Bilim
Fisyonun Keşfi « Genel
Fisyonun keşfi, 5 yıl süren bir maratononun sonunda oldu. Yarışı, hem de gürültülü bir şekilde Romalı bir grup genç fizikçi başlattı. Bu gençlerin içinde İtalyan fiziğinin harika çocuğu Enrico Fermi de vardı.
Kuramsal fizikteki üstün başarıları sonucu, henüz 28 yaşındayken İtalyan Kraliyet Akademisi'ne üye seçildi. Akademi’nin en genç üyesiydi. 1934 yılının başlarında çevresine topladığı bir grup fizikçiyle deneysel fiziğe yöneldi.
Çekirdek bombardımanında o zamana dek alfa parçacıkları kullanılıyordu. Alfa parçacıkları, ağır kütlesi ve çifte elektrik yükü nedeniyle katı maddeye nüfuz etkisi küçük kalıyordu. Fermi, iki yıl önce keşfedilen nötronu, bombardıman mermisi olarak seçti. Nötron, elektrikçe yüksüzdü ve ayrıca kütlesi alfa parçacıklarının dörtte biri kadardı. Herhangi bir itme ile karşılaşmadan maddenin içlerine girebilirdi.
Roma'dan zafer çığlıkları çok çabuk yükseldi. Fermi ve arkadaşları önüne gelen elementi nötronla bombardıman ederek bir dizi radyo izotop elde ettiler. Sıra uranyuma geldi. Görünürde değişen bir şey yoktu. Nötronla bombardıman edilen uranyum, beta yayan çekirdeklere dönüşüyordu.
Beta olayının açıklamasını yapan Fermi'nin kendisiydi. Beta yayan bir çekirdekte bir nötron bir protona dönüşüyor, yani atom numarası 1 artıyordu. 1934'te Fermi, Emilio Segre ve daha üç arkadaşının imzasıyla şu haberi yayınladılar:
"Uranyumun nötronlarla bombardımanından en az 4 radyoaktif madde oluşmaktadır. Bunlardan ikisi, uranyumdan daha ağır 93. ve 94. elementlerdir.
Haber, bilim dünyasında bomba gibi patladı. Roma basını da uranyumötesi elementlerin bulunduğunu yazıyordu. Aslında yanılmışlardı. Beta yayıcılar uranyumötesi elementler değil, uranyumun yaklaşık ikiye bölünmesinin ürünleriydi. Fermi ve arkadaşları fisyonla oynuyorlardı.
O sırada bu olasılıktan sadece Alman kimyacı Ida Noddack sözetmişti. Renyum elementinin keşfeden kişi olan 38 yaşındaki Bayan Noddack şöyle diyordu:
"Bilinmeyen radyoaktiflerin, periyodik tabloya dahil elementlerin hiçbirisine ait olmadıkları, tek tek kanıtlanmadan, onlara yeni element demek doğru olmaz"
O zaman fizikçiler ve kimyacılar şöyle bir olguya koşullanmıştı: nükleer bombardımana tutulan bir element ancak yakın komşularına dönüşebilir.
Fermi, yıllar sonra şöyle dedi:
"Uranyumda diğer elementlerden farklı olarak bir olayın olabileceğini düşünecek kadar hayal gücüne sahip değildik. Ayrıca oluşan radyoaktiviteleri ayrıştırabilecek kadar kimya bilmiyorduk"
Haberin büyüklüğü, devrin en ünlü radyokimyacısı olan Otto Hahn'ın ilgisini çekti. 30 yıl sonra bir madalya töreninde ABD Atom Enerjisi Komisyonu Başkanı G. T. Seaborg, Otto Hahn'a dönerek şöyle diyecekti:
"Genç bir radyokimyacı olarak beni Nobel kazanmaya götüren çalışmalarımda, sizin Uygulamalı Radyokimya kitabınız, elimden bırakmadığım, sanki bir mukaddes kitaptı." Öğretmenine unutulmaz bir ödül vermenin güzel bir örneği.
