|
 1896 yılında "radyoaktivite" olgusunun keşfedilip
Marie Curie tarafından adının konmasından sonra, "enerji" konusuyla ilgili
yepyeni bir sorun çıkıvermişti ortaya... Uranyum ve toryum gibi radyoaktif
maddeler, şaşılası ölçüde enerjiyle yüklü partiküller neşrediyorlardı. Dahası,
radyum, kesintisiz biçimde ve büyük miktarda ısı saçıyordu. Curie'nin hesabına
göre, bir ons radyum, saatte 4.000 kalori veriyordu. Üstelik, bu süreç,
saatlerce, günlerce, yıllarca sürüyordu, kesintiye uğramaksızın... En "enerjik"
kimyasal reaksiyon bile, radyumun serbest bıraktığı enerjinin milyonda birini
bile sağlayamazdı. Daha da ilginci, bu enerji üretimi, kimyasal reaksiyonlardan
farklı olarak, ortam ısısından bağımsızdı. Bir başka deyişle, enerji salgılama
süreci, sıvı hidrojenin düşük ısısında, da, ortalama oda sıcaklığında da
işliyordu.
Bütün bu gözlemler ışığında tek sonuç
çıkarılabilirdi: Buradaki "enerji", bildiğimiz kimyasal enerjiden çok farklı bir
şeydi. Fizikçiler ve insanlar Tanrı'nın şanslı kullarıymışlar ki, bunun sırrını
çözmek için çok beklemek zorunda kalmadılar. Birçok konuda olduğu gibi, burada
da, kilidi açan anahtarı, Özel İzafiyet Teorisi ile Einstein sağladı.
 Einstein "enerji" olgusuna matematiksel açıdan
yaklaşmış, "kitle" denilen şeyin aslında özel bir enerji türü olduğu sonucuna
varmıştı. Şu farkla ki, kitle, öteki enerjilere kıyasla çok daha yoğun, çok daha
konsantreydi. Bu da, çok küçük bir kitlenin, ' hacmiyle j kıyaslanamayacak kadar
çok enerjiye dönüşebilmesinden belliydi.
Einstein'in enerji-kitle ilişkileri konusunda
geliştirdiği denklem, çağdaş bilimin en ünlü denklemidir:
e= mc2
Bu denklemde, "e" erg'le ölçülen enerjiyi, "m" gramla
ölçülen kitleyi, "c" de santimetre/saatle ölçülen ışık hızını simgelemektedir.
Işık saatte 30.000 milyon santimetre hızla hareket
ettiğine göre, c2'nin sayısal değeri 900 trilyondur. Giderek, bir gramlık kitle
enerjinin dönüştürülmesi, 900 trilyon erg yaratır. "Erg" bilinen terimlerle
ifade edilmesi güç bir minik enerji birimidir. Bu konuda yine de bir fikir
verebilmek için, bir gramlık bir kitledeki enerjinin, 1.000 vatlık bir elektrik
ampulünün tastamam 2.850 yıl işleteceğini söyleyebiliriz. Bir başka basit
benzetmeyle de, bir gramlık kitlenin bütünüyle enerjiye dönüştürülmesi, 2.000
ton petrolün yakılmasından elde edilecek enerjiye eşit enerji üretir.
 Einstein'in e = mc2'si, bilim dünyasının
kutsal kuramlarından birini de çökertmişti. Bilindiği gibi, Lavoisier, eskilerin
deyimiyle "baka-i madde" kuramıyla, maddenin ne yoktan yaratılabileceğini, ne de
varken yok edilebileceğini öne sürmüştü. Ne var ki, enerji salgılayan her
kimyasal reaksiyon az da olsa bir miktar maddeyi enerjiye dönüştürüyordu. Çok
hassas tartı araçları kullanılabilseydi, maddenin enerjiye dönüşmeden önceki
ağırlığıyla dönüştükten sonraki ağırlığı arasında çok az bir fark bulunduğu
görülecekti, büyük olasılıkla... Ama, basit bir kimyasal reaksiyon sırasındaki
kitle kaybı öylesine azdı ki, ondokuzuncu yüzyıl kimyacılarının elindeki ölçü
teknikleri bunları saptamada yetersiz kalıyordu.
