Fermiyon ve bozon
Fermiyon (fermion, İtalyan teorik ve deneysel fizikçi Enrico Fermi Usta'nın adından) spin de denilen açısal momentumlarla karakterize edilen parçacıktır. Elektron, proton ve nötron gibi spinleri 1/2'nin tam katları olan bütün parçacıklar Pauli ilkesine ve Fermi-Dirac dağılımı denen quantum istatistiksel fonksiyona tabidir. Bu parçacıklara toplu halde fermiyonlar denir.
p-mezonlar (piyonlar) ve alfa parçacıkları gibi tamsayı spinlere sahip parçacıklar Pauli ilkesine tabi değildir ve başka bir quantum istatistiksel fonksiyonla tanımlanmaları gerekir. Tamsayı spinli parçacıklar Bose-Einstein dağılım fonksiyonuyla tanımlanırlar ve onlara toplu halde bozon (boson, Satyendra Nath Bose'un adından) denir.
Fermiyonların aynı quantum durumunda bulunmaları yasaktır. Bu nedenle, sözgelimi, iki atom aynı hacme sığmaz, aynı yerde bulunamaz. Ancak bozonlar bu şekilde kısıtlanamaz: Aynı tek hacimde çok sayıda bozon bulunabilir. Bozonlar aynı quantum durumunda bulunmayı tercih ederler.
|
Gergin bir yay veya telde genlik ve genişlikleri eşit iki atmanın girişimi Dalgalar aleminde trafik kazaları olmaz. İki dalga karşılaştığında birbirlerinin içinden geçerler ve ve hiç bir şey olmamış gibi yollarına devam ederler. Ayrıca herhangi bir yerde sayısız dalga bir arada birlikte bulunabilir. |
Günlük hayatta bozonlara verilebilecek bir örnek su dalgalarıdır. Bir havuzun her tarafından oluşturulan dalgaların bir noktada toplandığını düşünelim. Dalgalar oraya gelir ve orada bileşke dalga oluşur. Dalgaları öyle ayarlayabiliriz ki oradaki bileşke dalganın genliği sıfır olabilir. Baktığımızda o noktada suyun yüzeyini dümdüz görürüz, sanki hiç hareket yokmuş gibi. Dalgalar birbiri içinden geçebilir. Onların dünyasında trafik kazaları olmaz.
Bozonların bildik maddeden farklı davranışlarına örnek olması için laboratuvarda incelenebilen bozonların en ilginci sıvı helyumun bazı özelliklerini sıralayalım:
Helyum gazı soygazların en soy olanıdır. Hiç bir bileşik yapmaz ve bütün madde içinde bilinen en düşük kaynama noktasına sahiptir: 4.18 K ya da sıfırın altında 268.82 C.
4.18 K'nin altında helyum sıradan sıvılara çok benzer davranır. Helyum kaynarken, kaynayan su gibi, kaçan gaz kabarcıklar oluşturur. Sıvı daha da soğutulursa 2.18 K'de ani bir geçiş olur: Şiddetli kaynama durur, sıvı tamamen sakinleşir ve durgunlaşır. Buharlaşma sadece yüzeyden devam eder.
Sıvı 2.18 K'nin altında soğutulmaya devam edilirse hem özısı hem de termal (ısıl) iletkenliği ani ve kesintisiz bir şekilde artar. Özısının sıcaklığa bağlı olarak çizilen grafiği Yunanca lamda (l) harfine epey benzediğinden 2.18 K'deki geçiş noktasına lamda noktası denir. Lamda noktasında termal iletkenlik şöyle böyle 1 milyon katına kadar çıkar.
Herhangi bir sıvı dar kılcal bir borudan akarken sıvının viskozitesi akışa karşı biraz direnç gösterir. Sıvı helyum lamda noktasında kılcal bir borudan akarken onun viskozitesi hemen hemen 1 milyon katına iner. Sıcaklığı lamda noktasının altına düştüğünde, lamda noktasının üstündeyken geçemeyeceği kadar dar kılcal borulardan Hayalet Casper'in duvarlardan geçmesi gibi kolaylıkla geçer.
Lamda noktasının altında sıvı helyumun görünüşte yerçekimine karşı koyma gücü vardır: İçinde bulunduğu kabın duvarlarına tırmanır. Kabın çeperlerini kaplayan ince bir tabaka oluşturur. Kalan sıvı bu tabaka tarafından sifon gibi yukarı çekilir. Kabın agzından dış yüzeye geçen sıvı oradan aşağı kayarak kabın altında damlacıklar oluşturur.
Bütün bu olaylar Bose-Einstein dağılımıyla açıklanır. Helyumun iki elektronunun toplam açısal momentumları (spinleri) ve çekirdeğindeki iki proton ve iki nötron eşlenip toplandığında çekirdeğin net spini sıfır olur. Böylece helyumun atom olarak net spini sıfır olur. Sıvı helyuma bu ilginç özellikleri kazandıran onun süpersıvı bileşenidir. Lamda noktasında süpersıvı bileşeni baskın hale gelir. Sıcaklık düştükçe süpersıvı özellikleri daha bariz olarak ortaya çıkar. Sıvı helyuma bu nedenle quantum sıvısı da denir. Süpersıvının atomları Pauli ilkesine tabi olmadıklarından sıvının bütün atomları aynı tek quantum durumundadır. Atomlar işbirliği içinde hareket ederek süpersıvıya bu acayip özellikleri sağlar.
