Elementlerin-Oluşumu

8/14/2019 Elementlerin-Oluumu

1/15

MART 2008 SAYISININ PARASIZ EKDRHazrlayan: Prof. Dr. Vural Altn


2/15

ELEMENTLER

2 Mart 2008BLM veTEKNK

fliflme

BYK

PATLAMA

kuark

Anahtar :

gluon

bozonlar foton

yldz

galaksi

karadelik

mezon

baryon

iyon

atom

elektron

muon tau

ntrino

Hzlandr

clar:

yksekenerjili

kozmikfl

nlar

CERN-LHC

FNAL-Tev

atron

BNL-RHI

C

CERN-LEP

SLAC-SLC

olaskaranlkmaddekalntlar

kozmikmikrodalgafl

nnortayakyor

Evrenin Tarihi


3/15

3Mart 2008 BLM veTEKNK

N OLUfiUMUHcre yapsnn ktlece %65-90 sudan olufluyor; iki hidrojen, bir oksi-jen. Karbon, organik yaflamn belkemii. Oksijen soluyoruz, arlmzn%65i oksijen. Dnyada ylda 1 milyar ton demir cehveri retilmekte. Al-tn ok pahal bir metal, uranyum nkleer yakt olarak kullanlyor: Nasloluflmufl bu elementler? Nereden gelmifller?Bu sorunun yantn aramak zere yola karken, nce elementlerin doa-daki bolluk oranlarna, en yaknmzdan bafllayarak bir gz atmakta yararvar. Tarihsel sre de byleydi zaten. Bolluk orann, saysal oran veyaktle oran olmak zere, iki flekilde belirtmek mmkn. Bu ikisi, atomla-

rn ktle farkndan dolay ayn olmuyor. rnein, sudaki hidrojenin oksi-jene oranla bolluu; saysal olarak 2ye 1 lehine iken, ktlesel olarakaleyhinedir. Aksi belirtilmedike, oranlar saysal...Yerkabuunun st ksmn oluflturanelementler arasnda, hidrojen bol.Atom numaras arttka; nce azal-ma, sonra oalma var. Lityum, be-rilyum ve bor; olduka nadir. Enbol elementler, oksijen ve silikon.

Tevekkeli, kabuk ounlukla silikatkayalardan oluflmakta. Sonra kar-bon ve demir geliyor. Ylda 1 milyar ton demir cevheri bu sayede retil-mekte. Nadir toprak elementleri, aslnda nadir deil; krom, nikel, bakrgibi oka retilen sanayi metallerinden bile bol. En dflk oranl tulyumve lutesyum dahi, altndan 200 misli daha fazla. Bolluk oranlarnn grafi-inde, asal gazlar grlmyor. Bunun nedeni, yrnge kabuklar dolu ol-duundan, kimyasal tepkimelere girmeye eilimlerinin olmamas. Atmos-ferde olmalar lazm. Yerkabuunda sadece, ar radyoaktif elementlerinbozunmasyla, eser miktarlarda olufluyorlar.

Okyanus sular ve atmosferdeki oranlar, kabuunkinden farkl. Oksijen,bu ikisinde de bol. Kimyasal tepkimelere girmeye ok merakl olan buelementin atmosferdeki varl, yaflam srelerinin bir sonucu; fotosentez-le srekli retiliyor olmas. Aksi halde, bir zamanlar olmad gibi, atmos-ferde bulunmazd. Hidrojen, yeryznn aksine, atmosferde ok az. Bu-nun nedeni, elementlerin en hafifi olduundan, dnyann oluflumu srasn-da hakim olan yksek scaklklarda, yerekiminden kurtulacak hzlara ula-flp bofllua kaabilmifl olmas.Bu oranlar canl organizmalarn kimyasal bileflimiyle kyaslandnda, ya-

flamn elementler tablosundan kendine uygun olanlar ekip kullandak. rnein insan vcudunun ktlece %99u sadece alt elementten; ok-sijen, karbon, hidrojen, nitrojen, kalsiyum ve fosfordan olufluyor.

Gnmz


4/15

Dnya elementlerin dalm asn-dan, genelin temsili deil. Ne de olsakaya bir gezegen. Jpiter ve Saturngibi gaz devlerinde durum farkl. G-neflte ve dier yldzlarda da yle. Ni-tekim, gk cisimlerinin flma tayflarnabaklp yzey scaklklar, tayftaki so-urma izgilerinden hareketle de kim-yasal bileflimleri belirlenebilmekte. G-kadamz Samanyolu bu tekniklerle in-celendiinde, grlen manzara flyle:Hidrojenin bolluk oran, ak ara nde.Sonra helyum geliyor. Lityum, beril-yum ve boronda, yine ak bir dflfl

var. Daglmn bundan sonraki genel

zellii, atom numaras arttka bollukoranlarnn azalmas. Yalnz, protonsays ift olan elementler, tek sayl bi-tiflik komflularndan daha bol. Diergkadalar da incelendiinde, benzerdalmlar elde ediliyor. Sonu; evre-nin ktlece %75i hidrojen, %23 kadarhelyumdan oluflmakta. Gkbilimcilerhidrojen ve helyumdan daha ar olanelementleri metal olarak nitelendirir-ler. Tm metallerin, yani doadaki,hidrojen ve helyum dflndaki 90 ele-

mentin toplam bolluu %2den az. Budurum, evrendeki hammaddenin hid-rojen ve helyum ekirdekleri olduu-

na, dier elementlerin bu ekirdekle-rin kaynaflmasyla olufltuuna iflaretediyor. Hatta helyumun da hidrojen-den... Bu nasl olur?

ki hidrojeni, ekirdeklerini kaynafl-trmak amacyla birbirine yaklafltrma-ya alfltmzda, elektronlar birbiriniiter. Bu engeli atomlar stp iyonlafltr-mak suretiyle aradan kaldrmak, gre-ce kolay. Gereken scaklklar 5-6 binKelvin dzeyinde ve dnyamzda bu s-caklklar, belki bir zamanlar vard. An-

cak, plak protonlar dahi birbirineyaklafltrmak iin, art ykleri birbiriniittiinden, zerlerinde kuvvet uygula-


ekirdein YapsAtomun ekirdei, proton ve nt-

ronlardan oluflan, kar-maflk bir i yapya sa-hip. Proton ve ntronunda, kuark denilen alteflit temel paracniki trnn llerin-

den oluflan, farkl bireri yaps var. fiyle ki;proton 2 yukar (up,u) kuark ile 1 afla(down, d) kuarktan,ntron ise 2 afla ku-ark ile 1 yukar ku-arktan oluflur. Proton-lar ve ntronlar, i yap-lar nedeniyle, temelparack saylmaz. Fa-kat ekirdein yaptaflla-

rn oluflturduklarndan,ekirdekik (nkle-on) olarak da anlrlar.

Elektronun ise bilindii kadaryla, tp-k kuarklarn olmad gibi, i yapsyok. Bu yzden, temel parack ola-

rak nitelendirilir.Bizim byk lekli

dnyamzdaki cisimler,baz zelliklerine gre;rnein tafl, aa veyainsan olarak snflandr-

lr. Fakat, ayn trden ci-simler arasnda bile; r-nein boyut, ierik veyaktle asndan, az ya daok, farklar vardr. O ka-dar ki; dnyada tmylebirbirinin ayn iki kumtanesi bulabilmek, im-kansza yakndr. Kklekli dnyada karflla-fllan paracklar ise;elektrik yk, ktle,

spin gibi belirleyici fi-ziksel zelliklerine g-re snflandrlrlar.

nemli olan flu ki; ayn trden para-cklar, rnein ntronlar, bu belirleyi-ci fiziksel zellikler asndan, birbirle-rinin tpatp aynsdrlar. Protonlar veelektronlar da, kendi aralarnda yle...

Baz fiziksel zelliklerin alabileceideerler kesintisizdir. rnein uzun-luk, 0 ile sonsuz arasnda herhangi birdeere sahip olabilir. Halbuki elektrik

yk, paketler halinde gelir. Gzlem-lenebilen en kk yk paketinin b-ykl, e kadardr.1 O halde, gzlem-lenebilen tm ykler, enin pozitif ve-ya negatif tamsay bir katna eflit ol-mak zorundadr. Ntronlar net elek-trik yk taflmaz. Proton ise, +e yk-ldr. ekirdein toplam yk; pro-tonlarn yklerinin toplamna, yaniproton saysyla +enin arpmna eflit-tir. ekirdekteki proton says Z ilegsterilirse, +Zeye...

