Radyasyon : Dalga ya da parçacık biçiminde ışıma, enerji yayımlama olayı.

1. Radyasyon: Dalga ya da parçacık biçiminde ışıma, enerji yayımlama olayı. Radyasyon biyofiziği: İyonize edici radyasyonun biyolojik sistemler üzerindeki etkileri ile ilgilenen bilim dalı. Radyobiyoloji: Radyasyonun canlıda yarattığı biyolojik ve tıbbi sonuçlarla ilgilenen bilim dalı  Radyasyonla enerji transferi ya elektromanyetik dalgalarla ya da parçacık dalgaları ile olur.

2. Radyasyon: Bir enerji kaynağından çevresine enerji transferi ya doğrudan doğruya ya da radyasyonla olur. • Dalga, parçacık veya foton olarak adlandırılan enerji paketleri ile yayılan enerjidir. • Radyasyonun madde ile etkileşimi fiziksel, kimyasal ve biyolojik davranışını değiştirir. Alfa, beta parçacıklarından ya da gama fotonlarından atom ya da moleküllere kinetik enerjinin aktarıldığında, bu atomlar ve moleküller iyonlaşır ya da uyarılır.

3. Nükleer kuvvet (Çekirdek kuvveti): • Nükleonlar elektrik ve yer çekimi kuvvetlerinden farklı olan bir kuvvetle bir arada tutulurlar. • Bu kuvvet, küçük mesafelerde elektrik kuvvetinden daha büyüktür ve nükleonlar arasındaki mesafe arttıkça, hızla azalır.

4. Negatif P.E. nükleonlar arasındaki çekimi gösterir. Hem proton-nötron hem de nötron - nötron eğrileri r= 10-15 m civarında en düşük değerdedir. n-p kuvveti n-n kuvvetine göre daha güçlüdür çünkü potansiyeli daha negatiftir. 10-15 m civarı ani artış : küçük mesafelerde kuvvetli itim kuvveti

5. Çekirdekteki nötron-proton oranını belirleyen iki etmen: • 1. n-p kuvveti n-n kuvvetine göre daha güçlüdür. Bu, proton-nötron sayısının eşit olma eğilimini doğurur. • 2. Protonlar arası itim kuvveti. Bu kuvvet p sayısı büyüdükçe, büyür. Bu itici kuvvetler, nötron sayısının proton sayısından daha fazla olma eğilimini doğurur. • Hafif çekirdeklerde (kütle numarası düşük elementlerde, A 40) , ilk etmen ağırlık kazanır: kararlı çekirdeklerde proton, nötron sayısı eşit gibidir. • Daha ağır çekirdeklerde (A  40, p sayısı fazla) ikinci etmen ağırlık kazanır. Nötron sayısı protonlardan daha fazladır. N, Z’den büyüktür • Z>84, Radyoaktif çekirdekler bulunmaktadır.

6. Çekirdeğin Kararlılığı: • Nükleonlarının sayısı bir çift sayı olan çekirdekler genellikle kararlıdırlar. • Çekirdeki nötron sayısının proton sayısına oranı da kararlılıkla kısmen ilişkilidir. • Kararlı çekirdeklerin nötron sayıları proton sayılarına göre bir grafikle gösterildiğinde bu elementlerin kararlılık kuşağı adı verilen bu bölgede yer aldıkları görülür.

7. Kararlılık Kuşağı • Kararlı nüklitlerden oluşan bir eğri • Hafif elementler, radyoaktif olmayanlar, yaklaşık eşit sayıda proton ve nötron içerirler. • Daha ağır elementlerden radyoaktif olmayanlarda nötron sayısı proton sayısından fazladır. • Kararlılık kuşağı üzerinde olmayan çekirdekler, radyoaktiftir.

8. Z yükseldikçe. nötron/proton oranı yavaşca artar. Pb gibi ağır, kararlı elementlerde bu oran yaklaşık 1.5’ tur Genelde, çift Z sayısına sahip izotoplar tek sayılılara göre daha kararlıdır. Radyoaktif bozunmanın temelinde çekirdekteki nötron-proton sayılarının yeniden düzenlenmesi yatar.

