#fotonlar

İnsan duygu ve düşünce dünyasıyla bir bütün olarak yaşıyor. Her ne kadar bilim pek çok tepkiyi nedenselliğe bağladığını iddia etse de hala pek çok bulanık nokta için duygu veya hissiyat gibi kavramları kullanmaktan kaçınmak en fanatik bilim insanları için bile mümkün değil. Dinlerde, ruhani yaklaşımlarda bilimin aksine insanı bu konularda çok daha fazla tatmin edici cevaplar bulmak mümkün. Bu…

                                      Atom içi parçacıklar

      Atomların dolaysıyla maddenin hiçbir zaman basite indirgenemeyeceğini, bu nedenlerle rastlantılarla oluşamayacağını anlamak için bu konuyu biraz daha açmakta sayısız faydalar vardır.

   Atom içi parçacıklar son derece zengin ve çeşitlidir.

   Fotonlar dışındaki parçacıkları hadronlar ve leptonlar olarak iki kategoriye ayrılabilir.    Şiddetli kuvvet etkileşimi yapan parçacıklara hadronlar denir.

   Hadronlar da mezonlar ve baryonlar olmak üzere iki bölüme ayrılır. Mezonlar ve baryonlar da kendi aralarında da kütle ve spinlerine göre gruplandırılırlar.

   Proton, nötron gibi diğerlerine göre nispeten ağır parçacıklar baryonlar grubundandır.    Öteki baryonlar, lambda, sigma ve diğer ağır parçacıklardır.

   Proton dışındaki tüm baryonlar en son ürünleri proton içerecek şekilde bozunurlar. Bu parçacıklar üç kuarkın bileşimiyle oluşur. (Kuarklar bölümüne bakınız)

    Mezonlar iki kuarktan oluşmuş atom içi parçacıklardır.

   Bu gruptaki parçacıkların hepsi sıfır veya tamsayı (0 veya 1) spinlerine sahip, kütleleri elektron kütlesi ile proton kütlesi arasında olan yarı ağır parçacıklardır.

     Bu grup parçacıklar ağır parçacıklardan oluşan baryonlarla hafif parçacıklardan oluşan leptonlar arasında bulunur.

   Tüm mezonlar sonunda elektrona, protona, nötrino ve fotona bozunur.

     Pionlar bu grubun en hafif parçasıdır. Bir pionun kütlesi proton kütlesinin yedide biri, elektron kütlesinin 270 katıdır.

   Bir lepton olan müonun kütlesi pionunkine çok yakındır.

   Kütleleri baryonlarla karşılaştırılabilecek birçok mezon vardır.

   Yakınlarda keşfedilen bir lepton olan tau’nun kütlesi protonunkinden büyüktür.

   Bu nedenle atom içi parçacıkları kütlelerine göre tasnif etmek son derece hatalıdır.

   Elektronlar lepton grubundan atom içi parçacıkların hemen, hemen en hafifi, kütle bakımından en küçüğüdür.

   Lepton, Yunanca hafif parçacık demektir. Bu parçacıklar atomun gerçek parçacıkları denilebilir.     Bunun nedeni de baryonlar mezonlar gibi diğer parçacıkların, bu parçacıkların çeşitli şekil ve spinlerde birleşmeleri sonucu orta çıkmış olmalarıdır.

   Lepton grubunun üyeleri çoksa da en çok bilinen üyeleri elektronlar, preonlar, gluonlar, nötrinolar ve muonlardır. Fakat nötrinolar ve muonlar günlük olaylarda pek görünmezler.     Çevremizdeki maddeler leptonlardan oluşmaktadır denilebilir.

   Leptonların en aktif bileşeni kuarklar (kuarklar preonlardan oluşur ve altı çeşittir.) bir araya gelerek mezonlarla baryonları, baryonlar bir araya gelerek çekirdekleri, çekirdekler ve elektronlar bir araya gelerek molekülleri, moleküller bir araya gelerek çevremizdeki maddeleri ve organizmaları oluşturur.

