Rutherfort atom modelinden söz ederken atomun çekirdek çapının yaklaşık 10-13-10-12 mertebesinde olduğundan söz etmiştik. Aslında atom çekirdeğinin büyüklüğü ile kütle numarası arasında bir ilişkinin olduğu deneysel çalışmalarla gösterilmiştir. Proton ve nötronlardan oluşmuş çekirdek bir damlacık şeklinde düşünülürse çekirdeğin yoğunluğu yaklaşık olarak 2x10-14 g cm-3 olarak hesaplanabilir.
Atomun parçalanamaz olduğu düşüncesinin yıkılışı Becquerel’in X-ışınmları üzerinde yaptığı çalışmalar ile başlar. Becquerel bir uranyum bileşiği olan potasyum uranil sülfat bileşiği ile yaptığı denemelerde bu bileşikten yayılan ışımaların bilinen X-ışınlarından farklı olduğunu gözlemledi. Bu ışınlar maddeden geçiyor ve havayı iyonlaştırabiliyordu. Bu yeni ışımaya Marie Curie tarafından sürekli ışıma anlamına gelen radyoaktivite adı takıldı. Marie Curie, çeşitli uranyum bileşikleri üzerinde yaptığı denemelerle bu ışımanın bileşik içindeki uranyum miktarı ile doğru orantılı olduğunu belirledi. Marie ve Piere Curie birlikte yaptıkları çalışmalarda benzer ışımalar yapan polonyum ve radyum elementleri buldular. Fakat radyumun yaydığı ışıma incelenirken radon adını verdikleri bir gazın yayıldığını gözlemlediler. Ve aynı zamanda bu gazla beraber helyum da bulunuyordu. Helyum bilinen bir elementti. Bu sonuçlar atomun parçalandığının habercisiydi. Bu yüzyıllardır aranan filozof taşı olmaksızın, bir atom bir başka atoma dönüşebiliyor demekti.
Radyoaktif maddelerden yayılan ışınların özellikleriRadyoaktif maddelerden çıkan ışınlar bir elektrik veya magnetik alandan geçirilecek olursa üç kısma ayrılırlar:
- Pozitif ışınlar gibi sapan ışınları,
- Katot ışınları gibi sapan ışınları,
- Hiç sapmayan ışınlarıdır.
Alfa IşınlarıSapaları yönünden bunların pozitif yüklü oldukları kolayca anlaşılabilir. ışınlarının pozitif yükleri ölçülmüş ve bir elektronun yükünün 2 katı olduğu bulunmuştur. Bu ışınlar için yük/kütle oranları belirlendiğinde bu ışımaların gerçekte helyum çekirdeklerinden başka bir şey olmadığı görülmüştür.
ışınlarının hızları, bu ışımayı yapan maddeye göre 15000-25000 km h-1 arasında değişmektedir. Işınları bir gaz içerisinden geçerken bu gazın atomlarına çarparak onları iyonlaştırırlar. Ard arda ve çok sayıda olan çarpışmalarla ışınlarının hızları azalır. 1 atmosfer basınca sahip bir yerde ışınları 3-9 cm yol aldıktan sonra dururlar. Gümüş ışınları için havaya göre 20000 kat daha az geçirgendir.
Beta ışınlarıHızları bu ışınların kaynağına göre 120.000-299.000 km h-1 arasındadır. Şiddeti bilinen bir alanda sapma miktarlarından da ışınlarının elektronlar olduğu anlaşılmıştır. Havada metrelerce, madenlerde ise birkaç santimetre yol alırlar. Yolları üzerindeki atomlara çarptıklarında onları iyonlaştırabilirler. Ancak çarpmalar sırasında kendileride saparlar bu nedenle ışınlarının yolu kırık doğrular şeklindedir.
