Atomaltı Parçacıklar

Çekirdekler ve Parçacıklar
Çekirdekleri oluşturan nedir ve onlar nasıl birlikte durur? Çekirdeklerin olağanüstü büyük kuvvetlerle bir arada tutuldukları bulunmuştur. Bunlara şiddetli kuvvet deniyor. Bunlar serbest kaldıkları zaman, açığa çıkan enerji kimyasal enerjiye oranla, atom bombası patlamasına karşı TNT patlaması gibi, aynı oranda olağanüstüdür, çünkü TNT patlaması atomların dışındaki elektronların değişmesiyle olurken atom bombası patlaması çekirdeklerin içindeki değişiklerle olur. Soru, protonları ve nötronları çekirdeklerin içinde bir arada tutan kuvvetlerin ne olduğudur? Şiddetli kuvvetin (çekirdekte nükleonları birarada tutan kuvvetin) yapısını açıklamak için Hideki Yukawa (1907-1981), 1935’te protonlarla nötronlar arasındaki kuvvetlerin,tıpkı bir parçacığa,fotona bağlı etkileşim gibi,bir tür alana da sahip olduğunu ve bu alanın salındığı zaman parçacık gibi davrandığını öne sürdü. Bu nedenle, dünyada protonlar ve nötronlar yanında başka bazı parçacıklar olabilirdi ve o,çekirdeklerin zaten bilinen karakteristiklerinden bu parçacıkların özelliklerini çıkarabildi. Örneğin,kütlelerinin bir elektron kütlesinin iki yüz ya da üç yüz katı olması gerektiğini tahmin etti; 1937 yılında Carl Anderson ve çalışma grubu kozmik ışınlarda kütlesi elektron kütlesinin yaklaşık 207 katı olan bir parçacık keşfetti! Ardından yapılan deneyler,bu parçacığın maddeyle etkileşiminin çok zayıf olduğunu,dolaysıyla şiddetli kuvvetin taşıyıcısı olamayacağını gösterdi. Bu bilmece (birbirinden bağımsız olarak Amerika’da R.E. Marshak ve H.A.Bethe;Japonyada S.Sakata ve T.Inoue tarafından önerilean ve daha sonra İngilterede C.M.G.Lattes,C.P.S.Occhialini ve C.F. Powell tarafından deneyle doğrulanan) aslında kütleleri çok az farklı iki ayrı mezon olduğu önerisine yol açtı. Kısacası bunun yanlış parçacık olduğu ortaya çıktı. Bu şaşırtıcı durum, teorisyenlerin çoğunu kütleleri birbirinden çok az farklı olana iki mezon düşüncesine yöneltti. Günümüzde pi mezon ya da pion denen daha ağırca olanı,proton ve ntronlarla kuvvetli etkileşimlere girer ve Yukawa’nın sezinlediği gibi çekirdek kuvvetine katkıda bulunur. Müon adı verilen daha hafif mezon ise sadece zayıf ve elektromanyetik etkileşimler gösterir ve Yukawa kuramıyla hiçbir ilgisi yoktur.
Anderson ve grubunun keşfettiği parçacığa mü-mezon ya da muon adı verildi.
Ama yine de kısa bir süre sonra 1947’de Cecil Frank Powel (1908-1969) ve İtalyan fizikçi Guiseppe P.S. Occhialini(1907-..) tarafından yine kozmik ışınlarda Yukawa’nın ölçüsüne uyan başka bir parçacık, pi-mezon ya da pion bulundu. Bu mezon sadece zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere sahiptir ve şiddetli etkileşimlerde bir rolü yoktur. Daha önce Anderson’ın keşfettiği hafif mezona da müon adı verildi.
Kuarkların Yükü
Elektronun yükünü e ile gösterirsek kuarklarda bu artı eksi e/3 ya da 2e/3 olmakta. Yani elektrik yükü birimi e değil, e/3’tür. Proton, gerçekte üç kuarktan oluşmuş bir parçacıktır. Aslında kuark kuramı da protonun bir bileşik parçacık olduğunun kavranmasından gelişmiştir. Protonun bozunumuna ilişkin hiçbir kanıt yoktur. Dahi niceliksel olarak konuşursak protonun ömrünün 1030 yıldan az olmadığı sanılmaktadır. Bu sayı halen evrenin yaşı olan 1010 yıldan çok büyük bir sayıdır. Buradan çıkan sonuç, maddenin kaybolmasından endişe duymayacağımızdır. Diğer sorunlarla ve proton bozunumuyla bilim adamları uğraşmaya devam ediyor.
Proton ve nötronlar da ilk bulunduklarında basit birer parçacık oldukları sanılmıştı. Ama kısa zamanda öyle olmadıkları anlaşıldı. Proton,Yunanca “ilk” demeye geliyor. Protonun manyetik momenti hesaplandığında 1’e yakın çıkıyor. Ama deney tamamıyla -Feynman’ın deyişiyle-“delice bir sayı” veriyor: 2.79. Buradan protonun içinde bir şeyler döndüğü anlaşıldı. Nötrona gelince, gerçekten nötr ise hiçbir manyetik etkileşme olmaması gerekir; oysa bunun yaklaşık –1.93 kadar manyetik momenti var! Onun da içinde bir şeyler döndüğü açıktı!
Nötron, protonla birlikte “çekirdek oluşturma” yeteneğindeki parçacık. Proton ve nötronlar, kütlece birbirine çok yakın. Dahası bunların spinleri de aynı! Elektrik yükleri tümüyle farklı. Bildiğiniz gibi gibi nötron,elektrikçe nötr!
Kararlı atomların çekirdeklerinde nötron sayısı ya proton sayısına eşit ya da nötron sayısı fazladır.