Çekirdek Kimyası Tarihçe

Çekirdek Kimyası

Çekirdek Kimyası - Tarihçe

• Bu modüle kadar olan tepkimelerde “elektronlar” etkindi.

• Bazı reaksiyonlar ise doğrudan atom çekirdeği ile ilintilidir

• 1895’te Wilhelm Rontgen X-ışınlarını keşfetmesi (fotograf plağı üzerindeki lekeler)

• 1896 Henry Becquerel bazı tuzların (Uranyum sülfat) fotoğraf plakları üzerinde lekeler oluşturabileceğini gördü.

• Marie-Pierre Curie radyoaktif elementler keşfedildi

• Ernest Rutherford, radyoaktif elementlerden yayılan ışınları tanımladı.

Çekirdek

• Çekirdek proton ve nötronlardan oluşmaktadır.

• Proton sayısı atom numarasına eşittir.

• Proton ve nötron sayısı toplamı ilgili atoma ait kütle numarasını verir

Biraz matematik

• Çekirdek yarıçapları (r) kütle numarasının küp kökü ile doğru orantılıdır.

• r=(1.3x10-13) A1/3

• Kürenin hacmi = 4/3 r3

• Atom çekirdeklerinin ortalama yoğunluğu:

• 2.44x1014 g/cm3

• Yani bir cm3 lük çekirdeği olsaydı, bunun ağırlığı 250 milyon ton olacaktı!

İzotoplar

• Aynı elementin tüm atomları aynı kütle numarasına nötron sayısındaki farklılıklardan ötürü sahip olmayabilir.

• Uranyum’un doğal oluşmuş izotopları:

• Uranium-234
• Uranium-235
• Uranium-238

Radyoaktivite

• Bazı çekirdekler kararsız olup radyoaktif özellik gösterirler.

• Bu özellikteki çekirdeklere radyoaktif çekirdekler ismi verilir.

• Radyoaktif çekirdeklerin farklı radyoaktif çekirdeklere bozunmasında birçok yollar bulunmaktadır.

Radyoaktif bozunma tipleri

Alfa bozunması:

• Bir -partikül kaybı (bir helyum çekirdeği)

Beta Bozunması:

• Bir -partikülün kaybı (bir yüksek enerjili elektron)

Pozitron yayımlanması:

• Bir pozitron kaybı (elektronla aynı kütleye sahip zıt işaretli partikül)

Gamma Yayımlaması:

• bir -ray kaybı (yüksek enerjili radyasyon, her zaman nükleer partikül kaybı ile sonuçlanır)

Elektron yakalama (K-Capture)

• Çekirdekteki bir protona bir elektronun katılması

• Bu işlemin sonucu olarak, proton nötrona dönüşür.

Nötron-Proton Oranları

• Birden fazla protona sahip elementlerin çekirdeklerinde protonlar arasında bir itme kuvveti oluşmaktadır.

• Güçlü bir çekirdek kuvveti çekirdeğin dağılmasını önlemektedir.

Nötron-Proton Oranları

• Nötronlar çekirdeğin stabilizasyonunda önemli roller oynarlar.

• Dolayısıyla, nötron-proton oranları önemli bir faktördür.

Nötron-Proton Oranları

• Küçük çekirdekler için(Z  20), kararlı çekirdeklerin nötron-proton oranları 1:1’e yakın olmalıdır.

Nötron-Proton Oranları

• Bir çekirdek büyümek için, büyük sayıda nötron almak ister, çekirdeğini kararlı tutabilmek için

Kararlı çekirdek

• Şekildeki gölgeli bölge kararlılık kuşağını göstermektedir.

Kararlı çekirdekler

• Bu kuşağın üzerindeki çekirdekler oldukça çok sayıda nötron içerirler.

• Bu bölgedeki atomlar beta partikülleri yayımlama şekliyle bozunma eğilimindedirler.

Kararlı çekirdekler

• Bu kuşağın altında kalan bölgedeki çekirdekler çok sayıda proton içerirler.

• Bu bölgedekiler daha çok kararlı kalmak için pozitron emisyonu veya elektron yakalama ilgilisindedirler.

Kararlı Çekirdekler

• 83 atom numarasının üzerinde kararlı çekirdek bulunmamaktadır.

• Bu tür çekirdekler alfa emisyonuna uğrama isteğindedirler.

Radyoaktif Seriler

• Büyük radyoaktif çekirdekler sadece bir bozunma geçirerek stabil hale gelmezler.

• Bu tür çekirdekler kararlı bir çekirdek formuna ulaşıncaya kadar bozunma serileri geçirirler (often a nuclide of lead).

