gama ışınları - Hasan Hüseyin BALIK

GİRİŞ
Elektromanyetik dalgalar farklı dalga boylarına sahiptir. Bir radyo dinlediğimiz, TV
izlediğimiz ya da bir mikrodalga fırınında akşam yemeği yaptığımız zaman elektromanyetik
dalgayı kullanmışız demektir. Radyo dalgaları, TV dalgaları ve mikrodalgalar elektromanyetik
dalgaların tipleridir. Onlar birbirlerinden sadece dalga boyları ile farklıdırlar.
Elektromanyetik spektrum, en
uzun dalga boyundan en kısa
dalga boyuna şu grupları
kapsar;
•Radyo dalgaları
•Mikro dalgalar
•İnfrared dalgalar
•Optik dalgalar
•Ultraviole dalgaları
•X-ışını dalgaları
•Gama dalgaları
Elektromanyetik dalgalar seyahat etmek için moleküllere ihtiyaçları yoktur. Bu
elektromanyetik dalgaların hava içinde, katı ortam içinde ve uzay boşluğu içinde
seyahat edebileceği anlamına gelir. Bu durumu, uzay yürüyüşü yapan astronotların
haberleşmek için niçin radyo kullandıkları açıklar. Radyo dalgaları elektromanyetik
dalgaların bir tipidir.
Elektromanyetik dalga bir elektrik
alanı ile bir manyetik alanın eşleştiği
zaman oluşur. Bir elektromanyetik
dalganın elektrik ve manyetik alanları
birbirine ve dalganın hareket yönüne
diktir. Şekildeki mavi renk bir elektrik
alanını ve yönünü, yeşil renkte bir
manyetik
alanını
ve
yönünü
göstermektedir.
Elektromanyetik
dalga eksen çizgisi üstünde tek bir
yönde ışık hızıyla hareket eder.
GAMA IŞINLARI
Gama ışınları elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boylu ve
en fazla enerjili elektromanyetik radyasyonlardır. X-ışınları ile γ-ışınları
arasındaki sınır kesin olarak belirlenmemiştir. Bazı astronomlar 100 keV
üzerinde, bazıları 500 keV’a yakın enerjiye sahip fotonları γ-ışınları
olarak niteler.
Gama ışınları bir tek elementer olayda enerjisinin büyük bir kısmını,
çoğu zaman tamamını kaybeder. İçinden geçtiği maddenin hangi
atomun civarında bu kaybın olacağı tamamen tesadüfe bağlıdır.
Gama ışınları(fotonlar) başlangıç enerjilerine bağlı
olarak maddeyle 4 şekilde etkileşirler. Bunlar;
• Foto Elektrik Olayı
• Compton Olayı
• Pozitif ve Negatif Elektron Çiftlerinin Doğuşu
• Nötronların Meydana Gelişi
Foto Elektrik Olayı
 Gama fotonu, enerjisinin tamamını maddenin atomuna bağlı elektronlardan birine
vererek kaybolur. Enerji alan elektron, kinetik güç kazandığından atomdan ayrılır ve adı
geçen atomlardan bir “iyon çifti” meydana gelmiş olur. Atomlardan ayrılan elektrona da
“Foto Elektron” adı verilir.
Compton Olayı
 Gamma fotonu, herhangi bir madde atomunun elektronuna çarptığı zaman gücünün
bir kısmını o elektrona potansiyel enerji olarak verir ve foton kalan enerjisi ile başka bir
istikamette yoluna devam eder. Bu suretle meydana gelen potansiyel enerjiye sahip
elektrona da “Compton Elektronu” denmektedir.
Pozitif ve Negatif Elektron Çiftlerinin Doğuşu
 Buna Çift Oluşumu olayı da denir. Nadiren meydana gelen bir hadisedir. Bu olayda
gamma fotonu, maddenin atom çekirdeği yakınında bir negatif ve bir pozitif elektrona
dönüşmek suretiyle kaybolmaktadır. Böylece bir elektron çifti meydana gelmiş bulunur.
Şayet Foton, bir elektron çifti meydana getirmek için gerekli olan enerjiden daha fazla
bir güce sahip ise, o fazla enerji dahi çift elektronlarca paylaşır ve her iki elektron
enerjilerinin büyüklüğü kadar bir hızla uzaklaşırlar.
