İçeriğe atla

Atom çekirdeği

Proton (kırmızı) ve nötronlardan (mavi) oluşan atom çekirdeği modeli. Bu gösterimde proton ve nötronlar birbirine bağlı küçük toplara benzemektedir, ancak gerçekte (çağdaş çekirdek fiziği) çekirdek bu biçimde açıklanamaz. Doğru bir biçimde açıklamak için kuantum fiziğine gereksinim duyulur.

Atom çekirdeği, atomun merkezinde yer alan, proton ve nötronlardan oluşan küçük ve yoğun bir bölgedir. Atom çekirdeği 1911 yılında Ernest Rutherford tarafından keşfedildi. Bu keşif, 1909 yılında gerçekleştirilen Geiger-Marsden deneyine dayanmaktadır. Nötronun James Chadwick aracılığıyla 1932 yılında keşfinden sonra, çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğu modeli Dmitri Ivanenko ve Werner Heisenberg tarafından çabucak geliştirildi. Atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdek içerisindedir, elektron bulutunun atom kütlesine katkısı oldukça azdır. Proton ve nötronlar çekirdek kuvveti tarafından çekirdeği oluşturmak için birbirlerine bağlanmıştır. 

Atom çekirdeğinin çapı 1,75 fm'den (1,75×10-15 m) 15 fm'ye kadar ulaşabilmektedir. Hidrojen atomun çekirdeğinin çapı (tek bir protonun çapı) için 1.75 fm'dir (1.75 × 10^-15m). Daha ağır atomlarda, örneğin uranyumda, çekirdek çapı 15 fm'ye çıkabilmektedir. Bu boyutlar atomun kendisinin çapından çok daha küçüktür.

Atom çekirdeğinin yapısı ve çekirdeği bir arada tutan kuvvetler üzerinde araştırma yapan fizik kolu çekirdek fiziğidir.

Giriş

Tarih

Çekirdek 1911 yılında Ernest Rutherford’un Thomson’a ait üzümlü kek atom modeli üzerindeki testlerinin çabası neticesinde bulunmuştur. Elektron daha önceden J.J. Thomson’un bizzat kendisi tarafından keşfedilmişti. Atomların elektriksel olarak nötr olduğu bilgisinden hareketle Thomson pozitif yüklerin de olması gerektiği öne sürdü. Onun üzümlü kek atom modelinde iddia ettiği şey atom içerisindeki negatif elektronların pozitif yüklü küre içerisinde rastgele dağılmış olduğudur. Daha sonra Ernest Rutherford bir deney tasarladı ve onun yönlendirmesiyle Hans Geiger ve Ernest Marsden tarafından bu deney gerçekleştirildi. Bu deney, metal folyonun ince levhasına gönderilen alfa parçacıklarının sapmasıyla ilgilidir. Eğer Thomson’un atom modeli doğruysa pozitif yüklü alfa parçacıklarının izlediği yolda çok küçük bir sapma ile metal levhadan geçmeleri gerektiğini düşündü. Çünkü, Thomson’un atom modelinde karışık gibi düşünülen pozitif ve negatif yükler levhanın nötr gibi görünmesini sağlar ve levhanın alfa parçacıklarına elektriksel olarak nötr etki etmesini beklerdi. Rutherford için sürpriz bir şekilde, parçacıklarının çoğu büyük açılarla sapmıştır. Büyük ve hızlı hareket eden alfa parçacıklarının sapması nedeniyle çok güçlü bir kuvvetin olması gerektiği aşikar oldu çünkü alfa parçacığının kütlesi bir elektrondan yaklaşık 8000 kat daha büyüktür. Rutherford, üzümlü kek atom modelinin doğru olamayacağını ve alfa parçacıklarının sapmasının ancak pozitif ve negatif yüklerin birbirinden ayrı olduğunda gerçekleşebileceğini fark etti. Atomun kütlesinin pozitif yüklü bir noktada yoğunlaştığını gördü. Bu da pozitif yük ve kütlenin yoğun bir merkezde olduğu çekirdek atomu düşüncesini doğruladı. 

Kelime Kökeni

Nucleus (çekirdek) sözcüğü Latince küçük ceviz anlamına gelen nucleus’den gelmektedir. Michael Faraday bu terimi 1844 yılında, atomun merkezini kastetmek için kullanmıştır. Modern atom için anlamı 1912 yılında Ernest Rutherford tarafından önerilmiştir. Ama atom teorisi için “nucleus” terimini benimseme çabuk olmadı. Örneğin Gilbert N. Lewis 1916 yılında yayımladığı ünlü “Atom ve Molekül” makalesinde “Atom kernel (çekirdek) ve dış kabuktan oluşur” cümlesiyle atomu ifade etmiştir. 

