Radyoaktivite

Radyoaktivite, radyoaktiflik, ışınetkinlik veya nükleer bozunma; atom çekirdeğinin, daha küçük çekirdekler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasıdır. Çekirdek tepkimesi sırasında veya çekirdeğin bozunması ile ortaya çıkar. En yaygın ışımalar alfa(α), beta(β) ve gamma(γ) ışımalarıdır. Bir maddenin radyoaktivitesi bekerel veya curie ile ölçülür.

Diagram of the CNO Cycle - CNO çemberi diyagramı

Radyoaktivite kelimesi Fransızcadan Türkçeye girmiştir. Çevremizde her zaman için bir miktar radyasyon bulunur, fakat radyasyonun fazlası insan sağlığını tehdit ettiği gibi, daha ileri safhalarda ölüme yol açabilir. Doğal radyasyon uranyum gibi bazı kimyasal elementler ile uzay boşluğundaki yıldızlar ve bazı nesneler tarafından üretilir. Bazı nesneler bir saniyeden çok daha az süreyle radyoaktif kalabilirler, bazıları ise binlerce yıl radyoaktif özelliğini koruyabilir.

Radyasyon özel makineler sayesinde de üretilebilir, bu makinelere Siklotron (ivme makinesi), doğrusal hızlandırıcı veya parçacık hızlandırıcı adı verilir. Bazı bilim insanları bu makineleri üzerinde çalışabilecekleri radyasyonu üretebilmek için kullanırlar. Röntgen cihazları az miktarda üretilen (X ışınları) sayesinde insan vücudunun iç kısımlarının görüntülenmesini sağlar.

Nükleer silahlar (atom bombaları), yapıları tahrip etmek ve insanları öldürmek amacıyla çok hızlı bir şekilde çok yüksek miktarda radyasyon ortaya çıkarırlar. Bu konuda en büyük ve insanlığın hafızasına kazınmış en acı deneyim, Amerikan ordusunun II. Dünya Savaşı’nın sonunda (1945) Hiroşima ve Nagazaki’ye attığı bombalardır. Öte yandan nükleer silahlar, II. Dünya Savaşı’ndan seksenli yılların sonuna kadar Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği başta olmak üzere, kapitalist ve sosyalist bloklar arasında meydana gelen Soğuk Savaş’ın temelini oluşturmuştur. Uzun yıllar boyunca devam eden karşılıklı nükleer tehditler, insanlık için korkutucu bir deneyim meydana getirmiştir.

Nükleer reaktörler elektrik üretmek için kullanılmaktadırlar. Bunlar da çok miktarda radyasyon meydana çıkarırlar, bu nedenle radyasyonun reaktörden dışarı sızmasını önleyecek şekilde dikkatlice inşa edilirler. Fakat birçok insan, reaktörlerde bir sorun oluşması durumunda radyasyonun çevreye yayılabileceğinden ve insanlara ve diğer canlılara zarar verebileceğinden endişe duymaktadır. 26 Nisan 1986’da Ukrayna’nın Çernobil şehrinde meydana gelen ve kanserojen etkileri Sovyetler Birliği, Avrupa ülkeleri ve Türkiye’yi de içine alan geniş bir alanda bugün dahi hissedilen büyük felaket, bu korkunun başlıca temelidir. Öte yandan, nükleer reaktörlerin parçaları ve atıkları büyük sorun oluşturmaktadır. Kimi parçalar, yüzlerce, hatta binlerce yıl boyunca radyoaktif kalabilmekte ve çevreye zarar verebilmektedir. Bu nedenle, bunların güvenli bir şekilde nasıl saklanması gerektiğine ilişkin tartışmalar, günümüzde bile canlılığından bir şey kaybetmiş değildir.

Tarih

Bu olayı ilk kez 1 Mart 1896 yılında Fransız fizikçi Henri Becquerel uranyum üzerinde ortaya çıkarmıştır ve Becquerel ışınları adını vermiştir. 1898 yılında Marie Curie ve Pierre Curie radyoaktivite ismini vermiştir.

Özellikleri

Doğada kendiliğinden radyoaktif olan bazı elementler vardır, bunlar dört grupta ele alınır:

• Radyum grubu: Bu grup uranyum 238 ile başlar ve art arda parçalanmalarla kararlı kurşun 206'ya dönüşür.
• Aktinyum serisi: Bu seri uranyum 235 ile başlar ve kurşun 207'ye dönüşerek biter.
• Toryum serisi: Adını aldığı toryum 232 ile başlar ve kurşun 208 ile son bulur.
• Neptünyum serisi: Neptünyum 237 ile başlayıp, bizmut-209 ile biter.

