Madde Nedir? Neyden ve Nasıl Oluşur?

Madde neyden oluşur ya da maddeyi oluşturan yapı taşları nelerdir? Madde nasıl oluşur? Konunun en başında sormamız gereken ilk soru madde nedir? Evrende gözle görebildiğimiz hatta göremediğimiz örnek olarak kara delikler bile bizlerle aynı yapı taşlarından oluşmuşlardır. Maddeyi ve oluşum sürecini çok basit şekilde anlatacağımız bu yazımızda heyecanlı bir serüvene hazır olun. Çünkü her şeyin neyden ve nasıl oluştuğunu öğreneceğiz.

Madde Nedir?

Madde, evrende bir yer kaplayan her şeydir. Kısa özeti biraz açacak olursak hacmi, ağırlığı olan ve duyu organlarımız ile algılayabildiğimiz bir formu olan canlı ya da cansız nesnelerdir.

Maddenin oluşum sürecini biraz hikayeleştirerek anlatırsak kendinizi yeni doğmuş bir bebek olarak hayal edin ve ilk doğum gününüz aldığınız hediye de Hidrojen gazı olsun. 2 yaşınızda Helyum, 3 yaşınızda hediye olarak biraz da lityum almış olun. Yaş başı alıp giderken 40 yaşınızda aldığınız hediye Zirkonyum olacak, biraz daha uzun yaşar da 90 yaşını görürseniz hediyeniz bu sefer Uranyum olacak.

Maddeyi oluşturan 118 element vardır. Bu elementler her madde de farklı şekilde ihtiva edilir. Bu maddeler katı, sıvı, gaz şeklinde üçe ayrılır. Bunların bir kısmı metal, ametal, nadir ya da yaygın bulunan olarak da sınıflandırılabilirler. Elementler maddenin canlı ve cansız tüm varlıkların yapı taşlarıdır.

Peki bu elementler nereden geldi?

Şu an bilinen ve en kolay cevap Büyük Patlama olacaktır. Ne var ki büyük patlamada açığa çıkan üç element vardı. Bunlar; Hidrojen, Helyum ve Lityum elementleriydi. Büyük patlama tek başına elementlerin oluşumunu açıklayamaz. Diğer elementler nereden geldi?

Madde Neyden Oluşur?

Diğer elementlerden nereden geldiğine tam bir yanıt için biraz temel aritmetik ve kimya hakkında bilgi sahibi olmalıyız. Bir maddeyi oluşturan en küçük yapı taşına atom denir. Bir atomu oluşturan yapı taşları ise Proton, Nötron ve Elektronlardır. Proton ve Nötronların da oluşturan Kuarklar, Kuarkları da etkileşime geçiren Gluonlar mevcut. Motorları fazla zorlamadan önce basit bir Hidrojen atomuna göz atalım.

Bir Hidrojen atomunda bir Proton ve bir Elektron bulunur. Bakınız Nötron yok, olması da şart değil. Hidrojenin bu yapısına bir, iki Nötron eklersek Hidrojen oluyor Döteryum, sonrasında Trityum. Buradan diğer maddelerin oluşumunun içerisine biraz proton biraz nötron biraz da elektron eklenmesi ile farklılaştığını ve yeni bir element haline geldiğini gözlemliyoruz.

Elementlerin Oluşum Süreci

Yalnız bu iş bu kadar basit değildir. Bu tür reaksiyonların gerçekleşmesi çok zordur. Çünkü iki çekirdeğin kaynaşması için gerekli olan ısı miktarı yaklaşık olarak 10 milyon santigrat derecedir. Evrende bu ortamı sağlayan iki durum ya da yer vardır. Birincisi Büyük Patlamadan hemen sonrası diğeri ise yıldızların içerisi.

Element oluşumunun ilk aşaması olan nükleosentez, Büyük Patlama’dan hemen sonra gerçekleşti. Saniyenin yüzde biri kadar bir sürede, ateş topundan protonlar, nötronlar ve elektronlar oluştu. Birkaç saniye sonra, topun muazzam enerjisinin bir araya gelmeye zorladığı protonlar ve nötronlar birleşip, nükleer güç sayesinde ayrılmaz şekilde yapıştılar. Bu füzyon reaksiyonları sayesinde önce döteryum çekirdekleri oluştu, ardından bu çekirdekler başka protonlarla reaksiyona girip, daha stabil helyum çekirdeklerini oluşturdular.

Ama devamı gelmedi. Helyum ortaya çıktığında, sıcaklık kayda değer düzeyde füzyon gerçekleştirebilmesi için gerek derecenin çok altına düştü. Belki biraz lityum oluştu, ama daha ağır bir element meydana çıkamadı. Nükleosentez, neredeyse başlar başlamaz sona erdi.