1933 yılında, Nasyonal Sosyalist Parti ve onun lideri Adolf Hitler, Almanya'da iktidarı -demokratik yolla, seçimle- ele geçirmişti. Faşizmin dişlerini göstermeye başladığı bu yıllarda Otto Hahn (1879-1968), Berlin'de Keiser Wilhelm Enstitüsü'nün radyokimya bölümü başkanıydı. Aynı enstitünün nükleer fizik bölümü başkanı da bayan Lise Meitner'di. (1878-1968)
Otto Hahn ve Lise Meitner, 28 yıldır ortak çalışma yapan iki dosttular. Lise Meitner, Almanya'nın Madam Curie'si diye de tanınır. Tarihin ilginç bir cilvesi olsa gerek bu iki bilim kadını, Birinci Dünya Savaşı sırasında birbiriyle çarpışan Fransa ve Avusturya Ordularında, karşı cephelerde röntgen uzmanı olarak hizmet vermişlerdir.
Roma’dan büyük haberlerin yayımlandığı günlerde Hahn ve Meitner, Rusya seyahatinden dönüyorlardı. Onları karşılayan arkadaşları şöyle takılırlar: "Fermi'nin bombası uykunuzu kaçırmadı mı?"
1935'lerde Roma fizikçi grubu dağılmıştı. Fisyonun bayrağı artık Berlin ekibinin elindeydi. Ekip, Otto Hahn, Lise Meitner ve genç kimyacı Fritz Strassmann üçlüsünden kuruluydu. Ekip nötronla bombardıman ettikleri uranyum tepkimesi sonucunda yarıömrü farklı 9 element bulunduğunu gördüler (Fisyon tepkimesi sırasında 200 kadar radyoizotop oluştuğunu bugün artık biliyoruz). Berlin çalışmaları sonucunda sadece 93. ve 94. değil, 94. ve 95. elementlerin oluştuğu açıklandı.
1937 yılında Fermi, Nobel Ödülü'ne aday gösterildi. Tam bu sırada Paris'te, Iren Joliot-Curie ve Pavel Savitch ikilisi de aynı konuya ilgi duydu. Onlar da nötronla uranyumu bombardıman etti. Bulunan elementler hakkında bir kararsızlıktan sonra "lantana çok benzeyen uranyumötesi bir element" oluştuğunu açıklarlar.
Koşullanmışlık bir kez daha ayakucunda duranı uzaklara savuruyor. Buldukları lantanın ta kendisiyiydi. Eğer bu tanıyı yapabilselerdi, fisyonun keşfini Fransa yapmış olacaktı. Lantan (La), atom numarası 57 olan, yaklaşık onun yarısı ağırlıkta bir elementtir ve uranyumun bölünme ürünleri arasında olduğu bilinmektedir. Roma'dan sonra Paris de fisyonun keşfini müjdelemekten mahrum oldu. Lise Meitner, 1907 yılından beri Berlin'de yaşıyordu ve Avusturya pasaportu taşıyordu.
1937'de Adolf Hitler, Avusturya’yı işgal etti. 1938'de Avusturya'da artık Musevilere yaşam hakkı yoktu. Lise Meitner, 1938 Temmuzunda apar topar Stockholm'e kaçmak zorunda kaldı. 10 Kasım 1938 günü ve ertesinde Berlin'de Musevilere ait ev ve işyerleri faşistlerce yakılıp yıkıldı; kırılan camlar, caddeleri kristal bir örtü gibi kaplamıştı.
O gecenin adı 'Kristal Gece'ydi. Paris ekibinin çelişik bildirileri O. Hahn ve F. Strassmann ikilisine incelemeye değer geldi. Hahn ve Strassmann, 40 yıl önce Madam Curie'nin ayrımsal kristallendirme yöntemini kullandılar. Önlerine baryum klorür çıktı. Fakat basiretleri bağlıydı. Baryum olamayacağını düşündüler. Sonra radyoizotop karışımını yeniden ayırmaya çalıştılar.
