Elektromanyetik Spektrum ve Radyoaktivite

Elektromanyetik Spektrum: Elektromanyetik
dalgaların frekansa ve dalga boyuna göre
sınıflandırılmasıdır.

Yiyeceklerimizi ısıtmak için kullandığımız
mikrodalga fırınlardaki ve kullandığımız cep
telefonlarında haberleşmemizi sağlayan dalgalar, sahip
oldukları dalga boyları açısından elektromanyetik
spektrumun bir parçasıdır. Gözlerimizin görebildiği ışık
dalgaları da elektromanyetik spektrumun bir parçasıdır.
Elektromanyetik spektrumun görünen bölgesine düşen bu
dalgalar, bir gökkuşağında gördüğümüz kırmızıdan
turuncuya, mavi ve mora kadar uzanan renkleri
içermektedir. Elektromanyetik dalgalar, çok uzun dalga
boylarına sahip radyo dalgalarından, atom boyutundan
daha küçük olan kısa dalga boyuna sahip gamma ışınlarına
kadar değişmektedir. Bir elektromanyetik spektrumun en
uzun dalga boyundan en kısa dalga boyuna kadar
sıralanması, radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi,
görünür bölge, morötesi, x-ışınları ve gamma ışınları
biçiminde olur.

Frekansı en küçük (dalga boyu en büyük)
elektromanyetik dalgalar radyo dalgaları olarak
adlandırılır. Frekansı en büyük (dalga boyu en küçük)
elektromanyetik dalgalar ise gamma ışınlarıdır.

Radyo dalgaları için dalgaboyu, bir futbol
sahasından daha büyük olabileceği gibi bir futbol
topundan daha da küçük olabilir. Radyo dalgaları,
radyolarımızda müzik dinlememizi sağlayan dalgalardır.
Bu dalgalar aynı zamanda televizyon ve cep telefonu
sinyallerini de taşırlar. Evimizde kullandığımız televizyon
anteni, televizyon istasyonundan yayınlanan sinyali
elektromanyetik dalga biçiminde almakta ve bu sinyal
televizyon tarafından işlenerek karşımıza görüntü olarak
çıkmaktadır. Cep telefonlarında da bilgi iletişimini
sağlayan, yani bilgi materyallerini taşıyan yine radyo
dalgalarıdır.

Mikrodalga: Dalgaboyu santimetre mertebesinde
olan elektromanyetik dalgalara denir. Bu dalgalar bir
mikrodalga fırınında bulunan yiyeceklerimizi ısıtan
dalgalardır. Mikrodalgalar, maddeleri oluşturan atom ve
moleküllerle etkileşerek, onların hareketlerinde sürtünme
meydana getirdiklerinden ortaya ısı enerjisinin çıkmasına
ve dolayısıyla maddelerin ısınmasına neden olmaktadırlar.

Kızılötesi dalgalar, elektromanyetik spektrumun
mikrodalga spektrumu ile görünür bölge spektrumları
arasında kalan bölgesinde yer alır.

Yakın kızılötesi ışınımı, görünür bölgeye çok
yakın olurken, uzak kızılötesi ise elektromanyetik
spektrumun mikrodalga bölgesine daha yakındır.

Görünür bölge, elektromanyetik dalganın sadece
çıplak gözle görülebilen 400 nm ile 700 nm dalgaboyu
aralığındaki kısmına karşılık gelir. Dolayısıyla görünür
bölge, elektromanyetik spektrumun çok dar bir bölümünde
yer almaktadır. Biz bu dalgaları, gökkuşağında oluşan
renkler olarak görebiliriz. Buradaki her bir renk farklı bir
dalgaboyuna karşılık gelir. Kırmızı renge karşılık gelen
dalga, görünür bölgenin en uzun dalgaboyuna karşılık
gelirken, mor renk en kısa dalga boylarına karşılık gelir.
Görünür bölgedeki tüm renkler birleştiği zaman beyaz
ışığı oluşturur.