9. Kararlılık Çekirdekler, aşağıdaki yollardan biri ya da birkaçı ile kararlılığa ulaşırlar: • 1- Bir nötron’un proton’a dönüşmesi; n  p Çekirdekten bir NEGATRON (-) salınır negatron: çekirdek kaynaklı bir elektron nötron - proton dönüşümü gerçekleşir ve p/n oranı artar.

10. Kararlılık • 2- Bir proton’un nötron’a dönüşümü ; p  n. Bu olay ya: (a) Çekirdekten bir, pozitif elektronun: POZİTRON’un (+) yayılımı Ya da: (b) genellikle K-kabuğundan bir elektron yakalama-yolu ile Karbon-11 ‘in Bor-11’e bozunumu Berilyum-7’nin elektron yakalama yolu ile Lityum-7’ye bozunumu

11. Kararlılık • 3- Çekirdekten bir -parçacığının salınımı Yukarıdaki süreçlerden hepsine elektromanyetik dalgaların yayılması eşlik edebilir (çekirdek kaynaklı gamma-ışınları, ya da bir elektronun dış kabuktan iç kabuğa taşınmasına eşlik eden X-ışınları). Heliyum-3’ün Gamma Bozunumu

12. Radyasyonların Sınıflandırılması • Radyasyonlar, kararsız çekirdeğin saldığı parçacığın türüne göre sınıflandırılabilir. Radyasyonları, ayrıca doğal ve yapay olarak da sınıflandırabiliriz. • Kararlılık açısından ele alındığında, 3 durumdan söz edebiliriz: • A. kararsız çekirdek kararlılık kuşağının üstünde • B. kararsız çekirdek kararlılık kuşağının altında • C. kararsız çekirdek kararlılık kuşağının dışında (Z>83)

13. A. Kararsız Çekirdek Kararlılık Kuşağının Üstündeyse Çekirdeğin nötron-proton oranı çekirdeğin maksimum kararlılığı için gerekenden daha büyüktür; olasılıklar: (i) bir nötronun salınması (ii) bir beta parçacığının (negatron) salınması (i) bir nötronun salınması: çok ender Örneğin.: 52 He 4 2 He + 10 n t½ = 2 x 10-21 san. 87 36Kr8636Kr + 10 n t½ ~ 1 dak. (ii) bir beta parçacığının salınması: çok daha sık rastlanır; çekirdekten bir birimlik negatif yükün azalmasına yol açar. Bu bozunum sırasında, bir nötron bir proton’a dönüşür. Kütle numarası sabit kalır, atom numarası artar.

14. B. Kararsız Çekirdek Kararlılık Kuşağının Altındaysa Maksimum kararlılığı için nötron / proton oranı gerekenden daha küçük. Nötron sayısını arttırıp, proton sayısını azaltmalı (i) bir pozitron’un salınması : (01e , pozitif elektron, +) 3015 P 3014 Si + 01 e t½ = 2.5 dak. (ii) çekirdeğe K-kabuğundan bir elektronun alınması: K-yakalama 3718 Ar 3717Cl t½ = 35 gün K-yakalama K-kabuğundaki boşluğu doldurmak için bir dış kabuktan elektron K-kabuğuna düşer ve X-ışını cinsinden enerji açığa çıkar.

15. Kararsız Çekirdek Kararlılık Kuşağının Dışındaysa (Z>83) Bu çekirdekte ne kadar fazla nötron olsa da, proton sayısı çok yüksek olduğu için kararsızdır. Bu nedenle, kütlenin azaltılması gerekir. Bu, bazen birkaç aşamada gerçekleşir. Yüksek atom numaralı birçok çekirdek ALFA parçacığı (iki proton ve iki elektron) salarak yıkılır, 42 He. i. Tek aşamada: 21284Po 20882Pb + 42He t½ = 0.3 x 10-6 san.

