I T.C. PAMUAE ÜNİVERSİTESİ FEN BİİMERİ ENSTİTÜSÜ Ba, a ve Ce BİEŞİERİNDE COSTER-RONİG ŞİDDETENDİRME FATÖRERİNDE İMYASA ETİERİN ÖÇÜMESİ Pınar TUNAY Yüksek isans Tezi DENİZİ - 004
II Ba, a ve Ce BİEŞİERİNDE COSTER-RONİG ŞİDDETENDİRME FATÖRERİNDE İMYASA ETİERİN ÖÇÜMESİ Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Taraından abul Edilen Fizik Anabilim Dalı Yüksek isans Tezi Pınar TUNAY Tez Savunma Tarihi: 0.09.004 DENİZİ 004
III TEZ SINAV SONUÇ FORMU Bu tez taraımızdan okunmuş, kapsamı ve niteliği açısından Yüksek isans Tezi olarak kabul edilmiştir. Pro. Dr. Hasan ERDOĞAN (Danışman) Yrd. Doç. Dr. Ömer SÖĞÜT Pror. Dr. Nuri OSUZ Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim urulu nun...tarih ve...sayılı kararıyla onaylanmıştır. Pro. Dr. M. Ali SARIGÖ Müdür Fen Bilimleri Enstitüsü
IV TEŞEÜR Yüksek lisans tezimin hazırlanmasında görüş ve yardımlarını esirgemeyen, bana destek olan, yol gösteren değerli tez hocam Pro. Dr. Hasan ERDOĞAN a ve Yrd. Doç. Dr. Ömer SÖĞÜT e teşekkürlerimi sunarım. Sütçü İmam Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi öğretim üyesi olan Pro. Dr. Adnan ÜÇÜÖNDER e, Pamukkale Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölüm Başkanı Pro. Dr. Veysel UZUCU ya ve bölüm elemanlarının her birine çalışmalarım boyunca bana vermiş oldukları destekten dolayı teşekkür ederim. Ayrıca bana her zaman destek olan aileme de en içten teşekkürlerimi sunarım. Pınar TUNAY
V ÖZET Bu çalışmada Ba, a ve Ce bileşikleri için Coster-ronig (C) şiddetlendirme aktörüne kimyasal etkinin önemi araştırılmıştır. Bunu yaparken hem teorik bazda hem de deneysel olarak kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Özellikle kimyasal etkinin XRF tekniği ile elde edilen sonuçlara etkisi ve C şiddetlendirme aktörlerinin tespitindeki önemi üzerinde durulmuştur. Sonuç olarak kimyasal etkinin bu değerlere yaptığı değişiklikler küçümsenmeyecek kadar öneme sahiptir. Çalışmanın birinci bölümünde kapsamlı bir şekilde literatür taraması yapılmış şimdiye kadar yapılan çalışmalar kısaca özetlenmiştir. İkinci bölümde konu ile ilgili genel bilgiler verilmiş, üçüncü bölümde bu çalışmanın özünü teşkil eden kimyasal etki detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Dördüncü bölümde araştırmada kullanılan deney sistemi, deneyin yapılışı, spektrumların ve ölçülerin değerlendirmesi yapılmıştır. Beşinci bölümde ise elde edilen verilerin değerlendirmesi ve hesaplanması yapılarak C geçişleri üzerine kimyasal etki araştırılmıştır. Son bölüm olan altıncı bölümde ise elde edilen sonuçlar diğer araştırmacıların sonuçları ile karşılaştırılmış ve uyum içerisinde olup olmadıkları tartışılmıştır. Anahtar elimer: imyasal Etki, Coster-ronig, Floresans verim, X-ışınları. Pınar TUNAY
VI ABSTRACT In this study, the chemical eect on Coster-ronig enhancement actors or Ba, a and Ce compounds has been surveyed. While carrying out this research, a comprehensive study has been done an both theorethical and eperimental base. Particularly, the signiicance o indings on C enhancement actors and the chemical eect s impact on the results acquired through the XRF technique have been highlighted. As a result, the dierences that the chemical eect causes in these valances are o great prominence. In the opening part o the study, a comprehensive review o conceptions is presented, and the surveys carried out so ar are summerized. In the second part, general inormation regarding the topic is provided, and in the third one, the chemical eect, which is the main concern o this study, is eplained in a detailed way. In the ourth part, the eperimental system in the study, how the eperiment was done, spectrums, and measurements are evaluated. In the ith part, the chemical eect on C transitions is studied by calculating and evaluating the data obtained. In the sith, and the inal, part, the acquired results are compared to the ones o other researchers and discussed whether they it in with one another or not. eywords: Chemical Eect, Coster-ronig, Subshell, Fluorescence yield, X-Rays. Pınar TUNAY
VII İÇİNDEİER Saya İçindekiler.VII Şekiller Dizini...X Tablolar Dizini..XI Simgeler Dizini.XII Birinci Bölüm GİRİŞ Giriş İkinci Bölüm Genel Bilgiler. X-Işınları ve γ Işınları.7.. arakteristik X-Işınları...8.. Sürekli (Bremsstrahlung) X-Işınları...9. ve X-Işınlarının Madde İle Etkileşmesi.9.. Fotoelektrik Olay..... Compton Olayı...5.. Çitoluşum..9. X-Işını Soğurma ıyısı ve Soğurma atsayıları..... ineer Soğurma atsayısı( )... Atomik Soğurma atsayısı ( a ).... ütle Soğurma atsayısı ( m )..4 Molar Soğurma atsayısı ( mol )....4 uantum Sayıları...5
VIII.5 X-Işını Spektrumu.6.6 arakteristik X-Işını Yayımlanması ve Enerji Seviyeleri.9.7 Tabakalar Arası Boşluk Transeri...8 Floresans Verim, Coster-ronig Geçişleri ve Şiddetlendirmesi...4.9 Auger Olayı...40.0 Tesir esiti..4 Üçüncü Bölüm imyasal Etkiyi Açıklamaya Yarayan Bazı Temel avramlar. imyasal Etki 46. Bağ Çeşitleri..47.. İyonik Bağ..48.. ovalent Bağ..48...a oordine Bağ...49...b. Çok atlı Bağlar.49.. Metalik Bağ 49. Valans Bağ Teorisi (VBT).50.4 Moleküler Orbital Teori (MOT) 5.5 ristal Alan Teorisi (AT)...5.6 igant Alan Teorisi (AT) 5.7 Elektronegatilik 5.8 Elektron İlgisi 55.9 İyonlaşma Enerjisi.56.0 Değerlik Elektronları...57. oordinasyon Sayısı 58. Oksidasyon Sayısı 58. Hibritleşme..59.4 Coster-ronig Geçişleri Üzerine imyasal Etkiler.6
IX Dördüncü Bölüm Deney Sistemi ve Numunelerin Hazırlanması 4.. arakteristik X-Işınlarının Sayılması...64 4.. Yarı İletken Dedektörler ve Sayma Sistemi.64 4.. Si(i) Dedektörünün Verimlilik Eğrisinin Tayini 66 4.4. Numunelerin Hazırlanması...67 4.5. Ölçülerin Alınması...68 4.6. Özsoğurma Düzeltme Faktörünün Hesaplanması 69 4.7. Spektrum Ölçülerin Değerlendirmesi...70 Beşinci Bölüm Verilerin Değerlendirilmesi ve Hesaplamalar 5.. Coster-ronig Geçişleri Üzerine imyasal Etkilerin Değerlendirilmesi. 7 Altıncı Bölüm Sonuç ve Tartışma Sonuç ve Tartışma...76 EER aynaklar.8 Özgeçmiş.88
X ŞEİER DİZİNİ Saya Şekil.: Fotoelektrik Olay Şekil.: a) Saçılmadan Önce b) Saçılmadan Sonra Compton Olayı 6 Şekil.: X-Işını Soğurma ıyıları 5 Şekil.4: X-ışını Enerji Seviyeleri.7 Şekil.5: X-Işını Spektrumunun Şematik Gösterimi...8 Şekil.6: Auger Olayı.4 Şekil.: H Molekülünün Molekül Orbital Teoriye Göre Meydana Gelmesi...5 Şekil 4.: Bazı Dedektörlerin Ayırma Güçleri....65 Şekil 4.: Deney Sisteminin Şematik Gösterimi.66 Şekil 4.: Deney Geometrisi...69 Şekil 5.. a O e ait -ışını spektrumu..80 Şekil 5.. CeO ye ait -ışını spektrumu.80 Şekil 5.. CeO ye ait -ışını spektrumu.8 Şekil 5.4. BaO ye ait -ışını spektrumu.8
