ÇEKİRDEK KİMYASI. Kimya Ders Notu

ÇEKİRDEK KİMYASI Kimya Ders Notu

ÇEKİRDEK KİMYASI Atomaltı Tanecikler Atomaltı parçacıklar bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcısı denilen dev düzeneklerde elektromanyetik alan içinde hızlandırılır ve yönlendirilirler. Hızlandırılan taneciklerin çarpışmaları sonucu yeni tanecikler açığa çıkar. Bu taneciklerin de çoğu son derece kısa ömürlüdür.çok kısa sürede bozunurlar. Yapılan bu çalışmalar sonucunda Standart Model olarak adlandırılan yeni bir tanecik modeli ortaya konmuştur.

Standart Model Standart Model, maddenin temelyapı taşlarını ve bunların etkileşimlerine aracılık yapan temel kuvvetleri tanımlayan kuramdır. Bu modele göre, bütün maddesel evren, birbirleriyle 4 temel kuvvet aracılığıyla etkileşen; kuark ve leptonlardan oluşur. Kuarklar ve lepton ar temel tanecikler olup kuwet taşıyıcı tanecikler aracılığıyla etkileşime girerek evrendeki görünür maddeleri oluştururlar.

Kuarklar Kuarklar spinleri 1/2 ve elektrik yükleri +2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik bilinen 6 çeşit kuark ve 6 çeşit anti kuark vardır. (u) up (yukarı), elektrik yükü = +2/3 (d) down (aşağı), elektrik yükü = -1/3 (c) charm (tılsımlı), elektrik yükü = +2/3 (s) strange (garip), elektrik yükü = -1/3 (t) top (üst), elektrik yükü = +2/3 (b) bottom (alt), elektrik yükü = -1/3

Yukarı ve aşağı kuark bütün kuarklar içinde en düşük kütleli olanlardır. Daha ağır kuarklar parçacık bozunması yoluyla aşağı ve yukarı kuarka dönüşürler. Bu nedenle yukarı ve aşağı kuarklar evrende en yaygın olanlardır. Diğer kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcılarda) oluşabilir. Kuarklar bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen daha büyük parçacıkları oluştururlar. Bunların en kararlı olanları atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur. Proton: iki yukarı bir aşağı kuarktan. (uud) Nötron: bir yukarı ve iki aşağı kuarktan meydana gelmiştir.(ddu)

Her kuark çeşidi için ona karşılık gelen bir tane de antiparçacık bulunur. Antikuark denilen bu parçacık kuarktan, sadece ters işaretli olması ile ayrılır ve karşılık gelen kuarkın sembolünün üzerine çizgi eklenerek gösterilir. (örneğin yukarı kuark için anti kuark u ile gösterilir.) Genellikle bütün antimaddelerde olduğu gibi, antikuarklar da kendi kuarkı ile aynı kütleye, ortalama ömür süresine ve spine sahiptir ancak elektrik yükü ve diğer yükleri ters işaretlidir. Kuarklar elektrik yükü, renk yükü, spin gibi çeşitli özelliklere sahiptirler.

Leptonlar Güçlü etkileşime girmeyen parçacıklar sınıfıdır. Leptonların en çok bilineni ve en küçük olanı elektrondur. Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini 1 ve elektrik yükleri -1 veya 0 dır. Şimdilik bilinen 6 çeşit lepton ve 6 2 çeşit anti lepton vardır.

Madde moleküllerden, moleküller atomlardan, atomlar elektron bulutu ve bir çekirdekten, çekirdek proton ve nötronlardan, proton ve nötronlar da daha temel parçacıklar olan kuarklardan oluşmuştur. Temel Kuvvetler Parçacıkları bir arada tutan kuvvet taşıyıcılarına bozon denir. Doğada şimdilik varlığı bilinen dört temel kuvvet vardır. Bunlar; 1. Güçlü nükleer kuvvetler 2. Zayıf nükleer kuvvetler 3. Elektromanyetik kuvvet 4. Kütle çekim kuvvetidir.

