Periyodik Tabloda Keşfedecek Kaç Element Kaldı?

Fizikçiler 1930’dan bu yana doğada olmayan yeni elementler keşfediyor ve bugün periyodik tabloda 118 element yer alıyor. Peki periyodik kimyasal elementler tablosu tamamlandı mı? Yoksa bu tabloya çok ağır olduğu halde milyonlarca yıl bozulmadan kalan yeni kararlı elementler ekleyebilir miyiz? Element 119’la birlikte kimyanın geleceğini görelim.

Yeni elementler

30 Aralık 2015’te fizikçiler 4 yeni element buldu ve periyodik tabloya ekledi. Doğal ortamda bulunmayan ve laboratuarda üretilen bu elementleri Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) duyurdu: Nihonyum (Nh 113), moskovyum (Mc 115), tenesin (Ts 117) ve oganezon (Og) 118.

Yeni elementlerin bulunmasının hemen ardından da “periyodik tablo tamamlandı ve artık yeni elementler bulamayacağız” haberleri dünyaya yayıldı. Oysaki yeni elementler keşfetmeyi sürdürebilir; ömrü birkaç saniye ve hatta birkaç saliseyle sınırlı olmakla birlikte, tabloya yeni radyoaktif elementler ekleyebiliriz. Öyleyse element 119 ve sonrasını görelim.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Periyodik tablonun geleceği

Einstein’ın görelilik teorisinde yer alan göreceli kinetik enerjinin atomların çevresindeki elektronları da etkilediğini belirten kimyacılar, 118. elementten sonra yeni elementler bulmaya devam edeceğimizi söylüyorlar.

Öyle ki yeni süper ağır atomlar, ağırlıklarından beklenmeyecek kadar istikrarlı olabilir ve günlerce, belki yıllarca bozulmadan kalabilirler. Peki oganezonla birlikte periyodik tabloda boş yer kalmamışken yeni element keşfetmeye nasıl devam edeceğiz?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Dipte daha çok yer olduğu için

Ünlü fizikçi Richard Feynman, atom dünyasında keşiflerin uzun yıllar devam edeceğini belirtmek için “Dipte daha çok yer var” demişti.

Oysa periyodik yasayı bulan ve bu nedenle de 1906 yılında Nobel kimya ödülünü alan Dmitri Mendeleev’in geliştirdiği periyodik tabloya baktığımız zaman, tablodaki boş yerlerin dolmak üzere olduğunu görüyoruz.

Yine de bu sadece tabloda yer kalmadığını gösteriyor. Yoksa 119. elementi laboratuarda üretmenin imkansız olduğu anlamına gelmiyor. Biz de 119. elementten itibaren tabloya yeni satırlar ekleyerek gelecekte keşfedilebilecek olan element 137’nin önünü açacağız.

Element 137 standart modele göre üretebileceğimiz en ağır element. Element 173 ise kuantum fiziğindeki esnek atom modeline göre üretebileceğimiz en ağır element. Öyle ki sanal parçacıklar yoluyla boşluktan antimadde üretecek kadar egzotik olabilir.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Yapay elementler

Ancak yeni satırı eklemeden önce, periyodik tablodaki kimyasal elementlerle ilgili kafa karıştırıcı bir noktayı giderelim: Yapay elementler doğada bulunmuyor derken, bunları ilk kez insan icat etti demek istemiyoruz. Yalnızca bazı yapay elementlerin Dünya gezegeninde bulunmadığını söylüyoruz.

Yoksa çarpışan nötron yıldızları ve süpernovalar bazı kısa ömürlü ağır elementleri farklı miktarlarda üretiyor olabilir: Tıpkı Yeryüzündeki altın atomlarını uzayda çarpışan ve süpernova halinde patlayarak kara deliğe dönüşen nötron yıldızlarının üretmiş olması gibi.

Demir gibi ağır elementleri yıldızlara borçluyuz; çünkü büyük patlama sırasında sadece en hafif ilk 5 element üretildi: hidrojen, helyum, lityum, berilyum ve bor. Altın ve uranyum gibi daha ağır olan diğer elementleri ise patlayan yıldızlar, nötron yıldızları, kara deliklere borçluyuz.

Zaten uranyumun nadir bulunmasının sebebi de bu tür kozmik olayların nadiren gercekleşmesi. Ancak, en azından element 118 ve sonrasının tümüyle yapay olduğunu ve bildiğimiz kadarıyla hiçbir doğal süreçle üretilmediğini düşünüyoruz. Kısacası biz insanlar evrene yeni elementler ekliyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Peki kimyasal element nedir?

En basit ifadesiyle kimyasal elementler doğadaki farklı atomlardır: Kurşun, demir, silisyum ve insan vücudunun yapıtaşları olan karbon ile oksijen atomları kimya derslerinden tanıdığımız birer kimyasal element.

Dahası astrofizikçiler helyumdan ağır olan bütün atomları metalik element olarak adlandırıyorlar. Ancak, bu karbon atomunun metal olduğu anlamına gelmiyor. Her durumda insanlığın bildiği bütün elementler periyodik tabloda sıralanıyor.

İlgili yazı: Zaman Neden Geleceğe Akıyor?

 

Periyodik tablo nasıl okunur?

Bunun görmek için Kalsiyum (Ca) atomunu ele alalım. Periyodik tabloya baktığımız zaman, kalsiyum simgesinin üstünde atom numarasını (20) ve hemen altında da element ağırlığını (40) görüyoruz ki bu hesaplamaya genellikle elektronları katmıyoruz.

Kısacası 20 sayısı kalsiyum atomundaki proton sayısı ve 40 sayısı da proton ile nötron sayısının toplamı oluyor. Biz de periyodik tabloda üstteki sayıyı (20), alttaki sayıdan çıkardığınız zaman (40), o atomun nötron sayısını buluyoruz.

