Beta Işınları (serbest elektronlar): serbest elektron akımı olan bu ışınlar ise, hafif ve orta radyoaktif çekirdeklerde görülür. Böylece bir (n), aynı anda 3 parçacığa yani, bir (p)’na, bir (e’)’na ve bir nötrünoya dönüşüp bunlardan da  (e’) ile nötrünolar çekirdekten yayınlanarak çekirdekteki (p-n) dengesi sağlanmaya çalışılır. Bu yüzden Beta ışını yayan bir atom, kütle numarası aynı kalırken, (p) sayısında artma olur. Mesela K.N. 24, A. N. 12 olan Magnezyum (27-12)  izotopu, bir beta bozunumu ile Al (27-13)’ e dönüşür. Yarılanma ömrü ise 13,5 dak. Ya da Th (234-90), bir (e’) atarak Pa (234-91)’e dönüşür (1). Böylece bu dönüşümlerle ilgili maddeden devamlı bir beta ışını yayını olmaktadır. Elektrik yüküne sahip olduklarından statik E (elektrik) ve B (Manyetik) alanlarından saparlar. Bu ışınlar, fotoğraf filmine etki ederler ve ışık hızına yakın hareket ederler. Beta ışınları da çok uzak mesafelere gidememekte insan vücuduna da fazla nüfuz edememektedirler. Alfa ışınlarından daha hafif olduklarından girginlikleri alfa ışınlarına göre 100 kat daha fazladır. Bu yüzden daha az iyonlaşma yaptıklarından bu üç ışından en az zararlı olanıdır. Normal şartlarda ince bir Alüminyum plaka tarafından durdurulabilirler. Ancak bu ışınlar da, ilgili mesafeden çok fazla maruz kalınması durumunda tüm canlılar için oldukça zararlı, zehirleyici ve öldürücüdür.

Gamma Işınları: Yüksek frekanslı (E-M) dalga olan gamma ışınları, orta ağırlıklı çekirdeklerde görülür. Işık hızında hareket ederler ve fotoğraf filmine etkide bulunurlar. Yüksüz olduklarından, statik (E) ve (M) alanlarından etkilenmezler. Bu ışın yayınlanırken, çekirdeğin (p) ve (n) sayılarını etkilemezler. Uyarılmış atomlarda yani, foton ya da başka (e’) ile uyarılan atom (e’)’nın yörünge değiştirmelerinde olduğu gibi, atom çekirdekleri de uyarılmış durumda olabilmektedir. Bu uyarılmış atom çekirdeğine, o atomun izomeri denir. Bu uyarılma durumunda huzursuz olan çekirdek, temel durumlarına dönmek için gamma ışınları (foton) yayınlar. Yani, uyarılmış çekirdekler bu halini koruyamamakta, çok kısa süreler içerisinde gamma ışını ile bozunuma uğramaktadır. Çekirdeklerin birkaçı ise, bu halini en fazla birkaç saat kadar koruyabilmektedirler. Radyoaktif bozunma (reaksiyonuna) uğrayan bir atom da, dönüşüme uğradığı atomun temel seviyesine değil de, o atomun uyarılmış düzeylerine de geçiş yapabilmekte ve bu durumu da gamma ışını yayarak halletmektedirler. Yukarıdaki örneği tekrar göz önüne aldığımızda, Alüminyuma dönüşen Magnezyum izotopu, Alüminyumun iki uyarılmış seviyesinden birine bozunabilir ve bunlardan temel seviyeye inmek için de farklı enerji, yani frekanslarda bir veya iki gamma ışınımı yayabilirler. Gamma ışınları, bir metrelik diğer radyoaktif ışınlara karşı en iyi koruma sağlayan kurşun bloktan bile geçerek zararlı olabilmektedirler. Bu nedenle, daha kalın kurşun bloklar kullanılır. Sonuç olarak radyoaktif ışınlar içinde, canlılar için en tehlikeli olanı bu elektromanyetik yapıdaki gamma ışınlarıdır. Böylece, insan (canlı) vücudunun içlerine kadar nüfuz ederek atomik bağları (molekülleri) parçalayarak, diğerleri gibi onları iyonize edip vücut biyokimyasını bozar ve daha kötüsü hücre ölümlerine yani kansere neden olurlar.  İç dönüşüm olarak bilinen bir başka gamma bozunması da, uyarılmış haldeki bir çekirdeğin, gamma bozunumuyla enerjisini yörüngelerdeki (e’) ‘dan birine vererek temel duruma dönmesi olayıdır. Böylece uyarılan (e’), foto elektrik etki oluşturarak (e’)’ nu atomdan uzaklaştırır (fırlatır) ve atom iyonize olur. Gamma ve onun kadar tehlikeli olan X- ışınlarına karşı en iyi yalıtım, bu ışınların yoğunluğuna göre belli hacim ve kütledeki kurşun bloklarıdır. Atomun parçalanması (fisyon) sonucu (ki biraz sonra göreceğiz) açığa çıkan nötronlar için en iyi engelleyici de, içinde hidrojen atomu bol bulunan ağır su (ki bu, hidrojen atomunun izotopu olan döteryumdan oluşmuş sudur) ya da demirle güçlendirilmiş kalın beton bloklarıdır. Bunların yanında çekirdekte, bir de ters beta bozunumu vardır ki şimdi de onu görelim.