Sonunda 17 ve 19 Aralık 1938'de gerçeği kabul eden sonuçlar aldılar: 22 Aralık 1938'de makaleyi Doğal Bilimler Dergisi'ne ulaştırdılar. Makale kısaltılarak 6 Ocak 1939'da yayımlandı. Uranyum, nötronla bombardıman edilince yaklaşık eşit ağırlıkta ikiye bölünüyordu. Atomos, bölünemez demekti. Demokrit'ten 2300 yıl sonra atomu insaoğlu bölmüştü.
Yıllar sonra Otto Hahn şöyle diyecekti:
"Nükleer fizikçiler bizi koşullandırmışlardı. Ne zaman onların etkisini kafamızdan sildik ve bir kimyacı gibi düşündük, işte o zaman gerçeği görebildik."
19 Aralık 1939 Pazartesi günü Otto Hahn, kadim dostu Lise Meitner'e uzun bir mektup yazdı. "Şu ana kadar atomun parçalanabileceğine hiç ihtimal vermedik. Öyleyse baryum nasıl doğuyor? Mevcut fizik kanunlarına göre bunu açıklayabilir misin?" diyordu.
Lise Meitner de bunun olabileceği şekline bir yanıt verdi. Lise Meitner'e, İsveç Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü'nde profesörlük verilir. Yeğeni Otto R. Frisch ise Kopenhag'da Niels Bohr'un yanındadır. Meitner ve Frisch, onun enerji yönünü sezinlediler. Hesapla ve deneyle fisyon sonunda büyük bir enerji açığa çıktığını gösterdiler.
Canlı hücrenin bölünerek çoğalmasından esinlenerek, olaya fisyon (bölünme) adını verdiler ve 16 Ocak 1939'da olayın mükemmel bir açıklamasını, İngiliz Doğa Dergisi'ne gönderdiler. Lise Meitner ve Otto Robert Frisch, olayı çekirdeğin sıvı damlası modeline ve maddenin enerjiye dönüşümüne dayanarak açıklıyorlardı.
Yalnız, olayın nötronla ilgili boyutunu anlayamamışlardı. Onun açıklaması da Mart 1939'da Paris'ten geldi: Hans Von Halban, Frederic Joiot ve Lew Kowarski üçlüsünün imzasını taşıyan ve Doğa Dergisi'ne postalanmış mektup, olayda fazla nötron açığa çıktığını ve ardışık bir zincir tepkimesi oluştuğu açıklanıyordu. Otto Hahn engin bir alçak gönüllülükle şöyle der:
"Zaman, keşif için olgunlaşmıştı. Buna, Berlin'de ulaşılması bizim talihimizdi."
Fisyon olayı, 1939 yılında Avrupa'da çözülmüştü. Ama İkinci Dünya Savaşı’nın alevleri de Avrupa’yı yakmaya başlamıştı. Avrupa’daki savaş yangını, atom yarışında bayrağın, kıta değiştirmesine yol açtı. Şans bir kez daha Amerika Birleşik Devletleri'ne güldü. Avrupa'daki bilim adamlarının kaçtığı/göçtüğü/sığındığı iki ülke oldu: Amerika ve Türkiye.
Bu konularda pek sesi soluğu çıkmayan Amerika, inanılmaz bir atak yaparak başa geçti. Avrupa’da faşizmin egemen oluşu, bilim adamlarını Amerika’ya yığmıştı. Türkiye’ye gelenler de 1933 Üniversite Reformu'nun mimarları oldular. (Türkiye, 1990'larda Sovyetler Birliği'nin çöküşünden yararlanabilirdi; ama bu atılımı yapacak iktidar yoktu.)
1940'larda, bilimin önündeki soru şuydu: Fisyon yapan uranyum izotopu hangisidir? Uranyum-235 mi, uranyum-238 mi? Doğadaki 1.000 uranyum atomundan yalnızca 7 si uranyum-235, 993 tanesi ise uranyum-238 idi.
Mart 1940'da Amerika’lı J. R.Dunning, uranyum-238'in fisyona katılmadığını gösterdi. Bu, ciddi bir sorundu. Çünkü doğada çok olan değil de, eser miktarda denebilecek olan uranyum-235 işe yarıyordu. Kısacası, fisyon olayı için 1.000 atomdan 993 tanesi safra durumundaydı; işe yaramıyordu.
