adnan işgör

 

FİZİK VE TIP

Ulaşmak istediğiniz BAŞLIĞI tıklayınız.

Giriş
Element ve atom kavramı
Radyasyon
Çekirdek tepkimesi

 

GİRİŞ


Günümüze değin yapılan çalışmalar, doğada bulunan canlı ve cansız tüm varlıkların belli bir düzen içinde yapılandıklarını ortaya koymuştur. Elde edilen bilgiler, bu düzende bazı ilkelerin geçerli olduğunu göstermiş ve çeşitli bilim dallarının kurulmasına olanak sağlamıştır. Bu bilim dalları sayesinde başta insanlar olmak üzere doğada yer alan canlıların gerek yapısı gerekse davranışları daha anlaşılabilir hale gelmiştir. Bu bağlamda insanların yaşamını tehdit eden bazı hastalıklar tanımlanmaya başlanmış ve bunların tanı ve tedavileri için çeşitli çabalar harcanmaya başlamıştır. Hastalıkların tanısı ve tedavisinde kullanılan cihazların önemli bir kesimi Fizik bilim dalının ilkelerine dayanarak yapılmıştır. Dolayısıyla bu sayfada bazı önemli Fizik ilkelerine değinilecektir. Maddelerin temel yapı taşı olan atomun yapısı ve özellikleri, ışık ve ışığın özellikleri gibi konular ele alınmış ve en basit şekliyle verilmeye çalışılmıştır.

 

ELEMENT VE ATOM KAVRAMI

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Element kavramı
Atom kavramı ve atomun yapısı
Proton ve nötron kavramı
Atomik kütle kavramı
İzotop kavramı
Elektron kavramı
İyonizasyon ve iyonize atom kavramı

 

ELEMENT KAVRAMI
Uzayda bir yer kaplayan ve bir kütlesi (ağırlığı olan) niceliklere madde denir. Bu durumda bir kaya parçası ya da bir insan birer madde olarak kabul edilebilir. En saf maddeye ise element denir. Örneğin oksijen, ve altın elementi gibi. Doğada birbirinden farklı özelliklere sahip 100'den fazla element vardır. Öyleyse evrende bulunan canlı olan ya da canlı olmayan tüm varlıklar ya da maddeler, farklı özelliklere sahip elementlerin (saf maddelerin) özel bir yapılanma ile bir araya gelmesi sonucu oluşur. Elementler bir araya gelerek bileşik adı verilen maddeleri oluştururlar. Örneğin oksinle hidrojen bir araya geldiğinde su, klorla sodyum bir  araya geldiğinde tuz  ortaya çıkar.

 

ATOM KAVRAMI
Her bir element, atom adı verilen temel birimlerden oluşur. Yapı olarak biribirlerinin aynısı olan bu atomlar elementin ismi ile anılırlar. Örneğin hidrojen elementini oluşturan atomlardan her birine hidrojen atomu denir.

Atomun yapısı
Şekil 1'de görüldüğü gibi, herhangi bir bir atomun merkezinde bir çekirdek (nucleus; nükleus) vardır ve burada proton ve nötron adı verilen atom altı parçacıkları yer alır. Çekirdeğin etrafında ise elektron adı verilen çok küçük parçacıklar döner.

Şekil 1

atomyapı

 

Proton ve nötron kavramı
Protonlar artı (pozitif; +) elektrikle yüklü parçacıklar olup, nötronların elektrik yükü yoktur (nötr). Nötronlar protonlardan biraz daha ağırdır (daha fazla kütle).

 

Atomik kütle kavramı: Bir çekirdekte bulunan protonların sayısına atom numarası, proton ve nötronların toplam sayısına ise atom ağırlığı ya da atomik kütle denir. Örneğin şekil 1'de görülen oksijen atomunda 8 proton olduğundan atom numarası 8, proton ve nötronların toplamı 16 olduğundan atom ağırlığı 16'dır.

Bir elementi oluşturan atomların proton sayıları biribirine eşitken daha sonra da değinileceği gibi nötron sayıları her zaman birbirine eşit olmayabilir. Dolayısıyla bir atomdaki proton sayısı, o atomun hangi elementin atomu olduğunu belirler. Diğer bir deyişle iki ayrı elementin atomunda bulunan proton sayıları dolayısıyla atom yapıları farklıdır. Örneğin çekirdeğinde bir proton bulunan atom hidrojen elementinin atomu, 8 proton olan atom oksijen elementinin atomudur.

 

İzotop kavramı
Çekirdekte bulunan diğer atom altı parçacığı biraz önce de değinildiği gibi nötrondur. Genel olarak bakıldığında bir elementin her bir atomunda bulunan nötron sayılarının birbirine eşit olması beklenir. Ancak aynı elementin bazı atomlarda bu eşitlik yoktur. Diğer bir deyişle bir elementte bulunan bir kısım atomun içerdiği nötron sayısı diğerlerinden farklı olabilir. Bir elementte farklı sayıda nötron içeren atomlar varsa bunlara izotop atomlar veya izotop elementler adı verilir. Bu durum iki ayrı örnek verilerek açıklanacaktır. Daha önce de değinildiği gibi Hidrojen atomu bir protona sahiptir ve nötronu yoktur. Eğer bu atomun çekirdeğine bir nötron girerse bir hidrojen izotopu ortaya çıkmış olur ve Hidrojen 2 (döteryum) adını alır. Eğer çekirdeğe 2 tane nötron girerse hidrojenin ikinci bir izotopu oluşur ve Hidrojen 3 (trityum) olarak adlandırılır. Görüldüğü gibi her üç hidrojende de bir proton olduğu halde içerdikleri nötron sayıları farklıdır. Hidrojende olduğu gibi izotoplar ya farklı bir ad alır ya da  atom isminin önüne proton ve nötron sayılarının toplamı olan atomik kütle numarası yazılır. Buna en güzel örnek özellilkle son zamanlarda güncel hale gelen doğal uranyum elementidir. Doğal uranyum elementinin tüm atomlarında bulunan proton sayısı eşit olup 92 tanedir. Ancak atomunda 142 tane nötron bulunduranlar uranyum-234 (92+142), 143 nötron bulunduranlar Uranyum-235 ve 146 nötron bulunduranlar ise uranyum-238 adını alır.