Ters Beta Bozunması (pozitron yayınımı): Bir (n), (p)’ dan daha kütleli olduğundan beta bozunmasıyla bir p ‘na (ve bir (e’) ile nötrünoya) dönüşürken bir (p), normal şartlarda dönüşmez. Ama çekirdek içinde ters beta bozunumu sonucu yani, pozitron salınımı ile bu gerçekleşebilmektedir. Yani bir (p)’da, aynı anda 3 parçacığa yani, bir (n)’ a, bir pozitrona (ki, artı yüklü elektrondur ya da anti-elektrondur), bir anti nötrünoya dönüşerek, nötron çekirdek içinde kalırken, pozitron ile anti nötrüno çekirdek dışına çıkarlar. Böylece, o maddedeki çekirdeklerden, bu iki taneciğin, dışa akımı oluşur. Ancak yayınlanan pozitronun, bir başka deyişle anti elektronun ömrü, saniyenin yüzlerce, binlerce katı altındaki bir sürede olup çekirdek ya da atom dışında hemen bir (e’)’ la eşleşerek gamma ışınlarına dönüşür. Yine bu bozunumda atomun Kütle numarası değişmezken, bu sefer (p) sayısı, yani Atom numarası, bir azalır.

Bunun yanında, çekirdekte (p) bozunmasının bir diğer şekli de, (e’) yakalanmasıdır. Şimdi, bir (p) bozunumu denklemini göz önüne alırsak, denklemde pozitronun yani artı yüklü elektronu, eşitliğin öbür tarafına yani (p)’ nun yanına atarsak ve bu eşitlik yer değiştirmesinde yük tersine döneceğinden bunun anlamı, bir (p)’ nun bir (e’) yakalaması halinde, bir (n) ile anti-nötrünoya dönüşür demektir. Çekirdekteki bu iki farklı (p) bozunumu birbirleriyle yarışmaktadır. Ancak, ağır atomlarda, (e’) yakalaması daha çok gerçekleşir. Çünkü çekirdek büyük olduğundan etkileşim olarak 1. yörüngedeki (e’) çekirdeğe çok yakın durumdadır. Bu yüzden bir (e’) yakalamak daha kolaydır. Sonuçta bir (p), bir (e’) ile birleşerek bir pozitron ve bir anti nötrünoya dönüşür. Bir (p) yörünge bir (e’) çekince o boş kalan yörünge daha üst yörüngedeki (e’)’larca doldurulur. Bu yörüngeler arası geçişte enerji farkı dışarı foton yayınımına neden olur ve bu da X ışını şeklinde dışarı çıkar. Böylece radyoaktif bu bozunma ile atomlardan bir de X ışın yayınımı oluşabilmektedir. Bu kararsız çekirdekte oluşabilen bir başka reaksiyon türü de yine bu eşitlikten bulunabilir. O da, eşitlikteki nötrünoyu, (p)’ nun yanına almakla olur. Eşitliğin öbür tarafına geçen anti nötrüno, nötrünoya dönüşerek bir nötron ile bir pozitron açığa çıkar. Aynı şekilde, bir (n) bozunumunu göz önüne alırsak, bir (n), (eşitliğin öbür tarafına geçerek değişen) bir anti- nötrüno yakalayarak,  bir (p) ile bir (e’)’ na dönüşür. Ve o maddeden de beta ışın akımı oluşur. Ama bu nötrüno ya da anti-nötrüno yakalayarak reaksiyonların olma olasılıkları çok çok düşüktür. Çünkü nötrünoların hayalet yani çok çok latif parçacıklar olması nedeniyle, maddeyle yani atomun çekirdekleriyle etkileşime giremezler. Temel radyoaktif serileri dediğimiz, dört temel bozunma şekli vardır. Bunlar, (Uranyum) U (238-92), (Thoryum) Th (232-90), (Actinyum) Ac (235-89) ve (Neptünyum) Np (237-93) dür. Bunlardan ilk üçü sırasıyla çeşitli atomlara dönüşerek kurşunun kararlı izotopunda (ki izotopların bazıları kararlıdır) son bulurken, dördüncüsü suni radyoaktif olup (Bizmut) Bi 209-83 ‘te son bulur. Bu dört elementin yarılanma ömrü de milyon, milyar yıl düzeyindedir. Termonükleer reaksiyonlar ise iki türlüdür, fisyon ve füzyon olarak.

