Nükleer bozunma ve Radyoaktiflik Ders 5

Uran ve toryum elementlerin radyoaktif bozunmalarının bilinmesi nükleer fiziğin başlamasında önemli rol oynamıştır. 235U ve 238U uzun yarı-ömürleri var yaklaşık dünyanın yaşına eş değer (1010 y) 1903 Marie, Pierre Curie ve Becquerel ile Ra elementinin doğal radyoaktifliğini buldular. (Nobel fizik 1903 ödülü) 1934 yıllında Curie-Joliot suni radyoaktifi buldular. (Nobel kimya 1935 ödülü)

Kararlı olmayan çekirdekler ya elektro manyetik () yayarak ile temel seviyeye (karrlı çekirdek) olmaya çalışır. Yada kararsız çekirdek bir tanecik (,) yayınlayarak karlı bir çekirdeğe doğru bozunur.

,  veya  ile kararsız çekirdekler kararlı olmak için bozunurlar örnek: 212Pb bozunma şekili çok basitleştirilmiş hali.

Radioaktif bozunma daha çok  şeklinde bozunur Radioaktif bozunma daha çok  şeklinde bozunur. Bunun dışında , veya fisyon yoluyla olur. Bu geçişlerin hepsinin kuantum mekanik olarak geçiş olasalığı =|C|2 ile hesaplanır. C:geçiş dalga yüksekliği. C=<s||b> s son b son ve ilk dalga fonksiyonu. : Bozunma olasılığı sabiti.

Radyoaktif bozunma kanunu: Suni radyoaktiflik örnek: 27Al(,n)30P (+)30Si bu reaksiyonda Q=-2,64 MeV 6 MeV enerjiye sahip alfa çekirdek ( 27Al) ile reaksiyona girer. Reaksiyon ürünü 30P kısa bir süre + ile bozunmaya devam eder. Bir radyoaktif elementin özeliği: 1-Radyoaktif tip (hangi çeşit ürün , veya ) 2-Radyoaktif enerjisi 3-Yarı-ömür

(dN/N)= -dt ve  integrali alınırsa lnN=-t+C N=N0e-t (*) Eğer bir t anında N radyoaktif çekirdek varsa ve numuneye yeni çekirdek ilave edilmiyorsa dt zaman aralığında bozunan dN çekirdek sayısı N le orantılıdır. A:Aktiflik dersek birim zamanda bozunmaya veya parçalanmaya denir. A=-(dN/dt)= N (dN/N)= -dt ve  integrali alınırsa lnN=-t+C N=N0e-t (*) Integrasiyon sabiti seçimi t=0 anında N=N0 olduğu zaman.

A=-N0e-t=A0e-t t zamandaki aktiflik burada A0=-N0 Eğer t zaman aralığında N çekirdek sayısı yarıya iniyorsa biz bu zaman yarı ömür zamanı t1/2 diyoruz. Eğer (*) denkleminde N=N0/2 koyarsak t1/2=ln2/=(0,69315/ ) Ve ortalama ömür süresi () =(1/)=1,443t1/2 t= anında radyoaktiflik 1/e=0,36788 oranında azalır.

Bozunan bir çekirdek seviyesi Heisenberg belirsizlik ilkesine göre E Bozunan bir çekirdek seviyesi Heisenberg belirsizlik ilkesine göre E*t ħ bir enerji aralığı söylenebilir. Bu yüzden parçalanma genişliği (Г) Г=(ħ/)=ħλ dir. Bir çekirdek çeşitli yola bozunur. Bu yüzden toplamlar alınır, toplam λ ve Г aşağıdaki gibi dir. λ= λ1+ λ2+….. Г= Г1+ Г2+…

Radyoaktif birimler: Radyoaktiflik bir numunenin birim zamandaki bozunma sayısıdır ve bozunma/s uygun bir birimdir. Aktifliğin diğer birimi Curie (Ci) 1 Ci=3,7x1010 bozunma/s Aktifliğin SI deki birim becquerel (Bq) saniyedeki birim parçalanmaya eşittir. 1 Bq=0,27x10-10Ci Aktiflik radyasyonun enerjisi ve türü hakkında bilgi vermez. Eğer radyasyonun biyolojik bir sistem üzerindeki etkisini bilmek istiyorsak aktiflik bilgi vermez.

