin ve bu elementlerin periyodik çizelgede Lantan?dan sonra gelmeleri gerektiğini bildirdi.Moseley?in diagramları ayrıca 79 numaralı elementten önce henüz o zamana kadar bulunmamış 4 elementin var olması gerektiğini de gösterdi.Nihayet Moseley?in çalışmalarına dayanarak periyodik yasa ?Elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri atom numarasının periyodik fonksiyonudur? şeklinde tekrar tanımlandı.

Moseley in atom numaraları ile Rutherford un tanecikleri saçılma deneyinden hesapladığı çekirdek yükleri oldukça iyi bir uyum içindeydi.buna dayanarak Moseley atom numarasının atom çekirdeğinde bulunan artı birimlerin sayısı olduğunu önerdi.

Moseley ayrıca, atomda bir elementten diğerine gidildikçe artan temel bir nicelik bulunduğunu ifade ederek bu niceliğin ancak merkezdeki artı yüklü çekirdeğin yüklü olabileceğini belirtti.

X-ışınları , görünür ışıktan çok daha kısa dalga boylarına ve dolayısıyla daha yüksek frekans ve enerjilere sahip elektro magnetik ışınlardır.Bir elementin x-ışınları spektrumunun olmasına hedef element atomlarında meydana gelen elektron geçişlerinin sebep olduğuna inanılmaktadır.X-ışınlar tüpüne katot ışınları , hedefteki atomların iç kabuklarından elektronlar koparırlar.Dış kabuktaki elektronlar iç kabuklarda oluşan bu boşlukları doldurdukları zaman x-ışınları yayınlanır.Bir atomda elektronun , yüksek bir enerji düzeyinden K düzeyine geçmesi sonucu oldukça bir büyük bir miktarda enerji açığa çıktığından , elde edilen radyasyonun frekansı yüksektir.Buna karşı gelen dalga boyu da x-ışınlarına özgü olup kısadır.

Bir elektron geçişi sırasında açığa çıkan radyasyonun frekansı ayrıca atom çekirdeğindeki yüke bağlıdır.Açığa çıkan bu enerjinin miktarı çekirdek yükünün karesi ile doğru orantılıdır.Çekirdeğin yükü arttıkça açığa çıkan enerji artar ve yayınlanan radyasyonun dalga boyu kısalır.Moseley in gözlemleri de bu ilişkiyi yansıtmaktadır.

1. Çekirdekteki Dev Güç: Güçlü Nükleer Kuvvet

Çevremizde gördüğümüz her şeyin, kendimiz de dahil olmak üzere atomlardan oluştuğunu ve bu atomların da pek çok parçacıktan meydana geldiğini gördük. Peki bir atomun çekirdeğini oluşturan tüm bu parçacıkları bir arada tutan güç nedir? İşte çekirdeği bir arada tutan ve fizik kurallarının tanımlayabildiği en şiddetli kuvvet olan bu kuvvet, “güçlü nükleer kuvvet”tir.

Bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonların ve nötronların dağılmadan bir arada durmalarını sağlar. Atomun çekirdeği bu şekilde oluşur. Bu kuvvetin şiddeti o kadar fazladır ki, çekirdeğin içindeki protonların ve nötronların adeta birbirine yapışmasını sağlar. Bu yüzden bu kuvveti taşıyan çok küçük parçacıklara Latince’de “yapıştırıcı” anlamına gelen “gluon” denilmektedir. Bu yapışmanın şiddeti çok hassas ayarlanmıştır. Bu yapıştırıcının kuvveti protonların ve nötronların birbirlerine istenilen mesafede bulunmalarını sağlamak için özel olarak tespit edilmiştir. Söz konusu kuvvet biraz daha yapıştırıcı olsa protonlar ve nötronlar birbirlerinin içine geçecek, biraz daha az olsa dağılıp gideceklerdi. İşte bu kuvvet Büyük Patlama’nın ilk saniyelerinden beri atomun çekirdeğinin oluşması için gerekli olan yegane değere sahiptir.

Güçlü nükleer kuvvetin açığa çıktığı zaman ne kadar büyük tahrip gücü olduğunu bize Hiroşima ve Nagazaki’deki tecrübeler göstermiştir. Atom bombalarının bu denli etkili olmasının tek sebebi atom çekirdeğinde saklanan gücün açığa çıkmasıdır.