 

Elektron kavramı
Her bir atomun çekirdeği etrafında dönen ve  proton ya da nötronlara göre çok hafif olan başka bir grup atom altı parçacığı vardır. Bunlar elektron olarak isimlendirilmiştir. Bu parçacıklar, protonların aksine eksi (negatif;-) elektrikle yüklüdürler. Bir atomda ne kadar proton varsa o kadar da elektron vardır. Örneğin oksijen atomunda 8 proton, 8 elektron vardır (Şekil 1). Bu elektronların çekirdek etrafında, elektron kabuğu adı verilen farklı yörüngelerde döndükleri kabul edilir ve farklı kabuklarda bulunan elektronların sahip oldukları enerji düzeyleri de farklıdır. Çekirdeğe en yakın olan kabuk ya da yörünge (K) yörüngesini adını alırken daha sonraki yörüngeler L,M,N..... harfleri ile gösterilir. Çekirdeğe en yakın olan yörünge ya da kabuktaki elekronların enerjisi en azken, en uzakta bulunan kabuktaki elektronların sahip olduğu enerji en fazladır. Bu durumda; örneğin en dış kabukta bulunan bir elektron bir alt kabuğa inerse, iki kabuki arasındaki enerji farkı kadar bir enerjiyi kaybedecek, diğer bir deyişle bu enerji dışarı doğru yayılacaktır. Bunun aksine son kabuktaki elektron dışardan bir enerji aldığında, bu elektronun enerji düzeyi yükselir. Bu durumda bu elektronun bir üst kabuğa geçmesi gerekecektir. Zaten son kabukta bulunan bu elektron, artık  bu kabukta kalamayacak ve atomdan dışarı doğru fırlayacaktır.

 

İyonizasyon ve iyonize atom kavramı
Genel olarak bir atomda kaç tane proton varsa o kadar da elektron vardır. Dolayısıyla bu atomlar elektriksel olarak dengededir. Ancak bir atomun dış yörüngesinde bulunan elektron sayısı, bazen olması gerekenden az ya da fazla olabilir. Bunun nedeni, bu atomun son yörüngesine başka bir atomdan ya da ortamdan elektron alması veya bu son yörüngeden başka bir atoma ya da ortama elektron vermesidir. Bu olaya iyonizasyon adı verilir. Eğer bu atom bir elektron almışsa eksi yükü fazla, elektron vermişse artı yükü fazla olacaktır. Diğer bir deyişle toplam elektrik yükü değişen bu atom artık iyonize atom olarak adlandırılacaktır. Diğer yandan iki ayrı atom son yörüngelerinde bulunan elektronları paylaşabilirler. Gerek iyonizasyon, gerekse elektron paylaşması, farklı yapıdaki atomların bir arda tutulmasına ve yeni bir madde oluşumuna neden olur. Örneğin sodyum ve klor atomları iyonizasyon ilkesine göre bir araya gelerek sofra tuzunu oluşturur. İki hidrojen ve bir oksijen atomu elekron paylaşması yolu ile bir araya geldiğinde ise su oluşur (Şekil 2).

Şekil 2: Su

su

 

 

RADYASYON

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Radyasyon tanımı
Radyoaktif element, radyoaktif atom, radyoaktif çekirdek, radyoaktivite
Radyasyonun oluşumu
Parçacık şeklinde olan radyasyon tipleri
Dalga şeklinde olan radyasyon tipleri
Radyasyon birimleri ve radyasyonun saptanması
Radyasyonla karşılaşma yolları
Radyasyonun kaynakları

 

RADYASYONUN TANIMI

Enerji adı verilen niceliğin bulundukları ortamda dalga ya da parçacık şeklinde yayılmasına fizik biliminde radyasyon veya ışın adı verilir. Konumuz içinde bazen radyasyon bazen de ışın terimi kullanılacaktır. Yayılan enerjinin miktarına ve bu enerjinin kaynağına göre değişen çeşitli radyasyon tipleri vardır.

 

RADYOAKTİF ELEMENT, RADYOAKTİF ATOM, RADYOAKTİF ÇEKİRDEK VE RADYOAKTİVİTE KAVRAMLARI

Daha önce de değinildiği gibi bir atomun çekirdeğinde bulunan proton ya da nötron sayıları, çeşitli nedenlerle, çekirdek tepkimesi adı verilen bir olay sonucunda değişebilir. Genellikle bu değişimler çekirdek bağlanma enerjisi yüksek olan atomlarda ortaya çıkar. Bu tür atomların çekirdeklerine kararsız çekirdek adı da verilir. Kararsız çekirdekler karalı hale dönme eğilimindedirler. Dolayısıyla kararsız çekirekler farklı enerji düzeylerine sahip çeşitli ışınlar salabilirler ve daha öncede değinildiği gibi bu olaya radyasyon adı verilir. Radyasyon yayabilen elemente radyoaktif element ya da radyoaktif madde, bu elementin atomuna radyoaktif atom ya da radyoizotop, bu atomların çekirdeğine radyoaktif çekirdek, yayılan enerjiye radyoaktivite denir. Yüksek enerjili bu ışınlar başka bir atoma çarptıklarında o atomun dış yörüngesinde bulunan elektronu koparabiliyorsa, diğer bir deyişle bu atomu iyon haline getirebiliyorsa bunlara iyonlaştırıcı radyasyon (iyonizan radyasyon) ya da iyonlaştırıcı ışın adı verilir. diğer yandan hergangi bir kaynaktan çıkan (örneğin güneş) ancak iyonizasyona neden olmayan radyasyona iyonlaştırmayan radyasyon (non-iyonizan radyasyon) adı verilir. Genel olarak pratikte radyasyon ya da ışın dendiğinde iyonizan radyasyon kastedilir.

 

RADYASYON OLUŞUMU

Radyasyona neden olan çekirdek tepkimeleri; çekirdek birleşmesi ve çekirdek parçalanması olarak iki tipdir. Bu olaylar doğal ya da cihazlarla yapay olarak ortaya çıkabildiğinden, bu tepkimeler sonucunda oluşan radyasyon da doğal ve yapay olarak iki gruba ayrılabilir (radyasyon kaynakları).

 

PARÇACIK ŞEKLİNDE OLAN RADYASYON TİPLERİ

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Enerjinin, kütlesi olan (ağırlığı olan) parçacıklar şeklinde yayıldığını anlatır. Bu parçacıklar aynı zamanda atom altı parçacıklarıdır. Aşağıda en yaygın olan parçacık radyasyon tipleri verilmiş olup bunlar aynı zamanda iyonizan radyasyon adını da alırlar. İnsan sağlığını olumsuz yönde etkileyen radyasyon bu tip radyasyondur.

Alfa parçacığı (alfa ışını)
Beta parçacıkları (beta ışınları)
Alfa ve beta parçaçık yayılması örneği
Serbest nötronlar ve protonlar
    

 

DALGA ŞEKLİNDE OLAN RADYASYON TİPLERİ

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Dalga şeklinde olan radyasyona elektromanyetik radyasyon adı verilir. Bunun anlamı enerjinin dalgalar şeklinde yayılmasıdır. Diğer yandan bu türdeki radyasyonun parçacık gibi davranan enerji paketçikleri olduğu belirlenmiştir. Önceleri kuantum adı verilen ve kütlesi olmayan (ağırlığı olmayan) bu paketçikler daha sonra foton olarak isimlendirilmiştir. Aşağıda taşıdkları enerji düzeyine göre sıralanan elektromanyetik dalgalardan gama ve X-ışınları iyonizan radyasyon, diğerleri ise non-iyonizan radyasyon sınıfına girerler. Bu bağlamda cep telefonları, baz istasyonları, mikrodalga fırınları, radarlar, yüksek gerlim hatlarının yaydığı radyasyonun iyonlaştırıcı olmayan radyasyon olduğunu belirtmekte yarar vardır.

