Güçlü Nükleer Kuvvet Ne Kadar Güçlü?

Güçlü nükleer kuvvet atom çekirdeklerini bir arada tutuyor, proton ve nötronları oluşturuyor. Nükleer enerji ve nükleer silah üretmeyi sağlıyor. Peki nasıl çalışıyor? Bu yazıda Güneş’in nükleer füzyonla enerji üretip ısı ve ışık saçarak Dünya’ya hayat vermesini sağlayan en güçlü fizik kuvvetini göreceğiz. Severek ve merakla okuduğunuz khosann.com da 7 yaşına girdi. Özel 7 yaş yazısı kutlu olsun.

Her şeyin başı 4 fizik kuvveti

Evreni dört temel fizik kuvveti veya teknik adıyla dört fiziksel etkileşim organize ediyor. Bunlar yerçekimine yol açan kütleçekim kuvveti, elektrik alanı ile manyetik alana yol açan elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvettir. Gerçi içlerinde en zayıf kuvvet olan yerçekimini kütleçekim dalgaları, karanlık madde, kara delikler ve ışık hızı bağlamında gördük.

Adı zayıf olsa dahi kendisi oldukça güçlü olan zayıf nükleer kuvveti solak evren, elektron neden sol elli ve içinde kara delik olan yarım yıldızlar başlıklarıyla ele aldık. Bu vesileyle cisimlerin kütle kazanmasını sağlayan Higgs enerji alanına kısa bir giriş yaparak Çerenkov radyasyonu ve Dünya’nın manyetik alanı yazılarında da elektromanyetik kuvveti inceledik.

Öte yandan, atomları bir arada tutan ve atomu parçaladığımız zaman nükleer enerji ile nükleer patlama üretmemizi sağlayan güçlü nükleer kuvvetten pek söz etmedik. Oysa ısı ve ışık saçarak Dünya’ya hayat veren Güneş, bunun için gereken enerjiyi güçlü nükleer kuvvetle üretiyor!

Sarı cüce yıldızımız 15.000.000° sıcaklıktaki çekirdeğinde küçük atomları birleştirip daha büyük atomlar sentezleyerek muazzam bir enerji açığa çıkarıyor ki buna nükleer füzyon diyoruz. Peki Güneş hidrojen çekirdeklerini birleştirerek helyuma dönüştürürken nasıl enerji üretiyor? Tabii ki potansiyel enerji ve güçlü nükleer kuvvet sayesinde! Öyleyse bize yaşam veren güçlü kuvveti yakından tanıyalım:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Güçlü nükleer kuvvet

Her şeyden önce söz konusu kuvvetin varlığını nereden biliyoruz? Bu sorunun yanıtı nükleer silahların icadı ve nükleer enerjinin keşfiyle yakından alakalı:  1911 yılında Ernest Rutherford atomun temel yapısını keşfetti. Biz de maddenin yapıtaşı olan elementlerin atomlardan yapıldığını öğrenmiş olduk. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, atom teorisi felsefede bilimden eskidir.”

Doğru, ben de İstanbul Üniversitesi Felsefe mezunuyum ve Eski Yunan filozofu Demokritos’un atom teorisi en sevdiğim konulardan biridir. Ancak, Demokritos’a göre maddenin yapıtaşı olan atomlar (gözle görülemeyecek kadar küçük olsalar da) bölünmez temel birimlerdi.

Oysa Rutherford atomu bilimsel olarak keşfetti ve pozitif elektrik yüklü yoğun bir çekirdek ile bunun çevresinde dönen negatif yüklü bir elektron bulutundan oluştuğunu ortaya koydu. Bu da atomların bile daha küçük parçalardan meydana geldiğini ve daha küçük parçalara bölünebileceğini gösterdi. Güçlü nükleer kuvveti anlamak için ilk bilmemiz gereken de budur. Peki sırada ne var?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Protonun keşfi

Nitekim Rutherford 1917 yılında pozitif yüklü bir parçacık olan protonu keşfetti ve atom çekirdeğinin daha küçük parçalardan oluştuğunu ortaya çıkardı. Ancak, buraya dek güçlü kuvvetten ziyade elektromanyetik kuvvetten söz ettiğimi fark etmişsinizdir.

