KKUKIMYA - PROF.DR MUSTAFA ÖZCİMDER ÇEKİRDEK OLAYLARI

SİTEDE EN SON BİLGİLER YER ALACAKTIR( TALEPLERİNİZ DOĞRULTUSUNDA KİMYA 1. 2. 3. VE 4. SINIFLAR İÇİN SINAVLARDA GELEBİLECEK HER DERSTEN VİZE VE FİNAL SORULARI HOCALAR HAKKINDA AYRINTILI BİLGİ VS)

İÇERİK

KKUKIMYA

RADYOAKTİVİTE

1. ÇEKİRDEK YAPISI

Bir atom çekirdek ve etrafında hareket halinde belirli orbitallerde dönen elektronlardan oluşur. Çekirdekler de ise proton ve nötronlar bulunur. Bir atom yazılırken atom sayısı ,Z, ve kütle sayısı, A, ve elementin simgesi kullanılır.

_AX^Z

Atom numarası (sayısı) proton sayısını (serbest haldeki atomun aynı zamanda elektron sayısını) gösterirken, kütle numarası proton ve nötronların toplamını vermektedir.

Proton ve notronların ikisine nükleon adı da verilir.

Atomdaki proton ve nötronların sayılarına göre benzer atomlar değişlik adlarla bilinirler.

İzotop atomlar: proton sayıları aynı fakat nötron sayıları farklı atomlara denir.

İzobar atomlar: nükleon sayıları (proton, nötron sayısı = kütle numarası) aynı fakat proton sayıları farklı (atom numarası farklı) ayomlara verilen addır..

İzomer: Nükleon (kütle numarası ve atom sayıları aynı atomlardır. Bu durum uyarılmış çekirdeklerde görülür.

İzoton : Nötronları aynı atomlar.

Radyoaktivite atomun çekirdeği ile ilgili olayları kapsar. Çekirdek kendiliğinden (dezentegrasyon) veya dışarıdan etki (transmutasyon) ile çeşitli parçalar çıkarır yayınlar. Bu parçaların özelliklerinden önce atomdaki taneciklerin ve de çekirdeğin özelliklerini görelim.

Çekirdek yarıçapı,

r = r_o A^1/3

r_o = özgün yarıçap = 1.3 x 10^{-13 cm}

A = Kütle numarası

Çekirdek hacmı = (4/3) p r³ = (4/3) p {[1.3x 10^-13 A^1/3}³

= (4/3) p {(1.3x 10^-13)³ A³

Bir atomun çekirdek hacmı atom numarasına bağlı olarak yukarıdaki gibi yazılabilir.

Çekirdeğin kütlesi yukarıdaki hacıma bölünürse tüm çekirdeklerin yoğunlunun ortalama 2.44 x 10¹⁴ g/cm³ ( ≈ 250 ton/cm³) olduğu görülür.

Elektron :

m_e = 9.1083 x 10^{-28 g = 5.4875 x 10-4 a.k.b = 0.511 MeV}

Yük = e = - 4.8026 x 10-10 e.s.b. = - 1.602 x 10-20 e. m.b.

Özgün yük = e/me = 5.2730 x 10¹⁷ e.s.b. = 1.759 x 10⁷ e.m.b.

Bir V potansiyeli altında dalga hareketi yaparak ilerleyen elektronun;

Dalga boyu : l (A^o) = 12.26 / (V,volt)^1/2

Proton

m_p = 1.6724 x 10^{-24 g = 1.0078252 a.k.b. = 938.21 MeV}

Yük = 4.802 x 10^-10 e.s.b. = 1.602 x 10^-19 kulomb

Dalga boyu = l (A^o) = 0.286 / (V,volt)^1/2

Nötron

m_n = 1.6724 x 10^{-24 g = 1.0078252 a.k.b. = 938.21 MeV}

Yük = 0

Dalga boyu = l (A^o) = 0.286 / (V,volt)^1/2

Nükleer reaktörlerde transmütasyon için nötronlar kullanılır. Nötronlar,

Yüksüz olmaları

İyonlaştrıcı olmamaları,

Az absorplanmaları,

nedenleri ile madde içinde kolay hareket ederler. Nötronlar hızlarına göre üç gruba ayrılırlar:

Ternal nötronlar: E = 0.250 eV (Reaktörlerde kullanılırlar).

Yavaş nötronlar : E 1 eV – 1keV

Orta enerjili nötronlar : E = 1 keV – 0.5 MeV

Hızlı nötronlar: E > 0.5 MeV

Nötronlar laboratuarlarda Ra/Be karışımından elde edilir.

