Nükleer Fizik: Atom Altı Parçacıkların Dünyası

Fizik, evrendeki doğa olaylarını ve bu olaylar arasındaki etkileşimleri meydana getiren yasaları akıl ve mantığa dayalı olarak açıklamaya çalışan, bunları da yaparken kendi içinde deneysel ve matematiksel metotlar kullanan bir doğa bilimidir. Dolayısıyla ilgi alanı tüm evrendeki fiziksel olaylardır. Durum böyle olunca açıklamaya çalıştığı doğa olayları hakkında daha fazla bilgiye ulaşabilmek adına, incelediği maddenin/sistemin kabaca boyutlarına ve etkileşim türlerine göre sınıflandırma içermektedir. Bu yazımızda maddeyi oluşturan atom ve moleküllerin de altındaki temel parçacıkları ve onlar arasındaki etkileşimleri inceleyen nükleer fizik alanına bir giriş yapacağız.

Wikimedia

Nükleer fizik, bir başka deyişle "çekirdek fiziği", atom altı parçacıkların ve atom çekirdeklerinin etkileşimlerinin incelendiği fizik alanıdır.

Nükleer fiziğin doğumundan bu yana 1 asırdan uzun bir süre geçti. 100 yılı aşkın bir süre önce Ernest Rutherford, Hans Geiger ve Ernest Marsden’ın atomun küçük pozitif yüklü bir çekirdekten ve bu çekirdeğin etrafında yörüngelerinde dönen elektronlardan meydana geldiğini keşfettiler. 

Tarihsel Gelişim

Atomaltı temel parçaçıkların (proton, elektron, nötron, nötrino, mezon vb.) temel özelliklerini ve aynı zamanda bunlar arasındaki etkileşimleri açıklama çabası bilimsel anlamda 1850’li yıllara kadar gitmektedir. Yaklaşık 150 yıllık bilimsel birikimlerle ve fizikte meydana gelen gelişmelerle bu alanın ilerleyip şekillenmesi “parçacık fiziği” ve “yüksek enerji fiziği” gibi alanlarına doğru gelişimi mümkün kılmıştır. O halde tarihsel gelişime bir göz atalım:

İlk olarak fizik ve kimya üzerine çalışmalar yapan Dmitri Mendeleev elementler üzerine yaptığı çalışmalar üzerine 1868 yılında “elementlerin periyodik sistemi”ni oluşturmuş ve bunları belirli bir düzende birleştirmiştir.

Wikimedia

1895 yılına geldiğimizde Wilhelm Röntgen katot tüpü üzerinde yaptığı çalışmalar ile “X-ışınlarının keşfi”ni yapmıştır. Elektriksel etkiyle katot tüpü içerisindeki katottan kopan elektronların anoda çarpmasıyla yüksek enerjiye sahip X-ışınlarını gözlemlemiştir.

Ardından 1896 yılında Henri Becquerel radyoaktifliğin keşfini gerçekleştirip elektrik ve manyetik alan içerisinde yüklü parçaçıklar üzerine çalışmıştır.

Wikimedia

1900’lü yılların başında fizikte büyük gelişmeler yaşanmıştır. Klasik fizikle açıklanamayan spektrum fenomeni gibi konular üzerine yapılan çalışmalar sayesinde fizik, içindeki çıkmazdan kurtularak “Kuantum Fiziği” ortaya çıkmıştır. Max Planck 1900 yılında ışığı oluşturan fotonların enerji paketçikleri halinde yayıldığını keşfedip böylelikle ilk kuantum teorisi oluşturulmuştur.

Ardından Einstein’ın “Fotoelektrik Etki”si bunu takip etmiştir. Işık ve doğası hakkında oldukça kafa yoran Einstein 1905 yılında “Özel Görelilik Kuramı"nı yayınlamıştır. Görece oldukça küçük ve oldukça yüksek hızlardaki maddelerin (atomaltı parçaçıkların) doğası hakkında olan bu kuramlar, elektromanyetik dalgalar ve yüklü parçacıklar hakkında yeni çalışmalara yön vermiştir.

