Çekirdek
kararlı olmak ister
Çekirdekteki protonlar birbirini iter (Coulomb kuvveti), çekirdek kuvveti ise proton ve nötronları bir arada tutar. Bu iki kuvvet dengedeyse çekirdek kararlıdır. Denge bozulduğunda çekirdek, tanecik ya da elektromanyetik ışın yayarak kararlı hâle geçmeye çalışır — buna radyoaktivite denir.
Kararsız hâldeki atom çekirdeklerinin tanecik veya elektromanyetik ışın yayarak kararlı hâle geçmesi olayına radyoaktivite denir. Bir başka ifadeyle atom çekirdeğinin tanecikler veya elektromanyetik ışınlar yayarak bozunması olayına radyoaktivite, yapılan ışımaya ise radyoaktif ışıma denir.
Kendiliğinden veya dışarıdan bir etkiyle bozunuma uğrayabilen atom çekirdeklerine radyoaktif çekirdek, bu çekirdeklerin oluşturduğu maddelere ise radyoaktif madde denir.
Radyoaktif bozunma kendiliğinden gerçekleşirse doğal radyoaktiflik adını alır. Uranyum tuzunun hiçbir dış uyarı olmadan ışıması bunun ilk örneğidir.
Bozunma dışarıdan bir etki ile gerçekleşirse yapay radyoaktiflik denir. Uranyumun nötronla bombardıman edilmesi bu gruba girer.
| 1896 | Henri Becquerel | Uranyum tuzu kristallerinin hiçbir dış uyarı olmaksızın ışıma yaptığını ve bu ışımanın bir fotoğraf plağını kararttığını tespit etti. |
| 1898 | Pierre ve Marie Curie | Radyum ve polonyum elementlerini keşfettiler. |
| X ışını | Wilhelm Röntgen | İndüksiyon akımı yardımıyla bir tüpten yüksek gerilimli akım geçirdiğinde, tüpten uzakta duran cam kavanoz içinde parıltılar gözlemledi. O tarihte radyoaktivite bilinmediği için bu parıltılara X ışınları denildi. |
Röntgen ışınları çekirdekten değil, hızlandırılmış elektronların metale çarpmasından doğar; yani radyoaktif bozunmanın ürünü değildir. Adının “X” kalmasının sebebi de bu: keşfedildiğinde ne olduğu bilinmiyordu. Buna rağmen X ışınları da iyonlaştırıcı radyasyondur — 05. bölümde tekrar karşımıza çıkacak.
Bir atomun çekirdeğinde proton ve nötronlar arasında güçlü çekirdek kuvvetleri çekim etkisi oluştururken, protonlar arasında oluşan Coulomb kuvveti itme etkisi oluşturur. Çekirdek kuvveti ve Coulomb kuvveti birbirini dengelediğinde atom çekirdeği bir bütün olarak korunur ve bu durumdaki atomlara kararlı atomlar denir.
Atom çekirdeğindeki proton sayısına eşittir.
Atom çekirdeğindeki nötron sayısına eşittir.
Çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamıdır: A = p + n
Demir atomunun gösterimi ₂₆Fe⁵⁶ şeklinde yazılır. Buna göre demir atomunun proton sayısı 26 ve kütle numarası 56 olduğuna göre nötron sayısı 30 olur. Genel gösterimde sol alt köşedeki sayı Z (proton), sol üst köşedeki sayı A (kütle numarası) olur; nötron sayısı hiçbir zaman doğrudan yazılmaz, A − Z ile bulunur.
Kararlı çekirdeklerde nükleon başına düşen bağlanma enerjisi yüksektir. Çekirdek kuvveti Coulomb itmesini dengeler, çekirdek zamanla dağılmaz.