Yaklaşık 377.ooo yıl sonra, iş kaldığı yerden devam etti. Sıcaklık 3000 dereceye yani atomların var olması için yeterince soğuk bir düzeye düştü. Hidrojen ve helyum çekirdekleri serbest elektronları çekerek, ilk atomları, 1. ve 2. elementi oluşturdular. Bunlar hala, görünür evrenin %99’undan fazlasını oluşturuyor olsalar da, evrenin tek bileşeni değildir.

Daha ağır ve ilginç elementlerin oluşması için yıldızlara ihtiyaç vardır. Bir yıldız, büyük bir gaz kütlesinin kendi kütle çekimsel kuvveti altında çökmesiyle oluşur. Merkezdeki sıcaklık maruz kaldığı basınç altında giderek artar ve çekirdek füzyonun başlayabileceği sıcaklığa ulaşır. Yaklaşık 10 milyon santigrat derecede gerçekleşen ilk reaksiyon, mevcut hidrojen tükeninceye kadar devam eder.

Füzyona Devam

Daha sonra olanlar, yıldızın kütlesine bağlıdır. Eğer yıldız çok küçükse, füzyon durur ve yıldız çekirdeği beyaz cüceye dönüşür. Yıldız, Güneşimizden 8 kat daha büyük ise füzyon devam eder. Helyum çekirdekleri, berilyum (4. element) oluşturmak üzere birleşir; ardından berilyum, daha çok helyumla reaksiyona girerek karbon ve oksijeni oluşturur.

En büyük yıldızlarda, sıcaklık o kadar sıcak hale gelir ki, karbon ve oksijen birleşerek demir (26. element) kadar ağır elementleri oluşturabilir. Bu noktada reaksiyon sona erer, çünkü demir bütün elementler içinde en kararlı çekirdeğe sahiptir ve bu koşullar altında füzyona uğramaz.

Yıldızın dış katmanında devam eden, nötron yakala

nmasının gerçekleştiği diğer nükleer reaksiyonlarla, bizmut elementine (83. element) kadar giden daha büyük çekirdekler oluşur. Çekirdekte demir biriktikçe, yıldızın vadesi de dolmaya başlar. Yıldız artık füzyon yoluyla enerji üretemez hale gelir. Ancak kütle çekimi acımasızdır, çekirdeği sıkıştırmaya devam ederek sıcaklığı milyarlarca dereceye çıkartır.

Bu noktada, yıldızın merkezi aniden çöker, dış katmanlar atılır ve yıldızın içeriği, bir süpernova patlaması ile uzaya saçılır. Patlama açığa çıkan bol miktarda nötron, uranyuma (92. element) kadar olan daha ağır elementleri meydana getirir.

Uranyum Dünya’da ve uzayda bulunan en ağır elementtir.

Süpernova patlamasıyla uzaya saçılan kalıntılar, yeni yıldızlara ve gezegenlere dönüşecektir. Dünya’da bir süpernova patlamasından sonra oluşmuştur. Yıldız kökenli elementlerin istisnası, lityum, berilyum ve boron üçlüsüdür. Bunların çekirdekleri kararsızdır ve yıldızlardaki nükleer reaksiyonlar sırasında hemen tüketilirler. Nadir bulunan elementlerdir.

Çok Ağır ve Yapay Metal Elementler

Dünya üzerindeki uranyumdan daha ağır elementler, kimyagerlerin uranyumu nötron bombardımanına tutmak için plutonyum ve neptunyumu yarattığı 1949’lı yıllara kadar bilinmiyordu. O zamandan bu yana, laboratuvarlarda 24 yeni transuranyum (uranyum ötesi) element sentezlendi. Şimdilik bunların en büyüğü oganesondur.

Genellikle uranyum ötesi elementlerin tamamen yapay olduğu düşünülür, ancak bu doğru değildir. Bunlar da, sıradan ağır elementler gibi süpernova patlamaları sırasında açığa çıkmışlardır. Bununla birlikte kararsızlardır ve hızla parçalanma eğilimindedirler. Doğal olarak meydana gelirle, Güneş Sistemi’nin oluşmasından bu yana tamamen bozulup parçalanmış olduklarından, Dünya üzerindeki laboratuvarların dışında bulunmamaktadırlar.

Yapay elementleri bir yana bırakacak olursak, Dünya üzerindeki tüm atomlar ya Büyük Patlama’nın artıkları ya uzun süre olmuş yıldızların parçaları ya da kozmik ışınlardır. Kendi yıldızımız er geç ölünce, bu atomlar uzaya dönüp, yeni bir güneş sisteminde tekrar yoğunlaşacaklardır. Ne muhteşem bir dönüş değil mi?