Radyoaktif Bozunma Yasası (law ofradioactive decay)

Rayoaktif bozunma (dekay) işleminde, radyoaktif izotopların parçalanması sonucu enerjili tanecikler ve elektromagnetik ışın oluşur. İşlemde çekirdek değişime uğrar. Radyokimyasal çalışmalarda karşılaşılan radyasyon ve tanecik tipleri Tabloda verilmiştir.

Radyoaktif Bozunma Ürünlerinin özellikleri

Tanecik	Sembol	Yük	Küt. no.	Tanecik	Sembol	Yük	Küt. no.
Alfa	a	+2	4	Gama	g	0	0
Elektron	b-	-1	1/1840	X-ışını	X	0	0
Pozitron	b+	+1	1/1840	Nötron	n	0	1
Nötrino	n	0	0

Alfa (a) Tanecikleri

Alfa tanecikleri atom numaraları yüksek izotopların parçalanmasıyla çıkar. Alfa taneciği bir He çekirdeğidir ve +2 değerliklidir.

Bir bozunma işleminden çıkan alfa tanecikleri ya mono enerjili veya çok az sayıda farklı enerjili taneciklerdir. a tanecikleri, örneğin, bir ²²⁸Th çekirdeğinin bir ²²⁴Ra çekirdeğine, ²²⁶Ra çekirdeğinin ²²²Rn çekirdeğine, bir ²¹⁰Po çekirdeğinin ²⁰⁶Pb çekirdeğine dönüşmesiyle çıkar.

²²⁸₉₀Th ¾® ²²⁴₈₈Ra + ⁴₂He

²²⁶₈₈Ra ¾® ²²²Rn + ⁴₂He

(a) ²²⁸₉₀Th çekirdeğinin, (b) ²²⁶₈₈Ra çekirdeğinin, ve (c)  ²¹⁰₈₄Po çekirdeğin bozunma şemaları

Maddeden geçerken çarpışmalar nedeniyle sürekli olarak enerjilerini kaybederler ve sonunda çevresinden iki elektron yakalayarak helyum atomlarına dönüşürler. Alfa taneciklerinin kütlesinin ve yükünün büyük olması içinden geçtiği maddeden iyon çifteri oluşturmasını kolaylaştırır; bu özellik alfa taneciklerinin saptanmasını ve ölçülmesini kolaylaştırır.

Kütle ve yükünün büyük olması taneciklerin maddeye giriciliğini zorlaştırır. Alfa çıkaran bir izotopun tanımlanması, taneciklerinin özel bir ortama (hava gibi) gönderilerek iyon çiftleri oluşturduğu mesafenin (veya aralığının) ölçülmesiyle yapılır. Alfa tanecikleriyle, giriciliği zayıf olduğundan, yapay izotoplar elde edilemez.

Beta (b) Tanecikleri

Beta tanecikleri, çekirdekteki bir nötronun bir protona, veya bir protonun bir nötrona aniden dönüşmesiyle oluşan taneciklerdir. Birinci durumda çıkan beta taneciği bir elektron (veya negatron), ikinci durumda ise bir pozitif elektron (veya pozitron) dur.

Beta ışınları veren bu iki dönüşüm reaksiyonu ¹⁴₆C ve ⁶⁵₃₀Zn için aşağıdaki şekilde gösterilir. (Buradaki n, bir nötrino taneciğidir.)

¹⁴₆C ¾® 14 7 N + e^- + n

⁶⁵₃₀Zn ¾® ⁶⁵₂₉Cu + e⁺ + n

Üçüncü bir işlem negatronların oluştuğu elektron yakalama işlemidir; bunda içteki bir elektron (çoğunlukla bir K elektronu) çekirdek tarafından yakalanarak, atom numarası orijinal izotoptan 1 küçük olan uyarılmış bir iyon meydana gelir. Uyarılmış iyonun relaksasyonu ile Auger elektronları şeklinde negatif elektronlar çıkar.