Benzer ykler birbirini iter, zt yk-ler eker. Bu elektrostatik kuvvete,Coulomb kuvveti de denir. O halde,


5/15

mamz gerekir. Adeta bir yay skfltr-makta, enerji harcayarak zerinde iflyapmaktayzdr. Harcadmz enerji,yayn potansiyel enerjisinde birikir.ekirdekleri, gl kuvvet kalntlar-nn etkin olabilecei ksa mesafelere,metrenin milyonda birinin milyarda bi-rine kadar yaklafltrdmzda (10-15 m),gl kuvvet kancasn atp, yay kilit-ler (bknz. kuvvetler). ekirdekler kay-naflmfl olur. Hatta bu srada, enerji deaa kar ve toplam ktle azalr

(bknz. ktle eksii). Yani sanki kancataklrken bir de patlama gereklefl-mifltir. Bu enerji, baflka ekirdekleri

kaynafltrmakta kullanlabilir. Acaba ya-y bafllangta yeterince skfltrmak iinne kadar enerji harcamamz gerekir?

ki proton arasndaki itme engeliniaflp, gl ekimin menziline sokmakiin gereken enerji miktar, bildiimizkalorinin on binde birinin milyarda bi-ri kadar; proton baflna bunun yars.Protonlar ykleri sayesinde bir elek-trik alannda hzlandrp, kafa kafayaarpfltrarak kaynafltrmaya alflmakmmkn. Nitekim, buna benzer deney-

ler, maddenin yapsn arafltrmak iinkullanlan hzlandrclarda yaplyor.Ancak, doada hzlandrclar yok. Ger-

i yksek scaklklar var. Ama protonbaflna enerji, yaklaflk 5 milyar Kel-vin scakla karfllk gelmekte. Dn-yada byle yksek scaklklar olufltu-racak bilinen hibir mekanizma yok.Bilindii kadaryla gemiflte de olmad.te yandan, her elemente ait tek birekirdek yerine, deiflen saylarda izo-toplar da var (bknz. doal izotoplar).Bunlarn bazlar kararsz, srekli bo-zunuyor. zotoplarn elementlere greok daha kalabalk olan grntsne

bakldnda; frtnal srelerle ve ge-lifligzel bir flekilde retilmifl olmalargerekmekte. Dnyamzdaki element-


ekirdekteki protonlar birbirini itmek-tedir. ekirdekikler arasnda bir de,elektrostatik kuvvetten 137 kat dahafliddetli ve sadece ekici olan bir g-l kuvvet var. Protonlarn birbirini it-mesine ramen ekirdei bir arada tu-tan, bu gl kuvvetin kalntlar.

Atomda ayrca, ekirdein dflndakiyrnge kabuklarnda, elektronlar yer

almaktadr. Eksi ykl elektronlar e-kirdee balayan, art ykl ekirdeinuygulad elektrostatik ekim kuvveti-dir. Elektronun yk, byklke pro-tonun ykne eflit olmakla beraber, ztiflaretli, yani edir. Ntr bir atomunyrnge kabuklarndaki elektronlarnsays, ekirdeindeki protonlarn say-sna eflittir. Ntr atomlar bu sayede,net yk taflmaz. Ancak, kimyasal tepki-melere girip karken elektron alp ve-rebilir; iyonlaflp ykl hale gelebilirler.

Bir atomun dier atomlarla ne gibikimyasal tepkimelere gireceini, yanikimyasal davranfllarn; yrnge ka-

buklarnn yaps ve kabuk-lardaki elektronlarn saysbelirler. Kabuklarn yaps,ekirdein yk, yani +Zetarafndan belirlenir. Elek-tron says da, ntr biratom iin Zye eflit olduu-na gre, Z; atomun kimya-sal davranfllarnn temel belirleyicisi-

dir. Bu yzden Zye; atomun periyodiktablodaki hangi elemente ait olduunubelirleyen say anlamnda, atom numa-ras da denir.

Boyut: zetle; kuark llerindenoluflan ekirdekikler, eflitli saylarlabir araya gelip, atomun ekirdeinioluflturuyor. Protonlarn art yknnekim kuvvetine yakalanan elektron-lar; ekirdek civarnda yrngelereoturup, bu yk ntrleyerek, atomunyapsn tamamlyor. Sonu olarak olu-

flan yapda; kuarklar ekirdekikleriniinde, ok byk kinetik enerjilerlevnlayp durur ve ekirdekikler de e-

kirdein iinde kpr kprkprdanrken, elektronlardfl yrngelerde vzld-yorlar. Atomun boyutu 10-10 metre dzeyinde. Onunbu kk boyutundan,fliddeti grece yksekolan elektromanyetik kuv-

vet sorumlu. ekirdein boyutu ise,

ok daha kk, 10-14 metre kadar. Buboyutun atomunkine gre 10,000 katdaha kk olmasndan, elektroman-yetik kuvvete gre 137 kat daha flid-detli olan gl kuvvet sorumlu. n-k, paracklarn arasndaki ekimkuvveti ne kadar gl ise, oluflan ya-pnn o kadar kk olmas beklenir.ekirdekiin boyutu 10-15, elektronveya kuarklarnki ise 10-18 metre dze-yinde. Yani bir ekirdekik, elektronveya kuarkn 1,000 kat; ekirdek e-

kirdekiin 10larca, atom da ekirde-in 10,000 kat yarapa sahip. Bu un-surlar iin kresel flekiller dflnle-


6/15

ler, baflka yerlerde olufltuktan sonraburaya gelmifl olmallar.

Toparlayacak olursak; kuramsalolarak, demirden kk herhangi ikiekirdein kaynaflmas, rnn yinedemirden kk bir ekirdek olmaskaydyla, enerji aa karr. Ancak,ekirdeklerin kaynaflmas iin, glkuvvetin ksa menziline kadar yaklaflt-rlmalar gerekir. Halbuki, yrngeler-deki elektron bulutlarnn eksi, ekir-deklerdeki protonlarn da art ykleribirbirini itmektedir. Elektronlarn itmekuvveti, atomlarn, rnein yksek s-caklklara kadar stlp tmyle iyon-lafltrlarak plazma haline getirilmesiy-le afllabilir. Atomun boyutu ekirde-inkinin 10.000 kat olduuna gre

(bknz. ekirdein yaps), ekirdeklerinbirbirine yaklaflma imkan byk oran-da arttrlmfl olur. Fakat bu durumdada hala, protonlarn itme kuvvetinin,kaynaflma salanana kadar yenilmesigerekmektedir. ekirdekler arasnda-ki, elektrostatik itme kuvvetinden kay-naklanan potansiyel enerji tmseineCoulomb engeli denir. Bu engel, pro-ton says arttka ykselir. Dolaysyla,en az sayda proton ieren ekirdekle-rin grece kolay kaynaflmas beklenir.

rnein iki hidrojenin...Hidrojen ekirdekleri iin Cou-lomb engeli 0,9 MeV kadar olup, pro-

ton baflna 0,45 MeV kinetik enerji ge-rektirir. Bu ise, yaklaflk 5 GK (GK=109

K) scakla efldeer bir eflik oluflturur.Halbuki, en byk yldzlarn merkezidahi bu kadar scak deildir. Ancak,fzyon tepkimelerinin bafllamas iinplazma scaklnn, Coulomb efliiniaflacak kadar yksek dzeylere trman-mas gerekmez. nk, kuantum me-

kaniine gre, enerjisi bu efliin altn-da kalan ekirdeklerin bile, potansiyelenerji tmseini tnelleme yoluylaaflarak kaynaflmalar olasl vardr.Bu olaslk, plazma yksek basnlaraltnda skfltrlp, ekirdeklerin say-sal younluu arttrldka artar. T-nellemeyi bir kez baflardktan sonrasistem, nceki kadar toplam enerjiyesahiptir; scakl azalmaz. Dolaysyla,sisteme dflardan efliin ykseklii ka-dar enerji verilmesine gerek kalmaz.

te yandan, belli bir scaklktaki plaz-may oluflturan paracklarn kinetikenerjileri, an erisine benzeyen Max-

well-Boltzmann dalm fleklindedir vescaklk, bu kinetik enerji dalmnnortalamasnca belirlenir (mv2 kT).Dolaysyla, kinetik enerjisi ortalama-nn zerinde olan ekirdeklerin, ar-pflmalar halinde kaynaflma olasl,ortalama ekirdeklerinkinden daha b-yktr. Kald ki, ortalama enerji Cou-lomb efliinin altnda olsa bile, dal-mn yksek enerji kuyruunun enucundaki ekirdeklerin kinetik enerji-leri bu eflii aflar. Bu ekirdekler, kafakafaya arpfltklarnda kaynaflabilirler.Dalm, yukar ucundaki en yksekenerjili paracklarndan bazlarn yi-tirmekte olduundan, soumaya yztutarken; bir yandan da, aa kanfzyon enerjisiyle, belki daha bile faz-

la snabilir. Bafllayan fzyon tepkime-lerinin, artarak devam etmesi ve scak-l ykseltip, tepkimelerin daha kolaygerekleflecei bir denge dzeyineulafltrmas mmkndr...

