Radyoaktivite

Bir çekirdek tarafından alfa bozunması, helyum çekirdeğinden oluşan bir alfa parçacığı yayar

Radyoaktif bozunma (nükleer bozunma, radyoaktivite, radyoaktif parçalanma veya nükleer parçalanma olarak da bilinir), kararsız bir atom çekirdeğinin radyasyon yoluyla enerji kaybettiği süreçtir. Kararsız çekirdekler içeren bir materyal radyoaktif olarak kabul edilir. En yaygın bozunma türlerinden üçü alfa bozunması (α-bozunması), beta bozunması (β-bozunması) ve gama bozunmasıdır (γ-bozunması), bunların hepsi bir veya daha fazla parçacık yaymayı içerir. Beta bozunumundan sorumlu olan mekanizma zayıf kuvvet iken, diğer ikisi elektromanyetizma ve nükleer kuvvet tarafından yönetilir. ⓘ

Radyoaktif bozunma tek atom düzeyinde stokastik (yani rastgele) bir süreçtir. Kuantum teorisine göre, atomun ne kadar süredir var olduğuna bakılmaksızın, belirli bir atomun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkansızdır. Bununla birlikte, önemli sayıda özdeş atom için, genel bozunma oranı bir bozunma sabiti veya yarı ömür olarak ifade edilebilir. Radyoaktif atomların yarı ömürleri, neredeyse anlık olandan evrenin yaşından çok daha uzun olana kadar çok geniş bir aralığa sahiptir. ⓘ

Bozunan çekirdek ana radyonüklid (veya ana radyoizotop) olarak adlandırılır ve süreç en az bir yavru nüklid üretir. Gama bozunumu veya nükleer uyarılmış bir durumdan iç dönüşüm dışında, bozunma, farklı sayıda proton veya nötron (veya her ikisi) içeren bir yavru ile sonuçlanan bir nükleer dönüşümdür. Proton sayısı değiştiğinde, farklı bir kimyasal elementin atomu yaratılır. ⓘ

• Alfa bozunması, çekirdek bir alfa parçacığı (helyum çekirdeği) fırlattığında meydana gelir.
• Beta bozunması iki şekilde gerçekleşir;
  1. beta-eksi bozunması, çekirdek bir nötronu protona dönüştüren bir süreçte bir elektron ve bir antinötrino yaydığında.
  2. beta-artı bozunma, çekirdek bir protonu nötrona dönüştüren bir süreçte bir pozitron ve bir nötrino yaydığında, pozitron emisyonu olarak da bilinir.
• Gama bozunumunda radyoaktif bir çekirdek önce bir alfa veya beta parçacığı yayarak bozunur. Ortaya çıkan yavru çekirdek genellikle uyarılmış bir durumda bırakılır ve bir gama ışını fotonu yayarak daha düşük enerjili bir duruma bozunabilir.
• Nötron emisyonunda, diğer bozunma türleri nedeniyle veya birçok ardışık nötron yakalamasından sonra oluşan aşırı nötron zengini çekirdekler, bazen nötron emisyonu yoluyla enerji kaybeder ve aynı elementin bir izotopundan diğerine geçişle sonuçlanır.
• Elektron yakalamada, çekirdek yörüngedeki bir elektronu yakalayarak elektron yakalama adı verilen bir süreçte bir protonun nötrona dönüşmesine neden olabilir. Daha sonra bir nötrino ve bir gama ışını yayılır.
• Küme bozunması ve nükleer fisyonda, bir alfa parçacığından daha ağır bir çekirdek yayılır. ⓘ

Buna karşın, nükleer dönüşümle sonuçlanmayan radyoaktif bozunma süreçleri de vardır. Uyarılmış bir çekirdeğin enerjisi, gama bozunması adı verilen bir süreçte gama ışını olarak yayılabilir ya da bu enerji, çekirdek bir yörünge elektronu ile etkileşime girerek atomdan fırlamasına neden olduğunda, iç dönüşüm adı verilen bir süreçte kaybolabilir. Bir başka radyoaktif bozunma türü de, orijinal çekirdeğin farklı kütlelere sahip iki ya da daha fazla "parçası" olarak ortaya çıkan farklı ürünlerle sonuçlanır. Kendiliğinden bölünme olarak adlandırılan bu bozunma, büyük ve kararsız bir çekirdeğin kendiliğinden iki (veya bazen üç) daha küçük yavru çekirdeğe bölünmesiyle gerçekleşir ve genellikle bu ürünlerden gama ışınları, nötronlar veya diğer parçacıkların yayılmasına yol açar. Buna karşılık, spinli bir çekirdekten gelen bozunma ürünleri, bu spin yönüne göre izotropik olmayan bir şekilde dağılabilir. Ya elektromanyetik alan gibi harici bir etki nedeniyle ya da çekirdek spin yönünü kısıtlayan dinamik bir süreçte üretildiği için anizotropi tespit edilebilir. Böyle bir ana süreç önceki bir bozunma veya bir nükleer reaksiyon olabilir. ⓘ

Her kategorideki [hangi kategoriler?] kararlı ve radyoaktif nüklitlerin sayısını gösteren özet bir tablo için bkz. radyonüklit. Dünya'da doğal olarak bulunan ve radyoaktif olan 28 kimyasal element vardır; bunlar Güneş Sistemi'nin oluşumundan öncesine ait 34 radyonüklidden (6 elementin 2 farklı radyonüklidi vardır) oluşur. Bu 34 tanesi primordial nüklidler olarak bilinir. İyi bilinen örnekler uranyum ve toryumdur, ancak potasyum-40 gibi doğal olarak oluşan uzun ömürlü radyoizotoplar da buna dahildir. ⓘ

Dünya'da bulunan radyum-226 ve radon-222 gibi 50 kadar daha kısa ömürlü radyonüklid, ilkel nüklidlerle başlayan bozunma zincirlerinin ürünleridir veya kozmik ışınlar tarafından atmosferdeki nitrojen-14'ten karbon-14 üretimi gibi devam eden kozmojenik süreçlerin ürünüdür. Radyonüklidler ayrıca parçacık hızlandırıcılarında veya nükleer reaktörlerde yapay olarak da üretilebilir ve bunun sonucunda yarı ömürleri bir saatin üzerinde olan 650 ve daha kısa yarı ömürlü birkaç bin tane daha üretilebilir. (Bunların yarı ömre göre sıralanmış bir listesi için Nüklidlerin Listesi bölümüne bakınız). ⓘ

Diagram of the CNO Cycle - CNO çemberi diyagramı ⓘ

Radyoaktivite, radyoaktiflik, ışınetkinlik veya nükleer bozunma, atom çekirdeğinin, tanecikler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasıdır, bir enerji türüdür. Çekirdek tepkimesi sırasında ortaya çıkar. İnsan vücudunun da, birçok nesnenin de içinden geçebilir. Yalnızca toprağın, kayaların ve özellikle kurşunun içinden rahatça geçemez. Radyasyon yayan nesneler, radyoaktif olarak adlandırılır. ⓘ

Radyoaktivite kelimesi Fransızcadan Türkçeye girmiştir. Çevremizde her zaman için bir miktar radyasyon bulunur, fakat radyasyonun fazlası insan sağlığını tehdit ettiği gibi, daha ileri safhalarda ölüme yol açabilir. Doğal radyasyon uranyum gibi bazı kimyasal elementler ile uzay boşluğundaki yıldızlar ve bazı nesneler tarafından üretilir. Bazı nesneler bir saniyeden çok daha az süreyle radyoaktif kalabilirler, bazıları ise binlerce yıl radyoaktif özelliğini koruyabilir. ⓘ

Radyasyon özel makineler sayesinde de üretilebilir, bu makinelere Siklotron (ivme makinesi), doğrusal hızlandırıcı veya parçacık hızlandırıcı adı verilir. Bazı bilim insanları bu makineleri üzerinde çalışabilecekleri radyasyonu üretebilmek için kullanırlar. Röntgen cihazları az miktarda üretilen (X ışınları) sayesinde insan vücudunun iç kısımlarının görüntülenmesini sağlar. ⓘ

Nükleer silahlar (atom bombaları), yapıları tahrip etmek ve insanları öldürmek amacıyla çok hızlı bir şekilde çok yüksek miktarda radyasyon ortaya çıkarırlar. Bu konuda en büyük ve insanlığın hafızasına kazınmış en acı deneyim, Amerikan ordusunun II. Dünya Savaşı’nın sonunda (1945) Hiroşima ve Nagazaki’ye attığı bombalardır. Öte yandan nükleer silahlar, II. Dünya Savaşı’ndan seksenli yılların sonuna kadar Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği başta olmak üzere, kapitalist ve sosyalist bloklar arasında meydana gelen Soğuk Savaş’ın temelini oluşturmuştur. Uzun yıllar boyunca devam eden karşılıklı nükleer tehditler, insanlık için korkutucu bir deneyim meydana getirmiştir. ⓘ

Nükleer reaktörler elektrik üretmek için kullanılmaktadırlar. Bunlar da çok miktarda radyasyon meydana çıkarırlar, bu nedenle radyasyonun reaktörden dışarı sızmasını önleyecek şekilde dikkatlice inşa edilirler. Fakat birçok insan, reaktörlerde bir sorun oluşması durumunda radyasyonun çevreye yayılabileceğinden ve insanlara ve diğer canlılara zarar verebileceğinden endişe duymaktadır. 26 Nisan 1986’da Ukrayna’nın Çernobil şehrinde meydana gelen ve kanserojen etkileri Sovyetler Birliği, Avrupa ülkeleri ve Türkiye’yi de içine alan geniş bir alanda bugün dahi hissedilen büyük felaket, bu korkunun başlıca temelidir. Öte yandan, nükleer reaktörlerin parçaları ve atıkları büyük sorun oluşturmaktadır. Kimi parçalar, yüzlerce, hatta binlerce yıl boyunca radyoaktif kalabilmekte ve çevreye zarar verebilmektedir. Bu nedenle, bunların güvenli bir şekilde nasıl saklanması gerektiğine ilişkin tartışmalar, günümüzde bile canlılığından bir şey kaybetmiş değildir. ⓘ

