RADYOAKTİFLİK

Biraz tesadüf eseri, biraz da özenli gözlemci nitelikleri sayesinde Becquerel, 1896 yılında rad­yoaktifliği buldu. Bu, maddenin yapısı üzerindeki bilgilerde gerçekten devrim yaratacak bir buluştu. Nitekim atom çekirdeklerinin tamamının kararlı ol­madığını gösterdi. Bunlardan, radyoaktif denilen bazıları girişken (nüfuz edici) ışınlar biçiminde küçük parçacıklar fırlatıyor, böyle bir yayımdan sonra atomlar yapılarını değiştiriyordu (radyoaktif dönüşüm). Buradan, kimyadaki elementlerin gerçekten temel öğeler olmadığı ve atomların daha küçük öğelerden oluşmuş cisimler olduğu sonucu çıkarıldı.Doğal radyoaktif cisimlerin araştırıl­ması ve özelliklerinin incelenmesi XX. yüzyılın başında gelişti. Bu dönemin en önemli olayı 1898’de, P. ve M. Curie tarafından radyumun bulunmasıydı. Kısa sürede üç Radyoaktiflik türü­nün (alfa, beta, gamma) bulunduğu ve bunların her birine ilgili atom çekir­deklerinde farklı bir dönüşümün teka­bül ettiği anlaşıldı. Radyoaktifliğin in­celenmesi ve aynı zamanda, oluştur­duğu ışımaların kullanılması, atom çe­kirdeklerinin yapısının anlaşılmasına önemli ölçüde yardımcı oldu. Atom çekirdekleri, proton ve nötronlardan oluştuğundan, basit cisimler değildir. Proton ve nötronların bileşme şekli, izotop kavramına, çekirdeklerin kararlılık koşullarının incelenmesine ve çekirdekler içinde, etki yapan iki kuvvet türünün (güçlü etkileşim ve zayıf et­kileşim) tanımasına yol açtı.Çekirdekleri alfa ışınlarıyla bombar­dıman eden J. F. Joliot-Curie, ye­ni radyoaktif çekirdeklerin oluşmasını sağladılar (yapay Radyoaktiflik). Böylece, çok çeşitli uygulamaları olan çok sayıda radyoaktif izotop üretme imkânı doğdu. Benzer şekilde bugün, başka atomlar üzerine, hızlandırılmış, yüksek enerjili ağır iyonların (elekt­ronlarından arındırılmış yüksek kütleli atomlar) fırlatılabilmektedir. Böylece yeni çekirdek bileşmeleri elde etmek mümkündür; bunlar çoğu zaman çok kararsızdır ve bazıları, doğal radyoak­tif maddelerde veya alfa parçacıkları bombardımanıyla elde edilenlerde gözlemlenebilenlerden çok farklıdır. İşte bu yolla karbon çekirdekleri yayı­mı gibi alışılmadık Radyoaktiflik bi­çimleri de gözlemlenebilmiştir.



Radyoaktifliğin biyoloji ve teknoloji alanında pek çok uygulaması vardır, ihmal edilemeyecek tehlikeleri de ol­duğu gibi, biyolojik molekülleri tahrip edebilir, böylece canlı varlıklarda za­rarlı (kansızlıklar, kanserler, ölüm...) veya yararlı (kanserlerin tedavisi, teş­his) sonuçlar doğurabilir. Radyoaktif cisimleri kullanma standartları çok sı­kı tutulur ve ülkelerin çoğu, sanayi ku­ruluşlardan bağımsız ve son derece katı gözetim ve denetim sistemleri uygular.

Radyoaktiflik Türleri



     Alfa, beta ve gamma: Radyoaktiflik helyum çekirdekleri, basit elektronlar veya çok girişken elektromanyetik bir ışıma yayımıyla kendini gösterebilir. Yayımlanan ışımanın yapısına ve bu yayımın, yayımlamayı yapan çekirdek içinde oluş­turduğu değişikliklere göre, Radyoaktiflik türlere ayrılır. Bir çekirdek, iki tamsayıyla nitelenir: içerdiği nükleon sa­yısına eşit A atom kütlesi ve proton sayısına eşit Z atom numarası. Buna göre A-Z farkı nötronlarının sayısını gösterir. Mesela, plütonyum 244’ün 94 protonu ve 150 (244-94) nötronu vardır. Alfa ışınları, kütlesi pro­tonun kütlesinden dört kat büyük ve pozitif elektrik yükü protonunkinin iki katı olan küçük taneciklerden oluşur. bunlar helyum atomlarının çekirdekleridir. Aynı tür rad­yoaktif çekirdeklerden (genellikle çok İri çekirdeklerden) çıkan bütün alfa parçacıkları aynı enerjiyle yayımlanır. Bu yayım, çekirdeğin yapısında bir deği­şikliğe neden olur. Atom nu­marası iki birim, atom kütlesiyse dört birim azalır. Bu durum, 80 milyon yıllık bir yarı ömürle, uranyum 240;a dönüşen plü­tonyum 244’ün alfa bozunması sırasında doğrulanmıştır.



