Nadir İzotoplar Üretimi ve İncelenmesi

Öne Çıkan İçerikler

Güçlü doğrusal hızlandırıcı atomları parçalamaya başladı

Deneyler, evrenin temel doğasına ilişkin yeni bilgiler sağlamayı vaat ediyordu.

Oturduğumuz yerden sadece birkaç yüz metre ötede havasız ve içindeki aletleri kontrol etmek için gerekli kablolarla kaplı büyük bir metal oda var. Bir parçacık demeti odanın içinden ışık hızının yaklaşık yarısı kadar bir hızla sessizce geçerek katı bir maddeye çarpıyor ve nadir izotopların patlamasına neden oluyor.

Tüm bunlar, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi için Michigan Eyalet Üniversitesi tarafından işletilen Nadir İzotop Işınları Tesisi veya FRIB’de gerçekleşiyor. Mayıs 2022’den itibaren, ulusal ve uluslararası bilim insanları ekipleri Michigan Eyalet Üniversitesi’nde bir araya gelerek yeni izotoplar yaratmak, izole etmek ve incelemek amacıyla FRIB’de bilimsel deneyler yapmaya başladı. Deneyler, evrenin temel doğasına ilişkin yeni bilgiler sağlamayı vaat ediyordu.

Bizler nükleer kimya ve nükleer fizik alanlarında nadir izotoplar üzerine çalışan iki profesörüz. İzotoplar, bir anlamda, çekirdeklerinde aynı sayıda proton bulunan ancak farklı sayıda nötron içeren bir elementin farklı tatlarıdır.

FRIB’deki hızlandırıcı düşük güçte çalışmaya başladı, ancak tam güce ulaştığında Dünya üzerindeki en güçlü ağır iyon hızlandırıcısı olacak. FRIB, elementlerin elektrik yüklü atomları olan ağır iyonları hızlandırarak bizim gibi bilim insanlarının daha önce hiç görülmemiş binlerce izotop yaratmasına ve incelemesine olanak tanıyacak. Dünyanın dört bir yanından yaklaşık 1.600 nükleer bilimciden oluşan bir topluluk, yeni parçacık hızlandırıcısının sağladığı bilimi yapmaya başlamak için on yıldır bekliyor.

FRIB’deki ilk deneyler 2022 yazında tamamlandı. Tesis şu anda tam gücünün sadece bir kısmında çalışıyor olsa da, FRIB’de çalışan çok sayıda bilimsel işbirliği şimdiden yaklaşık 100 nadir izotop üretti ve tespit etti. Bu ilk sonuçlar, araştırmacıların evrendeki en nadir fiziklerden bazıları hakkında bilgi edinmelerine yardımcı oluyor.

Nadir bir izotop nedir?


Çoğu izotopu üretmek için inanılmaz derecede yüksek miktarda enerji gerekir. Doğada, ağır nadir izotoplar, süpernova adı verilen büyük yıldızların dehşet verici ölümleri sırasında veya iki nötron yıldızının birleşmesi sırasında üretilir.

dq65KpKfefVTzhMqN5KCHm 970 80 Nadir İzotoplar, Hızlandırıcı
Nadir İzotop Işınları Tesisi, araştırmacıların nadir izotoplar yaratmalarına ve bozunmadan önce bunları ölçmelerine olanak sağlamak üzere tasarlanmıştır. (Resim kredisi: Facility for Rare Isotope Beams, CC BY-ND)

Çıplak gözle bakıldığında, herhangi bir elementin iki izotopu aynı şekilde görünür ve davranır – cıva elementinin tüm izotopları tıpkı eski termometrelerde kullanılan sıvı metal gibi görünür. Bununla birlikte, aynı elementin izotoplarının çekirdekleri farklı sayıda nötrona sahip olduğundan, ne kadar yaşadıkları, ne tür radyoaktivite yaydıkları ve diğer birçok yönden farklılık gösterirler.

Örneğin, bazı izotoplar kararlıdır ve bozunmaz ya da radyasyon yaymazlar, bu nedenle evrende yaygındırlar. Aynı elementin diğer izotopları radyoaktif olabilir, bu nedenle başka elementlere dönüşürken kaçınılmaz olarak bozunurlar. Radyoaktif izotoplar zaman içinde yok olduklarından, nispeten daha nadirdirler.

uc373kuXm2YdkatR4vLshm 970 80 Nadir İzotoplar, Hızlandırıcı
Yeşil renkli odalar, yüklü iyonları ışık hızının neredeyse yarısına kadar hızlandırmak için elektromanyetik dalgalar kullanıyor. (Resim kredisi: Facility for Rare Isotope Beams, CC BY-ND)

Yine de tüm bozunmalar aynı hızda gerçekleşmez. Potasyum-40 gibi bazı radyoaktif elementler o kadar düşük bir hızda bozunarak parçacık yayar ki, az miktarda izotop milyarlarca yıl dayanabilir. Magnezyum-38 gibi diğer daha yüksek radyoaktif izotoplar, diğer elementlere bozunmadan önce sadece bir saniyenin bir kısmı için var olurlar. Kısa ömürlü izotoplar, tanım gereği, uzun süre hayatta kalmazlar ve evrende nadir bulunurlar. Bu yüzden onları incelemek istiyorsanız, kendiniz yapmak zorundasınız.

dQSpQYu6s5Qozua55FToTm 970 80 Nadir İzotoplar, Hızlandırıcı
Yüklü parçacıkları, nötronları ve fotonları ölçmek için inşa edilen FDSi adlı bu cihaz gibi FRIB’deki deneyler sırasında oluşturulan parçacıkların belirli özelliklerini ölçmek için tasarlanmış birçok farklı cihaz vardır. (Resim kredisi: Facility for Rare Isotope Beams, CC BY-ND)

Laboratuvarda izotop oluşturma


Dünya üzerinde doğal olarak sadece 250 kadar izotop bulunurken, teorik modeller doğada yaklaşık 7.000 izotopun bulunması gerektiğini öngörmektedir. Bilim insanları bu nadir izotoplardan yaklaşık 3.000 tanesini üretmek için parçacık hızlandırıcıları kullanmışlardır.