Gama ışınlarıHavada yüzlerde metre metallerde ise birkaç desimetre kadar yol alabilirler. Kurşun içinde 22 cm kadar ilerleyebilirler. Gazları iyonlaştırırlar. Fotoğraf filmini etkilerler, elektrik ve magnetik alanda sapmamaları nedeniyle X-ışınları gibidir. Fakat dalgaboyları Xışınlarına göre daha kısadır.
Çekirdeğin özellikleri
BileşenleriAtomun kimyasal özellikleri elektron yapısına bağlıdır, oysa fiziksel özellikleri, di-namik ve kinetik davranısı kütlesine bağlıdır. Bir atomun çekirdeği, çekirdek içindekipozitif yüklerin toplamı ve toplam kütle sayısı ile tanımlanır. Atomun kütlesininhemen hemen tamamı çekirdekten ileri gelir. C¸ekirdek yükü derken kastedilen“+Ze” proton sayısına esit olan atom numarası “Z” ile elektronun yükü olan “e”değerlerinin çarpımıdır. C¸ekirdekteki pozitif yüklü temel parçacık protondur. Pro-ton en basit atom olan Hidrojenin çekirdeğidir. Elektrikçe nötr olan bir atomdaelektrik yüklerinin esit olacağı düsünülürse proton sayısı kadar da elektron vardıryani “Z” tane de elektron bulunur. Elektronların kütlesi protonların kütlesine oranlabazı durumlar için ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve bu oran mp/me ≈ 2000 gibibir esitlikle verilir. C¸ekirdeğin tanımlanmasında kullanılan bir diğer kemiyet ise Aile gösterilen kütle sayısıdır. Kütle sayısı, nükleer kütle ile temel kütle birimi arasıorana en yakın bir tamsayıdır. C¸ünkü proton yaklasık bir birim kütleye sahiptir.Hemen hemen bütün çekirdeklerde kütle sayısı atom numarasından iki veya dahafazla kat kadar büyüktür. Bu da bize çekirdek içinde protondan baska ağır kütlelerinvarlığını gösterir. 1932 yılına kadar çekirdek içinde A tane proton ve çekirdeğin netyükü Ze olacak sekilde A-Z tane nükleer elektronun olduğu düsünülüyordu. Chadwick’in 1932 yılında nötronu kesfetmesiyle de çekirdekiçindeki proton harici parçanın elektron değil nötron olduğu anlasılmıstır. Nötronelektrik bakımından nötrdür ve kütlesi protonun kütlesinden %0,1 daha büyüktürki bu fark az bir fark olduğundan proton ve nötronun kütlesini birbirine yaklasıkesit alınır. Bunun sonucunda çekirdekte elektron bulunmasına ihtiyaç olmaksızın, Zproton ve A-Z nötronu olan bir çekirdek uygun bir toplam kütleye ve yüke sahiptir.
GösterimC¸ ekirdeği tanımlarken o çekirdeğin simgesinin sol üst kösesine kütle sayısı olan A, solalt kösesine proton sayısına da esit olan atom numarası, sağ alt kösesineyse nötronsayısını belirten ve N=A-Z ile verilen değer yazılır. Ancak yalnızca kütle sayısının yazılması da yeterlidir.Bir atomun kimyasal özellikleri çekirdeğindeki pozitif elektrik yüküne bağlıdır.C¸ünkü bu yük, çekirdek dısındaki elektron sayısını belli eder. C¸ekirdeklerinde aynısayıda proton içeren atomlar kimyasal olarak aynı özelliktedir. Atom numaralarıaynı fakat kütle sayıları farklı çekirdeklere “izotop” denir. Dolayısıyla izotop atom-lar aynı kimyasal özelliktedir. ˙Izotop çekirdekler nükleer reaksiyonlar yardımıylayapay olarak olusturulabilir. Nötron sayısı aynı proton sayısı farklı elementler deolabilir, bunlara da “izoton” denir. Bir de kütle numaraları aynı atom numarasıfarklı çekirdekler vardır, bunlaraysa “izobar” denir. Aynı çekirdeğin uzun ömürlüuyarılmıs durumu, taban durumundaki halinin bir izomeri seklinde adlandırılır.Simdiye kadar bulunan 108 farklı atom numarasına sahip çekirdek vardır. Toplamçekirdek sayısı 1000’den fazladır.
