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
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.
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.
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
AZX + 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
t1/2 = 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.
5 Ağustos 2019
GERİ
(yasalar)
GERİ
(astrofizik)
GERİ
(radyasyon)
