ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 2

ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 2

10 Ekim 2018 0 Yazar: Tuğba YELİZ

Geçen yazımızda atomun genel yapısını ve elektronların bazı özelliklerini görmüştük.

Yazıya bu linkten ulaşabilirsiniz.

İkinci bölümümüzde elektronlar hakkında bazı bilgilerle devam ederek proton ve nötronlara geçeceğiz.

 

Uyarılma (Uyartılma) ve İyonlaşma

 

Elektronlar, atom etrafında kendi hallerinde dolanırken bir dış etkiye maruz kalırlarsa, bulundukları enerji seviyesini değiştirebilir ya da atomdan tamamen ayrılabilirler.

Eğer atom herhangi bir dış etki altında değilse “temel hal“de bulunur. Atomun ve dolayısıyla elektronun uyarılması için atoma bir şekilde enerji vermek gerekir. Bunu yapmanın yollarından bazıları, atomu fotonlarla bombardıman etmek, atomun bulunduğu ortamın sıcaklığını yükseltmek, atomlar arası çarpışmaları sağlamak ya da hızlandırılmış elektronlar kullanmaktır.

 

Bir atomun dışarıdan alabileceği en küçük enerji miktarı, o atomun 1. uyarılma enerjisidir.

 

Hidrojen atomunu ele alalım. Bu atom etrafında dolanan elektronu uyarabilmek için 13.6 elektronvolttan (eV) daha düşük enerjiler gerekir.

 

Not: Elektronvolt bir enerji birimidir.
1 eV = 1.6 x 10^(-19) Joule

Bu tür bilimsel sayıların yazılış ya da okunuşları konusunda sıkıntı çekenler varsa, bu yazımız onlara yardımcı olacaktır.

 

Atomu fotonlarla bombardıman ettiğimizi düşünelim. 13.6 eV’tan daha düşük enerjiye sahip bir foton, atomdaki elektronla çarpışsın. Bu enerjiyi alan elektron, bulunduğu enerji seviyesini (yani temel hali) terk edip daha yüksek bir enerji seviyesine geçebilir. Temel hal dışındaki durumlar kararsız durumlardır. Dış etki devam etmediği sürece atom kararsız kalmak istemez ve tekrar temel hale dönüş yapar.

Elektron, eski enerji seviyesine geri dönerken, daha önce kazanmış olduğu enerjiyi, fotonu salarak, ışıma yoluyla geri verir. Geceleri  kutup bölgelerinde görülen o güzel kutup ışıklarının temelinde bu ışıma yatmaktadır.

 

http://arctickingdom.com/wp-content/uploads/2016/08/Igloo-BLL-Under-Aurora.jpg

 

 

Peki hidrojen atomuna 13.6 eV’tan daha fazla enerji verilirse ne olur?

 

Elektron bu kadar yüksek enerji karşısında atomun etrafında kalamaz ve atomdan ayrılır. İyonlaşma adını verdiğimiz bu durumda, elektron ortamın durumuna göre serbest halde kalabilir ya da bir başka atom tarafından yakalanabilir. Bu durum artık atomun uyarılma değil, “iyonlaşma enerjisi“ne karşılık gelir.

 

Elektron kaybeden atom “iyon” durumuna geçmiştir. Normal durumlarda nötr atomlarda proton ve elektron sayıları, yani + ve – yükler birbirine eşittir. Atomdan bir negatif yük eksildiği ve denge pozitif yükler lehine bozulduğu için, bu atom artık pozitif bir iyondur.

 

Yıldız atmosferlerinden aldığımız tayflar, bu olaylar aracılığı ile bize, yıldızda hangi elementlerin ne durumda bulunduğu ve bu elementlerin uyarılma ve iyonlaşma durumlarından dolayı da bulundukları ortamın sıcaklığı hakkında bilgi verir.

 

http://wps.pearsoned.ca/wps/media/objects/8128/8323261/gr09_UC_Q5.jpg

 

Bu konu hakkında daha fazla detay için şu yazımıza bakabilirsiniz.

 

Elektronlar genel olarak e harfi üzerinde – işaretiyle gösterilirler. Kütleleri oldukça küçüktür: Yaklaşık

9.1 × 10^(-31) kilogram. Yükleri ise yaklaşık -1.602 × 10^(-19) Coulomb’dur.

 

İleride gerektikçe elektronla ilgili farklı bilgiler de vermek üzere şimdilik protonlara ve nötronlara geçebiliriz.

 

KUARKLAR, PROTONLAR, NÖTRONLAR

 

Protonlar, nötronlar derken nereden çıktı bu kuarklar?

 

Protonlar ve nötronlar eskiden, elektronlar gibi temel parçacıklar olarak düşünülüyordu. Ancak deneysel çalışmaların sonucunda görüldü ki bunlar aslında kuark adı verilen çok daha küçük parçacıklardan oluşuyor.

