Bilinen 118 tane element vardır.[1] Her elementin çeşitli sayıda izotopları vardır. Proton sayısı düşük ve yüksek olanların 1-30 arası civarında (ki bunlar toplam izotop sayısında az olan kısmı oluşturur), proton sayısı orta(larda) olanların ise 40-50 civarında izotopu vardır (bunlar ise çok olandır).[2] 118 elementin toplamda 7.000’den fazla izotopu vardır, yani bu kadar farklı çekirdek vardır.[3] Tam olarak 242 tane sabit (kararlı) çekirdek bulunur. Diğer tüm izotoplar kararsızdır. Bunlar kararlı ya da kararlılığa yakın hâle gelebilmek için bozunur.[2] Kararsız bir çekirdeğin yarı ömrü demek, bozunması için geçmesi gereken olasılıksal ortalama yaklaşık bir sürenin olasılıksal ortalama yaklaşık olarak yarısını ifade eder: Ortalama ömür ise bu yarı ömrün olasılıksal ortalama yaklaşık iki katıdır.[4] Kararsız çekirdeklerin yarı ömürleri çoğunlukla (%65 civarı) nanosaniye (10-9) altından ve nanosaniyelerden saniyelere kadardır (bunların çoğu 5 saniyeden az, kalanı ise 1 dakikadan az), geriye %35 civarı kaldı, bunların, %18 civarı 1 ile 20 dakika arasındadır, %5 civarı 1 saat ile 1 gün, %3 civarı 1 gün ile 1 ay, %3 civarı 1 ay ile 1 yıl, %3 civarı 2,7×106 (2.700.000) yıl ile 6,3×1024 yıl arasındadır, son kalan %3 civarı ise kararlıdır.
Kararlı çekirdeklerin (11H ve 32He hariç) çok azının (proton sayısı 20’ye kadar olanların) ya proton-nötron sayıları eşittir ya da nötron sayısı protondan bir veya birkaç fazladır (örneğin 21H, 42He, 7,63Li, 94Be, 11, 105B, 13, 126C, 15, 147N, 18-168O, 34-3216S, 46, 44-42, 4020Ca), diğer tüm kararlı çekirdeklerin nötron sayısı protondan fazladır, çekirdeklerin proton sayısı arttıkça nötron bölü proton oranı da gittikçe 1,1-1,2-1,3-1,4-1,5 olarak artar -yani 1’den 1,5’e doğru artar- (örneğin 50-4622Ti, 54-5224Cr, 68-6630Zn, 86, 84-82, 80, 7836Kr, 98-94, 9242Mo, 132-128, 12654Xe, 160, 158-15464Gd, 180-17672Hf, 19779Au, 208-20682Pb). 20882Pb, proton ve nötron sayısı en fazla olan kararlı çekirdektir. Proton bölü nötron oranında 1,5 oranını (1,6 bile olmayacak bir düzeyde) sadece birkaç çekirdek aşar.[2]
Kararsız çekirdeklere radyoaktif çekirdek (veya radyoizotop) denir. Kararsız bir çekirdek, çekirdeğindeki enerji fazlalığından dolayı kararlı ya da kararlılığa yakın bir çekirdeğe çeşitli şekillerde bozunur. Bu bozunmalara radyoaktivite denir. Bozunurken dışarı salınan ürünlere ise radyasyon denir.[5]
Alfa bozunması şudur. Kararsız çekirdeklerin %4 civarı alfa bozunumuna uğrar. Bunların %99’undan fazlasının nötron sayısı 82’den büyüktür.[2] Bu bozunumda çekirdek, -elektronu olmayan, +2 pozitif yüklü olan- 2 proton ve 2 nötrondan oluşan 1 tane helyum çekirdeği (42He2+2 yani α) salar (dışarıya fırlatır, atar, yayınlar). 42He2+2 gösterimindeki sol alt proton sayısı (ya da atom numarası), sağ alt nötron sayısı, sol üst proton artı nötron sayısı (ya da kütle numarası), sağ üst ise proton ve elektron farkından oluşan pozitif ya da negatif olabilen yüktür, bu örnekte pozitiftir. Bir kararsız çekirdek alfa bozunumuna uğradığında “2 proton ve 2 nötron kaybederek kütlesi dört birim, yükü ise iki birim azalır”.