2. Atomun Emniyet Kemeri: Zayıf Nükleer Kuvvet

Şu an yeryüzündeki düzeni sağlayan en önemli etkenlerden biri de atomun kendi içinde dengeli bir yapıya sahip olmasıdır. Bu denge sayesinde maddeler bir anda bozulmaya uğramaz ve insanlara zarar verebilecek ışınları yaymaz. Atom bu dengesini çekirdeğindeki protonlarla nötronlar arasında var olan “zayıf nükleer kuvvet” sayesinde elde eder. Bu kuvvet özellikle içinde fazla nötron ve proton bulunduran çekirdeklerin dengesini sağlamada önemli bir rol oynar. Bu dengeyi sağlarken gerekirse bir nötron protona dönüşebilir.

Bu işlem sonucunda çekirdekteki proton sayısı değiştiği için, artık atom da değişmiş, farklı bir atom olmuştur. Burada sonuç çok önemlidir. Bir atom parçalanmadan, başka bir atoma dönüşmüş ve varlığını korumaya devam etmiştir. İşte bu şekilde de canlılar kontrolsüz bir şekilde çevreye dağılıp insanlara zarar verecek parçacıklardan gelebilecek tehlikelere karşı adeta bir emniyet kemeri gibi korunmuş olur.

3. Elektronları Yörüngede Tutan Kuvvet: Elektromanyetik Kuvvet

Bu kuvvetin keşfedilmesi fizik dünyasında bir çığır açtı. Her cismin kendi yapısal özelliğine göre bir “elektrik yükü” taşıdığı ve bu elektrik yükleri arasında bir kuvvet olduğu öğrenilmiş oldu. Bu kuvvet zıt elektrik yüklü parçacıkların birbirini çekmesini, aynı yüklü parçacıkların da birbirlerini itmelerini sağlar. Bu sayede bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonlarla çevresindeki yörüngelerde dolaşan elektronların birbirlerini çekmelerini sağlar. İşte bu şekilde atomu oluşturacak iki ana unsur olan “çekirdek” ve “elektronlar” bir araya gelme fırsatı bulurlar.

Bu kuvvetin şiddetindeki en ufak bir farklılık elektronların çekirdek etrafından dağılmasına ya da çekirdeğe yapışmasına neden olur. Her iki durumda da atomun, dolayısıyla madde evreninin oluşması imkansız hale gelir. Oysa bu kuvvet ilk ortaya çıktığı andan itibaren sahip olduğu değer sayesinde çekirdekteki protonlar elektronları atomun oluşması için gereken en uygun şiddette çeker.

Güçlü nükleer kuvvet

15

Zayıf nükleer kuvvet

7,03.10 -3

Elektromanyetik kuvvet

3,05.10 -12

Altın atomlarının ? parçacıklarına göre çok daha büyük olması düşüncesiyle bu ışınlar için altın yaprağın bir set oluşturacağı her ne kadar akla gelebilirse de deneyde bunun tersine olarak ? ışınlarının büyük bir kısmının levhayı geçerek yoluna devam ettikleri, küçük bir kısmının da saçılmaya uğradığı deneyle gözlenmiştir. Altından başka diğer maddelerde de aynı deneyler yapılmış ve ışınımların saçılmaya uğrayan kısmının maddenin kalınlığı ile orantılı olduğu bulunmuştur. Bu deneyde Rutherford?un çıkardığı sonuç şudur: Atomların kütleleri son derece küçük boyutlu çekirdeklerde toplanmıştır. Elektriksel boşama olaylarında elektronlar atomdan kopartılarak pozitif iyonlar oluştuğuna göre; elektronlar atomun dış kısmını meydana getirirler. Elektronların atomun dış kısmına tutunabilmeleri için de çekirdeğin pozitif yüklü olması gerekir. Dolayısıyla çekirdeğin bu pozitif yükü onu kuşatan elektronların toplam negatif yüküne eşittir. Elektronlara etki eden Coulomb kuvveti ile evrensel çekim kuvvetinin matematiksel ifadeleri birbirine benzediğine göre çekirdek yada etrafındaki güneş sistemine benzemelidir. Bu düşünceye göre elektronlar çekirdeğin etrafında dönmektedirler. ? ışınlarının büyük bir kesiri yaklaşık 2000 atom kalınlığındaki bir altın levhayı geçtiğine göre çekirdeğin çapı atomun çapı yanında çok küçüktür. Güneş ve yıldızlar arasında olduğu gibi çekirdek ve elektronlar arasında büyük bir boşluk vardır. Bu sebeple bir ? parçacığının dorudan doğruya çekirdeğe çarpma ihtimali çok azdır. Buna karşın elektronlara çarpma ihtimali daha büyüktür.Ancak elektronların kütlesi ? parçacıklarının kütlesinden çk küçük olduğundan böyle bir çarpışmada ? parçacıklarının doğrultusu ve hızı değişmez. Fakat elektronları yörüngelerinden çıkartabilirler. Çekirdek ve ? ışınlarının her ikisi de (+) oldukları için ? ışınları çekirdek tarafından itilir. Bir ? taneciği çekirdeğe ne kadar çok yaklaşırsa doğrultusu o kadar değişir. İşte saçılmanın sebebi budur.

