Madde Nedir? » E-Kütüphane

Madde Nedir?


Belki de bugün bilim adamlarının veya herhangi birinin merak ettiği en büyük sır maddenin ne olduğu. Kimilerine göre bir yanılgı, kimilerine göre her zaman var olan değişmeyen yegâne varlık veya sadece bir amaç uğrundaki araç. Ama yanılgıda olsa gerçekte olsa zaten bilim bunun ne olduğunu açıklamaya yöneliktir. Önceleri Aristo maddenin veya var olan her şeyin ateş, su, hava ve topraktan oluştuğunu, bu bileşenlere toprağın ile suyun batma eğilimi ve hava ile ateşin yükselme eğiliminin etki ettiği bir teori ortaya attı.

Daha sonra Demokritos ve bazı arkadaşları maddenin bölünemeyen çok çeşitli atomlardan oluştuğunu ileri sürdü.17.yy da Dalton atomların bir araya gelerek moleküller oluşturduğunu kanıtladı. 20.yy la kadar maddenin temel ve bölünemez yapı taşının atom olduğu kabul ediliyordu tabiî ki buna yönelik eleştirilerde vardı. İlk olarak J.J. Thomson elektronların varlığını kanıtladı kısa bir süre sonra 1911 yılında Ernest Rutherford tarafından atomun çeşitli alt parçacıklardan oluştuğunu ispatladı.

Danimarkalı Niels Bohr bu modeli geliştirerek bugün de kabul gören atom modelini oluşturdu. Standart Model’e göre evrende, temel parçacık olarak sadece;6 çeşit kuark,6 çeşit lepton, bunların ‘karşıt’ parçacıkları ile foton, 8 çeşit gluon ve 3 çeşit ‘vektör bozon’dan oluşan ‘kuvvet taşıyıcı’ parçacıklar var. Kuarklarla leptonlar, kuvvet taşıyıcı parçacıklar aracılığıyla etkileşime girerek, evrendeki görünür maddenin tümüne vücut veriyor. Kuark ve lepton çeşitlerine ‘çeşni’ (flavor) de deniyor. Dolayısıyla, kuarklarla leptonların 6’şar farklı ‘çeşni’si var. Hepsinin de, içyapıları olmayan temel parçacıklar oldukları düşünülüyor. Standart Model’in, kütle çekimini de kapsayacak şekilde geliştirilmiş halinde bir de, parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran Higgs bozonu var.

Kuarklar Proton ve nötronları oluşturan alt parçacıklardır. Proton ve nötronlar 3 kuarktan oluşur ve bunları bir arada tutan gluon denen parçacıklar vardır. Kuarklar, kütle açısından hafiften ağıra doğru; yukarı ve aşağı, tılsım ve garip, üst ve alt kuark ikililerinden oluşuyorlar. Bunların birer de karşıt (anti) kuarkları var. Parçacıklar İngilizce adlarının küçük, baş harfleriyle; yukarı ve aşağı; u ve d (‘up’ ve ‘down’), tılsım ve garip; c ve s (‘charm’ ve ‘strange’), üst ve alt; t ve b, (‘top’ ve ‘bottom’) olarak gösteriliyor. Karşıt parçacıkları ise; ‘yukarı karşıt’ ve ‘aşağı karşıt’ kuark, ‘garip karşıt’ ve ‘tılsım karşıt’ kuark, ‘üst karşıt’ ve ‘alt karşıt’ kuark olarak isimlendiriliyor ve karşıtı oldukları kuarkların simgelerinin üzerine birer çizgi konularak gösteriliyor.

