ATOM ÇEKİRDEĞİNİN YAPISI BÖLÜM 4 ATOM ÇEKİRDEĞİNİN YAPISI

4.1 atom çekirdeği ve kararlılığı Yandaki şekilde proton sayılarının nötron sayılarına karşı grafiği görülmektedir. Karalı izotoplara ait noktalar, kararlılık kuşağı adı verilen dar bir band üzerinde bulunurlar. Düz çizgi, eşit sayıdaki proton ve nötronlara sahip çekirdekleri gösterir. Hafif elementlerde (Z<20) proton ve nötron sayıları hemen hemen aynı iken, ağır elementlerde protondan çok nötron bulunur ve kararlılık kuşağının sonuna doğru nötron/proton sayısı 1,5’a kadar artar. Protonların sayısı artarsa, aralarındaki itmeyi yenmek için daha fazla nötron bulunur.

Kararlılk kuşağı dışındaki çekirdekler kararsızdırlar ve daha kararlı nötron/proton (n/p) oranına erişmek için radyoaktif dönüşümlere uğrarlar. Bazı elementlerin radyoaktif dönüşümlere uğramasının temel sebebi budur. Örneğin, bir çekirdek kararlılık kuşağı üzerinde ise kararlılığa erişmek için nötron/proton oranını azaltmalı (nötron sayısını azaltmalı veya proton sayısını arttırmalı), çekirdek kuşağın altında ise nötron/proton oranını arttırmalıdır.

4.2. radyoaktif parçalanma Kararsız çekirdekler bazı değişikliklere uğrayarak daha kararlı çekirdeklere dönüşürler. Radyoaktif parçalanma çekirdeğin; Kararlılk kuşağının altında Kararlılık kuşağının üstünde Kararlılık kuşağının ötesinde Olmak üzere üç farklı şekilde incelenir.

Çekirdek kararlılık kuşağının üstünde ise; n/p oranını azaltmak için (i.) Beta ışıması yaparlar veya (ii.)Nötron fırlatırlar Beta Yayınlanması Beta yayınlaması ile bir nötron, bir protona dönüşür. 0 1 𝑛→ 1 1 𝑝+ −1 0 𝑒 𝛽- parçacığı 𝛽- parçacığı aslında bir elektrondur ve çekirdekte bulunamayacağı için yayınlanır. 𝛽- yayınlanması sonucu çekirdeğin nötron sayısı bir azalırken proton sayısı bir artar. 6 14 𝐶→ 7 14 𝐶 + −1 0 𝑒 12 27 𝑀𝑔→ 13 27 𝐴𝑙+ −1 0 𝑒 Nötron Yayınlanması Çok az rastlanan bir radyoaktif parçalanma yoludur. 2 5 𝐻𝑒→ 2 4 𝐻𝑒 + 0 1 𝑛 Nötron parçacığı

b. Çekirdek kararlılık kuşağının altında ise; n/p oranını azaltmak için (i) Pozitron yayınlaması veya (ii)Elektron yakalaması yapabilirler Pozitron Yayınlaması Pozitron yayınlaması ile pozitron veya 𝛽+ diye adlandırılan bir pozitif elektron fırlatılır. Pozitronun kütlesi, elektronun kütlesi kadardır fakat artı yüklüdür ve +1 0 𝑒 ile gösterilir. Pozitron, bir protonun nötrona dönüşmesi ile oluşur. 1 1 𝑝→ 0 1 𝑛+ +1 0 𝑒 pozitron Pozitron yayınlanması sonucu çekirdeğin proton sayısı bir azalarak nötron sayısı bir artar. Ancak Kütle numarasında bir değişiklik olmaz. 6 11 𝐶→ 5 11 𝐵+ +1 0 𝑒 12 23 𝑀𝑔→ 11 23 𝑁𝑎+ +1 0 𝑒

Elektron Yakalaması Elektron yakalaması ile kararsız çekirdek, çoğunlukla kendi 1s yörüngesinden bir elektron alır ve bu işleme, elektron K tabakasından alındığından K yakalaması da denir. Elektron, çekirdekte protonu nötrona dönüştürür. 1 1 𝑝+ −1 0 𝑒→ 0 1 𝑛 Elektron yakalanması sonucu çekirdeğin proton sayısı bir azalır, nötron sayısı bir artar, kütle numarası değişmez. 4 7 𝐵𝑒+ −1 0 𝑒 K Yakalaması 3 7 𝐿𝑖 19 40 𝐾+ −1 0 𝑒 K Yakalaması 18 40 𝐴𝑟 K yakalaması sonucu 1s yörüngesindeki boşluğu doldurmak üzere daha yüksek enerji düzeyindeki elektronlar bu yörüngeye düşerler ve aradaki enerji farkı, elektromanyetik ışıma (X ışınları) olarak yayılır.

