Atom ve Çekirdek Fiziği

Atom Modelleri

• Dalton: Atom bölünemez, içi dolu küre. Thomson (üzümlü kek): Pozitif yüklü küre içine gömülü elektronlar; elektronun keşfi (katot ışınları, e/m oranı).
• Rutherford (1911, altın levha deneyi): Alfa parçacıklarının çoğu sapmadan geçti, çok azı büyük açılarla saptı → atomun kütlesinin ve pozitif yükünün çok küçük bir çekirdekte toplandığı, atomun büyük kısmının boşluk olduğu sonucuna varıldı. Modelin eksiği: İvmeli hareket eden elektronun ışıma yapıp çekirdeğe düşmesi gerekirdi; kesikli spektrumları açıklayamadı.
• Bohr (1913, hidrojen atomu): Elektronlar belirli enerji düzeylerinde ışıma yapmadan dolanır; açısal momentum kuantumludur (mvr = nħ). Elektron üst düzeyden alt düzeye geçerken farkı foton olarak yayar: hf = E_üst − E_alt. Hidrojen için Eₙ = −13,6 eV/n²; yarıçap rₙ = n²·0,53 Å. İyonlaşma enerjisi 13,6 eV. Model yalnız tek elektronlu atomlarda başarılıdır.
• Hidrojen spektrum serileri: Lyman (n = 1'e geçiş, morötesi), Balmer (n = 2'ye, görünür), Paschen (n = 3'e, kızılötesi), Brackett, Pfund. Rydberg formülü: 1/λ = R(1/n₁² − 1/n₂²).
• Franck-Hertz deneyi: Atom enerji düzeylerinin kesikli olduğunu çarpışmalarla doğruladı.
• Modern (kuantum mekaniksel) model: Elektronlar orbitallerde olasılık bulutu olarak bulunur; kuantum sayılarıyla tanımlanır.
• X ışınları: Hızlı elektronların hedefte yavaşlamasıyla (frenleme ışıması - sürekli spektrum) ve iç kabuk geçişleriyle (karakteristik çizgiler) oluşur; Röntgen (1895).

Çekirdek

• Çekirdek proton ve nötronlardan (nükleon) oluşur. Atom numarası Z (proton sayısı), kütle numarası A = Z + N. Gösterim: ᴬ_Z X.
• İzotop (Z aynı, N farklı), izobar (A aynı), izoton (N aynı).
• Çekirdek kuvveti (güçlü etkileşim): Çok kısa menzilli (~10⁻¹⁵ m), yükten bağımsız, çok güçlü çekici kuvvet.
• Kütle eksikliği ve bağlanma enerjisi: Çekirdeğin kütlesi, nükleonların ayrı kütleleri toplamından küçüktür; fark (Δm) bağlanma enerjisine dönüşür: E_b = Δm·c² (1 u ≈ 931,5 MeV). Nükleon başına bağlanma enerjisi demir-56 civarında en büyüktür; bu nedenle ağır çekirdeklerin bölünmesi (fisyon) ve hafif çekirdeklerin birleşmesi (füzyon) enerji açığa çıkarır.

Radyoaktivite

• Kararsız çekirdeklerin kendiliğinden ışıma yaparak kararlı hâle geçmesi (Becquerel 1896; Marie ve Pierre Curie: polonyum, radyum).
• Alfa bozunması: ⁴He çekirdeği yayılır; A 4, Z 2 azalır. Girginliği en düşük (kâğıtla durdurulur), iyonlaştırma gücü en yüksektir.
• Beta eksi bozunması: Nötron → proton + elektron + antinötrino; Z 1 artar, A değişmez. Beta artı: Proton → nötron + pozitron + nötrino; Z 1 azalır. Beta ışınları alüminyum levhayla durdurulur.
• Gama ışıması: Uyarılmış çekirdeğin yüksek enerjili foton yayması; A ve Z değişmez; girginliği en yüksek (kurşun, beton gerekir).
• Bozunma yasası: N = N₀·e^(−λt); yarılanma süresi T₁/₂ = ln 2/λ ≈ 0,693/λ. Aktivite A = λN (becquerel, Bq). n yarılanma süresi sonunda kalan miktar N₀/2ⁿ. Karbon-14 ile yaş tayini (T₁/₂ ≈ 5730 yıl).

Çekirdek Tepkimeleri ve Uygulamalar

• Tepkimelerde yük (Z) ve nükleon sayısı (A) korunur.
• Fisyon: Ağır çekirdeğin (U-235) nötron soğurarak iki orta büyüklükte çekirdeğe bölünmesi ve ortalama 2-3 nötron ile büyük enerji açığa çıkması; zincirleme tepkime; nükleer santraller (kontrollü; moderatör ve kontrol çubukları) ve atom bombası (kontrolsüz).
• Füzyon: Hafif çekirdeklerin (hidrojen izotopları) çok yüksek sıcaklıkta birleşmesi; Güneş ve yıldızların enerji kaynağı; hidrojen bombası; kontrollü füzyon araştırmaları (tokamak).
• Radyasyonun kullanımı: Tıpta teşhis ve tedavi (radyoterapi, PET, sintigrafi), sterilizasyon, gıda ışınlama, endüstriyel kalınlık ölçümü, yaş tayini. Radyasyon dozu birimleri: gray (Gy, soğurulan doz), sievert (Sv, eşdeğer doz).
• Temel parçacıklar (Standart Model): Kuarklar (yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst, alt) ve leptonlar (elektron, müon, tau ve nötrinoları); kuvvet taşıyıcıları foton, gluon, W ve Z bozonları; Higgs bozonu (2012'de CERN'de keşfedildi). Proton = uud, nötron = udd.