Uzunluk ve zamanNükleer fizikte çok kullanılan birim “femtometre” olup 10−15m mertebesine tekabüleder. Nükleer büyüklükler (yarıçap) tek bir nükleon için yaklasık olarak 1 fm’den,ağır çekirdekler için yaklasık 7 fm’ye kadar değisir. Atomik boyutlar ile karsılastırıldığızaman (1A0=10−10m), çekirdek ile elektron arasındaki bosluk dikkate değerdir.Nükleer olayların zaman ölçeği çok genis bir aralığa sahiptir. örneğin, 4 kütle nu-maralı He atomunun (42He2) izotopu 5 / 2He3 gibi bazı çekirdekler 10−20s gibi bir zamaniçinde parçalanırlar. Bir çok nükleer reaksiyon bu zaman ölçeği içinde gerçeklesir.Bu zaman ölçeği genel olarak reaksiyona giren çekirdeklerden birinin, diğerininnükleer kuvvet menzilinde kalma süresidir. C¸ ekirdeklerin elektromanyetik γ ısınımlarıgenellikle 10−9s ile 10−12s kadar bir yarı ömür arasında meydana gelir. Fakat,bozunmaların birçoğu daha kısa veya daha uzun bir zaman içinde gerçeklesir. αve β bozunmalarıysa daha uzun sürede olusur, bu bazen dakika veye saat bazen debinlerce hatta milyonlarca yıl devam edebilir.
Yarı çapÇekirdek yarıçapı R=R0A1/3 ile verilir. R0 spesifik yarıçapı R0=1,4 10−15m yada 1,4 fm ile verilir. Buarada ise önceden söylediğimiz üzere kütle sayısıdır.
KütleNükleer kütleler "atomik kütle birimi" cinsinden ölçülür, kısaca "akb" yada "u" olarakgösterilir. Atomik kütle birimi nötr bir karbon atomunu kütlesini 12 de biri (1/12)olarak tanımlanır. Karbon da 12 nükleon bulunmasından dolayı bir nükleonununkütlesi de yaklasık olarak 1u olur. Nükleer bozunma ve reaksiyonların incelen-mesinde çoğunlukla kütleler yerine kütle enerjileri kullanılır. 1u=1,6605 10−27 kgyada 931,502 MeV/c2 olarak alınır. Bu sekilde nükleonlar yaklasık olarak 1000MeV kadar kütle enerjisine sahip olurlar. Kütlenin enerjiye dönüsümü göreceliğintemel sonucu olan E=mc2 kullanılarak yapılır. Kütle veya enerjinin kullanılmasıolup bu birimlerde c2=931,502 MeV/u alınır.Bir çekirdeğin kütlesinin onu meydana getiren parçacıkların serbest haldeki kütleleritoplamına esit olması gerekir gibi görünse de gerçekte çekirdeiğin kütlesi yapı taslarınınserbest haldeki kütlelerinin toplamından daha küçüktür. Bu farkın küçük veyabüyük olusuna göre çekirdek az veya çok sağlamdır. Einstein’ın "E=mc2" formülünegöre bu kütle farkını c2 ile çarpar ve enerji olarak değerini bulursak, bağlanma ener-jisini bulmus oluruz. Bağlanma enerjisi bir çekirdeğin bilesenlerini bir arada tutanenerjidir. Dolayısıyla bir çekirdeği parçalamak için gerekli enerjidir. Bu enerji suşekilde verilir:
- B =(Zmp + Nmn − M(AX))c2
Burada Z atom numarası, N nötron sayısı, M(AX) çekirdeğin kütlesidir. A kütlesayısı yani nükleon sayısı olduğuna göre nükleon basına bağlanma enerjisi B/A ileverilir.