   Bütün bunlara son dönemlerde keşfedilen bozonları ve heblonları da ilâve etmek gerekir.     Maddenin Son Yapıtaşları'nın yazarı ve 1999 Fizik Nobel ödülü sahibi Gerard’t Hooft atomun karmaşık yapısını şöyle anlatıyor:

    -Kozmik Kod'un yazarı Heinz Pagels, Evreni, içindeki sözcüklerin atom olduğu dev bir kütüphaneye benzetir. Bu sözcükler, yani atomlar, kuark, lepton ve gluon denen harflerden oluşur. Atomlar, kendi özel gramerleriyle yani kuantum yasalarıyla molekül denen tümceleri oluşturur. Bu yüz kadar sözcükle yaratılmış Evren kitabının harikalığına bakın.

                                                             = = = =

     Felsefedeki değişimin öncüsü, yeni görüngüleri açıklamak için özgürce yeni parçacıklar varsayma sürecini başlatan kuramcı Hideki Yukawa (1907-1981) idi.

   Yukawa 1935’te proton ve nötronlar arasında bir tür parçacık değiş tokuşu olduğunu düşündü. Pionlar adı verilen bu parçacıkları nesnel bir kanıt olmamasına rağmen öngörmüştü.     Yukawa,1949’da mezonun varlığını öngörmesinden, ertesi yıl yani 1950 de Powell ve ekibi mezonu keşfettiklerinden Nobel ödüllerini aldılar.

    1950’lerde 60’ların başlarında kuramcılar yüzlerce hadronu (Orta büyüklükte atom içi parçacıklar grubunu) sınıflandırmak, maddenin bu yeni katmanında bağlantılar ve özellikler arıyorlardı.

   Hadron bir yandan heyecan vericiydi; ama öte yandan da baş ağrısıydı.

   Bunun nedeni de şüphesiz ki atomlar, dolaysıyla atomlar konusunun Thales’in, Empedocles’in, Democritos gibi düşünürlerin öngördükleri basitlikten çok uzak olmasıdır. Bu basite indirgemeyi materyalizmde de görmekteyiz.

    Bir bakıma atom içi parçacıklar zenginliği ve çeşitliliği nedeniyle yönetilmekten aciz kalınan bir hayvanat bahçesi gibidir.

   Bu hayvanat bahçesini yönetmenin tek yolu da evrendeki tüm maddeleri oluşturmak için gerekli parçacıkları ve bu parçacıkları etkileyen kuvvetleri içeren standart bir modelin oluşturulmasıdır.

   Bu model muhakkak ki her madde türünün kendine özgü görünmez atomları olduğu ve atomların birbirleriyle tamamlayıcı biçimleri yüzünden birleştiğini varsayan Democritos’un modelinden daha karmaşık olacağı kesindir.

   Öngörülmeye çalışılan standart modelde madde parçacıkları birbirine daha başka parçacıklarla taşınan üç farklı kuvvetle bağlanır.

    Tüm bu parçacıklar birbirleriyle matematiksel olarak betimlenebilen ama görselleştirilemeyen hareketlerle etkileşir.

   Yapısal karmaşıklığına rağmen yine de standart model bazı bakımlardan Democritus’un öngördüğü atom modelinden çok daha basittir denebilir.

     Bunun nedeni de her madde için ayrı atom yerine tek bir atom modelinin ön görülmesi; tüm maddelerin bu tek model atom modelinden meydana geldiğinin kabul edilmesidir.     Standard modelde her element için ayrı bir atom modeli düşünülmez.

    Bir bakıma A elementi için ayrı B elementi (doksan iki elementin her biri) için ayrı atom modellerine gereksinimimiz yoktur. Tek bir atom modeli yeterlidir.

    Doksan iki element ve bu elementlerin oluşturduğu milyonlarca bileşik bu atomlardan ve bu atomların meydana getirdikleri moleküllerden meydana geleceğinden bütün karmaşıklığına, ince ve hassas düzenlerine rağmen bilimsel olarak daha kolay anlaşılıp ifade edilebilir.                     

