RADYASYONUN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ RADYASYONUN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ İlkay TÜRK ÇAKIR TAEK Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi

İÇERİK İÇERİK Radyasyon ve Radyoaktivite Nedir? Radyasyon Çeşitleri Nedir? Bazı Genel Bilgiler Alfa Beta Ağır ve Yüklü Parçacıkların etkileşimi Bethe Formülü Elektronların madde ile etkileşmeleri Bremssstrahlung Cherenkov Işıması Fotonlar Nötronlar

RADYASYON NEDİR? RADYASYON NEDİR? Çekirdeğin kararlı durumdan kararsız duruma geçerken enerjisini ışınım salarak vermesidir. Radyasyon (veya ışınım), elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır.

RADYOAKTİVİTE NEDİR? RADYOAKTİVİTE NEDİR? Doğada mevcut elementlerin atomlarının bir kısmı kararlı diğer bir kısmı ise kararsız çekirdeklere sahiptirler. Daha ağır çekirdekler sahip oldukları fazla enerjiden dolayı kararsızdırlar. Böyle çekirdeklere radyoaktif çekirdek veya radyoizotop adı verilir. Bunlar fazla enerjilerinden kurtulmaya ve kararlı duruma geçmeye çalışırlar. Bu olaya radyoaktivite veya radyoaktif parçalanma denir. - doğal radyoaktivite - yapay radyoaktivite

Radyasyon, “iyonlaştırıcı” ve “iyonlaştırıcı olmayan” radyasyon olmak üzere ikiye ayrılır. İyonlaştırıcı radyasyon, çarptığı maddede yüklü parçacıklar (iyonlar) oluşturabilen radyasyon demektir. İyon meydana gelmesi yani iyonizasyon olayı herhangi bir maddede meydana gelebileceği gibi insanlar dahil tüm canlılarda da oluşabilir. RADYASYON ÇEŞİTLERİ-I  İyonlaştırıcı radyasyon ( Atomlardan elektron sökebilen) * X-ışınları (Röntgen Işınları) * Gama (  ) ışınları * Alfa (  ) Parçacıkları * Beta (  ) Parçacıkları * Nötron Parçacıkları  İyonlaştırmayan radyasyon ( Atomlardan elektron sökemez) * Radyo Dalgaları * Mikro Dalgaları * Kızıl ve Mor Ötesi ışıklar * Görünür Işık

RADYASYONUN GİRİCİLİĞİ

Radyasyon yayımlandıktan sonra yolu üzerinde içinden geçtiği madde ile etkileşir. Bu etkileşimlere ve sonuçlarına bakarak çekirdeğin içinde gerçekleşen değişim hakkında bilgi edinebiliriz. Radyasyon etkileşimleri sonucunda biyolojik, kimyasal ve fiziksel değişimler de meydana gelir. Nötronlar dışındaki diğer radyasyon türleri genellikle atomun bağlı/yörünge elektronlarıyla etkileşir. Radyasyonun etkileştiği elektronun saçılıp atomu terketmesiyle, ortamda bir iyon çifti meydana gelir. Tek bir nükleer radyasyon parçacığının etkileşimi binlerce iyon çifti oluşturabilir. Bu yüzden çekirdek kökenli radyasyona iyonize radyasyon adı verilir.

Nükleer radyasyon dört gruba ayrılabilir. Radyasyonun elektrondan nasıl saçılacağını parçacığın yükü ve kütlesi belirler.  Ağır bir parçacık, çarpıştığı kendinden çok hafif elektrona çok az enerji aktarabilir.  Elektron-elektron saçılmalarında enerji paylaşımı daha belirgindir.  Bir foton etkileştiği bağlı elektrondan saçılabileceği gibi, elektron tarafından soğurulabilir.  Nötronlar, elektronlarla manyetik momentleri üzerinden ancak çok zayıf şekilde etkileşebilir. Baskın etkileşim atomun çekirdeği ile olur.

