Radyoaktiflik
Radyoaktif maddeler, çevrelerine çok büyük bir hızla küçük parçacıklar ya da ışınlar salan maddelerdir. Bu maddelerden bazıları doğada bulunur, bazıları da yapay olarak elde edilir. Bu tür maddelerin bu parçacık ya da ışın salma özelliğine radyoaktiflik ya da radyoaktivite denir.
Radyoaktifliği 1896'da, Fransız bilim adamı Henri Becquerel keşfetti. Becquerel, laboratuvarındaki bazı fotoğraf levhalarını uranyum içeren bir maddenin yanına koymuştu. (Fotoğraf levhaları fotoğraf filmlerine benzer; onlardan tek farkı, ışığa duyarlı kimyasal maddenin esnek bir filmin üzerine değil de bir cam levha üzerine kaplanmış olmasıdır.) Becquerel bir süre sonra levhaları banyo ettiğinde, levhaların sanki ışığa tutulmuş gibi kapkara çıktığını gördü. Becquerel’e göre, böyle bir şeyin olabilmesi için levhaların ışıkla aynı etkiyi gösteren bir ışınımın etkisinde kalmış olması, üstelik uranyumdan geldiğini sandığı bu ışınların, levhaların sarılı olduğu koruyucu kılıfın içinden geçmiş olması gerekirdi. Becquerel’in başlattığı bu çalışmaları Pierre ve Marie Curie sürdürdüler. Curie’ler, radyum denen son derece etkin (aktif) element başta olmak üzere birçok radyoaktif element keşfettiler.
Doğada bulunan radyoaktif elementlerden pek çoğunun çekirdekleri ağır türdendir. Bütün elementlerde atom kütlesinin hemen hemen tümü çekirdekte yoğunlaşmış durumdadır. Bu radyoaktif elementlerin atom çekirdekleri çok ağır olduklarından “kararsız"dır. Yani, bu çekirdekler oldukları gibi kalmazlar, parçacık ya da ışın salarak ayrışırlar, parçalanırlar. Bunun sonucu olarak başka atomlara, en sonunda çoğu kurşuna, bir bölümü de bizmuta dönüşürler. Bu sürece radyoaktif bozunum denir.
Atomlar Nasıl Değişebilir
Radyoaktif atomların hepsi birlikte değişmez. Her atom önceden kestirilemeyen, beklenmedik bir anda değişime uğrar. Ama çok sayıda atomun varlığı söz konusuysa, bir saniye içinde ayrışan ya da bozunan ortalama atom sayısı bulunabilir. Saniye başına düşen ortalama bozunma sayısına radyoaktif maddenin etkinliği ya da aktifliği denir. Etkinlik ya da radyoaktiflik birimi, Marie Curie’nin anısına “curie” adıyla anılır.
Bir radyoaktif maddenin etkinliği zamanla azalır, çünkü, atomları sürekli olarak ayrıştığı ve parçalandığı için atom sayısı giderek azalır. Bir radyoaktif madde örneğindeki atomların belirli bir bölümünün ayrışması için geçen süre her zaman aynıdır. Bu süre radyoaktif maddenin miktarına değil seçilen kesre bağlıdır. Toplam atom sayısının yarısı kadar atomun bozunması için geçen süreye radyoaktif maddenin yarı ömrü denir. Radyumun 1.622 yıllık bir yarı ömrü vardır. Bu demektir ki,
etkinliği 20 milicurie olan bir miktar radyum 1.622 yıl sonra yalnızca 10 milicurielik bir etkinliğe sahip olacak, bir 1.622 yıl daha geçtikten sonra bu 5 milicurieye düşecek ve bu böylece sürüp gidecektir.
Atom çekirdeği, proton ve nötron denen iki tür parçacıktan oluşur. Protonlar artı elektrik yüklü parçacıklardır; ama nötronların herhangi bir elektrik yükü yoktur. Çekirdekteki proton sayısı, çekirdeğin çevresinde dolanan ve atomun geriye kalan bölümünü oluşturan elektronların sayısına eşittir. Atomun kimyasal davranış özellikleri, elektronlarının sayısına ve dolayısıyla da protonlarının sayısına bağlıdır; nötron sayısının bunda etkisi pek azdır. Proton sayısı aynı olan atomlar, aynı elementin atomlarıdır.
