Atomaltı Parçacıklar

Maddeyi bıçakla kessek ve bir mikroskopta incelesek, temel öğeye benzer bir şeye hiçbir zaman ulaşamazdık. 1 mikron büyüklüğündeki parçacıkların bile bir biçimi vardır ve iç yapıları varmış gibi görünmektedir. Ama bundan daha küçük ölçeğe bıçak ve mikroskop kullanarak erişemeyiz. En sonunda bıçağın kendisi de atomlardan oluşmuştur; bu nedenle bıçağı atomlardan daha keskin yapmanın olanağı yoktur. Bıçağın ucunu incelemek istediğimiz şeylerden daha küçük olmasına gerek duyduğumuzdan aynı soruya geri döneriz.

     –Yoichiro  Nambu (1921-…, Fizik Nobel 2008)

Bundan yaklaşık iki bin beş yüz yıl önce Eski Yunanlılar (Greekler) atomos kavramını maddenin artık bölünemeyecek en son sınırı olarak tanımlamışlardı. Hani artık en keskin bıçakla bile ikiye bölemeyeceğimiz bir son kürecik gibi bir şeydi atom. Yine 19. yüzyıl başlarında, 1808’de bilimsel olarak ilk atom teorisini ortaya atan İngilz kimyacı  John Dalton (1766-1844) da “Dünya’da atomu bölecek adam yoktur” demişti. Ama 19. yüzyıl sonu ile 20. yüzyıl başında atomun bölünebilir bir yapıda olduğu anlaşıldı. Birbirini izleyen ve sonraki bir öncekinden ileri olan bir dizi atom modeli ortaya kondu. Atomun içine yapılan bu yolculuğun öyküsünü atom kuramları bölümümüzde bulabilirsiniz.

İşte kısa bir özet.

Atomun Üç Temel Parçacığı Var.

1.      Elektron

2.      Proton

3.      Nötron

Atomlar,  bir çekirdek ve onun çevresindeki elektronlardan oluşur. Proton ve nötron, atom çekirdeğini oluşturur.

Proton, birim pozitif yüke sahiptir ve bu yük elektronla zıt işatte; ama aynı değerdedir. Bir protonun kütlesi, bir elektronunkinden yaklaşık 1840 kat büyüktür. Buna karşılık protonla nötronun kütlesi, birbirine oldukça yakındır. Nötron elektrikçe yüksüz bir parçacıktır. Proton ve nötronların her birine “çekirdeği yapan”lar anlamına nükleon adı verilir. Bu anlatımlardan da tahmin edileceği gibi atomun kütlesinin çok büyük bir kısmı, atom çekirdeğindedir. Bunun için, çekirdekteki proton ve nötron sayıları toplamına kütle numarası denir ve bu, A ile simgelenir. Bir elementin atomlarına kimliğini kazandıran ise çekirdekteki proton sayısına da eşit olan elektron sayısıdır. Çekirdekteki proton sayısına da atom numarası denir ve bu, Z ile simgilenir. Örneğin lityum elementinin atom numarası, Z=3’tür. Bunun ahlamı, lityum atomlarının tümünde çekirdekte 3 proton, çekirdek çevresinde de 3 elektron bulunur. Bu sayı hidrojen atomları için 1, helyum atomları için iki, lityum atomları için 3 ve uranyum atomları için 92’dir. Çekirdekteki proton sayısı ile nötron sayısı aynı olmak durumunda değildir. Genel olarak çekirdekte proton sayısına eşit veya ondan biraz fazla nötron bulunur. Bir elementin atomlarında  atom numarası değişmez; ama kütle numarası değişik olabilir. Bir elementin farklı kütle numaralı atomlarına onun izotopları denir. Yukarıda lityum (Li) elementinin üç izotopu gösterilmektedir.

Uranyumun atom bombası yapımında kullanılan izotopunun kütle numarası 235, atom numarası 92’dir (Buna gore Z=92, A=235 şeklinde de yazılabilir).

