Elektron, proton ve nötron nedir az çok biliyoruz ama pozitronu daha hiç duymuş muydunuz? Artı yüklü bir lepton ve antiparçacık kavramının ilk önemli örneği olarak kabul edilen pozitron kullanılan tomografi cihazları, vücudumuzdaki gizli tömürlerin açığa çıkmasını sağlıyor. Gelin pozitron nedir, ne işe yarar, nerede kullanılır tüm detaylarıyla görelim.
Bilim dünyası teknolojinin yardımıyla her geçen gün geliştikçe karşımıza yepyeni kavramlar çıkmaya devam ediyor. Atomaltı parçacıklardan olan elektron, proton ve nötrondan sonra bir de pozitron adı verilen bir parçacıkla tanıştık. Neredeyse yüz yıl önce keşfedilmiş olan pozitron için antiparçacık olarak adlandırdığımız kavrama dair ilk önemli örnek demek mümkün.
Tabii sıradan bir insan olarak banane pozitrondan diyebilirsiniz, haklısınız çünkü bilimsel çalışmalar teoride kaldığı sürece pek ilgimizi çekmez. Pozitron bunlardan biri değil çünkü pozitron emisyon tomografisi verilen bir teknoloji sayesinde vücudumuzda kolay kolay görünmeyen gizli tümörler ortaya çıkarılıyor. Gelin pozitron nedir, ne işe yarar, nerede kullanılır gibi merak edilen sorulara yakından bakalım.
Öncelikle temel bir tanım yapalım; Pozitron nedir?
Anti elektron olarak da adlandırılan pozitron, elektronun anti madde karşılığı ya da antiparçacığı olarak kabul edilir. Bir elektronla aynı kütleye sahiptir. Bir elektron ile bir pozitron çarpıştığı zaman yok oluş meydana gelir. Çarpışmanın daha düşük enerjilerde gerçekleştiği durumda ise ortaya iki ya da daha fazla foton çıkabilir.
Peki pozitron nasıl oluşur?
Pozitron, emisyon radyoaktif bozulması denilen bir etkileşim ya da enerjik bir fotonun malzemedeki farklı bir atomla etkileşime girerek çift üretim yapmasıyla oluşur. Nötron eksikliği bulunan radyoaktif çekirdekte yaşanan pozitif beta bozunması sonucu da pozitron yayılır. Pozitron kısa ömürlü partiküllerin çürümesi sonucu oluşabileceği gibi, insan eliyle de üretilebilir.
İyi ama bu pozitron ne işe yarar?
Şöyle ki; boşlukta kararlı bir halde bulunan pozitron, elektron ile çarpışarak yok olma meydana getirir. Bu yok olma sırasında gama radyasyonu açığa çıkar. Yani pozitron tek başına kullanılmasa bile diğer atomaltı parçacıklarla etkileşime girdikten sonra meydana getirdiği tepkimeler kullanılmaktadır. Bunun en önemli örnekleri pozitron mikroskobu ve pozitron emisyon tomografisidir.
Pozitron mikroskobu ile çok daha net görüntüler elde ediliyor:
Review of Scientific Instruments dergisinin 1998 yılının Şubat sayısında yayımlanan bir makaleye göre Brandeis Üniversitesi, taramalı elektron mikroskobunu bir adım ileri götüren pozitron mikroskobunu geliştirdiler. Geliştirilen bu cihaz, 20 çözünürlükteki hedef üzerinde tek boyutlu y ışını taraması üretmek için geliştirildi.
Pozitron mikroskobunda bu şekilde kullanılan bir y ışını, büyük ölçekli kusurlara karşı çok daha hassastır. Çünkü örnek kusurlarında pozitron çok daha kolay bir şekilde yakalanır. Sonraki yıllarda geliştirilen yeniden pozitron emisyon mikroskobu adı verilen cihazlar, spesifik zıtlıkları gözlemleme şansını arttırmaktadır. Bu konuda yapılan çalışmalar devam ediyor.
Pozitron emisyon tomografisi sayesinde gizli tümörler görülebilir hale geliyor:
Kısaca PET olarak da bilinen pozitron emisyon tomografisi, nükleer görüntüleme yöntemlerinden bir tanesidir. Tümör ve metastaz durumlarında en etkili görüntüleme yöntemi olarak kabul edilir çünkü bilinen tomografi yöntemlerinden farklı olarak vücudumuzda açıkça görülmeyen, gizli tümörlerin görüntülenmesini sağlar.
