ÇEKİRDEK VE ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ

Transkript

1 ÇEKİRDEK VE ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ Atom Altı Tanecikler Atomlardan çok daha küçük olan tanecikleri araştırmak ancak maddenin temel yapıtaşı olan atomu incelemekle mümkün olmuştur. Yapılan araştırmalarda atomun, pozitif yüklü çekirdek ve çekirdeği çevreleyen negatif yük bulutlarından oluştuğu öngörülmüştür. Atomun yapısı üzerine yapılan detaylı incelemelerde, çekirdekte bulunan pozitif yüklü taneciklerin(protonların ), yüksüz nötronların ve çekirdek etrafındaki belirli enerji katmanlarında bulunan elektronların atomun yapısını oluşturdukları anlaşılmıştır. Keşfedildikleri dönemlerde atom altı tanecikler olarak adlandırılan bu taneciklerin yapılan araştırmalarda dah küçük taneciklerden oluştukları anlaşılmıştır. Bilim insanları hızlandırıcılar kullanarak yaptıkları çalışmalarda tanecikler hakkında daha fazla bilgiye ulaşmışlardır. Yapı lan tanecik fiziği deneylerinde yukarıda belirttiğimiz taneciklerin birbirleriyle çarpıştırılmaları sonucunda yeni tanecikler oluşturmuşlardır. Yapılan deneylerde yüklü tanecikler, tanecik hızlandırıcılarda elektromanyetik alan içerisinde hızlandırılarak yönlendirilince, ya sabit hedeflerle ya da birbirleriyle çarpışmış ve yeni tanecikler oluşturmuşlardır. Hızlandırıcılarda açı ğa çıkan taneciklerin çoğu, saniyenin milyarda biri kadar bir sürede bozunur. Oluşan bu taneciklerin detektör ile incelenmesi ile özellikleri belirlenir. Atom altı taneciklerin çarpıştırılmaları sonucunda yapılan ölçümler, protonun yarıçapının yüzde biri kadar o lan uzaklıklarda yapısını ayrıntılı bir şekilde belirlemişlerdir. Deney sonuçlarıyla geliştirilen "Standat Model", temel taneciklerin nasıl düzenlendiğini ve birbirleriyle nasıl etkileştiklerini açıklamaya çalışmaktadır. Standart model'e göre temel tanecikler, kuarklar ve leptonlar olarak iki gruba ayrılır. Standart model'e göre evrende, temel parçacık olarak, 6 çeşit kuark, 6 çeşit lepton, kuark ve leptonların "karşıt" parçacıkları ve bu parçacıklar dışında olan parçacıklar vardır. Kuarklar ve leptonların temel tanecikler oldukları düşünülmektedir. Bunlar kuvvet taşıyıcı tanecikler aracılığıyla etkileşime girerek, görünür maddeleri oluşturmaktadır. Kuarklar elektrona benzeyen kuantum parçacıklarıdır. Elementer(esas) parçacıklar kuarklardır. Kuarklar, spinleri ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya - 1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik bilinen 6 kuark vardır.kuarklar, kuark Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 1

2 ikililerinden oluşmaktadır. Bunların birer de anti kuarkları vardır. Tanecikler, ingilizce adlarının küçük baş harfleriyle yukarıup(u) ve aşağı-down(d), tılsım-charm(c) ve garip-strange(s), üst-top(t) ve alt-bottom(b) olarak gösterilir. Karşıt parçacıkları ise karşıtı oldukları kuarkın sembolün üstüne birer çizgi konularak, yukarı karşıt( ), aşağı karşıt(, tılsım karşıt( garip karşıt( ), üst karşıt( ), alt karşıt( ) şeklinde gösterilir. KUARKLAR Sembol Elektrik yükü Sembol Elektrik yükü 1. NESĠL Yukarı(up) kuark Protonda iki, nötronda bir adet bulunur. Aşağı(down) kuark Protonda bir, nötronda iki adet bulunur. u + d - 2. NESĠL 3. NESĠL Tılsımlı(charm) kuark Garip(strange) kuark c + s - Üst(top) kuark Alt(bottom) kuark t + b - Tablo. Temel Kuarklar Leptonlar Elektron, muon, nötrino gibi parçacıkları içine alan ve güçlü etkileşime girmeyen parçacıklar sınıfıdır. Leptonlar, elektron, muon ve tau parçacıkları ile bu parçacıkların her birinin nötronlarından oluşmaktadır. Her bir leptonun da birer karşıt leptonu vardır. Elektron(e), muon( ) ve tau( ) ve bunların nötrinoları(ν) Grekçe yazılışlarının baş harfi le gösterilirler. Elektron nötrinosu için νe, muon nötrinosu için ν μ, tau nötrinosu için ν τ sembolleri kullanılır. LEPTONLAR Sembol Elektrik yükü Sembol Elektrik yükü 1. NESĠL Elektron Elektriksel ve kimyasal etkileşimlerden sorumludur Elektron nötrinosu e νe 0 Muon Muon nötrinosu 2. NESĠL Elektrondan daha ağır ve kararsız bir parçacık. Ömrü saniyenin iki milyonda biri kadar. μ ν μ 0 3. NESĠL Tau Ağır ve çok kararsız bir parçacık Tau nötrinosu Henüz gözlenmeyen parçacık τ ν τ 0 Tablo. Temel Leptonlar Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 2

3 Nötrinoların karşıtları, elektron karşıt nötrinosu, muon karşıt nötrinosu, tau karşıt nötrinosu olarak adlandırılır ve karşıt elektron(karşıt elektrona pozitron denmektedir) hariç, diğerleri leptonların simgelerinin üzerine birer çizgi konularak göste rilir. Örneğin muon karşıt nötrinosunun simgesi şeklindedir. Leptonlardan elektron, kütlesi 9,1x10-31 kg ve spini olan negatif yüklü parçacıktır. Elektron en küçük kütleli leptondur. Bozunduğunda dönüşebileceği daha hafif bir parçacık olmadığından kararlı bir yapıya sahiptir. Kuarklar ve leptonlar, boyutları kesin olarak bilinmemekle birlikte kuarkların hepsinin ve leptonlardan elektronun yarıçapı, kesinlikle 1,0x10-18 metrenin altındadır. Temel parçacık olarak tanımladığımız bu taneciklerin daha da alt taneciklerden oluşma olasılığı vardır. Proton ve nötronlar farklı kuark tiplerinin biraraya gelmesiyle oluşmuştur. Örn eğin proton iki up kuark ve bir down kuarktan oluşur. Protondaki kuarkların yükleri toplamı +1 olur. Nötron ise iki down kuark ve bir up kuarktan oluşur. Nötrondaki kuarkl arın yükleri toplamı sıfırdır. Leptonları ve kuarkları birarada tutan kuvvet taşıyıcıları vardır. Bu taşıyıcılara bozonlar denir. Örneğin fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan bozonlardır. Kuarklar ve leptonlar, birbirleriyle 4 temel kuvvet aracılığıyla etkileşirler. Bu kuvvetler: 1. Güçlü Çekirdek Kuvvetleri, 2. Zayıf Çekirdek kuvvetleri, 3. Elektromanyetik Kuvvetler, 4. Kütle çekim kuvvetidir. Yukarıdaki bu kuvvetler sayesine evren, yaşanılabilir bir yapıya bürünmüştür. 1. Güçlü Çekirdek Kuvvetleri: Kuarklar çok yakın mesafelerden birbirlerine şiddetli çekme/itme kuvvetleri uygularlar. İki 'u' kuark birbirini çok şiddetle iterken, 'u' ve 'd' kuarklar birbirini çok şiddetli bir şekilde çekerler. Burada sözü edilen itme ve çekme kuvetleri, elektriksel ve manyetik çekim kuvvetlerinin binlerce katıdır. Bu çekim kuvvetleri sayesinde atomlar biçimlenir. Böylece atomların, atomdan daha küçük parçalara ayrılması ve bir proton, nötron ve elektron yığınına dönüşmesi engellenmiş olur. Bu kuvvetlerin kuvvet taşıyıcısı renkli gluonlardır. Başka bir deyişle buradaki çekme/itme kuvvetleri kuarkların renk denilen nitelikleri ile ilintilidir. Örneğin, protonların yapısında yer alan up ve down kuarkların renkleri birbirine zıttır. Zıt renkler, zıt elektrik yükleri gibi birbirlerini çekerler. Burada kullandığımız renk ifadesi, bildiğimiz renk ifadesiyle hiçbir anlam yakınlığı taşımamaktadır. Çekme/itmenin temelini oluşturan fiziksel nitelik, başka bir ad bilinmediği için renk kelimesi ile nitelendirilmiştir. Başka bir deyişle kuarklardaki renk yükü adlandırmasının bildiğimiz ışık ve renklerle b ir ilgisi yoktur. Standat modele göre, atom altı tanecikler arasındaki itme,çekme kuvvetleri, gerçekte ço k küçük parçacıkların kuarklar Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 3

4 arasında alışverişi sonucunda mümkün olur. Kuarkların etkileşimi sırasında alınıp verilen temel parçacıklar(gluon) sayesinde kuvvetli etkileşimler gerçekleşir. Proton ve nötronda asıl yapı taşı olan kuarkları bir arada tutan, renk zıtlığı temeline dayalı güçlü nükleer kuvvetlerdir. Bu kuvvetler sayesinde nükleonlar, çok büyük enerjilerle karşılaşmadıkça kararlı kalırlar. Ayrıca proton ve nötronların, yapılarındaki yukarı ve aşağı kuarkların dağılımı simetrik olmadığı için, su molekülünün elektriksel dipollüğüne benzer şekilde renk dipolleri olduğuna da dikkat etmek gerekir. 2. Zayıf Çekirdek Kuvveti: Proton ve nötron içi yük dağılımı tam simetrik değildir. Protonu oluşturan iki yukarı kuarka karşılık bir aşağı kuarkın, nötronu oluşturan iki aşağı kuarka karşılık bir yukarı kuarkın konumlarından kaynaklanan dipol karakter, protonlar ve nötronlar arasında, güçlü nükleer kuvvetlerden daha zayıf da olsa bir dipol çekim etkileşimi sağlar. Çekirdek içerisinde sadece proton-nötron çekimi değil, proton-proton, nötron-nötron çekimi de gerçekleşir. Bu etkileşimler, protonlar arası itmeyi fazlasıyla karşıladığı için, protonların özdeş yüklerine rağmen çekirdek kararlıdır. Bu kararlılığı sağlayan, nükleonlar arasındaki zayıf çekirdek etkileşimleridir. Bazı çekirdeklerin kararsız olması, nükleonlar arası elektriksel ve zayıf nükleer kuvvetler temelinde açıklanabilir. Bir çeki rdekte nükleon sayısı çok fazla değilse, zayıf nükleer kuvvetler(çekim kuvvetleri), protonlar arsı elektriksel kuvvetleri(itme kuvvetleri) yener ve çekirdek kararlı olur. Ancak çekirdek içerisindeki nükleon sayısı arttıkça(örneğin proton sayısı 83'ü aşmışsa), bir araya toplanan nükleonlar arası mesafe yer yer artacağı için, çok zayıflayan nükleer kuvvetlerin değeri sıfıra yaklaşır. Elektriksel kuvvetlerde nükleonlar arası mesafe ile küçülse de, oluşan küçülme nükleer kuvvetler kadar etkili değildir. Sonuç olarak elektriksel itme kuvvetleri daha etkili bir duruma geleceği için çekirdek parçalanır. Zayıf çekirdek kuvveti, güçlü çekirdek kuvvetinden, yaklaşık 1000 kez daha güçsüzdür. Bir anlamda, çekirdek içerisindeki bir arada tutucu güce karşı çalışarak, bazı nükleer parçalanmalara imkan verir. Bazen çekirdek, genel istikrarı korumak için, kendisini bırakır. Bazı radyoaktif dönüşümler, çok şaşırtıcıdır. Örneğin bir metal radyum atomu, bir alfa parçacığını(2 proton, 2 nötron) fırlattığında, metalden radon diye bilinen bir gaza dönüşür. Yani katı metalden, sıvı gaza tek sıçrayışta geçilmiş olur. Radon gazı da, bozunumu esnasında, aynen radyum gibi bir alfa parçacığı fırlatır ve tekrar metale dönüşür. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 4

