Atom
Atom, Maddenin kimyasal bir element olarak görülebilen en küçük birimi. Farklı elementlerin Atomları da ayrıca, birleşerek kimyasal bileşiklerin en küçük birimleri olan molekül sistemlerini oluştururlar. Bütün bu olağan işlemlerde Atomlar, Eskiçağ Yunanlılarının düşünmüş oldukları biçimde, maddenin temel yapı taşları olarak ele alınabilirler. Ama Atomlar şiddetli kuvvetler uygulandığında, daha küçük parçalara ayrılabilirler. Dolayısıyla aslında birim değil, bileşiktirler ve karmaşık bir iç yapıları vardır. Atomların ayrılmaları konusunda çalışan, XX. yy. bilim adamları, Atomların iç yapıları konusunda birçok ayrıntıya açıklık getirmişlerdir.
Normal bir Atomun büyüklüğü yalnızca yaklaşık 10/-10metre dolayındadır. Katı maddenin bir santimetre kübü yaklaşık 10/24 Atom içerir. Atomlar optik mikroskoplar kullanarak görülemezler; çünkü görülen ışığın dalga boylarından çok daha küçüktürler. Elektron mikroskopları ve Atom gücü mikroskopları gibi görüntüleme tekniklerini kullanarak, bilimadamları tek tek Atomların yerlerinin ayırdedilebildiği görüntüler üretmeyi başarmışlardır.
ESKİ ATOM KURAMLARI
Maddenin Atomdan oluştuğu konusunda yazılı ilk kuramlara eski Yunan filozofları Leukippos ve Demokritos'un çalışmalarında rastlanmıştır. Düşüncelerinin temeli, olguların, uzay boşluğunda çok sayıda minik ve bölünmez maddenin hareketine dayanarak anlaşılabileceğidir. (Atom adı, Yunanca'da "bölünmez" anlamındaki "Atomas" sözcüğünden gelir.) Demokritos'a göre, bu kütlelerin her biri biçim ve büyüklük olarak değişiklik gösterir ve maddenin gözlemlenen değişiklikleri, onları oluşturan Atomlardaki bu farklılıklardan oluşur.
Yunanlıların Atom kuramı, fiziksel olgunun belirli ayrıntıları konusunda açıklamalara kalkışmıştı. Bunun yanı sıra, doğadaki değişikliklerin nasıl geliştiği sorusuna felsefi bir yanıttı. Atom kuramını niceliksel yapacak - yani madde üstüne araştırmalarda bilimsel bir varsayım geliştirecek -çok az çaba harcanmıştı. Bununla birlikte Yunan Atomculuğu, kullanılan maddelerin doğasının, cisimlerin görünmeyen yapılarına ve bilinmeyen özelliklerine dayanılarak açıklanması gerektiğini belirten değerli bir kavram sunmuştur. Demokritos, günümüze kadar korunabilmiş deyişlerinin birinde bunu şöyle dile getirmiştir: Renk, tatlı, acı, birer uzlaşma olarak vardır; gerçekte Atom ve boşluk dışında hiçbir şey var olamaz.
Epikuros ve Lucretius gibi daha sonraki Eski Çağ filozofları tarafından Yunan Atom kuramının uygulanmasına ve geliştirilmesine karşın, bu kuram aslında, maddenin doğasıyla ilgili düşüncelerle savaşma aracıydı. Söz konusu düşüncelerden biri, Empedokles'in, dört temel element kuramıydı. Aristoteles'in başlıca temsilcisi olduğu söz konusu seçenek düşünceler, bilimsel bir olguyu açıklama isteğinden çok, felfesi sorulan yanıtlama isteğinden kaynaklanmıştır.
XVI. ve XVII. yy'larda Avrupa'da bilime ilgi yeniden canlandığında, daha ileri düşüncelere temel oluşturacak eski Yunan Atomculuğu konusunda yeterli bilgiler vardı. Atom kuramını yeniden canlandıran kişiler arasında Pierre Gassendi, Robert Böyle, özellikle de İsaac Newton sayılabilir. Newton'un kitabı Optikler’in son bölümü, Atomlara dayanarak maddenin özelliklerinden bazılarının nasıl anlaşılabileceğini gösteren, madde ve ışığın Atom yapıları konusunda bir dizi ayrıntılı kuramdan oluşur.
