Yıldızlar neden parlar ve termonükleer silahlar nasıl çalışır ?

Şehir ışıklarının olmadığı bir gece gökyüzüne baktığınızda dünyadaki tüm kumsallarda bulunan kum taneciklerinin sayısından daha fazla sayıda yıldızın ışığı size ulaşma potansiyeli vardır.Nekadar soluk gözükselerde her biri kendi sisteminde Güneş gibidir.Canlıların yaşamı yıldızlara bağlıdır(astrolojik olmayandan):

Yaşam için gerekli elementlerin oluşturulması
Kullanılabilir Enerji
Genetik materyali mutasyona uğratarak çeşitliliği arttırmak

DNA’mızdaki nitrojen, dişimizdeki kalsiyum, kanımızdaki demir, kebapta bulunan karbon, sönen yıldızların malzemesinden yapılmıştır.Canlıların yaşamasını sağlayan devlerdeki fizik kanunlarını aynı zamanda tüm canlıları yok edicek güçte silah yapımında nasıl kullanılabileceğini anlayacağız.

Eve en yakın yıldız Güneş, orta büyüklükte 4.6 milyar yaşında ve her saniye yaklaşık 4,000,000,000 kg kadar kütleyi enerjiye(ΔE = Δm c2) dönüştürmekte.Enerjiye dönüşen kütle genellikle foton formatında yayınlanıyor çekirdekte oluşan foton çok yoğun bir plazmanın içinde doğmuştur ve sürekli yüklü parçalıklarla etkileşir, yaklaşık 1 milyon yıl çarpıştıktan sonra yüzeyi terkeder ve 8 dakika içerisinde Dünya’ya ulaşır enerjimiz kullanılmaya hazır.Nasıl çalışıyor?

Temel olarak yıldızların içerisinde füzyon reaksiyonu gerçekleşmekte Güneş’in kütlesinin yaklaşık %73’ünü hidrojen oluşturmaktadır enerjinin önemli bır kısmı
4 hidrojen çekirdeğinin (protonun) helyum çekirdeğine dönüşmesi sonucunda elde edilir.Bu süreçte neden enerji açığa çıktığını Bağlanma Enerjisi ile anlayabiliriz.Grafikte soldan sağa giderseniz yıldızlar parlar (füzyon) sağdan sola giderseniz atom bombaları(fisyon) patlar.

Nükleer bağlanma enerjisi:atomun çekirdeğini bileşenlerine ayırmak için gereken enerjidir.Güçlü nükleer kuvvet çok kısa menzilli fakat çok güçlüdür nükleonları bir arada tutmaya yarar.Grafiği incelediğimizde Demir-56 kadar nükleon başına bağlanma enerjisi artar ve sonrasında düşüşe geçer.Bir atomun kütlesini bulmak istiyorsanız nükleonlarının enerjisinden bağlanma enerjisini çıkartırsınız.Enerji ve kütle madalyonun 2 yüzü gidibir.

Bir atomun durgun enerjisi = İçerdiği nükleonların Enerjisi-Bağlanma enerjisi
Bir Helyum atomu 2 proton 2 nötron içerir, bir tartı ile 2 proton 2 nötron ve Helyum atomunu karşılaştırsaydık,Helyum atomunun daha hafif olduğunu görürdük çünkü enerjinin bir kısmı içerdiği nükleonları güçlü nükleer kuvvetle bağlı tutmak için kullanılmaktadır,girdilerin enerjisi çıktılardan daha yüksektir bu fark ortama aktarılır.
Güneşte gerçekleşen bir tepkime Döteryum + Trityum = Helyum + Nötron + 17.6 Mev enerji dışarı verilir,nötron proton ve bağlanma enerjileri ile işlem yaparsanız 17.6 Mev civarında enerji çıktığını bulabilirsiniz.
Klasik mekaniğe göre Güneş’in yanmaması gerekir çekirdek sıcaklığı ortalama 15.000.000 derece’dir ve füzyonu devam ettirmek için yetersizdir,kuantum tünelleme sayesinde enerji barıyerleri aşılabilir.
Bu işlem sonucunda yıldızlar Nükleosentez ile daha ağır elementler oluşturlar,füzyon demir elementine kadar çalışır çünkü demirden sonra bağlanma enerjisi azalmaya başlar oluşturulacak elementin enerjisi,girdilerden daha yüksektir.Çekirdeğinde demir oluşmaya başlayan yıldızlar ölmeye başlarlar ve çok büyük değilseler en sonunda süper nova geçirerek evrene yaşam için gerekli elementleri saçarlar.Demire kadar element üretiliyorsa altın veya daha ağır elementlerin nereden geldiği sorulabilir, yıldız çarpışmaları veya süpernova anındaki yüksek enerji ile oluşmaktadırlar.

Yaratmaktan yok etmeye

Termonükleer silahlar,yeryüzüne güneşi getirme girişimidir.Bir gazı sıkıştırmaya başladığınızda giderek sıcaklığı artmaya başlar,önce elektronlarını kaybederek iyonize olur ve plazmaya dönüşür sonrasında ise atomik yapsını kaybederek proton ve nötronlara ayrılır dahada ısınırsa nükleonlar kuarklara ayrılmaya başlar.Bir yıldız doğmadan önce toz ve gaz bulutu formundadır kütleçekim küre biçimi alıcak şekilde parçacıkları sıkıştırmaya başlar protonlar pozitif yüklüdür bir birlerine yaklaştıkları zaman elektrostatik kuvvet(giderek artan) uygularlar ve nükleer kuvvetin etkileşebileceği mesafeye ulaşamadan yollarından saparlar.Buna Coulomb bariyeri denir.

