1.1 Atom

Şekil 1.1 Atom

Canlı veya cansız tüm varlıklar atomlardan oluşurlar. Yetişkin bir insan vücudunu, yaklaşık 4x10²⁷ oksijen, karbon, hidrojen, nitrojen, fosfor, potasyum, ve diğer elementlerin atomlarının  oluşturduğu bir paket gibi düşünebiliriz [1,2].

Bir elementin tüm kimyasal özelliklerine sahip en küçük parçası olan atom; proton, nötron ve elektronlardan oluşur (Şekil 1.1). Çapı, yaklaşık olarak 10^-10 metre olan atomun belli bir kütlesi vardır ve bu kütlenin neredeyse tamamı, kendi hacminin yaklaşık olarak 10¹⁵ de biri kadar hacime sahip çekirdeğinde yoğunlaşmıştır [3,4,5].

1.2 İzotop

Proton sayıları aynı, ancak nötron sayıları farklı olan atom çekirdeklerine izotop denir. Bir elementin farklı sayılarda izotopları olabilir. Bu izotoplar, nötron sayıları farklı olduğundan, farklı kütle numaralarına sahiptirler. Örneğin, Hidrojen elementinin 3 izotopu vardır (Şekil 1.2). Bir elementin bütün izotopları aynı kimyasal özellikleri gösterir. Ancak fiziksel özellikleri farklıdır.

1.3 İyonizasyon

Şekil 1.3 İyonizasyon

Herhangi bir nedenden dolayı atomdan bir elektron kopartılması veya atoma bir elektron bağlanması sonucunda atomun yük dengesi bozulur (Şekil 1.3). Bu olaylara iyonizasyon, iyonizasyon sonucu oluşan atoma iyon denir.

1.4 Radyoaktivite

Doğada mevcut elementlerin atomlarının bir kısmı kararlı diğer bir kısmı ise kararsız çekirdeklere sahiptirler. Kararlı bir çekirdekte, çoğu durumda nötron sayısı (N) proton sayısından (Z) biraz daha yüksek ve N/Z oranı yaklaşık olarak 1,50 civarındadır. Kararlı bir çekirdekte, proton ve nötronlar birbirlerine nükleer kuvvetlerle o kadar sıkı bağlıdırlar ki hiçbir parçacık çekirdek dışına kaçamaz. Bu durumda, çekirdek dengede kalacaktır. Ancak, çekirdek dengede değilse yani kararsız ise, fazla bir enerjiye sahip olacak ve parçacıkları bir arada kalamayacaktır. Kısa bir süre içinde veya daha uzun bir süre sonra bu fazla enerjisini boşaltacaktır. En basit çekirdek olan Hidrojen (H) çekirdeğinin dışındaki tüm çekirdekler nötron ve protonlardan oluşmuştur. N/Z oranı hafif izotoplarda 1 iken, ağır çekirdeklere doğru gidildikçe bu oran artmaktadır. Bu oran arttıkça çekirdeklerin artık kararlı olmadığı bir yere ulaşılır. En ağır kararlı çekirdek bir bizmut izotopudur (Bi-207). Daha ağır çekirdekler sahip oldukları fazla enerjiden dolayı kararsızdırlar. Böyle çekirdeklere radyoaktif çekirdek veya radyoizotop adı verilir. Bunlar fazla enerjilerinden kurtulmaya ve kararlı duruma geçmeye çalışırlar. Bu olaya radyoaktivite veya radyoaktif parçalanma denir.Radyoaktivite kontrol edilemeyen bir olaydır. Herhangi bir şekilde müdahale edilip yavaşlatılamaz veya durdurulamaz. Üstel bir fonksiyon şeklindeki zayıflayan bir tempo ile azalarak kendiliğinden tükeninceye kadar devam eder. Radyoaktivite olayı doğal ve yapay olarak iki farklı şekilde meydana gelebilir.Doğada mevcut bulunan kararsız elementler kararlı yapıya geçmeye çalışırken, hiçbir dış müdahale olmadan, sahip oldukları fazla enerjilerini çekirdeklerinden dışarı salarlar. Böyle elementlere doğal radyoaktif elementler, bunların enerji salma olayına da doğal radyoaktivite denir. Doğada kararlı olarak bulunan izotoplar da yapay yollarla kararsız (radyoaktif) hale getirilebilirler. Radyoaktif hale gelen çekirdek parçalanmaya uğrar. Bu olay yapay radyoaktivite olarak adlandırılır.

1.5 Yarılanma Süresi

Şekil 1.4 Trityum radyoizotopunun yarılanma eğrisi

Radyoizotopun aktivitesi, bir yarılanma süresi sonra başlangıç aktivitesinin yarısına, iki yarılanma süresi sonra başlangıç aktivitesinin dörtte birine (1/2x1/2=1/4), üç yarılanma süresi sonra ise başlangıç aktivitesinin sekizde birine (1/2x1/2x1/2=1/8) iner. Bu azalma, n yarılanma süresi sayısı olmak üzere 1/2ⁿ şeklinde devam eder. On yarılanma süresi sonra radyoizotopun aktivitesi başlangıç aktivitesinin 1/2¹⁰ ‘u kadar olacaktır. Pratikte 7 veya 8 yarı ömür sonra bir radyoizotopun aktivitesinin tamamen sona erdiği düşünülse de teoride aktivitenin tükenene kadar sonsuza dek aynı hızla azalarak devam ettiği varsayılır. Şekil 1.4 de, örnek olarak, başlangıçta 100 radyoaktif çekirdeğe sahip olan bir Trityum(H³) radyoizotopun bozunum eğrisi gösterilmektedir. Trityum'un yarılanma süresi 12.4 yıldır. 12.4 yılın sonunda bu radyoaktif çekirdek sayısı elliye düşecektir. İkinci 12.4 yılın sonunda ise bu sayı 25 olacak ve radyoaktif çekirdek sayısındaki azalma (radyoizotopun aktivitesindeki azalma) bu şekilde devam edecektir. Her radyoizotopun kendine özgü bir yarılanma süresi olduğunu daha önce belirtmiştik. Örneğin yarılanma süresi 5.3 yıldır.

Başlangıçta 100 birim aktiviteye sahip bir Co⁶⁰ radyoizotopunun 5.3 yıl sonraki aktivitesi 50 birime, 10.6 yıl sonraki aktivitesi 25 birime, 15.9 yıl sonraki aktivitesi 12.5 birime düşecek ve düşüş bu şekilde devam edecektir.

Radyoizotopların yarılanma süresini bilmek birçok durumda büyük önem taşır. Örneğin, en son 2-3 ay önce kullanılarak muhafaza altına alınmış yarılanma süresi 75 gün olan bir İridyum radyoizotopunun (Ir¹⁹²) aktivitesinin geçen bu 2-3 aylık zaman içerisinde yarıya indiğini herhangi bir ölçüm yapmadan bilebiliriz. Detektör de bu değeri gösteriyorsa her şey yolunda demektir.Ancak, muhafaza altındaki izotop Ir¹⁹² değil de Co⁶⁰ olmuş olsa ve detektörde okunan değer 2-3 ay önce okunan değerin yarsını gösteriyor olsa idi, o zaman bir sorunla karşı karşıya olduğumuz sonucuna varırdık. Bu durumda, ilk olarak, ya cihazımızın doğru çalışmadığı veya Co⁶⁰ radyoizotopunun muhafaza altına alındığı kap içerisinde bulunmadığına ya da kap içerisinde başka bir radyoizotop bulunduğuna karar verirdik.