Nükleer Reaksiyon Ve Radyoaktivite

Nükleer Reaksiyon= Çekirdek tepkimesi olarak da bilinir Yüksek enerjili bir parçacıkla bombardıman sonucunda, atom çekirdeğinin niteliğinin ya da özelliklerinin değişmesidir Bombardıman eden parçacık, alfa parçacığı, gamma ışını fotonu, nötron, proton, döreton ya da ağır bir iyon olabilir Bu parçacığın, pozitif yüklü çekirdeğe, güçlü çekirdek kuvvetlerinin etki alanına girebilecek kadar yaklaşabilmesi için yeterli enerjiye sahip olması gerekir
nükleer reaksiyon ve radyoaktiviteBir çekirdek tepkimesinde genellikle, tepkimeye giren iki parçacık bulunur; bunlardan birisi hedef durumundaki ağır çekirdek, ötekisi de bombalayan hafif parçacıktır Tepkime sonucundan iki yeni parçacık ortaya çıkar; bunlardan birisi daha ağırlaşmış bir çekirdek; öteki de fırlatılandan daha hafif bir parçacıktır
1919 da Ernest Rutherfod, gerçekleştirdiği ilk çekirdek tepkimesinde, azotu alfa parçacıklarıyla bombalamış ve fırlatılan parçacığın hidrojen çekirdeği, bir başka deyişle proton (iH ya da p) olduğunu; azot çekirdeğinin de tepkime sonucunda çok ender rastlanan bir oksijen izotopuna dönüştüğünü gözlemişti Bu tepkime, şu denklemle gösterilebilir:
(11)
Bu denklemde simgelerin sol üstlerine gösterilen kütle sayılarının denklemin iki yanındaki toplamları, nükleonların (protonlar ile nötronlar) konumuna gereğince birbirine eşittir Simgelerin sol altlarında gösterilen atom numaralarının (proton sayılarının) denklemin iki yanındaki toplamları da birbirine eşittir, bu da elektrik yükünün konumunun gereğidir Aynı tepkime daha kısa bir biçimde olarak gösterilir Bu gösterilimde bombalayan parçacık ile fırlatılan parçacık, parantez içinde ve hedef çekirdek ile tepkime sonucunda oluşan çekirdeğin simgeleri arasına yazılır Çekirdek tepkimeleri, çoğu kez bombalayan parçacık ile salınan parçacığın adlarıyla anılır; buna göre yukarıdaki tepkime alfa-proton tepkimesi, ya da (a,p) tepkimesi olarak anılır Bazı çekirdek tepkimelerinde ikiden daha çok sayıda parçacık ortaya çıkabilir
Yapay olarak hızlandırılmış parçacıklarla oluşturulan ilk çekirdek tepkimesi, 1932’de İngiliz fizikçiler JD Cockcroft ve ETS Waltson tarafından gerçekleştirildi Bu tepkimede, lityum çekirdeği, hızlandırılmış protonlarla bombardıman edilerek iki helyum çekirdeği (alfa parçacığı) elde edilmişti Yüklü parçacıkları giderek daha fazla hızlandırıp daha yüksek enerjilere çıkarmak olanaklı oldukça, yüksek enerjili birçok çekirdek tepkimesi oluşturulmuş ve mezonlar, baryonlar ve rezonans parçacıkları olarak adlandırılan çeşitli temel parçacık türleri elde edilmiştir
Isı alan (endotermik) tepkimeler, çekirdek enerjisini soğurlar ya da bu enerjinin harcanmasına yol açarlar; ısı veren (eksotermik) tepkimelerde ise çekirdek tepkimeleri ısı veren türdendir
Şimdiye kadar kısaca açıklamış olduğum nükleer reaksiyonları bundan sonraki bölümlerde de daha ayrıntılı olarak vermeye çalışacağım
İlk çekirdek reaksiyonu 1919 da RaC’nin yayınladığı alfalarla azot çekirdeklerini döven Rutherford tarafından gözlendi Bu reaksiyonda 7N14 ve 8O17 haline dönüştüğü ve bir protonun açığa çıktığı bulundu Reaksiyon denklemi ise şöyledir
RaC () T = 1,6410-4s, a(7,59) (12)
2He4 + 7N14 ® (9F18) ® 8O17+1H1+Q
Bu reaksiyonda, a’nın azot çekirdeği ile birleşmesi çok kısa ömürlü (10-14 ila 10-15 san) bir ara çekirdek veya bileşik çekirdek olarak 9F18’in meydana geldiği, sonra bunun bir proton yayınlayarak 8O17 haline dönüştüğü kabul edilir Birinci taraftaki atomik kütleler toplamı ile ikinci taraftaki atomik kütleler toplamı arasındaki fark, reaksiyonda açığa çıkan enerjiyi gösterir Buna reaksiyon enerjisi denir ve Q ile gösterilir Q>0 ise reaksiyon ekzotermiktir, dışarıya ürün çekirdeklerin kinetik enerjisi şeklinde çıkışı vardır Q<0 ise reaksiyon endotermiktir Yani dışarıdan sisteme enerji vermekle reaksiyon meydana gelebilir Vuran taneciğin (a) kütlesini, M1; duran atomun (7N14) kütlesini Mo; reaksiyon sonucu meydana gelen ağır atomun (8O17) ve hafif atomun (1H) kütlelerini M2 ve M3 ile gösterirsek, birinci tarafla ikinci taraf arasındaki kütle farkı DM = (Mo+M1)-(M2+M3) ve Q = C2DM ile verilebilir Yukarıdaki reaksiyonda kendii gösteren atomların atomik kütleleri;