Ama, Einstein'in çığır açan buluşundan sonra,
fizikçiler, yanan kömürün kimyasal reaksiyonundan çok farklı bir olgu üstünde
çalışmaya başlamışlardı. Bu, radyoaktivitenin nükleer reaksiyonuydu. Nükleer
reaksiyonlar öylesine büyük hacimlerde enerji veriyordu ki, kitlelerin önceki ve
sonraki ağırlıkları arasındaki fark ölçülebilir duruma gelmişti.
Kitle-enerji dönüşümü konusundaki gözleminden yola çıkan Einstein,
çözümlemelerini bir adım öteye götürerek, yine eskilerin deyimiyle "baka-i
madde" ve "baka-i kudret" yasalarını tek bir yasa altında birleştirdi:
"Kitle-enerjinin korunması yasası"... Böylece termodinamiğin birinci yasası
varlığını korumakla kalmıyor, üstelik bu gelişmelerden daha da güçlenmiş olarak
çıkıyordu.
 Kitle spektroerafisi yöntemlerinden yararlanarak
kitlenin gerçekten enerjiye dönüştüğünü deneysel olarak ilk kanıtlayan Francis
W. Aston' dur.
Aston, atom çekirdeklerinin manyetik alana
çarptıklarında ne kadar saptıklarını ölçerek, atom çekirdeklerinin kitlesini de
ölçmeyi başarmıştı. 1925 yılında daha da hassas aygıtlarla yaptığı deneylerde,
Aston, değişik çekirdeklerin kendilerini oluşturan nötron ve proton kitlelerinin
basit bir toplamı olmadıklarını da kanıtlamıştı.
Burada bir soluk alıp, şu nötron ve proton kitleleri
üstünde biraz duralım. Yüzyıla yakın süredir, atomların ve atom-altı
partiküllerin kitleleri, oksijenin özgül ağırlığı 16 olarak alınıp ölçülmüştü.
Gelin görün ki, 1929 yılında, William Giaque, oksijenin Oksijen 16, Oksijen 17
ve Oksijen 18 adı verilen üç ayrı izotoptan oluştuğunu, oksijenin atom
ağırlığınınsa bu üç izotopun kitle sayılarının ortalama ağırlığı alınarak
hesaplandığını ortaya koydu.
Aslına bakılırsa, "16" sayısı kesine yakın bir
ağırlıktı. Üç izotop arasında en yaygın olanı Oksijen 16 idi. O kadar ki, bu
izotop, oksijen atomlarının yüzde 99.759'unu oluşturuyordu. Bunun da anlamı,
oksijenin atom ağırlığının net 16 olması durumunda, Oksijen: 16 izotopunun kitle
sayısının 16'dan biraz daha az olduğuydu. Çok küçük miktarlarda bulunan Oksijen
17 ve 18 izotopları, ortalama değeri net 16'ya çıkarıyordu. Kimyacılar,
Giaque'ın buluşundan yirmi yıl sonrasına kadar 16 rakamını esas aldılar
kendilerine... "Kimyasal atom ağırlığı" diye küçük bir ekleme-düzeltme yapmakla
yetindiler.
Fizikçilerin tutumuysa bütünüyle farklıydı. Oksijen 16 izotopunun kitlesini net
16.00000 olarak benimsemeye, öteki bütün kitleleri de buna dayanarak ölçmeye
devam ettiler. "Fiziksel Atom Ağırlığı" kavramı da bu temel üstünde
geliştirildi. Oksijen 16'daki 16 değerinin 16'ya eşit olduğu görüşünden yola
çıkarak bazı hesaplar yaptılar. Daha ağır izotopların ağırlığı etkilemeleriyle,
oksijenin atom ağırlığı aslında 16.0044'tü. Buna göre, genelde, tüm maddelerin
fiziksel atom ağırlıklarının, kimyasal atom ağırlıklarından yüzde 0.027 fazla
olması kuraldı.
1961 yılında, fizikçilerle kimyacılar bir tür
uzlaşmaya vardılar, bu tartışmalı konuda... Atom ağırlıklarının Karbon 12
izotopunun kitlesinin 12.00000 olarak baz alınıp yeniden düzenlenmesini
kararlaştırdılar. Böylece atom ağırlıkları karakteristik bir kitle sayısına
dayandırılıyor, mümkün olduğunca basitleştiriliyordu. Dahası, bu yeni baza göre
belirlenen yeni atom ağırlıkları, eski atom ağırlıkları çizelgesindeki
sayılardan fazla farklı değildi. Karbon 12'nin 12'ye eşit olduğu ölçütüne göre,
oksijenin atom ağırlığı 15.9994 olmuştu.
