Radyoaktivite | Eğitim Dünyası
Ana Sayfa Fizik Fizik konu Anlatım 12.Sinif Fizik Radyoaktivite
Başlığı okuyunca radyoda yapılan etkinlikler (aktiviteler) ile ilgili bir konu işleyeceğimizi zannetmeyin. Aslında “radyo” radyasyon yani ışınım (yayınlama) kelimesinden geliyor. Radyo da yayın yapan bir araç olduğu için bu isimle çağrılıyor. Radyoaktivite “radyasyonlu etkinlikler” gibi düşünülebilir.
Radyoaktiviteye başlarken öce atom hakkındaki bilgilerimizi gözden geçirip atomun hangi özellikleri bu konuyla ilgili bakalım. Biliyoruz ki, atomun çekirdeği atomun kütlesinin büyük bir kısmını oluşturur. Çekirdeğin bir arada dengeli bir duruş göstermesi, çekirdekteki protonlar arasında güçlü çekirdek kuvvetinden dolayı bir çekme kuvveti ve elektrostatik etkileşimden dolayı da bir itme kuvveti olmasıdır.
Kararsız atom çekirdeği ışıma yaparak kararlı hale geçer
Eğer bir atom çekirdeğindeki protonlar arasındaki itme kuvveti çekme kuvvetine karşı baskın özellik gösterirse bu durum çekirdeğin dağılmaya, parçalanmaya meyilli bir hal içinde olduğunu gösterir. Çekirdek bu durumunu uzun süre koruyamaz ve ışıma yaparak yapısını değiştirme (bozunma) eğilimi gösterir. Bu tip çekirdeklere kararsız, diğer bir ifadeyle radyoaktif çekirdek denir. (Kararsız denmesinin sebebi ne yapacağına karar veremeyen anlamında değildir, aslında bozunmaya epey “kararlıdır”). Bu durumun tersi olarak, çekme kuvveti itme kuvvetine baskın geliyorsa bu çekirdeğe kararlı çekirdek denir. Kararlı çekirdekler ışıma yaparak bozunmaya uğramazlar. Kararlı çekirdekler radyoaktif değildir.
“Kararsız bir atom çekirdeğinin a, β± parçacıklarından birini veya γ ışıması yayınlayarak yaptığı reaksiyonlarla kendiliğinden parçalanarak yeni izotoplar oluşturmasına radyoaktivite denir.”
Bir atomun radyoaktif yani karsız yapıda olduğunu anlamak için atomun çekirdeğindeki itme ve çekme kuvvetlerini ölçmemiz gerekmiyor. Bazı önemli ipuçlarıyla atomun kararlı ya da kararsız olduğunu anlayabiliriz. Örneğin, kararlı çekirdeklerde nötron sayısının proton sayısına oranının 1’e yakın olduğu görülür. Atom numarası 20’den küçük olan elementlerin nötron/proton oranı da 1 civarındadır. Bazı izotopları hariç, bu atomlar kararlı bir yapıdadır.
Aynı bilgiye eklemeler yaparsak, atom numarası 20’den büyüdükçe bu (nötron/proton) oranı da 1’den daha büyük değerler almaya başlar.Örneğin atom numarası 83 olan bizmut için 1,5 olur. Şimdi önemli bir noktadayız, işte bu kritik (nötron/proton) oranı değerinden büyük oranlardaki atomların elementlerin çekirdekleri kararsızdır.Bu elementler aynı zamanda atom numarası 83’den büyük olan elementlerdir. Atomların karlılık dereceleriyle ilgili farklı bir ipucu bilgisi de şu olabilir;çift sayıda proton ve nötron taşıyan çekirdekler, tek sayıda proton ve nötron içeren çekirdeklere göre daha kararlıdır.
Bu noktada çok daha enteresan bir özellik kararlı çekirdekler için önemli bir fark olduğunu bize gösterir. Bu özellik “sihirli sayılar” ile ilgilidir. Buna göre, 2, 8, 20, 50, 82 ve 126 tane proton veya nötron taşıyan çekirdekler en kararlı çekirdeklerdir. Bu sayılara sihirli sayılar denir.