Wikimedia

Diğer yandan maddeyi oluşturan “şey”lerin neler olduğu ve boyut olarak oldukça küçük boyutlara inildikçe karşımıza ne tür bir yapı çıkacak sorusu atom modelleri ile incelenmeye başlanmıştır. 1911 yılında Ernest Rutherford “nükleer atom” modeli ile bu sorulara cevap aramıştır. Yaptığı artı yüklü alfa parçacıklarının saçılma deneylerinde, bazı parçacıkların altın levhadan geri/diğer yönlere saçılması ile atomun içindeki artı yüklerin belirli bir yerde toplandığını, bu yerin ise çekirdek olduğunu kanıtlamıştır.

Wikimedia

Yüklü parçacıkların dolaylı yoldan gözlenebilmesine imkan veren “Sis Odası Deneyi” Charles Wilson tarafından 1912 yılında tasarlanıp geliştirilmiştir. Kabaca elektrik alan içerisindeki yüklü parçacıklar nemli hava ortamından geçerken arkasında bir “iz” bırakırlar. Bu izler sayesinde onların davranışları hakkında fikirler geliştirilmesi mümkün olmuştur.

Wikimedia

1913 yılında J.J. Thomson “kararlı izotop”ları keşfetmiştir. (İzotop, atom numaraları aynı olup fakat kütle numaraları farklı olan atomlardır. Atom numaraları çekirdekteki protonların sayısını temsil ederken, buna çekirdekteki nötron sayısının dahil edilmesiyle kütle numarası elde edilir.)

Aynı yıl içerisinde Niels Bohr tarafından yarı-klasik atom modeli ortaya konulmuştur. “Yörüngesel Atom Modeli” ile atom çevresindeki elektronların her yerde değil de belirli yörüngelerde “olasılık bulutu” içerisinde bulunduğu kanıtlanmıştır. Bu oldukça önemli bir gelişme olup enerjinin kuantum boyutta kesikli olduğuna ve spektrumların süreksizlik içerdiğine dair önemli kanıtlardandır.

Wikimedia

Henry Moseley atomdaki nükleer yüklerin saptanmasının 1914 yılında X-ışınları ile mümkün olduğunu gösterip günümüzde yoğun madde fiziğinde oldukça yaygın kullanılan XRD (X-ışını Kırınımı), AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) vb. spektral analiz tekniklerinin de bir nevi (tam anlamıyla olmasa da) öncüsü olmuştur.

F. W. Aston ise 1919 yılında “kütle spektrometresi” üzerine yaptığı çalışmalar ile bu alandaki araştırmalara katkıda bulunmuştur.

Diğer büyük gelişmelerden bir tanesi de 1923 yılında A. H. Compton tarafından meydana gelmiştir.. “Compton Saçılması” ile yüklü x-ışınları ile atom içindeki serbest elektronların arasındaki etkileşimler açıklanmıştır. Klasik mekanikteki çarpışma ve momentum olaylarının nükleer/kuantum boyuttaki açıklaması olan bu saçılma deneyleri, uzun yıllarca cevap aranılan soruların cevaplarının bulunmasına yol açan bir öncüdür.

Wikimedia

Compton’ın saçılma deneyleri sonrası ve kuantum fiziğindeki ışığın yapısına dair araştırmalar, kuantum fiziğinin temel taşlarından biri olan de Broglie Bağıntısını ortaya çıkarmıştır. 1924 yılına kadar ışık ya “dalga modeli” ya da “tanecik modeli” ile açıklanmaya çalışılmıştır. Isaac Newton’un öncülük ettiği tanecik modeli ile Christiaan Huygens’in dalga modeli farklı farklı (tek olmak üzere )ele alınıp bazı olayları açıklayabiliyorken bazı olayları açıklamada başarısız oluyorlardı. Ama yapılan deneysel gözlemler ve doğadaki “fenomen”ler aslında ışığın salt olarak ne dalga ne de tanecik olduğunu göstermiyordu; aksine ışığın “ikili yapı (dualite)” dediğimiz yapıda olduğu ortaya koydu. Louis de Broglie bu bağıntısıyla, her atomaltı parçacığa (aslında makro boyutta da olan cisimlere de) bir dalga eşlik ettiğini ve kabaca söylemek gerekirse ışığın taneciklerden oluşan bir dalga olduğunu söylemiştir.