FRIB hızlandırıcısı 1,600 feet uzunluğunda ve kabaca bir ataç şeklinde katlanmış üç bölümden oluşuyor. Bu bölümlerin içinde, güçlü elektromanyetik darbeler kullanarak iyonları alternatif olarak çeken ve iten çok sayıda, son derece soğuk vakum odaları bulunmaktadır. FRIB, ister oksijen kadar hafif ister uranyum kadar ağır olsun, doğal olarak oluşan herhangi bir izotopu ışık hızının yaklaşık yarısına kadar hızlandırabilir.

Radyoaktif izotoplar yaratmak için, bu iyon demetini bir berilyum metal parçası veya dönen bir karbon diski gibi katı bir hedefe çarptırmanız yeterlidir.

İyon demetinin parçalanma hedefi üzerindeki etkisi, kararlı izotopun çekirdeğini parçalar ve aynı anda yüzlerce nadir izotop üretir. İlginç veya yeni izotopları diğerlerinden ayırmak için hedef ile sensörler arasında bir ayırıcı bulunur. Doğru momentum ve elektrik yüküne sahip parçacıklar ayırıcıdan geçerken geri kalanlar emilir. İstenen izotopların sadece bir alt kümesi, parçacıkların doğasını gözlemlemek için inşa edilen birçok alete ulaşacaktır.

Tek bir çarpışma sırasında herhangi bir izotopun oluşma olasılığı çok küçük olabilir. Daha nadir egzotik izotoplardan bazılarını yaratma olasılığı katrilyonda 1 mertebesinde olabilir – kabaca arka arkaya Mega Millions ikramiyesi kazanmakla aynı olasılık. Ancak FRIB tarafından kullanılan güçlü iyon demetleri o kadar çok iyon içeriyor ve tek bir deneyde o kadar çok çarpışma üretiyor ki, ekip en nadir izotopları bile bulmayı makul bir şekilde bekleyebilir. Hesaplamalara göre, FRIB’in hızlandırıcısı teorik izotopların yaklaşık %80’ini üretebilmelidir.

İlk iki FRIB bilimsel deneyi


Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), Tennessee Üniversitesi, Knoxville (UTK), Mississippi Eyalet Üniversitesi ve Florida Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından yönetilen çok kurumlu bir ekip, MSU’daki araştırmacılarla birlikte 9 Mayıs 2022’de FRIB’deki ilk deneyi yürütmeye başladı. Grup, bir kalsiyum-48 demetini (normal 20 yerine 28 nötronlu bir kalsiyum çekirdeği) 1 kW güçte bir berilyum hedefine yönlendirdi. Tesisin 400 kW’lık maksimum gücünün dörtte birinde bile yaklaşık 40 farklı izotop ayırıcıdan cihazlara geçti.

FDSi cihazı her iyonun geldiği zamanı, hangi izotop olduğunu ve ne zaman bozunduğunu kaydetti. İşbirliği bu bilgileri kullanarak izotopların yarı ömürlerini çıkardı; ekip daha önce bilinmeyen beş yarı ömrü rapor etti.

İkinci FRIB deneyi, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, ORNL, UTK ve MSU’dan araştırmacıların işbirliğiyle 15 Haziran 2022’de başladı. Tesis bir selenyum-82 demetini hızlandırdı ve bunu skandiyum, kalsiyum ve potasyum elementlerinin nadir izotoplarını üretmek için kullandı. Bu izotoplar nötron yıldızlarında yaygın olarak bulunur ve deneyin amacı bu izotopların bozunurken ne tür radyoaktivite yaydıklarını daha iyi anlamaktı. Bu sürecin anlaşılması nötron yıldızlarının nasıl enerji kaybettiğine ışık tutabilir.

İlk iki FRIB deneyi, bu yeni tesisin yetenekleri açısından buzdağının sadece görünen kısmıdır. Önümüzdeki yıllarda FRIB, nükleer fizikte dört büyük soruyu keşfetmeye hazırlanıyor: Birincisi, proton ve nötron sayıları arasında büyük fark olan atom çekirdeklerinin özellikleri nelerdir? İkincisi, evrende elementler nasıl oluşur? Üçüncüsü, fizikçiler evrenin temel simetrilerini, örneğin evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğunu anlıyorlar mı? Son olarak, nadir izotoplardan elde edilen bilgiler tıpta, endüstride ve ulusal güvenlikte nasıl uygulanabilir?

Kaynak: https://www.space.com/powerful-linear-accelerator-begins-smashing-atoms-2-scientists-on-the-team-explain-how-it-could-reveal-rare-forms-of-matter

Daha Fazla

Yorumlar

Bir Cevap Yazın

Popüler İçerik