(a) ⁶⁰₂₇Co çekirdeğinin, ¹⁹⁸Au çekirdeğinin, ve (c) ¹³⁷₅₅Cs çekirdeğinin bozunma şemaları

Alfa emisyonunun (yayılım) tersine beta bozunmasında sıfırdan başlayarak her bozunma işlemine özgü maksimum değerlere ulaşan enerji aralığında tanecikler bulunur. Beta taneciği, maddede iyon çiftleri oluşturmak bakımından, alfa taneciği kadar etkin değildir, çünkü kütlesi çok küçük (bir alfa tanesinin 1/7000 katı), maddeye giriciliği oldukça yüksektir. Beta ışınlarının havadaki ilerleme aralığını belirlemek zordur, çünkü saçılma olasılığı fazladır. Beta enerjiler aluminyum gibi bir absorblayıcı madde ile tutulurlar; burada maddenin kalınlığı önemlidir. Bu kalınlık mg/cm² cinsinden belirtilir ve beta ışınlarının tutulma "aralığını" gösterir.

Gama (g) Işını Emisyonu

Alfa ve beta emisyonlarının çoğunda geride uyarılmış bir çekirdek kalır, bu da g ışınları çıkararak bir veya daha fazla kuvantize halde geçerek temel hale döner. Gama ışınları çok yüksek enerjili elektromagnetik ışınlardır. Her çekirdeğin gama ışını spektrumu kendine özgüdür ve radyoizotopların tanımlanmasında kullanılır.

Gama ışınının giriciliği çok yüksektir. Madde ile etkileşen gama ışınları enerjilerini üç mekanizmaya göre kaybederler. Düşük enerjili gama ışınında fotoelektrik etki gözlenir; bu etki, atom ağırlığı büyük bir hedef atomdan tek bir elektronun çıkmasında meydana gelir. Nispeten yüksek enerjili gama ışınlarının bulunduğu durumda, bir gama fotonu ve bir elektronun elastik çarpışması sonucu "Compton etkisi" ile karşılaşılır. Elektron foton enerjisinin sadece bir kısmını alır ve fotonun hareket yönüne göre uygun bir açı ile geri çekilir. Enerjisi azalmış olan fotonun aynı tip elastik çarpışmalarla enerjisi azalmaya devam eder; sonunda, ortamdaki maddelerden birinden fotoelektrik elektron çıkarılır.

Gama fotonunun enerjisinin yeteri derecede yüksek (en az 1.02 MeV) olması halinde, "çift üretimi" etkisi meydana gelir. Burada foton, bir çekirdeğin etrafını saran alan içinde, bir pozitron ve bir elektrona dönüşür.

X-Işını Emisyonu

X-ışını fotonlarının emisyonuyla "elektron yakalama" ve "iç dönüşüm" denilen iki çekirdek olayı meydana gelir. Elektron yakalama işleminde uyarılmış bir iyon oluşur ve bu iyon ya X-ışınları veya Auger elektronları çıkararak normal haline döner. Bunlardan hangisinin gerçekleşeceği uyarılmış taneciğin atom ağırlığına bağlıdır.

İç dönüşümde bir bozunma reaksiyonundan oluşan uyarılmış bir çekirdek, çekirdeğe yakın orbitallerin birinden bir elektron atarak uyarılma enerjisini kaybeder. Böylece boş bir K, L veya M seviyesi oluşur ki burası sonra daha yüksek bir enerji seviyesinden gelen bir elektronla doldurulur. Bu geçişle element X-ışını fotonu çıkarır.

Gama ışınları ve X-ışınları sadece kaynaklarının farklı oluşuyla birbirinden ayrılır. Gama ışınları çekirdek reaksiyonlarıyla oluşur, X-ışınlarının kaynağı ise çekirdeğin dışındaki elektronik geçişlerdir.

Nötronlar

Nötron(n), kütlesi 1, yükü 0 olan, ve bir hedef çekirdeği saran elektrostatik yük engelinden etkilenmeyen fevkalade bir bombardıman taneciğidir. Böyle engelleri aşmak için yüksek kinetik enerjiye gereksinimi olan yüklü taneciklerin tersine, yavaş (veya ısıl) nötronlar yüksek-enerjili nötronlardan daha etkilidir. Bu nedenle kaynaktan (bu bir nükleer reaktördür) çıkarılan nötronlar, atom ağırlığı düşük yavaşlatıcı bir maddeye gönderilerek, çarpışmalarla, kinetik enerjisi düşürülür; böylece enerjisi ortalama bir değere indirilen düşük enerjili nötron akımı elde edilir.