Diğer birimler: Röntgen: γ-ışının sebep olduğu 2x109 iyon çiftinin bir mililitredeki hava da oluşumudur. Röntgen=1R=2,58x10-4 C/kg (hava)

Bir ışının neden olduğu tesir çok önemli bu yüzden enerji dozu önem kazanıyor. Birim numunenin birim kütlesinin ışınım sonucu verilen enerji. 1 Gray= Gy=1 J/kg ve 1 rad =1 rd =10-2 Gy organik büyüklülükler için 1 R=1 rd. Bunun dışında 1 Siveret=1 Sv=q.1 Gy 1 rem = 10-2 Sv için q=1,5  için q=20

Bunlardan 235U, 238U ve 232Th çok önemli. Doğal radyo aktiflik: Yaklaşık 15x109 yıl önce oluşan elementler den çok azı halen radyo aktiflik devam ediyor. 40K(-, + 1,25x109 y), 87Rb(- 4,9x1010 y) 147Sm( 1,06x1011 y), 187Re(- 5x1010 y) Bunlardan 235U, 238U ve 232Th çok önemli. Bu elementler çeşitli yol ve şekilde karalı element oluşana kadar ,  veya  ile bozunurlar.

Önemli seriler: Seri ana T1/2 yıl karalı çekirdek çekirdek Thorium 232Th 1,4*1010 208Pb 4n Neptunium 237Np 2,1*106 209Bi 4n+1 Uran 238U 4,5*109 206Pb 4n+2 Actinium 235U 7,0*108 207Pb 4n+3 Np serisi bugün ölçülmüyor çünkü ömür bitmiş. Suni olarak üretimi mümkün. A=4n+S serileri n:tamsayı, S=0,1,2,3

238U serisi

232Th serisi

Bazı uzun ömürlü elementler: 10Be, 14C, 40K gibi… Dünyanın yaşı Bazı uzun ömürlü elementler: 10Be, 14C, 40K gibi… Atmosferde sürekli 14N(n,p)14C reaksiyonu var. 14C  bozunumu ile 14N bozunur (t1/2=5730 y) ile yaş belirlemesi yapılır. 238U ve 232Th dünyanın yaşına yakın.

Bunun dışında önemli uzun ömürlü radyo aktif elementler: 14C (- ve t1/2= 5730 yıl) kozmik ışınlar sonucu 90Sr (- ve t1/2= 29 yıl) ve 137Cs (- ve t1/2=30 yıl) Reaktörlerde ve atom bombası sonucu.

Bozunma türleri: ,  ve  bozunumları burada çok kısa bahis edeceğiz. Geçiş bir şekilde daha sonra bahis edeceğiz. Kararsız bir çekirdek ,  yayarak daha kararlı bir çekirdeğe dönüşmek ister. -bozunumu ise uyarılmış bir çekirdeğin cinsi değişmeden temel seviye ye döner.  - +

Bozunma türleri

Dallanma oranları ve yarı ömürler Örnek 226Ac da t1/2=29 h dır. Toplam bozunum t=0,693/t1/2=0,024 h-1 =6,6x10-6 s Kısmi bozunma sabitleri =0,83 t =5,5x10-6 s-1 t1/2=0,693/=35h =0,17 t =1,1x10-6 s-1 t1/2=0,693/=170h = 6x10-5 t =4x10-10s-1 t1/2=0,693/=55y Eğer yukarda ki bozunmaya bakılırsa 226Ac alfa nın yayınlanması beta dan daha baskın olduğu görülür.

,  ve  bozunma oranları (dallanma oranları) ,  ve  bozunma oranları (dallanma oranları). 226Ra 222Rn bozunumu %6 ve %94 alfalarla ile bozunur.

Çeşitli bozunma şekilleri.