Morötesi dalgalar, görünür bölgeden daha kısa
dalga boylarına sahiptir. Bu dalgalar her ne kadar insan
gözüyle görünemeseler bile, eşek arısı gibi bazı böcekler
tarafından görülebilir. Güneş, elektromanyetik
spektrumdaki farklı dalgaboylarının hepsinde ışık
yaymaktadır. Güneşten gelen bazı morötesi dalgalar dünya
atmosferine nüfuz etse de, onların çoğu atmosfere girerken
ozon gibi çeşitli gazlar tarafından tutulmaktadır. Dünyanın
çevresinde bulunan ozon tabakasının insanları morötesi
ışınlardan koruması, insanın yaşamını sağlıklı bir şekilde
sürdürmesi için oldukça önemlidir.

X-ışınları, oldukça küçük dalga boylarına sahip
olduğu için, bunların enerjileri morötesi ışınlardan daha
büyüktür. X-ışınları, dalgaboylarından daha çok enerjileri
ile temsil edilmektedirler. Dünya atmosferi oldukça kalın
olduğu için uzaydan dünya yüzeyine doğru gelen hiçbir xışının
dünya atmosferini geçip dünyaya ulaşamaz. Bu
durum da insanın yaşamını sağlıklı bir şekilde sürdürmesi
açısından önemlidir. Hepimizin bildiği gibi güneş ışınları
üzerimize belli açılarla gelirse, yerde gölgemiz oluşur.
Benzer bir şekilde, x-ışınları da insan vücuduna
gönderildiğinde bu ışınlar derimizden kolaylıkla geçer,
fakat kemiklerimizden geçemeyeceği için film üzerine
onların gölgesi düşer ve bu sayede kemiklerimizin bir
fotoğrafı çekilmiş olur.

Gamma ışınları, elektromanyetik spektrumun en
fazla enerjiye ve en kısa dalgaboyuna sahip olduğu
bölgesine düşer. Gamma ışınları, elektriksel olarak yüksüz
oldukları için manyetik alanda sapmazlar. Bu dalgalar,
radyoaktif atomlar veya nükleer patlamalar sonucu
oluşmaktadır. Gamma ışınları, canlı hücreleri öldürebilir.
Bu özelliği sayesinde gamma ışınları, tıpta kanserli
hücreleri öldürmek için tedavi amaçlı kullanılmaktadır.

Üzerine düşen bütün ışınımı soğuran cisimlere
siyah cisim denir.

Max Planck, 1900 yılında madde ile ışıma
arasındaki dengeyi incelerken, yayılan ışımanın sürekli
şekilde değil de kesikli şekilde yayıldığını öne sürdü. O
dönemde klasik olarak siyah cisim ışıması bilinmekteydi.
Buna göre, ısıtılan herhangi bir cisim kızdıkça ışıma
yapmaya başlar. Daha yüksek sıcaklıklarda kızıl kor,
sonunda da akkor haline gelir. Akkor hale gelen katı bir
cisim, kimyasal bileşenlerinden bağımsız olarak her dalga
boyunda ışıma yapar. Bu siyah cisim ışıması’dır.

Planck sabiti, 6,62.10-34 Js değerine sahip
kuantum fiziksel evrensel bir sabittir.

Atom çekirdeği pozitif yüklü protonlar ve yüksüz
nötronlardan oluşur. Bu parçacıkların ikisine birden
nükleon adı verilir.

Çekirdekteki proton ve nötronları bir arada tutan
kuvvete çekirdek kuvveti denir.

Çekirdek fiziğinde elementlerin sadece fiziksel
ve kimyasal özelliklerine göre sınıflandırılması
yetersizdir. Çekirdeğin yapısına dayanan bir sınıflandırma
gereklidir. Bir elementin bütün atomları aynı sayıda
elektron içerir. Bunlara karşılık çekirdekler de aynı sayıda
proton içerirler. Fakat nötron sayısında farklılıklar
görülebilir. Yani bir elementin çekirdeğindeki nötron
sayısı farklı olabilir. Proton sayıları eşit, nötron sayıları
farklı olan çekirdeklere izotop adı verilir.

