Nükleer Bilimler ve Özet Tarihçesi

Nükleer Bilimler Enstitüsü, Nükleer Bilimler alanında lisansüstü eğitim vermek üzere 1982 yılında kurulmuştur. Enstitünün kuruluşu sırasına göre Radyasyon Fiziği ve Uygulamaları Anabilim dalı ile Fotonik Anabilim Dalından oluşmaktadır. Bununla beraber nükleer bilimler nükleer fizik, kuantum fiziği, atom fiziği ve çekirdeği, radyasyon konularında temel bilim alanlarını kapsadığı gibi bu alanların uygulamalı çalışmalarını da kapsamında barındıran bir bilim dalıdır. Nükleer bilimin uygulama alanları kuantum optik, kuantum fotonik, medikal fizik, nükleer fotonik, nükleer mühendislik ve radyasyondan korunma başlıkları altında her biri kendi detaylarını içeren çalışma alanlarıdır.

Atom fiziği ve nükleer fizik (atom çekirdeği fiziği, kısaca çekirdek fiziği) tarihsel ve kategorik açıdan nükleer bilimlerin ilk çalışma alanlarıdır. Genel bir tarif verecek olursak oldukça geniş bir çalışma alanıdır diyebiliriz. Elektron, proton ve nötron gibi elementer parçacıklar[1], onların yapıları, özellikleri, elektronlar ve çekirdek (İng: nucleus, çoğulu “nuclei”) ile beraber bir sistem olarak atomun davranış çalışmalarını kapsar. Bu çalışmalar bağlamında atom fiziği, bütün bir sistem olarak atomu incelerken nükleer fizik atom çekirdeğinin kendisi ile çekirdeği oluşturan proton ve nötronlarla ve onların atom çekirdeğindeki etkileşimleri ile ilgilidir. Elektron mikroskopu ve lazer atom fiziğinin kapsama alanındaki konulardır. Bununla beraber tamamlayıcı bir ayrım koyarsak, atom fiziği Elektron Volt (eV) skalasındaki enerji aralığında çalışmalar olup nükleer fizik milyar eV’a (GeV) kadar uzanan enerji aralığındaki çalışmalardır. Bu nedenle de kendisinden daha sonra branşlaşan Parçacık Fiziği çalışmaları ile örtüşebilmektedir.

Radyasyon fiziği ve uygulamaları, 1890’lı yıllardan itibaren atom ve nükleer fizik alanları ile beraber gelişmiş bir çalışma alanıdır. Wikipedia’nın (https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation) radyasyon için verdiği tanımı burada kullanabiliriz:  Radyasyon, enerjinin uzayda veya maddi bir ortamda dalgalar veya parçacıklar halinde yayılması veya iletilmesidir. Parçacık radyasyonu olarak alfa ve beta radyasyonunu, dalga özelliğindeki radyasyona x-ışını ve gama ışınlarından görünür bölge ve radyo dalgalarına kadar bir spektrum içerisinde yer alırlar ve kısaca elektromanyetik dalga spektrumu içerisindedirler.  Radyasyon enerji skalası üzerinden tanımlarsak, iyonizasyona neden olan ve olmayan radyasyon biçiminde bileşenlere ayırmalıyız. İyonizasyon, atomdan elektronların koparılması olayı olup bu nedenle kimyasal bağların da kırılmasına yol açtığından canlılar için oldukça tehlike arz eden bir durumdur. İyonizasyona neden olmayan radyasyon ise bir önceki cümleden de anlaşılacağı üzere enerjileri atomdan elektronları koparmaya yetecek seviyelerde olmayan radyasyondur. Ancak uzun süre maruz kalındığında ısıl etkilerinden dolayı zararlı olabilmektedirler. Mobil telefon ve baz istasyonları ile ilgili kansere yol açma tartışmaları uzun süreli odaklanmış ısıl etkilerinden dolayıdır. Örneğin mobil telefonla birkaç saat aralıksız görüşme yakın çevresindeki dokuda sıcaklık artışına neden olabilmektedir. Zararlı etkileri araştırma konusudur. Kızılötesi (infrared) ve morötesi (ultraviolet) ışınlar (ve bu ışınları yayan lazerler) iyonizasyona neden olmamakla beraber odaklandıkları dokuda yakıcı etki gösterirler. Bu nedenle radyasyondan korunma ve dokuya aktarılan enerjinin olası tahribatı bağlamında lazer ışınımını de radyasyon fiziği (sağlık fiziği) ve medikal fizik çalışmalarına dahil etmekteyiz.

Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği iç içe geçmiş alanlar olmaları nedeni ile de bazen aynı şeyi betimlerler. Bu iki temel bilim alanındaki çalışmalar arasındaki farkı belirginleştirmek gerekirse kuantum fiziğini madde ve enerjinin esasına ilişkin en temel çalışma alanı olarak tanımlayabiliriz.

Doğanın en temel yapı taşlarının özellikleri ve davranışları kuantum fiziğinin çalışma alandır. Kuantum mekaniğini ve kuantum alan teorisi çalışmalarını kapsar. Bu bağlamda kuantum mekaniği madde ve enerjinin koşullara bağlı olarak aldığı halleri, diğer bir deyişle davranışlarını ele alır. Parçacık etkileşimleri ve hareketleri kuantum mekaniğinin konusudur.

Kuantum optik, optiğin kuantum etkileriyle ilgilenen kısmıdır. Örneğin lazer teknikleri kullanarak atom çekirdeğinin özelliklerini ve uyarım enerji seviye geçişlerinin araştırılması bu kapsamdadır. Atom çekirdeğini yeterince uyarabilmek için oldukça yüksek şiddette x-ışını ve gama-ışını lazerleri kullanılır. Bu çalışmalar ile minyatür fotonik devrelerin yapımı, daha önce gerçekleştirilememiş ölçüde uzaysal ayrımın algılanması gerçekleştirilmeye çalışılır.

Foton, Yunanca “ışık” anlamındaki “photo” kelimesinden türetilmiştir. Foton, “ışık nicemi (quanta)” anlamında bir adlandırmadır. Çıkış adlandırması doğrudan ışıkla ilgili olsa da günümüzde belirli bir frekansta dalga özelliği taşıyan enerji paketçiklerine “foton” demekteyiz. Belli bir periyodik frekanstaki elektromanyetik dalga, foton olarak adlandırılır. Fotonik, foton ile bilgi aktarımı uygulamaları, foton demeti üretimi, sapması, modülasyonu, amplifikasyonu, görüntü işleme, depolama ve algılama gibi konuları içerir. Bu yönü ile elektronik alanından bir benzetme yolu ile tanımlanmıştır.

Nükleer fotonik, hem geleneksel hem de lazer-plazma elektron hızlandırıcılarına dayalı yeni nesil gama ışını kaynaklarının geliştirilmesi çalışmalarına, lazer teknolojisi ile nükleer etkileşimlerin başlatılması çalışmalarına verilen adlandırmadır.

Kuantum fotonik, kuantum etkilerinin önemli bir rol oynadığı kauntum komünikasyon, kuantum kriptoloji, kuantum hesaplama, kuantum ışınlama (teleportation) gibi belirli uygulamalar için kuantum optiği kullanan bilim ve teknolojidir. Kuantum fotonik uygulamaları, genellikle tek fotonu içeren kuantum seviyesinde kontrol ile ışık ve maddenin algılanmasını, üretimini, manipülasyonunu kapsar.

[1] Burada biz temel ve elementer parçacıklar tanımlarını ayırmaktayız. Elektron, proton ve nötron elementer parçacıklar sınıfındadır. Örneğin elektron Weyl fermionlarından oluştuklarından elementer parçacık sınıfına girer. Elektronlar gibi “muon” ve “tau” parçacıkları da elementer sınıfına girerler. Protonlar ve nötronların yapı taşları kuark (quark) adı verilen temel parçacıklarından oluşur. Temel parçacık ise başka diğer parçacıklardan oluşmaz. Kuarklar, nötrinolar ve henüz gözlenmemekle beraber varlığına dair bilimsel bazı kanıtlar olan fermionlar temel parçacıklardır. Bunları çoğul yazmamızın nedeni kendi içlerinde farklılıklar göstermelerindendir.