Bazı Trendler

• 2, 8, 20, 28, 50 ya da 82 proton ya da 2, 8, 20, 28, 50 ya da 82 nötrondan oluşmuş çekirdekler farklı sayıda proton ve nötronlardan oluşmuş çekirdeklere kıyasla daha kararlı olma eğilimindedirler.

Bazı Trendler

• Çift sayılı proton ve nötrondan oluşmuş çekirdekler tek sayılı proton ve nötrondan oluşmuş çekirdeklere kıyasla daha kararlıdırlar.

Çekirdek Transformasyonları

• Çekirdek transformasyonları bir partikülün hızlandırılarak bir çekirdekle çarpıştırılmaları ile sağlanabilir.

Partikül Hızlandırıcıları

• Partikül hızlandırıcıları oldukça büyük yapılar olup dairesel şekildedirler. Bu hızlandırıcıların çapları millerce uzunlukta olabilir.

Radyoaktif Bozunmanın Kinetiği

• Çekirdek transmutasyonları birinci mertebe kinetiğine uyar.

• Bu tarz bir kinetik aşağıdaki denklemlerle ifade edilebilir:

Radyoaktif Bozunma Kinetiği

• Böyle bir prosesin yarılanma ömrü:

Radyoaktivite Ölçümü

• Radyoaktif bir örnekteki aktivite Geiger Sayacı ile ölçülebilir.

• İyonize radyasyon iyonlar olluşturur, bu bir akıma dönüşür ve bu akım da Geiger cihazı ile ölçülür.

Radyoaktif Bozunma

Radyoaktif Bozunma Kinetiği

• First we need to determine the rate constant, k, for the process.

Kinetics of Radioactive Decay

• Now we can determine t:

Nükleer Reaksiyonlardaki Enerji

• Çekirdeklerde oldukça yüksek miktarlarda enerji depolanmıştır.

• Einstein’in ünlü denklemine göre, E = mc2, Enerji doğrudan madde miktarı ile ilintilidir. Başka bir deyişle madde enerjinin yoğunlaşmış halidir.

Nükleer Reaksiyonlardaki Enerji

• Daha önce tartışılan kimyasal reaksiyonlarda ortaya çıkan enerji oldukça küçüktür.

• Bununla birlikte, nükleer reaksiyonlarda ortaya çıkan enerji kimyasal reaksiyonlarda ortaya çıkan enerjiden binlerce kat daha yüksektir.

Nükleer Reaksiyonlardaki Enerji

• 1 mol uranyum-238 bozunması için kütle kaybı 0.0046 g dır. Enerji değişimini hesaplayınız.

• E = (m) c2

• E = (4.6  10−6 kg)(3.00  108 m/s)2

• E = 4.1  1011 J

Nükleer Fisyon

• Bir dokunuş nasıl enerjiye dönüşür?

• Nükleer fisyon nükleer reaktörlerde gerçekleşmektedir.

Nükleer Fisyon

• Radyoaktif bir çekirdeğin nötronla bombardımanı prosesi başlatır.

• Transmutasyon reaksiyonları sonucu ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklere saldırır, onlarında bozunmasına neden olur ve daha fazla nötron oluşmasına neden olur.

Nükleer Fisyon

• Bu proses nükleer zincir reaksiyonu olarak isimlendirilir.

Nükleer Fisyon

• Ortaya çıkan nötronların çevresinde yeterli radyoaktif çekirdek yoksa zincir reaksiyonları sonlanacaktır.

Nükleer fisyon

• Dolayısıyla, nükleer fisyonda sürdürülebilir zincir reaksiyonu olabilmesi için ortamda belirli bir düzeyde fisyon yapabilecek düzeyde materyal bulunması gerekmektedir: Buna kiritik kütle denir.

Nükleer Reaktörler

• Nükleer reaktörlerde elde edilen ısı buhar elde etmek için kullanılır. Buhar türbinlerin dönmesine yardımcı olarak elektrik enerjisi elde edilir.

Nükleer Reaktörler

• Reaksiyon kontrol çubukları ile kontrol edilir.

• Bu çubuklar bazı nötronları bloke ederek tehlikeli süper kritik noktanın aşılmasını önler.

Nükleer Füzyon

• Füzyon enerji elde etmekte öncül metotlardan birisi olabilir.

• İyi haber: reaksiyon ürünleri radyoaktif değil.
• Kötü haber: füzyon reaksiyonları için yüksek sıcaklık değerlerine ulaşılması gerekmektedir. Materyaller birkaç milyon kelvin sıcaklık değerinde olmalıdır.

Nükleer Füsyon

• Tokamak apparatı bu tip reaksiyonlarının gerçekleştiği ortamdır.

• Materyalin ısıtılması için manyetik alan kullanılır.

Nuclear Medicine: Imaging