Neden Bir Duvar Veya Nesnenin İçinden Geçemeyiz?

Aslinda soru tam olarak söyle: Maddelerin temel tasi olan atomun %99,99..’u bosluk olmasina ragmen neden herhangi bir maddenin içinden geçemeyiz? Ya da ne oluyor da isik camdan geçerken bizim elimiz geçmiyor?

Simdi efenim, bildigimiz üzere maddeleri olusturan temel parçacik atomdur. Hadi zamanda biraz geriye gidelim ve isimize yarar ne tür bilgiler
olduguna bir bakalim. Bundan tam 13.8 milyar yil önce… Ya da çok geriye gittik biraz daha yakin zamana gidelim, 70 bin yil önce. Bizi diger
canlilardan ayiran çok büyük bir degisim yasandi; Bilissel Devrim! Beslenmek için hayvanlarin pesinden kostugumuz, çiftlesmek için
disilere kur yaptigimiz, yirticilardan korunmak için agaçlarin tepesine çiktigimiz, yavrularimizi daha rahat büyütmek için sürü oldugumuz bu dönemde ilginç bir sekilde ortaya çikan, var olusumuzun nedenleri de dahil olmak üzere çevremizi ve tüm varliklari anlamlandirmaya çalistigimiz  insanlik tarihinin ilk ve en büyük devrimi. Bu devrim sayesinde kazandigimiz, soru sorabilme, merak etme ve anlamlandirma yetenegimiz muhtemelen sahip oldugumuz en kiymetli seyler. Bu sebeple bunlari hiçbir zaman kaybetmemeli ve sürekli gelistirmeli..

Bu sürekli gelisim sayesinde, ilk insanlardan itibaren günümüze büyük bir enformasyon mirasi kaldi.
Konumuz ile ilgili olanlarina bakacak olursak; Maddeyi olusturan en küçük seyin yani maddelerin özünün atom oldugunu ve bu kelimenin anlaminin ise ‘bölünemez’ oldugunu söyledigini düsündügümüz ilk insan Demokritus amca. Ona göre bir maddeyi alip sonsuza kadar bölemezdiniz, ve nihai olarak bir sinira denk gelecektiniz. Aradan geçen 2200 yil sonrasindada
bir sey degismemisti çünkü, Dalton maddenin en küçük birimini ‘bölünemez bir küre’ olarak tanimliyordu. Halbuki ondan sonra bu konuda çalismalar yürüten insanlarin çalismalari gösterdi ki, atomun içinde baska seyler de var. Arti ve eksi yükler, bosluklar ve çekirdek gibi. Aradaki tüm gelismeleri geçip günümüzde kullandigimiz ve kabul ettigimiz son güncel modele bakalim.

Hatta isleri biraz kolaylastiralim, çünkü kuantum dünyasi çok karmasik ve kullandigimiz bu güncel modelde hesaplanmis, dolayli
veya dolaysiz bir sekilde gözlemlenmis yaklasik 200 tanecik var. Sadece 140 tane mezon çesidi var.
Ama bizim hepsiyle isimiz yok tabi, genel bir çevçeve çizmek en basta sordugumuz sorunun cevabini bulmak için yeterli olacaktir.