Fakat, iki protonlu ekirdek karar-l deildir. Nitekim, doada byle birekirdek yok. Bu yzden, oluflan ekir-dekteki protonlardan birinin, bir pozit-ronla bir ntrino flyarak ntrona, e-kirdein kendisinin de bylelikle d-teryuma dnflmesi gerekir. Ki; oluflan

ntronla proton aralarnda mezon alfl-veriflinde bulunarak, bir arada kalma-larn salayacak olan gl kuvvet ka-


cek olursa, yarapn kpyle orantlolan hacimler arasndaki farklar, okdaha byk oluyor. rnein atom, e-kirdeinin trilyon kat kadar hacimesahip. Yani ekirdek 1 cm3 hacminde-ki bir bilye kadar olsayd eer, atom;100x100x100 metre boyutlarndaki birkapal stadyumun, 1,000,000 m3lkhacmine sahip olurdu: Maddenin nere-

deyse tamam boflluk!...zotop: Ayn elemente ait ekirdek-

lerin proton saylar ayndr. Fakat,ntron saylar farkl olabilir. Belli birelemente ait olup, ntron saylar fark-l olan ekirdeklere, o elementin izo-toplar denir. O halde bir elementinfarkl izotoplar, ayn ekirdek yk-ne, ama farkl ktlelere sahiptir. Nt-ronun ktlesi protonunkinden birazbyk, fakat aradaki fark kktr. Ohalde ekirdein ktlesini, ntron ve

proton saylarnn toplamndan oluflanekirdekik says, yaklaflk olarak be-lirler. Bu yzden, A ile gsterilen bu

sayya, ekirdein ktle numaras de-nir. Proton says Z olduuna gre, A-Z, ntron saysn verir. Geri ntrbir atomun yrnge kabuklarnda, e-kirdeindeki proton says kadar elek-tron bulunur. Fakat, elektronun ktle-si protonunkinin 1/1836s kadarolup, ekirdekiklerin yannda gzar-d edilebilir. Dolaysyla, atomun top-

lam ktlesi kabaca, ekirdeinkineeflittir. Bu yzden, Aya, atomun kt-le numaras da denir.

Atomlar, ait olduklar elementinkimyasal simgesini oluflturan harfler-le gsterilirler. rnein; hidrojenin H,karbonun C, kurflunun Pb ile gsteril-mesinde olduu gibi. Tek baflna kim-yasal simge, atomun ekirdeindekiproton saysn dolayl olarak verir, fa-kat ntron says hakknda ipucu ver-mez. rnein karbon elementi 6 pro-

tona sahiptir ve bir atom iin C simge-si kullanldnda, o atomun ekirde-inde 6 proton olduu anlafllr. An-

cak, doada bulunan karbon ekirdek-lerinin %98,1i 6 ntron ierirken,%1,1 kadarnda da 7 ntron bulunur.Yani doal karbon, ktle numaralar12 ve 13 olan iki izotoptan oluflmakta-dr. Halbuki, karbon sadece C simge-siyle gsterildiinde, bu izotoplardanhangisinin kastedildii anlafllmaz. Buyzden, izotoplardan sz ederken, da-

ha ayrntl bir gsterime gerek duyu-lur. rnein karbonun szkonusu izo-toplar iin, C simgesinden sonra tireiflaretiyle ayrlmfl halde ktle numara-lar yazlabilir: C-12, C-13. Bu durum-da, karbonun atom numarasnn 6 ol-duu hatrlanrsa, ntron saylar ge-rektiinde, ktle numaralarndan ha-reketle, 12-6=6 ve 13-6=7 olarak he-saplanabilir. Ancak genelde, protonsaysn hatrlamak zorunda kalma-mak iin, biraz daha ayrntl bir gs-

terim kullanlr. Yaygn kabul grenbyle bir gsterim, diyelim X elementiiin; atom numarasn simgenin sol


7/15

lntsn oluflturabilsinler. Buradakintrino 0,42 MeV enerji taflr. Geri ikiprotonun ktlesi, dteryumla pozitro-nun yannda ntrinonun enerjisini, an-cak da olsa karfllamaya yeterlidir.Fakat, oluflan dteryum ekirdekleri

zar zor kararldrlar. Oluflur oluflmaz,ikiflerli birleflerek, ok daha kararlolan ift sihirli 2He4 ekirdeklerinednflmeleri gerekir. Aksi halde he-men bozunurlar. Yani, dteryumunretilebilmesi iin; scakln bu ekir-deklerin oluflmasna imkan verecek ka-dar yksek, fakat oluflmalarndan son-ra da, hemen bozunmayp, birleflerek

2He4 oluflturmalarna frsat verecek ka-dar dflk olmas gerekir. Byle bir s-caklk aral yok. Nitekim, evrene ba-

kldnda, anlaml dzeyde dteryumretimi grlmyor. Hatta tam tersine,yldzlar dteryum tketmekte. Dn-

yada yaplan ve gerek protonlarn bir-lefltirilmesi, gerekse byk ekirdekle-rin parack bombardmanyla yarlma-s (spallation) fleklindeki deneysel a-lflmalarda, dteryum retimi iin biryntem bulunamad. Buna dteryumdarboaz deniyor. Oysa ki, evrendehatr saylr miktarda D2 veya HD ga-z var. Evrenin ktlece %0,015i bu e-

kirdekten olufluyor. Hem de hangi ta-rafa baklrsa baklsn, bu oran ayn.Dnyada ise, okyanus sularndaki hid-

rojenlerin 1/6666s dteryum. O za-man, bu dteryumun nereden geldiisorusu doar. Dteryumlarn, olufltuk-lar yksek scaklklarda ksa sredebozunduklarna gre, ok hzl ve b-yk saylarla oluflmufl olmalar lazm.Ki, bozunmaya frsat bulamadan, okdaha kararl olan 2He4 ekirdeklerinekaynaflabilsinler. Ama ondan sonra da,

ortamn anszn soumufl olmas gere-kiyor. Ki, bir kez olufltuktan sonra ka-rarl kalabilsinler. Byle bir sre, mil-


alt, ktle numarasn da sa st kfle-sine yazarak elde edilir: ZXA. Bu tarifegre, karbonun szkonusu iki izotopu

6C12 ve 6C13 fleklinde gsterilir. Pro-ton saysn hatrlamaya gerek kalmaz.Ntron saysn bulmak kolaylaflr. Birbaflka rnek, atom numaras 92 olanuranyum elementinin, doadaki enbol izotoplar olan 92U235 ve 92U238

Halbuki molekl formlleri, mole-kl oluflturan elementlerin kimyasalsimgelerinin yan yana dizilip, her sim-genin sa alt kflesine, tek bir molekl-deki o elemente ait atomlarn saysnnyazlmasyla oluflturulur. rnein, birkarbon ve iki oksijenden oluflan kar-bondioksit molekl, CO2 olarak gs-terilir. ki karbon ve alt hidrojen ato-mundan oluflan etan molekl ise,C2H6 fleklinde... Burada, karbonunhangi izotopunun kastedildii belirtil-

memektedir. Halbuki aslnda, rneinhavadaki karbondioksit molekllerin-den ou C-12, az bir ksm da C-13

ierir. Hatta, ayn C2H6 molekl iin-deki iki karbon atomundan birisi C-12,dieri C-13 olabilir. Ancak kimyada bufark belirtmeye, ou zaman gerekyoktur. nk bir elementin farkl izo-toplar, kimyasal davranfllar asn-dan hemen hemen farkszdr. Yani,kimyasal tepkimeler izotop fark gt-mezler. Bu yzden, kimya formllerin-

de genel olarak, izotoplar belirtilmez.zotoplar daha ok, ekirdek olaylarile ilgili olarak gndeme gelirler.

Ktle: Standart ktle birimi kg, k-k lekte alflrken fazla byk birbirimdir. Bu nedenle, atomlarn ktle-sini lmek iin, atom ktle birimidenilen ve u ile gsterilen, daha k-k bir birim kullanlr. Bu birimin ta-nm, duraan2 halde ve temel enerjidzeyindeki bir 6C12 izotopunun kt-lesinin 12de biri fleklinde. Ancak, ta-

nmn ifllerlik kazanmas iin, 6C12 izo-topunun ktlesinin bilinmesi gereki-yor. Burada ise devreye, moln tan-

m girer. Herhangi bir malzemenin 1mol diye, malzemeyi oluflturan yap-tafllarnn belli bir saydaki, Avogadrosays kadarki miktarna denir. Avo-gadro says ise, duraan halde ve te-mel enerji dzeyindeki 6C12 izotoplar-nn 12 gramndaki atom says olaraktanmldr. Atomlar saymak henzmmkn olmadndan, baflka yn-

temlerle belirlenen bu saynn deeri,yaklaflk NA=6,022x1023 kadardr Ohalde, 12 gram 6C12 izotopunda NA sa-yda atom bulunduuna ve atom ktlebirimi de, tek bir 6C12 izotopunun kt-lesinin 1/12si olduuna gre:1 u = (1/12)x(12/NA) = 1/NA =1,66x10-27 kgdr.

