Atomlardan Kuarklara Konu Anlatımı
Atomlardan kuarklara konusu bilimin atomun içini keşfetmesiyle ortaya çıkmış bir konudur. Lys'de karşımıza çıkan bu konu modern fiziğin bir parçasıdır. Bu konuyu anlamak için bol tekrar yapmak ve bol soru çözmek gerekir. Konu zor değil aksine zevklidir.
Atomlardan kuarklara konusunu anlamak için önce atomun tarihi serüvenine göz atmak gerekir.
Atomun Tarihi Serüveni
M.Ö. ye dayanan yıllardan beri insanlar maddenin yapısını anlamaya ve açıklamaya çalışmaktadır. “Maddeyi küçük parçalara ayırmak istesek bu işlem nereye kadar sürer?” sorusu insanoğlunun zihnini hep meşgul etmiştir. İnsanlar önceleri evrenin ateş, su, toprak ve havadan oluştuğuna inanmışlardır.
M.Ö. 440 yılında Anadolu’nun bilim merkezi Milet'te doğan Lökippus ve öğrencisi filozof Demokritus bu dört elemanın daha küçük birimlere bölünebileceğini ileri sürdüler ve bu birimlere “atomos” adını verdiler. Daha sonra maddenin bölünemeyen bu en küçük parçasına atom denildi.
Demokritus'un ortaya attığı bu düşünce John Dalton'a kadar çok az değişikliğe uğramıştır. Atomun yapısı ile ilgili sır perdesi 1925’te ortaya atılan kuantum teorisi ile bir nebze aralanmıştır. Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg'in ortaya koyduğu kuantum mekaniğine dayanan bu teoriye modern atom teorisi adı verilmiştir.
Atomaltı Parçacıklar
Atomda elektron adı verilen parçacıkların bulunduğu görüşünün ortaya atılması ve elektronun keşfi 1897’de İngiliz bilgini J.J.Thomson tarafından geliştirilen katot ışınları deneyi ile gerçekleşmiştir.
1911 yılında yapılan Rutherford deneyi ise atomun çekirdek adı verilen bir bölümünün bulunduğunu, çekirdeğin boyutunun 10~15 m mertebesinde olduğunu ve yapısında pozitif elektrik yüküne sahip parçacıkların bulunduğunu gösterdi. Bu parçacıklara proton adı verildi.
1932’de İngiliz Chadwick nötronu keşfetti. Böylece Dalton atom modelinde ifade edildiği gibi atomunun en küçük parça olmadığı, içinde elektron, proton ve nötron adı verilen parçacıklar bulunduğu ortaya çıktı. Bunlar atomaltı parçacık olarak adlandırıldı.
Ayrıca bu dönemde hidrojen atomunun yapısını başarılı bir şekilde açıklayabilen Bohr atom modeli Danimarkalı fizikçi Niels Bohr tarafından ortaya atıldı.
1938’de Uranyum-235 çekirdeğinin parçalanmasıyla atomun parçalanabildiği anlaşıldı.
Temel Parçacıklar
Atomun elektron, proton ve nötrondan oluştuğu ortaya çıktıktan sonra bilim dünyası “Acaba bu atomaltı parçacıklar da bölünebilir mi?" sorusu üzerinde düşünmeye ve araştırma yapmaya başladı.
1950'lerden sonra parçacık hızlandırıcılarının gelişmesiyle başka atomaltı parçacıklar da art arda keşfedilmeye başlandı. Günümüzde yaklaşık 300 atomaltı parçacığın olduğu bilinmektedir.
1900 lü yılların sonlarına doğru birçok atomaltı parçacığın kuark ve lepton adı verilen daha alt temel parçacıklardan oluştuğu anlaşıldı. Keşfedilen bu parçacıkların da çeşitleri belirlendi.
Bunlardan leptonların tek başlarına bulundukları halde, kuarkların tek başlarına bulunamadıkları anlaşıldı. Kuarkların, bir araya gelerek oluşturdukları kuark gruplarına hadron adı verildi. Böylece maddelerin hadronlar ve leptonlardan oluştuğu anlaşıldı.
Kuark ve leptonların keşfi ile temel parçacık tanımı değişmiştir.
Böylece bu zamana kadar yapılan madde ve atom tanımları da yeniden gözden geçirildi. Artık atomun yapısında bulunan proton ve nötronun bölünemez temel parçacık olarak adlandırılamayacağı anlaşıldığından yeni bir model ortaya konuldu. Standart model adı verilen bu modelde, atomun yapısında kuarklar ve leptonlar olmak üzere iki tür, bölünemez temel parçacık olduğu kabul edildi.
Parçacık fiziği alanında yapılan çalışmalar evrende 6 çeşit kuark ile 6 çeşit lepton olduğunu ortaya koydu. Ayrıca bu 12 temel parçacıktan başka, bu parçacıkların karşıtparçacıklarının da var olduğu anlaşıldı.
Parçacıklarla ilgili deneylerde hızlandırıcılar kullanılır.
