Fizik ve Kimyanın Kesiştiği Alan: Periyodik Tablo

Periyodik tablo, tabloya girecek en ağır element olan Element 117’nin katılımı ile bir kez daha güncellenmeye hazırlanıyor.

4 yıl önce Moskova yakınlarındaki Dubna’da bulunan Nükleer Araştırmalar Enstitüsü’nde çalışan Rus ve Amerikalı bilim insanları, 117. sıradaki elementi sentezlemek üzere ilk adımı atmışlar ve tablonun bir kez daha güncelleneceğinin sinyalini vermişlerdi.

Şimdiye dek bilinen en ağır atomların son sıralarında yer alan 114 (Flavium) ve 116 (Livermolium) nuAmaralı elementler, 2011 yılında periyodik tablodaki yerlerini resmen alabilmişlerdi.

Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ve Uluslararası Temel ve Uygulamalı Fizik Birliği IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) 3 yıl süren incelemelerinden sonra bu kararı vermişti.

Henüz isimlendirilmemiş olan Element 115 (Uup) ilk kez 10 yıl önce yine Dubna’daki Nükleer Araştırma Enstitüsü’nde tespit edilmişti.

İlk deneyden 10 yıl sonra, Ağustos 2013’de, Almanya’daki GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Araştırma Merkezi’nde çalışan İsveçli bilim insanlarının aynı sonuca ulaştıklarını açıklamalarıyla, Element 115 periyodik tablodaki yerini almaya hak kazanmıştı.

Yeni bir element bulunduğunda, söz konusu elementin IUPAC ve IUPAP tarafından onaylanarak periyodik tabloya eklenebilmesi için, en az iki farklı laboratuvar tarafından verilerin onaylanması ve bunu izleyen bir dizi titiz analizin tamamlanması gerekiyor. IUPAC ve IUPAP ancak bu koşullar tamamlandığında yeni elementi resmen onaylıyor ve arkasından element özel bir komite tarafından isimlendiriyor.

Element 117’yi tespit edebilmek için 2010’da ve 2012’de Dubna’da yapılan çalışmalarda, 20 atom numaralı Carbon atomları, 97 atom numaralı Berkelium atomlarına ateşlenmiş ve deney her iki kez de başarıyla sonuçlanmıştı.

2013’de 117 numaralı elementin bir kez daha bulunmasının öyküsü ise ilginç. GSI Helmholtz Center Ağır İyon Araştırma Merkezi’nde çalışan Christoph Düllmann ve ekibi aslında, atom numarası 22 olan Titanium atomlarını, yine 97 atom numaralı Berkelium atomlarına ateşleyerek üretmeye çalıştıkları ve daha önce bir türlü başarılı olamadıkları 119 no’lu elementi bulmak üzere yola çıkmışlardı.

Bir kez daha başarısızlıkla sonuçlandığını düşündükleri bu deneyden sonra, bir yandan deney sırasında ulaştıkları sonuçlar arasında 119 no’lu elementin izlerini bulmaya çalışırken, bir yandan da dedektörlerinin doğru çalışıp çalışmadığını test etmek için 117 no’lu elementi oluşturmaya karar verdiler. Başarıyla sonuçlanan bu deney sonunda ise, Christoph Düllmann ve ekibi, 117 no’lu elemente ait 4 atomu, daha hafif elementlere ayrışmadan (yıkılmadan) önce, saniyenin onda biri kadar bir süre içinde tespit edebildiler.

Element 117, henüz IUPAC ve IUPAP tarafından resmen onaylanmadı. Düllmann, bu deneylerin tekrarlanması için gereken koşulların ne denli zor oluşturulduğunu şöyle açıklıyor: “Berkelium elementinin oluşturulması çok zor. Yarı ömrü 1 yıldan az olan bu element, çok küçük miktarlarda nükleer reaktörlerde üretilebiliyor. Dolayısıyla bir deney için gereken miktarın oluşturulması yıllar alabiliyor, kısacası raftan alıp kullanabileceğiniz malzemelerle çalışmıyoruz.”