α bozunumu: AZXN → A-4Z-2YN-2 + 42He2+2
Üstteki gösterimde X ana çekirdek, Y ürün çekirdeği olup N nötron sayısı, A kütle numarası, Z ise atom numarasıdır.[6]
Beta bozunması şudur. 3 çeşit beta bozunumu vardır: β+, β− ve elektron yakalama. β+ ile elektron yakalama neredeyse aynıdır, bu yüzden aynı gibi kabul edilir. Kararsız çekirdeklerin %92 civarı beta bozunumuna uğrar, bunların %44 civarı β+ (ya da elektron yakalama), %48 civarı da β− bozunumuna uğrar.[2] Beta bozunumuna uğrayan kararsız çekirdeklerde proton ya da nötron sayısının fazla gelmesinden dolayı proton nötrona ya da nötron protona dönüşür.[7]
β− bozunumu: AZXN → AZ-1YN-1 + e− + e (n → p + e− + ῡe)
β− bozunumunda 1 nötron (n); 1 proton (p), 1 elektron (e−) ve 1 elektron anti nötrinosuna (ῡe) dönüşür, proton çekirdekte kalırken diğer ikisi dışarı salınır.
β+ bozunumu: AZXN → AZ-1YN+1 + e+ + νe (p → n + e+ + νe)
β+ bozunumunda 1 proton (p); 1 nötron (n), 1 pozitron (e+) ve 1 elektron nötrinosuna (νe) dönüşür, nötron çekirdekte kalırken diğer ikisi dışarı salınır.
Elektron yakalama: AZXN + e− → AZ-1YN+1 + νe (p + e− → n + νe)
Elektron yakalamada çekirdekteki 1 proton (p), kendi elektronlarından birini (e−) yakalayıp 1 nötron (n) ve 1 elektron nötrinosuna (νe) dönüşür, nötron çekirdekte kalırken diğeri dışarı salınır.[8]
Beta bozunumlarının açılımları şöyledir. (Hatırlatırım ki 1 proton, 2 yukarı kuark ile 1 aşağı kuarktan oluşur. 1 nötron ise 2 aşağı kuark ile 1 yukarı kuarktan oluşur.)
β− bozunumu:
- aşama: d → u + W−
- aşama: W− → e− + ῡe
Sonuç: d → u + e− + ῡe yani n → p + e− + ῡe
Önce 1 aşağı kuark (d), 1 yukarı kuarka (u) ve 1 W− bozonuna dönüşür. Sonra, oluşan bu W− bozonu da 1 elektron (e−) ve 1 elektron anti nötrinosuna (ῡe) dönüşür, salınacak olanlar da bunlardır zaten.
β+ bozunumu:
- aşama: u → d + W+
- aşama: W+ → e+ + νe
Sonuç: u → d + e+ + νe yani p → n + e+ + νe
Önce 1 yukarı kuark (u), 1 aşağı kuarka (d) ve 1 W+ bozonuna dönüşür. Sonra, oluşan bu W+ bozonu da 1 pozitron (e+) ve 1 elektron nötrinosuna (νe) dönüşür, salınacak olanlar da bunlardır zaten.