Nötronların Meydana Gelişi
 Çok yüksek enerjili Gamma ışınlarında nadiren meydana gelen bu hadise, fotonların
direkt olarak atomun çekirdeğine kadar ulaşması sonucu fotonlardan daha fazla nüfuz
kabiliyetine sahip olan serbest nötron açığa çıkarılması anlamını taşır. Nötronu eksilen
atom ise, radyoaktif hale gelmektedir. Bunların her ikisi de radyasyon tehlikesine
sahiptirler.
Gama ışınlarının kullanım alanları
Gama ışınları canlı hücreleri öldürebilir, bu özelliğinden dolayı tıpta, kanserli
hücreleri öldürmek için kullanılmaktadır.
Sağlık sektöründe gama ışınlarının bir diğer kullanım yeri ise Dansitometri
cihazlarıdır. Dansitometri cihazı, X veya gama ışınlarının kemik ve yumuşak dokuda
farklı soğurulması ile standart kalibrasyonun kıyaslanarak kemik mineral içeriğini
(BMC=bone mineral component)) ve kemik mineral yoğunluğunu (BMD= Bone
mineral dansity) ölçen cihazlardır.
Gama ışınlaması ile sterilizasyon işlemide yapılmaktadır.
Günümüzde gama ışınlaması yöntemi ile sterilize edilen ürünlerin başında tek
kullanımlık tıbbi malzeme ve cihazlar ile sağlık bakım ürünleri gelmektedir.
 Sanayide gama ışınlarının kullanımınıda görürüz.Amerikan NDS SYSTEMS
firmasının üretimi bir cihaz sayesinde gama ışınları yardımı ile kalınlık ölçülebilinen bir
sistem yapılmıştır. Bu sistemle plastik,kauçuk,tekstil,kağıt,her türlü gıda,süt,ağaç ve ilaç
sektöründe kalınlık,nem,protein,yağ vs. ölçülmesi yapılabilmektedir.
Sanayideki bir diğer kullanımı ise polietilen gaz ve su boruları kablo
izolasyonları, plastik makine dişlileri ışınlanmak suretiyle çapraz bağlama işlemi
yapılmaktadır. Çapraz bağlama sonucu bu gibi ürünler sertleşmekte ve erime
noktaları yükselmektedir.
Ayrıca Gama ışınları gıda ışınlama işleminde de kullanılır. Gıda ışınlama
işlemi; gıdalarda bozulmaya sebep olan mikroorganizmalar ve biyokimyasal
olayların miktar ve faaliyetlerinin engellenmesi, azaltılması, yok edilmesi,
gıdaların raf ömürlerinin uzatılması, olgunlaşma süresinin kontrolü için
yapılmaktadır.
Gama ışınlarının diğer bir kullanım alanı ise nükleer tıp alanında gama
kameralarında kullanılır. Bu kameralar bilgisayarlarla birlikte çalışarak
vücüdun görüntülenen bölümüyle ilgili veri sağlayacak görüntü
oluşturmak için kullanılırlar.
Gama ışınlama tesisi
Aşağıda Işınlama Tesisinin genel görünümü ve içerdiği kısımlar gösterilmektedir.
1. İşlem kontrolü (Kontrol Odası)
2. Ürün Taşıyıcı Sistem (Konveyör)
3. Kaynak ve Kaynak Paneli
3.a. Gama Işınları
3.b. Iyonlayıcı Işınlar
4. Işınlama Odası (Biyolojik Zırh)
5. Kaynak Depolama Havuzu
6. Ürün Depolama Alanı
Türkiye’ de radyasyon ışınlaması iki adet gama ışınlama tesisi ile 9 yıldan beri tıp, gıda
ve plastik endüstrisinde uygulanmaktadır.
Gama kameraları
Gama kamera ile görüntülemede, radyoaktif materyallerin vücuttaki dağılımlarından yayılan gama
ışınlarının kolimasyonu gereklidir. Bunun için kolimatörler kullanılır. Kolimatörler genelde kurşun
veya tungstenden yapılır ve 4-5 cm kalınlığında 20cm’e 40cm büyüklüğündedir. Kolimatör
gama ışınlarının içinden geçebileceği binlerce kare, yuvarlak veya hekzagonal paralel
kanallara sahiptir. Kolimatörler direk olarak çok hassas olan NaI(Tl) kristalinin üstüne
yerleştirilir. Kolimatörü geçen gama ışınları NaI(Tl) kristaline ulaşır ve ışığa dönüşür.
