Süperağır Elementler

Teknolojinin ağır topları maddenin sınırlarını zorluyor.

Dünyanın en donanımlı fizik laboratuvarlarında, uluslararası kamuoyunun fazlaca dikkatini çekmeyen bir yarıştır sürüp gidiyor. Arada bir yapılan açıklamalarla yepyeni bir elementin keşfedildiği, daha doğrusu dev makinelerde “sentezlendiği” duyuruluyor. Son olarak 2012 eylülünün sonlarında, önceki keşifleri kuşkulu görüldüğü için kabul edilmeyen Element 113’ün bu kez kesinleşen keşfiyle, Periyodik Tablo’da elementlerin 1’den 118’e kadar olan tüm serisi tamamlanmış oldu.

Ancak, bu son bulunanlar, bizim bildiğimiz, dünyamızı, bedenlerimizi, atmosferimizi oluşturan elementlere benzemiyor. Bizim tanış olduklarımız, Dünya, hatta Güneş Sistemi ortaya çıktığından beri var. Bunların pek çoğu da “ithal ürün”: Başka yıldızların merkezlerinde ve onların ömrünü noktalayan şiddetli süpernova patlamaları süreçlerinde sentezlenmiş “ağır” elementler. Altın, kurşun, uranyum gibi.

Tantanalı açıklamalarla duyurulan yeni keşiflerse, insanda karışık duygular yaratıyor. Bir kere bunlar “süperağır” elementler diye adlandırılıyor. Doğada bulunmuyorlar.  Gerçi, insanlığın, doğanın yapamadığını başarması bizi gururlandırıyor. Ancak, açıklamalarda çoğumuzun okumadan geçtiği “ince yazılı” ayrıntılar bu duyguyu silip süpürüyor. Bakıyorsunuz, bu ağır sıkletlerin ömrü, saniyeler, hatta saniyelerin binde biri ölçeklerde. Eee, ne anladık? Böyle element mi olur? Bunlar ne işe yarayacak ki?

Bilimciler de, bunların bu kısacık ömürleriyle herhangi bir pratik kullanım alanı olacağı iddiasında değiller. Yeni keşfedilen elementlerin sağladığı yarar, atomların yapısının daha iyi  anlaşılması. Ama  yarışın tarafları daha büyük bir hedefi kovalıyorlar  ve öyle görünüyor ki, çalkantılı bir denizde parlamalarıyla sönmeleri bir olan ışıklara benzeyen bu elementler, bilimcileri güvenli bİr adaya ulaştırmak üzere. Çok kısa ömürlü izotopların işaretlediği yolun sonunda “kararlılık adası” denen bir bölgede, çok daha kararlı, bazılarının ömürlerinin milyonlarca, hatta milyarlarca yıl olduğu elementlerin varolduğu düşünülüyor. Bu bölgeye bir an önce ulaşmak için artık yarışa falan boşverip işbirliğine yönelen fizikçiler, pahalı ve güçlü makinelerin ötesinde “sihir” den de yararlanmaya çalışıyorlar!

BU SÜPERAĞIR ELEMENTLER NEYİN NESİ?

Atomların ağırlığını, ve kararlılık durumlarını, çekirdeklerindeki  proton ve nötronlar ile, çekirdeği çevreleyen elektronların  sayısı ve enerji durumları tayin ediyor. En hafif element olan hidrojen atomunun çekirdeğinde  yalnızca + elektrik yüklü tek bir proton  ve çekirdeğin çevresinde tüm öteki atomlarda olduğu gibi aynı sayıda (Hidrojen için 1) – elektrik yüklü elektron bulunuyor. (Daha ağır izotopları (ileride göreceğiz) hariç, hidrojen atomu, çekirdeğinde nötron bulunmayan tek element). Buna karşılık doğada bulunan elementlerin en ağırı olan ve Periyodik Tablo’da proton sayılarıyla (atom numarası) belirlenen sıralamada 92. Sırada yer alan uranyum-238’in çekirdeğinde de 92 proton (dolayısıyla çevresinde 92 elektron) ve 146 nötron bulunuyor. Proton ve nötronların kütleleri  birbirlerine çok yakın (Proton: 1.6726 x 10^-27 kg,  yani, bir kilonun trilyonda birinin trilyonda birinin binde birinden biraz fazla. Çok az daha ağır olan (yüzde 0.1 kadar) Nötron’un kütlesiyse 1.6749 x 10^-27 kg. Elektronun kütlesi çok daha küçük: 9.11 x 10^-31 kg (yani kilonun katrilyonda birinin katrilyonda birine yakın!). Böylesine küçük ölçekleri üstel sayılarla bile göstermenin güçlüğü nedeniyle, Einstein’ın ünlü E=mc²  formülüyle ifade edilen madde=enerji eşlenikliği uyarınca atomaltı parçacıkların kütleleri elektronvolt cinsinden gösterilirler. Bu birimle, protonun kütlesi: 938.27 MeV (MeV: milyon elektronvolt), nötronunki: 939.56 MeV, elektronunkiyse 0.511 MeV olarak yazılıyor. Ancak basitleştirmek için proton ve nötronun kütleleri  için 1 milyar elektronvolt, elektron için de 500.000 elektronvolt değerleri kullanılır.

