Gama bozunumu

Gama (y) ısınlarını 1900’de Uranyum üzerine çalışan P. Villard keşfetmiştir. Kütlesiz ve yüksüz elektromanyetik radyasyon olduğu E. Rutherford ve P. Andrea tarafından kanıtlanmıştır (Akyıldırım, 2011). Fotonlarla özdeştir. Hızı ışık hızına eşittir. Nüfuz etme özelliği çok yüksektir. Elektrik ve manyetik alanlarda sapmaz. Yüksek enerjili elektromanyetik dalgalardır. Gama bozunması, uyarılmış durumdaki bir çekirdeğin, fazla enerjisini, bir elektromanyetik ışıma (foton) yayınlayarak atmasıyla gerçekleşir (Bozkurt, 2013). Gama bozunumu denklemi,

zxn zxn + Y (2.19)

şeklinde verilir. X* uyarılmış durumdaki, X taban durumdaki çekirdek, y gama ışınıdır. Uyarılmış seviye genellikle alfa ya da beta gibi bozunumlar sonrası oluşur. Gama bozunmasmda, çekirdeğin kütle numarası (A) ve atom numarası (Z) değişmez; sadece enerji açığa çıkar, y-bozunumu yüksek bir uyarılmış düzeyden çekirdeğin daha düşük seviyedeki uyarılmış bir durumuna geçişte de yayımlanabilir (Bozkurt, 2013). Ürün çekirdek kademeli olarak ya da tek basamakta y radyasyonu salarak daha az enerjili bir seviyeye veya taban durumuna iner. Bu geçişler 10’9 saniyeden kısa zamanda gerçekleşir (Magill ve Galy, 2005; Akyıldırım, 2011). Çekirdek, başka bir parçacıkla çarpışma yapması sonucu veya daha yaygın olarak bir radyoaktif bozunmadan sonra uyarılmış durumda kalabilir. Şekil 2.7’de beta bozunumu sonucu uyarılmış çekirdek gamma ışını yayınlayarak taban duruma geçebilir.

Gama bozunumu elektromanyetik bir değişim olduğundan, ortalama ömür 10"16 s kadar olabilir. Gama spektrumu, her bir geçişe karşılık gelen kesikli çizgiler içerir. Gama enerjileri birkaç keV ile MeV mertebesi arasında değişir. Bağlı uyarılmış durumu bulunan her çekirdek gama ışınımı yapabilir. Bir çekirdeğin benzer düşük enerjiye ancak farklı toplam açısal momentuma sahip iki durumu olabilir. Bunlardan biri enerjice daha düşüktür ve iki durum arasındaki geçiş büyük açısal momentum değişimi gerektirdiğinden ve gama fotonu bu değişimi dengelemek zorunda olduğundan, düzeyler arası geçiş şiddetli bir şekilde engellenir. Bu tür uzun ömürlü nükleer düzeylere izomerik durumlar denir. Bu düzeylerin birbirine bozunmasma izomerik geçiş denir (Bozkurt, 2013). İzomerik geçişte ana çekirdeğin atom ve kütle numarası değişmez, y bozunmaları izomerik geçişlerdir. Bir alfa veya beta bozunması sonucu uyarılmış halde kalan çekirdeğe nükleer izomer; bu çekirdeğin gama ışımasıyla kararlı hale geçmesine de izomerik geçiş denir (Noz ve Maguire, 2007; Akyıldırım, 2011)

Gama ve X ışını gibi bütün elektromanyetik radyasyonlar birçok olayda parçacıklara benzer davranış gösterdiği için, çok küçük enerji paketleri anlamına gelmek üzere bu radyasyonların birim elemanına foton adı verilir (Seyrek,2007). Gama radyasyonlarıyla X ışınları farklıdır: x ışınları elektronik, y ısınları ise nükleer kökenlidir (Price, vd., 1957) ve elektromanyetik tayfın en yüksek frekanslı bölgesindedir (Akyıldırım, 2011). Gamma ışınlarının enerjileri 0,1-10 MeV arasında, çekirdek durumları arası enerji farkı mertebesindedir. 104 ile 100 fin dalgaboyu aralığına karşılık gelir. Bu dalgaboyları diğer elektromanyetik radyasyon tiirlerininkinden çok daha kısadır. Görünür ışık, y ışınlarından 106 kat daha uzun dalgaboyuna sahiptir (Krane, 1987) y-ışını ortamda Ş, a daha fazla yol alır, geç absorbe olur.

