Nkleer bozunma ve Radyoaktiflik Ders 5 Uran ve

Nükleer bozunma ve Radyoaktiflik Ders 5

Uran ve toryum elementlerin radyoaktif bozunmalarının bilinmesi nükleer fiziğin başlamasında önemli rol oynamıştır. 235 U ve 238 U 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)

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.

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

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.

Radyoaktif bozunma kanunu: Suni radyoaktiflik örnek: 27 Al( , n)30 P ( +) 30 Si bu reaksiyonda Q=-2, 64 Me. V 6 Me. V enerjiye sahip alfa çekirdek ( 27 Al) ile reaksiyona girer. Reaksiyon ürünü 30 P kısa bir süre + ile bozunmaya devam eder. Bir radyoaktif elementin özeliği: 1 -Radyoaktif tip (hangi çeşit ürün , veya ) 2 -Radyoaktif enerjisi 3 -Yarı-ömür

Eğer bir t anında N radyoaktif çekirdek varsa ve numuneye yeni çekirdek ilave edilmiyorsa dt zaman aralığında bozunan d. N çekirdek sayısı N le orantılıdır. A: Aktiflik dersek birim zamanda bozunmaya veya parçalanmaya denir. A=-(d. N/dt)= N (d. N/N)= - dt ve integrali alınırsa ln. N=- t+C N=N 0 e- t (*) Integrasiyon sabiti seçimi t=0 anında N=N 0 olduğu zaman.

t zamandaki aktiflik A=- N 0 e- t=A 0 e- t burada A 0=- N 0 Eğer t zaman aralığında N çekirdek sayısı yarıya iniyorsa biz bu zaman yarı ömür zamanı t 1/2 diyoruz. Eğer (*) denkleminde N=N 0/2 koyarsak t 1/2=ln 2/ =(0, 69315/ ) Ve ortalama ömür süresi ( ) =(1/ )=1, 443 t 1/2 t= anında radyoaktiflik 1/e=0, 36788 oranında azalır.

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= λ 1+ λ 2+…. . Г= Г 1+ Г 2+…

Radyoaktif birimler: Radyoaktiflik bir numunenin birim zamandaki bozunma sayısıdır ve bozunma/s uygun birimdir. Aktifliğin diğer birimi Curie (Ci) 1 Ci=3, 7 x 1010 bozunma/s Aktifliğin SI deki birim becquerel (Bq) saniyedeki birim parçalanmaya eşittir. 1 Bq=0, 27 x 10 -10 Ci Aktiflik radyasyonun enerjisi ve türü hakkında bilgi vermez. Eğer radyasyonun biyolojik bir sistem üzerindeki etkisini bilmek istiyorsak aktiflik bilgi vermez.

Diğer birimler: Röntgen: γ-ışının sebep olduğu 2 x 109 iyon çiftinin bir mililitredeki hava da oluşumudur. Röntgen=1 R=2, 58 x 10 -4 C/kg (hava)

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

Doğal radyo aktiflik: Yaklaşık 15 x 109 yıl önce oluşan elementler den çok azı halen radyo aktiflik devam ediyor. 40 K( -, + 1, 25 x 109 y), 147 Sm( 1, 06 x 1011 y), 87 Rb( - 4, 9 x 1010 y) 187 Re( - 5 x 1010 y) Bunlardan 235 U, 238 U ve 232 Th çok önemli. Bu elementler çeşitli yol ve şekilde karalı element oluşana kadar , veya ile bozunurlar.

Önemli seriler: Seri ana T 1/2 yıl çekirdek karalı çekirdek Thorium 232 Th 1, 4*1010 208 Pb 4 n Neptunium 237 Np 2, 1*106 209 Bi 4 n+1 Uran 238 U 4, 5*109 206 Pb 4 n+2 Actinium 235 U 7, 0*108 207 Pb 4 n+3 Np serisi bugün ölçülmüyor çünkü ömür bitmiş. Suni olarak üretimi mümkün. A=4 n+S serileri n: tamsayı, S=0, 1, 2, 3

238 U serisi

232 Th serisi

Dünyanın yaşı Bazı uzun ömürlü elementler: 10 Be, 14 C, 40 K gibi… Atmosferde sürekli 14 N(n, p)14 C reaksiyonu var. 14 C bozunumu ile 14 N bozunur (t 1/2=5730 y) ile yaş belirlemesi yapılır. 238 U ve 232 Th dünyanın yaşına yakın.