Keşif tarihi

Pierre ve Marie Curie Paris'teki laboratuvarlarında, 1907'den önce ⓘ

Radyoaktivite 1896 yılında bilim insanları Henri Becquerel ve Marie Curie tarafından fosforlu maddelerle çalışırken keşfedilmiştir. Bu malzemeler ışığa maruz kaldıktan sonra karanlıkta parlıyordu ve katot ışın tüplerinde X-ışınları tarafından üretilen parıltının fosforesans ile ilişkili olabileceğinden şüphelendi. Becquerel bir fotoğraf plakasını siyah kağıda sardı ve üzerine çeşitli fosforesan tuzlar yerleştirdi. Uranyum tuzlarını kullanana kadar tüm sonuçlar negatifti. Uranyum tuzları, plakanın siyah kağıda sarılı olmasına rağmen plakanın kararmasına neden oldu. Bu radyasyonlara "Becquerel Işınları" adı verildi. ⓘ

Kısa süre sonra plakanın kararmasının fosforesansla ilgisi olmadığı anlaşıldı, çünkü kararma fosforesans olmayan uranyum tuzları ve metalik uranyum tarafından da üretiliyordu. Bu deneylerden, kağıttan geçebilen ve plakanın ışığa maruz kalmış gibi tepki vermesine neden olan bir tür görünmez radyasyon olduğu anlaşıldı. ⓘ

İlk başta, bu yeni radyasyonun o zamanlar yeni keşfedilen X-ışınlarına benzediği düşünülüyordu. Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie ve diğerleri tarafından yapılan daha ileri araştırmalar bu radyoaktivite biçiminin çok daha karmaşık olduğunu gösterdi. Rutherford, bu tür tüm elementlerin aynı matematiksel üstel formüle uygun olarak bozunduğunu fark eden ilk kişiydi. Rutherford ve öğrencisi Frederick Soddy, birçok bozunma sürecinin bir elementin diğerine dönüşmesiyle sonuçlandığını fark eden ilk kişilerdi. Daha sonra, Fajans ve Soddy'nin radyoaktif yer değiştirme yasası, alfa ve beta bozunma ürünlerini tanımlamak için formüle edildi. ⓘ

İlk araştırmacılar uranyumun yanı sıra diğer birçok kimyasal elementin de radyoaktif izotoplara sahip olduğunu keşfetti. Uranyum cevherlerindeki toplam radyoaktivitenin sistematik bir şekilde araştırılması Pierre ve Marie Curie'yi iki yeni elementi izole etmeye yönlendirdi: polonyum ve radyum. Radyumun radyoaktivitesi dışında, radyumun baryuma olan kimyasal benzerliği bu iki elementin ayırt edilmesini zorlaştırıyordu. ⓘ

Marie ve Pierre Curie'nin radyoaktivite çalışmaları bilim ve tıpta önemli bir faktördür. Becquerel'in ışınları üzerine yaptıkları araştırmalar onları hem radyum hem de polonyumun keşfine götürdükten sonra, bazı ağır elementlerin iyonlaştırıcı radyasyon yaymasını tanımlamak için "radyoaktivite" terimini ortaya attılar. (Daha sonra bu terim tüm elementler için genelleştirildi.) Uranyumdaki nüfuz edici ışınlar üzerine yaptıkları araştırmalar ve radyumun keşfi, radyumun kanser tedavisinde kullanılması dönemini başlattı. Radyumu keşfetmeleri, nükleer enerjinin ilk barışçıl kullanımı ve modern nükleer tıbbın başlangıcı olarak görülebilir. ⓘ

Erken dönem sağlık tehlikeleri

1896'da erken dönem Crookes tüp aparatı ile X-ışını görüntüsü çekerken. Crookes tüpü ortada görülüyor. Ayakta duran adam bir floroskop ekranıyla elini görüntülüyor; bu tüpü kurmanın yaygın bir yoluydu. Radyasyona maruz kalmaya karşı hiçbir önlem alınmıyor; o zamanlar radyasyonun tehlikeleri bilinmiyordu. ⓘ

Radyoaktivite ve X-ışınlarından kaynaklanan iyonlaştırıcı radyasyonun tehlikeleri hemen fark edilmemişti. ⓘ

X-ışınları

Wilhelm Röntgen tarafından 1895 yılında X-ışınlarının keşfi, bilim insanları, doktorlar ve mucitler tarafından yaygın deneylere yol açtı. Birçok kişi 1896 gibi erken bir tarihte teknik dergilerde yanık, saç dökülmesi ve daha kötüsü ile ilgili hikayeler anlatmaya başladı. Aynı yılın Şubat ayında, Vanderbilt Üniversitesi'nden Profesör Daniel ve Dr. Dudley, Dudley'in kafasına X-ışını tutarak saçlarının dökülmesine neden olan bir deney gerçekleştirdiler. Dr. H.D. Hawks'ın bir X-ışını gösterisinde ciddi el ve göğüs yanıklarına maruz kaldığına dair raporu, Electrical Review'daki diğer birçok raporun ilkiydi. ⓘ

Elihu Thomson ve Nikola Tesla da dahil olmak üzere diğer deneyciler de yanıklar bildirmiştir. Thomson bir parmağını kasıtlı olarak bir süre boyunca bir X-ışını tüpüne maruz bırakmış ve ağrı, şişme ve kabarma yaşamıştır. Ultraviyole ışınlar ve ozon da dahil olmak üzere diğer etkiler bazen hasar için suçlandı ve birçok doktor hala X-ışınına maruz kalmanın hiçbir etkisi olmadığını iddia etti. ⓘ

Buna rağmen, bazı erken sistematik tehlike araştırmaları yapıldı ve 1902 gibi erken bir tarihte William Herbert Rollins, X-ışınlarının dikkatsiz kullanımının içerdiği tehlikeler hakkındaki uyarılarının ne endüstri ne de meslektaşları tarafından dikkate alınmadığını neredeyse umutsuzca yazdı. O zamana kadar Rollins, X ışınlarının deney hayvanlarını öldürebileceğini, hamile bir kobayın düşük yapmasına neden olabileceğini ve bir fetüsü öldürebileceğini kanıtlamıştı. Ayrıca "hayvanların X-ışınının dış etkisine karşı duyarlılıklarının farklı olduğunu" vurgulamış ve hastalar X-ışınları ile tedavi edilirken bu farklılıkların göz önünde bulundurulması konusunda uyarmıştır. ⓘ

Radyoaktif maddeler

Radyoaktivite, büyük atom numaralarına sahip elementlerin karakteristik özelliğidir. En az bir kararlı izotopu olan elementler açık mavi ile gösterilmiştir. Yeşil, en kararlı izotopunun yarı ömrü milyonlarca yılla ölçülen elementleri gösterir. Sarı ve turuncu, yarı ömürleri binlerce veya yüzlerce yıl olan ve bir güne kadar inen, giderek daha az kararlı elementlerdir. Kırmızı ve mor, en kararlı izotopların bir gün veya çok daha kısa yarı ömürler sergilediği yüksek ve aşırı radyoaktif elementleri gösterir. ⓘ

Ancak, radyoaktif maddelerden kaynaklanan radyasyonun biyolojik etkilerini ölçmek daha az kolaydı. Bu durum birçok doktor ve şirkete radyoaktif maddeleri patentli ilaçlar olarak pazarlama fırsatı verdi. Radyum lavman tedavileri ve tonik olarak içilecek radyum içeren sular buna örnek olarak verilebilir. Marie Curie bu tür tedavileri protesto ederek "radyumun eğitimsiz ellerde tehlikeli olduğu" uyarısında bulundu. Curie daha sonra muhtemelen iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmanın neden olduğu aplastik anemiden öldü. 1930'lara gelindiğinde, radyum tedavisi meraklılarında görülen bir dizi kemik nekrozu ve ölüm vakasının ardından, radyum içeren tıbbi ürünler büyük ölçüde piyasadan kaldırılmıştır (radyoaktif şarlatanlık). ⓘ

Radyasyondan korunma

Röntgen'in X ışınlarını keşfinden sadece bir yıl sonra, Amerikalı mühendis Wolfram Fuchs (1896) muhtemelen ilk koruma tavsiyesini verdi, ancak ilk Uluslararası Radyoloji Kongresi (ICR) 1925 yılına kadar düzenlenmedi ve uluslararası koruma standartlarının oluşturulması düşünülmedi. Kanser riski de dahil olmak üzere radyasyonun genler üzerindeki etkileri çok daha sonra fark edilmiştir. Hermann Joseph Muller 1927 yılında genetik etkileri gösteren bir araştırma yayınladı ve 1946 yılında bulguları nedeniyle Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne layık görüldü. ⓘ

İkinci ICR 1928'de Stockholm'de yapıldı ve röntgen biriminin kabul edilmesini önerdi ve Uluslararası X-ışını ve Radyum Koruma Komitesi (IXRPC) kuruldu. Rolf Sievert Başkan seçildi, ancak itici güç İngiliz Ulusal Fizik Laboratuvarı'ndan George Kaye idi. Komite 1931, 1934 ve 1937 yıllarında toplandı. ⓘ

Dünya Savaşı'ndan sonra, askeri ve sivil nükleer programların bir sonucu olarak işlenen radyoaktif maddelerin çeşitliliği ve miktarının artması, büyük meslek çalışanları gruplarının ve halkın potansiyel olarak zararlı seviyelerde iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmasına yol açtı. Bu durum, 1950 yılında Londra'da toplanan savaş sonrası ilk ICR'de ele alınmış ve bugünkü Uluslararası Radyolojik Koruma Komisyonu (ICRP) doğmuştur. O zamandan bu yana ICRP, radyasyon tehlikelerinin tüm yönlerini kapsayan mevcut uluslararası radyasyondan korunma sistemini geliştirmiştir. ⓘ

