Hans Albrecht Bethe kimdir? Hayatı ve eserleri

12

Hans Albrecht Bethe kimdir? Hayatı ve eserleri hakkında bilgi: (1906) Alman asıllı ABD’li fizikçi. Yıldızla­rın enerji kaynağı olan etkileşme zin­cirini açıklayarak, nükleer fiziğin as­trofizik alanına ilk uygulamasını ger­çekleştirmiştir. 2 Temmuz 1906’da Almanya’nın Elsass-Lothringen bölgesindeki Strassburg (bugün Fransa’da Alsace- Lorraine’de Strasbourg) kentinde doğdu. Bir fizyoloji profesörünün oğlu ve ailenin tek çocuğudur. Frankfurt-am-Main’daki Goethe Lisesi’ni bitirdikten sonra aynı kentteki üniversitede öğrenime başladı. 1928’de Münih Üniversitesi’nden doktorasını alarak önce Frankfurt/Main Üniversitesi’nin Teorik Fizik Enstitüsü’nde, ardından Stuttgart Yüksek Teknik Okulu’nda asistanlık yaptı. 1930-1931 yılları arasında İngiltere ve İtalya’ya giden Bethe, Cambridge Üniversitesi’nde Rutherfort ile, Roma Üniversitesi’nde Fer- mi ile bir süre çalıştıktan sonra Almanya’ya döndü ve Tübingen Üniversitesi’nde doçent olarak göreve baş­ladı. Ne var ki bu görevi pek uzun sürmedi; 1933’te Hitler iktidara gelmiş, annesi Yahudi asıllı olan Bethe de ülkesinden ayrılmak zorunda kalmıştı.

Önce İngiltere’ye gidip Manchester ve Bristol üniversitelerinde çalıştı. 1935’te ABD’ye göç ederek Ithaca’daki Cornell Üniversitesinde yardımcı profe­sörlüğe kabul edildi; iki yıl sonra da Wendell Anderson adına kurulmuş özel bir kürsüde profesör oldu. 1939’da, Münih ve Stuttgart’ta birlikte çalıştığı profe­sörü Ewald’ın kızıyla evlenen, 1941’de de ABD uyruğuna geçen Bethe, 1943-1946 yılları arasında Los Alamos Bilimsel Araştırma Laboratuvarı’nda Teorik Fizik Bölümü’nün başkanlığına getirildi ve bu görevi sırasında, Hiroşima ile Nagasaki’ve atılan atom bom­balarının yapımıyla sonuçlanacak olan Manhattan Projesi’ne katıldı. Ancak atom bombasının tasarımın­da bu denli önemli bir rol oynamasına karşın, nükleer bir savaşın yeryüzünden tüm yaşamı silmeye yetecek ölçüde radyasyon yayacağının bilincindeydi. Bu nedenle bu projede görev almış bazı bilim adamlarıyla birlikte, nükleer silahlanmaya karşı tutu­muyla bilinen Bulletin of the Atomic Scientist dergisi­ni yayımladı. 1958’de Başkanlık Silahsızlanma Etüd Grubu’nun başkanlığını üstlenerek ve aynı yıl Cenev­re’de toplanan Nükleer Denemeleri Yasaklama I. Uluslararası Konferansı’nda ABD heyetinde yer ala­rak, nükleer silahsızlanmayı büyük bir kararlılıkla destekledi.

Savaştan sonra Cornell Üniversitesi’ndeki kürsü­süne dönen ve 1956-1939 yılları arasında Başkanlık Bilim Danışmanlığı Komitesi’nde görev alan Bethe, 1954’te başkanlığını yaptığı Amerikan Fizik Derneği, Ulusal Bilimler Akademisi, Londra’daki Royal Society gibi birçok bilim derneğinin de üyesidir. Nükleer fizik, katı hal fiziği, parçacık-madde etkileşmesi, elektrodinamik, hidrodinamik ve astrofizik alanına değerli katkıları olan çalışmalarıyla, ulusal madalya ve ödüllerin dışında 1955’te Max Planck Madalyasını, 1961’de Fermi Ödülü’nü ve 1967’de Nobel Fizik Ödülü’nü almıştır.

Bethe’nin en üretken yılları, 1920’lerin sonlarına doğru, kuvantum mekaniğinin temellerinin atıldığı bir döneme rastlar. Kuramsal fiziğin altın çağını yaşadığı o yıllarda, fiziksel olaylardan pek çoğunun anlaşılmasına ışık tutan başarılı kuramlar geliştirilmiş ve ileri sürülen her düşünce gerek kuramsal, gerek deneysel düzeyde yeni yeni araştırmalara yol açmıştı.