Ancak, yine kütle= enerji eşlenikliği dolayısıyla atomların kütleleri hesaplanırken, normal olarak atom çekirdeği içindeki parçacıkların içinde (proton ve nötronlar, aslında “kuark” denen çok daha küçük temel parçacıklardan oluşur) ve aralarında etkiyen “şiddetli çekirdek kuvveti” ile çekirdek ve elektronları bir arada tutan elektromanyetik kuvvetin de kütle karşılıklarının hesaba katılması gerekir. Ama bu işleri daha da karmaşık hale getireceğinden atomların ve parçacıklarının kütlelerinden sözedilirken, bunların “hareketsiz” oldukları varsayılan en düşük enerji düzeyleri anlamında “duragan kütleleri” kastedilir.

Uzun lafı kısası, bu değerleri alt alta yazıp topladığınızda atomların kütleleri (duragan haldeyken) ortaya çıkar. Dolayısıyla atom çekirdeklerindeki parçacıklar ile elektronların sayısı arttıkça, o atomların temsil ettiği elementin ağırlığı da artar. Bu elementlerin ağırlıklarına göre sınıflandırılmasında kesin bir ölçüt olmasa da genelde hafif, orta ağırlıklı, ağır ve süper ağır elementler olarak adlandırılırlar. Çoğu kez, çekirdeğinde 26 proton bulunan ve Güneş’ten çok daha büyük yıldızların merkezlerindeki element sentezinin son durağı olan demirden, doğada bulunan en ağır element olan uranyuma kadar (92 proton) olanlar, ağır element olarak adlandırılıyorlar. Uranyumun ötesinde yapay süreçlerle üretilen elementler genelde süperağır elementler olarak adlandırılırken, bazı sınıflandırmalarda 100 proton ve üzeri proton taşıyan elementler süperağır kategorisine sokuluyor. Biz, süperağır element sınırını, 93 protonla Periyodik Tablo’da 93. sırada yer alan neptünyum ile başlatıyoruz.

Periyodik Tablo’da uranyumun ötesinde yer alan elementler “süperağır elementler” olarak tanınıyor ve dünyanın en ileri fizik laboratuvarlarında bunların yenilerinin oluşturulması için güç ve pahalı deneyler sürdürülüyor. Bu çabaların sonunda 118.  Element de Periyodik Tablo’ya girmiş durumda.

BUNLARIN ÜRETİLMESİ NEDEN BU KADAR GÜÇ?

Doğada bulunmayan ve ancak nükleer reaktör ve parçacık hızlandırıcılarının kullanıldığı deneylerde nükleer füzyon (hafif elementlerin kaynaştırılmasıyla daha ağır elementler elde edilmesi)  ya da nötron yakalama yoluyla oluşturulan bu elementlerin üretilmesindeki güçlük, elementlerin ağırlaştıkça kararsızlaşmaları (radyoaktif bozunma yoluyla çekirdeklerindeki parçacıkların bir kısmını atarak daha hafif elementlere parçalanmaları)  ve ömürlerinin genellikle çok kısa, bazılarının saniyeler, hatta milisaniyeler düzeyinde olması. 

AĞIR ELEMENTLER NİYE KARARSIZ? 

PEKİ AMA, BİR ELEMENT NASIL BAŞKA BİR ELEMENTE DÖNÜŞEBİLİYOR?

 Bir elementi diğerlerinden farklı kılan, çekirdekteki proton sayısıdır.  Farklı proton sayısı, farklı element anlamına gelir. Nötron sayısı ise, elementin kimliğini değiştirmez. Aynı elementin, aynı sayıda proton, ama farklı sayıda nötron içeren türleri olabilir ki, bunlara o elementin “izotopları” denir.  