2020 yılında Hauptmann ve aralarında sekiz ülkeden 15 uluslararası araştırmacının da bulunduğu Biyoistatistik Enstitüleri, Kayıt Araştırmaları, Kanser Epidemiyolojisi Merkezleri, Radyasyon Epidemiyolojisi ve daha sonra ABD Ulusal Kanser Enstitüsü (NCI), Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC) ve Hiroşima Radyasyon Etkileri Araştırma Vakfı, Hiroşima ve Nagazaki'ye atılan atom bombalarından ve ayrıca dünyada meydana gelen çok sayıda nükleer santral kazasından kurtulanların nüfusunu etkileyen "düşük dozlardan" kaynaklanan hasarı meta-analiz yoluyla kesin olarak inceledi. Bu bilim adamları JNCI Monograflarında rapor etmişlerdir: Epidemiological Studies of Low Dose Ionizing Radiation and Cancer Risk (Düşük Doz İyonlaştırıcı Radyasyon ve Kanser Riski Üzerine Epidemiyolojik Çalışmalar) başlıklı raporlarında, yeni epidemiyolojik çalışmaların düşük doz iyonlaştırıcı radyasyondan kaynaklanan aşırı kanser risklerini doğrudan desteklediğini belirtmişlerdir. 2021 yılında İtalyan araştırmacı Venturi, sezyumun biyolojideki rolü ile pankreatit ve pankreas kökenli diyabette radyo sezyum ve pankreas kanseri arasındaki ilk korelasyonları bildirmiştir. ⓘ

Birimler

Radyoaktivite ve tespit edilen iyonlaştırıcı radyasyon arasındaki ilişkileri gösteren grafik ⓘ

Uluslararası Birimler Sistemi (SI) radyoaktif aktivite birimi, adını bilim insanı Henri Becquerel'den alan becquerel'dir (Bq). Bir Bq, saniyede bir dönüşüm (veya bozunma veya parçalanma) olarak tanımlanır. ⓘ

Daha eski bir radyoaktivite birimi olan curie (Ci), başlangıçta "bir gram radyum (element) ile dengede olan radyum yayılımının miktarı veya kütlesi" olarak tanımlanmıştır. Günümüzde curie saniyede 3,7×10¹⁰ parçalanma olarak tanımlanmaktadır, böylece 1 curie (Ci) = 3,7×10¹⁰ Bq olmaktadır. Radyolojik koruma amacıyla, Amerika Birleşik Devletleri Nükleer Düzenleme Komisyonu curie biriminin SI birimleriyle birlikte kullanılmasına izin verse de, Avrupa Birliği Avrupa ölçü birimleri direktifleri "halk sağlığı ... amaçları" için kullanımının 31 Aralık 1985'e kadar aşamalı olarak kaldırılmasını gerektirmiştir. ⓘ

İyonlaştırıcı radyasyonun etkileri genellikle mekanik için gri veya doku hasarı için sievert birimleriyle ölçülür. ⓘ

Türleri

Alfa parçacıkları bir kağıt tabakasıyla, beta parçacıkları ise alüminyum kalkanla tamamen durdurulabilir. Gama ışınları ancak çok kalın bir kurşun tabakası gibi çok daha önemli bir kütle tarafından azaltılabilir. ⓘ

¹³⁷Cs bozunma şeması, yarı ömürleri, yavru nüklitleri ve yayılan radyasyon türlerini ve oranlarını göstermektedir ⓘ

İlk araştırmacılar, bir elektrik ya da manyetik alanın radyoaktif emisyonları üç tür ışına bölebileceğini keşfetti. Bu ışınlara, maddeye nüfuz etme kabiliyetlerine göre artan bir sırayla alfa, beta ve gama isimleri verilmiştir. Alfa bozunması, berilyum-8 (iki alfa parçacığına bozunur) hariç, yalnızca atom numarası 52 (tellür) ve daha ağır elementlerde gözlenir. Diğer iki bozunma türü tüm elementlerde gözlenir. Atom numarası 82 olan kurşun, radyoaktif bozunmaya karşı kararlı (ölçüm sınırına kadar) izotopları olan en ağır elementtir. Radyoaktif bozunma, atom numarası 83 (bizmut) veya daha büyük olan tüm elementlerin tüm izotoplarında görülür. Bununla birlikte, bizmut-209, evrenin yaşından daha büyük bir yarı ömürle çok az radyoaktiftir; son derece uzun yarı ömürlü radyoizotoplar pratik amaçlar için etkili bir şekilde kararlı kabul edilir. ⓘ

Nötron sayısı N ve atom numarası Z olan bir radyonüklidin bozunma modları için geçiş diyagramı (α, β^±, p⁺ ve n⁰ emisyonları gösterilmiştir, EC elektron yakalamayı ifade eder). ⓘ

Nötron ve proton sayılarına bağlı radyoaktif bozunma türleri ⓘ

Bozunma ürünlerinin doğasını analiz ederken, dış manyetik ve elektrik alanlar tarafından radyasyonlara uygulanan elektromanyetik kuvvetlerin yönünden, alfa parçacıklarının pozitif yük taşıdığı, beta parçacıklarının negatif yük taşıdığı ve gama ışınlarının nötr olduğu açıktı. Sapmanın büyüklüğünden, alfa parçacıklarının beta parçacıklarından çok daha büyük kütleli olduğu anlaşılıyordu. Alfa parçacıklarının çok ince bir cam pencereden geçirilmesi ve bir deşarj tüpüne hapsedilmesi, araştırmacıların yakalanan parçacıkların emisyon spektrumunu incelemelerine olanak sağladı ve sonuçta alfa parçacıklarının helyum çekirdekleri olduğu kanıtlandı. Diğer deneyler, bozunma ve katot ışınlarından kaynaklanan beta radyasyonunun yüksek hızlı elektronlar olduğunu gösterdi. Aynı şekilde, gama radyasyonu ve X-ışınlarının da yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon olduğu bulunmuştur. ⓘ

Bozunma türleri arasındaki ilişki de incelenmeye başlandı: Örneğin, gama bozunmasının neredeyse her zaman diğer bozunma türleriyle ilişkili olduğu ve yaklaşık aynı zamanda ya da daha sonra meydana geldiği görüldü. Kendi yarı ömrü olan (şimdi izomerik geçiş olarak adlandırılan) ayrı bir fenomen olarak gama bozunmasının, doğal radyoaktivitede, uyarılmış metastabil nükleer izomerlerin gama bozunmasının bir sonucu olduğu ve bunların da diğer bozunma türlerinden oluştuğu bulunmuştur. ⓘ

En yaygın olarak alfa, beta ve gama radyasyonları bulunmasına rağmen, sonunda diğer emisyon türleri de keşfedildi. Kozmik ışın ürünlerinde pozitronun keşfinden kısa bir süre sonra, klasik beta bozunumunda işleyen aynı sürecin nötrinolarla birlikte pozitronlar (pozitron emisyonu) da üretebileceği fark edildi (klasik beta bozunumu antinötrinolar üretir). Elektron yakalama adı verilen daha yaygın bir benzer süreçte, bazı proton zengini nüklitlerin pozitron yaymak yerine kendi atomik elektronlarını yakaladıkları ve daha sonra bu nüklitlerin uyarılmış çekirdekten yalnızca bir nötrino ve bir gama ışını yaydıkları bulunmuştur (ve genellikle Auger elektronları ve karakteristik X-ışınları da, elektronların eksik yakalanan elektronun yerini doldurmak için yeniden sıralanmasının bir sonucu olarak). Bu bozunma türleri elektronların nükleer olarak yakalanmasını ya da elektron veya pozitron emisyonunu içerir ve böylece bir çekirdeği, belirli bir toplam nükleon sayısı için en az enerjiye sahip olan nötronların protonlara oranına doğru hareket ettirir. Bu da sonuç olarak daha kararlı (daha düşük enerjili) bir çekirdek üretir. ⓘ

Elektron yakalamaya benzer varsayımsal bir pozitron yakalama süreci antimadde atomlarında teorik olarak mümkündür, ancak antihelyum dışındaki karmaşık antimadde atomları deneysel olarak mevcut olmadığından gözlemlenmemiştir. Böyle bir bozunma için en az berilyum-7 kadar karmaşık antimadde atomları gerekir ki bu da elektron yakalama yoluyla bozunmaya uğrayan normal maddenin bilinen en hafif izotopudur. ⓘ

1932'de nötronun keşfinden kısa bir süre sonra Enrico Fermi, bazı nadir beta bozunma reaksiyonlarının, beta gecikmeli nötron emisyonu olarak adlandırılan ek bir bozunma parçacığı olarak hemen nötron verdiğini fark etti. Nötron emisyonu genellikle, ¹⁷N'nin beta bozunumundan üretilen uyarılmış ¹⁷O* gibi uyarılmış bir durumda olan çekirdeklerden gerçekleşir. Nötron emisyonu sürecinin kendisi nükleer kuvvet tarafından kontrol edilir ve bu nedenle son derece hızlıdır, bazen "neredeyse anlık" olarak adlandırılır. Sonunda bazı elementlerde izole proton emisyonu gözlemlenmiştir. Ayrıca bazı ağır elementlerin kendiliğinden fisyona uğrayarak bileşim bakımından farklılık gösteren ürünlere dönüşebildiği de bulunmuştur. Küme bozunumu adı verilen bir olguda, alfa parçacıkları (helyum çekirdekleri) dışındaki nötron ve protonların belirli kombinasyonlarının atomlardan kendiliğinden yayıldığı bulunmuştur. ⓘ

Diğer radyoaktif bozunma türlerinin daha önce görülen parçacıkları farklı mekanizmalarla yaydığı bulunmuştur. Buna bir örnek, ilk elektron emisyonu ve ardından genellikle daha karakteristik X-ışınları ve Auger elektronları emisyonu ile sonuçlanan iç dönüşümdür, ancak iç dönüşüm süreci ne beta ne de gama bozunmasını içerir. Bir nötrino yayılmaz ve yayılan elektron(lar) ve foton(lar)ın hiçbiri çekirdekten kaynaklanmaz, her ne kadar bunların hepsini yayacak enerji çekirdekten kaynaklansa da. İç dönüşüm bozunması, izomerik geçiş gama bozunması ve nötron emisyonu gibi, bir elementin diğerine dönüşümü olmaksızın uyarılmış bir nüklit tarafından enerji salınımını içerir. ⓘ

