Higgs Parçacığı

Çekirdek Birleşmesi - Füzyon

            Çekirdek birleşmesi, küçük çekirdeklerin daha büyük bir çekirdek oluşturmak için birleşmesidir.

            İki hafif çekirdek daha büyük ve kararlı bir çekirdek oluşturmak üzere birleşirse veya birbirleriyle kaynaşırsa önemli miktarda enerji çaığa çıkar. Bu nedenle genellikle nükleer tepkimeler olarak adlandırılırlar.

            Çekirdek birleşmesi Güneş'te sürekli olarak meydana gelir. Güneş hidrojen (H) ve helyumdan (He) oluşmuştur. Yaklaşık sıcaklığı 15 000 000 ⁰C ye ulaştığı güneşin iç kısmında, aşağıdaki birleşme tepkimelerinin meydana geldiği düşünülmektedir.

₁¹H + ₁²H -> ₂³He

₂³He + ₂³He -> ₂⁴He + 2₁¹H

₁¹H + ₁¹H -> ₁²H + ₊₁⁰β

Birleşme Reaktörleri

            Birleşme tepkimelerinde enerji üretimi için uygun çekirdek birleştirme yönteminin seçiminde temel düşünce, sistemi çalıştırmak için gerekli olan sıcaklıktır. Bu tepkimeler çekirdekler arasındaki itme kuvvetini yenebilmek için 100 milyonlarca santigrat derece gibi çok yüksek sıcaklıklarda oluşur.

            Çekirdek birleşmesi ısısal bir kirliliğe yol açmaktadır ancak bir takım avantajları da vardır.

1) Yakıtlar ucuz ve neredeyse tükenmezler.

2) İşlem çok az radyoaktif atık üretir.

            Eğer bir birleşme cihazı ömrünü tamamlarsa, reaktörün nüvesinde herhangi bir erime tehlikesi olmaksızın, tamamıyla ve derhal kapanr.

            Ancak çekirdek birleşmesi önemli olmasına rağmen teknik sorunlar bir birleşme reaktörü üretimine engel olmaktadır. Birleşmenin meydana gelmesi için çekirdeklerin uzun süre ve uygun sıcaklıkta bir arada tutulabilecek bir yol bulmak gerekmektedir. Yaklaşık 100 milyon santigrat derece sıcaklıkta moleküller var olamazlar ve atomların çoğu ya da tamamı elektronlarından ayrılırlar. Maddenin bu  hali plazma olarak adlandırlan, pozitif iyonların ve elektronların karışımından oluşan bir gazdır. Bu plazmanın muhafaza edilmesi ise müthiş derecede zordur. Bunu muhafaza edecek sistemde plazma katı ile temas etmemelidir. Çünkü aksi takdirde katı yüzeye dokunan sıvı hemen soğuyarak tepkimeyi durdurur. Bu nedenle plazma kompleks bir manyetik alan tarafından kuşatılmış halka şeklindeki bir tünelde hareket eder. Böylece plazma asla sistemin çeperiyle temas etmez.

Hidrojen Bombası

            Hidrojen bombaları hidrojen ya da döteryum içermezler. Bu bombalar iyi bir şekilde paketlenebilen lityum döterür (LiD) içerirler.

            Hidrojen bombasının patlaması önce bozunma ardından birleşme tepkimelerinin meydana geldiği iki aşamada gerçekleşir. Birleşme için gerekli sıcaklığa bir atom bombası ile ulaşılır. Atom bombası patladıktan hemen sonra büyük miktarda enerjinin açığa çıktığı aşağıdaki birleşme tepkimeleri meydana gelir.

₃⁶Li + ₁²H -> 2 ₂⁴α

₁²H + ₁²H -> ₁³H + ₁¹H

            Bir birleşme bombasında kritik kütle yoktur. Patlamanın şiddeti tepkenlerin miktarı ile sınırlıdır. 

Termonükleer bombalar atom bombalarından daha temiz bombalar olarak tanımlanır.  Çünkü radyoaktif izotop olarak sadece  β-parçacıkları yayan trityum ve bozunmanın başlangıç ürünlerini oluştururlar. Fakat yapıda kobalt gibi bazı bozunmayan maddeler birikerek çevre üzerindeki olumsuz etkileri atırabilir.