Uranyum-238, gerçi nötron yutuyordu ama fisyon yapmıyordu. Bir de nötronların hızına ve tasarrufuna bakmak gerekiyordu. Fisyonda hızlı nötronlar değil, yavaş nötronlar daha etkin ateşleyiciydi. Yani zincir tepkimesi için yalnız uranyum değil, aynı zamanda nötron yavaşlatıcısı bir madde de gerekiyordu.
Denis Papin « Bilim Adamları
Suları boşaltma işi madenler bakımından önemli olduğu kadar, daha birçok alanlarda da (kuyudan su çekme, bahçe sulama, çeşmeleri besleme, sarnıçları kurutma) çözüm bekleyen bir sorundu. Tulumbalar tekniği, antik çağdan bu yana, ta 1637'ye kadar, hiç güçlük çıkarmadan işlemişti. Ancak o tarihte Floransa dukasının kuyucuları, bütün çabalarına rağmen suyun yükselmediğini hayretle görünce Galile'ye baş vurdular. Bilgin onlara, suyun 10.33 metreden daha çok yükselemeyeceğini söyledi.
Bu olayın Toricelli'nin de dikkatini çektiğini ve suyun bu düzeyden daha yükseğe çıkamadığına göre, bu yükseklikteki bir su sütununa eşit olan hava basıncının onu dengelediği sonucuna vardığını biliyoruz Bu düşüncenin doğruluğunu, Pascal'ın Puy-de-Döme tepesindeki deneyi de kanıtladı. Buna dayanan Otto von Guericke, Robert Böyle ve Mariotte gaz dinamiğini kurdular. Kısacası, XVII. yüzyılın sonunda bütün fizikçiler, hava basıncının önlemesi sonucu suyun 10.33 metreden daha çok yükselmeyeceğini biliyorlardı. Bu durumda, suyun daha çok yükselmesini istiyorlarsa, hava basıncını kaldırmaları, yani bir piston aracılığıyla suyun üstünde boşluk sağlamaları gerekiyordu.
Daha doğrusu bu. Denis Papin'in teklif ettiği çözüm yoluydu. (1671).
Denis Papin, 22 Ağustos 1647'de Blois'da doğmuş genç bir hekimdi, ama hekimlikten çok fizikle ilgilenmekteydi. Bir yolunu bulup Huygens'le tanıştı ve asistanı oldu.
Büyük dâhi Huygens, Colbert'in dostuydu. XIV. Louis'nin Versay sarayını inşa ettirdiği ve parkına şahane havuzlar, şelâleler yaptırdığı dönemde, ünlü bahçe mimarı Le Nötre, Seine'in sularını önce Marly arkına, oradan da bu parka akıtmanın yollarını arıyor, bu çalışmalarında karşılaştığı bazı pompalama sorunlarını 'Çözümlemesi için Huygens'e baş vuruyordu.
Bilgin bir yandan, sarkaçlı ve zemberekli saatlerin icadına, mekaniğin temel yasalarını bulmaya, öte yandan Cassini'nin ısmarladığı dev astronomik dürbünleri imal etmeye çalışıyordu. Bunlar, onun gözünde, Versay sarayındaki pompalama güçlükleriyle kıyaslanamayacak derecede önemli ve heyecan verici konulardı. Kendini bütünüyle bu çalışmalara adamak için Versay sarayının sularıyla ilgili pratik sorunlarının çözümlenmesini asistanına bıraktı. Böylece Denis Papin, suyu 10.33 metreden daha yükseğe çıkarmanın çarelerini araştırmaya koyuldu.
Papin'e göre, suyu yükseltmek için borudaki havayı boşaltmak gerekiyordu ve boruyu, bu işe uygun olarak imal edilmiş bir hava boşaltma makinesine bağlamak yeterdi. Ne var ki, sadece laboratuvar deneylerinde başarılı olmaktan öteye gitmeyen bir yolla, bu kadar büyük çapta bir işe girişmenin, parlak sonuçlar veremeyeceğini, Denis Papin de biliyordu.