₂He⁴ + ₄Be⁹ ₆C¹² + n

Serbest nötron radyoaktiftir. Yarılanma süresi 12.8 dakikadır ve negatrona (b^-) dönüşür. Bu arada nötrino adı verilen bir parçacık oluşur.

n ₁H¹ (proton) + b^- + v (nötrino)

Nötrino: Nötron bozulması ile oluşan proton çekirdekte kalır. Çıkan negatronlar farklı enerjide dağılırlar. Yeni her nötron bozunma sonra birbirlerinden farklı kütlelerde olmalıdırlar. Halbuki, kütle spektrumuna bakıldığında tüm çekirdek kütlelerinin aynı olduğu görülmaktedir. Bu durumda bir aykırılık olması gerekir. Bu aykırı durumun olmamasını bozunma sırasında oluşan nötrino adı verilen tanecişkler gidermektedir. Yani negatron çıkarken onun enerjisine bağlı olarak farklı enerjide nötrinoların (yüksüz, kütlesiz ) çıktığı kabul edilmiştir.

Protonu parçalanmasından pozitron çıkarken de nötrino çıktığı kabul edilmektedir:

n p + b^- + v (antinötrino)

p n + b⁺ + v (nötrino)

(Buna göre nötron bozulması ile oluşana antinötrino adı verilmiştir)

2. ÇEKİRDEK KUVVETLERİ

Çekirdekte pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronların bir arada bulunmasını sağlayan

p – p n – n p - n

arası kuvvetlerdir.

- bu kuvvetler birbirlerine eşittir

- her nükleon yanındakini çeker

- bu kuvvetler uzaklıkla azalma göstermezler

- doğrultuya bağlı değillerdir

- bu kuvvetler protonlar ve nötronlar arasında sürekli bir değişim tepkimesi olduğunu göstermektedir.

p + (n) n’ + p⁺ + (n) n’ + p’

n + (p) p’ + p^- + (p) p’ + n’

p + (p) p’ + p^o + (p) p’ + p’

n + (n) n’ + p^o + (n) n’ + n’

Çekirdekte proton ve nötronların yerleşimini açıklayan çeşitli teoriler (modeller) vardır.

- Sıvı damlası modeli

- Tabakalı çekirdek modeli

- Kolektif model

Sıvı Damlası Modeli

- Niels Bohr’un geliştirdiği bu modele göre çekirdek belli bir yüzey gerilimi olan bir sıvı damlası gibi düşünülür.

- Nötron be protonlar sıvı molekülleri gibi davranırlar.

- Sıvının buharlaşması çekirdekte radyoaktiviteye benzetilir.

- Sıvı yoğunluğu damla büyüklüğüne bağlı olmadığı gibi çekirdek yoğunluğu da tüm çekirdeklerde aynıdır.

- Çekirdeğin gerçek kütlesi;

m(_ZX^A) = [Zm_p + (A – Z)m_n] – B

B = [Zm_p + (A – Z)m_n] - m(_ZX^A)

Z > 10 için B/A sabittir ve bu değer buharlaşma ısısı (radyoaktiflik) olarak adlandırılır. B/A,

Çekirdek içi kuvvetlerden

Kulomb itme kuvvetlerinden

Bağlanma enerji,sinden

Nötron-proton eşitsizliğinden (asimetri) etkilenir.

Tabaka Modeli

Sihirli sayılar modeli olarak da adlandırılır. Bu modele göre nötron ve protonlar çekirdekte kuantum sayılarına benzer biçimde belirli düzeylerde (tabakalarda) dizilmişlerdir. Bu tabakalarda 2, 8, 20, 50, 82, 126 sayıda proton nötron bulunmaktadır. Bu sayılarla belirtilen tabakalarda özellikler tekrarı (periyodiklik) görülmektedir

Tabaka Nötron/proton toplam

_____________________________________

1s1/2 2 2

2p3/2 4

2p1/2 2 8

3d5/2 6

3d3/2 4

331/2 2 20

4f7/2 8 28

…

_____________________________________

3. ÇEKİRDEK KARARLILIĞI

Bir çekirdek,

- ya normal haldedir

- ya da uyarılmış haldedir.

Uyarılmış haldeki çekirdek 10-8 saniye gibi bir zaman içinde foton yayarak kararlı hale geçer.

Normal haldeki çekirde ise,

- ya kararlıdır ve her hangi bir değişime uğramamaktadır

- ya da kararsız durumdadır, sürekli tanecik veya ışın yayınlamaktadır.

Kararsız çekirdekte enerji fazlalığı vardır. Bugün bilinen 109 elemen vardır. Nüklidlerine (çekirdek) göre ise 1200 kadar (izotop) çekirdek bilinmektedir. Bunlarda 284’ü kararlı diğerleri karasızdır, yani, radyoaktiftir.

Kararsız çekirdekler

tanecikler lafa, beta, yayarak
izobar geçişler yaparak

karalı hale geçerler.

Bir çekirdeğin kararlılığına etkili faktörleri şöyle sıralayabiliriz.

Nötron/proton oranı
Nötron ve protonların tek veya çift oluşu
Kütle azlığı

1. Nötron/proton oranı

Olayı bir grafikte görnmek mümkündür.

Grafikte nötron sayısınındaki artışın proton sayındaki artıştan daha fazla olduğu görülmektedir. Bir başka ifade ile nötron-proton sayısının eşit liğini gösteren kararlılık kuşağından, çekirdek büyüğdükçe

Nötron sayısı

A-Z

A-Z/Z = 1

Proton sayısı, Z

+ + + + + +

+ + + + + + +

+ + + + +

+ + + ++

+ + + +

+ +

uzaklaşmaktadır.