Bu araştırmacı ve kuramcıların en büyüklerinden biri de Bethe’dir. Üstelik Bethe, çoğu araştırmacılar gibi çalışmalarını belli bir alanda kısıtlamayarak pek çok konuya el atmış, gelişmeleri yakından izleyerek çağının bilimsel etkinliğini derleyicilik görevini de üstlenmiş­tir. Bunun en iyi kanıtı, beş yıl gibi kısa bir sürede, fiziğin üç ayrı dalında yazdığı geniş kapsamlı üç derleme makalesidir. İkisi Handbuch der Physik’te, biri Revieıt’s of Modem Physics’te yayımlanan bu makalelerde Bethe, atom fiziği, katı hal fiziği ve nükleer fizikteki tüm gelişmeleri sistemli bir biçimde özetleyip sunmakla yetinmemiş, konunun boşlukları­nı özgün katkılarıyla doldurmuştur. Özellikle nükle­er fiziğe ilişkin makalesi, atom çekirdeğinin yapısını, nükleer kuvvetler ve nükleer etkileşmeler kuramını en geniş boyutlarıyla işleyen temel kaynaklar arasında anılır.

Bethe doktora tezinden başlayarak ilk çalışmalarını, kristallerde elektron kırınımı ve yoğunluğu, elektron dalga fonksiyonları, metallerde elektronların davranışı gibi katı hal fiziği alanında yapmıştır. Grup teorisinin kuvantum mekaniğine ilk uygulamaların­dan birinin de yer aldığı bu çalışmalarda, kristal simetrilerinden yararlanarak elektron dalga fonksi­yonlarını hesaplamış, hızlı parçacıkların maddede enerji kaybı problemine büyük katkıda bulunmuştur. Hızlı parçacıkların enerij kaybına ilişkin bilgiler, nükleer fizik deneylerinin ve reaktörlerin tasarımında olduğu kadar radyasyondan korunmada da büyük önem taşır.

Bethe, klasik Maxwell elektrodinamiği ile Einstein’ın foton kuramını birleştiren kuvantum elektrodinamiğinin de öncüsüdür. Bu alanda ilkin, belirli bir sistemde toplam enerjinin sıfırdan büyük olduğu, dolayısıyla parçacıkların birbirinden uzaklaşabildiği saçılma durumlarını inceleyerek, Heitler ile birlikte elektron-pozitron çifti yaratımını ve yüklü parçacık­ların yavaşlaması sonucu yaydığı brenısstrahhıng’un (yavaşlama ışıması) etki kesitlerini hesaplamıştır. Ar­dından, toplam enerjinin sıfırdan küçük olduğu ve bu nedenle parçacıkların sonsuz uzaklığa saçılamadığı bağlı durumlara yönelerek, Edwin E. Salpeter ( doğ. 1924) ile göreli bağlı durumların hesaplanmasına ilişkin Bethe-Salpeter denklemini geliştirmiştir.

Bethe’nin en önemli çalışmaları nükleer fizik alanındadır, ilk olarak 1934’te proton-nötron sistemi­ni, özellikle bir proton ve nötrondan oluşan döteronun (ağır hidrojen çekirdeği) özelliklerini incelemiş, 1949’da bu probleme “etkin uzaklık” yaklaşımını getirmiştir. Yavaş nötronların yol açtığı etkileşmelerle ilgili çalışmalarında da bugünkü “tabaka modeli”ne yakın bir model geliştirmiştir. Nükleer fizikte enerji düzeyi yoğunluğunun önemini ilk kavrayan ve ilk hesaplamaları yapan, mezon alışverişiyle nükleer kuv­vetin hesaplanmasına ve mezon-nükleon saçılmasında faz kayma analizinin uygulanmasına öncülük eden de Bethe’dir.

1942’de, Cambridge’deki Massachusetts Institute of Technology’nin Radyasyon Laboratuvarı’nda ba­listik ve mikrodalga radarları geliştirme çalışmalarına katılan, roketlerin yer atmosferine girişine ilişkin sorunları inceleyen Bethe’nin, II. Dünya Savaşı döne­mindeki en önemli çalışması atom bombası yapımına yönelik araştırmalarıdır. Manhattan Projesi kapsa­mında yönettiği iki çalışmadan ilki, nükleer patlama için gerekli olan uranyum miktarının plütonyum miktarına oranını ve bu tür bir patlamada açığa çıkacak enerjinin hesaplanmasını amaçlıyordu. İkinci­si de, yeterli miktarda uranyum ya da plütonyumun saniyeden daha kısa bir sürede küresel bir kütle biçimine getirilmesi, başka bir deyişle atom bombası­nı patlatabilmek için gerekli mekanizmanın tasarımıy­dı. ABD’deki çeşitli araştırma laboratuvarlarında pek çok bilim adamının katkısıyla yürütülen bu proje, ilk atom bombasının yapımıyla sonuçlandı. Ayrıca nük­leer reaktörler üzerine de araştırmalar yapan Bethe’ nin, nötronun özellikleri, osilatör deneyleri ve reak­tör güvenliği konusundaki çalışmaları, hızlı nötron reaktörlerinin tasarımında geniş uygulama alanı bul­muştur.