Kitlesi 12.00000'e eşit olan Karbon 12 atomunu ele
alalım şimdi...
Bu atomun çekirdeğinde 6'şar proton ve nötron
bulunmaktadır. Kitle spektrografisi ölçümlerine göre, Karbon 12 = 12 bazında,
protonun kitle değeri 1.007825, nötronunki de 1.008655'tir. Böylece, altı
protonun toplam kitle değerinin 6.0495, altı nötronun toplam kitle değerinin de
6.05199 olması gerekir. . Böylece, toplam 12 nükleonun kitle değeri 12.104940'a
ulaşmaktadır. Yani 12.00000'e değil... Aklımıza bu durumda şöyle bir soru
takılıyor: O kayıp 0.104940'a ne oldu?
Kaybolan kitleye "kitle ilticası" deyimini uyguluyor,
bilim adamları... Kitle kaybı değerinin kitle sayısına bölünmesiyle de, nükleon
başına kayıp hesaplanıyor. Aslında, "Kayıp" bir şey yok ortada... Einstein'ın
denklemine uygun olarak, kitle enerjiye dönüşmüş oluyor. Böylece, kayıp,aynı
zamanda, çekirdeğin "bağlayıcı enerjisi"de oluyor. O enerjiye eşdeğer bir
kitlenin belirmesi gerektiği için, çekirdeği bireysel proton ve nötronlara
ayrıştırabilmek için, bağlayıcı enerjiye eşit miktarda enerji girdisinin
bulunması gerekiyor.
Aston'un saptamalarına göre, birçok çekirdekteki
nükleon başına kitle kaybı, hidrojenden başlayarak yukarıya, demir gibi
madenlere doğru hızlanıyor, daha sonra periyodik tablonun geriye kalan bölümünde
bu hız düşüyordu. Bir başka deyişle, nükleon başına bağlayıcı enerji,
periyodik tablonun ortalarında daha yüksekti.
Uranyum 238'i örnek olarak alalım. Bu çekirdek, bir
dizi çürüme yoluyla, kurşun 206'ya parçalanmaktadır. Bu süreç içinde, 8 alfa
partikülü salınmakta, salınan beta partikülleriyse önemsenmeyecek kadar az
olmaktadır. Kurşun 206'nın kitlesi 205.9745, sekiz alfa partikülününse toplam
32.0208'dir.
Böylece toplam 237.9953'lük bir kitleye
ulaşılmaktadır. Demek oluyor ki, kitle kaybı 0.0553'tür. Uranyum parçalanmasıyla
salınan enerjiyi karşılayacak bir kitle kaybıdır bu...
Uranyumun daha da küçük atomlara parçalanmasıyla
birlikte (fisyon yoluyla), bırakılan enerji miktarı daha da yüksektir.
Hidrojenin helyuma dönüştürülmesi (yıldız sisteminde olduğu gibi) hem kitle
kaybı, hem de üretilen enerji daha yüksektir.
Kitle-enerji denkliği, fizikçiler açısından uygun,
elverişli ve kolay bir "defter tutma" yöntemidir. Örneğin, 1934 yılında
positron'un varlığı keşfedildiğinde, bir elektronla birlikte yok edilmesi
sırasında, iki partikülün kitlesine eşit enerji taşıyan bir çift gama ışını
oluşmuştu. Dahası, Blackett'ın da belirttiği gibi, yeteri miktarda enerjiden
kitle de oluşturulabilirdi. Uygun enerjiyle yüklü bir gama ışını, belli
koşullarda, yok olabilir ve saf enerjiden oluşan bir elektron-positron ortaya
çıkabilirdi. Aynı şekilde, kozmik ya da proton sinkrotonlardan çıkan
partiküller, mezon ve anti-proton gibi kitlesel partiküller oluşturabilirdi.
Çok kolay bir hesaplama sistemiydi bu...
Ama, bu yüzden de, "defterler tutmayınca",
fizikçiler, Einstein'ın denklemi üstünde rötuşlar yapmak yerine, "enerji"
dengesini sağlamak için "nötrino" kavramını ortaya attılar.
Kitlenin enerjiye dönüştürülebileceği
konusunda bugün bile kaygıları, kuşkuları olanlar varsa, sözü uzatmadan, onlara
atom bombası olayını örnek gösterebiliriz.
|