Örneğin, element ya da atom numarası 92 olan uranyumun, çekirdeğinde 92 proton ve çekirdek çevresinde dolanan 92 elektronu vardır. Çekirdeklerindeki nötron sayısı farklı, değişik uranyum türlerinin var olduğu bilinmektedir. En yaygın tür olan uranyum-238’in çekirdeğinde 146 nötron vardır; buna protonların sayısı, yani 92 eklendiğinde, bu uranyum türünün kütle numarası olan 238 bulunur. Öte yandan uranyum-235’te, 92 protonun yanı sıra 143 nötron vardır.
Proton sayıları aynı, ama nötron sayıları farklı olan atomlara izotop denir. Elementlerin çoğunun hem kararlı, hem de radyoaktif izotopları vardır; ama daha hafif elementlerin çoğunun doğada yalnızca kararlı yapıdaki izotopları bulunur. Bu tür elementlerin radyoaktif izotopları bir nükleer reaktörde yapay olarak elde edilebilir. Bunun için element, içinde serbestçe dolanan nötronlar bulunan bir reaktöre yerleştirilir; elementin atom çekirdekleri bu nötronlardan bazılarını soğurur, yani içine alır ve bunun sonucunda kararsız hale gelir. İzotopların bazıları da, parçacık hızlandırıcısı ya da siklotron denen aygıtlarda elde edilir; bu aygıtlarda atom çekirdekleri, çok hızlı hareket eden parçacıklarla bombardıman edilir, yani dövülür. (Bu işlem, PARÇACIK HIZLANDIRICILARI
maddesinde anlatılmıştır.)
Radyoaktif maddeler bir ya da birkaç tür parçacık ya da ışınım (yani radyasyon) yayarlar. Bunlardan alfa parçacıkları, helyum atomunun çekirdeği ile aynı yapıdadır, yani iki nötron ile iki protondan oluşur. (Helyum atomunun bütününde, çekirdeğin çevresinde dolanan iki de elektron vardır.) Alfa parçacıkları genellikle son derece hızlı (saniyede yaklaşık 20 milyon metre) parçacık akımları (alfa ışınları) halinde fırlatılırlar; ama parçacıkların hızı kısa sürede yavaşlar, öyle ki, bu parçacıklar havada ancak birkaç santimetre kadar yol alır. Alfa ışınları insan derisinden içeri işlemez. Beta ışınları ise elektron akımlarıdır; bunlar, çekirdek çevresinde dolanan eksi yüklü parçacıklarla aynı yapıdadır. Gamma ışınları çok kısa dalga boylu elektromagnetik dalgalardır. Gamma ışınları X ışınlarına benzer, ama enerjileri genellikle daha yüksektir; bu özellikleri nedeniyle daha büyük uzaklıklara ulaşabilir ve cisimlerin içine işleyebilirler. Gamma ışınları ince bir kurşun perdeden bile geçebilir. Bu ışınların kütlesi ya da elektrik yükü yoktur.
Radyoaktifliğin Saptanması
Radyoaktif maddelerin yaydığı ışınlar İyonlaştırıcı ışınlardır, yani bu ışınlar gaz moleküllerini parçalayarak onları elektrik yüklü parçacıklar haline dönüştürebilirler. Radyoaktifliğin varlığını ve şiddetini saptamakta kullanılan Geiger sayacında bu özellikten yararlanılır.
Geiger sayacının en önemli parçası, içinde düşük basınçlı hava, argon ya da bir başka gaz bulunan iyonlaşma tüpüdür. Tüpün bir ucunda ince bir metal pencere vardır; içinde ise, üzerinden elektrik akımı geçirilen bir tel bulunur. Tele uygulanan elektrik gerilimi oldukça yüksektir, ama bu gerilim öyle ayarlanmıştır ki, normal koşullarda tel ile tüpün metal duvarları arasında herhangi bir kıvılcım atlaması olmaz. Pencereden ışınım, yani radyasyon girdiğinde, bu ışınım tüpün içindeki gazı iyonlaştırır ve bir kıvılcım atlaması ya da bir başka deyişle elektrik enerjisi darbesi (vuru) oluşur. Tüpe bağlı bir yükselteç ile bir hoparlör, bu tür bir darbe oluştuğunda tıkırtı biçiminde bir ses üretir ve bu ses bir sayma devresiyle elektronik olarak kaydedilir. Üzeri ölçeklendirilmiş bir aygıt darbeleri sayar ve bir kadranın üzerinde gösterir; bu arada darbe sıklığını ölçen bir başka aygıt da saniyedeki ortalama darbe sayısını gösterir.