Yukarıda değinildiği gibi, ağır elementlerin bazıları ya da izotopları kararsız olduklarından bunlar çekirdeklerindeki kütlenin bir kısmını atarak “rahatlama” yani kararlı bir duruma gelme eğilimi taşırlar.  Bunu sağlayan sürece  “radyoaktif bozunum” denir.  Bu bozunumun hızı “yarılanma ömrü” ile ölçülür.   Yarılanma ömrü, belli bir elementin kütlesinin radyoaktif bozunma ile yarıya inmesi için geçen zamana deniyor. Örneğin, radyoaktif bir elementin kütlesi 1 kg ve yarılanma ömrü 10 saniye (ya da 1 milyon yıl) ise, bu kadar süre sonunda kütle bozunum yoluyla 0.5 kg’ye iniyor. Bir o kadar süre sonra 250 grama iniyor ve tümüyle yok olana kadar bu bozunum sürüyor. Bu yarılanma ömürlerinin süreleri, evrenin yaşını (13.7 milyar yıl) geçebildiği gibi, saniyenin çok ufak kesirleri de olabiliyor.

92 proton içeren ve doğada bulunan en ağır element olan uranyumun ötesindeki “sentetik” elementler, laboratuvarlarda yapay olarak oluşturuluyor. Bunun için iki yöntem var:  Proton sayısı 93’ten 100’e kadar olan elementlerin oluşturulması için nötron yutturma tekniği kullanılıyor. Bu işlem, bazen bu amaç için özel olarak tasarlanmış küçük nükleer reaktörlerde yapılıyor, ya da ticari nükleer enerji santrallarda gerçekleştiriliyor ve nötron yutarak oluşan ağır izotoplar, daha sonra atık yakıttan ayrıştırılarak elde ediliyor.

 Nötron yutan çekirdeklerdeki  nötronların bazıları beta bozunması denen bir süreç geçiriyor.  Beta bozunmasında  çekirdeklerdeki nötronlardan biri bir protona dönüşür (negatif beta), ya da bir proton nötrona dönüşür (pozitif beta).  Negatif beta sürecinde nötron,  protona dönüşmek için bir elektron ile bir elektron antinötrinosu atar. Pozitif beta sürecinde de proton,  nötrona dönüşmek için elektronun ters elektrik yüklü (yani pozitif yüklü) karşı (anti) parçacığı olan bir pozitron ile birlikte bir elektron nötrinosu atar. Her iki halde de proton sayısı değişmiş olacağı için element farklı bir elemente dönüşmüştür. 

Uranyumdan daha ağır çekirdekler oluşturmak için proton sayısını artırmak gerekeceğinden, açıktır ki nötronu protona dönüştüren negatif beta bozunumu işler.

Radyoaktif bozunum yoluyla elementlere kimlik değiştirtmenin  bir alternatif yolu da, “alfa bozunumu” denen olgu. Çok sayıda proton ve nötron içeren kararsız çekirdek, “alfa parçacığı” diye de adlandırılan ve iki proton ile iki nötrondan oluşan bir helyum çekirdeği atarak dengeye kavuşur. Ama çekirdekteki proton sayısı eskisine göre azalmış olduğundan, artık başka bir element haline gelmiştir. 

BU ALFA PARÇACIĞI NEDEN KİLİT ROLE SAHİP?

Doğa’da bulunan elementlerin bir kısmı evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’da yaratılan hidrojen ve helyum hariç, yıldızların çok büyük sıcaklık ve yoğunluktaki merkezlerinde hidrojen’den başlayarak hafif elementleri birleştirerek daha ağır elementlere dönüştüren “çekirdek füzyonu” (nükleer füzyon) yoluyla üretilirler. Ancak, çekirdek füzyonu, kütleleri Güneş’ten küçük ya da onun kadar olan “Güneş benzeri” yıldızlarda karbon ve oksijen sentezine kadar sürebilir. 