Aynı anda gerçekleşen iki beta bozunumu tipi olayın birleşimini içeren nadir olaylar bilinmektedir (aşağıya bakınız). Enerji veya momentum korunumu yasalarını (ve belki de diğer parçacık korunumu yasalarını) ihlal etmeyen herhangi bir bozunma sürecinin gerçekleşmesine izin verilir, ancak hepsi tespit edilmemiştir. Son bölümde tartışılan ilginç bir örnek, renyum-187'nin bağlı durum beta bozunmasıdır. Bu süreçte, ana nüklidin beta elektron bozunmasına beta elektron emisyonu eşlik etmez, çünkü beta parçacığı yayıcı atomun K-kabuğuna yakalanmıştır. Tüm negatif beta bozunumlarında olduğu gibi bir antinötrino yayılır. ⓘ

Radyonüklidler bir dizi farklı reaksiyona girebilir. Bunlar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Kütle numarası A ve atom numarası Z olan bir çekirdek (A, Z) olarak gösterilir. "Yavru çekirdek" sütunu yeni çekirdek ile orijinal çekirdek arasındaki farkı gösterir. Böylece, (A - 1, Z) kütle numarasının öncekinden bir eksik olduğu, ancak atom numarasının öncekiyle aynı olduğu anlamına gelir. ⓘ

Enerji koşulları uygunsa, belirli bir radyonüklid birbiriyle yarışan birçok bozunma türüne maruz kalabilir; bazı atomlar bir yolla bozunurken, diğerleri başka bir yolla bozunur. Buna bir örnek, 29 proton ve 35 nötrona sahip olan ve 12,7004(13) saatlik bir yarı ömürle bozunan bakır-64'tür. Bu izotopun bir eşleşmemiş protonu ve bir eşleşmemiş nötronu vardır, dolayısıyla proton ya da nötron zıt izospine sahip diğer parçacığa bozunabilir. Bu özel nüklidin (bu durumdaki tüm nüklitler olmasa da) beta artı bozunumu (%61,52(26)) yoluyla bozunması, elektron yakalama (%38,48(26)) yoluyla bozunmasından daha olasıdır. Bir temel enerji durumunda sonlanmayan bu bozunumlardan kaynaklanan uyarılmış enerji durumları, daha sonra iç dönüşüm ve gama bozunumunu da neredeyse %0,5 oranında üretir. ⓘ

Ağır nüklidlerde daha yaygın olan, alfa ve beta bozunumu arasındaki rekabettir. Yavru nüklitler daha sonra normal olarak aynı yerde sonlanmak üzere sırasıyla beta veya alfa yoluyla bozunacaktır. ⓘ

Radyoaktif bozunma, salınan enerji (parçalanma enerjisi) bir şekilde kaçtığında, toplam kalan kütlenin azalmasıyla sonuçlanır. Bozunma enerjisi bazen ana nüklit ürünlerinin kütlesi ile bozunma ürünlerinin kütlesi arasındaki farkla ilişkili olarak tanımlansa da, bu sadece ürün sisteminden bir miktar enerjinin çıkarıldığı durgun kütle ölçümleri için geçerlidir. Bu doğrudur çünkü bozunma enerjisi E = mc² formülüne göre nerede ortaya çıkarsa çıksın (bkz. özel görelilikte kütle) her zaman kütle taşımak zorundadır. Bozunma enerjisi başlangıçta yayılan fotonların enerjisi artı yayılan büyük parçacıkların (yani durgun kütleye sahip parçacıkların) kinetik enerjisi olarak açığa çıkar. Bu parçacıklar çevreleriyle termal dengeye gelir ve fotonlar emilirse, bozunma enerjisi kütlesini koruyan termal enerjiye dönüşür. ⓘ

Dolayısıyla bozunma enerjisi, bozunma parçacıkları arasında dağılmış olsa da bozunma sırasında değişmeyen ve değişmez kütle olarak adlandırılan bozunma sisteminin kütlesinin belirli bir ölçüsü ile ilişkili kalır. Fotonların enerjisi, yayılan parçacıkların kinetik enerjisi ve daha sonra çevredeki maddenin termal enerjisi, sistemin değişmez kütlesine katkıda bulunur. Dolayısıyla, radyoaktif bozunmada parçacıkların kalan kütlelerinin toplamı korunmazken, sistem kütlesi ve sistem değişmez kütlesi (ve ayrıca sistemin toplam enerjisi) herhangi bir bozunma süreci boyunca korunur. Bu, eşdeğer enerji korunumu ve kütle korunumu yasalarının yeniden ifade edilmesidir. ⓘ

Bozunma modlarının listesi

NUBASE 2020'deki bozunma modları ⓘ
Mod	İsim	Eylem	Çekirdek değişiklikleri
α	Alfa emisyonu	Çekirdekten yayılan bir alfa parçacığı (A = 4, Z = 2)	(A - 4, Z - 2)
p	Proton emisyonu	Çekirdekten fırlatılan bir proton	(A - 1, Z - 1)
2p	2-proton emisyonu	Çekirdekten aynı anda iki proton fırlatılır	(A - 2, Z - 2)
n	Nötron emisyonu	Çekirdekten fırlatılan bir nötron	(A - 1, Z)
2n	2-nötron emisyonu	Çekirdekten aynı anda iki nötron fırlatılır	(A - 2, Z)
ε	Elektron yakalama	Bir çekirdek yörüngedeki bir elektronu yakalar ve bir nötrino yayar; yavru çekirdek uyarılmış kararsız bir durumda kalır	(A, Z - 1)
e+	Pozitron emisyonu	Bir nükleer proton, bir pozitron ve bir elektron nötrino yayarak nötrona dönüşür	(A, Z - 1)
β+	Pozitron emisyonu	NUBASE2020'de β+, elektron yakalama (ε) ve pozitron emisyonunun (e+) birleşik oranını ifade eder: (β+ = ε + e+)	(A, Z - 1)
β−	β- çürüme	Bir çekirdek bir elektron ve bir elektron antinötrinosu yayar	(A, Z + 1)
2β−	Çift β bozunumu	Bir çekirdek iki elektron ve iki antinötrino yayar	(A, Z + 2)
2β+	Çift β bozunumu	Bir çekirdek iki pozitron ve iki nötrino yayar	(A, Z - 2)
β-n	β--gecikmeli nötron emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından bir nötron yayar	(A - 1, Z + 1)
β-2n	β--gecikmeli 2-nötron emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından iki nötron yayar	(A - 2, Z + 1)
β-3n	β--gecikmeli 3-nötron emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından üç nötron yayar	(A - 3, Z + 1)
β+p	β+-gecikmeli proton emisyonu	Bir çekirdek β+ emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından bir proton yayar	(A - 1, Z - 2)
β+2p	β+-gecikmeli 2-proton emisyonu	Bir çekirdek β+ emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından iki proton yayar	(A - 2, Z - 3)
β+3p	β+-gecikmeli 3-proton emisyonu	Bir çekirdek β+ emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından üç proton yayar	(A - 3, Z - 4)
β−α	β--gecikmeli alfa emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve daha sonra bir α parçacığı yayar	(A - 4, Z - 1)
β+α	β+-gecikmeli alfa emisyonu	Bir çekirdek β+ emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından bir α parçacığı yayar	(A - 4, Z - 3)
β-d	β--gecikmeli döteron emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve daha sonra bir döteron yayar	(A - 2, Z)
β-t	β--gecikmeli triton emisyonu	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve ardından bir triton yayar	(A - 3, Z)
CD	Küme çürümesi	Bir çekirdek, alfa parçacığından daha büyük olan belirli bir tür daha küçük çekirdek (A1, Z1) yayar	(A - A1, Z - Z1) & (A1, Z1)
IT	İç (izomerik) geçiş	Metastabil durumdaki bir çekirdek, bir foton yayarak veya bir elektron fırlatarak daha düşük enerjili bir duruma düşer	(A, Z)
SF	Spontane fisyon	Bir çekirdek iki veya daha fazla küçük çekirdeğe ve diğer parçacıklara ayrışır, bunların hepsi her bozunmada değişebilir	değişken
β+SF	β+-gecikmeli fisyon	Bir çekirdek β+ emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve daha sonra kendiliğinden bölünmeye uğrar	β+ & değişken
β-SF	β--gecikmeli fisyon	Bir çekirdek β- emisyonu ile uyarılmış bir duruma bozunur ve bu durum daha sonra kendiliğinden bölünmeye uğrar	β- & değişken

Oranlar

Radyoaktif bir maddenin bozunma hızı veya aktivitesi aşağıdaki zamandan bağımsız parametrelerle karakterize edilir:

• Yarılanma ömrü, t_1/2, radyoaktif bir maddenin belirli bir miktarının aktivitesinin başlangıç değerinin yarısına bozunması için geçen süredir.
• Bozunma sabiti, λ "lambda", ortalama yaşam süresinin (s-1 cinsinden) karşılığıdır, bazen sadece bozunma hızı olarak da adlandırılır.
• Ortalama yaşam süresi, τ "tau", radyoaktif bir parçacığın bozunmadan önceki ortalama yaşam süresi (1/e yaşam). ⓘ

Bunlar sabit olmasına rağmen, atom popülasyonlarının istatistiksel davranışı ile ilişkilidir. Sonuç olarak, bu sabitleri kullanan tahminler küçük atom örnekleri için daha az doğrudur. ⓘ

Prensipte yarı ömür, üçüncü ömür ve hatta (1/√2)-ömür, yarı ömür ile tamamen aynı şekilde kullanılabilir; ancak ortalama ömür ve yarı ömür t_1/2, üstel bozunma ile ilişkili standart zamanlar olarak kabul edilmiştir. ⓘ

Bu parametreler aşağıdaki zamana bağlı parametrelerle ilişkilendirilebilir:

• Toplam aktivite, A, radyoaktif bir numunenin birim zaman başına bozunma sayısıdır.
• Parçacık sayısı, N, örnekteki toplam parçacık sayısıdır.
• Spesifik aktivite, a, sıfıra ayarlanmış zamanda (t = 0) numunenin madde miktarı başına birim zamandaki bozunma sayısıdır. "Madde miktarı" başlangıçtaki numunenin kütlesi, hacmi veya molü olabilir. ⓘ