16. ÇEKİRDEĞİN ÖZELLİKLERİ • Kütle ve Enerji • Atom çekirdeği, gram ile ifade edilemeyecek kadar küçüktür; bu nedenle farklı birimler kullanılır. • Bir atomun kütlesi atomik kütle birimleri ile ölçülmektedir. • Kütle hatası • Atomun kütlesi kendini oluşturan nükleonların toplam kütlesinden daha azdır.(Kütle hatası, massdefect) • Kütle hatası: Atomun kendisini oluşturan parçacıkların kütlesi- Atomun kendi kütlesi

17. BAĞLANMA ENERJİSİ: • Nükleonlar bir araya gelip çekirdeği oluştururlarken kütlelerinin bir bölümü enerjiye dönüşür. • Çekirdeğin parçalanması da aynı miktarda enerji gerekir. • Çekirdeği parçalamak için gerekli enerjiye bağlanma enerjisi denir. • Değişik atomların nükleon başına düşen bağlanma enerjileri hesaplandığında bu enerjinin, çok küçük çekirdeklerden başlayarak atom numaraları demir (56)civarındaki çekirdeklere kadar arttığı, buradan itibaren daha ağır çekirdekler içinde yavaş yavaş azaldığı görülür.

18. Nükleon başına düşen bağlanma enerjileri karşılaştırıldığında, bağlanma enerjisi küçük olan ağır çekirdekler kararsızdırlar. • Bu çekirdekler daha küçük çekirdeklere parçalanırsa ürün çekirdekler daha kararlı olacaktır. • Doğal radyoaktif çekirdeklerin parçalanma eğilimlerinin nedeni budur. • Çekirdeğin bu şekilde parçalanmasına Fisyon denir. • Fisyonla parçalanan çekirdekten büyük miktarda enerji açığa çıkar. • Atom bombasında ve nükleer enerji santrallarında açığa çıkan enerjinin kaynağı bu tür fisyon reaksiyonudur.

19. Çok hafif çekirdeklerin nükleon başına düşen bağlanma enerjileri dikkate alındığında bu çekirdeklerin birleşerek daha büyük çekirdekler oluşturmaları halinde daha büyük miktarlarda enerji açığa çıkacaktır. • Hafif çekirdeklerin birleşerek daha ağır çekirdekler oluşturmaları reaksiyonuna füzyon denir. • Kararlı olmayan bir izotop , , parçacıkları yayarak bozunuma uğrar. Yeni oluşan parçacık : • 1) kararlı olabilir veya • 2) kararsızdır ve bozunuma uğrar veya • 3) yüksek enerji durumundadır ve  ışınları yayar.

20. Uyarılma • Eğer aktarılan enerji iyonlaştırma için yeterli değilse, uyarılma gerçekleşir. • Yörüngeç elektrona enerji aktararak elektronu daha yüksek bir yörüngeç ya da enerji düzeyine yükseltmek • Uyarılmış durumda olan elektronlar elektromanyetik ışıma yaparak eski durumlarına geri dönebilirler.

21. İyonlaştırma • Net elektrik yükü olmayan bir atomdan ya da molekülden, bağlanma enerjisinden fazla bir enerji ekleyerek bir elektron koparmak ( kuru havada yaklaşık 33.9 eV) . • Bir iyon çifti oluşturma (pozitif ya da negatif atom, molekül ve serbest bir elektron) • İyon çiftleri, çevre madde ile etkileşerek daha fazla iyon çifti ya da ikincil iyonlaşmalara neden olabilirler. • Eğer aktarılan enerji yeterli değilse, uyarılma gerçekleşir.

22. İyonlaştırma ve Uyarılma

23. İyonlaştırıcı Radyasyon • Eğer kuantum enerjisi bir atom ya da molekülden elektronları koparmak için yeterliyse (E  10 eV), ışımaiyonlaştırıcıdır. • Enerjii eV , keV, MeV cinsinden. • 1 eV: yüklü,tek bir parçacığın 1 volt’luk gerilim farkından geçerken kazandığı kineiik enerji . • 1ev = 1.602 X 10-19 J • Doğrudan Doğruya İyonlaştırıcı Radyasyonlar ( yüklü ) • Dolaylı Olarak İyonlaştırıcı Radyasyonlar ( yüksüz )

24. Doğrudan doğruya iyonlaştırıcı radyasyonlar: Bunlar alfa, beta (pozitron), proton, ve döteron gibi yüklü parçacıkların radyasyonlarıdır. • Dolaylı olarak iyonlaştırıcı radyasyonlar: Kendileri yük taşımadıkları için dolaylı olarak iyonlaştırıcı radyasyonlardır. Bunlar X ışınları, gama ışınları ile nötron radyasyonlarıdır.