Elektron yakalama:
u + e− → d + νe yani p + e− → n + νe
Elektron yakalama, 1 yukarı kuark (u) ile 1 elektronun (e−) etkileşime girip oluşan W+ bozonu aracılığıyla 1 aşağı kuark (d) ile 1 elektron nötrinosuna (νe) dönüşmesidir, salınan elektron nötrinosudur.[9][10][11]
Gama bozunması şudur. Kararsız bir çekirdek alfa ya da beta bozunumuna uğradıktan sonra kararlı (sabit) bir çekirdeğe dönüşmemişse kararlılığa yakın bir çekirdeğe (öncekinden biraz daha az kararsız bir çekirdeğe) dönüşmüş demektir, bu bozunumlar (dönüşümler) çekirdeğin kararlılıktan uzak ya da yakın olma durumuna göre, kararlı olana kadar, bozunma süreleri içinde bozunadurarak devam edecektir, bu bozunmalarda taban duruma gelmemiş (yani kararlı olmamış) çoğu çekirdek (alfa bozunması için %20 civarı, beta bozunması için neredeyse tamamı), uyarılmış durumda (seviyede, hâlde) kalır. Kısaca alfa ya da beta bozunumundan sonra uyarılmış (tedirgin) bir hâlde kalan çekirdek çok kısa bir süre sonra bir ya da birkaç gama ışını (γ) yayınlar, böylece fazladan enerjisi biraz daha düşmüş olur. Bu gama bozunması, çekirdeğin proton ya da nötron sayılarında herhangi bir değişikliğe sebep olmaz.[2][12][13][14]
Kararsız çekirdeklerin %1’inden daha azı -alfa, beta ve gama bozunması yapmaz, diğer bozunma çeşitleri olan- proton salınımı, nötron salınımı ya da kendiliğinden füzyon yapmaktadır.[2]
Elbette ki bozunumlar neredeyse anlık olarak gerçekleşir, yani bir anda olup biter.
Bozunumlardan açığa çıkan kinetik enerji (yani salınan ürünlerin kinetik enerjileri) şöyledir. Bu enerji, bozunan izotopların özelliklerine göre değişir. Alfa bozunumundan salınan helyum çekirdeğinin () kinetik enerjisi çoğunlukla 4-9 MeV arasındadır. β−, β+ ve elektron yakalama bozunumlarında açığa çıkan kinetik enerji çoğunlukla 500 keV-14 MeV arasındadır. Gama bozunmasında salınan gama ışınının (γ) kinetik enerjisi ise çoğunlukla 100 keV-2 MeV arasındadır.[15]
Kararsız (radyoaktif) çekirdeklerden oluşan bir maddenin yarısının bozunmasıyla geçen süreye yarı ömür denir. Yani, onlarca, yüzlerce, trilyonlarca ya da septilyonlarca sayıda kararsız çekirdekten (veya atomlardan) oluşan bir maddedeki çekirdeklerin, yaklaşık yarısının alfa ya da beta bozunmasıyla geçen süreye o maddenin yarı ömrü denir. Bu maddenin ya da bundaki bir çekirdeğin (ya da tekil bir kararsız çekirdeğin) yarı ömrü ortalama bir değerdir. Bu maddenin ya da böyle bir çekirdeğin bozunması için geçmesi gereken süreye ise -yarı ömrün yaklaşık iki katı olan- ortalama ömür denir. Yarı ömür ve ortalama ömür (geniş bir yaklaşıklıktır, kabacadır ya da) ortalama bir değerdir. Dikkat! Bunların kesin değerlerinin bilinmesi imkânsızdır, çünkü buna kuantum fiziği izin vermez, çünkü atom altı parçacık fiziği olan kuantum olasılıksaldır, rastgeledir, tesadüftür, kuantum mekaniği böyle işler. Örneğin, x sayıda kararsız çekirdekten oluşan bir madde olsun ve yarı ömrü de 1 saat olsun (ortalama ömrü 2 saat). Bu çekirdeklerin yaklaşık yarısı (kabaca yarısı, yarısının az ya da orta aşağısı veya az ya da orta yukarısı veya bunların arasında herhangi bir sayı kadarı) yaklaşık 1 saat içinde bozunur. 