    Atom içi parçacıkların parçacıkları olarak niteleyebileceğimiz bu oluşumların en önemlisi şüphesiz ki kuarklardır. (Kuarklar bölümüne bakınız)

    Kuark kuramı da protonun bir bileşik parçacık olduğunun kavranmasından gelişmiştir.    Bir atom çekirdeğinde proton ve nötronları birbirine bağlayan kuvvetlere güçlü kuvvetler ya da çekirdek kuvveti denir.

   Güçlü nükleer kuvvetlere ilişkin kuantum parçacığının özelliklerini Japon fizikçi Hideki Yukawa (1907-1981) ortaya çıkarmıştır.

   Bu parçacıklara, daha sonra pion denildi. Pionlar fotonlara benzerse de aralarında çok önemli farklar vardır.

    Pionlar belirli bir kütleye sahiptir. Çok hızlı hareket ederse kütlesi artar.

     Bu durum, foton için geçerli değildir. Fotonun kütlesi sıfırdır ve hızı artırılamaz.

   Buradan anlıyoruz ki foton, hiçbir zaman durgun olamaz.

   Fotonların hızı saniyede 300.000 km dir ama pionlar bu hıza asla ulaşamaz.

   Böyle bir hıza erişebilmesi için piona (kütle sahibi olduğundan) sonsuz bir kinetik enerji verilmesi gerekir. Foton açısından kütle, kinetik enerji olarak değerlendirilebilir.

   Pion, proton ve nötrondan hafif, elektrondan ağırdır.

   Elektriksel yük bakımından artı, eksi elektrik yüklü ve yüksüz olmak üzere üç türlü pion vardır.

   Fotonlar ise elektrik yönünden sıfır yani nötrdür.

   Proton ve nötronlar yeterli enerjiyle birbirlerine çarptıklarında çoğu kez pionlar ortaya çıkar.

                                                            = = = =    

   Pion fikri gerçekte bu tür parçacıkların gözlenemediği sadece kuramsal olarak var olduğunun düşünülebildiği bir zamanda, 1935’te ortaya atıldı. Nesnel olarak henüz ortada görünmezken, varlığı öne sürülüyordu.

       Fotonlar, ileriki bölümlerimizde ayrıntılarıyla inceleyeceğimiz yaşamın oluşması ve devamında çok önemli bir role sahiptir. Bu önem nedeniyle ayrı bir bölümde incelemeyi uygun gördük.

   Işık ve mahiyeti, nasıl görüyoruz şeklinde öteden beri insanların ilgisini çekmiş, bu konuda çeşitli teoriler üretmişlerdir.

    Antik çağda gözün bakılan cisme doğru ışınlar yaydığını bu ışınlar vasıtasıyla görme olayının gerçekleştiği sanılırdı.

   Epikür görüntünün gözden kaynaklanan resimlerden oluştuğunu iddia etmişti.

   Platon ise ışığın bakılan cisimlerden göze geldiğini bu ışınların algılanması suretiyle görme olayın gerçekleştiğini öne sürmüştü.

   Bu dönemlerde gözden fırlayan parçacıklar ile görme olayının oluştuğunu iddia edenler bile vardı.

   Görme olayının ilk bilimsel izahı ancak on yedinci yüzyılda mümkün olabilmiştir.

   Geçmişte olduğu gibi 19. yüzyılda da en çok tartışılan ışığın parçacık mı, yoksa dalga mı olduğu konusuydu.

   James Clark Maxwell'in elektromanyetik kuramı ve Hertz'in deneylerinden sonra ışığın dalga olduğu kabul edilmeye başlandı.

    Fakat ışığın öylesi özellikleri vardı ki dalga oluşu üzerinde ciddi şüpheleri de beraberinde getirmekteydi.

    Daha sonra yapılan bazı deneylerin sonuçları ışığın dalga olduğu varsayımıyla kesin bir şekilde uyuşmuyordu.

   Bilim adamları yakın zamanlara kadar ışığın bir tür elektromanyetik dalga olduğunu düşünüyorlardı.    Max Planck yaptığı bazı deneylerde ışığın dalga özellikleri kadar tanecik özellikleri de taşıdığını ilk fark eden bilim insanıdır.

