Bölüm 7

Bölüm 7

Radyasyon

İÇİNDEKİLER

 Maddenin Yapısı ve Atom

 Radyasyon Nedir?

 Radyasyon Tipleri

 İyonizasyon

 Fotoelektrik Olay

 Compton Olayı

İÇİNDEKİLER

 Çekirdekleri Bazı Özellikleri

 Kararlı Çekirdekler

 Bağlanma Enerjisi

 Çekirdek Spini ve Manyetik moment

 Radyoaktiflik

 Radyoaktif Bozunma

 Doğal Radyoaktiflik

 Çekirdek Reaksiyonları

Maddenin Yapısı

 Madde; moleküller oluşturmak için bir araya getirilen atomlar denilen küçük parçacıklardan oluşur.

 Madde, uzayda yer kaplayan (hacim), kütlesi olan tanecikli yapılara denir.

 Maddenin en küçük yapı birimi atomlardır. Atomlar birleşerek

maddeleri meydana getirir. örneğin: iki hidrojen atomu ile bir

oksijen atomu birleşerek suyu meydana getirirler: H

O

Atom

+ + +

+ + + +

-

-

- - - -

-

- + +

Proton

- ^Elektron

Atom; elektron, nötron ve protondan oluşmuştur.

Nötron

Kuarklar

RADYASYON NEDİR?

 Radyasyon, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçiminde enerji yayılımı ya da aktarımıdır.

RADYASYON ÇEŞİTLERİ

Dalga

-İnfrared

-Görünür Bölge -Mikrodalga

-Radyo Dalgaları

İYONLAŞTIRIC I OLMAYAN

(<10 eV)

Parçacık

-Alfa -Beta -Nötron

Dalga

- ^Gama

-X ışınları

İYONLAŞTIRIC I

(>10 eV)

RADYASYON TANISI

Gözle görülmez

Dokunarak algılanmaz

Sesi duyulmaz

Tadı alınmaz

Kokusu alınmaz

Kişisel yaka Dozimet

re

İyonlaşma bir elektronun bir atomdan atıldığı ve daha sonra elektriksel olarak yüklü hale getirildiği bir işlemdir.

İYONLAŞMA

Işık bir metal yüzeyi aydınlattığında , fotonlar emilir ve elektronlar yüzeyden yayılır.

Işık → akım!

Elektronların maksimum kinetik enerjisini ölçebiliriz: ters voltaj - C negatif ve T pozitif ; Gerilim artar

Katota en hızlı elektronlar ulaşır ve bir akım üretir.

K

= eV

=

Fotoelektrik Olay

Elektronlar, gelen ışığın enerjisi (E), metalin eşik değeri olan iş fonksiyonunun (W) altında ise yayılmazlar yani fotoelektrik olay gerçekleşmez.

Fotoelektrik Olay

W

�=h� = h�

�

�

= � −�

1

2 � �

=h� −�

Fotoelektrik Olay

�=h� = h�

�

�

= � −�

1

2 � �

=h� −�

1) Şiddet artarsa, elektrik alan genliği daha büyük olur, bu nedenle

elektronlar yüksek hızla kopacak, bu nedenle maksimum KE artacaktır

I ∝ E

2) Işığın frekansı, koparılan elektronların KE'sini etkilememektedir; tek renkli ışık varsayılmaktadır: tüm fotonların enerjisi aynı, hf

3) Işık demetinin şiddeti, ışındaki fotonların sayısı ile orantılıdır.

4) Elektronların maksimum kinetik enerjisi ışığın şiddetinden bağımsızdır.

5) Işık frekansı arttırılırsa maksimum KE doğrusal olarak artar

Compton Olayı

m0: elektronun durgun kütlesi

Deneyler gösterir ki: fotonlar saçılma sürecindeki enerjilerinin bir kısmını kaybeder.

Foton teorisi: fotonlar materyalin elektronlarıyla çarpıştığında, enerjinin ve momentumun korunumunu öngörür

�

= �+ h

�

� ( 1− ��� � ) = �+ �

( �− ��� � )

Gelen   x-ışını

Detektör

Saçılan x-

ışınları

Kolimatör

X-ışınları madde ile çarpıştığında bir kısmı saçılmaya uğrar. Saçılan ışımanın dalga boyu, gelen ışımanın dalga

boyundan daha büyük olur.

olur.