     Beta radyoaktifliğinde çekir­dek, negatif elektrik yüklü bir elektron yayımlar. Çekirdeğin elektrik yükü ve atom numarası bir birim artar; ama bir elekt­ronun kütlesi son derece küçük olduğundan, atom kütlesi hemen hemen aynı kalır. Artı beta denen bir Radyoaktiflik daha vardır; burada bir pozitron (karşıt elektron) yayımlanır, bu da çe­kirdeğin atom numarasını bir birim azaltır. Belli bir beta bozunması için yayımlanan bütün elektronlar aynı enerjiye sahip değildir. Bu enerji bir enerji tayfına göre dağılmıştır; bu du­rum, W. Pauli ile E. Fermi’nin elektronla birlikte aynı anda bir başka parçacığın, bir nötrinonun (u) [veya bir karşıt nötrino] ya­yımlanması gerektiğini düşün­melerine yol açtı. Bu varsayım, beta bozunmasına egemen olan zayıf kuvvet (veya etkileşim) kuramının hazırlanmasına imkân verdi. Buna göre, beta radyo­aktifliği çekirdeğin nötronlarının, protonlara, elektronlara ve karşıt nötrinolara bozunmasından kaynaklanıyordu. Uranyum 240’m neptünyuma (Np) bozunması örneği, dönüşüm sı­rasında yalnız atom numarasının etkilendiğini göstermektedir.
     Gamma radyoaktifliğindeçekirdek yüksek enerjili bir foton, yani yüksüz bir parçacık yayımlar. Atomun kimyasal yapısı değiş­mez. Çekirdek uyarılmış bir du­rumdan « temel » denen bir duruma geçer. Genellikle, uya­rılmış çekirdek, önceden bir alfa veya beta radyoaktif bozunmasıyla veya bir nükleer tepki­meyle üretilmiştir. Doğada ve nükleer tepkime ürünlerinde, birçok radyoaktif aile ’ye rastlanır. Ağır bir çekirdek bozunarak, kendi de radyoaktif bir çekirdek üretir, bu da bo­zunarak üçüncü bir çekirdeğe yol açar ve bu durum, kararlı bir çekirdek oluşuncaya kadar sürer. Çekirdeklerin belirli bir ömrü olduğundan, bu ailelerin bilinmesi, bu çekirdeklerin içinde yer aldığı kayaçların yaşını saptamada yararlı olur (karbon 14 tekniği gibi).

Radyoaktiflik Türleri



Uranyum ışınlarının kuvantal yapısını tanımlayabilmek için yaklaşık bir yüzyıllık araştırma gerekmiştir. Becquerel, 1896 yılında, bir uranyum tuzunun kristal­lerinin yaydığı görünmeyen emanasyonların ışıktan özenle korunmuş fotoğraf emülsi­yonlarını etkileyebildiğini te­sadüfen buldu. Buradan, koru­yucu kâğıttan geçebilen, girişken « uranyum ışınları »nın varlığını ortaya çıkardı. Marie Curie, bu tür ışınların bazı atomlar tara­fından ayrı olarak üretildiğini gösterdi. Marie Curie, Pierre Curie ile birlikte, çok radyoaktif birçok maddeyi, özellikle po­lonyum ve radyumu yalıtımladı. Ernest Rutherford 1898 yılında, alfa (pozitif elektrik yüklü) ve beta (negatif elektrik yüklü) adı verilen iki tür Radyoaktiflik ol­duğunu gösterdi, ve 1900 yılında Paul Villard bunlara çok yüksek enerjili fotonlarlardan oluşan nötr, gamma radyoaktifliğini ekledi. Bütün bu buluşlar atomların bölünmezliği düşün­cesini yeniden tartışma konusu haline getirdi. Radyoaktif bir cisimde çe­kirdeklerin hepsi aynı zamanda değil, istatistiksel bir diziye göre bozunur. Belli bir anda mevcut atom sayısı ne olursa olsun, bu atomların yansının bozunması için gerekli süre ayırt edici ni­telikte bir değişmez, yani bu atomların ortalama yarı ömrüdür. Çekirdeklere bağlı olarak bu yarıömür, saniyenin milyarda birinden milyarlarca yıla kadar değişebilir. Bu bozunma türü, görünüşte tesadüfe bağlı gibi görünmekle birlikte, fizikçilerin merakını uyandırmıştır: bugün bozunmanın çekirdeğin kuvantal yapısına bağlı olduğu ve yarıömrün çekirdek nükleonların bir arada tutan enerjiye bağlı bulunduğu bilinmektedir.