Bu bilgin ömrü boyunca huzursuz, geçimsiz bir insan olarak yaşadı; hiç bir şeyden hoşnut olmaz, koruyucularını gücendirir, hayallerin ardına takılıp sağlam ve onurlu görevleri geri çevirirdi. Böyle olduğu halde, suyu 10.33 metreden yükseğe çıkarma işinde ömrünün sonuna kadar sebat göstermesi şaşılacak bir şeydir. Ufak-tefek bazı icatların dışında Papin'in belli başlı kaygısı Versay sarayının suları oldu. Sorun çözümlendiğinde bile Papin hâlâ inatla başka çözümler arıyordu.
1687'de Londra'da bulunduğu sıralarda yeni bir tip tulumba düşündü. Pistonları hidrolik çarkla işleyen bu araç, iki silindirden meydana gelmişti. Pistonlar yukarı kalkınca altında hava boşluğu yaratıyor, hava basıncı bunları yeniden hızla aşağı itiyordu. Uçlarına asılan yükleri de kaldırabiliyordu. Ama ne yazık ki bu tulumba bilim adamlarından oluşan İngiliz Krallık Bilim Akademisinin (Royal Society) önünde işlemedi. Papin bunun nedenini bulmakta gecikmedi: Yeterince hava boşluğu sağlanamamıştı.
Papin, 1688'de Almanya'da Marbourg Üniversitesi profesörü olduğu sıralarda başka bir şey düşündü: Silindirdeki hava boşluğunu, içinde barut patlatarak sağlayamaz mıydı? Böyle bir tasarıyı, 1678'de Paris'te Abbe Jean ve Hautefeulle de ileri sürmüş, Huygens de bunu denemişti. Tulumbanın içine barut keseleri yerleştirecek, bunlar patlayınca çıkacak ateş, supaplar aracılığıyla havayı dışarıya atacaktı. Hava dışarı atıldıktan sonra piston, hava basıncının etkisiyle aşağıya inecekti. Papin, silindir 0.33 metre çapında olursa, 871 kg.'lık bir basınç elde edileceğini hesapladı.
Sonuç yine hayal kırıcı oldu; çünkü barutun patlaması da tam bir hava boşluğu yaratamıyordu. Papin olağanüstü bir inatla deneylerini sürdürdü. 1690'da yeni bir fikir ortaya attı: Tulumbayı su buharıyla doldurmak... Buhar, sıvı haline geldiğinde hacmi çok küçüleceğinden silindirin içinde tam bir hava boşluğu bırakacaktı.
Böylece buhar makinesinin belli başlı ilkesi ortaya atılmış oluyordu. Gerçi buharlaşan suyun hacminin çok arttığı ve bu artışın yarattığı güçten yararlanılabileceği daha önce de savunulmuştu, ama nasıl yararlanılacağı tutarlı bir şekilde ortaya konmamıştı. İtalyan Porta (1538-1615) ve Fransız Salomon de Caus (1576-1626), Buharın, kaplardaki suların boşaltılmasında kullanılmasını teklif ettiler. 1626'da İtalyan mimarı Giovanni Branca (1571-1640) buhar püskürtülmesiyle çarkları çevirmeyi, İngiliz Marquis Edward da (1601-1667), kaynamış suyla dolu bir topu patlatmış olduğunu ileri sürdü.
Bütün bunlar, teklif ya da deney aşamasında gerçekten işleyebilir makineler olmaktan uzaktı. Buna karşılık. Denis Papin'in 1690'da Actes de Leipzkj'de tanıttığı makine bambaşkaydı ve yepyeni ufuklar açıyordu, içinde bir pistonun buhar gücüyle gidip geldiği bir silindirdi bu. Silindirin dibinde bir miktar su bulunmakta, piston da suyun düzeyinde durmaktaydı. Yapılacak işlem şuydu: Silindir, su buharlaşıncaya kadar ısıtılacak; o zaman buhar pistonu kaldıracak; bu safhada ateş uzaklaştırılacak; su soğuyunca yerine hava boşluğu bırakacağından, piston hava basıncının itişiyle aşağı inecekti. Hem öylesine bir güçle inecekti ki, bu güç rahatlıkla bir yükü kaldırabilecek ya da bir tulumbayı işletebilecekti.
