Atom Çekirdeği Hakkında Bilgi

Atom Çekirdeği Hakkında Bilgi

Her atomun kalbinde bir çekirdek yaşıyor. Anlayacağımız bu çekirdek, güçlü kuvvetler tarafından bilinmeyen bir düzende sıkı sıkıya bağlı proton ve nötronlardan oluşur. Bilim kitapları genellikle bir atomun çekirdeğini şöyle çizer:

Ahududu ve böğürtlen arasında bir geçişe benzeyen bu model, nötronlarla (siyah) karışmış protonları (kırmızı) gösterir [1]. Hafif elementler için proton ve nötronların sayısı kabaca eşit oranlardadır. Periyodik tabloyu daha ağır elementlere doğru hareket ettirirken, nötronların sürekli olarak protonlardan fazla olduğunu fark ederiz. Bunun sebebi, daha fazla sayıda protonun, daha fazla sayıda protonun itici gücünün üstesinden gelmesi gerektiği varsayılmaktadır.

Elbette yukarıdaki modelin bir çekirdeğin gerçek bir resmini temsil etmesi amaçlanmamıştır, ancak çoğu metin bu şekilde paketlenecek bir çekirdek çıkarır. Yine de bu top şeklinin olası olmadığını öneririm. Sorun, protonları bir topun içine sokmanın itme kuvvetlerinin kapsamını büyük ölçüde genişletmesidir. Açıkça görülebileceği gibi, proton başına tek bir nötron, protonları birbirinden ayırır.

Ipuçları arıyor

Bir nötronun yapısını biliyoruz. Mevcut teknolojiyi kullanan küçük şeyleri görmek imkansız. Bu nedenle, çekirdeğin bir resmini bir araya getirmek için elektrik kuvvetleri anlayışımızla birleştirilebilecek ipuçları aramalıyız.

En iyi ipuçları, izotoplar, yani aynı sayıda proton ve değişen sayıda nötron içeren nükleuslardan gelmektedir. İzotopların neler olabileceğine bakılarak, kararlılıkları, yarı ömürleri ve bozunma ürünleri ile, proton ve nötronların nasıl düzenlendiğini öğrenebiliriz.

Yüksek mertebeden çekirdekler

Şu ana kadar sahip olduğumuz modelleri bir proton, nötron ve deuteron (bir 'ağır hidrojen' çekirdeği: 2H) için gözden geçirerek başlayacağız.

Bu modeller kararlı görünür ve hidrojen çekirdeğinin ve bileşenlerinin en basit biçimlerini temsil eder. Helyum, lityum vb. Ve çeşitli izotoplar gibi daha yüksek elementlerin çekirdeğini oluşturmaya nasıl devam edeceğiz?

Dikkatle deuteronun her iki ucunda da aşağı inen bir kuark vardır. Mantıksal bir adım, bunlardan birine bir proton eklemek olabilir. Bu aşağıdakileri verir:

İki proton ve bir nötrondan oluşan bir Helyum-3 çekirdeğimiz var. Helyum-3'ün Helyum'un kararlı bir izotopu olduğu ve en azından görsel bir perspektiften dolayı stabil olduğu bilinmektedir. Döteryumda olduğu gibi, bu Helyum-3 yapısının, yukarı-kuvveti bir rakımda tutabilmek için dönmesi gerekecektir. Ayrıca, düzleştirilmiş iki boyutlu bir perspektifte çizebiliriz:

[Not: Parçacıklar, 2B veya 3B modellerinde ölçeklendirilmek için çekilmemiştir.]

Sıradaki ne? Her iki ucunda hala iki aşağı quark var. Bir protona bunlardan birine bağlanabilir miyiz? Lityum-4: 3 proton artı bir nötron. Lityum-4'ün varlığı bilinmektedir, ancak çok dengesizdir. Protonu sağa bağlamak şöyle bir sonuç verecektir:

Helyum-3'ün birbirinden ayrılmasından farklı olarak burada bir çok yakın kuark var. Döteryum Helyum-3'e dönüştürüldüğünde, kuantumların merkezden uzaklaşarak daha fazla proton eklemenin zorlaştığına dikkat edin. Böylece, Lityum-4'ün, bu son protonu reddederek Helyum-3'e çürümesini bekleriz, ki bu ne olur (proton emisyonu).

