Atom Bombasının Geliştirilmesini Sağlayan Tepkime: Fisyon

iStock

Atom kelimesi, Yunanca “bölünemeyen” anlamına gelen atomos ifadesinden türetilmiştir. 1800’lü yılların sonunda önce elektronun, sonra çekirdeğin, ardından da protonun ve nötronun keşfiyle atomun daha küçük parçalara bölünemeyeceği fikri geçerliliğini kaybetti.

Daha sonraki yıllarda bilim insanları arasındaki en önemli tartışmalardan biri, atomdan enerji elde edilip edilemeyeceğiydi.

İkinci Dünya Savaşı’nın başlamasından yaklaşık bir yıl önce Alman kimyacı Otto Hahn ve Fritz Strassmann, Berlin’deki laboratuvarlarında uranyumdan daha büyük kütleli atom çekirdekleri elde etmek amacıyla uranyum çekirdeklerini nötronlar ile bombardımana tuttu. Sonuçta oluşan tepkime ürünleri arasında uranyumdan daha hafif olan baryum izotoplarına rastladılar. Otto Hanh eski çalışma arkadaşı fizikçi Lise Meitner’den, elde ettiği bu ilginç sonuçlara bir açıklama getirip getiremeyeceğini sordu.

Science Photo Library

Otto Hanh ve Lise Meitner

Lise Meitner, Niels Bohr’un araştırma merkezinde çalışan yeğeni fizikçi Otto Frisch’le Hahn’ın bulgularını paylaştı. İkili yüksek hızda hareket eden nötronla çarpıştırılan uranyum çekirdeklerinin yaklaşık olarak eşit büyüklükteki atom çekirdeklerine bölünebileceğini orta koydu. Otto Frisch, uranyumun nötron bombardımanı sonucu bölünmesini bir su damlasının aşağıya düşerken uzayıp ortadan ikiye ayrılarak iki damla hâline gelmesine benzetmişti. Frisch, bu süreci biyolojide hücre bölünmesinde kullanılan binary fission teriminden esinlenerek “fisyon” olarak adlandırdı.

Lise Meitner fisyon tepkimesi sonucu açığa çıkan iki atom çekirdeğinin toplam kütlesinin uranyumun kütlesinden daha küçük olduğunu, bu kütle farkının da bir protonun kütlesinin beşte biri kadar olduğunu belirledi. Bu kütle farkı Einstein’ın ünlü denklemi E=mc²’ye göre enerjiye dönüşüyordu.

Alamy

Manhattan Projesi kapsamında kurulan uranyum-235 ayrıştırma tesisi

Bilim insanları fisyon tepkimesi ile fazladan nötron oluşuyorsa, açığa çıkan fisyon enerjisinin zincirleme tepkimeyle artırılabileceğini düşündüler. Nükleer fisyon tepkimesinin keşfi, atom bombasının geliştirilme sürecini tetikledi. Ancak fisyon tepkimesinin keşfinde önemli rolü olan Lise Meitner, Manhattan Projesi olarak bilinen atom bombasının geliştirilme çalışmalarında yer almayı kabul etmedi.

Nükleer Fisyon Nedir?

Büyük kütleli atom çekirdeklerinin parçalanarak daha küçük çekirdekler oluşturması sonucu enerji açığa çıkarması sürecini “nükleer fisyon” olarak tanımlarız. Bu süreç genellikle atom çekirdeklerinin nötron bombardımanına maruz kalmasıyla başlar ve sonuçta tepkimeye giren atomlardan farklı atomlar açığa çıkar.

Wong Yu Liang / GettyImages

Nükleer Fisyon Tepkimesi Nasıl Gerçekleşir?

Nükleer fisyon sırasında bir nötron uranyum gibi bir ağır atom ile çarpışır, atomun parçalanmasıyla birlikte daha hafif kütleli atomlar oluşur. Sonuçta oluşan atomların toplam kütlesi başlangıçtaki atomun kütlesinden daha düşüktür. Bu nedenle aradaki kütle farkı enerjiye dönüşür.

Fisyon tepkimesini başlatan nötron sayısı bir iken, tepkime sonrasında oluşan nötron sayısı daha fazladır. Bu nötronlar diğer uranyum atomlarıyla çarpışmaya devam eder, böylece süreç kendini sürekli tekrarlar ve sonuçta büyük miktarda enerji açığa çıkar. Bu süreç “nükleer zincir tepkimesi” olarak isimlendirilir.

Nükleer enerji santrallerinde enerji elde etmek için genellikle uranyum ve plütonyum atomları kullanılır.

PeterHermesFurian / iStock

Nükleer fisyon zincirleme tepkimesi

Nükleer fisyon tepkimesi sonucu büyük miktarda enerji açığa çıkması, Albert Einstein’ın özel görelilik teorisinin sonuçlarından biri olan meşhur E= mc² denklemi ile açıklanır. Bu denklem kütle (m) ile enerji (e) arasındaki ilişkiyi ifade eder. Denklemdeki c ise ışık hızıdır.

Alamy

Atom bombasının patlamasından sonra Nagazaki’nin durumu

Fisyon tepkimesi ile enerji elde edilebileceğini gösteren çalışmalar sonucu yapılan ilk atom bombası 6 Ağustos 1945’te Hiroşima’ya, ikincisi ise 9 Ağustos 1945’te Nagazaki’ye atıldı. Başlangıçta kötü amaçlar için kullanılsa da günümüzde fisyon tepkimesinden enerji, tıp, teknoloji ve savunma sanayii gibi farklı alanlarda yararlanılıyor.

Kaynaklar:

• https://www.space.com/what-is-nuclear-fission
• https://www.eia.gov/energyexplained/nuclear/#:~:text=During%20nuclear%20fission%2C%20a%20neutron,when%20a%20uranium%20atom%20splits.
• https://aps.org/publications/apsnews/200712/physicshistory.cfm
• https://aps.org/publications/apsnews/201502/physicshistory.cfm
• https://www.osti.gov/opennet/manhattan-project-history/Events/1890s-1939/discovery_fission.htm