Görüldüğü gibi, alfa parçacığı, yani helyum çekirdeği, element sentezinde önemli bir yapıtaşı olduğu için, bir duvarı kaldırmak için tuğlalarının teker teker  sökülmesi gibi, kararsız elementlerin daha hafif elementlere bozunmasında da alfa parçacıklarının çekirdekten atılması (alfa radyasyonu) devreye girer. Bu alfa bozunması, kararsız çekirdek ya da izotop, kararlı bir izotopa dönüşünceye kadar merdiven basamakları  ya da zincir halkaları gibi devam eder. Zaten bu süreç, “bozunma zinciri” diye adlandırılır.. Bu zincirn halkalarının sayısı kuramlarda belli olduğu için, bazı süperağır elementlerin  oluşturulduğunun dolaylı kanıtı olarak görülürler.

EKSİLTEMİYORSAN ÇOĞALT

Alfa parçacığının kullanıldığı bir alternatif yöntemse, ağır bir çekirdeğe alfa parçacığı yutturup proton sayısını artırarak daha ağır bir çekirdek elde edilmesi.  Proton sayısı 101 ve üzerinde olan elementleri oluşturmanın bir yöntemi olarak, ağır atomlardan oluşan hedef,  özel parçacık hızlandırıcılarında ya alfa parçacığı ile ya da aranan elementte olması gereken proton sayısını tamamlayacak kadar proton içeren bir başka element ile bombardıman ediliyor.  Örneğin, Hızlandırıcılar içinde ışık hızının onda birine kadar hızlandırılan çekirdeklerle yapılan bombardıman, haftalar hatta bazen aylar boyunca kesintisiz sürdürülüyor ve sonuçta aranan süperağır atomun bir iki sayıda olmak üzere bir ya da birkaç izotopu oluşturulabiliyor.

SÜPERAĞIR ELEMENTLER NASIL OLUŞTURULUYOR?

Yöntem, ağır çekirdeklerden oluşan bir hedefi, ya alfa parçacıklarıyla ya da oluşturulması istenen elementin taşıyacağı proton sayısını tamamlayacak kadar protona sahip orta ağırlıkta bir element çekirdeğiyle bombardıman etmek. Örneğin, daha önce Dubna’da Amerikalı ve Rus bilimcilerce element 117’nin sentezlenmesi için ince bir folyo tabakasına sabitlenmiş berkelyum atomlarından (97 proton) oluşan bir hedef, kalsiyum elementinin (20 proton)ve yüksek sayıda nötron (28 adet) içeren bir izotopuyla  bombardıman edilmiş.

Keza, element 118’in sentezi de de kaliforniyum (98 proton) atomlarının, yine kalsiyum çekirdekleriyle bombardıman edilmesiyle gerçekleştirilmiş bulunuyor.

SÜPER ELEMENTLER İÇİN SÜPER BÜTÇELER

Y ıldızların son derece sıcak ve yoğun merkezlerinde  ya da süpernova patlamalarında doğal yollarla  gerçekleşen ağır element sentezlerini dünyada laboratuvar koşullarında yapay olarak gerçekleştirmek için muazzam enerjiler ve pahalı düzenekler gerekiyor.  Hedefteki elementlerin bombardımanı, elektrik yüklü parçacıkları (protonlar nedeniyle pozitif elektrik yükü taşıyan atom çekirdeklerini) güçlü mıknatıslarla yönlendirip, ışık hızının onda biri gibi çok yüksek hızlara çıkaran, dolayısıyla enerjilerini çok büyük ölçeklere yükselten  çok güçlü ve çok pahalı parçacık hızlandırıcıları içinde yapılıyor.

Şimdiyse kervana, daha önce keşfi yapılmış süperağır elementlerin arasında eksik diş gibi duran element 113’ü sentezleyen  Japonya’da katılmış bulunuyor.  Japon Fizik ve Kimya Araştırmaları Enstitüsü RIKEN’de görevli bilimciler, 2003 ve 2005 yıllarında, altılı bozunma zinciri tanımlanamadığı için Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC)  tarafından tescil edilmeyen sentezi, Eylül 2012 sonunda altılı alfa bozunma zinciriyle kuşkuya yer bırakmayacak biçimde gerçekleştirerek, elemente adını vermeye hak kazandılar.  

BÖYLESİNE GÜÇLÜ EKİPMAN NİÇİN GEREKLİ?

 Bir atom çekirdeği içindeki proton ve nötronları çekirdek içinde tutan temel doğa kuvvetine şiddetli çekirdek kuvveti ya da kısaca “güçlü kuvvet” deniyor. Öteki temel doğa kuvvet leri olan elektromanyetik kuvvet, zayıf çekirdek kuvveti ve kütleçekiminden (adı üstünde) çok daha güçlü olmasına karşın, bu kuvvetin erimi, atom çekirdeğiyle sınırlı.

