Transmutasyon tepkimesi, teorisi nedir, nasıl olur? Elementlerin transmutasyonunun açıklaması, teorisi hakkında bilgi.
Transmutasyon Teorisi – Tepkimesi Nedir?
Elementlerin Transmütasyonu
Eski Mısırdan beri simyagerlerin uğraşmaları,, örneğin kurşun gibi, ucuz madenleri altına çevirmekti. Her ne kadar simya ilmi sihirbazlık ve astroloji ile karışmışsa da, bazı faydalı ve gerçek bilimsel deneyler de ortaya koymuştur. Simyagerler gerçekte modern kimyacıların öncüleridir. Ama madenlerin altına çevrilmesi ya da «transmutasyonu» için bütün girişimlerinde başarısızlığa uğramışlardır.
Simyagerler Başaramadı
Altın, tabiatta bulunan ve daha basit cisimlere parçalanamayan 92 cisimden bir tanesidir. Elementler, kendilerini meydana getiren elementlere benzemeyen ürünler (bileşik cisimler) meydana getirmek üzere birleşebilir ve birleşik cisimler de basit kimyasal reaksiyonlarla elementlerine ayrılabilir. Ama kimyasal reaksiyonlarla hiç bir element başka bir element haline gelemez. Elementler arasında bir reaksiyon meydana geldiği zaman atomların en dış kısımlarında değişmeler olur; atomun merkezi değişmez. Başka elementlerin atomları gibi altın atomu da merkezde bulunan bir göbekle bunun etrafında dolanan elektron bulutundan ibarettir. Elektronlar negatif elektrikle yüklü minimini taneciklerdir. Bir kimyasal reaksiyonla atomlar birleştiği zaman, dıştaki elektronların düzeninde bir değişme olur, ama atomun göbeğinde hiç bir değişiklik meydana gelmez.
Atomun göbeğine çekirdek denir. Bu göbek proton ve nötron denilen iki cins tanecikten birçoğunun sıkıca birbirine bağlanmasından meydana gelmiştir. Protonlar pozitif elektrikle yüklüdür. Nötronlar ağırlıkları kabaca protonun aynı olan yüksüz taneciklerdir. Atomun ağırlığına katıldıkları gibi protonları çekirdeğin içinde tutmaya da yardım ederler. Atomun kimyasal özeliğine bir etkisi yoktur. Elementler arasındaki farkları meydana getiren şey protonlardır. Atomların her birinin çekirdeğinde bulunan protonların sayısı bu elementin atom sayısını verir.
En basit atom olan hidrojen atomunun çekirdeğinde bir proton vardır. Bundan ötürü hidrojenin atom sayısı 1’dir. Altının atom-sayısı 79’dur. Altının her atomunun çekirdeğinde 79 proton vardır, ama başka hiç bir elementin atomunun çekirdeğinde 79 proton yoktur. Bir atomun çekirdeği, sonunda 79 protonlu olacak şekilde değiştirilebildiği zaman, bu atom bir altın atomu olur. Bir elementin başka bir elemente transmutasyonu için atomların çekirdeğinin değiştirilmesi gerekir. Bu yüzden sadece atomların dış kısımlarını etkileyen kimyasal reaksiyonlar bir elementi başka bir elemente çeviremez.
Radyoaktif olmayan bir elementin transmutasyonu
On sekizinci yüzyılın büyük Fransız kimyacısı olan Lavoisier‘nin zamanından, altmış yıl kadar önce radyoaktivitenin bulunmasına kadar elementlerin «transmutasyon» unun hiç bir zaman mümkün olmadığı kabul edilmişti. Ama radyoaktivitenin bulunması bu düşünceyi değiştirdi, çünkü hemen anlaşıldı ki bir radyoaktif cisim kendi kendine başka bir cisim haline gelmektedir. Örneğin radyum bir elementtir. Atomunun göbeğinden tanecikler fırlatır ve radon adı verilen başka bir element haline gelir. Radyum kimyasal bakımdan baryuma benzeyen bir madendir; radon ise kriptona benzeyen bir asal gazdır. Bu, doğal radyoaktif dönüşümlere bir örnektir ve ileride çıkacak yazılarda incelenecektir. Radyoaktif olmayan bir elementin transmutasyonu ilk olarak 1919’da Lord Rutherford tarafından meydana getirilmiştir.