Sonuçta protonlar pozitif yüklü ve çekirdek çevresinde dönen elektronlar da negatif yüklüdür ki elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker. Bu sebeple bir atomun protonlara eşit sayıda elektronu varsa o atomun elektrik yükü nötr olacaktır. Elbette bunun kimyada çok önemi var; ama konuya güçlü nükleer kuvvet açısından bakalım:

Madem çekirdek pozitif yüklü elektronlardan oluşuyor (ve ağır elementlerle izotoplarda protona ek olarak elektrik yükü sıfır olan nötronlar içeriyor), öyleyse çekirdekler parçalanıp dağılmadan nasıl bir arada duruyor? Sonuçta eş yükler birbirini ittiği için protonların da birbirini itmesi gerekmez mi? Oysa sırf küçük oldukları için yan yana geldiklerinde birbirlerini itmelerini küçümsemeye kalkmayın:

Elektromanyetik kuvvet kısa menzilli olsa da çok güçlüdür: Protonlar ise 0,84 x 10^-15 metre çapında olup elektrondan 1836 kat ağırdır. Gerçi 1,6726219 × 10^-24 gram olan proton kütlesinden yola çıkarak bunlar ateş olsa cürümü kadar yer yakar diyebilirsiniz; ama bitişik protonlar birbirini 9 kg’a eşdeğer bir kuvvetle iter! Öyleyse onları bir arada tutan çok güçlü bir kuvvet olmalı. Elektromanyetik kuvvetten bile güçlü bir şey: Buna evrendeki en güçlü kuvvet olan güçlü nükleer kuvvet diyoruz.

İlgili yazı: Biyonik Böbrek ile Diyaliz Derdine Son

 

Oysa güçlü nükleer kuvvet olmasa

Ve siz de muazzam tıpkı nükleer füzyon reaksiyonları gerçekleştiren Güneş’in çekirdeğinde olduğu gibi aşırı yüksek ısı ile basınçla protonları birbirine o kadar yaklaştırırsanız; bunlar güçlü kuvvet olmadan birini iterek saniyede 12 bin 800 km hızla uzaklaşacaktır.

Bu arada sadece iki protondan oluşan en basit durumu örnekledik. Nükleer silah malzemesi ve nükleer güç santrali yakıtı olarak kullanılan uranyumda ise 92 proton var! Bu da atom çekirdeklerini parçalayarak nasıl enerji ürettiğimizi açıklıyor: Bu muazzam potansiyel enerjiyi bir anda serbest bırakmış oluyoruz.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Güçlü nükleer kuvvet atomlar için şart

Bu da ne demek biliyor musunuz? Uranyum çekirdeği yüzeyindeki en dış protonların, diğerlerinin uyguladığı elektromanyetik itişle 31 kg’dan daha büyük bir güçle çekirdekten dışarı itilmesi demek! Özetle bu kadar proton birbirini itiyorsa neden bir arada duruyorlar? Keyiften durmadıklarına göre bunun bir sebebi var. Güçlü nükleer kuvvet:

Şimdi diyeceksiniz ki hocam neden tekrarlıyorsunuz? Çünkü birçok popüler bilim sitesinde bu kuvvet Japon yapıştırıcı gibi anlatılıyor da ondan. Oysa hiç alakası yok. Mesela protonları bir arada tutan güçlü kuvvet, neden civardaki atomları da birbirine yapıştırıp madde yoğunluğunu artırarak evrendeki bütün cisimleri kara deliğe dönüştürmüyor?

Bunun tek sebebinin atomların çevresindeki elektronların, diğer atomların çevresindeki elektronları itmesi olduğunu mu sanıyorsunuz? Hani güçlü nükleer kuvvet elektromanyetik kuvvetten güçlüydü? Elektron itişini yenemez mi?

