Çekirdek Kimyası

NuclearChemistry

Çekirdek Kimyası

Chemistry, The Central Science, 10th editionTheodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.; and Bruce E. Bursten

Levent ÇAVAŞDokuz Eylül ÜniversitesiFen Edebiyat Fakültesi

Kimya Bölümü2009-İzmir

NuclearChemistry

Çekirdek Kimyası - Tarihçe

• Bu modüle kadar olan tepkimelerde “elektronlar” etkindi.

• Bazı reaksiyonlar ise doğrudan atom çekirdeği ile ilintilidir

• 1895’te Wilhelm Rontgen X-ışınlarını keşfetmesi (fotograf plağı üzerindeki lekeler)

• 1896 Henry Becquerel bazı tuzların (Uranyum sülfat) fotoğraf plakları üzerinde lekeler oluşturabileceğini gördü.

• Marie-Pierre Curie radyoaktif elementler keşfedildi• Ernest Rutherford, radyoaktif elementlerden yayılan

ışınları tanımladı.

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

Çekirdek

• Çekirdek proton ve nötronlardan oluşmaktadır.

• Proton sayısı atom numarasına eşittir. • Proton ve nötron sayısı toplamı ilgili atoma ait

kütle numarasını verir

NuclearChemistry

Biraz matematik

Çekirdek yarıçapları (r) kütle numarasının küp kökü ile doğru orantılıdır.

r=(1.3x10-13) A1/3

Kürenin hacmi = 4/3 r3

Atom çekirdeklerinin ortalama yoğunluğu:

2.44x1014 g/cm3

Yani bir cm3 lük çekirdeği olsaydı, bunun ağırlığı 250 milyon ton olacaktı!

NuclearChemistry

İzotoplar

• Aynı elementin tüm atomları aynı kütle numarasına nötron sayısındaki farklılıklardan ötürü sahip olmayabilir.

• Uranyum’un doğal oluşmuş izotopları:Uranium-234Uranium-235Uranium-238

NuclearChemistry

Radyoaktivite

• Bazı çekirdekler kararsız olup radyoaktif özellik gösterirler.

• Bu özellikteki çekirdeklere radyoaktif çekirdekler ismi verilir.

• Radyoaktif çekirdeklerin farklı radyoaktif çekirdeklere bozunmasında birçok yollar bulunmaktadır.

NuclearChemistry

Radyoaktif bozunma tipleri

NuclearChemistry

Alfa bozunması:

Bir -partikül kaybı (bir helyum çekirdeği)

He42

U23892

U23490 He4

2+

NuclearChemistry

Beta Bozunması:

Bir -partikülün kaybı (bir yüksek enerjili elektron)

0−1 e0

−1yada

I13153 Xe131

54 + e0

−1

NuclearChemistry

Pozitron yayımlanması:

Bir pozitron kaybı (elektronla aynı kütleye sahip zıt işaretli partikül)

e01

C116

B115 + e0

1

NuclearChemistry

Gamma Yayımlaması:

bir -ray kaybı (yüksek enerjili radyasyon, her zaman nükleer partikül kaybı ile sonuçlanır)

00

NuclearChemistry

Elektron yakalama (K-Capture)

Çekirdekteki bir protona bir elektronun katılmasıBu işlemin sonucu olarak, proton nötrona

dönüşür.

p11 + e0

−1 n1

0

NuclearChemistry

Nötron-Proton Oranları

• Birden fazla protona sahip elementlerin çekirdeklerinde protonlar arasında bir itme kuvveti oluşmaktadır.

• Güçlü bir çekirdek kuvveti çekirdeğin dağılmasını önlemektedir.

NuclearChemistry


• Nötronlar çekirdeğin stabilizasyonunda önemli roller oynarlar.

• Dolayısıyla, nötron-proton oranları önemli bir faktördür.

NuclearChemistry


Küçük çekirdekler için(Z 20), kararlı çekirdeklerin nötron-proton oranları 1:1’e yakın olmalıdır.

NuclearChemistry


Bir çekirdek büyümek için, büyük sayıda nötron almak ister, çekirdeğini kararlı tutabilmek için

NuclearChemistry

Kararlı çekirdek

Şekildeki gölgeli bölge kararlılık kuşağını göstermektedir.

NuclearChemistry

Kararlı çekirdekler

• Bu kuşağın üzerindeki çekirdekler oldukça çok sayıda nötron içerirler.