XI TABOAR DİZİNİ Saya Tablo.: X-ışınlarının Siegbahn ve IUPAC Gösterimleri... Tablo.:. ve. Periyot Elementlerinin Birinci İyonlaşma Enerjileri...57 Tablo.: Na ve Mg Elementlerinin İyonlaşma Enerjileri 57 Tablo 5.: Ba, a, Ce ve Bileşiklerinin C Şiddetlendirmesinin rause ile arşılaştırılması...78 Tablo 5.: Ba, a, Ce ve Bileşiklerinin C Şiddetlendirmesinin Puri İle arşılaştırılması..79
XII SİMGEER DİZİNİ Simgeler Z Açıklama Atom Numarası İnce Yapı Sabiti c m 0 Ve E = h Işık hızı Elektronun durgun kütlesi Elektronun hızı Primer otonun enerjisi Yörünge elektronunun bağlanma enerjisi e E Elektronun inetik Enerjisi d / d Fotoelektrik Olay Dieransiyel Tesir esiti P E 0 E h e N Momentum Relativistik Enerjisi Foton Enerjisi Planck Sabiti Dalga Boyu Fotonun rekansı Elektronun yükü lein-nishina tesir kesiti k= E(eV)/ 500,4 Foton enerjisi E + ve E - E nuc t I 0 (E 0 ) I (E) a (E) m mol Oluşan elektron ve protonun kinetik enerjisi Geri tepen çekirdeğin kinetik enerjisi Madde kalınlığı Gelen otonun şiddeti t kalınlığını geçen otonun şiddeti ineer soğurma katsayısı Atomik Soğurma atsayısı ütle Soğurma atsayısı Molar Soğurma atsayısı
XIII Fotoelektrik kütle soğurma katsayısı Saçılma kütle soğurma katsayısı Çit oluşumu kütle soğurma katsayısı E,i i. Elektron seviyesinin (i=,,,,...) E enerjili n l m l j m j F F F F F F F oton için kütle soğurma katsayısı Baş kuantum sayısı Yörünge açısal momentum kuantum sayısı Yörünge açısal momentum magnetik kuantum sayısı Toplam açısal momentum kuantum sayısı Toplam açısal momentum magnetik kuantum sayısı alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali alt tabakasından yayınlanan -ışınları içinde -ışını yayımlama ihtimali tabakasındaki boşluğun tabakasındaki elektronlar
XIV ab Iab IIab IIIab taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi tabakasındaki boşluğun M veya diğer üst tabakalardaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi tabakasındaki boşluğun alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi tabakasındaki boşluğun alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi tabakasına ait soğurma kıyısı tabakasındaki boşluğun M alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi tabakasındaki boşluğun N, alt tabakalarındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi tabakasının alt tabakasına ait soğurma kıyısı tabakasının alt tabakasına ait soğurma kıyısı tabakasının alt tabakasına ait soğurma kıyısı tabakasındaki boşluğun M alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi alt tabakasındaki boşluğun M 5 alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi alt tabakasındaki boşluğun M 4 alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi alt tabakasındaki boşluğun N 5 alt tabakasındaki elektronlar
XV taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik - ışınlarının gösterimi alt tabakasındaki boşluğun M 5 veya M 4 alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi alt tabakalarındaki boşluğun M,N,O alt tabakasındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının gösterimi E E I( i ) I (R) I( β ) / I( α ) η li η İ (R) η İ (A) ω n I Γ R Γ Γ R Γ A veya alt tabakasındaki boşluğun N veya O tabakalarının alt tabakalarındaki elektronlar taraından doldurulması sonucu oluşan karakteristik -ışınlarının toplamı yörüngesinin enerjisi yörüngesinin enerjisi tabakasındaki boşlukların i alt tabaksına geçenlerinin şiddetini Toplam -ışınlarının şiddetini göstermektedir -ışını emisyon(şiddet) oranı tabakasındaki boşlukların i alt tabaksı elektronları taraından doldurulmasıyla i alt tabakasına boşlukların geçme ihtimaliyeti ışımalı geçiş ihtimaliyeti ışımasız geçiş ihtimaliyeti tabakasına ait loresans verim tabakasında meydana getirilen boşluk sayısı Yayımlanan toplam -ışınları sayısı Işımalı kısmın genişliği ve toplam seviye genişliği Uyarılmış kısmın toplam seviye genişliği Işımalı kısmın genişliği Auger seviye genişliği
XVI Γ C ij ij (R) ij (A) i Coster-ronig genişliği Coster-ronig geçişleri Işımalı Coster-ronig geçişleri Işımasız Coster-ronig geçişleri X tabakasının i inci alt tabakasına ait loresans verimi X tabakasına ait belli bir boşluk dağılımı için ortalama loresans verim. alt tabakasına ait ve ise tabakasına ait ortalama loresans verimi göstermektedir. N i i a i ij N N s n N 0 N a σ dω σ, σ ve σ ω, ω, ω X tabakasının i inci alt tabakada meydana getirilen bağıl boşluk sayısı i inci alt tabakadaki bir boşluk için bir ışın yayımlanması ihtimaliyeti Boşluğun ışımasız olarak daha üst tabaka elektronları taraından doldurulması (Auger olayı) ihtimaliyetini göstersin Boşluğun aynı tabakanın daha yüksek alt tabaka elektronları taraından doldurulması ihtimaliyeti evhanın t kalınlığını geçen parçacık sayısı Etkileşen parçacık sayısı Birim hacim başına düşen tanecik sayısı İnce levhaya gelen parçacık sayısı Avagadro sayısı Tesir kesiti atı açısı Sırasıyla, ve alt tabakalarına ait otoelektrik tesir kesiti, ve Coster-ronig geçiş ihtimalleri Sırasıyla, ve alt tabakalarına ait loresans verimler F, F, F β -ışınları için geçiş hızı
XVII F, F, F, F F ve F Γ Γ ι Γ Γ β Γ β Γ β σ t ψ i Φ i C i ve C ve C ihtimalleri -ışınları için geçiş hızı ihtimalleri -ışınları için geçiş hızı ihtimalleri M 4 ve M 5 tabakalarından alt tabakasına geçiş ihtimalleri M tabakasından alt tabakasına geçiş ihtimalleri N, N 4, O, O 4 alt tabakalarından alt tabakasına geçiş ihtimalleri N, N 4, O, O 4,5 alt tabakalarından alt tabakasına geçiş ihtimalleri M 4 alt tabakasından alt tabakasına geçiş ihtimalleri M, M, M 4, M 5 alt tabakalarından alt tabakasına olan geçiş ihtimalleridir Fotoelektrik tesir kesiti Hibrit orbitallerine ait dalga onksiyonunu Atom orbitallerinin normalize edilmiş dalga onksiyonları Hibritleşmeye katkı payını gösteren katsayı Atomik orbitallerin üst üste binme integralidir. Elektronun sırasıyla ve atom orbitallerinde bulunma E G(E) R a İhtimali Enerjisi E olan bir oton için yarı iletken bir dedektörün sayma verimi Geometri aktörü Relati sayma verimi Tüm yükün toplanmış olduğu kabul edilen dedektörün hassas hacminin intristik verimidir a Dedektör yüzeyinin dışında bulunan maddelerdeki soğurma için düzeltme aktörü Au d Altın elektrotlardaki soğurma için düzeltme aktörü Altın ve hassas hacim arasında bulunan ölü tabakadaki soğurma için düzeltme aktörü e Hassas hacimden kaçan silisyuma ait karaktersitik -