Gama ışını
X ışını
Morötesi ışınlar (ultraviyole ışınları)
Görünür ışın ya da ışık
Kızılötesi ışınlar (infrared ışınlar)
Mikrodalga ışınları
Radyo dalgaları

 

Alfa parçacığı (alfa ışını):2 proton ve 2 nötrondan oluşan bir helyum atomu çekirdeği olup yüksek enerji taşırlar. Kurşundan daha ağır olan radyoaktif  atomların kararsız çekirdekleri daha kararlı  duruma gelmek için alfa parçacığı fırlatırlar. Yüksek enerji taşıyan alfa parçacıkları yakındaki bir yapıya çarptıklarında ciddi hasara yol açarlar. Ancak bu parçacıklar ağır olduğundan fazla ilerleyemezler. Örneğin insana çarptıklarında deriyi geçemezler. Ancak alfa parçacığını yayan madde gaz türündeyse akciğerlere girip harabiyete, hatta akciğer kanserine yol açabilirler.

 

Beta parçacıkları (beta ışınları): Doğada bulunan maddelerin ya da parçacıkların bir karşıtı vardır ve bunlara karşıt madde (anti madde) adı verilir. Bir madde ile anti madde çarpıştığında kütleleri enerji şeklindeki iki tane ışına (foton) döner. 

Beta ışınları radyoaktif çekirdekten fırlayan çok küçük kütleli parçacıklar olup eksi yüklü beta ışını elektron (negatron), artı yüklü beta ışını pozitron adını alır. Pozitron, elektronun karşıt maddesidir ve karşıt elektron ismini de alır. Daha önce de değinildiği gibi bir çekirdekte bulunan bir nötron protona ya da bir proton nötrona dönebilmektedir. Kararlı bir çekirdekte bu dönüşüm olmaz, ancak ortamda serbest bulunan bir nötron ya da kararsız çekirdekte bulunan fazla sayıdaki nötronlardan biri eksi beta ışını (elektron) yayarsa nötron, protona döner. Buna karşın, kararsız bir çekirdek bir tane artı beta ışını (pozitron) yayarsa çekirdekteki bir proton nötron haline döner. Bunun için temelde çekirdekteki proton sayısının çok fazla olması gerekir. Pozitron, daha ziyade yapay izotopların bozunması sırasında ortaya çıkar.

Beta ışını yayan bir çekirdek daha kararlı bir hale gelir. Diğer bir deyişle çekirdeğin bağlanma enerjisi düşer ve bu fark fırlatılan parçacık tarafından taşınır. Beta ışınının enerjisi alfa  ışınından daha az olmasına karşın dokuda daha fazla yol alabilir.

 

Alfa ve beta parçacık yayılması örneği: Uranyum-235'den bir alfa parçacığı yayıldığında, yeni çekirdekte 2 proton ve 2 nötron az olacak ve yeni element, 90 protonlu toryum-231 adını alacaktır. Yeni oluşan toryum-231 çekirdeği bir pozitron yayarsa çekirdekteki bir proton nötrona döneceğinden yeni elementin adı  proton sayısı 91 olan proaktinyum-231 olacaktır. Diğer yandan 91 protonlu proaktinyum-231, eksi yüklü bir beta parçacığı yayarsa bir nötronu protona döneceğinden oluşan yeni element 90 proton içeren toryum-231 olacaktır.

Görüldüğü gibi radyoaktif bir element alfa parçacığı yaydığında hem proton hemde nötron sayısı daha az olan yeni bir elemente dönmektedir. Beta parçacığı yayıldığında çekirdekteki proton ve nötronların toplam sayısı değişmemekle beraber protonun nötrona ya da nötronun protona dönüşmesi sonucu çekirdeğin proton sayısı değişerek başka bir element ortaya çıkmaktadır.

 

Gama ışını: Bir radyoaktif çekirdeğin alfa ışını ya da beta ışını yayarak bozunmasından sonra bile çekirdekte fazla enerji kalır. Diğer bir deyişle çekirdek halen kararsız ya da uyarılmış bir halde bulunmaktadır. Bu durumdaki bir çekirdek bu fazla enerjiyi artık alfa veya beta ışını olarak yaymaz. Bunun yerine gama ışını adı verilen dalga (foton) şeklinde bir enerji yayar ve bunun kütlesi yoktur. Gama ışını yayılması sonucu çekirdekteki proton ve nötron sayısında yeni bir değişme olmaz. Dolayısıyla gama ışını yayıldıktan sonra yeni bir elementin çekirdeği oluşmaz. Gama ışınları bulundukları ortamda kolayca yol alırlar. Örneğin kurşundan bile geçebilirler. Radyoaktif iyot gibi gama ışını yayabilen maddeler kullanılarak organların sintigrafi adı verilen yöntemlerle incelenmesi sağlanır.

 

X-ışını: Başta tıp bilimi olmak üzere bir çok uygulanma alanı bulan bu ışınlar, yıldızlarda doğal olarak ortaya çıkabildiği gibi yapay olarak da elde edilebilmektedir. Bu ışınlar gama ışını gibi dalga şeklinde olup foton adını da alırlar. X-ışınları bir kaç yolla oluşabilirur.

Tıpta kullanılan röntgen cihazlarında elde edilen X-ışını: Temelde X-ışını tüpü adı verilen bir tüp içinde bulunan elektron tabancasından çıkan yüksek enerjili elektronlar yüksek hızlarda Tungsten (wolfram) atomu gibi ağır bir atom hedefe çarptırılır. Bu devreden sonra iki farklı mekanizma ile x-ışını açığa çıkar. Birinci mekanizmaya göre hızla gelen elektron, tungsten atomu çekirdeği etrafında salınmaya başlar ve yavaşlar, bu sırada enerjisinin bir kısmını X-ışını şeklinde yayarak kaybeder. İkinci mekanizma elektron yörüngelerindeki enerji düzeyleri ile ilgilidir. Buna göre çekirdeğe en yakın olan K yörüngesi en düşük enerji durumunda bulunur. Elektron tabancasından gelen hızlı ve yüksek enerjili elektron hedefteki tungten atomunun K yörüngesine çarptığında buradaki elektronu fırlatır burada bir elektronluk boş yer kalır ve elektronunu kaybeden atom uyarılmış atom haline gelir. Ayrıca K yörüngesinde oluşan boş yer, yüksek enerjili diğer yörüngedeki, örneğin L yörüngesinden gelen elektron tarafından doldurulur. L yörüngesinde bulunan elektronun enerjisi fazla olduğundan daha düşük enerjili K yörüngesine geçerken aradaki enerji farkı kadar bir enerjinin yayılmasına neden olur. Bu yayılan enerji X-ışınıdır. Bu olay sürekli tekrarlanırsa düzenli bir şekilde aynı enerjiye sahip X-ışınları çıkar.