Bunlar aşağıdaki gibi ilişkilidir:

${\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}$

burada N₀ başlangıçtaki aktif madde miktarıdır - madde oluştuğunda olduğu gibi aynı oranda kararsız parçacığa sahip olan madde. ⓘ

Matematik

Evrensel hukuk

Radyoaktif bozunmanın matematiği, bir radyonüklidin çekirdeğinin "hafızası" ya da geçmişini şimdiki davranışına dönüştürme yolu olmadığı şeklindeki temel bir varsayıma dayanır. Bir çekirdek zaman geçtikçe "yaşlanmaz". Bu nedenle, çekirdeğin parçalanma olasılığı zamanla artmaz, ancak çekirdek ne kadar uzun süredir var olursa olsun sabit kalır. Bu sabit olasılık, bir çekirdek türü ile diğeri arasında büyük farklılıklar gösterebilir ve bu da gözlemlenen birçok farklı bozunma oranına yol açar. Ancak, olasılık ne olursa olsun, zaman içinde değişmez. Bu durum, otomobiller ve insanlar gibi yaşlanma gösteren karmaşık nesnelerle belirgin bir tezat oluşturmaktadır. Bu yaşlanan sistemler, var olmaya başladıkları andan itibaren artan birim zaman başına bir bozulma şansına sahiptir. ⓘ

Bir atom yığınının radyoaktif bozunması gibi, tek bir olayın gerçekleşme olasılığının çok küçük olduğu, ancak zaman dilimlerinin sayısının yine de makul bir olay oranına sahip olacak kadar büyük olduğu toplu süreçler, kesikli olan Poisson dağılımı ile modellenir. Radyoaktif bozunma ve nükleer parçacık reaksiyonları, bu tür toplu süreçlerin iki örneğidir. Poisson süreçlerinin matematiği, tek bir çekirdek yerine çok sayıda çekirdeğin istatistiksel davranışını tanımlayan üstel bozunma yasasına indirgenir. Aşağıdaki formalizmde, çekirdek sayısı veya çekirdek popülasyonu N, elbette kesikli bir değişkendir (doğal bir sayı) - ancak herhangi bir fiziksel örnek için N o kadar büyüktür ki sürekli bir değişken olarak ele alınabilir. Diferansiyel hesap, nükleer bozunma davranışını modellemek için kullanılır. ⓘ

Tek bozunma süreci

A → B süreciyle başka bir B'ye bozunan bir A nüklidinin durumunu düşünün (elektron nötrinoları gibi diğer parçacıkların emisyonu
ν
e ve elektronlar e- beta bozunumunda olduğu gibi, aşağıda anlatılanlarla ilgisizdir). Kararsız bir çekirdeğin bozunması zaman içinde tamamen rastlantısaldır, bu nedenle belirli bir atomun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkansızdır. Ancak, zamanın herhangi bir anında bozunması eşit derecede olasıdır. Bu nedenle, belirli bir radyoizotop örneği verildiğinde, küçük bir dt zaman aralığında meydana gelmesi beklenen bozunma olaylarının sayısı -dN, mevcut atomların sayısı N ile orantılıdır, yani ⓘ

$-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N$ ⓘ

Belirli radyonüklitler farklı hızlarda bozunur, bu nedenle her birinin kendi bozunma sabiti λ vardır. Beklenen bozunma -dN/N, zaman artışı dt ile orantılıdır:

$-{\frac {\mathrm {d} N}{N}}=\lambda \mathrm {d} t$ ⓘ

Negatif işaret, bozunma olayları birbirini takip ettiği için zaman arttıkça N'nin azaldığını gösterir. Bu birinci dereceden diferansiyel denklemin çözümü fonksiyondur:

$N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}$ ⓘ

Burada N₀, N'nin t = 0 zamanındaki değeridir ve bozunma sabiti λ olarak ifade edilir. ⓘ

Tüm t zamanları için:

$N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},$ ⓘ

Burada N_total bozunma süreci boyunca sabit parçacık sayısıdır ve başlangıç maddesi olduğu için başlangıçtaki A çekirdeği sayısına eşittir. ⓘ

Eğer bozunmamış A çekirdeklerinin sayısı:

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}$ ⓘ

ise, B çekirdeklerinin sayısı (yani bozunmuş A çekirdeklerinin sayısı) ⓘ

$N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$ ⓘ

Belirli bir aralıkta gözlemlenen bozunma sayısı Poisson istatistiklerine uyar. Ortalama bozunma sayısı ⟨N⟩ ise, belirli bir N bozunma sayısının olasılığı

$P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.$ ⓘ

Zincir bozunum süreçleri

İki bozunum zinciri

Şimdi iki bozunma zinciri durumunu ele alalım: bir A nüklidi bir işlemle başka bir B'ye bozunur, ardından B ikinci bir işlemle başka bir C'ye bozunur, yani A → B → C. Önceki denklem bozunma zincirine uygulanamaz, ancak aşağıdaki şekilde genelleştirilebilir. A, B'ye bozunduğundan ve B de C'ye bozunduğundan, A'nın aktivitesi mevcut örnekteki B nüklitlerinin toplam sayısına eklenir, bu B nüklitleri bozunmadan ve sonraki örneğe giden nüklitlerin sayısını azaltmadan önce. Başka bir deyişle, ikinci nesil B çekirdeklerinin sayısı A'nın birinci nesil çekirdeklerinin bozunması sonucu artar ve kendi bozunması sonucu üçüncü nesil C çekirdeklerine dönüşerek azalır. Bu iki terimin toplamı, iki nüklit için bozunma zinciri yasasını verir:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.$ ⓘ

N_B'nin değişim oranı, yani dN_B/dt, A ve B miktarlarındaki değişikliklerle ilgilidir, N_B, B A'dan üretildikçe artabilir ve B C'yi ürettikçe azalabilir. ⓘ

Önceki sonuçları kullanarak yeniden yazalım:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}$ ⓘ

Alt simgeler basitçe ilgili nüklidleri ifade eder, yani NA, A tipi nüklidlerin sayısıdır; N_A0, A tipi nüklidlerin başlangıç sayısıdır; λA, A için bozunma sabitidir - ve benzer şekilde _B nüklidi için:

$N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).$ ⓘ

B'nin kararlı bir nüklid olduğu durumda (λ_B = 0), bu denklem önceki çözüme indirgenir:

$\lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),$ ⓘ

yukarıda bir bozunma için gösterildiği gibi. Çözüm, integrasyon faktörünün e^λBt olduğu integrasyon faktörü yöntemiyle bulunabilir. Bu durum belki de en kullanışlı olanıdır çünkü hem tek bozunum denklemini (yukarıda) hem de çoklu bozunum zincirleri için denklemi (aşağıda) daha doğrudan türetebilir. ⓘ

Herhangi bir sayıda bozunum zinciri

Bir bozunma zincirinde herhangi bir sayıda ardışık bozunmanın olduğu genel durum için, yani A₁ → A₂ --- → Ai --- → A_D, burada D bozunma sayısı ve i bir kukla indeksidir (i = _{1, 2, 3, ...D}), her nüklit popülasyonu bir önceki popülasyon açısından bulunabilir. Bu durumda N₂ = 0, N₃ = 0, ..., N_D = 0. Yukarıdaki sonucu özyinelemeli bir biçimde kullanmak:

${\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.$ ⓘ

Özyinelemeli problemin genel çözümü Bateman denklemleri ile verilir:

'Bateman denklemleri'

${\begin{aligned}N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\sum _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i}e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j}}{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}$ ⓘ

Alternatif modlar

Yukarıdaki tüm örneklerde, başlangıç nüklidi sadece bir ürüne bozunur. İki üründen birine, yani A → B ve A → C'ye paralel olarak bozunabilen bir başlangıç nüklidinin durumunu düşünün. Örneğin, bir potasyum-40 örneğinde, çekirdeklerin %89,3'ü kalsiyum-40'a ve %10,7'si argon-40'a bozunur. Tüm t zamanları için:

$N=N_{A}+N_{B}+N_{C}$ ⓘ

sabittir, çünkü toplam nüklit sayısı sabit kalır. Zamana göre farklılaşarak:

${\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}$ ⓘ

λ_B ve λ_C kısmi bozunma sabitlerinin toplamı cinsinden toplam bozunma sabiti λ'yı tanımlar:

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.$ ⓘ

Bu denklem N_A için çözülürse:

$N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.$ ⓘ

N_A0, A nüklidinin başlangıç sayısıdır. Bir nüklidin üretimi ölçülürken, yalnızca toplam bozunma sabiti λ gözlemlenebilir. λB ve λ_C bozunma sabitleri, bozunmanın B veya C ürünleriyle sonuçlanma olasılığını aşağıdaki gibi belirler:

$N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),$ ⓘ

$N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).$ ⓘ

Çünkü çekirdeklerin λ_B/λ kesri B'ye bozunurken λ_C/λ kesri C'ye bozunur. ⓘ

Kanunların sonuçları

Yukarıdaki denklemler, bir numunedeki N nüklit parçacıklarının sayısı ile ilgili miktarlar kullanılarak da yazılabilir;

• Aktivite: A = λN.
• Madde miktarı: n = N/N_A.
• Kütle: m = Mn = MN/N_A. ⓘ

Burada N_A = 6.02214076×10²³ mol-1 Avogadro sabitidir, M maddenin kg/mol cinsinden molar kütlesidir ve n maddesinin miktarı mol cinsindendir. ⓘ

Bozunma zamanlaması: tanımlar ve ilişkiler

Zaman sabiti ve ortalama ömür

Bir bozunma çözümü için A → B:

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$ ⓘ

denklemi, λ bozunma sabitinin t-1 birimine sahip olduğunu ve bu nedenle 1/τ olarak da gösterilebileceğini gösterir; burada τ, zaman sabiti olarak adlandırılan sürecin karakteristik bir zamanıdır. ⓘ

Radyoaktif bozunma sürecinde, bu zaman sabiti aynı zamanda bozunan atomlar için ortalama yaşam süresidir. Her atom bozunmadan önce sonlu bir süre "yaşar" ve bu ortalama yaşam süresinin tüm atomların yaşam sürelerinin aritmetik ortalaması olduğu ve yine bozunma sabiti ile aşağıdaki gibi ilişkili olan τ olduğu gösterilebilir:

