Uranyum tuzu kristallerinin hiçbir dış uyarı olmadan ışıma yaptığı 1896 yılında Henri Becquerel tarafından gözlemlendi. Uranyumun bu özelliği fotoğraf plağını karartması sonucu tespit edilmiştir. Bu şekilde atom çekirdeğinin tanecikler veya elektromanyetik ışınlar yayarak bozunması olayına radyoaktivite, oluşan ışımaya ise radyoaktif ışıma denir. Kendiliğinden veya dışarıdan bir etkiyle bozunuma uğrayabilen atom çekirdeklerine radyoaktif çekirdek, bu çekirdeklerin oluşturduğu maddelere ise radyoaktif madde denir.
Kararlı ve Kararsız Durumdaki Atomlar ve Özellikleri
Atomun kütlesinin büyük bölümü çekirdektedir. Bir atom çekirdeğinin parçalanmaya ve nükleer bozunmaya karşı dayanıklılığı, o çekirdeğin kararlılığını göstermektedir. Atomların çekirdeğindeki nükleonları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet eğer protonların birbirini itmesine sebep olan elektrostatik kuvvetten büyük ise nükleonlar nükleonlar bir arada kalmaya devam eder ve çekirdek kararlı yapıda kalır. Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayılarının oranı çekirdeğin kararlı olup olmayacağını belirler. Kararlı çekirdeklerin nötron sayıları proton sayılarına eşit veya yakındır. Atom numarası 20’ye kadar olan hafif elementler genellikle bu şarta uyduklarından dolayı kararlı çekirdeklerdir. Bazı izotopları hariç bu atomlar kararlıdır.
Proton ve nötronları bir arada tutmak çekirdeğin boyutları büyüyüp element ağırlaştıkça zorlaşır. Bunun nedeni ise elektriksel kuvvetlerin güçlü çekirdek kuvvetine oranla daha uzun menzilli olmasıdır. Kısacası çekirdek büyük ise elektriksel itme kuvveti, çekirdeği kararsızlığa doğru götürür. Ağır çekirdeklerde nötron sayısının proton sayısına oranla daha fazla olması çekirdeğin kararlı yapıda olmasını sağlar. Ağır elementlerde nötron/proton oranı yaklaşık 1,5 değerine eşittir. Aşağıdaki görseldeki gibi atom numarası 83 e kadar olan elementlerde bu oran geçerlidir. Atom numarası 83’ten fazla olan elementlerde nötron fazlalığı da çekirdek kararlılığı için yeterli olmamaktadır.
Kararlı kuşağın dışında kalan elementler ise ışıma yaparak kararlı çekirdek haline dönüşür. Nötron sayısı proton sayısından fazla olan kararsız çekirdekler nötronlarını protonlara, proton sayısı nötron sayısından fazla olan kararsız çekirdekler ise protonlarını nötronlara dönüştürmeye çalışır.
Wilhelm Conrad Röntgen ve Marie Curie’nin radyoaktiviteye Katkıları
William Conrad Röntgen 1895’te X-ışınlarını bulmuştur. Röntgen deney yaptığı katot tüpünü siyah kağıt ile kaplayarak tamamen örttüğü halde gaz boşalması sırasında tüpten oldukça uzakta olan cam kavanoz içindeki baryumlu platin siyanür kristallerinde parıltılar gözlemlemiştir. Bu parıltılara sebep olan ışınlar o ana kadar bilinmediği için X-ışınlar demiştir. Bu ışınların farklı cisimlerde farklı derecelerde geçebildiğini farketmiştir ve bu buluş Röntgen’e tarihteki il Nobel Fizik Ödülünü’nü kazandırmıştır.