Polonyumun kendiliğinden parçalanması sırasında fırlatılan alfa tanecikleri kapalı bir silindir içerisinde bulunan azot gazından geçirilmiştir. (Alfa taneciği iki nötronla birleşmiş iki protondan ibarettir). Silindirin bir ucunda alfa tanecikleri çarptığı zaman flüoresans meydana getiren kimyasal maddelerle kaplanmış bir perde vardı. Polonyum parçası silindirin flüoresan perdeye karşı olan ucundan geçen bir çubuğun ucuna bağlanmıştı. Lord Rutherford çubuğu ileri geri hareket ettirerek polonyumun konumunu o şekilde ayarlayabilmekteydi ki, bundan fırlatılan alfa tanecikleri flüoresan perdeye erişemesin. Buna rağmen zaman zaman perdede çakan ışıklar görülmüştü. Buna alfa taneciklerinden daha uzağa gidebilen taneciklerin sebep olması gerekirdi. Gerçekte bunları meydana getiren şey protonlardı.
Acaba bu protonlar nereden geliyordu?
Dört yıl kadar sonra bu reaksiyonlar daha dikkatli incelendiği zaman da protonların, azot atomlarından her biri (ya da daha doğrusu azot atomlarının çekirdeği) bir alfa taneciği yakaladığı zaman bu atomlardan fırlatıldığı sonucuna varıldı. Böyle yakalamalar çok seyrek meydana gelmekteydi. Ama azot çekirdeğinin (7 protonu vardır) proton fırlatması için oksijen çekirdeği (8 protonu vardır) haline gelmesi şaşırtıcı bir durum olarak kalmaktadır.
Azotun oksijen haline geçmesinde, alfa taneciği 2 proton ve 2 nötrondan; azot çekirdeği ise 7 proton ve 7 nötrondan yapılmıştır. Azot çekirdeği bir alfa taneciği yutarsa toplam 9 proton ve 9 nötron olur. Bu toplamdan 1 proton hemen fırlatılır, geriye 8 proton ve 9 nötrondan ibaret bir grup —yani başka bir deyimle oksijen çekirdeği— kalır. Bu, ilk olarak, bir elementin başka bir elemente yapma transmutasyonudur.
Hızlandırılan tanecikler
Bilim adamları elektrikle yüklü tanecikleri, bunlardan başlıca alfa taneciklerini, protonları ve dötronları (dötron bir nötronla birleşmiş bir protondur) hızlandırmaya yarayan gereçler tasarlamış ve yapmışlardır; bu tanecikler atom çekirdeğine doğru bir merci yağmuru gibi fırlatılır. Bu gereçlere verilen adiyle tanecik hızlandırıcılar («atom parçalayıcı» diye bilinen siklotronlar da dahil) ilerideki yazılarda anlatılacaktır. Bu tanecik hızlandırıcılarla birçok elementin transmutasyonu mümkündür. Ama genellikle bunların transmutasyona uğrattığı madde miktarı çok azdır. Elektrik yüklü olmadıkları için hızlandırılamamakla beraber nötronlar da çoğunlukla çekirdeği bombardıman etmek için kullanılır. Nötronlar atom reaktörlerinde uranyum atomunun parçalanmasıyla açığa çıkar ve transmutasyona uğratılacak madde, nötronları yakalama şansının büyük olduğu yere, reaktörün içerisine konur. Yapma radyoaktif maddeler olan «radyo-izotoplar» bu şekilde yapılır. Bazı işler için (örneğin kanserin tedavisinde) doğal radyum kadar etkilidir ve ondan çok daha ucuzdur. Bazı transmutasyonlarda da nötron üretilmektedir. Nötronlar, berilyumun karbona transmutasyonunun bir sonucu olarak bulunmuştur.
