TEMEL ATOMİK VE NÜKLEER FİZİK-1 Doç. Dr. Mehmet TEKŞAM Radyoloji A.B.D

Atomun Yapısı 1913 - Danimarkalı fizikçi - Niels Bohr 1870 - Mendeleef Elementler atom ağırlıklarına göre sınıflanır Merkezde pozitif yüklü çekirdek, çevresinde dönen negatif yüklü elektronlar

ATOM Atom için birçok modeller üretilmesine karşın, en son ve en geçerli model 1913 yılında Neils BOHR tarafından ortaya konmuştur. Bu modele göre: Atom içinde elektronlar, bir çekirdek etrafında eliptik yörüngelerde dönerler, Elektronlar bulundukları yörüngeye belli bir enerji ile bağlıdır, Elektronlar aldıkları enerjiye bağlı olarak bir üst yörüngeye çıkabilir veya enerji vererek bir alt yörüngeye inebilirler. Bu sırada enerji verimi foton salınımı şeklinde olabilir.

Atomun Yapısı Çekirdek Yörünge Neutronlar (nötr) ve Protonlar (+) Electronlar (-)

Protonlar pozitif yüklü, elektronlar negatif yüklü, nötronlar yüksüz Atomun Yapısı Çekirdekte nükleon olarak da adlandırılan nötronlar ve protonlar bulunur.Elektronlar çekideğin çevresinde dönerler Elektronlar kimyasal reaksiyonlardan sorumlu (Örn;moleküllerin oluşturulması Protonlar pozitif yüklü, elektronlar negatif yüklü, nötronlar yüksüz Nükleonlar (proton+nötron) çekirdek reaksiyonlarından sorumlu (Örn; radyoaktivite).

Kolomb Kanunu: Aynı yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker Elektronun çekirdeğe çekilmesini engelleyen nedir? 1.Merkezkaç kuvveti 2.Bağlanma enerjisi

Yörünge enerji seviyeleri ve Eelektron Bağlanma enerjileri

Karakteristik X-ışını Salınımı

X A = Z + N Atomun Yapısı A X = Kimyasal Sembol Z N Z = Proton Sayısı (kimyasal elementi belirler) N = Nötron Sayısı (elementin izotoplarını belirler) A = Nötron + Proton (İzotopun kütle numarası) A = Z + N We use the number of protons to identify atoms. For example, an atom of oxygen has 8 protons in it’s nucleus and an atom of lead has 82 protons. Single atoms generally have the same number of positively charged protons and negatively charged electrons. As a result, the atom as a whole does not have an electrical charge. The nucleus in every atom of an element always has the same number of protons, but the number of neutrons may vary. Atoms that contain the same number of protons, but a different number of neutrons are called isotopes of the element. All atoms are isotopes. To distinguish which isotope of an element we are talking about, we total the number of protons and neutrons to get the atomic mass. Usually an isotope is distinguished by writing the atomic mass after the element’s chemical symbol. For example, an atom of carbon typically has 6 protons and 6 neutrons and would be written as C-12 or 12C. However, another isotope of carbon, the one sometime used for radiocarbon dating of old objects, has 6 protons and 8 neutrons. This isotope would be written C-14 or 14C. A X X = Kimyasal Sembol Z N İzotoplar çekirdeklerinde aynı sayıda protonlar, farklı sayıda nötronlar bulundurur

ÖRNEK: Bir elementin atomu: ZXA şeklinde sembolize edilir. N: Nötron sayısı, Z: Proton sayısıdır ve elementin priyodik tablodaki yerini içerir. Kütle sayısı ise A = N + Z dir. ÖRNEK: Iyot elementi: 53 I131 proton sayısı (atom numarası) : Z= 53, kütle sayısı A = N + Z = 131 buradan nötron sayısı: N = 131-53 = 78 bulunabilir.

ATOM ÇEŞİTLERİ Proton sayısı (Z) Kütle sayısı (A) Nötron sayısı (N) Kimyasal özelliği Örnek İZOTOP AYNI Farklı 1H1 ve 1H2 İZOBAR 5B12 ve 6O12 İZOTON 5B11 ve 6C12 İZOMER Çekirdek İçindeki sayılar 43Tc99 ve 43Tc99m

Bir elementin bütün atomlarının proton sayıları (atom numaraları) yani kimyasal özellikleri aynıdır. Ancak bu atomların eş kütleli olmadığı, farklı (A) değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Bunun nedeni, çekirdeklerinde aynı sayıda proton olmasına rağmen farklı sayıda nötron olmasından kaynaklanmaktadır. Bu çeşit atomlara İZOTOP denir.