5 3. Elektromanyetik Kuvvet : Elektrik kuvveti, elektrik yüklü 2 parçacığın, birbirini ittiği ya da birbirini çektiği kuvvettir. Manyetik kuvvet ise, elektrik yüklü bir parçacığın, manyetik alandan geçerken, üzerine etki eden kuvvettir. Bu 2 kuvvet, birbiriyle ilişkilidir. James Clerk Maxwell, 1873 de elektrik ve manyetik kuvvet alanlarının, uyduğu denklemleri buldu. Böylece günümüzde, elektomanyetizma denilen bir birleşik teoriyi, elde etmiş oldu. Bu kuvvet, çok büyük bir menzile sahiptir. Manyetik alanların, yıldızlararası etkileri söz konusudur. Elektromanyetik kuvvetiç, güçlü çekirdek kuvvetlerinden, yaklaşık 100 kez daha zayıftır. Kuvvet taşıyıcısı fotondur. 4. Kütleçekim Kuvveti: Kütleçekim kuvveti, güçlü nükleer kuvvetten kez daha zayıftır. En zayıf kuvvet olmasına rağmen, keşfedilen ve sayısal olarak tanımlanan, ilk kuvvet kütleçekimdir. Kuvvet taşıyıcısı, gravitondur. Bir atomun büyüklüğünün metre dışına çıkıldığında, çekirdek kuvvetlerinden hiçbiri etkili değildir. Birkaç cm'nin ötesine geçildiğinde, aynı şey elektomanyetik kuvvet için de geçerlidir.evrendeki çoğu bölge, kütle çekimin etkisi altındadır. Erken dönem evrendeki gazları, devasa galaktik bulutlara çevirip, daha sonra da dönen yıldız ve gezegenleri oluşturacak şekilde sıkıştırarak, evrenin yapısını biçimlendiren şey de kütleçekimi idi. Uzaydan bakıldığında, Güneş, Ay ve Dünya 'nın kusursuz çemberler olduğu görülür. Buna sebep olan şey de, yerçekimi(kütleçekimi) dir. Her biri,kütlesel çekimin etkisiyle, bütün yönlerden eşit olarak içeri çökerek, birer küreye dönüşmüştür. Atom çekirdeğini oluşturan temel parçacıklar proton ve nötronlardır. Ancak günümüzde atom çekirdeğin de pozitron, nötrino, mezon vb. parçacığın bulunduğu bilinmektedir. Atom çekirdeğinde yer alan parçacıklara genel olarak nükleonlar denir. Çekirdeğin yarıçapı çekirdekteki tanecik sayısına göre değişir. Ortalama olarak çekirdek yarıçapı cm kadardır. Çekirdeklerin özkütlesi g/cm 3 tür. Bu 1 cm 3 lük hacimde 100 milyon ton kütle bulunduğu anlamına gelir. Atom çekirdeklerinin son derece küçük olduğunu olduğunu biliyoruz. Atom çekirdeği çok küçük olduğuna göre, çekirdeği oluşturan proton ve nötronların çok sıkışık durumda olmaları gerekir. Protonlar; aynı cins elektrikle yüklü ve aralarındaki uzaklık çok küçük olduğundan, Coulomb yasasına göre birbirlerini çok büyük kuvvetlerle itiyor olmaları gerekir. Ayrıca çekirdekteki proton sayısı arttıkça, birbirlerine karşı uyguladıkları Coulomb itme kuvvetleri artıyor olmalıdır. Bu durum çekirdekteki kararsızlığın nedenidir. Doğada bulunan kararsız atom çekirdekleri, fazla miktarda enerji kapsar. Kararsız atom çekirdekleri, kararlı hale geçmek için bozunurlar ve bazı ışımalar yaparak daha kararlı atom çekirdeklerine dönüşürler. Işte bu tür elementlere doğal radyoaktif elementler denir. Bu elementlerin kendiliklerinden ışın yaydıkları gözlenmiştir. Yayılan ışınlar atomların çekirdeklerinden çıkar. Çekirdek çevresindeki elektronlarla ilgisi yoktur. Radyoaktif bir elementin tüm bileşikleri de radyoaktif olur. Radyoaktif elementin yalnız başına ya da çeşitli bileşikler hali nde bulunması, radyoaktiflik özelliğini etkilemez. Yani radyoaktiflik kimyasal yapıya bağlı değildir. Örnek 1: I. XZ bileşiği radyoaktiftir. II. XYZ bileşiği radyoaktiftir. III. XQ ve YQ bileşiği radyoaktif değildir. Buna göre, X, Y, Q ve Z elementlerinin radyoaktifliği için ne söylenebilir? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 5

6 Örnek 2: Uranyum radyoaktif bir elementtir. Uranyum elementi, hidroklorik asit içerisine atıldığında, uranyum klorür oluşurken hidrojen gazı çıkışı olur. Bu olayla ilgili olarak aşağıdakilerden hangisi ya da hangileri doğrudur? a) Olay kimyasal bir tepkimedir. b) Oluşan bileşik radyoaktiftir. c) Oluşan hidrojen gazı radyoaktif özellik göstermez. d) Uranyum bileşikte kimyasal özelliklerini korumuştur. Aşağıda üç tepkime verilmiştir: I. Uranyum Radyum + ve - ışımaları II. Uranyum + Oksijen Uranyum oksit III.Radyum + Hidroklorik asit Radyum klorür + hidrojen Bu tepkimelerden hangisi ya da hangileri çekirdek tepkimesidir? Doğada bulunan çekirdeklerin gözlenmesinden bazı sonuçlar çıkarılabilir. Bunlara kısaca değinelim: 1. En basit çekirdek 1 protondan oluşan H çekirdeğidir. Proton sayısı ikiye çıkınca bun ların yanında nötronlarında bulunduğunu görüyoruz. O halde protönların bir arada bulunabilmesinde nötronların bir görevi vardır. 2. Kalsiyuma ( 20Ca) kadar olan çekirdeklerde proton sayısı nötron sayısına ya eşit, ya da nötron sayısı proton sayısından bir fazla oluyor. Kalsiyumdan sonraki çekirdeklerde nötron s ayısının proton sayısına göre giderek arttığı görülüyor. Orneğin Ca çekirdeğinde (20 p + 20 n), Fe çekirdeğinde (26 p + 30 n), U çekirdeğinde (92 p +146 n) bulunur. Demek ki, P sayısı arttıkça bunların bir arada durabilmesi için daha fazla nötrona gereksinim vardır ten fazla proton bulunan çekirdeklerin tümü radyoaktiftir. Bunlar değişmeye uğrayarak sonunda 82 protonlu çekirdeğe (kurşun) dönüşüyor. O halde çekirdekteki proton sayısı 83 ü geçerse çekirdek düzen tutmuyor. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 6

7 C çekirdeği kararlı olduğu halde, C çekirdeği radyoaktiftir. 6 C 'te nötron sayısı, diğerindeki nötron sayısından 2 fazladır. Demek nötronların fazla olması da çekirdeği kararsız yapıyor. Kararlı çekirdekler nötronlarla bombardıman edilerek çekirdeklerindeki nötron sayısı arttırılırsa radyoaktif çekirdekler elde ki edilir. Örneğin, kararlı 59 Co çekirdeği nötron bombardımanı ile radyoaktif 60 Co çekirdeğine dönüştürülür. 60 Co kanser tedavisinde kullanılmaktadır. Buraya kadar söylediklerimizden şu sonuç çıkar: Bir çekirdeğin kararlı olabilmesi için proton nötron sayısı arasında bir denge olmalıdır. Çekirdekteki kararlılığı belirleyen unsur, nötron sayısının proton sayısına oranıdır. Kararlı çekirdeklerde bu oran 1'e yakındır. Atom numarası 20 den küçük ve çift sayı olan element atomlarında, genellikle proton sayısı ile nötron sayısı eşit olur. Bunlar kararlı çekirdeklerdir. Atom numarası 20 den küçük olan kararsız çekirdekler de vardır. Proton sayısı büyüdükçe, nötron sayısı proton sayısından çok olur. Hatta atom numarası 82 den büyük olan ağır çekirdeklerde, nötron sayısı, proton sayısından daha da çok olur ve n/p oranı 1,5'a yaklaşır. Bu tür çekirdeklerde kararsızlık daha fazladır. Gerçekten de, atom numarası 82 den büyük olan bütün atom çekirdekleri kararsız olup, radyoaktittir. Kararsız atom çekirdeklerinin büyük çoğunluğu doğada bulunur. Bazıları da yapay olarak elde edilirler. Kararlı atom çekirdekleri, n/p oranına göre dar bir bölgede bulunurlar. Bu bölgeye kararlılık kuşağı denir.kararlılık kuşağı dışında kalan bütün atom çekirdekleri kararsızdır. Atom çekirdeklerinin kararlılığının bir ölçüsü de bağlanma enerjisidir. Bu enerji, çekirdekteki nötron ve protonları birarada tutan enerjidir. Atom çekirdeğinde kararlılık ya da kararsızlıkla, proton-nötron sayıları arasındaki ilişki şöyle genellenebilir: 1. Atom numarası 1-20 arasındaki atomların çekirdeklerinde proton sayısı nötron sayısıdır. 2. Atom numarası arasındaki çekirdeklerde nötron sayısı proton sayısından fazladır. 3. Atom numarası 84 ve daha büyük olan elementlerin çekirdekleri kararsız olup radyoaktiftir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 7

