Atomlar Ve Moleküller

Peki: Madem atomun hemen tamamı boşluk, o zaman iki atom birbirinin, bizler de kucaklaşırken birbirimizin içinden niye geçemiyoruz? Minicik çekirdeklerin kafa kafaya gelmeleri olasılığı çok düşük Bu, elektronlar için, daha da öyle Gerçi yükler birbirini biraz itip kakabilir Ama kucaklaşırken konumlarımızı, hafif yoklamalarla biraz ayarlarsak, sanki birimizin içinden geçebilmemiz gerekir gibi görünüyor Hani kafa kafaya çarpışan birkaç çekirdek de, ne halleri varsa görsünler: Vücutlarımızda her birinden o kadar çok sayıda var ki? Hani geçsek de ne olacak, ama merak konusu

Cisimlerin birbirinin içinden geçebilmesi için, böyle bir çaba sırasında, çekirdekler bir yana; iki cismin atomlarındaki yörünge elektronlarının, parçacık olarak kendilerinin olmasa bile kuantum durumlarının, bir an için örtüşmesi gerekiyor Halbuki elektronlar aynı kuantum durumunu paylaşmayı şiddetle reddediyor ve Pauli'nin dışlama ilkesi böyle bir olayı, tümüyle imkansız kılıyor

Şimdi sırf meraktan da öte; bu ilke sayesindedir ki; örneğin dolu bir su bardağını, görkemli bir dev parçacıklar kolleksiyonu inşaatını, parmaklarımız içinden geçmeksizin sımsıkı kavrayabiliyor ve ağzımıza götürüp, içindeki suyu içebiliyoruz (*)
Neyse: Kafdağı'nın ardındaki elektronları şimdilik bir kenara bırakıp, çekirdeğe biraz daha yakından bakalım Nötronlar yüksüz, protonlarsa benzer yüklü olduklarına göre; aralarındaki elektromanyetik itme kuvvetleri nedeniyle, çekirdek sanki sıkıştırılmış bir yaya benziyor Bu durum: "Yay'ın fırlayıp boşanması, yani çekirdeğin dağılıp gitmesi gerekmez mi, onu bir arada tutan nedir?" sorusunu doğuruyor Bu sorunun yanıtı: "Tabii ki güçlü etkileşim!" Fakat, nötronlar ve protonların renk yükleri nötür olduğuna göre, aralarındaki güçlü çekim nereden kaynaklanıyor? Bu sorunun, "aslında her biri nötür olan atomların neden bir araya gelip de molekülleri oluşturdukları" sorusununkine benzer bir yanıtı var

Gerçi atomlar nötür, taşıdıkları + ve - yükler birbirini dengeliyor Ama bu yükler atomun hacmi içerisinde her yerde aynı, homojen olarak dağılmıyor ve yerel bazı dengesizlikler taşıyor Sonuç olarak, nötür atomların içindeki elektromanyetik kuvvetler, toplamda birbirini dengelemekle beraber, yerel bazı bileşen 'kalıntı'larına sahip bulunuyor

Bunlar atomun, komşu atomların zıt yüklü bölgeleriyle çekim içerisinde olmasına yol açıyorlar Bildiğimiz binlerce çeşit moleküle, bu elektromanyetik kuvvet 'artıkları' veya 'kalıntıları' yol açıyor Çekirdekte de güçü kuvvetler açısından benzer bir durum var Nükleonların renk yükleri nötür olmakla beraber, aralarında bazı 'güçlü kuvvet kalıntıları' bulunuyor Adı üzerinde, güçlü kuvvet: Kalıntıları dahi, o sıkışmış bir yayı saran güçlü bir halat gibi, çekirdeği bir arada tutmaya yetiyor

Dolayısıyla çekirdek de, nötron veya protona benzer şekilde, güçlü kuvvet sayesinde bir arada duruyor Ancak, arada önemli bir fark var Kuarkların boyutu 10-18 m düzeyinde Proton veya nötronunki ise, 10-15 m Dolayısıyla kuarklar, kendilerinin yaklaşık 1,000 katı kadarlık bir hacim içerisinde, doğrudan gluon alışverişi kanalıyla birbirlerine, çok güçlü bir şekilde bağlı bulunuyorlar