Nükleer Bilimlerin Özet Tarihçesi

Nükleer Bilimler Enstitüsü'nün kapsadığı alanları aşağıda kısa bir tarihçe ışığında özetlerken, öncelikle bu alanın gelişmesine uluslararası alanda katkı sağlamış iki Türk bilim insanından bahsetmek gerekir. Feza Gürsey, diğer çalışmalarıyla, özellikle aynadaki görüntüsü kendisiyle aynı olmayan olaylarla uluslararası bilim tarihinde yer almış seçkin bir bilim insanıdır. Erdal İnönü'de kendi adıyla da anılan İnönü-Wigner büzülmesi (İnönü-Wigner contraction) teorisi nükleer bilim tarihine bir kez daha adını yazdırmıştır.

Atom kelimesinin Yunancadaki bölünmez anlamından hareketle nükleer bilimlerin filozoflar çağında başladığını söylemek yanlış olur. Ancak "bilim" kelimesine uygunluk açısından Alman kimyager Martin Klaproth'un 1789'da uranyumu keşfetmesini nükleer bilimler için bir dönüm noktası olarak kabul edebiliriz. Ancak maddenin en küçük parçasının entelektüel boyuttan bilimsel boyutuna kadar gözlem ve deneylere dayalı olarak keşfedilmeye başlanması, İngiliz bilim adamı Dalton'un o dönemde bilinen kimyasal reaksiyonlardan 1808'deki ilk bulgularıyla olmuştur. Dalton'un ve daha sonra Rus bilim adamı Dmitri I. Mendeleyev'in 1860'lardaki çalışmaları temel elementleri tanımlamayı amaçlıyordu, ancak yine de atom boyutlarına seyahat etmek için çok erkendi.

1895 yılında Wilhelm Conrad Röntgen'in atom çekirdeği etrafında dönen elektronların yörüngelerinin bir uyarım nedeniyle bulundukları yörüngeden bir diğer yörüngeye geçiş yaptıklarında ortaya çıkan x-ışınlarını keşfetmesi, nükleer radyasyonu incelemeye yönelik ilk adım oldu. Bu tarihten 1945'e kadar olan dönem, atom ve atom altı dünyasının keşfinde en önemli yıllardı.

Einstein'in kütlenin-enerji eşdeğerliğini veren ve E=mc2 ile özetlenen teorisi, bilim adamlarını İsviçre'deki CERN bilim merkezinde, dünyanın en maliyetli hızlandırıcısı olan hadron çarpıştırıcısındaki deneylerle, kütlenin varlığının kaynağı olan Higgs bozonunun keşfine kadar ulaştırmıştır.

Kütlenin ışık hızına yakın hızlarda enerjiye dönüşümü ispatlanırken, enerjinin de kütleye dönüşebildiği C. D. Anderson'un 1932 yılındaki deneyi ile gama fotonu enerjisinden elektron-pozitron çiftinin oluşması sonucunda gözlenmişti. Çok yüksek sıcaklık altındaki kuantum alanında etkileşimlerde de Higgs mekanizması tetiklenerek kütlenin ortaya çıkmasına neden olmaktadır.

Bu bağlamda nükleer fizik başlığı altında atom çekirdeğinin yapısını anlamaya yönelik bilimsel çalışmalar, atom çekirdeğinden enerji üretimi ve atom altı dünyada uyarımın neden olduğu radyasyon etkileşimi Nükleer Bilimler Enstitüsü kapsamındadır. 

Anabilim Dalları

Radyasyon Fiziği ve Uygulamaları Anabilim Dalı
Fotonik Anabilim Dalı