Alfa ve beta parçacıklarına göre, gama ışınlarının madde içine nüfuz etme kabiliyetleri çok daha fazla, iyonlaştırma kabiliyetleri çok daha azdır. Birkaç santimetre kalınlığındaki kursun bloklarla sadece bir kısmı durdurulabilir. Bir engelle etkileşen gamanın şiddeti üstel fonksiyonla azalır (Akyıldırım, 2011). Gama yayınlanmasının yarı ömrü diğer bozunumlarla kıyaslandığında çok kısadır, genellikle 10’9 saniyeden daha küçüktür, ancak saat, gün mertebesinde yarı ömürlü olanları da vardır. Enerji spektrumları kesiklidir. Radyasyonun belli bir frekansı için bütün paketlerde taşman enerji aynıdır (Seyrek, 2007).

E = hv

Açığa çıkan gamaların enerjileri

Ey = hv = E2 — E±

(2.20)

(2.21)

olacak şekilde iki seviye arasındaki farka eşittir (Akyıldırım, 2011). İki nükleer durum arasındaki y-geçişine enerjinin korunumu yasası uygulandığında:

MqC2 = MPc2 + Ey + Tr (2.22)

Ey foton enerjisi, Mo* üst düzey durumun kütlesi, Tr geri tepen çekirdeğin y yayımı sonrası kinetik enerjisidir. Momentumun korunumu yasası uygulandığında p^=Pr olur.

pÇ fotonun momentumu, Pr geri tepen çekirdeğin momentumudur. Geri tepen çekirdeğin kinetik enerjisi çok küçük olduğundan sistem rölativistik olmayan mekanik ile incelenebilir (Bozkurt, 2013).

T_xr Pr _ Py _ E2

2M0 2M0 2M2 (2.23)

Açısal momentumun ve paritenin korunumu farklıdır ve fotonun özelliklerini etkiler Açısal momentumun korunumu, çekirdeğin iç yapısı hakkında bilgi verir. Durgun bir çekirdek, gama bozunumu ile daha düşük bir enerji düzeyine geçiş yapar ve tek bir foton yayar. Çekirdeğin ilk ve son durumları belli bir açısal momentuma ve pariteye sahiptir. Foton pariteyi ve açısal momentumu korur. Her foton, Planck sabiti (h)’nin tamsayı katı kadar açısal momentum (spin) taşır ve belli bir pariteye sahiptir (Bozkurt, 2013).

Gamma geçiş ihtimalinin büyüklüğü, geçiş matris elamanının büyüklüğüne bağlıdır. Fakat hesaplanan geçiş ihtimali büyük olsa bile, gamma ışınlarının yayınlanabilmesi için, seçim kuralları adı verilen kuralların yerine getirilmesi gerekir. Kuantum mekaniği hesaplarına göre, multipol moment basamağı Ly olan bir ışınım fotonu sistemden Lr, h değerinde bir açısal momentum götürür. Buna göre elektriksel multipol ışınımlar için

parite |^| = (—l)Lv ile ve magnetik çok kutuplu ışınımlar için ise Py = — (—l)Lr

verilir (Aytekin, 2010a). Gamma ışımasının olabilmesi için gerekli şartlar parite ve toplam açısal momentumun korunumu olup bunlara seçim kuralları adı verilir. Pj=PsPY

/i = Js + Ly (2.24)

Ji=Js=O ise Ly sıfır olması gerekir. Sıfır açısal momentumlu foton olmayacağından, foton yayınlanması mümkün değildir. |/j -/5| = AJ < Ly <J[+JS olabilir. AJ ne kadar

büyükse çekirdek dönüşüm olasılığı o kadar küçüktür. En küçük açısal momentum değişimi gösteren geçişler en büyük olasılıklı olur (Aytekin, 2010a).