2 saat içinde bu çekirdeklerin tamamı bozunabilir de, bazıları bozunmayabilir de, yani çoğu bozunsa da, azı tahmin edilemeyecek bir sürede bozunabilir. Buradaki herhangi bir çekirdeğin, gerek çoğunun ortalama ömür içinde gerekse de azının dışında bir sürede, bozunmasının ne zaman olacağı bilinemez, tamamen rastgeledir, tesadüfidir. Karışıklık olmasın, alfa, beta ya da gama bozunumları neredeyse anlık olarak gerçekleşir, yani bir anda olup biter, burada bahsedilen, çekirdeğin ortalama ömrü içinde ne zaman olacağı bilinemez olarak herhangi bir anda bozunabileceğidir. Verdiğim örnekte yarı ömür 1 saatti, ama önceden bahsettiğimiz üzere izotopların yarı ömürleri nanosaniye altından 1024 yıllara kadar çok değişkenlik gösterir, örneğimiz elbette bunların tamamı için de geçerlidir. Şimdi de tek olarak bulunan bir kararsız çekirdek (atom) düşünün ve ortalama ömrü de 1 milyar yıl olsun. Bu çekirdek 1 saniye sonra da bozunabilir, 100 yıl sonra da, 700 milyar yıl sonra da, 100 trilyon yıl sonra da bozunabilir, ama çoğunlukla (ortalama yaklaşık olarak) 1 milyar civarı yıl sonra bozunacaktır, fakat bu sürede bozunmayıp tahmin edilemeyecek bir sürede de az ihtimal olsa da bozunabilir. Sonuçta kararsız (radyoaktif) çekirdeklerin (atomların), kendi kendine (spontane, kendiliğinden), alfa ya da beta bozunumlarıyla bozunması zamandan bağımsızdır, tamamıyla tesadüftür. Sadece kuantumdan dolayı olasılıksal bir yarı ömür mevcuttur, ancak bu bile olasılıksaldır, pertürbatiftir (yaklaşıklıktır).[16][17]
Kaynaklar
[1] ÇED Yazarları, “Uluslararası ÇED Kongresi Bildiri Kitabı” [ISBN: 978-605-5294-27-4], T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, ÇED, Uluslararası Çevresel Etki Değerlendirmesi Kongresi, 8-10 Kasım 2013, [PDF] <https://webdosya.csb.gov.tr/db/ced/editordosya/CED_KITAP.pdf>, Erişim: 10 Ekim 2020, s. 174 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20211227085714/https://webdosya.csb.gov.tr/db/ced/editordosya/CED_KITAP.pdf].
[2] IAEA Authors, “Live Chart of Nuclides”, International Atomic Energy Agency – Nuclear Data Section, <https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html>, Erişim: 10 Ekim 2020 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20201014103830/https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html].
[3] Jonathan Wilson, Matthieu Lebois, Liqiang Qi, “Neutron-rich isotopes from 238U(n,f) and 232Th(n,f) studied with the ν-ball spectrometer coupled to the LICORNE neutron source”, European Physical Journal Web of Conferences, 6. Workshop on Nuclear Fission and Spectroscopy of Neutron-Rich Nuclei (FISSION 2017), Cilt: 193, Makale No.: 04010, 2018, [PDF] <https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2018/28/epjconf_fission2017_04010.pdf>, Erişim: 10 Ekim 2020, s. 1 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20200602061457/https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2018/28/epjconf_fission2017_04010.pdf].
[4] Yaşar Kobya, “Doğu Karadeniz Bölgesindeki Doğal Kaynak ve Maden Sularında Radyoaktiflik Tayini”, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fizik Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Mart 2009, [PDF] <http://acikerisim.ktu.edu.tr/jspui/bitstream/123456789/1337/1/233699.pdf>, Erişim: 11 Ekim 2020, s. 16, 18 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217193119/http://acikerisim.ktu.edu.tr/jspui/bitstream/123456789/1337/1/233699.pdf].
[7] Selcen Uzun Duran, “Orta ve Doğu Karadeniz Bölgesindeki Kaplıcalarda ve Çevresinde Doğal Radyoaktivite Seviyelerinin Belirlenmesi”, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fizik Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Haziran 2013, [PDF] <http://acikerisim.ktu.edu.tr/jspui/bitstream/123456789/1357/1/332083.pdf>, Erişim: 11 Ekim 2020, s. 13 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217193230/http://acikerisim.ktu.edu.tr/jspui/bitstream/123456789/1357/1/332083.pdf].