Kristalin arkasında bulunun foto çoğullayıcı tüpler proses için bu ışığı toplarlar. Daha sonra
bu ışık sinyallerinin analiziyle görüntü oluşturulur. Gama kameranın boyutuna göre, kalp,
karaciğer gibi organların tümü görüntülenebilir.
GAMA-IŞIN ASTRONOMİSİ
Deneyler, kozmik kaynaklarca üretilmiş gama ışını tespit etmeden çok önce bilim
adamları evrende böyle fotonları üretebilecek kaynaklar olabileceğini biliyorlardı.
Evrende gama ışınının üretilmesini sağlayan çeşitli işlemler vardır. Bu işlemler kısaca
aşağıdaki gibi sıralanabilir:
•Yüksek enerjili bir parçacığın bir başka parçacık ile çarpışması
•Bir parçacık ve onun karşı parçacığın birbirlerini yok etmesi
•Radyoaktif bozunma
•İvmelendirilmiş yüklü parçacıklar
•Yüksek enerjili bir parçacığın bir başka parçacık ile çarpışması
•Bir parçacık ve onun karşı parçacığın birbirlerini yok etmesi
•Radyoaktif bozunma
•İvmelendirilmiş yüklü parçacıklar
Gama ışınları ayrıca süpernova patlamaları ya da atomların parçalanmasıyla ve
daha az dramatik olarak uzaydaki radyoaktif maddelerin bozunmalarından üretilirler.
Süpernova patlamaları, nötron yıldızları, pulsallar ve kara delikler tüm gökler âleminin
gama ışın kaynaklarıdır.
Gama-ışın astronomisinin deneysel ayağının geç kalmasının en önemli
nedenlerinden biri de gama ışınlarının Dünyanın atmosferi tarafından soğurulmasıdır.
Bu yüzden balonlarla atmosferin üst tabakalarına ya da uydu teleskoplarla
yörüngeye çıkılmadan gama ışın astronomisi gelişememiştir.
Bu güçlükten sonra araştırmacıların çektiği en büyük zorluk, iyi bir resim yapmak
için gereken çok sayıda fotonu bulmak olmuştur. Gama ışın astronomisini zor kılan en
önemli ikinci sebep evrende diğer dalga boyları ile karşılaşınca çok az sayıda gama ışın
fotonu bulunmasıdır.
Yörüngeye çıkan ilk gama ışın teleskopu 1961 yılında fırlatılan Explorer-XI dır.
Bu uydu ise sadece 100 kozmik gama ışın fotonu algılayabilmiştir.
Dikkate değer sayıda gama ışını ilk olarak, 1967’de fırlatılan OSO-3 uydusundaki
gama-ışın teleskopunca tespit edilmiştir.
Gama-ışın astronomisinin gözlemsel kısmı en büyük aşamayı, SAS-2 (1972) ve
COS-B (1975-1982) uydusu ile kaydetmiştir. Bu iki uydu yüksek enerjili evrenin o
zamana kadar hiç görülmemiş görüntülerini sağlamışlardır.
Gama-ışın astronomisinin en büyük keşiflerinden biri, 1960’ların sonu 1970’lerin
başında, soğuk savaş döneminde ABD ve Sovyetler Birliğinin birbirlerinin nükleer
testlerini tespit etmek üzere uzaya gönderdikleri uydular ile yapılmıştır.
1977’de Nasa, Great Observatories programına bir gama-ışın uydu teleskopu da
eklendiğini duyurmuştur. Compton Gama-Işın Teleskopu (Compton Gamma-Ray
Oservatory, CGRO) 1970 ve 1980’lerin teknolojileri kullanılarak hazırlanmış ve 1991
yılında fırlatılmıştır. Uydu 2000 yılının Haziran ayında jiroskoplarından birinin
arızalanması sebebiyle düşürülene kadar yüksek enerjili evren hakkında hala üzerinde
çalışılan pek çok bilgi sunmuştur.
Bu arada ise gama-ışınlarını algılamak için yeni pek çok materyal geliştirilmiştir.
Bu yeni teknolojinin kullanıldığı ilk uydu ESA tarafından geliştirilen INTEGRAL
uydusudur (2002).
Geliştirilmekte olan bir diğer teleskopta (2006 yılında fırlatılması planlanıyor)
Gama-Işın Geniş Alan Teleskopu GLAST’tır (Gamma-ray Large Area Space
Telescope). GLAST şu andaki teleskoplardan çok daha yüksek çözünürlükte tüm
gökyüzü haritaları hazırlanacaktır.