 

Örneğin ‘yukarı karşıt kuark’ın simgesi ū oluyor. Parçacıklarda tabii; aşağı veya yukarı, alt ya da üst veya garip olan bir şey yok. İsimler kolay hatırlanabilmeleri için böyle kurgulanmış. Leptonlar Elektron, muon ve tau parçacıklarıyla, Bunlardan her birinin ayrı nötrinolarından oluşuyor. Bunların birer de karşıt leptonları var. Parçacıklardan; Elektron, muon ve tau parçacıkları; Grekçe yazılışlarının küçük baş harfleri olan e, μ ve τ ile, Bunların nötrinoları, keza Grekçe yazılışın küçük baş harfi olan ν ile başlayıp; elektron nötrinosu için e, muon nötrinosu için μ, tau nötrinosu için τ alt indisi eklenerek; νe, νμ, ντ şeklinde gösteriliyor. Kuarklarla Leptonların Özellikleri Parçacıklarda; spin, elektrik yükü ve kütle, en önemli özellikler arasında. Elektrik yükleri elektron yükünün büyüklüğü olan e, spinler ise ћ =h/2π cinsinden ölçülüyor. Burada h Planck sabiti, ћ’ın değeri ise 1.055×10-34 J-s. Ayrıca kuarkların, leptonlarda bulunmayan bir başka çeşit yükü daha var. Sırasıyla bakalım…

1. Kuarklarla leptonların hepsinin spini aynı ve ћ cinsinden, 1/2. 2. Kuarklar elektrik yükü taşıyor. Ancak yükleri; elektron yükünün, alışık olduğumuz gibi tamsayı katları şeklinde olmayıp, e cinsinden; ±1/3 veya ±2/3 kesirleri şeklinde.

Şöyle ki:

  • Yukarı, tılsım ve üst kuarkların yükü +2/3,
  • Aşağı, garip ve alt kuarkların yükü -1/3,
  • Karşıt kuarkların yükleri de, karşıtlarının yükünün zıttı oluyor. Leptonlardan;
  • Elektron, muon ve tau; aynı -e yüküne,
  • Bunların karşıt parçacıkları; yani karşıt elektron, karşıt muon ve karşıt tau; bunun zıttı olan +e yüküne,
  • Nötrinolar ve karşıt nötrinolar ise 0 yüke sahipler.

Atom çekirdeği Çekirdek nükleon adı verilen proton ve nötronlardan meydana gelir. Elektron ve çekirdeğin içindeki nötron ile proton kararlı parçacıklardır. Çekirdeği ilgilendiren parçacıklar ailesi iki kısımdır. 1. Baryonlar 2. Mezonlar Baryonlar ağır, mezonlar orta ağır parçacıklardır. Baryonlar ve mezonların hepsine hadronlar adı verilir. Hadron, Yunanca kuvvetli parçacık anlamındadır. Kuark kuramına göre baryonlar 3 kuarktan, mezonlar ise bir kuark ve bir antikuarktan oluşmuşlardır. Nötron UDD kuarklarından, proton ise UUD kuarklarından meydana gelmiştir. Elektrik yükleri hesaplandığında nötronun yüksüz (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0) ve protonun +1 yüklü (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1) olduğu görülür. Hadronlar Ailesi Bir atom çekirdeğini oluşturan Hadronlar, kuarklardan yapılmışlardır ve aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar.

Bu olay esnasındaki kuvvet güçlü etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar. Bu olgu ilk kez Hideki Yukawa tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezonudur. Ortalıkta fazla görülmeyen bu parçacıkların ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon 10 − 8 sn yaşar. Bir atom çekirdeği her zaman kararlı değildir, kararsız atom çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur. Bunun nedeni zayıf etkileşim adlı kuvvettir.

Doğada var olan ve şimdilik bilinen dört temel kuvvetin bağlantı kuantaları şunlardır:

  • Elektromagnetik kuvvet: Foton,
  • Zayıf etkileşim kuvveti: W+ W- Z0 parçacıkları,
  • Kuvvetli etkileşim kuvveti: Gluon,
  • Yerçekim kuvveti: Graviton.