Sis odası denen aygıtlar, iyonların hareketlerini görülebilir ve fotoğrafları çekilebilir izlere dönüştürür. Kırpışım sayacı ya da sintilasyon sayacı denen aygıtlarda ise radyoaktif parçacıkların ya da ışınların varlığı, bunların bazı özel maddelerle çarpıştıkları zaman oluşturdukları kısa süreli ışık parlamalarından yararlanılarak saptanır.
Radyoaktiflikten Yararlanma
Bilindiği gibi radyoaktif maddeler atom bombasının yapımında kullanılır, ama bu maddelerin bilim, tıp ve sanayide insanların yararına kullanıldıkları alanlar da vardır. Örneğin gamma ışınları insan vücudunun derinliklerine kadar işleyebilir ve belirli türden canlı hücreleri yok edebilir; işte gamma ışınlarının bu özelliklerinden yararlanılarak, vücuttaki istenmeyen hücre çoğalmalarının önüne geçilebilir ve örneğin bazı kanser türleri tedavi edilebilir. Ama ışınlar sağlıklı hücreleri de yok eder, onun için tedavinin büyük bir dikkatle yürütülmesi gerekir. IŞINIM maddesinde, ışınımın sağlık açısından yarattığı tehlikeleri ele alan bir bölüme yer verilmiştir.
Radyoaktif atomlar, maddelerin “etiketlenmesinde” de kullanılabilir; bunun için maddedeki bazı normal atomlar çıkarılarak bunların yerine radyoaktif atomlar yerleştirilir ve bu atomların çıkardığı ışınımdan yararlanılarak madde izlenir. Tıpta bu yöntem, hangi maddenin vücudun hangi bölümüne gittiğini saptamak için (örneğin yeni bir ilaç denenirken) kullanılır. Radyoaktif etiketlemeden, kimya ve biyokimyada moleküllerin kimyasal tepkimelere katılım aşamalarını ve süreçlerini izlemek için yararlanılır.
Sanayide, metal parçalarda herhangi bir yarık, çatlak ve kusur, özellikle de kaynak kusuru olup olmadığını saptamak için başvurulan fotoğraf çekimlerinde X ışınları yerine kobalt-60 gibi radyoaktif izotopların çıkardığı gamma ışınımı kullanılır. Yüksek enerjili gamma ışınlarıyla hastanelerdeki sağlık gereçleri sterilize edilebilir, yani mikroplardan arındırılabilir, ayrıca besinlerin saklanmasında gene bu tür ışınlardan yararlanılabilir. Bu, radyoaktif olma özelliğine sahip karbon izotoplarının arkeolojik kalıntıların yaşını bulmak için kullanılmasıdır. Canlılardaki karbonun çoğu, kararlı bir yapıda olan karbon-12 izotopudur; ama bunun yanı sıra, eser miktarda olmakla birlikte sabit bir oranda radyoaktif karbon-14 izotopu da bulunur. Bu radyoaktif izotop zaman içinde parçalanır ve başka elementlere dönüşür. Karbon-14’ün yarı ömrü yaklaşık 5.730 yıldır. (Radyoaktif izotoplara radyoizotop, radyoaktif karbon izotopuna ise radyokarbon da denir.)
Bitkiler ya da hayvanlar canlı oldukları sürece, atmosferden ve beslendikleri maddelerden sürekli olarak taze karbon alır ve gövdesindeki karbon-14 oranı havadaki karbon-14 oranıyla hep aynı kalır. Ama bitki ya da hayvan öldüğü zaman bu oran azalmaya başlar. Karbon-14’ün yarı ömrünü bilen bilim adamları herhangi bir canlı kalıntısındaki (bu kalıntı bir zamanlar canlı hücrelerden oluşan odun, kemik, boynuz, tahıl tanesi, yün ya da bir orman yangınından artakalmış kül olabilir) karbon-14’ün karbon-12’ye olan oranını ölçerek o maddenin yaşını belirleyebilirler. Ama bu yöntem yaklaşık 10 bin yıla kadar olan yaşlar için geçerlidir. (Örneğin bu yöntem, ölü ağaç ve bitkilerden oluşan kömürün yaşını belirleyebilmek için uygulanamaz; çünKü kömürün oluşumu o kadar eskidir ki, geçen süre içinde karbon-14’ün tümü bozunup tükenmiştir.) Maddenin yaşamış olduğu çağ günümüze ne kadar yakınsa, radyoaktif karbonla tarihlendirme de o ölçüde doğru olur.
Yer’in yaşı da radyoaktif tarihlendirmeyle bulunur; ama bunun için karbon yerine radyum ya da uranyum (sonunda bütünüyle bozunup kurşuna dönüşür) ve helyum kullanılır.