XVIII ışınları için düzeltme aktörü c s olimasyon etkileri için düzeltme aktörü Toplam yük toplanmasının verimi ve Sırasıyla kaynaktan gelen radyasyonun ve yayımlanan karakteristik -ışınlarının numune yüzeyinin normali ile yapmış oldukları açıları inc ve emt aynaktan gelen radyasyon ve yayımlanan karakteristik - ışını için numunelerin toplam kütle soğurma katsayıları E 0 E ink Gelen otonun enerjisi Saçılan otonun enerjisi i i.elementin kütle soğurma katsayısı c i N i.elementin bileşikteki yüzdesi Maddenin salığı Spektrumdaki pikin net alanı arakteristik -ışını enerjisinde dedektör verimi Öz soğurması düzeltme aktörü N i Herhangi bir standart elementin sayılan karakteristik - Işını şiddeti i (i=, ) ve -ışınının C geçişinin şiddetlendirme etkisi ( i ) E Deneysel i loresans tesir kesitleri ( i ) T Teoriksel i otoiyonizasyon tesir kesitleri
XIX
BİRİNCİ BÖÜM GİRİŞ Elektronların atomlardaki düzenlenişi hakkındaki bilgiler, bunların verdiği spektrumların incelenmesi sonucu elde edilmiştir. Atom iyonlaştırılırsa iç tabaka elektronlarının yerini atomdaki diğer elektronlar, ışımalı ve ışımasız (Auger) geçişler yaparak doldururlar. Boşluk dağılımları ile ilgili bilgiler, nükleer elektron yakalama, gama ışınları, iç dönüşümü, otoelektrik etki, karakteristik X-ışını üretimi, ışımalı ve ışımasız geçiş ihtimalleri konularındaki çalışmalarda önemlidir. Sayaçların kalibre edilmesinde, radyasyon sayımının planında, radyoizotopların standartlaştırılmasında ve bir çok uygulamalı mühendislik alanlarında loresans verim ve ışımasız geçiş değerlerine ihtiyaç vardır. X-ışını loresans metodu kalite ve miktar analizlerinin tahribatsız olarak yapılması imkanını sağladığından geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu metotla yapılan kimyasal analizlerde, jeolojik ve biyolojik numunelerin analizlerinde, tıbbi araştırmalardaki analizlerde, eser element tayininde ve bunun gibi çalışmalarda loresans verim, ışımasız ve ışımalı geçiş ihtimaliyeti değerlerine ihtiyaç duyulmaktadır. X-ışını spektroskopisinde, çoğunlukla elementlere ait karakteristik X-ışını şiddet oranları (Erdoğan,976), loresans verim ve tesir kesitleri (Ertuğrul,994), Coster ronig (C) geçiş ihtimaliyetleri çalışılmıştır. Yapılan çalışmaların büyük bir bölümünde, elementlerin arklı kimyasal bileşikleri için bulunan değerler, serbest atomlara ait teorik değerlerle karşılaştırmalı olarak verilmiş ve kimyasal etkiler dikkate alınmamıştır. Coster-ronig geçişleri üzerine kimyasal etki bir çok araştırmacı taraından değişik yöntemler ve bileşikler kullanılarak incelenmiştir.
Bir atomun, enerji seviyeleri ve elektronik geçişleri üzerine kimyasal etkiler; genellikle atomdan yayımlanan karakteristik X-ışını şiddetindeki değişime göre yorumlanmaktadır (Brunner et.al, 98). imyasal etki; valans elektronlarının, iç kabuk enerji seviyeleri üzerindeki etkisi vasıtasıyla karakteristik X-ışını spektrumları üzerinde değişikliğe sebep olmaktadır. Bağa giren atomun bir valans elektronunun atomdan uzaklaşması perdeleme etkisinde bir azalmaya sebep olur ve bunun sonucunda geriye kalan elektronlar atoma daha sıkı bağlanırlar ve enerji seviyelerinde içeriye doğru bir kayma meydana gelir. Atomun en içteki kabukları bu durumdan etkilenmektedir. Bu değişim, seviyeler arasında elektronik geçişlerde, dolayısıyla karakteristik X-ışını spektrumları üzerinde önemli değişiklikleri ortaya çıkarmaktadır. imyasal etkiler, valans elektronları kabuğunda bulunan hai elementlerde daha azladır (Dyson,990, Mazalow et.al.,98, Jakson,98, Misel et.al.., 977) ve bu elementler için ve X-ışınları üzerine kimyasal etkiler incelenebilir (Söğüt,995). Daha yüksek atom numaralı elementlerde ise X-ışını üzerine kimyasal etkiler X-ışınları üzerine kimyasal etkilerden daha azladır (Söğüt,995). imyasal etki; kısmen doldurulmuş değerlik orbitalleri ve valans elektronlarının sayısıyla ilgili olduğu için en azla d grubu elementlerinde çalışılmış ve gözlenmiştir (Chang et.al.,994, Iwatsuki et.al.,987, Arndt et.al.,98, awai,99, Iihara et.al.,99, Folkmann,996, Taniguchi et.al.,987, Hallmeier et.al.,987, Rabohle et.al., 996, Tamaki et.al., 975-979). n baş kuantum sayısı büyüdükçe, enerji seviyeleri arasındaki ark azaldığından değerlik elektronlarının bulunduğu seviyelere yakın diğer seviyeler bu durumdan çok etkilenir. α, β ve γ X-ışınları atomun kimyasal yapısından arklı derecelerde etkilenir. X-ışınları üzerine kimyasal etkiler daha karmaşık ve yorumlanması daha zordur. Bizim çalışmamızda Ba, a ve Ce un C geçiş olasılıkları üzerine kimyasal etkileri araştırdık aynı elementler için ise α / β X-ışını şiddet oranları üzerine kimyasal etkiler araştırılmıştır (Söğüt,995). Daha önceki çalışmalarda da kimyasal etkiler, d elementlerinin β / α şiddet oranlarını izleyen radyoakti geçişler ve otoiyonizasyon, X-ışını loresans tesir kesitleri üzerine kimyasal etkiler çalışıldı (Söğüt,995). X- ışınları ile ilgili olarak, β / α X-ışını şiddet oranlarına kimyasal etkiyi çalışmışlar ve
sonuçlarını bileşiklerin simetrilerine, oksidasyon sayısına ve atomun perdeleme etkisine göre yorumlamışlardır (Mukoyama et.al.,986; üçükönder ve diğ.99a, 99b, 99c). Bazı araştırmacılar β / α X-ışını şiddet oranlarına kimyasal etkiyi incelemişler sonuçlarını değerlik durumundaki elektronların bağ ve konigürasyonlarındaki değişimlere göre yorumlamışlardır (Raghavaiah et.al.,99, Yoshihara et.al., 98, Rao et al., 986, Quarles et.al., 986, iss et.al., 980). β / α X-ışını şiddet oranları üzerine alaşım etkisini incelemişler ve alaşımların elektronegatiliklerine göre yorumlamışlardır (Söğüt,ve diğ., 995), tabakası loresans tesir kesitine ve loresans verimine alaşım etkisi incelenmiştir, sonuçlarını alaşımdaki elementlerin elektronegatiliklerine göre yorumlamışlardır (Büyükkasap 998a,998b). Ba, a ve Ce bileşiklerinin X-ışını loresans tesir kesitleri üzerine kimyasal etkileri çalışmışlar (Brunner,98), Ba, a ve Ce un X-ışını şiddet oranları üzerine kimyasal etkiler (Baydaş ve diğ., 998), bazı d elementlerinin düzeltilen bileşiklerinde X-ışını şiddet oranlarına kimyasal etkiler (A.üçükönder ve diğ.), 4d elementleri için X-ışını şiddet oranlarında kimyasal etkilerin teoriksel hesaplanması (Mukoyama et.al.), Fe ve Cu ın toplam kütle soğurma katsayıları ve Mo, Ag, Cd, Ba, a, Ce bileşiklerinin X-ışını şiddet oranlarında kimyasal etkileri (Söğüt, Ö., ve diğ., 00), Ba, a ve Ce bileşiklerinin X-ışını loresans tesir kesiti üzerine kimyasal etkiler (Baydaş,ve diğ., 999), Hg, Pb ve Bi bileşiklerinin tabakası loresans verimleri üzerine kimyasal etki (Söğüt, ve diğ., 999), CrSe, MnSe, MnS ve CoS de Cr, Mn ve Co a ait / X-ışını şiddet oranları üzerine kimyasal etkinin önemi (Raj et.al., 000), 7.6-4.4 kev enerji aralığında Fe bileşiklerindeki Fe in X-ışını loresans tesir kesitlerinin değişimi (Baydaş,ve diğ., 00), 5.5-.keV enerji aralığında halojenlerin bileşiklerinde Cr, Ti ve V un X-ışını loresans tesir kesitlerinin değişimi (Baydaş,ve diğ., 00), d elementlerinde X-ışını şiddet oranlarının kimyasal etki değişimi (Söğüt,ve diğ., 00), ve X-ışınları polarizasyon derecesinin ölçümü ve şiddet oranı üzerine polarizasyon etkisi (Ertuğrul,ve diğ., 00), CrSe, MnSe, MnS ve CoS de Cr, Mn ve Co ın dan X-ışını şiddet oranları üzerine kimyasal etkinin etkisi (Söğüt,ve diğ., 999), atom numarası 74Z90 arasındaki bazı elementlerin C geçiş aktörlerinin ölçümleri ( Öz,ve diğ., 004), d elementlerinde