$\tau ={\frac {1}{\lambda }}.$ ⓘ

Bu form aynı anda iki bozunma süreci için de geçerlidir A → B + C, bozunma sabitlerinin eşdeğer değerlerini (yukarıda verildiği gibi) ekleyerek ⓘ

$\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,$ ⓘ

bozunma çözümüne yol açar:

${\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,$ ⓘ

Radyoaktif bozunmaya uğrayan birçok özdeş atomun simülasyonu, 4 atomla (solda) veya 400 atomla (sağda) başlayarak. Üstteki sayı kaç yarı ömür geçtiğini göstermektedir. ⓘ

Yarılanma ömrü

Daha yaygın olarak kullanılan bir parametre de T_1/2 yarılanma ömrüdür. Belirli bir radyonüklidin bir örneği göz önüne alındığında, yarılanma ömrü radyonüklidin atomlarının yarısının bozunması için geçen süredir. Tek bozunmalı nükleer reaksiyonlar için:

$N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!$ ⓘ

yarı ömür bozunma sabiti ile şu şekilde ilişkilidir: N = N₀/2 ve t = T_1/2 olarak ayarlandığında ⓘ

$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.$ ⓘ

Yarılanma ömrü ile bozunma sabiti arasındaki bu ilişki, yüksek radyoaktif maddelerin hızla tükendiğini, zayıf ışıma yapanların ise daha uzun süre dayandığını göstermektedir. Bilinen radyonüklitlerin yarılanma ömürleri neredeyse 54 büyüklük mertebesine göre değişir; ¹²⁸Te nüklidi için 2,25(9)×10²⁴ yıldan (6,9×10³¹ saniye) fazla, ⁵H nüklidi için 8,6(6)×10-23 saniyeye kadar. ⓘ

Yukarıdaki bağıntılardaki ln(2) faktörü, "yarı ömür" kavramının, ömür ifadesi için doğal e tabanından farklı bir taban seçmenin bir yolu olmasından kaynaklanmaktadır. Zaman sabiti τ, bir radyonüklidin yarı ömründeki %50'den ziyade, sadece 1/e kalana kadar geçen süre, yaklaşık %36,8, e -1-ömrüdür. Bu nedenle τ, t_1/2'den daha uzundur. Aşağıdaki denklemin geçerli olduğu gösterilebilir:

$N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!$ ⓘ

Radyoaktif bozunma sabit bir olasılıkla üstel olduğundan, her süreç (örneğin) "(1/3)-ömrü" (sadece 1/3 kalana kadar geçen süre) veya "(1/10)-ömrü" (sadece %10 kalana kadar geçen süre) vb. veren farklı bir sabit zaman periyodu ile kolayca tanımlanabilir. Dolayısıyla, işaret-zamanları için τ ve t_1/2 seçimi sadece kolaylık sağlamak içindir ve gelenekseldir. Bunlar temel bir ilkeyi sadece, belirli bir radyoaktif maddenin aynı oranının seçilen herhangi bir zaman aralığında bozunacağını gösterdikleri ölçüde yansıtırlar. ⓘ

Matematiksel olarak, yukarıdaki durum için n'inci yaşam, N = N₀/n, t = T_1/n olarak ayarlanarak ve bozunma çözümünde yerine konularak yukarıdaki ile aynı şekilde bulunacaktır ⓘ

$t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.$ ⓘ

Karbon-14 için örnek

Karbon-14'ün yarı ömrü 5700(30) yıldır ve doğal karbonun gramı başına dakikada 14 parçalanma (dpm) bozunma hızına sahiptir. ⓘ

Bir eserin mevcut C'sinin gramı başına 4 dpm radyoaktiviteye sahip olduğu tespit edilirse, yukarıdaki denklemi kullanarak nesnenin yaklaşık yaşını bulabiliriz:

$N=N_{0}\,e^{-t/\tau },$

nerede:

${\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}$ ⓘ

Değişen oranlar

Elektron yakalama ve iç dönüşümün radyoaktif bozunma modlarının, atomun elektronik yapısını değiştiren kimyasal ve çevresel etkilere karşı biraz hassas olduğu bilinmektedir, bu da bozunma sürecine katılan 1s ve 2s elektronlarının varlığını etkiler. Az sayıda nüklit etkilenmektedir. Örneğin, kimyasal bağlar, elektronların çekirdeğe yakınlığına bağlı olarak elektron yakalama oranını küçük bir dereceye kadar (genel olarak %1'den az) etkileyebilir. ⁷Be'de, metalik ve yalıtkan ortamlardaki yarı ömürler arasında %0,9'luk bir fark gözlemlenmiştir. Bu nispeten büyük etki, berilyumun değerlik elektronları 2s atomik orbitallerinde bulunan küçük bir atom olmasından kaynaklanmaktadır; bu orbitaller ⁷Be'de elektron yakalamaya maruz kalmaktadır çünkü (tüm atomlardaki tüm s atomik orbitalleri gibi) doğal olarak çekirdeğe nüfuz etmektedirler. ⓘ

1992 yılında Darmstadt Ağır İyon Araştırma grubundan Jung ve arkadaşları ¹⁶³Dy⁶⁶⁺'nın hızlandırılmış β- bozunumunu gözlemlemişlerdir. Nötr ¹⁶³Dy kararlı bir izotop olmasına rağmen, tamamen iyonize olmuş ¹⁶³Dy⁶⁶⁺ K ve L kabuklarında β- bozunmasına uğrayarak 47 günlük bir yarı ömre sahip ¹⁶³Ho⁶⁶⁺'ya dönüşür. ⓘ

Renyum-187 bir başka çarpıcı örnektir. ¹⁸⁷Re normalde 41,6 × 10⁹ yıllık bir yarı ömürle ¹⁸⁷Os'a beta bozunmasına uğrar, ancak tamamen iyonize ¹⁸⁷Re atomları (çıplak çekirdekler) kullanılarak yapılan çalışmalar bunun sadece 32,9 yıla düşebileceğini bulmuştur. Bu durum tamamen iyonize olmuş atomun "bağlı durum β- bozunmasına" bağlanmaktadır - elektron "K-kabuğuna" (1s atomik orbital) yayılır, bu da tüm alçak bağlı durumların dolu olduğu nötr atomlar için gerçekleşemez. ⓘ

Gama ışını detektör yanıtındaki günlük ve mevsimsel değişimlere örnek. ⓘ

Bir dizi deney, yapay ve doğal olarak oluşan radyoizotopların diğer modlarının bozunma oranlarının, sıcaklık, basınç, kimyasal ortam ve elektrik, manyetik veya yerçekimi alanları gibi dış koşullardan yüksek bir hassasiyet derecesinde etkilenmediğini bulmuştur. Örneğin, son yüzyılda yapılan laboratuvar deneyleri, Oklo doğal nükleer reaktörü çalışmaları (termal nötronların nükleer bozunma üzerindeki etkilerini örnekleyen) ve uzak süpernovaların parlaklık bozunumlarının astrofiziksel gözlemleri (çok uzakta meydana geldiği için ışığın bize ulaşması çok uzun zaman almıştır), bozulmamış bozunma oranlarının da zamanın bir fonksiyonu olarak sabit olduğunu (en azından küçük deneysel hataların sınırları dahilinde) güçlü bir şekilde göstermektedir. ⓘ

Son sonuçlar, bozunma oranlarının çevresel faktörlere zayıf bir bağımlılığa sahip olabileceği olasılığını ortaya koymaktadır. Silikon-32, manganez-54 ve radyum-226'nın bozunma oranlarının ölçümlerinin küçük mevsimsel değişimler (%0,1 mertebesinde) sergilediği öne sürülmüştür. Bununla birlikte, bu tür ölçümler sistematik hatalara karşı oldukça hassastır ve sonraki bir makale, diğer yedi izotopta (²²Na, ⁴⁴Ti, ¹⁰⁸Ag, ¹²¹Sn, ¹³³Ba, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu) bu tür korelasyonlar için hiçbir kanıt bulamamış ve bu tür etkilerin boyutuna üst sınırlar koymuştur. Radon-222'nin bozunmasının bir zamanlar, güneş patlaması aktivitesi veya Güneş'ten uzaklıkla ilişkili olduğu öne sürülen %4'lük büyük tepeden tepeye mevsimsel değişimler (bkz. grafik) sergilediği bildirilmişti, ancak deneyin tasarım kusurlarının ayrıntılı analizi ve çok daha sıkı ve sistematik olarak kontrol edilen diğer deneylerle karşılaştırmalar bu iddiayı çürütmektedir. ⓘ

GSI anomalisi

Bir depolama halkasında dolaşan yüksek yüklü ağır radyoaktif iyonların bozunma hızına ilişkin beklenmedik bir dizi deneysel sonuç, ikna edici bir açıklama bulma çabasıyla teorik faaliyeti tetiklemiştir. Yarı ömürleri yaklaşık 40 s ve 200 s olan iki radyoaktif türün zayıf bozunma oranlarının yaklaşık 7 s'lik bir periyotla önemli bir salınım modülasyonuna sahip olduğu bulunmuştur. Gözlemlenen olgu GSI anomalisi olarak bilinmektedir, çünkü depolama halkası Almanya'nın Darmstadt kentindeki GSI Helmholtz Ağır İyon Araştırma Merkezi'nde bulunan bir tesistir. Bozunma süreci bir elektron nötrino ürettiğinden, gözlemlenen hız salınımı için önerilen açıklamalardan bazıları nötrino özelliklerine başvurmaktadır. Lezzet salınımıyla ilgili ilk fikirler şüpheyle karşılandı. Daha yeni bir öneri nötrino kütle öz durumları arasındaki kütle farklılıklarını içermektedir. ⓘ

Teorik temel

Çekirdekleri oluşturan nötronlar ve protonların yanı sıra onlara yeterince yaklaşan diğer parçacıklar da çeşitli etkileşimler tarafından yönetilir. Bilinen makroskopik ölçekte gözlemlenmeyen nükleer kuvvet (artık güçlü kuvvet olarak da bilinir), atom altı mesafelerdeki en güçlü kuvvettir. Elektrostatik kuvvet neredeyse her zaman önemlidir ve beta bozunumu durumunda zayıf nükleer kuvvet de söz konusudur. ⓘ

