Nükleer Harita

Nükleer harita, iki boyutlu, yatay eksende nötron sayısı ve dikey eksende proton sayısının belirtildiği, üzerinde element atomlarının keşfedilmiş tüm izotoplarını barındıran, nükleer fizik çalışmalarında sıklıkla başvurulan bir kaynaktır. Nükleer haritada dört adet temel bölge vardır. Bunlardan birincisi haritada hemen hemen N=Z doğrusu boyunca uzanan kararlı çekirdeklerin oluşturduğu, kararlılık vadisi; ikincisi protonca zengin çekirdeklerin oluşturduğu, kararlılık vadisinden protonların

3

çekirdeklere bağlanamadığı proton dripline çizgisine kadar uzanan bölge; üçüncüsü yine aynı şekilde, nötronca zengin çekirdeklerin bulunduğu kararlılık vadisinden nötronların çekirdeklere bağlanamadığı nötron dripline çizgisine kadar uzanan bölge; dördüncüsü ise proton ve nötron sayıları çok büyük olan süper ağır çekirdekler bölgesidir (Şekil 1.1).

Şekil 1.1 Nükleer harita (www.triumf.info/hosted/iupap/icnp/result2_clip _image002_0000.jpg)

Nükleer haritada siyah noktalar, dünya üzerinde doğal olarak bulunan 291 adet kararlı çekirdeği göstermektedir. Kararlılık çizgisi etrafındaki pembe bölge ise şimdiye kadar laboratuvar ortamında üretilmiş 2000‘e yakın izotopun yerini göstermektedir. Proton ve nötron dripline‘a kadar olan yeşil bölge teorik olarak evrende var olduğu öne sürülen izotopları barındırmaktadır.

Proton dripline‘nın kararlılık vadisine yakın olmasının sebebi, protonların yüklü parçacık olması ve Coulomb itmesinden etkilenmeleridir. Nötron dripline ise kararlılık çizgisinden çok uzaktadır ve yeri tam olarak bilinmemektedir.

Kararlılık vadisinin yaklaşık olarak A=40‘a kadar N=Z doğrusu boyunca gittiği ve daha sonra bir miktar nötron dripline yönünde büküldüğü görülmektedir. Bunun sebebi, çekirdek içerisinde protonların sayısının artması ile Coulomb itme etkisinin belirginleşmesidir. Büyük çekirdeklerde proton sayısının artması sonucu kendisini hissettiren Coulomb etkisi ile nükleonlar arası güçlü etkileşmelerden doğan çekme kuvvetinin, kararlı izotoplarda birbirini dengelemesi, proton sayısından biraz fazla nötron sayısı ile mümkün olmaktadır.

4

Nükleer harita üzerinde dikkati çeken başka iki bölge, ―r-process‖ (rapid neutron capture reactions) ve ―rp-process‖ (rapid proton capture reactions) bölgeleridir. Bu bölgelerden rp-process bölgesi, yıldızlarda gerçekleşen proton yakalama olayı ile ilişkilidir. H yakma reaksiyonları ile bunu takip eden He yakma, C yakma, O yakma gibi reaksiyonlar A=60 çekirdeğinin oluşumuna kadar sürer. A>60 çekirdeğine ulaşmak için yüksek ısıya ve yüksek nötron akısına ihtiyaç vardır. Bu tip bir ortam yıldız patlamaları sırasında ortaya çıkar. A=60‘tan daha ağır çekirdeklerin oluşmasında baskın olan r – process ve s – process (slow neutron capture reactions) önemli rol oynar.

Bunlardan r-process kararlılık çizgisinin çok ötesinde kalır ve bilmediğimiz çekirdek bölgesinde yer alır. Bu bölgeye ulaşabilmek için yüksek şiddette nötron zengini radyoaktif demetlere ihtiyaç vardır ki, bu da ancak SPIRAL2 gibi teknik özellikleri gelişmiş hızlandırıcılar sayesinde gerçekleşebilir. Bu şekilde ağır çekirdeklerin oluşumu ve nükleer sentez hakkında daha güvenilir bilgiye ulaşılabilir (Heyde 1999).