 

Kuarkların da elektronlar gibi yük, spin gibi bazı özellikleri vardır. Elektronlardan farklı olarak bir de “renk yükü“ne sahiptirler. Renk yükü, kuantum renk dinamiği adı verilen bir kuram gereğince, kuark ve gluonların gösterdiği bir özelliktir. Akışı bozmamak adına şimdilik bu konuyu bir kenara bırakalım. Daha sonra (bir sonraki yazıda olabilir) açıklamaya çalışacağız.

 

Şimdilik şu kadarını bilelim: Bu renk yükü gereğince “renk hapsi” adı verilen bir durum söz konusudur. Renk hapsi, renk yüküne sahip olan parçacıkların tek başlarına dolaşamayacağını ve bu nedenle doğrudan tek başlarına da gözlenemeyeceklerini belirtir.

 

Tek başlarına rastlanmayan kuarklara, proton ve nötronlar içerisinde üçerli gruplar halinde rastlarız.

 

Burada işin içine “çeşni” adı verilen bir durum giriyor. Çeşni, parçacık fiziğindeki bazı parçacıkların çeşitlerini ifade etmekte kullanılan bir terimdir. Kuarkların 6 adet çeşnisi vardır:

 

– Yukarı (up) kuark
– Aşağı (down) kuark

Yukarı kuark ve aşağı kuark mahalleleri :p

– Tılsım (ya da tılsımlı) (charm) kuark
– Garip (ya da acayip) (strange) kuark
– Üst (top) kuark
– Alt (bottom) kuark

Kısaca, parantez içlerindeki İngilizce isimlerinin baş harfleriyle anılırlar: u, d, c, s, t ve b

 

Bir de “nesil” kavramına bakalım. Parçacık fiziğinde, temel taneciklerin oluşturduğu şubelerden her birine aile ya da nesil denir. Bu bağlamda kuarklar için sınıflama aşağıdaki şekildedir:

 

– Birinci nesil; yukarı ve aşağı kuark
– İkinci nesil; tılsım ve acayip kuark
– Üçüncü nesil; üst ve alt kuark

 

Burada olay tamamen parçacıkların kütlesiyle ilgilidir. 1. nesil, kütlesi en düşük olan parçacıklardan oluşurken, 2. nesildekilerin kütlesi onlardan daha büyüktür. 3. nesildeki parçacıkların kütlesi ise diğerlerine göre en büyüktür. Bunun bir sonucu olarak, üst nesillerdeki daha büyük kütleli parçacıklar, alt nesillerdeki parçacıklara bozunabilirler.

 

Burada kafanız biraz karışabilir, çünkü bu parçacıkların tek başına görülmediklerini söyledik, ama şimdi kütlelerinden bahsediyoruz. Bunlar genellikle tek başına ortamlarda bulunamadıklarından kütlelerini kesin bir şekilde ölçmek de pek mümkün değil. Bu parçacıkların doğrudan kütlesini ölçmek yerine, yaklaşık olarak ve dolaylı yöntemlerle ölçümler yapılıyor ve genellikle belirli bir kütle yerine bir kütle aralığı belirleniyor. Bu nedenle farklı kaynaklarda farklı kütle değerlerine denk gelmeniz mümkün.

 

Normal madde içerisinde yukarı ve aşağı kuarklara yani 1. nesil parçacıklara rastlanırken, diğer kuark tipleri kozmik ışınlar, parçacık hızlandırıcıları gibi gündelik hayatta pek de karşılaşamayacağımız ortamlarda bulunurlar.

 

Gelelim olayın proton ve nötronlarla bağlantısına…

 

Protonlar, 2 adet yukarı kuark ve 1 adet aşağı kuarkın bir araya gelmesiyle oluşur. Nötronlar ise 2 adet aşağı kuark ve 1 adet yukarı kuarktan oluşurlar.

 

 

Kuarkları bu parçacıklar içerisinde bir arada tutan şey, bir çeşit tutkal görevi yapan “gluon“lardır. Biliyorum, işin içine çok fazla isim girmeye başladı, ama bu daha başlangıç ne yazık ki (: Ayrıca durum bu kadar basit değil. Hızlandırıcı deneylerinde, protonların sadece bu 3 kuarktan oluşmadığı, çok yüksek enerjili çarpışma durumlarında ortaya diğer kuarkların da çıktığı ve gluon yoğunluğunun arttığı gibi ilginç durumlar gözlenmiş. Biz burada işi biraz daha basite indirgeyerek anlatmaya çalıştığımız için şu an için 3 kuarkı bilmemiz yeterli.

 

Şimdilik daha fazla kafa karıştırmamak için bu kısmı geçelim, ne dersiniz?