Yapma transmütasyon pratikte kullanılıncaya kadar sadece 92 eleman bilinmekteydi ve bunlardan ikisi, prometyum ve teknetyum hiçbir zaman yalnız başına elde edilememişti. Bu iki element, nötronlarla bombardıman edilen «uranyum 235» atomlarının (yani bir çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron olmak üzere toplam olarak 235 tanecik bulunan uranyum atomlarının) transmütasyonu sonucu olarak meydana gelen çeşitli elementler arasında keşfedilmişti. 92 protondan daha fazla sayıda protonu olan element tabiatta yoktur. Şimdiye kadar laboratuvarda bu şekilde on bir element elde edilmiştir.
Uranyum-ötesi elementler
Periyodik cetvelde (elementleri, her birindeki protonların sayısına göre sıralayan bir cetvel) bu elementler uranyumdan sonra geldiğinden bunlara uranyum-ötesi elementler denir. Bunların hepsi kararsızdır ve başka elementler meydana getirmek üzere parçalanma eğiliminde olmaları, bunların neden tabiatta bulunmadığını açıklar. «Uranyum 238» atomları (yani bir çekirdeğinde 92 proton ve 146 nötron olmak üzere toplam olarak 238 tanecik bulunan uranyum atomları) bir atom reaktöründe nötronlarla bombardıman edilirse «uranyum 239» (yani bir çekirdeğinde 92 proton ve 147 nötron olmak üzere toplam olarak 239 tanecik bulunan uranyum) haline gelir.
Uranyumun bu izotopu (ki doğal olarak radyoaktiftir) beta tanecikleri fırlatır ve neptünyum (her çekirdekte 93 protonlu) adı verilen tamamen yeni bir element haline geçer. Neptünyum da radyoaktiftir. Beta tanecikleri fırlatır ve plütonyum (her çekirdekte 94 protonlu) denilen yeni bir element haline gelir. Uranyum-ötesi elementler, uranyum 238 elementini, tanecik hızlandırıcılarda (siklotronda) hızlı alfa tanecikleriyle bombardıman ederek de elde edilir. Plütonyum (her çekirdekte 94 protonlu) bütün uranyum-ötesi elementler gibi radyoaktiftir. Büyük miktarda elde edilebilen tek element budur; öbürlerinin ancak izine rastlanabilecek bir miktarı elde edilebilmiştir. Uranyum-ötesi elementlerden olan einsteinium (99 protonlu; aynştaynyum) ve ferniyum (100 protonlu) ilk olarak hidrojen bombası patlamasının artıkları arasında bulunmuştur.
O zamandan beri de, siklotronlarda hızlandırılan tanecikler kullanarak yapılan transmutasyonlarla elde edilmektedir. En son bulunan uranyum ötesi elementlerden nobelyum (102 protonlu) ve lavrencium (103 protonlu; lavrensiyum okunur) oldukça ağır atomların (örneğin bor ve karbon gibi) transmutasyona sebep olmaları için siklotronlarda bir «mermi» gibi hızlandırılmasıyla elde edilmiştir. Yukarıda adları geçen uranyum-ötesi elementlerinin listesinde bunlardan başka americium (95 protonlu; amerisyum), curium (96 protonlu; küriyum), berkelium (97 protonlu), californium (98 protonlu; kaliforniyum) ve mendelevium (101 protonlu) vardır.
Simyagerler madenleri altına çevirmeyi başaramadılar. Atom reaktörleri ve atom parçalayıcı makineler yardımıyla modern çekirdek fizikçileri simyagerlerin yapamadıklarını yaptılar. 1941’de Harvard üniversitesindeki çekirdek fizikçileri cıva madenini nötronlarla bombardıman ettiler.