Elektron yakalanması: Yukarıda değinilen ikinci mekanizmaya benzer. Dogal bir atom çekirdeğinde ender olarak gelişen bu mekanizma, yapay yollarla elde edilen izotop atomlarda daha sık ortaya çıkar. Buna göre atomun çekirdeğinde bulunan bir proton, bazen etrafındaki K ya da L yörüngesinde bulunan bir elektronu kapabilir. Diğer bir deyişle elektron çekirdeğe doğru çöker. Bu elektronun çekirdekteki protonla etkileşimi sonucunda proton nötrona döner. Elektronunu kaybeden atom uyarılmış atom adını alır ve x-ışını yayar. Ayrıca elektronun çekirdek tarafından yakalanması sonucunda K ya da L yörüngesinde bir elektronluk yer boşalır ve boş yer Bu bir üst yörüngede bulunan yüksek enerjili bir elektronla doldurulur ve bu geçiş sırasında ortaya çıkan enerji farkı x-ışını olarak yayılır. Bu arada atomun proton sayısı değiştiğinden yeni bir atom ortaya çıkmış olur. Örneğin rubidyum-83 atomu sadece bu yolla kripton-83 atomuna döner.

 

RADYASYON BİRİMLERİ VE RADYASYONUN SAPTANMASI

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Radyasyon kaynağının etkinliğini (aktivite) belirten birimler (Curie, Becquerel)
Radyasyonun şiddetini ya da gücünü ölçen birim (Röntgen)
Emilen radyasyon miktarını ölçen birimler (Rad,Gray)
Biyolojik olarak etkin radyasyon miktarını belirten birimler (Rem, Sievert)
Etkin radyasyon doz birimleri
Radyasyonun saptanması

Çeşitli nedenlerle açığa çıkan radyasyon miktarının belirlenmesi için çeşitli radyasyon birimleri kullanılır.

 

Radyasyon kaynağın etkinliğini (aktivite) belirten birimler: Aktivite birimileri olarak da ifade edilir. Curie (Ci) ve Becquerel (Bq) adlı iki birim vardır. Bir saniyede 37 milyar radyasyon (parçacık ya da foton) yayan, diğer bir deyişle radyasyon yayarak bozunan radyoaktif madde miktarı bir curie'ye eşittir. Bir becquerel ise bir saniyede 1 tek radyasyon yayan madde miktarı olarak tanımlanmıştır. Buna göre 1 curie, 37milyar becquerel'e eşittir. Bu birimler hastalıkların tanısı ve tedavisinde kullanılan radyoaktif maddelerin ne kadar verildiğini belirler. Örneğin tiroit adlı organın görüntülerini elde etmek için yapılan sintigrafi tetkikinde radyoaktif iyot kullanılmışsa, hastaya verilen radyoaktif iyot miktarı 2-5 mili curie (yaklaşık 74milyon-158 milyon becquerel) arasındadır.

 

Radyasyonun şiddetini ya da gücünü gösteren birim: Işınlama birimi olarak da bilinir ve Röntgen (R) olarak isimlendirilir. Bu birim sadece X-ışını ve gama ışınlarının şiddetini ölçen bir birimdir. Bir röntgen; 1kg havada belli miktarda iyonizasyon yapabilen ışın miktarı olarak tanımlanır. Diğer bir deyişle bu miktar, bir ışının havada iyonize ettiği atom sayısına eşdeğerdir. Bu havaya radyasyon alanı denir. Bu alanda karşılaşılan radyasyon miktarını hesaplamak için bireyin bu alanda ne kadar süre kaldığının bilinmesi gerekir. Örneğin havadaki radyasyon şiddeti saatte 100 röntgense ve birey bu ortamda 2 saat kalmışsa karşılaştığı radyasyon miktarı 200 röntgendir. Ancak pratikte bu birim daha ziyade röntgen cihazlarının (X-ışını cihazı) kalibrasyonunda (ayarlanmasında) kullanılmaktadır.

 

Emilen radyasyon miktarını ölçen birimler: Emilen (soğurulan) doz birimi olarak da ifade edilirler. Radyasyon canlı ya da cansız maddelere nüfuz ettiğinde diğer bir deyişle radyasyon bir madde tarafından emildiğinde radyasyonun taşıdığı enerji bu maddelerde depo edilir. Buna maddenin radyasyonu emmesi (absorbsiyon) adı verilir. Emilen radyasyon miktarını belirleyen birim olan rad; bir kilogram madde ya da doku tarafından emilen belli bir miktar enerjiyi (0.01 joul) belirtir. Diğer bir deyişle bu miktar 1kg madde veya dokuda biriken eneji miktarını gösterir. rad'ın uluslararsı standart birimlerdeki (SI) karşılığı Gray (Gy) adlı birimdir. Bir gray (1 Gray=1 joul/kilogram) 100 rad'a eşittir.

 

Biyolojik olarak etkin radyasyon miktarını belirten birimler: Canlı dokular tarafından emilen radyasyon, taşıdığı enerji miktarına bağlı olarak dokuda harabiyete neden olabilmektedir. Dolayısıyla radyasyonla karşılaşan bireylerde doku harabiyetine yol açabilecek radyasyon miktarının belirlenmesi önem kazanır. Bu miktara eşdeğer radyasyon dozu, birimine ise rem adı verilir. Rem değeri, rad olarak ölçülen radyasyon miktarının o radyasyonun göreli etkinlik katsayısı ile çarpılması sonucu bulunur. Işınların göreli etkinlik katsayıları farklı olduğundan dokular farklı ışınları farklı miktarlarda emer ve farklı miktarda doku harabiyeti oluşabilir. X-ışını, gama ışını ve beta ışınının katsayıları bir olduğundan bu ışınlar için rad ve rem değerleri eşittir. Buna karşın alfa ışınlarının katsayısı 20 olduğundan bu ışın için 1rad dendiğinde 20 rem anlaşılır. Rem'in Uluslararsı standart birimlerdeki karşılığı Sievert (Sv) adlı birimdir. Bir sievert 100 rem'e eşittir.

 

Etkin radyasyon doz birimi: Doku ya da organların ayrı ayrı aldığı radyasyon miktarının tüm vücut için yüklediği riski ifade etmek için kullanılır. Vücutta bulunan farklı doku ve organların radyasyona karşı duyarlılıkları dolayısıyla etkilenme dereceleri farklıdır. Dolayısıyla aynı miktar radyasyonla karşılaşan farklı organların aldıkları etkili doz farklı olacaktır. Bu bağlamada vücudun alacağı toplam radyasyon dozu da farklı olacaktır. Bu nedenle vücutta bulunan organlar için doku etkinlik faktörleri saptanmıştır. Örneğin bu faktör tiroit için 0.05, meme için 0.15, kemik iliği için 0.12, tüm vücut için 1 olarak saptanmıştır. Organ ya da doku tarafından emilen radyasyon miktarının bu faktörlerle çapılması sonucu tüm vücuda etkiyen radyasyon dozu saptanmış olur. Bu amaçla rad, rem ya da Sievert birimleri kullanılır. Vücudun tamamına 300mili rad X-ışını verildiğinde vücudun aldığı etkili radyasyon dozu 300milirad olur. Buna karşın memeye 300mili rad X-ışını verildiğinde vücudun alacağı toplam radyasyon dozu 300X0.15=45milirad olur.