E=hf=hc/

Compton Olayı

�^′=�+ �_�(� −��� �)  

Gelen x-ışını

Detektör

Saçılan x-

ışınları Kolimatör

Çekirdekleri Bazı Özellikleri

Tüm çekirdekler iki tür parçacıktan oluşur: protonlar ve nötronlar. Tek istisna, tek bir proton olan sıradan hidrojen çekirdeğidir. Tanımlamada, çekirdeğin yükleri, kütleleri ve yarıçapları gibi bazı özelliklerinde şu nicelikleri kullanırız:

• Çekirdekte bulunan proton sayısına eşit Z atom numarası,

• Çekirdeğin içindeki nötron sayısına eşit N sayısı,

• Çekirdeğin içindeki nükleonların (proton+nötron) sayısına eşit olan kütle numarası A.

Çekirdekleri temsil etmek için kullandığımız sembol X elementin kimyasal simgesi olmak üzere,

Şeklinde verilir.

Çekirdekleri Bazı Özellikleri

Yük ve Kütle

Proton tek bir pozitif e=1,6x10^-19 C yük taşır, elektron ise tek bir negatif yük e=- 1,6x10^-19 C yük bulunur ve nötron elektriksel olarak nötrdür.

Nötronun yükü olmadığı için, tespit etmek zordur. Proton, elektrondan yaklaşık 1836 kat daha büyüktür ve protonun ve nötronun kütleleri neredeyse eşittir.

Atomik kütleler için birleştirilmiş kütle birimi u, ¹²C izotop'nun bir atomunun kütlesi tam olarak 12u olacak şekilde tanımlanmaya uygundur, burada 1 u =

1.660559x10^-27 kg.

Proton, Nötron ve Elektron’un değişik birimlerde değerleri

KÜTLE

Parçacık kg u MeV/c²

Proton 1.6726x10²⁷ 1.007 276 938.28

Nötron 1.6750x10²⁷ 1.008 665 939.57

Elektron 9.109x10³¹ 5.486x10^-4

0.511

Çekirdekleri Bazı Özellikleri

Çekirdeklerin Boyutu

Çekirdeklerin büyüklüğü ve yapısı ilk olarak saçılma deneylerinde Rutherford, enerjinin korunması ilkesini kullanarak, Coulomb iticilik kuvvetinden önce

doğrudan çekirdeğe doğru hareket eden bir alfa

parçacığının çekirdeğe ne kadar yakın gelebileceğinin bir ifadesini buldu.

1

2 � �

= � �

�

� → �= 4 �� �

� �

Rutherford saçılma deneyleri sırasında, bir çok deney, çoğu çekirdeklerin yaklaşık olarak küresel olduğunu ve ortalama bir yarıçapa sahip olduğunu göstermiştir.

� =�

�

�

=1.2 � 10

�

Copyright © 2006 by Serway, College Physics,7th Ed.

Nükleer Kararlılık

Çekirdeğin sıkı olarak paketlenmiş proton ve nötron topluluğundan oluşması göz önüne alındığında,

protonlar arasındaki çok büyük itici elektrostatik kuvvetler, çekirdeğin parçalanmasına neden olmalı.

Bununla birlikte, çekirdekler diğer bir kısa menzilli (yaklaşık 2 fm) kuvvetin varlığı nedeniyle kararlıdır:

nükleer kuvvet, tüm nükleer parçacıklar arasında

etkiyen çekici bir kuvvettir. Protonlar nükleer kuvvetle birbirlerini çekerler ve aynı zamanda Coulomb kuvveti vasıtasıyla birbirlerini iterler. Çekici nükleer kuvvet aynı zamanda nötron çiftleri ve nötronlar ile protonlar arasında da etkimektedir.

Çekirdeklerinin, eşit sayıda proton ve nötron içerdikleri için en kararlı olduklarını, dolayısıyla N = Z olduğunu, ancak ağır çekirdeklerin N>Z olması durumunda daha kararlı olduğunu unutmayın.

Bağlanma Enerjisi

Bir çekirdeğin toplam kütlesi daima çekirdeklerinin yığınlarının toplamından daha azdır. Ayrıca, kütle başka bir enerji tezahürü olduğu için bağlı sistemin (çekirdek) toplam enerjisi ayrılmış nükleonların birleşik enerjisinden daha azdır.

Enerjide bu farklılığa çekirdeğin bağlanma enerjisi denir ve onu, ayrılmış

nötronlara ve protonlara ayırmak için bir çekirdeğe eklenmesi gereken enerji olarak düşünülebilir.