Bu kuvvetlerin birleşik etkileri, çekirdekteki parçacıkların yeniden düzenlenmesi ya da bir tür parçacığın diğerlerine dönüşmesi yoluyla enerjinin açığa çıkabileceği bir dizi farklı olguya neden olur. Bu yeniden düzenlemeler ve dönüşümler, hemen gerçekleşmemeleri için enerjik olarak engellenebilir. Bazı durumlarda, rastgele kuantum vakum dalgalanmalarının, kuantum tünelleme olarak bilinen bir olguda daha düşük bir enerji durumuna ("çürüme") gevşemeyi teşvik ettiği teorize edilir. Nüklitlerin radyoaktif bozunma yarı ömrü, 8.6(6)×10-23 saniyeden (hidrojen-5 için) 7.10(28)×10³¹ saniyeye (tellür-128 için) kadar 54 büyüklük mertebesindeki zaman ölçeklerinde ölçülmüştür. Bu zaman ölçeklerinin sınırları yalnızca cihazların hassasiyeti tarafından belirlenir ve bir radyonüklidin radyoaktif bozunması için bozunma yarı ömrünün ne kadar kısa veya uzun olabileceğine dair bilinen doğal bir sınır yoktur. ⓘ

Bozunma süreci, tüm engellenmiş enerji dönüşümleri gibi, bir dağdaki kar tarlasına benzetilebilir. Buz kristalleri arasındaki sürtünme karın ağırlığını destekliyor olsa da, sistem düşük potansiyel enerjili bir duruma göre doğası gereği kararsızdır. Bu nedenle bir bozulma daha büyük entropi durumuna giden yolu kolaylaştıracaktır; sistem zemin durumuna doğru hareket edecek, ısı üretecek ve toplam enerji daha fazla sayıda kuantum durumuna dağıtılabilecek ve böylece bir çığ meydana gelecektir. Bu süreçte toplam enerji değişmez, ancak termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle çığlar yalnızca tek bir yönde gözlemlenmiştir ve bu da mevcut enerjinin dağıtılabileceği en fazla sayıda yola sahip olan "temel duruma" doğrudur. ⓘ

Böyle bir çöküş (bir gama ışını bozunma olayı) belirli bir aktivasyon enerjisi gerektirir. Bir kar çığı için bu enerji, sistemin dışından gelen bir rahatsızlık olarak ortaya çıkar, ancak bu tür rahatsızlıklar keyfi olarak küçük olabilir. Uyarılmış bir atom çekirdeğinin elektromanyetik radyasyonun spontane emisyonunda gama radyasyonu ile bozunması durumunda, keyfi olarak küçük olan bozulma kuantum vakum dalgalanmalarından gelir. ⓘ

Radyoaktif bir çekirdek (veya kuantum mekaniğindeki herhangi bir uyarılmış sistem) kararsızdır ve bu nedenle kendiliğinden daha az uyarılmış bir sisteme kararlı hale gelebilir. Ortaya çıkan dönüşüm çekirdeğin yapısını değiştirir ve bir fotonun ya da kütlesi olan yüksek hızlı bir parçacığın (elektron, alfa parçacığı ya da başka bir tür gibi) yayılmasına neden olur. ⓘ

Oluşum ve uygulamalar

Büyük Patlama teorisine göre, en hafif üç elementin (H, He ve Li'nin izleri) kararlı izotopları evrenin ortaya çıkışından çok kısa bir süre sonra, Büyük Patlama nükleosentezi adı verilen bir süreçte üretilmiştir. Bu en hafif kararlı nüklitler (döteryum dahil) günümüze kadar varlığını sürdürmektedir, ancak Büyük Patlama'da üretilen hafif elementlerin radyoaktif izotopları (trityum gibi) çoktan bozunmuştur. Bordan daha ağır elementlerin izotopları Büyük Patlama'da hiç üretilmemiştir ve bu ilk beş elementin uzun ömürlü radyoizotopları yoktur. Bu nedenle, tüm radyoaktif çekirdekler evrenin doğuşuna göre nispeten gençtir, daha sonra yıldızlardaki (özellikle süpernovalar) çeşitli diğer nükleosentez türlerinde ve ayrıca kararlı izotoplar ile enerjik parçacıklar arasında devam eden etkileşimler sırasında oluşmuşlardır. Örneğin, yarı ömrü sadece 5700(30) yıl olan radyoaktif bir nüklit olan karbon-14, kozmik ışınlar ve nitrojen arasındaki etkileşimler nedeniyle Dünya'nın üst atmosferinde sürekli olarak üretilmektedir. ⓘ

Radyoaktif bozunma yoluyla üretilen nüklitler, kendileri kararlı olsun ya da olmasın, radyojenik nüklitler olarak adlandırılır. Erken Güneş Sistemi'nde kısa ömürlü soyu tükenmiş radyonüklidlerden oluşan kararlı radyojenik nüklidler mevcuttur. Bu kararlı radyojenik nüklitlerin (soyu tükenmiş iyot-129'dan gelen ksenon-129 gibi) ilkel kararlı nüklitlerin arka planına karşı ekstra varlığı çeşitli yollarla çıkarılabilir. ⓘ

Radyoaktif bozunma, kimyasal bir maddenin karmaşık bir sistemden (canlı bir organizma gibi) geçişini izlemek için kullanılan radyoizotopik etiketleme tekniğinde kullanılmıştır. Maddenin bir örneği, yüksek konsantrasyonda kararsız atomlarla sentezlenir. Maddenin sistemin bir veya başka bir bölümündeki varlığı, bozunma olaylarının yerleri tespit edilerek belirlenir. ⓘ

Radyoaktif bozunmanın gerçekten rastgele (sadece kaotik değil) olduğu varsayımına dayanarak, donanım rastgele sayı üreteçlerinde kullanılmıştır. Sürecin mekanizmasının zaman içinde önemli ölçüde değişmediği düşünüldüğünden, belirli malzemelerin mutlak yaşlarının tahmin edilmesinde de değerli bir araçtır. Jeolojik malzemeler için, radyoizotoplar ve bazı bozunma ürünleri bir kaya katılaştığında hapsolur ve daha sonra katılaşma tarihini tahmin etmek için (iyi bilinen birçok niteliğe tabi olarak) kullanılabilir. Bunlar arasında, aynı numune içinde eşzamanlı birkaç sürecin ve ürünlerinin sonuçlarının birbirlerine karşı kontrol edilmesi de yer almaktadır. Benzer bir şekilde ve yine nitelendirmeye tabi olarak, karbon-14'ün çeşitli dönemlerdeki oluşum hızı, izotopun yarı ömrü ile ilgili belirli bir dönem içinde organik maddenin oluşum tarihi tahmin edilebilir, çünkü organik madde büyüdüğünde ve havadan yeni karbon-14'ü bünyesine kattığında karbon-14 hapsolur. Daha sonra, organik maddedeki karbon-14 miktarı, başka yollarla da bağımsız olarak çapraz kontrol edilebilen çürüme süreçlerine göre azalır (örneğin, tek tek ağaç halkalarındaki karbon-14'ün kontrol edilmesi gibi). ⓘ

Radyoaktiflik hemen hemen bütün bilimsel ve teknik alanlarda geniş bir uygulama alanı bulur. Radyoaktif izotopların nükleer tepkimelerinden tekniğin birçok dalında kontrol aracı olarak faydalanılır. Bu kontrolde özellikle radyoaktif bir elementin radyoaktif olmayan bütün izotoplarıyla aynı özellikleri göstermesinden yararlanılır. Radyoaktif uygulamalardan bazı bilim dallarında şu şekilde yararlanılmıştır:

• Kimyada uygulamalar: Işınım Kimyası adında yeni bir kimya dalı gelişmiştir. Bu dalın konusu ışıma altında gelişen yeni kimyasal tepkimelerin incelenmesidir. Bu işlemlerde kobalt 60 gibi radyoaktiflik derecesi çok yüksek kaynaklar kullanılır.
• Biyoloji ve Tarımdaki uygulamalar: Radyoaktifliğin en geniş uygulaması bu alanda bulunur. Bitkinin bünyesine düşük miktarda karbon 14 verildiğinde, bünyede karbon izlenebilir. Radyoaktif ışınımlar canlı hücreler üzerinde büyük etki yapar; bu hücreleri önce değişikliğe uğratır, sonra öldürür. İnsan için çok zararlı olan bu etkiler tarımda çok yararlıdır. Böylece çok çabuk olgunlaşan yeni bir domates türü geliştirilmiştir.
• Tıbbi uygulamalar: Yok edilmesi zor olan kanser ve tümör tedavisinde metot haline gelmiştir; bu amaçla X ışınları uzun süredir kullanılıyor.
• Metalurjideki uygulamalar: Radyoaktiviteden çeliğin katılaşmasını, metalürjik tepkimelerin kinetiğini vb. incelemekte yararlanılır. Bu yolla metallerin yayılması kolayca izlenir.
• Tarih, Arkeoloji ve Jeolojide uygulamalar: Ahşap eşyanın veya kumaşların yapıldığı tarih, karbon 14 metoduyla kesin olarak bulunur. Bu usul eski medeniyetlerin incelenmesinde çok yararlıdır. ⓘ

Szilard-Chalmers etkisi

Szilard-Chalmers etkisi, radyoaktif bozunmadan kaynaklanan kinetik enerjinin bir sonucu olarak kimyasal bir bağın kırılmasıdır. Nötronların bir atom tarafından emilmesi ve ardından genellikle önemli miktarda kinetik enerjiye sahip gama ışınlarının yayılmasıyla çalışır. Bu kinetik enerji, Newton'un üçüncü yasasına göre, bozunan atomu geri iter ve bu da kimyasal bir bağı kırmak için yeterli hızda hareket etmesine neden olur. Bu etki izotopları kimyasal yollarla ayırmak için kullanılabilir. ⓘ