 

Radyasyonun saptanması: Bir ortamda ya da maddedeki radyasyon miktarını belirleyen ve ölçen ölçen cihazlara radyasyon dedektörü ya da radyasyon sayacı adı verilir. Cepte bile taşınabilen çeşitli şekillerde yapılandırılmış sayaçlar vardır. Eskiden beri kullanılan en iyi bilinen sayaç Geiger sayacıdır.

 

RADYASYONLA KARŞILAŞMA YOLLARI

İnsanlar, çeşitli kaynaklardan yayılan radyasyonla karşılaşmaktadır. Buna ışınlanma (irradyasyon) denir. İnsanlar radyasyonla temelde iki şekilde karşılaşır.

 

Dış ışınlanma (dıştan gelen radyasyon; eksternal radyasyon): Direkt radyasyon olarak da bilinir ve ortamda bulunan radyasyonla tüm vücudun karşı karşıya kalmasını anlatır. Dış ışınlamaya neden olan kaynaklar; doğal radyasyon kaynakları (Örneğin yeryüzünde bulunan zemin radyasyonu) ya da yapay radyasyon kaynakları olabilir (Örneğin tıpta tanı ve tedavi amacıyla kullanılan radyasyonla tıbbi personelin karşılaşması).

 

İç ışınlanma (internal radyasyon): Yapay ya da doğal yollarla ortaya çıkan radyoaktif maddelerin hava, su ve toprağa karışmasına radyoaktif kirlenme (radyoaktif kontaminasyon) denir. Genellikle doğal yollardan ortaya çıkan ve hava toprak ve suya karışan radyoaktif maddeler solunum ve sindirim sistemi ile vücuda girerek yerleştiği doku veya organlarda radyasyon yayarlar. Benzer şekilde, teshiş ve tedavi amacıyla vücuda verilen radyoaktif maddeler de radyasyon yayarlar. Vücudun bu türdeki radyasyonla karşı karşıya kalmasına iç ışınlanma adı verilir.

İç ışınlanmanın en önemli doğal nedeni vücutta bulunan potasyum-40 adlı radyoaktif maddedir. Ancak insanın bu yolla aldığı radyasyon miktarı çok azdır.

Tedavi amacıyla radyoaktif madde alan hastalarda iç ışınlanma miktarı verilen radyoaktif madde miktarı ile doğru orantılıdır. Eğer madde fazla verilmişse etkin doz fazla olacağından bu hastalar birkaç gün süre ile izole edilmeli diğer insanlarla temas ettirilmemelidir. Örneğin ameliyat edilmiş tiroit kanserlerinin radyoaktif iyot ile ek tedavisinin yapılması gibi. Buna karşın teşhis amacıyla verilen radyoaktif maddenin vücutta yaydığı radyasyon miktarı az olduğundan bu hastaların izole edilmeleri gereksizdir. Örneğin radyoaktif madde verilerek sintigrafi adı verilen tetkiklerin yapılması gibi.

RADYASYON KAYNAKLARI

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Zemin radyasyon düzeyi
Dogal radyasyon kaynakları
    Kozmik ışınlar
    Yeryüzü kaynaklı radyasyon
        Radyoaktif maddeler
        Radon gazı
Yapay radyasyon kaynakları
    Radyasyon ve tıp
    Nükleer santraller ve kazaları
    Nükleer denemeler ve atom bombası        
    Endüstriyel alanda kullanılan ya da açığa çıkan radyasyon 

 

Zemin radyasyon düzeyi: Radyasyon ya doğal ya da yapay yollardan ortaya çıkar. Hangi kaynaktan çıkarsa çıksın gerek yapıları gerekse etkileri aynıdır. Yeryüzünde hemen her zaman belli bir düzeyde radyasyon bulunur ve buna zemin radyasyon düzeyi (zemin radyasyon aktivitesi; background radiation) denir. İnsanların karşı karşıya kaldıkları bu radyasyonun önemli bir bölümü doğal yollardan ortaya çıkan radyasyondur. Ancak bu düzey coğrafi bölgelere göre farklılık gösterebilir. Örneğin Amerikada zemin radyasyon düzeyi dolayısıyla insanların bir yılda aldıkları etkin radyasyon dozu ortalama 3.6 milisievert iken, İngilterede 2.2 mili sievert dolayındadır. Bunlara karşın İranın kuzeyindeki Ramsar bölgesinde 260 mili sievert düzeyine kadar çıkmaktadır. Genel olarak yeryüzü ortalaması 2.4-2.8 mili sievert olarak kabul edilir. Türkiye atom enerjisi kurumunun kaynakları incelendiğinde ülkemiz için ortalama etkin radyasyon dozunun bu sınırlar içerisinde kaldığı anlaşılmaktadır. Bu düzey zaman zaman çernobil kazası gibi durumlarda belli bölgelerde çok tehlikeli sınırlara ulaşabilmektedir.

 

DOĞAL RADYASYON KAYNAKLARI
Temel olarak kozmik ışınlar ve radyoaktif maddelerden çıkan yeryüzü kaynaklı ışınlar olarak iki kısımda incelenir.

 

Kozmik ışınlar
Yıldızlarda çekirdek tepkimeleri sonucunda oluşan yüksek enerjili bu ışınları olup çok uzum mesafeler katettikten sonra dünyanın atmosferine ulaşırlar. Bu ışınlar yüksek miktarda enerji taşıyan parçacıklardır. Bu parçacıkların %90'ı proton, %9'u alfa parçacığı, %1' ise daha ağır atomlar ve elektronlardan oluşur. Kozmik ışınların yaklaşık binde biri ise gama ışını şeklindeki fotonlardır. Atmosferin üst tabalarına ulaşan bu ışınların büyük bir kesimi yeryüzüne ulaşamaz. Çünkü dünyanın etrafında bulunan manyetik alan ve atmosfer bir filtre gibi hareket eder. Dolayısıyla deniz düzeyine ve ekvatora yaklaştıkça bu ışınların yoğunluğu, dolayısıyla etkin radyasyon dozu azalır. Bu bağlamda deniz seviyesinde saptanan etkin radyasyon dozu 0.4 milisievert civarındayken, ant dağlarında 2milisievert düzeyine ulaşabilir. Ortalama 10.000 metre yükseklikte seyreden uçaklarda da kozmik ışınlara bağlı etkin radyasyon dozu önemsenmeyek miktarlarda artar.

Atmosferin alt tabakalarına kadar ulaşabilen bir kısım kozmik ışınlar bu tabakada bulunan diğer atomlarla etkileşime girerek çeşitli radyoaktif atomların oluşmasına neden olurlar. Bu maddeler atmosfer hareketleriyle daha aşağılara inerek solunan havaya, suya ya da toprağa karışarak burada da radyasyon yaymaya devam ederler. Ancak bunların neden olduğu etkin radyasyon dozunun önemsiz sayılabilecek kadar az olduğu kabul edilir.