25. Doğrudan Doğruya İyonlaştırıcı Radyasyonlar

26. Dolaylı Olarak İyonlaştırıcı Radyasyonlar

27. RADYOAKTİVİTE: Kararlı çekirdekler bozunuma uğratılmadıkları sürece sonsuza dek bozunmadan kalırlar. Bir çekirdek en düşük enerji durumunda değilse bu çekirdek kararsızdır. Kararsız çekirdekler kendiliğinden parçacıklar salarak bozunuma uğrarlar. Bu olaya “radyoaktivite” denir.

28. Bir radyoaktif çekirdek kendiliğinden diğer bir çekirdeğe dönüşürken, bu dönüştüğü çekirdekte kararsız ise (radyoaktif ise) radyoaktif olmayan çekirdek bulunana kadar bozunum (kararlı duruma dönüşüne kadar) olur.

29. Radyoaktif Bozunmalar • Bu yıkılımlarda : • enerji • momentum • elektrik yük ve • nükleon sayısı KORUNUR. • Özellikle, toplam yük ve nükleon sayısı değişmez. Her radyoaktif nüklidin kendine has bir yıkılım biçimi vardır, ancak bazıları birden fazla biçimde bozunabilir (örnek: Bi214 ; hem  hem de ). • Bu bozunum tiplerini ayrı ayrı inceleyeceğiz

30.  Bozunumları: Alfa (α) bozunması, radyoaktif çekirdekten kütle numarası 4 atom numarası 2 olan bir taneciğin ayrılması sonucu gerçekleşir. Alfa bozunumu bir çekirdekten He+2 iyonunun çıkmasıdır. Yarı ömürleri yaklaşık 10-3 sn ile 1010 sene arasında değişir. Belli bir izotoptan α ışıması sırasında kinetik enerjileri yaklaşık olarak aynı olan parçacıklar yayımlanır. α parçacıklarının enerjileri 1.5 MeV ile 1.7 MeV arasında değişir.

31. Elektronlardan çok daha ağır Madde içinde düz bir hatta ilerlerler Her çarpışma bir atomu iyonlaştırdığına göre, alfa parçacığı durmadan (fazla enerjisini yitirmeden) önce, büyük zarara yol açar. Alfa Radyasyonu Süreksiz (ayrık) spektrumu vardır. Belli bir radyonüklit, yalnızca belli bir enerjiye sahip - parçacık yayımlar. Diğer bir deyişle, parçacıklar çekirdekten yalnızca belli olası enerjileri taşıyarak yayımlanırlar.

32. Alfa Radyasyonu Belli bir ortamda, aynı E ye sahip alfaların hepsinin erişme uzaklıkları aynıdır. Bu sınır E ile artar ve ortamın yoğunluğu ile azalır. R = k E3/2 Q E; MeV Q; g/cm3 R; cm k= 4.15 X 10-4 Atom sayısı düşük olan elementler için (hava, su, vücut) Havada Ra ( 4.8 MeV ) için, R 3.4 cm’dir. Sıvılarda, yumuşak dokuda, alfa parçacıklarının erişim uzaklıkları 10 – 100 m arasında değişir..

33. Alfa Radyasyonu Deriden içeri giremez ancak yutulduğu taktirde,vücudun belirli yerlerinde birikerek büyük zarara yol açabilir. Özellikle, alfa bozunumuna eşlik eden -radyasyonu endişe sebebi olabilir. Doğal -ışıma U, Th, Ra, Po Yapay - ışıma Plutoniyum a) Poloniyum 218’in akciğerlerde birikimi (b) Alfa radyasyonunun (parçacık) hücre düzeyinde her iki DNA zincirinde kırık oluşturması [EnvironmentalScience]

34. Alfa Parçacıkları -parçacıklarının aktardığı enrjinin bağıl etkinliği, aynı enerjiye sahip -parçacıklarına göre 20 kez fazladır. Radiyum and toriyum Kemik kanserleri (radiyum ) Akciğer kanserleri ( uraniyum maden ocağı ; radon gazı ile ilişkili ) Alfa parçacıkları deriden içeri girmese de, solunduklarında ya da yutulduklarında çok tehlikeli olular.