Evrende var olan tüm atomalti parçaciklara ‘fermiyon’ ve ‘bozon’ demisler. Kim demis? Tabiki Isveçli bilim adamlari ile Norveçli balikçilar. Bir de ortadoguda kafa kesen cihatçilar.
Fermiyonlarin 24 çesidi var ve bunlardan 12 tanesi anti tanecik. Yani gözlemledigimiz taneciklerle tüm özellikleri zit olan parçaciklar.
Spin sayisi, yükü vs. Bu 12 parçacigin 6 tanesi ‘kuark’, diger 6 tanesi ise ‘lepton’. Peki kimdir bu kuarklar? Pazarda bulunurlar mi?
Bu arada atom piyasi çok karmasik ve bir sürü kavram dolaniyor ortalikta. Ve bunlarin çogu kuarklarla alakali. Meselam; hadron, bozon, mezonbaryon, pavyon… Yok sonuncu dahil degil tabi. Birkaç kuark kafa kafaya verip bir tükkan açmaya karar verdiginde ortaya çikan seye ‘hadron’ diyoruz.Yani bilesik parçacik. Peki bu hadronlara örnek verin desem? Olaya büyük baktigimizda aslinda Google bir hadron’dur. Bir sürü küçük birer kuark sirket’ten olusmustur. Ama küçüklerin dünyasinda, bunlara proton ve nötronu örnek verebiliriz. Hatta öyleki bu proton ve nötron var olan tüm hadronlarin en kararlilari. Peki bunlar kaç kuarktan olusuyor? Valla bize soracak olsaydiniz bir 100-200 tane olmasini isterdik ama sadece 3 tane kuarktan olusuyormus bu proton ve nötron dedigimiz hadronlar. Hatta bu 6 kuarka isim de vermisler; “Asagi, yukari, acayip, tilsim, alt,üst“. Tamam bizde kabul ediyoruz isimler hiç hos degil. Insan bir Mahmut falan koyar.

Neyse efenim iste, bu kuarklardan 2 tane ‘yukari‘ ve bir tane de ‘asagi‘ kuarki tüm resmi evraklari halledince, protonu olusturuyor.
Benzer sekilde 2 tane ‘asagi’ bir tane ‘yukari’ kuark bir araya gelincede nötron hadronu olusmus oluyor. Bilim adamlari, isimlendirmeyi çok seviyor ya hani, iki tane kuark’in bir araya gelmesine ‘mezon’, 3 tanesinin bir araya gelmesine ise ‘baryon’ demisler. Yani iki cümle önce
kurdugumuz cümledeki nötron hadronu aslinda bir baryon. Mezon dediklerimiz de bir kuark ve de bunun antisi olan kuarktan olusuyor. Ve bu mezonlar çok kararsiz, ömürleri birkaç mikrosaniye kadar. Bu arada hiç tek başına başıboş dolanan bir kuark göremezsiniz. Sürekli hadron olarak bulunurlar. (Hadron neydi ya?) Ve tabi buna da bir isim vermisler; ‘Renk hapsi’.
Peki ya leptonlar?

Toplam 3 çiften, çiftlerden her biri de yüklü ve yüksüz bir parçaciktan olusur. Yüklü olana bir örnek verirsek olay açiklaga kavusur herhalde; elektronBir de elektrona çok benzeyen ama yüksüz olan bir diger parçacik ise ‘nötrino’. Güneste ve diger yildizlarda bunlardan oldukça fazla var. Hatta süpernova patlamalarinda etrafa akin akin yayiliyorlar. Mogollar gibi yani. Ama bunlar yüksüz olduklari için maddeyle
pek etkilesime girmiyorlar dolayisiyla saniyede bu nötrinolardan milyonlarcasi vücudumuzdan geçiyor. Ha diger iki lepton çifti de müon ve tau(Sun Tzu’nun uzaktan akrabasi, hatta bir temel parçacik efsanesine göre Savas Sanati’ni birlikte yazmislar.) Leptonlar biraz önemsiz gibi geldi sanki ama Büyük Patlama sonrasindaki ilk 10 saniyeye Lepton Çagi demisler. Leptonlar karbon, hidrojen, oksijen vb kritik role sahip
elementlerin olusmasinda kilit rolünde.