Bu keşiften sonra giderek dah fazla bilim insanı bu alanda çalışma yapmıştır. Henri Becquerel X-ışımları üzerine çalışırken uranyumun radyoaktifliğini, Marrie Curie önce polonyumu daha sonra ise radyumu keşfederek radyoloji adlı yeni bir bilimin doğuşuna ön ayak olmuştur. Marie Curie ve eşi Pierre Curie binlerce ton minerali işleyerek tarihte ilk defa çok az miktarda bile olsa uranyum tozu üretmişlerdir. Curieler, 1903 Nobel Fizik Ödülü’nü, radyoaktiviteyi keşfeden Becquerel ile birlikte kazanmıştır. Ödülden 8 yıl sonra 1911’de Marie Curie Nobel Kimya Ödülü’nü de kazanmıştır. Marie Curie tarihte bu ödülü 2 kez alan tek kadın bilim insanı oldu.
Radyoaktif Bozunmalarda Atomun Kütle Numarası, Atom Numarası ve Enerjisinde Meydana Gelen Değişim
Atom numarası 83 ten büyük olan elementlerin çekirdekleri kararsızdır ve kararlı hale geçmek için alfa() ve beta () bozunumu ile bu bozunumları takip eden süreçte gama() bozunumu yapar.
Alfa () Bozunumu
parçacığı 2 proton ve 2 nötrondan oluşmuştur. ÇEkirdekten alfa parçacığı çıkartarak bozunma olayı atom numarası büyük atomlarda görülmektedir. Alfa parçacıkları enerjilerini çok çabuk kaybederler. Havada birkaç cm ilerleyebilirler. Bundan dolayı ince bir kağıt veya insan derisine nüfus edebiliriler ama daha fazla ilerleyemezler.
- Alfa ışıması yapan bir elementin atom numarası 2, kütle numarası 4 azalır.
- Bozunuma uğrayan çekirdeğe ana çekirdek, yeni oluşan çekirdeğe ürün çekirdek denir.
Beta () Bozunumu
bozunumunda proton; bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya bozunur. Çekirdek fazla olan proton sayısından kurtulurak kararlı yapuya dönüşür. Bozunma sırasında nötrino denen yüksüz parçacık yayınlanır.
- Beta bozunumunda çekirdeğin atom numarası bir azalırken nötron sayısı bir artar ve çekirdeğin kütle numarası değişmez.
Beta () Bozunumu
bozunumunda nötron; bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya bozunur. Bu bozunma ile çekirdek fazla nötrondan kurtularak kararlı yapıya ulaşmaya çalışır. Bozunma esnasında nötrinonun karşı parçacığı antinötrino yayınlanır. Atom çekirdeğinde elektron olmadığı için bozunumda ortaya çıkan elektron çok büyük bir enerjiyle çekirdekten dışarı atılır.
- bozunumunda çekirdeğin nötron sayısı bir azalırken proton sayısı bir artar, kütle numarası değişmez.
Elektron Yakalama
Bu olayda proton sayısı nötron sayısından fazla olan kararsız bir çekirdek, kendine yakın orbitallerden birinde bulunan düşük enerjiye sahip bir elektronu yakalayarak bir nötrino yayınlar. Pozitron yayınlama ile aynı sonuç oluşur. Eksilen elektronun boş kalan yerini, daha yüksek enerji seviyesindeki elektronlar birer düşerek ve X-ışını oluşturarak doldurur
- Elektron yakalama kütle numarasını değiştirmez ama atom numarası 1 azalır.
Gama () Bozunumu
Alfa veya beta bozunumu yapan bir çekirdeğin proton ve nötronları çekirdeğin temel halinden daha yüksek enerjili bir haline geçebilir. Uyarılmış durumdaki bu nükleonlar kararlı duruma geçerken enerjilerinin bir kısmını foton olarak dışarı vermesi ile gama bozunumu oluşur.
- Gama fotonları çok yüksek enerjiye sahiptir.
- Yüksek enerjisi sayesinde nüfus etme gücü çok yüksektir.
- Durdurmak için kurşun levha kullanılır.
- Gama bozunumunda çekirdeğin atom ve kütle numarası değişmez.
Yukarıda beta- bozunumuna uğrayan bir çekirdeğin daha sonrasında yaprığı gama ışıması örneği görülmektedir. (* işaretli atom gama bozunumuna uğrayan çekirdeği göstermektedir.)