Keza plütonyumun atom numarası 94 ve bağıl atom kütlesi de 244’tür. Kütle sayısını da bazen yuvarlıyoruz. Mesela kalsiyum atomunun bağıl kütle sayısı aslında 40 değil, 40,078(4).

Periyodik tabloda buna ek olarak kimyasal elementlerin renk sınıflandırması da var ve bu renk kodlarını hemen yukarıda görebilirsiniz.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Şimdi atomların iç yapısına bakalım

Evrendeki en basit element olan hidrojeni saymazsak bütün atomların çekirdekleri pozitif elektrik yüklü protonlar ve elektrik yükü sıfır (nötr) olan nötronlardan oluşuyor. Negatif yüklü elektronlar da çekirdeğin etrafında dönüyor.

Bir atomun çevresinde proton sayısına eşit sayıda elektron dönüyorsa o atom nötr oluyor, yani toplam elektrik yükü sıfıra eşitleniyor. Aslında kimyacılar atom derken nötr atomları kast ediyorlar. Çevresinde elektron dönmeyen atomlar ise pozitif yüklü atom çekirdekleri olarak adlandırılıyor.

Ayrıca elektron sayısı proton sayısını aşan veya proton sayısının altında kalan atomlara da iyonize atomlar diyoruz. Bunlar elektron sayısı fazlaysa negatif iyon ve elektron sayısı azsa pozitif iyon oluyor.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Elektron yörüngeleri

Bu noktada kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzünden elektron yörüngelerinin de belirsiz olduğunu ekleyelim. Öyle ki elektronların çekirdek çevresinde tam olarak nasıl döndüğünü göremediğimiz için bunlara yörünge yerine yörünge kabukları diyoruz.

Elektronlar ne kadar yüksek enerjiye sahipse atom çekirdeğinden o kadar uzak dönüyor. Tıpkı Dünya’nın çevresinde dönen uydumuz Ay’ın, Yeryüzünün momentumunu çalarak hız kazanması ve dönerken Dünya’dan gittikçe uzaklaşıyor olması gibi.

Ayrıca bir elektron enerji kazanıp üst yörüngeye (uzak yörüngeye) geçtikten sonra enerji kaybedebiliyor. Elektronlar uzaya foton salarak enerji kaybediyor. Böylece daha düşük enerjili alt yörüngelere geçiyor.

İlgili yazı: 5 Soruda Sonsuzluk ve Paralel Evrenler

 

Buna fotoelektrik etki diyoruz

Fotoelektrik etkiyi 1905’te Einstein keşfetti. Bu keşif Max Planck’ın Planck sabitini bulmasıyla birlikte kuantum fiziğinin temelini oluşturdu; yani Einstein, kuantum fiziğini hiç sevmese de kuantum dünyasının kurucularından biri olarak kitaplara geçti.

Her halükarda güneş enerjisini Einstein’a borçluyuz; çünkü güneş ışığından elektrik üretmeyi sağlayan güneş panelleri fotoelektrik etkiyle çalışıyor.

Elbette Einstein fotoelektrik etkiyi keşfetmekle kalmadı. Ünlü E=mc² denklemiyle görelilik teorisini de geliştirdi ve görelilik teorisinde, ışık hızına yakın hızda giden cisimlerin kütlesinin arttığını biliyoruz. Aşağıda insanların yapay elementleri nasıl ürettiğini anlatırken buna geri döneceğiz.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

Sırada nükleer enerji var

Atom çekirdeklerindeki protonlarla nötronları bir arada tutan kuvvete güçlü nükleer kuvvet diyoruz ve bunu yapmak için de nükleer kuvvetin elektromanyetizmayı yenmesi gerekiyor:

Sonuçta protonlar pozitif elektrik yüküne sahipler; ama elektromanyetizmada eş yükler birbirini itiyor. Öyleyse protonlar nasıl bir araya gelerek atom çekirdekleri oluşturuyor?

Bunun nedeni, nükleer kuvvetin adından anlaşıldığı gibi çok güçlü olması. Aslında evrendeki en güçlü kuvvet; fakat sadece atom çapı kadar kısa bir mesafede etkili oluyor ve iki proton birbirine çok yaklaşırsa bunları birbirine yapıştırıveriyor.

İlgili yazı: Solucandelikleri ve zaman makineleri ile geçmişe yolculuk edebilir miyiz?

 

Gerçek güneş enerjisi

Güneşimiz bu sayede tutuşup ısı ve ışık saçıyor. Gerçek güneş enerjisi olan nükleer füzyon reaksiyonları sırasında, küçük atom çekirdekleri birleşerek daha büyük atomlar oluşturuyor. Öyle ki evrende bulunan bütün orta ağırlıklı elementler yaşlı yıldızlar çekirdeğinde üretiyor.

Nükleer füzyon sürecinde, eş yüklü protonların birbirine yapışmasını önleyen elektromanyetik kuvvet nükleer kuvvetin çekimine yenik düşüyor ve bu da büyük enerji açığa çıkarıyor.

Nükleer füzyon Güneş’i yakıyor ve fazlası da büyük kütleli yıldızların süpernova halinde patlamasına yol açıyor. İşte bu sırada vanadyum ve titanyum gibi daha ağır elementler sentezleniyor.

İlgili yazı: Interstellar Filmi Ne Kadar Gerçekçi?

 

Nükleer füzyonun konumuzla ne ilgisi var?

Öyle ya: Bizler nükleer reaktörleri kullanarak plütonyum gibi doğada bulunmayan daha ağır yeni elementler ürettiğimiz zaman, aslında uranyum gibi atom çekirdeklerini yoğun nötron bombardımanına tabi tutuyoruz; ancak bunu nükleer füzyonla yapmıyoruz.

Nitekim ilk yapay elementlerin üretildiği 1930’larda nükleer füzyon teknolojisi geliştirilmemişti ve şimdi de elimizde ITER gibi birkaç sınırlı deneysel reaktör bulunuyor.