Daha sonraları Robert Mayer, Hermann Von Helmholtz, W.Thomson, R.Clousius ve J.Joule’ün çalışmalarıyla fiziğin üçüncü, belki de en sağlam sütunu termodinamik doğmuş oldu.

Termodinamik enerjinin korunumundan faydalanarak mekanik ve termal olayları birbirine bağlayan bir bilimdir.

Termodinamik, mekanik ve elektromanyetikten çok farklıdır. Çünkü özel hiç bir durum öne sürmeksizin tüm modellerle uyum içindedir, incelik gerektirse de sonuçları kesin ve sağlamdır. İşte bu nedenledir ki, Planck ve Einstein termodinamiğin üzerine fiziksel bir kuram inşa edilebilecek biricik mutlak, sağlam teme! olduğu hususunda hemfikirdiler. Anlaşılması güç engellerle karşılaştıklarında, olaya termodinamik açısından yaklaşarak çözüme ulaşmaya çalışırlardı.

Şimdi ise fiziğin yıkılması en zor görünen kalesinin mahiyetine yani termodinamiğin kanunlarına değinelim.

A) Sıfırıncı Kanun

Sıfırına kanun sıcaklık ve termal dengeyle ilgili bir kanundur. Burada şunu belirtelim, ısı ve sıcaklık aynı şeyler değildirler. Isı; sıcaklık farkından dolayı bir cisimden diğerine akan enerji iken, sıcaklık; bir cisimde bulunan enerjinin bir ölçüsüdür. Termal dengeyi ise. ısı alışverişinde bulunabilecek bir durumda bulunan (Termal temas) iki veya daha fazla cismin sıcaktan soğuğa doğru olan enerji akışının kesilmesiyle kurulan bir denge hali olarak tarif edebiliriz.

Bu açıklamalara göre sıfırına kanun, “Birbirleriyle termal temasta bulunan varlıkların oluşturduğu bir sistem, yeterli zaman sonunda termal dengeye ulaşır ve sistem içindeki bütün varlıklar aynı sıcaklığa sahip olurlar” şeklinde ifade edilebilir.

Termometreler bu kanuna göre çalışmaktadır. Termometreler bulundukları sistemin bir parçası olduklarından sistemle termal denge içindedir. Yani sistemin sıcaklığına sahiptir. Bundan sonra sisteme verilen veya çekilen ısıdan termometre direkt olarak etkilenir ve ortamın yeni sıcaklığını gösterir.

B) Birinci Kanun

Termodinamiğin birinci kanunu enerjinin korunumu kanunudur. Bu kanuna göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez, ancak şekil değiştirebilir. Bizde bundan faydalanarak (enerji dönüşümleri) ısınıyor, hareket ediyor ve cisimleri hareket ettiriyoruz. Buhar makineleri, diğer ısı üretim makineleri ve yakıtlı motorlar hepsi bu kanunun öngördüğü şekilde enerjinin işe dönüştürülmesinden faydalanarak çalışmaktadır.