4 X-ışını şiddet oranları üzerine kimyasal etkilerin çalışması, X-ışını spektrumu üzerine kimyasal etkiler (Taniguchi et.al.,987), / X-ışını şiddet oranı çalışmalarından bazı alaşımlarda Ti, Cr, Fe ve Co ın valans elektronik yapısı. Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni ve Cu moleküllerinin X-ışını üretim tesir kesitlerinin ölçümleri üzerine çalışılmıştır (Pawlowski et.al., 00). Bir atomda n=0 olduğu alt tabakalar arasındaki geçişlere ya da boşluk geçişlerine C geçişleri denir ve bu geçişler ışımalı, ışımasız olmak üzere iki kısımdan oluşur ve ij şeklinde tanımlanır. ij ; i. Alt tabakadaki boşluğun j. alt tabakaya kayması ihtimalidir. C geçişleri, bir kabuk içerisindeki boşlukların yeniden düzenlenmesi olduğundan ve dolayısıyla X-ışını yayımlama çizgilerinin şiddetini doğrudan etkilediğinden; miktar analizi çalışmalarında C geçişlerinin doğru olarak bilinmesi önemlidir (Jitschin et.al.,995). X-ışınları ile ilgili bazı çalışmalarda; Hg, Pb ve Bi bileşiklerinde tabakası ortalama loresans verimi ve β / α şiddet oranlarına kimyasal etkiler incelenmiş ve elementlerin orbital yapılarındaki değişikliğe ve C geçişlerine etkilerine göre sonuçları yorumlamışlardır (Söğüt,ve diğ., 997,999). Atom numarası 57 Z 9 olan bazı elementlerin X-ışını şiddetlerinin boşluk geçiş ihtimallerine bağlılığı, l / α şiddet oranlarını, alt tabaka X-ışınlarına C geçişlerin etkisi, 79 Z 9 arasındaki bazı elementlerin tesir kesitlerini, 7 Z 9 olan bazı elementlerin alt tabaka loresans tesir kesitlerini ve loresans verimlerini, antanitlerin α / α şiddet oranlarını ve Nd nin alt tabaka loresans verimini ölçmüştür (Ertuğrul,995,996a,996b,996c,997,998 ). α / β şiddet oranlarına kimyasal etkiyi çalışmış ve tabakası ortalama loresans tesir kesitini ölçmüşler, sonuçlarını elementin simetrik yapılarına ve kimyasal bağlarına göre yorumlamışlardır (Büyükkasap,997; Baydaş,ve diğ.,998,999). X-ışını şiddet oranlarının ve dieransiyel tesir kesitlerinin açıya bağlılığını ve anizotropisini incelemişlerdir (Ertuğrul,ve diğ.). Moleküllerdeki Hg ve Bi için C geçiş olasılıklarının, ve ) belirlenmesi üzerine çalışmışlar (Söğüt,ve diğ., 00b), ( teoriksel ve alt tabaka loresans verimleri ve - X C geçiş olasılıkları
5 incelediler (Chen et.al., 97). Siklotron otoiyonizasyonu ile Hanium alt tabakası C ve loresans verimlerinin belirlenmesi (Barrea et.al.,00). Atomik s durumu ve teoriksel loresans verimleri için Auger ve C geçiş olasılıkları incelenmiştir (Crasemann et.al.,97). 59.5keV da atom numarası 79Z9 bazı ağır elementlerin alt tabaka X-ışınları üzerine C geçiş etkisi ve tesir kesitlerinin ölçümü (Ertuğrul,996b), atom numarası 59Z90 arasındaki bazı elementler için atomik -tabakası C verimlerinin ölçümü (Öz,ve diğ., 00), 5Z96 arasındaki elementler için C geçiş olasılıkları ve tabakası loresans verimleri (Puri,et.al.,99), atomik alttabakaları için loresans verimleri ve C olasılıkları (Campbell, 00), X-ışınlarının C geçişlerinin artışı üzerine kimyasal etki, atom numarası 74Z90 arasındaki bazı elementlerin C şiddetlendirme aktörlerinin hesaplanması (Öz,ve diğ., 004). Hg ve Bi molekülleri için C geçiş ihtimaliyetlerinin belirlenmesi üzerine deneysel olarak çalışma yapılmış ve bu geçiş olasılıklarını değişik yöntemler kullanarak ölçümler alınmıştır. Bunlar, siklotron radyasyonu ile Ni, Cu ve Mo ölçümlerinde -tabakası C geçiş olasılıklarını ölçtüler (Sorensen,et.al., 99). Atom numarası 70Z8 arasındaki elementler için - C verimi ölçüldü (Sharma,et.al., 004), otoiyonizasyon ölçümlerinden alınan Au alt tabakalarının C ve loresans verimleri bulunmuştur (Jitschin et.al.,985), arklı enerji değerlerinde ve elementlerde arklı ölçümler alınmıştır. Bunlardan bazıları ise 59,5keV da Au, Hg, Pb, Tl, Bi, Th ve U alt tabaka X-ışınları için C boşluk geçişinin ölçümleri alınmıştır (Ertuğrul,00). Işımasız geçişlerle çizgilerinin etkilenmesi ile ilgili iziksel nicelikler araştırıldı, deneysel ölçümler bir Si(i) X-ışını spektrometresi kullanılarak alınmıştır ve atom numarası 59Z90 arasındaki bazı elementler için atomik tabakası C verimleri belirlenmiştir (Öz,ve diğ., 00). Alt tabaka loresans verimleri, C ve ışımalı geçiş olasılıkları gibi atomik parametreler bir çok uygulama için önemlidir (Öz,ve diğ., 00). C geçiş olasılıkları ve i alt tabaka loresans verimlerinin değerleri literatürde mevcuttur. Bunlardan ilki rause taraından Z 0 arasındaki bütün elementler için C geçiş olasılıkları ve loresans verimlerinin yarı deneysel değerlerinden meydana gelmektedir (rause,et.al., 979). Diğeri RDHS modeline dayandırılan 8 Z 96 arasındaki 5 element için Chen taraından tablolaştırıldı (Chen., et.al, 979). C geçiş olasılıkları ve i alt tabaka loresans verimlerinin değerleri 5 Z 96 atom numaraları
6 arasındaki bütün elementler için tabakası loresans verimlerini ve C geçişlerini RHDS ( Relativistik Dirac-Hartree-Slater ) modeline göre incelemişlerdir (Puri, S., et.al., 99). Ce O, Pr O ve Dy O bileşiklerinde 4d p X-ışını spektrumunu çalışmışlardır (Tanaka et.al., 995). U un 5 elektronlarının kimyasal kaymasını teorik olarak hesaplamışlardır (Tyunis et.al.,994). Bizim yaptığımız çalışmada Ba, a ve Ce elementlerinin bileşiklerinde ise C geçiş ihtimalleri üzerine kimyasal etkiler incelenmiştir. Numunelerin uyarılmasında 75mCi 4 Am radyoizotop halka kaynağı; yayımlanan karakteristik X-ışınlarının sayılmasında ise ayırma gücü (rezülosyonu) 5,9keV de 55eV olan Si(i) katıhal dedektörü kullanılmıştır. Sa elementler için bulunan sonuçlar, diğer deneysel ve teorik sonuçlarla karşılaştırmalı olarak tablolar halinde verilmiştir.