Yine de nükleer füzyon insanların yapay element üretmesi için şart; çünkü periyodik tabloya eklenecek olan daha ağır elementleri ancak mevcut ağır elementleri kullanarak üretebiliyoruz. Kısacası patlayan yıldızlar uranyum tozu üretmeseydi biz de asla plütonyum üretemezdik.

Hepimiz yıldız tozuyuz

Ünlü astrofizikçi Carl Sagan’ın 1980 tarihli ilk Kozmos belgeselinde söylediği gibi “Hepimiz yıldız tozuyuz ve bizden önce patlayan yıldızların tozundan oluşmuş bulunuyoruz.” Ancak yıldız tozu derken uranyum tozu gibi doğal ağır elementleri de hesaba katmamız gerekiyor.

İlgili yazı: 180 Resimde Varoluşun Kısa Tarihi

 

Peki yapay plütonyum nasıl üretiliyor?

Bilim insanları dünyanın en kullanışlı yapay elementi olan plütonyumu atom çekirdeklerini nötron yağmuruyla bombalayarak ürettiler: Sonuçta nötronlar uranyum çekirdeklerine hızla çarptıkları zaman çekirdeğe yapışıp kalıyor ve çekirdeği büyütüyorlar.

Bu süreçte nükleer füzyon gerekmiyor; çünkü nötronlar adından da anlaşıldığı gibi elektrik yükü 0 olan nötr parçacıklar ve elektromanyetik kuvveti yenmeleri gerekmiyor. Böylece güçlü nükleer kuvvetin çekimine kolayca kapılarak protonlarla birleşiyor ve yeni yapay elementler üretebiliyorlar.

İlgili yazı: Kara Delik Bombası: En Büyük Enerji Kaynağı

 

Hiroşima’ya atom bombası atmak için

Amerikalılar nükleer başlıklarda kullanılan radyoaktif plütonyum metalini 1940 yılında ürettiler ve bunun bir izotopunu (yani normalden daha fazla nötron içerdiği için daha da radyoaktif olan dengesiz bir versiyonunu) Hiroşima ve Nagazaki’ye attıkları atom bombasında kullandılar.

Plütonyum hem zehirli hem de radyoaktif olduğu için Dünya’da bilinen en toksik element: Daha ağır elementler zayıf nükleer kuvvet nedeniyle birkaç saniyede bozunuyor; yani kilo verip hafif ve kararlı atomlara dönüşüyor. Bu yüzden de insan vücuduna pek zarar vermiyor.

Oysa Plütonyum uzun ömürlü bir element ve vücutta radyasyon zehirlenmesine yol açacak kadar uzun kalıyor. Üstelik Türkiye ve Rusya isterse Akkuyu nükleer güç santralinde plütonyum üretebilirler. Bu da yapay element üretiminde kullanılan bütün nükleer reaktörlerin atom bombası yapımında da kullanılabileceğini gösteriyor.

Üretim tekniği

Amerikalılar plütonyum üretmek için önce sıradan uranyumu CERN parçacık hızlandırıcısının atası olan bir atom hızlandırıcısına koydular (ilk kiklotron aygıtlarından biri). Sonra yoğun nötron bombardımanına tutarak Uranyum 239 izotopu ürettiler. Bu da zayıf çekirdek kuvvetinden kaynaklanan beta bozunumu ile plütonyum 239 ve neptünyum 239’a dönüştü.

İlgili yazı: Uzayda Dördüncü Boyut Var mı?

 

Atomlar nasıl bozunuyor?

Beta bozunumu, atom çekirdeklerinin elektron veya anti-elektron, yani pozitron yayarak kilo vermesini ve kararlı elementlere dönüşmesini sağlıyor. Bir atom bozunduğu zaman çekirdekteki proton sayısı azalıyor ve atomlar da bu şekilde hafifliyor.

Ancak atomlar sadece beta bozunumuyla kilo vermiyor: Bir de alfa bozunumuyla hafifleyen ağır atom çekirdekleri var.

Alfa bozunumda atomlar alfa parçacıkları yayarak hafifliyor. Alfa parçacıkları ise aslında tam boy helyum çekirdekleri ve bunlar elektronlardan daha büyük kütleye sahip olduğu için son derece ölümcül parçacıklar:

Kısacası alfa parçacıkları sadece iyonize radyasyonla zarar vermiyor. Aynı zamanda insan DNA’sına kinetik enerji aktararak bizzat atomları yerinden söküyor.

İlgili yazı: Başka Yıldız Sisteminden Gelen Asteroit

 

Öyleyse nükleer radyasyon nedir?

Işık hızının yüzde 1’inden daha hızlı giden elektron, proton, nötron ve atom çekirdekleri ile elbette ışık hızında giden yüksek frekanslı fotonlar (X-ışını ve gama ışınları) insan vücudundaki DNA’ya zarar veren iyonize radyasyon yayıyor.

Yalnız bu açıklamalardan sadece ağır atomlar bozunabilir sonucu çıkarmayın. Proton ve nötron sayısının mutlaka birbirine eşit olacağını da düşünmeyin. Kütlesine oranla proton ve nötron sayısı gereğinden fazla veya az olan bazı hafif atom çekirdekleri de radyasyon yayarak bozunuyorlar.

İlgili yazı: Dünyanın Manyetik Alanında Dev Delik Açıldı

 

Fosforlu Cevriye

Buna en basit örnek olarak proton sayısı 15 olan fosforun ³¹P radyoaktif izotopunu düşünebiliriz. Öyle ki fosfor radyoaktif olduğu için karanlıkta parlıyor.

Ancak, bütün dengeli atomların eşit sayıda proton ve nötron içermek zorunda değil. Tersine, çok sayıda proton içeren bütün ağır atomlar proton sayısından daha fazla nötron içeriyor.

Ek nötronlar tutkal yerine geçiyor ve hem atomun kütlesini artırarak hem de güçlü nükleer kuvvetin şiddetini artırarak protonları birbirine bağlıyor. Zaten nükleer fiziğin bu özelliği yapay elementlere izin veriyor.