35. β Bozunumları: β parçacıkları yüksek hızda elektronlardır. Çekirdekten negatif veya pozitif elektronların yayılımıdır. • i.e. 10n 11 p + e- (0-1β) + ע veya • 11 p 10 n+ e + (0+1β) + ע • ע: nötrino: kütlesiz ve yüksüz parçacık • Atomik sayıları farklı, kütle numaraları aynı. • e- yayılımının sembolleri: 0-1β, β-,β, • e+ yayılımının sembolleri: 0+1β, β+,

36. β- bozunumu: Doğada ve yapay radyoaktivitede görülür. β+ bozunumu: Yapay radyoaktivitede görülür. Örnek: 146C 147N + e- (0-1β) + ע Bu şekilde üretilen elektronlar beta parçacıkları olarak adlandırılır. 146C kütlesi: 14.00324 147N kütlesi: 14.00307

37. Aralarındaki kütle kaybı: 0.0017 birim (0.156 meV) kinetik enerjiye dönüşür. Bu enerji β parçacığının ve nötrinonun kinetik enerjisidir. β parçacığı ve nötrino arasında bölüşür. Bu bölüşüm nedeniyle β parçacığının enerjisi geniş bir spektruma yayılır. Yani belli bir değeri yoktur, enerji belli değerler aralığındadır. Beta radyasyonunun erişim uzaklığı alfa radyasyonundan daha fazladır. Alfa ve beta parçacıklarından biyolojik sisteme aktarılan enerjinin büyük bir bölümü iyon çifti oluşmasına yol açar

38. Beta Parçacıklarının Madde ile Etkileşimi Elektronun küçük kütlesi ve yüksek hızı çarpışmalar ve saçılma sonucunda parçacığının izlediği yol zikzaklıdır (betalar elektronlar tarafından saçılırlar) Beta parçacıkları, alfalar gibi, yolları üzerindeki atomları iyonlaştırarak enerjilerini yitirirler ve belirli bir yol aldıktan sonra dururlar .Çoğu biyolojik madde için, ’ların erişim uzaklığı büyük ölçüde ELEKTRON YOĞUNLUĞUNA (yaklaşık olarak kütle yoğunluğuna) bağlıdır. Alfa ve beta parçacıklarının havayı iyonlaştırması www.triumf.ca/safety/rpt/rpt_2/node16.html Noel Giffin

39. X Işınları: • X ışınları, bir vakum tübünün anodu yüksek enerjili elektronlarla bombardıman edilirken elektronların anot atomları tarafından birden yavaşlatılmaları (Bremsstrahlung = Frenleme) sonucu elektron enerjilerinin elektromanyetik dalgalara dönüşmesi ile yapay olarak elde edilirler. • Belirli minimum bir değerin üstünde her dalga boyunda X ışını oluşur. • Diğer taraftan aynı olay esnasında anot materyaline özgü belirli dalga boyunda başka ışınlarda yayımlanır (Karekteristik X ışınları). • Tıpta dalga boyları tipik olarak 0.1-1 Angstrom aralığında olan X ışınları kullanılır. Bu ışınlar, vücuttaki değişik dokularda farklı derecede absorblanırlar. Bu ışınlar ince metal levhadan geçemezler.

40. Frenlenme Radyasyonu Beta parçacıkları, farklı ortamlardan geçerken, uyarmalar ve iyonlaştırmalara ve bunların sonucunda da: kimyasal fotokimyasal ve biyolojik etkilere yol açarlar. Aynı zamanda karakteristik X-ışıması da gerçekleşir. Betalar aniden durduklarında, elektromanyetik radyasyon meydana Frenlenme radyasyonu = Bremsstrahlung

41. Frenlenme Radyasyonu X-ışınları, madde içinde -parçacıklarına göre daha fazla ilerler. ’lar madde içinde durduktan sonra bile, oluşturdukları X-ışınları ilerlemeye devam ederler. İyonlaştırma, uyarma, saçılma ve soğurulma açısından. - ile + arasında fark yoktur. Şekil: Beta ışınlarının,onları durduracak kurşun plakaya yönlendirilmeleri. Betalar durduktan sonra, plakadan geçebilen X-ışınlarını oluştururlar..