Yukarida ‘Fermiyon‘lardan bahsettik. Yani kuark ve leptonlar aslinda birer fermiyondur ayni zamanda. Bir de ‘Bozon‘lar var demistik. Arasindaki fark ne? Olayi söyle basitlestirebiliriz. Tüm evren iki tür tanecikten olusur; ‘Kuvvet Parçaciklari/ya da tasiyicilari’ ile ‘Madde tasiyicilari‘. Iste Fermiyonlar madde tasiyicisidirlar. Peki Bozon’lar? Bozonlar 4 temel kuvveti olusturan parçaciklardir. Bu kuvvetler malumunuz, ‘Güçlü Nükleer‘, ‘Zayif Nükleer‘, ‘Elektromanyetik‘ ve ‘Yerçekimi‘. Siz söylemeden biz söyleyelim, evet yerçekimi en zayif olani. Bu bozonlar, atomu bir arada tutan, atom ve atomalti parçaciklar arasi etkilisimi olusturan parçaciklardir. Bose-Einstein Yogunlasmasina uyarlar. Ne demek Bose-Einstein?(Surada çok çok açiklayici bir video var )
Basitçe, ayni kaba koyulan bu parçaciklarin sicakliklari giderek azaltilirsa, bu parçaciklarinda enerjisi azalir. Ilginç bir sekilde
mutlak sicakliga yakinlastikça, ki mutlak sicaklik -273 derece yani 0 Kelvin, bu parçaciklarin enerjisi giderek azaliyor ve boyutlari artiyor.
Ya da dalga boylari. Öyle bir noktasi var ki bu yogunlasmanin, tam o noktada tüm parçaciklar tek bir parçacik gibi davraniyor, yani tek bir
atom gibi. Süperatom, maddenin yeni bir hali, dalga fonksiyonlarinin üst üste gelmesi terimleri de kullanilabilir.

Peki bu bozonlarin kaç çesidi var? Valla bize göre bir sürü olmasi lazim, ama bilim insanlarinin konustugu 6 tane.
Bu bozonlardan bir tanesi foton. Fotonlar elektromanyetik alanin tasiyicisi, W ve Z bozonlari Zayif Nükleer Kuvvetin tasiyicisi, Gluonlar
ise Güçlü Nükleer Kuvvet’in tasiyicisidirlar.Yani atomu olusturan kuarklari bir arada tutan kuvvet parçacigi. Iyi de toplamda 4 tane oldu ama biz 6 demistik. Bir diger üzerinde tam bir anlasmaya varilmamis parçacik ‘Graviton‘. Yerçekimini olusturdugu düsünülüyor. Ama bildigimiz üzere yer çekimi çok zayif bir etkilesim, tabi digerlerine göre. Buzdolabi stiker’larindaki manyetik alan bile yerçekiminden daha güçlü.

Evet kaldi bir tane parçacik. Ama ne parçacik. 2012‘de gözlemlendi ilk defa ve Nobel ödülü aldirdi:Tanri’nin parçacigi.
Hatta “Tanri’nin Lanet Parçacigi“. (God Damned ParticleBiz degil, 60’larda böyle bir parçacigin olmasi gerektigini düsünen Peter Higgs böyle diyor. Ama fizikçiler bunu yumusatmislar biraz. Kütle nereden geliyor, bir tanecige kütle kazandiran sey nedir, sorularinin cevabi Higgs Alani. Higgs Alani ise Higgs parçaciklarindan olusuyor. Nasil mi? Ahanda söyle; Einstein herkes tarafindan bilinen denklemi E=mc^2 denklemine göre madde ve enerji birbirine dönüsebilir. Hatta bir yerde ayni seylerdir der. Peki bu nasil oluyor? Neden bazi maddelerin kütlesi azken bazilarinin çok oluyor? Örnek vermek gerekirse, bir üst-kuark bir elektrondan 350 bin defa daha agirdir.