Güçlü Nükleer Kuvvetler: Doğadaki en güçlü kuvvetlerdir. Bu kuvvetler sayesinde proton ve nötrondaki kuarklar bir arada tutulurlar. Ancak kuarklar arasındaki mesafe çok küçülmedikçe bu kuvvetler etkili olmaz. Kuarkların çok yakın mesafelerde birbirini çekme veya itme özellikleri vardır. İki u kuark birbirini iterken u ve d kuarklar birbirini çeker. Bu çekme ve itmeler kuarkların renk özelliği ile ilişkilidir. Standart modele göre bu çekme veya itme kuvvetleri gluon adı verilen çok küçük parçacıkların alışverişi sayesinde olur.

Zayıf Nükleer Kuvvetler: Proton ve nötronların yapılarında bulunan u ve d kuarklar simetrik dağılmadığından bunlarda renk dipolleri vardır. Bu dipol karakter proton ve nötronlar arasında bir dipol çekim etkileşimi sağlar. Dolayısıyla çekirdek içinde proton - proton, nötron - nötron ve proton nötron çekim kuvvetleri oluşur. Zayıf nükleer kuvvetler çekirdek içinde protonlar arasındaki elektriksel itme kuvvetlerini dengelerse çekirdek kararlı olur. Protonlar arası elektriksel itme kuvvetleri daha kuvvetli olursa çekirdek kararsızlaşır ve parçalanır.

RADYOAKTİVİTE Doğadaki olaylar fiziksel, kimyasal ve radyoaktif olmak üzere üç grupta incelenir. Fiziksel Olaylar Maddenin atomal yapısını, proton, nötron ve elektron sayısını değiştirmeyen, tanecikler arası uzaklığı ve çekim kuvvetini değiştiren olaylardır. Örneğin; hal değişimleri, genleşme Kimyasal Olaylar Elektron alışverişi veya elektron ortaklaşması sonucu gerçekleşen, maddenin moleküler yapısını değiştiren olaylardır. Kimyasal olaylar; atomun çekirdek yapısını, proton ve nötron sayısını değiştirmeyen olaylardır. Örneğin; bileşik oluşumu, elektroliz, yanma...

Radyoaktif Olaylar Atomun çekirdek yapısını, proton veya nötron sayısını değiştiren olaylardır. Örneğin; atomların ışıma yapması, füzyon, fisyon NOT: Fiziksel, kimyasal ve radyoaktif olaylardan; en fazla enerji değişimiyle gerçekleşenler radyoaktif olaylar en az enerji değişimiyle gerçekleşenler ise fiziksel olaylardır.

Radyoaktif Madde Bazı element atomlarının çekirdekleri kararlı, bazılarınınki ise kararsızdır. Çekirdek kararlılığı, çekirdekteki proton ve nötron sayılarına bağlıdır. Genellikle nötron sayısının, proton sayısına oranı; arasında olan çekirdekler kararlıdır.

Çekirdekleri kararsız olan atomlar, kendiliğinden alfa (α), beta (β ), Pozitron (β + ) ışımaları ya da elektron yakalama şeklinde çekirdek tepkimeleri gerçekleştirerek daha kararlı atom çekirdeklerine dönüşürler. Bu tür elementlere doğal radyoaktif elementler denir. Atom numarası 83'ten büyük olan elementler doğal radyoaktif elementlerdir. Radyoaktiflik atom çekirdeğinden kaynaklanan bir özellik olduğundan atom çekirdeğini değiştirmeyen olaylar, atomun radyoaktif özelliğinide değiştirmez. Radyoaktiflik, maddenin fiziksel haline, dış koşullara, madde miktarına, element veya bileşik halinde olmasına bağlı değildir. Bir element radyoaktif ise bileşikleri de radyoaktiftir.