Daha sonra XIX. yy'da, birbirinden bağımsız iki akıl yürütme biçimi, bilim adamlarının çoğunun Atom kuramına inancını güçlendirdi. Her iki yaklaşım da Atomun bazı nicel özelliklerini geliştirdi. John Dalton tarafından başlatılan birinci yaklaşım, kimyasal olgularla ilgiliydi. Gazların davranışlarıyla ilgili ikinci yaklaşımsa, Rudolf Clausius ve James Clerk Maxwell gibi fizikçiler tarafından ortaya kondu.
Dalton'un attığı temel adım, Atom ağırlığı kuramını getirmiştir. Dalton, o dönemde bilinen elementler üstünde çalışmalar ve birbirleriyle tepkileri konusundaki bilgilerin çözümlemesini yapmıştır. Aynı elementler arasında birkaç belirgin tepkime gerçekleştiğinde, tepkimeye giren niceliklerin her zaman basit asal sayıların oranları (1 'e 1, 2'ye 1, 2'ye 3 gibi) biçiminde olduğunu belirten, katlı oranlar yasasını ortaya koymuştur. Buradan, bu tür tepkimelere giren niceliklerin eşit sayıda Atom verdikleri, dolayısıyla da Atom tanelerinin kütlelerine orantılı oldukları kavramı ortaya çıkmıştır. Dalton, bilinen en hafif element hidrojene 1 Atom ağırlığı vermiş ve buna bağlı olarak, bilinen öbür elementler için nispi Atom ağırlıkları geliştirmiştir.
atom kuramının ışığında gazların incelenmesi, XVIII. yy'da Daniel Bernoulli tarafından başlatılmıştır. Bernoulli, gazın uyguladığı basıncın, gaz Atomlarının kabın çeperlerine çarpması sonucu oluştuğunu göstermiştir. 1811 'de Amadeo Avagadro, aynı basınç ve sıcaklık koşulları altında eşit hacimde farklı gazların, eşit sayıda akım içerdiklerini ileri sürmüştür. Bir gaz kütlesindeki Atom sayısı, bir gram Atom ağırlığına eşittir (elementin gram olarak niceliği, elementin Atom ağırlığıyla aynı sayısal değerdedir): Günümüzde yaklaşık 6,022 x 10/22 olarak kabul edilir.
Avagadro'nun, kendisi, günümüzde "Avagadro" sayısı adı verilmesine karşın, bu değerin büyüklüğünü hiçbir zaman hesaplayamamış, değerin belirlenmesi ilk olarak XIX. yy'ın ortalarında Clausius ve Maxwell tarafından gerçekleştirilmiştir. XX. yy'ın başlarında billurlar üstünde X-ışını kırılması yöntemi kullanılana kadar kesin bir ölçüm yapılamamıştır. Avagadro sayısı değerinden, Atom tanelerininin kütleleri belirlenebilir: Hidrojen için 1,6 x 10/24 gram.
Not: XX. yy'ın başlarında İngiliz fizikçisi Joseph John Thomson, Atomu, daha ağır, daha geniş pozitif elektrik yüklü bir küreye bir kekteki üzümler gibi yerleştirilmiş, küçük, elektriksel açıdan negatif yüklü tanecikler ya da elektronlar içeren parçacık olarak tanımlamıştır. İngiliz fizikçisi Ernest Rutherford 1911'de elektronların, küçük, ağır, pozitif yüklü merkezdeki bir küre ya da çekirdek çevresinde döndükleri Atomun güneş sistemi modelini geliştirmiştir (B). 1913'te DanimarkalI fizikçi Niels Bohr, elektronların çekirdekten uzakta, yalnızca belirli uzaklıklarda, belirgin yörüngelerde bulunabileceklerini varsayan gezegen modelini yenilemiştir. Elektronlar, enerji emerek, çekirdeğe yakın düşük enerjili bir yörüngeden, daha yüksek enerjili yörüngelere atlayabilirler (yeşil oklar). Elektronlar düşük enerji düzeyine geri döndüklerinde (mor oklar), fazlalık enerjiyi, görülebilir ışık gibi özel bir dalga boyu ışınımı biçiminde yayarlar.