Bu kanun belki de fizik kanunlarının en sağlam olanıdır. Ayrıca bu kanuna göre. yaşam kaynağımız olan güneş de mevcut enerjisini bir gün tüketecek ve insan yaşamı ile birlikte kendiliğinden sönecektir. Bilim adamlarının yaptıkları hesaplamalara göre güneş yaklaşık 4,6 milyar yıl yaşındadır, ancak 5 milyar yıllık enerjisi kalmıştır. Beş milyar yıl çok uzun bir zamandır, ama hiç bir zaman sonsuz anlamına gelmez.

C) İkinci Kanun

19. yüzyıl, atağa kalkan bilim sayesinde sanayi devrimine sahne oldu. Bu devrimin hiç kuşkusuz baş aktörü makinalardı. Makinalar da daha mükemmele ulaşma isteği ile yapılan çalışmalar sırasında bilim adamlarının Önünde bazı sorular belirdi. Hangi tür bir makina en çok verimle çalışır? Kayıplar sıfırlanabilir mi? Kayıpların kaynağı nedir? v.b. Bu soruların cevaplan hiç de beklenildiği gibi olmadı. Çünkü yanıtlar insanoğluna hiç bitmezmiş gibi görünen enerji rezervlerinin hesapsızca kullanılamayacağını gösterecektir.

Yapılan araştırmalar neticesinde yüzde yüzlük verimle çalışan makinalar düşüncesi tarih oldu. Çünkü ne türlü bir makina yapılırsa yapılsın makinaya verilen enerji ile makinadan başka bir şekle dönüştürülmüş olarak elde edilen enerji arasında sıfırlanamaz bir kayıp mevcuttur. Ne yaparsak yapalım verilen enerjinin bir kısmı makina içi sürtünmeler vasıtasıyla ısıya dönüşmektedir. Kaybolan ısı ise hiç bir zaman enerji olarak tekrar elde edilemez. Bu olay enerji kaybı dolayısıyla birinci kanunun ihlali şeklinde anlaşılmasın. Kayıplardan kasıt, vardan yok olma şeklinde olmayıp, enerjinin ısı şekline dönüşüp kullanılabilir olmaktan çıkması, sistemin (makina. ortam, araç vb.) yapısına katılmasıdır.

Kısaca ikinci kanun; bir süreç içinde gerekli toplam enerji sabit kaldığı halde, sürtünme ve benzeri temaslar yüzünden kullanılabilir enerji azalmaktadır ve bunun sonucu olarak yüzde yüzlük verimle çalışan bir makina yapılamaz.

Termodinamiğin ikinci kanunu, fiziğe geri döndürülemez (tersinmez) olaylar düşüncesini getirdi. Bu kanuna göre fiziksel hadiselerde geri döndürülemez belirli bir eğilim vardır. Örneğin, bir bardak sıcak çay etrafına ısı vererek soğur ve hiç bir zaman çayımız verdiği ısıya kendiliğinden toplayıp eski haline gelmez. Yukarıdan serbest bırakılan bir top yerden sekip bırakıldığı yüksekliğe kadar çıkmayı başaramaz. Bir pervaneyi ne kadar hızlı çevirirsek çevirelim, çevirme işlemini bıraktıktan bir müddet sonra durur ve hiç bir zaman da sürtürmeye harcadığı enerjisini toparlayıp tekrar dönmeye başlamaz. Bir odaya sıktığımız parfüm ilk Önce yakın çevresi tarafından hissedilir, bir süre sonra karşı köşedeki arkadaşımız bile kokuyu alır, ama daha sonra koku gittikçe etkisini kaybeder ve parfüm zerrecikleri atmosferde dağılıp gider. Hiç bir zaman odadan çıkmam demez, geri dönüşsüz evrensel eğilimin etkisinde bir harekete mecbur kalır.

Bütün bu saydığımız süreçlerin ortak yanı; belirli bir doğrultuda, düzenden düzensizliğe, bütünden yayılmaya, kullanılır olabilirlikten kullanılmamazlığa doğru, yol almalarıdır.

R.Clausius bu evrensel eğilime entropi ismini verdi ve matematiksel bir ifadesini oluşturmayı başardı. Entropi Yunanca kökenli bir kelime olup “Bir sistemin düzensizlik derecesinin ölçüsü” manasında kullanılır.