     Işık sanki yalnız devamlı dalgalar halinde değil de, enerji paketçikleri gibi de geliyordu. Hem dalga, hem tanecik özellikleri taşımaktaydı.

   Max Planck, ışık dalga olarak değil de enerji paketçikleri olarak düşünülürse tepkimelerdeki uyuşmazlığın aşılabileceğini fark etti ve bu yönde çalışmalara başladı.

   Bu çalışmalar ve sonuçları Max Planck'a 1918 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırmıştır.

   Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık kuantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar dalga özelliklerinin yanı sıra sanki birer parçacıkmış gibi davranıyordu.

   Relativite teorisine göre, bir parçacığın ışık hızına ulaşabilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu.

   Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi. Kütle ve elektrik yükü olmadığından bunlardan kaynaklanan her hangi bir enerjisi yoktu.

   Daha sonra Arthur Compton tarafından açıklanan Compton saçılması ve Albert Einstein'ın açıkladığı Foto elektrik olayları ışığın parçacık yapısını ortaya çıkardı.

   Fakat girişim ve kırınım olayları ışığın dalga olduğu varsayıldığında açıklanabilmektedir.    Şu anda kabul edilen ışığın ikili bir yapısı olduğu ve hem parçacık, hem dalga özelliği gösterdiğidir.

                                                                   = = = =

       Fotonlar elektronlara ya da pionlara benzerse de enerji taşımadıkları için onlardan ayrılırlar. Fotonlar boşlukta 300.000 km/sn’lik bir hızla yayılan ışık taneciği veya enerji kuantumuna verilen genel addır.

      Işık hızı varoluştaki en yükse hız olarak kabul edilirse de tersinim aynı fikirde değildir.

      Işık hızının sınırlı oluşu en uzun menzilli duyu organımız olan görmemizi dolaysıyla algıladığımız evreni sınırlar. Hız ile zaman arasındaki yakın ilişki de bizleri çok büyük yanılgılara, aldanmalara uğratır.

      Işık hızından daha büyük fakat algılayamadığımız olguların var olabileceğini düşünmek ve varsaymak hiçte bilim dışı olmaz.

      Yukarıda yazdığımız gibi fotonlar hem dalga hem tanecik özelliklerini bir arada bulundururlar.     Fotonlar kütlesiz ve elektrik yönünden nötrdür.

    Işık hızı madde dünyasının mutlak hızıdır. Bu hızı aşmak için maddeden maddesizliğe geçilmesi gerekir.

    Işık hızı Latince celeritas (hız) ismine atfen c ile ifade edilir.

   Işığın hızı sadece maddesizlik ortamdayken c’ye eşittir. Su, cam vb. gibi herhangi bir maddenin içinden geçerken hızı yani c küçülür.

  Gerçekte maddesizlik ortamı yoktur. C hızının son madde ortamında oluştuğunu kabul etmek daha doğru olur.

    Işık enerjileri elektromanyetiğe benzeyen dalgalarla iletilir.

   Bunlar hem birbirine, hem de yayılma doğrultusuna diktir.

   Bu alanlar sinüzoidal (dalgasal) olarak değişir. Sinüzoidal hareketin frekansı ışık enerjisinin frekansını tayin eder.

    Fotonların enerjisi frekanslarına bağlıdır. Bir bakıma her rengin ayrı bir frekansı (dalga boyu) dolaysıyla enerjisi vardır.

   Yaşamsal uygunlukların en önemli parçası olan klorofil dediğimiz harika moleküller taşıdıkları enerji ile belirli ışık frekanslarındaki enerjinin uyumuyla çalışabilirler. Bu nedenle her ışık fotosentez yaptırmaz.