Yıldız ısındıkça parçacıkların kinetik enerjisi artmaya başlar, bariyeri aşmak için yeterli enerjiye sahip olan atom veya nükleonlar 1 Fentometre(10^-15 metre) kadar birbirlerine yaklaştıklarında güçlü nükleer kuvvetin menziline girerler ve nükleer reaksiyonlar gerçekleşebilir.Kütle çekim ile sıkışmaya başlayan yıldızın çekirdeğinde füzyon başladığında karşı bir kuvvet oluşur yıldızın daha fazla yoğunluğu artmaz ve hidrostatik dengeye ulaşır.Yıldızlar bu ısıtma işlemini çok büyük kütleleri sayesinde yapabiliyorlar peki dünyada bu ısıtma işlemini nasıl gerçekleştirebiliriz:Evde denemeyiniz !

Termonükleer Silahların temel parçaları:

Kimyasal patlayıcı
Atom bombası(Fisyon)
Hidrojen bombası(Füzyon)

Temel işleyiş Kimyasal patlayıcı fisyon bombasını kritik kütleye ulaştırır ve zircirleme nükleer reaksiyon başlatır.Hidrojen bombasını aktive etmek için Atom bombası kibrit niyetine kullanılmaktadır.

Kritik kütleyi anlamak silahları kontrol etmek için önemlidir,şu soruyu sorabiliriz kimyasal bir reaksiyon nasıl nükleer bir tepkimeyi başlatıyor.

%90 üzerinde zenginleştirilmiş uranyum-235 veya plütonyum-239 kendi kendine zincirleme reaksiyon başlatmaz bunun nedeni atomlar arasında çok fazla boşluk vardır ve nötronlar dışarı sızar.

Kritik kütleye ulaşmak için yapılabilecek 3 adım vardır:

1-Daha fazla madde eklemek

2-Nötronların kaçabileceği yüzey alanını azaltmak

3-Yoğunluğu arttırmak

Dünyadaki toplam uranyumun kütle olarak yalnızca %0.72’si U-235’dir, geri kalanın çoğu U-238’dir,U-238 nötron ile vurulduğunda bölünmez ve aldığı enerjiyi ışıma ile geri verir.Cevherden U-235 ayırma işlemine zenginleştirme denir ve zor bir süreçtir,sorunu çözmek için madde eklemek bir noktadan sonra mantıksızdır.

Kimyasal patlayıcı bölünebilir maddeyi sıkıştırarak yoğunluğunu arttırır bir nötron uzayda yolculuk yaparken atom çekirdeklerine rastlama şansı yükselmiştir,patlayıcı küre şeklinde yapılmıştır bu sayede daha az yüzey alanına sahiptir ve kürenin etrafına Berilyum yansıtıcılar koyulur dışarı kaçmaya çalışan hızlı bir nötron berilyum yansıtıcıya çarparak seker yavaşlamış ve sayısı artmış bir şekilde fisyonu devam ettirir.Atom bombası artık aktive olmuştur, kütle enerjiye dönüşür ve en karanlık geceyi bile kör edici biçimde aydınlatabilecek şekilde ışıma yapar.

Şok dalgası silahın bütünlüğünü bozmadan önce yüksek enerjili Gama ve X ışınları(ışık hızı) Hidrojen bombasını milyonlarca dereceye ısıtmaya başlar bu işlem saniyenin 550 milyarda birinde gerçekleşir.Hidrojen bombasının yakıtı Lityum döterit’tir, yeterli sıcaklığa ulaşınca nötron ile reaksiyona girer ve Helyum + Trityum oluşturur sonrasında Helyum + Trityum reaksiyona girer ve enerji açığa çıkar bu işlem ise saniyenin 50 milyarda birinde gerçekleşir.Füzyonda açığa çıkan enerji Fisyona göre çok daha fazladır.

Neden Nötron ?

Nötron,James Chadwick tarafından 1932 yılında keşfedilmiştir.Einstein nötron keşfedilmeden önce nükleer silahların yapılabileceğine inanmıyordu,protonlar ile atomları vurmak mıknatısların aynı kutuplarını birleştirmeye benzer.Nötronu özel yapan yüksüz olmasıdır,atom çekirdekleri ile kolayca etkileşebilir.

10,000,000,000 kg TNT’nin enerjisi çok sıcak bir plazma içerisindedir plazma giderek genişler ve vorteks oluşturarak soğumaya başlar.Şok dalgası etrafındaki havanın basıncında ani değişikliklere sebep olur, ortamın sıcaklığı düşürür bunun sonucunda havadaki nem yoğunlaşır ve kısa süreliğine Wilson bulutları oluşturur ani manevra yapan jet uçaklarında da gözlemlenebilir.

Yerçekimi olmasaydı bulut küreye benzer bir şekilde dağılırdı.

Bu patlamaların oluşturduğu ünlü mantar bulutu 965 km öteden bile görülebilir ve 30 km kadar yükseğe çıkabilir.

İstanbul’dan bakan biri önüne çok büyük bir engel çıkmadığı sürece rahat bir şekilde Mersin’deki mantar bulutunu görebilir.Patlamanın merkezine yakın bölgelerdeki cisimler, güneşten bile daha sıcak olan plazma nedeniyle buharlaşır ve buluta karışır.Sonrasında rüzgarın yönüne bağlı olarak yeryüzüne radyoaktif parçacıklarla düşerler.Bombanın kirli(radyoaktif) tarafını atom bombası oluşturur,hidrojen bombası ise radyoaktif atık bırakmaz.