Alfa bozunumu: Alfa 1908 yılında Rutherford tarafında açıklanmıştı.  Nın bir He çekirdeği oluğu biliniyor 1930 yılında  nın hava da ki erişim menzili 3,84 cm olduğu bulundu. X ve X’ ilk ve son çekirdek bu reaksiyon sonucu N ve Z sayısı korunur. Bir örnek: Yarıyılı 1600 yıl olan Ra 4,6 MeV lik  ile bozunur.

Alfa bozunumu ne zaman enerjik olarak mümkün Alfa bozunumu ne zaman enerjik olarak mümkün? Reaksiyon yarıçapı R=Rç+R=r olduğu zaman. Ve Coulomb potansiyelini geçtiği zaman V(r)=2Ze2/r Normal kuantum mekanikte mümkün: Örnek: 226Ra da Vc=26 MeV, E=4,9 MeV Klasik mekanikte bu durumda alfanın çekirdeği terk etmesi mümkün değil.

Bozunumu: Bir protonun nötrona dönüşüm veya bir nötronun protona dönüşüm bozunumudur. Üç şekilde bozunur: np+e-+’+078 MeV - bozunumu (negatron) pn+e++ -1,8 MeV + bozunumu (pozitron) p+e- n+ -0,78 MeV elektron yakalama () Neutrino da yayınlanır.

Örnek beta bozunumları:

Beta bozunumu sonucu ortaya çıkan e- veya e+ lar şekildeki gibi bir dağılım gösterirler. Açısal momentum ve spin korunumun dan dolayı reaksiyon denklemi E, L ve S geçersiz. Fermi 1936 neutrino () taneciğini bulmuştur. Yani e- ve e+ oluşurken başka bir tanecik olması gerektiğini savunmuştur. : duran kütlesi m=0 olan ve ışık hızı ile hareket eden ve enerji, spin ve açısal momentuma sahip olan ve yüksüz bir tanecik. Deneysel varlığı: 37Ar+e-37Cl+

İçinde Cd – bulunan organik kristal n- nin Cd içerisinde absorbe olması E(toplam)=9,1 MeV Burada ölçülen 2x511 keV(positronun absorbe olması) gamma ve 9,1 MeV gammalar.

Gamma Bozunumu Radioaktif gama yayınlanması optik veya X-ışını geçişleri gibi atomik radyasyon yayınlanmasına benzer. Uyarılmış bir durum daha küçük uyarılmış bir duruma veya temel seviyeye ve seviyeler arasındaki farka eşit bir  ışını yayınlayarak ile geçer. Gama genelde alfa ve beta bozunumu sonucu oluşur. Gama yayınlamasının yarı ömrü 10-9 s daha küçüktür.

Birde iç dönüşümle bir çekirdek bozunur. Burada çekirdek enerjisini direkt atoma aktarır ve atom da bir e- dışarı atılır. Laborda da bir serbest e- gözlenir. Bu beta bozunumundan farklıdır. Z ve N lerin sayısı değişmez atom uyarılmış olur. Onun dışında nükleon (proton ve nötron) yayımı var. örnek: 138I %5 nötron (6,5 MeV) yayınlar 137Xe bozunur. %95 beta ile bozunur.

Kendiliğinden fisyon la kararsız çekirdekler bozunurlar. Bu olay alfa bozunumu gibidir. 233U ve 235U şekildeki gibi bozunur.

Radioaktif yardımı ile yaş belirlenmesi: Örnek: 14C Kozmik ışın dünya atmosferinde 14N(n,p)14C reaksiyonu ile 14C(t1/2=5730y) 14C sonra canlılarda 14CO2 oluşturur. Ölüm olunca bu oluşum durur. Zamanla 14C azaldığı için ömür belirlenir. 1000 –30000 yıl olarak hesaplanabilir. Başka örnek: Geografik yaş belirlenmesi. Buda izotopların oranı ile hesaplanır. 206Pb/238U, 207Pb/235U ve 208Pb/232Th gibi bu metotla dünyamızın yaşı tespit edilmiştir. 4,5x109 y

Bunun dışında tıpta tümör in yeri belirlenir Bunun dışında tıpta tümör in yeri belirlenir. Nötron mermi ile hedef aktif edilerek yayınlanan ışın ölçülerek hangi element olduğu tespit edilir. Bunun dışında radioaktif piller üretilebilir.