Proton sayısına karşı norton çizildiğinde tüm çekirdekleri gösteren bir grafik elde edilebilir.

Bu bir kararsızlık göstergesidir. Yani nötron/proton oranı 1.5’i geçtikten sonra çekirdekler radyo atifllik kazanmaktadırlar. Proton sayısı arttıkça aralarındaki itme(!) artar. Onların bu itmesini engelleyecek kadar nötron bulunmamaktadır. Böylece kararsızlık büyür. En son kararlı çekirdek atom numarası 83 olan bizmuttur (₈₃Bi²⁰⁹).

2. Nötron veya protonu tek veya çift sayıda oluşu

Nötron – proton sayıları

ç – ç olanlar kararlı

t – t olanlar karasızdır. (₁H², ₃Li⁶, ₅B¹⁰, ₇N¹⁴, ₇₃Ta¹⁸⁰ hariç)

3. Kütle açığına göre

B = [Zm_p + (A – Z)m_n] - m(_ZX^A)

Burada B = Dm yani kütle açığını göstermektedir. Bunun anlamı proton ve nötronlar yan yana gelip elementi, atomu oluştururken bir miktar kütle kaybına uğramaktadırlar.

931x Dm MeV cinsınde proton ve nötronları bağlanma enerjisidir.

931 x Dm/A = nükleon başına bağlanma enerjisidir ve kararlılık ölçüsüdür. Kütle sayısına A karşı bağlanma enerjisi bir grafik halinde elementler için çizildiğinde aşağıdaki grafik elde edilir.

Kütle sayısı 240

Dm/A

Bu eğriye göre bağlanma enerjisi en yüksek olan nikel demir en kararlı elementlerdir.

Büyük atomlar parçalanarak, fizyon, küçük atomlarda birleşerek füzyon, kararlı demir nikel atomları haline gelmeye çalışırlar.

4. ÇEKİRDEK BOZUNMA ÜRÜNLERİ

Alfa tenecikleri

₂X⁴ ₂He⁴ ₂a⁴

Şekillerinde yazılabilir. Aslında elektronsuz helyum çekirdeğidir.

Kütle : 4/6.02 x 10²³ g

Kinetik enerji = 7.68 x 10⁶ eV = 7.68 MeV

İyonlaştırıcı

Penetrasyon (delme) birkaç milimetre

Havada aldığı yol : k v_o³ (k: sabit; v_o : ilk hız)

Atom numarası 82 den

Kütle numarası 209 dan büyük atomlardan daha çok çıkar. (proton fazla)

₈₄Po210 [₈₂Pb²⁰⁶]^2- + ₂He⁴

Oluşan + yüklü helyum çekirdekleri çevreye yayılıp çevredeki atomlarla çarpışarak onlardan elektron kopararak kendisi helyum atomu olurken katyonlar meydana gelmesine sebep olur. ₈₂Pb²⁰⁶ atomu elektron fazlalığı nedeni ile negatif yüklüdür. Bu atomlardaki elektronlarda çevredeki katyonlar tarafından alınır.

Yukarıdaki radyasyontepkimesinde açığa çıkan enerjiyi aşağıdaki şekilde hesaplayabiliriz.

m(₈₄Po²¹⁰) – [( m(₈₂Pb²⁰⁶) + m(₂He⁴)] = açığa çıkan enerji

(209.982 a.k.b. ) – (205.9745 a.k.b. + 4.0026 a.k.b) = 0.0058 a.k.b. I

E = mc² = 1.6605 x 10^-27kg) ( 2.9979 x 10⁸ m/s)² = 1.5924 x 10^-10 kgm/sn²

= 1.4924 x 10-10 Jul / a.k.b.

1 eV = (elektron yükü) (1V)

= (1.6022 x 10^-19 kal) (1 V)

= 1.6022 x 10^-19 Jul

1 MeV = 1.6022 x 10^-13 Jul

x 10-10 Jul / a.k.b. = 1.6022 x 10^-13 Jul /MeV

1 a.k.b. = 931 47 MeV

Nihayet ₈₂Pb²⁰⁶ oluşması (alfa oluşumu) sırasında açığa çıkan enerji;

0.00589 x 931 = 5.4 MeV

Beta tanecikleri

e^-, b^- (Negatron)

e⁺ , b⁺ (Pozitron)

şeklinde iki türlü olabilir. Nötronların bozunmasından negatronlar, protonların bozunmasında pozitronlar oluşur.

n p + b^- + v (antinötrino)

p n + b⁺ + v (nötrino)

Kütleleri ve yükleri çekirdek etrafındaki elektronlarla aynıdır. (Çekirdekten, bozunma sonrası oluşan betalar primer, atomdan (!) çıkanlar ise sekonder ışınlar olarak adlandırılır.