Çekirdek kuvveti ve Coulomb kuvvetinin dengesiz olmasından dolayı çekirdeği zamanla dağılan atomlara kararsız atomlar denir. Kararsız çekirdeklerde nükleon başına düşen bağlanma enerjisi düşüktür.
| Bölge | Konum | Kararlı hâle geçiş yolu |
|---|---|---|
| 1. Bölge | Kuşağın üstü, n/p > 1 (nötron fazlası) | Beta eksi (β⁻) ışıması yaparak kararlı hâle geçer. |
| 2. Bölge | Kuşağın altı, n/p < 1 (proton fazlası) | Pozitron ışıması yaparak ya da elektron yakalayarak kararlı hâle geçer. |
| 3. Bölge | Atom numarası 83’ten büyük | Alfa ışıması yaparak kararlı hâle geçer. |
Atom numarası 20’den küçük olan kararlı elementlerde nötron/proton oranı yaklaşık 1’dir. Yani hafif çekirdeklerde proton ve nötron sayıları neredeyse eşittir. Element ağırlaştıkça Coulomb itmesi büyüdüğü için kararlı kalabilmek adına daha çok nötron gerekir; kuşak bu yüzden yukarı kıvrılır.
Atom numarası 83 ve 83’ten büyük olan atomlarda kararlı element yoktur. Bu atomlar alfa, beta ve gama ışıması yaparak kararlı hâle geçebilir. Ağır elementler, nötron/proton oranı belli bir değere gelene kadar bu ışımaları arka arkaya yapar.
Kararsız çekirdekler, alfa ile beta bozunumu ve bu bozunumları takip eden süreçte gama bozunumu yaparak kararlı hâle geçer. Bu süreç radyoaktif bozunma veya radyoaktif parçalanma olarak adlandırılır. Kararsız çekirdek, radyoaktif parçalanma sonucunda kararlı başka bir çekirdeğe dönüşür.
Alfa bozunumu, atom numarası büyük olan ağır elementlerin, helyum atomu çekirdeği (₂He⁴) yayınlayarak başka kararlı bir çekirdeğe dönüşmesi olayıdır. Alfa parçacığı yayınlayan atomun atom numarası 2, kütle numarası 4 azalır.
₉₂U²³⁸ → ₉₀Th²³⁴ + ₂He⁴
Alfa parçacığı, enerjisi çok çabuk kaybolduğundan fazla yol alamaz. Bu yüzden alfa parçacığı, bir kâğıt sayfasının içinden geçemez. Bozunma sırasında atom, enerjisinin bir kısmını alfa parçacığına aktaracağından atomun enerjisi azalır.
Beta bozunumu, kararsız çekirdeğin kararlı hâle geçebilmesi amacıyla fazla nötrondan kurtulmak için elektron (e⁻), fazla protondan kurtulmak için pozitron (e⁺) fırlatması olayıdır.
Her iki beta türünde de çekirdekten çıkan tanecik nükleon değildir; bu yüzden kütle numarası A değişmez. Değişen yalnızca proton ile nötronun birbirine dönüşmesidir.
β⁻ bozunumunda nötron; bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya bozunur. Çekirdeğin nötron sayısı 1 azalır, atom numarası (proton sayısı) 1 artar, kütle numarası değişmez.
n → p + e⁻ + antinötrino
₆C¹⁴ → ₇N¹⁴ + e⁻ + antinötrino
Karbon (C) atomu beta bozunumu sonucunda azot (N) atomunu oluşturur.
β⁺ bozunumunda proton; bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya bozunur. Çekirdeğin atom numarası (proton sayısı) 1 azalır, nötron sayısı 1 artar, kütle numarası değişmez.
p → n + e⁺ + nötrino
₇N¹² → ₆C¹² + e⁺ + nötrino
Azot (N) atomu pozitron yayınladığında karbon (C) atomunu oluşturur.
Alfa ya da beta bozunumuna uğramış bir çekirdek uyarılmış hâldedir. Bu çekirdekler ikinci defa bozunuma uğrayarak enerjilerinin bir kısmını foton yayınlayarak dışarıya vermesi olayına gama bozunumu denir. Bu nedenle gama ışınlarının nüfuz etme gücü çok yüksek olup bu ışınları durdurmak için kurşun levha kullanılır. Gama bozunumunda çekirdeğin atom numarası ve kütle numarası değişmez.