Atom çekirdeğini ilgilendiren gluonlar kuarkların tad (İngilizce color) adı verilen özelliğini değiştirir ve onların yapmış olduğu hadronları parçalar veya kuarkları bir arada tutarak kararlı parçacıkların oluşmasını sağlar. Yukarıda belirtilen bu parçacıkların Pauli yasası ile belirlenen spinleri göz önüne alındıklarında, parçacıklar ya tam sayılı spinlere veya yarım tamsayılı (buçuklu) spinlere sahiptir (1/2, 3/2, 5/2…). Yarı tamsayılı spinli parçacıklar Fermi istatistiklerine göre, tamsayılı spine sahip olanlar Bose-Einstein istatistiklerine uyarlar. Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar. 1. Fermiyonlar (Enrico Fermi’den) Fermiyon, integral spin kuantum sayısı yarım tek sayı (1/2, 3/2, …) olan bir temel parçacıktır; aynı açısal momentumu, h/2 π niceliğinin tek sayılı katıdır. Fermi-Dirac istatistiğini takip ederler. Fermiyonlar, öbür kuantum türü bozonlardan farklı olarak, Pauli dışlama ilkesine uyarlar. Elektronlar gibi hafif fermiyonlara “leptonlar” denir; protonlar ve nötronlar gibi ağır fermiyonlarsa, “baryonlar” diye adlandırılır.

2. Bozonlar (M. K. Bose’dan) Bozon, spin kuantum sayısı tam sayı olan parçacıklara denir. Bose-Einstein istatistiğini takip ederler.Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuantum sayılarına sahip olamazlar (elektron gibi). Bose istatistiklerine uyanlar ise aynı anda aynı konumda olabilirler (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir). Tüm bahsedilen parçacıkların bir anti parçacığı da mevcuttur; bu parçacıkların tamamı anti madde olarak adlandırılır. Mezon Hadronlar sınıfından temel parçacık. Günümüzde geçerli kurama göre, mezonlar, glüonların bir arada tuttukları kuark ve karşı kuark çiftlerinden oluşurlar ve bütün temel etkileşimlere katılırlar. Varlıkları, 1935’te Japon bilim adamı Hideki Yukava tarafından kuramsal olarak öngörülmüş ve pi mezonu ya da pion adı verilen, mezonların en hafifi olan bu mezon, 1947’de bulunmuştur. Kütlesi elektronunkinden 270 kat büyük, ama protonunkinden 7 kat küçüktür. Yarı ömrü 10-8 saniyedir. O tarihten bu yana K mezonları, eta mezonları, omega mezonları vb. başka mezonlar da bulunmuş, öngörülmeleri ve bulunmaları, kuark kuramının geliştirilmesini sağlamıştır. 1938’de bulunan B-mezon, çok hafif bir b-kuark içerir ve ağırlığı protonunkinin 5 katı, yarı ömrü saniyenin trilyonda biridir. Maddenin Kuvvetleri Kuantum fiziğinden önce klasik fizikte kuvvet; alanlar yoluyla açıklanıyordu. Alan tıpkı örümceğin ağı gibi parçacığı saran boşlukta bir takım gerilimdir.

Alana giren bir başka parçacık parçacığın etkisi altında kalır. Kuantum mekaniğinde ise;“kuvvet alanları” da dahil, alanlar ve bunların enerjisi dahil her şey kuantize-paketçik olmuş enerji miktarı taşıyan ve ışık hızı ile bir yerden başka bir yere hareket eden, bir elektromanyetik alanın çok küçük parçacıklar topluluğudur. Parçacık fiziğinde kuvvet, etkileştiği nesneler arasında bir enerji alışverişi mekanizmasıdır. Daha küçük ara parçacıkların yayılması ve emilmesinden ibarettir. Örneğin; yüklü bir parçacık foton neşrederse, enerjisinin bir kısmını bu fotona verir ve dolayısıyla hareket durumu değişir. İşte biz burada iki parçacık arasındaki karşılıklı hareket değiştirmeyi kuvvet olarak görüyoruz. İşin aslı ise, kuvvet; foton alışverişlerinin toplam etkisinin makroskobik görüntüsünden başka bir şey değildir.

