Kuantum fiziğinin mistisizm açısından yorumlarına, başka bir yazıda değinmek üzere buna ara verip radyoaktivite konusuna geçiyoruz. Bildiğimiz gibi bir atomun, çekirdeğinde proton (p) ve nötron (n)’ lar, her bir yörüngede en fazla iki elektron (e’) olmak üzere de belli yörüngelerde dönen (e’)’ lar yer almaktadır. Çekirdekteki (p) sayısı, aynı zamanda o atomun atom numarası (A.N) olarak da isimlendirilmektedir. Bir atomun kütle numarası (K.N) ise, çekirdekteki (p) ve (n) sayılarının toplamıdır. (n)’ lar yüksüz (nötr), (p)’ lar ise, (+) yüklüdür. (e’)’ lar ise, (-) yüklüdür. Dolayısıyla (+) ve (-) yük sayısı eşit olan bir atom da nötrdür (yüksüzdür). Eğer bir atom, (e’) kaybederse, eşitlik bozulduğundan, kaybettiği (e’) sayısı kadar atom, (+) yüklü olur. Ya da (e’) alırsa, aldığı (e’) sayısı kadar atom, (-) yüklü olur. Bu yüklü atomlara iyon denir. Eğer bir atom ya da molekül, çeşitli sebeplerden ötürü (e’) kaybetmişse biz buna iyonize olmuş deriz. Bir atom tıpkı plazma durumundaki gibi, tüm (e’) larını da kaybedip sadece çekirdek halinde de kalabilir. Periyotlar cetveli denen atomların sıralanışı ise, çekirdekteki (p) sayılarına göre olmaktadır. Çünkü bir atomun diğerlerinden farklı oluşunu, (p) sayısı belirler. (p) sayısı (atom numarası) aynı, (n) sayıları farklı olan aynı atomlara ise o temel atomun izotopu denir. İzotop atomların kimisi kararlı iken, kimisi de kararsız olup ışın yayarak kararlı temel hale dönerler. İzotop olayı sadece radyoaktif olan atomlarda değil, tüm atomlarda görülebilmektedir. Mesela, 1 (p)’ na sahip olan hidrojenin izotopları, 1 (p) ve 1(n)’ u olan Döteryum atomu ile yine 1 (p) ve 2 (n) ‘u olan Tridyum atomudur. Bir atomun kimyasal özelliğini çekirdekteki (p) sayısı belirler. Bu yüzden izotop atomları da temel atomlarıyla aynı kimyasal özelliklere sahiptir. Her iki atomdan oluşmuş yapıları, kimyasal analizlerle bile ayırt etmek imkansızdır. Sadece bu farklılık, eğer atom kararsız izotoplu atom ise, yaydığı çok küçük ışınlar dolayısıyla, Gieger sayacıyla tespit edebilir. Kimyasal özellik ise bildiğimiz gibi, cisimlerin atom ve molekül yapılarında oluşan değişikliklere denir. Bir kağıt parçasının (kömürün...vs) yanması, demirin paslanması, suyun Oksijen ve Hidrojene ayrışması veya hidrojenle, oksijenin birleşerek su oluşturması, asit ya da bazik özelliği, yanıcı olup olmaması yani, reaksiyona girip girmediği, ne tür reaksiyonlar verdiği gibi... Maddenin fiziksel özelliği ise kısaca, cismin renk, koku, tat, sertlik, yoğunluk...gibi özellikleridir.