Transuranik elementler

Biz de uranyumdan ağır olan elementlere transuranik (uranyum ötesi) elementler diyoruz ve dolayısıyla bütün yapay elementler transuranik element sınıfına giriyor. Ancak, nötron bombardımanı ve diğer tekniklerle üretebileceğimiz elementlerin de bir sınırı var.

İlgili yazı: Dünya’dan 2 Kat Büyük Elmas Gezegenler

 

Element 137

İnsanlığın bu elementi bulması kesin değil. Öyle ki Richard Feynman element 137’nin insanlığın üretebileceği en ağır element olduğunu söyledi. Ancak, bu elementi bulmak mümkün olsa bile, aşağıda göreceğimiz zorluklar nedeniyle element 137’yi üretmesi uzun yıllar alacak.

Yine de kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi bu konuda açık bir kapı bırakıyor. Şöyle ki Feynman en büyük atom sınırını belirlerken standart model sınırları içinde kaldı; yani protonlar, nötronlar ve elektronları nokta parçacıklar olarak kabul etti.

İlgili yazı: Nötron Yıldızları Hakkında 5 Şaşırtıcı Gerçek

 

Esnek atomlar

Oysa Heisenberg’in belirsizlik ilkesine yüzünden bir proton, nötron veya elektronun konumunu kesin olarak bilemeyiz. Bu sebeple söz konusu parçacıkların atomda bulunacağı yeri ancak muhtemel olasılık alanları olarak hesap edebiliriz.

Bu sebeple bir atomdan söz ederken aslında proton kabukları, nötron kabukları ve elektron kabuklarından bahsediyoruz.

Bu durum atom çekirdeklerinin Feynman’ın baz aldığı gibi sert bilye grupları değil de proton ve nötron kabuklarından oluşan esnek yapılar olduğunu gösteriyor. Özetle atomlar aslında elastiktir, daha çok lastik topa benzer ve biz de teorik olarak element 173’e ulaşabiliriz.

İlgili yazı: Güneş Sisteminde Hayata Uygun 8 Okyanus Dünyası Var

 

Öyleyse Kozanyum 583 yapalım?

Yok canım, o kadar da değil. Her ne kadar Kozanyum (element 583) üreterek bilim tarihine geçmek istesem de bu imkansız; çünkü atomların elastikiyetinin bir sınırı var. Öyle ki element 118’in üstüne çıkmak için önce aşağıdaki engelleri aşmamız gerekiyor. Bu engeller de kozanyum gibi süper dev bir element üretmeyi imkansız hale getiriyor:

1) Atom çekirdeğinde çok sayıda proton varsa pozitif yüklerin birbirini itmesini sağlayan elektromanyetizma güçlü nükleer kuvveti yeniyor. Kısacası çok ağır atomlarda yer alan çok sayıda proton birbirine yapışmıyor. Bu sebeple yeni element üretiminin bir üst sınırı, yani çekirdekte izin verilen maksimum proton sayısı olmalı.

2) Atom çekirdeğine çok sayıda nötron eklemek de sorunlu. Bu sefer de güçlü nükleer kuvvet o kadar çok nötronu (kütlesi ve momentumu –hareketliliği– çok arttığı için) bir arada tutmakta zorlanıyor. Çekirdekte üst üste yığılan nötronların içinde en dışta kalanların, güçlü nükleer kuvvetin çekiminden kurtulacak kadar uzakta kalacağını ve dışa savrularak uzaya kaçacağını unutmayın.

İlgili yazı: Güneş Nasıl Sönecek ve Beyaz Cüce Olacak?

 

Plütonyum ve nükleer silahlar

Amerikalılar 1939 yılında element 93’ü, yani neptünyumu ürettiler. İki yıl sonra da uranyumu ağır hidrojen çekirdekleriyle; yani bir proton ve bir nötrondan oluşan döteryum çekirdekleriyle bombaladılar ve plütonyumu ürettiler (element 94).

Elbette bunu nükleer silah üretmek için yaptılar; çünkü atomu parçalayarak çok büyük miktarda enerji üretebilecekleri anlamışlardı. Bunun en kolay yolu da parçalanmaya yatkın olan ağır elementler içinde en dengesiz ve radyoaktif olan izotopları kullanmaktı.

Nükleer reaktörlerde önemli miktarda üretebildiğimiz en dengesiz izotop da Plütonyum 238: Plütonyum 238 bugün çok kademeli termonükleer başlıklarda birinci patlayıcı olarak kullanılıyor. 1939’dan bu yana keşfedilen diğer elementler ise uzun ömürlü olmadıkları ve büyük miktarda üretilemedikleri için laboratuar ortamıyla sınırlı kalmış bulunuyor.

İlgili yazı: Buruşuk Galaksi: Samanyolu 2 Kat Büyük Çıktı

 

Plütonyumu çıplak elle tutabilir miyiz?

Plütonyum küçük miktarlarda elle tutulacak kadar güvenli, ama 1,5 kilogramdan büyük miktarlarda öldürücüdür. Buna karşın daha radyoaktif plütonyum izotopları ancak yarım kilograma kadar güvenli oluyor ve bazıları elle tutulamayacak kadar ısınıyor.

Örneğin plütonyum 238’in yarı ömrü 87 yıl. Bu da elma boyundaki plütonyum 238’in elle tutulamayacak kadar sıcak olmasına yol açıyor. Oysa plütonyum 238’i eldivenle tutmanızda sakınca yok ve yastık altına koyarak sabahtan akşama yatmadığınız sürece bu izotop sizde kansere yol açmaz.

Ancak, bırakın plütonyum izotoplarını, normal plütonyum tozu ve hatta daha hafif olan polonyum tozu bile ölümcüldür: Bu tozlar ciğerlerinize kaçar veya kana karışırsa sürekli radyasyonla sizi içeriden zehirler ve dozuna göre sizi 2 ay ile 30 yıl içinde öldürürler.