ÖRNEK: Hidrojenin 3 izotopu vardır. 1) Hidrojen: 1H1 2) Döteryum: 1H2 3) Trityum: 1H3 Çekirdeği stabil olmayan izotoplara, RADYOİZOTOP (Radyonüklid) denir. Bunların da kimyasal özellikleri aynı olmasına karşın radyoaktif özellikleri farklıdır.

RADYOAKTİVİTE Radyoaktif denilen atomların çekirdeklerinin kararsız yapıları nedeniyle kendiliklerinden parçalanarak (bozunarak) bazı ışınlar yayması özelliğine RADYOAKTİFLİK denir. Genelde atom numarası 82 den büyük olan elemanter parçacıklar doğada radyoaktif olarak bulunur. Doğada 4 radyonüklid seri bilinmektedir. Bunlar: Thoryum serisi, Kurşun 208 e kadar Aktinyum serisi, kurşun 207 ye kadar, Uranyum 238 serisi, kurşun 206 ya kadar, Neptunyum serisi ise Bizmut 209 a kadar parçalanarak kararlı hale ulaşırlar.

RADYOAKTİF BOZUNMA Radyoaktif bozunma, doğal veya yapay kararsız çekirdeklerin parçalanması ve bozunmasıdır. Bu bozunma durdurulamaz, hızlandırılamaz veya yavaşlatılamaz, kararlı çekirdek haline gelinceye kadar devam eder. Örneğin, Uranyum-238 in bozunması, kararlı kurşun oluncaya kadar devam eder. Bu sırada; Bozunan çekirdeğin yayınladığı radyasyonun cinsi ve enerjileri, salınan partiküllerin kinetik enerjisi ve elektromanyetik ışımalarda ise fotonların enerjisi olarak tesbit edilir.

RADYOAKTİF BOZUNMA N = N0 . e – λt N0 adet aktif çekirdeğin N adedi bozunsun ve bozunma sabiti de λ olsun. t süre içinde bozunacak çekirdek sayısı N; N = N0 . e – λt Bozunma hızı, elementlerin yarılanma ömrü ile ifade edilir. Radyoaktif metaryeller normal kütle ve hacımları dışında, her saniyedeki atomik bozunmayı içeren ve Bekarel (Bq) denilen ve radyoaktif ölçümünü belirleyen bir birimle de tanımlanabilirler. Radyoaktivitenin resmi birimi Curie’dir. 1 Bq = 27 x 10-12 Curie’ye veya 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq ‘e eşittir

ÖRNEK: Radyoaktif bir metaryel içindeki aktif çekirdek sayısı N0 = 1000 ve bozunma sabiti λ= 0,1 sn-1 olsun. Bu koşullarda; İlk 1 sn deki bozunan çekirdek sayısı N = 0,1 x 1000 = 100 adet olacak ve kalan çekirdek sayısı 900 olacaktır. İkinci 1 sn içinde ise 0,1 x 900 = 90 adet ve kalan çekirdek sayısı ise 810 adet olacaktır. Üçüncü 1 sn içinde 0,1 x 810 = 81 adet ve kalan çekirdek sayısı da 719 adet olacaktır.

Uranyumun dünyadaki dağılımı

Zincir reaksiyonu: Bir nötronun bir çekirdeğe çarpması sonucu, çekirdekte yarılmalar ve enerji serbestleşmesi olur. Ortaya çıkan yeni nötronlar, aynı zamanda diğer çekirdeklere çarparak birçok nötronları da oluşturur. Böylece pek çok miktarda çekirdek yarılmaları ve çok miktarda enerji ve nötron salınması gerçekleşir. uranium nucleus ZİNCİR REAKSİYONU neutrons fission fragments neutron

YAPAY RADYOAKTİVİTE Stabil elementler de, laboratuar koşullarında, siklatron denilen hızlandırıcılar yardımıyla elektromanyetik alan içersinde hızlandırılmış partiküllerle veya nükleer reaktörlerde nötronlar ile bombardıman edilerek yapay olarak radyoaktif hale getirilebilir. Kontrollü zincir reaksiyonu: Burada sadece bir nötronun oluşturduğu bir fisyon (bölünme), ikinci bölünmeyi yaratır.

