Güneş Bizi Nasıl Isıtıyor?
Güneşin çekirdeğinde çok büyük basınç var. Normalde güneşin yeryüzü gibi ayağımızı basabileceğimiz bir kabuğu olmasa da, gaz halindeki hidrojen atomlarının kütle çekim etkileri çekirdeğinde çok fazla basınç ve ısı üretiyor.
Isı veriyor işte! Isıyla ısıtıyor bizi!
Güneşteki hidrojen atomları nükleer tepkimeye giriyor ve ortaya helyum çıkıyor.
Bu nükleer tepkimemin yanında da enerji açığa çıkıyor.
O enerji de konveksiyon ile dünyamıza kadar ulaşıp bizi ısıtıyor.
Evet, olayı bu şekilde basite indirgeyebiliriz.
Ancak aslında bu kadar da basit değil sanki.
***
Peki nasıl oluyor tüm bu olanlar?
Güneşin çekirdeğinde çok büyük basınç var.
Normalde güneşin yeryüzü gibi ayağımızı basabileceğimiz bir kabuğu olmasa da, gaz halindeki hidrojen atomlarının kütle çekim etkileri çekirdeğinde çok fazla basınç ve ısı üretiyor.
Isı ve basınç ile hidrojen atomları başlıyor birbirleri ile kaynaşmaya.
Neydi hidrojen dediğimiz element?
Çekirdeğinde tek bir protonu olan ve yörüngesinde tek bir elektronun gezindiği doğadaki en basit yapıdaki element!
Periyodik tablonun ilk üyesi!
Büyük patlama ile ortaya çıkan ilk element!
Helyum atomunun çekirdeğinde ise iki proton var, çekirdek etrafındaki yörüngelerde de iki elektron sürekli hareket halinde.
***
Buraya kadar her şey normal görünüyor.
Ama aslında bir sorun var.
Helyum atomunun çekirdeğindeki iki proton yanında iki de nötron var!
Bu nötronlar nereden geliyorlar acaba?
Sonuçta başlangıçta Güneşte sadece hidrojen atomları var, basınç ve ısı sebebiyle iki tanesi bir araya gelip helyumun çekirdeğindeki iki proton oluyorlar, burası tamam da, iki de nötron var helyum atomunun çekirdeğinde!
Bu nötronlar nereden geliyor peki?
***
James Chadwick (1891-1974), 1932'de nötronu keşfetmesiyle tanınan İngiliz fizikçi.
1935'te bu keşfiyle Nobel Fizik Ödülü almış.
Nedir nötron?
Elektrik yükü olmayan, çekirdekteki protonlar gibi, ama nötür yüklü olan parçacıklar.
Protondan birazcık daha ağırlar, yüksüzler, ancak manyetik momentumları olduğu için manyetik alandan etkileniyorlar.
Evet nötronlar da protonlar gibi kuarklardan oluşuyor.
İki yukarı kuark, bir aşağı kuark ile proton oluyor.
Bir yukarı kuark, iki aşağı kuark ile ise nötron oluyor.
***
Bir proton serbest halde kararlı konumdadır. Bir nötron ise serbest halde kararlı değildir.
Nedir kararlı olmak?
Bir başka şeye dönüşmeden olduğu gibi kalabilmek.
Tek bir proton pozitif yükü ile yanına bir negatif yüklü elektron da aldığında hidrojen atomu oluyor.
İki hidrojen atomu da yan yana gelip kovalent bağ kurup bir hidrojen gazı molekülü oluşturuveriyorlar ve sonsuza kadar bu halde bulunmaları mümkün olabiliyor.
Çünkü hidrojen atomlarının çekirdeğindeki o tek proton kararlı bir parçacık.
Serbest bir nötron ise 15 dakikadan daha az bir süre içinde bir proton, bir elektron ve bir karşı nötrinoya bozunuveriyor.
Nötron kararlı bir parçacık değil!
Bu arada bu dönüşüme eksi beta bozunumu deniyor.
Evet, nötron dediğimiz şey aslında hidrojen atomunun çekirdeğindeki o proton ve yörüngesindeki elektronun basınç ve ısı sebebiyle bir araya gelmesi ve kaynaşması şeklinde düşünülebilir.
Bu dönüşüme de artı beta bozunumu deniyor.
Artı beta bozunumunda, yani protonun elektronla kaynaşarak nötrona dönüşümünde ortaya bir nötrino ve bir de pozitron denilen artı yüklü elektronun anti parçacığı salınıyor.