Çekirdeğin Yapısı    

Helyum-4 atomunun ve gri ile gösterilmiş elektron bulutunun sembolik tasviri görülmektedir. İki proton ve iki nötrondan oluşan çekirdek kırmızı ve mavi renkler ile temsil edilmektedir. Bu temsili gösterim onları birbirinden ayrı olarak göstermektedir fakat gerçekte protonlar uzayda üst üstte dizilirler ve çok büyük ihtimalle çekirdeğin tam ortasında bulunurlar. Bu durum nötronlar için de geçerlidir. Bundan dolayı bu dört parçacık çok büyük ihtimalle uzayın aynı noktasında, çekirdeğin tam ortasında bulunur. Küçük çekirdekteki yük dağılımını göstermeye çalışan klasik resimler parçacıkları birbirinden ayrı olarak gösterir fakat bu hatalı bir gösterimdir. 

Atom çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur. Proton ve nötronlar kuark denilen temel parçacıkların bir tezahürüdür. Proton ve nötronlar, baryon adı verilen hadronların kararlı birleşimlerindeki güçlü çekirdek kuvveti ile bir arada tutulmaktadır. Güçlü çekirdek kuvveti her bir baryon tarafından yeterince uzağa kadar uzanır böylece pozitif yüklü protonlar arasındaki itici elektriksel kuvvete rağmen protonlar ve nötronlar birbirine bağlanır. Güçlü çekirdek kuvveti çok kısa bir menzile sahiptir, çekirdeğin kenarının ötesinde etkisi 0'a düşer. Pozitif yüklü çekirdeğin toplu etkisiyle elektriksel olarak negatif olan elektronlar çekirdek etrafındaki yörüngelerde tutulmaktadır. Çekirdek etrafındaki yörüngelerde hareket eden negatif yüklü elektronlar topluluğu belli konfigürasyon için benzerlik gösterir. Bu topluluk toplam elektron sayısıdır ve bunlar kendi yörüngelerinde kararlıdır. Kimyasal elementler atomları temsil eder ve bir atom, çekirdeğindeki proton sayısı ile belirlenir. Nötr bir atomda, çekirdeğindeki proton sayısına eşit miktarda elektron vardır. Kimyasal elementler kendi elektronlarını paylaşarak birleşme metodu ile daha kararlı elektron dizilimine sahip olabilirler. Elektron paylaşımı ile çekirdeğin etrafında kararlı elektronik yörüngeler yaratmanın etkisini kendi makro dünyamızın kimyasında görebiliyoruz.

Protonlar, çekirdeğin tüm yükünü gösterir, böylelikle kendi kimyasal kimliğini tanımlar. Nötronlar elektriksel olarak nötr'dür fakat çekirdeğin kütlesine hemen hemen protonlar ile aynı ölçüde katkıda bulunurlar. Nötronlar izotop olgusunu açıklayabilmektedir. İzotop aynı kimyasal elementin çeşitliliğidir. Bu kimyasal elementler yalnızca atom kütlesi bakımından farklılık göstermektedir. Kimyasal etkileri açısından aralarında fark yoktur.

Proton ve nötronlar

Protonlar ve nötronlar birbirinden farklı eş spin kuantum numara değerlerine sahip fermiyonlardır. Bu yüzden iki proton ve iki nötron aynı uzay dalga fonksiyonunu paylaşabilir çünkü iki proton ve iki nötron aynı kuantum öze sahip değildir. Bunlar bazen aynı parçacık olan nükleonun farklı kuantum numaraları olarak görülmektedir. İki fermiyon (İki proton ya da iki nötron ya da bir proton + bir nötron gibi) çifti gevşek olarak birbirine bağlı olduğunda bozon gibi davranabilmektedir.

Hiper çekirdeğin nadir durumlarında, bir ya da daha fazla tuhaf kuark ya da sıra dışı quark içeren ve hyperon adı verilen üçüncü baryon da dalga fonksiyonunu paylaşabilir. Ama bu tip çekirdek son derece kararsızdır ve Dünya üzerinde bulunmaz yalnızca fiziğin yüksek enerjiyle ilgili deneylerinde gözlemlenebilir.

Nötron pozitif yüklü çekirdeğin yarıçapına (0.3fm) ve bu pozitif yükün eşitlendiği kendisini çevreleyen negatif yükün yarıçapına (0.3 fm ile 2 fm)'ye sahiptir. Proton yaklaşık olarak üssel pozitif yük dağılımına sahiptir.  

Kuvvetler

Atom çekirdeği güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulur. Bu kalıcı güçlü kuvvet kuarkları birbirine bağlayarak proton ve nötronların oluşmasını sağlayan güçlü etkileşimin küçük posasıdır. Bu kuvvet nötronlar ile protonlar arasında daha zayıftır çünkü kendi içlerinde nötr hale getirilmektedir. Aynı şekilde nötr atomlar arasındaki elektromanyetik kuvvet (örneğin iki adet durağan gaz atom arasındaki Van der Waals Kuvveti) atomun parçacıklarını içten birlikte tutan elektromanyetik kuvvete göre oldukça zayıftır. (Örneğin hareketsiz bir gaz atomundaki elektronu kendi çekirdeğinde tutan kuvvet.) 

