Madde nedir sorusuna cevap verirken sıradan maddeden bahsediyor olacağız, çünkü bir de antimadde ve karanlık madde diye kavramlar da var. Fizikte madde, makroskopik olarak değerlendirildiğinde, kütlesi olan, boşlukta yer kaplayan yani hacmi olan, eylemsizlik özelliğine sahip ve yapısında en az bir tanecik olan her çeşit malzemeye verilen addır. Kütle, hacim, eylemsizlik ve tanecikli yapı maddenin ortak özellikleridir.
Madde olan şeylerin örnekleri
- Kedi
- Ağaç
- Taş
- Karışımlar (örneğin şekerli su)
- Moleküller (örneğin su molekülü, atomların bir araya gelmesinden oluşur)
- Atomlar (örneğin helyum atomu, proton, nötron ve elektronların bir araya gelmesiyle oluşur)
- Proton, nötron ve elektron (Bunların hacmi var mı sizce? Hacimleri yoksa madde olabilirler mi? Peki ya kütleleri var mı?)
Madde olmayan şeylerin örnekleri
- Işık: Işığın kütlesi yoktur, hacmi de.
- Enerji: Enerjinin de ne kütlesi ne hacmi vardır.
- Isı: Isı da enerji gibi kütlesiz ve hacimsizdir.
- Zaman
- Elektrik yükü
- Kuvvet
- Elektrik alan
- Manyetik alan
Maddenin Halleri
Makroskopik boyutlarda maddenin üç halini görürüz: katı, sıvı ve gaz. Örneğin, buz katıdır, su sıvıdır, su buharı gazdır. Maddenin halleri mikroskopik boyutlarda taneciklerin arasındaki ne kadar düzenli dizildiğiyle ve aralarındaki boşluk miktarıyla açıklanır. Dizilimin ve boşluğun sebebi tanecikler arasındaki elektriksel kuvvettir.
Maddenin Katı Hali
- Katıların belirli bir hacmi ve şekli vardır, şeklini ancak dışarıdan bir kuvvet uygularsanız değiştirebilirsiniz.
- Katılar sıkıştırılamaz.
- Katılarda tanecikler çok düzenlidir, aralarındaki boşluk azdır, elektriksel kuvvet güçlüdür. Bu yüzden tanecikler özgürce öteleme hareketi yapamaz, oldukları yerde kalırlar. Ama titreşim hareketi yapabilirler.
Maddenin Sıvı Hali
- Sıvıların da belirli bir hacmi vardır ve konuldukları kabın şeklini alırlar.
- Sıvılar az miktarda sıkıştırılabilir.
- Sıvılarda taneciklerin dizilim düzenleri biraz bozulmuştur ve tanecikler birbirinden katılara göre daha uzaktır. Elektriksel kuvvet katılara göre daha az olduğu için tanecikler birbirlerinin üzerinden kayabilirler, öteleme hareketi yapabilirler. Sıvılara ve gazlara rahatça akış hareketi yapabildikleri için akışkan da denir.
Maddenin Gaz Hali
- Gazların belli bir hacmi ve şekli yoktur, konuldukları kabın hacmini doldururlar.
- Gazlar sıkıştırılabilir.
- Gazlarda taneciklerin düzeni kalmaz, tanecikler birbirinden çok uzaktadır ve elektriksel kuvvet az olduğu için öteleme hareketi yapmakta özgürdürler.
Isı verilmesine ya da basıncın değiştirilmesine bağlı olarak madde bir halden diğerine geçebilir. Bir de maddenin dördüncü hali olan plazma hali vardır. Aslında bilim insanları maddenin daha fazla halinin de olduğunu söylüyor. Yukarıdaki resimlerdeki simülasyonun Türkçe haliyle oynamak isteyebilirsiniz, İngilizce orjinali de burada.