Bazı elementler çekirdeklerindeki nötron/proton
dengesizliğinin sonucu olarak aşırı enerji yüküne sahiptir
ve bu nedenle de kararsızdırlar. Bu elementler
nötron/proton dengesini sağlamak üzere fazla olan
enerjilerini kaybederek kararlı duruma geçmeye çalışırlar.
Bu kararlı hale geçme süreci içerisinde enerjilerini değişik
şekillerde kaybeder ve farklı elementlere dönüşürler.
Ortaya çıkan enerjiye radyasyon denir. Dolayısıyla
radyasyon, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar
biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır.

Başlıca radyasyon çeşitleri, iyonlaştırıcı
radyasyon ve iyonlaştırıcı olmayan radyasyon olarak iki
ana grupta incelenebilir.

Radyasyon etkisi altında elektronun çekirdekten
koparak serbest hale gelmesi iyonlaşma olarak
tanımlanmaktadır.

Elektromanyetik dalgaların ortamda bulunan
madde ile etkileşmesi sırasında, elektromanyetik dalgalar
madde içinde bulunan atom ve moleküllerle etkileşmekte
ve içinden geçtiği ortama enerji aktarmaktadır. İçine
girdiği maddenin elektronlarını çekirdekten kopararak
iyonlaştıran radyasyona iyonlaştırıcı radyasyon denir.

X-ışını ve γ-ışını gibi yüksek enerjili
elektromanyetik dalgalar ile radyoaktif parçalanma sonucu
ortaya çıkan alfa, beta parçacıkları ve nötronlar
iyonlaştırıcı radyasyona sebep olmaktadır. Çevresine α-,
β-, γ- gibi çeşitli ışınlar saçarak parçalanan maddelere
radyoaktif madde adı verilmektedir.

α-parçacıkları, iki proton ve iki nötrondan
meydana gelen pozitif yüklü helyum iyonlarından oluşur.
Bu parçacıklar bir kâğıt parçası veya cildimiz tarafından
durdurulabilir. Kütleleri yaklaşık olarak hidrojen atomu
kütlesinin 4 katıdır. Yüklü olduklarından elektrik ve
manyetik alanda saparlar. Madde içinden geçerken yoğun
bir iyonlaşma meydana getirerek enerjilerini hemen
kaybederler. Bu yüzden maddeler içinde alacakları yol çok
kısa olur. Çok ince bir alüminyum yapraktan, hatta ince
bir kâğıttan bile geçemezler. İnsan derisinden geçerek
vücuda giremezler. Fakat α-ışınları yayan elementler
mide, solunum veya yaralar yoluyla vücuda girerse çok
tehlikeli olurlar.

β-parçacıkları, yüksek enerjili negatif yüklü
parçacıklardır. Yapılan deneyler β- parçacığı kütlesinin
elektronun kütlesine ve yükünün de elektronun yüküne
eşit olduğunu göstermiştir. Kütlelerinin çok küçük ve
hızlarının da çok büyük olmasından dolayı maddeler
içinde α-ışınına göre daha fazla yol alırlar. Havada birkaç
metre gidebilirler. Birkaç mm’lik kurşunu geçebilirler.
Maddeler içinde ilerlerken maddenin atomlarına çarparak
onları iyonlaştırırlar. Metal bir levha ya da cam tabakası
bu elektronları durdurmak için yeterlidir. α- ve β-ışınları
atomun çekirdeğinden kaynaklanan radyoaktif ışınlardır.
Her iki ışın da belirli bir kütleye sahiptir. α- ve β-ışınları,
kütleleri ve elektriksel yüklerinden dolayı x- ve γ-
ışınlarına göre maddelere daha az nüfuz ederler. Ancak,
bu ışınların iyonlaştırıcı etkileri daha fazladır. Öte yandan
özellikle nötron, elektrik yükü olmadığından çok büyük
nüfuz etme özelliğine sahiptir.

İçinden geçtiği maddenin elektronlarını
çekirdekten kopararak iyonlaştırmayan radyasyona
iyonlaştırıcı olmayan radyasyon denir.

