RADYOAKTİF PARÇALANMA KİNETİĞİ VE İZOTOPLARDAN YARARLANMA

Radyoaktif parçalanma hızının radyoaktif maddenin türüne bağlı olarak değişim gösterdiğini biliyoruz. Bu kısımda radyoaktif parçalanma hızı üzerinde durularak, kinetiğine kısaca göz atılacaktır. Ayrıca günlük hayatta radyoaktif parçalanma kinetiğinden nasıl yararlanıldığı üzerinde durulacaktır.

Radyoaktif ışınların fotoğraf plağı üzerine etkileri olsa da bu etkilerden yararlanarak nicel ve nitel analizler yapmak pek pratik değildir. Radyoaktif cihazların analizi için sintilasyon sayıcısı, Wilson sis odası ve Geiger-Müller sayacı kullanılabilir. Sintilasyon sayıcısında flüoresan madde sürülmüş yüzeylere radyoaktif parçacıkların çarpması ile ışıma görülmesine dayanır. Bu ışıma bir fotoelektrik tüpte elektrik akımına dönüştürülerek oluşturulan sinyaller uygun bir yöntem ile sayılır. Wilson sis odası, iyonlaşmış radyoaktif ışımanın özellikle taneciklerinin gözlenmesine yarar. Cihaz, hareketli bir pistona bağlı ve su buharı ile doymuş hava içeren bir kaptan ibarettir. Pistonun hareketiyle kabın hacmi aniden arttırılırsa, sıcaklık düşerek hava su buharıyla aşırı doymuş hale gelir ve parçacıkların yolu üzerindek su damlacıkları yoğunlaşarak onları görünür hale getirir. Kap içinde oluşan bulutun fotoğrafı çekilerek radyoaktif parçacıkların özellikleri araştırılır. Geiger-Müller sayacı ise Tübü ince bir pencereden giren veya ışınları tüp içinde bulunan Ar gazını iyonlaştırır ve Ar⁺ iyonları oluşur. Tübün elektrotları arasına bir gerilim uygulanırsa, bu iyonlar bir elektriksel boşalmaya neden olur ve bir puls verirler. Bu pulsların şiddeti arttırılarak otomatik olarak sayılırlar.

Radyoaktif maddelerin parçalanması yalnızca maddenin miktarına bağımlıdır. Bu tür tepkimeler birinci dereceden tepkimeler olarak değerlendirilirler. Ayrıca bu tepkimelerin hızları sıcaklığa bağımlı değildir. Bu nedenle aktifleşme enerjisi de sıfırdır. Bir çekirdek tepkimesi

şeklinde düşünülebilir. Birinci dereceden bir tepkime için hız ifadesi

veya

şeklinde düzenlenebilir. İfadenin belirli integrali alınarak düzenlenirse;

yazılabilir. Burada [A]₀; radyoaktif elemanın başlangıçtaki konsantrasyonudur. [A]; herhangi bir t anındaki konsantrasyonudur ve k radyoaktif elemanın bozunması ile ilişkili sabit bir sayıdır.

Radyoaktif parçalanma kinetiğinde önemli bir kavram yarılanma süresidir. Yarılanma süresi; bir radyoaktif izotopun miktarının yarıya inmesi için gereken zamandır. Genellikle t_1/2 ile gösterilir. Yarılanma süresi maddenin miktarından bağımsız olup yalnızca hız sabitine bağımlıdır.

Radyoaktif maddelerin yarılanma sürelerinin bilinmesinin iki yararlı pratik nedeni vardır. bunlardan birincisi; yarılanma süresinin izotopun kararlılığını göstermesidir. Yarılanma süresinin artması izotopun kararlılığının arttığını gösterir. İkincisi ise; yarılanma süresi,

Teknolojide, örneğin makine yağlarının etkinliği radyoaktif izotop katılarak anlaşılabilir. Makine bir süre çalıştıktan sonra, yağdan örnek alınarak ne kadarının makine parçalarına yayıldığı, radyoaktif parçaların varlığından anlaşılır.