İki temel reaksiyon biçimi vardır. İlki, kimyasal, ikincisi ise, termonükleer reaksiyon. Kimyasal reaksiyon, atom ve moleküler boyutta geçerli iken ikincisi, atom çekirdeği ve atom altı parçacıklarında görülür. Termonükleer reaksiyonda, taneciklerin birbirleriyle olan birtakım etkileşimleri sonucu, parçacıklarda ya da çekirdekte başka çekirdek ve taneciklere dönüşüm olayı varken, kimyasal reaksiyonlarda atom çekirdeği değişmez. Çünkü bu düzeydeki enerjiler atom çekirdeğini parçalayacak güçte değillerdir. Dolayısıyla, dünya üzerinde, doğada nükleer parçalanmayı sağlayacak güçler yoktur. Bu yüzden gönül rahatlığı ile yaşamaktayız. Doğal yönden bu ve daha fazla güçler ancak yıldızlarda mevcuttur. Kimyasal reaksiyonlardan atomun dış (e’)’ ları sorumludur. Bu (e’)’ lar diğer atomlarla iyonik ya da kovalent bağ kurup atomları yan yana birleştirerek molekülleri oluştururlar. Bu bağlanma gücü de nesnelerin katı, sıvı ve gaz halinde oluşlarını belirler. İyonik bağda, atomlardan biri, diğerine dış yörüngesindeki (e’) ya da (e’)’ larını verir. Diğeri de bunu alarak birbirlerine bağlanırlar. Kovalent bağda ise, iki atomun dış yörüngeleri tek bir yörünge olarak birleşir ve buradaki (e’) lar her iki atomun ortak (e’)’ ları olur. Burada iki atom dedik, ama gerçekte, o maddenin farklı veya aynı atomlardan oluşmuş tüm atomları bir geometrik düzen ile birbirlerine böyle bağlanırlar. Böylece bazı atomlar, iyonik, bazıları da kovalent bağ oluşturarak gördüğümüz katı, sıvı ve gaz halindeki maddeyi oluştururlar. Yeri gelmişken moleküller, atomlardan ayrı bir yapı değildir. Atomların birleşiminden oluşurlar, hücreler de moleküllerin birleşiminden. Ancak her bir boyutun yasaları kendi bulunduğu boyuta göre olmaktadır. Molekülleri, hücrelerden ayıramazsınız. Ayırırsanız hücre kalmaz. Aynı şekilde, atomları ayırırsanız, ne moleküller, ne de hücreler oluşur. Atomlar, kimyasal reaksiyonlarla bağlarını kopararak başka atomlarla farklı güçlerle birleşim kurup ayrı moleküler yapıları, farklı boyutta ve cinste nesneleri, cisimleri oluştururlar. Bu sırada hal değişimleri denen katı, sıvı ve gaz haline dönüşümler de olmaktadır. Örneğin, kağıdın yanıp havadaki moleküllerle de birleşimler yaparak bir kısmının duman halinde gaza, bir kısmının da küle dönüşmesi gibi.

Bir atom, daima kendisini meydana getiren taneciklerin kütleleri toplamından  daha az bir kütleye sahiptir. Mesela füzyon denilen, bir (p) ile bir (n), birleşip bir çekirdek oluşturduklarında çekirdeğin kütlesi, bunların cebirsel toplamı değil, daha düşük kütleye sahip olmaktadırlar. Bunun nedeni, toplam kütlenin bir kısmının parçacıkların birbirlerini bir arada tutan bağlanma enerjisine dönüşmesinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla, çekirdeğe bu fark kütleye denk enerjili gamma ışını gönderirsek çekirdek, tekrardan (p) ve (n)’ lara ayrılarak eski durumuna geri döner. Dolayısıyla, füzyon olayında atom çekirdekleri birleşince, kütlenin bir kısmı bağlanma enerjisine dönüşürken bir kısmı da dışarıya foton yani, gamma ışını ya da parçacık olarak veya reaksiyon durumuna göre her