Nükleer harita üzerinde (Şekil 1.2), x- ekseni boyunca gidildiğinde ¹³B, ¹⁴C, ¹⁵N, ¹⁶O gibi izotonları (proton sayıları farklı nötron sayıları aynı elementler), y- ekseni boyunca gidildiğinde ise ¹⁴C, ¹³C, ¹²C gibi izotopları (proton sayıları aynı nötron sayıları farklı elementler) gözlemek mümkündür. Nükleon sayıları aynı olan elementler ise (izobarlar) sağ üstten sol alta, köşegen bir çizgi boyunca gözlenebilir (¹⁶Ne, ¹⁶F, ¹⁶O). Nötron dripline‘dan kararlılık vadisine doğru giderken kararsız çekirdek ß^- bozunumu yaparken, proton dripline‘dan kararlılık vadisine doğru giderken ß⁺ bozunumu yapar.

Şekil 1.2 Nükleer haritanın bir kısmı (http://en.wikipedia.org/

wiki/Chart_of _nuclides)

İzotoplar ve bozunumlar yakın görünümde daha iyi anlaşılabilir

5 1.2 Nükleer Fizikte Güncel Sorular

Nükleer Fizik çalışmalarında birçok cevaplanmamış soru vardır:

Çekirdeklerin varlığının nükleer haritadaki sınırı nedir? Özellikle nötron ―drip-line‖ hattının nerede olduğu ya da bir çekirdek içindeki proton sayısının üst limiti hakkında çok az bilgi vardır. Şekil 1.1‘de laboratuar ortamında üretilmiş bilinen çekirdek bölgesinin dışında kalan büyük alan egzotik çekirdek bölgesi henüz bilinmemektedir.

Kararlılık kuşağından uzakta olan çekirdeklerde, nükleer maddenin yeni türleri nelerdir?

Kararlılık kuşağından uzakta kolektif hareketin yeni formları nasıldır?

Kararlılık kuşağından uzakta kuantum seviyelerinin dizilimi nasıldır? Başka bir deyişle: kararlı bir çekirdekte gözlenen ve iyi bilinen kabuk yapısı, çekirdek kararlılık kuşağından uzağa taşındıkça nasıl değişir?

Aşırı kararlılıkta nükleer maddenin şekli nasıldır? Bazı nötron bakımından zengin, hafif çekirdeklerin nötron halolara sahip olduğu bilinmektedir. Daha ağır çekirdeklerde bu yapı nötron kabukları içerisinde gelişiyor olabilir mi?

Kararlılık kuşağına yakın çekirdeklerde görülen dinamik simetriler egzotik çekirdeklerde de görülebilir mi?

Bu sorulara cevap aramak amacı ile özellikle Avrupa ve A.B.D.‘de sürekli olarak deneyler yapılmakta ve deneysel şartları geliştirmek üzere yeni teknikler geliştirilmektedir. Son yıllarda gerçekleşen en önemli atılım radyoaktif iyon demetlerinin kullanımı olmuştur. Bu sayede nötronca ya da protonca zengin egzotik çekirdeklere ulaşım mümkün olabilmiştir. Bundan sonraki aşama ise, şiddeti kararli çekirdek demetlerinden oldukça düşük olan radyoaktif demet şiddetlerini yükseltmek bu amaçla yeni teknikler geliştirmek olacaktır. Bu sebeple Avrupa‘da geliştirilmekte olan iki büyük proje vardır, birincisi Almanya‘da GSI Laboratuvarında gerçekleşmesi planlanan FAIR projesi (Spiller, P., Franchetti, G. 2006. FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research. Nuclear Instruments and Methods in Physics, Research A (561), 305 – 309.), ikincisi ise Fransa‘da GANIL Laboratuvarlarında yürütülen SPIRAL2 projesidir (www.ganil-spiral2.eu). Bu projeler sayesinde, 2013 yılından sonra, kararlılık kuşağından çok uzaktaki çekirdeklerin yapılarını inceleme olanağı bulabilir,

6

mevcut nükleer modellerin bu çekirdeklerin yapılarını açıklayıp açıklayamadığı sorusuna cevap verme olanağına sahip olabiliriz. Egzotik çekirdeklerin yapılarının incelenmesi için radyoaktif demetler dışında bir de bunlarla kullanılacak hassas ölçüm aletlerine, yani detektörlere ihtiyaç vardır. Bu konuda da çalışmalar süregelmekte, yeni teknikler geliştirilmekte, yeni tasarımlar önerilmektedir. Bu detektör projelerine örnek olarak Ankara Üniversitesi‘nin aktif olarak katılım sağladığı AGATA gama ışını iz sürme detektörleri projesi ve bu gama detektörleri ile birlikte kullanılmak üzere planlanan nötron detektör topluluğu projesi NEDA verilebilir.