• Bu bölgedeki atomlar beta partikülleri yayımlama şekliyle bozunma eğilimindedirler.

NuclearChemistry

Kararlı çekirdekler

• Bu kuşağın altında kalan bölgedeki çekirdekler çok sayıda proton içerirler.

• Bu bölgedekiler daha çok kararlı kalmak için pozitron emisyonu veya elektron yakalama ilgilisindedirler.

NuclearChemistry

Kararlı Çekirdekler

• 83 atom numarasının üzerinde kararlı çekirdek bulunmamaktadır.

• Bu tür çekirdekler alfa emisyonuna uğrama isteğindedirler.

NuclearChemistry

Radyoaktif Seriler

• Büyük radyoaktif çekirdekler sadece bir bozunma geçirerek stabil hale gelmezler.

• Bu tür çekirdekler kararlı bir çekirdek formuna ulaşıncaya kadar bozunma serileri geçirirler (often a nuclide of lead).

NuclearChemistry

Bazı Trendler

2, 8, 20, 28, 50 ya da 82 proton ya da 2, 8, 20, 28, 50 ya da 82 nötrondan oluşmuş çekirdekler farklı sayıda proton ve nötronlardan oluşmuş çekirdeklere kıyasla daha kararlı olma eğilimindedirler.

NuclearChemistry

Bazı Trendler

Çift sayılı proton ve nötrondan oluşmuş çekirdekler tek sayılı proton ve nötrondan oluşmuş çekirdeklere kıyasla daha kararlıdırlar.

NuclearChemistry

Çekirdek Transformasyonları

Çekirdek transformasyonları bir partikülün hızlandırılarak bir çekirdekle çarpıştırılmaları ile sağlanabilir.

NuclearChemistry

Partikül Hızlandırıcıları

Partikül hızlandırıcıları oldukça büyük yapılar olup dairesel şekildedirler. Bu hızlandırıcıların çapları millerce uzunlukta olabilir.

NuclearChemistry

NuclearChemistry

Radyoaktif Bozunmanın Kinetiği

• Çekirdek transmutasyonları birinci mertebe kinetiğine uyar.

• Bu tarz bir kinetik aşağıdaki denklemlerle ifade edilebilir:

= -kt Nt

N0

ln

NuclearChemistry

Radyoaktif Bozunma Kinetiği

[N] = [N]0exp(-t) ln[N] = ln[N]0 - t

[N]

ln [

N]

23.3

NuclearChemistry


• Böyle bir prosesin yarılanma ömrü:

= t1/2 0.693

k

• Belirli bir zamanda verilen radyoaktif çekirdeğe ait miktardan yola çıkılarak bir objenin yaşı hesaplanabilir.

NuclearChemistry

Radyoaktivite Ölçümü

• Radyoaktif bir örnekteki aktivite Geiger Sayacı ile ölçülebilir.

• İyonize radyasyon iyonlar olluşturur, bu bir akıma dönüşür ve bu akım da Geiger cihazı ile ölçülür.

NuclearChemistry

Radyoaktif Bozunma

Arkeolojik bir çalışma sırasında bulunan bir ahşap numune radyokarbon testine tabi edilir. Örneğin aktivitesi dakikada 11.6 bozunma olarak bulunur. Canlı bir örneğin bozunması ise 15.2 bozunma/dakika ise bu arkeolojik örneğin yaşı nedir? 14C için yarılanma ömrü 5715 yıldır.

NuclearChemistry


First we need to determine the rate constant, k, for the process.

= t1/2 0.693

k

= 5715 yr 0.693

k

= k 0.693

5715 yr

= k 1.21 10−4 yr−1

NuclearChemistry

Kinetics of Radioactive Decay

Now we can determine t:

= - kt Nt

N0

ln

= -(1.21 10−4 yr−1) t 11.615.2

ln

= -(1.21 10−4 yr−1) t ln 0.763

= t 2234 yr

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

Nükleer Reaksiyonlardaki Enerji

• Çekirdeklerde oldukça yüksek miktarlarda enerji depolanmıştır.

• Einstein’in ünlü denklemine göre, E = mc2, Enerji doğrudan madde miktarı ile ilintilidir. Başka bir deyişle madde enerjinin yoğunlaşmış halidir.

NuclearChemistry


• Daha önce tartışılan kimyasal reaksiyonlarda ortaya çıkan enerji oldukça küçüktür.