ikisi birden açığa çıkmaktadır. Böylece, kimyasal reaksiyonlarda kütle korunurken, bu tür reaksiyonlarda kütle korunumu yoktur. Ancak, tüm radyoaktif reaksiyonlarda, eşitliğin bir tarafındaki K.N ya da A.N. toplamı, diğer taraftaki K.N ya da A.N toplamına daima eşittir. Buna benzer ancak tersi bir durum, fisyon denilen radyoaktif atom çekirdeklerinin parçalanmalarında da meydana gelmekte, parçalanmayla meydana gelen fark kütle, çeşitli ışınlar olarak açığa çıkmaktadır. Bu ana noktayı belirttikten sonra, bildiğimiz gibi bazı atomlar dışarıya tanecik ve foton şeklinde ışınlar yayarlar. Bunun nedeni, çekirdekteki (p) ve (n) sayısındaki dengesizliktir. Bu dengesizlik durumu ise, çekirdek içinde (n) sayısının, (p) sayısından fazla olmasıdır. Daha doğrusu, doğal radyoaktivite yani, bir çekirdeğin kendiliğinden ışın yayabilmesi için (n) sayısının (p) sayısına oranının, 1,5’tan büyük olması gerekir. p.s 1 ile 20 arasındaki atomlarda p.s ile n.s. birbirine eşittir. P.s. 20 ile 83 arasında olan atomlarda n.s., p.s. dan büyüktür. P.s. 83 den büyük olan atom çekirdekleri ise, kararsız olduklarından doğal radyoaktiftir. En kararlı atomlar ise, aynı anda p.s. ile n.s. çift sayıda olanlardır. Bunların içinde max. kararlı olanlar ise, p.s ya da n.s. 8, 20, 28, 50, 82 sayılı  atomlar ile n.s, 0 olan Hidrojen atomudur. Bu 1,5 oranının altındakilerde ise, ışıma oluşmaz. Ancak parçacık bombardımanlarıyla bunlar radyoaktif yani, ışın yayar hale getirilebilir ki buna suni radyoaktivite denir. Bombardımanlarda, tek bir atomdan, ayrıca bir ya da daha fazla (n) tanecikleri de açığa çıkmaktadır. Demek ki, bu çekirdek dönüşümleri ve dolayısıyla ışıma yapması, bir çekirdeğin dışındaki başka (p) ve (n)’ la ya da diğer başka atom çekirdekleriyle olan çarpışmalarla da oluşabilmektedir. Kısacası, bu oranın üstünde atom kendiliğinden ışımaya yatkınken, bu oranın altında olanlar bombardımana yatkındırlar. Ayrıca ışımaya yatkın olan doğal radyoaktif atomlara da bombardıman yapılarak farklı atom ve bu tür ışınlar elde edilebilmektedir.

Bildiğimiz gibi (p) ve (n) arasında var olan güçlü nükleer kuvvet, çok çok güçlüdür. Buda parçacıkların ayrılmasına izin vermez. Ancak, kararsızlık durumundaki bu çekirdekte var olan fazla enerji, ya bu engeli aşmalarını sağlayıp bir kısım tanecikleri dışarı atarak ya da bu taneciklerden bir kısmını çekirdek içinde bozunuma uğratarak başka parçacıklara dönüşmelerini ve bu dönüşümle açığa çıkan parçacıkların da büyük kısmını dışarı atarak çekirdeği rahatlatmaktadır. Bu yüzden radyoaktif maddeler dediğimiz atom çekirdekleri, alfa, beta ve gamma dediğimiz ilk ikisi tanecik, ikincisi elektromanyetik dalga yapılı ışın yayınlayarak ya alfa ışını dediğimiz iki nötronla iki protondan oluşmuş birleşik taneciği, direkt çekirdek dışına atmasıyla ya da tanecik dönüşümleri ile (n)’ nun (p)’ na dönüşmesi sonucu (ki bu esnada, dönüşümle açığa çıkan beta ışını dediğimiz (e’) ile nötrino da dışarı atılır) (p-n) dengesini oluşturmaya çalışırlar. (p) sayısının artması ise, çekirdeğin sadece A.N. artırır. Burada nötrino çıkışı da var ama