En basit çekirdek olan hidrojen atomu çekirdeği
sadece protondan oluşmuş, diğer tüm çekirdekler nötron
ve protonlardan oluşmuştur. Nötronların protonlara oranı
hafif izotoplarda bir iken, periyodik tablonun sonundaki
ağır elementlere doğru gidildikçe bu oran artmaktadır. Bu
oran daha çok arttığında izotopun artık kararlı olmadığı bir
yere gelinir. En ağır kararlı izotop olup, daha ağır
izotoplar dışarıya verecekleri fazla enerjileri olduğundan
kararsızdır. Bunlar kararlı hale gelebilmek için fazla olan
enerjilerini ışın olarak yayarlar. Atomların çekirdeklerinin
kararsız yapıları nedeniyle kendiliğinden bozunarak bazı
ışınlar yayması özelliğine radyoaktiflik, bu olaya ise
radyoaktivite veya radyoaktif bozunma denir.

Radyoaktif bir maddeden yayınlanan üç tip
radyasyon vardır:
• α-bozunumunda He çekirdeği yayınlanır.
• β-bozunumunda da elektron ya da pozitron
yayınlanır.
• γ-bozunumunda ise yüksek enerjili fotonlardan
oluşan γ-ışınları yayınlanır.

Radyoaktif bozunma, bir atom çekirdeğinin α-
parçacığı, β-parçacığı, γ-ışını veya başka herhangi bir
parçacık yayınlaması olayıdır.

Bir radyoaktif izotopun birim zamanda bozunan
atom çekirdeği sayısına yani (dN/dt ) oranına aktiflik
denir.

Belli bir çekirdeğin parçalanmasını karakterize
eden diğer bir parametre de yarı ömürdür. Bir radyoaktif
elementin başlangıçta var olan atom çekirdeklerinin
yarısının bozunması için geçen süreye yarı ömür denir.

Bir radyoaktif maddenin içindeki atom
çekirdeklerinin hepsi aynı anda bozunmaya uğramaz. Bir
radyoaktif atom çekirdeğinin yaklaşık olarak ne kadar
zaman aktif kalacağı ortalama ömür kavramıyla açıklanır.

Aktivite birimi: SI birim sisteminde
radyoaktifliğin birimi becquerel (Bq)’dir. Becquerel,
saniyede bir bozunma gösteren radyoaktif maddenin
aktivitesidir. Ayrıca özel birim olarak curie (Ci) de
kullanılır. Curie, saniyede 3,7.1010 bozunma gösteren
radyoaktif maddenin aktivitesidir.

Işınlama birimi: SI birim sisteminde ışınlama
birimi coulomb/kilogram (C/kg)’dır. Normal hava
şartlarında havanın 1 kg’ında 1 C’luk elektrik yükü
değerinde pozitif ve negatif iyon oluşturan x-ışını veya γ-
ışını miktarıdır. Özel birim olarak röntgen de kullanılır.
0°C sıcaklıkta 760 mm-Hg basınçta, havanın 1
kilogramında 2,58.10-4 C’luk elektrik yükü değerinde
pozitif ve negatif iyonlar meydana getiren x-ışını veya γ-
ışını miktarına röntgen (R) denir.

SI birim sisteminde gray (Gy) kullanılır.
Radyasyon alan maddenin 1 kg’na, 1 J enerji veren ışıma
miktarına gray denir.

Radyasyon alan maddenin 1 kilogramına, 10-2 J
’lük enerji veren ışıma miktarına Rad denir.

Doz eşdeğer birimi: Değişik türde ışınların eşit
dozlardaki biyolojik etkisi farklı olabilir. Bu durum yeni
bir birimin tanımını gerektirmiştir. Bu birim Rad
cinsinden soğurulan dozu, biyolojik etkiyi de hesaba
katacak bir faktörle çarparak elde edilir. SI birim
sisteminde sievert (Sv), özel birim olarak Rem kullanılır
ve Doz eşdeğer birimi (Rem) = Soğurulan doz (Rad) x
Kalite faktörü ile ifade edilir. Kalite faktörü ışımanın
sebep olduğu iyonizasyon miktarına bağlıdır.