Nükleer kuvvet, tipik nükleon boşluğu uzaklığında son derece çekicidir ve bu da protonlar arasındaki elektromanyetik kuvvet tarafından kaynaklanan itici kuvvetin üstesinden gelmektedir. Böylelikle çekirdeğin oluşması sağlanmaktadır. Fakat bu güçlü nükleer kuvvet sınırlı bir etki alanına sahiptir ve uzaklıkla birlikte çabucak zayıflamaktadır. (Yukawa potansiyelinde bunu görebilirsiniz) Bundan dolayı yalnızca belli bir boyuttan küçük olan çekirdekler tamamen kararlı halde kalabilirler. Tamamen kararlı halde kalabilen bilinen en büyük çekirdek (alfa, beta ve gama bozulmalarına karşı kararlı) Kurşun-208'dir. Kurşun-208, 208 nükleon (126 nötron ve 82 proton) içermektedir. Bu maksimum seviyeden daha büyük çekirdekler kararsızdır ve nükleonun büyüklüğünün artmasına paralel olarak daha kısa ömürlü olmaya yönelimlidirler. Ancak bizmut-209 da beta bozunmasına dek kararlıdır ve bilinen izotoplar içerisinde en uzun yarı ömürlü alfa bozunmasına sahiptir. Evrenin yaşından milyarlarca kez uzun olduğu tahmin edilmektedir.

Güçlü nükleer kuvvet çok kısa mesafeler için etkilidir. (Genellikle yalnızca birkaç femtometre (fm), aşağı yukarı bir ya da iki nükleon çapında.) Güçlü nükleer kuvvet herhangi nükleon çifti arasında çekim olmasını sağlar. Örneğin, proton ve nötronlar arasındaki bu çekim, döteryumu oluşturmaktadır. Ayrıca bu çekim protonların kendi aralarında ve nötronların kendi aralarında da mevcuttur. 

Halo çekirdeği ve güçlü kuvvetin etki sınırı

Güçlü nükleer kuvvetin etkili mutlak sınırı halo çekirdeği ile gösterilir. Örneğin, lityum-11 ve bor-14 yaklaşık on fermis (aşağı yukarı uranyum-238'in çekirdeğinin yarıçapı olan 8 fermiye benzer) uzaklıkta yörüngede dönerler. Bu çekirdekler tamamen yoğun değildirler. Halo çekirdeği nükleitin grafiğinin en uç köşelerinde oluşur – nötron sızma hattı ve proton sızma hattı-. Bunlar kısa yarı-ömürleriyle birlikte kararsızdır. Ömürleri milisaniye olarak ölçülmüştür. Örneğin lityum-11 8.8 milisaniye yarı ömre sahiptir.

Etki altındaki halolar enerji seviyeleri doldurulmamış dış kuantum kabuğundaki çekirdeklerle birlikte uyarılmış hali temsil eder. (Hem yarıçap hem de enerji.) Halo, nötronlardan da [NN, NNN] protonlardan da [PP, PPP] oluşabilir. Tek bir nötron halosu içeren çekirdek 11ve 19C yi içerir. İki nötron halosu  6, 11Li, 17B, 18B ve 22C ile gösterilebilir. İki nötron halo çekirdeği üç parçaya ayrılabilir, asla ikiye ayrılmaz. Bu parçalara Borromean çekirdek denir bu davranışından dolayı. (Birbirine kenetlenmiş üç halkanın olduğu bir sistem gibi düşünebilir, tek bir halkayı bozmak, ayırmak diğer ikisini de serbest hale getirir.) 8B ve 14Be nin ikisi de dört nötron halosunu temsil etmektedir. Proton halosu içeren çekirdek 8B ve 26P dir. İki proton halosu 17Ne ve 27S dir tarafından simgelenir. Fazla protonun itici elektromanyetik kuvvetinden dolayı proton halolarının nötron halolarından daha nadir ve daha kararsız olmaları öngörülmektedir.

Çekirdek Modelleri

Fiziğin standart modelinin, çekirdeğin davranışını ve bileşenlerini tamamıyla tanımladığı inancı yaygın olsa da, teoriden tahminler üretmek parçacık fiziğinin diğer çoğu alanından daha zordur. Bunun iki sebebi vardır: 