bunlar, taneciklerle, maddeyle etkileşmedikleri için pek söylenmez. Gamma yayını ise, sadece aynı uyarılmış çekirdeğin kararlı duruma dönmesi sırasında çekirdekten dışa yayınlanır. Gamma yayını hariç, tüm bu dönüşümler sonucunda bir atom, çekirdeğinde değişen (p) sayısı dolayısıyla bir başka atom çeşidine döner. Ayrıca radyoaktif bir atom, bu üç ışını salmayabilir de. Bu atomun türüne göre değişiklik gösterir. Kendiliğinden ışıma yapan kimi doğal radyoaktif atom, kararlı hale dönmek için, bu alfa, beta ve gamma ışınlarının tümünü, belli bir zaman süresince ve her birini de birer defa ya da peş peşe birden fazla yayınlarken, kimi atom, yine aynı şekilde bunlardan iki tanesini, kimi atom da sadece bir tanesini bir kere ya da belli süreler içerisinde peş peşe birden fazla olarak yayınlamaktadır.  Örneğin, bir atom önce bir alfa yayınlar, sonra bir alfa daha sonra peş peşe iki veya üç ayrı beta ışını yayınlar ve temel duruma döner...vs. Radyoaktif olmayanlar da dahil tüm atomların, yine bu alfa, beta, gama, (n), (p) tanecikleri ya da farklı atom çekirdekleri ile bombardımanı sonucunda ise, çekirdekten çoğunlukla bir tane veya bu taneciklerden bazılarının, birkaç tane olabilen yine aynı tür (alfa, beta, (n), (p), gamma) tanecikleri ile farklı bir atom meydana gelir (bazı reaksiyonlarda pozitron yayını da vardır ki onu bir sonraki bölümde göreceğiz). Tıpkı, bir alfa taneciği ile bir Berilyum çarpıştırıldığında önce birleşen çekirdek hemen, bir Karbon atomu ile bir (n) taneciği olarak ayrılması gibi. Yalnız bunlardan, yüksek atom numaralı yani doğal radyoaktif çekirdeklerinin, taneciklerle olan çarpışmalarında, atom iki farklı atoma bölünürken bunun yanında bir veya birkaç, alfa, beta, ya da (n), (p) gibi parçacık türü yayınlayabileceği gibi (aşağıdaki örnek gibi), tek bir atoma dönüşüp bunun yanında yine fazla sayıda da olmak üzere mesela, hem alfa hem de beta ışınlarına da dönüşebilmektedirler. Buna karşın,yukarıda  değindiğimiz radyoaktif olmayan daha düşük A.N çekirdeklerinin bombardımanında ise bir veya daha fazla bu tür tanecik yayınlanırken, aynı zamanda o atom sadece farklı bir atoma dönüşür. Kısacası, reaksiyon türüne göre açığa çıkan alfa, beta, gamma, (n) ve (p) ışınları ve şiddetleri de değişmektedir.

Bu arada radyoaktiflik, sıcaklığa, basınca, elementin gaz, sıvı, katı fiziksel durumlarına bağlı değildir. Tamamen çekirdek yapısına bağlıdır. Başka atomlarla bağlantılar kurarak molekül oluştursalar da bu özelliklerini aynen korurlar. Doğal Radyoaktif bir maddenin dengeli hale gelebilmesi de bir anda bir atomdan ayrı bir atoma dönüşümü şeklinde olmayıp basamak basamak ara elementlere dönüşerek olmaktadır. Bu süreçler dolayısıyla “yarı ömür” tanımı kullanılır. “Yarı ömür”, bir elementin yarısının, farklı bir elemente ya da o farklı elementin izotopuna dönüşüme uğrama süresidir. Kimi atom veya izotoplarının yarılanma süresi, saniyeler içinde olurken kiminin beş, on, yüz, bin yıl iken kiminin de milyonlarca, milyarlarca yıl sürmektedir. En tehlikeli, zehirleyici olanlar bu uzun süreçlerde olanlardır. Ayrıca bir radyoaktif