Betalar,

Işık hızı ile hareket ederler,

Iyınlaştırıcı ışınlardır,

Uzun yol alabilirler (havada 1170 mm, aluminyumda 0.52 mm)

₇₃Ta¹⁸⁶ ₇₄W¹⁸⁶ + b^-

₃₅Br⁸² ₃₈Kr⁸² + b^-

₆C¹⁴ ₇N¹⁴+ b^-

Tepkimelerine göre negatronlar oluşurken örneğin son tepkimede 0.16 MeV eneji açığa çıkar. (Kütle kaybı enerjiye dönüşmüştür)

₅₃I¹²²₅₂Tc¹²² + b⁺

₁₉K³⁸ ₁₈Ar³⁸+ b⁺

₈O¹⁵ ₇N¹⁵ + b⁺ + b^-

Son tepkimede oksijenin azoto dönüşümü sırasında kütle kaybı 1.74 MeV’dur. (n_C – n_N – 2n_e = Dn).

Gamma Işını

Bir çekirdeğin alfa veya beta tanecikleri vermesinin ardında geri kalan çekirdek yüksek enerjilidir. Çekirdek bu enerjisini elektromagnetik ışıma( foton ışıması) yaparak çıkasrır. Bu elektromagnetik ışına (foton) gamma ışını adı verilir.

[₅₂Te¹²⁵]* [₅₂Te¹²⁵] + g

₉₄Pu²⁴⁰[₉₂U²³⁶]* + ₂He⁴ [₉₂U²³⁶]* [₉₂U²³⁶] + g

Yüksek enerjili ışınlardır. Kurşuna bile birkaç santim penetrasyon yapabilirler.

Elektron Yakalama

Çekirdek etrafında dönmekte olan elektronu alarak nötron sayısını artırır.

₈₀Hg¹⁹⁷ + e ₇₉Au¹⁹⁷₄Be⁷ + e ₃Li⁷

₄₇Ag¹⁰⁶ + e ₄₆Pd¹⁰⁶₂₆Fe⁵⁵ + e ₂₅Mn⁵⁵ (n = 0.23 MeV)

(Tüm bozunmalarda açığa çıkan enerjiler nötrinolar tarafından taşınır)

5. RADYOAKTİVİTE BOZUNMA KİNETİĞİ

Bozunma tepkimeleri birinciş derece kinetik tepkimeler benzer.

-dN/dt = kN

Şekilde ifade edilir.

–dN/dt : Birim zamnada radyoaktif maddenin bozunma miktarı

k : Hız sabiti

N :Herhangi bir anda madde miktarı

İntegral alınırsa

- log(N/N_o) = kt/2.303

veya

N = No e^(-kt)

Eşitlikleri herhangi zaman sonrası radyo aktif maddenin azalma sonrası miktarınıvermektedirler.

Radyasyon tepkimelerinde başlangıç maddesinin miktarının yarıya inmesi geçen süre ilgiçtir ve her maddeye özgü bir durumdur. O nedenle bir maddenin yarı ömrü t_1/2 tanımlanır.

Yukarıdaki eşitliklerde N = N_o/2 şeklinde yerine konursa;

ln(N/N_o) = kt = ln(N_o/2/N_o) kt_1/2

ve t_1/2 = ln2/k = 0.693/k

şeklinde hız sabitine bağlı olarak ifade edilebilir.

6. RADYOAKTİVİTE BİRİMLERİ

Radyoaktivite birimleri

Radyoaktivite birimi olarakar genellikle Curie kullanılır.

1 Curie (kısaca Ci) bir saniyedeki 3.7 x 10¹⁰ atomun bozunmasına (parçalanma/saniye) denir.

1 Curie = 1000 miliCi

Bir başka çok kullanılaqn radyasyon birimi Beacquerel’ (Bekerel) (kısaca Bq)dir.

Saniyedeki bir parçalanmaya (radyasyona) bir Bq denir.

1 Bq = !parçalanma/saniye = 2.7 x 10^-11 Ci

Doz ve Birimler

Soğurulan radyasyon, tanecik veya ışın etkin miktarına ( enerji) denir. Bir başka tanım”Işınetkin çekirdeğin yaydığı ışınım veya enerjinin soğurulma miktarına denir” şeklinde yapılabilir.

En yaygın kullanıulan doz birimi “rem” (veya milirem) dir.

(rem = Rörntgen Equivalent of man kelimelerinin baş harflerinden oluşur).

Bir başka doz birimi Sievert’tir (Sv).

1 Sv = 100 rem

Birkaç saat radyasyon etkisi altında kalınması halin de aşağıdaki oranlarda radyasyon alınmasının yapabileceği zararlar tabloda gösterilmiştir.