Bu birim cinsinden, elektronun kt-lesi 0,000549 u iken; protonunkimp=1,007276 u, ntronunki isemn=1,008665 udur. Yani, ntronun

ktlesi protonunkinden 0,001389 u da-ha fazla olup, bu fark, elektronun kt-lesinin iki mislinden byktr.


8/15

yarlarca Kelvin scaklklar gerektirir vede santimerekp baflna trilyonlarcaton ktle younluklar; saniyenin ta-savvur edemeyeceimiz kadar kk

bir kesrinde azalan... Nasl oluflmufl

olabilir byle koflullar? Nerede ve nezaman?

Yldzlarn flma tayfndan hare-ketle, hzlarn da belirlemek mm-

kn: Doppler kaymas. Yaplan incele-

meler, komflu gkadalarn bizdenuzaklaflmakta olduunu gsteriyor.Hem de daha uzak olanlarn dahayksek hzla...1 Evren geniflliyor, hemde hzlanarak. Dolaysyla, seyrettii-miz evren manzaras; giderek geniflle-yen uzay-zamanda birbirinden uzakla-flan milyarlarca gkadadan oluflmakta.Uzayn snr yok. Ama, zamann birbafllangc olmak zorunda. O zamanda akla, bafllangta ne vard sorusugeliyor, evren buraya nereden ve na-sl geldi? Bu sorunun yantn, doayasalarnn zamana gre simetrisin-den yararlanarak bulmak mmkn: z-lenen film tersine oynatldnda, za-manda geriye gidildike, gkadalarbirbirine yaklaflp, i ie girerler. Son-

ra yldzlar, atomlar ve ekirdekler. Ensonunda, yani bafllangta: Byk Pat-lama. Ancak bu patlama; madde veenerjinin, zaten var olan uzayn bir ye-rinde anszn belirip dalmas deil;anszn patlayan uzay-zamanda dal-mas. Dolaysyla, gkadalarn hareke-ti; kendilerinin hzndan ziyade, arala-rndaki uzayn genlefliyor olmasndankaynaklanyor. Bir baflka benzetmey-le, frnda kabarmakta olan bir kekiniindeki zm tanelerinin birbirinden

uzaklaflmasnda olduu gibi. Filmin


Doal izotoplarDoada, hidrojenden uranyuma

kadar, 92 element var. Bunlar, her bi-ri deiflik saylarda olmak zere, top-lam 307 izotopa sahip. Bu doal izo-toplardan, bilindii kadaryla 244kararl. Kalan 63 kararsz. Ele-mentlerden 80i, en az bir kararl izo-topa sahip. Bunlar, ilk 82 elementarasnda yer alyor. Yani; hidrojen-

den kurfluna (82Pb) kadarki ilk 82elementin, ikisi hari hepsinin, en azbirer, bazlarnn birden fazla kararlizotopu var. stisnalar, doada karar-l izotopu bulunmayan teknesyum(43Tc) ile prometyum (61Pm). En faz-la sayda kararl izotopu olan ele-ment, 10 kararl izotopla kalay(50Sn). Ardndan, 9 kararl izotopasahip yegane element olan ksenon(54Xe) geliyor. Kararl izotop says 8olan element yok. Atom numaras

82den byk olan 10 elementin ise,Tc ve Pm gibi, sadece radyoaktif izo-toplar var.

Dolaysyla, yafl 4,55 milyar ylaflan Dnyamzda kararsz bir izoto-pun hl var olmas flekilde akla-nabilir: Ya bu kararsz izotopun yar-lanma mr, en azndan Dnyannyaflyla kyaslanabilir dzeyde veyadaha uzundur, ya yarlanma mrbyle uzun olan kararsz bir izotopunbozunma rndr, ya da Dnyadahalen sentezlenmektedir. Uzun yar-lanma mrl izotoplardan oluflan bi-

rinci gruba rnek, 4,43 milyar yl ya-rlanma mrl 92U238 izotopu. Yar-lanma mr Dnyann yaflna yaknolduundan, bu izotopun Dnyadahalen var olan miktar, gezegenimizinolufltuu zamandakinin yaklaflk yar-s kadar. Bu gruptaki en dflk yar-lanma mrleri, 700 milyon yldanuzun. rnein 92U235 izotopununki703,8 milyon yl. Dolaysyla, bu izo-topun doadaki miktarnn, uranyum-238e gre ok daha hzl azalmfl ve

Dnyann olufltuu zamandakinin,(1/2)4,55/0,7038 = %1,13ne inmifl ol-mas gerekir. Nitekim, doal uran-

yumdaki her 1000 ekirdekten, yakla-flk 993 92U238 iken, sadece 7 kada-r 92U235dir. Bozunma rnlerindenoluflan ikinci gruba rnek, 92U238 izo-topunun alfa bozunmasyla oluflan,24,1 gn yarlanma mrl 90Th234

izotopudur. 6C14 izotopu, yeleri s-rekli sentezlenen sonuncu gruba birrnek oluflturur. nk, 5730 yl ya-rlanma mrl bu izotop atmosferindfl katmanlarnda; yksek enerjili

paracklardan oluflan kozmik flnla-rn arasndaki protonlardan bazlar-nn 8O16 ekirdeklerine arparakoluflmasna yol at termal ntronla-r yutan nitrojen-14 izotoplarnn pro-ton salmasyla srekli olarak retil-mektedir (n + 7N14 6C14 + 1H1).

Kararl izotoplarn hepsinin, te-mel enerji durumunda olmalar bekle-nir. nk, ilk olufltuklarnda uyarl-mfl halde olsalard dahi, oluflmalarn-dan bu yana; sadece Dnyann yafl-

nn 4,5 milyar yl olduu gz nndebulundurulursa; temel enerji duru-muna geifl yapmalar iin yeterince


9/15

tersinde, bafllangca doru gidilince,koflullar nasld acaba?

Zamanda geriye gidip yerinde ince-lemek mmkn olmadndan, ariyonlarn arpfltrld laboratuvarlar-daki gl hzlandrclarda (RHIC),benzer koflullarn oluflturulmasna a-lfllyor. rnein altn ekirdeklerini,flk hznn %99,99una kadar hzlan-

drdktan sonra, kafa kafaya arpfltrp

parampara etmek suretiyle. Bir altnekirdeini bu hza ulafltrmak iin ve-rilmesi gereken enerji (100 GeV), G-neflin merkezindeki scakln150.000 katna karfllk gelir. ekirdeko hza ulafltnda; hareket ynndekiap, bu yne dik olan ap aynkalrken 70te birine (Lorentz) ksald-ndan, ince almfl bir yufkaya dner.

Ktlesinin, bafllangta zaten santimet-

rekp baflna milyar ton (1018 kg/m3)dzeyinde olan younluu, 100 misli-ne kar. ekirdekler arpfltnda,yufkalar incelir, younluk daha da ar-tar. ekirdekleri oluflturan ntronlarve protonlar, kuarklarna ve onlar birarada tutan gluonlarna kadar parala-nrlar. Bir kuark-gluon plazmas olu-flur

ken evren modelleri, bu koflulla-rn daha da gerisine gidiyor. Bulgularkabaca flyle...

lksel elementler: Byk Patla-may izleyen hzl byme (enflas-yon) srasnda, evrende sadece foton-lar vard. Enflasyon 10-32. saniyede ya-vafllayp da, evren yeniden snmayabafllaynca; maddenin yaptafllarn

oluflturan kuarklarla, gl kuvvetintaflyclar olan gluonlar ve elektron-larla ntrinolar olufltu. Evren, bir ku-ark-gluon plazmas haline gelmiflti.Plazma 0,02. saniyede 100 GKe (8,6MeV) kadar souyunca, hemen hemeneflit sayda proton ve ntron olufltu.Evren hala foton arlklyd. ekirdek-ik baflna 109 kadar foton dflyordu.Yksek enerjiye sahip olan bu foton-lar, pozitron-elektron iftleri retiyor,karfllaflan iftlerin birbirini yoketme-

siyle de retiliyordu. Dier yandan;


Kabuk Modeli

ekirdekteki protonlarla ntron-

larn oluflturduu yap da, atomdaki

elektronlarnkine benzetilebilir. e-

kirdein kabuk modeli denilen bu

tasarma gre, ekirdekikler; birlik-

te oluflturduklar merkez odakl bir

potansiyelin ierisinde, farkl enerji

dzeylerinde otururlar. Artan srada

ardflk enerji dzeylerine karfllk

gelen yrngeler, elektronlarda ol-

duu gibi, dfl dfla altkabuklardan

oluflan bir kabuk yapsna sahiptir.