İkinci yasa kısaca entropi artışı olarak özetlenebilir. Bütün varlıkların, eninde sonunda entropisi artmaktadır. Kainattaki olayların tümü yukarıda saydığımız gibi geri dönüşümlü olmayan olaylardır. Bizi ısıtan ve aydınlatan güneş bir bardak sıcak çay gibi ısısını tüketmektedir. İçinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisi ve diğer galaksiler bir odaya sıktığımız parfümün zerrecikleri gibi birbirlerinden hızla uzaklaşmaktadırlar. Kısacası evrenin entropisi sürekli olarak artmaktadır.

Sürekli enerji kaybından dolayıeninde sonunda evrenin entropisi maksimum değere ulaşacaktır. Bu andan itibaren evrenin her yeri aynı sıcaklık ve yoğunlukta olacak. Bu maksimum düzensizlik halinde iş yapacak kullanılabilir enerji olmadığından bütün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler duracaktır.Bu umutsuz tabloya bilim adamları “Isı ölümü” adını verirler.

Bu konu hakkında Fizikçi Poul Davies “Tanrı ve Yeni Fizik” adlı kitabında şöyle diyor: “Eğer evren sınırlı bir düzen birikimine sahipse ve düzensizliğe doğru tersinmez biçimde sonunda termodinamik dengeye değişiyorsa iki çok derin çıkarımı hemen izlemeye başlar, îlki evren en sonunda ağır ağır yuvarlanarak kendi entropisi içinde ölecektir. Bu fizikçiler arasında evrenin “ısı ölümü” olarak bilinir. İkincisi evren ebediyen varolmuş olamaz, bu yüzden sınırlı bir zaman önce dengesi son durumuna erişmiş olacaktı. Özet olarak evren daima varolmadı.”

Entropi, 19. yüzyılda büyük yankılar uyandırdı. Entropi, bir türlü Newton mekaniği ile açıklanamıyordu. Ludwig Boltzman olasılık kavramını gündeme getirdi. Olasılıklar yardımıyla kurulan istatistiksel mekanik. Newton mekaniğini düştüğü zor durumdan kurtardı.

D) Üçüncü Kanun

Üçüncü yasa fizik bilimindeki görülmeyen engellerden biriyle ilgilidir. Bu termodinamik engel, mutlak sıfır sıcaklığıdır. Bu kanun 1906 Wolther Nernst tarafından ortaya atılmıştır.

Mutlak sıfır noktası, bütün gazlar için basıncın sıfır olduğu andaki sıcaklık değerine karşılık gelmektedir. Yani bütün gazların mutlak sıfır sıcaklığında basınçları sıfırdır. Mutlak sıfır sıcaklığı -273, 15°C karşılık gelir. Fakat bu değer bu sıcaklığa inilerek elde edilmiş bir Ölçüm olmayıp bütün gazların sıcaklık-basınç grafiğinden elde edilmiş bir değerdir. Zaten fiziki bir engel olma özelliği buradan kaynaklanmaktadır. Yapılan deneylerde bu sıcaklığa inilememiştir.

Basıncın sıfırlanması ise ayrı bir problemdir, önceleri fizikçiler cisimler soğudukça molekül ve atomların hareketlerinin yavaşladığı ve mutlak sıfır sıcaklığında tamamen durduğu ve böylelikle etraflarına bir basınç uygulayamadıkları düşüncesindeydiler. Fakat daha sonra fiziğe giren Kuantum mekaniğine göre atomların sıfırlanamâz alt limit enerji değerleri olmak zorundadır. Kısaca deneylerle de doğrulanan Kuantum mekaniğine göre, atomlar -273, 15 ° C ‘de etrafıyla paylaşamayacağı bir enerjiye sahiptirler,

Nernst bu sonuçlardan faydalanarak işi bir adım daha ileri götürdü. Ona göre mutlak sıfır noktası -273,15 ° C maksimum düzensizlikten çok düzensizliğin yokluğu yani mükemmel bir düzen halidir.

Daha sonra yapılan çalışmalar da mutlak sıfıra İnmenin eldeki bilgilerle imkansız olduğu ortaya çıktı. Çünkü sıcaklığı düşürmek için gerekli caba her seferinde zorlaşmaktadır. Bu ışık hızına erişmek için gereken enerjinin sonsuza gitmesi gbi -273.15 ° C inmek için gereken çaba da sonsuza gitmektedir.

