Bozunma zinciri

Nükleer bilimde bozunma zinciri, farklı radyoaktif bozunma ürünlerinin bir dizi radyoaktif bozulmasını, sıralı bir dönüşüm dizisi olarak ifade eder. Aynı zamanda "radyoaktif kademe" olarak da bilinir. Çoğu radyoizotop, doğrudan kararlı bir duruma bozulmaz, bunun yerine kararlı bir izotop ulaşılana kadar bir dizi bozunmaya uğrar.

Bozunma aşamaları, önceki veya sonraki aşamalarla olan ilişkileri ile belirtilir. Bir ana izotop, bir yavru izotop oluşturmak için bozunmaya uğrayan bir izotoptur. Bunun bir örneği uranyumdur (atom numarası 92) toryuma (atom numarası 90) bozunmaktadır. Kızı izotopu kararlı olabilir veya kendi başına bir yavru izotop oluşturmak için bozunabilir. Kızın izotopunun kızına bazen torun izotopu denir.

Tek bir ana atomun, yavru izotopunun bir atomuna bozunması için geçen süre, yalnızca farklı ebeveyn-kız çiftleri arasında değil, aynı zamanda ana ve kız izotoplarının özdeş çiftleri arasında da büyük ölçüde değişebilir. Her bir atomun bozunması kendiliğinden meydana gelir ve t zamanındaki aynı atomların ilk popülasyonunun bozulması, bozunan bir üstel dağılımı takip eder, e^−λt, burada λ'ya bozunma sabiti denir. Bir izotopun özelliklerinden biri, yarılanma ömrüdür, yani başlangıçtaki özdeş ana radyoizotop sayısının yarısının kızlarına bozunduğu zamandır ki bu, λ ile ters orantılıdır. Yarı ömürler, birçok radyoizotop (veya radyonüklidler) için laboratuvarlarda belirlenmiştir. Bunlar neredeyse anlık (10⁻²¹ saniyeden az) ila 10¹⁹ yıldan fazla olabilir.

Ara aşamaların her biri, orijinal radyoizotopla aynı miktarda radyoaktivite yayar (yani, ardışık aşamalardaki bozulma sayıları arasında bire bir ilişki vardır), ancak her aşama farklı bir miktarda enerji açığa çıkarır. Denge sağlanırsa ve sağlandığında, birbirini izleyen her yavru izotop, yarı ömrü ile doğru orantılı olarak mevcuttur; ancak aktivitesi, yarı ömrü ile ters orantılı olduğundan, bozunma zincirindeki her çekirdek, aynı enerji olmasa da, zincirin başı kadar çok sayıda bireysel dönüşüme katkıda bulunur. Örneğin, uranyum-238 zayıf bir şekilde radyoaktiftir, ancak bir uranyum cevheri olan pitchblend, içerdiği radyum ve diğer yavru izotoplar nedeniyle saf uranyum metalinden 13 kat daha fazla radyoaktiftir. Kararsız radyum izotopları önemli radyoaktivite yayıcıları olmakla kalmaz, aynı zamanda bozunma zincirinin bir sonraki aşaması olarak, ağır, inert, doğal olarak oluşan radyoaktif bir gaz olan radon üretirler. Toryum veya uranyum içeren kaya (bazı granitler gibi), bodrum katları veya yer altı madenleri gibi kapalı yerlerde birikebilen radon gazı yayar.

Belirli bir zamandaki bozunma zincirlerindeki izotopların miktarı Bateman denklemi ile hesaplanır.

Bozunma türleri

En yaygın dört radyoaktif bozunma modu şunlardır: alfa bozunması, beta bozunması, ters beta bozunması (hem pozitron emisyonu hem de elektron yakalama olarak kabul edilir) ve izomerik geçiş şeklinde sıralanabilir. Bu bozunma süreçlerinden yalnızca alfa bozunması, çekirdeğin atomik kütle numarasını (A) değiştirir ve her zaman dört azaltır. Bu nedenle, hemen hemen her bozulma, atomik kütle numarası aynı kalıntı mod 4'e sahip bir çekirdekle sonuçlanacak ve tüm çekirdekler dört zincire bölünecektir. Olası herhangi bir bozulma zincirinin üyeleri tamamen bu sınıflardan birinden alınmalıdır. Dört zincir de helyum-4 üretir (alfa parçacıkları helyum-4 çekirdekleridir).