Jeolojide kayaların, kemiklerin ve sanat eserlerinin yaşları ²³⁸U/²⁰⁶Pb oranı veya ¹⁴C/¹²C oranı ölçülerek bulunabilir. ²³⁸U en son kararlı ²⁰⁶Pb izotopunu oluşturur. Dünyanın başlangıcında bu oran 1/0 ve bir yarılanma süresi sonunda (4.5x10⁹ yıl) 1/1 alınarak bu kayaların yaşı yaklaşık olarak bulunabilir. Yeryüzündeki en yaşlı kayaların yaşı bu yöntemle 4.55x10⁹ yıl olarak bulunmuştur. Uranyum içermeyen kayaların yaşı potasyum-argon yöntemiyle bulunur. Bu yöntemde

tepkimesinden yararlanılır. ¹⁴C/¹²C yaş tayininde ise; ¹⁴C atmosferin üst tabakalarında kozmik nötronlarla azotun etkileşmesinden doğar.

fakat ¹⁴C hemen parçalanmaya başlar.

ve atmosferde bir denge derişimine erişir. 1 g karbon için 1 dakikada 15.3 parçalanmadır. ¹⁴C karbondioksidin yapısına girer ve fotosentez ile bitkilerin ve dolayısıyla hayvanların yapısına girer. Bitki ve hayvanlar canlıyken yapılarında ¹⁴C denge derişiminde bulunur. Fakat öldükten sonra karbon dışarıdan karbon alınması duracağından zamanla ¹⁴C miktarı azalır. 5770 yıl geçtiğinde ise yarı yarıya azalmış olur.

Tıpta radyoizotoplar özellikle kanserin iyileştirilmesinde (dan çıkan ışınları) ve tiroidin tanısında ve iyileştirilmesinde kullanılır. Bu tür yöntemler radyoterapi olarak adlandırılır.

Kimyada radyoizotoplar çok az miktarda katılarak kimyasal bileşiklerin yapılarının ve kimyasal tepkimelerin mekanizmalarını aydınlatmak için kullanılır. Radyoaktif çekirdeklerin kimyasal araştırmalarda kullanılmasını konu alan bilim dalına radyokimya denir.

Analitik kimyada izotopla seyreltme yöntemi ile, bir maddeyi bir karışımdan ayırmanın ve miktarını bulmanın çok zor olduğu durumlarda yararlanılır. Örneğin; su kaynaklarının hacmi bu yolla bulunabilir.kaynağa belli miktarda radyoizotop katılır ve iyice karışması sağlanır. Seyrelmenin derecesi ölçülerek suyun hacmi hesaplanabilir.

Nötron aktivasyon analizi ile ise, radyoaktif olmayan izotoplar nötron ile bombardıman edilerek daha ağır e kararlılık kuşağı dışına düşen izotoplar elde edilebilir. Bunlar radyoaktiftir. Radyoaktif olmasalar dahi, nötronları soğurarak uyarılmış duruma geçebilirler ve yayımlaması yapabilirler. Her elementin kendine özgü ışınları spektrumu olduğundan aktifleşmiş örneğin spektrum analizinden elementin türü ve ışımanın şiddetinden elementin miktarı bulunabilir. Nötron aktivasyon analizinde örneğin bozulmaması ve eser miktarda element analizi (10^-12 g kadar ) yapılabilmesi gibi üstünlükleri vardır.

Tepkime mekanizmalarının aydınlatılmasında da radyoakviteden yararlanılabilir. Bir alkolün bir organik asitle ester ve su oluşturmak üzere tepkimesinde sudaki oksijen atomunun alkoldeki OH dan mı yoksa asitteki OH dan mı geldiği açık değildir.

tepkime etiketlenmiş oksijen içeren alkol ya da asit kullanılarak bir yanıt bulunabilir.

yukarıdaki tepkime sudaki oksijenin asitteki oksijen olduğunu göstermiştir.

Örnek 1 : 10 ²²²Rn izotopunun parçalanarak bir hafta sonra 2.82 g kaldığı görülmüştür. ²²²Rn izotopun parçalanma hız sabiti nedir?

Çözüm : [A]₀ = 10 , [A] = 2.82 , t = 7 gün

Örnek 2 : Bir arkeolojik kalıntıdaki kömür örneğinin radyoaktif parçalanması 1 gram karbon için dakikada 10.5 parçalanma olarak ölçülmüştür. kalıntının yaşı nedir?

Çözüm :

Science Museum

http://www.nmsi.ac.uk/on-line/electron/section3/1911b.html

http://www.nmsi.ac.uk/on-line/electron/section3/

http://www.nmsi.ac.uk/on-line/treasure/chem.html

Doç.Dr. Ender ERDİK, Doç.Dr. Yüksel SARIKAYA, TEMEL ÜNİVERSİTE KİMYASI, Cilt 1, Taş kitapçılık yayınevi, Ankara 1984