  •  Prensipte çekirdek için yapılmış hesaplamalar bütünüyle kuantum renk dinamiğinden türetilmiştir. Ama pratikte, düşük enerji sistemlerindeki kuantum renk dinamiğini çözmek için yapılan geçerli hesaplamalar ve matematiksel yaklaşımlar son derece sınırlıdır. Bunun nedeni yüksek enerjili kuark maddesi ile düşük enerjili hadron maddesi arasında gerçekleşen hal değişimidir. Bu da Pertürbasyon teorisini kullanılmaz hale getirir. Ayrıca nükleonlar arasındaki kuvvetin türetilmiş kuantum renk dinamiği modelinin doğru bir şekilde inşa edilmesini zorlaştırır. Geçerli hesaplamalar ya Argon v18 potansiyeli gibi olgusal modeller ile ya da chiral etkili alan teorisiyle sınırlanmaktadır. 
  • Nükleer kuvvet çok iyi bir şekilde sınırlandırılsa bile hesaplama gücünün önemli miktarı çekirdeğin başlangıçtaki özelliklerin doğru hesaplanmasını gerektirmektedir. Many-Body teorisindeki gelişmeler, çok düşük kütleler ve görece kararlı çekirdekler için bu hesaplamaları olanaklı kılmaktadır. Fakat gelecekte, hem hesaplama gücüne hem de matematiksel yaklaşımlara dair gelişmeler kendisinden önceki ağır çekirdek ve büyük ölçüde kararsız çekirdekler üzerinde yapılmış çalışmaların başarısına bağlıdır.

Geçmişten bugüne, deneyler ister istemez kusurlu ilkel modellere göre karşılaştırılmaktadır. Bu modellerden hiçbiri çekirdeğin yapısı üzerindeki deneysel verileri tamamıyla açıklayamaz.

Çekirdek yarıçapı (R) herhangi bir modelin tahmin etmek zorunda olduğu en temel büyüklüklerden biri olarak göz önüne alınmaktadır. Kararlı çekirdekler için (halo çekirdekler ya da diğer kararsız bozuk çekirdekler değil) çekirdek yarıçapı aşağı yukarı çekirdeğin kütle numarasının karekökünün küpüyle doğru orantılıdır. Bu orantı özellikle çok sayıda nükleon taşıyan çekirdekler için önemlidir çünkü bunlar daha küresel yapılandırmaya uygun şekilde düzenlenmiştir. 

Kararlı bir çekirdek yaklaşık olarak sabit bir yoğunluğa sahiptir ve bundan dolayı çekirdek yarıçap (R) yaklaşık olarak aşağıdaki formülle ifade edilmektedir,

Burada A= Atomik kütle numarası (çekirdekteki toplam proton ve nötron sayısı) ve r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10^−15 m'dir. Bu eşitlikte sabit bir sayı olan r0 0.2 fm'ye kadar değişebilmektedir. Bu değerin değişkenliğinin nedeni çekirdeğe dair soru işaretleridir. Fakat sabit sayının %20'sinden daha az bir değişiklik söz konusudur. 

Başka bir deyişle, proton ve nötronları çekirdekte paketleme işlemi yaklaşık olarak aynı toplam boyut sonucunu vermektedir. Sabit boyuta sahip sıkı küresel bir paketi (örneğin misket) dar bir küreye ya da yaklaşık olarak küresel bir çantaya paketlemek gibi. (bazı kararlı çekirdekler tamamıyla küresel değildir fakat küreye benzer bir şekle sahip olduğu bilinmektedir).

Sıvı damlası modeli

Çekirdeğe dair geliştirilmiş ilk modeller çekirdeğin dönen sıvı damlası gibi değerlendirildiği modellerdir. Bu modelde, uzun mesafeli elektromanyetik kuvvet ve görece kısa menzilli nükleer kuvvetin birlikte belli bir davranışa neden olduğu söylenmektedir. Bu davranış, değişik boyutlardaki sıvı taneciklerinin üzerindeki yüzey gerilim kuvvetine benzerlik göstermektedir. Bu yaklaşım çekirdeğe dair çoğu önemli olguyu başarıyla açıklayabilmektedir. Örneğin çekirdeğin boyutu ve parçacıkları değiştiğinde toplam bağlanma enerjisinin nasıl değiştiğini açıklayabilmektedir. (yarı deneysel kütle formülüne bakınız) Fakat bu yaklaşım proton ya da nötronların çok fazla olduğu çekirdeklerdeki kararlılık durumunu açıklayamamaktadır. 

Çoğu çekirdeğin bağlanma enerjisinin yaklaşık değerini bulmak için kullanılan yarı deneysel kütle formülü beş tip enerjinin toplamı olarak ele alınmaktadır. (Aşağıda görebilirsiniz.) Sıkıştırılamaz bir sıvı damlası gibi resmedilen aşağıdaki çekirdek resimleri çekirdeğin bağlanma enerjisindeki gözlemlenmiş değişiklikleri açıklamamaktadır.

Hacim Enerjisi: Aynı boyutta ve birbirine benzer nükleonlar en küçük bir hacme istiflendiğinde her bir iç nükleonun belirli bir sayıda nükleonla teması söz konusudur. Bundan dolayı nükleer enerji hacimle doğru orantılıdır. 

Yüzey Enerjisi: Çekirdeğin yüzeyindeki bir nükleon, çekirdeğin içindeki bir nükleondan daha az sayıda nükleonla etkileşime girer. Bundan dolayı çekirdeğin yüzeyindeki nükleonun bağlanma enerjisi daha düşüktür. Yüzey enerjisi negatiftir ve yüzey alanı ile doğru orantılıdır. Bundan dolayı yüzey enerjisi dikkate alınmalıdır. 