Doğada, genellikle toryum serisi, radyum veya uranyum serisi ve bu dört sınıftan üçünü temsil eden ve üç farklı, kararlı kurşun izotopunda biten aktinyum serisi olarak adlandırılan üç ana bozunma zinciri (veya ailesi) gözlenir. Bu zincirlerdeki her izotopun kütle sayısı sırasıyla A = 4n, A = 4n + 2, ve A = 4n + 3, olarak gösterilebilir. Bu üç izotopun uzun ömürlü başlangıç izotopları, sırasıyla toryum-232, uranyum-238 ve uranyum-235, yapay izotopları ve 1940'lardan beri bozunmalarını göz ardı ederek, dünyanın oluşumundan beri var olmuştur.

Başlangıç izotop neptunyum-237'nin (2,14 milyon yıl) nispeten kısa yarı ömrü nedeniyle, dördüncü zincir, A = 4n + 1, olan neptunyum serisi, son hız sınırlama aşaması dışında bizmut-209'un bozunması doğası gereği zaten yok olmuştur. ²³⁷Np'nin izleri ve bozunma ürünleri, uranyum cevherindeki nötron yakalanmasının bir sonucu olarak doğada hala meydana gelmektedir. Bu zincirin son izotopunun artık talyum-205 olduğu bilinmektedir. Bazı eski kaynaklar, son izotopu bizmut-209 olarak verir, ancak son zamanlarda 2.01 × 10¹⁹ yıllık yarılanma ömrü ile çok az radyoaktif olduğu keşfedilmiştir.

Ayrıca hafif elementlerin kararsız izotoplarının, örneğin magnezyum-28 ve klor-39'un transuranik olmayan bozunma zincirleri de vardır. Dünya'da, bu zincirlerin 1945'ten önceki başlangıç izotoplarının çoğu kozmik radyasyon tarafından üretildi. 1945'ten beri, nükleer silahların test edilmesi ve kullanılması çok sayıda radyoaktif fisyon ürünü de piyasaya sürdü. Hemen hemen tüm bu tür izotoplar, atomik kütleyi değiştirmeden bir elementten diğerine değişerek β⁻ veya β⁺ bozunma modları ile bozunur. Kararlılığa daha yakın olan bu sonraki yavru ürünler, nihayet kararlılığa dönüşene kadar genellikle daha uzun yarı ömürlere sahiptir.