Atom çekirdekleri içindeki protonlar, çekirdeğe pozitif yük kazandırıyorlar. Çekirdekteki proton sayısı çoğaldıkça, yani çekirdek ağırlaştıkça pozitif  yükün şiddeti de arttığından, iki çekirdek arasında aynı yüklerin yol açtığı itme gücü de büyüyor.

Gerçi atomlarda, çekirdekteki proton sayısı kadar negatif elektrik yüklü elektron adlı temel parçacıklar da bulunduğundan, atomlar yüksüzdür.

Yukarıda belirtildiği gibi ağır çekirdeklerdeki pozitif yükler arasındaki itme kuvveti son derece güçlüdür. Oysa hedefteki ağır element, ve hedefe yöneltilen “mermi” elementin füzyonunun (kaynaşıp süperağır elemente dönüşmesinin) sağlanabilmesi için, mermi çekirdekteki proton ve nötronların, hedef çekirdekteki güçlü çekirdek kuvvetinin etkisine girmesi lazım. Oysa, az önce gördüğümüz gibi bu gücün erimi, çekirdeğin çapıyla sınırlı. Dolayısıyla, iki çekirdeğin birleşebilmesi için, çekirdeklerin aralarındaki itme gücünü yenerek birbirleriyle temas etmeleri gerekir.  İşte bunun için “mermi” çekirdeklere, hızlandırıcılarda manyetik alanlarla çok büyük hızlar kazandırılıp hedefteki çekirdeklerle fiziki temas sağlamalarına çalışılır. 

Bu enerjileri oluşturmak için de , çekirdekleri ışık hızının yüzde 10’una kadar hızlandıran güçlü parçacık hızlandırıcıları kullanılıyor. Yine de her saniye milyarlarca çekirdek çarpışmasının cereyan ettiği süreçte, bir hafta içinde yeterli enerjide ve doğru açıda yalnızca 6 çarpışmanın meydana gelerek element 117’nin oluştuğunu gösteren altı adımlı bozunma zinciri izlenebilmiş.

NİYE BU KADAR AZ SAYIDA OLUYORLAR?

“mermi” iyonların hedefteki atomlar üzerine her saniye milyarlarcasının gönderilmesine karşın, parçacık fiziği jargonunda “olay” diye adlandırılan çarpışmalar son derece ender gerçekleşiyor. Ayrıca bu “olay”larda çarpışmanın türü de önemli,  kimi olayda parçacıklar birbirine sürünerek geçmiş oluyor, kimisinde çarpmalar doğrudan değil, açılı biçimde gerçekleşiyor. Oysa, füzyonun gerçekleşmesi için, iki çekirdeğin tam karşıdan, “kafa kafaya” çarpışması gerekli. Bu durumda bile füzyonun gerçekleşmesi garanti değil, çünkü çarpışan çekirdeklerde bulunan ve birbirlerini tamamlayarak yeni elementi oluşturması beklenen protonlardan ve nötronlardan bazıları, çarpışmanın etkisiyle dışarıya kaçıyor. Ayrıca, füzyon gerçekleşse bile, bunların varlığının belirli alfa bozunum zincirleriyle sırayla kendilerinden bir önceki parçacıklara bozunmasıyla anlaşılabildiğini daha önce görmüştük. Ama bazen füzyonu tamamlanmış parçacıklar bu bozunma zincirini izlemiyor, ya da zincir eksik gerçekleşiyor. Örneğin oluşan element , giderek atom numarası kendisinden bir düşük olan elemente dönüştüğü sürecin bir aşamasında “kendiliğinden fisyon (parçalanma)” denen bir olguyla daha hafif iki çekirdeğe bölünüveriyor ve inilmesi gereken merdivenin son halkasındaki element detektörlerde belirlenemediği için, hedeflenen süperağır elementin sentezlendiği kesin olarak anlaşılamıyor. IUPAC da bu nedenle keşif bildirimlerini onaylamıyor. Sonuçta, yukarıda değinildiği gibi son derece pahalı hızlandırıcılarda haftalar, hatta aylarca süren bombardımanlarda aranan elementin değişik izotoplar halinde yalnızca birkaç örneği sentezlenebiliyor.

BU KADAR KISA ÖMÜRLÜ ELEMENTLER İÇİN BUNCA UĞRAŞ NİYE?