Fizyon: atom çekirdeğinin parçalanması demektir. Bu parçalanma esnasında da çok yüksek düzeyde enerji açığa çıkar. Mesela, 6-8 gramlık bir uranyumun enerjisi, dev bir yolcu gemisinin birkaç yıl boyunca harcayacağı tüm enerjisini karşılayacak düzeydedir. Bunun nedeni ise, parçalanmayla oluşan atom çekirdeklerinin kütlelerinin toplamının, parçalanma öncesindeki atomun kütlesinden daha küçük olmasıdır. Bu kütle farkı Einstein’ ın ünlü formülü uyarınca enerjiye, üstelik çoğu da yayınlanan parçacıkların kinetik enerjisine harcanmak üzere, (n), (e’) (beta ışınları), nötrüno ile gamma ışınlarına dönüşür. Ayrıca nötrüno hariç diğer tanecikler, havadaki ya da çarpıştığı nesnenin atomlarıyla etkileşerek ve onların birbirleriyle çarpışmasını, salınımlarını artırarak enerjilerinin büyük bir çoğunluğunu ısı enerjisine dönüştürmüş olurlar. Zaten radyoaktif maddelerin ısı oluşturması, bu şekildedir. Kısacası, fisyon parçalanmasında enerjinin çoğu, ısıya dönüşür diyebiliriz. Parçalanan atomlar ise, eşit şekilde değil, farklı büyüklüklerde, farklı (p) ve (n) sayılarına sahip farklı atomlara ayrılırlar. Bu reaksiyonlar da, saniyenin milyon kere milyarda biri kadar kısa sürelerde oluşur. Çekirdek parçalanmasıyla meydana gelen farklı radyoaktif atomlar da kendisine özgü termonükleer reaksiyonla (ki çoğunlukla, beta ve gamma ışınlarıyla) kararlı atomlara dönüşürler. Bununla ilgili örneği de bir önceki yazımızda Uranyumun parçalanması örneğinde vermiştik.