ÖRNEK 1

ÇÖZÜM 1

ÖRNEK 2

ÇÖZÜM 2

ÇEKiRDEK TEPKiMELERi Atomların çekirdeklerinde gerçekleşen tepkimelere çekirdek tepkimeleri denir. Çekirdek tepkimelerinde atom çekirdekleri, çeşitli ışımalar yaparak, parçalanarak ya da birleşerek bir başka atom çekirdeğine ya da izotopuna dönüşür. Çekirdek tepkimelerinde genellikle atom çekirdeği değiştiğinden atom türü ve sayısı korunmayabilir. Ancak proton ve nötron sayıları toplamı (nükleon sayısı toplamı) korunur. Kimyasal tepkimelerde atom türünün korunmasına rağmen, çekirdek tepkimelerinde atom çekirdeği değişerek, başka tür atomlara dönüşür. Kimyasal tepkimelerde kütle korunur. Çekirdek tepkimelerinde ise kütlenin bir kısmı enerjiye dönüştüğünden kütle + enerji toplamı korunur. Kimyasal tepkimelerde olduğu gibi çekirdek tepkimelerinin de başlaması için belirli bir aktifleşme enerjisine ihtiyaç vardır.

Bu taneciklerden (+) ve (-) yüklü olanlar, elektriksel alanda kendi yüklerinin zıt kutbuna saparlar. Yüksüz olan tanecikler ise, elektriksel alandan etkilenmezler.

Kararlılık Kuşağı Radyoaktiflik, çekirdekteki nötron/proton oranına bağlı bir özelliktir. Nötron sayıları ile proton sayıları arasında bir grafik çizildiğinde; aralığında radyoaktif olmayan çekirdeklerin bulunduğu bir kuşak elde edilir. Buna kararlılık kuşağı adı verilir.

DOĞAL RADYOAKTİF BOZUNMALAR

ÖRNEK 3

ÖRNEK 4

ÇÖZÜM 4

ÖRNEK 5

ÇÖZÜM 5

Radyoaktifliğin keşfedilmesi sonrasında, çekirdek enerjisini kullanılır hale getirmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar çekirdek bölünmesi (fisyon) ve çekirdek kaynaşması (füzyon) tepkimeleridir. YAPAY RADYOAKTİFLİK 1 Atom çekirdekleri yüksek enerjili proton ( 1 p ), nötron ( 1 4 0 n) ve alfa ( 2He) taneclkleriyle bombardıman edilerek başka atom çekirdeklerine dönüştürülür. Bu tür tepkimelere yapay çekirdek tepkimesi denir. Örneğin;

Fisyon (Çekirdek Bölünmesi) Büyük kütleli çekirdeklerin nötronla bombardıman edilerek daha küçük kütleli çekirdekleri oluşturmasıdır. Yukarıdaki tepkimede oluşan yeni nötronlar diğer uranyum çekirdeklerini etkiler ve böylece hızı gittikçe artan bir tepkime oluşur. Böyle tepkimelere zincir tepkimesi denir. Atom bombası ve nükleer reaktörlerde fisyon tepkimeleri gerçekleşir.

Füzyon (Çekirdek Kaynaşması) Küçük kütleli çekirdeklerin yüksek enerjinin etkisiyle kaynaşarak daha büyük kütleli çekirdeklere dönüşmesidir. Füzyon tepkimeleri çok yüksek sıcaklıkta gerçekleşen tepkimeler olduğundan termo nükleer reaksiyonlar olarak da adlandırılır. Hidrojen bombası ve güneşteki tepkimeler, füzyon tepkimelerine örnektir. Çekirdeklerin bölünmesi veya kaynaşması sırasında çekirdeklerde mevcut olan enerji açığa çıkar. Açığa çıkan bu enerji Nükleer Enerji olarak adlandırılır.

UYARI: Füzyon tepkimelerinde açığa çıkan enerji, fisyon tepkimelerinde açığa çıkan enerjiden çok daha fazladır.