ELEKTRONUN VE IŞINIMIN BULUNMASI
XIX. yy'ın sonuna doğru aşağı yukarı bütün bilim adamları, Atom kuramının doğruluğunu kabul etmişlerdi. Bunun yanı sıra, Atomların aslında adlarının belirttiği gibi bölünemez parçacıklar olmadıkları konusunda kanıtlar da birikmeye başlamıştı. Bu kanıtlardan birinin temeli, Neon ışınlarına benzeyen gaz boşalım tüpleri kullanan çalışmalardır. Bu tür tüplerde düşük basınç altındaki bir gaz, şiddetli elektrik akımı etkisine sokulur. Bu koşullar altında, tüpü aşan çeşitli renklerde alevler gözlemlenmiştir ("alev akışı" diye adlandırılır.) Farklı türden gazlar için, tüpün bir ucunda, "katot" diye adlandırılan elektrodun çevresinde, mavi bir alev gözlemlenmiştir. Bunlar, 1897'de, herhangi bir Atomunkinden daha küçük kütle taneli negatif yüklü parçacıklardan oluşan bir akış sağlamak için, John Thomson tarafından gösterilmiştir. Çok geçmeden, "elektron" adı verilen söz konusu parçacıkların bütün Atomların bileşeni olduğu anlaşılmıştır. Yani Atomlar bölünemez değildir; bileşenlerden oluşurlar.
Ayrıca XIX. yy'ın sonlarında ve XX. yy'ın başlarında, bazı Atom çeşitlerinin kararlı olmadıkları, üstelik, kendiliğinden başka Atom çeşitlerine dönüştükleri bulunmuştur. Sözgelimi, uranyum Atomları yavaş yavaş, hafif toryum Atomlarına, onlar da daha hafif Atomlara dönüşür ve sonunda kurşunun kararlı Atomları ortaya çıkar. İlk olarak Antoine Henri Becauerel tarafından gözlemlenen bu değişikliklere, Atom değişikliklerine çeşitli tipten birçok ışın yayımı eşlik ettiği için, radyoaktiflik ("ışınetkinlik") adı verilmiştir.
Atomlar genellikle, elektrik bakımından nötrdürler. Bu yüzden bir Atomdaki elektronların negatif yükünün, ona karşılık gelen bir pozitif yükü dengelemesi gerekir. Elektronların kütlesi çok küçük olduğundan, bir Atomun pozitif bileşenleri de Atomun kütlesinin çoğunu taşımalıdır. Bu farklı bileşenlerin, Atomun içinde nasıl düzenlendikleri konusundaki soru, 1911'de Ernest Rutherford ve çalışma arkadaşları tarafından yanıtlanmıştır. Bu ekip, deneylerinde ince altın tabakalar içinden alfa tanecikleri - bazı radyoaktif bozunmalarda yayman bir ışınım türü - geçirmiş ve alfa taneciklerinin bazen ana yörüngelerinden ters yönde saptıklarını gözlemlemiştir. Bu, altının Atomları arasında ağır bir cisimle bir çarpışma olduğunu düşündürmüştür. Elektronlar bu tür sapmaları üretecek kadar kütleli olmadıklarından, pozitif yüklerin de işe karışmaları gerekir. Rutherford bu bilgiyi çözümleyerek, bir Atomdaki pozitif yükün 10/-14 metreden küçük çapta ya da bütün Atomun onbinde biri büyüklüğünde, çok küçük bir hacimde bulunması gerektiğini göstermiş, kısa bir süre sonra Atomun bu parçası, "çekirdek" diye tanımlanmıştır. Daha sonraki hesaplar, çekirdeğin büyüklüğünün, yaklaşık olarak Atom ağırlığının küp kökünün 10/15 metreyle çarpılmasıyla elde edildiğini göstermiştir.
RUTHERFORD MODELİ
Rutherford, Atomun çekirdek ve elektronlar arasındaki elektrik çekimiyle tutulduğu bir Atom modeli öne sürmüştür. Bu modelde elektronlar, çekirdek çevresinde gezegenlerinkini andıran yörüngelerde dönerler. Model, kimyanın birçok konusunu ve günlük fiziği açıklamada başarıyla kanıtlanmıştır. Sonraki Atom çalışmalarıysa, "Atom fiziği" diye adlandırılan, Atomun elektron parçalarının araştırılmasına ve "nükleer fizik" diye adlandırılan çekirdeğin kendisiyle ilgili araştırmalara ayrılmıştır. Çekirdek ve elektron yörüngeleri arasındaki aşırı büyüklük farkı ve elektron değişikliklerine oranla nükleer enerji üretmede çok daha fazla enerji gerekmesi dolayısıyla bu ayırım doğaldır.