 

Nötron ve protonların hepsine birlikte “nükleon” da denir.

 

Atom kütlesinin büyük bir çoğunluğu proton ve nötronlardan meydana gelir. Elektronların kütlesi küçük olduğundan, toplam kütleye fazla etkileri yoktur.

 

PROTONLAR

 

Yukarı kuarkların elektrik yükü +2/3 e’ye eşittir (elektron yükünün 2/3’ü). Aşağı kuarkların elektrik yükü ise -1/3 e’dir. Protonlarda 2 yukarı ve 1 aşağı kuark olduğundan, protonların elektrik yükü bunların toplamı olur:

2/3e + 2/3e – 1/3e = +1e

Yani elektron yükünün aynısı, ancak pozitifi…

 

 

Protonlar genellikle p harfi ile gösterilirler (bazen sağ üstüne + koyulduğu ya da nadiren N ile gösterildiği de olur). Protonların kütlesi yaklaşık 1,6726 x 10^(-27) kg’dır.

 

Protonların elektrik yükü elektronun yüküyle aynı, ancak yukarıda belirttiğimiz gibi onun pozitifidir: +1.602 × 10^(-19) Coulomb

 

NÖTRONLAR

 

Nötronların elektrik yükü 2 aşağı ve 1 yukarı kuark nedeniyle:
2/3e – 1/3e – 1/3e = 0 e’dir.

Yani nötronlar yüksüzdür.

 

 

Nötronlar n harfi ile gösterilir (bazen sağ üstüne 0 koyulduğu da olur).

Nötronların kütlesi 1,6749 x 10^(-27) kg’dır.

 

Normal hidrojen atomunun çekirdeğinde nötron bulunmaz. Bunun dışındaki tüm atomlarda ve hidrojenin izotoplarında nötron vardır.

 

Bir parantez açıp küçük bir bilgi verelim. Doğal olarak bazı arkadaşlar tüm bunların nasıl ölçülüp biçildiğini merak ediyor. Atom altı parçacıkların yapılarını genellikle “saçılma deneyleri”nden öğreniyoruz. Bunun esası, herhangi bir element üzerine elektron, alfa parçacığı gibi yapısı bilinen başka parçacıkları kamikaze gibi yollamak. Yollanan parçacığın saçılıp saçılmaması, saçılma açısı gibi faktörler bize, araştırdığımız madde (ya da içindeki parçacıklar) hakkında bilgi veriyor.

Çok daha farklı parçacıklar için de hızlandırıcı deneyleri kullanılıyor. Bunları bir başka yazıda daha ayrıntılı olarak anlatabileceğimizi umarak şimdilik bunu da geçiyoruz.

 

Uygun koşullarda (yüksek yoğunluk, basınç ve sıcaklık gibi), protonlar elektron yakalayarak nötron oluşturabilirler. Nötron yıldızlarının temelinde bu süreç yatmaktadır. Proton ve elektron birleşmesiyle nötronlarn yanında, daha sonra bahsedeceğimiz nötrinolar da oluşur. Nötron yıldızlarının oluşum aşamasında bu nötrinolar ortamdan kaçarlar ve geriye yalnızca hızlı bir süreçle bol miktarda oluşan
nötronlar kalır. Elbette durum bu kadar basit değildir, ancak temel süreç bununla şekillenir.

 

Beta bozunması adı verilen olay ise bunun tam tersidir. Burada da nötronlar, proton, elektron ve nötrinoya ayrışır, yani bozunurlar.

 

ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ

 

Ağır bir atom çekirdeğinin daha küçük başka çekirdeklere parçalanması ya da küçük çekirdeklerin birleşerek daha ağır çekirdekler oluşturması mümkündür. Bu durumlardan ilki “fisyon” ikincisi “füzyon” olarak adlandırılır.

 

Yıldızların çekirdeğinde gerçekleşen olay füzyon tepkimesidir. Güneş gibi küçük kütleli yıldızlarda proton-proton zinciri adı verilen süreçle hidrojenden helyuma dönüşüm gerçekleşir ve enerji bu yolla üretilir.

 

 

 

Çekirdekteki hidrojen tükendiğinde, eğer yıldız yeterli kütleye sahipse, üçlü alfa süreciyle enerji üretimi devam eder. Bu işlemlerle ortaya çıkarılabilecek en ağır element demirdir. Demirden daha ağır elementleri üretemeyen büyük kütleli yıldızlar süpernova patlaması ile dağılırlar.

 

 http://cdn.eso.org/images/screen/eso9948f.jpg

 

Füzyon tepkimeleri sonunda çok yüksek enerjiler açığa çıkar. Bu tür tepkimeleri dünya üzerinde gerçekleştirmek pek mümkün değil, çünkü oluşma koşulları ancak yıldızlar gibi çok büyük kütleli, çok sıcak bir merkeze sahip yoğun ortamlarda sağlanabiliyor. Hidrojen çekirdekleri birbirini büyük bir kuvvetle ittiği için, bunları herhangi bir laboratuvar ortamında birbirine yapıştırmak şöyle dursun, yaklaştıramıyoruz bile.