Peki atomu parçalamak neden bu kadar enerji üretiyor ve dahası, küçük atomları birleştirip büyük atom sentezlemek, neden atomu parçalamaktan en az 8 kat daha fazla enerji üretiyor? Bunu çekirdeğin muazzam potansiyel enerjisini serbest bırakıp kinetik ve termal enerjiye çevirerek yaptığımızı söylüyoruz. İyi de bu muazzam potansiyel enerji nereden geliyor?

Güçlü nükleer kuvvet sürpriz yapar

Proton kütlesi sadece 1,6726219 × 10^-24 gram olduğu için 92 protonlu uranyum çekirdeği bile bu kadar büyük enerji açığa çıkaramaz. Marifet tabii ki güçlü nükleer kuvvette ve onun kendine özgü bazı özelliklerinde; ama bunu güçlü kuvvet proton yapıştıran tutkala benzer diyerek anlatamayız. En iyisi olaya daha yakından bakalım:

İlgili yazı: Dünya’nın İki Uydusu Olsa Ne Olurdu?

 

Hem güçlü hem esnek kuvvet

Öyleyse güçlü nükleer kuvvet hakkında güçlü olması dışında ne biliyoruz? Bir kere elektromanyetik kuvvetten 100 kat güçlü olduğunu biliyoruz. Peki neden bütün evreni tek bir dev atom çekirdeği halinde, aslında evren ölçeğinde süper kütleli kara deliğe dönüştürmüyor?

Bunun detayları için Dünya’nın en ağır elementi, periyodik tablo ve radyoaktif atıkları lazerle temizleyeceğiz yazılarına bakabilirsiniz. Ancak, asıl ipucu periyodik tablodaki en ağır kararlı elementin 100 proton içermesidir. Daha fazla değil.

İpucu derken: Daha çok proton içeren bir element olsa en dış protonlar elektromanyetik kuvvet tarafından 31 kg’dan çok daha büyük bir güçle itilirdi. Eh, 100 protondan daha fazlasını içeren kararlı bir element olmadığına göre nükleer fizikte bir şeyler dönüyor. Peki neler oluyor? Bunun sırrı güçlü kuvvetin elektromanyetik kuvvetten en büyük farkında yatıyor:

Elektromanyetik kuvvetin menzili sonsuzdur. Eş yüklü iki parçacık birbirini gözlemlenebilir evrenin dışına kadar itecektir. Tamam, 92 milyar ışık yılı çapındaki evrenin iki ucundaki birer parçacık için itiş gücü dikkate alınmayacak kadar zayıftır. Ancak Maxwell denklemlerine göre vardır.

Kısa menzilli kuvvet

Güçlü kuvvetin menzili ise çok kısa. Böylece çok büyük çekirdeklerde gücünü yitiriyor ve süper ağır elementler oluşmasını zorlaştırıyor. Bu açıdan yapışkan bantlara benziyor. İki yapışkan bant birbirine değmediği sürece aralarında çekim yoktur. Oysa değdiği anda bunları birbirinden ayırmak zordur; ama bu bile nükleer füzyon ile neden o denli yüksek enerji ürettiğimizi açıklamaya yeterli değil. Bunun için bir noktaya daha dikkat etmeliyiz:

İlgili yazı: Evrenin Şekli Hakkında Kozmolojik Kriz Çıktı

 

Güçlü nükleer kuvvet çok esnektir

Aslında yay gibi esnektir ve bunu anlamak için de atom çekirdeğini oluşturan protonlarla nötronlara bakmamız gerekiyor. Nötronların elektrik yükü sıfır dedik. Bunların kütlesi ise neredeyse protonlara eşittir; ama biraz daha ağırdırlar. Her durumda, nötr oldukları için elektromanyetik kuvvet tarafından itilmezler ve güçlü kuvvete tabi olarak doğanın ağır elementler oluşturmasına izin verirler.

Gerçekten de elektromanyetik kuvvetin hakkını yemeyelim: O da güçlüdür ki en güçlü nükleer kuvvet bile, salt protonlardan oluşan ve iki protondan daha fazlasını içeren bir atom çekirdeğini bir arada tutamaz. Ağır elementler nötron içerdiği için daha çok proton da içerebiliyor. Kısacası 92 protonluk en kararlı Uranyum çekirdeği tam 146 nötron içermeden var olamazdı.