• Bununla birlikte, nükleer reaksiyonlarda ortaya çıkan enerji kimyasal reaksiyonlarda ortaya çıkan enerjiden binlerce kat daha yüksektir.

NuclearChemistry


1 mol uranyum-238 bozunması için kütle kaybı 0.0046 g dır. Enerji değişimini hesaplayınız.

E = (m) c2

E = (4.6 10−6 kg)(3.00 108 m/s)2

E = 4.1 1011 J

NuclearChemistry

Nükleer Fisyon

• Bir dokunuş nasıl enerjiye dönüşür?• Nükleer fisyon nükleer reaktörlerde

gerçekleşmektedir.

NuclearChemistry

Nuclear Fission

23.5

235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energy92 54380 0

Energy = [mass 235U + mass n – (mass 90Sr + mass 143Xe + 3 x mass n )] x c2

Energy = 3.3 x 10-11J per 235U

= 2.0 x 1013 J per mole 235U

Combustion of 1 ton of coal = 5 x 107 J

NuclearChemistry

Nükleer Fisyon

• Radyoaktif bir çekirdeğin nötronla bombardımanı prosesi başlatır.

• Transmutasyon reaksiyonları sonucu ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklere saldırır, onlarında bozunmasına neden olur ve daha fazla nötron oluşmasına neden olur.

NuclearChemistry

Nükleer Fisyon

Bu proses nükleer zincir reaksiyonu olarak isimlendirilir.

NuclearChemistry

Nükleer Fisyon

Ortaya çıkan nötronların çevresinde yeterli radyoaktif çekirdek yoksa zincir reaksiyonları sonlanacaktır.

NuclearChemistry

Nükleer fisyon

Dolayısıyla, nükleer fisyonda sürdürülebilir zincir reaksiyonu olabilmesi için ortamda belirli bir düzeyde fisyon yapabilecek düzeyde materyal bulunması gerekmektedir: Buna kiritik kütle denir.

NuclearChemistry

Nükleer Reaktörler

Nükleer reaktörlerde elde edilen ısı buhar elde etmek için kullanılır. Buhar türbinlerin dönmesine yardımcı olarak elektrik enerjisi elde edilir.

NuclearChemistry

Nükleer Reaktörler

• Reaksiyon kontrol çubukları ile kontrol edilir.

• Bu çubuklar bazı nötronları bloke ederek tehlikeli süper kritik noktanın aşılmasını önler.

NuclearChemistry

Annual Waste Production

23.5

35,000 tons SO2

4.5 x 106 tons CO2

1,000 MW coal-firedpower plant

3.5 x 106

ft3 ash

1,000 MW nuclearpower plant

70 ft3 vitrified waste

Nuclear Fission

NuclearChemistry

Nükleer Füzyon

• Füzyon enerji elde etmekte öncül metotlardan birisi olabilir. İyi haber: reaksiyon ürünleri

radyoaktif değil.Kötü haber: füzyon

reaksiyonları için yüksek sıcaklık değerlerine ulaşılması gerekmektedir. Materyaller birkaç milyon kelvin sıcaklık değerinde olmalıdır.

NuclearChemistry

23.6

Nuclear Fusion

2H + 2H 3H + 1H1 1 1 1

Fusion Reaction Energy Released

2H + 3H 4He + 1n1 1 2 0

6Li + 2H 2 4He3 1 2

6.3 x 10-13 J

2.8 x 10-12 J

3.6 x 10-12 J

Tokamak magnetic plasma

confinement

NuclearChemistry

Nükleer Füsyon

• Tokamak apparatı bu tip reaksiyonlarının gerçekleştiği ortamdır.

• Materyalin ısıtılması için manyetik alan kullanılır.

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

NuclearChemistry

Nuclear Medicine: Nuclear Medicine: ImagingImaging

Thyroid imaging using Tc-99mThyroid imaging using Tc-99m

NuclearChemistry

Chemistry In Action: Food Irradiation

Dosage Effect

Up to 100 kiloradInhibits sprouting of potatoes, onions, garlics. Inactivates trichinae in pork. Kills or prevents insects from reproducing in grains, fruits, and vegetables.

100 – 1000 kilorads Delays spoilage of meat poultry and fish. Reduces salmonella. Extends shelf life of some fruit.

1000 to 10,000 kiloradsSterilizes meat, poultry and fish. Kills insects and microorganisms in spices and seasoning.

Documents

Çekirdek Kimyası