Güçlü Nükleer Kuvvet Nedir? Protonlar Atom Çekirdeğinde Nasıl Bir Arada Bulunurlar?

Güçlü Nükleer Kuvvet (veya "Güçlü Çekirdek Kuvveti" veya kısaca "Güçlü Kuvvet"), doğadaki 4 temel kuvvetten biridir (diğerleri elektromanyetizma, kütleçekim ve zayıf nükleer kuvvettir). Sadece 10^-15 metre kadar ufak mesafelerde etki edebilen güçlü kuvvet, elektromanyetizmadan 137 kat, zayıf nükleer kuvvetten 1 milyon kat, kütleçekiminden 10³⁸ kat güçlüdür.^[1]

Güçlü nükleer kuvvet, atom çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar gibi hadronların içindeki kuarkları birbirine bağlayan kuvvettir. Buna ek olarak, atom çekirdeğindeki protonların ve nötronların kendilerini de birbirlerine bağlayarak atomun dengesini sağlar. Her ne kadar Higgs Bozonu'nun keşfi sürecinde bu parçacık "kütleyi oluşturan parçacık" olarak tanıtıldıysa da, aslında maddede Higgs Bozonu kaynaklı kütle sadece %1 civarındadır. Cisimlerin kütlelerinin %99'undan fazlasının nedeni Güçlü Nükleer Kuvvet'tir.

Güçlü Nükleer Kuvvetin Farklı Biçimleri

Güçlü Nükleer Kuvvet iki farklı kuvvet taşıyıcısı aracılığıyla etki eder ve bu nedenle iki farklı menzile sahiptir:

Kuarkları Birbirine Bağlayan Güçlü Kuvvet

0.8 femtometrelik "kısa" bir menzilde Güçlü Kuvvet, gluonlar tarafından taşınır ve protonlar, nötronlar ve diğer hadron parçacıkları içindeki kuarkları birbirine bağlar.^[2] Bu daha kısa menzilli kuvvet, aynı zamanda renk kuvveti olarak da bilinir (bunun gerçek renklerle hiçbir ilgisi yoktur). Renk kuvveti öylesine güçlüdür ki, güçlü kuvvet aracılığıyla birbirine bağlanan hadronlar yeni, büyük parçacıklar oluşturabilirler. Bu nedenle hadronlar yüksek enerji parçacıklarla bombardımana tutulacak olurlarsa, özgürce hareket eden radyasyonu (gluonları) etrafa saçmak yerine, yeni hadronlar oluştururlar. Güçlü kuvvetin bu özelliğine renk hapsi denir ve bu etki, güçlü kuvvetin özgürce emisyon yapmasına engel olur (bunun yerine ağır parçacık jetleri oluşur).

Proton ve Nötronları Birbirine Bağlayan Güçlü Kuvvet

1-3 femtometre civarındaki daha "büyük" bir skalada mezonlar tarafından taşınır ve protonlar ile nötronları birbirine bağlayarak, atom çekirdeğinin oluşabilmesini sağlar. Güçlü Kuvvet'in bu özelliğinden öturu ona çekirdek kuvveti de denir. Bu, bir çeşit Güçlü Kuvvet kalıntısıdır; çünkü atom çekirdeğini bir arada tutan kuvvet, proton ve nötronların birbiriyle etkileşmesinden arta kalan kuvvettir. Bu bakımdan Güçlü Çekirdek Kuvveti, nükleonlar içindeki kuarkları bağlama konusunda olduğundan farklı davranır ve etkisi, mesafeyle yakından ilişkilidir.

Buna ek olarak, atom kaynaşması (nükleer füzyon) ile atom parçalanması (nükleer fisyon) için gereken bağ enerjileri bakımından da farklar vardır: Nükleer füzyon, Güneş gibi yıldızlarda üretilen enerjinin ana kaynağıdır; nükleer fisyon ise radyoaktif izotopların bozunmasını mümkün kılar (her ne kadar bu bozunma, çoğu zaman Zayıf Kuvvet tarafından kontrol edilse de). Nükleer kuvvetle ilişkili enerji, atom bombalarında ve nükleer reaktörlerde kısmen de olsa açığa çıkar.

Şimdi gelin bu kuvvetin nasıl çalıştığına biraz daha yakından bakalım.

Atom Çekirdeğindeki Protonlar Birbirini İter mi?

Bir mıknatısla oynayan herkes, aynı kutupların birbirini ittiğini bilir. O zaman mutlaka şunu da sormuş olmalısınız:

Madem ki protonlar artı yüklü parçacıklar ve manyetizma kurallarına göre aynı yükle yüklü parçacıklar birbirini iter, nasıl olur da atomların çekirdeklerindeki protonlar birbirlerine yapışık halde ve birbirlerini itmeden durabilirler, hem de dışarıda elektron gibi eksi yüklü bir parçacık varken ve protonları kendine doğru çekerken!?