madde, birinci dönüşümünü yarılamadan ikinci dönüşüm reaksiyonuna hemen başlayabilmektedir. Böylece, bu atomlardan oluşmuş cisimler ya da bu atomları içeren maddeler, nesneler, devamlı bu ışınları yayarlar. Doğal Radyoaktif ışınlar, yukarıda da belirttiğimiz üzere elementler sıralamasında kurşundan yani, p.s. 83 üzerindeki atomlarda görülür. Bunun altındaki elementlerde görülmez. Doğal radyoaktif atomlar kendiliğinden ışıma saçtıkları gibi, alfa, beta, gamma, (n) parçacıklarıyla bombardımanı sonucu çekirdeğe girip o çekirdeği parçalamakla da olmaktaydı (bir sonraki yazıda örnekleriyle göreceğiz). Bu parçalanmayla açığa çıkan her bir atom da izotop olduğundan daha kararlı elementlere ya da kararlı izotoplara dönüşene kadar bu ışınları ya da bu ışınlardan bir kısmını, bir veya daha çok kez yaymaya devam ederler. Böylece 4, 6, 8.. gibi çok sayıda farklı atom açığa çıkmış olur. Mesela, bir (n), (Uranyum) U (235-92) ye çarpışmasıyla bu atom iki ayrı atoma ayrılırken bir de 2 tane (n) açığa çıkartır. Bu atomlardan biri (Tellür) Te (137-52) izotopu ile (Zirkonyum) Zr (97-40) izotopudur. Bunlar da ayrı ayrı bozunmaya uğrarlar. İzotop Te (137-52) bir beta parçacığı salarak (İyod) I (137-53) izotopuna bu (İyod) I’ da bir beta ışını atarak (Xenon) Xe (137-54) izotopuna ve bu atom yine bir beta salarak (Sezyum) Cs (137-55) izotopuna dönüşür. Sezyum da son kez olarak bir beta yayınlayarak kararlı (Baryum) Ba (137-56) temel atoma dönüşür. Bu sırada Zr  (97-40) izotopu bir beta salarak (Niobyum) Nb (97-41) izotop atomuna, bu atom da son kez yine bir beta ışını salarak (Molibden) Mo (97-42) kararlı izotopuna dönüşür.

Kurşundan daha alt elementlerde ise aynı tür parçacık bombardımanı sonucu parçalanma iki atom şeklinde değil, önce kararsız bir çekirdeğe sonra da yine alfa, beta, gamma, (n) gibi tanecik yayımı ile başka bir elemente ya da bu farklı elementin izotopuna dönüşür. Buna “suni radyoaktivite” de demiştik. Bu suni radyoaktif yöntem, daha büyük doğal radyoaktif çekirdekler elde etmek için de kullanılır. Suni radyoaktiviteyle ilgili olarak mesela, Na (23-11) bir (n) ile bombardıman yapılınca çekirdek içine giren (n) çekirdeği kararsız çekirdek Na (24-11) e çevirir ve bu çekirdekte bir Alfa ışını olan helyum (He 4-2) dışa atarak Flor (F (20-9))’ a dönüşür. Bunun gibi, bir alfa ya da bir beta veya bir gamma ışını ile bombardımanı ile de çeşitli atomları farklı atom ya da izotoplara çevirmektedirler. Şimdi bu ışınları ayrıntısıyla görmeden önce bir noktaya da değinelim. Bir engelle karşılaşan ya da çarpan ışınlar, o ortamdaki atomlara çarpa çarpa onu iyonize ederek (yani, (e’)’ nı yörüngelerinden atarak) belli bir noktada enerjisi bitince dururlar. Eğer gelen ışınların enerjisi, düşük enerjili bu atomlardan çok yüksek ise, o zaman bu atomları suni radyoaktivite haline getirerek bunların da radyasyon yaymalarına neden olur ve bundan yayınlanan ikincil ışınlar diğer atomlarla enerjileri bitene kadar etkileşime girmeye devam ederler. Yalıtım için kullanılan zırhlar çok önemli olup ışınların türüne göre ayrı ayrı malzemeler kullanılır.

