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;

1. Güçlü nükleer kuvvet
2. Zayıf nükleer kuvvet
3. Elektromanyetik kuvvet
4. 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.