TEMEL ATOMİK VE NÜKLEER FİZİK-1

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

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

3. 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.

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

5. 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).

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

7. Yörünge enerji seviyeleri ve Eelektron Bağlanma enerjileri

9. Karakteristik X-ışını Salınımı

10. Atomun Yapısı • Z =Proton Sayısı(kimyasal elementi belirler) • N = Nötron Sayısı(elementin izotoplarını belirler) • A = Nötron + Proton(İzotopun kütle numarası) A = Z + N A X X = Kimyasal Sembol Z N İzotoplar çekirdeklerinde aynı sayıda protonlar, farklı sayıda nötronlar bulundurur

11. Bir elementin atomu:ZXAşeklinde sembolize edilir. N: Nötron sayısı, Z: Proton sayısıdır ve elementin priyodik tablodaki yerini içerir. Kütle sayısı ise A = N + Zdir. 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.

12. ATOM ÇEŞİTLERİ

13. 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 atomlaraİZOTOP denir.

14. ÖRNEK: Hidrojenin 3 izotopu vardır. 1) Hidrojen: 1H12) Döteryum: 1H2 3) Trityum: 1H3 Çekirdeği stabil olmayan izotoplara, RADYOİZOTOP (Radyonüklid) denir. Bunların da kimyasal özellikleri aynı olmasına karşın radyoaktif özellikleri farklıdır.

15. 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 serisiise Bizmut 209 a kadar parçalanarak kararlı hale ulaşırlar.

16. 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.

17. RADYOAKTİF BOZUNMA • N0 adet aktif çekirdeğin N adedi bozunsun ve bozunma sabiti de λ olsun.tsüre içinde bozunacak çekirdek sayısıN; 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

18. 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.

20. Uranyumun dünyadaki dağılımı

21. uranium nucleus neutron fission fragments ZİNCİR REAKSİYONU neutrons • 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.

22. 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.

23. 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 c2dir. 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.

24. E = m c2 formülü yüz yaşında Einstein, E = m c2formülünü 1905 yılında ortaya koydu.

25. Radyasyon • 2 tip radyasyon vardır:İyonizan ve iyonizan olmayan.

26. 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.

27. İYONİZASYON

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

29. Elektron

30. İYONİZAN RADYASYON

32. DÜNYANIN MAGNETİK ALANI

33. Çeşitli ışımaların frekans (ENERJİ) spekturumu

34. BİR SAĞLIK SKANDALIDr. 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.

35. CEP TELEFONLARINDAN YAYILAN RADYASYONCep 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.

36. Elektromanyetik spektrum içindeki ışımalar:

37. YARI ÖMÜR:Radyoaktif şiddetin yarıya inmesi için geçen süredir.

38. Yarılanma ve aktivite ilişkisi

39. 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 = T½alınırsa; N0 = N0 . e– λT1/2ve her iki tarafın Log 2 alındığında λ .T1/2 = ln 2 = 0,693 0,693 Ve sonuçta FİZİKSEL YARI ÖMÜRiçin: T1/2 =bağıntısı elde edilir. λ

40. 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.

41. 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.

42. 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

43. 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.

44. 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.

45. 1 - Orijinal radyonüklid ve bozunma ürününün yarılanma ömrü aynı ise,

46. 2 - Orijinal Radyonüklid daha uzun bir yarılanma ömrüne sahipse DENGE OLUŞUR

47. 3- Bozunma ürününün yarılanma ömrü, orijinal radyonüklidin yarılanma ömründen uzun isedenge oluşamaz.

48. 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.

49. 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

50. 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