Bu atomları parçalamak için önceleri artı yüklü (p), yani hidrojen çekirdeği düşünülüyordu. Ancak, çekirdekte de var olan artı yükün oluşturacağı itimi, etkileşimi aşmak için, taneciği normalden çok daha fazla bir enerjiyle göndermek gerekiyordu. Bu yüzden yüksüz olan (n) taneciğini kullanmak daha uygundu. Fakat yine de sadece bir (p)’ nu olan hidrojen çekirdeğiyle yada alfa, beta, gamma ışınlarıyla ve hatta başka daha büyük atom numaralı atomlarla da çekirdekleri uyarmak mümkündür. Bir (n) bombardımanında çekirdeğin içine giren (n), o atomu, izotopuna dönüştürürken, bir (p), yani hidrojen çekirdeğiyle olan bombardımanda da o atomun (p.s) artmakta ve bir üst atoma dönüşmekte idi. Ve sonra, bu birleşik çekirdek de tekrar bozunuma uğrayarak çekirdeğin yapısına göre ya parçalanmakta ya da radyoaktif ışınlar saçarak kararlı duruma geçmekteydi. Mesela bir Li (7-3) atomu bir (p) ile etkileştiğinde (p) çekirdek içine girerek kararsız Be (8-4)’ e dönüşür bu da iki tane He (4-2) çekirdeğine bölünür. Aynı şekilde bir Uranyum (238-92) atomuna, bir (n) bombardımanı yapıldığında bu atom, U (239-92) izotopuna dönüşür. Çekirdekteki fazla (n) da (p)’ na dönüşerek dışarıya beta ışını ve nötrüno yayınlar ve sonuçta Neptünyuma (239-93) buda yine bir beta ışını salarak Plutonyuma (239-94) dönüşür (2). Yada bu (n), daha yüksek hızdaysa bu çekirdeği parçalar. Bu reaksiyonlar atmosferde de oluşmaktadır. Güneşten ya da uzayın derinliklerinden gelen (p), (n), gamma ışını...vb ağırlıklı kozmik ışınlar, üst atmosferde önüne gelen atomlarla çarpışıp onları parçalayarak yada çekirdeği uyararak radyoaktif ışınların oluşmasını sağlarlar.

