Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü

Transkript

1 RADYASYON FİZİĞİ Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü

2 TEMEL KAVRAMLAR Radyasyon, Elektromanyetik Dalga, Uyarılma ve İyonlaşma, peryodik cetvel radyoaktif bozunum Radyoaktivite, Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 2

3 TEMEL KAVRAMLAR Radyasyon: Dalga ya da parçacık şeklinde uzayda enerji yayınlanmasıdır. Aşağıdakiler örnek olarak verilebilir: Dalga şeklinde yayınlananlar: Radyo dalgaları Görünen ışık Isı X-ışınları Gamma ışınları Parçacık şeklinde yayınlananlar: Alfa radyasyonu Beta radyasyonu Nötron radyasyonu Temel kavramlar Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 3

4 Transfer edilen enerji miktarına bağlı olarak radyasyon, iyonize ve iyonize olmayan radyasyon olarak ikiye ayrılabilir. Bu dersin kapsamında, aksi belirtilmedikçe, radyasyon denildiğinde iyonize radyasyon kast edilecektir. Atomun yapısı, radyasyonunun kaynağının ve doğasının anlaşılmasında önemlidir. Atomun Bohr modeli, nükleer ve atomik dönüşümlerin gösterilmesinde önemlidir. Bohr modeli aşağıda verilen iki postülata dayanır: i) Çekirdek etkisi altında bulunan elektronlar, sadece belli enerji seviyelerini işgal ederler. ii) Bir atomik elektron bir seviyeden başka bir seviyeye geçerken, enerji soğurarak ve bırakarak sadece enerjisini değiştirir. Enerji soğurma ya da yayınlama, elektromanyetik radyasyon ile olmaktadır. Temel kavramlar Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 4

5 ELEKTROMANYETİK DALGA Görünebilir ışık, radyo dalgaları ve ultroviyole ışınları dalga şeklinde yayılan radyasyon biçimleridir. Bunlar elektromanyetik dalga çeşitleridir. Elektromanyetik dalgalar (e.m), bir kaynaktan bir alıcıya enerji ve momentum taşırlar ve boşlukta ışık hızıyla yayılırlar: c Burada, λ: Dalga boyu; : frekans Elektromanyetik dalgalar foton adı verilen enerji kuantumlarından oluşur. Foton enerjisi ise, E=hv ile verilir. Burada, h, Planck sabitidir. Temel kavramlar Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 5

6 Elektromanyetik Dalga Güneş ve çeşitli doğal yada yapay kaynaklar değişik dalga boylarında elektromanyetik enerji saçarlar. Görünen ışık; insan gözü tarafından görülebilen veya algılanabilen elektromanyetik enerji aktarımının birçok şekillerinden sadece birisidir. Radyo dalgaları, ısı, morötesi (ultraviyole) ışınları, x ışınları diğer benzer şekillerdir. Bir Elektromanyetik Dalga. Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 6

7 Elektromanyetik Dalga Fizik yasalarından bildiğimiz gibi, dalgaların için genel eşitlik; c =. λ Bir diğer kuram ise kuantum enerjisi ile açıklanabilir. E = h. = E / h ise burdan, h.c E = λ Böylece kuantum kuramında da kuantum enerjisinin dalga boyuyla ters orantılı olduğu görülür. Sonuçta; Daha uzun dalga boyu, daha düşük enerji taşır şeklinde bir açıklama elde edilir. Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 7

8 Elektromanyetik Spektrum Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 8

9 Güneş Işınımının Etkisi Optik algılayıcıların kaydettikleri enerji güneşten gelen enerji ile ilgilidir. Her ne kadar güneşten gelen enerjinin tayfsal dağılımı sabitse de bir cisme ulaşan miktar atmosferden geçerken değişime uğrar. Atmosfer dışında güneş ışıması Enerji Siyah cisim ışıması Deniz düzeyinde güneş ışıması Dalga Boyu Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 9

10 UYARILMA VE İYONLAŞMA Yörüngesel bir elektrona transfer edilen enerji seviyesini aşarsa, elektron daha yüksek enerjili bir düzeye çıkar. Bu durumda elektron uyarılmıştır denir. Eğer, elektrona yeteri kadar enerji transferi yapılırsa elektron tamamen çekirdek etkisinden kurtulur ve uzaklaşır. Bu durumda atom iyonlaşmıştır denir. Temel kavramlar Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 10