Higgs alanini taneciklere kütle kazandiriyor dedik. Kuarklar veya diger madde tanecikleri bu alana girdiklerinde kütle kazanirlar. Bunu söyle bir analoji tasarlayarak düsünebiliriz: Mühendislik fakültesindeyiz… Ve malumunuz erkek sayisinin kiz sayisina orani, demin örnek verdigimiz üst-kuark’in kütlesinin elektronun kütlesine oranindan daha fazla. Iste sinifta erkek mühendisler dagilmis bir sekilde olsunlar. Eger sinifin kapisindan normal kareli, gözlüklü ve elinde bilgisayar çantasi olan bir erkek girerse muhtemelen kimsenin dikkatini çekmeyecek ve sinifa girmedenki hizini koruyarak istedigi yere oturacaktir. Eger sinifa uzun saçli bir erkek girerse kisa süreli bir bir etkilesim ve tanimla süresinden sonra o da rahat bir sekilde yerine geçecektir ve kimsenin dikkatini pek çekmeyecektir. Peki sinifa çok güzel ve alimli bir kiz(!) girerse ne olur? Tamam biz düsünemedik, ama siz hayal edin… Eger bu ütopik durum gerçeklesirse, iste tam da demin bahsettigimiz sey olacak. Yani parçacik higgs alaniyla etkilesime girecek ve kütle kazanacak. Yani erkeklerin yogun ilgi ve alakasindan kiz nereye geldigini sasiracak. Ve yerini bulmakta sasiracaz, hizi azalacak, dikkati dagilacak falan. Büyük ihtimal yanlis sinifa gelmistir zaten ya da söyle düsünün, su var. Suyu Higgs alanina benzetirsek, suyun içerisinde bir balik çok rahat yüzebilirken biz insanlar onlar kadar kivrak ve hizli yüzemeyiz. Iste bu durumda, bizim kütlemiz fazla, baliklarin kütlesi ise az oluyor. Yani Higgs bozonu, kütle tasiyici parçacigi diyebiliriz. Madde bu alanla ne kadar etkilesime girerse, o alan içerisinde hareket etmesi o kadar
zorlasacak ve kütlesi de bu oranda artacaktir.


Simdi ise sorumuzun cevabina yaklastik. Ama bilmemiz gereken baska ufak bir iki sey kaldi. Bunlardan bir tanesi: Pauli Dislama Ilkesi.
Ama ondan önce, Bohr atom modelinin ne dedigini bir hatirlayalim. Bohr atom modeline göre, elektronlar atomlarin etrafinda belli bir enerji
yörüngelerinde dönmesi gerekiyordu. Yani spesifik olarak tam da surada degil de, bir bulut gibi, ya da tüm bulunma olasiliginin oldugu yerlerin toplami gibi. Iste bulunma olasiliginin oldugu yerlere orbital diyoruz. 1s2, 2s2, 2p6… hatirladiniz dimi bu dagilimi? Yalniz bu dagilim Bohr’un modelinde yoktu çünkü o sadece tek boyutlu bir orbital tanimlamasi yapmisti.Neyse iste sorumuzun cevabi tam olarak
burada gizli. Ama simdilik göremiyoruz cevabi, gözlükleri takin daha yakindan bakalim cevaba.

Atom ve elektrondan olusan bir sistemi tanimlamak için 4 temel bilgiye ihtiyacimiz var. Söyle düsünün, devletin sizi tanimlamasi için
T.C kimlik numarasi vermesi gibi. Eger sizin bir T.C kimliginiz yoksa, aslinda siz de o devlet için yoksunuz demektir. Yeni bir çocugunuz oldu diyelim, siz onun kimligini çikarana kadar devlet tarafindan o kisi vatandas olarak tanimlanmaz. Size bir dükkan açtirmaz veya evi üstünüze yapmaniza izin vermez gibi. Tabi sizden vergi de alamaz 🙂 Bizim de bir atomu tanimlayabilmemiz için, yani kimyasal özelliklerini bilebilmemiz, hangi maddelerle etkilesime girebilecegini tahmin etmemiz, metal- ametal olmasi, elektronegatiflik gibi özelliklerini bilebilmemiz için bunlar gerekli. Peki bunlar ne?