₅B¹² → ₆C¹²* + e⁻ + antinötrino
₆C¹²* → ₆C¹² + γ
Bozunuma uğramış ₅B¹² çekirdeği uyarılmış ₆C¹² çekirdeğine dönüşür; bu çekirdek de gama bozunumu sonucu taban enerji seviyesine geçerek kararlı hâle gelir. Yani gama, çoğunlukla alfa ya da betanın devamıdır, tek başına başlangıç olmaz.
| Bozunum | Yayılan | Z (proton) | n (nötron) | A (kütle) |
|---|---|---|---|---|
| Alfa (α) | ₂He⁴ çekirdeği | 2 azalır | 2 azalır | 4 azalır |
| Beta eksi (β⁻) | elektron + antinötrino | 1 artar | 1 azalır | değişmez |
| Beta artı (β⁺) | pozitron + nötrino | 1 azalır | 1 artar | değişmez |
| Gama (γ) | foton | değişmez | değişmez | değişmez |
İkisinde de A değişmez; ayırt edici olan Z’nin yönü. Nötronu fazla olan çekirdek nötronunu protona çevirir → proton sayısı artar → β⁻. Protonu fazla olan çekirdek protonunu nötrona çevirir → proton sayısı azalır → β⁺. Kısa hatırlatıcı: fazlalık neyse, ondan kurtulunur.
Atom çekirdeğinin parçalanması ile çok büyük bir enerjinin açığa çıkmasını sağlayan olaya fisyon denir. Hafif atom çekirdeklerinin birleşerek ağır atom çekirdekleri oluşturmasına ise füzyon denir.
Nükleer fisyon, nötronla bombardıman edilen kütle numarası büyük atom çekirdeklerinin parçalanarak daha küçük kütle numaralı iki veya daha fazla farklı atom çekirdeğine dönüşmesi olayıdır.
₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴¹ + ₃₆Kr⁹² + 3·(₀n¹)
Bu tepkimeye göre nötronlar radyoaktif atomlara ait çekirdekler tarafından yutulursa atom çekirdeği kararsız hâle geçer ve iki parçaya ayrılır. Bu sırada üç tane nötron açığa çıkar. Bu açığa çıkan üç nötron da başka çekirdekler tarafından yutulursa aynı şekilde çekirdekler tekrar bölünerek zincirleme bir reaksiyonun başlamasını sağlar.
Nükleer füzyon, atom numarası küçük olan iki hafif elementin birleşerek atom numarası daha büyük ve daha ağır bir element oluşturması olayıdır.
₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹
Hidrojen izotopları olan döteryum (₁H²) ile trityum (₁H³) birleşerek helyum oluşturur. Füzyonda açığa çıkan enerji, fisyonda açığa çıkan enerjiden çok daha fazladır. Füzyon reaksiyonunun oluşabilmesi için yüksek basınç ve sıcaklığa ihtiyaç vardır.
Füzyon tepkimeleri Güneş’te ve diğer yıldızlarda gerçekleşir. Güneş, enerjisinin büyük bir kısmını füzyon tepkimeleriyle üretir. Güneş’in çekirdeğinde her saniyede 600 milyon ton hidrojen, füzyon yoluyla helyuma dönüşür ve bu dönüşüm sonucunda büyük bir enerji ortaya çıkar. Güneş’in yüzeyi yaklaşık 5500 °C, çekirdeği ise 15,6 milyon °C sıcaklıktadır.
Nükleer santral tesislerinde uranyum ve toryum gibi radyoaktif elementlerin çekirdekleri zincirleme fisyon ile kontrollü şekilde parçalanır ve buradan yüksek miktarda nükleer enerji elde edilir. Fisyon olayı ile açığa çıkan nükleer enerjiyi elektrik enerjisine çeviren sistemlere nükleer reaktör adı verilir. Nükleer enerji; tıpta teşhis ve tedavi, jeoloji ve arkeolojide yaş tayini, uzay teknolojisi, uçak ve denizaltı sanayisi gibi alanlarda kullanılır.
Atom bombasını ilk yapan ve kullanan ülke ABD olmuştur. 1945 yılında Japonya’nın Hiroşima şehrine atılan ilk bomba uranyumdan elde edilmiştir. İlk bombadan üç gün sonra Nagazaki şehrine atılan atom bombası plütonyum elementinden üretilmiştir. Uranyum ve plütonyum elementlerinin parçalanmasıyla (fisyon) yayılan radyasyon ve sıcaklık binlerce insanın ölmesine sebep olmuş, radyasyonun etkileri nesiller boyu devam etmiştir. ABD, 1952 yılında atom bombasından çok daha yıkıcı olan hidrojen bombasını (füzyon) geliştirmiş ve 1954 yılında Büyük Okyanus’ta denemiştir. Kuzey Kore’nin yaptığı hidrojen bombası denemesinin, 6,3 şiddetinde deprem etkisine sahip olduğu belirtilmiştir. Nükleer silahsızlanma, dünya barışı ve insanlığın geleceği için çok önemlidir.