7 İİNCİ BÖÜM GENE BİGİER. X-IŞINARI ve IŞINARI X-Işınları 0-8 ile 0 - m, gama ışınları 0-0 ve 0-4 m aralığında dalga boylarına sahip elektromagnetik radyasyondur ve dalga boylarına göre; ultrahard (λ<0, A 0 ), hard (λ=0,- A 0 ), sot (λ=-0 A 0 ) ve ultrasot (λ>0 A 0 ) olarak adlandırılır. X ışınları bir metal atoma çarpan yüksek enerjili elektronların yavaşlaması ile ve çekirdek içinde değil, elektronlar seviyesinde meydana gelmektedir (Şimşek,979). - ışınları radyoakti çekirdek taraından ( 60 Co, 7 Cs, 6 Ra, 9 Ir ve 70 Tm gibi ) ve belirli nükleer tepkimeler süresince yayılan elektromagnetik dalgalardır. -ışınları, kararsız bir yapıda olan radyoakti atomların çekirdeklerinde meydana gelen değişmelerle birlikte elde edilir. Bu ışınlar çok girici özelliğe sahiptirler; canlı dokular taraından soğurulduğunda ciddi zararlar oluştururlar. -ışınları; X-ışınları ile aynı mahiyette olmakla beraber ondan çok daha azla enerjiye sahiptir, çünkü X-ışınları elektronik enerji seviyelerindeki geçişlerden, -ışınları ise nükleer enerji seviyelerindeki geçişlerden yayınlanır. - ışınlarının enerjileri büyük olduğu için maddelere daha kolay nüuz edebilir. Bu özelliği ile gama ışınlarından bilhassa tıpta büyük ölçüde yararlanılmaktadır. X-ışınları ise kristal yapının incelenmesinde de kullanılır, çünkü X-ışını dalga boyları katı cisimlerdeki atomlar arası uzaklık (0,nm) mertebesindedir. X-ışınları ve -ışınları arasındaki tek ark bunların meydana geliş yerleridir. Her radyoakti madde için - ışınlarının enerjileri sabittir ama X-ışınlarının enerjilerini hızlandırıcılar yardımıyla arttırabilir ya da azaltabiliriz. X-Işınları bir jenaretör yardımıyla, gama ışınları ise radyoakti bozunum sırasında meydana gelirler (Akgün,ve diğ.,99).
8 X ve -ışınları görünür, ültraviyole, inrared ve radyo dalgaları gibi ışınlardır. Elektromanyetik radyasyon, dalga ve tanecik yapısına sahiptir. X ve - ışınları kısa dalga boylu olduğu için giricilik güçleri azladır, dalga boyu ile giricilik arasında ters orantı vardır. Genel olarak X-ışınları ve -ışınları; otoğra ilmine etki eder, bazı malzemelerde lüoresans ve osoresans meydana getirirler, elektrik ve magnetik alandan etkilenmezler, doğrusal olarak hareket ederler, ışık hızıyla hareket ederler, canlı dokulara zarar verebilirler ve bazen dalga, bazen tanecik karakteri gösterirler... arakteristik X-Işınları Hedee gelen yüksek hızlı elektron yörüngede bulunan bir elektronla çarpışabilir. Bu çarpışma sonucunda yüksek hızlı elektrondan yörünge elektronuna uyarılma enerjisi aktarılır. Yörünge elektronuna aktarılan bu uyarılma enerjisi ya elektronu atomdan dışarı atacak ya da bulunduğu yörüngeden bir üst yörüngeye çıkaracaktır. Her iki durumda da yüksek hızlı elektron, enerjisinin bir kısmını orbital elektronuna verir. Orbital elektronu aldığı bu azla enerjiyi X-radyasyonu olarak verir. Bu şekilde iki elektronun çarpışmasından meydana gelen radyasyona karakteristik radyasyon adı verilir. Bu ad orbitalin karakteristik enerji seviyelerinden gelmektedir. Bir orbital elektronu atomdan çıkarsa yerinde bir boşluk kalacaktır. Bu boşluğu doldurmak için daha üst yörüngelerde bulunan bir elektron buraya atlar, bu hareketlilik atomik denge için gereklidir. Çekirdekten daha uzaktaki orbitallerde bulunan elektronlar daha büyük enerjiye sahiptirler. Bu yüzden üst yörüngeden alt yörüngeye atlayan bir elektron, aradaki enerji arkını elektromagnetik dalga yani X-ışını olarak verir. Genel olarak, orbital elektronlarının enerjileri yüksek hızlı elektrona göre oldukça düşüktür. Bu yüzden meydana gelen X-ışınlarının enerjileri orbital elektronlarının enerjilerini yansıtırlar, yani enerjileri düşüktür ve X-ışınları olan her yerde karakteristik X-ışınları vardır. Diğer yandan, eğer elektron atomdan dışarı çıkamazsa sadece geçici olarak orbitalini değiştirecektir. Bunun nedeni bombardıman elektronun enerjisinin orbital elektronunu atomdan tamamen atacak kadar olmamasıdır. Bu durumda elektron, enerjiye bağlı
9 olarak üst yörüngelerden birine geçer ve yerinde bir boşluk bırakır. Bu boşluk bir üst seviyedeki elektron taraından doldurulmalıdır. Fakat bu durumda azla enerji elektromagnetik dalga, yani X-ışını olarak verilmelidir. arakteristik X-radyasyonunun enerjisi bombardıman elektronunun enerjisi ile tayin edilmez. arakteristik X-ışınlarının enerjisi, bir orbital elektronunun bir yörüngede bulunan boşluğu doldururken verdiği enerjidir... Sürekli (Bremsstrahlung) X-Işınları Hedee gelen yüksek hızlı elektron, atomun çekirdeğine yaklaşırken elektronun negati yükü ile çekirdeğin poziti yükü etkileşir ve çekirdeğe doğru bir sapma olur. Sapan elektronun hızı dolayısı ile enerjisi azalır. Bu enerji azalması bremsstrahlung(sürekli) X-ışını olarak ortaya çıkar. Bu ışınlara sürekli denmesinin sebebe ise enerji spektrumlarının sürekli olmasındandır. Yani, sürekli X-ışınlarının enerji aralığı, hemen hemen, sıırla yüksek hızlı elektronun maksimum enerjisi arasındadır. Sürekli X-ışınlarının enerjisi üç aktöre bağlıdır. Bunlar; yüksek hızlı elektronun enerjisi, hede malzemenin yoğunluğu ve elektronun hareket doğrultusu ile renleyici çekirdek arasındaki uzaklık çekim kuvveti, artan uzaklıkla azalır.. ve X-Işınlarının Madde İle Etkileşmesi ve X-ışınlarının madde ile etkileşmesi karmaşık bir konu olduğundan burada sadece analitik olarak ölçülebilen X-ışınlarının meydana gelmesi ile ilgileneceğiz. Bir X-ışını demeti, sonsuz kalınlığa sahip olmayan bir maddeden geçirildiğinde, çıkan ışının şiddetinde bir azalma meydana gelir. Maddeyi geçebilen demetin şiddeti, maddeye gelen demetin şiddeti, maddenin kalınlığı ve cinsine bağlı olarak (.) denklemi ile verilmektedir. I Et E I E e 0 0 (.)