Element, aynı cins atomlardan oluşan ve kimyasal yollarla kendinden daha basit ve farklı maddelere ayrılamayan saf maddelere verilen ad. Günümüzde kullandığımız ve yeni elementlerin yerleştirilebilmesine olanak tanıyan periyodik tablo, 1869 yılında Dimitri Mendeleyev’in önerdiği tablo şemasıdır. Ancak Mendeleyev’in önerdiği ilk halinden farklı olarak, elementler atom kütlesine değil, atom numarasına göre düzenlenmiştir.

Buna göre periyodik tabloda, soldan sağa ve yukarıdan aşağıya doğru atom numarası artar. Sıklıkla, buna paralel olarak bağıl atom kütlesi de artış gösterir. Tablodaki yatay sıralar, periyot olarak adlandırılır. Periyodik tabloyu inceleyerek bir elementin bağıl atom kütlesi, nötron sayısının yanı sıra elektron dizilimi hakkında bilgi edinebiliriz, çünkü bir elementin periyot numarası, o elementin sahip olduğu elektronların bulunduğu en yüksek enerji seviyesini gösterir. Ayrıca tabloda yer alan elementleri, gösterdikleri belirli ortak özelliklere göre gruplandırıldıkları Metaller, Alkali Metaller, Toprak Alkali Metaller, Geçiş Metalleri, Lantanidler, Aktinidler, Transaktinidler, Ametaller, Halojenler ve Soygazlar başlıkları altında inceleyebiliriz.

Dünyamız, doğal olarak bulunan 90 elementten oluşuyor. Bunların ötesindeki elementler nükleer reaktörlerde ya da özel laboratuvarlarda gerçekleşen nükleer tepkimelerle sentezleniyor.

Fizikçilerin, günlük yaşamımızda gözlemleyebildiğimiz herhangi bir pratik kullanım alanı olmayan böylesine kısa ömürlü elementleri oluşturmak için bu kadar çaba harcaması, sade vatandaş için kolay anlaşılabilir bir durum değil. Süper-ağır elementlerin sentezlenme nedeni, tüm elementleri oluşturan proton ve nötronların birbirleriyle nasıl bağlandığını açıklayan modellerin sınanmasında önemli rol almaları. Bu modeller, daha sık rastlanan elementlerin, evrendeki oranlarını açıklamaya yarıyor. Modeller ayrıca dünyada ya da meteoritlerde doğal olarak bulunabilecek kadar kararlı olabilen öteki bazı egzotik atomlarla ilgili çıkarsamalara olanak veriyor.

Bize gelirsek, bedenimizdeki atomların büyük bölümü 13,7 milyar yıl önce Büyük Patlama’nın hemen ardından oluşmuş ve o günden bu yana değişmeden kalmış durumda. Bu atomların sayıca yaklaşık %62’si hidrojen, %24’ü oksijen, %12’si karbon ve %l’i azottan oluşuyor. Güneş benzeri yıldızların ürünü beyaz cücelerin, Güneş sistemindeki, doğal olarak periyodik tablodaki demirin ana kaynağı olduğu tahmin ediliyor.

Fizikçiler, kimyacılar, gökbilimciler kâh çok uzaklarda kâh laboratuvarlarda ve nükleer santrallerde, bir yandan bilim ve sanayi araştırmaları için çözümler oluşturur iken, bir yandan aslında kökenimizle ilgili merak ettiğimiz, nasıl ve nelerden oluştuğumuz sorularının yanıtını bulmaya çalışmaya da devam ediyorlar.

Bugüne değin bize kazandırdıkları bilgiler ışığında, bizi oluşturan elementlerin bir bölümünün Büyük Patlama sırasında, bir bölümünün Güneş’imizden kat be kat büyük ya da küçük yıldızların içinde, kalanının da süpernova patlamalarında oluştuğunu rahatlıkla söyleyebiliyoruz. Evet, yıldız tozundan yapılmışız.