Coulomb Enerjisi: Çekirdekteki her bir çift proton arasındaki elektriksel itici kuvvet kendi bağlanma enerjisinin düşmesine yardımcı olur. 

Asimetrik Enerji (Pauli Enerjisi de denir): Bu enerji Pauli dışlama ilkesi ile ilişkilidir. En kararlı çekirdek aynı sayıda proton ve nötrona sahip olan olsaydı, bu Coulomb enerjisi için olmazdı. Çünkü proton ve nötron sayısının aynı olmaması tek tip bir parçacığın en yüksek enerji seviyelerini doldurması anlamına gelmektedir. Diğer tip parçacıklar ise en düşük enerji seviyelerini terk ederken gerçekleşir.

Eşleştirme enerjisi: Bu enerji, proton ve nötron çiftlerinin oluşmasını sağlayan eğilimi doğrulamaktadır. Çift sayılı parçacıklar tek sayılı parçacıklardan daha kararlıdır.

Kabuk modeli ve diğer kuantum modeller: 

Çekirdekte bulunan nükleonların yörüngelerde hareket ettiği bazı atom modelleri önerildi. Atom fiziği teorisindeki atomik orbitale benzer şekilde. Bu dalga modelleri, nükleonları ya potansiyel kuyu içinde boyutsuz nokta parçacıklar olarak ya da optiksel modeldeki olasılık dalgaları şeklinde tasavvur etmiştir. Potansiyel kutular içindeki bu yörüngeler sürtünmesizdir ve nükleonların büyük bir hıza sahip olduğu düşünülmüştür.

Yukarıdaki modellerden, nükleonların fermiyon oluşturmak amacıyla çiftler halinde yörüngelerde dolaştığı fikri ortaya atılabilir. Bu, deneylerden bilindiği üzere çift ve tek atom çekirdeklerini açıklamamıza imkân sunar. Çekirdek kabuğunun gerçek doğası ve kapasitesi atom yörüngesindeki elektronlardan dolayı değişmektedir. Çünkü nükleonların hareket ettiği potansiyel kuyular (özellikle büyük çekirdeklerde) elektronları atoma bağlayan merkez elektromanyetik potansiyel kuyudan farklıdır. Atomik yörünge modeliyle olan bazı benzerlikler belki helyum-4 gibi küçük atomik çekirdeklerde görülebilir. Helyum-4 çekirdeğinde iki proton ve iki nötron 1s yörüngelerinde ayrı bir şekilde dolanmaktadır. Bu durum helyum atomundaki iki elektronun 1s yörüngesinde hareket etmesine benzer. Böylelikle aynı sebepten kaynaklı sıra dışı bir kararlılık durumuna erişilir. 5 nükleonlu çekirdekler son derece kararsız ve kısa ömürlüdür. Ama 3 nükleonlu helyum-3, kapalı 1s orbital kabuğu olmamasına rağmen kararlıdır. Bir diğer 3 nükleonlu çekirdeğe sahip olan triton hidrojen-3 kararsızdır ve izole edildiğinde helyum-3'e bozunur. 1s yörüngesindeki 2 nükleonun [NP] zayıf nükleer kararlılığı döteryum hidrojen-2'de bulunur. Her bir nükleon fermiyon iken [NP] döteryum bozondur ve böylelikle [NP] döteryum, kabuk içindeki kapalı paketlemeden dolayı Pauili dışlama ilkesine uymaz. 6 nükleonlu Lityum-6 ise kapalı ikinci 1p yörünge kabuğu olmadığı zaman oldukça kararlıdır. Toplam 1'den 6'ya kadar nükleon sayısı olan hafif çekirdekler içerisinde yalnızca 5 nükleon sayısına sahip olanlar kararlı olduğuna dair belirtiler göstermez. Kapalı kabuğun dışındaki hafif çekirdeklerin beta-kararlılığına dair gözlemler dikkate alınacak olunursa, nükleer kararlılığın, çok sayıda proton ve nötrona sahip kabuk yörüngelerinin basit kapamalarından daha karmaşık olduğu söylenebilir.  

Nükleonların gezindiği yörüngeler söz konusu büyük çekirdekler olduğunda elektron kabuğundan farklı bir özelliğe bürünürler. Ama en azından, mevcut nükleer teori çok sayıda proton ve nötron tarafından doldurulmuş çekirdek kabuğunu tahmin edebilmektedir. Kararlı kabuk kapanması alışılmadık bir şekilde kararlı yapılandırmaları tahmin eder, kimya alanında neredeyse durağan asal gaz grubuna benzer bu durum. Buna bir örnek olarak 50 protonun kapalı kabuğunun kararlılığı verilebilir. Kalay elementinin 10 adet kararlı izotopa sahip olmasını sağlayan şey budur. Bu sayı ile kalay elementi diğer elementlerden daha fazla izotopa sahip bir elementtir. Benzer şekilde kabuk kapanmasından olan uzaklık izotopların sıra dışı kararsızlıklarını açıklayabilmektedir.