Atomaltı parçacıklarla ilgili teoriler, dev laboratuvarlarda kurulan parçacık hızlandırıcıları ile test edilmektedir. Manyetik alanlar yardımıyla, yüklü parçacıklar hızlandırılarak çarpışma deneyleri yapılmakta ve bu çarpışmalar sonucunda parçacıkların özellikleri keşfedilmeye çalışılmaktadır.
Bunlardan en bilineni CERN adındaki, İsviçre ile Fransa sınırında, yerin 100 m altında inşa edilen 27 km uzunluğundaki dairesel tünel şeklindeki laboratuardır. Buradaki dev hızlandırıcılarla ışık hızına yakın hızlarda yapılan çarpışma deneylerinde temel parçacıkların gizemi keşfedilmeye çalışılmaktadır.
Bu ve benzeri gelişmiş laboratuarlarda yapılan deneylerle, bir zamanlar atom için ön görüldüğü gibi "bölünemez en küçük parçacık” olarak tanımlanan kuarklar ve leptonlar da sorgulanmakta ve daha küçük parçacıkların var olup olmadığı araştırılmaktadır.
Karşıt Parçaçıklar
Parçacık fiziğinde yapılan teorik ve deneysel çalışmalar parçacık olarak yalnızca kuark ve leptonların olmadığını göstermiştir. Bunlardan başka karşıt parçacık olarak tanımlanan parçacıklar da vardır.
Buna göre her atom altı parçacık için bir karşıtparçacık (antiparçacık) bulunur. En bilinen atomaltı parçacıklar ile bunların karşıt parçacıkları aşağıdaki tabloda verilmiştir.
|Parçacık||Karşıt parçacık|
|Elektron||Pozitron|
|Proton||Karşıtproton|
|Nötron||Karşıtnötron|
|Nötrino||Karşıtnötrino|
Parçacıklar ve Karşıt Parçacıkların Özellikleri
Karşıt parçacığı aynadaki görüntü gibi düşünebiliriz. Gerçek bir cisim ile görüntüsü arasında, sadece simetrik bir terslik vardır. Benzer şekilde bir parçacık ile bu parçacığın karşıt parçacığı arasındaki tek fark yüklerinin ters işaretli olmasıdır.
Bunun dışında karşıt parçacığın kütlesi ve yükünün büyüklüğü gibi özellikleri parçacık ile aynıdır.
Atom altı parçacıklarla ilgili deneyler dev laboratuarlarda yapılmaktadır. Manyetik alanların hızlandırıcı olarak kullanıldığı bu laboratuarlarda yüksek enerjili parçacıklar çarpıştırılarak karakteristik özellikleri belirlenmeye çalışılır. Bu şekilde atom altı parçacıkların kütleleri ve yükleri gibi özellikleri hesaplanabilmektedir.
Kütle ile enerjinin eş değer kavramlar olduğunu biliyoruz. Durgun hâlde bulunan bir cismin de kütlesinden dolayı bir enerjisi vardır. Bir cismin kütlesinden dolayı sahip olduğu bu enerjiye durgun kütle enerjisi denir.
Tüm cisimlerde olduğu gibi parçacıkların da durgun kütle enerjisi vardır. Kütlesi m olan herhangi bir parçacığın durgun kütle enerjisi, ışık hızı (c = 8-10° m/s) kullanılarak;
E0 = m.c2 bağıntısı ile hesaplanır.
Örneğin kütlesi m = 1,8.10-28 kg olan bir parçacığın durgun kütle enerjisi;
E0 = mc2 = 1,8.10-28 (8.108)2 = 115,2.10-12 J olur.
Atom altı parçacıklar gibi çok küçük kütleli cisimlerde enerji birimi olarak elektronvolt (eV) kullanılır.
1 eV = 1,6.10-19 J
ilişkisi kullanılarak, yukarıda hesapladığımız durgun kütle enerjisi;
E0 = 72.107 eV = 720 MeV olur.
Bir parçacığın kütlesi enerjiye dönüşebilir
Kütle ile enerji eş değer kavramlar olduğu için madde enerjiye, enerji de maddeye dönüşebilir. Örneğin bir parçacık ile karşıt parçacık uygun şartlarda bir araya geldiğinde enerji taşıyan bir foton oluşabilir.
Bir parçacık ile karşıt parçacığı birlikte bozunduğunda kaybolan kütleleri gama ışınları (ɣ) şeklinde enerjiye dönüşür. Bunu Einstein'ın E = m.c2 bağıntısı ile hesaplayabiliriz.
Örneğin bir elektron ile bir pozitronun kütleleri eşit ve me = 9,11.10-31 kg dır. Yukarıdaki bağıntıda ışık hızı (c = 3.108 m/s) değeri de kullanılarak elektron ile pozitronun kütle eş değeri olan enerji miktarı;
E = 2.me.c2 = 2.9,11.10-31.(3.108)2 = 163,98.10-15 J
E= 1,02.106eV = 1,02 MeV olur.
Buna göre bir elektron ile pozitron birlikte bozunduğunda 1,02 MeV enerjili gama ışını oluşur.