 

Yeryüzü kaynaklı radyasyon
Bilindiği gibi dünya, samanyolu yıldızlar kümesinde (samanyolu galaksisi) ortaya çıkan gaz ve toz bulutlarının yoğunlaşması sonucu oluşmaya başlamıştır. Yoğunlaşan gaz ve toz bulutunun içinde radyoaktif maddeler de bulunmaktadır. Bu maddeler çeşitli yıldızlarda oluşan çekirdek tepkimesinin bir sonucu olarak ortaya çıkmış maddelerdir. Bu maddeler dünyanın oluşumundan beri yeryüzünde bulunan kaya ve topraklarda bulunur. Bu maddelerin yaydığı radyasyon dünyanın zemin radyasyon düzeyinin önemli bir bileşenidir. Yeryüzünde yaşadığımız ortamda bulunan radyasyonun ana kaynağı radyoaktif maddelerdir.

 

Radyoaktif maddeler: Başta kayalar olmak üzere toprakta bulunan radyoaktif maddelerden en önemlileri Uranyum-238, toryum-232, ve Potasyum-40 isimli radyoaktif maddelerdir ve bunlar dış ışınlanmaya neden olurlar. Yer kabuğunda potasyum-40 daha fazla olduğundan diğer iki maddeden daha fazla dış ışınlamaya neden olur. Yeryüzünün her kesiminde toprakta bulunan radyasyon miktarı eşit olmamakla beraber bu yolla insanların karşı karşıya kaldığı radyasyon miktarı yılda ortalam ortalama 0.5 milisievert düzeyindedir. Uranyum-238 başta gama ışını olmak üzere çeşitli tiplerde radyasyon yayarak sonunda stabil olan kurşun elementine döner. Bu dönüşüm sırasında ara ürün olarak diğer radyoaktif maddeler de ortaya çıkmaktadır. Bunların bir kısmı gaz şeklindedir ve en önmelisi de radon-222 adlı gazdır. Dolayısıyla bu maddeler hem havada hemde toprakta bulunabilirler. Uranyum-238'in yarı ömrü çok uzun olduğundan yeryüzünün oluşumundan beri radyasyon yayabilmektedir. Örneğin 1gr uranyum-238'in yarısının radyasyon yayamayacak hale gelmesi için geçen süre 4 milyar yıldan fazladır. Bu rakam dünya oluşumundan beri bu maddenin halen nasıl radyasyon yaydığını açıklamaktadır.

Kaya ve topraktan elde edilen inşaat malzemelerinde de radyasyon olması kaçınılmazdır, Dolayısıyla bu malzemelerin ağırlıklı olarak kullanıldığı betonarme binalarda bulunan radyasyon ahşap binalaradan daha fazladır.

Uranyum-238 ve toryum-232 ile bunların ara ürünleri (özellikle Kurşun-210 ve Polonyum-210) ve Potasyum-40 hava, su ve gıdalarda bulunur ve normal beslenme ile vücuda girerek iç ışınlanmaya neden olurlar. Ancak bunların neden oldukları etkin radyasyon dozu çok azdır ve bunun yaklaşık yarısı potasyum-40'dan kaynaklanır. Vücutta çok önmeli işlevlerin yerine getirilmesinde rol oynayan ve vücutta önemli miktarlarda bulunan potasyumun az bir kısmı normal beslenme ile alınan potasyum-40 şeklindedir.

 

Radon gazı: Uranyum-238'in bozunması sırasında oluşan ilk ürünlerden biri radon gazıdır. Bu yüzden radon, yeryüzünde bulunan kaya ve toprak parçalarından ve bunlardan yapılmış inşaat malzemelerinden ortama salınırak dış ışınlanmaya neden olur. Ayrıca Binaların üzerine yerleştirildikleri kaya ve toprakta açığa çıkan radon binanın temelinin altında fazla miktarda birikir ve binadaki zemin ya da duvar çatlaklarından ya da binada bulunan tesisat boşluklarından bina içine sızar. Dolayısıyla bu malzemelerde yapılan binalarda çatlak oluşmamasına dikkat edilmeli, izolasyon iyi yapılamalı ve binalar çok iyi havalandırılmalıdır. Havaya karışan radon gazı bir yandan havada radyasyon yayarak diğer atomlara dönüşürken diğer yandan havada toz ve diğer parçacıklara tutunarak solunum yolu ile vücuda alınır. Havada ve akciğerlerde bozunmaya devam edern radon başta alfa parçacığı şeklinde olmak üzere radyasyon yayarak iç ışınlanmaya neden olurlar. Alfa parçacıklarının enerjisi yüksek olduğundan soluk borusunun dallarında (bronşlar) kansere kadar gidebilen değişikliklere neden olabilir. Radon gazı özellikle yeraltı sularında da bulunur. Dolayısıyla binada akıtılan sulardan havaya karışan radon gazının binadaki miktarı da artabilir.

 

YAPAY RADYASYON KAYNAKLARI
Tıpta tanı ve tedavi amacıyla kullanılan tıp kaynaklı radyasyon , nükleer santraller ve kazaları, nükleer denemeler ve atom bombası patlatılması sonucu ortaya çıkan radyasyon, endüstriyel alanda kullanılan radyasyon yapay radyasyon kaynaklarıdır.

 

Tıp kaynaklı radyasyon
Çeşitli yöntemler kullanılarak yapay olarak elde edilen radyasyon ya dış ışınlama ya da iç ışınlama yöntemleri ile vücuda verilerek bazı hastalıkların tanısı konabilir ve tedavisi yapılabilir. İnsanların yapay yolla karşılaştığı radyasyonun en önemli bileşenidir. Bu alanda çalışan görevlilerinin aldıkları dozun yıllık ortalaması 1-5 mili Sievert civarında kalmalıdır.

Tanı amaçlı radyasyon kullanılması: Bu amaçla X-ışını ve çeşitli radyoaktif maddeler kullanılır.

X-ışını kullanılarak incelenenen bölgelerin görüntüsü elde edilir. Akciğer filmi, kemik ve meme filimleri gibi direkt röntgen (direkt radyografi) tetkikleri ve bilgisayarlı tomografi gibi yöntemler tanı amaçlı radyasyonun kullanıldığı en yaygın örneklerdir. Meme filmine mamografi adı verilir.

Radyoaktif maddenin vücuda verilerek incelenecek organların görüntülenmesine ise genel olarak sintigrafi adı verilir. Sintigrafinin bilgisayarlı tomografi ile beraber kullanılmasına ise PET yöntemi denir. Radyoaktif maddeler bir organın işlevini göstermek için de kullanılabilir.

Tedavi amaçlı radyasyon kullanılması: Bu yönteme genel olarak radyasyon tedavisi adı verilir. radyasyon tedavisi çoğunlukla kötü huylu hastalıklarda (kanserler) kullanılmakla beraber akne (bir çeşit sivilce) gibi bazı iyi huylu hastalıkların tedavisinde de kullanılabilir.