Bunu belirttikten sonra, yapılan bombardımanla, atom çekirdekleriyle etkileşime giren tek bir (n), zincirleme fisyon reaksiyonunu başlatır. Çünkü çekirdek içine giren bir (n), zaten huzursuz olan çekirdeğin huzursuzluğunu iyice artırarak çekirdeğin parçalanmasını sağlar. Düşük enerjili (n)’ ların çekirdeğe çarptığında ise çekirdek ezilir, büzülür, titreşir ama bölünme sağlayamaz. Bunun için daha yüksek enerjili gönderilmesi gerekir. Ayrıca reaksiyon başlayabilmesi için, çarpışma sonucu en az iki (n) çıkmalıdır. Tek bir (n) çekirdekten çıkarsa reaksiyon oluşmaz. Yani, madde içinde az sayıda (n) açığa çıkarsa, reaksiyon yavaş olur ve kısa süre içinde durur. Böylece bir (n), bir çekirdeğe çarptığında (içine girdiğinde) o çekirdeği ikiye parçalar, bu sırada iki veya üç tane de (n) ile nötrüno ve gamma ışınları açığa çıkar, bu (n)’ lar da diğer komşu çekirdeklerle etkileşir ve zincirleme oluşan bu reaksiyonla diğerlerini parçalar. Eğer bir çekirdekten çıkan iki veya üç tane (n)’ nun her biri, bir çekirdekle çarpışırsa, sabit hızla artan reaksiyon oluşur ve gelişir. Fisyon sayısı bu şekilde ya da çok daha kısa süre içinde artan bir hızla olursa, bu kontrolsüz reaksiyon, atom bombasına neden olur. Santrallerde özel yöntemlerle bu bozunma uzun zamana yayıldığından, yani bu süreç yavaş gerçekleştiğinden herhangi bir patlama oluşmaz. Bu patlamanın olup olmaması durumu ise, o radyoaktif maddenin kütlesiyle de orantılıdır. Buna kritik kütle denir. Kritik kütlenin altında reaksiyon olmaz. Kritik kütlenin üstünde reaksiyon oluşur. Çünkü maddenin belirli bir hacimdeki kütlesi az olunca, açığa çıkan (n) ların çoğu yüksek hızlarla kütle dışına çıkacağından yeterli sayıda olmayan (n) la reaksiyon oluşmayacaktır. Oysa bu kütle, kritik kütlenin üstündeyse (n) dışarı çıkana kadar daha fazla çekirdekle karşılaşacağından (içine gireceğinden) bunlar, reaksiyonu oluştururlar. Mesela belli bir hacimdeki 20 cm’ lik bir (Uranyum) U-235 çubuğunda patlama olmazken, 40 cm’ lik bu aynı çubukta patlama gerçekleşir. Bu nedenle kontrollü yani, yavaş reaksiyon oluşturmak için, kritik kütleye yakın madde kullanılarak fisyon ortamının çevresi yani, bugün santrallerde kullanıldığı gibi, nükleer madde içeren ve dört, beş yıl kullanılabilen çok sayıdaki ince çubuk, belli bir aralık ve geometrik düzenle, normal su, ağır su, organik sıvı, grafit veya berilyumdan biri ile sarılması ya da bu maddelerden oluşan ortam içine sokulması gerekir. Çünkü, yüksek hızla açığa çıkan (n)’ lar, eğer kullanılıyorsa bu ağır suda yavaşlatılarak reaksiyona girmesi sağlanır. Bu arada havuzda biriken fazla sayıdaki (n)’ lar ise, yine havuz içine sokulabilen hareketli Kadmiyum ya da Bor’ dan yapılmış ayrı çubuklarca emilerek ortam rahatlatılır ve sonuçta sadece bir (n)’ nun diğer çekirdekle çarpışması sağlanır. Aksi taktirde sadece radyoaktif çubuklar, burada uzun süre tutulursa reaksiyon artan bir hıza ulaşacağından patlama gerçekleşir. Reaksiyon sonucu ısınan çubuklar aynı zamanda, içinde bulunduğu sıvıyı da ısıtır. Hem o ortamın soğutulması, hem de buhar elde etmek için, ayrı bir sistemle hazırlanmış soğuk su ortamından geçirilmek üzere bu sıcak su, devri daim yaptırılır. Açığa çıkan buhar ise bir türbini çevirerek elektrik üretir. Yani, nükleer enerji, önce termal enerjiye, sonra da mekanik enerjiye ve buradan da en son elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur (3). Eğer bunlardan biri devre dışı kalırsa, zincirleme olarak tüm sistemi bozacağından kaza kaçınılmaz olur. Çernobil’de olan da buydu. Güvenlik sisteminin devre dışı kalması sonucu su, aşırı ısınmış ve açığa çıkan buhar sıkışarak büyük bir basınçla çatının çökmesine (ki, patlama dedikleri budur, nükleer bir patlama değil. Biz buna güçlü bir sızma diyebiliriz) ve yüksek sıcaklık nedeniyle gaz (diğer bir kısmı da sıvı) halinde  olan yine radyoaktif artık ürünlerin havaya karışmasına, büyük bir çevreye yayılmasına neden olmuştur. Bunun miktarı, atom bombasında yayılanın 200 katıdır. Özetle, bir radyoaktif maddede reaksiyon başlayabilmesi için, hem çekirdek parçalanmasında birden fazla (n) çıkmalı hem de o maddenin kütlesi (elementten elemente göre değişen) belli bir kritik sınırı aşması gerekmektedir. Santrallerde U-233, U-238, U-235, Plütonyum-239, Thorium-232 kullanılmaktadır. Örneğin Hiroşima’ya atılan atom bombasında U-235, Nagazaki’ye atılanda ise, Pu-239 kullanılmıştır. Plütonyumun (Pu) yok etme gücü, Uranyumdan çok daha fazladır. Bu durum, diğer atomlarda da vardır. Mesela Polonyum (Po 210-84), Uranyumdan dört yüz, Radyum (226-88) den ise, bir milyon kez daha şiddetli ışın yayarlar. Atom bombasının yapılma şekli ise merkeze (n) kaynağı olarak Radon ya da Berilyum maddesi yerleştirilir. Belli bir aralıkta ise Uranyum ya da Plütonyum çubukları konur. Bunların etrafı, (kimyasal reaksiyon sonucu açığa çıkan yüksek enerji dolayısıyla) çok güçlü patlayıcı olan TNT ile kaplanır. Uçaktan bırakılıp yere düştüğü anda ya da yer altında ise önce TNT patlar ve bu patlama Uranyum ya da Plütonyum çubuklarını merkeze iter ve orada kısa sürede artan bir hızla nükleer reaksiyon oluşturur. Açığa çıkan enerji de ısı, ışık, şok (basınç) dalgasına dönüşerek patlama şeklinde etrafa yayılır.