Bunun dışında önemli uzun ömürlü radyo aktif elementler: 14 C ( - ve t 1/2= 5730 yıl) kozmik ışınlar sonucu 90 Sr ( - ve t 1/2= 29 yıl) ve 137 Cs ( - ve t 1/2=30 yıl) Reaktörlerde ve atom bombası sonucu.

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. +

Bozunma türleri

Dallanma oranları ve yarı ömürler Örnek 226 Ac da t 1/2=29 h dır. Toplam bozunum t=0, 693/t 1/2=0, 024 h-1 =6, 6 x 10 -6 s Kısmi bozunma sabitleri =0, 83 t =5, 5 x 10 -6 s-1 t 1/2 =0, 693/ =35 h =0, 17 t =1, 1 x 10 -6 s-1 t 1/2 =0, 693/ =170 h = 6 x 10 -5 t =4 x 10 -10 s-1 t 1/2 =0, 693/ =55 y Eğer yukarda ki bozunmaya bakılırsa 226 Ac alfa nın yayınlanması beta dan daha baskın olduğu görülür.

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

Çeşitli bozunma şekilleri.

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 Me. V lik ile bozunur.

Alfa bozunumu ne zaman enerjik olarak mümkün? Reaksiyon yarıçapı R=Rç+R =r olduğu zaman. Ve Coulomb potansiyelini geçtiği zaman V(r)=2 Ze 2/r Normal kuantum mekanikte mümkün: Örnek: 226 Ra da Vc=26 Me. V, E =4, 9 Me. V Klasik mekanikte bu durumda alfanın çekirdeği terk etmesi mümkün değil.

Bozunumu: Bir protonun nötrona dönüşüm veya bir nötronun protona dönüşüm bozunumudur. Üç şekilde bozunur: n p+e-+ ’+078 Me. V - bozunumu (negatron) p n+e++ -1, 8 Me. V + bozunumu (pozitron) p+e- n+ -0, 78 Me. V elektron yakalama ( ) Neutrino da yayınlanır.

Örnek beta bozunumları:

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: 37 Ar+e- 37 Cl+

İçinde Cd – bulunan organik kristal n- nin Cd içerisinde absorbe olması E (toplam)=9, 1 Me. V Burada ölçülen 2 x 511 ke. V(positronun absorbe olması) gamma ve 9, 1 Me. V gammalar.

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.

Birde iç dönüşümle bir çekirdek bozunur. Burada çekirdek enerjisini direkt atoma aktarır ve atom da bir e- dışarı atılır. Laborda da bir serbest egözlenir. Bu beta bozunumundan farklıdır. Z ve N lerin sayısı değişmez atom uyarılmış olur. Onun dışında nükleon (proton ve nötron) yayımı var. örnek: 138 I %5 nötron (6, 5 Me. V) yayınlar %95 beta ile bozunur. 137 Xe bozunur.

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

Radioaktif yardımı ile yaş belirlenmesi: Örnek: 14 C Kozmik ışın dünya atmosferinde 14 N(n, p)14 C reaksiyonu ile 14 C(t 1/2=5730 y) 14 C sonra canlılarda 14 CO 2 oluşturur. Ölüm olunca bu oluşum durur. Zamanla 14 C azaldığı için ömür belirlenir. 1000 – 30000 yıl olarak hesaplanabilir. Başka örnek: Geografik yaş belirlenmesi. Buda izotopların oranı ile hesaplanır. 206 Pb/238 U, 207 Pb/235 U ve 208 Pb/232 Th gibi bu metotla dünyamızın yaşı tespit edilmiştir. 4, 5 x 109 y

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.