8 4. Atom numarası veya nötron sayısı çift olan atomların, atom numarası ve nötron sayısı tek olan atomlara göre, daha çok sayıda kararlı izotopu vardır. Örneğin, atom numarası 18 olan elementin üç kararlı izotopu, 19 olan elementin iki kararlı izotopu, 20 olan elementin beş kararlı izotopu ve 21 olan elementin bir kararlı izotopu; nötron sayısı 18 olan çekirdeğin üç kararlı izotopu, 20 nötronu olan çekirdeğin dört kararlı izotopu varken, 19 nötronu ve 21 nötronu olan çekirdeklerin kararlı izotopları yoktur. 5. Atomların kararlılıkları, ya da kararsızlıkları üzerine bazı gerçekler vardır. Henüz nedeni bilinmemekle birlikte nötron sayısı ve proton sayısı çift olan atom çekirdekleri daha kararlıdır. Örneğin, proton sayısı ve nötron sayısı çift olan 157 tane kararlı izotop bulunmaktadır. Fakat proton ve nötron sayısı tek olupta kararlı olan çekirdek sayısı, ancak 4 tanedir. 2, 8, 20, 50, 82, 126 tane proton veya nötron taşıyan çekirdekler en kararlı çekirdeklerdir. Bu nedenle bu sayılara sihirli sayılar denir. Bu sihirli sayıların varlığı, elektronların dizilişine benzer şekilde, çekirdek için tabaka modelinin önerilmesine yol açmıştır. Çekirdekte, proton veya nötron tabakaları sihirli sayılarda proton veya nötronlarla tamamlandığı zaman, çekirdek kararlı bir yapıya ulaşmaktadır. Aşırı kararlı bir çekirdekte, tabakalar hem protonlar hem de nötronlarla dolmuştur. Kararsız atom çekirdekleri zamanla bozunurlar ve kararlılık kuşağı içinde bulunan atom çekirdeklerine dönüşmeye çalışırlar. Bunun için (alfa), (beta), (gama), 1 0 n (nötron), (pozitron) gibi ışımalar yaparlar veya fisyon, füzyon gibi değişmeler sonucu kararlı izotoplara ulaşmaya çalışırlar. Daha önce de söylediğimiz gibi, doğada bulunan ve dışarıdan bir etki olmaksızın kendiliğinden ışıma yaparak bozunan elementlere doğal radyoaktif elementler denir. Bunlardan başka yapay olarak elde edilen ve doğada bulunmayan radyoaktif izotoplar da vardır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 8

9 Kararlılık kuşağı içinde yer alan bütün çekirdekler kararlıdır. Kuşağın dışında kalan çekirdekler kararsızdır yani radyoaktiftir. Genel olarak n/p 1,5 olan çekirdekler kararlı ya da az kararlı, n/p> 1,5 olan çekirdekler kararsızdır. Bu elementlere ışıma yapan anlamında radyoaktif elementler denir. Radyoaktif elementlerin bazı genel özellikleri aşağıdaki gibidir: 1) lşıma yaparak bozunurlar ve zamanla daha kararlı izotoplara dönüşürler. 2) Radyoaktif izotopların bazıları n/p oranını küçülterek kararlı hale geçmeye çalışır. Bu tür radyoaktif e lementler ışıması yaparlar. Bazı radyoaktif element atomları ise n/p oranını artırarak kararlılık kuşağına ulaşırlar. Bunlar ise, veya pozitron ışıması yaparlar. 3) Radyoaktif bir elementin bozunma hızı, sıcaklık ve basınç gibi çevre koşullarına bağ lı değildir. Bozunma hızı, radyoaktif elementler için ayırdedici özelliktir. 4) Radyoaktiflik, radyoaktif element atomlarının çekirdeklerinin özelliğidir. 5) Kimyasal olaylar, bir elementin radyoaktif özelliğini etkilemez. Bu nedenle bir elementin oluşturd uğu bileşikler de radyoaktif olur. Örneğin, saf Uranyum (U) elementi ile uranyumun herhangi bir bileşiğinin (UO, UCI2 USO4 gibi) radyoaktif özelliği aynıdır. 6) Radyoaktif elementlerin yaydığı ışınlar, gözle görülmezler. Bu ışınların bazı etkileri vardır. Örneğin, karanlık odadaki fotoğraf filmini bozarlar. 7) Radyoaktif bir maddenin birim zamanda yaydığı ışıma miktarı (fırlattığı tanecik sayısı), maddenin miktarına ve çekirdeğin türüne (yarı ömrüne) bağlıdır. 8) Doğal radyoaktif elementler bozunarak kararlı atom çekirdeklerine ulaşırken bazı radyoaktif seriler oluştururlar. Üç tane doğal radyoaktif parçalanma serisi vardır. Bunların hepsinde ve ışınları yayılır A) Toryum (Th) serisi: 90 Th izotopu ile başlar, 82 Pb izotopu ile sonlanır. 6, 4 ışıması olur. 235 B) Uranyum ( U 238 C) Uranyum ( U 235 ) serisi: U 238 ) serisi: U izotopu ile başlar, 82 Pb izotopu ile sonlanır. 7, 4 ışıması olur izotopu ile başlar, 82 Pb izotopu ile sonlanır. 8, 6 ışıması olur. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 9

10 Demek ki doğal radyoaktif elementler, sonuçta kararlı Pb izotoplarına dönüşürler. Oluşan 208 Pb, 207 Pb, hepsi kararlı izotoplardır. Bütün doğal radyoaktif elementler, yukarıda anlatılan üç doğal seriden birinde bulunur. 206 Pb izotoplarının Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 10

11 ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ Kimyasal tepkimelerde atomların sayısı ve türü değişmemekte, atomlar farklı şekilde düzenlenerek yeni bileşikler oluşturmaktadır. Radyoaktif bir atom ise ışıma yaparken başka bir atoma dönüşmektedir. Buna göre, radyoaktiflik kimyasal bir olay değil, atom çekirdeğinde olan değişmelerle ilgilidir. Atom çekirdeğindeki değişiklik, bir elementin başka bir elemente dönüşmesine neden olur. Böyle tepkimelere çekirdek tepkimeleri adı verilir. Çekirdek tepkimelerinde yeni atomlar oluştuğundan, tepkime denklemleri, atom numaraları ve kütle numaraları yönünden denkleşmiş olmalıdır. Kimyasal Tepkimeler ve Çekirdek Tepkimelerinin Karşılaştırılması Kimyasal Tepkimeler Çekirdek Tepkimeleri Atomlar bağların kopması ve oluşmasıyla yeniden Element atomu ya başka bir element atomuna ya da kendi düzenlenirler. izotopuna dönüşür. Atomlar arası bağların kopması ve yeniden oluşumunda Atomu oluşturan proton, nötron, elektron ve diğer tanecikler sadece elektronlar görev alır. rol alabilir. Tepkimeye giren atomların ayısı ve cinsi korunur. Tepkimede atom sayısı ve cinsi değişebilir. Kimyasal tepkimelerde kütle korunur. Kütle korunmaz. Tepkime hızı, sıcaklık, basınç, derişim ve katalizör gibi Tepkime hızı dış etkilerden etkilenmez. etkenlerle değişir. Açığa çıkan veya soğurulan enerji miktarı küçüktür. Açığa çıkan veya soğurulan enerji miktarı çok fazladır. Aktifleşme enerjisine gereksinim vardır. Doğal radyoaktif tepkimelerde aktifleşme enerjisine gerek yoktur. RADYOAKTĠF BOZUNMA TÜRLERĠ Bir çekirdekte, proton - nötron dengesi yoksa, çekirdek dengeyi sağlamak için bir takım ışımalar yapar. Işıma sonunda çekirdekteki proton ve nötronların ikisi birden azaldığı gibi, biri azalırken diğeri artar. 4 1) Alfa bozunması (alfa ıģıması): Alfa ( ) taneciği, +2 yüklü 2 He atomudur. Alfa bozunmasında, bozunmaya uğrayan radyoaktif izotop, 4 2 He tanecikleri fırlatır. Alfa ışımasını genellikle atom numarası 83 ten büyük olan çekirdekler yapar. Bir 4 2 He taneciğinde 2 tane proton ve 2 tane nötron vardır. Buna göre 1 tane ışıması yapan radyoizotopun nötron sayısı ve proton sayısı 2 şer azalır.böylece kütle numarası 4, atom numarası 2 azalmış olur. Yani her ışıması yapan atom çekirdeğinin kütle numarası(a) 4 azalır, atom numarası(z) 2 azalır. ışımasını 234 U Th + 2 He ya da 92 U 90 Th + şeklinde gösterebiliriz. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 11

12 Aşağıda verilen radyoaktif bozunma denklemlerini tamamlayınız. 210 A) 84 Po un bozunması 220 B) 86 Rn un bozunması 234 C) 92 U un 4 bozunması Ra izotopu 2 ışıması yaparsa, oluşan elementin atom ve kütle numarası ne olur? 2) Beta bozunması (beta ıģıması): Beta taneciği, kütlesi sıfır kabul edilen 1 yüklü taneciktir. Beta taneciğinin gerçek kütlesi, elektronun kütlesine eşittir. Beta, veya şeklinde gösterilir. 1 tane ışıması yapan atom çekirdeğinde, 1 nötron, e n 1 1 p e şeklinde parçalanarak 1 proton ile 1 elektrona dönüşür. 0 1e, beta ışıması olarak fırlatılır. Proton ise, atomun çekirdek yükünü 1 artırır. Buna göre, 1 tane ışıması yapan elementin kütle numarası değişmez, atom numarası 1 artar. Yani 1 ışıması yapan atomun nötron sayısı 1 azalır, proton sayısı 1 artar. ışıması, radyoaktif parçalanmanın en çok görülen yollarından biridir. Beta ışıması yapan bir izotop n /p oranını küçülterek kararlılık kuşağı içindeki bir izotopa ulaşmaya çalışır. Örneğin, denklemi, 225 Ra Ra, beta bozunmasına uğradığında 89 Ac elementine dönüşür. Bu olayın Ac + ya da 88 Ra 89 Ac + e biçiminde yazılır. Burada da görüldüğü gibi, ışıması yapan radyoaktif bir izotopun atom numarası 1 artmakta, kütle numarası değişmemektedir Aşağıda verilen radyoaktif bozunmaların denklemlerini yazınız. 234 A) 90 Th un bozunması 214 B) 83 Bi un bozunması C) Ra un 3 ve 2 bozunması Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 12

13 3) pozitron ıģıması: Pozitron, kütlesi elektrona eşit fakat yükü (+) olan bir taneciktir. Yükü +1 dir. Yani ( 0 1e ) taneciğinin ters işaretlisidir.pozitron, veya 0 1e şeklinde simgelenir. Pozitron ışıması yapan atomun çekirdeğindeki bir proton, 0 1 n + 0 1e tepkimesine göre, nötron ile pozitif yüklü bir elektrona (pozitron) dönüşür. Böylece atomun çekirdeğindeki proton sayısı 1 azalır, nötron sayısı 1 artar. Pozitron ışıması yapan bir radyoaktif izotop, n/p oranını artırarak kararlı bir izotopa dönüşmeye çalışır. Bir tane pozitron ışıması yapan atomun kütle numarası değişmez, atom numarası bir azalır. p A) 4 Be un pozitron bozunması 54 B) 27 Co ın pozitron bozunması 19 C) 10 Ne un pozitron bozunması 4) Elektron yakalaması:bu tür bozunmalarda, kararsız bir atom çekirdeği, kendinin 1s yörüngesinden (K kabuğundan) bir elektronunu çekerek, çekirdeğindeki bir proton ile birleştirir ve 1 1 p + 0 1e 0 1 n tepkimesine göre bir nötrona dönüştürür. Böylece atomun proton sayısı 1 azalır, nötron sayısı 1 artar. Çekirdek, K yörüngesindeki bir elektronu aldığı için, buna K yakalaması da denir. K yakalaması sonucu elementin kütle numarası değiģmez, atom numarası bir azalır. Aşağıdaki radyoaktif bozunmaların denklemlerini yazınız. 40 A) 19 K un elektron yakalaması 177 B) 73 Ta un elektron yakalaması C) Ge un elektron yakalaması Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 13