c. Çekirdek kararlılık kuşağının ötesinde ise; n/p oranını azaltmak için (i) Alfa yayınlaması veya (ii) Gamma ışıması yapabilirler Atom numaraları 83’den büyük olan yani kararlılık kuşağının ötesinde bulunan elementler (ağır elementler) şu ana kadar açıklanana yollar ile daha kararlı n/p oranına erişemezler. Bu durumda çekirdeğin hem proton hem de nötron kaybetmesi gerekir ve sonuç olarak 𝜶−parçacıkları yayılır. Alfa Yayınlanması Atom numarası 2 ve atom kütle numarası 4 olan 2 4 𝐻𝑒 çekirdeklerinin fırlatılmasından ibarettir ve her α parçacığı çekirdekten iki nötron ve iki proton uzaklaştırarak çekirdeğin yapısını kararlılık kuşağına yaklaştırır. 𝑍 𝐴 𝑋→ 𝑍−2 𝐴−4 𝑌+ 2 4 𝐻𝑒 92 238 𝑈→ 90 234 𝑇ℎ + 2 4 𝐻𝑒 84 210 𝑃𝑜→ 82 206 𝑃𝑏+ 2 4 𝐻𝑒

Gama Işıması Kısa dalga boylu elektromanyetik ışımadır ve radyoaktif parçalanma sırasındaki enerji değişmelerinde gözlenir. 𝛾 ışıması, elementin atom numarasını ve atom kütle numarasını değiştirmez. Çoğunlukla radyoaktif parçalanma sonucu uyarılmış duruma gelen çekirdekler temel duruma gelebilmek için γ ışıması yaparlar. Temel durum Uyarılmış durum

4.3 radyoaktif parçalanmanın kinetiği Radyoaktif parçalanmanın şiddeti genellikle üç farklı yol ile yapılır. Sintilasyon sayıcısı Fotografik Film Geiger sayıcısı

Yapılan çalışmalar sonunda radyoaktif parçalanmanın kinetiğinin birinci dereceden olduğu tespit edilmiştir. Buna göre ; Parçalanma hızı = k.N olur. N, t anındaki radyoaktif çekirdek sayısı ve k, parçalanma hız sabitidir. Radyoaktif parçalanma için eşitlik ise; Şeklindedir. Burada N0 radyoaktif çekirdeğin başlangıçtaki sayısı ve N ise herhangi bir t anındaki sayısıdır. Radyoaktif parçalanma kinetiğinde önemli bir kavram radyoaktif izotopun miktarının yarısınını parçalanması yani izotopun yarı miktarına inmesi için geçen zamandır. Buna yarılanma süresi denir. İzotopun yarılanma süresi reaksiyon hız sabiti ile ters orantılıdır.

ÖRNEK Bir kimyacı elindeki 10 μg 222Rn izotopunun parçalanarak bir hafta sonra 2,82 μg kaldığını anlamıştır. 222Rn izotopunun parçalanma hız sabiti nedir? Hız sabiti; 𝑙𝑜𝑔 𝑁 0 𝑁 = 𝑘𝑡 2,303 formülü kullanılarak bulunur. Bu soruda N0= 10 μg; N= 2,82 μg ve t= 7 gün olarak alınırsa 𝑙𝑜𝑔 10,0 2,82 = 𝑘.7 2,303 k= 0,181 gün-1 bulunur.

ÖRNEK 222Rn izotopunun hız sabiti 0,181 gün -1 olduğuna göre; a. 222Rn izotopunun yarılanma süresi ne kadardır? b. 15 günde 222Rn izotopunun ne kadarı parçalanmıştır? a. . 222Rn izotopunun yarılanma süresi 𝑡 1/2 = 0,693 𝑘 eşitliğinde k değeri yerine konularak bulunur. 𝑡 1/2 = 0,693 0,181 𝑔ü𝑛 −1 = 3,83 gün b. 222Rn izotopunun ne kadarının parçalandığının bulunabilmesi için önce N0/N kesrinin değerinin bulunması gerekir. 𝑙𝑜𝑔 𝑁 0 𝑁 = 0,181 𝑔ü𝑛 −1 . 15 2,303 𝑙𝑜𝑔 𝑁 0 𝑁 = 15,1 1 15,1 g 222Rn izotopunu 100 ise 1 g 222Rn izotopunun X X= 6,6% izotop 15 günün sonunda parçalanmadan kalmıştır 100-6,6 = 93,4 % izotop ise parçalanmıştır.