Kapalı kabuktan uzakta çekirdeksel özellikleri açıklama girişimi kabuk modeliyle ilgili birçok problemi beraberinde getirmektedir. Bu da, deneysel verileri uygun hale getirebilmek için potansiyel kuyu şekillerindeki karmaşık post hoc bozukluklarına yol açmaktadır. Fakat bu matematiksel manipülasyonların aslında gerçek çekirdeğin uzaysal deformasyonlarına karşılık gelip gelmediği kafalarda kalmış bir soru işaretidir. Kabuk modeline dair problemler nükleon bulutları içeren gerçeğe uygun iki cisim ve üç cisim nükleer kuvvet etkilerini önermektedir. Close-Packed Spheron Model of Linus Pauling and the 2D Ising Model of MacGregor bu bulut modellerine örnek olarak verilebilir. 

Modelleri arasında tutarlılık

Sıvı helyumun süper akışkanlık durumu gibi atom çekirdeği iki durumun örneğidir. İlki, hacim için sıradan parçacıkların kuralıdır. İkincisi dalgaya benzer doğası için sezgisel olmayan kuantum mekaniği kurallarıdır. Süper akışkan helyumda, helyum atomları hacme sahiptir ve esasen birbirlerine dokunurlar ama aynı zamanda Bose- Einstein yoğunlaşması ile tutarlı tuhaf yığınsal özellikler sergilerler. İkinci durum atom çekirdeklerinin dalga doğasına uygun hareket ettiğini, sürtünme gibi standart akışkanların özelliklerini sergilemediklerini ortaya çıkarıyor. Fermiyon olan hadronlardan oluşan çekirdeklerde aynı tip yoğunlaşma gerçekleşmez ama en azından nükleer özellikler parçacıkların hacimlerinin özelliklerine dair kombinasyonlara benzer şekilde açıklanabilmektedir. Ayrıca, Erwin Schrödinger'in kuantum yörüngesinde tutulmuş bir nesnenin dalgaya benzer davranışının sürtünmesiz hareket karakteristiği gibi.

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Radyoaktivite</span> Atom çekirdeğinin kendiliğinden parçalanması

Radyoaktivite, radyoaktiflik, ışınetkinlik veya nükleer bozunma; atom çekirdeğinin, daha küçük çekirdekler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasıdır. Çekirdek tepkimesi sırasında veya çekirdeğin bozunması ile ortaya çıkar. En yaygın ışımalar alfa(α), beta(β) ve gamma(γ) ışımalarıdır. Bir maddenin radyoaktivitesi bekerel veya curie ile ölçülür.

<span class="mw-page-title-main">Atom</span> tüm maddelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini taşıyan en küçük yapıtaşı

Atom veya ögecik, bilinen evrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapı taşıdır. Atom Yunancada "bölünemez" anlamına gelen "atomos"tan türemiştir. Atomus sözcüğünü ortaya atan ilk kişi MÖ 440'lı yıllarda yaşamış Demokritos'tur. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünelleme mikroskobu vb. ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.

Fermiyon, parçacık fiziğinde, Fermi-Dirac istatistiğine uyan parçacıktır. Başka bir deyişle, Enrico Fermi ve Paul Dirac'ın gösterdiği üzere, Bose-Einstein istatistiğine sahip bozonların aksine fermiyonlar, belirtilen zamanda sadece bir kuantum durumuna karşılık gelebilen parçacıklardır. Eğer iki ayrı fermiyon uzayda aynı yerde tanımlanmışsa her bir fermiyonun özelliği birbirinden farklı olmak zorundadır. Örnek olarak, iki elektron bir çekirdeğin etrafında aynı orbitalde bulunacaklarsa, bu kez aynı spin durumunda olamazlar ve her orbitalde elektronun biri yukarı diğeri aşağı spin durumundadır.

<span class="mw-page-title-main">İzotop</span> Aynı elemente ait farklı atomlara verilen isim

İzotoplar, periyodik tabloda aynı atom numarasına ve konuma sahip olan ve farklı nötron sayıları nedeniyle nükleon sayıları bakımından farklılık gösteren iki veya daha fazla atom türüdür. Belirli bir elementin tüm izotopları neredeyse aynı kimyasal özelliklere sahipken, farklı atomik kütlelere ve fiziksel özelliklere sahiptirler. İzotop terimi, "aynı yer" anlamına gelen Yunan kökenli isos ve topos 'den oluşur; isimin anlamı ise, tek bir elementin farklı izotoplarının periyodik tabloda aynı pozisyonda yer alması anlamına gelir. Margaret Todd tarafından 1913 yılında Frederick Soddy'ye öneri olarak sunulmuştur.