Yine de Bethe’nin nükleer fizik konusundaki derin bilgisini ve bu alana katkısını en ıyı yansıtan çalışması, 1938’de Physical Review’de yayımlanan “Energy Production in Stars” (“Yıldızlarda Enerji Üretimi”) adlı makalesidir. Bu çalışmasında, yıldızla­rın içinde gerçekleşen ve bir yıldıza milyarlarca yıl boyunca sıcaklık verecek enerjiyi sağlayan termonük­leer etkileşmeler zincirini açıklar. Yıldızların enerjisi­nin termonükleer etkileşmelerden kaynaklandığı öte­den beri biliniyordu. Ancak, karbon çeviriminin bu enerjinin önemli kaynaklarından biri olduğunu ortaya koyan, etkileşme hızlarını ve enerji üretimini hesapla­yan ilk fizikçi Bethe’dir. Bu makelesiyle nükleer fiziği, nükleer olayların en doğal ortamı olan yıldızların içine uygulamış, böylelikle nükleer etkileşmeleri yal­nızca doğal radyoaktiflik gibi çok sınırlı örneklerde ya da parçacık hızlandırıcıları, nükleer reaktörler gibi yapay ortamlarda gözlemlenen dar çerçeveli bir alan olmaktan kurtarıp nükleer fiziği gerçek yerine oturt­muş ve doğal süreçlere uygulanmasının öncülüğünü yapmıştır.

Bethe’nin yıldızlarda enerji üretimine ilişkin kuramını geliştirdiği 1938 yılına gelinceye değin, Eddington ve başkaları, bir yıldızın içinde var olabile­cek fiziksel koşulların belirlenmesi yolunda epeyce yol almışlardı. Güneş’in kütlesi, yarıçapı, parlaklığı, içindeki sıcaklık ve basınç dağılımı da yaklaşık olarak biliniyordu. Ne var ki, 20 milyon derece düzeyinde olduğu sanılan bu büyük sıcaklığı yaratabilecek ve sürüp gitmesini sağlayacak etkileşme zinciri bir türlü tanımlanamıyordu. Bethe, aynı yıl benzer bir kuram geliştiren Alman fizikçi ve düşünür Cari Friedrich Weizsaecker’den bağımsız olarak, Güneş’in içindeki yüksek sıcaklık ve basıncı göz önüne alarak iki tür parçacık etkileşmesinin bir açıklama olabileceğini varsaydı. Güneş’te hidrojen yoğunluğu çok yüksek olduğuna göre, bu etkileşme zinciri ya hidrojen ya da başka hafif element çekirdekleri arasında gerçekleşebilirdi. Lityum, berilyum, bor gibi hafif çekirdekler Güneş’te yeterli yoğunlukta bulunmadığı için, Bethe bunların dışındaki tüm hafif çekirdek etkileşmelerini tek tek inceledi. Sonunda, sürekli enerji sağlayabile­cek etkileşmelerin hidrojen çekirdeği (proton) ile helyum çekirdeği ya da başka hafif çekirdekler arasında olabileceği kanısına vardı. Yıldızlardaki yo­ğun ışıma enerjisini, bir yıldızın iç fiziksel koşulları altında sağlayabilecek yalnızca iki tür termonükleer tepkime söz konusuydu. Bunlardan biri Güneş’in ve soğuk yıldızların temel enerji kaynağı olan proton- proton tepkimesi (hidrojen çevrimi), öbürü ise sıcak yıldızlardan yayılan ışıma enerjisinin büyük bir bölü­münü sağlayan karbon-azot çevrimidir (karbon çevri­mi ya da Bethe çevrimi).

Hertzsprung-Russell diyagramında “temel seri” adıyla sınıflandırılan, aralarında Güneş’in de yer aldığı yıldızlar için başlıca enerji kaynağı, hidrojenin helyuma dönüşmesiyle sonuçlanan proton-proton birleşme (füzyon) tepkimesidir. Bu ‘süreçte önce iki hidrojen çekirdeği (proton, p) birleşerek bir ağır hidrojen (döteryum) çekirdeği (döteron, d) oluşturur. Yarıömrü 7xl09 yıl kadar uzun olduğundan yüksek basınç gerektiren bu etkileşmeye pozitif bir beta ışıması eşlik eder, yani döteronun yanı sıra bir pozitif elektron (pozitron, e*) ile kütlesiz, yüksüz, girim gücü yüksek, hafif bir parçacık olan bir nötrino (?) yayımlanır. Bu pozitif elektron bir negatif elektronla karşılaşır ve karşı yüklü bu iki parçacık, gamma (y) ışıması denilen çok yüksek enerjili bir foton yayımla­yarak birbirini yok eder; açığa çıkan enerji yaklaşık 1.02 MeV düzeyindedir. Nötrino ise Güneş’in için­den boşluğa doğru ışık hızıyla kaçarak uzaklaşır ve Güneş yüzeyinden yayılan ışıma enerjisinin yaklaşık % 5’i bu nötrinolarla taşınır. Daha sonra döteryum çekirdeği başka bir protonla birleşerek, helyumun hafif izotopu olan ve iki proton ile bir nötron içeren helyum 3(JHe) çekirdeğine dönüşür; bu dönüşüm sırasında da yine bir gamma ışını (y) yayımlanır. Ardından iki 3He çekirdeğinin birleşmesiyle kararlı bir ’He çekirdeği (alfa parçacığı) ve iki proton oluşur.