Pixabay

Tarihin bu yılları fizik adına oldukça önemli keşiflerin çok kısa zaman aralıklarında yapıldığı yıllar olmuştur. Buna diğer bir örnek ise 1925 yılında Wolfgang Pauli tarafından “spin” ve “Dışarlama İlkesi” ile verilebilir. Spin kavramı klasik fizikte “dönme” anlamına gelse de kuantumda bu tanıma denk gelmez. Atomaltı parçaçıkların karakteristiğine ait önemli parametrelerden biri olan spin, kabaca kuantum seviyede “elektronların (Fermiyonlar) aynı anda aynı kuantum sayılarına sahip olmasının mümkün olamayacağını ve bu parçacıklara ait kuantum sayılarından biri olan spin kuantum sayılarının farklı olması gerektiğini söylemektedir.

Yavaş yavaş atomaltı parçacıkların karakteristiklerinin bilinmesiyle “Dalga Mekaniği” ortaya çıkıp gelişmeye başlamıştır. Erwin Schrödinger “Dalga Denklemi” ile tıpkı klasik fizikteki bir parçacığa ait hareket denklemi olan denklemlerin, atomaltı parçacıklar için olanını ortaya koymuştur. Termodimanikte Ludwig Boltzmann’ın öncülüğünü yaptığı “istatistiksel/olasılıkçı yaklaşım”ın aslında tamamlayıcısı da olmuştur.

Pixabay

1927 yılında ise kuantum boyuttaki gözlemcinin rolü ve etkisi üzerine devrim yaratan “Heisenberg Belirsizlik İlkesi”, Werner Heisenberg tarafından ortaya konmuştur. Bu ilkeye göre, atomaltı bir parçacığa ait konum ve momentum (enerji) değerleri aynı anda aynı hassasiyetle ölçülemez! Klasik fiziksel olan gündelik olaylara aykırı gelen bu duruma ve olasılıkçı yaklaşıma başta Albert Einstein tarafından “Tanrı zar atmaz." (Aslında Einstein’ın burada “doğa”yı kastettiği kendi yazılarından da anlaşılmaktadır.) sözüyle karşı çıkılmıştır fakat günümüze kadar yapılan kuantum boyuttaki fizik deneyleri Heisenberg’i haklı çıkarmıştır. Çünkü atomaltı parçacığı “gözlemlemek” demek ona ışık yani “foton” yollamak demektir. Dolayısıyla, foton ile gözlemlenen parçacık etkileşime girmekte (enerji bazında) ve konum, momentum gibi gözlenirlerdeki ölçümde belirsizlik meydana gelmektedir. Ayrıca gözlemci de deneyin parçası olduğu için dalga fonksiyonlarının tek bir sonuca çökmesi gibi bir durum da ortaya çıkmaktadır.

Wikimedia

Gamow, Gurney, Condo tarafından 1928 yılında “Alfa-Radyoaktiflik Teorisi” ile beraber 1930 yılında Wolfgang Pauli’nin “Nötrino Hipotezi”yle nükleer fizik artık deneysel aşamalarda büyük atılımlar yaşayacağı bir döneme girmiştir.

İlk Lineer Parçacık Hızlandırıcılar

İlk “lineer parçacık hızlandırıcı”lar 1931’de Sloan ve Lawrence tarafından yapılan çalışmalarla inşa edilmeye başlandı. Bunu bir yıl sonra 1932’de Lawrence ve Livingston’un siklotron deneyleri ve çalışmaları takip etmiştir. Aynı yıl içerisinde “ağır su” olarak bilinen Hidrojen’in izotopu olan “Döteryum” Urey tarafından keşfedilmiştir. Bu yıllarda keşifler art arda gelmekteydi, Anderson’ın elektronun karşıt parçacığı olan pozitronun keşfi ve J. Chadwick’in çekirdekteki yüksüz parçacık olan nötronun keşfi yine bu yıl içerisinde olmuştur.