Nitekim İngiliz makamlarına göre, Ruslar İngiltere’ye sığınan eski KGB üyesi Alexander Litvinenko’yu 1 Kasım 2006’da yemeğine radyoaktif polonyum 210 katarak zehirlediler ve eski Rus ajanı üç hafta içinde vefat etti.

İlgili yazı: Yakıtsız Çalışan Devridaim Roketi EmDrive Test Edildi

 

Kızıl plütonyum

Resimde göreceğiniz gibi bazı plütonyum izotopları o kadar radyoaktif oluyor ki durduğu yerde tıpkı erimiş demir külçesi gibi ışık saçıyor. Örneğin elma boyundaki plütonyum 239 hemen öldürücü radyasyona yol açıyor ve bunu önlemenin tek yolu Pu239 izotopunu çok az miktarda depolamak.

Öte yandan Plütonyum 241 çok daha garip bir izotop: Yarı ömrü 14 yıl olduğu için ancak 1 kilogramlık büyük bir kütle halinde birikirse ısınarak parlamaya başlıyor. Plütonyum 242 ve 244 ise küçük miktarlarda elde tutulacak kadar güvenli oluyor.

İlgili yazı: Dünya Gezegeni Çakıl Taşından Nasıl Oluştu?

 

Bunun sebebi elastik atomlar

Yukarıda belirttiğimiz gibi, atomların kuantum fiziği yüzünden elastik olması ezber bozan bir durum yaratıyor: Örneğin plütonyum 242’nin plütonyum 238’den daha çok nötron içermesi yüzünden daha dengeli ve daha az radyoaktif olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak yanılırsınız.

Gerçekte nötron sayısı arttıkça izotoplar daha dengeli olabiliyor. Yine de nötron sayısı daha fazla olan izotoplar mutlaka daha dengelidir diye bir kural yok. Her şey proton ve nötronların dengeli sayıda olmasına bağlı.

Her halükarda radyoaktif plütonyum meraklı fizikçileri yeni elementler üretmekten alıkoymadı. Peki biz element 94 plütonyumdan yola çıkarak element 118’e nasıl ulaştık. Kısaca görelim:

İlgili yazı: Evreni Aydınlatan En Garip Ölümsüz Yıldızlar

 

Yapay elementlerin tarihi

İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra Berkeley laboratuarı yapay element üretiminde başı çekti. Amerikalılar bu süreçte özellikle Sovyetler Birliği’yle rekabet ederek nükleer savaş korkusunu bir halkla ilişkiler ve propaganda aracı olarak kullandılar.

Siz de ABD-Sovyetler Birliği rekabetini element 95, 97 ve 98’in adlarında görebilirsiniz. Bunlar amerikyum, berkelyum ve kaliforniyum olarak adlandırıldı. Ancak, günümüzde Amerika’nın yapay element üretme işini Berkeley’den 40 km uzakta yer alan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı devralmış bulunuyor. Bununla birlikte bazı elementleri kazayla bulduğumuzu söyleyebiliriz.

İlgili yazı: Gezegen Avcısı TESS Uzayda Hayat Arıyor

 

Tesadüfen bulunan elementler

Periyodik tabloya yeni element ekleme sürecinin nükleer silahlanmanın doruk yaptığı Soğuk Savaş yıllarında hız kazanmasına şaşırmamak gerek; çünkü bazı yapay elementleri nükleer patlama kraterlerinde tesadüfen bulduk.

Bunların bir kısmı ABD ile Sovyetler Birliği’nin 1950’lerde açık havada nükleer deneme yapacak kadar çılgın ve fütursuz olduğu günlerde üretildi. Tabii kamuoyunu maniple etmek için algı yönetimine yönelen Amerika hızla çark ederek element 99 ve 100’ü aynştaynyum ve fermiyum olarak adlandırdı.

Böylece Amerikalı fizikçiler ABD’nin Hitler’e karşı atom bombası yapmasını başlangıçta destekleyen Einstein’ı ve Fermi paradoksunu formüle eden Enrico Fermi’yi onurlandırmış oldu.

1950-70 arasında ise Berkeley ve Rusya’daki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü (JINR) ekipleri element 102, 104, 105 ile 106’yı ürettiler. Ancak, element 104’ün (rutherfordyum) Berkeley üretimi ve dubniyum 105’in de JINR üretimi olduğunun onaylanması için 1997 yılını, yani soğuk savaşın bitmesini beklemek gerekti.

Nükleer rekabet

Element 107 ise Amerikalılar ile Almanlar arasında önce ben keşfettim çekişmesine neden oldu. Sonunda hem Berkeley hem de Almanya Ağır İyon Araştırma Laboratuarı (GSI), element 107 bohriyumun ortak kaşifi olarak tescil edildiler.

İlgili yazı: Yapay Zeka İnsan Kadar Zeki Olacak mı?

 

Oysa element 118 asıl milat oldu

Bunun sebebi ise element 108’in (hassiyum) ağır atomları nötronlarla bombalayarak değil de nispeten hafif iki atomun birleştirilmesiyle üretilmiş olmasıydı. Burada nükleer füzyondan söz etmiyoruz; ancak çinko, nikel ve krom iyonlarını (çıplak çekirdekler) kurşun ve bizmut atomlarıyla çarpıştırınca hassiyum üretebiliyorsunuz.

Bu yöntemi Almanlar geliştirerek tarihe adını yazdırdılar; ama günümüzde yapay element üretimi uluslararası bir çaba oldu. Nükleer santral teknolojisinde önde olan Amerikalılar, Ruslar ve Almanlar da bu süreçte doğal olarak başı çekiyorlar.

