Nükleer Fizik II Bölüm 14. Prof.Dr. Ahmet BOZKURT Harran Üni., Fen-Edebiyat Fak., Fizik Böl., Şanlıurfa Email: bozkurt@harran.edu.tr Web: http://ahmetbozkurt69.wordpress.com/dersler/ Ders kitabı: Modern Nuclear Chemistry, Loveland, Morrıssey, Seaborg, Wiley, 2006 Kaynak kitap: Nükleer Fizik I&II, Kenneth S. Krane, Palme Yayıncılık, 2001 14.1 Radyoaktivite ile Bilimsel Analiz Teknikleri Nükleer Manyetik Rezonans Yöntem, 1946 da keşfedilmiştir. Tıpta ve adli bilimlerde geniş kullanıma sahiptir. Farklı maddelerin analizinde yararlanılır. Manyetik alan içindeki bir çekirdeğin rezonansı ya da titreşimine Nükleer Manyetik Rezonans adı verilir. Tıptaki uygulaması manyetik resonans görüntüleme olarak bilinir. Radyoaktivite ya da iyonize radyasyon içermez. Şiddetli bir manyetik alan içerisine yerleştirilen ve üzerlerine belli frekansta radyo dalgaları gönderilen çekirdekler, gelen radyo dalgalarının enerjisini soğurarak düşük enerjili bir taban durumdan yüksek enerjili bir uyarılmış duruma geçiş yaparlar. Bu durumdaki çekirdeğin rezonansa girdiği söylenir ve bu farklı enerji durumları manyetik momentler olarak bilinir. Manyetik alan olmazsa, çekirdeğin manyetik momenti olmaz, çekirdek farklı enerji durumlarında bulunamaz, dolayısıyla radyo dalgalarının enerjisini soğuramaz. Fizik Böl. 1
NMR Spektroskopi Moleküllerin yapılarını ve bağlarını incelemeye yarar. Diğer atomlara bağlanmamış serbest hidrojen atomları bir manyetik alan içerisindeyken 42.58 MHz frekanslı radyo dalgalarını soğurabilirler. Bağlı hidrojen atomları için bu değer biraz farklıdır. Bu farktan yararlanılarak bilinmeyen bir bileşik hakkına bilgi alınabilir. İzleme ve Radyoizleyiciler Radyoizotopların yaydığı enerjilere bakarak nereden yayınlandıkları belirlenebilir. Bu yöntemle bir bileşiğin bir bitkinin ya da hayvanın vücudunda nasıl kullanıldığına bakılabilir. Deneğe bir bileşik halinde verilen radyoizotop, bünyede ilerlerken yayımlanan radyasyon izini bırakır ve dedektörler yardımıyla bu radyoizotopun nasıl tüketildiğine dair bilgi elde edilir. Bu amaçla kullanılabilecek radyoizotoplar: 3H, 11C, 14C, 32P, 33P, 35S, 123I, 125I 14.2 Radyasyon Gözlemleri Çevresel radyoaktivite ölçümleri Kişisel radyasyon ölçümleri Gümrük kapıları Fizik Böl. 2
14.3 Reaktörler Araştırma reaktörleri Temelde nötron kaynağı olarak kullanılırlar. Güç reaktörlerine göre daha küçük olduklarından daha az nükleer yakıt kullanırlar. Bu reaktörlerde araştırma amaçlı deneyler gerçekleştirildiği gibi, tıptai tarımda ve endüstride kullanılan radyoizotopların üretimi de yapılır. Dünyanın değişik bölgelerinde faaliyet gösteren yüzlerce araştırma reaktörü vardır. Türkiye de üç tane araştırma reaktörü vardır: Tesis Termal Güç (kw) Türü Durum ITU-TRIGA 250 TRIGA MARK II Kapalı TR-1 1000 Havuz Kapalı TR-2 5000 Havuz Yakıt yükleniyor??? Güç Reaktörleri Nükleer reaksiyonlardan açığa çıkan enerjiyi ısıya ve sonra elektrik üenerjisine dönüştüren sistemlerdir. Kaynayan su buharlaşıp bir türbini döndürdüğünde bağlı jeneratörde elektrik üretilmiş olur. Ölçek olarak büyük tesislerdir. 1000 MW güce sahip bir santral her yıl birkaç top zenginleştirilmiş uranyumu yakıt olarak kullanır. Kütle ve hacim olarak, bu yakıt termik sntrallerde kullanılan kömürden çok çok azdır. Nükleer santrallerin ömrü 30 yıl kadardır. Tesisteki radyoaktivite birikiminden ve yapısal bileşenlerden nötron radyasyonu ve ısıdan kaynaklanan aşınmalardan dolayı bu sürenin sonunda kapatılırlar. Nükleer enerji, kullanılan yakıt kütlesinin enerjiye oranı açısından diğer tüm enerji kaynaklarından daha verimlidir. Fosil yakıtlar yörünge elektronlarındaki