Rutherford Atom modeli iki önemli sorunla karşı karşıya kalmıştır. Birincisi, "aynı elementin farklı Atomları fiziksel ve kimyasal açıdan benzer davranırlar" gerçeğiyle çelişmesidir. Modele göre elektronlar, Newton fiziğiyle kabul edilen sonsuz sayıda yörüngenin herhangi birinde hareket edebilirler. Oysa böyle olsaydı, aynı elementin farklı Atomları, bütünüyle farklı davranırlardı. (Aslında bu sorun Newton fiziğine dayalı her Atom modeli irin geçerlidir.) İkinci sorun, elektromanyetik ilkelerine göre, elektronların yörüngelerinde dönerken sürekli olarak ışınım yaymak zorunda olmalarıdır. Bu da doğru olsaydı, elektronların enerji kaybetmelerine ve sarmal biçimde çekirdeğin içine doğru inmelerine neden olurdu. Bir hidrojen Atomunda tek bir elektron için, bu olayın 10/-9 saniyede gerçekleşebileceği tahmin edilmiştir. Gerçekteyse, hidrojen Atomları sürekli olarak kararlıdırlar.
Bu sorunların çözümünde önemli bir adım, 1913'te Niels Bohr tarafından atılmıştır. Bohr'a göre Atomdaki elektronlar rastgele (keyfi) yörüngelerde bulunamazlar. Yalnızca belirli "düzeylerde" bulunurlar. Bulundukları düzeyler, yörüngelerinin açısal momentumunun h/2 pi'nin asal çarpanları olduğu yerlerdir (burada h, Planck sabiti ya da değişmezi denen bir değerdir; bu değişmez, kara cisim ışınımını tanımlayan kavramında Max Planck tarafından sunulmuştur).
BOHR MODELİ
Bohr'un Atom modeline göre her Atom için bir sözde durgun düzey vardır. Bu durgun düzey, Atomla belirlenen en düşük enerjideki ve aynı sayıda elektron içeren her Atom için aynıdır. Bir Atom normal olarak, elementin gözlemlenmiş özelliklerini belirleyen bu durgun düzeyde bulunur. Ayrıca Bohr'a göre durgun düzeyde bir Atomdan ışınım yayınmaz. Bu, ışınım sürecinde enerjinin korunması gerektiğindendir ve ışımada kaybedilen bu enerjiyi Atomun dengelemesi için uygun düşük enerji düzeyi bulunmaz.
Bir Atom durgunluk düzeyinden yalnızca ışınımla ya da çarpmalarla uyarılarak çıkarılabilir. Atomların çoğu için bu uyarılma enerjisi, birkaç elektron volta karşılık gelir. Atom uyarıldığında, sürekli olarak, hızla elektromanyetik ışınım yayacak ve durgun düzeyine dönecektir. Işınım "foton" adı verilen, ışın taneyığınları ya da kuvanta biçiminde yayınır. Her foton, uyarılan düzeyin enerjisi ile Atomun durgun hali arasındaki farka eşit bir enerji taşır. Planck ve Albert Einstein tarafından geliştirilen bir formüle göre, bu enerji, yayman ışının belirli bir dalga boyuna karşılık gelir. Bohr, elektronlar için belirlenmiş açısal moment konusundaki tahmininden yararlanarak, en basit hidrojen Atomunun tayf çizgilerinde hatasız dalga boylarını hesaplayabilmiştir. Gözlemlerin Bohr'un sonuçlarıyla uyuşması, bilim adamlarını, modelinin doğruluğuna inandırmıştır.