Genel kural olarak; Tüm radyasyon etkileşimleri elektron açığa çıkarsa --> İyonlaşma Ağır ve yüklü parçacıklar ile geri tepen atomlar bağlı elektronları saçar. Elektronlar madde ile etkileştiklerinde hareketli ve yüklü parçacıklar oluştururlar. Nötronlar madde ile etkileştiklerinde geri tepen çekirdekler oluştururlar. Fotonlar madde ile etkileştiklerinde hareketli elektronlar oluştururlar

Çekirdeğin kararsızlığı hem proton hem de nötron fazlalığından ileri geliyorsa, çekirdek iki proton ve iki nötrondan oluşan bir alfa parçacığı yayımlayarak bozunur. Böylece bozunan çekirdeğin atom numarası 2, kütle sayısı ise 4 azalır. Rutherford alfa parçacığının gerçekte He çekirdeği olduğunu göstermiştir. Bu bozunumda proton ve nötron sayıları ayrı ayrı korunur. Ayrıca toplam enerji de korunmalıdır. ALFA PARÇACIKLARI

β− bozunumu: Eğer bir radyonüklidin kararsızlığı çekirdekteki nötron fazlalığından ileri geliyorsa, çekirdeğindeki enerji fazlalığını gidermek için nötronlardan birini proton ve elektron haline dönüştürür. Proton çekirdekte kalırken, elektron hızla atomdan dışarı atılır. β+ bozunumu: Atomun kararsızlığı nötron azlığından veya proton fazlalığından ileri geliyorsa protonlardan biri nötron ve pozitif yüklü elektrona (pozitrona) dönüşür.

e- yakalama olayı: Çekirdek proton fazlalığından dolayı kararsız ise atomun çekirdeğe yakın (K,L) yörüngelerine yakın elektronlarından biri çekirdek tarafından yakalanır. Elektronla bir proton birleşerek nötron ve nötrino haline dönüşür. Bu bozunumda çekirdekten parçacık salınmaz ancak pozitron bozunmasında olduğu gibi proton sayısı bir eksilir. Kütle numarası ise aynı kalır. Bu olayda boşalan elektron yörüngesine üst yörüngelerdeki başka bir elektron geçer ve bremmstrahlung (frenleme) radyasyonu adı verilen x-ışınları yayınlanır.

Bir malzeme içinden geçen yüklü parçacıkların enerji kaybetme hızına malzemenin durdurma gücü denir. İki bileşenden oluşur:  Elektronik durdurma gücü, yüklü parçacığın malzemedeki atomik elektronlarla etkileşmesinden kaynaklanır.  Nükleer durdurma gücü, yüklü parçacığın atomun çekirdeği ile etkileşiminden kaynaklanır. Eksi işareti, yüklü parçacığın kinetik enerjisini kaybedeceğini anlatır. Yüklü parçacıklar ile nükleer reaksiyonlar çok nadiren gerçekleşse de, nükleer durdurma gücü hiçbir zaman sıfır olmaz, ancak ihmal edilebilir. Herhangi bir yüklü parçacık için bir ortamın durdurma gücü,  İyonun kütlesi, yükü ve hızına  Malzemenin atom numarası ve yoğunluğunun fonksiyonudur.

ELEKTROMANYETİK ETKİLEŞİM  Yüklü bir parçacığı maddenin içinden geçirelim: Elektronlarla etkileşimler - atomların uyarılması ve iyonlaşması, çoklu saçılma, Bremsstrahlung (ve diğer EM radyasyonu), Çerenkov ışıması, geçiş ışıması. 16 Z 2 electrons, q=-e 0

YÜKLÜ PARÇACIKLARIN ETKİLEŞİMİ Madde içinde ilerleyen iyonize radyasyonun, etkileştiği elektronlardan saçılır ve iyonun aldığı yol, saçılmalar arasındaki düz doğru parçalarının birleşimi olarak düşünebilir. Elastik bir saçılmada doğrusal momentum ve enerji korunacağından, yüklü parçacığın madde içinde izleyeceği yolun özelliklerinin belirlenmesinde parçacığın kütlesi belirleyicidir. İyonun alacağı yol, taşıdığı yüke ve kütlesine bağlıdır. İyon, menzilinin sonuna doğru daha hızlı enerji kaybeder.

