Helyum Çekirdeğinin Boyutu, Tarihteki En Yüksek Hassasiyet ile Ölçüldü! Bu Ne Anlama Geliyor ve Ne İşe Yarayacak?

Helyum Çekirdeğinin Boyutu, Tarihteki En Yüksek Hassasiyet ile Ölçüldü! Bu Ne Anlama Geliyor ve Ne İşe Yarayacak? Helyum
Yazar Wilfried Nörtershäuser Ayşegül Şenyiğit Özdil Editör Ayşegül Şenyiğit Özdil  BerkayMorkan 2. Editör Berkay Morkan
6 dakika
1,750 Okunma Sayısı
Notlarım
Reklamı Kapat

Helyum çekirdeğinin boyutu, içinde bir elektronun daha ağır kuzeni olan muon ile yer değiştirdiği egzotik helyum atomları kullanılarak ölçüldü. Bu bulgu, protonun yarıçapına yönelik on yıllık bir bilmeceyi açıklığa kavuşturuyor.

Helyum, evrende hidrojenden sonraki en yaygın elementtir. Helyumun en yaygın izotopu olan Helyum-4, α parçacığı (alfa parçacığı) olarak da adlandırılır ve çekirdeğinde iki proton ve iki nötron barındırır. Bu parçacık diğer hafif çekirdeklere göre daha yoğundur. Örneğin, hidrojenin izotopu olan ve çekirdeğinde yalnızca bir proton ve bir nötron barındıran döteryum atomundan %20 daha küçüktür. Alfa parçacığının gerçek boyutu, protonun yarıçapının sanılanın aksine çok daha küçük olduğunu öne süren on yıllık bir deney nedeniyle, özellikle ilgi çekicidir. Bu sonuç parçacık fiziği içerisinde değerlendirilen standart modeldeki kayıp parçalar hakkında daha fazla spekülasyon oluşmasına neden oldu. Krauth ve arkadaşları, Nature'da bu tür açıklamaları çok fazla sınırlandıran ve nükleer yapı teorisi için bir kıstas oluşturan alfa parçacığının boyutu ile ilgili bir tespit yapıyor.[1]

Ölçüm İçin Lazer Spektroskopisi Kullanıldı!

Yazarlar, lazer spektroskopisi olarak bilinen bir teknik kullanarak α-parçacık boyutunu ölçtüler. Bu yaklaşım, atomların ışığı yalnızca atomik yapının ayrıntıları tarafından belirlenen -yani negatif yüklü elektronların pozitif yüklü çekirdekle ve birbirleriyle etkileşimi ile belirlenen- kesikli frekanslarda yayabileceği ve soğurabileceği gerçeğine dayanmaktadır. Protonlar, çekirdeğin yüklü bileşenini oluşturur. Protonların sayısı elementi belirler ve uzamsal kapsamları, çekirdeğin boyutunu tanımlayan nükleer yük yarıçapı adı verilen bir özellik ile nitelendirilir.

Soğurma ve emisyonun tam frekansları, az da olsa çekirdek yüküne bağlıdır. Bu nedenle, bu özellik, atomik yapı, frekansları etkileyen diğer tüm faktörlerin yeterince doğru bir şekilde hesaplanması adına yeterince iyi anlaşılırsa belirlenebilir. Bu alanda göz ardı edilemeyecek kadar önemli gelişmeler olmasına rağmen, bu sonuçlar şu an yalnızca çekirdeğe bağlı bir elektron ya da benzer bir parçacık içeren iki yapılı sistemler için geçerli. Yeni bir parçacık eklemek ise karmaşıklığı akıl almayacak bir şekilde artırıyor ve bu yüzden kuantum mekaniği hesaplamaları şu an başa çıkılabilir değil. Sonuç olarak, lazer spektroskopisi yalnızca protonun ve döteryum çekirdeğinin boyutlarını elde etmek için kullanılabiliyor.[2], [3]

Reklamı Kapat

Krauth ve çalışma arkadaşları, bu yaklaşımı α parçacığı üzerinde uygulamak için zekice bir yöntem kullandılar. Elektronların ağır kuzeni olan negatif yüklü müonları az yoğunluklu bir helyum gazının içine enjekte ettiler. Müonlar arasındaki çarpışmalar ve gaz, müonların enerji kaybetmesine neden oldu ve belirli bir müon, helyum atomu içindeki iki elektrondan biri ile yer değiştirebildi (şekil 1). Bu müon sonrasında çok daha fazla enerji kaybederek atom çekirdeğine daha da yaklaştı. Bu aşamada ikinci elektron, α parçacığı ve bir müondan oluşan pozitif yüklü bir iyon oluşturarak atomdan dışarı atıldı.