0 ve X-ışınlarının gözlemlenmesi onların enerji spektrumlarının ve madde ile etkileşmelerinin incelenmesiyle mümkündür. Bu ışınların madde ile etkileşmelerini inceleme alanlarına göre; atomun serbest ve bağlı elektronları ile etkileşme, çekirdekle etkileşme, çekirdek ve elektronların etraındaki elektrik alanla etkileşme ve çevresindeki mezon alanı ile etkileşme olarak guruplandırabiliriz. Gama ışınlarının madde ile etkileşmesi sonucu meydana gelebilecek olaylar;. Fotoelektrik Olay. Saçılma (inkoharent ve koharent). Çit Oluşumu Bu olayların ortak yönü, primer radyasyonun enerjisine ve saçıcı maddenin yapısına bağlı olmalarıdır.0mev e kadar olan enerjilerde genellikle etkileşmeler aşağıdaki olaylardan birisi ile sonuçlanır. (Adams,F.,970). Düşük enerjilerde yani oton enerjileri ~0,00MeV den ~0,5MeV e kadar olan değerlerde otoelektrik olayı daha baskındır. Bu olayda oton bağlı elektronlara bütün enerjisini verir kısaca otoelektrik olay gama ışınının tamamen soğurulması sonucu meydana gelen olaydır. Enerjisinin bir kısmı elektronun atomla olan bağını koparmada kullanılırken, geriye kalan kısmı ise elektrona kinetik enerjisi olarak aktarılır.. Gelen otonun, atomun serbest kabul edilen, atomun en dış yörünge elektronlarından birisi ile etkileşmesi sonucu hiçbir enerji kaybına uğramadan saçılması koharent saçılma olarak, enerjisinin belli bir kısmını kaybederek saçılması da inkoharent saçılma olarak tanımlanmaktadır. İnkoharent saçılmaya Compton Saçılması da denir. 0,MeV den 0,5MeV a kadar enerji aralığında saçılma olayı daha etkilidir. Foton, serbest ya da serbest olarak kabul edilebilecek bir elektrona, enerjisinin bir kısmını vererek arklı doğrultuda saçılır. Bu olay; oton enerjisi, elektronun bağlanma enerjisinden çok büyük ise, elektron serbest ve durgun kabul edilirse oluşabilir.
. Çitoluşumun meydana gelmesi,0mev lik oton enerjisi ile başlar ve artan oton enerjisi ile artar. Bir elektronun ve bir pozitronun durgun kütle enerjilerinin toplamına eşit bir kinetik enerjiye sahip olan yüklü bir parçacık ya da oton, yüksek atom numaralı bir levhaya çarparsa oton ya da yüklü parçacık yok olmakta ve onun yerine bir elektron-pozitron çiti meydana gelmektedir. ( m 0 c =,0 MeV )... Fotoelektrik Olay Basit olarak otoelektrik olay, bir metal yüzey üzerine ışık düşürülerek metal yüzeyden elektron sökülmesi olayıdır. Bu olay ilk dea 887 de Hertz taraından keşedilmiş ve 905 yılında da Einstein taraından izah edilmiştir. Bir metal yüzey üzerine ışık düşürerek metal yüzeyden elektron sökebilirsek yüzeyden koparak serbest hale geçen elektronlara otoelektron ve bu elektronların oluştuduğu akıma da otoelektrik akım denir. Daha geniş bir iadeyle ise; primer radyasyonun madde ile etkileşmesi sonucu meydana gelebilecek olaylardan biri olan otoelektrik olay, atoma gelen h enerjili bir otonun, atomun iç yörünge (bağlı) elektronlarından biri ile etkileşmesi ve elektronun otonun tüm enerjisini soğurarak serbest hale geçmesi ile meydana gelir. Serbest hale geçen elektrona otoelektron denir. Fotoelektrik olay Şekil. de şematik olarak gösterilmiştir. Bu işlem sonucunda oton tamamen soğurulur ve bağını koparan elektronun kinetik enerjisi, e E (.) ile verilir. Burada; E = h : Primer otonun enerjisi : Yörünge elektronunun bağlanma enerjisi dir. Serbest bir elektronun otoelektrik olaya sebep olması mümkün değildir, çünkü bu durumda momentum korunmaz, elektron başlangıçta atoma bağlı ise enerjinin tümünün soğurulması mümkündür, bağlı elektronlar durumunda atom geri teper ve böylece momentum korunur. Serbest elektron otonu tam olarak soğurmayıp, otoelektron
olamayacağından otoelektrik etkileşmesi ihtimaliyeti elektronun bağlanma enerjisi ile artar. Bununla beraber otoelektrik etkileşmenin olabilmesi için oton enerjisinin absorplayıcı elektron bağlanma enerjisine eşit veya daha büyük olması gerekmektedir. Yani, gelen otonun h enerjisi elektronun bağlanma enerjisine ne kadar yakın ise otonun soğurulma ihtimali o kadar yüksektir. Fotonun h enerjisi bağlanma enerjisinden uzaklaştıkça otoelektrik olay meydana gelme ihtimali azalır. Primer otonun enerjisi, elektronun, veya M yörüngelerine ait bağlanma enerjisi komşuluğunda olduğu zaman, otoelektrik etkileşme ihtimaliyetinde keskin bir kesiklilik olmaktadır. Fotoelektrik etkileşme daha büyük ihtimaliyetle tabakasında olmakta ve, M, N,...için gittikçe azalmaktadır. Şekil.. Fotoelektrik Olay.
Atomun tabakasından bir elektron sökülmüş ise, tabakasından elektron sökülmüş ise olarak gösterilir. Bir elektronu, sökülen kabuktaki boşluk daha dış yörüngelerde bulunan herhangi bir elektron taraından doldurulabilir.bu işlem sonucu, iki yörüngenin bağlanma enerjileri arasındaki ark kadar enerjiye sahip bir oton yayımlanır. Bu oton karakteristik X-ışını olarak adlandırılır. Örneğin; kabuğunda oluşan bir boşluk kabuğundaki bir elektron taraından doldurulacak olursa, yayımlanan karakteristik X-ışını enerjisi - kadar olacaktır. Atomun yörünge elektronlarından herhangi biri söküldüğü zaman her zaman karakteristik X-ışını otonu yayınlanmayabilir, bu oton atomun dış tabakadaki elektronlarından birisi taraından soğurulabilir ve bu otonu soğuran elektron sökülür. Bu ışımasız geçişe auger olayı, sökülen elektrona da auger elektronu denir. X-ışını yayınlanması ve auger elektron yayınlanmasının relati ihtimaliyeti loresans verim ile ölçülür. Floresans verim tabaka boşluğu başına yayınlanan X-ışını sayısı olarak tanımlanır. Fotoelektrik olay sonucu karakteristik X-ışını ile auger olayı meydana gelme ihtimaliyeti toplamı birdir. üçük atom numaralı elementlerde auger elektronu yayımlama ihtimali yüksek akat büyük atom numaralı elementlerde ise karakteristik X- ışını yayınlama ihtimali yüksektir. Fotoelektrik olayın tesir kesitinin teorik hesaplamaları, bağlı elektron için Dirac ın rölativistik eşitliğinin kullanılmasını gerektirir. Şayet, otonun enerjisi rölativistik etkilerin ihmal edilmesine yetecek kadar küçük ve yörünge elektronunun bağlanma enerjisinin ihmal edilmesine yetecek kadar büyük ise hesaplamalar daha kolay olacaktır. elektronunun bağlanma enerjisini ihmal etmek süretiyle W. Heitler otoelektrik soğurma tesir kesiti için (0,-0,5Mev aralığında) aşağıdaki iadeyi elde etti. 4 5 0Z 4 7 n (.) 7 a Burada;