BETHE FORMÜLÜ  Bethe formülü: Birim mesafedeki ortalama enerji kaybı / yoğunluk.

BETHE FORMÜLÜ 19 ×2 kuvantum mekaniği elektronun spini “density effect” - maddenin polarize olması. βγ ≈ 3-4 : minimum iyonlaşma. Fermi platosu kinematik terim: ∝ β −2 H 2 için Z/A=1 Durdurma gücü Bethe fonksiyonu ile verilir: n: elektron yoğunluğu z: iyonun elektrik yükü β: bağış hız mec2: elektronun durgun kütle enerjisi I: iyonizasyon potansiyeli

20

 İyonun yolu boyunca gördüğü enerji kaybının integrali alınarak elde edilebilir.  Menzil: Ağır ve yüklü bir parçacığın bir malzeme içerisinde kaydedeceği mesafeye «menzil» adı verilir.  İyonların madde içerisinde ilerlerken düz bir yol izledikleri varsayarak, herhangi bir kinetik enerji için menzil

ELEKTRONLAR Yüksek enerjili elektronların madde içinde geçişleri yüklü parçacıklarınkine benzer. Coulomb etkileşmesi önemli bir rol oynar. Ancak 3 önemli fark gözlenebilir: 1- Gelen elektronlar genellikle rölativistiktir. 2- Saçılma, özdeş parçacıklar arasında gerçekleşir ve genellikle itici karakterdedir. 3- Çekirdek ile etkileşim ise çekicidir ve gelen elektronun doğrultusu belirgin şekilde değişebilir, hatta ağır bir çekirdekle çarptığında geri de dönebilir. Ayrıca elektronun kinetik enerjisinin bir kısmını Bremsstrahlung (frenleme) ışıması yoluyla kaybeder. Bu ışıma yüklü bir parçacık ivmelendiğinde elektromanyetik radyasyon (x-ışınları) yayımlanması olarak bilinir. Burada elektronik durdurma gücü yüklü parçacıkların yörünge elektronları ile etkileşmesine benzer. Radyoaktif (yayıcı) durdurma gücü ise sadece elektron radyasyonuna özgüdür.

Elektron radyasyonu için elektronik durdurma gücü:

Elektronların ve pozitronların madde içerisindeki etkileşmeleri hemen hemen aynıdır. Beta parçacıklarının madde ile etkileşmesi, iyonlaşma ve uyarılmanın yanı sıra ortamdaki çekirdeğin elektrik alanından kaynaklıdır. Enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar. Çekirdeğin elektriksel çekimi yüzünden izlediği düz yolda sapma meydana getirir. Beta parçacıkları enerjilerinin büyük bir kısmını ortamın yörünge elektronları ile çarpışmada yada saçılmalarda kaybedecektir. Parçacığın izlediği yörünge zikzaklı olacaktır. Betaların malzeme içindeki aldıkları yolları da daha uzun olacaktır. Bu nedenle elektron radyasyonu için sabit bir menzil tanımlamak zordur.

BREMSSTRAHLUNG Bremsstrahlung (frenlenme ışıması): İvmelendirilen herhangi bir yüklü parçacığın yaptığı ışıma. Parçacık hedefin atomlarının çekirdekleri tarafından saptırılıyor. Saptırılma sırasında EM ışıma yapıyor. Klasik olarak, Maxwell denklemleri ile belli bir momentum transferi sırasında yapılacak EM ışımanın enerjisini hesaplayabiliriz. Bremsstrahlung gelen parçacığın kütlesinin karesiyle ters orantılı. => Özellikle elektronlar ve muonlar için önemli. Kritik enerji (E C )≡Bir parçacığın madde içinde hareket ederken iyonizasyon ve Bremsstrahlung sebebiyle olan enerji kayıplarının eşit olduğu durumdaki enerjisi. Elektronlar: E C ≃ 800MeV/(Z+1.2) Muonlar: E μC ≃ 5700GeV/(Z+1.47)

FOTONLAR -I Düşük enerjilerde fotonlar için en büyük enerji kaybı fotoelektrik etki ile. Foton enerjisi MeV seviyesinde ise, özellikle hafif çekirdekli hedeflerde Compton saçılması da önemli rol oynar. 27 Enerji yükseldikçe çekirdeğin alanı sebebiyle olan elektron-pozitron çift oluşması en önemli etki olur. Yüksek enerjili foton ve elektronlar, çift oluşması ve Bremsstrahlung sayesinde EM çağlayanlar oluşturur.