Detayları biraz karışık ama kabaca anlatmak gerekirse; işlem öncesi hastaya içinde 18F olarak adlandırılan radyoaktif bir maddenin az da olsa bulunduğu şekerli bir bileşim damardan verilir. Pozitron emisyon tomografisi çalıştığı zaman tümörlü hücrelerin etrafında toplanmış bu maddeleri tespit eder. Yani tümör açığa çıkarılmış olur.
Damardan radyoaktif madde verilmesi sizi korkutmasın çünkü bunların ömrü çok kısadır ve oldukça kısa sürede vücuttan atılır. Bu avantajı sayesinde kemoterapi seanslarının başarı durumu bu şekilde gözlemlenebilir. Dahası yok olduğu düşünülen ama vücuda yayılma şüphesi olan tümörlerin yayılma durumu da bu şekilde ortaya çıkarılabilir.
Pozitronun keşfedilmesi hikayesi ise bir hayli ilgi çekici:
Paul Dirac isimli bir fizikçi, 1928 yılında elektronların aynı anda hem negatif hem de pozitif yüklü olabileceğini iddia eden bir makale yayımladı. Söz konusu durumu zeeman etkisi üzerinden; kuantum mekaniği, özel görelilik, spin kavramlarının bir tür karışımı olan Dirac denklemi ile açıkladı.
Aslında bu makale yeni bir parçacıktan değil, var olan elektronun çözelti olarak iki zıt yüke sahip olabileceğinden bahsediyordu. Hermann Weyl isimli bir teorik fizikçi bu durumun olası matematiksel sonuçlarından bahsetti. Paul Dirac, bu matematiksel model karşısında biraz şaşırdı. Bilinen kuantum mekaniği denklemlerinden farklı olarak bu denklemde negatif enerji çözümü gözardı edilemiyordu. Dahası, negatif ve pozitif yük arasında kendiliğinden bir atlama olasılığı söz konusuydu.
1929 yılına geldiğimizde Paul Dirac, bir makalesinde ‘Negatif enerjiye sahip bir elektron, pozitif bir yük taşıyormuş gibi harici bir alanda hareket eder.’ cümlesine yer verdi. Atlama olasılığını ortadan kaldırmak için boşluğu bir negatif enerji denizi olarak düşünmeliydik. Proton ise bu denizde bir adaydı. En sonunda Dirac, protonun elektrondan daha büyük kütleye sahip olma sorunun kabul etti. Neyse ki konuyu araştıran farklı bilim insanları vardır.
Pozitron: Zamanda geriye doğru giden bir elektron
Robert Oppenheimer, Dirac denkleminin negatif elektronun bir çözümü olabileceğine karşı çıktı. 1931 yılına geldiğimizde Hermann Weyl, negatif elektron ile pozitif elektron kütlesinin aynı olduğunu gösterdi. Bu iki fikri tekrar ele alan Dirac, anti elektron adını verdiği ama henüz gözlemlenmemiş bir parçacığın tahmini üzerine bir makale yayımladı.
Richard Phillips Feynman ve Ernst Stueckelberg, Dirac tarafından tahmin edilen pozitronun aslında elektronun zamanda geriye doğru giden bir versiyonu olarak yorumlanması gerektiğini söylediler ve Dirac denklemini yeniden yorumladılar. Yoichiro Nambu, üretim ve imha üzerinde bu parçacığı yeniden yorumladı ve karşıtlığı şu cümle ile anlattı;
“Şimdi ve sonra meydana gelebilecek çiftlerin nihai olarak yaratılması ve yok edilmesi, yaratılış veya yok olma değil, yalnızca hareket eden parçacıkların geçmişten geleceğe veya gelecekten geleceğe yön değişikliğidir.”
Anti elektron olarak da bilinen pozitron nedir, ne işe yarar, nerelerde kullanılır gibi merak edilen soruları yanıtladık. Pozitron ve diğer atomaltı parçacıklar, içine dalınca boğulma ihtimalinin yüksek olduğu bir okyanus olduğu için bu yazımızda yalnızca ilgilerin merakını giderecek temel bilgileri paylaştık.