Aktinit alfa bozunma zincirleri

Yarı ömre göre aktinitler ve fisyon ürünleri v t e
Bozunma zinciri ile aktinitler				Half-life aralık (a)	Verime göre ²³⁵U fisyon ürünleri
4n	4n+1	4n+2	4n+3		Verime göre ²³⁵U fisyon ürünleri
4n	4n+1	4n+2	4n+3			4.5–7%	0.04–1.25%	<0.001%
²²⁸Ra^№				4–6 a	†		¹⁵⁵Eu^þ
²⁴⁴Cm^ƒ	²⁴¹Pu^ƒ	²⁵⁰Cf	²²⁷Ac^№	10–29 a		⁹⁰Sr	⁸⁵Kr	^113mCd^þ
²³²U^ƒ		²³⁸Pu^ƒ	²⁴³Cm^ƒ	29–97 a		¹³⁷Cs	¹⁵¹Sm^þ	^121mSn
²⁴⁸Bk^[1]	²⁴⁹Cf^ƒ	^242mAm^ƒ		141–351 a	100–210 ka ... yarılanma süresi aralığında Fisyon ürünü yok
	²⁴¹Am^ƒ		²⁵¹Cf^ƒ	430–900 a
		²²⁶Ra^№	²⁴⁷Bk	1.3–1.6 ka
²⁴⁰Pu	²²⁹Th	²⁴⁶Cm^ƒ	²⁴³Am^ƒ	4.7–7.4 ka
	²⁴⁵Cm^ƒ	²⁵⁰Cm		8.3–8.5 ka
			²³⁹Pu^ƒ	24.1 ka
		²³⁰Th^№	²³¹Pa^№	32–76 ka
²³⁶Np^ƒ	²³³U^ƒ	²³⁴U^№		150–250 ka	‡	⁹⁹Tc^₡	¹²⁶Sn
²⁴⁸Cm		²⁴²Pu		327–375 ka			⁷⁹Se^₡
				1.53 Ma		⁹³Zr
	²³⁷Np^ƒ			2.1–6.5 Ma		¹³⁵Cs^₡	¹⁰⁷Pd
²³⁶U			²⁴⁷Cm^ƒ	15–24 Ma			¹²⁹I^₡
²⁴⁴Pu				80 Ma	... 15.7 Ma ötesinde
²³²Th^№		²³⁸U^№	²³⁵U^ƒ№	0.7–14.1 Ga	... 15.7 Ma ötesinde
Üst simge sembolleri için açıklama ₡ 8-50 barns aralığında termal nötron yakalama kesitine sahiptir ƒ bölünebilir m Metastabil izomer № öncelikle doğal olarak oluşan bir radyoaktif malzeme (NORM) þ nötron zehiri (termal nötron yakalama kesiti 3 bin barns daha büyük) † 4–97 a aralığı: Orta ömürlü fisyon ürünü ‡ 200 ka'dan fazla: Uzun ömürlü fisyon ürünü

Aşağıdaki dört tabloda, küçük bozunma dalları (dallanma olasılığı %0.0001'den az) çıkarılmıştır. Enerji salınımı, yayılan tüm parçacıkların (elektronlar, alfa parçacıkları, gama kuanta, nötrinolar, Auger elektronları ve X ışınları) ve geri tepme çekirdeğinin toplam kinetik enerjisini, orijinal çekirdeğin hareketsiz olduğu varsayılarak içerir. 'A' harfi bir yılı temsil eder (Latince annustan).

Aşağıdaki tablolarda (neptunyum hariç), doğal olarak oluşan çekirdeklerin tarihi isimleri de verilmiştir. Bu isimler, bozunma zincirlerinin ilk keşfedildiği ve araştırıldığı sırada kullanıldı. Bu tarihsel isimlerden biri, nuklidin ait olduğu belirli zinciri bulabilir ve onu modern adıyla değiştirebilir.

Aşağıda verilen doğal olarak oluşan üç aktinit alfa bozunma zinciri - toryum, uranyum / radyum (U-238'den) ve aktinyum (U-235'ten) - her biri kendine özgü kurşun izotopu (Pb-208, Pb-206, ve sırasıyla Pb-207) ile biter. Tüm bu izotoplar kararlıdır ve doğada ilkel çekirdekler olarak da bulunurlar, ancak bunların fazla miktarları (sadece ilkel bir kökene sahip olan) kurşun-204 ile karşılaştırıldığında, kayaçların tarihlendirilmesi için uranyum-kurşun tekniğinde kullanılabilir.

Toryum serisi

Th-232'nin 4n zinciri genel olarak "toryum serisi" veya "toryum kaskad" olarak adlandırılır. Doğal olarak oluşan toryum-232 ile başlayan bu seri şu unsurları içerir: aktinyum, bizmut, kurşun, polonyum, radyum, radon ve talyum. Hepsi, metal, bileşik veya mineral olsun, herhangi bir doğal toryum içeren numunede en azından geçici olarak mevcuttur. Seri, kurşun-208 ile sona erer.

Nötrinolara kaybedilen enerji dahil toryum-232'den kurşun-208'e salınan toplam enerji 42.6 MeV'dir.