Bohr’dan sonra, ortaya Schrödinger çikti ve elektronun atom etrafindaki yerini 3 boyutlu olarak tanimlanmasi için Bohr’un tek boyutlu tanimlasindan farkli olarak n,l,ml ve ms gibi sayilar önerdi. Bu sayilarin degerine göre, bir atom etrafindaki elektronlarin dizilimini ve ve bulunma olasiliklarini bulabiliriz. Olasilik diyorum, çünkü kuantum dünyasinda kesinlik yoktur. Bir kapali kutu düsünün, içinde de bir kedi olsun. Ama yasayip yasamadigini bilmiyorsunuz. Soru su, Kedi ölü mü canli mi? Bu konuda bir bilgiye sahip olamadiginiz için dogru bir tahminde bulunmak zor. Ama bir sey dikkatinizi çekmis olmali, kutu kapaliyken kedi aslinda hem canli hem ölü. Yani iki olasiligi da tasiyor. Kutunun kapagi kapali iken sahip olabilecegi enformasyon sayisi 2. Ama siz kutunun kapagini açar açmaz kedinin ölü ve veya canli olup olmadigini gördügünüz an tüm bu olasiliklar yok oluyor ve elinizde tek bir bilgi kaliyor. Iste buna Schrödinger’in Kedisi diyoruz. Yani ihtimallerin dünyasi. Hatta kuantum bilgisayarlarin saniyede tasiyabilecegi muazzam bilgi sayisi da tam olarak bununla alakali. Yani bir bit ya 1 ya da 0 degerini alabilir.  Ama bir qubit ayni anda deger tasir: 0,1 ve ikisi.

 

Schrödinger’in bu önerdigi sayilardan çok kisaca bahsedecek olursak:
n ye ‘Bas Kuantum Sayisi’ diyoruz ve bu sayi orbitalin büyüklügünü gösteriyor. Yani n sayisi
büyüdükçe atomun etrafindaki orbitalin hacmi de büyüyor. Hatta n büyüdükçe, o orbitaldeki elektronun enerjisi de büyümüs oluyor.
Bir diger sayimiz, ‘Açisal Kuantum Sayisi’, yani ‘l’. Atom etrafindaki orbitaller küresel(l=0), kutup(l=1), veya yonca yapragi (l=2) gibi biçimlerde olabilir. Tahmin edildigi üzere l=0,yani küre, durumunda bir yöne ihtiyaç yoktur. Ama ‘l’ sayisi 1 veya 2 oldugunda bir yöne ihtiyacimiz oluyor tam tanimlayabilmek için. Iste biz de bu sayiya, ‘Manyetik Kuantum Sayisi’ diyoruz, ‘ml’ olarak gösteriliyor. Bu sayi ise, atomun orbitalinin uzaydaki yönelimini göstermek için kullaniliyor. Manyetik denilmesinin sebebi ise, orbitalin yönelecegi alanin manyetik alandan etkilenecek olmasi.

Iyi güzelde, elektronlar bu bahsettigimiz orbitallerde kafasina göre mi dizilecek? Yani 6 elektronlu bir karbon atomunundaki elektronlar halay çeker gibi tek bir orbitalde mi dizilecekler? Iste tam da burada karsimiza ‘Spin Kuantum Sayisi’ çikiyor. Yani bir orbitalde bulunabilecek elektron sayisi sinirli ve bu sayi 2. Yani ayni orbitalde sadece iki elektron yer alabilir. Biz elektronlarin hem atom etrafinda hemde kendi etrafinda döndügünü biliyoruz. Bunlarin kendi etrafindan dönmesine, spin diyoruz. Dolayisiyla ya saat yönünde ya da saatin tersi yönünde olmak zorundadir bu dönüs. Bu dönüs yönüne ‘Spin Kuantum Sayisi’ denildigini belirtmistik. ‘ms’ olarak gösterilir. Degeri ya 1/2 ya da -1/2.
(Ek not: Bu kural sadece elektron için degil, atomu olusturan tüm parçaciklar için geçerlidir. Eger protunu olusturan 3 kuarktan üçü de ayni enerji seviyesi ve dönme yönüne sahip olsaydi proton olusmazdi.)