Güçlü nükleer kuvvetin esnekliği içinse çok daha derine, proton ve nötronları oluşturan parçacıklara bakmamız lazım. Nitekim Rutherford atom çekirdeğinin tek parça olmadığını görünce şaşırmıştı; ama protonların daha küçük parçalardan yapıldığını bilse iyice şaşırırdı.

Protonlar ve nötronlar üçer kuarktan oluşuyor. Bunları da birbirine gluon denilen güçlü nükleer kuvvet taşıyıcısı parçacıklar bağlıyor (zaten gluon yapıştırıcı parçacık demek). Bağlıyor derken, kuarklar aralarında sürekli gluon alışverişinde bulunuyor. Bu alışveriş bizim güçlü nükleer kuvvet çekimi olarak algıladığımız fiziksel etkileşimi yaratıyor ki bunu 1970’lerden beri biliyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Güçlü nükleer kuvvet ve kuarklar

Proton ve nötronlara atom çekirdeklerini oluşturdukları için nükleon diyoruz (İngilizce çekirdek anlamına gelen nucleus sözcüğünden yola çıkarak). Nükleonların çapı ise metrenin yaklaşık katrilyonda biridir. Kuarklar güçlü nükleer kuvvet tarafından belirlenen bu çaptaki hayali kürenin içinde neredeyse ışık hızında giderek dolanır.

Kısacası güçlü kuvvet bile kuarkları nükleonlardan daha büyük parçacıklar oluşturacak; yani birbirinden daha uzakta gruplanacak şekilde bir arada tutamaz. Kuarklar çok küçük, boyuna göre kütleli ve ışık hızına yakın hızda gittikleri için de çok enerjiktir. Bu da onları bir arada tutmak açısından güçlü kuvvetin menzilini kısaltır.

Kuarklar aynı zamanda durağan kütlesinden çok daha iri cüsselidir. Sonuçta ışık hızına yakın hızda gittikleri için kütlesi daha da artar. Ayrıca m=E/c² gereği kütle enerjiden türer. Bu da kuarkları birbirine bağlayan ve kütlesiz olduğu için ışık hızında giden gluonların kinetik enerjisini de protonlarla nötronların kütlesine eklememiz gerektiği anlamına gelir.

Öyleyse nükleonların kütlesi üç kuark kütlesinin toplamı, ışık hızına yakın giden üç kuarkın kütlesindeki artış ve gluon enerjisi birbirine eklendiği için bu kadar büyüktür. Evet, ayrıca yazacağım kuantum renk dinamiğine de şöyle bir göz attığımıza göre sıra nükleer kuvvetin esnekliğine geldi. Öncelikle bunun bir kuantum kuvveti olduğu, yani kuantum fiziğine tabi olduğuna dikkat edelim.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Güçlü nükleer kuvvet renkleri

Renk dinamiği derken, güçlü nükleer kuvvetin de tıpkı eksi ve artı elektrik yükü gibi kendine özgü yükleri var: Bunlara son derece yaratıcı bir şekilde kırmızı, mavi ve yeşil diyoruz. 🙂 Ancak, üç yükü birbirinden ayırmamızı kolaylaştırsa da bunların gerçek renklerle alakası yoktur, hiç karıştırmayın.

Nasıl ki elektromanyetik kuvvetle eksi yüklü elektronlar ve artı yüklü protonlar birbirini foton alışverişi yaparak etkiliyor (ışık parçacığı olan fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır), kuarklar da birbiriyle gluon alışverişi yoluyla etkileşim kuruyor.

Buna ek olarak fizikçiler karmaşık nükleer fizik denklemlerini kolayca ifade etmek için bunlara göre gerçekleşen parçacık etkileşimlerini Feynman diyagramları halinde çiziyor. Elektromanyetik kuvvet etkileşimlerini dalga gibi çizerken, güçlü nükleer kuvvet etkileşimlerini de helezon yay halinde çiziyor.