<span class="mw-page-title-main">Parçacık fiziği</span>

Parçacık fiziği, maddeyi ve ışınımı oluşturan parçacıkların doğasını araştıran bir fizik dalıdır. Parçacık kelimesi birçok küçük nesneyi andırsa da, parçacık fiziği genellikle gözlemlenebilen, indirgenemez en küçük parçacıkları ve onların davranışlarını anlamak için gerekli temel etkileşimleri araştırır. Şu anki anlayışımıza göre bu temel parçacıklar, onların etkileşimlerini de açıklayan kuantum alanlarının uyarımlarıdırlar. Günümüzde, bu temel parçacıkları ve alanları dinamikleriyle birlikte açıklayan en etkin teori Standart Model olarak adlandırılmaktadır. Bu yüzden günümüz parçacık fiziği genellikle Standart Modeli ve onun olası uzantılarını inceler.

<span class="mw-page-title-main">Pauli dışarlama ilkesi</span> Kuantum mekaniği prensibi: iki özdeş fermiyon aynı anda, aynı kuantum halinde bulunamazlar.

Pauli dışarlama ilkesi ya da Pauli dışlama ilkesi, iki ya da daha çok özdeş fermiyonun aynı kuantum durumda olamayacağını belirten bir kuantum mekaniği yasasıdır. Bu yasa, kuramsal fizikçi Wolfgang Pauli tarafından 1925 yılında bulunmuştur. İlk bulunuşunda yasa yalnızca elektronlar için geçerliyken, 1940 yılında Spin-istatistik teoreminin bulunmasıyla birlikte bütün fermiyonları kapsayacak biçimde genişletilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Nötron</span> Yüke sahip olmayan atomaltı parçacık

Nötron, sembolü n veya n⁰ olan, bir atomaltı ve nötr bir parçacıktır. Proton ile birlikte, atomun çekirdeğini meydana getirir. Bir yukarı ve iki aşağı kuark ve bunların arasındaki güçlü etkileşim sayesinde oluşur. Proton ve nötron yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir fakat nötron daha fazla kütleye sahiptir. Nötron ve protonun her ikisi nükleon olarak isimlendirilir. Nükleonların etkileşimleri ve özellikleri nükleer fizik tarafından açıklanır. Nötr hidrojen atomu dışında bütün atomların çekirdeklerinde nötron bulunur. Her atom farklı sayıda nötron bulundurabilir. Proton ve nötronlar, kuarklardan oluştukları için temel parçacık değildirler.

<span class="mw-page-title-main">Atomaltı parçacık</span> Atomdan küçük, atomu da oluşturan maddeler.

Atomdan küçük, atomu da oluşturan maddeler. En çok bilinenleri, alt parçacıklardan (kuarklardan) oluşan proton ve nötron; lepton olan elektrondur. Yapısı tamamen keşfedilmemiş atomaltı parçacıklara örnek olarak foton (ışık), bozon, mezon, fermiyon, baryon ve graviton verilebilir.

Pozitif ve negatif elektrik yük miktarının dengede olmadığı parçacıklara denir. Eğer pozitif yükler daha fazlaysa parçacık artı yüklü, negatif yükler daha fazlaysa parçacık eksi yüklüdür. Bu iki yükün birbirine eşit olması durumunda parçacık yüksüz veya nötrdür.

<span class="mw-page-title-main">Mezon</span>

Mezonlar, güçlü etkileşim ile bağlı bir kuark ve bir antikuarktan oluşan hadronik atomaltı parçacıklardır. Atomaltı parçacıklardan oluştuklarından mezonlar, kabaca bir femtometre kadarlık bir yarıçaplı fiziksel bir boyuta sahiptirler. Bütün mezonlar kararsızdırlar ve en uzun ömürlüsü mikrosaniyenin altında bir ömre sahiptir. Yüklü mezonların bozunmasıyla elektron ve nötrino oluşur. Yüksüz mezonların bozunmasıyla da fotonlar oluşur.

<span class="mw-page-title-main">Bohr modeli</span> bir atom modeli

Bohr atom modeli, Niels Henrik Bohr tarafından 1913 yılında, Rutherford atom modelinden yararlanılarak öne sürülmüştür.

<span class="mw-page-title-main">Alfa parçacığı</span>

Alfa parçacığı (alfa, Yunan alfabesindeki ilk harf ile gösterilir, α) parçacık ışınları arasında yüksek derecede iyonlaştırıcı bir ışın formudur. İki proton ve iki nötronun helyum çekirdeğindekine benzer bağları sebebiyle He2+ olarak da gösterilir. Alfa parçacığının kütlesi 6.644656×10−27 kg olup, 3.72738 GeV enerjiye denktir.

<span class="mw-page-title-main">Proton-proton zincirleme reaksiyonu</span> yıldızların hidrojeni helyuma dönüştürdüğü bilinen iki nükleer füzyon reaksiyonu setinden biri

proton-proton (pp) zincir reaksiyonu, yıldızların hidrojeni helyuma dönüştürdüğü bilinen iki nükleer füzyon reaksiyonu setinden biridir. Güneş kütlesine eşit veya daha az kütleli yıldızlarda egemendir. Bilinen diğer reaksiyon CNO döngüsüdür. CNO, daha çok güneş kütlesinin yaklaşık 1.3 katından daha büyük kütlelere sahip yıldızlarda hakim olabilen reaksiyonlardır.