Bu yüksek lisans bitirme tezinde, nötron detektör topluluğu NEDA‘nın tasarım çalışılmaları anlatılmaktadır. NEDA detektörlerinin simülasyonları, farklı geometriler ve farklı materyaller için, GEANT4 programı kullanılarak yapılmıştır. Bu tezin ikinci bölümünde SPIRAL2 radyoaktif demet hızlandırıcı porjesi ve SPIRAL2 ile birlikte kullanılmak üzere hazırlanan AGATA foton spektrometresi ve NEDA netron detektör topluluğu tanıtılmaktadır. Üçüncü bölüm, nötronlar ve bunların detektör materyali ile etkileşmeleri, dördüncü bölüm ise NEDA detektörlerinin tasarımının detaylı anlatımına ayrılmıştır. Beşinci bölümde sonuç ve tartışmalar yer almaktadır.

7

2. SPIRAL2 HIZLANDIRICI TESİSİ, AGATA VE NEDA DETEKTÖRLERİ

2.1 SPIRAL2 Hızlandırıcı Kompleksi

SPIRAL2 Projesi, Fransa‘nın GANIL Laboratuvarında başlatılmış olan ve radyoaktif demetleri yüksek şiddetlerde hızlandırmayı hedefleyen bir hızlandırıcı kompleksi projesidir. (Gales 2007). SPIRAL2‘nin 2013 yılından sonra kullanıma açılması beklenmektedir. Bu projede kararsız demetler, bir dönüştürücü kullanılarak ISOL (Isotope Seperation On-Line) yöntemiyle üretilecektir (Blumenfeld 2008). ISOL yönteminde iki hızlandırıcıya gerek vardır. Birinci hızlandırıcı, kalın bir hedef içinde radyoaktif atomların incelenmesi için kullanılır. Bu atomlar daha sonra iyonize edilir.

―Isotope seperator‖ yardımı ile istenen izotoplar seçilir ve ikinci hızlandırıcı (post-accelerator) yardımı ile tekrar hızlandırılır (Şekil 2.1).

Şekil 2.1 ISOL yönteminin şematik gösterimi.

Bu yöntemin kullanılan diğer ―Fragmentation‖ yönteminden üstünlüğü, üretilen demet şiddetlerinin daha yüksek olmasıdır.

Bu yöntem ile nükleer haritanın (Şekil 2.2) daha evvel ulaşılması mümkün olmayan bölgelerine ulaşılabilecektir. Nükleer Fizik‘teki temel araştırmalara ek olarak, SPIRAL2 Projesi deney düzeneği, özellikle yüksek akılı nötron demetlerinin gereksinim

8

duyulduğu materyal bilimleri, atom, plazma ve yüzey fiziği gibi bilim alanları için, disiplinler arası bir aygıt olma özelliği de taşıyacaktır.

Şekil 2.2 Nüklid haritası (http://www.ganil-spiral2.eu/images-presentation-us/spiral2/charte-2005-small.jpg/image)

Beyaz noktalar kararlı çekirdekleri, pembe alanlar ise SPIRAL2 ile ulaşılması hedeflenen bölgeyi göstermektedir.

2.1.1 SPIRAL2: Amacı

Nükleer fizikteki en temel soru nükleonlarda yer alan kuarklar ve gluonların yapısı ve nükleonlar çekirdekte bağlı durumda iken bu yapının olası başkalaşmaları hakkındadır.

Çekirdek içerisindeki nükleonların içyapısını ortaya çıkarmak için, yüksek enerjili elektronlar gibi çok hassas sondalar kullanmak gerekir. Bununla birlikte, çekirdekte bulunan nükleonlar arasındaki kuvvetler kuarkların ve gluonların birleşimleri arasındaki etkileşmelerin bir sonucudur. Bundan dolayı, nükleonlar arasındaki kuvvetleri anlayarak, içyapılarını dolaylı olarak sınamak mümkün olabilir. Bu yolla, SPIRAL2 kullanılarak yapılan araştırmalar, atom altı parçacıkların kuark yapılarının anlaşılmasına katkıda bulunacaktır.

