Fizik. Net. Tr

Atomlardan Kuarklara

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 atom altı 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.

1950’lerden sonra parçacık hızlandırıcılarının gelişmesiyle başka atomaltı parçacıklar da ard 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 değişti. Böylece bu zamana kadar yapılan madde ve atom tanımları da yeniden gözden geçirildi. Artık atomun yapısında bulunan proton ve nötronun bölünemez temel parçacık olarak adlandıramayacağımız 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.

 

Karşıtparçacıklar

Parçacık fiziğinde yapılan teorik ve deneysel çalışmalar parçacık olarak yalnızca kuark ve leptonların olmadığını göstermiştir. Bunlardan başka karşıtparçacık olarak tanımlanan parçacıklar da vardır. Buna göre her atom altı parçacık için bir karşıtparçacık (antiparçacık) bulunur. En bilinen atomaltı parçacıklar ile bunların karşıtparçacıkları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Parçacık Karşıtparçacık 
Elektron  Pozitron
Proton Karşıtproton
Nötron  Karşıtnötron
Nötrino  Karşıtnötrino

 

Parçacık ve Karşıtparçacıkların Özellikleri

Karşıtparçacığı aynadaki görüntü gibi düşünebiliriz. Gerçek bir cisim ile görüntüsü arasında, sadece simetrik  bir terslik vardır. Benzer şekilde bir parçacık ile bu parçacığın karşıtparçacığı arasındaki tek fark yüklerinin ters işaretli olmasıdır. Bunun dışında karşıt parçacığın yük büyüklüğü ve kütleleri aynıdır.

Parçacıklarda Kütle-Enerji Eşdeğerliği

Kütle ile enerjinin eş değer kavramlar olduğunu biliyoruz. Durgun halde 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 \((c = 3 \cdot {10^8}m/s)\) kullanılarak;

\({E_0} = m \cdot {c^2}\)

Bazı atomaltı parçacıklar ile bunların karşıtparçacıklarının yük, kütle ve durgun kütle enerjisi gibi özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Bir Parçacığın Kütlesi Enerjiye Dönüşebilir

Kütle ile enerji eş değer kavramlar olduğu için madde enerjiye, enerji de maddeye dönüşebilir. Örneğin bir parçacık ile karşıtparçacık uygun şartlarda bir araya geldiğinde enerji taşıyan bir foton oluşabilir.

Bir parçacık ile karşıtparçacığı birlikte bozunduğunda kaybolan kütleleri gama ışınları (\(\gamma \)) şeklinde enerjiye dönüşür. Bunu Einstein’ın \(E = m \cdot {c^2}\) bağıntısı ile hesaplayabiliriz. Örneğin bir elektron ile bir pozitronun kütleleri eşit ve \({m_e} = 9,11 \cdot {10^{ – 31}}kg\) dır. Yukarıdaki bağıntıda ışık hızı \((c = 3 \cdot {10^8}m/s)\) değeri de kullanılarak elektron ile pozitronun kütle eş değeri olan enerji miktarı;

\(\begin{array}{l}
E = 2 \cdot {m_e} \cdot {c^2} = 2 \cdot 9,11 \cdot {10^{ – 31}} \cdot {(3 \cdot {10^8})^2} = 163,98 \cdot {10^{ – 15}}J\\
E = 1,02 \cdot {10^6}eV = 1,02Mev
\end{array}\)

Buna göre bir elektronla bir pozitron birlikte bozunduğunda 1,02MeV 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 karşıtparçacık 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;

\(\gamma  \to {e^ – } + {e^ + }\) şeklinde gösterilir.

 Çift Oluşumu (Çiftli Oluşum)

Enerjinin parçacık ve karşıt parçacığa dönüşmesi olayına çift oluşumu (çiftli oluşum) denir. Çünkü bu tür durumlarda yalnızca bir parçacık oluşmaz. Bir parçacık ile karşıtparçacığı eş zamanlı olarak birlikte oluşur. Örneğin yeterli enerjiye sahip bir gama ışınının parçacığa dönüşümünde \(\gamma  \to {e^ – }\) gibi yalnızca elektronun ya da “\(\gamma  \to {e^ + }\) gibi yalnızca pozitronun oluşması söz konusu olmaz. Yüklerin korunumu yasasına uygun olarak her zaman parçacık ile, eşit ve zıt yüke sahip karşıtparçacığı birlikte oluşur. 

Her Parçacık Kendi Karşıtparçacığı ile 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.

Maddelerin 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 baryonlar ve mezonlar olarak iki gruba ayrılır. O halde maddeleri oluşturan parçacıkların sınıflandırılmasını aşağıdaki gibi gösterebiliriz.

 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 kuvvetlerden sorumlu parçacıklardır. Yani güçlü çekirdek kuvvetleri hadronlann 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 günlük yaşamda kullanılan materyallerin büyük bir kısmının yapısında bulunmazlar.

Leptonlar

Leptonlar temel parçacık olduğu için daha küçük yapılara ayrılamazlar ve iç yapıları yoktur. Leptonlar 6 çeşittir. Bunlar elektron, elektron nötrinosu, müon, müon nötrinosu, tau, tau nötrinosudur. Bunların bazı özellikleri tabloda verilmiştir. Nötrinoların kütleleri sıfır kabul edilebilecek kadar küçüktür. Yükleri ise yoktur. Işık hızına çok yakın hızlarda hareket ederler. Her saniye milyarlarcası vücudumuzdan geçiyor olsa da leptonları  tesbit etmek çok zordur.
Leptonlar zayıf çekirdek kuvvetlerinden sorumlu parçacıklardır. Leptonlar güçlü nükleer kuvvetten etkilenmezler.