Nitekim IUPAC, element 115 ve 117’nin 2010-2012 arasında JINR tesisleri, Tennessee’deki Oak Ridge Ulusal Laboratuarı ve Livermore’da üretildiğini duyurdu. 2006 yılında başlayan JINR ve Livermore işbirliği sonucunda da element 118 üretildi. Ancak bildiğiniz gibi, Ruslar ve Amerikalılar 2012’den bu yana Ortadoğu yüzünden kavgalılar. Bu da Rusların benim elementimi çaldınız suçlamasına yol açıyor.

İlgili yazı: Akkuyu Santrali Temiz Söylemini Çürüten 15 Kanıt

 

Element 113 anlaşmazlığı

Ruslar element 113’ü kendilerinin geliştirdiğini söylüyorlar. Oysa IUPAC element 113’ü (nihonyum) Japonya, Saitama’daki RIKEN Nişina Hızlandırıcı Tabanlı Bilim Merkezi’nin ürettiğini söylüyor.

Ruslar ise nihonyumu 2003 yılında, yani Japonlardan bir yıl önce ürettiklerini öne sürüyorlar. Bunun için de kalsiyumla amerikyum atomlarını çarpıştırdıklarını belirtiyorlar ve haklı da olabilirler; çünkü IUPAC kararları tıpkı Avrupalı hakemlerin Türk takımlarına basketbolda haksızlık yapması gibi keyfi olabiliyor.

İlgili yazı: Artık Otoyollara Güneş Paneli Döşüyoruz

 

Neden keyfi?

Dediğimiz gibi dünyada yeni element üretmek zor ve yeni bir element üretildiğini anlamak daha da zor. Periyodik tablodaki yapay elementler atom grupları olarak değil, tek tek atomlar halinde üretiliyor. Bu sebeple atomlara tek tek bakıp hangisinin yeni element olduğunu bulmak gerekiyor.

Dahası yeni elementlerin atom çekirdekleri ağır ve kararsız olduğu için hızla bozunuyor. Ayrıca bunların yarı ömrü, yani radyoaktif bozunum yoluyla atom sayısının yarı yarıya azalma süresi de farklı oluyor. Rus yetkililere göre bu zorluklar IUPAC’a taraflı davranmak için fırsat veriyor.

İlgili yazı: Hava Soluyan Roket ile Mars’a Hızlı Uçuş

 

Elementlerin ömrünü uzatmak mümkün mü?

Aslında mümkün ve bunun nasıl mümkün olduğunu kuantum fiziğindeki elastik atom modeline geri dönerek gösterebiliriz:

Elastik modelde elektron kabuğu sayısı (yani elektron yörünge sayısı) arttıkça elektron sayısı da artıyor. Birinci kabukta tek elektron varken (hidrojen atomu), ikinci kabukta toplam sekiz elektron bulunabiliyor (helyum atomunda iki elektron var).

Daha yüksek kabuklar da daha çok sayıda elektron içeriyor. Sonuç olarak 60 karbon atomu birbirine bağlanarak fulleren gibi karmaşık moleküller üretebiliyor. Hatta yaşamın karbon temelli olması da karbon atomunun bu elastikiyetine, esnekliğine bağlı.

İlgili yazı: Dört Boyutlu Madde Bulundu: Zaman Kristalleri

 

Atomik kurnazlık

Elbette bu özellik bütün yapay elementlerin karbon gibi çok sayıda atoma bağlanabileceği anlamına gelmiyor. Ancak, belirsizlik ilkesini kurnaz bir şekilde kullanarak bazı transuranik atomları sıra dışı şekillerde birbirine bağlayabiliriz.

Böylece sıra dışı moleküller üretebilir ve bunların alışılmadık elektron bağlarını yapay elementlerin ömrünü birkaç saniye de olsa uzatmak için kullanabiliriz. Ancak, element 119 ile ötesinin elastik atom modeli yüzünden çok garip özellikler kazanacağını ve hatta periyodik tabloyu bozacağını da eklemeliyiz.

İlgili yazı: Evrende Zamanın Akışı Yavaşlıyor mu?

 

Periyodik tablo nasıl bozulabilir?

Periyodik tabloya eklenen son dört element yedinci sırada kalan bütün boş yerleri doldurdu. Bu yüzden element 119 için periyodik tabloya sekizinci sırayı eklememiz gerekecek. Sadece bu bile tabloyu değiştirmemizi gerektiren bir durum. Ancak çok daha fazlası var:

Bu tür süper ağır elementler periyodik tablonun sıralama kurallarını da bozabilir: Örneğin, tablodaki her sütunda benzer özelliklere sahip elementler bulunuyor. Yazımızın başında gösterdiğimiz renk kodları da buradan geliyor.

Oysa görelilik teorisindeki göreceli kinetik enerji, süper ağır atomların beklenmedik şekillerde davranmasına yol açıyor: Işık hızına yaklaşan elektronların kütlesi artıyor ve bu da birinci kabuktaki elektronların çok hızlı dönmesi nedeniyle yapay elementlere sıra dışı özellikler kazandırıyor.

Bu şaşırtıcı özellikleri görmek için periyodik tablo üzerinde yer alan potasyum gibi aşırı reaktif elementlere ve tersine, diğer atomlarla hemen iç kimyasal reaksiyona girmeyen asal gazlara bakalım.

Potasyum suya düşerse patlar

 

Peki telefon pilleri neden patlıyor?

Periyodik tablonun en soldaki sütununda aşırı reaktif olan atomlar sıralanıyor. Bu atomlar en üst yörüngede sadece bir elektron barındırıyor. Bu da çekirdeğin elektrona tutunmasını zorlaştırarak atomun aşırı reaktif olmasına yol açıyor.

Sonuçta bu tür atomlar en dıştaki elektronu kolayca kaybederek iyonize oluyor ve bu da kimyasal reaksiyona girmelerini kolaylaştırıyor. Örneğin son derece reaktif olan potasyum elementi suyla temas edince patlıyor. Lityum da aşırı reaktif bir metal ve bu özelliği yüzünden lityum-iyon pillerinde enerji depolamak için kullanılıyor. Ancak aşırı ısındığı zaman pilin patlamasına yol açabiliyor.