YARILANMA SÜRESİ VE BOZUNMA HIZI Radyoaktif elementlerin kendi kendine ışıma yaparak başka elementlere dönüşmesine radyoaktif bozunma denir. Her elementin radyoaktif özelliği birbirinden farklıdır. Radyoaktif maddeler kendilerine özgü bir hızla bozunmaya uğrarlar. Radyoaktif maddelerin, birim zamanda bozunan madde miktarına bozunma hızı adı verilir. Bozunma hızı; atomun çekirdek yapısına ve başlangıç miktarına bağlıdır. Yarılanma süresi aynı olan elementlerde, başlangıç kütlesi büyük olan elementin bozunma hızı daha büyüktür. Yarılanma süresi farklı olan elementlerden eşit kütlelerde alındığında, yarılanma süresi kısa olan elementin bozunma hızı daha büyüktür. Ancak bozunma hızı; sıcaklık ve basınç gibi dış faktörler ile atomun fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlı değildir.

Radyoaktif çekirdeklerin bozunma hızları çekirdek kararlılığının bir ölçüsüdür. Farklı elementlerin bozunma hızları, yarılanma süreleri ile karşılaştırılabilir. Radyoaktif bir maddenin başlangıç kütlesinin yarısının bozunması için geçen süreye yarılanma süresi ya da yarı ömür denir. Radyoaktif bir çekirdeğin yarılanma süresi ne kadar kısa ise, bozunması o kadar hızlı ve radyoaktif şiddeti o kadar fazladır. Yarılanma süresi, maddenin türüne bağlıdır. Atom ve kütle numaraları farklı olan bütün elementlerin yarılanma süreleri farklıdır. Ayrıca aynı elementin farklı izotoplarının yarılanma süreleri de farklıdır. Yarılanma süresi madde miktarına bağlı değildir. Aynı maddenin her yarılanması için geçen süre aynıdır. Yarılanma süresi, sıcaklık ve basınç gibi dış faktörler ile atomun fiziksel ve kimyasal özelliklerine ve atomun bileşik halinde bulunmasına bağlı değildir.

ÖRNEK 6 Yarılanma süresi 5 yıl olan radyoaktif elementin 120 gramlık örneğinden 20 yıl sonunda kaç gramı bozunur?

1. Çözüm Yolu: 2. Çözüm Yolu:

ÖRNEK 7 32 gram radyoaktif X elementinin 3t gün sonunda kütlesi 4 grama düşüyor. Buna göre, X elementinin kütlece %75 i kaç günde bozunur? A) t 2 B) t C) 3t 2 D) 2t E) 5t 2

ÇÖZÜM 7 Radyoaktif X elementinin 32 gramının 4 grama düşmesi için; 32 16 8 4 üç kez yarılanması gerekir. Üç kez yarılanması için 3t gün geçtiğine göre, elementin yarılanma süresi t gündür. X elementinin kütlece % 75 i bozunduğunda, %25 i bozunmadan kalır. Başlangıç kütlesi,l00 gram alındığ ında, kütlece % 7 5 inin bozunması için, 100 50 25 2 kez yarılanması gerekir. X elementinin yarılanma süresi t gün olduğundan, 2 kez yarılanması için 2t gün geçer. YANIT D

NÜKLEER REAKTÖRLER Nükleer reaktörler, içerisinde nükleer tepkimelerin kontrollü bir şekilde yürütüldüğü ortamlardır. Günümüzde fisyon tepkimesine dayanan yüzlerce nükleer reaktör vardır. Atom bombasında çok kısa sürede gerçekleşen fisyon tepkimesi, nükleer reaktörlerde daha uzun sürede gerçekleştirilerek enerji elde edilir. yakıttır. ( Nükleer reaktörü oluşturan en önemli elemanlardan birincisi Pu da yakıt olarak kullanılabilir.) 239 uranyum Yakıt olarak kullanılacak uranyumun reaktöre girmeden önce her türlü safsızlıktan arındırılması gerekir. Ayrıca yapısındaki 235 U oranı %3 dolayına yükseltilmiş olmalıdır (uranyum zenginleştirilmeli) Günümüzde yakıt olarak UO 2, tercih edilmektedir.