42. X-Işınlarının Oluşturulması

43. Gama Bozunumları: Yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçerken yayılan fotonlardan üretilir. Radyoaktif izotopların çekirdek dönüşümlerinde (alfa,beta) ortaya çıkan gama ışınları kısa dalga boyunda, yüksek enerjili fotonlardır. Enerjileri görünür ışık ve X ışınlarından yüksektir. Yarı ömürleri genellikle çok kısadır. 23892U 23490Ra + 42He 23490U 23490Ra + γ Enerjileri: Yaklaşık 10 keV- 7 MeV

44. Gamma Işıması , - , + bozunumu ya da elektron yakalama olaylarının ardından gerçekleşir. 198 79Au ---------------198 80Hg (fazla enerji 0.41 MeV)--------------t1/2 = 2.89 gün Emaks= 0.96 MeV Tek bir fotonun yayımlanması----KARARLILIK  203Hg 14C  E E  14N 203Tl Z Z a) -ışımasının eşlik etmediği - ışıması b) -ışımasının eşlikettiği- ışıması

45. Gamma Radyasyonunun Madde ile Etkileşimi Gamma ışınları, yüklü parçacıklardan farklı olarak, enerjilerinin tamamına ya da büyük bir bölümünü bir dizi çarpışma yerine, tek bir etkileşimle yitirebilirler. 3 ana olay A. Fotoelektrik etki B. Compton etkisi C. Çift oluşumu

46. Gamma Radyasyonunun Madde ile Etkileşimi Bahsi geçen etkileşimlerin her biri( Fotoelektrik E, Compton S, Çift O) YÜKSEK-ENERJİLİ ELEKTRONLAR’ın ortaya çıkmasına neden olurler. Bunlar da madde içinde ilerlerken beta parçacıkları gibi davranarak başka atomları iyonlaştırırlar. Gamma ışınları, enerjileri ne olursa olsun,ışık hızı ile ilerlerler. Maddedeki hasar, - fotonlarının enerjilerini aktardıkları elektronlar tarafından gerçekleşir. Bunlar ortamdaki atomların iyonlaşmasına ve uyarımlarına neden olur.

47. A. Fotoelektrik Etki 0.1 MeV’den düşük foton enerjileri ile gerçekleşen etkileşim. Gelen X- ya da gamma ışını iç-yörüngedeki bir elektronun iyonlaşması sırasında tamamen soğurulur. Gelen foton ortadan kaybolurken, fotoelektron halini alan K-yörünge elektronu atomdan atılır. Foton ile maddedeki elektronlar arasındaki çarpışma  elektron önemli miktarda K.E. kazanabilir. Bazen, komşu atom ya da molekülleri iyonlaştırabilir. Foton enerjisinin tamamını elektron koparmak için harcar.

48. B. Compton Etkisi-Compton Saçılımı E  0.1 MeV Compton etkisi orta enerjili X- ya da gamma ışınları ile dış yörünge elektronları arasında meydana gelir. Hedef atomun iyonlaşması gerçekleşerek, fotonun yönü değişir, ve enerjisi azalır. Saçılan gamma ışınının dalga boyu gelen gamma ışınının dalga boyundan uzundur Comptonelektronu; K.E. (foton enerjisinin bir bölümü) Foton daha düşük bir enerji ve frekansla saçılır.

49. C. Çift Oluşumu Foton E  1.02 MeV. Foton, bir elektron-pozitron çifti oluşturmak üzere çekirdekle etkileşir. Bu enerji miktarı çiftin kütleleri için yeterlidir (her biri, 0.51MeV). Enerjinin fazlalığı bu parçacıklarla eşit olarak paylaşılarak yitirilir ve bunlar madde içinde ilerlerken iyonlaşmalar gerçekleşir. Sonuçta, pozitron bir elektron tarafından yakalanarak iki parçacığın yok olması (anhilasyon) gerçekleşir-her biri 0.51 meV’luk, zıt yönlü ve eşit enerjili iki foton açığa çıkar. Bu iki foton da, Compton saçılması ya da fotoelektrik etki ile enerjilerini kaybeder.

50. YARI - ÖMÜR Radyoaktif maddeler, kendilerine özgü bir bozunma hızına sahiptir. Radyoaktif izotopların bozunma hızı "yarı-ömür" adı verilen bir sayı ile belirtilir ve yarı ömür "t1/2" olarak ifade edilir. Yarı ömür (t1/2) radyoaktif ve bozunmaya uğrayan bir örnekteki atomların yarısının yok olması için geçen zaman olarak tarif edilir.