Maddenin Ayırt Edici Özellikleri
Bakırla demirin farklı maddeler olduğunu nasıl anlarız? Bu maddeleri birbirinden ayırt eden özellikleri olmalı. Örneğin, bir maddenin özkütlesi ayırt edici bir özelliktir. Sabit basınç ve sıcaklık durumunda bu özellikler ve kısaca tanımları şöyle:
|Özellik||Tanımı|
|Özkütle||Birim hacimdeki kütle miktarı|
|Öz ısı||Bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısı miktarı|
|Erime sıcaklığı||Bir maddenin katı halden sıvı hale geçtiği sıcaklık|
|Kaynama sıcaklığı||Bir maddenin sıvı halden gaz haline geçtiği sıcaklık|
|Erime ısısı||Katı haldeki 1 gram maddenin sıvı hale dönüşmesi için gereken ısı miktarı|
|Buharlaşma ısısı||Sıvı haldeki 1 gram maddenin gaz haline dönüşmesi için gereken ısı miktarı|
|Elektrik iletkenliği||Bir maddenin elektrik akımını ne kadar iyi ilettiği|
|Isı iletkenliği||Bir maddenin ısıyı ne kadar iyi ilettiği|
Maddenin Yapı taşları
Buraya kadar maddenin makroskopik yani bizim boyutlarımızda olan tanımından ve özelliklerinden bahsettik. Şimdi mikroskopik yani küçük boyuttaki tanımından bahsedeceğiz.
Atomlar ve Moleküller
Sıradan maddenin çoğu atom ya da atomların bir araya gelmiş hali olan moleküllerden oluşur. Bir maddeyi alıp ikiye bölsek, sonra tekrar ikiye bölsek, sonra bölmeye devam etsek en son nerede durmamız gerekirdi? Sonsuza kadar bölmeye devam edebilir miydik? Edemezdik. Atom Yunanca bölünemez demektir.
Atomları göremeyiz (yoksa mikroskopla görebilir miyiz?) Bu yazının sonundaki nokta eğer bir kitapta basılmış olsaydı 100 milyon atom içerirdi. (Atmış olabilir miyim, hesaplayın: Bir atomun çapı yaklaşık 10-9 m’dir, bir noktanın çapını da 1 mm alıyorum).
Maddelerin birbirine benzememesinin nedeni atomlarının farklı olması ya da farklı dizilmiş olmasıdır. Demirdeki atomlarla bakırdaki atomlar farklıdır. Kömürdeki atomlarla elmastakiler aynıdır ama farklı dizilmiştir.
Peki maddenin en küçük parçacığı atom mudur, atomlar gerçekten bölünemez mi? Evet bölünebilir.
Atom altı parçacıklar
Fizikçiler 1900’lere kadar atomun varlığına inanmıyorlardı, ama 1910’a gelindiğinde atomun çekirdeğinde protonun etrafında elektronun olduğuna inanmaya başladılar, deneyler böyle gösteriyordu. Daha sonra çekirdekte bir de nötron bulundu. Ama parçacık bulma işi sona ermedi, çeşit çeşit parçacıklar bulmaya devam ettiler. Proton ve nötronların kuark denen daha küçük yapı taşlarından olduğunu buldular. Tüm parçacıkları standart model denen bir kuramla birleştirdiler ve toplam 17 adet temel (yani artık gerçekten bölünemeyen) parçacıkla tüm maddeyi açıkladılar. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki deneylerle bulunan 17. temel parçacık Higgs bozonu, parçacık arama işine devam edildiği anlamına geliyor.
Antimadde
Artık sıradan olmayan maddeye geldik. Antimadde gerçek bir şey, maddeyi oluşturan temel parçacıkların zıt özelliklerine sahip parçacıklar anlamına geliyor. Örneğin, elektronun antiparçacığı pozitronun elektrik yükü artıdır, elektronunki eksidir. Antiproton da var, hatta anti-hidrojen atomu da. Ama antimaddenin kütlesi hala var, bu madde olduğu anlamına gelmiyor mu? Ne düşünüyorsunuz?
Karanlık madde
Astrofizikçiler galaksilerin ve galaksi kümelerinin gözlemledikleri şekilde hareket edebilmeleri için kütlelerinin bizim gözlemlediğimizden çok daha fazla olması gerektiğini düşünüyor. Karanlık madde ışıkla etkileşmiyor bu yüzden göremiyoruz, ama kütle çekim etkilerinin olduğu belirtiliyor. Karanlık maddenin Evrenin %27’sini oluşturduğu hesaplanıyor, oysa sıradan madde Evrenin sadece %5’ini oluşturuyor. Karanlık maddenin altıda biri.
Madde nedir sorusu sandığımızdan daha zor bir soru çıkmadı mı?
Kaynaklar:
NASA, Dark Energy, Dark Matter