 

Çekirdek Bölünmesi - Fisyon

            Çekirdek bölünmesi (fisyon) ağır bir çekirdeğin ( kütle numarası > 200) daha küçük kütleli ara ürün çekirdeklerine ve bir ya da birden fazla nötrona bölünmesi işlemidir. Ağır çekirdekler oluşan ürünlerden daha kararsızdır. Bu nedenle çekirdek bölünmesi sonucu büyük miktarda enerji açığa çıkar.

            Uranyum-235 çalışılan ilk çekirdek bölünmesi tepkimesidir. Bu tepkimede uranyum-235 yavaş nötronlarla bombardıman edilir. Ve şekildeki gibi bölünür. Fakat aslında bu tepkime çok karmaşıktır ve bölünme ürünleri arasında 30 dan fazla farkı element bulunmuştur.

            Çok sayıda ağır çekirdek bölünmesi olmasına karşın, pratik önemi olan bölünmeler doğal uranyum-235 in ve yapay plütonyum-239 izotopunun bölünmesidir.

            Uranyum-235 bölünme tepkimesinin önemi, sadece açığa çıkan büyük miktardaki enerjiden kaynaklanmaz. Tepkimede başlangıçta yakalanandan daha fazla nötron üretilir. Bölünmenin başlangıç basamağında oluşan nötronlar, diğer uranyum çekirdeklerini bölebilirler. Bu da daha fazla nötron üretimi ve bu şekilde tepkimelerin devam etmesi demektir. Böylelikle de çekirdek zincir tepkimesini meydana gelir. Bu tepkime birbirini izleyen çekirdek bölünme tepkimelerinin kendiliğinden oluşması şeklinde yürür. Ve nötronlar ortamda uzaklaştırılmadıkça da tepkimeler devam eder.

            Fisyon tepkimeleri atom bombalarının yapımında ve nükleer santrallerde enerji üretiminde kullanılır.

Atom Bombası

            Çekirdek bölünmesinin ilk uygulaması atom bombası yapımıdır. Patlama kontrolsüz çekirdek bölünmesi yolu ile sağlanır. Çekirdek tepkimesi zincirleme ve çok hızlı bir şekilde gerçekleştiğinden ortaya devasa bir enerji çıkar ve patlama beraberinde şok dalgası yaratır.

            Bir zincirleme tepkimesinin meydana gelmesi için ortamda nötronları yakalayabilecek miktarda uranyum-235 bulunmalıdır. Aksi halde nötronlar örnekten uzaklaşır ve zincir tepkimesi meydana gelmez. Bu durumda örneğin kütlesi "kritikaltı kütle" olarak adlandrılır. "Kritik kütle" ise zincirleme reaksiyonu kendiliğinden devam ettirebilecek minimum bölünebilen madde miktarıdır.

            Patlama tehlikesinden dolayı bir atom bombası asla kritik kütlede çekirdeğin bir araya getirilmesi ile hazırlanmaz. Bunun yerine iki kritikaltı  U-235 kütlesi bombaya ayrı ayrı yerleştirilir ve bunları bir araya getirip kritik kütleyi oluşturmak için TNT gibi bir patlayıcıdan yararlanılır. Cihazın merkezindeki bir kaynaktan çıkan nötronlar çekirdek zincir tepkimesini başlatırlar.

            6 Ağustos 1945 ‘te Japonya’nın Hiroşima kentine atılan bomnada bölünebilen madde Uranyum-235 idi. Üç gün sonra Nagazaki üzerinde patlatılan bombada ise plütonyum-239 kullanılmıştır. Bu iki olayda gerçekleştrilen bölünme tepkimleri yıkımın boyutu açısından benzerdir.

Nükleer Reaktörler

            Nükleer reaktör, zircirleme çekirdek tepkimesinin başlatılıp denetimli bir biçimde sürdürüldüğü cihazlardır. Kontrollü zincir tepkimesinden açığa çıkan ısıyı genellikle elektrik enerjisine çevirir.

            Nükleer reaktörlerin birkaç farklı tipi vardır.

