Geçtiğimiz haftalarda okumalarımın birinde sıra en sevdiğim ikinci şey olan fiziğe geldi. Yayın, yazısında “…proton ve elektronun birleşimi sonucunda nötron oluşması…” gibi büyük bir olayı sadece laf arasında geçirmişti. Kısa süreli bir şok etkisinin ardından bu olayın hangi koşullarda ve nerede gerçekleştiğini araştırmaya başladım.
Proton ve elektronun birleşimi
Bu süreci anlamak için öncelikle proton ve nötronun yapılarını incelememiz gerekiyor.
Aşağıdaki görselden de anlaşılabileceği gibi proton ve nötron yukarı kuark (u) ve aşağı kuarklardan (d) oluşur. Bu kuarklar aynı zamanda parçacıklara yük özelliklerini kazandırırlar.
Her biri +2/3 yüklü 2 yukarı kuark protonun pozitif yüklü özellik göstermesine neden olurken nötronda bulunan her biri -1/3 yüklü 2 aşağı kuark ve 1 yukarı kuark birbirlerini nötrler ve yüksüz bir parçacık olan nötronu oluşturular.
Görsel 1 – Proton ve nötronun iç yapısı
Bu yazıdaki tüm görseller bana ait.
Elektronu ise proton ve nötronun aksine kuarklar oluşturmuyor. Elektronlar kendi başına lepton ailesine üye temel bir parçacıktır.
Uygun koşullarda proton ve elektron bir araya gelirse doğrudan bir birleşme gerçekleşmez. Bu süreçte proton elektronu soğurur ve elektronun soğrulan enerjisi protondaki bir yukarı kuarkın türünü değiştirir. Bu değişim sonucunda yukarı kuark aşağı kuarka dönüşür. Ortaya çıkan parçacık artık elektriksel olarak nötrdür.
Süreçte bir eksik fark ettiniz mi, elektron nereye gitti? Korunum kanunları gereği elektron yok olmaz, protonla birleşmesi sonucunda elektron nötrinosu (νₑ) ortaya çıkar.
Nötrinolar maddeyle neredeyse hiç etkileşmeyen temel parçacıklardır, bu yüzden onları tespit etmek son derece zordur. Öyle ki ilk öne sürüldüğünde proton ve elektronun etkileşimi sonucunda kaybolan enerjinin bir yere gitmiş olması gerektiğinden oluşacağı düşünülse de kendisi gözlemlenemedi. Ancak 26 yıl sonra deneysel olarak gözlemlenebildi.
Görsel 2 – Elektron ve protonun etkileşimi sonucunda nötron ve nötrino (ν) oluşumu
Peki proton ve elektron birbirlerini zaten çekmiyorlar mı, birleşmelerinin neresi ilginç derseniz bunun neden gerçekleşmediğini inceleyelim.
Elektron neden çekirdeğe düşmüyor?
Fizik ile içli dışlı biriyseniz bu konuda akla gelecek ilk cevaplardan biri elektromanyetik kuvvetin merkezcil kuvvet olarak davrandığı bir dairesel hareket modelidir. Çekirdeğin ilk keşfedildiği zamanlar bu konu üzerine çalışan araştırmacıların da ilk fikirleri bu olsa da durum bundan çok daha farklıydı.
Bunun nedenini anlamak için öncelikle elektronun bir küre çevresinde dönen top olduğu hayalinizi durdurmanız gerekiyor. Çünkü o topun gerçekten de düşecek bir yeri var ve gerçekten de merkeze yaklaşsa daha kararlı olurdu. Ama bu durum elektronlar için geçerli değil.
Elektronlar klasik anlamda çekirdeğin etrafında dönen bir “top” değildir, dalga fonksiyonu ile tanımlanan bir kuantum dalgasıdır. Bu dalga fonksiyonu, Schrödinger denklemiyle belirlenir ve çekirdeğin potansiyelinde sadece kararlı enerji durumlarına izin verir.
Elektron bu durumda zaten mümkün olan en düşük enerji seviyesindedir, daha aşağı bir enerjiye “düşemez”. Onlar için çekirdeğe biraz daha sıkışmak aynı zamanda enerjilerini yükseltmek demektir.
Elektron çekirdeğe yaklaşırsa -> potansiyel enerjisi azalır
Ama aynı zamanda -> kinetik enerjisi artar (çünkü dalga daha dar alana sıkışır ve momentumu artar)
Anlayacağınız elektronun protonun üzerine düşmesi normal koşullarda pek mümkün gözükmüyor. Ekstrem koşullarda ise durum biraz farklı.
Süpernova: Nötronların Doğumu
Büyük yıldızlar yaşamlarının sonuna yaklaştıklarında çekirdeklerinde ardışık füzyonlar gerçekleşir:
H -> He -> C -> O -> Ne -> Si -> Fe
Her adımda daha ağır elementler üretilir ve yıldız bu süreçten aldığı enerjiyle kendi kütle çekimine karşı koyar.
Ancak zincirin sonunda oluşan demir (Fe), çok kararlı bir çekirdektir. Artık demirden daha ağır elementlerin füzyonu enerji üretmek yerine enerji tüketir.
Çekirdeğinde gerçekleşen füzyonlar sayesinde kendi üzerine çökmeyen yıldızımız ise füzyon azaldıkça bir noktada kendi kütle çekimine yenik düşer ve içe doğru çökmeye başlar.
Bu süreçte çekirdek yoğunluğu o kadar artar ki elektronlar gerekli enerjiyi kazanır ve protonlar tarafından yakalanır. Yıldız çekirdeğindeki bu protonlar nötronlara dönüşürken, neden nötron yıldızları diye adlandırdığımızı anlamışsınızdır, dışarıya muazzam miktarda nötrino saçılır. Ortaya çıkan nötron yoğunluklu çekirdek bir kuantum mekaniği yasası olan Pauli dışarlama ilkesi sonucu oluşan dejenere nötron basıncı sayesinde çöküşü durdurur ve aniden duran çöküş dış katmanların sekerek dışa savrulmasına neden olur. Bu son olayı süpernova patlaması olarak tanıyoruz.
Yani bu çöküşün devam edip kara delikle sonuçlanmama sebebi dejenere nötron basıncı. Eğer yıldızın kütlesi daha da büyük olsaydı bu basınç üstün gelip çöküşü durduramayacak, süpernova hiç yaşanmayacak ve yıldızımız birkaç saniye içinde bir karadeliğe dönüşecekti.
Ama problem yok, bizim yıldızın çökmesine daha var.