Şekil 1 /  Helyum çekirdeğinin boyutunu ölçmek. a, Helyum atomunun α parçacığı olarak da bilinen çekirdeği, iki elektronla çevrili iki proton ve iki nötrondan oluşur. Krauth, bir müonun dışarı atılarak helyum atomundaki bir elektron ile yer değiştirdiği bir deney yürüttü. b, Bu müon aşamalı olarak çekirdeğe yaklaştı ve atomdaki ikinci elektronu dışarı ittirdi. c, Bu sürecin sonunda α parçacığından ve bir müondan oluşan pozitif yüklü müonik helyum iyonu elde edildi. Araştırmacılar bu oluşumdan kısa bir süre sonra bu iyona bir lazer ışını ile ateş ettiler. Bazı durumlarda, müon çekirdeğe daha fazla yaklaşarak tek bir X-ray fotonu üretti. Araştırmacılar bu X-ray emisyonunu analiz ederek helyum çekirdek boyutunu daha önce görülmemiş bir hassasiyetle hesaplamayı başardılar.
Şekil 1 / Helyum çekirdeğinin boyutunu ölçmek. a, Helyum atomunun α parçacığı olarak da bilinen çekirdeği, iki elektronla çevrili iki proton ve iki nötrondan oluşur. Krauth, bir müonun dışarı atılarak helyum atomundaki bir elektron ile yer değiştirdiği bir deney yürüttü. b, Bu müon aşamalı olarak çekirdeğe yaklaştı ve atomdaki ikinci elektronu dışarı ittirdi. c, Bu sürecin sonunda α parçacığından ve bir müondan oluşan pozitif yüklü müonik helyum iyonu elde edildi. Araştırmacılar bu oluşumdan kısa bir süre sonra bu iyona bir lazer ışını ile ateş ettiler. Bazı durumlarda, müon çekirdeğe daha fazla yaklaşarak tek bir X-ray fotonu üretti. Araştırmacılar bu X-ray emisyonunu analiz ederek helyum çekirdek boyutunu daha önce görülmemiş bir hassasiyetle hesaplamayı başardılar.
Nature

Müonik helyum iyonunun atom yapısı teorik olarak çok yüksek bir kesinlikle belirlenebilir. Dahası, müon kütlesel olarak elektrondan yaklaşık 200 kat daha ağır olduğu için, helyum çekirdeğine elektronun duracağından 200 kat daha yakın bir konumda bulunuyor. Sonuç olarak lazer spektroskopisi, sıradan tek yüklü helyum iyonunun aksine müonik helyum iyonu kullanıldığında α parçacık boyutuna yaklaşık sekiz milyon kat daha hassas. Kayda değer hassaslık şu anki çalışma için gerekli olan deneysel eforun büyüklüğünü doğruluyor.

Bir müon, bir elektrona ve nötrinolar denilen yakalanması zor parçacıklara bölünmeden önce yalnızca iki mikrosaniye kadar bir süre var olabiliyor. Bu nedenle, Krauth ve ekibinin kendi deneysel çemberlerine giren ve bir müonik helyum iyonu yaratabilecek potansiyeli olan her bir müonu tespit etmesi ve daha sonra bu müonik helyum iyonu oluşumunun bir mikrosaniyesi içinde iyi tanımlanmış bir frekansta lazer ateş etmesi gerekiyordu (Şekil 1). Sonunda, lazer uyarımından sonra yayılmış olan iyondan çıkan tek bir X-ray fotonunu ve bir müonun bozunumundan sonra üretilen elektronu belirlemeleri gerekiyordu. Doğru lazer frekansında, bu aksiyonların saat başına yaklaşık 8 tanesi tespit edildi ve diğer atomik süreçlere bağlı olarak meydana gelen 50,000 tepkimeden ayırt edilmesi gerekti.

Bu cesur çabanın sonucu olarak α parçacığının yarıçapı yalnızca 1 attometre (10-18 metre) hassasiyetle ölçüldü - ki bu ölçüm, proton yarıçapının kabaca 1000'de birine denktir. Bu değer, elektron-helyum saçılımına dayanarak yapılan ölçümlerden 5 kat daha hassastır.[4] Bu bulgu kulağa oldukça akademik gelse de, temel fiziğin pek çok alanı için çok önemli. Özellikle ilk kez müonik atomların ve elektron saçılımının lazer spektroskopileri bu kadar tutarlı sonuçlar verdi, halbuki aynı durum proton ve döteryum çekirdeği için söz konusu değildi.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Araştırmanın Geleceğe Dönük Önemi

1. Proton Yarıçapı Bilmecesini Çözebilir!

Protonun yarıçapı için müonik hidrojenden elde edilen değer, elektron saçılması ve basit hidrojenin lazer spektroskopisi dahil olmak üzere diğer yaklaşımlardan elde edilmiş ve önceden kabul görmüş değerden yaklaşık olarak %4 daha küçüktü.[2] Proton yarıçapı hakkındaki bu bulmaca, müonlar ve standart modelde yer almayan diğer parçacıklar arasındaki etkileşimle ilgili süreçler hakkında birçok teorinin oluşmasına yol açtı.[5] Bununla birlikte, helyum konusundaki anlaşma, bu spekülatif süreçlerin birçoğunu dışarıda bırakıyor çünkü bunların müonik helyumda olduğu kadar müonik hidrojen ve müonik döteryumda da meydana gelmemesi için hiçbir neden yok.

