Atomlar ve füzyon

Başlamadan önce bu hakkında hazırladığım video:

 

Atom nedir? Atom günümüzde bilinen şekli ile çekirdeğinde proton ve nötron bulunan çevresinde elektron dönen maddenin en temel yapıtaşıdır ancak hidrojende sadece 1 proton ve 1 elektron vardır nötronu yoktur. Bunun sebebi ise nötronların temelde ne işe yaradığı ile ilgilidir protonlar + yüklü oldukları için birbirlerini iterler bu yüzden bir arada durmaları imkansızdır ancak araya nötronları eklediğimizde protonları birbirine yapıştırabiliriz(güçlü nükleer kuvvet bölümünde daha detaylı açıklama bulunuyor) hidrojeninde tek bir protonu olduğu için ayrı bir protona ihtiyaç yoktur atomun çevresindeki elektronların tam konumunu bilmek imkansızdır bu sebep ile  elektron bulutu yada orbital denilen kavramları kullanırız bunlar elektronların nerede bulunabileceğini ifade eder ayrıca atomun çok büyük bir bölümü boşluktan oluşur bu sayede karadelikler ve nötron yıldızlarından bahsedebiliriz 

Atomu oluşturan 3 temel yapıtaşı olan:  

Elektron(e- veya β sembolleri ile gösterilir), eksi bir temel elektrik yüküne sahip atomaltı parçacıktır. Elektronlar; elektrik, manyetizma, kimya ve ısıl iletkenlik gibi çeşitli fizik fenomeninde temel rol oynamalarının yanı sıra; kütleçekimsel, elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerde de yer alır. Yüklü olmalarından dolayı kendilerini çevreleyen bir elektrik alanı bulunur. Atom ağırlığında dikkate değer bir kütlesi yoktur boyutları ise protonlara göre çok küçük olmasından dolayı elektronu(lepton) temel parçacık olarak ele alırız 

Proton ise atom çekirdeğinde bulunan artı yüklü atomaltı parçacıktır. Elektronlardan farklı olarak atomun ağırlığında hesaba katılacak düzeyde kütleye sahiptirler. Protonların İki yukarı bir aşağı kuarktan oluştuğu kabul edilir. Evrendeki bütün protonlar 1,6 x 10−19 değerinde pozitif yüke sahiptirler 

 
.Nötron, proton ile birlikte, atomun çekirdeğini meydana getirir. Bir yukarı ve iki aşağı kuarktan oluşur. Ayrıca nötron ve proton sayılarının toplamı, bize kütle numarasını verir. Nötron ve proton kütleleri, birbirine oldukça yakındır. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Hidrojen dışında bütün atomların çekirdeklerinde bulunan parçacıktır. Nötronun elektrik yükü sıfırdır Sembolü(n)’dir, çekirdekte bulunur. Her atom farklı sayıda nötron bulundurabilir. 

XX. yy keşfedilen ve füzyonu mümkün klan kuvvet güçlü nükleer kuvvet 

Protonların çekirdekte adeta dokunur gibi durması anlamsız gibi görünür ancak birazdaha incelediğimizde bunun sonucunada varıyoruz güçlü nükleer kuvvet burada devreye giriyor 

 etkinliği yaklaşık olarak çekirdeğin çapı kadar kısa bir mesafe (10-15 m) ile sınırlı olan Güçlü nükleer kuvvet aslında protonlara değil protonların yapı taşı olan quarklara etki eder bu sebeble güçlü nükleer kuvvetin 

diğer kuvvetlerden önemli bir farkı vardır. Kuarklar birbirlerine yaklaştıkça birbirlerini daha az çekerken birbirlerinden uzaklaştıkça daha çok çeker. Hatta protonun içindeki iki kuark arasındaki mesafe 10-15 m iken aralarındaki çekim kuvveti Dünya üzerindeki 16 tonluk bir kütleye etki eden kütleçekim kuvvetine eşdeğerdir. Bu kuvvet o kadar fazladır ki, kuarkları birbirlerinden ayırmak mümkün değildir. Henüz serbest kuark gözlenememiştir, bunun sebebi ise 2 quark arasında oluşan bağın özellikleri ile ilgilidir bu bağa ne kadar kuvvet uygulayıp kırmaya çalışırsak bu bağ o enerji absorbe eder ve yeterli seviyeye ulaştığı zaman bu enerji ile bir parçacık meydana getirip yeniden eski haline döner 