Not: Sir Ernest Rutherford altın tabakasını alfa tanecikleriyle (pozitif yüklü helyum çekirdeği) bombalayarak ve taneciklerin nasıl dağıldıklarını öğrenmek için çinko sülfürlü ekran kullanarak, Atom yapısını incelemiştir . Atomların, negatif yüklü elektronlar tarafından çevrelenen, pozitif yüklü çekirdek içerdiğini ortaya koymuştur. Alfa tanecikleri, çekirdeklerinin çoğunun yanından belli bir uzaklıktan geçer ve doğrultusunu çok fazla değiştirmezler ; ama birkaçı daha yakından geçer ve çekirdeğin yükü tarafından itilir ya da doğrudan doğruya çekirdeğe çarpıp, geri sıçrarlar.
ATOM FİZİĞİ ve KUVANTUM TEORİSİ
Bohr, ayrıca niteliksel olarak bütün elementlerin kimyasal özelliklerini belirtmek için Atom kuramını genişletebilmiştir. Bir Atomdaki her elektron "kuvantum" sayısı diye adlandırılan dört dizi belirler. (Bu sayılar enerjinin özelliklerine karşılık gelir: Toplam yörüngesel açısal momentum, yörüngesel açısal momentumun izdüşümü, dönme açısal momentumunun izdüşümü.) Ayrıca bir Atomda iki elektron her dört kuvantum sayısı için aynı değerleri taşıyamaz (ilk olarak 1924'te Wolfgang Pauli tarafından öne sürülmüştür). Bu ilke, bir elementin kimyasal özelliklerinin Atom sayısına (elementin her Atomundaki elektron sayısı) ne bakımdan bağlı olduğunu etkiler. Her enerji düzeyi için en çok sayıda elektrondan daha fazlası olmaz. Sözgelimi bir Atomun en düşük enerji düzeyi - elektronların yörüngesel açısal momentumunun sıfır olduğu düzey - iki elektrona kadar içerebilir. Helyum Atomunda iki elektron, hidrojen Atomunda da bir elektron bu enerji düzeyinde bulunurlar. Bir sonraki ağır Atom lityum için, üç elektrondan biri daha yüksek bir enerji düzeyinde bulunmalıdır; sonuç olarak da bu elektron başka bir Atoma daha kolay verilebilir. Yaklaşık olarak aynı enerjideki bu elektronların bir "kabuk" oluşturduğu söylenir. Bir Atom, bir enerji düzeyi için gereken en çok sayıda elektronu kapsıyorsa, bu kabuk "kapalı" diye nitelendirilir. Helyum ve argon gibi soy gazların Atomlarının bütün kabukları kapalıdır.
Bohr'un modeli, Atomu nitelik olarak kesin biçimde tanımlamasına karşın, hidrojenden daha karmaşık Atomlar için nicelik olarak kesin sonuçlar vermez. Böyle Atomları tanımlamak için kuvantum mekaniği kullanılır. Atom ve Atom içi olguları içeren bu kuram, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, vb. bilim adamları tarafından 1920 yıllarında ortaya konmuştur. Kuvantum mekaniğinde elektron yörüngeleri her elektronun yalnızca hangi uzay bölgelerinde daha iyi bulunabileceğini gösteren olasılık dağılımlarıyla yerleştirilir. İlk olarak Schrödinger tarafından yazılan denklem, bu dağılımın her Atom için hesaplanmasını sağlar. Dağılımdan, Atomun enerji ve açısal momentum gibi özellikleri belirlenebilir. Kuvantum mekaniği yardımıyla çok sayıda Atom olgusu hesabı yapılmış, bu hesaplar, Atomların özellikleri ve davranışı konusunda doğru açıklamalar getirmiştir. Bazen en basit Atomlar için gözlem ve hesaplar, milyonda birden daha iyi sonuç verir.
Not: 1932'de John Cockcroft ve Ernest Walton elektrikle hızlandırılmış protonlarla, lityum çekirdeğini helyum çekirdiğine bölmüş, bu alandaki çalışmalarıyla 1951'de Nöbet Fizik Ödülü'nü paylaşmışlardır.