Rem Etki

_________________________________________________________

1 Hiç hasar yok

10 Kandaki, al yuvar sayısında değişme

100 Vücutta hasar var, fonksiyoınlar henüz yeterli

200 Vücutta hasar arttı, fonksiyonlarda yetersizlik arttı

400 30 gün içinde % 50 oranında ölüm

600 30 gün içinde %100 ölüm

10000 4 gün içinde % 50 ölüm

100000 Ani ölüm

_________________________________________________________

Doğal kaynaklarda (background radiation) alınan radyasyon dozları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Kaynak mrem ________________________________________________________

Kozmik ışınlar 45

Toprak 15

Su, yiyecek, hava 25

Uçak yolculuğu(Londra-New York-Londra) 4

Rörgen çekimi 20

Tuğla duvarlı ev 50-100

Beton duvarlı ev 70-100

Ahşap ev 30-50

Bir nükleer kuruluş etrafında ikamet 1

________________________________________________________

Doğal radyoaktif seriler: Uranyum

Aktinyum

Thoryum

Neptinium

7. RADYASYON HESAPLAMALARINA AİT BİRKAÇ ÖRNEK

1. 0.01 g radyoaktif ₃₁Co⁶⁰ 1 yıl sonra kaç grama iner? t_1/2 = 5.27 yıl.

K = 0.693/ t_1/2 = 0.693/5.27 = 0.132 yıl

ln = N/N_o = kt/2.3 = (0.132)(1 yıl)/2.3 = 0.0573

ln = N/N_o = 0.0573

N/N_o = 0.876 N = 0.876 x 0.01 = 0.00876 g kalır.

2. Aktivitesi 0.200 mCi olan örnekte kaç tane ₄₃Tc¹⁰⁰ vardır ağırlığı nedir? t_1/2 = 16 san. (1 Ci = 3.7 x 10¹⁰bozunma / saniye), 1 mCi = 3.7 x 10⁴ bozunma/saniye)

k = 0.693/16 = 0.433 san^-1

aktivite = -dN/dt = k N = (0.200) (3.7 x 10⁴ bozunma/ san) = 7.40 x 10³ bozulma/ san

yani saniyede 7.4 x 103 atom parçalanmaktadır.

aktivite = -dN/dt = 7.40 x 10³ = kN = (0.0433) (N)

N = 1.71 x 10⁵ atom

1.71 x 10⁵ (100/6.02 x 10²³) = 2.84 x 10^{-19 g Tc}

3. Karbon 14 ve kullanımı

₆C¹⁴ Kebonun radyoaktif izotopu atmosferde azotun bozunması ile oluşur.

₇N¹⁴ + n (kozmik ışın) ₆C^{14 +}₁H¹

Aynı zamanda ₆C¹⁴

₆C¹⁴= b⁺₇N¹⁴ ₆C¹⁴ yarı ömrü = 5770 yıl)

şeklinde bozunmaya uğrar.

Diğer taraftan oluşan ₆C¹⁴, CO2 ye dönüşür^.(karbondioksittin bir kısmı radyoaktif içerirken bir kısmı diğer karbonlardan oluşur). Radyoaktif karbondioksit bozunma ile azalırken atfosferde yeniden oluşmaya devam eder. Atmosferdeki

₆C¹⁴ / ₆C¹² oranı sabit kalmaktadır, ve 1/10¹² dir. Kütlesi böylece değişmeyen ün aktivitesi 15.3 ± 1 olarak ölçülmektedir. Atmosferdeki oran bitkiler tarafından alınan karbonlar için de geçerlidir. Bitki canlı olarak yaşadığı sürece bu oran ve bitkideki aktivite de sabit kalır.

Bitki kesildiğinde bu oran azalmaya başlar.

Ağaçtan yapılmış bir eşyanın yaşı yukarıdaki bilgiler kullanılarak bulunabilir.

Bir arkeolojik eserdeki karbonun bir gramı dakikada 7.00 aktivite göstermektedir Eserin yaşı nedir?

k = 0.693/5770 = 1.2 x 10^-4 yıl^-1

log N/N_o = kt/2.3 =

log 7.00/15.3 = (1.2 x 10^-4) t/2.3

t = 6520 yıl

8. NÜKLEER REAKTÖRLER

Nükleer reaktörler nükleer (çekirdek) enerjisini elektrik enerjisine döndüren sistemlerdir, Örneğin Uranyum 235 nötron ile bombalanırsa aşağıdaki tepkimeye göre büyük bir ısı açığa çıkar.

₉₂U²³⁵ + n ₉₂U²³⁶ ₅₆Ba¹⁴¹ + ₃₆Kr⁹² + 3n + Q

Ara ürün olarak görülen Uranyum(236 kararsın bir çekirdektir ve görüldüğü gibi baryum ve kriptona dönüşürken 3 nötron yanı sıra ısı çıkışını sağlamaktadır.

Olayı şematik olarak şöyle de gösterebiliriz;

n g

₉₂U²³⁵

Kararsız çekirdek Yeni çekirdek Kararlı çekirdek

Elektron

Reaktörlerde genellikle kullanılan doğal uranyum,

% 0.0055 U 234

% 0.712 U 235

% 99.25 U 238

içerir. U 235 in parçalanması için yavaş nötron yeterli olurken, U 238 ancak hızlı nötronlarla parçalanabilir.

Fizyon

Yavaş

₉₂U²³⁵ + n ₉₂U²³⁶

₉₂U²³⁶ + g

Fizyon

Hızlı

₉₂U²³⁸ + n ₉₂U²³⁹

₉₂U²³⁹ + g

Bu arada U 235 in bir nötronla bombardumanı sonrasında görülen kütle kaybının enerjiye dönüşümünü hesaplayabiliriz. (Yeni çekirdeklerin toplam kütlesi U 235 den küçüktür).