     Işık frekansları mor ötesi ve kızıl ötesi ışınımlarda dâhil çok geniş bir bandı işgal eder.    Canlılar için yararlı ışınımlar bu bandın çok dar bir bölümünü kaplar. Diğer bant ışınımları canlılar için zararlıdır ve hatta ölümcüldür. (Geniş bilgi için Güneş ışığı bölümüne bakınız)

   Fotonların içyapıları hakkında kesinleşmiş bilgimiz yoktur. Sadece elektronların pozitronlarla birleşmesi sonucu oluştukları bilinmektedir.

   Muhtemelen fotonlar; elektronlar, preonlar gibi var oluşun saf elemanlarıdır.

                                                       * * * *

   Einstein 1923te o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla (fotonların en dalga hem kütle-tanecik özellikleri taşıdığı kavramıyla) açıkladı ama bu yeterli değildi. Bu nedenle bilim insanlarının gündemine ışık nedir sorusu bir kere daha güçlü olarak geldi. Bu konudaki çalışmalar biraz daha hızlandırıldı. Bu çalışmaların sonucunda:

   a)-Işık enerjisi (hf) hem dalga hem tanecik özellikleri gösteren fotonlarda bulunur. Einstein’e göre (hf) enerjili bir foton bir elektrona rastladığında bütün enerjisini elektrona verir ve ona bir kinetik enerjisi kazandırır.

   b)-Girişim ve kırınım gibi bazı olaylar ışığın dalga özelikleriyle açıklanırken fotoelektrik, atomların enerji soğurması ya da salması gibi diğer bazı olaylarda ışığın tanecik özellikleriyle açıklanabilmektedir.

    Bütün bunları toplarsak kısaca; ışığın kütlesi sıfırdır, saniyede üç yüz bin kilometre hızla dalga olarak yayılır, etkileşimlere tanecik olarak girer diyebiliriz.

       Elektronlar var oluşun (büyük patlamanın-genişim evresinin) ilk anlarında meydana gelmiş eksi elektrik yüklü atom içi parçacıkların en önemlilerinden biridir.

    Bilinen en küçük atom içi parçacığıdır ve ilginç bir şekilde hem madde hem de dalga özelliklerini bir arada bulundurur. Her atomda bir protona karşılılık bir elektron bulunur.

    Evrende yüz dört temel maddenin yani elementin bulunduğunu, her elementinde farklı atom ve molekül yapılarına sahip olduklarını biliyoruz.

    Atomlardaki farklılıkları çekirdeklerinde bulunan proton ve protonlarla eşit sayıda olması gereken elektronların sayıları belirler. Diğer ifade ile protonu fazla olan element az olandan daha ağırdır.

   Nötron gibi diğer atom içi parçacıklar ise ne kadar hassas olduklarını anlatmaya çalıştığımız atom içi kütlesel ve elektriksel dengelerin oluşmasına yardımcı olur.

    Atomlar ağırlaştıkça bu tür dengelerin oluşumu ve korunması zorlaşır. Bu nedenle ağır atomların yapıları hafiflere göre çok daha karmaşıktır.

     Atom ağırlaştıkça atom içi parçacıklar da çoğalır.

       Ya da atom içi parçalar çoğaldıkça atomlar ağırlaşır.

    Bir bakıma nötronlar gibi elektrik yönünden nötr atom içi parçacıklarda diğer parçalar gibi atomun oluşmasında ve mekanizmaların kurulmasında hayati öneme sahiptirler.     En güçlü mikroskopların bile görüntülemeyeceği kadar küçük bir alanda tek bir çekirdek etrafında inanılmaz bir hızla ayrı, ayrı yörüngelerde dönüp duran elektronlar karışık bir trafik yaratırlar. Fakat bu trafik atom içi güçlerin etkisiyle son derece düzenlidir ve devamlı kontrol altındadır.

    Atom çekirdeğinin çevresinde elektronların dönmelerine uygun yedi yörüngenin olduğu saptanmıştır.

    Doğal şartlarda asla değişmeyen bu yörüngelerdeki elektron sayısı da 2n2 ile ifade edilen bir formülle belirlenmiştir.

    Atomların tüm yörüngelerinde bulunabilecek en fazla elektron sayısı bu formülle sabittir. Formüldeki “n” harfi, yörünge numarasını belirtir.