RADYOAKVİTE YASALARI Elektromanyetik ışımanın enerjisi, frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılıdır. E = h . f = h . (c/λ) dir. Burada; h: planck sabiti =6.62 x 10 -34 Joule.sn = 0.41 10-14 eV.sn f: frekans (1/sn), c: ışık hızı (m/sn), λ: dalga boyudur (m) Partiküllerin kütle enerjisi: E= m c2 dir. ÖRNEK: Elektronun kütle enerjisi nedir? (1 eV = 1,6 x 10-19 joule) E= m c2 = 9 x 10-31kg . (3 x 108 m/sn)2 = 81 x 10-15 joule = 0,51 x 106 eV olur.

E = m c2 formülü yüz yaşında Einstein, E = m c2 formülünü 1905 yılında ortaya koydu.

Radyasyon 2 tip radyasyon vardır:İyonizan ve iyonizan olmayan.

İYONİZASYON Kararlı durumdaki atomun elektronlarından biri koparıldığında, protonların sayısı elektronlardan fazla olacağından atom bir elektrik yükü kazanacaktır. Bu şekilde bir elektronun atomdan ayrılmasından sonra geriye kalan atoma “iyon” adı verilir. İyonların meydana gelişi olayına da “iyonizasyon” denir.

İYONİZASYON

RADYASYON TİPLERİ RADYASYON Hızlı elektronlar Beta parçacıkları Alfa parçacıkları PARÇACIK TİPİ X-Işınları Gama ışınları DALGA TİPİ İYONLAŞTIRICI RADYASYON Radyo dalgaları Mikrodalgalar Kızılötesi dalgalar Görülebilir ışık İYONLAŞTIRICI OLMAYAN RADYASYON RADYASYON Dolaylı iyonlaştırıcı Nötron parçacıkları

Elektron

İYONİZAN RADYASYON

DÜNYANIN MAGNETİK ALANI

Çeşitli ışımaların frekans (ENERJİ) spekturumu

BİR SAĞLIK SKANDALI Dr. C. C BİR SAĞLIK SKANDALI Dr. C. C. MOYAR ın sağlıklı ve güçlü yaşam için önerdiği RADITHOR (Radyoaktif distile su) den 2 yıl içinde 1400 şişe içen Eben BYERS (51 yaşında) Radyum zehirlenmesinden dolayı 1930 da öldü. "The Great Radium Scandal" by Roger Macklis in the August 1993 issue of Scientific American.

Düşük radyasyon için antenleri saklı olanlar ve CEP TELEFONLARINDAN YAYILAN RADYASYON Cep telefonlarından yayılan radyasyon SAR (Watt/kg) ile tanımlanmaktadır. İngiltere Ulusal Fizik Lab. Verilerine göre SAR güvenlik sınırı 10 Watt/kg dır. Düşük radyasyon için antenleri saklı olanlar ve beyinden uzakta kullanılanlar seçilmelidir.

Elektromanyetik spektrum içindeki ışımalar:  Type of Radiation

YARI ÖMÜR: Radyoaktif şiddetin yarıya inmesi için geçen süredir.

Yarılanma ve aktivite ilişkisi

FİZİKSEL YARIÖMÜR Başlangıçtaki radyoaktif atom sayısının (radyoaktivite miktarının) yarıya inmesi için geçen süreye FİZİK YARI ÖMÜR ya da RADYOAKTİF YARI ÖMÜR denir ve T1/2 şeklinde sembolize edilir. Yukarıdaki formülde bozunan çekirdek sayısı için N = N0 / 2 ve bu sırada geçen süre içinde t = T½ alınırsa; N0 = N0 . e – λT1/2 ve her iki tarafın Log 2 alındığında λ .T1/2 = ln 2 = 0,693 0,693 Ve sonuçta FİZİKSEL YARI ÖMÜR için: T1/2 = bağıntısı elde edilir. λ

ÖRNEK: Fiziksel yarı ömrü 1620 yıl olan 1 gr Radyum-226 nın aktivitesini hesaplayın. Radyum-226 nın atom numarası Z = 86 ve kütle numarası A= 226 dır. Yani 226 gr radyum içinde avagadro sayısı 6,023 .1023 kadar aktif radyum atom çekirdeği vardır. 1 gr radyum içinde ise N = 6,023 .1023 /226 = 2,65 1021 adet çekirdek olur. Yarı ömrünü sn olarak hesaplarsak: T1/2 = 1620 x 365 x 86400 = 51. 109 sn bulunur. Bozunma sabiti ise: λ = 0,693 / T1/2 = 0,693 / 51. 109 = 13,5 . 10-12 sn-1 olur. Sonuç olarak 1 gr Radyum-226 da 1 saniyede bozunan aktif çekirdek sayısı: A = λ N = (13,5 . 10-12 ). (2,65 1021 ) = 3,7 . 1010 adet/sn ( dps “Becquerel” = Bq ) olur. Bu değer aynı zamanda 1 Curie ye eşittir.

