Maddenin YapısıRadyoaktivite

Işınların Elde Edilmesi

Maddenin Yapısı

• Atom bir elementi meydana getiren ve o elementin bütün fiziksel-kimyasal özelliklerini taşıyan en temel yapıtaşıdır.

• Atomun maddenin bölünemez en küçük parçası olması fikri ve ilk atom modeli eski Yunanistan’da Löpis, Demokritus ve Epikür’e kadar uzanır. Bu dönemlerde atomların neden bir araya gelerek maddeyi oluşturduklarını izah edebilmek için atomların bazılarının çengelli oldukları gibi hayali modeller üretilmiştir.

• Ancak kimyasal ilkelere dayanan ilk atom modeli 19. yüz yılın başında Dalton tarafından önerilmiştir.

Atom

Atomun Çekirdek Yapısı

• Günümüzde de geçerliliğini devam ettiren Bohr Atom Modeline göre atom pozitif yüklü çekirdek etrafında dolanan negatif yüklü elektronlardan oluşuyordu. Daha sonraki zamanlarda Fizikçilerin ilgisi atomun çekirdeği üzerine yoğunlaştı.

• 1930 ‘da Almanya da yapılan deneylerde berilyum, bor yada lityum gibi elementler hızlı alfa parçacıkları ile bombardıman edilince çekirdek alfa parçacıklarından daha girici olan bir şey salıyordu. 1932 yılında İngiltere de Chadwick deneyleri tekrarlayarak bu parçacığın yüksüz bir parçacık olabileceğini ve kütle olarak da protonunkine eşit olacağını buldu.

• Bu parçacığa nötron adını verdi.

Bugün de kabul edilen Bohr atom modeline göre atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşurken elektronlar çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolanmaktadır.

Atomun Yapısı

;elektronprotonnötron

Çekirdeğin Çapı;~ 5.10-14 mAtomun Çapı; ~ 5.10-11 m

Atomun Temel Parçacıkları

1. 008665 u0nötron

1. 007277 u1.602. 10-19 Cproton

0. 000548 u-1.602. 10-19 Celektron

Kütle 1u = 1.660566.10-27 Kg

Yük

Elementler Tablosu

Sahip oldukları proton sayısına (Atom No=Z) göre elementlerin sıralanması ile oluşturulan elemenler tablosu.

Radyoaktivite

Radyoaktivite; kararsız bazı elementlerin kendiliğinden parçalanmaları sonucu çevrelerine partiküller yada elektromanyetik radyasyon vererek daha kararlı hale geçmeleridir.

Radyoaktiflik ilk defa 1896 yılında Henri

Becquerel tarafından keşfedilmiştir. 1898 de ise

Pierre ve Marie Curie tarafından yapılan

deneylerde radyoaktifliği varlığı kanıtlanmıştır.

Radyoaktivite

Radyoaktivite

Elementlerin Nükleon Konfigürasyonu ve Nükleer Kararlılıkları

Şekil ; Elementlerin nükleon (proton ve nükleon) sayılarının değişimi ve nükleer kararsızlık eğrisi. Kararlı çekirdekler koyu, bilinen radyoaktif çekirdekler ise açık gölge ile gösterilmiştir.

Doğal Radyoaktivite

Şekil de görüldüğü üzere, Kalsiyumdan [Ca-40 (p=20, n=20)] itibaren elementler tablosunda yer alan elementlerin nötron sayılarının proton sayılarına oranı nötron lehine artmaktadır. Ca-40’ın yukarısında nötron ve proton sayısı birbirine eşit çekirdek bulunmamaktadır. Kütle numarası arttıkça protonlar arasında ki Coulomb itme kuvveti artmakta ve çekirdekteki nükleonlar arası çekme kuvvetini yenmektedir.

Doğal Radyoaktivite

Bu dengeyi sağlamak için çekirdeğe ilave nötron katılmaktadır. Bu arada çekirdekler nükleer olarak daha kararsız duruma gelmektedirler ve radyoaktiflikleri daha da artmaktadır. Özellikle kütle numaraları 200 ‘ün üzerindeki ağır çekirdekler oldukça radyoaktiftirler ve doğal olarak bozunuma uğrama eğilimi göstermektedirler.

Doğal Radyoaktif Seriler

En uzun Ömürlü Üyesi

Seri Adı

Son Çekirdek (Kararlı)

Çekirdek

Yarı-Ömür (yıl)

Toryum 208Pb 232Th 1.41 x 1010

Neptünyum 209Bi 237Np 2.14 x 106

Uranyum 206Pb 238U 4.47 x 109

Aktinyum 207Pb 235U 7.04 x 108

Uranyum Serisinin 206Pb ya Kadar ki Bozunum Zinciri

Bozunma Sabiti

N sayıda radyoaktif atom içeren bir örneğin t zamanı

içindeki ortalama bozunma hızı ∆N / ∆t ile belirlenir.