Radyoaktif izotopların yarılanma süreleriiki nedenden dolayı önemlidir. a. Yarılanma süresi arttıkça izotopun kararlılığı da artar. b. Kayalar, kemikler, sanat eserleri v.b.’nin yaşının bulunmasında faydalanılır. Bu işlemler radyoaktiflik ile açıklanır. Radyoaktiflik bir radyoaktif kaynaktan birim zamanda yayımlanan ışıma miktarıdır, yani radyoaktif çekirdeğin parçalanma hızıdır. Radyoaktiflik = k.N Radyoaktiflik için SI birimi s-1 (parçalanma s-1 veya çekirdek s-1) dir ve Becquerel (Bq) olarak adlandırılır. Günümüzde Curie (Ci) de kullanılmaktadır ve 1 Ci = 3,7x1010 s-1 dir.

ÖRNEK 100Tc izotopunun yarılanma süresi 16 s-1 dir. Bir 100Tc izotopu örneğinin radyoaktifliği 0,1 μCi ise örneğin kütlesi nedir? 𝑡 1/2 = 0,693 𝑘 ⇒16= 0,693 𝑘 k= 0,0433s-1 Radyoaktiflik birimini s-1 olarak hesaplarsak; 1 Ci 3,7x1010 çekirdek s-1 ise 0,1x10-6 Ci X X = 3,7x103 çekirdek s-1 olarak bulunur. Radyoaktiflik = k.N ise; N = 𝑅𝑎𝑑𝑦𝑜𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓𝑙𝑖𝑘 𝑘 = 3,7𝑥10 3 ç𝑒𝑘𝑖𝑟𝑑𝑒𝑘.𝑠 −1 0,0433 𝑠 −1 = 8,55𝑥10 4 ç𝑒𝑘𝑖𝑟𝑑𝑒𝑘 N, yani t anındaki radyoaktif çekirdek sayısı = 8,55𝑥10 4 ç𝑒𝑘𝑖𝑟𝑑𝑒𝑘 dir. 100Tc izotopunun atom kütlesi 100 g/mol olduğuna göre; 100 g/mol 100Tc izotopunda 6,02x1023 tane çekirdek varsa X 8.55x104 çekirdek X = 1,42x10-19 g Tc bulunur.

4.4. çekirdek dönüşümleri-reaksiyonları İlk çekirdek dönüşüm reaksiyonu E.Rutherford tarafından 1915 yılında gerçekleştirilmiştir. Rutherford 84 214 𝑃𝑜 den oluşan α-parçacıklarını azot içinden geçirerek oksijenin bir izotopunu elde etmiştir. 7 14 𝑁+ 2 4 𝐻𝑒→ 9 18 𝐹 → 8 17 𝑂 + 1 1 𝐻 1933 yılında I. Curie ve F. Joliot α-parçacıkları ile aluminyumu, fosforun bir izotopuna başarıyla dönüştürmüşlerdir. 13 27 𝐴𝑙+ 2 4 𝐻𝑒 → 15 30 𝑃+ 0 1 𝑛

Çekirdek reaksiyonları bazı özelliklerinden dolayı kimyasal reaksiyonlara benzerler. Bunlar; Reaksiyonun yürümesi için enerji alınır veya verilir. Reaksiyonlarda kütle ve enerji korunumu vardır. Reaksiyonların pek çoğunun etkinleşme enerjisi sıfırdır. Aşağıdaki özellikler bakımından da farklılıklar gözlenir. Bunlar; Atom numaraları değişir. Kütle numaraları toplamı değişmemekle beraber toplam madde miktarı ölçülebilecek kadar değişir. Mol başına değil atom başına değişen miktarlar önemlidir. Genellikle izotop karışımlarından oluşan bir elementin değil, özel bir izotopun reaksiyonu göz önüne alınır.

Çekirdek reaksiyonları, diğer reaksiyonlar gibi yazılmakla beraber çoğunlukla kısaltılmış bir gösterim de kullanılır. Hedef çekirdek önce yazılır, sonra parantez içinde önce bombardıman eden parçacık ve virgülle ayrılan parçacık yazılır. En son, ürün çekirdek verilir. 7 14 𝑁 𝛼,𝑝 8 17 𝑂 13 27 𝐴𝑙 𝛼, 𝑛 15 30 𝑃 Bir elementin çekirdeğinin bazı parçacıklar veya çekirdekler ile bombardıman edilerek başka bir elemente dönüştürülmesine transmutasyon denir.