p+p—»d+e’ + y (yarıömür 7X10’ yıl) d + p—»3He+ y (yarıömür 4 sn)

JHe+JHe—»‘He+p+p (yarıömür 4X105 yıl)

biçiminde gerçekleşen bu tepkime zinciri sırasında, dört hidrojen çekirdeği bir helyum çekirdeğine dö­nüşmüştür. Hidrojen atomunun kütlesi yaklaşık 008, helyumunki 4.0026 olduğundan 4×1.008= 4.032-4.0026 = 0.029 düzeyinde atom kütlesi, ya da başka bir deyişle, başlangıçtaki kütlenin binde 7’si ışıma enerjisi biçiminde açığa çıkar.

Güneş her saniye 3.86×10” erg enerji yaydığına göre, kütle-enerji eşdeğerlik yasasına uygun olarak ( e=mâ, enerji eşittir kütle çarpı ışık hızının karesi), parlaklığını ve sıcaklığını bugünkü düzeyde koruya­bilmesi için, Güneş’in içinde her saniye yaklaşık 674 milyon ton hidrojenin 670 milyon ton helyuma dönüşmesi, demek ki saniyede yaklaşık 4 milyon tondan çok kütle kaybına uğraması gerekir.

Sıcaklığı 18 milyon dereceyi aşan parlak yıldız­larda ise, enerji üretiminin sorumlusu, daha hızlı bir çekirdek tepkimesi olan karbon çevrimidir. Bu çev­rimde de, tıpkı hidrojen çevriminde olduğu gibi, gerçekte bir proton-proton birleşmesi söz konusudur ve dört hidrojen çekirdeği (proton) sonuçta yine bir helyum çekirdeğine dönüşür, yalnız karbon 12 tepki­meyi hızlandıran bir katalizör rolü oynar.

,2C4-p—>,3N4- V (yarıömür 40.000 yıl) l3N—>l3C4-e”+ v (yarıömür 10 dak.)

3C4-p—>MN+ 7 (yarıömür 7.000 yıl)

“N-l-p—»,sO+ 7

sO-[1]lsN+e +■v (yarıömür 1.000.000 yıl) l!N4-p—>12C 4- ‘He 4- y (yarıömür 20 yıl)

biçiminde yazılabilecek bu etkileşme zincirinde, ilkin bir karbon 12 çekirdeği (12C) bir hidrojen çekirdeğini (proton, p) yakalayarak bir azot 13 çekirdeği (l3N) oluşturur ve bir gamma ışını (?) yayımlar. ,3N çekirdeği radyoaktif olduğundan, pozitif bir beta ışıması (bir pozitron, e* ve bir nötrino, v) yayarak parçalanır ve karbon 13 çekirdeğini verir. 13C çekirde­ği kararlıdır, varlığını sürdürür ve yeni bir protonla birleşerek, yine bir gamma ışıması eşliğinde, atmosfe­rin bileşimindeki kararlı azot 14’e (“N) dönüşür. Bu çekirdek de yeniden bir proton yakalayarak, oksije­nin izotopu olan lsO çekirdeğini oluşturur. Kararsız olan l50 çekirdeğinin, bir pozitron ve bir nötrino (pozitif beta ışıması) yayarak parçalanmasından do­ğan azot 15 (l5N) çekirdeği de dördüncü bir protonla etkileşerek, bir ‘He çekirdeği (alfa parçacığı) ile yeniden, çevrimin başlangıcındaki UC çekirdeğini verir ve bir gamma ışıması yayar.

Bethe’ye 1967 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandıran bu çalışması, her iki çevrimde de yıldızlardan boşluğa yayılan nötrino akışının bugüne değin saptanmamış olmasına karşın, yıldızların enerji üretimine tutarlı bir açıklama getirmiştir ve yıldızların evriminin anlaşıl­masında çok önemli bir adımdır.

Kaynak: Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi, 16. cilt, Anadolu yayıncılık, 1983