4 8 e 5 0 6,650 cm m0c (..a) m0c n (..b) h olup, Z soğurucunun atom numarası, e bir elektronun yükü, c ışık hızı, m 0 ise elektronun durgun kütlesidir. (.) eşitliği sadece atomun kabuğundan elektron sökülmesine uygulanır, ki otoelektrik soğurmanın yüzde sekseni burada olur. Foton enerjisi küçüldükçe elektronunun bağlanma enerjisini ihmal etmek mümkün olmaz. Bu düzeltme M.Stobbe taraından yapılmıştır. Fotoelektrik olay dieransiyel tesir kesiti, d d Z 8 0 5 E m c 0 7 sin Ve cos c (.4) iadesiyle verilmektedir. Burada; 0 = r0/ = 5,97706X0- m değerindeki Bohr yarıçapı : İnce yapı sabiti Z : Hede çekirdeğin atom numarası c : Işık hızı m 0 Ve : Elektronun durgun kütlesi : Elektronun hızı dır. Bu denkleme göre otoelektrik olay dieransiyel tesir kesiti Z 5 ile orantılı, (E) 7/ ile ters orantılıdır. Z 5 ile doğru orantılı oluşu, verilen bir oton enerjisi için otoelektrik soğurma olayının, kurşun gibi ağır elementlerde aliminyum gibi hai elementlere göre daha önemli olduğunu ortaya koymaktadır. Tesir kesitinin (E) 7/ ile ters orantılı oluşu da
5 bu olayın küçük enerjilerde daha azla olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak; otoelektrik olay düşük enerjili otonların ağır elementler taraından soğurulmasından meydana gelmektedir..5.. Compton Olayı Işığın (otonların) parçacık gibi davranabileceği varsayımının kesin delili 9 de Compton taraından bulunmuştur. Compton grait üzerine X-ışınlarıyla yaptığı deneyler sırasında saçılan ışınların dalgaboylarını ölçtü ve gönderdiği ışının dalgaboyundan daha büyük değerler ölçtü, saçılma açısı büyüdükçe dalga boyu da büyük olur. lasik teoriye göre yukarıdaki gözlem doğru değildi.çünkü klasik teoriye göre elektronlar taraından yeniden yayınlanan ışın gelen ışına ilave olarak kuvvetlendirilmiş salınımlar meydana getirir ve buna göre saçılan demet içerisindeki ikinci dalga boyunun gelen X-ışını dalga boyundan daha küçük veya ona eşit olması gerekir. Compton bu sonucu açıklayabilmek için Einstein in oton teorisine başvurdu.. Madem ki otonlar taneciklerden oluşmaktadır ve her tanecik h enerjisine ve P= h/c momentumuna sahiptirler.. Bir katı, zayı bağlı (bu yüzden esas olarak serbest olduğu düşünülebilecek) elektronlara sahiptir. Bu yarı serbest elektronlar taraından otonun saçılması iki bilardo topunun esnek çarpışması olarak değerlendirilebilir. Böylece bilinen enerji ve momentumun korunumu yasaları uygulanabilir. Compton saçılması, gelen otonun çok zayı olarak bağlı veya serbest bir elektronla inkoharent çarpışmasıdır. Gelen ve saçılan otonlar arasında enerji arkı bulunmaktadır, yani gelen ve saçılan otonların dalga boyları birbirinden arklıdır. Bu durumda atom taraından saçılan radyasyonun toplam şiddeti, atomun her bir elektronu taraından saçılma şiddetleri toplanarak bulunur. ısacası compton olayı, otondan elde edilen enerji yanında atomik bağlanma enerjisinin ihmal edildiği durumlarda, bir otonun; başlangıçta durgun ve serbest olan veya olduğu kabul edilen bir elektronla inkoharent saçılması olarak bilinir.
6 Fotoelektrik olayında elektronun bağlı olması şartı vardır, böylece momentumun korunumu sağlanabilir. Fotoelektrik olayı hemen hemen ve tabakalarına ait elektronlarla yapılır, çok sayıda karakteristik X-ışınları meydana gelir. Compton saçılması ise genellikle dış tabakalara ait elektronlara aittir ve hai elementler hariç ve X-ışınları meydana gelmez. Böylece gelen otonun enerjisi, atomdaki elektronun bağlanma enerjisinden çok yüksektir, elektron serbest kabul edilebilir. Compton saçılmasına uğrayan bir oton enerjisinin hepsini verme yerine enerjisinin bir kısmını kaybeder, otonun enerjisi azalır ve ilk doğrultusundan sapar. Gelen oton, saçılan oton ve geri tepen elektron daima aynı düzlemdedir. Şekil.. a) Saçılmadan Önce b) Saçılmadan Sonra Compton Olayı Şekil. a) da görüldüğü gibi relativistik enerjisi E 0 ve momentumu P 0 olan bir oton, durgun kütle enerjisi m 0 c olan durgun bir elektron üzerine gelmektedir. Şekil. b) de oton enerjisi E, momentumu P olacak şekilde açısı ile saçılırken, elektron kinetik enerjisine ve P momentumuna sahip olarak açısıyla geri saçılmaktadır. Compton bu etkileşme olayına momentum ve toplam relativistik enerjinin korunumu kanunlarını uygulamıştır. Momentumun korunumundan, P P cos cos (X bileşeni) (.5) 0 P 0 Psin P sin (y bileşeni) (.6)
7 iadeleri yazılabilir. Toplam relativistik enerjinin korunumundan, E 0 m0c E m0c (.7) E0 E (.8) E h P c c (.9) cp0 cpcp0 cp (.0) iadeleri yazılabilir. Elektronun toplam relativistik enerjisi için, E m P c 0c (.) ve buradan, m c P c m (.) 0 0c m0c P c (.) yazılabilir. (.) iadesi (.) de kullanılarak, P P m cp P P P P cos 0 0 0 0 0P (.4) m c P P) P P( cos ) (.5) 0 ( 0 0 iadeleri elde edilir. (.5) iadesi h planck sabiti ile çarpılıp P = h/ λ iadesi kullanılırsa gelen ve saçılan otonların dalga boyları arasındaki ark, h 0 m c 0 cos (.6)
8 ile iade edilir. Burada m 0, elektronun durgun kütlesi ve m 0 c (0,5MeV), elektronun durgun kütle enerjisi, h (6,66X0-4 j-s) planck sabiti ve λ, 0 A birimindedir. 0,04( cos) (.7) Burada, h c,40 m (.8) m c 0 Compton dalga boyu adını alır. Görüldüğü gibi Compton yarılması sadece ye bağlı olarak değişmektedir. Saçılan otonun saçılma açısının (0 0-80 0 ) değerleri için klasik teori iadeleri doğrulanmıştır. Compton buradan iki sonuç çıkarmıştır; parçacığa eşlik eden bir dalga boyu vardır ve dalga boyu λ = h/p ile verilir, ikinci olarak ta elektromanyetik dalgalar da parçacık özelliği gösterir. Saçılan otonun enerjisi ise, E0 E (.9) ( cos) olur. α=e/m 0 c olmak üzere saçılan elektronun kinetik enerjisi, gelen otonun enerjisi ile saçılan otonun enerjilerinin arkına eşittir. E( cos) (.0) ( cos) ile verilir. Saçılan otonun minimum enerjisi ise = 80 0 ve θ = 0 0 için, E m (.) E m0c
9 iadesi yazılabilir. Compton saçılmasının tesir kesiti hesaplarında, serbest ve durgun elektronlarda saçılmayı inceleyen lein-nishina nın teorisi uygulanmaktadır. Elektron başına toplam lein-nishina tesir kesiti, N d N sin d (.) d 0 k ( k) ln( k) ln( k) k k k k k ( k) N r e cm elektron (..a) ile verilmektedir. Burada k= E(eV)/ 500,4 değerindeki oton enerjisidir. Dieransiyel lein-nishina çarpışma tesir kesiti, saçılmış otonların sayısının gelen otonların sayısına oranı olarak tanımlanır... Çitoluşum Fotonların enerjilerini kaybettikleri üç önemli olaydan biri de elektron-pozitron çiti oluşumudur. Çitoluşumu, çekirdeğin etki alanına giren bir otonun bir elektron ve pozitrona dönmesi olayıdır. Bu olay çekirdek etraında meydana geldiğinden korunum ilkeleri bozulmuş olmaz; hem yük, hem çizgisel momentum hem de toplam enerji korunmuş olur. Bir elektron veya bir pozitronun durgun kütle enerjisi m 0 c = 0,5MeV dir. Bu nedenle çitoluşumun olabilmesi için oton enerjisinin en az,0mev olması gerekir. Çitoluşumun tersi ise bir elektron ile bir pozitronun bir araya gelerek bir oton oluşturmak suretiyle yok olmasıdır. e e (.) Çitoluşumu, bir çekirdek etraında veya yüklü bir parçacığın etraında meydana gelebilir. Çitoluşumda Compton Olayında olduğu gibi, otonun enerjisi ilk etkileşme durumunda tamamen harcanmaz.