Protonlar ve ntronlar, farkl para-

ck trleri olduklarndan, birbirle-

rinden bamsz yrnge kabuklar-

n doldururlar. Ardflk enerji dzey-leri arasndaki farklar, atomlarda eV

veya kesri kadar iken, ekirdeklerde

keV, hatta MeV dzeyinde olabilir.

Her iki ekirdekik trnn de bu

kabuk yapsn, alttan yukarya do-

ru sra atlatmakszn doldurmalar

halinde, ekirdek olas en dflk

enerji dzeyindedir. Bu enerji dze-

yi, temel enerji durumuna karfllk

gelir. ekirdekiklerden bazlarnn,

temel enerji durumundaki dizilimin

gerektirdiinden daha yksek ener-

ji dzeylerinde bulunmas halinde,

ekirdein uyarlmfl halde olduu

sylenir. Uyarlmfl ekirdek, hzla

foton flyarak temel enerji durumu-

na geer. Atomlarn fldndan ok

daha yksek enerjilere sahip olan

bu fotonlar, gama fln olarak adlan-drlr.

uzun bir zamann gemifl olmas gere-kir. Nitekim, birisi hari, btn karar-l izotoplar temel enerji durumunda-lar. stisnay oluflturan ekirdek, tan-talum-180 izotopunun, orta (meta)kararl bir enerji durumunda skflpkalmfl olan 73Ta180m1 izomeri. Bu e-kirdek, orta kararl durumdan temelenerji durumuna geifli, spin-paritesaknm ilkesi gerei gl bir flekil-de yasaklandndan yapamyor. zo-

top bu yzden orta kararl. Halbukibu geifli yapacak olsa, orta kararl-n yitirecek. nk, tantalum-180 izo-topunun temel enerji durumu karar-sz.

Herhangi bir altkabuktaki ekir-dekik saysnn ift olmas, spinlerters ynde efllefltiinden, daha dflkbir enerji dzeyiyle sonulanr. Buyzden, ntron veya proton says iftolan ekirdekler, grece daha kararl-drlar. Ntron veya proton says; si-

hirli say olarak nitelendirilen 2, 8,20, 28, 50, 82 veya 126 deerlerindenbirine eflit olan ekirdekler ise, srad-

fl bir kararlla sahiptir. En kararlekirdekler, hem ntron, hem de pro-ton says ift ve sihirli say olanlardr.ifte sihirli olarak nitelendirilen buekirdeklere rnekler arasnda; hel-yum-4 (2He4), oksijen-16 (8O16), kalsi-yum-40 (20Ca40), kalsiyum-48 (20Ca48),kalay-132 (50Sn132) ve kurflun-208(82Pb208) izotoplar saylabilir. Dolay-syla, 2He4 ve 8O16 izotoplarnn, hid-rojenden sonra evrendeki, ikinci ve

nc en bol kararl ekirdekler ol-malar bir raslant deildir.

Bu durumda en kararsz ekirdek-lerin, tek sayda proton ve tek saydantron ierenler olmas beklenir. Do-ada byle, yalnzca 5 izotop var.Bunlardan birisi olan 19K40 ilgin birflekilde, beta bozunmalarnn her -n birden; yani, hem ntron fakiriolan ekirdeklerden beklenen elek-tron yakalama veya pozitron flmas-n, hem de ntron zengini olan ekir-

deklerden beklenen elektron flmas-n paralel olarak yapar. Yarlanmamr 1.277x109 yl.

Bir izotopun kararsz saylabilme-si iin, ekirdek saysnda zamanlayer alan azalmann llebilmesi ge-rekir. Bozunma ok yavaflsa eer, buazalmann lm duyarllnn altn-da kalmas ve dolaysyla da, aslndakararsz olan bir izotopun kararl sa-nlmas mmkndr. Nitekim, ekir-dek modelleriyle yaplan hesaplama-lar, kararl bilinen pek ok izotopun1018 yl veya daha uzun yarlanma

mrleriyle bozunmalar gerektiinigsteriyor. Gerekten de bozundukla-r deneysel olarak belirlenenler, ka-rarl snfndan kartlp kararsz sn-fna alnr. Bunun en yakn rnei;daha nceleri kararl bilinen bizmut-209 (83Bi209) ve tungsten-180 (74W180)izotoplarnn 2003 ylnda, srasyla19x1018 ve 1,8x1018 yl yarmrle al-fa aktif olduklarnn belirlenmesiydi.2

Doal olan 307 izotopun yannda,bir de insan yapm olanlar var. Yapay

izotoplarn hepsi kararsz. Doal veyayapay, bilinen izotoplarn says2600


10/15

ntronlar ya pozitron sourup antint-rino flyarak, ya da ntrino sourupelektron salarak protonlara dnflmek-teydi. Protonlar da, ya elektron sou-rup ntrino flyarak veya antintrinosourup pozitron salarak ntronlara...

Ancak, ntronun ktlesi protonun-

kinden byk olduundan, protonuntrona dnfltren elektronlarnenerjisinin daha yksek olmas gerek-

mekteydi. 0,11 saniyeden sonra scak-lk 30 GKin (2,6 MeV) altna inip de,byle yksek enerjili iftlerin saysazalnca; protonlar ntrona dnfle-mez oldular. Halbuki, ntronlar pro-tona dnflmeye devam ediyordu.13,8. saniyede scaklk 3 GKe (260keV) indiinde, ift retimi hepten dur-mufltu. Ntronlar 15 dakika gibi gre-ce uzun bir yarlanma mryle de olsa,bozunarak azalmakta, protonlarn sa-ys artmaktayd. Arada ntron-protonkaynaflmasyla, ya da daha dflk birolaslkla proton-proton kaynaflmasn-dan sonra pozitron ve ntrino flnma-syla dteryum ekirdekleri oluflmaklaberaber; parack baflna ortalama ki-netik enerji dteryumun balanma

enerjisinden daha yksek olduundan,oluflan ekirdekler, izleyen arpflma-lar sonucunda hemen annda parala-nyordu. 3 dakika 2. saniyede, scaklk1 GKe (86 keV) inmifl ve yaklaflk her7 protona karfl 1 ntron kalmflt.

3 dakika 46. saniyede scaklk 0,9GKe (78 keV) indiinde, dteryum(1D2) ekirdekleri artk kararl olabili-yordu. Ntronlarn hemen hepsi pro-

tonlarla birleflip dteryum oluflturdu.Dteryumlar da; ya nce bir protonlakaynaflp 2He3 oluflturduktan sonra birde ntron yutarak, ya da nce ntronyutup 1T3 oluflturduktan sonra bir pro-tonla kaynaflarak, helyum-4 (2He4) e-


Ktle Eksiiekirdekteki ba enerjisi, atomda-

kine benzer flekilde, ktle azalmasna

karfllk gelir. Ancak, atomdakindenfarkl olarak, ktle azalmas llebi-lir dzeydedir. nk, ekirdektekiekirdekikler birbirlerine, elektro-manyetik kuvvetin 137 misli daha flid-detli bir gl kuvvetle baldrlar.Ksa menzilli olan bu kuvvet, serbestprotonlarla ntronlarn bir araya gele-rek ekirdei oluflturmas srasnda,zerlerinde ifl yapar. Yaplan toplamiflin yars, ekirdein ba enerjisi ola-rak aa karken, paracklarn kt-lelerinin toplam, bu ba enerjisinin

ktle efldeeri kadar azalr. Azalmamiktarn, oluflan ekirdein ktlesin-den hareketle hesaplamak mmkn-dr. rnein, doada bulunan veatom numaras Z, ktle numaras Aolan bir izotopun ktlesi ZMA olarakllmfl olsun. zotop, Z tane serbestprotonla A-Z tane serbest ntrondanolufltuuna gre, oluflma sonucundayer alan ktle azalmas; ki buna kt-le eksii de deniyor;

M = Zmp+(A-Z)mn - ZMA

kadardr. Dolaysyla, ekirdein kt-lesi, yapsndaki ekirdekiklerin kt-lelerinin toplamndan M kadar daha

azdr. Bu ktle eksiinin enerji eflde-eri, ekirdein toplam ba enerji-sini (BE) verir:BE = M.c2 = [Zmp+(A-Z)mn - ZMA].c2