Nükleer fizikteki diğer bir olay olan “yapay radyoaktivite”nin keşfi, Curie ve Juliot tarafından 1934’te gerçekleşmiştir. Devamında “Beta-Bozunma Teorisi” E. Fermi ve “Mezon Teorisi” Yukawa tarafından ortaya konulup açıklanmıştır. Kozmik ışınlardaki mü-mezonların keşfi de 1937’de Neddermeyer ve Anderson tarafından gerçekleştirilmiştir.

Çekirdeğin parçalanması olarak da bilinen “Nükleer Fisyon”un keşfi 1938’de Hahn ve Strassmann tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu parçalanmanın kontrollü olarak reaktör deneyleri E. Fermi’nin 1942 yılında gerçekleşmiştir.

Wikimedia

20. yüzyılın ortasından sonra “Nükleer Kabuk Modeli” ve “Nükleer Kollektif Model” çalışmaları başlamış olup bunu “nötrino”nun deneysel olarak keşfi takip etmiştir. Ardından nükleer parçacıklara ait “parite” kavramı ve korunumu incelenmiş ve günümüzde yüksek enerji fiziği/parçacık fiziği laboratuvarı olan CERN'in kurulmasıyla 1971 yılında “p-p çarpıştırıcısı”nda (p-p: proton-proton) araştırmalar daha da ilerletilip yeni atomaltı parçacıklar araştırılmaktadır. Parçacık fiziğinin temel modeli olan “Standart Model” ve yüksek enerji fiziğine ait diğer modellere (Süpersimetrik modeller, Sicim Kuramı, Karanlık Enerji, Karanlık Madde vb.) ait aday parçacıklar aranmaktadır. Standart Model'deki maddeye kütle veren mekanizmanın yani Higgs alanının kuvvet taşıyıcı parçacığı olan Higgs Bozonu'nun keşfi de 2012 yılında Cern'de gerçekleşmiştir.

Nükleer Fiziğin Pratik Faydaları: Ne İşe Yaradı?

Peki bu çalışmalar gelişmekle birlikte günümüze nasıl yansıdı? En basitinden televizyondaki görüntüler, atom altı parçacıkların araştırılmalarında da kullanılmış olan katot ışınlı tüpler tarafından elektronların hızlandırılarak farklı frekanslarda ekrana çarpmasıyla oluşturulur. Bu ekranlar bilimsel ve teknolojik gelişmelerle birlikte yerlerini LCD ve LED ekranlara bırakıyorlar.

Nükleer fiziğin daha az bilinen kullanım alanı ise yer bilimleri. Dünya’nın tarihsel sıcaklık değişimleri Grönland ve Antarktik buzullarındaki oksijen izotop yüzdelerine bakılarak bulunmaktadır. İzotop araştırmaları aynı zamanda okyanus akıntıları takibinde, fosillerin yaş tahminlerinde ve dünyanın jeolojik evrimini anlamakta kullanılır.

Nükleer fiziğin en yaygın kullanım alanlarından biri ise sağlık alanıdır. Hastanelerde kanser tedavisinde kullanılan radyoterapi makineleri ve hastalıkların teşhisi için elzem olan X-ışını (Röntgen ışını), PET, CT, MRI, NMR ve SPECT gibi vücut içi görüntüleme sistemleri nükleer fiziğin meyveleridir.

Hayatımıza dokunan tüm bu teknolojileri ve daha fazlasını "Bu nedir?" ve "Ya böyleyse?" sorularını sormuş olan nükleer fiziğin öncülerine borçluyuz.

Sonuç

Daha güçlü hızlandırıcılar yapıldıkça daha yüksek enerji seviyelerine çıkılacağından aday/teorik parçacıkların gözlemlenmesi ve bunların saptanması da mümkün olacaktır. Bekleyip göreceğiz...

Bu parçacıkların [atomaltı parçacıklarının] hepsinin adını hatırlayabilseydim, botanikçi olurdum. Enrico Fermi