Bozunumlar Tablosu ve Girişkenlik
| Bozunumlar | Artar | Azalır | Değişmez |
|---|---|---|---|
| Alfa () bozunumu | Atom numarası 2 artar | Kütle numarası 4 azalır | – |
| Beta () bozunumu | Nötron 1 artar | Atom numarası 1 azalır | Kütle numarası değişmez |
| Beta () bozunumu | Proton sayısı 1 artar | Nötron sayısı 1 azalır | Kütle numarası değişmez |
| Elektron Yakalama | – | Atom numarası 1 azalır | Kütle numarası değişmez |
| Gama () bozunumu | – | – | Atom ve kütle numarası değişmez |
Nükleer Fisyon ve Füzyon Olayları
Atomun iç dünyasının 20.yy başlarında anlaşılmaya başlanması ile proton ve nötronları bir arada tutan etki üzerine de merak uyandı.
Nükleer Fisyon
Alaman bilim insanları Otto Hahn ve Fritz Strassman daha ağır atomlar elde etmek için uranyum ile deneyler yaptılar fakat beklentilerinin aksine uranyumdan daha hafif elementler elde ettiler.
Bu bilim insanları yayınladıkları bir makalede hücre bölünmesinden etkilenerek fisyon(bölünme) terimini ilk kez kullandılar. Nükleer fisyon ağır atom çekirdeklerinin bölünerek daha hafif atom çekirdeklerine dönüşmesidir. Buradan yola çıkan Fermi 1942’de ilk defa zincirleme fisyon tepkimesini gerçekleştirdi. Böylece ilk nükleer reaktör yapılmış oldu. Günümüzde de nükleer santrallerde gerçekleşen reaksiyon zincirleme fisyon reaksiyonlarıdır
Nükleer enerji birçok alanda kullanılmaktadır. En önemli kullanım alanı enerji üretimi olsa da tıp alanında hastalık tedavi ve teşhis aşamasında da kullanılmaktadır.
Nükleer enerji her ne kadar çevre dostu enerji üretim yöntemi olsa da oluşan atıklar oldukça tehlikelidir. Fisyon reaktörlerinde kullanılan radyoaktif elementlerden geriye kalan ağır elementler yüzlerce veya binlerce yıl doğada bozunmadan kalabilirler. Bu durum çevre için risk oluşturmaktadır. Günümüzde hala bu atıklardan nasıl kurtulunacağı tartışılan bir konudur.
Nükleer Füzyon
Nükleer füzyon, hafif atom çekirdeklerinin birleşerek ağır atom çekirdekleri oluşturmasıdır. Hidrojenden ağır bütün elementler füzyonla meydana gelmiştir. Füzyon olayının gerçekleşmesi oldukça zordur ve muazzam miktarda sıcaklık ve basınç gereklidir. Bu sebeple füzyon tepkimeleri güneş ve diğer yıldızlar gibi iç kısımlarında çok yüksek sıcaklıklar bulunan yerlerde gerçekleşir. Güneşin enerjisinin önemli bir bölümü füzyon tepkimeleri sonucu oluşur. İki hidrojen atomunun birleşerek helyum atomu oluşturması örnek olarak verilebilir.
Radyasyonun Canlılar Üzerindeki Etkileri
Radyasyon madde içinden geçebilir ve bu sırada maddede çeşitli etkiler oluşturabilir. Maddelere ve insan sağlığına zararlı olan radyasyona iyonlaştırıcı radyasyon denir.
İyonlaştırıcı radyasyon sahip olduğu yüksek enerji ile atom veya moleküllerden elektron kopararak biyolojik organizmaları olumsuz etkileyebilir. X-ışınları, ışınları, ve parçacıkları buna sebep olabilir.
Kontrollü ve uygun dozlarda radyasyon kullanımı ile tıp endüstri, teknoloji gibi birçok alanda yarar sağlanmaktadır. Radyasyon; gıda sterilizasyonu, kanser tanısı ve teşhisi, enerji üretimi, eski medeniyetler hakkında bilgi toplama gibi alanlarda kullanılmaktadır.