Dikkat edilecek olursa, eer sz-konusu izotop diyelim E kadar uya-

rlmfl halde ise, llen ktlesi, uya-rlmamfl ekirdeinkinden, E/c2 da-ha byk olur. Bu daha byk ktleyukardaki ifadede kullanldnda,uyarlmfl ekirdein ba enerjisi iin,uyarlmamfl ekirdeinkinden, E ka-dar daha kk bir deer elde edilir.Beklenen de zaten, E kadar uyarl-mfl ekirdein ba enerjisinin, E ka-dar daha az olmasdr. Yani, ifade uya-rlmfl ekirdekler iin de geerlidir.Ancak genelde, bir ekirdein ba

enerjisinden sz edilirken, izotopunuyarlmamfl, yani temel enerji duru-mundaki hali kastedilir.

rnein helyum-4 izotopunun e-kirdeini oluflturan alfa paracnele alalm. ki protonla iki ntrondanoluflan bu ekirdein llen ktlesi

2M4

=4,00153 u. Ntron ve protonunktleleri de, mn=1,008665 u,mp=1,007276 u olduuna gre;M = 2x1,007276 + 2x1,008665 4,00153 = 0,030352 uelde edilir. te yandan, ktle birimi u= 1,66x10-27kg = 931,49 MeV/c2 oldu-una gre:3

Mc2 = 0,030352x931,49 = 28,3 MeV

bulunur. Dolaysyla, sttei flekilde degrld zere; hidrojen atomununiyonlaflma enerjisi 13,6 eV iken, hel-yum atomunun ekirdeini oluflturanalfa paracnn paralanma, yani ya-ptafllarn oluflturan iki protonla ikintrona ayrfltrlma enerjisi 28,3MeVdir. Buna flaflmamak gerekir.nk, iki parack arasndaki ba

enerjisinin negatifi, ikili sistemin me-kanik enerjisine, bu da potansiyelenerjisinin yarsna eflittir. Potansiyel


11/15

kirdekleri oluflturmaya baflladlar. e-kirdeklerin yapsnda protonlarla biraraya gelen ntronlar, kararllk ka-zandlar. Bozunmalar durdu. 34 daki-ka 4. saniyede scaklk 0,3 GKe (26keV) indiinde, ekirdek kaynaflmalarsona erdi. Her 7 protondan geriye 6skalmfl, 1i de ntronlarla birleflip, d-teryum ve helyum-4 oluflturmufltu. D-teryumlarn bir ksm, hzl souma ne-deniyle kaynaflma frsat bulamadlar.Kalan protonlar hidrojen ekirdei ol-du. Yani, evren bu aflamada ktlece;yaklaflk 6/(6x1+0,5x4)=0,75 orannda

1H1 ekirdeklerinden, 0,5x4/(6x1+0,5x4)=0,25 orannda da 2He4ten olu-fluyordu.

Geri srecin

son aflamalarnda;1D2 ekirdeklerin-den bazlar 2He4 e-kirdekleriyle birle-flip, kararl 3Li6 e-kirdeklerine veya

ntron yutarak, kararsz trityumlara(1H3) dnfltler. 12,32 yl yarlanmamryle radyoaktif olan 1T3, ya elek-tron ve antintrino flyarak 2He3 ekir-

deine bozundu. Ya da 1D2 ile birlefl-tikten sonra ntron salarak 2He4 ret-ti. Baz 1T3 ekirdekleri de, 2He4 ekir-dekleriyle birleflip, kararl 3Li7 ekir-


enerji ise, paracklar arasndaki kuv-vetin fliddetiyle doru, uzaklkla tersorantldr. ekirdei bir arada tutangl kuvvet, yrnge elektronunu

ekirdee balayan elektromanyetikkuvvetin 137 kat daha fliddetli, teyandan ekirdein boyutu da atomun-kinin 1/10.000i kadar olduuna g-re; ekirdekteki bir ekirdekiin e-kirdein kalan ksmna balanmaenerjisi, atomdaki bir elektronun e-kirdee balanma enerjisinin;100/(1/10.000)= 1.000.000 kat ka-dar olur.

ekirdek tepkimeleri: Bir ekirde-i oluflturan paracklarn birbirlerinene denli sk skya bal olduunun

asl gstergesi, toplam ba enerjisi de-il, ekirdekik baflna ba enerjisidir.Ki bu; toplam ba enerjisi BEnin,ktle numaras Aya blnmesiyle el-de edilir:

BE/A = [Zmp+(A-Z)mn - ZMA].c2/ABu ifade herhangi bir izotop iin,

o izotopun llmfl olan ktlesi ile,Z ve A deerlerini yerlerine koymaksuretiyle hesaplanabilir. Yandaki gra-fikte, doada bulunan izotoplar iinhesaplanmfl olan ekirdekik baflna

balanma enerjilerinin, ktle numa-rasna gre deerleri grlyor. Her-hangi bir izotopa ait deer; ekirdek-

ten bir ekirdekik koparmak iin ge-reken veya ekirdee bir ekirdekikdaha eklendiinde aa kan enerjiolmak zere, iki flekilde yorumlana-bilir. Grafikten anlaflld zere, do-adaki en salam ekirdekler, demir

grubu izotoplara ait. 26Fe56, 26Fe58,28Ni62 izotoplar, ekirdekik baflna8,8 MeV ba enerjisi ile, en sk sk-ya bal ekirdeklere sahip. ekir-dekik baflna ba enerjisi, en hafifelementlerden bafllayarak saa, enarlarndan bafllayarak da sola do-ru, demire yaklaflldka artyor. Bu-na gre, demirin sol tarafnda; iki ha-fif ekirdein kaynaflarak daha b-yk ve fakat demirden kk bir e-kirdek oluflturmas halinde, ekirdek-

ik baflna ba enerjisiyle birlikte,toplam ba enerjisi artar. Dolaysyla,ktle azalr. Toplam ba enerjisinde-

ki artfla efldeer olan bu ktle azal-mas, enerji olarak aa kar. Demi-rin sa tarafnda ise, ar bir ekirde-in, orta arlkta iki ekirdee par-

alanmas halinde; ekirdekik bafl-na ba enerjisiyle birlikte, toplamba enerjisi artar; ktle azalr, enerjiaa kar. ekirdek kaynaflmasnafzyon, paralanmasna da fizyondenir. Her iki durumda da, aa -kan enerji miktar, ekirdekik bafl-na ba enerjisi, yani MeV dzeyinde-dir. Kimyasal tepkimelerde aa -kan eV dzeyindeki enerjilerin mil-yon kat kadar...

Bu grafik ayn zamanda, element-lerin nasl oluflmufl olabilecei hak-

knda da nemli ipular verir. n-k, kk ekirdeklerin kaynaflmas,demire kadarki elementleri retebi-lir. Kaynaflmalar bir kez baflladn-da, fzyondan enerji aa ktnagre, kendiliinden devam edebilir.Halbuki ar ekirdeklerin oluflumu,paralanmalarndan enerji aa k-tna gre, dflardan enerji gerekti-rir. O halde, uygun koflullar yakalan-d takdirde; kk ekirdekler kay-naflarak demire kadarki elementleri

retirken, demirden sonraki element-leri retmek iin dflardan eneji ge-rekir.


12/15

deklerine dnfltler. Arada, 2He4 e-kirdeklerinin birer 2He3 veya 2He4 ilekaynaflmas sonucunda, berilyum-7 ve-

ya berilyum-8 ekirdekleri olufltu. An-cak bunlar; 4Be7 ekirdei 53,12 gn,

4Be8 ise saniyenin kk bir kesri(


13/15

yar yl sonra, bizler evrene bakarkenhl, hemen hemen ayn oranlar gr-yoruz: Atomlarn yaklaflk %75i hidrojen, %23 helyum-4, sadece kalan%2den az dier elementlerden olufl-makta. Bu sonuncusu, %2; yldzlarnyaflam ve lm srelerinde olufltu.nk, oluflan ilk yldzlar, yaflamlarsrasnda 5 engelini aflmay baflardlar(Bkz. Yldzlar).

Yldzlarda sentez: lk nesil yldz-larda yer alan ve proton-proton zinci-ri denilen tepkime zincirinde, drtadet hidrojen, baz ara aflamalardangeirilerek kaynafltrld ve tek bir hel-yum-4 ekirdeine dnfltrld. Zin-cirin birinci aflamasnda; iki protonarpflarak bir dteryum ekirdei

olufltururken, bir pozitronla bir ntri-no salnr (1H1+1H11D2+e++e). Po-zitron daha sonra bir elektron tarafn-dan yokedilerek enerjiye dnflr.kinci aflamada; dteryum ekirdeibir baflka protonla kaynaflp, He-3 e-kirdei oluflturur ve bu srada bir ga-ma fotonu flr (1D2+1H11He3+).nc aflamada ise; ilk iki aflamaylaoluflturulmufl olan iki He-3 ekirdeiarpflr ve bir He-4 ekirdei oluflur-

ken, 2 proton aa kar(2He3+2H32He4+p+p).