Nötron aktivasyon işlemi

Çeşitli nükleer geçişleri gösteren şematik bir diyagram

Nötronların madde ile etkileşimi birkaç şekilde olabilir. Çıkan ürün (veya ürünler) bombardıman yapan nötronların enerjisine bağlıdır. Kararlı bir izotopun ısıl nötronlarla bombardımanı sonunda, atom numarası hedef elementten bir birim daha fazla olan çok fazla uyarılmış bir izotop meydana gelir. Bu izotop hızla (~10-12 saniye içinde) bir gamma ışını (g) fotonu yayarak kararlı duruma geçer. İşlem aşağıdaki sırayı izler.

                                     10^-12 s

^A_ZX + ¹₀n ¾® [^(A+1)_ZX]* ¾¾¾® ^(A+1)_ZX + g

                   uyarılmış hal            temel hal

Buradaki üs, atom numarası Z olan X elementini gösterir. Hızlı nötronların madde ile etkileşimi daha farklı bir mekanizmaya göre ilerler.

Bozunma (Decay) Kanunu

Radyoaktif bozunma tamamıyla rasgele bir işlemdir. Benzer çekirdekler için aşağıdaki denklem yazılabilir.

- dN

 ¾¾ = l N

   dt

N örnekteki radyoaktif çekirdeklerin t zamanındaki sayısı, l bir radyoizotopun kendine özgü olan "bozunma (decay) sabiti" dir. Bu eşitliğin yeniden düzenlenip  t = 0 ve t = t  aralığında inteğre edilmesiyle aşağıdaki denklem çıkarılır ( t'nin 0 ve t arasında değişmesiyle örnekteki çekirdeklerin sayısı N₀ 'dan N 'ye düşer).

      N

ln ¾¾ = - l t

      N₀

Bir radyoaktif izotopun "yarı-ömrü" atomların sayısının orijinal sayısının yarısına düşmesi için gerekli zaman olarak tarif edilir; yani, N = N₀/2 olur. Yukarıdaki denklemde de bu değerin yerine konulur:

         0.693

t_1/2 = ¾¾¾

            l

Sayım Hataları

Bozunma olayının rasgele olması herhangi bir zaman aralığı içinde meydana gelen parçalanma sayısının bilinmesini engeller. Yine de, yeteri kadar uzun periyotlar içinde yapılan sayımlarla, önceden belirlenen hassasiyet limitleri içinde tekrarlanabilir sonuçlar alınabilir. Önemli bir nokta sayım periyodunun radyoaktif atomların sayısının değişmeden kalması için yarı-ömre göre daha kısa olmasıdır. Bir başka önemli konu da dedektörün sadece tek bir izotopun bozunmasını algılaması ve sayım geometrisinin değişmemesidir; böylece dedektör meydana gelen bozunmanın sabit bir kesrini algılar.

Şekilde, ayni örnek üzerinde ayni koşullarda 1000 kez tekrarlanan sayımlar alındığında elde edilmesi beklenen geçek ortalamadan sapma eğrileri çizilmiştir.

A eğrisi, belirlenmiş bir süre içinde gerçek ortalama sayımı r nin 5 olması beklenen bir maddenin sayım dağılımını gösterir. B eğrisi için geçek ortalama sayım 15 ve C eğrisi için de 35’tir. Eğrilerin görünümünden anlaşıldığı gibi r'nin büyümesiyle "mutlak" sapma artmakta, fakat "izafi (relatif)" sapma azalmaktadır. Sayım sayısı en az olduğunda (r = 5) ortalamadan sapma dağılım eğrisinin simetrikliği de bozulur; simetrideki bu bozulmanın nedeni, sayım sayısının ortalamayı 2'den daha büyük bir faktör kadar aşabilme olasılığı bulunduğu halde negatif bir sayım almanın mümkün olmamasıdır.

Sayım verilerinin dağılımı

5 Ağustos 2019

GERİ (yasalar)

GERİ (astrofizik)

GERİ (radyasyon)