Spin Sınıflandırması

Parçacıkların sınıflandırılmasında kullanılan temel parametrelerden biri “spin”leri, yani içsel açısal momentumlarıdır. Spini buçuklu olan fermiyonlar, Pauli dışarlama ilkesine uyarken, spini tam sayı olan bozonlar uymaz. Elektron, ½’lik elektron spini olan bir fermiyondur.

Parçacıkların spin sınıflandırması, bir parçacık topluluğundaki enerji dağılımının yapısını belirler. Tam sayı spinli parçacıklar Bose-Einstein istatistiğine uyarken, buçuklu spinli parçacıklar Fermi-Dirac istatistiğine göre davranır.

Dizin

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği ***** Parçacıklar

R Nave

Geri Dön





Fermiyonlar

Fermiyonlar, spini buçuklu olan parçacıklardır ve dolayısıyla Pauli dışarlama ilkesine uyarlar. Tam sayı spinli parçacıklar ise bozonlardır. Fermiyonlara örnek olarak elektron, proton, nötron verilebilir.

Fermiyonlardan oluşan bir topluluğu tanımlayan dalga fonksiyonunun, özdeş parçacıkların değiş-tokuşu bakımından antisimetrik olması gerekirken, bozonlar topluluğunun dalga fonksiyonu simetrik olur.

Elektronların fermiyon olması, elementlerin periyodik tablosunun ortaya çıkışına temel teşkil eder, çünkü bir atomdaki her bir durumda sadece tek bir elektron bulunabilir (herbir olası kuantum sayısı seti için sadece bir elektron).

Elektronların fermiyon doğası, metal içindeki elektronların davranışını da yönetir. Düşük enerjilerde, tüm düşük enerji durumları, Fermi enerjisi denilen bir düzeye dek doludur. Durumların bu şekilde dolduruluşu, Fermi-Dirac istatistiği ile tanımlanır.

Dizin

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği ***** Parçacıklar

R Nave

Geri Dön





Bozonlar

Bozonlar, spini tam sayı olan parçacıklardır ve dolayısıyla Pauli dışarlama ilkesine uymazlar. Bozonların enerji dağılımı, Bose-Einstein istatistiği ile tanımlanır.

Bir bozon topluluğunu tanımlayan dalga fonksiyonunun, özdeş parçacıkların değiş-tokuşu bakımından simetrik olması gerekirken, fermiyon topluluğunun dalga fonksiyonu antisimetriktir.

Düşük sıcaklıklarda, bozonlar fermiyonlardan çok farklı davranır; çünkü sınırsız sayıda bozon, aynı enerji durumunda birikebilir. Tek bir durumda birikmeye “yoğuşma” denir ve bu durumdaki maddeler Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak adlandırılır. Sıvı helyumdaki süper-akışkanlık görüngüsünün sorumlusu budur.

Çiftlenmiş parçacıklar da etkisel olarak bozonlar gibi davranır. Süper-iletkenlikin BCS Kuramında, çiftlenmiş elektron çiftleri bozon gibi davranarak, tek bir duruma yoğuşur ve sıfır elektriksel direnç sergiler.

Bozonlara örnek olarak fotonlar verilebilir. Fotonların, enerjisi frekansa bağlı parçacıklar olarak karakterize edilmesi, Planck bağıntısı ile ifade edilir. Böylece Planck, sıcak bir oyuktan gelen ısısal ışınımı açıklamak için Bose-Einstein istatistiğini uygulayabilmiştir.

Dizin

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği ***** Parçacıklar

R Nave

Geri Dön





Bose-Einstein Yoğuşuk Maddesi

1924 yılında Einstein, Pauli dışarlama ilkesine uymamaları ve Bose-Einstein istatistiğine göre davranmaları dolayısıylar, bozonların sınırsız sayılar hâlinde tek bir taban durumunda birikip “yoğuşabilecekleri”ne dikkat çekmişti. Bu ilginç olasılığa pek dikkat verilmedi; ta ki sıvı helyumun düşük sıcaklıklardaki anormal davranışı ayrıntılı şekilde incelenene dek.

Helyum 2.17 K’lik kritik bir sıcaklığa kadar soğutulduğunda, ısı kapasitesinde belirgin bir süreksizlik oluşur; sıvı yoğunluğu düşer ve sıvının bir kısmı, ağdalığı (viskozitesi) sıfır olan bir süper-akışkan hâlini alır. Süper-akışkanlık, olası en düşük enerjide yoğuşan bir miktar helyum atomu nedeniyle ortaya çıkar.

Süper-iletkenliğin oluşumundan da bir yoğuşma etkisi sorumludur. BCS Kuramında, elektron çiftleri örgü etkileşimleri ile çiftlenir ve Cooper çifti adı verilen bu çiftler bozon gibi davranarak, sıfır elektriksel dirençli duruma yoğuşabilir.

Bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesi elde edebilmek için çok uç koşullar gerekir. Katılan parçacıkların özdeş olarak düşünülmesi gerekir ve bu, komple atomlar düşünüldüğünde sağlaması güç bir koşuldur. Ayırt edilemezlik koşulu, parçacıların deBroglie dalgaboylarının önemli ölçüde uyuşmasını gerektirir. Bunun için de aşırı düşük sıcaklıklar gerekir, ki böylece deBroglie dalgaboyları uzun olabilsin. Öte yandan, parçacıklar arası boşluğun daralması için epeyce yüksek parçacık yoğunluğu gerekir.

Ultra-soğuk atomlar ile Bose-Einstein yoğuşuk maddesinin oluşturulabileceğinin keşfedildiği 1990’lardan itibaren, Bose-Einstein yoğuşuk maddesine ilişkin çok fazla araştırma yapılmıştır.

Lazerli soğutmanın ve manyetik tuzaklar ile ultra-soğuk atomların tuzaklanmasının kullanılması sayesinde, nanokelvin aralığında sıcaklıklar elde edilebilmiştir.

2001 yılı Nobel Fizik Ödülü’nü, alkali atomların seyrek gazında Bose-Einstein yoğuşuk maddesinin oluşturulması ve yoğuşuk maddelerin özelliklerinin temel incelemeleri başarılarından ötürü Cornell, Wieman ve Ketterle tarafından alınmıştır.

Cornell ve Wieman, Colorado Üniversitesi’nde liderlik ettikleri grupta rubidyum atomları ile yoğuşuk maddeler yapmayı sürdürüyor. Ketterle’nin de dahil olduğu MIT grubu ve Harvard ile Rice’taki diğer ekipler de bu alanda oldukça etkin.

Dizin

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği ***** Parçacıklar

R Nave

Geri Dön