He-4ten sonraki elementlerin sen-tezinde, 5 engeli var. nk, ktlenumaras 5 veya 8 olan kararl bir e-kirdek yok. Dolaysyla, He-4n birprotonla veya bir baflka He-4 ekirde-

iyle kaynaflmas, kararsz birer yapy-la sonulanr. rnein, iki He-4nkaynaflmasyla oluflan berilyum-8, 10-16

saniyede dalr. Ancak, yldz yeterin-ce byk ktleli ve oluflan He-4 kon-santrasyonu yeterince yksek ise, or-tamda bir miktar Be-8 konsantrasyonuoluflur. Bu ekirdein enerji dzeyleri,bir He-4le daha kaynaflma rezo-nansna girerek C-12 oluflturmaya uy-gundur. Tepkimenin gerekleflme ola-

sl, krmz dev veya sperdevlerinson aflamalarnda merkez scakl 100MKi aflnca artar. Sonu olarak He-4 ekirdeini kaynafltran bu srece,l alfa sreci deniyor. 5 engeli busayede afllr. zleyen proton yutmalarve pozitron bozunmalaryla, nitrojenve oksijenin, dier ekirdek kaynaflma-laryla da; silikon, kkrt ve demir ele-mentlerinin izotoplar sentezlenir. De-mirden sonraki elementler, dflardanenerji gerektiren endotermik tepki-melerdir. Dolaysyla, ya sperdev yl-dzlarn dfl katmanlardaki orta ktleliekirdeklerin, merkezdeki fzyon tep-kimelerinden aa kan ntronlar ta-rafndan bombardmanyla, ya da yak-t tkenen byk yldzlarn dfl kat-

manlarnn, souyan merkez zerinektkten sonra geri sekmesiyle ger-ekleflen ve 1-2 saniye sren sperno-va patlamalar srasnda retilir (bknz.spernova). Bu patlamalar ok fliddetliseyreden sreler olduklarndan, olasher trl izotopu retirler. Kararszolanlardan, yarlanma mr ksa olan-lar, zamanla yok olur. Uzun yarlanmamrl olanlar ise, oluflumlarndan iti-baren bozunmaya devam etmekle bir-


YldzlarYldzlar hidrojen bulutlarnn, r-

nein bir flok dalgasyla sarslmasylabafllayan ktle topaklanmalar sonu-cunda nvelenir. zellikle, hidrojeniniyonlaflmfl halde olduu H II denilenblgelerinde... Nve, etrafndaki hidro-jen bulutunun ne kadar byk bir ks-mn ekip kendine balayabilirse, kt-lesi o kadar byk olur. Kresel birflekle brnen gaz topa, kendi zeri-ne ker ve ktleekimsel potansiyel

enerjisinden harcayarak, merkez ksmskfltrp str. Merkez 10-15 milyonKelvin scakla ulafltnda, hidrojenekirdekleri, olas iki sreten biri ve-ya ikisiyle kaynaflp (p-p, CNO) helyumretmeye bafllar. Yeni doan yldz, ya-flamnn hemen tamamn oluflturacakolan ktleyle ters orantl olarak 10milyar yl aflabilen anakol evresinegirmifltir. Bu uzun sreli evreyi ayaktatutan, merkezdeki yksek basncn,dfl katmanlarn kflne karfl direni-

flidir. Ancak, ktleekimi pusuya yat-mfl olup, devaml frsat kollamaktadr.Helyum ekirdekleri grece ar ol-

duklarndan, dibe kmekte ve halenenerji retiminine katkda bulunma-dklarndan, merkezi bir bakma kir-letmektedir. Helyum says arttka,merkezdeki toplam parack saysylabirlikte, basncn da azalmas beklenir.Fakat, srekli tetikte ktleekimi, mer-kez ksm devaml skfltrr. Yldznyafl ilerledike; dfl katmanlar merke-ze doru ilerlemekte, merkezdekigazn zerinde yaptklar ifl aracly-la basncn ve scakln ykseltmek-tedirler. Scaklk 100 milyon Kelvine

ulafltnda, merkezdeki helyum ekir-dekleri kaynaflmaya ve ller halinde

birleflip, karbon ekirdekleri olufltur-maya bafllar. Bu arada, merkezin he-men dflndaki katmandaki basn vescaklk, hidrojen fzyonunu bafllata-cak dzeye ulaflmfltr. Sonu olarak;i ksmda helyum, hemen dflnda dahidrojen yakan bir katman oluflur. ksmda retilen karbon ekirdekleri,daha ar olduklarndan dibe kmek-tedir. Scaklk arttka, karbonlar daaralarnda kaynaflp, oksijen retmeyebafllar. Bu durumda, en ite karbon,dflnda helyum, onun dflnda da hid-

rojen yakan birer katman oluflmufltur.Yldz bir soannkine benzer katman-l bir yapya brnmektedir. Helyumtkendiinde, yldz genleflip, bir kr-mz deve dner ve rnein Gnefl gi-bi grece kk ktleli ise, en dfl kat-manlarn uzaya salar. Geride bir be-yaz cce kalr. Artk enerji retemeye-cek, fakat ssn flmaya devamla, mil-yarlarca yl daha yaflayacaktr. Halbukibyk ktleli yldzlar, yaktlarn dahahzl tkettiklerinden, daha ksa yaflar-

lar. Ama daha parlaktrlar. Ksa srenparlak yaflamlar, dramatik bir flekildesona erer. Spernovalar...


14/15

likte, varlklarn srdrr ve kararlizotoplarla beraber, gezegen ya da bafl-ka yldzlarn oluflumuna katkda bulu-nurlar. Dolaysyla, sonraki nesillereait yldzlardan, uygun konumlardaoluflanlarn yapsndaki ar elementmiktar giderek artar. lksel ekirdekle-rin radyoaktif izotoplar ise, ksa yar-lanma mrl olduklarndan, oktanyok oldular. Halen var olanlar, sonra-dan retildi.

kinci nesil yldzlardan ar ele-mentlerce fakir olan veya Gnefl gibigrece kk ktleli yldzlarn, enerjiretim sreleri, proton-proton zinciri-ne dayanmak zorundadr. Halbuki, buzincirin aflamalarnn tamamlanmas, 1milyon yl kadar alr. Bu yzden, sz-konusu yldzlardaki enerji retim s-releri yavafl alflr. Halbuki protonla-r kaynafltrmak iin, dorudan birbiri-ne yaklafltrmaya alflmak yerine, ara-ya Coulomb kuvvetini seyrelten nt-ronlar sokarak, dolayl yollardan kay-nafltrmak da mmkndr. Nitekim,ikinci ve daha sonraki nesil yldzlar,ieriklerindeki ar elementler sayesin-de, hidrojeni yakmann daha etkin biryntemini gelifltirdiler. Gneflten daha

byk ktleli yldzlarda baskn olarakyer alan karbon-nitrojen-oksijen(CNO) dngs, ad geen ekirdekle-ri kullanarak, drt hidrojen ekirdei-ni kaynafltrp, He-4 sentezi yapyor.Bu arada, iki pozitronla iki ntrino sa-lnmakta ve pozitronlar daha sonraelektronlarla birleflip yok olmaktadr.Dng, p-p zincirinin 1000 kat hzlolup, 1000 ylda tamamlanyor. Dolay-syla, bu dngy arlkl olarak kul-

lanan bir yldz, daha parlaktr. Fakat,daha byk olmasna karfln, yaktnhzla tketip, mrn 100 milyon ylgibi ksa bir srede tamamlar. Tepki-meler, katalizr ifllevi gren karbon,nitrojen ve oksijen ekirdeklerinin var-ln gerektirir. Ama, bu ekirdeklerzaten, ar elementlerce zengin ikinciveya daha sonraki nesil yldzlarda var-dr veya byk ktleli yldzlarda, biraflamadan sonra retilirler.

Gnefl ise; anakol evresinin yakla-flk ortalarnda bulunan, grece kk,yeni nesil yldzlardan birisi... Ktlesi-nin %74 hidrojen, %25i helyum vekalan eser miktardaki dier element-lerden olufluyor. Enerji retimini flim-dilik, hidrojen yakarak salamakta.