Nükleer kuvvet, atomların protonları ve nötronları arasında hareket eden bir güçtür. Nötronlar ve protonlar, her ikisi de çekirdek, nükleer güç tarafından neredeyse aynı şekilde etkilenir. Protonlar +1 e şarj olduklarından, onları ayırma eğiliminde olan bir elektrik kuvveti yaşarlar, ancak kısa mesafede çekici nükleer kuvvet elektromanyetik kuvvetin üstesinden gelecek kadar güçlüdür. Nükleer güç çekirdekleri atom çekirdeğine bağlar.

'Müon, elektron benzeri-1 e yük ve 1/2 spinli ancak daha yüksek kütleye sahip bir temel parçacık. Müon parçacığı, lepton olarak sınıflandırılmıştır. Diğer leptonlar gibi, Müonun da daha küçük parçacıklara indirgenemeyen bir parçacık olduğu düşünülmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Nükleer fizik</span> atom çekirdeğinin yapısı ve davranışı ile uğraşan fizik alanı

Nükleer fizik veya çekirdek fiziği, atom çekirdeklerinin etkileşimlerini ve parçalarını inceleyen bir fizik alanıdır. Nükleer enerji üretimi ve nükleer silah teknolojisi nükleer fiziğin en çok bilinen uygulamalarıdır fakat nükleer tıp, manyetik rezonans görüntüleme, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu, jeoloji ve arkeolojide radyo karbon tarihleme gibi birçok araştırma da nükleer fiziğin uygulama alanıdır.

<span class="mw-page-title-main">Radyasyon</span> Uzayda hareket eden dalgalar veya parçacıklar

Radyasyon veya ışınım, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır. "Radyoaktif maddelerin alfa, beta, gama gibi ışınları yaymasına" veya "Uzayda yayılan herhangi bir elektromanyetik ışını meydana getiren unsurların tamamına" da radyasyon denir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre oldukça fazla veya oldukça az ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde denir.

<span class="mw-page-title-main">Radyonüklit</span>

En basit çekirdek olan hidrojen çekirdeği hariç bütün çekirdeklerde nötron ve proton bulunur. Nötronların protonlara oranı hafif izotoplarda birebir oranındayken periyodik tablonun sonundaki ağır elementlere doğru bu oran gittikçe artmaktadır. Bu oran daha da artarak nüklitin artık kararlı olmadığı bir noktaya gelir. Daha ağır nüklitler, dışarıya verecekleri fazla enerjileri olduğundan kararsızlardır. Bunlara radyonüklit denir. Bu süreçte radyonüklid radyoaktif bozunmaya uğrar ve bu esnada gama ışını ve/veya atom altı parçacıklar yayabilir. Bu parçacıklar iyonlaştırıcı radyasyonu oluştur. Radyonüklidler doğada bulunabildikleri gibi yapay yollarla da üretilebilirler.

Nükleer bağlanma enerjisi, atomun çekirdeğini bileşenlerine ayırmak için gereken enerjidir. Bu bileşenler nötron, proton ve nükleondur. Bağ enerjisi genelde pozitif işaretlidir çünkü çoğu çekirdek parçalara ayrılmak için net bir enerjiye ihtiyacı vardır. Bu yüzden, genelde bir atomun çekirdeğinin kütlesi ayrı ayrı ölçüldüğünde daha azdır. Bu fark nükleer bağlanma enerjisidir ki bu enerji birbirini tutan bileşenlerin uyguladığı kuvvet tarafından sağlanır. Çekirdeği bileşenlerine ayırırken, kütlenin bir kısmı büyük bir enerjiye dönüştürülür bu yüzden bir kısım kütle eksilir, eksik kütlede bir fark yaratır çekirdekte. Bu eksik kütle, kütle eksiği diye bilinir ve çekirdek oluşurken çıkan enerjiye takabül eder.

Atom fiziğinde, etkin nükleer yük, çok elektronlu bir atomda bir elektronun yaşadığı gerçek pozitif (nükleer) yük miktarıdır. "Etkili" terimi, negatif yüklü elektronların koruyucu etkisi, daha yüksek enerjili elektronların, iç katmanın itici etkisi nedeniyle çekirdeğin tam nükleer yükünü deneyimlemesini engellediği için kullanılır. Bir elektronun deneyimlediği etkin nükleer yüke çekirdek yükü de denir. Atomun oksidasyon sayısı ile nükleer yükün gücünü belirlemek mümkündür. Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çoğu, elektronik konfigürasyon temelinde açıklanabilir. İyonlaşma enerjilerinin davranışını düşününperiyodik tabloda. İyonizasyon potansiyelinin büyüklüğünün aşağıdaki faktörlere bağlı olduğu bilinmektedir:

  1. atomun boyutu;
  2. nükleer yük;
  3. İç kabukların eleme etkisi ve
  4. En dıştaki elektronun, içteki elektron tarafından kurulan yük bulutuna nüfuz etme derecesi.