Dm = (235.0439 + 1.0086654) – (236.04573) = 0.0068654 a.k.b.

0.0068654 a.k.b = 6.4 MeV enerji

NOT: Yukarıdaki tepkimenin oluşabilmesi için kullanılan uranyum kütlesinin belli bir değerin (Kritik Kütle) üzerinde olması gerekir. Aksi halde nötron kütle yüzeyinden kaçar ve tepkime gerçekleşmez. Bu nedenle kullanılan yakıtın belirli miktarın üzerinde uranyum (veya diğer yakıtlardan içermesi gerekir. Filiz zenginleştirmesi bu nedenle yapılarak uranyum oranı % 2 dolaylarına çıkarılır.

Reaktörler çeşlitli biçimlerde sınıflandırılabilirler.

Amaca göre

- deneysel amaçlı

- araştırma amaçlı

- uygulama amaçlı

- güç iretimi için

- vd.

Yakıt türüne göre

- doğal uranyum kullananlar

- Plutonyum kullananlar

- U 233 kullananlar

Yavaşlatıcı türlerine göre

- grafit yavaşlatıcılı

- ağır su kullananlar

- adi su kullananlar

Soğutucu türlerine göre

- gaz soğutuculu

- adi su soğutuculu

- ağır su soğutuculu

- basınçlı su soğutuculu

- sıvı metal soğutuculu

- vd.

Nötron enerjisine göre

- termal nötron

- termal üstü

- hızlı nötron

Yakıt karışımına göre

- homojen

- heterojen

Bir nükleer reaktür şu bölümlerden oluşur:

1.Yakıt (çubukları)

2.Yavaşlatıcı

3.Soğutucu

4.Kontrol çubukları

5.Yansıtıcı

6.Kazan

7.Koruyucu

Yakıt : U 235 (doğada bulunmaktadır), Pu 239, U 233

Reaktörde yakıt madde metal, metal oksit yada çözelti halinde bulunur. İçine farklı metaller konularak heterojen karışım yapılır.

Yavaşlatıcı : Adi su, ağır su, garafit, Be, Be₂O₃. Fizyondan oluşan nötronların hızı 220 m/sn hıza düşürülür.)

Soğutucu : Adi su, ağır su, CO2, H2, sıvı metal. ( Fizyonla oluşan gamma ışınları nötronlar yüksek kinetik enerjilidirler. Bunlar çevredeki bu soğutucu çekirdeklerişne çarparak frenlenir. Bu durdurma sırasında ısı oluşur.)

Kontrol çubukları : Reaktör gücünün kontrolü için fizyon sayısı kontrol edilmelidir. Aksi halde büyük patlama meydana gelir. Bunu sağlamak için reaktör kor’u içerisine bor, kadmiyum veya hafniyumdan yapılmış çubuklar zaman zaman daldırılarak bir kısım nötronlar tutulur.

Şimdi bir reaktörü şematik olarak görelim.

Buhar

Buhar ayırıcı

KOR Türbin

Jeneratör

Soğutma suyu

Pompa

Kontrol çubukları

Yakıt çubukları

(içinde yakıt olukları var)

Su + buhar

Reaktörün temelini Kor adı verilen bölümn oluşturur. (Kor kalın beton duvarlarla çevrelenmiştir.)Bu bölüm dairesel biçimde yerleştirilmiş yakıt çubuklarını içerir.

RBMK – 1000 reaktöründe 2488 adet grafit çubuk bulunmaktadır. Bunlardan 1661 tanesinin içinde yakıt olukları 222 tanesinin denetleme oluklarıdır.

Grafit çubuklar bir kenarı 0.25 m uzunluğu 7 m olan kare prizma şeklindedir. Çubuklar yan yana dizilerek 12.2 m çapında bir silindirik biçim oluştururlar.

1661 yakıt çubuklarının her birinin içinde çapları 88 mm olan zirkonyum/niobyumdan yapılmış yakıt olukları bulunur. Her bir yakıt oluğunun içinde de 18 adet zirkonyum kaplamalı yakıt ELEMANI bulunur.

Kor (veya reaktör) soğutucusu, yakıt oluklarından yukarı doğru giden kaynar hafif sudur.

Ayrı bir soğutma suyu da grafiti soğutmak için kontrol çubuklarından aşağı doğru gönderilir.

Yakıt oluklarında aşırı ısınmış bir kısmı buhar haline gelmiş su üst kısımdan alınıpbuhar ayırıcısına gönderilir. Ayrılan buhar buradan türbine giderken Sıçak su aşağıdan geri gönderilmeküzere pompaya gider.

Türbinde ısısını bırakarak elektrik üretilmesini sağlayan su geri alınarak tekrar yakıt oluklarına gönderilir.