[8] Levent Küçük, “Kütle Numarası 47-63 Aralığındaki Egzotik PF-Kabuk Çekirdeklerinin Beta Bozunumlarının İncelenmesi”, İstanbul Üniversitesi, Fizik Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Şubat 2019, [PDF] <http://nek.istanbul.edu.tr:4444/ekos/TEZ/60724.pdf>, Erişim: 12 Ekim 2020, s. 18-20 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217193359/http://nek.istanbul.edu.tr:4444/ekos/TEZ/60724.pdf].
[9] Nicholas Ivan Chot, “Rare Event Searches With CUORE Style TeO2 Bolometers”, University of South Carolina, Doktora Tezi, 2016, [PDF] <https://core.ac.uk/download/pdf/217686645.pdf>, Erişim: 12 Ekim 2020, s. 7 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217193744/https://core.ac.uk/download/pdf/217686645.pdf].
[10] Alex F Bielajew, “Introduction to Special Relativity, Quantum Mechanics and Nuclear Physics for Nuclear Engineers”, The University of Michigan, NERS 311 and 312, 15 Aralık 2014, [PDF] <http://websites.umich.edu/~ners311/CourseLibrary/book.pdf>, Erişim: 13 Ekim 2020, s. 202 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217193925/http://websites.umich.edu/~ners311/CourseLibrary/book.pdf].
[11] A.J. Barr, “B2.IV Nuclear and Particle Physics”, University of Oxford, 13 Şubat 2014, [PDF] <http://www-pnp.physics.ox.ac.uk/~barra/teaching/subatomic.pdf>, Erişim: 13 Ekim 2020, s. 18 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20180218214140/http://www-pnp.physics.ox.ac.uk/~barra/teaching/subatomic.pdf].
[12] Yaşar Kobya, age., s. 14.
[13] Levent Küçük, age., s. 13.
[14] Selcen Uzun Duran, age., s. 16, 17, 25.
[15] IAEA Authors, “Live Chart of Nuclides”, ags., ea. [bk. sonnot 208]; IAEA Authors, “Nuclide ground state”, vd., International Atomic Energy Agency – Nuclear Data Section, <https://www-nds.iaea.org/relnsd/NdsEnsdf/QueryForm.html>, Erişim: 10 Ekim 2020 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20201018050949/https://www-nds.iaea.org/relnsd/NdsEnsdf/QueryForm.html].
[16] Yaşar Kobya, age., s. 16-18; Safa Hanköylü, “Kuantum Rastgele Sayı Üreteci Tasarımı ve Uygulaması”, Hacettepe Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 2019, [PDF] <http://www.openaccess.hacettepe.edu.tr:8080/xmlui/bitstream/handle/11655/6557/10235643.pdf>, Erişim: 8 Ekim 2022, s. 13, 27, 49 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217194745/http://www.openaccess.hacettepe.edu.tr:8080/xmlui/bitstream/handle/11655/6557/10235643.pdf].
[17] Selcen Uzun Duran, age., s. 22-25; Ömer Aydın [Editör], “Bilgisayar Sistemlerinde Güvenlik ve Gizlilik” [ISBN: 978-605-73625-1-3], [bu kitaptaki şu bölüm, Ahmet Cevahir Çınar, “Rastgele Sayı Üreteçleri”], Efe Akademi Yayınları, 1. Baskı, Mart 2022, İstanbul, <https://books.google.com.tr/books?id=dEFnEAAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=tr#v=onepage&q&f=false>, Erişim: 8 Ekim 2022, s. 65, 69, 70, 72 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221219014454/https://books.google.com.tr/books?id=dEFnEAAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=tr#v=onepage&q&f=false]. {bk. <https://www.academia.edu/74079352/Bilgisayar_Sistemlerinde_Güvenlik_ve_Gizlilik>, Erişim: 8 Ekim 2022 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221217195213/https://www.academia.edu/74079352/Bilgisayar_Sistemlerinde_Güvenlik_ve_Gizlilik]}