GAMA IŞINI YAYAN BAZI ÖNEMLİ GÖK CİSİMLERİ
ATARCALAR:Gama-ışın bölgesinde ışınım yaptığı bilinen 7 atarca vardır ancak burada
bunlardan en önemli 4 tanesinin özellikleri açıklanacaktır.
1.VELA ATARCASI(PRS B0833-45): Bu atarca SAS-2 (The second small Astronomy satellite)
verilerinde, sadece gözlenen gama-ışın bölgesindeki en parlak atarca değil aynı zamanda
bütün gama-ışın gök yüzündeki en parlak kaynaktır.
2.YENGEÇ ATARCASI (PRS B0531+21): Bu atarca bilinen ilk gama-ışın atarcasıdır. Ancak en
güçlüsü değildir. SAS-2 ve COS-B bu atarcadan gelen gama ışımasının detaylarını ortaya
çıkarmıştır.
3.GEMINGA: Bu kaynağın tarihi bile ilginçtir. Doğası hakkında elle tutulur açıklamalar
keşfinden 20 yıl sonra gelmiştir. Geminga (2CG195+04) ilk olarak SAS-2 uydusu
tarafından 1972 ve 1973 yıllarında gözlenmiştir. Geminga, halen Vela ve Yengeç atarcaları
ile birlikte gökyüzündeki yüksek enerjili gama-ışın bölgesinin en güçlü üç kaynağından
biridir.
4.PRSR B1055-52 : EGRET bu atarcadan da gelen yüksek enerjili gama-ışınlarını tespit etmiştir.
Tespit edilen bu ışınların periyodu yaklaşık 197 ms’dir. PRS B10055-52’nin, çok sert foton
tayfsal indeksi ve rotasyonel enerjisini gama ışınına dönüştürme konusunda büyük bir
yeteneği vardır.
BLAZARLAR:Blazar terimi BL Lac cisimleri ve yüksek değişkenlikli güçlü polarize
olmuş kuazar terimlerinin harflerinin birleştirilmesiyle oluşturulmuştur ve benzer
özelliklere sahip yeni bir sınıf kaynak için kullanılır. Bir cisme blazar diyebilmemiz için
aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir.
—Gökyüzünde bir nokta kaynak olarak gözlenmelidir. Örneğin normal bir galaksi ya da
bulutsu gibi olmamalıdır. Bazı blazarların etrafında bulutsular vardır ama ışığın çoğu
nokta kaynaktan gelir.
—Tayfları pürüzsüz olmalıdır. Örneğin normal bir yıldızın sahip olabileceği gibi derin
soğurma çizgileri olmamalıdır.
—Görülebilir ışığı kutuplanmış olmalıdır.
—Tüm dalga boyu aralıklarında bir kuazardan daha fazla ve daha hızlı değişimler
göstermelidir.
Blazarların gama-ışımasını açıklayan genel olarak kabul görmüş iki model
vardır. Bu modeller birbirlerinden, ivmelendirilen asıl parçacıkların leptonlar mı? ya
da hadronlar mı? olduğu noktasında ayrılırlar.
1.Leptonik Modeller : Leptonik modellerde blazarların yayınladığı gama
ışınımının, ısısal olmayan sinkrotron-yayan elektronların, etraftaki düşük enerjili
fotonlar ile Compton saçılmasına uğradığında oluştuğu kabul edilir.
2.Hadronik Modeller :Blazarların yayınladığı gama-ışınlarının sebebini anlamak
üzere kurulmuş, blazarın enerjisinin büyük bir kısmının ivmelendirilmiş hadronlarca
taşındığını varsayan modellere hadronik modeller denir.
MAGNETARLAR : ROSAT (Roentgen Satellite), ASKA ve diğer x-ışın
uyduları ile yapılan gözlemler yeni bir tür nötron yıldızının bulunmasını da
beraberinde getirdi. Bunların özellikleri radyo atarcaları gibi bilinen nötron
yıldızlarından da x-ışın atarcalarından da farklı olduğu için Olağan dışı
Atarcalar (Anormal X-ray Pulsar, AXP) olarak adlandırılırlar.
GÜNEŞ PARLAMALARI: Güneş parlamalarından gelen gama-ışınları ilk
olarak OSO-7 uydusundaki NaI sintilatörü ile gözlenmiştir.