2H4 =4,00388 akb, 1H1 = 1,00815 akb 7N14 = 14,0075 akb 8O17 = 17, 00453 akb olarak alınırsa;
DM = 18,011143-18,01268 = -0,00125 akb
Q = 0,00125x931,2 = -1,16 MeV bulunur
O halde bu reaksiyon endotermiktir Buran taneciğin kinetik enerjisini E1, meydana gelen reaksiyon ürünlerinin kinetik enerjilerini sırası ile E2 ve E3 ile gösterirsek, kinetik enerjilerle reaksiyon enerjisi arasındaki bağıntı;
Q = E2+E3-E1’dir (13)
Yukarıdaki reaksiyonda taneciklerin ölçülen kinetik enerjilerinden hesaplanan değer; E2+E3-E1 = -1,26 MeV bulunmuştur ki; kütle farkından hesaplana –1,16 MeV değerine (deney hataları içinde) uymaktadır
Rutherford deneyinden sonra, farklı atomları a larda dövmek suretiyle pekçok sayıda (a,p), (a,n), (a,g) tipi reaksiyonlar elde edilmiştir Bütün bu reaksiyonlarda a-taneciği hedef çekirdeğe yaklaşırken karşılaştığı;
V(r) = potansiyelinin Y = (14)
Yüksekliğini atacak kadar enerjiye sahip olması beklenir Ağır çekirdekler için potansiyel duvarı yüksekliği 25-30 MeV kadardır Halbuki tabii radyoaktif maddelerin yayınladığı a’ların enerjileri bu değerden çok daha düşü olduğundan a’nın çekirdeğe girmesi ancak tünel olayı ile olur Fakat z büyüdükçe reaksiyon ihtimali azalır
Daha sonra geliştirilen hızlandırıcılarda bugün 500 GeV-TeV basamağında yüklü tanecik enerjilerine erişilmiş ve yapma şekilde hızlandırılmış p,d,t,a, C12, O16 (ağır iyon)’la pekçok yeni tip reaksiyonlar bulunmuştur
Nükleer reaksiyonların çalışmasının önemi; çekirdek hakkındaki birçok bilginin (büyüklük, yük dağılımı ve nükleer kuvvetlerin mahiyeti) bu araştırmalardan elde edilmesinden ileri gelmektedir Her bir nükleer reaksiyon için kimyasal reaksiyonlardakine benzer şekilde bir reaksiyon eşitliği yazabiliriz Bir nükleer reaksiyon eşitliği;
x+X®Y+y (15)
şeklinde yazılır ki bunun anlamı şudur: X hedef çekirdeğine bir x parçacığı çarptığı zaman nükleer reaksiyonun sonucunda bir Y geri tepen çekirdek ve bir y parçacığı meydana gelir Birçok durumlarda birden fazla türde parçacıklar salınabilir Nükleer reaksiyonlar; X(x,y) Y(16)
Şeklinde yazılabilir Nükleer reaksiyonlar radyoaktif elementlerin yayınladığı parçacıkla başlatılabileceği gibi, lineer hızlandırıcılar, siklotronlar nükleer reaktörler ve diğer makinalar tarafından üretilen yüksek enerjili parçacıklar ve g ışınları ile de başlatılabilir Nükleer reaksiyonların çalışılmasında iki husus önemlidir:
a) Farklı reaksiyonların meydana geldiği şartlar: Çoğu kez bir nükleer reaksiyonun sonucunu kestirmek mümkündür Fakat bir nükleer reaksiyonun başlaması için gerekli şartları dikkate almak zorundayız
b) Gelen parçacığın hedef çekirdek tarafından soğurulma olasılığının belirlenmesi bu olasılığı verirken bir nükleer reaksiyonlarda tesir kesiti g, bozunma işlemindeki bozunma sabiti l ile aynı öneme sahiptir
Bazı çekirdekler, a-ışınlarını, proton ve deuton (döteryum) ile bombardıman ederek nükleer reaksiyon oluşturmak mümkündür
i) a Tanecikleriyle Bombardıman İşlemi:
Bu tür reaksiyonlar kendi arasında değişik türlere ayrılırlar
a) Serbest halde proton oluşturan nükleer reaksiyonlar:
(17)
Bu genel reaksiyona uygun olarak ilk kez Rutherford 1919 yılında aşağıdaki nükleer reaksiyonun geçerli olduğunu göstermiştir
(18)
a tanecikleriyle elde edilen diğer bir reaksiyon türü de;
şeklindedir
b) a-taneciklerinin çekirdeğe katılmadan gerçekleştiği nükleer reaksiyonlar