Termodinamiğin temcilerini oluşturan bu dört kanun, kesin ve sağlamlıklarına rağmen bizde fiziğin en az bilinen alanlarından biridir. Genelde bu konu ya temel fizik kitaplarının son bölümünü oluşturur ya da başlı başına bir ders olarak okutulur. Kalın teme! fizik kitaplarının tamamını bir dönemde bitirmek pek görülmüş şey değildir. Bir ders olarak müfredata koyulduğunda ise ezberci sistemin bir sonucu olarak sayfalar süren formül kargaşasında işin özüne, manasına girilememekte veya girilmemektedir.

Şu bir gerçek ki, bildiğimiz en mükemmel izole sistem içinde yaşadığımız kainattır. İşte bu kainat sürekli genişleyen yapısıyla ısı Ölümüne doğru koşmaktadır. Bu uzun maraton bir gün entropinin maksimumlanmasıyla son bulacak. İşte o andan itibaren, ölüm bir daha ölmemek üzere kainatı kuşatacak.

Bu hafif atomların birleşmesi çok kolay olmaz. Hafif atomların çekirdekleri artı yüklü olduklarından, bir araya geldiklerinde büyük bir itme kuvveti doğar. Bu kuvvetlerin etkilerini gidermek için çok yüksek sıcaklıklar gerekir. Pratikte bu kadar yüksek bir sıcaklığı, sürekli ve kalıcı bir biçimde sağlamak çok güçtür ama bu şartlar en ideal şekilde Güneş’in merkezinde mevcuttur.

Güneşin merkezindeki 15 milyon derece sıcaklıkta olan gaz halindeki madde büyük basınç altındadır. Güneşin temel maddesi olan hidrojeni helyuma dönüştüren nükleer tepkime yani fizyon olayı burada oluşur. 4 hidrojen çekirdeğinin bir helyum çekirdeği halinde birleşmeleri sonucu son derecede büyük bir enerji miktarı açığa çıkar.

Serbest kalan enerji ışınım ve iletim yoluyla Güneş’in merkezinden çevreye doğru ilerler. Bu yolculuk yaklaşık 10 milyon yıl sürer. Sonunda dış katmanlardan ısı ve ışık şeklinde uzaya yayılırlar. Güneş yaşı ve aydınlatma gücü olarak sıradan bir yıldızdır. Bütün yıldızlar doğada en çok bulunan, en basit, en hafif atom olan hidrojenin yavaş yavaş başta helyum olmak üzere diğer daha ağır elementlere dönüştüğü birer nükleer potadırlar.

Peki nasıl oluyor da, atomlar birleşip, başka bir atom oluşunca bu kadar büyük bir enerji ortaya çıkabiliyor? Bu soru Albert Einstein, o ünlü E=mc2 formülünü geliştirene kadar cevapsız kaldı.

Formül son derecede basitti. Her madde, çevrenizde görebildiğiniz her şey, enerjinin donmuş bir şeklidir. Gerekli ve yeterli şartlar yaratıldığında çok küçük bir maddeden bile büyük miktarda enerji açığa çıkabilir. Formülde ‘E’ enerji, ‘m’ maddenin kütlesi, ‘c’ de ışık hızıdır.

Örneğin l litre hacmindeki (kütlesi l kilogram) olan bir kap suyu ele alalım. Eğer bu suyun tamamını Einstein’ın formülüne göre enerjiye çevirirsek, ortaya çıkan enerji, 100 watt’lık bir milyon ampulü, 30 sene boyunca yakabilecek güçte olacaktır.

Güneşin merkezindeki fizyon olayında birleşen atomlar ile ortaya çıkan atomların kütlelerini karşılaştırdığımızda çok az bir kütle eksilmesi görülür. İşte bu fark kadar kütle Einstein formülüne göre enerjiye çevrilmektedir. Bir litre sudan elde edilen enerji bu kadar olduğuna göre dünyanın 330 bin katı olan Güneş’te, saniyede yakılan 564 ton hidrojenden çıkacak enerjiyi varın siz hesap edin.

Alevin kibritteki sıcaklığı kibritin elinizle söndürebileceğiniz kadar düşük olabileceği gibi Güneşin çekirdeğindeki gibi milyonlarca santigrad kadar yüksek de olabilir. Plazma hâli sadece elektrik gerilim altında oluşmaz. Gaz hâline gelen bir maddeyi çok yüksek sıcaklıklara ısıtırsanız; enerji alanı elektronlar çekirdeklerinden kurtulur ve gaz plazma hâline geçer. Sıcaklık güneş çekirdeğindeki gibi çok yüksek ise; atomlar tüm elektronlarını kaybetmiş hâlde bulunabilirler.