Ancak, güçlü kuvvet renklerinin tersine bunu kafadan atmış değiller: Yay halinde çiziyorlar; çünkü güçlü nükleer kuvvet yay gibi esnektir. Nitekim resimde bu çizimlerin karmaşık denklemleri simgelediğini görebilirsiniz. Peki yay gibi esnek kuvvet ne demektir?

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Güçlü nükleer kuvvet ve gluonlar

Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan fotonlar birbiriyle hiç etkileşim kurmaz. Bir odaya ışık tutup saniyede trilyonlarca foton gönderseniz bile bunlar birbirinin farkında bile olmaz. Öte yandan, güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısı olan gluonlar birbiriyle etkileşim kurar.

Nükleer kıyamet de buradan kopar; çünkü bu özellik güçlü kuvveti esnek kılar ve onu kullanarak nükleer füzyonla büyük miktarda enerji üretmemizi sağlar. Hatırlayacak olursanız atomu parçalayarak veya kaynaştırarak enerji üretmeyi, Güneş’in füzyonla ısı ve ışık saçmasını VE bütün o korkunç nükleer patlamaları hep güçlü kuvvete borçluyuz.

Nasıl derseniz iki mıknatıs alın ve zıt kutuplarından yaklaştırarak birbirine yapıştırın. Sonra da onları birbirinden ayırmaya çalışın. Başlangıçta zorlanacaksanız; ama iki mıknatıs arasındaki mesafe artınca elektromanyetik kuvvet zayıflayacak ve onları kolayca ayıracaksınız.

Oysa lastik ip alıp iki ucundan çekmeye çalışırsanız ip iyice gerilmedikçe size bir direnç göstermez. Ancak, gerilmeye başladıktan sonra ne kadar gerilirse daha fazla gerilmeye de o kadar dirençli olacaktır. Güçlü nükleer kuvvet esnek olduğu için onun için de aynı şey geçerlidir:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Elastik kuvvet

Güçlü kuvvet nükleonları oluşturan kuarkları işte bu şekilde küçük parçacıklar oluşturacakları dar çaplara çeker. Bunun sebebi sadece kısa menzilde çok güçlü olması değildir. Aynı zamanda, ışık hızına yakın hızda giden kuarklar birbirinden kopup savrulma eğilimi göstererek aradaki mesafeyi açtığında, onları çok daha güçlü bir şekilde birbirine çekmesidir.

Özetle bu esneklik kuarkların nükleonlar içinde çok hızlı hareket etmesine izin verir; ama nükleonların dışına çıkmasına izin vermez. Bu da proton ve nötronların boyuna göre muazzam miktarda potansiyel enerji barındırmasını sağlar ki bu enerji yalnızca kuarkları bir arada tutarak elde edebileceğinizden çok daha yüksektir. Aynı zamanda elastikiyet bazlı kinetik enerjidir.

Peki bu sayede atomu nasıl parçalarız? Nötronlar büyük kütleye sahip olduğu için atom çekirdeğine çarptığında büyük ölçüde momentum ve kinetik enerji aktararak özellikle büyük atomları daha kolay parçalar. Keza küçük atomları birleştirdiğiniz zaman da elektromanyetik kuvveti yenerek onları bir arada tutuyor olursunuz.

Bu da serbest nükleonların kinetik enerjisini aniden potansiyel enerjiyle sınırlamak anlamına gelir. Öyle ki nükleonun uzayda serbest gezerken sahip olduğu momentumun (dolayısıyla kinetik enerjinin) yeni atom çekirdeği oluştururken ortama verilmesi gerekir. Bu da hidrojen çekirdeklerini daha cüsseli helyum atomları halinde sentezlediğiniz zaman atomu parçalamaktan +8 kat enerji üretmenizi sağlar.

İlgili yazı: Evren Neden Var? Nötrinolar ve Leptonlar Açıklayabilir

 

Nükleer kuvvet bizi var etti

Peki kuarklar büyük patlamadan sonra bir araya gelerek nasıl olup da nükleonları oluşturdu? Sonuçta bu kadar küçük ve enerjik parçacıklar oluşturmak için büyük patlama enerji değerlerini üretmemiz gerekir. Oysa evren büyük patlamadan sonra çok çabuk soğudu.