Diğer nükleer kuvvet ise zayıf nükleer kuvvettir bu kuvvet diğer kuvvetler gibi parçacıkları birbirlerine doğru çekmektense atom çekirdeklerinin parçalanmasında rol oynar atom bombasından yıldızların enerji üretimi gibi konular ile ilgili olan zayıf nükleer kuvvet radyasyonun baş sorumlusudur. Bu zayıf kuvvetin yıldızlardaki görevi ise İki hidrojen atomunun birleşmesi ile  açığa çıkan atomun ve 2 protondan 1 ini nötron ve nötrinoya bozar 

radyasyonun sorumlusu da olan bu kuvveti anlamak için radyasyonun ne olduğunu bilmemiz gerekli radyasyon dediğimiz şey aslında belli bir sürede size çarpan nötron sayısı anlamına gelir zayıf kuvvete bu açığa çıkan nötronların sorumlusudur bir atoma bir nötron çarpar atom kararsız hale gelir ve parçalanır onun parçalanmasından açığa çıkan nötronlar başka atomlara çarpar onlarda parçalanır bu reaksiyona zincirleme reaksiyon denir eğer kontrolsüz bir şekilde büyümeye devam ederse atom bombalarının kalbine meydana gelen patlama açığa çıkar 

Füzyon nedir? Füzyon en basit tabiri ile 2 farklı atomun çarpışarak birleşip yeni bir atom meydana getirmesidir basitçe 2 tane hidrojen atomunun çarpışarak önce döteryum ardından 2 tane döteryumun çarpışarak bir adet helyum atomu meydana getirmesidir bu olay sırasında kütle korunmaz yani en baştaki toplam 4 hidrojenin kütlesi sonuçta açığa çıkan helyum ve nötrinoların toplam kütlesine eşit değildir burada kaybolan enerji artık neredeyse herkes tarafından görülen ve fiziğin en basit ama en önemli denklemlerinden biri olan e=mc2 ile hesaplanır denklemden de anlaşılabileceği gibi kütle-enerji dönüşümünde kütleyi ışık hızının(300.000.000m/s) karesinin çarpımı ile enerjiye çevirilir buda demektir ki çok düşük kütle miktarları bile çok fazla enerji içerir bu füzyonu dünya üzerinde gerçekleştirmek ise göründüğü kadar kolay değildir kararlı bir füzyon reaktörü inşa etmek için en temel faktör enerjidir füzyon yapılacak maddenin (hidrojen) atomlarını belli bir hızdan daha yüksek hızda hareket etmelidirler ki çarpışma yaşanabilsin bu sıcaklık basınç faktörünü görmezden gelirsek 32milyon derecedir ancak uygun koşullar altında daha düşük sıcaklıklarda da meydana gelebilir buna en güzel örnek olarak güneşimizi verebiliriz güneşin çekirdeğinde sıcaklıklar 16milyon derece civarındadır ancak buna rağmen füzyon gerçekleştirebilir bu yeteneğini kütlesine borçludur dünyaya göre çok daha fazla olan kütlesi ve bu kütlenin ürettiği kütleçekim kuvveti yıldızın merkezinde yüksek basınç oluşturur basınç işe belli bir alana düşen atom sayısı ile orantılı olduğundan görece küçük bir alana sıkışan atomların çarpışma ihtimali daha yüksektir bu sebeple daha düşük sıcaklıklarda kararlı füzyon gerçekleşebilir 

Bu fenomeni dünya üzerinde gerçekleştirmek istersek çözümü yeteri kadar basınç elde edemeyeceğimiz için sıcaklığı yükseltmekte bulmalıyız ancak bu kadar yüksek sıcaklıklara ulaşırken ciddi miktarda enerji harcanıyor henüz harcanan enerjiden daha fazla enerji elde edemediğimiz için füzyon reaktörleri kullanışlı değil ama gelecekte bu yöntem ile çok yüksek miktarlarda enerji üretmek mümkün oranlamak gerekirse füzyonda kullanılan 3.8litre deniz suyu 1,136 litrelik benzine eşdeğer derecede enerji üretme potansiyeline sahip