Szilard-Chalmers etkisi 1934 yılında Leó Szilárd ve Thomas A. Chalmers tarafından keşfedilmiştir. Nötron bombardımanından sonra, sıvı etil iyodürdeki bir bağın kırılmasının radyoaktif iyodun uzaklaştırılmasını sağladığını gözlemlediler. ⓘ

Radyoaktif nüklitlerin kökenleri

Dünya'da bulunan radyoaktif ilkel nüklitler, Güneş Sistemi'nin oluşumundan önce meydana gelen eski süpernova patlamalarının kalıntılarıdır. Bunlar, o zamandan, ilkel güneş bulutsusunun oluşumundan, gezegen birikiminden ve günümüze kadar hayatta kalan radyonüklidlerin bir kısmıdır. Günümüz kayalarında bulunan doğal olarak oluşan kısa ömürlü radyojenik radyonüklitler, bu radyoaktif ilkel nüklitlerin kızlarıdır. Doğal olarak oluşan radyoaktif çekirdeklerin bir diğer küçük kaynağı da kozmik ışınların Dünya'nın atmosferindeki veya kabuğundaki materyalleri bombardıman etmesi sonucu oluşan kozmojenik çekirdeklerdir. Dünya'nın manto ve kabuk kayalarındaki radyonüklidlerin bozunması, Dünya'nın iç ısı bütçesine önemli ölçüde katkıda bulunur. ⓘ

Bozunma zincirleri ve çoklu modlar

Bir bozunma olayının yavru nüklidi de kararsız (radyoaktif) olabilir. Bu durumda, o da bozunarak radyasyon üretecektir. Ortaya çıkan ikinci yavru nüklit de radyoaktif olabilir. Bu, bozunma zinciri adı verilen birkaç bozunma olayının sıralanmasına yol açabilir (önemli doğal bozunma zincirlerinin belirli ayrıntıları için bu makaleye bakın). Sonunda kararlı bir nüklit üretilir. Bir alfa bozunmasının sonucu olan herhangi bir bozunma kızı da helyum atomlarının yaratılmasıyla sonuçlanacaktır. ⓘ

Uranyum cevherinin gama ışını enerji spektrumu (iç kısım). Gama ışınları bozunan nüklitler tarafından yayılır ve gama ışını enerjisi bozunmayı (hangi nüklidin hangisine bozunduğunu) karakterize etmek için kullanılabilir. Burada, gama ışını spektrumu kullanılarak, ²³⁸U'nun bozunma zincirinin tipik birkaç nüklidi tanımlanmıştır: ²²⁶Ra, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi. ⓘ

²³⁸U'nun doğal bozunma zinciri buna bir örnektir:

• Uranyum-238, alfa emisyonu yoluyla 4,463(3) milyar yıllık bir yarı ömürle toryum-234'e bozunur
• beta emisyonu yoluyla 24.107(24) günlük yarı ömürle protaktinyum-234m'ye bozunur.
• Bu da beta emisyonu yoluyla 1.159(11) dakikalık bir yarı ömürle uranyum-234'e bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 245,5(6) bin yıllık bir yarı ömürle toryum-230'a bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 75,4(3) bin yıllık bir yarı ömürle radyum-226'ya bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 1.600(7) bin yıllık bir yarı ömürle radon-222'ye bozunur
• Bu da alfa emisyonu yoluyla 3,8215(2) günlük bir yarı ömürle polonyum-218'e bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 3.097(12) dakikalık bir yarı ömürle kurşun-214'e bozunur
• beta-emisyon yoluyla 27,06(7) dakikalık bir yarı ömürle bizmut-214'e bozunur.
• beta-emisyonu yoluyla 19,9(4) dakikalık bir yarı ömürle polonyum-214'e bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 163,47(3) mikrosaniyelik bir yarı ömürle kurşun-210'a bozunur
• beta-emisyonu yoluyla 22,20(22) yıllık bir yarı ömürle bizmut-210'a bozunur.
• beta emisyonu yoluyla 5.012(5) günlük bir yarı ömürle polonyum-210'a bozunur
• alfa emisyonu yoluyla 138,376(2) günlük bir yarı ömürle kararlı bir nüklid olan kurşun-206'ya bozunur. ⓘ

Bazı radyonüklitler birkaç farklı bozunma yoluna sahip olabilir. Örneğin, bizmut-212'nin %35,94(6)ü alfa emisyonu yoluyla talyum-208'e bozunurken, bizmut-212'nin %64,06(6)sı beta emisyonu yoluyla polonyum-212'ye bozunur. Hem talyum-208 hem de polonyum-212, bizmut-212'nin radyoaktif yan ürünleridir ve her ikisi de doğrudan kararlı kurşun-208'e bozunur. ⓘ

Tehlike uyarı işaretleri

• 

  Radyoaktif madde veya iyonlaştırıcı radyasyon varlığına karşı uyarıda bulunmak için kullanılan yonca sembolü

• 

  2007 ISO radyoaktivite tehlike sembolü, ölüm veya ciddi yaralanmaya yol açabilecek tehlikeli kaynaklar olarak tanımlanan IAEA Kategori 1, 2 ve 3 kaynakları için tasarlanmıştır

• 

  Radyoaktif maddeler için tehlikeli mal taşıma sınıflandırma işareti ⓘ

Özellikleri

Doğada kendiliğinden radyoaktif olan bazı elementler vardır, bunlar dört grupta ele alınır:

• Radyum grubu: Bu grup uranyum 238 ile başlar ve art arda parçalanmalarla kararlı kurşun 206'ya dönüşür.
• Aktinyum serisi: Bu seri uranyum 235 ile başlar ve kurşun 207'ye dönüşerek biter.
• Toryum serisi: Adını aldığı toryum 232 ile başlar ve kurşun 208 ile son bulur.
• Neptünyum serisi: Neptünyum 237 ile başlayıp, bizmut-209 ile biter. ⓘ

Yapay Çekirdek Reaksiyonları

Çekirdeği kararsız, radyoaktif bir atomun hiçbir dış etkiye bağlı kalmaksızın, kendiliğinden ışımalar yaparak başka çekirdeklere dönüşmesi olayına doğal radyoaktiflik denir. ⓘ

Doğal radyoaktif çekirdek tepkimeleri;

• X ===> Y + (ışıma)

şeklindedir.Tepkimedeki X, doğal radyoaktif atomu, Y ise oluşan yeni atomu göstermektedir. ⓘ

Radyoaktif olmayan bir atom çekirdeğinin, temel taneciklerle(alfa,nötron,proton,...) bombardıman edilerek kararsız çekirdek haline dönüştürülmesi olayına yapay radyoaktiflik denir. ⓘ

Yapay radyoaktif çekirdek tepkimeleri, ⓘ

• X + a ===> Y + (ışıma)

şeklindedir.Tepkimedeki X kararlı çekirdeği, a ise bombardıman taneciğini gösterir.X, bombardıman edilerek Y kararsız taneciğine dönüşürken bir de ışıma yapmaktadır.Oluşan Y çekirdeği, doğal radyoaktif bozunmaya uğrayarak başka çekirdeklere dönüşür. ⓘ

• Doğal radyoaktiflik olaylarında bozunma, ışıma ve fırlatma gibi ifadeler kullanılırken yapay radyoaktiflikte bombardıman ifadesi kullanılır. ⓘ

Bombardıman etme işlemlerinde kullanılan en uygun tanecik nötrondur. Çünkü nötron yüksüz olduğu için çekirdek tarafından itilmez ve böylelikle kolayca etkileşime girilebilir. ⓘ

Füzyon (Kaynaşma)

Nükleer füzyon, nükleer kaynaşma ya da kısaca füzyon; iki hafif elementin nükleer reaksiyonlar sonucu birleşerek daha ağır bir element oluşturmasıdır. Çekirdek tepkimesi olarak da bilinen bu tepkimenin sonucunda çok büyük miktarda enerji açığa çıkar. Bu işlemle oluşturulabilecek en ağır element demirdir. ⓘ

Radyoaktifliğe Etki Eden faktörler

Bir maddenin radyoaktifliğine etki eden en önemli faktör, maddenin atomlarının çekirdekleri ile ilgilidir. Nötron proton dengesizliği radyoaktiviteye neden olur. ⓘ

Bunun dışında sıcaklık da radyoaktiviteyi etkiler. Sıcaklık arttıkça radyoaktif bozunma hızı azalır. Bunu veren formül de şu şekildedir ; ⓘ

$\lambda '={\frac {\lambda }{{\frac {{\frac {3}{2}}kT}{mc^{2}}}+1}}$ ⓘ

Bu ifadede; Lambda, bozunma hızını
k, Boltzmann sabitini
T, sıcaklığı
m, kütleyi
c, ışık hızını temsil eder. ⓘ

Buna göre, maddenin sıcaklığı arttıkça bozunma hızı azalır. Ancak bu formülle ilgili bir ayrıntı vardır. Formülün payda kısmındaki ${{\frac {{\frac {3}{2}}kT}{mc^{2}}}+1}$ ifadesi açılırsa ; paydada kalan ifadede, sıcaklığın bağlı olduğu ${{\frac {3}{2}}kT}$ değerinin, ${mc^{2}}$ ifadesi yanında hesaplamaya değer bir seviyeye ulaşabilmesi için sıcaklık çok fazla olmalıdır. Oda sıcaklığında maddenin kinetik enerjisi 0,05 eV kadarken ancak 11.000°K sıcaklıkta kinetik enerji 1 eV lik enerjiye ulaşır. Sıcaklığın, radyoaktiviteye gözle görülür bir etki yapması içinse kinetik enerji 1 GeV olmalıdır. Bu da milyarlarca kelvin dereceye eşittir. Güneşin çekirdeği bile ancak 13,600,000°K sıcaklığıa sahiptir. Yani sıcaklığın radyoaktiviteye etkisi, güneşin çekirdeğinde bile gözlemlenemeyecek kadar azdır. Gözlemleme ve deney yapma olanaksızlığı yüzünden çoğu yerde sıcaklığın radyoaktiviteye etkisi yok kabul edilse de, sıcaklık radyoaktiviteye etki eden bir unsurdur. Özellikle de dev yıldızlarda. ⓘ