 

Nükleer santraller ve kazaları
Nükleer santral, çekirdek tepkimesi oluşturarak enerji elde edilen bir çeşit fabrikadır. Bu amaçla santrallerde radyoaktif atomlar (Örneğin uranyum-235) parçalanarak (çekirdek fizyonu) radyasyon şeklinde çok büyük bir miktarda eneji açığa çıkması sağlanır. Nükleer enerji adı verilen bu enerji daha sonra özel cihazlarla elektriğe çevrilir. Bu işlem sırasında oluşan radyoaktif yan ürünlerin çok iyi saklanmaları gerekir aksi halde ortama karışarak tehlikeli boyutlarda radyasyona neden olabilir. Çernobil gibi nükleer santral kazalarında yüksek oranda radyoaktif madde ve radyasyon çevreye yayılır. Bu atıklar o böldege bulunan havayı suyu ve toprağı kirlettiği gibi atmosfer olayları ile daha uzak bölgelere de gidebilir.

 

Nükleer denemeler ve atom bombası
Gerek atmosferde gerekse yeraltında çekirdek tepkimesi oluşturularak yapılan nükleer denemeler önemli oranda radyasyona ve radyoaktif kirlenmeye neden olabilmektedir. Atmosferde gerçekleştirilen denemeler sonucu oluşan kirlenmeye radyoaktif serpinti adı da verilir. Ancak son yıllarda bu denemelerin sayısının önemli ölçülerde azaldığı rapor edilmektedir. Atom bombası patlatılmasının ise yaratacağı sorunlar Japonya deneyimi nedeniyle çok iyi bilinmektedir.

 

Endüstriyel alanda kullanılan ya da açığa çıkan radyasyon
Bazı endüstriyel ürünlerin hata içerip içermediğini saptamak için gama ışını ve x-ışını kullanılarak bu ürünlerin filmi çekilir (radyografi). Örneğin boruların ve ek yerlerinin herhangi bir hata içerip içermediği bu yöntemle kesin olarak belirlenebilir. Benzer şekilde üretim aşamasında kağıt ve çelik gibi ürünlerin kalınlığı radyasyon kullanılarak saptanabilmektedir. Yine bazı tek kullanımlık tıbbi malzemelerin (dispozabl malzeme) mikropsuzlaştırma işleminde (sterilizasyon) radyasyondan yararlanılır. Ayrıca bazı tohumlara radyasyon verilerek tohumda genetik değişim (genetik mutasyon) olması sağlanır. Böylece bu tohumlar daha verimli ve daha dayanıklı hale getirilir.

Televizyon, duman dedektörü, fosforlu saat gibi günlük kullanımda olan endüstri ürünleri de az miktarda radyoaktif madde içerdiğinden radyasyon yaymaktadırlar.

Yine gübrede bulunan fosfat ve kömürde bulunan radyoaktif karbon (karbon-14) nedeniyle bu ürünlerin kullanılması sonucunda çok az miktarda radyasyon açığa çıkmaktadır.

 

ÇEKİRDEK TEPKİMESİ

Lacivert renkli ve altı çizili kelimeler tıklandığında o konu ile ilgili bilgilere ulaşabilirsiniz.

Giriş
Atom çekirdegi bağlanma enerjisi
Kararsız çekirdek kavramı
Elektron bağlanma enerjisi
Çekirdek parçalanması
   Çekirdek bozunması
   Çekirdek fizyonu
Yarı ömür
Çekirdek birleşmesi

 

GİRİŞ
Bir atom çekirdeğinde bulunan proton, nötron ve elektron gibi atom altı parçaçıklarının bir arada kalmasını sağlayan bağlanma kuvvetleri olmalıdır. Diğer yandan çeşitli yollarla bir atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötron ve elektronların sayılarında değişmeler olabilir. Bu değişimler çekirdek tepkimesi (nükleer reaksiyon)  adı verilen bir olay sonucunda ortaya çıkar. Bu tepkimeler sırasında  radyasyon adı verilen enerji salınır. Çekirdek tepkimesi sonucunda çekirdeğin proton sayısı değişmişse yeni bir element, nötron sayısı değişmişse o elemente ait izotop oluşur.

 

BAĞLANMA ENERJİSİ KAVRAMI

 

Atom çekirdeği bağlanma enerjisi
Bu konu oldukça karmaşık öğeler içerdiğinden en basit hali ile tanımlanmaya çalışılacaktır. Yukarıda değinildiği gibi bir atomun çekirdeğinde bulunan protonlar aynı elektrik yüküne sahiptirler ve bu nedenle birbirlerini iterler. Dolayısıyla protonların dağılmadan bir arada tutulmasını sağlayan bir enerjiye (kuvvet) gereksinim olacaktır. Buna çekirdek bağlanma enerjisi ya da çekirdek bağlanma kuvveti denir.

Çekirdek bağlanma enerjisinin kaynağı: Daha önce de değinildiği gibi bir atomun kütlesi (çekirdek kütlesi) çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamına bağlıdır. Ancak bir atom çekirdeğinin gerçek kütlesi, bu çekirdeği oluşturan proton ve nötronların ayrı ayrı kütlelerinin toplamından biraz daha azdır. Işte aradaki kütle farkı Einstein'in E=mc2 formülüne göre enerji halinde bulunur. Bu enerji protonları bir arada tutan kuvveti oluşturan çekirdek bağlanma enerjisidir.

Çekirdek bağlanma enerjisi ile atomik kütle arasındaki ilişki: Çekirdekteki proton sayısı, dolayısıyla çekirdegin atomik kütlesi (proton ve nötronların toplamı) arttıkça protonlar arasındaki itme kuvveti artacağından çekirdek bağlanma enerjisi de artar ve çekirdek daha kararlı hale gelir. Ancak bunun bir sınırı vardır ve atomik kütlesi 55-80 arasında olan çekirdekler kararlı çekirdekler olarak bilinirler. Örneğin atomik kütlesi 56 olan demir atomunun çekirdeğinde  26 proton, 30 nötron vardır ve bu çekirdek en kararlı çekirdektir. Bu örnekte olduğu gibi çekirdeğinde çift sayıda proton ve nötron olan atomlar diğerlerine göre daha kararlı olabilmektedir. Atomik numarası 55'in altında ve 80'nin üstünde olan çekirdekler kararsız olma eğilimindedir. Diğer yandan çekirdekte bulunan nötronlar elektrik yüküne sahip olmadıklarından biribirlerini itmezler ve protonlar arasında dağınık olarak dururlar. Dolayısıyla nötron sayısı arttıkça protonlar arası mesafe artar ve protonların biribirini itme kuvveti azalır. Diğer bir deyişle nötronların belli bir sayıda olması çekirdeği kararlı kılacak bir bağlanma enerjisinin oluşmasında katkıda bulunurlar.

