İlk keşfedilen kuantum parçacığı olan elektron, tüm elektronik cihazlarımızın üzerine inşa edildiği temel bir özelliğe sahiptir: "elektriksel yük".

Bu parçacığa "elektron" adı, daha deneysel olarak kanıtlanmadan önce 1891'de G. Johnstone Stoney tarafından verilmiş.

Ancak elektron, deneysel olarak bundan yaklaşık 6 yıl sonra keşfedilecektir. J. J. Thomson, 1897 yılında elektronların yük - kütle oranlarını belirlemiş ve bu keşfi ile 1906'da Nobel ödülüne sahip olmuştu. Ancak elektronun yük ve kütlesi tam olarak bilinmiyordu.

1909 yılında Millikan ve öğrencisi Harvey Fletcher, "oil-drop" deneyi ile elektronun yükünü hesapladılar ve dolayısıyla kütlesini de bulmuş oldular. Elektronun yükü tam olarak (−1.602×10⁻¹⁹ C) ya da kısa gösterimi ile (-1e) idi.

Robert Millikan, elektronun yükünü keşfettiği için 1923'te Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Elektron yükünün negatif olması ise, bir elektrik alana konulduğunda alana ters yönde hareket etmesinden kaynaklanan bir özellik.

Bu keşifler olurken bilim insanları diğer atomaltı parçacıklardan habersizdiler.

Elektrik yüklü parçacıklar

Atomik yapının modellenmesi sürecinde elde edilen kanıtlar, atom çekirdeğini oluşturan kuantum parçacıklarından protonların da elektriksel yüke sahip olduklarını gösterdi.

Protonun yükü elektronunki ile aynı, ancak pozitifti.

Buna karşın atom çekirdeğinde bulunan nötronlar ise elektriksel olarak yüksüzdüler.

Bu aşamada evrende bilinen yalnızca iki tür elektrik yüklü parçacık vardı: Bunlar negatif yüklü (-1e) elektronlar ve pozitif yüklü (+1e) protonlar:

Sanki evren, elektrik yükünü kuantize etmiş ve bir biçimde uygun bulduğu temel parçacıklara dağıtmayı seçmişti.

Ama yanıt bekleyen başka sorular vardı.

Bir parçacığı elektriksel olarak yüklü, bir diğerini yüksüz (yani nötr) yapan şey neydi? Örneğin, atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronlar hemen hemen aynı kütleye sahipken biri pozitif yüklü ve diğeri ise yüksüzdü. 

Öte yandan bir elektron bir protondan yaklaşık 1000 kat daha az kütleye sahip iken nasıl oluyordu da tam olarak eşit ama zıt elektriksel yüke sahipti?

İlerleyen zamanda proton ve nötronların da alt parçacıkları keşfedildi. Bunlar yukarı ve aşağı kuark adı verilen parçacıklardı ve elektrik yüke sahiptiler.

Kuarklar

Görüldü ki protonlar iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşurken nötronlar iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşuyordu; üstelik bu parçacıklar elektriksel yüke sahiptiler.

Yukarı kuarkın yükü, elektron yükünün üçte ikisine eşit (+2/3e) ve pozitif yüklü; aşağı kuarkın ise yükü elektron yükünün üçte birine eşit ve dolayısıyla negatif (-1/3e) yüklü idi.

Bu durumda protonun yükü, elektron yüküne eşit ve pozitif olurken (2/3e + 2/3e -1/3e= +1e) nötronun yükü ise sıfır (2/3e - 1/3e -1/3e = 0) oluyordu. Yani nötron elektrik yüklü parçacıklardan oluşmasına rağmen yüksüz görünüyordu.

Sonuçta proton elektriksel olarak yüklüydü, nötron ise hâlâ yüksüzdü.

Proton ve nötron

Anlıyoruz ki evren, (-1e), (-1/3e) ve (+2/3e) yüküne sahip madde parçacıkları oluşturmayı tercih etmişti.

Ama neden?

Bilim insanları sorularının yanıtlarını "temel etkileşimler"de aradılar.

Temel etkileşimler

Evrende bildiğimiz ve algıladığımız her şey, beş temel etkileşimin ürünüdür. Bunların dördünü "temel kuvvetler" oluşturuyor.

Madde, dört kuvvet aracılığı ile etkileşime giriyor ve günümüz evrenini var ediyor.

Beşinci etkileşim ise "Higgs alanı"dır ve nesnelerin kütle kazanmasından sorumludur. 

Bu etkileşimleri, en güçlüden en zayıfa doğru kısaca hatırlayalım.

"Güçlü etkileşim": Doğada en güçlü etkileşim atom çekirdeği içinde proton ve nötronlar arasında olan etkileşimdir. Her biri birbirine sıkıca bağlı üç kuarktan oluşan protonlar ve nötronlar, atom çekirdeğinde bu etkileşim ile birbirine sıkıca yapışmışlardır. 

"Radyoaktivite": Atom çekirdeğinin fazla enerjisini atma eğilimidir ve bundan "zayıf nükleer kuvvetler" sorumludur.

"Elektromanyetizma": Elektrik yüke sahip parçacıklar arasındaki etkileşimdir. Farklı yüklü parçacıklar birbirini çeker; aynı yüke sahip olanlar iter. Bu etkileşimde "elektromanyetik kuvvet" rol alır.

"Kütlesel çekim": En zayıf etkileşimdir. Madde, sonsuz menzilli bir kuvvet aracılığıyla gizemli bir şekilde diğer maddeyi çeker.

Kütlesel etkileşimin doğasını ise henüz anlayabilmiş değiliz.

Görüldüğü gibi ilk üç etkileşimde parçacıklar elektriksel yüke sahipler.

Peki, elektriksel yükün doğasını biliyor muyuz?

Temel etkileşimler

Elektrik yük neden var?

Elektriksel yük, gözlemlediğimiz sayısız veri ve ölçümlerle modellediğimiz bir özellik; maddenin nasıl etkileşime gireceğini belirliyor.

Ancak elektrik yükün doğası hakkında bir fikrimiz yok.

Fizik, doğanın nasıl davrandığını gözlem yaparak ve ölçerek matematiksel modellere uyarlamakla ilgilidir. Modeller, gelecekteki benzer bir davranışı doğru bir şekilde öngörebildiklerinde başarılıdırlar.

Elektrik yük, bir anlamda varoluşsal bir sorun gibi görünüyor.

Belki gelecekte bu tür sorularımıza yanıt bulabilir; elektronların, protonların ve diğer atom altı parçacıkların neden ve nasıl bir yüke sahip olduğunu öğrenebiliriz. 

Peki, doğada elektrik yük olmasaydı ne olurdu?

Fizik yanıtlıyor: Elektrik yükü olmasaydı madde parçacıkları arasında etkileşim olmazdı; dolayısıyla atomaltı parçacıkları bir arada tutan güç olmaz, atomik yapı oluşmazdı.

Bunun uzantısında yıldızlar, gezegenler, okyanuslar ve yaşam olmazdı; bildiğimiz algıladığımız evren olmazdı.

Elbette, bizler de olmazdık!

Kaynakça

https://www.snexplores.org/article/explainer-fundamental-forces-physics-gravity-electricity-magnetism-weak-strong

https://www.livescience.com/53144-electric-charge.html

https://scitechdaily.com/quantization-of-electric-charge-absorption-of-an-individual-electron-captured-on-film/