Hafif Su Reaktörleri

            Dünyadaki nükleer reaktörlerin çoğu hafif su reaktörleridir.

            Bölünme işleminde uranyum-235 in yavaş nötronlarla bombardıman edilmesi hızlı nötronlarla bombandıman edilmesinden daha fazla verim sağlar. Bu nedenle bilim insanları nötronların kinetik enerjisini azaltan ve moderatör olarak adlandırılan maddeler kullanmaktadır. İyi bir moderatör: toksik olmamalı, ucuz olmalı ve aynı zamanda nöton bambardımanı  sonucu radyoaktif bir maddeye dönüşmemelidir. Dahası soğutma sıvısı olarak kullanılabilmesi için akışkan olması bir avantajdır. Su, bu amaç için düşünülen pek çok maddeden avantajıdır. Ancak bu gereksinimlerin tamamını karşılayan hiçbir madde yoktur.

            Moderatör olarak su kullanılan reaktörler hafif su reaktörü olarak adlandırırlır. Bir hafif su reaktörünün etkili bir biçimde çalıştırılabilmesi için Uranyum-235 derişimi %3-4 olarak zenginleştirilmelidir.

            Nükleer reaktörler, çekirdek tepkimeleri tarafından yayılan ısıyı soğuran ve onu reaktör dışına aktaran soğutma sistemlerine sahiptirler. Dışarıya transfer edilen bu ısı bir elektrik jeneratörünü çalıştırmak için gerekli buharı üretmede kullanılır.

Ağır Su Reaktörleri

            Ağır su reaktörlerinde moderatör olarak su yerine ağır su (D₂O) kullanılır. Döteryum nötronları, hidrojene göre daha az soğurur ve reaktör daha verimli çalışır. Bu sayede uranyumun zneginleştirilmesine de gerek kalmaz. Ancak döteryum daha az sayıda nötron yakaladığı için çok sayıda nötron reaktörden dışarı kaçmaktadır.  

            Ağır su reaktörlerinin avantajı, uranyum zengişleştirmek için gerek duyulan inşaat maliyetlerinin bertaraf edilmesidir.

Besleyici Reaktörler

            Besleyici reaktörler yakıt olarak uranyum kullanır ancak bu tür reaktörler kullanıldığından daha fazla bölünebilen madde üretirler.

           Besleyici bir reaktörde uranyum-235 yada plutonyum-239 içeren nükleer yakıt uranyum-238 ile karışırılır ve böylece plütonyum-239 üretilir. Böylece başlangıçtaki nükleer yakıt tükenirken bölünebilen madde stoku sürekli olarak artar. Bu sayede reaktöre yeniden yakıt koyma aralığı, besleyici olamayan reaktörlerinkine göre 7-10 yıl artar.

Çekirdek Tepkimelerinin Doğası

            Hidrojen dışında diğer bütün çekirdekler proton ve nötron adı verilen iki temel parçacık içermektedirler. Bazı çekirdekler bulundukları halde kararsızdırlar ve kendiliğinden parçacık veya elektromanyetik ışınım yayarlar. Bu olaya ise radyoaktiflik denmektedir. Atom numarası 83 ten büyük olan tüm elementler ise radyoaktiftir.

            Diğer bir radyoaktiflik tipi ise çekirdek transmutasyonudur. Bu olayda çekirdekler nötronlar, protonlar veya diğer çekirdeklerle bonbandıman edilirler.

            Radyoaktif dönüşümler ve çekirdek transmutasyonları çekirdek tepkimeleri olup, olağan kimyasal tepkimelerden çok farklıdır.

            Bu tepkimler sonucunda;

-Elementler (ya da elementin izotopları) birbirlerine dönüşürler,

-Soğurulan ya da açığa çıkan enerji miktarı çok büyüktür.

            Çekirdek tepkimelerinde;

-Protonlar, nötronlar, elektronlar ve diğer temel parçacıklar yer alabilirler.

-Tepkime hızları sıcaklık, basınç ve katalizörlerden etkilenmezler.

Çekirdek Kararlılığı

            Bir çekirdeğin kararlılığı belirleyen etmen nötron sayısının proton sayısına (n/p) oranıdır. Küçük atom numaralı ve kararlı elementlerde bu oran 1 e yakındır.