Öte yandan, periyodik tablonun en sağ sütununda yer alan elementlerin dış elektron kabukları ağzına kadar dolu oluyor. Atom yörüngelerinde elektron alışverişine yer kalmaması, bunların diğer atomlarla kimyasal tepkimeye girmesini zorlaştırıyor. Helyum gibi asal gazlar ve altın metali bu sınıfa giriyor.

Ancak, elektron kabuklarının kimyasal özelliklere ek olarak nükleer etkileri de var. Fizikçiler iç ve dış elektron kabuklarının, gelecekte üretilecek olan element 119 gibi süper ağır atomların ömrünü uzatacağını düşünüyor.

İlgili yazı: Stephen Hawking ve 4 Büyük Başarısı

 

Nasıl derseniz:

Element 119’un süper kütleli çekirdeğine en yakın yörüngede bulunan birinci kabuk elektronları, Kepler yasaları uyarınca çekirdeğin çevresinde ışık hızına yakın hızlarda dönecekler.

Kepler’in dediği gibi, bir cismin çevresinde dönen cisimler eşit zaman aralıklarında eşit yörüngeleri tararlar. Dolayısıyla bir elektron atom çekirdeğine ne kadar yakınsa ve çekirdeğin kütlesi ne kadar büyükse o kadar hızlı döner.

Dahası Einstein’ın görelilik teorisine göre, bir elektron ne kadar hızlı giderse kütlesi de o kadar artar ve ışık hızına yaklaşan elektronların kütlesi büyük ölçüde artar. İşte bu iki faktör, element 119’un radyoaktif bozunumla daha kararlı bir elemente dönüşmesini geciktirerek atomun ömrünü uzatabilir.

İlgili yazı: Evrendeki İlk Yıldızlar Morötesi Işık Saçıyordu

 

Oyunbozan element 119

Bu nedenle 1) Element 119’un toplam kütlesi artacak. 2 Dış kabuk elektronları da iç yörüngedeki elektronlardan etkilenerek kendi yörüngelerinde daha hızlı dönmeye başlayacaklar (Kuantum fiziğindeki uzaktan etki, iç ve dış elektronların kuantum durumlarını dolanıklıkla birbirine bağlayacak).

Ancak, elektronlarda görülen yüksek hıza bağlı kütle artışı özellikle element 122’den itibaren etkisini gösterecek. Element 122 çok sayıda proton ile elektrondan oluşacak ve bu da kütle artışı ile dolanıklıktan kaynaklanan kuantum etkilerini güçlendirerek atomun ömrünü uzatacak.

Özetle görelilik teorisi ve kuantum fiziğine bağlı nedenlerle, element 122 ile ondan sonra gelecek olan diğer ağır elementler, standart modelde öngörülenden çok daha kararlı olabilecekler. Biz de aşağıda anlatacağımız tılsımlı sayıları kullanarak hangi elementin daha uzun ömürlü olacağını tahmin edebileceğiz.

İlgili yazı: Uzaydan İnternet Motoru Elektrosprey

 

Tılsımlı sayılar nedir?

Elektronların ışık hızına yaklaşmasından kaynaklanan kütle artışının süper ağır elementlerin ömrünü uzatacak yapıcı bir etki oluşturması için bu atomların tılsımlı sayılara sahip olması gerekiyor. Bu da ilgili elementin proton, nötron ve elektron sayısının birbiriyle uyumlu olması anlamına geliyor.

Ancak, tek bir sihirli sayı yok. Her elementin atomaltı parçacık sayısı farklı olduğu için uyumlu sayılar da elementten elemente değişiyor.

Ayrıca tılsımlı sayılar elastik atom modelinde ortaya çıkıyor: Atom çekirdeklerinin kütle (momentum) ve elektromanyetik alanlar açısından deforme olabildiğini hesaba katınca, element 122 ve ötesinde tılsımlı sayılar içeren bütün atomların daha uzun ömürlü olacağını görüyoruz.

Üstelik bu etki orta ağırlıktaki elementlerin de kararlığını artırıyor: Örneğin helyum 4, oksijen 16, kalsiyum 40 ve kurşun 208 atomlarının tümüyle dolu, yani dışarıya kapalı olan elektron kabukları bu elementlerin ömrünü uzatıyor.

Çifte tılsım da var

Kurşun 208 izotopu çifte tılsım olarak adlandırılıyor; çünkü hem proton kabukları hem de elektron kabuklarında, atomun dengesini bozmadan ulaşılabilecek maksimum sayıda parçacık bulunuyor. Bu bağlamda element 122, 124 ve 164’ün de tılsımlı sayılar içereceğini düşünüyoruz.

İlgili yazı: Ozon Tabakası Ekvator Kuşağında Yırtıldı

 

Egzotik element 173’e ulaşabilir miyiz?

Doğrusu fizikçiler de bu sorunun cevabını merak ediyor; çünkü elastik atom modeli laboratuarda üretebileceğimiz en ağır elementin kaç adet proton içereceğini kesin olarak hesaplamamıza izin vermiyor. Bu konuda tahmin yürütebiliyoruz; ama element 173 üretebileceğimiz en ağır elementtir gibi kesin bir yargıda bulunamıyoruz.

Örneğin, Rus nükleer fizikçi Georgy Flerov’un bulduğu 114 protonlu flerovyum elementine ait iki izotopun çifte tılsımlı ve nispeten kararlı atomlar olacağını sanıyorduk; ancak çok kısa ömürlü olduklarını anladık.

Bununla birlikte sırasıyla 184 ve 196 nötronu bulunan flerovyum 298 ve flerovyum 310 izotoplarının ömrünü ölçmek için deneylere devam ediyoruz.