9

Etkileşen nükleonlar ile kuark ve gluonların yapısı arasındaki bağ halen açık bir sorudur. Nükleer ortam tarafından tetiklenen modifikasyonlar, yüklerin ve akımların varlığı, ışık hızına yakın hızlara sahip olan nükleonların hareketleri, kuantum mekaniği yasalarının etkileri – Pauli dışlama prensibi ve Heisenberg belirsizlik ilkesi – problemi daha da karmaşık bir hale getirir. Şu anki durumda, serbest nükleonlar arsındaki etkileşmeler etraflıca çalışılmış olmasına rağmen, nükleonları çekirdek içerisinde bir arada tutan kuvvetler hakkında sahip olunan bilgi tatmin edici değildir. Bu bilgilere ulaşabilmek için güçlü hızlandırıcılara ihtiyaç vardır.

SPIRAL2 ile yapılacak olan reaksiyon çalışmalarının hedeflerinin birisi de, isospin serbestlik derecesinin keşfedilmesidir. Nükleer kuvvetin özelliklerinden bir tanesi yükten bağımsız olmasıdır. Bir başka deyişle nükleer kuvvet parçacık ayrımı yapmadan nükleonların etkileşmesinden sorumludur. Nükleonları ayırt etmek için isospin kuantum sayısı kullanılır. Protonlar için isospin kuantum sayısı mt = +1/2 iken nötronlar için m_t = -1/2‘dir. Yük asimetrik nükleer ortamdaki proton ve nötronların davranışlarının daha iyi anlaşılması, nükleer etkileşmeler hakkındaki şimdiki bilgilerin gözden geçirilmesi ve geliştirilmesi için ihtiyaç duyulan temel unsurdur. Nükleon-nükleon etkin kuvvetinin yapısı, nükleon efektif kütlesi ve ortalama alan ile iki cisim çarpışma etkileri arasındaki çekişme, kesinlikle göz önünde bulundurulan sistemlerin asimetrisine bağlıdır.

Böylelikle isospin serbestlik derecesinin yeni keşif alanları açması ve yeni nükleer özelliklerin kavranmasına imkan sağladığı aşikardır.

Çekirdeğin özelliklerini anlamak için, bileşenleri arasındaki etkileşimlere erişmek yeterli değildir; aynı zamanda nükleonların dizilimi ile gözlemlenmiş yapıları ve bağlanmalarının kökenindeki olguyu tanımlamak gereklidir. Çekirdeğin ve çekirdek ile bileşenleri arasındaki etkileşmeleri çalışmada son zamanlardaki en büyük ilerlemenin büyük kısmı, yeni çekirdekler sentezlemek, çekirdeğin teorik modellemesindeki gelişmeler kadar yeni çekirdekleri araştırmak için deneysel yöntemlerin geliştirilmesine bağlıdır. Olağan dışı proton sayısı / nötron sayısı oranlarından dolayı bu egzotik çekirdekler, çekirdeklerin bağlanmasının altında yatan olgunun şimdiye kadarki ilk çalışmalarını yapma imkanı verir.

10

Geleceğin nükleer güç sistemleri için yeni nükleer veriler gereklidir: 4. Nesil reaktör sistemleri, radyoaktif atık yönetimi ve füzyon olmak üzere tüm konular, hızlı nötronlar ve madde arasındaki etkileşmelerin tamamen anlaşılmasına ihtiyaç duymaktadır.

Parçalarına ayırma ve dönüşüm araştırılırsa, bilim insanları nötron bakımından zengin egzotik çekirdekler hakkında çok fazla bilgiye ihtiyaç duyacaktır. SPIRAL2 ile üretilecek olan egzotik çekirdekler ile bu tür bilgilere ulaşılacak deneyler yapılması hedeflenmektedir.

2.1.2 SPIRAL2: Teknik detaylar

Bu proje kapsamında ihtiyaç duyulan hızlandırıcı özellikleri sıralanacak olursa,

- Hızlandırıcı döteronları 40 MeV enerji, 5 mA akıma kadar ve kurşun gibi ağır iyonları ise yaklaşık 8 MeV enerji, 1 mA akıma kadar hızlandırmalıdır.

- Kütle – yük oranı A/q = 3 olan iyonlar için enerji optimizasyonu 14 MeV/u çıkış enerjisi verecek şekilde olmalıdır.

- Aynı zamanda kütle – yük oranı A/q = 6 olan iyonları da hızlandırabilecek şekilde genişletilebilir olmalıdır.