Bir nötronun, Uranyum gibi ağır bir elementin
atomunun çekirdeğine çarparak yutulması, bunun
sonucunda bu atomun kararsız hale gelerek daha küçük iki
veya daha fazla farklı çekirdeğe bölünmesi olayına Fisyon
(çekirdek parçalanması) denir. Fisyon bir çekirdek
tepkimesidir. Parçalanma sonucunda ortaya çıkan
atomlara fisyon ürünleri denir. Bunların bazıları
radyoaktiftir. Atom sayısı 90’dan büyük olan elementler
fisyona uğrayabilirler.

Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon
tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte,
birden fazla nötron ortaya çıkar. Fisyon sonucunda ortaya
çıkan bu nötronlar, ortamda bulunan diğer fisyon
yapabilen atom çekirdekleri tarafından yutularak, onları da
aynı reaksiyona sokmaktadır. Bu olayın ardışık olarak
tekrarlanması sonucunda zincirleme fisyon reaksiyonu
meydana gelir. Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon, anlık
bir süre içinde çok büyük bir enerjinin ortaya çıkmasına
neden olur. Atom bombasının patlaması bu şekildedir.

Hafif radyoaktif atom çekirdeklerinin birleşerek
daha ağır atom çekirdeklerini meydana getirmesi olayına
Füzyon (çekirdek birleşmesi) denir.

Fisyon olayı, ağır çekirdeklerin kararsızlık
özelliği kullanılarak nötronların Uranyum çekirdeği ile
uygun çarpışmalar yapmasıyla başlatılabiliyordu. Füzyon
ise bu kadar kolay başlatılamaz. Çünkü çekirdekler pozitif
elektrik yükü taşır ve birbirlerine yaklaştırmak
istenildiğinde çok şiddetli bir şekilde birbirlerini iterler.
Bunların birleşmesini sağlamak için aralarındaki itme
kuvvetini yenebilecek büyüklükte bir kuvvetin
kullanılması gerekmektedir.

Herhangi bir maddenin radyasyon yayıp
yaymadığını veya ortamda radyasyon olup olmadığını
tespit etmek ve bu radyasyonun miktarını ölçmek için
dedektör denilen sayaçlar kullanılır.

İyonlaşma Odası: Temel prensibi, gaz dolu
dedektör içinde iyonizasyon oluşması temeline dayanır.
Radyasyon iyon çiftleri oluşturur ve bu iyon çiftleri bir
elektrik alanından geçerken bir elektrik sinyali oluşturmak
üzere toplanır. Bu sinyal bir akım ya da bir puls olarak
radyasyonun varlığını veya miktarını belirlemek için
kullanılır.

Orantılı Sayaç: Bu sayaç iyonlaşma odasının
gelişmiş şeklidir ve çalışma prensibi de aynıdır.
Elektrotlara uygulanan voltaj, iyonlaşma odasındakilere
uygulanandan çok daha fazladır. Pulsun büyüklüğü belli
bir limite kadar artan voltajla artar. Bu noktanın altında
puls büyüklüğü, parçacıkların birincil iyonlaşma
enerjileriyle doğru orantılıdır.

Geiger-Müller Sayacı: Geiger-Müller sayacı,
düşük basınçtaki bir gaz ile doldurulmuş silindirik bir
metal tüp ve tüp ekseni boyunca uzun bir tel içerir. Katot
ile anot arasında yaklaşık 1000 V’luk bir potansiyel farkı
bulunmaktadır. Yüksek enerjili bir parçacık veya foton bir
uçtaki ince bir pencereden tüpün içine girdiğinde, gaz
halindeki atomların bazılarını iyonlaştırır. Böylece anotla
katot arasında kısa süreli bir akım oluşur. Bu akım ise
katot ve anot arasındaki gerilimi düşürür. Böylece
iyonlaşma yavaşlar. İyonlaşma iyice yavaşlayınca akım da
kesilir. Sayaca tekrar giren radyasyon kısa süreli bir akıma
neden olur. Bu kısa süreli akımlar direncin uçlarında
gerilim değişmelerinin sebebidir. İşte bu kısa süreli akım
değişmeleri sayaca bağlı olan elektronik sistemlerle
sayılır. Geiger-Müller sayacı, radyasyon tiplerini veya
enerjilerini ayırt edemez. Bu nedenle bu sayaçların çoğu
dakika başına sayma (CPM) olarak kalibre edilir. Geiger-
Müller sayaçları esas olarak, radyoaktif materyalin
varlığını dedekte etmekte kullanılır.