Öyleyse neden bütün kuarklar proton ve nötronlar oluşturacak şekilde birbirine bağlandı? Güçlü kuvvetin elastikiyet ötesinde bir özelliği olmasa bu bile evrendeki çok sayıda nükleon oluşturmayı başaramazdı. O zaman da Dünya ve insan vücudunu oluşturan elementler var olamazdı.

Oysa daha basit soralım: Madem yüksek hızlı nötronlarla atom çekirdeklerine ateş edip onları parçalıyoruz, öyleyse neden nötronlar diğer nötron ve protonları da parçalamıyor? Bu çarpışmalar nükleonları oluşturan kuarkları koparıp uzaya savurmuyor mu? Aslında savuruyor!

Ancak kuarklar uzaklaştıkça onları daha güçlü şekilde nükleonun içine geri çeken güçlü nükleer kuvvet yay veya lastik gibi geriliyor ve aşırı gerilince tabii ki kopuyor. Kopan kuvvetin enerjisi de bir kuark ve anti kuark çifti oluşturuyor. Orijinal kuark gittikçe uzaklaşırken, güçlü kuvvet daha çok noktadan koparak yeni kuark çiftleri ve sonuçta bir tür kuark jeti oluşturuyor.

Güçlü nükleer kuvvet ve madde

Bu jeti oluşturan tüm kuarklar nükleondan aşağı yukarı aynı yönde giderek uzaklaşıyor. Peki güçlü nükleer kuvvetin böyle çok noktadan kopması ne anlama geliyor derseniz, işte sizi beni var ediyor! Bu özellik nötron yıldızı çekirdeği gibi özel yerler hariç evrende serbest kuark bulunmasını engelliyor; çünkü bütün bu kuarkları proton ve nötronlar oluşturacak şekilde yeniden birleştiriyor.

İlgili yazı: Negatif Kütle ile Zaman Makinesi Yapılır mı?

 

Bu daha başlangıç

Şansımıza patlama jetleri dediğimiz bu parçacık yaratım sürecini görmek için nötron yıldızı çekirdeğine bakmak gibi imkansız şeyler yapmak zorunda değiliz. Parçacık hızlandırıcılarda protonları kafa kafaya çarpıştırıp parçaladığımız zaman onları kuark ve gluonlara; yani kuark-gluon plazmasına ayırabiliyoruz.

Bu da büyük patlamaya yakın anlarda evrenin nasıl oluştuğuna dair kozmoloji teorileri geliştirmemizi sağlıyor. Siz de resimde bu jetlerin detektörlerdeki izlerini görebilirsiniz. Peki fizikçiler protondan 4 kat ağır olan yeni parçacığı nasıl buldular? CERN hızlandırıcısında keşfedilen yeni parçacıkları hemen okuyabilir ve evrenin sırlarını çözmek için planlanan 8 kat güçlü çarpıştırıcıya şimdi bakabilirsiniz.

Kinetik ve potansiyel enerjiyi kullanarak ışık hızının yüzde 99’una ulaşacak yeni roket tasarımını da bu sayede görebilirsiniz. Bugün aynı zamanda blogumuzun doğum günü! Merakla ve severek okuduğunuz bilim teknoloji blogu khosann.com 7 yaşına girdi ki 2012’den beri çok yol aldı.

Amatör blog yazısı formatından çıkıp hakemli dergi referansları kullanan haber-analiz formatına geçti. Ancak, amatör ruhunu hiç kaybetmedi; çünkü severek yazıyor ve çeviri yapmak yerine, 7 yıldır orijinal içerik üretiyorum. Siz de sürekli yeni yazılar isteyerek destek verip blogu bugünlere getirdiniz ve çıtayı yükseltmemi sağladınız. Var olun! Bilgi paylaşıldıkça güzel. 🙂

En güçlü fizik kuvveti

¹A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius
²Nuclear Forces from Lattice Quantum Chromodynamics