Kuantum Fiziğine Giriş 5

Parçacık bozunması (Decay) ve Yokolma (Annihilations)
Bozunma (Decay) nedir?
Standard Model bazı parçacıkların neden bozunduğunu açıklar.
Nükleer bozunmada atom çekirdeği daha küçük çekirdeklere bölünebilir. Bu normaldir ama bozunma değildir. Bozunma temel parçacık yani daha fazla bölünemeyen parçacıklara özgüdür. Yani, parçacık bozunması temel parçacığın diğer bir temel parçacığa dönüşümüdür. Bu biraz tuhaf. Zira, bozunan parçacık tamamen farklı bir temel parçacığa dönüşür.
Şimdi biraz da bozunma türleri, nasıl olduğu ve hangi koşullarda bozunmanın gerçekleşip gerçekleşmediğine bakalım.
Radyoactivite
1800 lü yılların sonuna doğru Alman fizikçi Wilhelm Röntgen, bir elektron demetinin meyal yüzeye çarpmasıyla "x ışınları" denilen yeni bir ışın oluştuğunu gözledi..
İki ay sonrasında Fransız fizikçisi Henri Becquerel, Uranyumun doğal olarak –herhangi birenerji verilmeden- benzer ışınları saçtığını gözledi. Bozunma sebebiyle stabil olmayan atomların saçtığı enerjili parçacılara radyoactivite denildi.

Radyoaktif Parçacıklar
Bilim adamları nihayet radyoaktif bozunma ile oluşan birkaç tür radyasyonu anladılar. Yunan alfabesi ile gösterilen üç çeşit radyasyon: (alfa), (beta), and (gama) olarak kabul edildi.
Helyum çekirdeğinin alfa parçacığı (2 p, 2 n)
Hızlı elektronlar (Beta parçacıkları)
Gama radyasyonu yüksek enerjili fotonlar
Üç parçacık da magnetik alandan etkilenir,
• Pozitif yüklü alfa parçacığı bir yöne sapar,
• Negatif yüklü beta parçacığı ters yönde sapar,
• Ve yüksüz gama radyasyonu sapmaz.
Alfa parçacığı bir kağıt ile tutulurken, beta parçacığı bir aluminyum kağıt ile engellenebilir. Ama gama ışını için kalın bir demir tabakası gerekir..

Radyoaktif bozunma (decay) üzerine bazı kafa karıştıran konular
Bazı ağır metaller daha hafif elementlere dönüşürler ama yakın bir inceleme kafa karıştıran meseleleride beraberinde getiriyor.
Örneğin uranyum-238 bozunmasına bakalım.
Bir uranyum-238 parçası sabit bir oranda 4,460,000,000 yıl boyunca kütlesini yarıya indirir. Fakat belirli bir uranium atomunun ne zaman bozunacağını söylemek mümkün değildir. 5 dakika sonra da olabilir bir milyar yıl sonrada! Bir atom neden sadece olasılıklar çerçevesinde bozunacaktır?
Uranyum-238in kütlesi 238.0508 atomik kütledir(u). Alfa parçacığı (4.0026 u) saçarak bozunur ve Toryum’a (234.0436 u) dönüşür.Ama uranyum'un kütlesi azalmıştır. Neden kütle azalmıştır?
Çekirdeğin içine bakalım
Bu sorulara cevap vermeden önce, çekirdeğin doğasına ve quantum mekaniğine bakalım.
Protonlar pozitif yüklüdür ve elektrik olarak birbirlerini iterler. Eğer gluonlar vasıtası ile bir arada tutulmasalardı çekirdek parçalanırdı. Buna güçlü nükleer kuvvet diyoruz.
Çekirdeği sıkıştırılmış bir yay olarak düşünürsek, itici güç elektrik itmedir. Etrafına sarılan halat ise güçlü nükleer kuvvet olarak düşünülebilir. Yay’da birkmiş büyük bir enerji olmasına rağmen halat sağlam olduğundan yay açılamaz.

Bir olasılık varsa o olacaktır.
Atomaltı parçacıklar günlük hayatta alıştığımız gibi davranmazlar. Bir parçacığın ne yapacağını söylemek mümkün değildir, sadece ne yapabileceğini söyleyebiliriz.
Proton ve nötronlar çekirdek içinde hareket ederken alfa parçacığı olup (2p-2n) çekirdek dışına çıkma olasılığı uranium gibi büyük çekirdeklerde daha fazladır.
Alfa parçacığı güçlü nükleer kuvveti yenip çekirdek dışına (radyasyon) çıkabilir.

Kayıp kütle
Soruya hala cevap vermek durumundayız. Radyoaktif bozunma ile eksilen kütle nerede? Uranyum çekirdeği radyoaktif bozunma ile kaybettiği kütlesi kinetik enerjiye dönüşür.
Parçacık bozunmasının taşıyıcıları
Atom çekirdeği bölünmekle daha küçük parçaları oluşturmakla birlikte temel parçacıklar nasıl olur da daha küçük temel parçacıklara dönüşebilirler? Temel parçacıklar bölünemez ama başka parçacıklara dönüşebilirler.
Bir temel parçacık bozunarak daha az kütleli bir parçacığa dönüşürken yanında kuvvet taşıyıcı (her zaman W boson) oluşur. Bu kuvvet taşıyıcılar (force carrier) daha sonra yeni parçacıklara dönüşebililer.
Çok defa bu geçici kuvvet taşıyıcılar enerji korunumu yasasını ihlal eder gibi görünsede, ömürleri çok kısadır ve ‘Heisenberg Belirsizlik Prensibi, çerçevesinde değerlendirildiğinde kaide bozulmaz. Bu parçacıklara ‘virtual parçacıklar denilir.