Süperağır elemetlerin çoğu, proton sayıları aynı olmakla birlikte nötron sayıları hayli farklı çok değişik izotoplar ve bunların farklı kristal biçimleri olan izomerler halinde sentezleniyorlar. Aynı elementin izotoplarından bazılarının yarılanma ömürleri milyonlarca yıl, bazılarınınkiyse saniyeler ya da milisaniyeler düzeyinde olabiliyor.  93-100 atom numaralı elementlerin bazıları askeri  (plütonyum, neptünyum nükleer silah yapımında) ve endüstriyel (amerisyum, duman detektörlerinde;   kaliforniyum, metal detektörlerinde) kullanıma uygun, bazıları da uzay endüstrisinde (ör: küriyum uzay araçlarındaki termoelektrik jeneratörlerinde) kullanım alanı buluyor. Ama, 101 atom numarasından itibaren, keşfedilen süperağır elementlerin, genellikle kısa yarılanma ömürleri ve kararsızlıkları nedeniyle bilimsel araştırmanın ötesinde pratik kullanımları bulunmuyor.

Araştırmacılar, sentezledikleri  elementlerle yenilerini ortaya çıkarmak için sürdürdükleri uğraşlarında, süper ağır ve orta ağırlıktaki çekirdeklerin nötronca zengin izotoplarını seçmeye özen gösteriyorlar. Nedeni,  elementlerin atomlarındaki enerji düzeylerini, optimal sayıda proton ve nötronla doldurarak mümkün olduğunca kararlı izotoplar elde etmek. 

Atomlarda çekirdekteki her pozitif elektrik yüklü protona karşılık, çekirdek çevresinde negatif yüklü bir elektron bulunduğunu görmüştük. Bu elektronlarçekirdek çevresinde ilk başlarda sanıldığı gibi, Güneş Sistemi’ni andıran dairesel yörüngelerde düzgün hareketlere sahip değiller. Bunun yerine, her enerji düzeyinde, içinde bulunma olasılıkları yüksek olan ve “orbital” diye adlandırılan bölgeler var. Bir elektronuın, belli bir anda nerede bulunduğu belli değil; ancak belli bir anda çekirdeğin herhangi bir yerinde bulunabilecek “olası” yörüngeler üzerindeki yeri  olasılık hesaplarıyla “tahmin” ediliyor. Dolayısıyla atom, merkezde çok küçük bir çekirdeğin çevresini küre biçimde kaplayan bir “elektrik yükü bulutu” olarak betimleniyor. Ancak yerleri noktasal olarak belirlenemese de, elektronlar bu bulut içinde ancak belli enerji düzeylerinde bulunabilen orbitaller içinde belirli sayılarda bulunabiliyorlar. 

SAMİMİYET BİR YERE KADAR!..

Elektronlar da, proton ve nötronlar gibi “fermiyon” diye adlandırılan ve madde parçacıklarını kapsayan bir parçacık sınıfında yer alıyorlar. Fermiyonlar, pek bir araya gelmekten hazzetmeyen “asosyal” parçacıklar. “Pauli Dışlama İlkesi” denen bir kuantum fiziği kuralı uyarınca, “aynı kuantum durumunda” olan, yani aynı özelliklere sahip fermiyonlar aynı enerji düzeyinde olamıyorlar. Dolayısıyla bir enerji düzeyinde iki elektrondan fazlası bulunamıyor. Bu ikisi de, spin (dönme) denen bir kuantum özelliği birbirine ters kutuplandığı , dolayısıyla da kuantum durumları böylece farklılaştığı için yasağı delerek aynı enerji düzeyinde yer alabiliyorlar.

İlk düzeyden sonraki enerji düzeylerinde, o temel enerji düzeyinin  (Ör: en alttakinin bir üstü olan 2. enerji düzeyinde, düzeyin numarasının karesi  kadar, yani dört orbital bulunuyor.  Dolayısıyla da bunların herbirinde ikişer olmak üzere 8 elektron yer alıyor. Aynı enerji düzeyleri, s, p, d ve f harfleriyle gösterilen alt enerji düzeylerine sahip orbitallere bölünmüş durumda. 