14 5) Gama ıģıması ( ): Gama kısa dalga boylu elektromagnetik ışımadır. Gama ışınları yüksüz, kütlesiz fotonlardır. Çekirdek tepkimelerinde, uyarılmış duruma gelen atom çekirdekleri, fazla enerjilerini ışını şeklinde yayarak kararlı duruma geçerler. Gama ışıması yapan çekirdeğin kütle numarası ve atom numarası değişmez. Aşağıdaki radyoaktif bozunmaların denklemlerini yazınız. 214 A) 84 Po un 2, 2 ve 1 ışıması yapması 230 B) 90 Th un 4, 1 ve 3 ışıması yapması IġINLARININ ÖZELLĠKLERĠ: Doğal radyoaktif bozunmalarda oluşan en önemli ışımalar, ve ışımalarıdır. ışınlarının dalga boyları büyük, hızları azdır. Hızları yaklaşık olarak, ışık hızının onda biri kadardır. Başka maddelerden geçicilikleri azdır. Örneğin, bir karton kağıdı geçemezler. ışınlarının hızları, ışık hızına yakındır. Dalga boyları daha kısadır. Geçicilikleri daha fazladır. ışınlarının, hızları çok büyük, dalga boyları çok küçük elektromanyetik dalgalardır. Çok girgin (geçici) ışınlardır. ışınları pozitif yüklü, ışınları negatif yüklü, ışınları ise yüksüz taneciklerdir. Bu nedenle ve ışınları elektrik ve magnetik alandan geçirilince sapma gösterirler; ışınları sapmadan geçerler. Aşağıdaki radyoaktif bozunma denklemlerini tamamlayınız A) 82Pb 1 e? 220 B) Rn 4 2 He 86? 177 elektron yakalaması 73 C) Ta? D) 56Ba 1 e? 58 E) 29 Cu 0 1 e? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 14

15 68 elektron yakalaması 32 F) Ge? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 15

16 YAPAY RADYOAKTĠFLĠK Çekirdek Dönüşümü(Çekirdek Transmutasyonu): Radyoaktif olmayan kararlı çekirdekler, dış etki ile kararsız hale getirilebilir. Örneğin 14 N çekirdekleri kararlıdır yılında 4 Rutherford azotla doldurduğu bir tüp içerisinden tanecikleri ( 2 He ) geçirip kararlı azot atomlarını bombardıman etti. Tüpteki gaz analiz edildiğinde, radyoaktif 17 O izotoplarının oluştuğunu gözlemledi. Bu olay, bir elementin başka bir elemente dönüştürüldüğü ilk yapay çekirdek tepkimesi olarak tarihe geçti. Bir elementin başka bir elemente dönüştürüldüğü bu tür olaylara çekirdek dönüşümü ya da transmutasyon denir N + 2 He 8 O + Rutherford'un çalışmalarından sonra 1933 yılında Irene Joliot-Curie(Marie Curie'nin kızı), ve eşi Frederic Joliot, alfa tanecikleriyle aluminyumu bombardıman ederek nötronlar ve pozitronlardan oluşan iki çeşit parçacığın yayınlandığını gözlemlediler. Curie ve eşi, alfa tanecikleri ile bombardıman durdurulduğunda nötron yayınlanmasının durduğunu ama pozitron yayınlamasının devam ettiğini de gözlemlediler. Aluminyum çekirdeğinin bombardımanı sonucu atomu da pozitronlar yayınlayıp radyoaktif bozunmaya uğrar ve atomuna dönüşür. oluşur. Oluşan Böylece bir element başka bir elemente dönüşmüş olur. Bu tür tepkimelere yapay çekirdek tepkimeleri denir. Tepkimelerde atom ve kütle numaralarının toplamının girenler ve ürünlerde eşit olduğu görülür. Aşağıda verilen benzer çekirdek tepkimelerinde, yeni elementler ile birlikte nötron, tanesi ve ışınları oluştuğu görülmektedir Be He C Al 0n 11 Na n He Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 16

17 C H N Azot elementinin alfa bombardımanı sonucunda oksijen izotopuna transmutasyonu aşağıdaki şekilde gerçekleşir. Doğada bulunmayan bazı izotopların yapay çekirdek tepkimeleri ile elde edilmesi örnekleri aşağıda verilmiştir. Tellür-130 izotopunun nötronla bombardımanı sonucu tellür-131 oluşur. Tellür-131'in de beta ışıması sonucunda iyot-131 elde edilir. iyot-131, tıp alanında yaygın kullanımı olan izotoplardan biridir. Talyum-203 izotopunun protonlarla bombardımanı sonucu kurşun-201 radyoizotopu elde edilir. Kararsız Pb-201 izotopu da pozitron ışıması yaparak Tl-201 radyoizotopuna dönüşür. Bundan da tıp alanında yararlanılır. Teknetyum-99, nükleer tıpta tanı ve tedavi amacıyla kullanılan radyoizotoplardan birisidir. Teknetyumun atom numarası 43 olmasına rağmen bütün izotopları radyoaktiftir. Teknetyum izotopu izotopundan elde edilir. ( ) izotopu yarı kararlı yapıdadır. Kobalt-60, doğal halde bulunan ve radyoaktif olmayan çekirdeğinin nötronla bombardıman edilmesi sonucu elde edilir. Yukarıda denklemi verilen transmutasyon denkleminin basit yazılımı, ( ) şeklindedir. Genel olarak transmutasyon denklemleri hedef atom(gelen parçacık, fırlatılan parçacık)ürün şeklinde yazılır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 17

18 transmutasyon denkleminin kısa gösterimi (d, 2n) şeklinde olur. Parantez içerisindeki 'd' dötoryum izotopunu, 'n' nötronu göstermektedir. Transmutasyonda yeni elementler ve bilinen elementlerin izotopları elde edilir. Atom çekirdeğine gönderilen parçacığın hızı yeteri kadar yüksek olduğunda, aynı yükler arasındaki elektriksel itme kuvvetleri yenilir ve parçacıkla çekirdek bombardımanı gerçekleştirilmiş olur. BÖLÜNME VE KAYNAġMA TEPKĠMELERĠ Güneşin nükleer reaktörlerin ve atom bombasının ortaya çıkardığı enerjinin kaynağı radyoaktif çekirdeklerin bölünerek veya kaynaşarak daha kararlı hale gelmeye çalışmasıdır. Çekirdeklerin bölünmesi veya kaynaşması sırasında çekirdeklerde bulunan enerji açığa çıkar. Açığa çıkan bu enerji nükleer enerji olarak adlandırılır. Nükleer enerji fizyon ve füzyon tepkimeleri sonucu elde edilir. Bölünme (Fisyon) Tepkimeleri Büyük ve kararlılığı az çekirdekler, kararlı çekirdeklere bölünüyorsa, bu olaya bölünme (fizyon) tepkimesi denir. Büyük atom çekirdeklerinin bölünerek daha kararlı çekirdekler oluşturması olayında, büyük miktarlarda enerji açığa çıkar. Atom bombalarında bölünme tepkimesi olur. Bu tepkimelerde büyük atom çekirdekleri, nötronlarla bombardıman edilir ve çekirdek ikiye bölünür. Tepkimede oluşan yeni nötronlar diğer uranyum çekirdeklerini etkiler ve böylece hızı gittikçe artan bir tepkime oluşur. Böyle tepkimelere zincir tepkimesi denir. U-235 izotopunun nötron bombardımanıyla oluşan bir başka fizyon zincir tepkimesi de aşağıdaki gibidir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 18

19 Çok kısa sürede büyük hızlara ulaşan zincir tepkimesi sonucunda açığa çıkan enerjinin yıkma gücü çok yüksektir. Bu nedenle bölünme tepkimeleri, atom bombalarının yapımında kullanılmıştır. Nükleer enerji santrallerinde de aynı tür tepkimeler olur. Santralde kullanılan radyoaktif maddenin içine nötron yutucular karıştırılarak tepkimenin hızı kontrol edilir. Nükleer reaktörlerde bölünme tepkimesinin hızı düşürülerek, açığa çıkan enerjinin elektrik üretimi gibi yararlı amaçlarla kullanılması sağlanır. Füzyon tepkimelerinde açığa çıkan enerji çok büyüktür. Bir zincir tepkimede, salınan enerjinin kontrol edilmemesi durumunda patlama gerçekleşir. Atom bombas ının temeli burada böyledir. Kontrollü bölünmenin gerçekleşebilmesi için 235 U izotopunun kritik kütleye ulaşması gerekir. Kritik kütle zincir tepkimesini sürdürmeye yeterli nötronu verebilecek 235 U kütlesidir. Atom bombasında açığa çıkan enerji kontrolsüz zincir tepkimesi sonucunda oluşur. Nükleer reaktörlerde fizyon tepkimeleri ile elde edilen enerji ise kontrollü zincir tepkimeleri sonunda ortaya çıkar. Bu amaçla kullanılan basınçlı su reaktörü modeli şekildeki gibidir. Bu reaktörlerde kontrol çubuklarının ve basınçlı suyun moderatörlüğünde fizyon tepkimesinin kontrolü sağlanır. Reaktörde yakıt olarak kullanılan zenginleştirilmiş uranyum genellikle kadmiyumdan yapılmış moderatör(kontrol çubukları) içinde basınçlı suda 70 ila 150 atm basınç altında asılı durumda bulunulur. Fizyonla açığa çıkan enerji, basınçlı su reaktöründeki suyu yaklaşık 300 o C sıcaklığa kadar ısıtır. Bu sıcaklıktaki su, borularla ısı değiştirici olarak adlandırılan bölümde soğuk su ile temas ederek ısısını soğuk suya aktarır ve soğuk suyun buhara dönüşmesini sağlar. Oluşan yüksek basınçlı buhar, elektrik üreteçlerini hareket ettiren türbinlere gönderilir, türbinlerin döndürülmesini sağlar ve böylece elektrik üretilmiş olur. Ancak bu tip reaktörlerde uranyumun zenginleştirilmiş olması gerekir. Yani doğadaki uranyum, içinde %0,7 oranında bulunan ve kolayca Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 19