Sis Odası: Sis odası, daha önce anlatılan
sayaçlardan farklı olarak, yüklü parçacıkların yollarının
(yerlerinin) görülmesini sağlar. Sis odası, C.T.R.Wilson
tarafından keşfedilip ilk defa 1912’de kullanılmıştır. Sis
odası, bilinen yoğunlaşma noktasının altına kadar
soğutulmuş bir gaz içerir. Sis odasının içinden geçen
parçacıklar yörüngesi boyunca gaz iyonlaştırır. Bu iyonlar
aşırı soğutulmuş gaz içinde yoğunlaşma merkezleri
oluşturur. İz, çıplak gözle görülebilir ve fotoğrafı
çekilebilir.

iyodür, antrasin, naftalin ve fenantirinin bulunduğu
bazı maddelere bir tek yüklü parçacık, x-ışını veya γ-ışını
çarptığı zaman, bir ışık parıltısı meydana getirirler. Bu gibi
maddelere sintilatör adı verilir. Böyle bir malzeme foto
çoğaltıcı tüp denilen bir cihazın ucuna bağlandığında, bu ışık
parıltıları elektrik sinyallerine dönüştürülür. Dedeksiyon ve
sayma için gerekli düzenek bir sintilasyon sayacı olarak
bilinmektedir. Özellikle son zamanlarda özel amaçlı sıvı
sintilatörler kullanılmaktadır. Aralarında sodyum iyodür,
sezyum iyodür, antrasin, naftalin ve fenantirinin bulunduğu
bazı maddelere bir tek yüklü parçacık, x-ışını veya γ-ışını
çarptığı zaman, bir ışık parıltısı meydana getirirler. Bu gibi
maddelere sintilatör adı verilir. Böyle bir malzeme foto
çoğaltıcı tüp denilen bir cihazın ucuna bağlandığında, bu ışık
parıltıları elektrik sinyallerine dönüştürülür. Dedeksiyon ve
sayma için gerekli düzenek bir sintilasyon sayacı olarak
bilinmektedir. Özellikle son zamanlarda özel amaçlı sıvı
sintilatörler kullanılmaktadır.

• Işınların, hücrelerin kimyasal yapılarını değiştirmeleri
de mümkündür. Bu ışınlar, saniyenin binde biri gibi çok
kısa süre içinde hücre moleküllerini parçalayıp
iyonlarına ayrıştırabilirler. Bununla birlikte, etrafta
bulunan diğer hücreleri de fizyolojik görevlerini
yapamaz duruma getirebilirler. Bütün bunların
sonucunda radyasyona maruz kalan bir hücre ya ölür ya
da işlevini yitirir.
• Normal yaşamda yıpranan hücrelerin ölümü ve
yerlerine yenilerin doğması doğaldır. Ancak, yüksek
radyasyon sonucu çok sayıda hücrenin aniden ölmesi
veya normal çalışmasının bozulması canlının
sağlığını önemli ölçüde etkileyecek bir olaydır.
• Hayati önemi fazla olan dokularda (kemik iliği, dalak,
kan ve üreme hücreleri) radyasyonun etkisi daha erken
görülür. Çünkü bu hücreler daha çabuk çoğaldığından
bir hücredeki hasar, sakat doğan yeni hücrelerle çığ gibi
büyür. Bu ise uzun bir zaman dilimi içerisinde her an
bir tümör olarak sonuçlanabilir.