Hatta flerovyum 298’in yarı ömrü 17 gün olabilir ki bu da süper ağır elementler için gerçek bir istikrar rekoru sayılır. Bilinen en uzun ömürlü flerovyum izotopu olan flerovyum 289’un yarı ömrünün sadece 2,6 saniye olduğunu düşünürsek bu rekorun önemini daha iyi kavrıyoruz.

İlgili yazı: Başka Galakside Binlerce Öte Gezegen Keşfettik

 

Periyodik tablonun sınırları

Bütün bu detaylar periyodik tablonun sınırlarını zorlamamız için çok önemli: Sonuçta atomların ömrünü hesaplamaya yönelik çalışmalar, bize laboratuarda üretebileceğimiz en ağır elementin kaç proton içerebileceği hakkında dolaylı bilgiler sağlıyor.

Nitekim flerovyum 298 izotopunun yarı ömrünün 17 gün olduğu ortaya çıkarsa bu bilgi, gelecekte element 173’ü de üretebileceğimizi gösterecek. Flerovyum, yani element 114 izotoplarında bulabileceğimiz tılsımlı sayılar, yeni elementlerin daha uzun ömürlü olabileceğine işaret edecek.

İlgili yazı: Buzul Çağını Kuyrukluyıldız Çarpışması Uzattı

 

En acayip atomlar

Ancak kıyamet element 173’te kopacak: Element 173 o kadar ağır bir çekirdeğe sahip olacak ki bu çekirdekteki elektronlar çok yüksek bir kinetik enerjiye sahip olacaklar. Bu da Heisenberg’in belirsizlik ilkesinde tanımlanan rastlantısal kuantum salınımlarını güçlendirecek.

Kuantum salınımları da elektronların sanal parçacıkları tetikleyerek boşluktan yeni parçacıklar üretilmesini sağlayacak!

Aslında içinde yaşadığımız evren de boşlukta kendiliğinden gerçekleşen kuantum salınımlarıyla oluştu; ama endişelenmeyin: Element 173 üretelim derken, laboratuarda yanlışlıkla yeni bir büyük patlama tetikleyerek Dünya’yı yok etmeyeceğiz. Yine de element 173 boşluktan madde üreterek ömrünü uzatacak kadar güçlü olacak.

İlgili yazı: Hubble 4 Kez Patlayan Yıldız Gözlemledi

 

Atomlara gençlik aşısı

Element 173’ün süper ağır çekirdeği, parçalanmadan varlığını sürdürmesi için gereken enerjiyi; yani 173 protonu birbirine bağlamak için gereken ek enerjiyi boşluktan madde ve antimadde çiftleri üreterek karşılayacak.

Nitekim buna benzer bir durumu kuantum alan kuramında görüyoruz: Bu teoriye göre elektromanyetik alan içinde hareket eden elektronlar, sürekli olarak boşlukta sanal foton alışverişi yapıyor ve enerjisini bu şekilde koruyor.

Element 173’ün süper kütleli çekirdeğinin çevresinde ışık hızının yüzde 99,99999999’uyla dönerek devasa bir kütleye erişecek olan elektronlar da atomun dengesini boşluktan üretecekleri sanal parçacıkları kullanarak koruyacaklar.

İlgili yazı: Evren İçi Boş Bir Hologram mı?

 

Nasıl oluyor derseniz

Basit bir örnekle anlatalım: Element 173’ün en iç kabuktaki elektronlarından birini, yüksek frekanslı fotonlardan oluşan X-ışını bombardımanıyla yörüngeden çıkarırsanız, boşalan elektronun yerine anında bir sanal parçacık çifti oluşacaktır. Bu aslında bir madde ve antimadde çifti olacaktır (bir elektron ve bir anti-elektron, yani pozitron).

Peki atom patlamaz mı?

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, madde ile antimadde birbiriyle temas edince büyük bir patlamayla yok oluyor. Bu patlama element 173 atomunu da yok etmez mi?” Tabii ki yok edebilir ama Heisenberg’in belirsizlik ilkesini unutmayın:

Element 173’ün boşluktan üreteceği pozitron parçacığı, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle kuantum tünelleme gerçekleştirerek elektron ikizinden çok uzağa kaçabilir.

O zaman da atomdan kopardığınız elektronun yörüngede boş bıraktığı yeri, boşluktan türeyen yeni elektron doldurur (Pozitron eşinden uzak kaldığı için yok olmaktan kurtulan bu sanal elektron, gerçek evrene adım atarak gerçek bir elektrona dönüşür).

Kısacası element 173’ü doğal antimadde reaktörü olarak kullanabiliriz. Element 173, dünyada antimadde üretimini hızlandırıp ucuzlatabilir ve böylece, insanlığın ilk antimadde roketleri için gereken antimadde yakıtını bol miktarda üretmemizi sağlayabilir!

İlgili yazı: Proxima b: En Yakın Yıldızda Hayat Var mı?

 

Komşu yıldızlara insan göndermek

İnsanlığın komşu yıldızlara ulaşması için bize antimadde roketleri gerekiyor; ama bugünkü teknolojiyle antimadde roketi üretmemiz imkansız. Yine de periyodik tablonun sınırlarını zorlayarak üreteceğimiz element 173 sayesinde antimadde üretimini ucuzlatabiliriz (Tabii antimaddeyi çevreyle temas edip büyük bir güçle patlamayacak şekilde izole edebilirsek).

Peki antimadde varsa anti yerçekimi de olabilir mi? Yoksa evren boşluktan oluştuktan sonra uzayın kısa süre için ışıktan hızlı genişlemesini anti yerçekimi, daha doğrusu negatif basınç mı sağladı? Onu da aynı başlık altında ve yerçekimi kuantum salınımlarıyla mı oluşuyor yazısında okuyabilirsiniz. Güzel bir hafta sonu geçirmeniz dileğiyle iyi dinlenceler.

Ruslar element 199 peşinde

¹Synthesis of superheavy elements beyond Z=118