Temel parçacıkların özelliklerinin anlaşılmasındaki anahtar, parçacıklar arasındaki kuvvetlerin tanımlanabilmesidir. Doğadaki tüm parçacıklar şu dört temel kuvvete maruz kalır: Şiddetli ve zayıf çekirdek kuvveti, elektromanyetik ve kütle çekim. Şiddetli çekirdek kuvveti, proton ve nötronları çekirdek içinde tutan kuvvetin adıdır. Bu kuvvet çekirdek boyutlarında yani yaklaşık 10-15 m boyutlarında etkilidir. Şiddetli kuvvet etkileşiminin parçacıklarına gluon adı verilir. Şiddetli kuvvet, oldukça kısa menzillidir; protonları ve nötronları çekirdek içinde tutmakla yükümlüdür. Bu kuvvet, nükleonları bir arada tutan “tutkal” rolü oynayan temel kuvvetler içinde en güçlü olanıdır. Şiddetli kuvvet, kısa menzilli olup, yaklaşık on üzeri eksi on beş metre(yaklaşık çekirdek çapı) den daha büyük uzaklıklardan önemsenmez.

Elektromanyetik kuvvet, şiddetli kuvvetin 0.01 katı kadar olup atom ve moleküllerin bağlanmasından sorumludurlar. Etkisi parçacıklar arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır; uzun menzilli bir kuvvettir. Elektromanyetik etkileşimin parçacıkları fotonlardır. Elektromanyetik kuvvet, şiddetli kuvvetin şiddetinin yüzde biri kadar olup atom ve moleküllerin bağlanmasından yükümlüdür. Etkisi, parçacıklar arası uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalan, uzun menzilli bir kuvvettir. Zayıf çekirdek kuvveti, çekirdekteki kararsızlığı (radyoaktifliği) üretmeye eğilimli kısa menzilli kuvvettir. Şiddetli kuvvetin yaklaşık 10-13 katıdır. Zayıf kuvvete W ve Z bozonları denen parçacıklar değiş tokuşu eşlik eder. Zayıf kuvvet, belli bir çekirdekteki kararsızlığı üretmeye eğilimli kısa menzilli bir kuvvettir. Bu kuvvet, beta bozunması gibi radyoaktif bozunmalardan sorumlu olup, şiddetli kuvvetin yaklaşık on üzeri eksi on üç katıdır.(Bilim adamları, zayıf ve elektromanyetik kuvvetlerin tek bir kuvvetin iki tezahürü olarak görüyorlar ve ona elektro zayıf kuvvetler diyorlar). Kütleçekim kuvveti, uzun menzilli, şiddeti, şiddetli kuvvetin 10-38 katıdır.

Gezegenleri, yıldızları ve galaksileri birada tutan ve hep çekici olan bu kuvvet, temel parçacıklar dünyasında önemsizdir. Bu kuvvet de aradaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır. Çekim kuvvetinin parçacıkları gravitonlardır. Çekim kuvveti (gravitasyonel kuvvet)in şiddeti, şiddetli kuvvetinkinin on üzeri eksi otuz sekiz katı olan uzun menzilli bir kuvvettir. Bu etkileşim, gezegenleri, yıldızları ve galaksileri bir arada tutan bu kuvvetin temel parçacıklar üzerine etkisi önemsenmeyebilir. Bu yüzden çekim kuvveti, tüm kuvvetler içinde en zayıf olanıdır. “Madde Nedir?” in Geleceği Maddenin ne olduğuna ilişkin araştırmalar hızla devam ediyor. Parçacık hızlandırıcılarda atom altı parçacıklar çarpıştırılarak yeni parçacıklar elde edilmeye çalışılıyor.

Gördüğümüz ve araştırdığımız madde bildiğimiz evrenin sadece %5 ini oluşturuyor. Geriye kalan karanlık madde ve karanlık enerjiyi kütle çekiminden fark edebiliyoruz. Bunları da, şu an üzerinde çalıştığımız baryonik madde kadar bildiğimiz zaman, belki de fizik yasaları altüst olacak ya da fizik yasalarımızın yanlışlığından veya eksikliğinden dolayı bunları bulamıyoruz. Ama en azından olduğunu fark edebildik.

Kaynakça

Joseph Silk – Evrenin Kısa Tarihi

Richard Feynman – Zamanın Kısa Tarihi

Gerard‟T Hooft – Maddenin Son Yapı Taşları

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/ www.zamandayolculuk.com/cetinbal

   

0 Comments

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.