SÜPERNOVA PATLAMALARI
Bir gökadadaki yıldızlararası bulutların çekimsel çökmesiyle yeni
yıldızlar oluşur.Onların evrim hızlarını başlangıçtaki kütleleri
belirler..Bir yıldızın merkezinde bulunan hidrojenlerin helyuma
dönüşmesi sonucunda büyük bir kütle E=mc2 bağıntısına göre enerjiye
dönüşmektedir.Yıldızın ilerleyen evresinde merkezde ki parçacık sayısı
hızla azalmaktadır.Dolayısıyla çekirdekteki hidrostatik denge bozulur
ve çekirdek büzülmeye başlar; sıcaklık ve yoğunluk artar.Nükleer
tepkimeler
artar merkez bölge içe doğru çökerken dış katmanlar
genişlemeye başlar.Bu evre yıldızın süperdev aşamasıdır.Buraya kadar
anlatılanlar tüm yıldızların evrimleri boyunca hemen hemen aynıdır
ancak bundan sonraki süreç yıldızların başlangıç kütlelerine göre
farklılık göstermektedir.
I.TÜR SÜPERNOVA PATLAMALARI: Yakın bir eş yıldıza sahip olan beyaz
cüceler bazen eş yıldızlarından kütle alarak kararsız duruma geçerler.Daha
sonra da çökerek önce merkezlerinde demir çekirdek
oluştururlar.Merkezlerindeki korkunç basınç altında demir çekirdekler
parçalanırlar ansızın çok büyük bir enerji salınır.Tüm yıldız süpernova olarak
patlar.Genellikle küçük kütleli yıldızların ölümü sırasında ortaya çıkan bu tür
süpernovalara I .TÜR süpernovalar adı verilir.
II. TÜR SÜPERNOVA PATLAMALARI: Kütleleri 8 Güneş kütlesinden
daha büyük olan yıldızlara büyük kütleli yıldızlar denir.Bu yıldızların
evrimleri çok hızlıdır.Yıldızın çekirdeğindeki madde sonunda tamamen demire
dönüşür.Bu yıldızlarda merkezden yüzeye doğru farklı kabuklar oluşur.Demir
doğada bulunan en kararlı elementtir neredeyse yıldızın çekirdeğindeki 5
milyar sıcaklık bile demirin yanmasını sağlayamaz ve sonunda demir
parçalanarak helyum atomlarına dönüşür
Dolayısıyla, basınç kuvveti üzerindeki maddenin ağırlığını taşıyamaz.Yıldızın
tüm maddesi çekirdeğe düşerek bir süpernova patlaması meydana
getirir.Süpernova patlamasıyla bir anda uzaya muazzam enerji salınır.Büyük
kütleli yıldızların oluşturduğu bu patlamalara II .TÜR süpernova patlaması
denir.
PULSARLAR
Pulsar ya da atarca adı verilen yıldızların hızlı dönmekte olan nötron
yıldızları olduğu düşünülmektedir.Pekçok yıldızın manyetik alanı
vardır.Yıldız bir nötron yıldızına dönüşmek üzere çöktükçe yüzeydeki
alan çok büyük değerlere ulaşır.Manyetik alan yıldızın içinde kalan
elektronların hareketiyle oluşur.
Periyotları 0.0016 ile 4 s arasında olan birkaç yüz atarca keşfedilmiştir
ancak bunların hepsi gama ışınları yaymaz.
Pulsarlar
dönmekte
olan
mıknatıslara
benzerler.Zamanla
elektromanyaetik ışınımla enerji kaybettiklerinden dolayı radyo
frekanslarında bile görünmez olurlar.Galaksimiz uzun zaman önce
ölmüş olan pulsarlardan başka bir şey olmayan nötron yıldızlarıyla
doludur.
Gama Işın Bölgesinde Görülen Pulsarlar:
KARADELİKLER:
Karadeliklerin Boyutları:
Cisim
Kütle (Mgüneş)
Rs
Yıldız
10
30 km
Yıldız
3
9 km
Güneş
1
3 km
Dünya
3 x 10-6
9 mm
NÖTRON YILDIZLARI:
BEYAZ CÜCELER:
Kütlesinin büyük bir kısmını uzaya
savurmuş merkezde bulunan bir
beyaz cüce
Beyaz Cüce Bileşeni Üzerine Madde Akması