Bizim günlük hayatımızda kullandığımız alev nispeten düşük sıcaklıktadır. Ancak burada düşük sıcaklıktaki alevin enerjisi ile ısınma ve yemek pişirme gibi ihtiyaçlarımızı giderdiğimizi unutmayalım. Bu arada çaktığınız kibrit bitmek üzere. En iyisi siz onunla bir mumu tutuşturup plazmayı öyle seyredin. Mumun alevi de düşük sıcaklıkta bir plazma hâlidir. Ancak “bu sıcaklık bana yetmez” demeyin.

Plazma, Her yerde Plazma

Maddenin plazma hâline dünya üzerinde çok az rastlamamıza rağmen kâinatta plazma hâli fazlalık bakımından maddenin diğer hâllerine karşı ezici bir üstünlüğe sahiptir. Şöyle ki; kâinattaki toplam madde miktarının % 99′unun plazma hâlinde olduğu sanılmaktadır. Örnek verecek olursak tüm yıldızlar, nebulalar ve yıldızlararası uzay plazma hâlindeki maddeden oluşur.

Bunların sıcaklığı ve partikül yoğunluğu şekil üzerinde gösterilmiştir. Birim hacimdeki partikül yoğunluğu da plazmanın bilinmesi gereken bir özelliğidir. Sıcaklığı yüksek olsa da, yoğunluğu düşük bir plazma fazla enerji yaymaz. Kâinatın boşluk diyebileceğimiz madde yoğunluğu çok düşük olan bölgelerinde ise; sıcaklık 3 K yani -270 C derece kadardır. Bir yanda hiç bir canlının hattâ cansızların bile mukavemet edemeyeceği kadar yüksek bir sıcaklık, diğer yanda atomları bile donduracak derecede bir soğuk.

Hayat Kaynağı Plazma Küresi

Işık ve ısı kaynağı olarak dünyamızda hayatın devamını sağlayan Güneş dev bir plazma küresidir. Bu dev plazma küresinin çekirdeğindeki 15 milyon K’lik sıcaklık ve kurşundan 11 kat daha fazla olan yoğunluk, termonükleer reaksiyonların gerçekleşmesini sağlar. Bu reaksiyonlarda özetle hidrojen çekirdekleri birleşerek helyum çekirdeklerine dönüşür ve muazzam bir enerji açığa çıkar. Ancak dünyamıza ısı göndererek hayatın devamını sağlayan ışıkkürenin sıcaklığı ancak 6.000 K’dir.

Bu tabakanın üzerinde yer alan ve korona adı verilen güneş tacının 2 milyon K’lik sıcaklığının sebebi ise tam anlaşılamamıştır. Bu tabaka dünyanın da ötesine uzanır ancak çok düşük yoğunlukta olduğu için sıcaklık tesiri fazla değildir. Bu tabakanın yoğunluğu ışıkküre gibi yüksek olsaydı dünya üzerinde hayat mümkün olmazdı. Yine güneşten kopup gelen elektrik yüklü parçacıkların, dünya atmosferine yapabileceği muhtemel etkiler dünyanın manyetik alanı tarafından önlenmiştir. Bu manyetik alana manyetosfer adı verilir.

Güneş’in oluşturduğu yüklü parçacık, akımı bu manyetik alan tarafından saptırılarak kutup bölgelerine doğru itilir. Bunun sonucunda kutup bölgelerinde atmosferin oksijen ve azot atomları ile etkileşime girerek ışımalara sebep olurlar ki bunlara aurora adı verilir. Auroralar yaklaşık ikiyüz km yüksekte oluşurlar ve sıcaklıkları bir kaç yüz derecedir. Güneş etkinliğinin yüksek olduğu günlerde telsiz ve radyo haberleşmelerinin olumsuz etkilendiğini hatırlarsak manyetosferin önemi daha iyi anlaşılır.bunlarda henüz ders kitaplarında okutulmayan maddenin 4. halinin hayatımızdaki yerini ve önemini anlatabiliyor zannederim.