Kor çapı :7 m

Yakıt oluk sayısı :1661

Her oluktaki dizil parça sayısı:2

Her parçadaki yakıt elemanı sayısı :18

Uranyum yükü :192 te (ton eşdeğer)

Zenginleştirme: %2

Yakıt malzemesi: UO₂

Yakıt elemanı çapı :13.5 mm

Türbin buhar sıcaklığı 280^o C

Elektrik kapasitesi: 1000 MW

9. ÇEKİRDEK TEPKİMELERİ (TRANSMÜTASYON)

Çekirdek üzerine3 gönderilen bir tanecik i,le çekirdek arasında meydana gelen tepkime diğer kimyasal tepkimeler gibi gösterilebilir.

A(çekirdek) + a(bombarduman eden tanecik) + E₁ C (ara ürün)

B (yeni çekirdek) + b (yeni tanecikler + E₂

E₁, E₂ : olayda alınan verilen enerjilerdir.

Tepkimeleri kısaca

A (a,b) B

şeklinde de gösterilebilir.

Çekirdek tepkimelerinde:

Elektrik yükü korunumu vardır.
Nükleon korunumu vardır.
Momentum korunumu vardır. (meydana gelen çekirdeğin ve taneciğin kütleleri ile hızlarının çarpımı ile giren taneciklerin momomentlerinin çarpımı birbirlerine eşittir
Enerji korunumu vardır.
Tepkime iki aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada önce ara ürün (kararsız tanecik, bileşik çekirdek) oluşur. Daha sonra kararlı çekirdek ve diğer tanecikler meydana gelir. Ara ürünün dönüşümü 10^-15 - 10^-16 saniyede gerçekleşir.
Çekirdek tepkimelerinde (transmutasyon) kullanılan tanecikler:

a, p, d, g, ağır iyonlar.

Örnekler

₇N¹⁴ + ₂He⁴ ₉F¹⁸ ₈O¹⁷ + ₁H¹ N¹⁴(a,p)O¹⁷

₁₃Al²⁷ + ₂He⁴ ₁₅P³¹ ₁₅P³⁰ + n Al²⁷(a,n)P³⁰

₁₃Al²⁷ + ₁H¹ ₁₄Si²⁸ ₁₄Si²⁸ + g

₁₃Al²⁷ + ₁H¹

₁₃Al²⁶ + 2₁H¹

₁₂Mg²⁶+ ₂He⁴

₁₄Si²⁷ + n

Genel türler

A₁ (p, g) A₂

A₁ (p, a) A₂

A₁ (p, n) A₂

A₁ (d, a) A₂

A₁ (d, p) A₂

A₁ (d, n) A₂

A₁ (d, 2n) A₂

A₁ (n, g) A₂ ₁H¹ + n ₁H²+ g ₉₂U²³⁸+ n ₉₂Uu²³⁹ + g

A₁ (n, a) A₂ 3Li + n ₃Li⁷ ₁H³ + ₂He⁴

₅B¹⁰ + n ₅B¹¹ ₃Li⁷ + ₂He⁴

A₁ (n, p) A₂ ₇N¹⁴ + n ₇N¹⁵ ₆C¹⁴+ ₁H¹

₁₇Cl³⁵ + n ₁₇Cl³⁶ ₁₀S³⁵ + ₁H¹

A₁ (n, 2n) A₂ ₁₃Al²⁷ + ₁H¹ ₁₃Al²⁸ ₃Al²⁶ + 2n

₇₉Au¹⁹⁷(C¹², 4n) ₈₅At²⁰⁵

₉₀Th²³² (C¹², 4n) ₉₆Cm²⁴⁰

₉₂U²³⁸ (N¹⁴, p 3n) ₉₈Cf²⁴⁸

₉₂U²³⁸ (O¹⁶, xn) ₁₀₀Fm²⁵⁰

Yukarıdaki örneklerde çekirdekler ağır iyonlarla bombarduman edilmektedir.

10. POTANSİYEL DUVARI

Çekirdek üzerine gönderişlen tanecik yüksüz ise belirli enerjide olması halinde, örneğin nötronlar çekirdeğe kolayca olaşıp çekirdek içine girer. Daha sonra yeni çekişrdek meydana ngelir. Bu olaya transmutasyon denir.

Çekirdeğe ulaşan tanecik bir enerji değişimi meydana getirmeksizin çekirdeği terk edebilir. Buna çekirdek difüzyonu adı verilir.

Yüklü bir taneciğin çekirdek içine girmesi o kadar kolay değildir.

- Çekirdek pozitif yüklüdür. Etrafında bir elektriksel alan meydana getirir. Bu alanın şiddeti, kulomb kanununa göre uzaklığın karesi ile azalarak çevrede etkilidir.

- Bu elektriksel alan negatif tanecikleri çekerken pozitifleri iter.

- Sonuçta bir çekirdek diğer çekirdekleri iter.

- Nükleon-nükleon çekme kuvvetleri ile, iki proton arasındaki ayrılma uzaklığı küçük ise İTME kuvveti ÇEKME kuvvetine dönüşür.