ÇEKİRDEĞİN ARAŞTIRILMASI
Yukarda açıklandığı gibi, 1920 yıllarının sonuna doğru fizikçiler Atomun elektron yapısını tam olarak anladıklarına karar verdiler. Daha sonra ilgi çekirdeğe yöneldi. Bazen çekirdeğin radyoaktif bozunma sırasında başka bir çekirdeğe dönüştüğü zaten biliniyordu. Ayrıca 1919'da Rutherford, azot çekirdeğini yüksek enerjili alfa tanecikleriyle patlattığında bunun yapay olarak sağlandığını göstermişti. İşlemde azot çekirdeği oksijen çekirdeğine dönüşür ve bir hidrojen çekirdeği ya da "proton" dışarı atılır. Daha sonra Thomson, Francis William Aston, vb. bilim adamları, çekirdeğin belirli bir element için, kütlesi birçok farklı biçimde bulunabileceğini ortaya koydular. Kimyasal olarak benzer, ama fiziksel olarak farklı bu Atomlara "izotoplar" denir. Bütün bu çalışmalar, Atom çekirdeğinin de bir çeşit iç yapısı bulunduğunu ve bunun deney ve hesaplarla araştırılabileceği gerçeğini ortaya çıkarmıştır.
Elektrik yükünün asal değerlerindeki ve birçok çekirdek kütlesindeki farklar, çok geçmeden, orada bulunan tek parçacık türü olmadıkların göstermiştir. Çekirdeğin elektrik yükü her zaman protonun yükünün tam asal çarpımıdır; dolayısıyla bu elektrik yükünün bilinmesi her zaman çekirdeğin kaç proton içerdiğini belirtir. Ayrıca çekirdeğin kütlesi yaklaşık olarak - ama tam olarak değil - bir proton kütlesinin asal çarpanıdır. Dolayısıyla birçok Atom için bu iki asal değer aynı değildir. Sözgelimi bir helyum çekirdeği, protonun iki katı yükte, ama dört katı ağırlığındadır. Sonuç olarak, çekirdek protondan başka birşey de içermektedir.
Bu sorun 1932'de, James Chadwick tarafından "nöt-ron"un bulunmasıyla çözülmüştür. Nötron, elektrik yükü olmayan bir taneciktir ve protondan biraz daha ağırdır. Aslında çoğu çekirdek, birlikte "nükleonlar" diye adlandırılan, hem proton hem de nötrondan oluşur. Bir helyum çekirdeği iki proton ve iki nötron içerir. Her elementin izotopları aynı sayıda proton, ama farklı sayıda nötron içerirler. Sözgelimi, hidrojenin "döteryum" adı verilen bir izotopu, bir proton ve bir nötron içerir; "trityum" adı verilen daha ağır bir izotopu, bir proton ve iki nötron içerir.
Daha sonra sorun, Atom taneciklerinin çekirdek gibi küçük bir bölgede nasıl bir arada tutulabileceği konusunda gelişmiştir. Tanecikleri tutan kuvvet o zamana kadar fizikçiler tarafından bilinen öbür kuvvetlerden farklı olmalıydı. Çekirdekten elektronları ayıran elektrik güçlerinden daha şiddetliydi. Öte yandan, birbirinden uzakta farklı çekirdekler arasındaki nükleer kuvvetler çok zayıftı (aynı uzaklıktaki elektrik kuvvetlerinden daha zayıf). Nükleer kuvvetler üstünde 1930'larda ve 1940'larda yoğun olarak çalışıldı ve özellikleriyle ilgili birçok ayrıntı öğrenildi. Sonunda benzer çalışmalar, temel tanecikler çalışmasının bir parçası haline geldi.