Marie ve Pierre Curie Laboratuvarda Çalışırken
Her keşif ve icatta olduğu gibi radyoaktifliğin de arkasında bu konuyu araştıran ya da keşfeden vardır. Aslında hiç de azımsanmayacak icat ve keşif ; bilim insanlarının hiç de oralı olmadıkları tesadüf denilebilecek gelişmelerle elde edilmiştir. Ve bir tesadüf de radyoaktivitenin doğuşuna öncülük edecekti. 1896 yılında, Henri Becquerel uranyum tuzu kristallerinin karanlık odada fotoğraf filmini etkilediğini tesadüfen keşfetti. Bu ışımalar (radyasyon) üzerine çalışmalarını Marie Curie ile yapan Becquerel, yıllar süren çalışmaları neticesinde, 1903 yılında Nobel Fizik Ödülü kazandılar.
Sonrasında, Marie ve kocası Pierre Curie de radyum ve uranyum üzerinde çalışmaları sürdürdüler bu çalışmalarında,polonyum ve radyum adını verilen elementleri keşfettiler ve bu keşifleri neticesinde, 1911 yılında Kimya Nobel Ödülü’nü kazandılar.
Birçok fiziksel olayda olduğu gibi radyoaktivite için de doğal ve yapay formatlar vardır. Doğal radyoaktifliği ortaya koymak için yukarıda bahsettiğimiz (nötron/proton)oranıyla ilgili bir çalışma yapalım ve atomları bu oranlarını bir grafik üzerinde işaretleyelim. Nötron sayısı ve proton sayısı değişkenleri için böyle bir grafik oluşturulduğunda, kararlı elementlerin doğal izotoplarının (nötron/proton) oranı da grafikte işaretlenince bu noktalar grafik üzerinde belli bir bölge oluştururlar. Bu bölgeye kararlılık kuşağı denir. Bu kuşağın dışındaki bölgede kararsız elementler yer alır. Bu kararsız bölgedeki çekirdeklerin ışıma yaparak kararlı çekirdeğe dönüşmeye çalışmasına doğal radyoaktiflik denir.
Kararlılık kuşağı dışında kalan çekirdekler ışıma yaparak kararlı hale gelir
Radyoaktif bir madde daha kararlı hale geçerken enerjisinden ve kütlesinden kaybeder. İşte böyle bir radyoaktif izotopun, yaptığı ışımalar sonucunda, atomlarının sayısının başlangıçtaki atomlarının sayısının yarısına inmesi için geçen süreye yarı ömür denir.
Yarı ömür süresinin başlangıçtaki miktardan bağımsız olmasına dikkat edilmelidir. Örnek olarak, kararsız bir çekirdeğin yarı ömrü 1 gün ise, 100 g radyoizotop bir gün sonra 50 g’a inecektir. Aynı radyoaktif (kararsız çekirdek) için başlangıçtaki miktar 200 g ise, yarı ömür sonunda kalan miktar 100 g olacaktır.
Yarı ömür bazı çekirdekler için yüzlerce sene bazıları içinse birkaç dakika sürebilir. Bu radyoaktif bozunmalar sonunda bir element farlı bir elemente dönüşür.
Örneğin,Uranyum 235U izotopunun yarı ömrü 704 milyon yıldır. Bu izotopun başlangıç miktarının yarısı bu süre sonunda 207Pb , kurşun izotopuna dönüşür.
Benzer şekilde uranyumun diğer bir izotopu olan 238U ‘in yarı ömrü olan 4,7 milyar yıl sonunda başlangıç miktarının yarısı kurşun izotopu olan 206Pb ‘ya dönüşür.
Farklı bir örnek verecek olursak, Trityum (T), denilen 3H izotopunun çekirdeğinde bir proton ve iki nötron bulunur. Trityum, radyoaktif bir elementtir ve yarılanma süresi 12,46 yıldır. Bu süre sonunda trityumun (T), başlangıç miktarının yarısı helyum izotopuna (3He) dönüşür.