20 parçalanabilen uranyum-235 izotopunun oranının %3'lere zenginleştirilmesi gerekir. Bu arada geri kalan %97 oranındaki kolay parçalanamayan uranyum-238 izotopu da nötron darbeleriyle ve birtakım geçişlerle kolayca parçalanabilen bir izotop olan plutonyum-239'a dönüştürülür. Nükleer reaktörler, sadece enerjinin üretildiği birimler değildir. Birçok alanda kullanılan radyoizotopların büyük bir kısmı nükleer rektörlerde üretilir. Nükleer enerji santrallerinin kurulması, işletilmesi ve nükleer tepkimeler sonucu oluşan radyoaktif ürünlerin saklanması diğer santral çeşitlerine göre daha maliyetlidir. Nükleer santrallerin en önemli dezavantajlarından birisi çevreye ve canlılara verebileceği olası tehlikelerdir. Nükleer reaktörlerde oluşan ve kullanılamayan radyoaktif izotopların oldukça zararlı olmasıdır. Bu nedenle bu atıkların uygun yöntemlerle zırhlanarak korunaklı yerlerde saklanması gereklidir. Bu da maliyeti artıran unsurlardan biridir. Fakat nükleer atıklar sanayi atıkları gibi çevrede olduğu gibi kalmaz. Örneğin, sanayi atıklarından olan kurşun, cıva ve siyanür gibi maddeler doğada oldukları gibi bozunmadan kalır ve canlı yaşamını tehdit eder. Radyoaktif atıkların etkisi ise zamanla azalır. Bu da radyoaktif izotopların yarı ömürleri ile ilgilidir. Radyoaktif İzotoplar ve Yarı Ömür Radyoaktif bir izotopun başlangıçtaki miktarının yarısının bozunması için geçen süreye yarılanma süresi veya yarı ömür denir ve t1/2 ile gösterilir. Yarılanma süresi her element için karakteristiktir. Yarılanma süresi, saniyenin milyonda biri gibi çok kısa olan izotoplar ol duğu gibi milyonlarca yıl olan izotoplar da vardır. Bununla birlikte aynı elementin farklı iki izotopunun yarılanma süreleri de farklıdır. Nükleer santrallerde kullanılan uranyumun ışıma serilerinde oluşan radyoizotoplarının da yarı ömürleri farklıdır. Çok kısa ömürlü olanları olduğu gibi çok uzun ömürlü olanları da vardır. Nükleer reaktör atıklarının önemli bir kısmını oluşturan Sr -90 ve Cs-137 izotoplarının ömürleri oldukça uzundur. Bir radyoaktif maddenin özelliğini kaybetmiş olabilmesi için yaklaşık 10 yarı ömür geçirmiş olması gerekir. Bu durumda yarı ömrü 28 yıl olan Cs-137 izotopunun etkinliğini kaybetmesi için yaklaşık 280 yıl, yarı ömrü 30 yıl olan Sr izotopunun etkinliğini kaybetmesi için yaklaşık 300 yıl saklanması gereklidir. Yarı ömrü yıl olan plutonyumun ise yaklaşık yıl saklanması gereklidir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 20

21 KaynaĢma (Füzyon) Tepkimeleri Küçük ve kararlılığı az olan çekirdeklerin, birleşerek kararlı büyük çekirdekler oluşturmasına, kaynaşma (füzyon) denir. 12 C çekirdekleri ışınları ile bombardıman edilirse, C + 2 He 8 O + Enerji Füzyon tepkimeleri çok yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen tepkimeler olduğundan termonükleer tepkimeler olarak da adlandırılırlar. Kaynaşma tepkimelerinde açığa çıkan enerji, bölünme tepkimelerine göre çok daha büyüktür. Hidrojen bombasındaki tepkime, bir kaynaşma tepkimesidir. Bu tepkimede, hidrojen çekirdekleri kaynaşarak helyum çekirdeklerini oluşturur. Kaynaşma tepkimeleri çok yüksek sıcaklıklarda (bir milyon derecenin üstü) gerçekleşir. Örneğin hidrojen bombası füzyona dayanır ve patlatılması için fizyon temelli bir bombanın kullanılması gerekir. Bu nedenle hidrojen bombasındaki çekirdek tepkimesinin gerçekleştirilebilmesi için atom bombası kullanılır. Hidrojen bombasının patlatılması için atom bombası bir çakmak görevi görür. Bunun için bir fizyon bombası, ve (dötoryum) ile hazırlanan bir madde ile sarılır ve fizyon sonucu oluşan nötronlar, (trityum) oluşturulur. ile tepkimeye girerek füzyon için gerekli Oluşan trityum, dötoryum ile aşağıdaki tepkimede gösterildiği gibi kaynaşır. Atık depolama sorunları ve kaza riski taşıyan fizyona karşın bu sorunları taşımayan füzyon tepkimelerinde daha fazla miktarda enerji açığa çıkar. Füzyon tepkimesinde, bu tepkimeyi başlatan fizyonda açığa çıkan zararlı radyoaktif izotoplar haricinde başka zararlı radyoaktif izotop ortaya çıkmaz. Kaynaşma tepkimesi, hidrojen bombasında oldukça kolay gerçekleştirilmesine karşın bunun bir enerji santralinde denetimli olarak gerçekleştirilmesi hiç de kolay değildir. Eğer füzyon tepkimesi kontrol altına alınabilirse sonsuz bir enerji kaynağı elde edilir. Füzyonun,fizyona göre birtakım üstünlükleri vardır. Bunlar: Enerji kaynağı olarak fizyona göre yakıtının bol ve oldukça ucuz olması(dötoryum okyanuslardan elde edilebilir), Birim yakıt kütlesi başına daha çok enerji açığa çıkarması, Radyoaktif ürünler oluşturmaması şeklinde sıralanabilir. Güneş enerjisinin çoğunluğunu oluşturan füzyonun gerçekleşmesi Güneş'teki yüksek sıcaklık dolayısıyla kolaydır. Bilim insanları, aynı koşulları Dünya üzerinde oluşturmak ve füzyon enerjisinden yararlanmak için araştırmalar yapmaktadırlar. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 21

22 Güneşin enerjisinin bir bölümü füzyon ile hidrojen çekirdeğinin helyum çekirdeğine dönüşmesi ile sağlanır. Füzyonun gerçekleşebilmesi için dötoryum ve trityum çekirdeklerinin birbirlerine çok fazla yaklaştırılabilmeleri gerekir. Atom çekirde kleri birbirlerini ittiklerinden, bu yaklaşmanın olabilmesi için çekirdeklerin yüksek basınç altında yüksek enerjilere sahip olmaları gerekir. Füzyon tepkimeleri, çekirdeklerin kinetik enerjilerinin itmeyi yenebilecek kadar fazla olduğu yaklaşık K gib i yüksek sıcaklıklarda yürür. Bu sıcaklıkta tamamen plazma haline gelen ve çekirdekleri birleşerek çekirdeğine dönüşür. Güneşte sürekli olarak kaynaşma oluştuğu ve açığa çıkan enerjinin uzaya yayıldığı kabul edilmektedir. MADDE VE ENERJĠ Yapılan deney ve gözlemler, kütlenin enerjiye, enerjinin de kütleye dönüşebildiğini göstermektedir. Günümüzde kütle yerine enerjinin korunduğuna inanılmaktadır. Kütlenin Korunumu Yasasının geniş anlam daki tanımı, Enerjinin Korunumu Yasası adı altında şu şekilde belirtilebilir: Evrende enerji sabittir, enerji kütleye, kütle de enerjiye dönüşebilir. Kütlesi olan her şey maddedir demiştik. Madde enerjinin yoğun halidir diye de tanımlanır. Böylelikle madde enerji ikilemi ortadan kalkar. Madde enerji ilişkisi, E=mc 2 eşitliği ile verilir. Burada E enerji, m kütle, c de ışık hızıdır. Fiziksel ve kimyasal olaylarda kütle korunduğu halde, büyük enerji değişimi nedeniyle çekirdek tepkimelerinde kütle korunmaz. Azalan kütle enerjiye dönüşür. Bu nedenle nükleer enerji santrallerinde büyük miktarlarda enerji elde edilebilir. BAĞLANMA ENERJĠSĠ Bir atomdaki protonlara ve nötronlara, nükleon denildiği daha önce belirtilmişti. Bir atomu oluşturan nükleonların serbest haldeki kütleleri toplamı, çekirdek içindeki kütleleri toplamından çoktur. Yani protonlar ile nötronlar, bir çekirdeği oluştu rmak üzere biraraya geldiklerinde bir kütle kaybı olur. Bu kütle, enerjiye dönüşür. Işte bu enerjiye, bağlanma enerjisi denir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 22

23 Bu enerji çekirdekteki nükleonların toplamına bölündüğünde, 1 nükleon başına düşen bağlanma enerjisi bulunur. İşte bu enerjinin büyüklüğü, atom çekirdeğinin kararlılığının bir ölçüsüdür. Bir atomdaki nükleon başına düşen bağlanma enerjisi ne kadar büyük ise, bu atom o kadar çok kararlı olur. Şimdi 11 5 B elementinde proton sayısı 5, nötron sayısı 6 dır. Protonların (p) gerçek kütlesi = 1,6726 x gram nötronların (n) gerçek kütlesi = 1,6748 x gram Protonların kütlesi = 5 x 1,6726 x = 8,363 x gram Nötronların kütlesi = 6 x 1,6748 x = 10,0488 x gram Toplam =18,4118x10-24 gram Bu sonuca göre, Oysaki 11 5 B atomunun gerçek kütlesinin 18,41x10-24 gram olması gerekir B atomunun gerçek kütlesi 17,9585 x gram Fark kütle = 18,4118 x ,9585 x Fark kütle = 0,4533 x gram 0,4533 x g = 4,533 x kg İşte bu fark kütle, bağlanma enerjisine dönüşen kütle olmalıdır. E = mc 2 bağıntısından fark kütlenin, enerji olarak değeri hesaplanabilir. E = Enerji (J) m = Kütle (kg) c =Işık hızı (3x 10 8 m/s) E = 4, x (3 x 10 8 ) 2 E = 4,0797 x J Yukarıda hesaplanan 4,0797 x J lük enerji, 11 5 B atomunu örnek alarak, bağlanma enerjisini hesaplayalım B atomunda nükleonları bir arada tutan bağlanma enerjisidir. Bu enerji, bir bakıma 11 5 B atomu çekirdeğinin parçalanabilmesi için gereken enerji miktarıdır. YARILANMA SÜRESĠ Radyoaktif bir elementin her hangi bir andaki kütlesinin veya atom sayısının yarısının bozunması için geçen süreye o elementin yarılanma süresi veya yarı ömrü denir. Yarıömür, t1/2 simgesi ile gösterilebilir. Yarılanma süresi, yalnızca çekirdeğin türüne bağlıdır. İzotop atomlarda bile, çekirdekteki tanecik sayıları farklı olduğu için, yarılanma süreleri farklı olmaktadır. Bir radyoaktif maddenin birim zamanda ne kadar ışıma yapacağı (bozunma hızı), 1. radyoaktif maddenin türüne ve kütlesinin büyük ya da küçük olmasına bağlıdır. 2. ışıma süresi ile doğru orantılıdır. 3. radyoaktif maddeye olan uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 23

24 Yarılanma süresi 3 dakika olan 16 gram kütlesindeki bir radyoaktif maddenin 9 dakika sonra kaç gramı bozunmadan kalır? Bir radyoaktif maddenin % 93,75 inin bozunması için 20 dakika geçmiştir. Buna göre yarılanma süresi kaç dakikadır? Yarılanma süresi 4 gün olan radyoaktif elementin 8. gün sonunda yüzde kaçı bozunmadan kalır? IġIMA MĠKTARININ ÖLÇÜLMESĠ Radyoaktif maddelerin yaydıkları ışınların miktarı sayıcı denilen cihazlarla ölçülür. Bunlar bir saniyede bozunan çekirdek miktarını sayarlar. Bunların en yaygını Geiger sayıcılarıdır. Işıma birimi olarak Curie (Ci) ve Becquerel kullanılmaktadır. 1 curie lik ışıma (radyas yon), 3,7 x bozunma/saniye olarak tanımlanır. Becquerel, 1 /Ci dir. Benzer şekilde tüm atomların çekirdek bağlanma enerjileri hesaplanabilir. Aşağıdaki tepkimelerden hangileri doğal çekirdek tepkimesidir? a) Be 1 e 3 Li b) N 1p 8 O c) Al 0n 11 Na 2 He d) Cd 0n 48 Cd e) Be 1 H 5 B 0n f) U 90 Th 2 He g) Bi 2 He 85 At h) Na 0n 11 Na i) H 2 He 2 1 e j) C 1 e 5 B Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 24