ev mertebesinde kimyasal enerjiden faydalanırken, nükleer yakıt atomun çekirdeğindeki MeV mertebesinde enerjiyi kullanır. Dünyadaki fosil yakıtlar hızla tükenmektedir. Bugün dünya elektrik üretiminin %18 i nükleer kaynaklıdır. Bu miktarı termik santrallerde üretseydik, milyarlarca ton kömür yakmamız gerekirdi. Sera etkisi Nükleer enerji daha temiz bir enerji kaynağıdır. Ancak nükleer reaktörün çalışmasıyla üretilen radyoaktif atıklar sorun teşkil etmektedir. Yenilenebilir bir enerji kaynağı değildir, ancak ileri teknoloji reaktörlerinde 238U nun nötronlarla ışınlanması ve 239Pu oluşturması yoluyla yeni nükleer yakıtlar üretilebilecektir. Fizik Böl. 3
14.4 Radyoaktivite ve Radyasyonun Tıptaki Uygulamaları Radyoizotoplar ve Radyofarmasötikler (Nükleer Tıp) Tıpta kullanılan radyoizotop içeren maddelere radyofarmasötik adı verilir. Bir çok nükleer tıp prosedüründe kullanılırlar. Vücutta bulunan sıradan bir bileşiğe benzerler ancak radyoaktif bir atom içerirler (etiketlenirler). Radyasyon dedektörleri (gama kameraları) yardımı ile vücut içinde izlenebilirler. Mannetik Rezonans Görüntüleme Radyo dalgalarına mazruz kalan manyetik alan içindeki çekirdeklerin titreşmeleri prensibine dayanır. Vücudun farklı bölgelerini (özellikle beyin) taramada kullanılan ve BT ye ve ultrasona kıyasla oldukça kesin görüntüler sağlayan bir analiz yöntemidir (çözünürlük: 0.5-1 mm). Radyoterapi Belli bir dozun üzerindeki radyasyon alımı kansere yolaçmasına rağmen, kanseri tedavi etmede de kullanılır. Radyasyona maruz bırakılan dokudaki kanserli hücreler ölürler veya çoğalma özelliklerini yitirirler. Ancak sağlıklı dokuların bir kısmının da radyasyon alması kaçınılmazdır. Bunun sonucunda hastada gözlenecek yan etkileri azaltmak için dar demetler tercih edilebilir. Ayrıca demet hasta etrafında döndürebilir. Emisyon Tomografi SPECT: Tek foton yayılımı tomografisi, hastaya bir radyofarmasötik verilmesi ve bir gama kamerayı hasta etrafında döndürerek yayımlanan radyasyonu farklı açılardan dedekte etme prensibine dayanır. Farklı açılardan yapılan ölçümler bilgisayarda birleştirilerek görüntü oluşturulur. PET: Pozitron yayılımı tomografisinde, 11C, 13 N veya 15O gibi pozitron yayan ve incelenecek vücut bölgesinde toplanma özelliği olan radyofarmasötikler hastaya verilir. Yayımlanan bir pozitron elektronla çarpışınca her ikisi yoklur ve zıt yönde hareket eden bir çift gama fotonu yayımlanır. Hasta etrafına yerleştirilen dedektör ringi gamaları dedekte eder ve bilgisayar kaydedilen gamaların arasındaki süre farkını kaydederek yokolma reaksiyonunun nerede gerçekleştiğini hesaplar. (Çözünürlük: 8 cm) Fizik Böl. 4
14.5 Gıda ve Tarımda Radyoaktivite Uygulamaları Zirai İzleyiciler Tıpta kullanılan izleyicilere benzer izleyicilerden, bitkilerin gübre alımını gözleme ve böylece gübre ve zirai ilaçların optimum kullanımını sağlamada yararlanılır. Tasarruf ve kimyasal kirliliği azaltma 15N ve 32P Radyoizotoplardan yayımlanan iyonize radyasyon, kuraklığa ve hastalıklara dayanıklı, yüksek verimli ve kısa sürede yetişebilen bitki türleri elde etmede işe yarar. Zararlı Kontrolü Bitki zararlıları, mahsüllerin %10 unu yoketmektedir. İyonize radyasyonla kısırlaştırılmış böcek türlerini doğaya salarak, bitki zararlılarının aşırı çoğalması engellenebilir. Kimyevi böcek öldürücülere göre bu yöntem daha güvenlidir., çünkü böcekler zamanla kimyasal maddelere karşı direnç geliştirebilmektedirler. Bu yöntem Birleşmiş Milletler Gıda ve Tarım Teşkilatı (FAO) ile Uluslar arası Atom Enerjisi Ajansı tarafından desteklenmektedir. Gıda Koruma Gıdaları iyonize radyasyon ile ışınlayarak dayanımlarını ve raf ömürlerini arttırabiliriz. Gıdalar ışınlandığında içlerindeki bakteriler öldüğünden, bozulma ve hastalık oluşumu gözlenmez. Böylece daha uzun süre dayanabilirler. Işınlama işlemi, hızlamdırılmış elektronlar veya Co60 ya da Cs137 kaynaklı gama ışınları ile gerçekleştirilebilir. Bu şekilde ışınlanan gıdaların radyoaktif hale gelmesi sözkonusu değildir. Fizik Böl. 5