0 h m c E E (.4) 0 E nuc Burada; hυ m 0 c E + ve E - E nuc : Gelen otonun enerjisi : Elektron ve pozitron oluşması için gerekli enerji : Oluşan elektron ve protonun kinetik enerjisi : Geri tepen çekirdeğin kinetik enerjisi dir. Çekirdeğin kütlesi elekron ve protona göre çok büyük olduğundan, kinetik enerjisinin çok az bir kısmını alır ve böylece E nuc ihmal edilebilir. O zaman bu iade; h m c E E (.4.a) 0 şeklini alır. Çitoluşumu hai çekirdek alanlarında da olabilir ancak böyle durumlarda eşik enerjisi daha yüksektir. Çitoluşum halinde atom başına düşen soğurma katsayısı artan oton enerjisi ile ve Z ile artmaktadır. Yaklaşık 0MeV den büyük enerjili otonlarda yörünge elektronlarına göre perdeleme etkisi önem kazanmaktadır. Bu enerjilerde ise çitoluşum çekirdekten bir miktar uzakta hatta bazı elektron tabakaları dışında meydana gelmekte bu ise çitoluşumu ihtimalini azaltmaktadır. Çit oluşum tesir kesiti için teorik hesaplamaları H.Bethe ve W.Heilter yapmıştır. 8 p 0Z ln(8z ) 9 7 (.5) e 8 0 5,790 cm 7 m0c (.5.a) değerinde bir sabittir. Çitoluşum tesir kesiti Z ile değişmektedir.
.. X-IŞINI SOĞURMA IYISI ve SOĞURMA ATSAYIARI Şiddeti I 0 (E 0 ) olan gama ışınlı otonların t kalınlığında bir maddeyi geçtikten sonraki şiddeti (.) denklemi ile iade edilir. Burada, t : Madde kalınlığı I 0 (E 0 ) : Gelen otonun şiddeti I (E) : t kalınlığını geçen otonun şiddeti (E) : ineer soğurma katsayısı Madde kalınlığı t, cm, g/cm, elektron/cm olarak alınabileceğinden lineer soğurma katsayısı, cm -, cm /g, cm /atom, cm /elektron olarak alınabilir. ineer soğurma katsayısı, X-ışınlarının veya gama ışınlarının etkileştiği maddeye ve gelen ışının enerjisine bağlıdır. Bundan başka maddeye ait kütle soğurma katsayısı, atomik soğurma katsayısı ve molar soğurma katsayısı olmak üzere üç soğurma katsayısı daha mevcuttur... ineer Soğurma atsayısı() Birim alanda birim kalınlık (t,cm) başına soğurmayı verir ve (.) denkleminin her iki taraının ln i alınırsa, ln I ln I t (.6) 0 ln( I I) 0 (cm - ) (.6.a) t ile iade edilir... Atomik Soğurma atsayısı ( a ) Birim alanda atom başına soğurmayı verir ve
A N a (cm /atom) (.7) N a ile verilir... ütle Soğurma atsayısı ( m ) Birim alanda birim kütle başına soğurmayı verir ve m (cm /g) (.8) ile verilir...4 Molar Soğurma atsayısı ( mol ) Birim alanda mol başına soğurmayı verir ve m ol A N (cm /mol) (.9) ile verilir. Bu iadelerde; (g/cm ) : Numunenin yoğunluğu N a : Avagadro sayısı A N : Atom ağırlığı dır. ( Öz,996 ) Bu soğurma katsayıları, ilgili madde için toplam soğurma katsayılarıdır. Fotoelektrik, Saçılma ( oharent ve İnkoharent ) ve Çit Oluşumu olaylarının üçü de demetin şiddetinde bir azalmaya neden olduklarından bu olayların tesir kesitlerinin toplamı toplam kütle soğurma katsayısını verir.
(.0) şeklinde iade edilebilir. Burada ; : Fotonun enerjisinin bir kısmını ya da tamamını parçacığa aktararak daha sonra kolayca soğurulduğu işlem olan ve bu yüzden enerjinin madde içinde depolandığı otoelektrik kütle soğurma katsayısıdır. : Fotonların maddede bir enerji soğurulmasına uğramadan saçıldığı saçılma kütle soğurma katsayısıdır. Bu da koharent ve inkoharent saçılma kütle soğurma katsayısı olarak ikiye ayrılır. : Enerjisi,0Mev den büyük veya eşit olan otonun yüksek atom numaralı maddeye çarparak yok olması ve elektron, pozitron çiti meydana getirmesi ile oluşan çit oluşumu kütle soğurma katsayısıdır. Toplam otoelektrik kütle soğurma katsayısı atomdaki bütün kabuklar için toplam iyonlaşma ihtimalini kapsadığı için her bir iyonlaşma ihtimalinin toplamı olarak yazılabilir....,,,, l E E E E E (.) şeklinde yazılabilir. (.) denklemi genel olarak, i i E E, (.) şeklinde yazılabilir. (Ertuğrul,994 )
4 Burada; E,i : i. Elektron seviyesinin (i=,,,,...) E enerjili oton için kütle soğurma katsayısıdır. Fotoelektrik etkileşme olasılığı, gelen X-ışınının enerjisi, elektronun bağlanma enerjisine ne kadar yakın ise o derece yüksek olur. Gelen otonun enerjisi, tabakasında elektronun bağlanma enerjisinden küçük olursa, bu oton bu tabakaya ait elektronu söküp atamaz. Bu tabakaya ait elektronu sökebilmesi için X-ışını enerjisinin elektronun bağlanma enerjisine büyük veya eşit olması gerekir. X-ışını enerjisi bağlanma enerjisinden çok büyük ise, bu otonlar çok azla enerjiye sahip olduklarından hemen hemen hiç soğurmaya tabi olmadan atomu terkederler. Bunun için herhangi bir numuneye gelen X-ışınlarının enerjileri, bu numuneye ait bağlanma enerjilerinden küçük veya çok büyük olması halinde, numune karakteristik loresans X-ışınları meydana getirmezler. Örneğin, herhangi bir X-ışınının enerjisi E ile E arasında ise bu X-ışını,, M ve N tabakalarına ait elektronları sökebilir. Fakat I ve tabakasına ait elektronları sökemez. Bu sebepten bir atomda, bir elektron seviyesine ait X-ışınları soğurma olasılığının en büyük değeri, elektronun bağlanma enerjilerine eşit X-ışınları ile bombardıman edildiği zamandır. Herhangi bir elementin bir atomun bilinen bir tabakasından bir elektron sökebilen minimum oton enerjisi, o elementin o tabakasının soğurma kıyısı olarak bilinmektedir. Şekil. de görüldüğü gibi bir elementin X-ışını soğurma katsayısı X-ışını enerjisi ile azalır. Şekil. deki enerjinin belli değerlerinde ani kesikler görülmektedir. Bu ani kesikliklere soğurma kıyıları denir. Bir soğurma kıyısından sonra uyarıcı oton enerjisi düşürülürse soğurma kıyısında ani bir düşme olur ve bir sonraki soğurma kıyısına doğru soğurma katsayısında yeniden düzenli bir artış olduğu görülür. Her bir elementin çeşitli uyarılma enerjileri olduğu gibi çeşitli soğurma kıyıları da vardır. Bir atomun kabuğu için ( ab ) bir, kabuğu için ( ab, ab, ab ) üç, M kabuğu için (M ab, M ab, M ab, M 4ab, M 5ab ) beş, N kabuğu için (N ab, N ab, N ab, N 4ab,