Bu sorunun cevabı, 20. yüzyılın başlarına kadar pek çok bilim insanının da kafasına takılmış, hatta bu sorunu ortadan kaldırmak için pek çok farklı atom modeli ortaya atılmıştır. Sorunun çözümü uantum mekaniği araştırmalarından gelmiştir.

Öncelikle şunu belirtelim: Protonların birbirini ittiği doğrudur; hatta çekirdek içindeki protonlar da birbirlerini müthiş bir kuvvetle itmektedir: Yaklaşık olarak 9 kilogram-kuvvet ile; yani 9 kilogramlık bir kuvvetin yere uyguladığı kuvvetle... Bu ilk etapta kulağınıza çok gelmeyebilir; ama bir düşünün: 9 kilo bir süre sonra kolunuza bile ağır gelebilir - ki bu kuvvetin uygulandığı şey, 0.8 femtometre büyüklüğündeki ufacık bir cisimdir. Evet, bir proton, 1 metrenin katrilyonda biri kadar ufacık bir şeydir- ve dip dibe duran her proton, birbirine yaklaşık 9 kilo yük bindirmektedir. Eğer buna karşı koyacak bir şeyler olmasaydı, iki protondan biri, atom çekirdeğinden yaklaşık 12.800 kilometre/saat hızla fırlardı!

Elbette, buna engel olan bir kuvvet vardır: Güçlü Nükleer Kuvvet veya Güçlü Çekirdek Kuvveti. Yukarıda da bahsettiğimiz gibi, Evren'de 4 temel kuvvet vardır: Bunlardan en zayıfı, kütleçekim kuvvetidir. Örneğin atomun bozunmasıyla ilgili kuvvetlerden biri olan Zayıf Çekirdek Kuvveti bile, "zayıf" olarka adlandırılmasına rağmen kütleçekiminden 10²⁶ kat kuvvetlidir. Elektromanyetik kuvvetse, kütleçekiminden 10³⁶ kat kuvvetlidir. İşte Güçlü Çekirdek Kuvveti'nin elektromanyetizmaya karşı koyabilmesinin nedeni, en güçlü ikinci kuvvet olan elektromanyetik kuvvetten yaklaşık 137 kat daha güçlü olmasıdır.

Güçlü Kuvvetin Zaafı

Ne var ki, Güçlü Kuvvet'in bir zaafı vardır: Etki alanı, oldukça kısıtlıdır: Örneğin Dünya'dan 50.000 kilometre uzağa gidecek olursanız, kütleçekimi 10 kat azalacaktır, evet. Hatta birkaç yüz bin kilometreden sonra etkisini hissetmeniz imkansızlaşacaktır. Ama Evren'in diğer ucuna gitseydiniz bile, teknik olarak Dünya'nın kütleçekimi halen üzerinize etki ediyor olurdu. Tabii bu, önemsenmeyecek kadar ufak bir kuvvet olurdu, ama yine de var olurdu! Elektromanyetizma da aynı şekildedir: Birbirine etki edemiyormuş gibi gözüken tüm mıknatıslar, aslında galaksinin iki ucuna götürülseler bile birbirlerine etki etmeye devam etmektedir. Sadece çok zayıf bir şekilde...

Ama Güçlü Kuvvet böyle değildir. Etki alanı, yaklaşık 1 femtometreyle sınırlıdır. Yani bir protonun hacminden 2-2.5 kat daha büyük bir hacmin ötesine geçtiğinizde, etkisini yitirir. Dolayısıyla amaç protonları dip dibe tutabilmekse, o bariyerin içine girilmelidir.

Normalde protonları birbirine yaklaştırdığınızda, elektromanyetizma dolayısıyla müthiş bir şekilde birbirlerini iterler. Ama bu elektromanyetik itimi yenecek düzeyde bir güç uygulayıp, o 1 femtometrelik hacme ulaşmayı başarırsanız, bu defa Güçlü Nükleer Kuvvet hükmetmeye başlar ve protonlar birbirine kaynaşıyorlar.

Bu tanım tanıdık geldi mi? Tebrikler; füzyon, yani kaynaşma reaksiyonunu keşfettiniz! Mesela Güneş'te olan tam olarak budur: Tahmin edebileceğiniz gibi, protonları birbirine kaynaştırabilecek kadar yüksek sıcaklık ve basınçlar, yıldızlar gibi gök cisimlerinin çekirdeğinde bulunmaktadır. Bu kaynaşma sırasında etrafa akıl almaz bir enerji saçılıyor - ki sizin bugün var olup da bu yazıyı okuyabilmenizin nedeni Güneş'teki o hidrojenleri kaynaştırarak helyuma dönüştüren füzyon reaksiyonudur.