[Not: rahatlık için sırasıyla eklenen proton ve nötronların üzerine P ve N yerleştireceğim.]

Daha genel izotoplar (Berillium-5, Bor-6, vb), ancak bunların her biri daha istikrarsız olacaktır. Bu yüzden Helyum-3'e döneceğiz. Sağdaki protona dikkat et. İçine elektron ekleyebileceğimiz anlaşılıyor. Bu verirdi:

Bu, sağ el protonunu bir nötrona dönüştürür ve bu da izotop Hydrogen-3'ü yapar. Hidrojen-3'ün 12 yıllık bir yarı ömür ile büyük ölçüde kararlı olduğunu biliyoruz ve bu bir elektronu (beta bozunumunu) çıkararak Helyum-3'e dönüşüyor. Yukarıdaki şemaya göre, tüm bunlar olası gibi görünmektedir. Sağ proton bir elektronu barındırmaya yetecek kadar geniştir. O zaman başka bir nötron eklemeyi deneyelim:

Bu Hidrojen-4 yapacak. Hidrojen-3'ün aksine, Hidrojen-4 çok kararsızdır. 10-22 saniyelik bir yarı ömre sahiptir ve nötronlar yayarak bozunur. Yukarıdaki diyagramda, nötronun, birbirine yakın negatif yüklü parçacıkların (elektronlar ve aşağı kuarklar) fazlalığı nedeniyle yatay olarak gerildiğini görmekteyiz. Bu nedenle, bu ek nötronun bir bütün olarak reddedilmesi muhtemeldir. Ek nötronlar ekleyerek Hidrojen-5,6 ve 7, hepsi nötronları çıkararak kararsız ve çürümez.

Hydrogen-3'e geri dönmek, daha uygun bir seçim bir proton eklemek olacaktır:

Bu bize elbette çok istikrarlı olan Helyum-4'ü veriyor. Diyagram bunu doğrulayacak gibi görünüyor. Protonlar bir nötron ile aralanır ve bu kısmen dengesiz Hydrogen-3 elektronu artık ilave kuarklar tarafından daha iyi korunur.

Bu noktada, bir kaç seçeneğimiz var: başka bir proton veya başka bir nötron ekleyin. Bir proton eklenmesi Lityum-5'i verir; ve bir nötron, Helyum-5:

Hem Lityum-5 hem de Helyum-5'in kararsız olduğu ve bunun doğrulanması için diyagramın belirdiği görülmektedir. Lityum-5 için, çok fazla sayıda proton (veya daha özel olarak, yukarı-kuarklar) vardır ve bunları güvenceye almak için çok az negatif yük vardır; dolayısıyla çok fazla itme olurdu. Beklenebileceği gibi, Lityum-5, proton emisyonu yoluyla Helyum-4'e doğru azalır.

Helyum-5'in şemasına baktığımızda, bunun kararlı olmasını bekleyebiliriz; Özellikle Hidrojen-3'ün sonuna bağlı bir nötron ile oldukça kararlıydı. Ancak Helyum-5, Helyum-4'e nötron emisyonu yoluyla çok hızlı bir şekilde azalır. Belki de bu, zincirin uzunluğu uzadıkça, izleyen nötronların sağa doğru eğilmeleridir.

Fakat eğer Helyum-5'in sonuna bir proton eklersek, nötronu bozup stabilize edebiliriz:

Bu bize stabil olan Lityum-6'yı verir.

 

Nükleer manyetik rezonans

Bu şekilde devam edebilirdim ama temel fikri anladın. Proton ve nötronları zincirin sonuna ekleyerek farklı elementler ve izotoplar oluşturabiliriz. Bazı izotoplar kararlı ve diğerleri olmayacak. Stabilite, protonların birbirine ne kadar yakın olduğuna ve elektronların ve iniş-çıkışların ne kadar sıkıştırıldığına bağlı olacaktır. Kararsız izotoplar için, ne tür bozunma mekanizmalarının meydana gelebileceğini de tahmin edebiliriz.