Günümüzde kullanılan basınçlı su reaktörlerinde zenginleştirilmiş uranyum çubukları su içerisinde asılmış durumda ve 70-150 atm basınç altındadır. Su iki amaçla kullanılır; birincisi, fisyon sonucu oluşan nötronları yavaşlatmak, ikincisi ısı transferi ortamını oluşturmak. Nükleer reaktörlerin en önemli elemanlarından bir diğeri ise kontrol çubuklarıdır. Reaktörün kontrolü ortamdaki nötron sayısının kontrolü ile mümkündür. Eğer, fisyondan doğan nötronların oluşma hızı uranyum yakıt tarafından yakalanma hızına eşit ise reaktör aynı güçte çalışmaya devam eder. Ortamdaki nötronların sayısı arttıkça güç yükselir, azaldıkça güç düşer. Ortamda nötron kalmazsa reaksiyon durur. Bunun için, reaktöre kadmiyum veya bordan yapılan ve nötronları soğuran kontrol çubukları yerleştirilir. Bu çubuklar reaktörde istenilen derinliğe indirilerek reaksiyon kontrol altında tutulur. Nükleer santraller, termik santrallerde olduğu gibi dışarı CO 2 ve SO 2, gibi gazlar salmazlar, kül bırakmazlar.bundan do ayı çevreyi kirletmedikleri söylenebilir. Ancak, nükleer reaktörden çıkan kullanılmış yakıt yüksek radyoaktiviteye sahip bir çok madde içerir. Yüksek aktiviteli bu nükleer atıkların çevreye ve insana zarar vermeden yok edilmesi çok önemli bir problemdir.

Radyoaktif ışınların giricilikieri ve iyonlaştırma özellikleri: Radyoaktif ışınların en önemli özelliklerinden ikisi giricilik ve iyonlaştırma etkileridir. Giricilik özellikleri radyoaktif ışınların çeşitli maddelerin içinden geçip geçmemeleri ile ilişkiliyken, iyonlaştırma etkisi, bu ışınların içinden geçtikleri maddenin 1 cm'lik bir kısmında oluşturdukları iyon çiftlerinin sayısıdır. a. Alfa ışınları: Alfa parçacıklarını oluşturan 4 2 He+2 çekirdeği yüklü bir parçacık olması nedeniyle içinden geçtiği maddenin elektronları ile çok kuvvetli etkileşerek madde tarafından yavaşlatılır. Elektron yakalayan 4 2 He+2 tanecikleri helyum atomlarına dönüşür. Bu nedenle alfa parçacıkları, iyonlaştırma etkileri en fazla olan ışınlardır. Alfa parçacıklarının kütleleri büyük olduğu için maddeden geçişlerizordur. Bunun için bu parçacıkları çok az kalınlıklardaki maddelerle (örneğin ince bir kağıt tabaka ile) durdurmak mümkündür.

b. Beta ışınları: Beta ışınları, alfa ışınlarına göre daha az yüklü oldukları için iyon aştırma etkileri de alfa ışınlarınınkinden daha azdır. Beta ışınlarının kütleleri alfa parçacıklarına göre daha küçüktür. Bu nedenle beta ışınlarını oluşturan hızlı elektronlaı moleküllerin elektron ve çekirdekleriyle e ektrostatik etkileşmeye girerek yüzeyden 1 cm içeriye kadar girebilir. Beta ışınlarından korunmak için ince alüminyum levhadan yapılmış bir engelleyici malzeme yeterlidir.

c. Gama ışınları: Gama ışınlarının iyonlaştırma etkileri bu ışınların yüksüz olmaları nedeniyle alfa ve beta ışınlarınınkinden daha azdır. Yüksek enerjili gama ışınları ise alfa ve beta ışınlarına göre vücuttan, camdan, kapıdan, duvardan daha kolay geçebilir ve yolu üzerinde çarptığı canlı dokuya diğer ışınlara göre daha fazla zarar verebilir. Dolayısıyla gama ışınlarının ancak kurşunlu tuğlalardan yapılmış duvarlar veya çok kalın beton bloklar ile engellenerek canlılara zarar vermesi önlenebilir. * Radyoaktif ışınların analizi için sintilasyon sayıcısı, Wilson sis odası ve Geiger - Müller (Gayger Müller) sayacı kullanılır. En çok kullanılan ise Geiger - Müller sayacıdır.

