Kütle-Enerji Eşdeğerliği Ve Çekirdek Tepkimeleri

Einstein'ın meşhur E=mc2 denklemine göre çekirdek tepkimelerinde toplam kütledeki azalma kadar enerji açığa çıkmaktadır. Bu yazımızda kütle-enerji denklemlerinden başlayarak nükleer santrallerdeki çekirdek tepkimeleri sonucu elde edilen enerjiye kadar olan süreci sizler için inceledik.

A- A+

25.10.2013 tarihli yazı 20479 kez okunmuştur.

Öncelikle denklemleri anlamak için bir düşünce deneyini ele alalım. Durgun boyu L ve kütlesi M_K olan bir kutu düşünelim. Kutunun sol tarafında bir ışık atmasının yayınlandığını varsayalım. E enerjili parçacık p=E/c kadar doğrusal momentum taşıdığı için kutu v hızı ile sola doğru tepmelidir. Momentum korunumu ile M_Kv=E/c olur. Işık atmasının kutu boyunca gitmesi için geçen süre ∆t=L/c kadardır. Bu sebepten kutu sola doğru

∆x = v∆t = (EL)/(M_Kc²)

kadar yer değiştirmelidir. Ancak sistem yalıtılmış olduğu için kütle merkezinin yer değiştirmemesi gerekmektedir. Einstein bu durumu ışığın bir kütlesi olduğunu kabul ederek aşmıştır. M_A ışığın taşıdığı kütle ise

M_AL= M_K ∆x olur. Buradan

M_A= (M_K∆x)/L = (M_K/L).(EL/ M_K.c²) = E/c² elde edilir.Buradan da

E= M_A.c² elde edilir.

Görüleceği gibi bir cisim radyasyon formunda E kadar enerji yayınlarsa kütlesi E/c² kadar azalır. Bağıntıyı ışık enerjisi için üretmemize rağmen enerjinin eşdeğerliği evrenseldir. Bu sebepten parçacık durgunken de bir enerjiye sahip olduğunu anlarız. Bu enerjiye parçacığın durgun enerjisi denir.

► İlginizi çekebilir: Einstein'ın Büyük Fikri

Bu formül Einstein'in meşhur kütle enerji formülüdür. Bu bağıntıya göre kütle bir enerji şeklidir. c² ifadesi ise sabit bir çevirme çarpanıdır. Bu ifade küçük bir kütlenin büyük bir miktar enerjiye karşı geldiğini göstermektedir. Bu durum çekirdek fiziğindeki temel kavramlardandır. Verilen formül durgun halde bile bir parçacığın kütlesi sebebiyle büyük miktarda enerjiye sahip olduğunu belirtmektedir. Kütlelerdeki değişime bağlı olarak parçacıklardan enerji salınması çekirdek reaksiyonlarının temelidir. Çekirdeklerin parçalanması veya birleşmesi esnasında kütle kaybı yaşanmaktadır ve kütle kaybı kadar enerji açığa çıkmaktadır.

Çekirdek Parçalanması: Fisyon

Nükleer reaktörlerde uranyum çekirdekleri çok miktarda kinetik enerjiye sahip birçok hafif parçaların yaratıldığı fisyon reaksiyonuna girerler. Fisyon ürünü olan tüm parçaların toplam kütlesi ana çekirdeğin kütlesinden daha küçüktür. Kütle farkına eşdeğer miktarda radyasyon şeklinde enerji açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan bu enerji ile reaktördeki su ısıtılarak buhar haline getirilir. Bu buhar yardımıyla buhar türbinleri döndürülür. Türbinlerin dönmesi ile alternatörde elektrik enerjisi üretilir.

► İlginizi çekebilir: Tesla Bobininin İncelenmesi

Çekirdek Birleşmesi: Füzyon

Füzyon tepkimelerinde ise iki döteryum çekirdeği tek bir helyum oluşturmak için birleşirler. Bu birleşme esnasında ilk durumdaki çekirdeklerin kütlesi azalmaktadır ve bu kütleye eşdeğer miktarda yani 23,9 MeV enerji açığa çıkmaktadır.

Ortaya çıkan enerjiyi daha iyi anlayabilmemiz için vereceğimiz örnek daha yararlı olacaktır. 1 gram döteryum helyuma dönüştürüldüğünde yaklaşık 10¹² J enerji açığa çıkar. Bu miktarda bir enerji ABD'deki fiyatı ile 70 000$ dır.

Kaynak:

► Serway Beichner