Bilim İnsanları Bir Atom İkiye Bölündüğünde Tam Olarak Ne Olduğunu Açıkladı

ABD'li teorik fizikçiler tarafından yapılan bir simülasyon, bir atomun ikiye bölündüğü anın ilk tam mikroskobik karakterizasyonunu sağlayarak bilim ve teknolojide yeni bir çağı tanımlayan enerjik bir olaya ilişkin yeni bilgiler ortaya çıkardı.

1938'de fizikçiler Otto Hahn, Lise Meitner ve Fritz Strassmann uranyum çekirdeğinin nötronlarla vurulduğunda nasıl ikiye bölündüğünü gösterdiklerinde, bu küçük kelimenin ne kadar yanlış bir adlandırma olduğunu keşfettik.

On yıllar sonra, savaş, enerji, tıp ve bilimsel araştırmalarda kullanılmasına rağmen, nükleer fisyon sırlarını vermekte yavaş davranıyor.

Bir dağıtıcıdaki sakızlar gibi bir araya toplanmış proton ve nötronların basit modellerinin ötesinde, büyük bir atomun çekirdeği vahşi bir kuantum aktivitesi fırtınasıdır.

Tek tek nükleonların nasıl davrandığını ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak, bırakın önemli dönüşümler geçirenleri, tek başına sessizce duran atomlar için bile yeterince zordur

Los Alamos Ulusal Laboratuvarı ve Washington Üniversitesi'nden (UW) teorik fizikçiler, takip etmeyi biraz daha kolaylaştırmak için fisyon sürecini dört adıma ayırıyor.

İlk 10-14 saniyede (aşağı yukarı), yavaş hareket eden bir nötronun girmesi, çekirdeği şişkinleşmeye ve eyer noktası olarak tanımlanan bir yerde kendini yeniden düzenlemeye zorlar ve atomun biraz küçük bir fıstık kabuğuna benzemesine neden olur.

Bunu hızla, fisyon sürecinin parçalarının oluştuğu, eyerden bölünmeye olarak adlandırılan çok daha hızlı bir değişim izler. Bu yaklaşık 5×10-21 saniye sürer.

Üçüncü adım yine daha hızlıdır ve 10-22 saniyelik bir göz kırpma süresinde dönüşür. Parçalanma ya da yırtılma olarak adlandırılan bu aşamada çekirdek resmen parçalanır.

Açılması sadece 10-18 saniye süren son adımda, fisyon parçaları kendilerini şekle sokar ve hızlanarak uzaklaşır, nötron ve gama ışınları salar ve kısa bir gecikmeden sonra potansiyel olarak başka bozunma süreçleri yaratır.

Birden fazla teori atom altı parçacıkların fıstıktan patlamaya kesin geçişini açıklasa da, çoğu durumda deneysel sonuçlar ya fiziğin temel varsayımlarıyla çelişmekte ya da tek tek protonlar ve nötronlar arasındaki etkileşimlerin 'mikroskobik' modellemesine ters düşmektedir.

Baş yazar UW fizikçisi Aurel Bulgac tarafından geliştirilen bir çerçeveye dayanan kuantum çok cisim simülasyonu, büyük bir atom çekirdeğinin iki yarısını birbirine bağlayan köprü sıkışıp ayrıldığında, parçalanma anında tam olarak ne beklenebileceğinin şimdiye kadarki en doğru tasviridir.

Farklı başlangıç koşulları altında uranyum-238, plütonyum-240 ve kaliforniyum-252 üzerine yapılan hesaplamalarda ABD Enerji Bakanlığı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nın süper bilgisayarı yoğun olarak kullanıldı.

“Bulgac, ‘Bu muhtemelen boyun kopmasının herhangi bir varsayım ve basitleştirme olmaksızın en kesin ve en dikkatli şekilde elde edilmiş teorik açıklamasıdır’ diyor.

“Şimdiye kadar var olmayan çok spesifik bir tahminde bulunuyoruz. Önceki teoriler her zaman 'Bunun olduğunu varsayalım ve eğer oluyorsa, o zaman bu muhtemelen görülecektir' üzerine kuruluydu. Biz bunu yapmadık. Biz sadece nükleer fizikte onlarca yıldır bilinen hareket denklemlerini yüksek hassasiyetle ve kuantum mekaniği ile bir araya getirdik, başka bir şey yapmadık.”

Simülasyon, fisyon sürecinde birkaç sürprizi ortaya çıkardı. Bazı modellerin boyun kırılması sürecinde bol miktarda kuantum rastlantısallığı öngördüğü yerde, ekibin modeli atom altı parçacıkların yoğunluğunda, kırılma noktasının ortaya çıkmasından önce gelen net bir ''kırışma'' tespit etti.

Ayrıca iki tip nükleon arasındaki bölünme zamanlamasında da belirgin bir farklılık vardı; proton boynu nötron boynundan önce kırılmasını tamamlıyordu.

En önemlisi, simülasyon, bölünme aşaması sırasında yüksek enerjili nötronların salınımına ilişkin tartışmalı önerileri doğruladı ve model, enerjilerini, açısal dağılımlarını ve hatta kaçış yönlerini tahmin edecek kadar ileri gitti.

Bulgaç, “Çoğu deney bu nötronları fisyon parçalarının hareket yönünde arıyor ve çoğu sıcak parçalardan yayılan termal nötronlar olduğu için bu nötronları ayırt edemiyorlardı” diyor.

Tahminler elimizde olduğuna göre, bir sonraki adım deneylerin 'bölünmez' atomun nasıl ikiye bölündüğüne dair bu son keşifleri destekleyip desteklemediğini görmek.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.