25 k) Si 13 Al 1 e l) Ra 86 Rn 2 He m) Ar 2 He 20 Ca 0n n) Na 12 Mg 1 e Bir radyoaktif izotop 3, 2 ışıması yaptığında oluşan çekirdeğin proton ve nötron sayısı için ne söylenebilir? U izotopu hangi ışımalar sonucunda 82 Pb izotopuna dönüşebilir? 2A grubunda bulunan bir elementin radyoaktif izotopu 2 ve 3 ışıması yapıyor. Oluşan X atomunun periyodik cetveldeki grubu ne olur? Yarı ömrü 25 yıl olan X atomundan alınan 32 gramlık bir örnekten, 75 yıl sonra kaç gramı bozunmadan kalır? Yarılanma süresi 4 dakika olan bir radyoaktif izotopun 3,2x10 23 atomundan 3,0x10 23 tanesinin bozunması için geçen süre kaç dakikadır? Yarılanma süresi 2 saat olan radyoaktif bir izotopun 8 saat sonra 5 gramı bozunmadan kaldığına göre, başlangıçta izotoptan kaç gram alınmıştır? Yarılanma süresi 6 saat olan radyoaktif bir izotopun 18. ve 30. saatler arasında 375 gramı bozunduğuna göre, bu izotoptan başlangıçta kaç gram alınmıştır? X radyoaktif izotopunun yarılanma süresi 4 dakika, Y radyoaktif izotopunun yarılanma süresi ise 3 dakikadır. X ve Y maddelerinden eşit kütlelerde içeren bir karışımın 12. dakika sonunda kütleleri oranı (m x/m y) kaç olur? 238 U 0 1 n 92 X X Y Y Z e e Yukarıdaki olaylarda oluşan X, Y, Z çekirdeklerindeki proton ve nötron sayıları hakkında neler söylenebilir? Po taneciği bir dizi ışıma sonucunda 82 Pb taneciğine dönüşüyor. Buna göre radyoaktif çekirdek kaç ve kaç ışıması yapmıştır? ABC, AD, BD, BC, CE, BE bileşiklerinden yalnız 3 tanesi radyoaktiftir. Buna göre elementlerden hangisi radyoaktiftir? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 25

26 226 Ra 88 X 3 çekirdek tepkimesinin yarı ömrü 1622 yıldır. Bu maddenin 45,2 gramından, 3244 yıl sonra kaç gram X elde edilir? Radyoaktif özellik gösteren bir alkali metal izotopu 2, 2 ışıması yaptığında oluşan element periyodik cetvelin hangi grubunda olur? Bir radyoaktif maddenin 16 gramından 1 gramının kalması sırasında 20 gün geçiyor. Bu radyoaktif mad denin başlangıç miktarının %87,5'inin bozunması için kaç gün geçmelidir? Yarılanma süresi 40 gün olan 210 X radyoaktif izotopu bir ışıması yaparak kararlı hale geliyor. 120 gün sonra 2,8 gram elde etmek için başlangıçta kaç gram X elementi alınmalıdır? Kapalı kurşun duvarlı bir kaba 8 mol radyoaktif X elementi konuluyor. 24 gün sonra, X Y He bozunması sonucunda kapta 14 mol helyum gazı oluşuyor. Buna göre X elementinin yarılanma süresi kaçtır? 6, ışıması yaptığında 82 Pb izotopuna dönüşen atomun atom numarası ve kütle numaras ı kaçtır? Th izotopu hangi ışımalar sonucunda 82 Pb izotopuna dönüşür? Th radyoaktif element izotopu, Th Rn 2 tepkimesine göre bozunuyor. 90 Th izotopunun yarılanma süresi n gün olduğuna göre, 2n günde 0,3 mol ışıması yapılabilmesi için Th izotopunun başlangıç kütlesi kaç gram olmalıdır? Radyoaktif X ve Y elementlerinin yarılanma süreleri sırasıyla 5 ve 10 gündür. X ve Y elementlerinden eşit kütleler alınarak b ir kaba konuluyor. 20 gün sonra kaptaki Y kütlesi 80 gram olduğuna göre, başlangıçta kaba kaç gram X konulm uştur? Radyoaktif X ve Y elementlerinin yarılanma süreleri sırasıyla 3 ve 6 gündür. X ve Y elementlerinden eşit kütleler alınarak bi r kaba konuluyor. 12 gün sonra kaptaki Y kütlesi 4 gram olduğuna göre, bozunan X kütlesinin, bozunan Y kütlesine oran ı kaç olur? 226 Ra izotopunun yarılanma süresi 1590 yıldır. 0 0 C sıcaklıkta 11,2 litrelik bir kaba 1 mol 226 Ra konuluyor yıl sonra, Ra Rn He denklemine göre gerçekleşen bozunma sonucunda, kaptaki basınç kaç atmosfer olur? X ve Y radyoaktif elementlerinden oluşan bir karışım 120 gramdır. X ve Y elementlerinin yarılanma süreleri sırasıyla 2 gün ve 4 gündür. 8 gün sonra karışımın kalan kütlesi 15 gram olduğuna göre, başlangıç karışımının kaç gramı Y elementidir? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 26

27 X ve Y radyoaktif elementlerinden oluşan bir karışım 200 gramdır. X ve Y elementlerinin yarılanma süreleri sırasıyla 3 gün ve 4 gündür. 12 gün sonra karışımın kalan kütlesi 15 gram olduğuna göre, başlangıç karışımının kaç gramı X elementidir? Yarılanma süresi 8 saat olan radyoaktif bir elementin 16. ve 32. saatler arasında 30 gramı bozunmaktadır. Buna göre elementin başlangıçtaki kütlesi kaç gramdır? Yarılanma süresi 5 gün olan radyoaktif bir elementin 15. ve 30. saatler arasında 17,5 gramı bozunmak tadır. Buna göre elementin 30 saat sonunda kalan kütlesinin, başlangıçtaki kütlesine oranı kaçtır? Yarılanma süresi 4 saat olan radyoaktif bir elementin 8. ve 16. saatler arasında 12 gramı bozunmaktadır. Buna göre elementin 12 saat sonunda bozunan miktarı kaç gram olur? Yarılanma süresi 2 saat olan X radyoaktif elementi ışıması yaparak bozunmaktadır. Bu radyoaktif elementin 0,8 molü 4 saatte, 4 2 X Y He denklemine göre bozunduğunda, oluşan He gazı, 27 0 C sıcaklıkta 8,2 litrelik kap içerisinde kaç atmosfer basınç yapar? Al elementi, nötron ile bombardıman edildiğinde, Y elementi ile birlikte 1 taneciği oluşmaktadır. Oluşan Y elementinin 9F ile oluşturacağı bileşiğin formülü nedir? 64 gram X elementi, 4 2 X Y 2 He tepkimesine göre bozunuyor. Yarı ömrünün 4 katı zaman geçtiğinde 0,25 mol Y oluştuğuna göre, Y'nin atom kütlesi ne olur? 160 gram X elementi, 4 2 X Y 2 He tepkimesine göre bozunuyor. Yarı ömrünün 2 katı zaman geçtiğinde 0,5 mol Y oluştuğuna göre, Y'nin atom kütlesi ne olur? 4 2 X Y 2 He tepkimesine göre, kurşundan yapılmış bir kaba 1,2 mol radyoaktif X elementi konuluyor ve 24 dakikada 7,2 gram He gazı oluşuyor. Buna göre, X elementinin yarılanma süresi kaçtır? (He=4) 4 2 X Y 2 He tepkimesine göre, kurşundan yapılmış bir kaba 0,4 mol radyoaktif X elementi konuluyor ve 24 dakikada 2,8 gram He gazı oluşuyor. Buna göre, X elementinin yarılanma süresi kaçtır? (He=4) X çekirdeğinden başlayan bir dizi radyoaktif bozunmada art arda 2 ve 3 - ışıması sonucu Y çekirdeği oluşmaktadır. Y atomunun çekirdeğinde 82 proton ve 124 nötron bulunduğuna göre, X atomunun çekirdeğinde kaç nötron bulunur? X Y + - Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 27

28 X n Z + - Y R + yukarıda gerçekleşen olaylarda yer alan X, Y, Z atomlarından hangileri birbirinin izotopudur? Yarılanma süresi 9 saat olan X elementi a X Y 2 tepkimesine göre bozunmaktadır. Buna göre, 1 mol X elementinden 18 saat sonra kaç gram Y elde edilir? Ac radyoaktif izotopu bir dizi zincir radyoaktif bozunma sırasında, sırasıyla 2, 4, 1, 1 ve ışımaları yapıyor. Oluşan çekirdekteki nötron sayısı kaç olur? X Y Y Z Z T Yukarıdaki radyoaktif bozunma tepkimelerinde X toprak alkali bir element olduğuna göre, T elementinin periyodik cetveldeki yeri için ne söylenebilir? Atom no X Kütle no Y Yandaki grafik, kararlı bir çekirdeğin oluşumu sırasında, X çekirdeğinin Y çekirdeğine dönüşmesi ile ilgili ışımaları göstermektedir. Buna göre X çekirdeği Y çekirdeğine dönüşürken hangi ışımaları yapmıştır? Kütle no X Y Atom no Yandaki grafik, X çekirdeğinin Y çekirdeğine dönüşmesine ait radyoaktif bozunma basamaklarını göstermektedir. Buna göre, X çekirdeği Y çekirdeğine dönerken hangi ışımaları gerçekleştirmiştir? Radyoaktif Işınların Giriciliği ve İyonlaştırma Etkisi Varlığı 1900'lü yıllarda keşfedilen radyasyon evrenin oluşumundan beri vardı. Ancak teknolojinin ve sanayileşmenin gelişmesi, radyoaktif izotopların kullanılması ve elektronik ürünlerin yaygınlaşmasıyla radyasyonun etkileri giderek artmıştır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 28