- Demet enerjisi en büyük enerjiden RFQ çıkış enerjisi kadar düşük bir enerjiye kadar ayarlanabilir özellikte olmalıdır. Deney düzeneğinin yapısı gelecekte olası bir ihtiyaçta 100 MeV/u enerjiye kadar yükseltileceği hesaba katılarak inşa edilmiştir.

- Bazı fizik deneylerinde, birkaç yüz ile birkaç bin adetlik demeti ayırt edebilmek için bir demet kesici gereklidir.

2.2 AGATA Detektör Küresi

AGATA, tamamen Germanyum detektörleriyle üretilmiş, 4π‘lik katı açının yaklaşık

%80‘ini kapsayan ve gamma ışınları iz sürme tekniğini benimseyen ilk gama ışını spektrometresidir. AGATA, çok iyi bir spektral tepki ve mümkün olan en iyi verimle birlikte, çok geniş bir enerji aralığındaki (10 keV mertebesinden 10 MeV mertebesine kadar) gama radyasyonunu ölçebilen, nükleer kararlılığın sınırlarındaki nükleer yapı çalışmaları için çok önemli bir deney düzeneği olacaktır. AGATA, şu anda kullanılan ve yakın gelecekte kullanılacak olan gama ışını spektrometrelerinden 100 ve hatta bazı

11

deneyler için 1000 kat daha güçlü olacaktır. AGATA‘nın en önemli özelliği, gama ışınlarının izlerinin sürülebilmesini sağlamasıdır. Agata, elektronik olarak 36 bölüme ayrılmış detektörlerden oluşur. Bu çok bölümlülük, gama ışınlarının detektörlerin içinde izlerinin sürülebilmesini sağlar. AGATA‘nın diğer önemli özellikleri arasında;

i. 1 MeV‘de yaklaşık %50 foto-pik verimi, ii. 5 mm‘den daha az konum çözünürlüğü, iii. 1 MHz‘e kadar tetikleyici oranı sayılabilir.

Şekil 2.3 AGATA küresinin 2π‘lik kısmı. (http://www-wnt.gsi.de/agata /ball.png)

2.2.1 AGATA: Bilimsel altyapı

AGATA, şu anda kurulmuş olan ve yakında kurulacak olan, radyoaktif ve aynı zamanda yüksek şiddette kararlı iyonların üretildiği, Avrupa Araştırma Altyapı Tesisleri için çok önemli bir fizik projesi olacaktır. SPIRAL2 bu tesislerin en önemlilerinden bir tanesidir.

AGATA küresi ile, egzotik çekirdeklerin araştırılması ve temel olarak tüm nükleer serbestlik derecelerinin araştırılması amaç edinilmiştir. Araştırılması planlanan konulardan bazıları;

i. Proton eşik çizgisinin (drip line) civarında bulunan protonca zengin çekirdeklerin ve N=Z çizgisinde bulunan orta ağırlıktaki çekirdeklerin incelenmesi

12

ii. Nötron eşik çizgisi yakınında bulunan orta ağırlıklı nötron zengini çekirdeklerin incelenmesi

iii. En ağır elementler ve yeni süper-ağır elementlerin keşfedilmesi.

Çekirdeğin iç serbestlik dereceleri aşağıdaki maddeler araştırılarak açıklanacaktır:

i. Çok soğuk reaksiyonlarda üretilmiş çok yüksek spin durumları.

ii. Çok büyük deformasyonlarda ve büyük spinlerdeki yarı kararlı durumlar.

iii. Çoklu fonon büyük rezonansları ve kuantum kaos gibi diğer yüksek sıcaklıklı olgular.

2.2.2 AGATA geometrisi

AGATA‘nın geometrik yapısı, 12 adet düzgün beşgen ve 180 adet düzgün altıgen‘in jeodezik dizilimi temel alınarak oluşturulmuştur. Böyle özel C–60 şeklindeki tasarımın simetrisinden dolayı, 3 adet diğerlerinden biraz farklı düzgün olmayan altıgen gereklidir.