| Fisyon | Füzyon | |
|---|---|---|
| Ne olur? | Ağır çekirdek parçalanır | Hafif çekirdekler birleşir |
| Başlatan | Nötron bombardımanı | Yüksek basınç ve sıcaklık |
| Açığa çıkan enerji | Büyük | Çok daha büyük |
| Örnek yakıt | Uranyum, toryum, plütonyum | Döteryum, trityum |
| Nerede | Nükleer santral, atom bombası | Güneş ve yıldızlar, hidrojen bombası |
Radyasyon, bir kaynaktan elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji salınımı veya aktarımıdır. Maruz kalınan radyasyonun çok büyük bir bölümü, doğal radyasyon kaynaklarından gelir.
İyonlaştırıcı radyasyona göre enerjisi çok daha azdır. İyonlaştırıcı olmayan radyasyonun doğal kaynağı Güneş olup bu radyasyon türü canlı sağlığı için tehdit oluşturmamaktadır. Güneş’ten yayılan radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi ışınlar ve görünür ışınlar iyonlaştırıcı olmayan radyasyondur. Cep telefonu, mikrodalga fırın, televizyon gibi birçok teknolojik alet bu türden radyasyon yayar; bu aletlerden uzak durmak maruz kalmayı azaltır.
İyonlaştırıcı radyasyonla günlük hayatta sıkça karşılaşılır. Yer kabuğundaki elementlerde, toprakta yetişen gıdalarda, kayaçlarda, suda ve havada bulunur; uzaydan gelen kozmik ışınlar, Güneş’ten gelen morötesi ışınlar, X ışınları ve gama ışınları da iyonlaştırıcı radyasyondur. Uranyum, toryum, radyum, aktinyum gibi radyoaktif elementlerden yayılan alfa ve beta parçacıkları da bu gruptadır.
İyonlaştırıcı radyasyon öncelikle hücreyle etkileşir ve DNA’da tahribat oluşturur, sonuçta hücrenin ölümüne yol açabilir. İyonlaştırıcı radyasyonun biyolojik etkisini tedavi edici veya azaltıcı herhangi bir ilaç olmadığından maruz kalınmaması en önemli tedbirdir.
Tıpta röntgen, nükleer görüntüleme, radyoterapi gibi uygulamalarda; bilimsel çalışma ve araştırmalarda X ışınları ve gama ışınlarından faydalanılır. Radyasyon dozunun belirlenen sınır değerleri aşmaması için gerekli tedbirlerin alınması sağlık açısından önemlidir; koruyucu kıyafetler, eldivenler ve maskeler radyasyona karşı alınacak önlemlerdendir.
Ders kitabındaki grafikler soyut duruyorsa, aşağıdaki dokuz sahne aynı fiziği senin gününden anlatıyor.
Telefonun yaydığı dalgalar iyonlaştırıcı olmayan radyasyondur — DNA kıramaz. Yine de kaynaktan uzak durmak maruz kalmayı azaltır; telefonu masada bırakmak bedava bir önlem.
Basketbolda parmağın burkulunca çekilen film X ışınıdır ve iyonlaştırıcıdır. Teknisyenin kurşun önlük vermesi tam da bu yüzden: doz sınırın altında kalmalı.
Okul koridorundaki duman dedektörünün içinde çok küçük miktarda radyoaktif kaynak bulunur. Alfa parçacıkları havayı iyonlaştırır; duman bu akımı kesince alarm çalar. Alfa kâğıttan bile geçemediği için kutunun dışı güvenlidir.
Güneş’ten gelen görünür ışık iyonlaştırıcı değil ama morötesi ışın iyonlaştırıcıdır. “Doğal” olması zararsız demek değil — güneş kremi bir moda değil, doz sınırlama.
Müzedeki bir kemiğin yaşı, içindeki ₆C¹⁴’ün β⁻ bozunumu sayılarak bulunur. Karbon azota dönüşür; kalan karbon miktarı bir saat gibi çalışır. Arkeolojideki yaş tayini budur.