BİYOLOJİK YARI ÖMÜR Herhangi bir canlının vücuduna sokulmuş olan aktif elementin veya o radyoaktif elemente sahip olan bileşiğin canlıda kalış süresi önemlidir. İşte organik veya inorganik bir maddenin canlı vücudunda miktar olarak yarıya inmesi için geçen zamana BİYOLOJİK YARI ÖMÜR veya biyolojik yarılanma denir. Biyoljik yarı ömür, fiziksel yarı ömürden farklı olup, canlının türüne, ilgili organa, ilgili organın fonksiyonuna ve zamana bağlıdır. Örneğin; hidrojenin radyoizotopu olan trityumun biyolojik yarı ömrü 7-11 gün olmasına karşın, fiziksel yarı ömrü 13 yıl kadardır.

EFFEKTİF YARI ÖMÜR Medikal uygulamalarda biyolojik yarılanmayla birlikte kullanılan radyoizotopun fiziksel yarılanması da gözönüne alınmalıdır. Sonuçta fiziksel ve biyolojik yarılanmanın beraberce dikkate alınması ile üçüncü bir yarı ömür tanımı ortaya çıkar ve buna EFFEKTİF YARI ÖMÜR denir. Effektif yarı ömürü hesaplamak istersek, 1 1 1 = + T1/2 Ef T1/2 B T1/2 F

Biyolojik yarı ömür: ÖRNEK: I-131 için bilinen değerler bu formülde yerine konursa biyolojik yarı ömrü: 8 x 6 T1/2B = = 24 gün 8 - 6 bulunur.

RADYOAKTİF DENGE OLUŞUMU Bir bozunma zinciri için radyoaktif denge, her bir radyonüklidin bozunma hızının aynı olması ile oluşur. Bir bozunma zincirinin dengesinin anlaşılması da bilim adamlarının bu bozunmadaki radyasyon miktarını tahmin etmesine yardımcı olur.

1 - Orijinal radyonüklid ve bozunma ürününün yarılanma ömrü aynı ise,

2 - Orijinal Radyonüklid daha uzun bir yarılanma ömrüne sahipse DENGE OLUŞUR

3- Bozunma ürününün yarılanma ömrü, orijinal radyonüklidin yarılanma ömründen uzun ise denge oluşamaz.

İYONİZAN RADYASYON Alfa Partikülleri Alfa partikülleri deniz topuna benzer: Büyük partiküldür Kısa mesafe gidebilir Çarptığında insana zarar vermez Kağıt ile bile kolaylıkla durdurulabilir Yutulursa zararlı.

İYONİZAN RADYASYON Alfa Partikülleri Helium nükleusu: 2 proton ve 2 nötron birbirine sıkıca bağlı. Doğal radyoaktif maddelerden yayılır Örn; uranium ve thorium. Atomun elektronlarına çarpınca enerji kaybeder-iyonizasyona neden olur Direkt iyonizan partiküller

İYONİZAN RADYASYON Alfa Partikülleri Büyük kitlesinden ve +2 yüklü olmasından dolayı büyük çaplı iyonizasyona neden olur Kısa mesafede enerjisini kaybeder.Bu nedenle dışarıdan zararlı değildir

Alfa Partikül a Karakteristik • +2 yüklü • 2 proton • 2 neutron • Büyük kitle Mesafe • Çok kısa • 1" -2" havada Korunma • Kağıt • Cildin dış tabakası Zarar • İnternal Kaynaklar • Plutonium • Uranium • Radium • Thorium • Americium a a a a a

İYONİZAN RADYASYON Beta Partikülleri Golf topuna benzer; Alfa partikülünden daha küçüktür Alfa partikülüne göre daha uzağa gider Kalın odun yada plastik ile durdurulabilir Cilde zarar verebilir. Yutulması zararlı.

İYONİZAN RADYASYON Beta Partikülleri Yüksek hızlı elektonlardır Pozitif (pozitron) yada negatif (elektron) yüklü Devamlı enerji spektrumu gösterir İyonizasyon ve uyarılma ile enerji kaybeder

İYONİZAN RADYASYON Beta Partikülleri Direkt iyonizan 1 MeV’un üzerinde enerjiye sahip yüksek enerjili elektronlar yoğun maddeler ile etkileşime girdiğinde X-ışını formunda daha fazla enerji kaybeder (bremsstrahlung).