Ancak “tokamak” adı verilen plazma tutucularda füzyon gerçekleştirebilmek için birçok deney yapıldığını da eklemeden geçmeyelim.

 

https://www.iter.org/img/resize-900-90/www/content/com/Lists/WebText_2014/Attachments/227/jet_tokamak_plasma_overlay_1.jpg

 

Fisyon tepkimelerinde süreç tersine işler. Ağır çekirdekler daha küçük çekirdeklere parçalanırlar. Bunu gerçekleştirmek için önce bir tetikleyici, yani aktivasyon enerjisi gerekir. Tepkime sonunda başlangıçtakinden daha küçük ve kararsız (genelde radyoaktif) çekirdekler ile nötronlar ortaya çıkar. Oluşan nötronlar tekrar ortamdaki çekirdeklerle tepkimeye girer. Bu durum kontrol edilmediği takdirde
zincirleme tepkimeler başlar.

 

Kontrol altına alınamayan fisyon tepkimeleri patlamalara neden olur. Bazı nükleer silahların temelinde fisyon tepkimeleri vardır.

 

Nükleer reaktörlerde tepkimeler kontrollü bir şekilde yapılır ve tesisin soğuması sağlanır. Ancak herhangi bir sızıntı ya da patlama durumunda çevreye yüksek miktarda radyoaktif madde yayıldığından, kontrolü iyi sağlanamayan reaktörler çevre için ölümcül olabilir.

Çernobil faciasını hatırlayan birçok kişi vardır, eminim. Üzerinden 30 yıldan fazla zaman geçti, ancak kimse yakınına bile uğramak istemiyor.

 

https://secure.i.telegraph.co.uk/multimedia/archive/03469/chernobyl_school_3469672k.jpg

 

Bonus Konu

 

Zıt yükler birbirini çektiği halde, neden – yüklü elektronlar + yüklü protonların bulunduğu çekirdeğe yapışmaz?

 

https://www.s-cool.co.uk/gifs/a-phy-radato-dia03.gif

 

Cevap “Heisenberg Belirsizlik İlkesi“ndedir. Bu ilke, bir parçacığın hızı ve konumu arasındaki ilişkiye dair bir kısıtlama getirir. Buna göre, eğer bir parçacığın hızını çok büyük bir kesinlikle ölçebiliyorsanız, onun konumuna ilişkin ölçümünüz aynı oranda belirsiz olacaktır. Eğer parçacığın konumunu büyük bir kesinlikle ölçerseniz, bu kez parçacığın hızını ölçemeyeceksiniz demektir.

 

Elektronu çekirdeğe “yapıştırdığınızı” düşünün. Bu durumda elektronu belirli bir hacim içerisine sığdırmış,  yani onun yerini büyük bir kesinlikle belirlemiş olursunuz. Bu da hızıyla ilgili bir soruna yol açar. Konumdaki belirsizlik giderildiği için, ilke gereği, hızda çok büyük bir belirsizlik ortaya çıkacak demektir. Bu
durumda elektronun son derece yüksek hızlara sahip olması ihtimali doğar, çünkü deneylerden biliniyor ki, bir elektronu ne kadar küçük bir alana hapsederseniz, elektron o kadar çılgınca hareket etmeye başlayacaktır.

 

Küçük bir kutuya hapsedilmiş, kaçmak için kendini duvardan duvara vuran bir elektron…

 

Bu hazin tablonun neticesi, elektronun atomdan kaçacak kadar büyük hıza erişmesi olur. Bu tutarsızlık gerçekleşseydi eğer, bunun gözlemsel sonuçlarını elde edebilirdik. Ancak böyle bir durum söz konusu değil. Demek oluyor ki, elektron için hızdaki belirsizliktense konumdaki belirsizlik çok daha tercih
edilebilir bir durum.

 

Peki neden? İşte bunu biz de bilmiyoruz. Kabul etmek gerekir ki, kuantum dünyası oldukça garip işliyor.

 

Bir sonraki yazımızda nötrinolar hakkında bilgi verdikten sonra anlattığımız parçacıkların nasıl sınıflandırıldığına ve etkileşim parçacıklarına değinmek üzere, şimdilik huzurunuzdan ayrılıyoruz.

 

– Yemek 2 saat önce hazırdı. Neredeydin genç adam? – %60 ihtimalle Suzie, %40 ihtimalle ise Billy’deydim.

 

Kapak Görseli
www.avionews.com/resources/8226712d4127c32944564806f5ffc2cb.jpg