Çekirdek reaksiyonlarında artı yüklü parçacıklar, hedef çekirdek tarafından özellikle ağır ise itileceğinden reaksiyon çok verimli olmaz. Bu amaçla, hedef çekirdeğin itmesini yenecek kadar yüksek enerjili protonlar, döteryumlar, α-parçacıkları ve diğer artı yüklü parçacıklar oluşturmak için çeşitli parçacık hızlandırıcılar geliştirilmiştir. Siklotron (dairesel hızlandırıcı) parçacık hızlandırıcılar arasında en önemlisidir.

Siklotronda iyon kaynağı iki tane boş ve D şekilli hücre arasına konmuştur. Bu metalik hücrelerin havası boşaltılmıştır ve güçlü bir elektromagnetin kutupları arasına yerleştirilmişlerdir. Bir yüksek frekans jeneratörü yardımı ile hücreler sürekli zıt yüklenmiş tutulur. İyonlar, manyetik ve elektriksel alanların etkisinde dairesel bir yol çizmek üzere kaynaktan çıkarlar. Hücreler arası boşluğa her gelişlerinde hücreler zıt yüklenirler. Böylece artı yüklü parçacıklar artı yüklü hücre tarafından itilerek eksi yüklü hücre tarafından çekilirler ve bu iyonlar boşluğu her geçişlerinde biraz daha hızlanarak daha büyük daireler çizerler. Daha sonra iyonlar uygun bir şekilde saptırılarak hedefe yollanır.

Hızlandırıcılar günümüzde, nükleer fizik, nükleer kimya araştırmaları, nükleer santralların kurulması, lazer ışımaları, nötron terapisi, proton terapisi, anjiyografi, petrol ve gaz yataklarının aranması, çevre atıklarının temizlenmesi, gıda sterilizasyonu, baca gazı temizlenmesi, polimerleşme reaksiyonları gibi alanlarda sıkça kullanılmaktadır. Nötronlar, yüksüz olmaları nedeniyle hedef çekirdek tarafından itilmezler. Bu nedenle çekirdek bombardımanı için oldukça uygun parçacıklardır. Berilyum, iyi bir nötron kaynağıdır. 4 9 𝐵𝑒+ 2 4 𝐻𝑒→ 6 12 𝐶+ 0 1 𝑛 Daha sonra yapılan çalışmalarda berilyumun siklotrondan çıkan döteryumlar ile bombardımanının daha iyi nötron kaynağı olduğu tespit edilmiştir. 4 9 𝐵𝑒+ 1 2 𝐻→ 5 10 𝐵+ 0 1 𝑛

En önemli nötron kaynağı bir sonraki bölümde göreceğimiz çekirdek reaktörleridir. Reaktörden çıkan nötronlar, hızlı nötronlar olarak tanımlanırlar ve (n,α) ve (n,p) dönüşümlerini sağlarlar. Yavaş nötronlar , nötronların reaktörden çıktıktan sonra bir yavaşlatıcıdan geçirilmesi ile oluşurlar ve enerjilerinin azlaması nedeni ile ancak (n,γ) dönüşmelerini sağlarlar. Bu dönüşümlerde bir parçacık salınmadığı için nötron yakalaması reaksiyonları da denir. Bu yolla hemen hemen her elemntin izotopu hazırlanabilir. 16 34 𝑆+ 0 1 𝑛→ 16 35 𝑆+𝛾 Çekirdek reaksiyonları kullanılarak doğada bulunmayan veya eser miktarda bulunan elementlerin izotopları da hazırlanabilir. 42 96 𝑀𝑜+ 1 2 𝐻 → 43 97 𝑇𝑐 + 0 1 𝑛 83 209 𝐵𝑖+ 2 4 𝐻𝑒→ 85 211 𝐴𝑡+2 0 1 𝑛