�

( ��� )=∆ � �

= [ ^{( � �}

^{+ � �}

^{) − �}

] ^931.5 _� ^���

• Proton: m_p = 1.007276 u

• Nötron: m_n = 1.008665 u

• Elektron: m_e = 0.000548580 u

Çekirdek Spini ve Manyetik Moment

Bir elektronun spin ile ilişkili iç açısal momentumuna sahip olduğu gerçeğini tartıştık. Bir çekirdek, bir elektron gibi, göreceli özelliklerden kaynaklanan iç açısal momentuma sahiptir. Nükleer açısal momentumun büyüklüğü , burada nükleer spin olarak adlandırılan bir kuantum sayısıdır ve bir tam sayı veya

buçuklu tamsayı olabilir. Nükleer açısal momentum, her nükleonun hem orbital hem de spin açısal momentumunu içeren toplam nükleon momentumudur.

Nükleer açısal momentum, elektronunkine benzer nükleer bir manyetik momente sahiptir. Bir çekirdeğin manyetik momenti, nükleer magneton, _n açısından ölçülür, manyetik moment birimi şu şekilde tanımlanır

� _� = �ℏ 2 � _�

Radyoaktiviteyi kim keşfetti?

Antoine Henri Becquerel

Marie Curie

Radyoaktiflik

 Bir radyoaktif madde tarafından üç tür radyasyon yayılabilir:

 Alfa () : çekirdekleri;

 Beta () : elektron ya da pozitronlar

 Gama Işını () : yüksek enerjili fotonlar

  

Copyright © 2006 by Serway, College Physics,7th Ed.

Radyoaktiflik

 Alfa () : çekirdekleri;

 Beta () : elektron ya da pozitronlardır

 Gama Işını () : yüksek enerjili fotonlar

  

Alfa parçacıkları(2n, 2p) Beta parçacıkları(e- veya +)

Gama ışını-Fotonlar (hf)

Kağıt Doku Beton

Radyoaktiflik

Radyoaktif Bozunma

 Bir radyoaktif numunenin aktivitesi, atomların bozulmaya maruz kalma oranıdır.

 N (t), herhang ibir t anında mevcut atomların sayısı ise, o zaman R aktivitesi

�=− ��

��

dN/dt negatiftir, bu nedenle aktivite pozitif bir niceliktir.

SI aktivite birimi, becquerel: 1 becquerel = 1 Bq = 1 parçalanma / saniye.

CGS aktivite birimi curie (Ci) : 1 curie = 1 Ci = 3.70x10¹⁰ parçalanma/s = 37 GBq.

Radyoaktif bir numune için genel bir bozulma eğrisi aşağıdaki gibidir:

� =�

�

Burada N, t anında mevcut olan radyoaktif çekirdeklerin sayısıdır, N₀ ise t=0 anında mevcut çekirdek sayısıdır.

Radyoaktif Bozunma

 Radyoaktif bozunmanın karakterizasyonu için yararlı olan bir başka parametre, T_1/2 yarı

ömrüdür. Bir radyoaktif maddenin yarı ömrü, verilen radyoaktif çekirdek sayısının yarısının bozunması için gereken süreyi belirtir.

Yarılanma ömrü kavramını kullanarak, aşağıdaki gibi yazılabileceği gösterilebilir:

Yarılanma ömrü

�

= ��2

� = 0.693

�

Copyright © 2006 by Serway, College Physics,7th Ed.

Doğal Radyoaktiflik

 Radyoaktif çekirdekler genellikle iki gruba ayrılır:

(1)Doğada bulunan, doğal

radyoaktiviteye neden olan kararsız çekirdekler ve

(2)Nükleer reaksiyonlarla laboratuvarda üretilen ve yapay radyoaktivite

gösteren çekirdekler.

Bozunma serisi ²³²Th ile başlar ve

208Pb kurşun izotopu ile sonlanır

Copyright © 2006 by Serway, College Physics,7th Ed.

Çekirdek Reaksiyonları

Çekirdeklerin yapısını enerjik parçacıklarla bombalayarak değiştirmek mümkündür.

Bu tür değişikliklere çekirdek reaksiyonları denir. Rutherford, Bombardıman edilen parçacıklarla doğal olarak oluşan radyoaktif kaynakları kullanarak çekirdek

reaksiyonlarını ilk gözlemleyen kişi oldu.

Alfa parçacıklarının azot atomlarıyla çarpışmasına izin verildiğinde protonların serbest bırakıldığını bulmuştu.

2

��

4

+

� →

� + �