Nükleer bozunma ve Radyoaktiflik

1. Nükleer bozunma ve Radyoaktiflik Ders 5

2. 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)

3. 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.

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

5. 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.

6. 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

7. 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.

8. t zamandaki aktiflik A=-N0e-t=A0e-t 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.

10. 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+…

11. 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.

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

13. 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

14. 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.

15. Önemli seriler: Seri ana T1/2 yıl karalı çekirdek çekirdek Thorium 232Th 1,4*1010208Pb 4n Neptunium 237Np 2,1*106209Bi 4n+1 Uran 238U 4,5*109206Pb 4n+2 Actinium 235U 7,0*108207Pb 4n+3 Np serisi bugün ölçülmüyor çünkü ömür bitmiş. Suni olarak üretimi mümkün. A=4n+S serileri n:tamsayı, S=0,1,2,3

16. 238U serisi

17. 232Th serisi

18. 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.

19. 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.

20. 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.  - +

21. Bozunma türleri

22. 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.

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

24. Çeşitli bozunma şekilleri.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. Örnek beta bozunumları:

29. 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+

30. 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.

31. 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.

32. 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.

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

34. 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

35. 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.