Ancak, bu makinenin aksayan yanı apaçık ortadaydı. Silindir kapalı olduğundan su bitince yeniden doldurulamayacaktı. Üstelik buhar iyice soğumadan piston inemeyeceğinden, soğumasını beklemek gerekecekti. Yani bu makine sabırları tüketecek kadar yavaş işlemeye mahkûmdu. Buluş parlak olmakla birlikte, kullanışlı bir makine halini alabilmesi için geliştirilmesi gerekiyordu. Mucit biraz ilgi görmüş olsaydı kendisini bu işe verirdi, ama icadı tam bir kayıtsızlıkla karşılanmış, Actes de Leipzig'deki makalesi yayımlandıktan hemen sonra unutulmuştu.
Mikrodalga Fırınlar « İcatlar ve Keşifler
Diyelim ki, normal bir fırında bir keki pişiriyorsunuz. Kekler normal olarak 170-180 derecede pişirilirler. Ama siz fırını yanlışlıkla 250 dereceye ayarlarsanız, olacak olan, kekin daha içi ısınmamışken, dışının yanmasıdır. Normal bir fırında, ısı önce yemeğin piştiği kap sonra da yemeğin dışı ile temas eder ve oradan içine doğru yayılır. Fırının içinde ısınan kuru hava da, kekin içi hala nemli iken dışını kurutur ve kahverengi bir kabuğun oluşmasına yol açar.
Bir mikrodalga fırında kullanılan, yani yiyeceğin üzerine gönderilen mikrodalgalar 2.500 megahertz frekansındaki radyo dalgaları boyutunda olup, frekansları FM radyo bandı frekansının yaklaşık 20 mislidir.
Bu frekanstaki radyo dalgalarının ilginç bir özelliği vardır. Su, yağ ve şeker tarafından çok rahat emilmelerine rağmen plastik, cam, seramik gibi malzemeler, nitrojen ve oksijen gibi gazlarca emilmezler ve tekrar gerisin geriye yansıtılırlar.
Sık sık mikrodalga fırınların, yiyeceği içinden dışına doğru ısıttığını duyarsınız. Bu doğru değildir. Dalgalar doğrudan yiyeceğin yağ ve su moleküllerini etkilerler. Yani yiyeceğin dışından başlayıp içine doğru ilerleyen veya tam tersi yönde bir ısınma söz konusu değildin Su ve yağ molekülleri yiyeceğin her tarafına dağılmış olmaları sebebi ile, ısınma da aynı zamanda her yerde olur.
Tabii ki bazı sınırlamalar da vardır. Radyo dalgaları yiyeceğin daha kalın ve yoğun kısımlarından farklı şekilde direnç görerek geçtiklerinden, yiyecekte farklı sıcaklıkta noktalar oluşabilir.
Radyo frekansındaki bu mikrodalgalar, oksijen ve nitrojen tarafından emilmedikleri için, mikrodalga fırında bulunan ve çoğunlukla bu gazları içeren hava da, diğer fırınlardaki gibi sıcak olmayıp, oda sıcaklığındadır. Bu da ısınan hava tesiri ile yiyecekte, kızarmış bir kabuk oluşmasına mani olur.
Bir mikrodalga fırınına, giysilerinizden birini koyarsanız, kumaş aniden ısınır ve içerdeki havayı da ısıtır. Kumaş yanmasa da normal bir fırında olacağı gibi kumaşın yüzeyinde kırışık bir kabuk oluşur.
Daha ilginci, bir mikrodalga fırının içine bir kahve fincanı içinde su koyarsanız, fincanın içindeki suyun ısısı, suyun kaynama noktasını geçtiği halde, suyun kaynamadığını, hava kabarcıklarının çıkmadığını görürsünüz. Bu suyu fırından alır, içine bir kahve kaşığı sokar veya onu içinde kahve bulunan bir kaba dökerseniz, aniden kabarcıklarla kaynayacak ve hatta taşacaktır.