Kuarklar

Hadronlarla yapılan parçacık çarpıştırma deneyleri hadronların, leptonlar gibi temel parçacık olmadığını, daha alt parçacıklardan oluştuğunu göstermiştir. 1963 yılında Murray Geil-Mann ve George Zweig adlı bilim insanları oluşturdukları modelde, hadronları oluşturan bu parçacıkları kuark olarak tanımlamıştır. İlk oluşturulan modele göre u, d ve s ile sembolize edilen en üç kuark tanımlanmıştır. Bunlar yukarı, aşağı ve yana (günümüzde tuhaf) olarak adlandırılmıştır. Daha sonraları yapılan çarpışma deneyleri sonucunda bu kuarklardan başka üç çeşit kuarkın daha varlığı kabul edilmiştir. Bunlara da tılsımlı, üst ve alt denilmiştir. Günümüzde bu kuarklardan yukarı-aşağı, tuhaf-tılsımlı ve üst-alt şeklinde çiftler hâlinde bahsedilmektedir. Ayrıca her kuarkın, zıt yüklü bir karşıtkuarkı da bulunur.

Hadronların Kuark Yapısı

Hadronların oluşumundaki kuark yapısının tablodaki gibi olduğu anlaşılmıştır. Buna göre baryonlar üç tane kuarktan, mezonlar ise bir kuark ile bir karşıtkuarktan oluşur.

Parçacık Oluşumu
Baryon  3 kuark 
Mezon   1 kuark1karşıtkuark 

Her Kuarkın Kendine Özgü Yükü Vardır

Bir kuarkın yükü sıfır olabildiği gibi, elemanter yük birimi (e) nin katları cinsinden bir yüke de sahip olabilir.
Kuarkların Yükleri Kesirlidir. Şu ana kadar doğadaki en küçük yük birıminin, bir elektronun sahip olduğu yük olduğunu öğrenmiş ve bu yükü e ile göstermiştik. Yüklü cisimlerin yüklerinin de e nin tam katları olabileceğini öğrenmiştik. Bu durum temel parçacıklar için geçerli değildir. Kuarkların yükleri kesirlidir. Her bir kuarkın yükü, elemanter yükün (e) kesirleri cinsinden gösterilir.

6 çeşit kuark ile bunların karşıtkuarklarının sembolleri ve yükleri tabloda gösterilmiştir.

Baryonların Kuark Yapısı

Normal bir maddenin baryonlarının (proton ve nötron) oluşması için yukarı (u) ve aşağı (d) olmak üzere iki cins kuarkın olması yeterlidir. Şekilde bir proton ile bir nötronu oluşturan u ve d kuarkları görülüyor. Buna göre bir proton 2 tane u kuarkı ile 1 tane d kuarkından (uud), bir nötron ise 1 tane u kuarkı ile 2 tane d kuarkından (udd) oluşur. Diğer baryonlar ise herhangi bir şekilde bir araya gelmiş 3 kuarktan oluşur. Şu ana kadar 120 çeşit baryon tesbit edilmiştir. Tuhaf, tılsımlı, üst ve alt şeklinde olan diğer kuarklar normal maddelerin yapılarında bulunmaz, parçacık çarpışması gibi yüksek enerjili durumlarda bazı madde yapılarının oluşumunda bulunur.

 

Bir baryonun yükü, kendisini oluşturan kuarkların yüklerinin cebirsel toplamına eşittir.

Her Baryonun Yükü Kuarkların Yükleri Toplamına Eşittir

Bir baryonun yükünü bulmak için yapısındaki kuarkların yükleri cebirsel toplanır. Örneğin şekildeki gibi 2 tane u ile 1 tane d kuarkından oluşan bir protonun yükü;

\(( + \frac{2}{3}e) + ( + \frac{2}{3}e) + ( – \frac{e}{3}) =  + e\)

Bu sonuç yükü bir elektronun yüküne (-e) eşit büyüklükte ve pozitif olan protonun  daha önce öğrendiğimiz yüküne eşittir. Şekildeki gibi 1 tane u ile 2 tane d kuarkından oluşan bir nötronun yükü ise;

\(( + \frac{2}{3}e) + ( – \frac{e}{3}) + ( – \frac{e}{3}) = 0\) olur.

Bu sonuç da sıfır olarak daha önce öğrendiğimiz nötronun yüküne eşittir.

Mezonların Kuark Yapısı

Mezonlar bir kuark ile bir karşıtkuark olmak üzere iki cins kuarktan oluşur. Şu ana kadar kuark ve karşıtkuarkların farklı kombinasyonları ile oluşmuş 140 çeşit mezon tesbit edilmiştir. Şekilde bir pion ile bir kaonu oluşturan kuarklar görülüyor.

Pionun kuark yapısı \(u\bar d\) , kaonun kuark yapısı \(\bar us\) şeklindedir.

Her Mezonun Yükü Kuark ve Karsıtkuarklarının Yükleri Toplamına Eşittir

Bir mezonun yükünü bulmak için yapısındaki kuarkların ve karşıtkuarkların yükleri cebirsel toplanır. Örneğin şekildeki gibi 1 tane u kuarkı ile 1 tane d karşıtkuarkından oluşan bir pionun yükü;

\(( + \frac{{2e}}{3}) + ( + \frac{e}{3}) =  + e\) olur.

Şekildeki gibi 1 tane u karşıtkuarkı ile 1 tane s kuarkından oluşan bir kaonun yükü ise;

\(( – \frac{{2e}}{3}) + ( – \frac{e}{3}) =  – e\) olur.

Kuarklardan Atomlara

Günümüzde bilimde gelinen noktada, kuarkların ve leptonların en temel parçacık olarak kabul edildiği standart model adı verilen teoriye göre maddelerin oluşum yapısı şekildeki diyagramda özetlenmiştir.