Enerji de maddeye dönüşebilir
Kütle - enerji eş değerliğine uygun olarak enerji doğrudan maddeye de dönüşebilir. Yeterli enerjiye sahip fotonlar parçacık ve karşıt parçacık çiftleri oluşturabilir.
Örneğin enerjisi 1,02 MeV a eşit ya da büyük olan bir gama ışını bir atom çekirdeğinin yakınından geçerken bir elektron ile bir pozitron oluşturabilir. Bu işlem;
ɣ → e- + e+ şeklinde gösterilir.
Parçacık oluşumu her zaman çiftli olur
Enerjinin parçacık ve karşıt parçacığa dönüşmesi olayına çiftli oluşum denir. Çünkü bu tür durumlarda yalnızca bir parçacık oluşmaz. Bir parçacık ile karşıt parçacığı eş zamanlı olarak birlikte oluşur.
Örneğin yeterli enerjiye sahip bir gama ışınının parçacığa dönüşümünde “ɣ → e-" gibi yalnızca elektronun ya da “ɣ → e+” gibi yalnızca pozitronun oluşması söz konusu olmaz. Yüklerin korunumu yasasına uygun olarak her zaman parçacık ile, eşit ve zıt yüke sahip karşıt parçacığı birlikte oluşur. Resimde bir gama ışınının elektron ve pozitron oluşturması görülüyor.
Her parçacık kendi karşıt parçacığı ile oluşur
Bu tür çiftli oluşumlarda hiçbir zaman "ɣ → e- + proton” gibi herhangi iki parçacık oluşmaz. Her zaman bir parçacık ile o parçacığın karşıt parçacığı oluşur.
Çiftli oluşumlarda elektron-pozitron çifti oluşabildiği gibi, yeterli enerji olması durumunda proton - karşıt proton ve nötron - karşıt nötron gibi diğer atom altı parçacık çiftleri de oluşabilir. Ancak her atom altı parçacığın enerjisi farklı olduğundan, bunları oluşturacak enerji miktarları da farklı farklıdır.
Parçacıkların Sınıflandırılması
Maddelerin, parçalanamaz temel parçacıklar olan kuarklar ve leptonlardan oluştuğunu artık biliyoruz. Bunlardan kuarkların tek başlarına bulunamayıp, oluşturdukları parçacık grupları ile bulunabildiğini ve bu kuark gruplarına hadron denildiğini de öğrendik. Buna göre tüm maddelerin hadronlar ve leptonlardan oluştuğunu söyleyebiliriz.
Hadronlar da kendi aralarında baryonlaı ve mezonlar olarak iki gruba ayrılır.
O halde maddeleri oluşturan parçacıkların sınıflandırılmasını aşağıdaki gibi gösterebiliriz.
Parçacıklar ve Temel Kuvvetler
Doğada;
- Güçlü nükleer kuvvet
- Zayıf nükleer kuvvet
- Elektromanyetik kuvvet
- Kütle çekim kuvveti
olmak üzere dört temel kuvvet olduğunu biliyoruz. Orantılı olarak düşünüldüğünde güçlü nükleer kuvvet diğer üç tür kuvvetten çok daha güçlüdür.
Doğadaki temel parçacıklar, maddelerin etkileşiminde etkin olan bu dört temel kuvvetten sorumludur.
Hadronlar
Hadronlar kendi içlerinde baryonlar ve mezonlar olarak ikiye ayrılır. Baryonların kütlesi mezonlardan çok daha büyüktür. Baryonların ve mezonların kütleleri de leptonlardan büyüktür. Hadronlar güçlü çekirdek kuvvetlerinden sorumludur. Yani güçlü çekirdek kuvvetleri hadronların sorumluluğundadır.
Baryonlar
Baryonlara vereceğimiz en tanıdık örnekler protonlar ve nötronlardır.
Kararlı yapılarından dolayı protonlar ve nötronlar günlük yaşamda kullandığımız materyallerde bulunurlar. Protonlar en kararlı baryonlardır. Baryonların kütleleri protonların kütlelerine eşit ya da daha büyüktür.
Mezonlar
Mezonların pion ve kaon gibi çeşitleri vardır. Bütün mezonlar kararsızdır. Bu nedenle normal gün lük yaşamda kullanılan materyallerin büyük bir kısmının yapısında bulunmazlar.
- Maddenin Özellikleri
- Basınç
- Kaldırma Kuvveti
- Bağıl Hareket
- Dinamik
- Atışlar
- İş, Güç ve Enerji
- Basit Harmonik Hareket
- Kütle Çekimi ve Kepler Kanunları
- Elektrostatik
- Elektromanyetik İndükleme
- Kondansatörler
- Yay Dalgaları
- Su Dalgaları
- Ses Dalgaları
- Elektromanyetik Dalgalar
- Fotoelektrik Olay ve Compton Olayı
- Özel Görelilik
- Yıldızlardan Yıldızsılara
- Nükleer Fizik
- Atomlardan Kuarklara