Aktiftik: Radyoaktif maddenin 1 saniyedeki radyoaktif bozunma sayısına "aktiflik" denir. Kaynağın (radyoaktif maddenin) aktifliği arttıkça saniyedeki nükleer bozunma sayısı da artar. Saniyedeki bir nükleer bozunma 1 becquerel (1Bq) olarak verilir. Absorblanmış doz: Radyasyona maruz kalmış bir dokunun absorbladığı ışınlardan depolanan enerjiye absorblanmış (soğurulmuş) doz denir. Absorblanmış doz birimleri olarak Rad ve Gy (Gray) kullanılır. Rad, ışınlanan maddenin 1 kg'ına 10 2 J'lük enerji veren radyasyon miktarıdır. Gray ise ışınlanan maddenin 1 kg'ına 1 J'lük enerji veren radrasyon miktarıdır. (1 Gy = 100 Rad veya Rad= 10 2 Gy'dir.)

BiyoIojik eşdeğer oluş: Belli bir radrasyon dozunun hedef dokuda yol açabildiği biyolojik hasar, yalnızca soğurulan enerji miktarına değil, radyasyonun türüne, organizmanın cinsine, dokunun niteliğine ve organ hacmine de bağlıdır, Dolayısıyla hedef dokudaki biyolojik etkinin ölçüsü olarak, soğurulan enerji miktarının boyutsuz bir biyolojik etkinin faktörü ile çarpılması sonucunda elde edilen "biyolojik eşdeğer doz" kullanılır. Eşdeğer dozun birimi Sievert (Sv), Gray ile aynı 1J/kg birimine sahiptir. Ancak Gray, radyasyonun fiziksel etkisinin ölçümünde kullanılırken; Sievert, biyolojik etkisini ölçmede kullanılır.

Radyoaktiflikten Kaynaklanan Tehlikeler ve Korunma Yolları: Alfa, beta ve gama ışınlarının canlı dokuya teması, dokudaki moleküllere çok yüksek enerji transfer ederek moleküllerin ayrışmasına ve serbest radikal olarak adlandırılan yüksek enerjili taneciklerin oluşumuna neden olur. Oluşan yüksek enerjili serbest radikaller, diğer molekülleri dolayısıyla canlı dokuları etkileyerek genetik bozukluklar ve kanser başta olmak üzere sağlığa zararlı birçok etki oluşturur. Uluslararası Radyasyondan Korunma Komitesi'nin (ICRP) belirlediği ve ALARA prensibi olarak adlandırılan prensibe göre radyasyondan korunmak için; 1. Pozitif ve net bir yarar sağlamadıkça hiçbir radyasyon uygulaması yapılmamalıdır. 2. Sosyal ve ekonomik faktörler de gözönüne alınarak ışınlama süresi en düşük düzeyde tutulmalıdır, 3. Bireyler için önerilen eşdeğer doz limitleri aşılmamalıdır.

* Radyasyon dozu, kaynağa olan uzaklığın karesi ile ters, temas süresi ile doğru orantılı olduğu için kaynaktan mümkün olduğunca uzakta ve kısa süreli çalışılmalıdır. * Radyoaktif kaynak ile kişi arasına yayımlanan ışınları tamamen veya kısmen soğuracak bir engel konularak radyasyondan korunulabilir. Bu olaya zırhlama denilir. * Radyoaktif maddelerden bilimsel araştırmalarda, tıpta teşhis ve tedavide, endüstride, arkeoloji, jeoloji gibi alanlarda ve kimyada yararlanılmaktadır.