29 Radyasyon üreten bir çok kaynak vardır. Örneğin, Güneş ve yıldızların enerjisi nükleer reaksiyonlar sonucu oluşur. Bu nedenle dünyamıza uzaydan ısı ve ışık ile birlikte nükleer radyasyon da gelir. Dünyaya gelen bu tür ışınlara kozmik radyasyon denir. Atmosferdeki ozon tabakası tarafından bu radyasyonun çoğu soğurulsa da az bir kısmı yeryüzüne ulaşır. Televizyon, radyo, buzdolabı, saç kurutma makinesi ve cep telefonu gibi elektrik ve elektronik araçlar da etrafına radyasyon yayar. Ayrıca X - ışını üreten tıbbi ve endüstriyel röntgen cihazları da radyasyon kaynaklarındandır. Radyasyonun madde üzerindeki etkisini ışımanın giriciliği ve iyonlaştırıcı etkisi belirler. Bir ışın veya taneciğin bir madde içerisindeki ilerleme özelliğine giricilik adı verilir. Her bir ışımanın kendine özgü giriciliği vardır. Ayrıca giricilikte ışımanın çarptığı maddenin özellikleri de önemlidir. Bir ışının maddenin 1 cm lik kısmında oluşturduğu iyon çifti sayısı iyonlaģtırıcı etki olarak adlandırılır. Cep telefonları, baz istasyonları ve elektrikli araçların ürettiği radyasyonlar ile ultraviyole ışınları, kızıl ötesi, radyo dalgaları ve mikrodalgalar iyonlaģtırıcı olmayan radyasyonlardır. X - ışınları, gama ışınları, alfa ışınları, beta ışınları, kozmik ışınlar ve nötron ışımaları ise iyonlaģtırıcı radyasyonlardır. Alfa Işınlarının Giriciliği ve İyonlaştırıcı Etkisi: Alfa ışınları iki proton ve iki nötrondan oluşan çekirdeğidir. Dolayısıyla alfa ışınları büyük kütle ve hacme sahip +2 yüklü taneciklerdir. Ayrıca alfa tanecikleri diğer ışımalara göre daha düşük hızda hareket eder. Düşük hızlı ve büyük kütleli oldukları için alfa tanecikleri bir maddeye çarptığında çok fazla ilerleyemez. Dolayısıyla alfa taneciklerinin giricilikleri oldukça azdır. Bu nedenle alfa tanecikleri ince bir engelle bile durdurulabilir. Örneğin alfa taneciği bir kağıdı geçemez. Alfa ışınları giriciliği diğer ışınlara göre en az olan radyoaktif taneciklerdir. Alfa ışınları 2+ yüklü tanecikler olduğu için madde içine girdiğinde maddenin atomlarındaki elektronları alarak kendisi nötr He atomuna dönüşür. Böylece maddenin iyonlaşmasına neden olur. Bu nedenle alfa ışınlarının iyonlaştırıcı etkisi yüksektir. Alfa ışınlarının iyonlaştırıcı etkisi diğer ışınlara göre en büyüktür. Beta Işımasının Giriciliği ve İyonlaştırıcı Etkisi: Beta ışınları kütlesi çok küçük fakat -1 yüklü elektronlardır. Ayrıca beta tanecikleri çok hızlı hareket eder. Yüksek hızlı ve küçük hacimli (kütleli) olan beta tanecikleri maddeye çarptığında maddenin atomlarındaki çeki rdek ve elektronlar ile etkileşir. Bu da beta taneciklerinin hızının yavaşlamasını sağlar. Böylece beta tanecikleri madde içerisinde alfa taneciklerine göre daha fazl a ilerledikten sonra durur. Bu nedenle beta taneciklerinin giriciliği alfa taneciklerinden yüksektir. Beta ışınları birkaç milimetre kalınlığındaki bir alüminyum levha ile durdurulabilir. Beta ışınları -1 yüklü tanecikler olduğundan çarptığı maddenin elektronları ile etkileşerek onları iyonlaştırır. Ancak beta ışınlarının iyonlaştırıcı etkisi alfa ışınlarının etkisine göre daha azdır. Gama Işımasının Giriciliği ve İyonlaştırıcı Etkisi: Gama (Y) ışınları kütlesiz, yüksüz çok hızlı hareket eden yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır. Bu nedenle çarptıkları maddeler içerisinde oldukça uzun yol alabilirler. Dolayısıyla giricilikleri oldukça yüksektir. Gama ışınları insan vücudundan, camdan ya da günlük hayatta karşılaştığımız bir çok maddeden kolaylıkla geçebilirler. Bu nedenle gama ışınlarını durdurabilmek için bir kaç cm kalınlığında kurşun bloklar veya bir kaç metre kalınlığında beton engel gereklidir. Gama ışınları giriciliği en yüksek olan radyoaktif ışımalardandır. Gama ışınları elektromanyetik dalgalardır. Bu nedenle iyonlaştırıcı etkileri, alfa ve beta taneciklerine göre daha zayıftır. Nötronun Giriciliği ve İyonlaştırıcı Etkisi: Nötronlar, kütlesi alfa ışınlarının dörtte biri kadar olan nükleer taneciklerdir. Çeşitli nükleer reaksiyonlar sırasında çeki rdekten kopan nötronlar insan sağlığı için en tehlikeli radyasyonlardan biridir. Çünkü nötron elektrik yükü olmadığından çok büyük giricilik özelliğine sahiptir. Nötron ışınları kütle etkisinden dolayı bir iyonlaştırıcı etkiye sahiptirler. Gama ışınlarına göre etkileri daha fazla, alfa ışınlarına göre etkileri daha azdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 29

30 Aktiflik Radyoaktif ışınların taşıdıkları enerjiler ve madde üzerindeki etkileri birbirinden farklıdır. Bu etkilerin düzeyinin belirlenmesi radyasyondan korunma için önemlidir. Radyoaktif maddelerin yaptıkları ışımaların şiddetini ölçmek için ışınların iyonlaştırıcı etkisin den yararlanılır. Bu yöntemi ilk olarak Becquerel (Bekerel) kullanmıştır. Becquerel radyoaktif ışınların fotoğraf filmlerini karartmasına bakarak ışımaların şiddetini karşılaştırdı. Çünkü radyoaktif ışınlar fotoğraf filmine etki ederek fotoğraf filmini siyahlaştırır. Radyoaktif ışınların şiddetinin fotoğraf filmi ile belirlenmesi zaman alıcı ve hata oranı yüksek bir yöntemdir. Buna rağmen Becquerel yöntemi hâlen radyoaktif maddeler ile çalışanlar ve röntgen vb. çekimi yapan insanlar tarafından kullanılır. Bu insanlar yakalarına taktıkları bir fotoğraf filminin siyahlaşmasını kontrol ederek ne kadar radyasyona maruz kaldıklarını denetlerler. Teknolojik gelişmelere paralel olarak radyoaktif ışıma şiddetinin belirlenmesi için kullanılan yöntemler de gelişti. Bu yöntemler de yine ışınların iyonlaştırıcı etkisini kullanarak ölçüm yapmaktadır. Örneğin sintilasyon sayıcısı, VVilson (Vilsın) sis odası veya Geiger - Müller (Gayger Müller) sayacı bunlardan bazılarıdır. En yaygın olarak kullanılan araç ise Geiger - Müller sayacıdır. Bu araçlar radyoaktif maddelerin yaydıkları ışınları sayarak maddenin ışıma şiddetini ölçer. Farklı radyoaktif maddeler farklı oranlarda ve farklı enerjilere sahip ışımalar yaparlar. Radyoaktif maddelerin sahip oldukla rı bu ışıma gücüne aktiflik denir ve aşağıdaki gibi tanımlanır. Bir radyoaktif maddenin 1 saniyede oluşturduğu radyoaktif ışıma sayısı aktiflik olarak adlandırılır. Bir radyoaktif izotop atomunun bozunmasından her zaman bir ışıma meydana gelmez. Bazen bir atomun bozunmasıyla birden fazla ışın veya tanecik oluşur. Bu nedenle maddenin aktifliği için bozunma sayısı önemlidir. Radyoaktif maddelerin bozunma sayısını belirtmek için SI birim sisteminde Becquerel kullanılır. Bir saniyedeki nükleer bozunma sayısı 1 becquerel olarak adlandırılır ve Bq sembolü ile gösterilir. Radyoaktif maddelerin ışıma şiddetlerinin belirlenmesi çok önemlidir. Çünkü hem çevreye hem de sağlığa birçok zararları vardır. Radyoaktif maddelerin ışıma şiddetleri ise ışımayla yaydıkları enerjiye bağlıdır. Bu da ışımanın türüne ve sahip olduğu enerjiye bağlıdır. Farklı radyoaktif maddelerin ışıma şiddetleri de farklıdır ve maddeler için karakteristiktir. Örneğin, Co-60 ve I-192 izotopları sanayide gama ışını kaynağı olarak kullanılır. Co-60 enerjisi 1,33 ve 1,17 olan gama ışınları yayar. I-192 izotopu ise enerjisi 0,31, 0,47 ve 0,60 MeV olan gama ışınları yayar. Co-60 in yaydığı gama ışınları daha yüksek enerjili olduğu için bu ışınların giriciliği daha fazladır. Bu nedenle Co-60 dan korunmak için daha kalın zırh kullanılmalıdır. 1 Curie : 1 gram Ra-226 İzotopunun 1 saniyede oluşturduğu bozunma sayısıdır. 1 g Ra-226 izotopu ise saniyede 3,7 x bozunma yapar. Bu durumda Gi birimi; 1 Ci = 3,7 x 1010 bozunma/saniye şeklinde olur. Ci birimi sayısal değerin çok büyük olması nedeniyle SI birim sisteminde Ci birimi yerine Becquerel birimi kullanılmıştır. Bu birimler arasındaki ilişki; 1 Ci = 3,7 X Bq ve 1 Bq = 2, Ci şeklindedir. Absorblanmış Doz ve Biyolojik Eşdeğer Doz: Biyolojik sistemlerin radyoaktif maddelerden etkilenmesi maruz kaldıkları ışıma türüne ve ışıma sayısına ve ışımanın enerjisine göre değişiklik gösterir. Bütün bunlar radyasyona maruz kalan biyolojik sisteme aktarılan enerjinin miktarını etki ler. Biyolojik sistemlere radyoaktif ışınlar tarafından aktarılan enerjiyi belirtmek için aşağıda belirtilen iki farklı birim kullanılır. Absorblanmış (soğurulmuş) doz Biyolojik eşdeğer doz Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 30

31 AbsorblanmıĢ Doz: Radyoaktif ışınlar biyolojik sistemlere nüfuz ettiğinde enerjisini biyolojik sisteme aktarır. Bu da biyolojik sistemde zarara neden olabilir. Biyolojik sistemin radyoaktif ışınlardaki enerjiyi almasına absorlama (soğurma) denir. Radyasyona maruz kalan bir dokunun absorbladığı (soğurduğu) enerji miktarına absorblanmıģ doz adı verilir. Absorblanmış dozu belirtmek için Rad ve Gray (Gy) birimleri kullanılır. Radyasyonun biyolojik etkilerinden bahsedilirken kullanılan birimlerden biride Rem'dir(kişi başına eşdeğer röntgen miktarı). Bir kişinin birim yılda aldığı radyasyon yaklaşık 0,2 Rem olur. Bu radyasyonun %82'si doğal kaynaklardan, %18'i ise insan yapımı radyasyon kaynaklarından alınır. 1 kg biyolojik sistemin absorbladıği 10-2 J enerjilik radyasyon 1 Rad olarak tanımlanır. 1 Rad = 1 x 10-2 J.kg -1 1 kg biyolojik sistemin absorbladıği 1 J enerjilik radyasyon 1 Gy olarak tanımlanır. 1 Gy = 1 J.kg -1 Rad ve Gy birimleri arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir. 1 Gy = 100 Rad veya 1 Rad = 10-2 Gy Biyolojik Eşdeğer Doz: Radyasyonun biyolojik sistemlerdeki zararlı etkisi sadece ışımanın sisteme a ktardığı yani sistemin soğurduğu enerjiye bağlı değildir. Radyasyonun biyolojik sistemde oluşturacağı zarar soğrulmuş enerjinin yanında, ışımanın türüne, biyolojik sistemin türüne, biyolojik sisteminin niteliğine ve biyolojik sistemin büyüklüğüne bağlıdır. Bu nedenle radyasyonun biyolojik sistemde oluşturacağı etkiyi belirtmek için farklı bir birim olan biyolojik eşdeğer doz kullanılır. Biyolojik eşdeğer doz; iyonlaştırıcı etkiye sahip radyoaktif ışınların bir biyolojik sistem üzerinde oluşturduğu radyasyon etkisinin bir ölçüsüdür. Biyolojik eşdeğer doz absorblanmış enerjinin bir biyolojik faktör ile çarpılmasıyla elde edilir. Bu nedenle eşdeğer dozun bir imi absorblanmış doz ile aynıdır. Fakat biyolojik eşdeğer dozun birimi SI birim sisteminde Sievert olarak adlandırılır ve Sv ile gösterilir. 1 Sv = 1 J.kg -1 doku = 100 rem Absorblanmış doz ile biyolojik eşdeğer doz birbirinden farklıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 31