2. Kuark Seviyesinde Nükleer Yapı Modeli İnşa Edilebilir!

Krauth ve meslektaşlarının ölçümleri başlangıçta nükleer yapı modellerini iyileştirmek için de kullanılabilir. Atomik yapı, iyi anlaşılmış elektromanyetik etkileşim tarafından belirlenirken nükleer yapı, çok daha karmaşık olan güçlü nükleer kuvvet tarafından yönetilir. Topluca nükleon olarak bilinen çekirdekteki proton ve yüksüz nötron birliği, karmaşık bir iç yapıya sahiptir. Her bir nükleon kuark denilen ve güçlü nükleer kuvvetle birbirine bağlı olan üç temel parçacıktan oluşur. Çekirdeğin kendisi, nükleon sınırlarının ötesinde devam eden ve yalnızca bir femtometreden (10-15 m) daha kısa mesafelerde etki eden güçlü kuvvet kalıntısıyla bağlanır.

Fizikçilerin nükleer yapıyı kuark seviyesindeki bir tanıma dayandırarak açıklayabilecek bir teorisi henüz yok. Bunun yerine fizikçiler, tek tek nükleonlar arasındaki 'etkili' kuvvetleri dikkate alan ilkin nükleer yapı modellerine güvenirler. Bu modellerin formülleştirilmesi için hafif nükleer sistemleri tanımlayan kritik parametrelerin bilinmesi gerekir. Şimdi elde edilen α parçacığının yük yarıçapı bu parametrelerden biri olarak işe yarayabilir.

3. Ağır Elementlerin Nükleer Yarıçapları Hassaslıkla Hesaplanabilir!

Araştırmacıların bulgusu, ayrıca, helyumdan daha ağır elementlerin nükleer yük yarıçaplarının hassas ölçümlerini sağlayacak planlı deneyler için bir mihenk taşı niteliğinde. Bu hedef, helyum benzeri iki elektronlu sistemler için gerekli kuantum mekaniksel hesaplamalar hazır olduğunda ulaşılabilir olacaktır. Bu yöndeki teorik ve deneysel çalışmalar hala devam etmektedir.[6], [7] Helyumun ölçülen yük yarıçapı, bu tür hesaplamalar için ideal bir ölçüm durumu olarak hizmet edecektir. Birlik sağlanırsa, lityumdan nitrojene en azından tüm kararlı izotopların yük yarıçaplarını, ilgili helyum benzeri iyonlar üzerinde lazer spektroskopisi yaparak belirlemek mümkün olmalıdır. Bu tür iyonlar, büyük parçacık hızlandırıcı tesislerinde benzer müonik sistem çalışmaları için gerekenden çok daha az bir çabayla küçük laboratuvar deneyleri sonucunda üretilebilir.

Okundu Olarak İşaretle
Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Umut Verici! 6
  • Tebrikler! 3
  • İnanılmaz 2
  • Bilim Budur! 1
  • Muhteşem! 0
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 0
  • Güldürdü 0
  • Merak Uyandırıcı! 0
  • Üzücü! 0
  • Grrr... *@$# 0
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  1. Çeviri Kaynağı: Nature | Arşiv Bağlantısı

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 15/04/2021 02:31:37 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/10144

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Reklamı Kapat
Güncel
Karma
Agora
Instagram
Kimyasal Bağ
Virüs
Hamilelik
Kuşlar
Uçuş
Zaman
Bilim İnsanları
Uzaylı
Doğum
İhtiyoloji
Elektrik
Nasa
Vücut
Akciğer
Tekillik
Hidrojen
Atmosfer
Nörobiyoloji
Mistik
Kanser
Ağız Sağlığı
Genom
Jinekoloji
Biyokimya
Kurbağa
Daha Fazla İçerik Göster
Daha Fazla İçerik Göster
Yazı Geçmişi
Okuma Geçmişi
Notlarım
İlerleme Durumunu Güncelle
Okudum
Sonra Oku
Not Ekle
Kaldığım Yeri İşaretle
Göz Attım

Evrim Ağacı tarafından otomatik olarak takip edilen işlemleri istediğin zaman durdurabilirsin.
[Site ayalarına git...]

Filtrele
Listele
Bu yazıdaki hareketlerin
Devamını Göster
Filtrele
Listele
Tüm Okuma Geçmişin
Devamını Göster
0/10000

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
Geri Bildirim Gönder
Reklamsız Deneyim

Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, Evrim Ağacı'nda çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.

Kreosus

Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.

Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.

Patreon

Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.

Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.

YouTube

YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.

Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.

Diğer Platformlar

Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.

Giriş yapmayı unutmayın!

Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.

Destek Ol

Devamını Oku