Yapısal olarak proton içindeki bir yukarı kuark aşağı kuarka dönüşmüş oluyor.
***
Nedir bu nötrino ve karşı nötrino denilen şeyler?
Nereden çıkıyorlar?
Nötrinolar ışık hızına yakın hıza sahip, elektrik yükü olmayan ve maddelerin içinden neredeyse hiç etkileşmeden geçebilen temel parçacıklar.
Elektrik yükleri yok ancak elektronun kütlesine yakın kütleleri var.
Dolayısıyla kütleyi etkileyen uzay zaman bükülmelerinden, yani pratik adıyla kütle çekiminden etkileniyorlar.
Nötrinoların etkilendikleri asıl kuvvet ise çoğumuzun pek de ne olduğunu bilmediğimiz doğadaki dört temel etkiden biri. Zayıf nükleer kuvvet denilen ve çekirdek seviyelerinde etkili nükleer bir kuvvet.
Evet, çekirdekte artı yüklü protonları bir arada tutan kuvvete güçlü nükleer kuvvet deniliyor. Daha önce yazmıştım bu konuyu.
Bu kuvvetin temel taşıyıcıları gluonlardı hatırlarsanız, yani Türkçe yapışkan anlamına gelen İngilizce glue sözünden türetilmiş temel parçacıklar bu gluonlar.
Kuarklar gluonlar sayesinde bir arada bulunabiliyorlar ve güçlü nükleer kuvvet elektromanyetik kuvvetten çok daha fazla gücü olduğu için protonların pozitif yüklerini bir arada tutabiliyorlar. Bu arada sistemin çalışabilmesi için çekirdekte nötronlara da ihtiyaç oluyor, nötronlar çekirdeğin kararlı kalmasını sağlıyor.
***
Elektromanyetik kuvvet protonlarla elektronlar arasındaki etkileşim kuvveti, taşıyıcısı ise fotonlar.
Kütle çekimi zaten normalde bir kuvvet değil, uzay zaman bükülmesi. Bu konuyu da daha önce yazmıştım.
Kütleyi oluşturan Higgs bozonu konusu da ayrı bir konu. Şimdi bu konuya girmeyeyim.
Zayıf nükleer kuvvet ise işte bu proton ve elektronlardan nötron oluşması, ya da tam tersi bir nötronun elektron ve protona ayrışması aşamasında nötrinolar ve anti nötrinolarla bu bozunumları yapan kuvvet.
Güçlü nükleer kuvvet gibi bu da sadece çekirdek düzeylerinde oldukça kısa mesafelerde etkili ve etki zaman aralığı da oldukça kısa. Gücü de güçlü nükleer kuvvete nazaran oldukça düşük.
Ancak bu nötron bozunumlarında etkili olduğu için atomların çekirdeklerindeki kararlılık konusunda zorunlu doğa kuvveti diyebiliriz zayıf nükleer kuvvete.
Nötronlar olmasalardı atom çekirdekleri kararlı şekilde bir arada duramazlardı sonuçta.
***
Temel kuvvetleri güçlerine göre sıraya koyarsak ve güçlü nükleer kuvvete karşılaştırma için 1 birim dersek, elektromanyetik kuvvet bunun yüzde biri (1/100) kadardır diyebiliriz.
Zayıf nükleer kuvvet ise güçlü nükleer kuvvetin yüz binde biri (1/10^5) güce sahip. Yani oranca oldukça düşük bir kuvvet.
Kütle çekimi ise güçlü nükleer kuvvetin on üzeri kırk kat (1/10^40) düşüğü.
Bu anlamda sanki kütle çekimi evrende hiçbir etkisi olmayan zavallı bir etkiymiş gibi geliyor insana, ama tam tersine hayatımız daha çok kütle çekim etkilerini gözlemleyerek geçiyor.
Peki nasıl oluyor da biz evrende daha çok kütle çekim etkilerini gözlemliyoruz?
Hadi elektromanyetik kuvveti de gözümüzle görüyoruz diyelim, sonuçta ışık elektromanyetik bir etki, ama güçlü nükleer kuvvetin etkisini hissetmiyoruz mesela, halbuki en kuvvetlisi de güçlü nükleer kuvvet?
E=mc2
Einstein’ın bu ünlü formülü bildiğimiz günlük hayatta kullandığımız formüllerden biri değil.
Evet, güçlü nükleer kuvvetin formülü bu!