32 Radyasyonun Oluşturduğu Tehlikeler ve Korunma Yöntemleri Uzayda saniyede yaklaşık km gibi çok yüksek hızlarla hareket eden radyoaktif ışınlar kolaylıkla insan vücuduna nüfuz edebilir ve vücudu oluşturan biyolojik hücrelere hasar verebilirler. Ayrıca, bu ışınlar hücrelerin kimyasal yapılarını değiştirmesi de mümkündür. Özellikle iyonlaştırıcı etkiye sahip ışınlar s aniyenin binde biri gibi çok kısa sürede hücre moleküllerini parçalayıp iyonlarına ayrıştırır ve serbest radikaller oluşturur. Oluşan yüksek enerjili serbest radikaller diğer hücreleri de etkiler. Bütün bunla rın sonucunda radyasyona maruz kalan bir hücre ya ölür veya kanserleşerek işlevini yitirir. Aslında az sayıda hücrenin ölmesi önemli değildir. Çünkü, normal yaşamda yıpranan hücrelerin ölümü ve yerlerine yenilerin doğması doğaldır. Ancak, yüksek radyasyon sonucu çok sayıda hücrenin aniden ölmesi veya normal çalışmasının bozulması canlının sağlığını önemli ölçüde etkileyecek bir olaydır. Hayati önemi fazla olan dokularda (kemik iliği, dalak, kan ve üreme hücreleri) radyasyonun etkisi da ha erken görülür. Çünkü, bu hücreler daha çabuk çoğaldığından bir hücredeki hasar, sakat doğan yeni hücrelerle çığ gibi büyür. Bu ise uzun bir zaman dilimi içerisinde her an bir tümör olarak sonuçlanabilir. Radyasyonun kanserojen etkisi bu şekilde ortaya çıkmaktadır. En büyük tehlike ise hücre çekirdeği içindeki DNA'ların bozulmasıdır. DNA'lardan oluşan kromozomların yapılarının değişmesi, taşıdığı sırların kaybolması ve yeni genetik yapılı hücreler hâline dönüşmesi sonucunda ebeveyne benzemeyen yeni bir genotip ortaya çıkar. Bu farklılaşmaya mutasyon adı verilir. Eğer bu durum, bireyin üreme hücrelerinde gerçekleşirse radyasyondan kaynaklanan bu değişiklik gelecek nesillere de aktarılır. Yüksek dozda radyasyona maruz kalmış bireylerde görülebilecek başlıca hastalıklar şunlardır: Kanda ve kan yapan organlarda tahribat (anemi, lösemi), ciltte ateş yanığını andıran yaralar, gözde katarakt, kısırlık, kanser ve kalıtımsal bozukluklar. Bir insan vücudunun kısa bir süre belirli bir radyasyon dozuna maruz kalması sonucu görülebilecek rahatsızlıklar ise kişiden kişiye değişebilir. Radyasyona en dayanıklı canlılara salyangoz ve akrep örnek olarak verilebilir. İnsanların dakikalar içinde %100 ölüm gerçekleştiği bir radyasyonda bu canlılarda %50 ölüm gerçekleşir. Radyasyondan Korunma Yöntemleri: Radyasyona maruz kalma ölüme götürecek kadar ciddi sonuçlar doğurur. Bu nedenle radyasyondan korunma önemlidir. Radyasyondan korunma ile ilgili Uluslararası Radyasyondan Korunma Komitesi (ICRP) tarafından hazırlanan ve ALARA (kabul edilebilir en düşük radyasyon sınırı) olarak adlandırılan korunma yöntemleri uygulanır. ALARA ya göre; Radyasyon uygulaması pozitif ve net bir şekilde yarar sağlamıyorsa kesinlikle yapılmamalıdır. Bütün sosyal ve ekonomik gibi faktörler dikkate alınarak en düşük düzeyde radyasyon uygulaması yapılmalıdır. Birey için belirlenen eşdeğer doz limiti kesinlikle aşılmamalıdır. ALARA kurallarının uygulamada hayata geçirilebilmesi için duruma göre farklı yöntemler uygulanabilir. İnsanlar dışarıdaki bir maddelerin veya vücuda bir şekilde giren maddelerin oluşturduğu radyasyona maruz kalabilirler. Bu nedenle radyasyona maruz kalmamak için duruma en uygun yöntemler uygulanmalıdır. Dış Radyasyondan Korunma: Maruz kalınan radyasyon dozu radyoaktif kaynağın aktivitesine ve maruz kalma süresine bağlıdır. Alınan doz radyasyon kaynağından olan uzaklığa bağlıdır. Çünkü radyasyonun etkisi kaynağın vücut dokusuna uzaklığının karesi ile ters orantılıdır. Yani radyasyon kaynağı uzaklaştıkça dokularda oluşturacağı etki azalır. Radyoaktif kaynağın aktivitesi kontrol edilebilecek bir faktör değildir. Bu nedenle radyasyonun zararlı etkilerini azaltmak için kontrol edilebilir olan kaynakla olan mesafe ve radyasyona maruz kalma süreleri ile ilgili yöntemler geliştirilmelidir. Buna göre, Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 32

33 Radyasyona maruz kalma süresi en kısa tutulmalıdır. Bunun için yapılacak çalışma önceden mutlaka planlanmalı ve vakit kaybetmeden en kısa sürede tamamlanmalıdır. Çalışma yapan kişilerin ya da radyasyona maruz kalacak olan kişilerin aldıkları toplam doz sürekli takip edilmeli ve kişisel olarak belirlenmiş eşdeğer doz limiti kesinlikle aşılmamalıdır. Radyoaktif kaynaktan mümkün olan en uzak mesafede çalışılmalıdır. Korunmak amacıyla zırhlama yapılabilir. Zırhlama, radyoaktif kaynak i!e kişi arasına yayımlanan ışınları tamamen veya kısmen soğuracak bir engel konulmasıdır. Zırhlamanın niteliği, radyoaktif kaynaktan yayınlanan ışının türüne ve şiddetine göre değişir. İç Radyasyondan Korunma: Radyoaktif maddeler ile çalışma yapanlar ve radyoaktif maddelerin bulunduğu ortamlarda çalışanlar ağız, solunum veya cilt yoluyla radyoaktif maddeleri vücutlarına alabilirler. Vücuda giren bu maddelerin içerden oluşturduğu radyasyon dokulara zarar verebilir. Bu nedenle vücut içinde bir radyasyonun oluşmasını engellemek için aşağıdaki önlemler alınabilir. Radyoaktif maddelerle yapılan çalışmalar çeker ocaklarda yapılmalıdır. Çeker ocak sürekli kontrol edilerek ters hava girişine izin verilmemelidir Laboratuvarlar yapılacak çalışmaya uygun olmalı ve iyi havalandırılmadır. Laboratuvar malzemeleri düzenli olmalı, en önemlisi kolay temizlenebilir olmalıdır. Laboratuvara yiyecek içecek ve kişisel malzemeler kesinlikle sokulmamalıdır. Radyoaktif maddelerden direkt temastan kaçınılmalı ve asla çıplak elle tutulmamalıdır. Çalışmalarda özel tasarlanmış ve özel malzemelerden üretilmiş koruyucu el biseler kullanılmalıdır. Radyasyon Uyarı İşaretleri: 1975 yılında ISO tarafından belirlenen yandaki iyonlaştırıcı radyasyonun sembolü tüm Dünya'da ve ülkemizde halen kullanılmaktadır. Bu sembol alfa, beta, gama, nötron, pozitron ve yüksek enerjili elektron ışımalarının varlığını belirtir. Yukarıdaki sembol toplum tarafından bilinmediği ve gerekli uyarıyı yapmadığı için Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı ve ISO tarafından geliştirilen yandaki yeni sembol 2007 yılında kullanılmaya başlanmıştır. Bu iki sembol de günümüzde kullanılmaktadır. RADYOAKTİF MADDELERİN KULLANIN ALANLARI Bilimsel Araştırmalarda Radyoizotopların Kullanımı Radyoaktif izotoplar ile radyoaktif olmayan izotopların kimyasal özellikleri aynıdır. Bundan dolayı radyoaktif izotoplar izle yici olarak bilimsel araştırmalarda yaygın bir şekilde kullanılırlar. İzlemesi yapılan radyoaktif izotopun ortama katılmasına ise sistemin etiketlenmesi denir. Bir kimyasal tepkimenin mekanizması ya da bir bileşiğin yapısı çoğu zaman deneylerde radyoaktif izleyiciler kullanılarak aydınlatılır. Örneğin karbon - 14 izotopu ile fotosentez olayı incelenmiştir. Fotosentezde bitkinin aldığı CO 2 gazı C-14 radyoiztopu ile etiketlenmiş ve bitkinin bünyesinde glikozun oluşumuna kadar meydana gelen olaylar takip edile rek belirlenmiştir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 33

34 Radyoaktif izleyiciler tarımla ilgili araştırmalarda da kullanılmıştır. Örneğin bitki besin maddesine az miktarda katılan rad yoaktif özelliğe sahip P-32 izotopu ile, fosforun bitki tarafından kullanılması izlenebilir. İzleyiciler özellikle tarımda kimyasal gübrelerin en uygun bileşiminin ve kullanım biçiminin bulunmasında büyük önem taşır. Bilimsel çalışmalarda radyoizotoplar sadece etiketleme yöntemi ile kullanılmaz. Farklı yöntemlerle de kullanılırlar. Örneğin C- 14 izotopu arkeolojik kalıntıların yaş tayininde kullanılır. Yarılanma ömrü 5730 yıl olan C- 14 izotopu ışıma yaparak N-14 izotopuna dönüşür. Bulunan arkeolojik insan, hayvan veya bitki kalıntılarındaki N-14 izotopunun miktarı belirlenir. Buradan belirlenen miktardaki N-14 izotopunun oluşabilmesi için ne kadar C-14 izotopunun bozunmuş olduğu belirlenir. Kalıntı içerisindeki kalan C-14 (bozunmamış) izotopunun da miktarı belirlenerek bozunan ve bozunmayan miktar arasındaki ilişkiye göre kaç defa yarılandığı tespit edilir. Sonuç olarak C-14 ün yarı ömrü ve yarılanma sayısı çarpılarak kalıntının kaç yıllık olduğu belirlenir. Yer kabuğunun ve kayaların yaşlarının belirlenmesinde ise K-40 ve U-238 izotopları kullanılır. K-40 ün yarı ömrü 1,25 x 10 9 yıldır. Kaya parçası oluştuğunda içinde hapsolan K-40 izotopu şeklinde bozunma yapar ve zamanla kayada miktarı artar. Bu nedenle incelenen kaya parçasındaki Ar-40 izotopunun miktarı belirlenir. Daha sonra belirlenen miktar Ar-40 izotopunun oluşabilmesi için ne kadar K-40 izotopunun bozunması gerektiği hesaplanır. Kaya parçası içerisindeki kalan K-40 Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Page 34