Her enerji düzeyindeki ilk  alt düzeyler olan s alt düzeylerinde yalnızca 1 orbital var. İzleyen temel enerji düzeylerinin s, p, d, f, g, h…alt düzeylerinde 1, 3, 5, 7… diye tek sayılarla artan orbitaller bulunuyor. Bu durumda, 2. Enerji düzeyinde 4 (ikinin karesi) orbital bulunabileceğine göre, s alt düzeyinde  1, p alt düzeyinde  3 olmak üzere toplam 4 orbital yer alıyor ve bunlar üzerindeki toplam elektron sayısı da maksimum 8 oluyor.  Bir sonraki, yani 3. enerji  düzeyinde toplam 9 (üçün karesi) kadar orbital yer alabilir.

ÇEKİRDEKLER DE KABUKLU

 İzotoplarda proton sayısı aynı olmakla birlikte, farklı enerji düzeylerindeki kabuklar üzerine yerleşmiş olabiliyorlar; nötronlar da farklı sayılarda ve farklı kabuklar üzerinde sıralanabiliyorlar.

Aynı elementin İzotoplarının farklı özellikleri, milyonlarca yıl ile milisaniye ölçeklerindeki yarılanma ömürleri, kararlı ya da kararsız olmaları, radyoaktivite düzeyleri bu dizilişlerden kaynaklanıyor.

Temel olarak, kabuklardaki boş yerler ne kadar az olursa, elementin izotopları o ölçüde kararlı oluyor. Dolayısıyla araştırmacılar daha kararlı süperağır elementleri  sentezleme çabalarında “hedef” ve “mermi” izotopların nötronca zengin çeşitlerini tercih ediyorlar.

NE SİHİRDİR, NE KERAMET!

Kimyacılarca onyıllardır doğada bulunan elementler üzerinde sürdürülen araştırmalarda belli sayılarda proton ve nötron içeren çekirdeklerdeki bağlama enerjisinin, başkalarınkinden çok daha güçlü olduğu belirlenmişti. Ayrıca bu sayılardaki çekirdeklerde bulunan nötron ve protonların sıralanma biçimlerinde belli enerji aralıkları saptanmıştı. Bu çekirdek içi parçacıkların sayısının sağladığı özelliklerin, bu sayılarda nötron ya da proton içeren tüm izotoplar için geçerli olduğu da görülmüştü.

Bu gözlemlerden yola çıkan bilimciler 2, 8, 16, 20, 28, 50, 82 ve 126 sayıdaki aynı cinsten (nötron ya da proton) çekirdek içi parçacığın bu güçlü bağlanma enerjisi özelliğini sergilediğini ortaya koydular.  Dolayısıyla bu sayılar “sihirli sayılar” olarak adlandırıldı.

Bir izotop, hem proton kabukları, hem de nötron kabukları y)ukarıdaki sayılardan birini taşıyorsa “çifte sihirli” (ya da çift kat sihirli) diye adlandırılıyor. Örneğin, Kalay-132 çifte sihirli bir izotop, çünkü 50 proton ve 82 nötrona sahip. Çifte sihirli izotoplara başka örnekler olarak helyum-4 (iki proton ve iki nötron), oksijen-16 (8 proton, sekiz nötron),  kalsiyum-40 (20 proton, 20 nötron), kalsiyum -48 (20 proton, 28 nötron), nikel- 48 (28 proton, 20 nötron) ve kurşun-208 (82 proton, 126 nötron) gösterilebilir. Ancak, bu sihirli sayılar üzerinde tam olarak bir netlik yok. Bazı kuramlarda farklı sihirli sayıların varlığı da öne sürülebiliyor.

UFUKTA BİR ADA GÖRÜNDÜ!

Şekilde görüldüğü gibi, süperağır elementlerin atom numarası (proton sayısı) arttıkça, en uzun ömürlü izotoplarının yarılanma ömürleri de giderek günlerden saatlere, dakikalara, saniyelere ve milisaniyelere doğru azalıyor.  Ancak, bilimciler “sihirli sayılar” yardımıyla daha ağır elementler sentezledikçe, bu gidişin tersine çevrildiği bir “kararlılık adasına” ulaşılacağı görüşündeler. Element 118’in ötesindeki  süperağır parçacıkların izotoplarından bazılarının yarılanma ömürlerinin milyonlarca, hatta milyarlarca yıl olabileceği düşünülüyor. Bu elementlerden bazılarının, okyanus tabanlarında varolabileceği yolunda spekülasyonlar da yapılıyor. 