NÜKLEER KUVVETLER VE TEPKİMELER:
Nükleer kütlelerin ölçümü, bir çekirdeğin kütlesinin tam olarak bileşenlerinin kütlesinin toplamı olmadığını göstermiştir. Bunun yanı sıra, toplam kütle bu toplamdan biraz küçüktür. Nükleer tanecikleri birbirine bağlayan kuvvet - "bağlama enerjisi" adı verilir- toplam kütledeki bu azalmaya bağlanır. Einstein'ın kütleyi enerjiyle denklemlemesi (E=mc²), kayıp kütlenin, nükleer tanecikleri bir araya getirmek için harcanan bağlama enerjisine denk düştüğünü belirtir. Bir çekirdeğin kararlılığı, bağlama enerjisi büyüklüğünün nükleonlarının sayısına bölünmesiyle ölçülebilir. Sonuçta elde edilen büyük değerler, belirli bir çekirdek için yüksek kararlılığı gösterir. Daha hafif bir çekirdek için ortalama bağlama enerjisi küçüktür. Nükleon sayısı artma eğilimlidir: Yaklaşık 60 nükleonlu bir çekirdeğe kadar. Bunlar en kararlı çekirdeklerdir. Bu nükleon sayısının altında, ortalama bağlama enerjisinin büyüklüğü yavaşça azalır. Bilinen en ağır Atom çekirdekleri en az kararlı olanlarıdır. Çekirdeklerin ortalama bağlama enerjileri karşılaştırılarak, bu çekirdekler üstünde bir tepkimenin enerji yayıp yaymayacağı ya da tepkime oluşması için fazladan bir enerji gerekli olup olmadığı söylenebilir. İki hafif çekirdek arasındaki tepkimeler, helyum oluşturmak için iki döteronun birleşmesi gibi, genellikle enerji yayarlar. İki çekirdek de birbirini elektriksel olarak ittiğinden, bu tür bir "füzyon", yalnızca bu itimi yenebilecek kadar hızlı hareket ettiklerinde ve onları biraraya getirecek nükleer kuvvetlerin etkisi için yeterli kısa mesafeye yaklaşabildiklerinde gerçekleşir. Yüksek-enerji füzyon tepkimeleri, yıldızların enerji kaynağı ve hidrojen dışında, evrendeki bütün elementlerin oluşum biçimidir.
Öte yandan, çok ağır çekirdek, tepkime sırasında enerji yayarak iki ya da daha çok küçük çekirdeğe bölünebilir. Bu davranıştan dolayı yaklaşık 210'dan çok nükleon içeren bütün çekirdekler, her çeşit radyoaktif bozunmaya karşı kararsızdır. Ağır çekirdeğin bu kararsızlığına önemli bir örnek, nükleer "fisyon"dur. 1938'de Otto Hahn ve Fritz Strassmann tarafından, uranyumda bulunmuştur. Fisyonda, ayrılma sonucu ürünler, iki orta büyüklükte çekirdek ve birkaç nötrondur. Fisyon hem kendiliğinden, hem de asıl çekirdeğin uyarılmasıyla gerçekleşebilir. En önemli uyarma, nötronun çekirdek tarafından emilmesidir. Nötronlar yüksüz olduklarından, çekirdek tarafından elektriksel olarak itilmezler. Aslında çok düşük enerjili nötronlar bile emilebilir ve fisyonu uyarabilir. Uranyum gibi ağır bir çekirdeğin fisyonunda, bir Atomdaki elektronları kapsayan kimyasal işlemlerdekinden milyonlarca kez fazla, yüz milyonlarca elektron voltluk enerji yayılır. Ayrıca, fisyon sürecinde, eklenen nötronların serbest bırakılması gerçeği, tepkime gerçekleşirken daha çok çekirdeğin fisyona girdiği zincirleme tepkimelerin gerçekleşmesini olanaklı kılar. Nükleer güç santrallerinde ve fisyon temelli nükleer patlayıcılarda gerçekleşen tepkimeler, bu tür zincirleme tepkimelerdir.
NÜKLEER MODELLER:
Nükleer süreçler konusundaki çalışmaların bir sonucu olarak, Atom çekirdeğinin yapısını açıklayan birçok model ortaya konmuştur. Çekirdeğin bağımsız tanecikli kabuk yapılı modelinde her nükleonun, öbür nükleonlar tarafından üretilen ortalama bir kuvvetin etkisi altında hareket ettiği varsayılabilir. Bu hareketin enerji düzeyleri, Atomdaki elektron enerji düzeylerine benzer bir yolla, kuvantum mekaniğiyle açıklanır. Bu model, çekirdeğinde dört nötron içeren helyumun izotopu gibi bazı çekirdeklerin, onlarla aşağı yukarı aynı olan çekirdeklerle karşılaştırıldığında neden daha yüksek bağlama enerjisine sahip olduğunu açıklamamıza yardım eder.
Bununla birlikte, çekirdeğin bazı özellikleri, bağımsız tanecik modeliyle iyi açıklanamaz; sözgelimi bu model, bazı çekirdeklerin küresel değil de puro biçiminde olduğu gerçeği üstünde durmaz. Bu tür özellikleri önemseyen başka nükleer modeller hazırlanmıştır.