Radyoaktifliğin tipleri

Çeşitli izotopların, alfa ve beta ışınımı yoluyla radyoaktif bozunuma uğrayarak farklı atomların izotoplarına dönüşürken geçirdikleri safhaları gösteren radyum, aktinyum, toryum ve neptünyum zincirleri

Bu serilerde radyoaktifliğin çeşitli tipleri ile karşılaşılır:

• α (Alfa) ışıması: İki Nötron ve iki protondan meydana gelen, +2 yüklü bir Helyum çekirdeği yaymaktır. Bu ışıma sonucunda, proton ve nötron sayıları ikişer birim azalır. Bu tanecikler +2 yüklü oldukları için elektromanyetik çekime de yakalanırlar. Bu ışımaların durdurulması çok kolaydır. Örneğin bir kâğıt yaprak bile yeterli olur.
• β (Beta) ışıması: Pozitron veya elektron yayımıdır. Pozitron, elektronun antimaddesidir ve elektron yayımlamanın tam tersi olarak gerçekleşir. Beta ışımaları alfa taneciklerine göre daha hızlıdır. Durdurulmaları daha zordur. Yüklü oldukları için manyetik alanda sapma gösterirler.

1 nötron; 1 protona dönüşürken 1 elektron ve 1 antielektron nötrinosu fırlatır. Buna Beta ışıması denir.Proton sayısı 1 artar. Nötron sayısı 1 azalır. Kütle numarası değişmez.

1 proton; 1 nötrona dönüşürken 1 pozitron ve 1 elektron nütrionusu fırlatır. Buna Pozitron ışıması denir. Proton sayısı 1 azalırken, nötron sayısı 1 artar. Kütle numarası değişmez.

• γ (Gamma) ışıması: Bir çekirdeği uyarılmış bir halden, daha az uyarılmış veya kararlı hale getiren bir foton yayımıdır. Foton olduğu için ışık hızında ilerler. Kuvvetli nüfuz eder. Durdurulması çok güçtür. Yüksüz olduğu için manyetik alanda sapma göstermez. Foton olduğu için bir etkin kütlesi vardır ve bu kütle sayesinde kütleçekimine yakalanır.

Radyoaktif dönüşümler az veya çok hızlı olurlar. Göz önüne alınan element çekirdeğin yarısının parçalanması için gerekli süreye yarılanma süresi denir. Çekirdeğin yapısı, en önemli unsurdur. Bir saniyenin milyarda birinin binde biri (10-12) kadar süren periyotlar olduğu gibi 1017 yıla ulaşan periyotlar olduğu bilinmektedir. Nükleer tepkimelerde, doğada bulunmayan radyoaktif çekirdekler elde edilebilir. Bu olaya suni radyoaktiflik denir.

Yapay Çekirdek Reaksiyonları

Çekirdeği kararsız, radyoaktif bir atomun hiçbir dış etkiye bağlı kalmaksızın, kendiliğinden ışımalar yaparak başka çekirdeklere dönüşmesi olayına doğal radyoaktiflik denir.

Doğal radyoaktif çekirdek tepkimeleri;

• X ===> Y + (ışıma)

şeklindedir. Tepkimedeki X, doğal radyoaktif atomu, Y ise oluşan yeni atomu göstermektedir.

Radyoaktif olmayan bir atom çekirdeğinin, temel taneciklerle(alfa, nötron, proton,...) bombardıman edilerek kararsız çekirdek haline dönüştürülmesi olayına yapay radyoaktiflik denir.

Yapay radyoaktif çekirdek tepkimeleri,

• X + a ===> Y + (ışıma)

şeklindedir. Tepkimedeki X kararlı çekirdeği, a ise bombardıman taneciğini gösterir. X, bombardıman edilerek Y kararsız taneciğine dönüşürken bir de ışıma yapmaktadır. Oluşan Y çekirdeği, doğal radyoaktif bozunmaya uğrayarak başka çekirdeklere dönüşür.

• Doğal radyoaktiflik olaylarında bozunma, ışıma ve fırlatma gibi ifadeler kullanılırken yapay radyoaktiflikte bombardıman ifadesi kullanılır.

Bombardıman etme işlemlerinde kullanılan en uygun tanecik nötrondur. Çünkü nötron yüksüz olduğu için çekirdek tarafından itilmez ve böylelikle kolayca etkileşime girilebilir.

Fisyon (Bölünme)

Fisyon, kütle numarası çok büyük bir atom çekirdeğinin parçalanarak kütle numarası küçük iki çekirdeğe dönüşmesi olayıdır. Fisyon reaksiyonlarında radyoaktif elementler kullanılır ve tepkimeler için bir ilk enerjiye (aktiflenme enerjisi) ihtiyaç vardır. Reaksiyon sonucunda kararsız çekirdekler ve nötron oluşur. Oluşan nötronların her biri yeni bir uranyum atomu ile tepkimeye girer. Bu esnada açığa çıkan nötronlar ortamdan uzaklaştırılmazsa tepkime zincirleme olarak devam eder.