Modülariteyi koruyarak detektörler arası boşluğu en aza indirmek için, 3 adet altıgen kristal (her türden bir tane) bir soğutucu tankta birleştirilmiştir. Beşgen detektörler ise ayrı ayrı soğutuculara bağlanmıştır. Her bir germanyum kristali alüminyum ile kaplanmış ve elektronik olarak 36 segmente bölünmüştür. Bu şekilde detektörlerin bir küresel kabuk yarattığını varsaydığımızda, küresel kabuğun iç yarıçapı 17 cm‘dir. Ge kristallerinin kapsadığı toplam katı açının yaklaşık %80‘i ve her bir 1 MeV enerjili gama ışığını için foto pik verimi %50 kadardır.

13

Şekil 2.4 AGATA detektörlerinin bir araya getirilmesi. (http://www-wnt.

gsi.de/agata/ setup.jpg)

6 bölmeli Ge detektöründen (1) 3 tanesi bir araya getirilerek bir üçlü detektör sistemi oluşturulur (2). Bu üçlü detektör sistemi ortak bir azot tankına bağlanır (3). Üçlü detektör kümelerinden 60 tanesi bir araya getirilerek 4π katı açıyı kaplayacak şekilde AGATA küresi meydana getirilir.

Resimde bu kürenin 2π‘lik kısmı görülmektedir (4).

AGATA küresinde toplam 6780 adet segment bulunmaktadır. Bu geometri sinyal şekli analizi (PSA) yönetimi ile birlikte, bize ölçülen parçacıklar için eşi olmayan bir konum hassasiyeti sağlar. İz sürme performansının gerçekçi simülasyonları, her bir gama ölçümü için %50 verim ve 1 MeV enerjili ve eşit zamanlı 30 (multiplicity = 30) adetlik gama ışını demeti için ise %25 verim olduğunu göstermektedir. AGATA‘nın en önemli özelliği ise 1^o‘den küçük açıyla yönelmiş gama parçacıklarının deteksiyonunun, hangi açıyla geldiğinin belirlenmesindeki hassasiyettir. Bu ise ışık hızının %50‘sine kadar olan hızlarda geri tepen çekirdeklerden yayınlanan parçacıklar için %0,5‘ten daha iyi enerji çözünürlüğü sağlar. Bu değer, diğer Ge detektörlerine göre iki kat daha büyüktür.

2.3 NEDA – Yeni Nesil Nötron Detektörleri

NEDA (NEutron Detector Array) yeni nesil nötron detektörleri, SPIRAL2 projesi kapsamında, aralarında Türk araştırmacıların da bulunduğu, Avrupa çapında yaklaşık yirmi fizikçi tarafından geliştirilmektedir. Detektörlerin isim babası Giacomo de

14

Angelis NEDA adını koyarken, Yunanistan‘ın güneyindeki Arkadia bölgesinde yer alan Lykaios dağı yakınlarından akan Neda nehrinden esinlenmiştir. Neda nehrinin adı Yunan mitolojisindeki Okeanid Naiad Nymph adlı peri kızından gelmektedir. Günümüz olanakları çerçevesinde ileri teknoloji ile üretilecek olan NEDA‘nın tasarımında, bundan önceki detektörlere göre daha verimli olması ve daha az çoklu ölçüm (cross-talk) algılaması yapması göz önünde bulundurulmaktadır.

SPIRAL2‘de yaratılacak olan egzotik çekirdeklerin çoğunluğu nötronca zengin olacaklar ve bozunurken çok sayıda nötron yayınlayacaklardır. Bu nötronların yüksek verimde ölçülebilmesi, zayıf olaslıkla oluşan reaksiyon kanallarının tanımlanabilmesini ve reaksiyon zincirlerinin takip edilebilmesini sağlayacaktır.

Bir nükleer reaksiyon sonrası nötronlar‘dan başka yüklü parçacıklar da (α, d, p gibi) dışarı salınabilir. Ancak bu yüklü parçacıkların menzili kısadır ve AGATA tipi bir kürenin içine yerleştirilecek olan detektörler ile ölçülebilirler. Nötronlar, yüksüz olmaları nedeni ile ölçümü daha zor parçacıklardır; bu konu 3. Bölümde ele alınmıştır.