Yarı ömrü 5 gün olan bir elemente ait atom-zaman grafiği
Uranyum izotopu, kurşun izotopuna dönüşürken α saçılmaları yapar. Bu bozunma süreci yıllar boyu sürer. Doğada çok az bulunan Trityum denen hidrojen izotopu 3H da β parçacığı yayınlayarak 3He, helyum izotopuna dönüşür. Sonuç olarak kararsız atom çekirdekleri kararlı hale geçerken ışıma yapar ve enerjileri azalır
Bu ışımalardan alfa parçacığı He+2 dir. Beta parçacığı da bir elektrondur (e-1).
Alfa parçacığı α ile beta parçacığı da β– ile gösterilir.
Radyoaktif bozunma sırasında açığa çıkan diğer bir parçacık da pozitrondur. Pozitron + yüklü bir elektrondur (e+) ve β+ şeklinde gösterilir
Radyoaktif bozunma ve değişimler
Bir radyoaktif bozunma sürecinde çekirdeğin atom numarası, kütle numarası ve enerjisi değişebilir.
Beta ışıması (β)
Kararlılık kuşağının üst tarafında bulunan çekirdeklerin (nötron/proton) oranı kararlı kuşaktakinden büyüktür. Bu I. bölgedeki çekirdekler beta ışıması (β–) yapar
Beta bozunması sırasında bir nötron, bir protona ve bir beta parçacığına dönüşür. Kimya dersinden hatırlarsak kimyasal reaksiyonlarda girenler ve çıkanlar (ürünler) arasında kütle, yük vs büyüklüklerde denklikler kurulur. Buradaki örneğimiz için de bakarsak, başlangıçta nötr olan atomun çekirdeğindeki yüksüz bir nötronun (+) yüklü bir protona dönüşmesiyle +1 yük fazlalığı oluşur. Peki bu fazlalılığı hangi (-) yüklü parçacık dengeleyebilir? Tabii ki bir elektron (e–) ! Bu elektron aslında beta bozunmasında açığa çıkan beta (β–) parçacığından başkası değildir. Bu sırada, çekirdekteki fazla enerji(β–) parçacığına yüksek bir kinetik enerji kazandırır. Bu olayı denklem olarak şöyle gösterebiliriz;
Yayımlanan(β–) beta ışının, , enerjisi 0,018 MeV’ tur.
Kararlılık kuşağının alt tarafında bulunan çekirdeklerin (nötron sayısı/proton sayısı) oranı kararlı kuşaktakinden büyüktür. Bu II. bölgedeki çekirdekler pozitron ışıması (β+) yapar ya da bir elektron yakalar.
Pozitron ışıması sırasında bir proton, bir nötrona ve bir pozitrona(β+) dönüşür.(β–)bozunmasında anlattığımız gibi burada da yük ve kütle denkliğine bakacak olursak, başlangıçta nötr olan atomun (+) yüklü protonu nötr olan bir nötrona dönüştüğünden yük (+) 1 azalır. Bu azalışı dengeleyen parçacık (+) yüklü bir elektron olan pozitrondur. bu olayı bir denklem ile gösterebiliriz;
Pozitron ışıması(β+) yapan atomun, atom numarası 1 azalırken kütle numarası değişmez.
Alfa Işıması (α)
Atom numarası 83’ten büyük olan elementler alfa ışıması yaparak kararlı hale gelir.
Alfa ışıması yapan atomun atom numarası 2, kütle numarası 4 azalır.
Alfa parçacığının enerjisi, 3.72 GeV’dur.Görüldüğü gibi bu enerji değeri (β–) parçacığının enerji değerinden çok daha büyüktür.
Örnek: Radyum atomunda (nötron sayısı/proton sayısı) oranı 1 den büyüktür (138/88). Bu nedenle kararsız bir yapıya sahiptir. Daha kararlı bir yapıya kavuşmak için çekirdeğinden 2 protonlu helyum olan bir α parçacığı yayımlayarak parçalanır ve Radon elementi oluşur :
Gama Işıması (γ)
Alfa ve beta ışıması yaparak bozunan bir atomun çekirdeğindeki nükleonlar (nükleon, proton ve nötron için kullanılan ortak bir isimdir), çekirdeğin önceki halinden daha enerjiktir. Bu uyarılmış durumdaki çekirdek, kararlı hale geçerken elektromanyetik bir ışıma yaparak enerji verir. Bu ışıma gama (γ) ışımasıdır.