Buzunma hızı da;

∆N / ∆t= -λN eşitliğine uyar.

Burada λ bozunma sabitidir. Bozunma sabiti her

radyoizotop için karakteristik (ilgili radyoizotopa ait) bir

değerdir. Tanım olarak bozunma sabiti; belli bir zaman

dilimi içindeki bozunan çekirdek miktarının oransal

değeridir. Buzunma sabitinin değeri zaman-1 dir. Örneğin

λ= 0.01 sn-1 olan numune için, her saniyede atomların

1/100 ‘ünün bozunduğu anlaşılır.

Fiziksel Yarı-Ömür

Fiziksel yarılanma süresi (T1/2), radyoaktif yarı-ömür

olarak da anılır. Tanım olarak fiziksel yarı-ömür ; belli bir zaman başlangıcındaki radyoaktif atomların yarısının parçalanması için geçen süredir. Fiziksel yarı ömür ile bozunma sabiti arasında

λ = 0.693 /T1/2 eşitliği bulunmaktadır.

Radyoaktivite Birimi

Radyoaktivite birimi Pierre ve Marie Curie’lerin isimlerine atfen Curie olarak isimlendirilmiştir.

1 Curie (1 Ci)= 1 gram radyum (Ra-226) elementinin 1 saniyedeki bozunma miktarı olarak tanımlanır ve değeri 3.7 x 1010 (bozunma / saniye) dir.

Radyoaktivite birimi daha sonra ICRU tarafından SI (System International) birim sisteminde Becquerel olarak değiştirildi. 1 Becquerel (1Bq) ; saniye basına bir parçalanma yapan radyoaktivite miktarıdır.

1 Ci = 3. 7 X 1010 Bq veya 1 Bq = 0. 27 10-10 Ci

Radyoaktif Bozunma Kanunu

Bir t anında N adet radyoaktif çekirdeğin bulunduğu numunede dt gibi çok kısa bir zaman aralığında buzunan dN çekirdek sayısı, ortamda bulunan radyoaktif çekirdek sayısı N ile orantılıdır.Yani;

dN/dt = - λ N dir. Denklemin integrali alınınca ;

N(t) = N0e-λt olur.

N; Bozunmadan kalan çekirdek sayısıN0; Başlangıçtaki radyoaktif çekirdek sayısı

λ; Bozunma sabitidir ve yarı ömürden faydalanılarak bulunabilirλ = 0.693 / T1/2

e; doğal logaritma = 2.71828. . .

t; başlangıçtan beri geçen süre

Radyoaktif Bozunma Kanununa Örnek

Örnek; 5000 Ci’ lik 60Co radyoizotop kaynağının 10.52 yıl sonraki aktivitesi kaç Ci dir?

Cevap; N(t) = N0e-λt

60Co radyoizotopunun fiziksel yarı ömrü T1/2 = 5.26 yıl olduğundan60Co’ ın bozunma sabiti λ= 0.693/ T1/2 = 0.693/5.26 = 0. 1317 sn-1 dir.

Radyoaktif Bozunma Kanunundan ; N0 = 5000 Ci (başlangıçtaki radyoaktivite)

N(t) = 5000 e-0.1317 x 10.52 = 1250 Ci

• α - Alfa Bozunumu• β - Beta Bozunumu• γ - Gamma Bozunumu

Radyoaktif Bozunma Türleri

α - Alfa Bozunumu

Özellikle ağır çekirdeklerde görülen bu bozunumunda Helyum çekirdeği olarak da bilinen, 2 proton ve 2 nötrondan oluşan birbirine sıkı bağlı bir parçacık (α) fırlatılır. Bunlar partiküller (tanecik) radyasyonlardır

α - Alfa Bozunumu

Reaksiyonun genel denklemi

X N X N-2 + He

Örnek;

Ra138 Rn138 + α

Z

A

Z-2

A-4

2

4

88

226

86

222

β - Beta Bozunumu

Çekirdek fazla proton veya nötronundan bir protonu nötrona veya nötronunu protona dönüştürerek kurtulabilir. Bu arada reaksiyonda yük korunum gereği çekirdekten bir elektron fırlatılır. Bunlar partiküller (tanecik) radyasyonlardır.