Biraz Tarih…

20.yy başlarından itibaren atomların da bir şeylerden oluştuğu anlaşıldı. Bunlardan en hafifi, en ilginci olan elektron, en önce keşfedildi. 1897’de. Joseph John Thomson (1856-1940, Nobel Fizik 1906), katot ışınlarının elektronlardan oluştuğunu ve onun atomun küçük bir parçacığı olduğunu gösterdi. Deşarj tüpünde katota hangi madde konursa konsun, aynı nitelikteki ışınlar (katot ışınları, elektronlar) yayılması ve bunların kütlelerinin çok küçük olduğunun anlaşılmasıyla atomun bir iç yapısı olduğu ortaya çıktı. Sonra 1905’te Albert Einstein (1879-1955, Fizik Nobel 1921) her biri Nobellik beş makale yazdığında birisi de “atomların varlığı ve belli bir miktar sıvı içindeki miktarı” üzerineydi. Makale, Brown hareketlerinden yola çıkıyordu. Birim hacimde bulunan ‘atom sayısı’nı hesaplıyordu.  Sonra 1911’de Yeni Zelandalı Ernest Rutherford (1871-1937, Nobel Kimya 1908) İngiltere’deki araştırmaları sırasında atomlarda bir çekirdek bulunduğunu, bunun pozitif yüklü, çok yoğun ve çok küçük bir hacimde sıkışık olduğunu gösterdi. Atomun yapısının nasıl ayınlatıldığını atom molelleri bölümümüzde ayrıntılı olarak öğrenebilirsiniz. Rutherford, havadaki azot atomlarını alfa parçacıkları ile bombardıman ettiğinde birim pozitif yüklü bu parçacıkları keşfetmiş (1919) ve bunlara protonlar (proton, Eski Yunanda “ilk”, first) adını vermişti: Atom kütlelerinin çekirdekteki proton kütlelerinin yaklaşık iki kat olmasını gözönüne alan Rutherford, 1923’te çekirdekte ‘yüksüz protonların’ olabileceğini ileri sürmüştü. Nötron ise çok daha sonra, 1932’de gözlendi. James Chadwick (1891-1974,Fizik Nobel 1935) buldu nötronu. O yıllarda tüm maddelerin yapı taşlarının elektron, proton ve nötron olduğu düşünüldü.

Atomların Fotoğrafları

Atomaltı Parçacıkların Bazı Özellikleri

* Doğada yalnızca hidrojen atomunun bir izotopu bir proton ve bir elektrondan oluşur. Onun dışındaki tüm elementlerde çekirdekte nötron bulunur. Hidrojen elementinin üç izotopu aşağıdaki gibidir. Adları sırayla normal hidrojen, döteryum ve trityum dur. 

* Bir atomda proton sayısı ile elektron sayısı eşittir. Çünkü bir proton ve bir elektron aynı değerde ama zıt işarette elektrik yüküne sahiptir. Başka sözlerle atom numarası (Z), nötral atomdaki proton sayısını veya elektron sayısını gösterir.

* Nötral atomlar, elektron kazanır ya da kaybederse iyonlar oluşur. Periyodik tabloda metaller genel olarak elektron verme eğilimi yüksek, ametaller (soygazlar hariç) ise elektron alma eğilimi yüksek elementlerdir. Buna göre örneğin Z=13 ve A=27 olan alüminyum atomu, 3 elektron verince Al⁺³ iyonu oluşur. Bu iyon, 10 elektron, 13 proton ve 14 nötron içerir. Z=8 ve A=16 olan oksijen atomu iki elektron alınca O^–2 iyonu oluşur. Bu iyon, 10 elektron, 8 proton ve 8 nötron içerir.

Pozitif yüklü iyonlara katyon (katota giden), negatif yüklü iyonlara da anyon (anota giden) denir.

* Bir proton kütlesiyle bir nötron kütlesi birbirine çok yakındır; ama nötronun kütlesi çok az farkla büyüktür. Bir nötronu, kabaca bir protonla bir elektronun birleşmiş hali gibi düşünebiliriz. Atomların kütlelerinin % 99.9’u çekirdektedir. Bunun için proton ve nötron sayısına kütle numarası (A) denmesi mantıklıdır.

* Elektron şu anda iç yapısı olmayan noktamsı bir parçacık olarak görülüyor. Hatta bazı bilim adamları sicim modeli denen yeni bir modelle onu bir boyutlu (yalnız uzunluğu olan) bir sicim gibi de düşünmemizi öneriyor.

* Protonlar ve nötronlar ise üçer kuarktan yapılı. Yani protonlar ve nötronlar, noktamsı parçacıklar değil, adeta üçer noktamsı parçacıktan oluşuyorlar. Örneğin protonu oluşturan üç kuark u, u, d; nötronu oluşturan üç kuark ise d, d, u. Aşağıda bu simgelerin kaynağı ve kuarkların bazı özelliklerine döneceğiz.

*Atomaltı parçacıkların yük ve kütleden başka çok önemli iki özellikleri daha vardır. Birincisi her parçacık, kısaca spin denen sabit bir açısal momentuma sahiptir.  İkincisi de her parçacık, bir antiparçacığa sahiptir.

Spin, bir tür iç dönmedir ve elektron için bu değer, yarımdır (1/2). Bir atomik orbitali, ancak zıt spinli iki elektron paylaşabilir. Bu elektronlardan biri saat yelkovanı yönünde dönüşe sahipse öteki ters yöndedir.Buna Pauli Dışlama İlkesi de denir. Bu ilke, elektronların atok çekirdeği çevresinde nasıl sıralandıklarını ve atomların nasıl kararlı olduklarını gösteren anlamı zengin bir ilkedir.