 

Kararsız çekirdek kavramı:Yukarıda değinildiği gibi bazı atomların izotop adı verilen türleri vardır. Ancak bu izotopların çekirdeklerdeki proton sayısı çok fazla arttığında protonlar arasındaki itme kuvveti fazlalaşır ve çekirdek kendini kararlı kılacak enerjiden daha fazlasını taşıyacak hale gelir ve çekirdek nötron sayısından bağımsız olarak kararsızlaşır. Proton sayısı 83'den (bizmut atomu) fazla olan çekirdekler, oldukça kararsızdır ve daha sonra açıklanacağı gibi kararlı hale dönebilmek için içerdikleri fazla enerjiyi açığa çıkarmaya, diğer bir deyişle bozunmaya başlarlar. Bu bir anlamda protonlar arasındaki itme kuvvetinin, protonları bir arada tutan bağlanma kuvvetini yendiği anlamına gelir.

 

Elektron bağlanma enerjisi
Elektronların çekirdek etrafında kalmasını sağlayan kuvvetler çekirdeğin artı yükü ile elektronların eksi yükü arasında ortaya çıkan çekme kuvvetidir. Elektron bağlanma ya da ve elektromanyetik kuvvet adını alan bu kuvvet çekirdek bağlanma kuvvetine göre zayıf bir kuvvettir.

ÇEKİRDEK TEPKİMESİ
Çekirdek parçalanması (nükleer fizyon; çekirdek fizyonu) ve çekirdek birleşmesi  ya da çekirdek kaynaşması (nükleer füzyon; çekirdek füzyonu) adı verilen iki ayrı tip çekirdek tepkimesi vardır.

 

Çekirdek parçalanması
Bu tipdeki çekirdek tepkimesi iki ayrı yolla oluşur. İlkinde hiç bir dış etki olmaksızın çekirdekte bulunan bağlanma enerjisinin bir kısmı kendiliğinden açığa çıkar. Buna karşın ikinci yolda çekirdek dışarıdan bir enerji alarak parçalanır ve bu sırada enerji açığa çıkar. Aslında her iki tepkime de temelde bir çekirdek parçalanmasıdır. Ancak kavram kargaşası yaratmamak için kendiliğinden olan çekirdek parçalanması çekirdek bozunması, dışardan enerji alınması sonucu gerçekleşen çekirdek parçalanması ise çekirdek fizyonu olarak adlandırılacaktır.


Çekirdek bozunması: Yukarıda değinilen ve atomik kütlesi 80'den fazla olan kararsız çekirdekler (izotoplar) kararlı hale gelmek eğilimindedir. Daha önce de değinildiği gibi bu çekirdekler içerdikleri fazla enerjiyi radyasyon adı verilen bir olayla kendiliğinden dışarı yayar ve sonuçta nötron sayısı farklı olan başka bir izotopa veya proton sayısı farklı olan başka bir elemente dönerler. Bu türdeki elementlere radyoaktif element, elementin atomuna radyoaktif atom, yayılan enerjiye radyoaktivite, bu olaya ise çekirdek bozunması yada radyoaktif bozunum adı verilir. Radyoaktif bozunumda ortaya çıkan radyasyonun bir kaç tipi vardır. Bunlardan en önemlileri alfa ışını ve beta ışını gibi parçacık şeklinde olanlarla, dalga şeklinde olan gama ışınıdır. Örneğin proton sayısı 92 olan uranyum-238 izotopu fazla enerjisini önce alfa ışını şeklinde yayarak proton sayısı 90 olan toryum-234 atomuna döner. Bozunum bir dizi ara  kademelerle devam eder ve sonuçta proton sayısı 82 olan kararlı kurşun-207 oluşur. Doğada var olan radyasyonun bir kısmı bu yolla ortaya çıkar.

 

Çekirdek fizyonu: Örneğin Uranyum 235 bir nötronla birleştiridiğinde (çarpıştığında) uranyum-236 oluşur. Bu çok kararsız bir çekirdek olduğundan hemen baryum-141 ve kripton-92 adlı çekirdeklere bölünür (Şekil 3). Bu iki çekirdekteki nötron sayısı uranyum 236'ya göre üç tane eksiktir ve bu üç nötron serbest olarak ortama yayılır. Uranyum-236'daki bağlanma enerjisi, barium-141 ve kripton-92'nin sahip olduğu toplam bağlanma enerjisinden fazladır. İşte bu fazlalık parçalanma sırasında enerji şeklinde açığa çıkar ve gama ışını adını alır. Diğer bir deyişle yavru çekirdeklerin kütlelerinin toplamı, 3 tane nötron ayrılmasından dolayı ana çekirdekten daha az olduğundan aradaki fark gama ışını olarak açığa çıkmaktadır. Serbest  nötronlar ise başka uranyum-235'lere çarparak zincirleme tepkime başlatır ve her seferinde yeniden enerji açığa çıkar.

Şekil 3: Uranyum-235'in yapay yolla parçalanması

raanyumfission

 

Yarı ömür
Bir radyoaktif elementin içindeki atomların yarısının radyasyon yolu ile bozunarak karalı olan başka elemente dönmesi için geçen süreye yarı ömür denir. Yarı ömür ne kadar uzunsa o radyoaktif element uzun süre radyasyon yayabilir. Örneğin bir radyoaktif uranyum olan uranyum-238 için bu süre 4.47 milyar yıldır. Diğer yandan bir  radyoaktif iyot olan iyot-131 için bu süre yaklaşık 8 gündür.

 

Çekirdek birleşmesi (füzyon)
İki atom çekirdeğinin birleşmesi ya da kaynaşması (çekirdek füzyonu; nükleer füzyon) sonucunda farklı bir çekirdek oluşur ve enerji açığa çıkar. Şekil 4'de döteryum (hidrojen-2) ile trityum (hidrojen-3) çekirdeklerinin kaynaşmasına ait basamaklar görülmektedir.

Şekil 4

doteryumtrityumfuzyon

Yeni oluşan çekirdeğin atomik kütlesi (toplam proton ve nötron sayısı), birleşen çekirdeklerin her birinin kütlesinden fazla, ancak toplamlarından azdır. Bu fark enerji olarak açığa çıkar. Ancak iki çekirdeğin birleşmesi için fazla miktarda enerjiye (ısı enerjisine) gereksinim vardır, dolayısıyla bu tepkime termonükleer tepkime (termonükleer reaksiyon) adını da alır. Çekirdek birleşmesini sağlayabilen gerekli sıcaklık sağlansa bile bu sıcaklığa dayanacak muhafaza kabı yapılması sorunu vardır. Bu sorunun üstesinden gelmek için manyetik hapsetme (magnetic confinement) gibi bazı yöntemlerin geliştirilmekte olması umut vercidir. Bu konunun ayrıntılarına girilmeyecektir.

Çekirdek birleşmesi şeklindeki çekirdek tepkimeleri doğal olarak yıldızlarda gerçekleşir. Genel olarak atomunda barındırdığı proton ve nötron sayısı demir atomundan fazla olanlar ağır, az olanlar ise hafif atom olarak adlandırılırlar. Hafif atomların çekirdeklerinin birleşmesi güneş dahil, yıldız adı verilen oluşumlarda gerçekleşirken, ağır atomların çekirdekleri ise çok yüksek miktarlarda ısı açığa çıkarabilen süpernova adı verilen şiddetli yıldız patlamaları sırasında birleşebilir.