Bir örnek verip toplayacak olursak;

6 elektronlu karbon atomunu düsünün. Bunun 1. elektronu en düsük enerji seviyesindeki 1s orbitaline yerlesir. Ikinci elektron da buraya yerlesir, ayni kuantum sayilarina sahiptir sadece ms’si zit isaretlidir. Üçüncü ve dördündü elektronlarda 2s orbitaline yerlesir. Peki 5. elektron?
Bahsetmistik ya, kuantum ana sayisi(n), açisal kuantum sayisi(l) ve manyetik kuantum sayisi(ml) diye. n sayisi bize orbitalin enerji düzeyini
veriyordu. ‘l’ sayisi ise seklini. Bu arada ‘l’ sayisi 0 ile n-1 e kadar deger alabilir. Yani n=4 ise ‘l’ maksimum 3 olabilir(0,1,2 ve 3).
‘ml’ ise ‘-l’ ile ‘+l’ arasinda degerler alabilir. Söyleki, eger n=4 ise l=3 tür ve ml=-3,-2,-1,0,1,2,3 degerlerine sahiptir.
Dolayisiyla, birinci elektronun gösterimi n=1,l=0,ml=0’dadir ve ms=-1/2’dir. 2.elektronda da ayni yerdedir ama sadece ms’si zit isaretlidir.
3.elektron ise n=2.katmana yerlesmek zorundadir. Çünkü l’nin degeri maksimum n-1 oldugundan iki elektron o birinci katmani doldurmus olacak. 3.elektron n=2,l=0(aslinda n-1’den l=1 orbitali de var),ml=0’a yerlesir(l=1 oldugundan ml=1, ml=0 ve ml=-1 olmak üzere 3 orbital daha vardir ve her orbitale 2 elektron yerlesebilir.)  4.elektronda n=2,l=0, ml=0’a yerlesir. 5. ve 6.elektronlar ise bir önceki n=2,l=0, ml=0 orbitalleri doldugundan, n=2,l=0,ml=1 orbitaline yerlesir. Sonrasinda gelecek olan elektronlar ise, sirasiyla n=2,l=0, ml=-1 ve ml=0 orbitallerini doldururlar.

Yani n=4 olan bir atomda toplam 60 tane elektron yer alabilir.

Simdi ise son sözü söylemeye geldi olay, bildigimiz üzere madde parçaciklarina fermiyon dedik. Bu fermiyonlara kuarklar ve leptonlari örnek verdik. Hatta elektronun lepton oldugunu da söyledik. Simdi ise sunu diyoruz; tüm fermiyonlar buçuklu spin’e sahip olmak zorundadir. Yani demin yukarida bahsettigimiz ‘Spin Kuantum Sayisi’ olan ms’nin +1/2 veya -1/2 olasiyla ayni sey. Bozonlar ise, yani kuvvet tasiyiciari,örnek foton, tam sayili spine sahiptirler.

Nihayet cevaba ulastik: Siz bir duvardan geçmeye çalistiginizda, ayni orbitale ayni kuantum sayilarina sahip elektron yerlestirmeye çalisiyorsunuz ve bu açikça fizik kurali ihlali. Çünkü Pauli Dislama ilkesi ayni orbitalde ayni kuantum sayilarina(ayni enerjide) sahip iki fermiyonun olamayacagini söylüyordu. Ve evrende dokunabildigimiz(aslinda kütlesi olan) her sey fermiyon oldugundan, bunlarin içinden geçemeyiz. Peki isik nasil olurda camdan geçer? Ya da röntgen isiklari(x isiklari) neden geçiyor? Çünkü onlar bozon ve ms’leri buçuklu degil tam sayi. Örnek olarak foton’un 1 ama Higgs parçaciginin 0. Bu yüzden ayni orbitallerde bulunabilirler.

Bu Dislama Ilkesi 1945 yilinda Pauli’ye Nobel Fizik Ödülünü de kazandirmistir.

 

Kaynaklar: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13

Total Views: 1498 ,

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.