11 ÇEKİRDEK KUVVETLERİ Proton ve nötronlar çekirdek içinde, Coulomb itmesinin üstesinden gelen nükleer kuvvetlerle bağlanırlar. Nükleer potansiyel V(r) Coulomb itmesi r nükleer potansiyeli Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 11

12 nötron sayısı KARARLILIK EĞRİSİ 140 α-yayınımı 120 β-yayınımı N=Z 60 Β + yayınımı veya elektron yakalama proton sayısı Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 12

13 Radyoaktif Bozunma Kanunu Bir atomun çekirdeğinin bir α parçacığı, bir β parçacığı, bir γ ışını veya başka herhangi bir parçacık yayınlaması ya da ekstra çekirdek kabuğundan bir elektron yakalaması işlemine radyoaktif bozunma adı verilir. λ : Bozunmamış herhangi bir çekirdeğin gelecek bir saniye içindeki bozunma olasılığı ( λ << 1 ) Bir dt zaman aralığında her bir atomun bozunma olasılığı λdt ' dir. Verilen bir zamanda eğer N sayıda bozunmamış atom varsa dt küçük aralığında bozuncak atom sayısı : dn = - λdtn ( - işareti t arttıkça N ' nin azalacağını gösterir. ) Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 13

14 dn / N = - λdt ( t=0 'da, N = N 0 sınır şartı ) ln N = - λt + C ( integral alınırsa ) ln N 0 = C ln N = - λt + ln N 0 ln N - ln N 0 = - λt ln ( N / N 0 ) = - λt N / N 0 = e -λt N = N 0 e -λt N : Herhangi bir anda bozunmadan kalan atomların sayısı λ : Parçalanma veya bozunma sabiti Aktiflik : Verilen bir numunede saniyedeki parçalanma sayısıdır. dn = - λdtn Aktiflik = dn / dt = + λn = A Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 14

15 N 0 A0 4 N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 2 α t1/2 t2/2 t3/2 t (a) (b) RADYOAKTİVİTE Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 15

16 ÖRNEK: Başlangıçta 1000 atom bir numunenin bozunma sabiti λ = 0,1 sn -1 ise 2 saniye sonra bozunacak olan atom sayısı ve aktivitesi nedir? λ = 0,1 sn -1 'in anlamı 1 saniyelik zaman diliminde atomların % 10 u parçalanacak demektir. 1.saniyede 0,1 x 1000 = 100 atom parçalanacak. Aktiflik = λn = 0,1 x 1000 = 100 Geriye = 900 atom kaldı. 2.saniyede 0,1 x 900 = 90 atom parçalanacak geriye = 810 atom kalacak. A 1 = 100 Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 16

17 A 2 = 90 A = A 0 e -λt Yarı - Ömür : Başlangıçta bulunan bozunmamış atomların sayısının yarıya düşmesi için geçen zamandır. t 0 = 0 N 0 atom t ½ = T atom N = N 0 e -λt N 0 / 2 = N 0 e -λt ln ( 1 ) - ln ( 2 ) = - λt ½ t ½ = ln ( 2 ) / λ. t ½ = 0,693 / λ Ortalama Ömür ( τ ) : Bir çekirdeğin bozununcaya kadar geçirdiği ortalama süredir. t süresi içinde bozunmadan kalan çekirdeklerin sayısı N( t ) ' dir ve t ile t + dt aralığında bozunanların sayısı dn dt dt ' dir. Bu durumda ortalama ömür ; τ = = 0 t dn = 0 λtn0 e N0 λt = 0 dn N 0 0 λte λt dt τ = 1 λ Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 17

18 ÖRNEK: Aşağıda bir radyoaktif maddenin farklı zamanlarda ölçülen aktivite değerleri verilmektedir. ZAMAN (saat) A(sayma/dakika) a) Bozunma sabitini bulunuz. b) Yarı ömrünü bulunuz. c) Ortalama ömrünü bulunuz. d) Kaynağın iki hafta sonraki aktivitesini bulunuz. e) 2 hafta sonraki bozunmamış atomların sayısını bulunuz. f) 2 hafta içinde bozunan atomların sayısınını bulunuz Prof.Dr.Niyazi MERİÇ 18