11.Sınıf Kimya Ödevi

1. Maddenin Yapısı Radyoaktivite Işınların Elde Edilmesi

2. 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

3. 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.

4. Atomun Yapısı Bugün de kabul edilen Bohr atom modeline göre atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşurken elektronlar çekirdek etrafındaki yörüngelerde dolanmaktadır. ;elektron proton nötron Çekirdeğin Çapı; ~ 5.10 -14 m Atomun Çapı; ~ 5.10 -11 m

5. Atomun Temel Parçacıkları 1. 008665 u 0 nötron 1. 007277 u 1.602. 10 -19 C proton 0. 000548 u -1.602. 10 -19 C elektron Kütle 1u = 1.660566.10 -27 Kg Yük

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

7. Radyoaktivite

8. 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

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Doğal Radyoaktif Seriler En uzun Ömürlü Üyesi Seri Adı Son Çekirdek (Kararlı) Çekirdek Yarı-Ömür (yıl) Toryum 208 Pb 232 Th 1.41 x 10 10 Neptünyum 209 Bi 237 Np 2.14 x 10 6 Uranyum 206 Pb 238 U 4.47 x 10 9 Aktinyum 207 Pb 235 U 7.04 x 10 8

13. Uranyum Serisinin 206 Pb ya Kadar ki Bozunum Zinciri

14. 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; b elli 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.

15. Fiziksel Yarı-Ömür Fiziksel yarılanma süresi (T 1/2 ), 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 /T 1/2 eşitliği bulunmaktadır.

16. 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 10 10 (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 10 10 Bq veya 1 Bq = 0. 27 10 -10 Ci

17. 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) = N 0 e - λ t olur. N; Bozunmadan kalan çekirdek sayısı N 0 ; Başlangıçtaki radyoaktif çekirdek sayısı λ ; Bozunma sabitidir ve yarı ömürden faydalanılarak bulunabilir λ = 0.693 / T 1/2 e; doğal logaritma = 2.71828. . . t; başlangıçtan beri geçen süre

18. Radyoaktif Bozunma Kanununa Örnek Örnek; 5000 Ci’ lik 60 Co radyoizotop kaynağının 10.52 yıl sonraki aktivitesi kaç Ci dir? Cevap; N(t) = N 0 e - λ t 60 Co radyoizotopunun fiziksel yarı ömrü T 1/2 = 5.26 yıl olduğundan 60 Co’ ın bozunma sabiti λ = 0.693/ T 1/2 = 0.693/5.26 = 0. 1317 sn -1 dir. Radyoaktif Bozunma Kanunundan ; N 0 = 5000 Ci (başlangıçtaki radyoaktivite) N(t) = 5000 e -0.1317 x 10.52 = 1250 Ci

19. α - Alfa Bozunumu β - Beta Bozunumu γ - Gamma Bozunumu Radyoaktif Bozunma Türleri

20. 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

21. α - Alfa Bozunumu Reaksiyonun genel denklemi X N X N-2 + He Örnek; Ra 138 Rn 138 + α Z A Z-2 A-4 2 4 88 226 86 222

22. 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 +

23. Bu iki durum için örnek bozunma reaksiyonları P 17 S 16 + ν + Q β - Beta Bozunumu Al 12 Mg 13 β + + β - + ν + Q + ν ; nötrino, ν ; antinötrino , Q; reaksiyon enerjisi 15 32 17 32 13 25 12 25

24. 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.

25. γ - Gamma Bozunumu Co 33 Ni 32 β - 1 (%99. 8) E max = 0.313 MeV β - 2 (%0. 2) E max = 1. 48 MeV 0. 00 MeV 1. 33 MeV 2. 50 MeV γ 1 = 1.17 MeV (%99.8) γ 2 = 1.33 MeV (%100) Sekil ; Co-60‘ ın bozunum şeması 27 60 28 60

26. Düşük Enerjili X-Işınları Yüksek Enerjili Elektron Işınları Yüksek Enerjili X-Işınları Radyoterapide Kullanılan Işınların elde Edilişi

27. 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.

28. X- Işını Tüpü ve X-ışınlarının Elde Edilmesi Katot Işınları X- Işınları - + Bakır Anot Tungsten Hedef Vakum Kabı Isıtılmış T ungsten F ilament Katot + - Yüksek Voltaj Kaynağı

29. Karakteristik X-Işını 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) K L M Yörünge Elektronu Gelen Elektron

30. Karakteristik X-Işını K L M 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 = E K - E L hν = E K - E M hν = E K - E N

31. X- ışını Spectrum u F oton Ener jisi (keV) Bremss Işınları R ela ti f Output Karakteristik X-Işını P i k i

32. 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.

33. Primer Kolimatörler Tungsten hedef Işın Düzleştirici Filtre Hasta Sekonder Kolimatörler Elektron Işını Demeti Yüksek Enerjili X-ışınlarının Oluşumu

34. Primer Kolimatörler Tungsten hedef Saçıcı Foil Hasta Sekonder Kolimatörler Elektron Işını Demeti Kon veya Trimmer Elektron Işınlarının Oluşumu

35. MUSTAFA ŞAHİN 11-Fena 656