Kararlılık

     Protonlar ve nötronlar, çe­kirdeğin bileşenleri olan nükleonlardır. Ama bir çekirdek tartıldığında (kütle spektrograflarında [kütle tayfölçeri] elektriksel ve manyetik kuvvetler kullanılarak bu işlem mümkün olmaktadır) kütlesinin, bile­şenlerinin kütlelerinin topla­mından daha düşük olduğu görülür. Bu kütle eksikliği, bağ enerjisini oluşturur: eksiklik ne kadar fazlaysa, çekirdek o kadar kararlı, o kadar dengelidir. Bağ enerjisi, radyoaktif olmayan doğal çekirdekler için nükleon başına 7 ile 8 MeV’u bulur (toplam kütlenin yaklaşık %8 ‘i). Bir çekirdeğin kararlılığı iki temel etmene bağlıdır.
     Pozitif yüklü protonlar, sayılan ne kadar çoksa birbirlerini o kadar fazla iter (Coulomb itmesi). Çekirdek çok fazla proton içeriyorsa, elektriksel itme kuvveti çok yüksektir. Nötronlarsa bu itmeden hiç etkilenmez. Bu parçalanma eğilimi, güçlü kuvvet (güçlü etkileşim) denen kısa erimli bir kuvvetçe bastırılır ve protonlarla nötronların hemen hemen aynı sayıda olması durumunda, (eşspin [izospin] si­metrisi adı verilen simetri) bu kuvvetin daha etkin olduğu görülmüştür. 4 nükleon (helyum örneğinde olduğu gibi 2 proton ve 2 nötron) veya 4’ün katları kadar nükleon içeren bazı biçimlenmeler özellikle kararlıdır. Sonuçta, çekirdeğin çapı güçlü kuvvetin erimini aşarsa, bu çekirdeğin kohezyonu daha az, yani radyoaktiftir. Bu da en büyük çekirdeklerin bile hiçbir zaman 240 nükleonu neden aşmadığını açıklamaktadır.
     Sonuç olarak, az sayıda nükleon içeren oldukça hafif çekirdekler yaklaşık olarak eşit sayılarda proton ve nötron içeriyorsa kararlıdır. Aynı sayıda proton için farklı sayılarda nötrona sahip olan birçok kararlı çekirdeğin bulunması da sıkça rastlanan bir durumdur. Bu durumda izotoplardan söz edilir: proton sayısı aynı kalmak üzere, tekabül eden atomlar aynı sayıda elektron içerir ve bu durumda, atom kütleleri aynı olmasa da özdeş kimyasal özelliklere sahiptir. Kimyasal yöntemler kullanılamayacağı için aynı atomun izotoplarını ayırmak zordur.