Tatil dönüşü çantanı geçirdiğin cihaz X ışını kullanır. Cihazın ağzındaki kurşunlu kauçuk şeritler ışının dışarı sızmasını engellemek içindir.
Yükseldikçe atmosferin süzgeci inceldiği için kozmik ışınlara daha çok maruz kalırsın. Bir uçuşun dozu küçüktür; pilotlar ise mesleki doz takibi yapar.
Mikrodalga fırın iyonlaştırıcı olmayan radyasyon yayar; yemeği “radyoaktif” yapmaz, yalnızca su moleküllerini titreştirip ısıtır. Kapının teli de dalgayı içeride tutar.
Sabah yüzüne düşen ışık, sekiz dakika önce Güneş’in çekirdeğinde hidrojenin helyuma dönüşmesinden arta kalan enerjidir. Saniyede 600 milyon ton hidrojen dönüşüyor.
50 soruluk test · radyoaktivitenin tanımı ve keşfi, kararlılık kuşağının üç bölgesi, alfa/beta/gama bozunumlarında Z-n-A değişimi, fisyon ve füzyon tepkimeleri, iyonlaştırıcı ve iyonlaştırıcı olmayan radyasyon
Kararsız hâldeki atom çekirdeklerinin tanecik veya elektromanyetik ışın yayarak kararlı hâle geçmesi olayıdır. Kendiliğinden olursa doğal, dışarıdan bir etkiyle olursa yapay radyoaktiflik denir.
1896 Becquerel — uranyum tuzu fotoğraf plağını karartır. 1898 Curie’ler — radyum ve polonyum. Röntgen — X ışınları.
Çekirdek kuvveti proton–nötronları çeker, Coulomb kuvveti protonları iter. Denge varsa kararlı, yoksa kararsız. Kararlıda nükleon başına bağlanma enerjisi yüksek, kararsızda düşüktür.
Z < 20 için n/p ≈ 1. Kuşağın üstü (n/p > 1) → β⁻; altı (n/p < 1) → pozitron ışıması ya da elektron yakalama; Z > 83 → alfa. Z = 83 ve üstünde kararlı element yoktur.
₂He⁴ çekirdeği yayınlanır: Z 2 azalır, A 4 azalır. Enerjisi çabuk kaybolduğu için bir kâğıt sayfasından geçemez. Örnek: ₉₂U²³⁸ → ₉₀Th²³⁴ + ₂He⁴.
β⁻: nötron → proton + elektron + antinötrino; Z 1 artar, n 1 azalır, A değişmez (₆C¹⁴ → ₇N¹⁴). β⁺: proton → nötron + pozitron + nötrino; Z 1 azalır, n 1 artar, A değişmez (₇N¹² → ₆C¹²).
Alfa ya da betadan sonra uyarılmış çekirdek foton yayar. Z ve A değişmez. Nüfuz etme gücü çok yüksektir; durdurmak için kurşun levha kullanılır.
Nötronla bombardıman edilen ağır çekirdek parçalanır: ₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴¹ + ₃₆Kr⁹² + 3(₀n¹). Açığa çıkan üç nötron başka çekirdekleri bölerse zincirleme tepkime başlar.
Hafif çekirdekler birleşir: ₁H² + ₁H³ → ₂He⁴ + ₀n¹. Enerjisi fisyondan çok daha fazladır, ama yüksek basınç ve sıcaklık ister. Güneş enerjisini böyle üretir.
Santralde zincirleme fisyon kontrollü yürütülür; nükleer enerjiyi elektrik enerjisine çeviren sisteme nükleer reaktör denir. 1945 Hiroşima bombası uranyumdan, Nagazaki bombası plütonyumdan; 1952 hidrojen bombası ise füzyondan.
İyonlaştırıcı olmayan: radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık — canlı sağlığı için tehdit oluşturmaz. İyonlaştırıcı: kozmik ışın, morötesi, X ışını, gama, alfa ve beta parçacıkları.
İyonlaştırıcı radyasyon DNA’da tahribat oluşturur, hücre ölümüne yol açabilir. Biyolojik etkisini gideren bir ilaç yoktur; en önemli tedbir maruz kalmamaktır. Koruyucu kıyafet, eldiven ve maske kullanılır.