FOTONLAR-II Fotonlar madde içerisinde ilerlerken uzun menzilli etkileşmezler ve sadece yerel veya kesikli etkileşmeler geçirirler. Yani Coulomb veya nükleer kuvvete maruz kalmazlar. Dolayısıyla bir foton demeti herhangi bir malzeme içerisinde ilerlerken etkileşim geçiren fotonlar demetten ayrıldıkça demetin şiddeti de azalır. Düşük enerjili fotonlar sadece bir kez etkileşir ve tek bir birincil elektron oluşturur. Enerjili fotonlar ise birkaç kez etkileşebileceğinden enerjileri tükenene kadar birkaç birincil elektron oluşturabilecektir. Yüksek enerjili fotonlar ise madde-antimadde çifti oluşturabilecek ve böylece ikincil elektronlar oluşturacaktır. Demette kalan yani madde içinde etkileşmeye uğramayan fotonların enerjileri sabit kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır. Bir foton demetindeki elektromanyetik ışımanın madde içindeki zayıflaması Beer- Lambert yasası ile ifade edilir. Burada I0 ve I(x) sırasıyla malzeme üzerine gelen ve x kalınlığındaki malzemeden geçen demet şiddetini temsil eder.

29 Yüklü parçacıkların madde içinde birbirini izleyen çarpışmalarla enerjilerini kaybetmelerine karşın gama ışınları geçtikleri ortamla doğrudan doğruya etkileşme yapmazlar. Yüksüz oldukları için madde tarafından çekilip itilmezler, sadece çarpışmalar yaparlar. ***Madde içinde gama ışınları başlıca üç yolla soğurulurlar.  Fotoelektrik olay  Compton oluşumu  Çift oluşum

FOTOELEKTRİK OLAY Düşük enerjili bir foton genellikle içinden geçtiği ortamdaki atomların yörüngesindeki bir elektrona bütün enerjisini vererek onu pozitif yüklü çekirdeğin bağlayıcı kuvvetinden kurtarır. Dışarıya fırlatılan bu elektrona fotoelektron denir. Bu olay sonucunda oluşan elektron boşluğu dış yörüngedeki başka bir elektron tarafından doldurulur ve bu sırada x ışını yayımlanır. 0,5 MeV’den daha küçük enerjili fotonların ağır elementler tarafından soğurulmasında bu olay oldukça önemlidir. 30 Einstein, 1921 yılında fotoelektrik etkiyi açıklamak üzere yaptığı çalışma ile Nobel ödülü almıştır

COMPTON OLAYI Atoma gevşek olarak bağlanmış bir dış yörünge elektronu enerjisi kendisine kıyasla çok daha büyük olan bir fotonla çarpışması sonucunda meydana gelen olaya Compton Saçılması denir. Foton, enerjisinin bir kısmını elektrona aktarıp saçılıma uğrayarak yoluna devam eder. Foton ile elektron arasında oluşan açı fotonun enerjisine bağlıdır. Yüksek enerjili fotonlar enerjileri belirli bir seviyeye düşene kadar Compton saçılımına uğrarlar bu andan sonra da fotoelektrik olayla absorblanırlar. 31

ÇİFT OLUŞUM Eğer, fotonun enerjisi yeteri kadar büyük ise ve atom çekirdeğinin çok yakınından geçerse, kütlesi olmayan fotonun enerjisinden çekirdek yakınında aynı anda biri negatif yüklü elektron diğeri pozitif yüklü pozitron olmak üzere iki parçacık yaratılır. Böylece elektromanyetik bir dalgadan madde oluşur. 32

