Plütonyum bir metaldir, ancak bir mıknatısa tutunmaz; bu da on yıllardır bilim adamlarının kafasını karıştırıyor. Şimdi ise araştırmacılar bu “kayıp magnetizmayı” ortaya çıkardı.
Bu kayıp davranışın sebebi nedir? Los Alamos Ulusal Laboratuarı’ndan Marc Janoschek tarafından yönetilen araştırma grubunun bulgusuna göre her plütonyum atomunun etrafında dolanan elektronlar…
Onların anlattığına göre, bu bulguyla yeni malzemelerin özelliğini daha doğru bir şekilde tahmin edebilecek ve özelleştirebileceğiz
Atomik temeller
Elektronlar atomlarda kabuklar halinde dönerler, bu kabuklara orbitaller de deniyor. Her bir orbitalin kabul edebileceği belli maksimum elektron sayıları vardır. Normal metallerde en dış orbitallerdeki elektron sayısı sabittir – örneğin bakırda, bu sayı bir iken demirde dış orbitaller iki elektron barındırır. Atoma dışarıdan başka bir enerji verilmezse (örneğin ısı veya elektrik enerjisi), elektronlar en düşük enerji hali olan temel halde bulunur.
Plütonyumun elektronlarının temel halde nasıl olduğunu görmek için, Janoschek’in ekibi, bir plütonyum numunesi üzerine nötron ışın demeti yollamış. Nötronların ve elektronların her ikisinde de magnetik alan var, ve bu alanların magnetik momentleri var. Magnetik moment, bir manyetik alan içinde bir nesneyi hizalamak için gereken gücün miktarını ve yönünü belirleyen bir değerdir. Nötronların ve elektronların momentleri birbiri ile etkileşime girdiğinde, Janoschek’in ekibi elektronların temel halinin bir tür işaretini elde etmişler, böylece atomun dış kabuğunda kaç tane elektronun bulunduğunu öğrenmiş oldular. Böylece plütonyumun temel halde dış kabukta dört, beş veya altı elektron içerebileceğini keşfettiler. Bilim adamları bu elementin garip özelliklerini açıklamaya çalışırken, dış kabuktaki elektron sayısının değişken olabileceğini hiç düşünmemişlerdi.
Ancak yeni çalışma, bilim adamlarının bu fikrinin doğru olmadığını kanıtlıyor. Janoschek, “üç farklı konfigürasyon arasında her an bir değişim oluyor” diyor. “Aynı zamanda üç hali birden görüyoruz”.
Bu garip temel hal durumuna ilişkin teorik temel 2007 yılında ilk kez ortaya konmuştu, Rutgers Üniversitesi’ndeki fizikçiler plütonyumun elektronların bu şekilde inişli çıkışlı bir dağılım gösterebileceğini öngören bir matematik aracı geliştirmişti. Los Alamos deneyi bu teorinin ilk kez test edildiği durum oldu ve doğruluğu kanıtlandı.
Plütonyumun garip özellikleri
Bu sürekli değişim hali, plütonyumun neden manyetik olmadığını açıklayabiliyor. Mıknatıslar, yapışma özelliklerini eşleşmemiş elektronlardan alıyor. Her elektron, kuzey ve güney kutupları da olan küçük birer mıknatıs gibi çalışıyor. Elektronlar bir atomun kabuklarını doldurmaya başladığında, her biri teker teker yerleşiyor ve manyetik momentleri aynı yönü gösteriyor. Kabuğu daha çok elektron doldurduğunda ise, bunlar manyetik alanlar birbirini giderecek şekilde kuzey ve güney kutuplarına eşit bir şekilde dağılıyor. Ancak bazen de bir elektronun kendine eş bulamadığı zamanlar da oluyor. Örneğin, demir bir manyetik alana konulduğunda eşleşmemiş elektronların hepsi aynı biçimde yöneliyor, böylece ilave bir manyetik alan oluşuyor ve diğer mıknatısları çekmeye başlıyor
Plütonyumun dış kabuğundaki elektronların sayısı sürekli değiştiği için, eşleşmemiş elektronlar asla bir manyetik alanda hizalanmayacak ve plütonyum magnetik olamayacaktır.
Janoschek, plütonyumun özelliklerinden dolayı periyodik tablodaki elementlerin oluşturduğu iki grubun arasında bir yere yerleştiğini söylüyor. “Toryumdan uranyuma ve neptünyuma bakın – bunlar geçiş metali gibi davranıyor ve daha metalik bir hale geliyor” diyor. Daha ağır elementlere gidildiğinde (periyodik tablonun sağına doğru), bunun değiştiğini görüyoruz. “Amerikyum ve ötesine geçtiğimizde bunlar nadir toprak metali gibi davranıyor”. Neodimyum gibi nadir toprak elementleri çok iyi mıknatıs oluyor, ancak geçiş metalleri sıklıkla bu özelliği gösteremiyor.
Deney, plütonyumun başka bir garip özelliği hakkında zihinlerimize çentik atmaktan daha fazlasını yapıyor. Plütonyumun garip özellikleriyle beraber, deneyde kullanılan matematiksel teknik bilim adamlarına yeni malzemelerin nasıl davranabileceğine yönelik öngörüler yapma fırsatı tanıyor. Şu ana kadar bu davranışı saptamanın tek yolu onları ısıtmak veya elektrik ya da magnetik alanlar ile etkileştirmek idi. Artık bir malzemenin özelliğini önceden bilmek için bir yolumuz var.
Malzemenin matematiksel temellerini ilk kez ortaya atan bilim adamlarından biri ve Rutgers’de fizik profesörü olan Gabriel Kotliar, şöyle diyor: “Malzemelerin tahmin edici özelliklerini belirlemek büyük bir sorundur, çünkü bir bilgisayar üzerinde malzemelerin özelliklerini benzetime uğratmak ve tahmin etmek eninde sonunda mümkün olacaktır”. “Plütonyum gibi radyoaktif malzemeler için, bu durum gerçek bir deney yapmaktan çok daha ucuza mal olur”.
Bu durum aynı zamanda plütonyumun başka bir garip özelliğini de açıklamakta yardımcı oluyor – elementi ısıttığınızda veya elektrik akımı uyguladığınızda diğerlerine göre çok daha fazla genişlemeye veya büzülmeye uğruyor. Bu nükleer bomba yapmak için önemli, çünkü plütonyumun kesin olarak şekillendirilmesi gerekiyor. Mühendisler çok önceden bu şekil değişimine açıklama bulmayı öğrenmişti, ancak artık bunun neden olduğunu da öğrenmiş oldular.