            Kararlı çekirdekler grafikte “kararlılık kuşağı” adı verilen alanda bulunmaktadır. Radyoaktif çekirdeklerin çoğu bu kararlılık kuşağının dışındadır. Bu kuşağın üstündeki bölgede kalan çekirdeklerin n/p oranları kuşaktakilere göre büyük olup, bu çekirdekler “β-parçacığı yayımı” adı verilen bir bozunma gerçekleştirirler: 

 ₀¹n  ->  ₁¹p +_-1⁰β

            β-parçacığı yayımı proton sayısını arttırırken, nötron sayısını azaltır. Örn:
 ₆¹⁴C ->  ₇¹⁴N + _-1⁰β

Kararlılık kuşağının altında, çekirdekler kuşaktakine göre daha düşük n/p değerlerine sahiptir ve bu oranı yükseltmek için ( yani kararlılık kuşağına doğru yükselmek için) ya bir pozitron yayar:  ₁¹p -> ₀¹n + ₊₁⁰β  ya da elektron yakalar.

Doğal Radyoaktiflik

           Karalılık kuşağı dışından kalan çekirdekler ile proton sayısı 83 den büyük olanlar kararsızlık gösterirler. Kararsız çekirdekler kendiliğinden parçacık veya elektromanyetik ışın yayarlar. Bu olaya radyoaktiflik denir.

Işıma türlerinin başlıcaları:

α  parçacıkları ( iki yüklü helyum çekirdeği He⁺² )

β parçacıkları ( elektronlar )

Ɣ ışınları ( 0,1 nm – 10^-4 nm arasında çok kısa dalga boylarında elektromanyetik dalgalar)

pozitron salınımı ve 

elektron yakalanmasıdır.

            Radyoaktif bir çekirdeğin bölünmesi genelde bir radyoaktif bozunma serisini başlatır ve bir dizi zincirleme tepkimeleri sonucunda kararlı bir izotop oluşur.

Radyoaktiflik

            Radyoaktivite, atom çekirdeğinin, tanecikler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasıdır.

            1895 yılında Alman Fizikçi Wilhelm Röntgen katot ışınlarının, cam ve metallerin olağan dışı ışın yaymasına neden olduğunu gördü. (Katot ışınları: çok düşük basınçlı bir cam borunun içindeki katottan dik olarak çıkan elektronlardır.) Yayımlanan bu yüksek enerjili radyasyon maddenin içinden geçebiliyor, fotoğraf filmi levhalarını karartıyor ve çeşitli maddelerin fluoresan ışık yaymasına neden oluyordu. Bu ışınlar bir mıknatıs etkisi ile saptırılamadığından, katot ışınları gibi yüklü tanecikler değildi. Röntgen bu ışınlara  X-ışını adını verdi.

            Röntgen’in bu buluşundan hemen sonra, Pariste bir fizik profesörü olan Antoine Becquel, maddelerin fluoresan özelliklerini incelemeye başladı. Tamamen bir tesadüf sonucunda Becquel, kalın kağıtla sarılmış fotoğraf filmi levhalarının  bir uranyum bileşinin etkisinde  katot ışınları olmadan da karardığını fark etti. Uranyum bileşiğinden kaynaklanan bu ışınlar aynı X-ışınları gibi yüksek enerjili idi ve bir mıknatıs ile saptırılamıyordu: Ancak X-ışınlarından farklı olarak bu ışınlar kendiliğinden oluşuyordu. Becquel’in öğrencilerinden biri olan Marie Cuire, kendiliğinden tanecik ve/veya ışın yayılması olgusunu betimlemek üzere radyoaktiflik terimini önerdi. Bu nedenle, kendiliğinden radyasyon yayımlayan herhangi bir elemente radyoaktif element denir.