β - (negatron) bozunumu

β + (pozitron) bozunumu

n p + e-

p n + e+

Bu iki durum için örnek bozunma reaksiyonları

P17 S16 + ν + Q

β - Beta Bozunumu

15

32

17

32

13

25Al12 Mg1312

25β++

β-+

ν + Q+

ν; nötrino, ν ; antinötrino , Q; reaksiyon enerjisi

γ - Gamma Bozunumu

Alfa ve beta bozunumlarının birçoğunda, ürün çekirdek enerji açısından uyarılmış durumda kalır. Ürün çekirdek bu uyarılmış durumlardan kurtulmak amacıyla bir veya iki gamma fotonu yayınlar ve enerji bakımından temel seviyeye ( sıfır enerji seviyesi) iner. Gamma ışınları X-ışınları ve görünür ışık gibi elektromanyetik radyasyonlardır.

γ - Gamma Bozunumu

27

60

Co33

Ni3228

60

β-1 (%99. 8) Emax= 0.313 MeV

β-2 (%0. 2)

Emax= 1. 48 MeV

0. 00 MeV

1. 33 MeV

2. 50 MeVγ1 = 1.17 MeV (%99.8)

γ2 = 1.33 MeV (%100)

Sekil ; Co-60‘ ın bozunum şeması

• Düşük Enerjili X-Işınları• Yüksek Enerjili Elektron Işınları• Yüksek Enerjili X-Işınları

Radyoterapide Kullanılan Işınların elde Edilişi

Düşük Enerjili X-Işınları

• İlk radyolojik görüntüleme 1895 yılında William Röntgen tarafından X-Işınlarının keşfi ile gerçekleşmiştir.

• X-ışınları 1895 yılında gaz deşarj tüpünde katot ışınları (katot ışınları) ile çalışırken W. Röntgen tarafından keşfedildi. W. Röntgen elektron ışınlarının deşarj tüpünün camına çarpması sonucu elektron ışınlarından farklı türde bir ışının oluştuğunu fark etti. Daha önce hiçbir yerde rastlamadığı bu ışınlara X-ışınları (adı bilinmeyen anlamında) ismini verdi.

X-Işını Tüpü ve X-ışınlarının Elde Edilmesi

Katot Işınları

X-Işınları

-+

Bakır Anot

Tungsten HedefVakum Kabı

Isıtılmış TungstenFilament Katot

+-

Yüksek Voltaj Kaynağı

Gelen elektron hedef atomun yörünge elektronlarını birine çarparak onu yörüngesinden fırlatır. Böylece boş kalan yörüngeye daha üst yörüngelerden bir elektron gelerek yerleşir. Bu arada iki yörünge enerjilerinin farkı kadar bir enerjiye sahip foton (Karakteristik X-Işını yayınlanır)

Karakteristik X-Işını

K

LMYörünge Elektronu

Gelen Elektron

Karakteristik X-Işını

K

LM

Gelen elektron hedef atomun yörünge elektronlarını birine çarparak onu yörüngesinden fırlatır. Böylece boş kalan yörüngeye daha üst yörüngelerden bir elektron gelerek yerleşir. Bu arada iki yörünge enerjilerinin farkı kadar bir enerjiye sahip foton (Karakteristik X-Işını yayınlanır)

hν = EK - EL

hν = EK - EM

hν = EK - EN

X-ışını Spectrumu

Foton Enerjisi (keV)

Rel

atif

Out

put

Karakteristik X-Işını Piki

Bremss Işınları

Yüksek Enerjili Elektron ve X-ışınları

• Radyoterapinin ilk yıllarında, konvansiyonel X -ışını tüpleri ve çeşitli düzeneklerle elde edilen düşük (50-150 kV), orta (150-500 kV) ve süper voltaj (500-1000 kV) enerjili X-ışınları yaygın olarak kullanılmaktaydı. Ancak bu enerjilerdeki X-ışınlarının derine yerleşmiş tümörlerin tedavisinde yetersiz kalması ve megavoltaj seviyelerindeki enerjilerin konvansiyonel X-ışını tüpleri ile elde edilemeyeceğinin anlaşılması üzerine yüksek enerjili X-ışını üretebilecek cihazların tasarımlarına başlandı. Bu amaçla 1950 lerde ilk Lineer elektron hızlandırıcı (LINAC) üretildi.

Primer Kolimatörler

Tungsten hedef

Işın Düzleştirici Filtre

Hasta

Sekonder Kolimatörler

Elektron Işını Demeti

Yüksek EnerjiliX-ışınlarının Oluşumu

Primer Kolimatörler

Tungsten hedef

Saçıcı Foil

Hasta

Sekonder Kolimatörler

Elektron Işını Demeti

Kon veya Trimmer

Elektron IşınlarınınOluşumu

MU S TAFA

AH NŞ İ

1 1 -Fe na 656