Günlük hayatta biz Newton’un F=m.a formülünü kullanıyoruz.
Ya da elektromanyetik ile ilgili formülleri kullanıyoruz.
Zayıf nükleer kuvvet ise dediğim gibi sadece nötron proton bozunumlarında işe yarıyor.
Zayıf nükleer kuvvetin formülü nedir bilmiyorum. Muhtemelen uzmanları buna da bir formül bulmuşlardır. Ancak formülünün yay formülleri ile ilintili olması gerekiyor sanırım, çünkü bir mesafeye kadar uzaklaştıkça attan bir kuvvet olduğuna dair bir şeyler okumuştum bir yerlerde.
***
Dolayısıyla varsa yoksa kütle ve görünen madde! Ve bunlarla ilgili formüller.
Diğer kuvvetleri hiç hissetmiyoruz?
Aslında hissediyoruz, da, hissettiğimizi bilmiyoruz.
Sonuçta etrafımızda gördüğümüz her türlü maddenin oluşumu güçlü nükleer kuvvetin ve nötron oluşumlarında etkili olan zayıf nükleer kuvvetin eseri.
Gökyüzünde parıldayan yıldızlar da güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler sayesinde ışıldadıkları için bize kadar ışık salabiliyorlar.
Normalde nükleer tepkimeler olmasa, ortaya bize kadar ulaşan bir ışık da çıkmayacak!
Ama dediğim gibi, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler çok kısa mesafelerde etkili olabilen kuvvetler, bu yüzden günlük yaşamda farkına vardığımız kuvvetler değiller.
Elektromanyetik kuvvet ve kütle çekim etkisi ise mesafenin karesi ile ters orantılı olarak oldukça uzak mesafelerden etki edebiliyorlar.
Dolayısıyla da evren dediğimiz bu devasa mesafeler ortamında en çok göze görünen etki biçimi kütle çekim etkileri oluyor.
***
Dönelim biz nötronlara.
Artık tahmin ediyorsunuzdur herhalde, evet, güneşte hidrojen atomlarının helyum atomuna dönüşmesi esnasında kimi hidrojen atomları da nötrona bozuşuyorlar, ve basınç-ısı kıskacında bunlar da diğer iki hidrojen protonu ile bir araya gelip çekirdeğinde iki proton ve iki nötron olan helyum atomuna dönüşüyorlar.
Ortaya çıkan nükleer tepkimenin enerjisi de güneşten dünyamıza kadar ulaşarak bizleri ısıtıyor.
Tabii bu arada protondan nötrona dönüşümde ortaya çıkan nötrinolar da güneşten dünyamıza kadar ulaşıyorlar.
Dünya yüzeyinde güneşe dik açıdaki her cm2’ye her saniyede güneşten 65 milyar nötrino ulaşıyormuş. Bunlar içinizden de geçip dünyanın derinliklerine kadar gidiyorlar.
Aslında nötrinolar da üç tipe ayrılıyor, her bir tipin anti nötrinosu da var. Ancak sanırım bugünlük bu kadar nükleer fizik yeterli.
Yer altında yüzlerce metre derinlerde bu nötrinoları yakalamak için özel algılayıcılar yapılmış falan, bilim insanları özellikle eski kömür ocaklarında bu tarz algılayıcılar yerleştirmişler. Bu detaylar oldukça uzun ve sıkıcı.
Önemli olan bizim nötronların aslında proton ve elektronların sıkışarak bir araya gelip kaynaşmasından oluştuğunu bilmemiz yeterli.
Nötron deyip geçmeyin, yüksüz parçacıklar, ama manyetik alan içinde yönlendirilebilmeleri mümkün ve nötron bombardımanına tutulmuş, biraz da kararsız bir uranyum atomu parçalanıp atom bombası oluveriyor.
Uranyum bu bombardımanla parçalandığında kendisi artık nötron salıyor. Sonra da zincirleme reaksiyon başlıyor.
Yani nötronları kontrol eden insanlık az kalsın kontrolü elden kaybedip dünyayı atom bombaları ile yok etmek üzere olmuş bir zamanlar!
Allahtan artık kimse atom bombası kullanmıyor.
Yoksa halen daha bu bombaları kullanma niyetinde olan olabilir mi?
Korkmayın, böyle bir deli çıkmaz bence.
Bilimle kalın diyerek bitireyim yazıyı.
Moskova’dan herkese sevgi ve saygılarımla
- 27.02.2024
- Süre : 4 dk
- 292 kez okundu