Alfa ışınları: Kütle numarası 210’ dan büyük olan atomlarda görülür. Bu çekirdekler, beta ve gamma ışınları yanında, alfa ışını dediğimiz (2p) ve (2n)’ dan oluşan aslında (e’)’ nu olmayan helyum çekirdeği yayınlarlar. Bu sırada çekirdeğin hacmi küçülür. Fotoğraf filmine etki ederler, yüklü oldukları için statik (E) elektrik ve (B) manyetik alanlarından saparlar. Ayrıldığı çekirdeğe göre hızları, ışık hızının onda birle on beşte biri arasındadır. Ağır olduğu için beta ışınlarından daha az uzağa giderler. Nüfuz etme, delme özelliği oldukça azdır. Alfa parçacıkları ağır taneciklerden olduğu için madde içinden geçerken ortam atomlarına çarpıp onlardan seke seke atomlarda çok yüksek düzeyde iyonlaşma yapar, fakat enerjisini çabuk yitirerek fazla derinlere gidememektedir. İnce bir kağıt tabakasıyla bile durdurulabilmektedir. Bu yüzden, normal şartlarda, yaşantımızda tehlike içermezler. Ancak, her ne kadar vücudumuzda trilyonlarca hücre olması ve bu her bir hücrenin de yine trilyonlarca moleküle sahip olması nedeniyle mesela alfa ışınlarının, gidebildiği derinliğe kadar yüz bin moleküle çarpıp bunları tahrip etmesinin ve bu sırada saniyeler içinde hücrelerin kimyasal yapılarını değişime uğratmaları sonucu, iyonize olan atomlardan fırlayarak serbest hale geçen (e’) ların da, geri kalan bazı hücrelerin çalışma sistemini, görev yapmasını engellemesinin, bütüne kıyasla pek önemi olmasa da, belli mesafeden ve yoğun alfa ışınları, tam aksine oldukça tehlikeli olmaktadırlar. Bir alfa ışını yayan çekirdeğin kütle numarası 4, atom numarası ise 2 azalarak ilgili sayıdaki atomlara dönüşür. Mesela, U (238-92), He (4-2) salarak Th (234-90) a dönüşür. Bununla birlikte alfa ışınlarının, çekirdekteki taneciklerin bağlanma enerjileri dolayısıyla, çekirdek dışına imkânsız çıkışlarını ancak kuantum fiziğindeki Hysenberg'in belirsizlik ilkesi açıklık getirebilmektedir. Bu ilkeye göre, çekirdekteki (p) ve (n)’ nun konumundaki çok küçük belirsizlik, bu parçacıkların çekirdek dışına çıkıp atomdan ayrılmaları için daima bir olasılık durumu yaratmaktadır. Yani, tanecikler olasılık dalga özelliğine bürünerek klasik fiziğin olmaması gereken mekânlara çıkabilmektedir. Çünkü, kararsız çekirdek içinde bir tek alfa ışını, dışarı çıkabilmek için hareket (titreşim) halindedir. İçinde yer aldığı enerji potansiyel duvarına sn ‘de 10 üssü 21 kez çarpar ve bundan çıkması için de yaklaşık olarak 10 üssü 10 yıl beklemesi gerekir. Ancak, bir alfa taneciğinin bu enerji engelinden kurtulma ihtimalinin çok çok düşük olmasına ve sonuçta çıkma ihtimali bulunduğundan, bir maddede çekirdek sayısının çok çok fazla olması nedeniyle ilgili tanecikler, çekirdekte tünel açmak suretiyle her saniye bu enerji engelini aşarak maddeden uzaya açılırlar. Özetle, ilgili o maddeden her an bu tanecikler etrafa yayılmaktadır. Bu ilke, radyoaktif olmayan atomlar için de aynen geçerli olduğundan ve çok daha uzun süreler (ki bu, yaklaşık 10 üssü 65 yıl civarıdır) boyunca parçacıklar, çekirdekten kurtulacağından katı olarak düşündüğümüz tüm madde de, aslında uzun süreçlerde hareket eden bir sıvı gibidir. Dolayısıyla bizler gerçekte, çok çok yavaşlatılmış kuantum süreçlerini yaşamaktayız (http://www.taek.gov.tr/ogrenci/sf2.html ), (http://www.kimyaevi.org/elementtablo.asp )

Şimdi de Beta ışınları ve özelliklerini görelim...

(Kaynakça: Atom Ve Çekirdek Fiziği (Newcastle Ünv.)– T. A. Littlefield ve N. Thorley /Çağdaş Fiziğin Kavramları- Arthur Beiser / Radyasyon Ve Miniklerin Evreni – Dr. Haluk Nurbaki / Modern Fiziğe Giriş – Prof. Dr. Erol Gündüz / Son Üç Dakika- Paul Davies / Tubitak Bilim Ve Teknik Dergisi – Şubat 87/ Aralık 2003 / İstanbul Ünv. Atom Ve Çekirdek Fiziği Ders Notları)