Bir çekirdek ne kadar büyüktür? İçinde ne vardır?
İkinci soru ile başlayalım. Çekirdeğin içinde protonlar ve nötronlar vardır. Proton pozitif elektrik yükü taşır; nötronun ise elektrik yükü yoktur, nötrdür (adı da buradan gelir). Elektriksel açıdan çok farklı olmalarına karşın bu parçacıklar karşılaştırılabilir kütle ve boyutlara sahiptirler. Protonun kütlesi elektronunkinin yaklaşık 1836 katıdır; nötron da elektrona göre 1839 kat daha kütleseldir. Her ikisi de 10~15 m’den biraz daha büyüktürler; bir atomdan yüz bin kez daha küçük, ancak günümüzde parçacık fiziği deneylerinde incelenebilen en küçük uzunluklardan birkaç bin kat da büyüktürler. Böylesine “büyük” olmalarının sebebi temel parçacıklardan olmamaları, birer bileşik (kompozit) olmalarıdır. Üç kuark (onlar temeldir) ve birkaç da gluon, her bir proton ve nötronun içinde fırıl fırıl dönmektedir. Ancak bu bahiste şimdilik kuark ve gluonları Enrico Fermi (1901-1954) burada eşi Laura ve çocukları Giulio ve Nel-la ile birlikte, muhtemelen 1938 Aralık’mda AB D’ye ayak bastıkları sırada görüntülenmiş. Fizikçiler Fermi’nin İsveç’ten (Nobel Ödülü’nü aldıktan sonra) memleketi İtalya’ya dönerken kaybolduğunu ve kaza eseri Amerika’ya gittiğini söylemekten hoşlanırlar. Laura Fermi, daha sonra Atoms in the Family adlı harika kitabını kaleme alacaktır. göz ardı edebiliriz. Çekirdekler hakkmdaki bilgilerimizi ancak onların -nükleonlar dediğimiz- proton ve nötron bileşenlerine bakarak çoğaltabiliriz.
Proton esas itibariyle Rutherford’un her atomun merkezinde bir çekirdeğin bulunduğunu gösteren 1911 yılındaki çalışması ile “keşfedilmiştir”. Böylelikle en basit atomun, hidrojenin çekirdeğine proton denmeye başlandı. İzleyen yirmi yıl boyunca fizikçiler genellikle çekirdeklerin proton ve elektronlardan oluştuğunu varsaydılar: protonlar gereken kütleyi veriyorlar ve elektronlar da protonların elektrik yükünü dengeliyorlardı. Bu modelin yarattığı çok sayıda sıkıntı sözkonusuydu, bunlardan birisi de elektronları protonlara bu derece sıkı biçimde bağlayabilecek, bilinen bir kuvvetin var olmayışıydı. Ayrıca dalga doğası yüzünden elektronun böylesi küçük bir alana hapsedilmeye karşı büyük bir kuvvetle direnmesi beklenirdi.6 1932 yılında Cambridge, İngiltere’de James Chadwick’in nötronu bulmasıyla bu zorluklar bir kılıç darbesiyle ortadan kalkar. Birdenbire her şey aydınlanmıştır: Çekirdekler, protonlar ve nötronlardan oluşmaktadır. Yine de her şey tam anlamıyla açık değildir. Çözülmeyi bekleyen bir bilmece kalmıştır: Çekirdekte hiç elektron yoksa beta bozunumu sürecinde elektronlar nasıl çekirdeklerden dışarıya atılmaktadır? Bunu açıklamak iki yıl sonra Roma’daki Enrico Fermi’ye düşer. Fermi, elektronların çekirdekten çıkarıldıkları anda meydana geldikleri bir kuram önerir. Bu çığır açan kuram, parçacıklar hakkında o güne dek öğrendiklerimizi yeni bir düzleme taşımaktadır. Bütün parçacıkların bütün etkileşimleri parçacıkların yaratım ve yıkımını, doğum ve ölümünü gerektirmektedir. Sabit ve istikrarlı görünen dünyamız, atom-altı dünyada gerçekleşen neredeyse sonsuz sayıdaki felaketli olayın üzerinde yükselmektedir.