            Daha sonraki araştırmalar uranyum gibi radyoaktif maddelerin bozunması ya da parçalanması ile üç tür ışın oluştuğunu ortaya koydu. Bu ışınlardan ikisi artı ve eksi metal yüklü levhalar tarafından saptırılır. Alfa (α) ışınları, α tanecikleri adı verilen artı yüklü taneciklerden oluşur, ve bu nedenle de artı yüklü levha tarafından saptırılırlar. Beta (β) ışınları, elektron olup eksi yüklü levha tarafından saptırılırlar. Üçüncü çeşit radyoaktif ışıma, gama (Ɣ) ışıları adı verilen yüksek enerjili ışınlardan oluşur. Tıpkı X-ışınları gibi Ɣ ışınları da yüksüz olup, dışsal bir elektrik veya manyetik alan tarafından etkilenmezler.

Genetiği Değiştirilmiş Organizma (GDO) - Transgenetik Canlı

            Biyoteknolojik yöntemlerle bir canlıdaki genetik özelliklerin kopyalanarak, bu özelliği taşımayan bir başka canlıya aktarılması sonucunda üretilen yeni canlıya Genetiği Değiştirilmiş Organizma ya da Transgenetik canlı denilmektedir.

            1980’lerden sonra biyoteknoloji alanındaki gelişmeler organizmaların genetik yapılarının mühendislik işlemleriyle işlenebilmesi ve biçimlenebilmesini olanaklı hale gelmiştir. Bu sayede organizmaların gen yapıları amaç doğrultusunda değiştirilebilmektedir. Örneğin bir virüs veya bakteriye ait gen bir bitkiye aktarılabilir.

            İlk transgenetik yani genetiği değiştirilmiş, uzun raf ömrüne sahip Flavr Savr domatesi 1996’da satışa sunulmaya başlanmıştır. Ardından ise bunu transgenik mısır, pamuk, kolza ve patates izlemiştir. Ekimi en yaygın genetiği değiştirilmiş bitkiler ise soya, mısır, pamuk ve kanoladır.

            GDO’lu bitkilerin ekim alanlarının bulunduğu ülkeler arasında ABD, Arjantin, Kanada, Brezilya, Çin, Avustralya, Hindistan, Romanya, Uruguay, İspanya da yer almaktadır.

Genetiği Değiştirilmiş Organizma Nasıl Oluşturulur?

             Transgenik olacak ürüne aktarılacak gen öncelikle bulunduğu canlının DNA’sından kesilerek çıkarılır. Daha sonra bu gen seçilmiş bir organizmada çoğaltılır. Ardından vektör adı verilen taşıtıcı bir virüs ile bu gen, genetiği değiştirilecek canlının DNA molekülüne yapıştırılır. Organizma artık bu yeni geni üretmeye başlar ve karşılığı olan proteini sentezler.

 GDO’nun Yararları Neler Olabilir?

            Bu yöntemle elde edilen bitkiler, ilaçlara ve zararlılara karşı daha dayanıklı hale getirilebilir. Böylece ilaç kullanımı azaltılabileceği gibi transgenik canlıları hastalıklara karşı dirençli hale getirmek, sağlayacağı verim artışı ile Dünya’daki açlıkla mücadele sağlayabilir.

            Bitkiler daha cazip hale getirilebilir ve daha çok ürün alınabilir.

            Meyvelerin olgunlaşma süresi değiştirilebilir, besin öğeleri zenginleştirilebilir, depolama ve raf ömrü uzatılabilir ve besinlerin tatları da artırılabilir.

            Bu çalışmalara hayvanlar da dahil edilerek ekonomik olarak üretime dahil edilebilir: değişik balık türlerine farklı hastalıklara karşı dayanıklılık genleri aktarılabilir, hormon kodlayan genlerin klonlaması sonucu doğurganlık ve büyüme hızı bakımından ideal hayvanlar elde edilebilir.

            Transgenetik bazı organizmalar ise antikor, enzim üretmek veya sanayide farklı amaçlı kullanıma yönelik ürünler elde etmek üzere yönlendirilebilir.

GDO’nun Öngörülen Zararları Nelerdir?

            GDO’lu ürünlerin zararları çok tartışılan bir konudur. Nedeni ise bu ürünlerin üretiminin henüz yeni olması ve somut etkilerinin ortaya çıkması için uzun yıllara ihtiyaç olmasıdır. Ancak bilim insanları bu konu ile ilgili olabilecek tehlikeli durumları da vurgulamıştır.