Gama ışıması yapan çekirdeğin atom ve kütle numarası değişmez.
Gama ışınlarının dalga boyu çok küçük, frekansı çok büyüktür.
Gama ışıması sonucunda çekirdek farklı bir çekirdeğe dönüşmez.
atomunun çekirdeği sahip olduğu yüksek enerji nedeniyle kararsız yapıdadır. Fazla enerjisini gama ışımaları yayarak atar ve kararlı hale gelmeye çalışır.
Bir element bir nötronla birleştiğinde o elementin daha ağır bir izotopu meydana gelir. Bu olay sırasında, enerjisi artan element bir gama (γ) ışıması yapar.
Radyoaktif olmayan bir çekirdek nötron, proton veya alfa parçacığıyla bombardıman edilmesiyle aynı elementin farklı izotopları veya farklı bir element elde edilebilir. Bu olaya yapay çekirdek tepkimesi denir.
Büyük kütleli bir atom nötron ile bombardıman edildiğinde kararsız hale gelir. Kararsız haldeki bu çekirdek parçalanarak daha küçük kütleli atom çekirdeklerine ve yüksek enerjili nötronlara ayrışır. Bu sırada ortama yüksek enerjili elektromanyetik ışıma salınır.
Uranyum izotopu, nötron ile bombardıman edilmesi sonucu aşağıda verilen reaksiyon oluşur.
Atom bombası meydana gelen zincirleme fisyon reaksiyonları sonucu oluşur.
Fisyon reaksiyonları kontrollü olarak nükleer reaktörlerde yapılabilir.Elde edilen enerji ile yüksek basınçlı su buharı elde edilir. Su buharının türbinleri döndürmesi sonucu elektrik enerjisi elde edilir. Bu amaçla Nükleer Santraller kurulur. Nükleer Santrallerde başlangıç yakıtı olarak uranyum kullanılır.
Nükleer santrallerde,fisyon tepkimeleriyle elde edilen radyoizotoplar Tıp başta olmak üzere birçok alanda kullanılır.
Göreceli olarak kararlılığı düşük olan iki hafif çekirdek (atom numarası 26’dan düşük), kaynaşarak daha kararlı olan büyük kütleli bir çekirdek meydana getirebilir. Bu olaya füzyon denir. Füzyon reaksiyonları çok yüksek cıcaklıklarda gerçekleşir. Bu yüzden termonükleer reaksiyon olarak da adlandırılır. Fisyona göre çok daha fazla enerji açığa çıkarır.
Güneş’de ve yıldızlarda açığa çıkan enerjinin büyük kısmı füzyon reaksiyonlarından açığa çıkar
Radyasyonun Canlılar Üzerindeki Etkileri (1)
Radyasyon uzayda yayılan enerji olup, insanoğlunun yaşadığı çevrenin bir parçasıdır. Güneşten dünyaya gelen ışık ve ısı örnek olarak verilebilir. X-ışını ve gama da radyasyonun türleridir ve canlı dokulara zarar verebilir. Yaşamımız için güneş enerjisine ihtiyacımız olmasına karşın aşırı radyasyon alma durumunda güneş ışınları cilt yanığına ve bazı durumlarda da deri kanserine neden olabilir.
Endüstriyel alanda tahribatsız kontrol ve otomatik süreç kontrolü amacı ile yine radyoaktif maddeler yaygın bir şekilde kullanılır.
İyonlaştırıcı radyasyonun tıbbi alanda hastalıkların teşhis ve tedavisi amacı ile kullanılmasından faydalanırken olası zararlarından da korunmamız gerekir. Bazı kişilerin tekrar tekrar radyasyona maruz kalmaları gerekebilir. Böyle durumlarda ışınlama zamanının azaltılması ile alınan radyasyon doz miktarı ve radyasyon nedeni ile hastalık riski minimum düzeyde tutulur.