14.6 Endüstride Radyoaktivite Uygulamaları Gama Radyografi Uçak ekipmanları ve gaz/boru hatlarındaki kaynaklarda çatlak ve benzeri hasarların oluşup oluşmadığı düzenli bir şekilde izlenir. Bu işlem 192Ir gibi radyoaktif kaynaklarla yapıldığında gama radyografi adı verilir. Temelde kemiklerdeki çatlakları gözlemede kullanılan röntgen çekimlerine benzer. Filmi çekilecek cihaz, radyasyon kaynağının bir tarafına konur. Fotoğraf plakası da diğer tarafa yerleştirilir. Çatlaklardan geçen radyasyon, fotoğrafda görünür hale gelir. Ölçüm ve Endüstriyel Analizler Radyoizotoplar, viskozite, yoğunluk ve kalınlık gibi niceliklerin belirlenmesinde kullanılabilir. Radyasyon doğrudan temas gerektirmediğinden, yüksek sıcaklık veya aşındırıcı kimyasalların olduğu ortamlarda bu yöntem oldukça yarayışlıdır. Radyasyonun intensitesinin maddeden geçtiğinde zayıflaması prensibine dayanır. Dedektör ve kaynak arasındaki malzemenin miktarı, gelen ve geçen radyasyon miktarı ile ilişkilendirilir. Seri üretimlerde kalite kontrolü amaçlı olarakta işe yarar. Güç Kaynakları Küçük miktarlarda protatif güç gereksinimi durumlarında meteoroloji balonları, işaret fenerleri gibi) radyoizotoplar güç kaynağı olarak kullanılabilir. Pillere göre daha çevre dostudurular. Çevresel Gözlemler Yer altı suları ve kayalardaki havadaki radyoaktivite miktarının belirlenmesi yoluyla su kaynaklarının rezervleri ve ne kadar hızla tükenmekte oldukları tespit edilebilir. Radyoaktivite analizleri yapılarak, okyanuslardaki kirliliğe neyin sebep olduğu tespit edilebilir. Toprak aşınmasının hızı ve boyutunun radyoizotop yöntemlerle belirlenmesi mümkündür. Fizik Böl. 6
14.7 Evlerde Radyoaktivite Duman Dedektörleri Am241 kaynaklı duman dedektörleri evlerde yangın durumunu belirlemede kullanılır. Kaynak bir hava odacığının içerisinde yeralır. Yaydığı alfa parçacıkları hava molekülleri ile çarpıştığında iyonizasyona yolaçar ve böylece odacığın her bir tarafına yerleştirilmiş elektrotlar arasında bir elektrik akımı oluşur. Odacığa duman girdiğinde ise iyonize moleküller duman parçacıkların yapışacaklarından elektrik akımında düşme olur. Bağlı bir elektrik devresi, akımda bu tür bir düşüş tespit ettiğinde alarm çalar. Tipik aktivite 35kBq civarındadır. http://library.thinkquest.org/c004606/applications/smokedetectorsim.html 14.8 Nükleer Silahlar Askeri hedefleri yoketmede, konvansiyonel silahlara göre binlerce kat daha etkindirler. Konvansiyonel silahlarda kimyasal patlayıcılar kullanılır Bu tür silahlar tahrip edici etkilerini atomun yörüngelerindeki elektronları (ev mertebesinde bağlanma enerjisi) ilgilendiren kimyasal süreçlerden alırlar. Nükleer silahlar ise atomun çekirdeğini ilgilendiren (MeV mertebesinde bağ. enerjisi) nükleer reaskiyonları kullanırlar. İlk nükleer silahlar 2. Dünya Savaşı sırasında ABD de Manhattan Projesi kapsamında geliştirildiler. Gizli tutulan bu proje, New Mexico daki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı nda yürütülmekteydi.abd tarafından kullanılan ilk nükleer silahlar Japonya üzerine atıldı ve 150bin insanın bir anda ölümüne yolaçacak güçteydi. Ancak daha fazla insan ise bombanın radyasyon etkilerinden dolayı daha sonra ölmüştü. Nükleer silahsızlanma anlaşmaları Fizik Böl. 7