15

3. NÖTRONLAR VE NÖTRONLARIN MADDE İLE ETKİLEŞMELERİ

1932 yılında İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından Liverpool Üniversitesi laboratuarlarında keşfedilen nötronlar, net elektrik yükü sıfır olan (nötr) ve kütlesi protonun kütlesinden biraz daha fazla olan atom altı parçacıklardır. Nötronlar genellikle çekirdek içerisinde bulunurlar. Nötronlara ve protonlarla daha genel olarak ―nükleonlar‖

denir. Çekirdekteki protonlar bir elementin atom sayısını belirler. Çekirdekteki nükleon sayısı ise o elementin kütle numarasıdır. Kütle numaraları farklı olan aynı elementin atomlarına izotop denir. Böylelikle nötron sayısı bir elementin izotoplarını belirlemiş olur. Örneğin ¹²C izotopunda 6 proton ve 6 nötron varken ¹⁴C izotopunda 6 proton ve 8 nötron bulunmaktadır.

Kararlı bir çekirdekte yer alan bağlı durumdaki nötronlar kararlı iken, serbest halde bulunan nötronlar kararsızdır. Serbest nötronlar, 15 dakikadan daha kısa yarılanma ömrüne sahiptir ve beta bozunurlar: n p e _e. Serbest nötronlar nükleer birleşme (füzyon) ve ayrılma (fisyon) reaksiyonlarında oluşurlar. Araştırma reaktörleri ve spallasyon kaynakları gibi özel nötron kaynakları, radyasyon ve nötron saçılma deneylerinde kullanılmak üzere serbest nötronlar üretirler. Kimyasal bir element olmamasına rağmen, serbest nötron bazen nüklid haritasına dahil edilir. Bu durumda haritada atom numarası ―0‖ ve kütle numarası ―1‖ olarak görünür. Denklem (3.1)‘de bir nötronun X atomu ile etkileşmesi görülmektedir.

Nötronlar enerjilerine göre şu şekilde isimlendirilirler:

Hızlı nötronlar: Enerjileri 1 eV‘den büyük, tanıma göre 100 eV ya da yaklaşık olarak 1 MeV olanlar.

Yavaş nötronlar: Enerjileri 0,4 eV‘den az ya da buna eşit olanlar.

Epitermal nötronlar: Enerjileri 0.025 eV ile 1 eV arasında olanlar.

Sıcak nötronlar: Enerjileri yaklaşık 0,2 eV olanlar.

Termal nötronlar: Enerjileri yaklaşık 0.025 eV olanlar.

Soğuk nötronlar: Enerjileri 5x10^-5 eV ile 0.025 eV arasında olanlar.

*

16

Çok soğuk nötronlar: Enerjileri 3x10^-7 eV ile 5x10^-5 eV arasında olanlar.

Oldukça soğuk nötronlar: Enerjileri 3x10^-7 eV‘den az olanlar.

Süreklilik bölgesinde olan nötronlar: Enerjileri 0.01 MeV ile 25 MeV arasında olanlar.

Rezonans bölgesi nötronları: Enerjileri 1 eV ile 0.01 MeV arasında olanlar.

Düşük enerji bölgesindeki nötronlar: Enerjileri 1 eV‘den daha az olanlar.

3.1 Nötron Etkileşmeleri

Nötronların madde içindeki davranışı yüklü parçacık veya gama ışınlarınkinden çok farklıdır. Nötronlar yüksüz olduklarından, nötronlarla atom elektronları ya da çekirdek arasında Coulomb kuvveti olmaz. Nötronların maddeyle etkileşmesi için ya çekirdeğe girmeleri ya da nükleer kuvvetler etkisinde kalmaları gerekmektedir.

Bu konu hakkında geniş bilgi Krane, K.S., Introductory Nuclear Physics, John Wiley &

Sons kaynağında verilmektedir.

3.2 Nötron Etkileşmelerinin Sınıflandırılması

Nötronun madde ile etkileşmesi şu şekillerde meydana gelir:

Esnek çarpışma

Esnek olmayan çarpışma Nötronların tutulması

Yüklü parçacık yayınlanması (n,p), (n,d), (n,t), (n,α), (n,αp) etkileşmeleri Fisyon

Spallasyon

3.2.1 Esnek çarpışma (n,n)

Bu etkileşme türünde, nötron bir atom çekirdeğine çarpar ve kinetik enerjisinin bir kısmını çekirdeğe aktardıktan sonra, kendi geliş doğrultusundan farklı bir doğrultuyla

17

çekirdekten uzaklaşır. Esnek çarpışmada çekirdeğin fiziksel yapısı değişmez.

çekirdekten uzaklaşır. Esnek çarpışmada çekirdeğin fiziksel yapısı değişmez.