     Oldukça ağır çekirdeklerde, protonlar arasındaki elektriksel itme nedeniyle, en kararlı biçimler, nötron sayısının proton sayısından büyük olduğu durumlarda elde edilir. Her çekirdek tipi birçok izotopa sahiptir. Bu izotoplar, nötron sayıları uygun değer değerden ne kadar uzaksa, o kadar daha az kararlı olur (nötron fazlalığı veya eksikliği). Bilinen çekirdekleri, kararlı veya radyoaktif olmasına bakmadan proton ve nötron sayılarının apsis ve ordinatta gösterildiği ve üçüncü boyutun, nükleon başına, negatif işaretli bağ enerjisiyle orantılı olduğu bir diyagram üzerinde gösterilmesi kullanışlıdır. Elde edilen şekil, iri çekirdeklerdeki nötron fazlalığı nedeniyle tam anlamıyla köşegen değildir. Bu bütün, bir vadi görünümünü oluşturur. Dibinde en kararlı izotopların yamaçlarında, en kararsızları dip bölümün en uzağında yer almak üzere, radyoaktif çekirdeklerin bulunduğu bir vadi... Gösterim renklendirilerek, bu şekil üzerinde simetrilerin, özellikle 4 nükleonlu grupların simetrilerinin etkileri gösterilebilir. Bilinen çekirdek sayısı 1970’li yılların başından bu yana, hızlandırılmış ağır iyonların kul­lanımı sayesinde büyük ölçüde artmıştır. Ağır çekirdekler üzerine fırlatılan bu ağır iyonlar, sonuçta son derece kararsız biçimlenmelerin gözlemlenmesini sağlamıştır; özellikle, kararlılık vadisinin en dış bölgelerinde yer alan ve büyük ölçüde proton veya nötron fazlalığı gösteren çekirdekler saptanmıştır.

Radyoaktiflik, Tehlikeleri ve Korunma Yöntemleri

Radyoaktiflik, ağır biyolojik zararlara yol açabilir. Bu bakımdan, bir takım kullanım kurallarının saptanması önemlidir; bu kurallar gereğince uygulandığında toplum sağlığı da, radyoaktif maddelerle uğraşmak zorunda kalan kişilerin sağlığı da korunmuş olacaktır. Bilinen bütün ışımalar maddenin içinden geçtiğinde kimyasal bağlarda kopmalara veya değişikliklere yol açar. İtinalı ve ölçülü bir şekilde kullanıldığında, bu etkilerden, bazı tümörlerin tedavisinde veya gıda maddelerinin korunmasında yararlanılabilir. Bu ışımalar canlı hücrelerin içinden geçtiğinde lezyonlar, hatta genetik deği­şinimler (mutasyon) oluşturabilir. Radyoaktif maddelerin elle işlenmesi ve ışıma kaynakları (reaktörler, hızlandırıcılar, tıbbî, sınaî veya askerî düzenekler) yanında çalışma, çok sıkı uluslararası standartlara konu olan önlemlerin alınmasını gerektirir. Bu kuralların uygulanması sınaî verim gerekleriyle çatışma halinde olabileceğinden, birçok ülke, bağımsız denetim örgütleri oluşturmuştur.



     Bir ışınlama sırasında ışımalar enerjisini madde içinde bırakır. Soğurulan doz birim, kütleye bırakılan enerjidir. Bunun birimi, kilogramda 1 Joule ’a denk düşen gray ’dir (1 gray, 100 rad de­ğerindedir). Biyolojik etkiler ışımanın türüne (alfa, beta,gama,  nötronlar...) ve ışınlanan organlara bağlıdır. Ayrıca, radyoaktif maddeler bünyeye alınmışsa, oluşan ışınlanma, bunların yarıömürlerine ve organizma içindeki kalış sürelerine bağlı olur. Kaza sonucu oluşan bir ışınlanmanın etkilerini tahmin etmek için doz eşdeğeri denen bir büyüklük kullanılır; bu ışıma türü de gray olarak ifade edilen doz değerinden elde edilir. Bunun birimleri sievert (bir gray’lik X ışınına tekabül eder) ve rem’dir (1/100 sievert). Alınan doza göre, etkiler, yanıklardan ve trombositlerin azalmasından (-25 rem), kı­sırlaşma ve ağır lezyonlara (100 ila 500 rem), iyileşmez lezyonlara ve ölüme (-1 000 rem) kadar gidebilen sonuçlar doğurabilir. Riskleri azaltmak için yetkili kuruluşlarca, ulusal standartların türetildiği uluslararası tavsiyeler yayımlanmıştır. Bu standartlar, nükleer sanayide çalışan bir işçinin yıllık kabul edilebilir maksimum dozunu 0,05 sievert olarak sınırlandırır. Bu sınır halkın geri kalan kısmı için 0,005 sievert’tir. Işımalardan korunabilmek için özel önleyici ekranlar kullanılmaktadır. Elle çalışmalarda kullanılan eldiven ve maskeler veya özel kapalı hacimler, elektromanyetik ışımalar için (gamma ve X ışınları) kurşun levha veya duvarlar; yüksek enerjili ışımalar için demir veya betondan duvarlar, nötronlara karşı kullanılan karbon, parafin veya su gibi.