O kadar ki; potansiyel ve kinetik enerjilerinin toplamı, nötron veya protonun kütlesinin %98'den fazlasını oluşturmasına karşın, herhangi birisi kaçıp kurtulamıyor Fakat gluon alışverişi, 10-15 m'den sonra etkinliğini kaybediyor Halbuki nükleonun boyutu da, tam bu düzeyde Yani gluon alışverişi, nükleonun hemen dışında sona eriyor Bu durumda; eğer çekirdek içerisindeki nükleonlar birbirlerine dokunurcasına yakın iseler, gluon alışverişi kalıntılarından yararlanabiliyorlar Fakat çekirdeğin yarıçapı 10-15 m düzeyinde ve nükleon boyutunun onlarca katını bulabiliyor O halde; nükleonlar çoğu zaman birbirlerine, gluon eriminin ötesinde bir uzaklıktalar Nasıl oluyor da aralarında güçlü kuvvet kalıntıları bulunabiliyor, ki çekirdek bir arada durabilsin?

Bu sorunun yanıtı, güçlü kuvvetin; yine gluonla başlamakla beraber, farklı bir şekilde gelişen kalıntı yaratma biçiminde yatıyor Çekirdekteki nükleonlar birbirlerine, gluonların doğrudan alışverişinden çok; temelde gluonları kullanan güçlü etkileşimin bir ürünü olan π mezonların alışverişiyle bağlanıyor Gluon alışverişinin anlamını yitirdiği 10-15 m'nin ötesindeki uzaklıklarda, güçlü kuvvet kalıntılarına yol açan, bu mezon alışverişleri oluyor

Alışverişlerde; taraf nükleonların n-n, n-p veya p-p ikililerinden hangisi olduğuna bağlı olarak; her üç π mezonu da rol oynayabiliyor Yandaki şekilde, bir protonla nötron arasındaki güçlü çekim kalıntısının, π+ mezonu aracılığıyla nasıl başarıldığı gösteriliyor Pi mezonları bir bakıma, hadron boyutları sınırındaki veya bu sınırın yakın civarındaki güçlü etkileşim modelinin, kuvvet taşıyıcı parçacığını oluşturuyor veya bu görevi yerine getiriyor

Kısacası; çekirdekteki nükleonlar birbirlerine, nükleonlardaki kuarklar kadar sıkı bir şekilde bağlı değiller Öte yandan; nötron veya protonun kütlesi, kendisini oluşturan kuarkların kütleleri toplamının 60 veya 80 katı iken; bir çekirdeğin kütlesi, o çekirdeği oluşturan nötron ve protonların kütlelerinin toplamından daha az oluyor Çünkü serbest haldeki nükleonlar, çekirdeği oluşturmak üzere bir araya geldiklerinde, kütlelerinin küçük bir kısmı bağlanma enerjisine dönüşüyor Gerçi proton veya nötronu oluşturan kuarkların da bağlanma enerjisi var Hatta nükleonlarınkinden bile yüksek O halde, nükleonun kütlesi niye kuarkların kütleleri toplamından; az olmuyor? Az değil de, 60-80 katı daha fazla oluyor? Çünkü kuarkların, oluşturdukları nükleonun içinde iken, potansiyel ve kinetik enerjileri de o kadar yüksek ki; kütle sonuç aonların potansiyel ve kinetik enerjileri, bağlanma enerjisine göre çok daha az Dolayısıyla, ortaya çıkan çekirdeğin kütlesi, o çekirdeği oluşturan serbest nötronlarla protonların kütlelerinin toplamından daha az oluyor Yani kütle azalıyor ve bu azalma ne kadar büyükse, çekirdeğin bağ enerjisi o kadar fazla veya çekirdek o kadar kararlı demektir En kararlı çekirdekler, orta ağırlıkta olanları Bunları ve daha ağırlarını üretmek zor: Ancak süpernova patlamalarında oluşabiliyorlar