Füzyon (Kaynaşma)

Nükleer füzyon, nükleer kaynaşma ya da kısaca füzyon; iki hafif elementin nükleer reaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır bir element oluşturmasıdır. Çekirdek tepkimesi olarak da bilinen bu tepkimenin sonucunda çok büyük miktarda enerji açığa çıkar. Bu işlemle oluşturulabilecek en ağır element demirdir.

Radyoaktifliğe Etki Eden faktörler

Bir maddenin radyoaktifliğine etki eden en önemli faktör, maddenin atomlarının çekirdekleri ile ilgilidir. Nötron proton dengesizliği radyoaktiviteye neden olur.

Bunun dışında sıcaklık da radyoaktiviteyi etkiler. Sıcaklık arttıkça radyoaktif bozunma hızı azalır. Bunu veren formül de şu şekildedir;

$\lambda '={\frac {\lambda }{{\frac {{\frac {3}{2}}kT}{mc^{2}}}+1}}$

Bu ifadede; Lambda, bozunma hızını
k, Boltzmann sabitini
T, sıcaklığı
m, kütleyi
c, ışık hızını temsil eder.

Buna göre, maddenin sıcaklığı arttıkça bozunma hızı azalır. Ancak bu formülle ilgili bir ayrıntı vardır. Formülün payda kısmındaki ${{\frac {{\frac {3}{2}}kT}{mc^{2}}}+1}$ ifadesi açılırsa; paydada kalan ifadede, sıcaklığın bağlı olduğu ${{\frac {3}{2}}kT}$ değerinin, ${mc^{2}}$ ifadesi yanında hesaplamaya değer bir seviyeye ulaşabilmesi için sıcaklık çok fazla olmalıdır. Oda sıcaklığında maddenin kinetik enerjisi 0,05 eV kadarken ancak 11.000°K sıcaklıkta kinetik enerji 1 eV lik enerjiye ulaşır. Sıcaklığın, radyoaktiviteye gözle görülür bir etki yapması içinse kinetik enerji 1 GeV olmalıdır. Bu da milyarlarca kelvin dereceye eşittir. Güneşin çekirdeği bile ancak 13,600,000°K sıcaklığıa sahiptir. Yani sıcaklığın radyoaktiviteye etkisi, güneşin çekirdeğinde bile gözlemlenemeyecek kadar azdır. Gözlemleme ve deney yapma olanaksızlığı yüzünden çoğu yerde sıcaklığın radyoaktiviteye etkisi yok kabul edilse de, sıcaklık radyoaktiviteye etki eden bir unsurdur. Özellikle de dev yıldızlarda.

Radyoaktifliğin uygulamaları

Radyoaktiflik hemen hemen bütün bilimsel ve teknik alanlarda geniş bir uygulama alanı bulur. Radyoaktif izotopların nükleer tepkimelerinden tekniğin birçok dalında kontrol aracı olarak faydalanılır. Bu kontrolde özellikle radyoaktif bir elementin radyoaktif olmayan bütün izotoplarıyla aynı özellikleri göstermesinden yararlanılır. Radyoaktif uygulamalardan bazı bilim dallarında şu şekilde yararlanılmıştır:

• Kimyada uygulamalar: Işınım Kimyası adında yeni bir kimya dalı gelişmiştir. Bu dalın konusu ışıma altında gelişen yeni kimyasal tepkimelerin incelenmesidir. Bu işlemlerde kobalt 60 gibi radyoaktiflik derecesi çok yüksek kaynaklar kullanılır.
• Biyoloji ve Tarımdaki uygulamalar: Radyoaktifliğin en geniş uygulaması bu alanda bulunur. Bitkinin bünyesine düşük miktarda karbon 14 verildiğinde, bünyede karbon izlenebilir. Radyoaktif ışınımlar canlı hücreler üzerinde büyük etki yapar; bu hücreleri önce değişikliğe uğratır, sonra öldürür. İnsan için çok zararlı olan bu etkiler tarımda çok yararlıdır. Böylece çok çabuk olgunlaşan yeni bir domates türü geliştirilmiştir.
• Tıbbi uygulamalar: Yok edilmesi zor olan kanser ve tümör tedavisinde metot haline gelmiştir; bu amaçla X ışınları uzun süredir kullanılıyor.
• Metalurjideki uygulamalar: Radyoaktiviteden çeliğin katılaşmasını, metalürjik tepkimelerin kinetiğini vb. incelemekte yararlanılır. Bu yolla metallerin yayılması kolayca izlenir.
• Tarih, Arkeoloji ve Jeolojide uygulamalar: Ahşap eşyanın veya kumaşların yapıldığı tarih, karbon 14 metoduyla kesin olarak bulunur. Bu usul eski medeniyetlerin incelenmesinde çok yararlıdır.