çekirdek	tarihi ad (kısa)	tarihi isim (uzun)	bozunma modu	yarılanma süresi (a=yıl)	enerji açığa çıkar, MeV	bozunma ürünü
²⁵²Cf			α	2.645 a	6.1181	²⁴⁸Cm
²⁴⁸Cm			α	3.4×10⁵ a	5.162	²⁴⁴Pu
²⁴⁴Pu			α	8×10⁷ a	4.589	²⁴⁰U
²⁴⁰U			β⁻	14.1 h	.39	²⁴⁰Np
²⁴⁰Np			β⁻	1.032 h	2.2	²⁴⁰Pu
²⁴⁰Pu			α	6561 a	5.1683	²³⁶U
²³⁶U		ThorUranyum^[2]	α	2.3×10⁷ a	4.494	²³²Th
²³²Th	Th	Toryum	α	1.405×10¹⁰ a	4.081	²²⁸Ra
²²⁸Ra	MsTh₁	MesoToryum 1	β⁻	5.75 a	0.046	²²⁸Ac
²²⁸Ac	MsTh₂	MesoToryum 2	β⁻	6.25 h	2.124	²²⁸Th
²²⁸Th	RdTh	RadioToryum	α	1.9116 a	5.520	²²⁴Ra
²²⁴Ra	ThX	Toryum X	α	3.6319 d	5.789	²²⁰Rn
²²⁰Rn	Tn	Thoron, Toryum olarak bilinen	α	55.6 s	6.404	²¹⁶Po
²¹⁶Po	ThA	Toryum A	α	0.145 s	6.906	²¹²Pb
²¹²Pb	ThB	Toryum B	β⁻	10.64 h	0.570	²¹²Bi
²¹²Bi	ThC	Toryum C	β⁻ 64.06% α 35.94%	60.55 min	2.252 6.208	²¹²Po ²⁰⁸Tl
²¹²Po	ThC′	Toryum C′	α	299 ns	8.784 ^[3]	²⁰⁸Pb
²⁰⁸Tl	ThC″	Toryum C″	β⁻	3.053 min	1.803 ^[3]	²⁰⁸Pb
²⁰⁸Pb	ThD	Toryum D	kararlı	.	.	.

Kaynak

↑ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. (1965). "The alpha half-life of Berkelyum-247; a new long-lived isomer of Berkelyum-248". Nuclear Physics. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
"The isotopic analyses disclosed a species of mass 248 in constant abundance in three samples analysed over a period of about 10 months. This was ascribed to an isomer of Bk²⁴⁸ with a half-life greater than 9 [years]. No growth of Cf²⁴⁸ was detected, and a lower limit for the β⁻ half-life can be set at about 10⁴ [years]. No alpha activity attributable to the new isomer has been detected; the alpha half-life is probably greater than 300 [years]."
↑ Trenn, Thaddeus J. (1978). "ThorUranyum (U-236) as the extinct natural parent of Toryum: The premature falsification of an essentially correct theory". Annals of Science. 35 (6): 581–97. doi:10.1080/00033797800200441.
↑ ^3,0 ^3,1 http://nucleardata.nuclear.lu.se

[1] Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. (1965). "The alpha half-life of Berkelyum-247; a new long-lived isomer of Berkelyum-248". Nuclear Physics. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
"The isotopic analyses disclosed a species of mass 248 in constant abundance in three samples analysed over a period of about 10 months. This was ascribed to an isomer of Bk²⁴⁸ with a half-life greater than 9 [years]. No growth of Cf²⁴⁸ was detected, and a lower limit for the β⁻ half-life can be set at about 10⁴ [years]. No alpha activity attributable to the new isomer has been detected; the alpha half-life is probably greater than 300 [years]."

[thorUranyum-2] Trenn, Thaddeus J. (1978). "ThorUranyum (U-236) as the extinct natural parent of Toryum: The premature falsification of an essentially correct theory". Annals of Science. 35 (6): 581–97. doi:10.1080/00033797800200441.

[nucleardata.nuclear.lu.se-3] 3,0 ^3,1 http://nucleardata.nuclear.lu.se

[1]

[2]

[3]

Bozunma zinciri

Konu Başlıkları

Bozunma türleri

Aktinit alfa bozunma zincirleri

Toryum serisi

Kaynak

Gezinti menüsü

Ara