İYONİZAN RADYASYON Beta Partikülleri Alfa partiküllerine göre kütlesi ve yükü daha az olduğu için daha az iyonizasyona neden olur Alfa partikülüne göre daha uzağa gider ve enerjisine bağlı olarak cilde zarar verebilir Alfa partikülüne göre internal zararı daha azdır

Beta Partikülleri b Karakteristik • -1 yüklü • Küçük kitle Mesafe • Kısa mesafe • Yaklaşık 10' havada Korunma • Plastik koruyucu cam • İnce metal Zararlar • Cilt ve gözler • İnternal olabilir Kaynaklar • Radioizotoplar • Aktivasyon Ürünleri

İYONİZAN RADYASYON X-ışınları ve Gamma ışınları Tüfek mermisi gibi Çok uzağa gidebilir Çelik yada kurşun gibi kalın ve yoğun maddeler tarafından durdurulabilir İnsana tamamen penetre eder Tüm vücuda zararlıdır

İYONİZAN RADYASYON X-ışınları ve Gamma ışınları Elektromanyetik dalga yada fotonlar Oluşan iyonizasyon hemen daima sekonderdir Çok ciddi zararları Havada yada diğer maddelerde uzun yol kateter

Gamma Işınları g Karakteristik • Yüksüz • Kütlesiz • x-ışınları ile aynı Mesafe • Uzun • Yaklaşık 1100' havada Korunma • Kurşun • Çelik • Beton Zararlar • External (tüm vücuda) • İnternal olabilir Kaynaklar • X-ışını cihazları • Elektron mikroskoplar • Akseleratörler • Nükleer reaktörler • Radyoizotoplar After a decay reaction, the nucleus is often in an “excited” state. This means that the decay has resulted in producing a nucleus which still has excess energy to get rid of. Rather than emitting another beta or alpha particle, this energy is lost by emitting a pulse of electromagnetic radiation called a gamma ray. The gamma ray is identical in nature to light or microwaves, but of very high energy. Like all forms of electromagnetic radiation, the gamma ray has no mass and no charge. Gamma rays interact with material by colliding with the electrons in the shells of atoms. They lose their energy slowly in material, being able to travel significant distances before stopping. Depending on their initial energy, gamma rays can travel from 1 to hundreds of meters in air and can easily go right through people. It is important to note that most alpha and beta emitters also emit gamma rays as part of their decay process. However, their is no such thing as a “pure” gamma emitter. Important gamma emitters including technetium-99m which is used in nuclear medicine, and cesium-137 which is used for calibration of nuclear instruments. Paper Plastic Lead

X-Işınları ile Gamma Işınları Arasındaki Fark?

Sadece kaynakları farklıdır; X-Işınları çekirdeğin dışından elektronların uyarılması ve iyonizasyonu ile oluşur;gamma ışınları çekirdekteki fazla enerjiden kaynaklanır

İYONİZAN RADYASYON Nötron Partikülleri Çok uzağa gider İnsana çarparsa çok zararlı İnsana tamamen penetre olabilir Tüm vücuda zararlı

Nötron Partikül h Karakteristik • Yüksüz • Çekirdekte Mesafe • Çok uzun Korunma • Su • Plastik Zararlar • Eksternal (tüm vücut Kaynaklar • Fizyon • Reaktörler • Akseleratörler Paper Lead Water

DİĞER IŞIMALAR: KOZMİK IŞIMA: Dış uzaydan dünyamıza gelen çok enerji yüklü proton kaynaklı partikül ışımasıdır. Bu ışıma dünyamızı koruyan atmosferin üst katmanlarında oldukça yoğundur. NÖTRON IŞIMASI: Bu ışımanın partiküllerinin girginliği çok fazladır. Bir nükleer reaktörün içindeki atomların parçalanması gibi nükleer reaksiyornlar sonucu elde edilirler. Güneşde oluşan nükleer patlamalarla uzaya yayılabilir ve dünyamıza ulaşırlar.

X ışını oluşumu: W.Conrad Röntgen (1845-1923), Havası boşaltılmış bir tüp içinde bulunan ve kızıl dereceye kadar ısıtılan KATOD’dan yayınlanan hızlı elektronlar çarptıkları ANOD tan X ışını yayınlanmasına neden olurlar. Bu sırada elektronların enerjisinin % 0,5 lik kısmı X ışını haline dönüşür. Kalan kısmı ısı enerjisi olarak harcanır.