            GDO ile bir ürüne ait olmayan bir özellik ona kazandırılabilir.  Fakat canlıya verilen bu özellik o organizmanın çevre ile etkileşimi sonucunda olumsuz bir durum ortaya çıkarabilir. Örneğin GDO’u bir patatesin farelerde zehir özelliği göstererek, onların bağışıklık sistemini bozduğu gözlenmiştir. Yine örneğin fındık üzerinden alınan bir genin, başka bir ürüne aktarıldığında, o ürünün fındığa ait özellikleri üretmeye başlaması, fındığa alerjisi olan bir insan tarafından tüketildiğinde o kişi için tehlike oluşturabilir.

 

            Dünya’da yaşayan tüm canlılar belirli bir ekosistem içerisindedir ve tüm canlıların yaşamları zincirleme reaksiyonlar ile birbirlerine bağlıdır. Sonuçta insan, hayvan, bitki, mikroorganizmalarda yapılan her bir değişiklik bütünün bir diğer parçası olan biyoçeşitliliğini etkileyecektir. Örneğin bir ürünün hastalıklara ve zararlılara karşı dayanıklı olması için genleriyle oynandığında, o üründen beslenen başka bir canlı türünün besin sağlayamadığı için o bölge de yok olmasına neden olabilir.

            Ayrıca yabani ot ilacına dayanıklı genler aktarılmış bir ürünün yetiştirildiği tarlaya ertesi yıl farklı bir ürün ekildiğinde, tarlada bir önceki seneden kalan GDO’lu ürün için yerin ürün yabancı ottur. Ve bu durumda yeni ürüne şans tanımamaktadır.

            GDO’lu ürünlerin yetiştirildiği bir bölgede arılar, kuşlar, böcekler ve rüzgarın etkisiyle oluşan tozlaşma GDO’lu polenleri komşu tarlalara taşınıp oradaki ürünlerde de genetik değişikliklere yol açabilme tehlikesi de öne sürülmektedir. Gen Kaçışı denen bu olay da bitkileri tek tipleştirebilir.

Schrödinger'in Kedisi

            

           Erwin Schrödinger (1887-1961), oluşturduğu dalga denklemiyle tanınan ve kuantum mekaniğine yaptığı katkılarıyla Nobel Ödülünü almış Avustralyalı fizikçidir.

            Schrödinger’in kedisi, yine kuantum fiziği ile ilgili ve hakkında pek çok tartışma yapılmış bir düşünce deneyidir.

           

             Deneye göre sağlıklı bir kedi hava alabilen kapalı bir kutuya yerleştirilir. Kutunun içerisinin hiçbir şekilde gözlemlenmemesi ise deneyde kilit bir rol oynar. Kutunun içerisinde bir düzenek vardır.  Bu düzeneğe göre kutuda bozunma olasılığı %50 olan radyoaktif bir parçacık vardır. Parçacığın bozunma olasılığın %50 olması sayesinde parçacığın bozunup bozunmayacağı önceden kestirilemez. Eğer bu parçacık bozunursa ortama ölümcül zehirli bir gaz yayılacak ve kedi ölecek, parçacık bozunmaz ise kedi yaşayacaktır. Böylelikle makroskobik bir sistemdeki kedinin kaderi mikroskobik bir parçacığın davranışına bağlanmıştır.

            Fakat asıl nokta deneyin sonucunda kedinin öldüğü veya yaşadığı değil, deneyin gözlemlenemeyen kısmında kutunun içinde neler olduğudur. Dalga fonksiyonun anlamı “ya bozunma oldu ve kedi öldü ya da bozunma olmadı ve kedi hayatta” gidi uç noktalarda iki olasılığı anlatmaktan ibaret değildir. Eğer Schrödinger’in analizi doğru ise kuantum kuramı, gözlemlenmediği sürece kedinin kutunun içinde iki durumunun da yan yana bulunduğunu söylüyor. Yani kedi hem ölü hem de diridir.

             Kutu açıldığı anda gözlemci de katılımcı olur. Kuantum dilinde bu duruma dalga işlevinin çöküşü denir. Yani birkaç olasılıktan bir tanesine indirgenen durumda gözlemci de evrene dahil olur.