Nötronun keşfedilmesi, elektronları çekirdekten sürmüş olmanın rahatlığıyla fizikçilerin derin bir nefes almalarını sağladı sağlamasına; ancak şimdi karşılarında yeni bir soru vardı. Çekirdekteki nükleonlar tuz kristalindeki sodyum ve klor iyonları gibi sabit konumda mıydılar; bir su damlasındaki H20 molekülleri gibi kendi aralarında itişip kakışıyorlar mıydı; yoksa havadaki oksijen ve azot (nitrojen) molekülleri gibi serbestçe uçuşmakta mıydılar? 1930’larda Niels Bohr tarafından savunulan sıvı damlacığı modeli, o dönemde çekirdeklerin özellikleri hakkında bilinenleri açıklamak için en uygun model konumundaydı. Bohr ve Princeton’dan genç çalışma arkadaşı John VVheeler, 1939’da keşfedilen nükleer bölünme ifisyon) olgusunun açıklamasında sıvı damlacığı modelini çarpıcı bir başarıyla kullandılar. Bir on yıl kadar sonra çekirdeklerin davranışına dair ulaşılan yeni bilgiler, nükleonların çekirdek içinde tıpkı gaz molekülleri gibi serbest hareket edebiliyor olduk- larmın ipuçlarını vermeye başladı. Bundan sonra öne geçen ve halen de bizlere çekirdeklerin yapısının gayet başarılı bir tasvirini sunan model, birleşik model veya kolektif model dediğimiz, çekirdeklerin aynı zamanda hem sıvı hem gaz özellikleri gösterdikleri model oldu. Kuantum fiziğinin tuhaflıklarından biri de, proton ve nötronların bir sıvıdaki su molekülleri gibi yakın biçimde bir arada durmalarına karşın, hafif gazlardaki moleküller gibi birbirleri içinden geçerek birbirleri arasında koşuşturmakta serbest olmalarıdır. Bunu çok kalabalık bir kokteyl partisinde içki masasının başından bir arkadaşla konuşmaya hayret verici bir hızla geçiş yapan misafirlerin durumuna benzetmemiz mümkün.
Şimdi çekirdeğin büyüklüğü ile ilgili soruya geçebiliriz. Bir çekirdeğin hacmi basit bir şekilde içindeki nükleonların sayısına orantılıdır. Yüz nükleon içeren bir çekirdek, örneğin elli nükleon içeren bir çekirdeğin hacminden iki kat, yirmi beş nükleon içeren bir çekirdeğin hacminden de dört kat daha büyüktür. Ancak çekirdeğin yarıçapı hacmin küp köküne orantılıdır, bu yüzden hacim iki kat artınca yarıçap sadece yüzde yirmi beş artar. Yarıçap ile hacim arasındaki bu ilişki sayesinde ağır elementlerin çekirdeği hafif elementlerin çekirdeğinden aşırı ölçüde büyük değildir. Örneğin Uranyum-238 atomunun çekirdeği, tek bir protondan sadece yaklaşık altı kat daha büyüktür.
Çekirdekler konusunda son bir küçük gerçek de şudur: Bütün çekirdekler yuvarlak değildir. Bazıları futbol topu gibi yayvan; az sayıda diğerleri de, krep gibi yassılaşmış biçimlidir. Bu çekirdek içindeki bazı nükleonların göreli serbest hareketinden kaynaklanır. Bir nükleon çekirdek içerisinde olasılık dalgasının küresel olmadığı bir yörüngede dönüyorsa, bir bütün olarak çekirdek şeklini yörüngesindeki nükleonla eşleşecek şekilde kaydırmaktadır. İçinde çember çizerek dönüp duran bir deney faresinin olduğu bir balonu gözünüzün önüne getirin. Balonun şekli, farenin koşması için ona daha fazla alan sunacak şekilde bozulur.