İlk olarak elektronun antiparçacığı bulunmuştur ve ona pozitron adı verilmiştir. Pozitron, elektronla aynı kütlede; ama zıt elektrikle yüklüdür. Tahmin edeceğimiz gibi protonla pozitron aynı elektrik yüküne sahiptir; ama kütleleri çok farklıdır. Protonun anti maddesine antiproton, nötronun antimaddesine antinötron vb. denir. Doğada yalnız madde var görünüyor; antimadde kozmik ışınlarda ve laboratuvar deneylerinde karşımıza çıkıyor.

* Atomaltı parçacıklara aynı zamanda kuantum parçacıkları da denir. Bu parçacıkların bir özelliği de dalga gibi davranabilmektir. Örneğin bu parçacıklar, aynı anda çift yarıktan geçebilir; kırınım, girişim ve polarlanma gibi

dalga davranışları da gösterebilir.

Kuarklar

Yeniden atomaltı parçacıklara dönelim. Bugün elektronun bir iç yapısı görünmüyor; yani onu temel (elemanter) parçacık olarak görüyoruz. Buna karşın protonun ve nötronun bir iç yapısı var; başka sözlerle proton ve nötron “bileşik” parçacıklar. Onların bileşenleri de kuarklar. Kuarklar, iç yapısı olmayan (bu anlamda elektrona benzeyen) ve şu anda en dipte olduğu düşünülen parçacıklar. Kuarkların en alışılmadık özelliklerinden biri, kesirli yüke sahip olmaları. Örneğin şimdiye kadar hep +1, +2 ya da -1, -3 yükleriyle karşılaştık. Kuarklar ise +1/3 ya da -2/3 gibi kesirli yüklere sahip.

Proton da nötron da üç kuarktan oluşuyor. Elbette farklı kuarklardan. Kuarkların en alışılmadık yönleri, kesirli yüke sahip olmaları. Bizleri elektrik temel birim yükü olarak protonun (+1) veya elektronun (-1) yükünü alıyorduk. Yine bu yükleri korumakla birlikte kuarkların bunun üçte birine ya da üçte ikisine sahip yüklerde olabildiğini öğreniyoruz. Altı kuark var: u, d, c, s, t, b.

up (yukarı)         : u

down (aşağı)      : d

charm (büyülü)  : c

strange (acayip) : s

top (tepe)           : t

bottom (dip)      : b

Kısacası atomun öyle “bölünemez” basit bir kürecik olmadığı anlaşıldı. Bugün foton dışında üç tip temel parçacık olduğunu biliyoruz: leptonlar, kuarklar ve gluonlar. Leptonlar ve kuarklar, maddesel dünyanın “tuğlalarını” oluştururken, gluon denilen parçacıklar da kuarkları ve leptonları birbirine yapıştıran “tutkal”  durumunda.

Bazı çevirme faktörleri aşağıdaki gibidir:

(akb = atomik kütle birimi; eV= elektron volt; MeV= milyon elektron volt)

1 akb = 1 u = 27.2114 eV = 931.4943 MeV/c² ; 1 eV= 1.6021773×10^-19 J.

elektronun kütlesi = 0.0005446623 akb = 9.11 x 10-31 kg = 0.511 MeV/c2 

protonun kütlesi = 1.00727638 akb = 1.6726 x 10-27 kg = 938.27231 MeV/c2   nötronun kütlesi = 1.0086649156 akb = 1.6749 x 10-27 kg = 940 MeV/c2

Kuarkların yükü ve kütleleri aşağıdaki tabloda özetleniyor (Veriler, 2008 Particle Data Group verileridir).

Buna gore örneğin proton iki u ve bir d kuarkından oluşmuştur. İki u’nun yükü + 4/3 ve bir d’nin yükü -1/3 olduğundan sonuç yük, +1’dir:

Proton = u + u +  d = 1

Nötron, bir u ve iki d kuarkından oluşmuştur. Bir u’nun yükü +2/3 ve iki d’nin yükü de -2/3 olduğundan sonuç yük, sıfırdır:

Nötron = u + d + d = 0

Kuarkların çok farklı kütlelere sahip olması dikkat çekicidir. En hafif kuark olan u kuarkı, elektron kütlesinin üç katı kadar. Tepe kuarkın (t) kütlesi ise elektron kütlesinin 350.000 katı! Atomaltı parçacıkların daha ayrıntılı öyküsünü kuarklar adlı dosyamızdan öğrenebilirsiniz. (atominsan.net^RK)

Hazırlayan: Ramazan Karakale