Periyodik tabloda, uranyumdan sonraki elementler, transuranyum elementleri olarak adlandırılırlar ve hiçbiri doğada bulunmazlar. Ancak çekirdek tepkimeleri ile hazırlanmaları mümkündür. 92 238 𝑈+ 0 1 𝑛→ 92 239 𝑈+𝛾 92 239 𝑈→ 93 239 𝑁𝑝+ −1 0 𝑒 93 239 𝑁𝑝→ 94 239 𝑃𝑢+ −1 0 𝑒 Hızlandırıcılarda düşük atom numaralı elementlerin ( 5 10 𝐵, 6 12 𝐶, 6 13 𝐶 ) pozitif iyonları da yeni yapay çekirdekler hazırlamak için kullanılmaktadır. 92 238 𝑈+ 6 12 𝐶→ 98 246 𝐶𝑓+4 0 1 𝑛 92 238 𝑈+ 7 14 𝑁→ 99 247 𝐸𝑠+5 0 1 𝑛

4.5. çekirdek fisyonu ve füzyonu 1930’ların sonlarında 235U nun nötronlar ile bombardımanı sonrasında beklenmeyen ürünler olarak 139Ba ve 94Kr yanında üç nötronun da oluştuğu görülmüştür. 92 235 𝑈+ 0 1 𝑛→ 56 139 𝐵𝑎+ 36 94 𝐾𝑟+3 0 1 𝑛+𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 Bir diğer olası reaksiyonda ise iki nötron salınır; 92 235 𝑈+ 0 1 𝑛→ 54 144 𝑋𝑒+ 38 90 𝑆𝑟+2 0 1 𝑛+𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 Bu durum 235U in parçalanması ile açıklanmıştır ve reaksiyon sonunda oldukça fazla enerji açığa çıkmaktadır. Ağır bir çekirdeğin hafif çekirdeklere ve nötronlara bölünmesi olayına çekirdek fisyonu (nükleer fisyon) denir.

Doğal uranyum filizinde en çok bulunan izotop 238U dur Doğal uranyum filizinde en çok bulunan izotop 238U dur. Ancak bu izotop fisyona uğramaz ve 235U’un fisyonunu da engeller çünkü fisyon reaksiyonlarında oluşan nötronları tutar. Çekirdek fisyonunun barışçıl olarak kullanıldığı yerlerden birisi çekirdek fisyonundan (çekirdek reaktörleri) elektrik elde edilen nükleer reaktörlerdir. Çekirdek reaktörlerinde çekirdek fisyonunun hızı kontrol edilir. Kontrollü çekirdek fisyonunda bir reaktörde kritik kütleli çekirdek yakıtı ( 92 235 𝑈, 92 233 𝑈, 94 239 𝑃𝑢 veya 92 235 𝑈 𝑖𝑙𝑒 𝑧𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑙𝑒ş𝑡𝑖𝑟𝑖𝑙𝑚𝑖ş 𝑑𝑜ğ𝑎𝑙 𝑈) içeren silindirler bir yavaşlatıcı içinde bulunurlar. Yavaşlatıcı oluşan nötronların hızını azaltarak yakalanmalarını kolaylaştırır. Oluşan fazla nötronlar, kadmiyum veya bordan oluşan çubuklar ile tutularak reaksiyon kontrol altına alınır çünkü oluşan izotoplar radyoaktif değildir. 48 113 𝐶𝑑+ 0 1 𝑛→ 48 114 𝐶𝑑+𝛾 5 10 𝐵+ 0 1 𝑛→ 5 11 𝐵+𝛾 Kontrollü çekirdek reaksiyonlarında açığa çıkan enerj, ısıya dönüştüğünden reaktörün soğutulması gerekir. Elde edilen ısı günümüzde çeşitli yollarla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Reaktörden çıkan ısı ile sudan su buharı ve su buharından türbinlerde elektrik elde edilmektedir.

Hafif çekirdeklerin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere kaynaşmalarına çekirdek füzyonu denir. Çekirdek füzyonunda da önemli miktarda enerji açığa çıkar. 1 1 𝐻 + 1 1 𝐻 → 2 1 𝐻+ +1 0 𝑒+𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 1 2 𝐻+ 1 1 𝐻 → 2 3 𝐻𝑒+ 𝛾+𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 2 3 𝐻𝑒+ 2 3 𝐻𝑒→ 2 4 𝐻𝑒+2 1 1 𝐻 +𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 Toplam reaksiyon; 4 1 1 𝐻 → 2 4 𝐻𝑒+2 +1 0 𝑒+𝑒𝑛𝑒𝑟𝑗𝑖 Bu reaksiyonların güneşte olduğuna inanılır. Güneş enerjisinin bir bölümü çekirdek füzyonu ile hidrojen çekirdeğinin helyum çekirdeğine dönüşmesi ile sağlanır.