Uranyum elementi Uranyum-238 ve U- 235 olmak üzere iki önemli cinse sahiptir. Doğada, birincisi, ikincisinden 400 kat daha fazla sayıda bulunmaktadır. Bu iki atom cinsi bir arada bulunup U-235, bu halde suskundur. Sadece normal reaksiyona sahiptir. Ama U-238’ den ayırdığımızda, ayrı bir deyişle saflaştırdığımızda, diğer çekirdeklerdeki gibi dışarıdan özel olarak taneciklerle bombardıman yapmaksızın kendi kendine doğal olarak parçalanarak çeşitli radyoaktif atomlara bölünebilmektedir (ya da çok düşük enerjili (n)’ larla hemen kolayca bozunur) ve parçalanmayla açığa çıkan farklı atomlar da, önce de belirttiğimiz gibi belli bir süre boyunca tanecik ve gamma ışınları yayarlar. Bu doğal özelliğiyle U-235, tabiatta tektir. U-238’ in yarı ömrü 4,5 yıl olduğundan dünya var oldu olalı U-238 miktarı yarı yarıya inmiştir. Kurşun elementinde karar kıldığında ise, dünyadaki kurşun miktarı oldukça artmış olacaktır. Bugün dünya kabuğunun her bir km karesinde yaklaşık 7,8 ton Uranyum, 11, 6 ton Toryum elementi mevcuttur. Ancak doğal radyasyon, her yerde aynı oranda bulunmaz. Radyoaktif atomların belli bölgelerde daha fazla yoğunlaşmaları yüzünden, bu ortamlarda daha güçlü radyasyon yayını mevcuttur. Dolayısıyla hükümet yetkilileri gerçekte bu bölgeleri bir, bir tespit edip haritalandırması ve tehlike arz eden bölgeleri kapatması gereklidir. Bundan iki milyon yıl önce ise, radyasyon oranı günümüze kıyasla binde bir oranla daha fazlaydı. Bu radyasyon bazı canlıların moleküler yapısında mutasyona sebep olmuş ve sonucunda bazı türler, doğal seleksiyonla yeni ortama adapte olamayıp yok olurken kimileri ise, aynı kaderi paylaştığı insanlarla beraber, yaşamaya devam etmiştir. Bu yüzden radyasyon, tüm canlıların evrim sürecinde oldukça önemlidir.

(Kaynakça: Madde Ve Enerji (İst. Ünv. Yayınları)- Prf. Ali Rıza Berkem / Atom Ve Çekirdek Fiziği (Newcastle Ünv.)– T. A. Littlefield ve N. Thorley /Çağdaş Fiziğin Kavramları- Arthur Beiser / Radyasyon Ve Miniklerin Evreni – Dr. Haluk Nurbaki / Modern Fiziğe Giriş – Prof. Dr. Erol Gündüz / Tubitak Bilim Ve Teknik Dergisi – Şubat 87/ Aralık 2003 / İstanbul Ünv. Atom Ve Çekirdek Fiziği Ders Notları)

http://www.redcientifica.com/doc/doc200210070311.html

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/fisioncadena.jpg

http://www.denizaltici.com/images/DH-2.NUC.Fission%20şemasi.JPG

http://www.ekimya.com/article.php?artid=9&action=part3

(1)  a)    ₃₇⁹⁰Rb    ---->   ₃₈⁹⁰Sr   +   _-1⁰e         t_1/2  = 2.8 dak

 b)    ₃₈⁹⁰Sr    ---->   ₃₉⁹⁰Y   +   _-1⁰e           t_1/2  =  29 gün

 c)    ₃₉⁹⁰Y    ---->   ₄₀⁹⁰Zr  +   _-1⁰e             t_1/2  =  64 saat

(2)  a)  ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₇⁹⁰Rb   +   ₅₅¹⁴⁴Cs    +   2  ( ₀¹n).

           b)   ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₅⁸⁷Br    +   ₅₇¹⁴⁶La     +   3  ( ₀¹n ).

           c)   ₀¹n   +  ₉₂²³⁵U   ---->   ₃₀⁷²Zn   +   ₆₂¹⁶⁰Sm    +   4  ( ₀¹n).

             d)    ₀¹n   +   ₉₂²³⁵U   ---->  ₃₆⁹¹Kr  +  ₅₆¹⁴²Ba  +  3 (₀¹n)

(3)  http://www.taek.gov.tr/ogrenci/bolum2_01.html