Fotoelektrik olay Compton saçılması Çift oluşumu e-e- e+e+ foton θ Gelen foton Geri tepen elektron Saçılan foton e-e- e-e-

NÖTRONLAR-I Nötronlar yüksüz parçacıklar olduklarından çekirdek ile nükleer kuvvetler ile etkileşirler. Çekirdeğe yaklaştıklarında yüklü parçacıklarda olduğu gibi Coulomb engelini yenmek zorunda değildirler. Çekirdek ile etkileşebilmeleri için çekirdeğe en az cm kadar yaklaşmalılardır. Nötronları algılamak için yüklü parçacıklar üretilmek zorundadır. Bu sebeple, nötronları bir çok protonu olan malzeme ile yavaşlatmak faydalı olacaktır. Çünkü enerjinin büyük bir kısmı çarpışma ile benzer kütleli parçacığa aktarılır. 34

35 NÖTRONLAR-II Nötronlar, sadece atomun çekirdekleri kuvvet yoluyla etkileştiklerinden madde içinde oldukça giricidirler. Elektronlar ile etkileşimleri oldukça zayıftır, bu durun çok daha küçük olduğu için, hızlı bir nötronun çekirdek ile etkileşmesi olasılığı çok çok küçüktür. Çekirdek, atomdan çok daha küçük olduğu için, hızlı bir nötronun çekirdek ile çarpışma olasılığı çok düşüktür. Madde içerisinde ilerleyen bir nötron bir çekirdekle karşılaşıp nükleer bir reaksiyon gerçekleştirene kadar, sabit enerjiyle düz bir çizgi halinde yoluna devam edecektir. Ayrıca nötron etkileşimleri çekirdek ve nükleer dönüşümle gerçekleşebileceğinden, etkileşim önemli radyasyon hasarı oluşur.

36 NÖTRONLAR-III Nötronlar, sadece atomun çekirdekleri kuvvet yoluyla etkileştiklerinden madde içinde oldukça giricidirler. Elektronlar ile etkileşimleri oldukça zayıftır, bu durum taşıdıkları ve manyetik dipol momentumlarından kaynaklanır. Ayrıca nötron etkileşimleri çekirdek ve nükleer dönüşümler gerçekleşebileceğinden, etkileşim önemli radyasyon hasarı oluşur. Madde içerisinde ilerleyen bir nötron, bir çekirdekle karşılaşıp nükleer bir reaksiyon gerçekleştirene kadar, sabit enerjiyle Bu yüzden nötron zayıflaması da üstel bir bağımlılık içerir. Malzeme içerisinde birden fazla izotop varsa (iki izotopu olan gümüş) veya bir bileşik söz konusu ise malzeme için tesir kesiti aşağıdaki formül ile verilir. Burada f’ler her bir izotopun malzeme içinde ağırlık yüzdesidir.

Nötronlar enerjilerine bağlı olarak madde içinde farklı reaksiyonlara yol açarlar. 1. Elastik saçılma, A(n,n)A: Nötronlar için temel etkileşimdir, nötron ile çekirdek arasında kinetik enerji aktarımı şeklinde gerçekleşir. 2. İnelastik saçılma, A(n,n’)A*: Yeterince enerji taşıyan bir nötron (1 MeV civarı) A çekirdeği ile çarpıştığında onu uyararak A* durumuna geçirir. 3. Radyatif yakalama, A(n,γ)A+1: Gelen nötron çekirdekte tutulur ve açığa gama çıkar. Düşük enerjili nötronlar için önemlidir. 4. Fisyon, A(n,f): Her nötron enerjisinde mümkündür, ancak ısıl enerjilerde (0.025 eV) daha olası bir reaksiyondur. Gelen nötron çekirdekte tutulduğunda nötronun bağlanma enerjisi çekirdeğin fisyon engel yüksekliğini aşıyorsa fisyon gerçekleşir.

KAYNAKLAR radyasyonunmaddeileetkilesimi.pdf radyasyonunmaddeileetkilesimi.pdf e.pdf e.pdf 38

SON !!!