- Buna göre aynı elektrik yüklü tanecik birbirlerine yaklaştıkları zaman kulomb çekme kuvvetine göre

Önce

Yüklerin çarpımı ile doğru, uzaklığın karesi ile ters orantılı İTME kuvvetine maruz kalırlar. Bu itme kuvveti kritik uzaklık denen bir uzaklığa kadar (tanecik çapından küçük) artar. Bir maksimumdan sonra kuvvetin yönü değişerek bir ÇEKME kuvveti haline dönüşür.

- Bunun sonucu pozitif bir tanecik çekirdek içine girebilir (Düşer).

R 0 R

Potansiyel enerji

Yukarıdaki şekilde çekirdekten ‘R’ kadar uzakta bir potansiyel duvarı oluştuğu gösterilmiştir. Pozitif yüklü çekirdek bu duvara kadar itilir. Ancak bu duvarı aştıktan sonra çekirdek içine girebilir. Kuşkusuz bu potansiyel duvarının büyüklüğü çekirdek yüküyle orantılıdır.

Şimdi bir hesaplama yapalım:

Sonsuz uzaklıktaki bir nükleonun potansiyel enerjisi sıfır var sayılır. Belirli bir kinetik enerji ile çekirdeğe yaklaşmakta olan bir pozitif taneciğin kinetik enerjisi azalır ve yavaşlarken potansiyel enerjisi artar. Bu taneciğin Klasik teoriye göre çekirdeğe girebilmesi için

E _kinetik= E _potansiyel

olmalıdır.

Ep = ∫(Z₁ Z2/r²) dr = Q₁ Q₂/R (İntegral sınırları R – ∞)

(Q₁ = Z₁ e Q₂ = Z₂ e)

R = 1.4 x 10^-13 (A₁^1/3 + A₂^1/3) A₁, A₂ çekirdek ve tanecik kütle sayıları

Ep = 2e. Ze²/R (Z = 20, A₂ = 40) ; (Z = 2, A₁ = 4)

Bütün değerler yerlerine konulduğunda;

Ep = [(2) (20) (4.8 x 10^-10)²]/[1.4 x 10^-13) (4^1/3 + 40^1/3)]

Ep = 1.3 x 10^-5 erg

bulunur. 1 erg = 6.24 x 10⁵ MeV ve

Ep = 8.2 MeV

Buna göre klasik teori düşünüldüğünde bir alfa taneciğinin (A = 4) çekirdeğe girebilmesi için 8.2 MeV luk kinetik enerjiye sahip olması gerekmektedir.

Atom numarası 92 olan uranyuma girebilmesi için ise 24.2 MeV da olması gerekmektedir.

Halbuk,i doğal radyoaktif maddelerin verdiği alfa taneciklerinin kinetik enerjileri 8 MeV kadardır. Buradan alfa taneciklerinin atom numarası 20 den büyük olan çekirdeklere girememesi gerektiği sonucu çıkar.

Bütün bu söylenenlerin ışığında bir çekirdekten alfa taneciğinin de çıkamaması gerekmektedir.

Radyoaktif uranyum çekirdeğinden çıkan alfa taneciklerini enerjileri 6-8 MeV olarak ölçülmüştür. Klasik teoriyeye Uranyumun potansiyel duvarının en tepe noktasındaki enerji 24 MeV dur ve alfa burayı aşamamalıdır. Halbuki aşmıştır. NASIL?

Duvara sürekli olarak çarpmakta olan alfa taneciği potansiyel duvarını aşamazken içinden geçme şansı bulmaktadır. TÜNEL OLAYI.

0.15 MeV dolayında enerjiye sahip protonun lityum üzerine gönderilince meydana gelen transmütasyonun nedeni de tünel olayıdır.

₃Li⁷ + p ₂a⁴ + ₂a⁴

Lityum potamsiyel duvarı 3 MeV 0.15 MeV luk proton tarafından aşılmıştır.

11. DOĞAL SERİLERDE BOZUNMA

12. DETEKTÖRLER

Kaynaklar

Nükleer fizik Bahriye Yaramış

Atomistik ve Çekirdek Ali Rıza Berkem

Bugün 8 ziyaretçikişi burdaydı!

SİTEMİZDE YAKINDA EKLENECEK KONULAR

1)KİMYA3 ENSTRUMANTAL KİMYA SINAV SORULARI 2)KİMYA3 ORGANİK KİMYA SINAV SORULARI 3)KİMYA1 GENEL KİMYA LAB SORULARI

SİTEMDE BAŞKA SİTELERDEN AŞIRMA BİLGİLER YOKTUR BUNLARI BİZZAT KENDİM UPLOAD ETMİŞ BULUNMAKTAYIM VE BAŞKA HİÇ BİR SİTEDE BU BİLGİLERİ BULAMAZSINIZ VE BU KAYNAKLAR PARA İLEDE ÖLÇÜLEMEYECEK NİTELİKTE BİLGİLERDİR SAYGILARIMLA Bu web sitesi ücretsiz olarak Bedava-Sitem.com ile oluşturulmuştur. Siz de kendi web sitenizi kurmak ister misiniz?

Ücretsiz kaydol