 

SÜPERAĞIR ELEMENTLERİN EN UZUN ÖMÜRLÜ İZOTOPLARI

 

Number	Name	Longest-lived isotope	Half-life
100	Fermium	257Fm	101 days
101	Mendelevium	258Md	52 days
102	Nobelium	259No	58 minutes
103	Lawrencium	262Lr	3.6 hours
104	Rutherfordium	267Rf	1.3 hours
105	Dubnium	268Db	29 hours
106	Seaborgium	271Sg	1.9 minutes
107	Bohrium	270Bh	61 seconds
108	Hassium	277mHs	~12 minutes[9]
109	Meitnerium	278Mt	7.6 seconds
110	Darmstadtium	281Ds	11 seconds
111	Roentgenium	281Rg	26 seconds
112	Copernicium	285Cn	29 seconds
113	Ununtrium	286Uut	19.6 seconds
114	Flerovium	289Fl	2.6 seconds
115	Ununpentium	289Uup	220 milliseconds
116	Livermorium	293Lv	61 milliseconds
117	Ununseptium	294Uus	78 milliseconds
118	Ununoctium	294Uuo	0.89 milliseconds

NASIL ADLANDIRILIYORLAR?

Daha sonra bunlar, IUPAC tarafından onaylanmak kaydıyla keşfi yapan kurumun bağlı olduğu ülke tarafından, genellikle bilime önemli katkı yapmış insanların, ya da keşfin yapıldığı ülke ya da kentin adıyla onurlandırılıyorlar. Ör: amerisyum (Element 95), küriyum (96, radyumu bulan Fransız bilimci Marie Curie anısına), berkelyum (97, Bu süperağır elementi ve birçok başkasını sentezleyen Lawrence Berkeley  Ulusal Laboratuvarı anısına), kaliforniyum (98, Berkeley Laboratuvarı’nın bulunduğu California eyaleti anısına) einsteinium (99, açıklamaya gerek var mı?), fermiyum (100, İtalyan asıllı Amerikalı fizikçi Enrico Fermi anısına), mendelevium (101, Periyodik Tablo’yu geliştiren Rus kimyacı Dimitry Mendelev anısına), nobelium (102, İsveçli petrol ve silah taciri, Nobel ödüllerinin kurucusu Alfred Nobel anısına), lawrencium (103, süperağır elementlertin keşfinde önemli rol oynayan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı anısına), rutherfordium (104, nükleer fiziğin babası sayılan İngiliz fizikçi Ernest Rutherford anısına), dubnium (105, birçok süperağır element keşfine imza atan Rusya’daki Dubna kentindeki araştırma laboratuvarları anısına), seaborgium (106, aktinidler serisinden birçok elementin keşfini yapan Amerikalı kimyager Glenn Seaborg anısına), bohrium (107, kuantum mekaniğinin kurucularından Danimarkalı fizikçi Niels Bohr anısına), hassium (108, keşfin yapıldığı Alman Ağır İyonlar  Araştırma Enstitüsü’nün bulunduğu Hessen eyaletinin Latince isminden [Hassia]), meitnerium (109, nükleer fisyon [parçalanma] sürecini keşfedenlerden Avusturyalı bilimci Lise Meitner anısına), darmstadtium (110, keşfin yapıldığı Alman Ağır İyonlar Araştırma Enstitüsü’nün bulunduğu kentin anısına), Rontgenium (111, X-ışınlarını keşfede Alman fizikçi Wilhelm Röntgen anısına), Copernicium (Dünya’nın Güneş çevresinde dolandığını gösteren ünlü Polonyalı gökbilimci Nicolaus Copernicus’un anısına), ununtrium (113, Japonların isim koyması bekleniyor), flerovium (114, Dubna da keşfin yapıldığı Flerov Nükleer Tepkimeler Laboratuvarı’nın kurucusu Sovyet fizikçi Georgy Flyorov anısına), ununpentium (115, Rusya’nın Dubna kasabasında Rus ve Amerikalı bilimcilerce sentezlendi, henüz resmi adı konmadı), livermorium (keşfin yapıldığı Dubna’da Rus bilimcilerce çalışan Amerikalı bilimcilerin bağlı olduğu Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nın bulunduğu Livermore kasabası anısına),  ununseptium (117, Dubna’da Rus ve Amerikalı bilimcilerin işbirliğiyle sentezlendi, resmi adı henüz konmadı), ununoctium (118, Dubna’da keşfedildi, resmi adı henüz yok).