Bunu, merkez ksmnda 120 g/cm3bulan yksek younluk sayesinde, 10-15 MK gibi grece dflk scaklklardabaflaryor. %98,3 orannda p-p zinciri-ni, %1,7 orannda da CNO dngsnkullanmakta. Saniyede 3,4x1038 proto-nu helyuma, 4,24 milyon ton maddeyienerjiye dnfltryor. Toplam gc3,83x1026 W. Ancak bu gc, ktlesi-nin byklne borlu. nk, orta-lama g younluu, sadece 0,3


SpernovaYldzn ktlesi Gneflinkinin 10

mislini aflarsa, nkleer yanma helyumtkendikten sonra da devam eder. Dflkatmanlar amansz ilerleyifllerini srd-rrken, iteki katmanlarn basnc ve s-cakl giderek artmaktadr. Yldz buhaliyle, yanan bir sobadaki kmr y-nna da benzetilebilir; en alt katman enhzl yanan ve yanan ksmlar kl olupbzfltke, hep birlikte dibe doru -ken... Yani, genelde sanlann aksine,

merkezde giderek daha ar elementle-rin fzyonunu tetikleyen scaklk artflla-rn; buradaki fzyon tepkimelerininrettii enerji deil, dfl katmanlarn -kerken merkez ksm zerinde yaptkla-r ifl, ktleekimsel potansiyel enerji sa-lar. Yldzn btn giderek bzflr vesnrken, dfl katmanlar da birer birer,bir alttaki katmann kln, yani fz-yon rnn yakmaya bafllar. Karboncazenginleflen merkez ksm bzflerek;karbonu oksijene, sonra neona, siliko-

na, kkrte ve nihayet nikele dnflt-recek scaklklara ulaflr. Nikel demirebozunur. Merkezde demir birikince,

enerji retme imkan ortadan kalkar.nk demir en kararl ekirdektir; fz-yonu da, fizyonu da enerji tketir. Mer-kez ksm, elektronlarn Paulinin dflla-ma ilkesi gerei ayn kuantum duru-munu paylaflmay reddetmelerindenkaynaklanan dejenerasyon basncayakta tutmaktadr. Demir-nikel ekirde-in ktlesi, Chandrasekhar snrn, yani

Gneflinkinin 1,38 katn afltnda,merkez kmeye bafllar. Oluflan yksekscaklkta retilen fotonlar, demir ekir-deklerini helyuma paralarken, aabyk miktarlarda ntron da karmak-tadr. Bu enerji alan bir sre olduun-dan, kfl hzlandrr. Artan basncaelektron bulutlar da dayanamaz ve e-kirdeklerin zerine kp, protonlarla


15/15

W/cm3 veya 1 W/kg kadar. nsanvcudu ise 1,2 W/kg retir, Gneflinmilyon kat. Gnefl, yaktn yavafl t-

ketiyor. yi ki de yle. Yoksa, flimdiyehepsini oktan tketip, beyaz bir cce-ye dnmfl olurdu.

Dolaysyla, fzyon evrendeki tmdier enerji formlarnn ana kayna-dr. Yldzlarn oluflum ve yaflam sre-lerinde, hidrojenden ar ekirdeklerinsentezlenmesi srasnda aa kar vezamanla dier formlara dnflr. Dn-yamza hayat veren gnefl flnlarnnkkeni, bu sentez sreleridir. Ele-mentlerimizi ve verdikleri hayat da busrelere borluyuz.

P r o f . D r . V u r a l A l t n

Dipnotlar:1 Aslnda, kuarklarn yk kesirli olup; yukar kuarknki +2e/3,

afla kuarknki -e/3tr. Bu sayede; ntronun yk(+2/3)e+(-1/3)e+(-1/3)e=0, protonunki (+2/3)e+(2/3)e+(-1/3)e=+e olur. Ancak, kuarklar ok yksek enerji dzeyle-rinde dahi birbirlerinden koparlamaz ve serbest kalamadk-larndan, yalnz halde gzlenemezler.

2 Herhangi bir cismin gerekten de duraan olup olmadn, yada aslnda hangi cismin duraan olduunu belirlemekmmkn deildir. nk, bir cismin duraan olmas veya

sabit hzla hareket etmesi halleri arasnda, fizik yasalar a-sndan fark yoktur. Ancak, iki cismin birbirine gre hareketedip etmedii, aralarndaki uzakln deiflip deiflmediinebaklarak belirlenebilir. Dolaysyla, duraan terimiyle ci-simler arasnda greli, rnein bize gre duraan olmahali kastedilir.

3 u.c2 = 1,66x10-27 kg x c2 = 1,66x10-27 kg x (3x108 m)2 = 1,494x10-11

Jveya 1 eV = 1,6x10 -19J cinsinden;u.c2 = (1,494x10-11J) / (1,6x10-19J) = 0,93375x108 eV = 933,75 MeV.Daha duyarl deerlerin kullanlmas; u.c2 = 931,49 MeV veya u =

931,49 MeV/c2 deerini verir.

Baflvuru kaynaklar:1 Kaufmann, William J, Universe, 3rd Edition, W.H. Freeman, 1991.2 WWW Table of Radioactive Isotopes.3 Woosley, S., Janka, T., The Physics of Core-Colapse Supernovae,

Aralk 2005, Nature Physics 1 (3): 147154.


birleflirler. Elektronlarn direnifli ansznortadan kalkmfltr. Ntronun ktlesi,protonla elektronun ktlelerinin topla-mndan daha byk olduundan, pro-tonlarn elektron yakalayp ntrona d-nflmesi de, keza enerji alan bir sre-tir. Merkez daha da bzflr ve yarap,Dnyannki kadardan, 30 kmye iner;flk hznn drtte birine yakn bir hzla.Ktle younluu, cm3 baflna 10 milyontonu aflar. Merkezde bir ntron yldz-nn ncl (proto-) oluflmufltur. Des-teksiz kalan dfl katmanlar, balyoz gibi

iner. Merkez ksmn yarap 10 kmyeklrken, younluu atomun ekir-deindekinin iki katna kar; cm3 bafl-na yarm trilyon ton. Bu durumda, nt-ronlarn dejenerasyon basnc o kadardaha yksek, ekirdek o kadar dayank-ldr ki; zerine ilk ulaflan dfl katmanlar,bir futbol topuna arpan eki gibi se-ker. Daha da kts, geri dndklerin-de; lgn bir hzla kendilerini takip et-mekte olan daha dfltaki katmanlarlayz yze gelirler: fff! Kabarcklar flek-

linde flok dalgalar oluflur. Merkez ksmbu srada, yksek aklarla ntron (1022

cm-2s-1) ntron ve byk bir gle de

(1046

W), yksek enerjili ntrino ve kar-flt ntrinolar salmaktadr. Bir iki saniyeierisinde, ktlesinin %10 kadarn nt-rino olarak flr.3 Genelde madde ile etki-leflmeye pek eilimli olmayan ntrinola-rn aktard enerji, flok dalgalarn bir-lefltirip bytmektedir. Scakl 10 mil-yar Kelvini aflan flok dalgas, merkezinsald ntronlarla protonlar beraberin-de srkler. Dalga, ilerlerken sour. S-cakl 10 milyar Kelvinin altna indi-inde, ekirdekikler kaynaflarak alfaparacklar oluflturmaya bafllamfltr. Al-

fa paracklar birleflerek, orta arlkta-ki ekirdekleri oluflturur. Scaklk 3 mil-yar Kelvinin altna indiinde, 1 milyarKelvine kadar; bu ekirdekler hzl (r-) bir srele, art arda ntronlar yuta-rak, uranyuma kadarki en ar element-leri retirler. fiok dalgas yldz yzeyi-nin nce bir tarafna ulaflp, sonra hertarafna yaylr ve kucandakilerin hep-sini bofllua frlatr. Bu asimetrik gelifl-me sonucunda, merkez ksm bir ntronyldz olarak, 300-400 ve hatta 1000

km/sye varan bir hzla uzaya savrul-mufltur. Ktlesi Gneflinkinin 20 katn-dan fazla olan yldzlarda, bu bir karade-

liktir. Yldz bu fliddet dolu lm sra-snda, bir ay kadar sreyle, milyar yldz-lk bir gkadadan daha parlak flldar.Dalan ktle uzaya, ieriindeki arelementleri yayar ve karfllaflt bulutsu-larda yol at sarsntlarla, yeni yldz-larn oluflumunu tetikler.

Bu, merkez kmesi sonucunda ger-ekleflen bir spernova patlamas (Tip II,Ib, Ic vb). Bir de ikili yldz sistemlerin-de, beyaz cce aflamasna ulaflmfl olanbir yldzn, krmz dev aflamasndaki da-ha iri ktleli eflinden malzeme alarak,

Gneflin ktlesinin 1,38 katn (Chan-drasekhar snr) aflmasyla gereklefltiidflnlen spernovalar var (Tip Ia). Yada iki beyaz ccenin karfllaflp birleflme-siyle... Farkl spernova tiplerini birbirin-den, flma gcnn zaman deiflimi veuzaya satklar elementlerin bilefliminebakarak ayrmak mmkn. Grece genbir krmz devin, iin iin yanmakta olanyafll eflinin zerine benzin dkmesinebenzeyen Ia tipi spernova patlamalar-nn, belli bir ktle ile baflladklarndan,

flma glerinin ayn olmas gerektiidflnlmekte. Bu nedenle, iyi bir stan-dart kandil oluflturduklar sanlyor.

Elementlerin-Oluşumu

Documents