Alman fizikçi Hans Geiger tarafından geliştirilmiş olan Geiger sayacı, ölümcül radyoaktif radyasyonu tespit edebilen çok yararlı bir cihaz olarak tarihe geçmiştir. Hans Geiger, 1912 yılı civarında bu fikri, atomu başarılı bir şekilde bölen ve atom çekirdeğini keşfeden değerli fizikçi olan Ernest Rutherford ile çalışırken geliştirmiştir. On altı yıl sonra, öğrenci olan Walter Mueller’in yardımıyla icadını yenilemeye karar vermiştir. Bu nedenle cihaz genellikle Geiger-Mueller sayacı veya tüpü olarak bilinmektedir.
Radyoaktivite Nedir?
Radyoaktivite, çekirdeklerini, protonlarını ve nötronlarını oluşturan bileşenler üzerinde zayıf bir tutma sergileyen atomlar tarafından sergilenmektedir. Kararsızlıkları sayesinde, aşırı derecede kararsız hale gelirler ve bazen burada ve orada birkaç parçacığı silkelerler. Oluşan bu parçacık kaybı çekirdeği tamamen farklı kimyasal elementlere dönüştürür!
Bir grup protonun, aralarında böylesine küçük bir itici güce sahip olmasına rağmen, bu kadar dar bir alanda nasıl yapıştığı akıl almaz bir başarıdır. Güçlü kuvvet burada devreye girmektedir. Güçlü kuvvet, evrendeki en güçlü temel kuvvettir, ancak yalnızca en küçük ölçeklerde çalışmaktadır. Güçlü kuvvet elektromanyetik itici kuvvet üzerinde zafer kazanmaktadır, benzer şekilde protonları ve nötronları birbirine bağlamaktadır. Bunları bir arada tutmak için gereken enerjiye bağlayıcı enerji denmektedir. Bununla birlikte izotoplar, kimyasal olarak ayırt edilemeyen, ancak atomik kütlelerinde farklı olan elementler, bazı tuhaf davranışlar sergilemektedirler. Bir çift izotop aynı sayıda proton içermektedir, ancak farklı sayıda nötron içermektedirler veya bunun tersi de geçerlidir. Bunun bir sonucu, çekirdeğin büyüklüğünde bir artış yaşanmasudır. Ayrıca, artan bir boyut kısa menzilli güçlü kuvveti etkisiz hale getirmektedir. Menzilinin hemen dışındaki bir ölçekte, itici kuvvet devreye girmektedir. Bu noktada, çekirdeklerin üstesinden gelmek ve bileşenlerini bir arada tutmak için yeterli enerjisi bulunmamaktadır.
Kütle tutarsızlığı, bir izotop çekirdeğinde kararsızlığa neden olmaktadır. Atomlar doğal olarak dengeyi korur, bu durumda bu fazla kütleyi serbest bırakma pahasına oluşmaktadır. Radyoaktif çekirdeğini kalabalık bir otobüste tıka basa dolu bir koltuk gibi düşünüldüğünde, üzerinde oturan kişiler protonlar ve nötronlardır. Fazladan bir nötron zaten dolu bir koltuğa oturmaya çalıştığında, yanlışlıkla bir Newton’un beşiğinin çelik toplarına benzer şekilde bir karşı parçacığı yer değiştirmektedir. Kütle dışında çekirdekler de radyoaktif enerji yaymaktadırlar. Evrendeki en güçlü kuvvetler arasındaki bir çekişmede, güçlü kuvvet içeri girmekte ve itici kuvvet çok yüksek hızlarda çevresine bir parçacık fırlatmaktadır. Bu emisyon süreci radyoaktivite olarak bilinmektedir ve atomların çürümeye uğradığı süreçtir.
Manyetik veya elektrik alandaki davranışlarına bağlı olarak üç tip radyasyon bulunmaktadır. Alfa parçacıkları, iki proton ve iki nötron içeren, böylece negatif yüklü bir plakaya doğru eğilen en ağır parçacıklardır. Beta parçacıkları 700 kat daha hafiftir, çoğunlukla elektronlardan oluşur ve pozitif elektrotlara doğru bükülmeye zorlamaktadır. Son olarak, herhangi bir şarjın olmaması nedeniyle, elektrik veya manyetik alanda bozulmamış olarak seyahat eden gama ışınları bulunmaktadır. Tıpkı bir elektronun daha düşük enerji seviyelerine hareket edebilmesi ve ayrı foton paketleri yayması gibi, çekirdekler de güçlü gama ışınları yayarak enerjilerini kaybetmektedirler.
Geiger Sayacı
Radyoaktif maddelerle uğraşmanın zorluğu, emisyonlarının görünmez olması ve tanınması çok zor olması gerçeğiyle desteklenmektedir. Bu yüzden bunları geleneksel olarak tespit etmek mümkün değildir. Çözümlerden biri, bu görünmez ölçülemez miktarları bir şekilde tespit edilebilir ve ölçülebilir miktarlara dönüştürmektir. Bir Geiger Sayacının yaptığı tam anlamıyla budur. Bir Geiger ölçer, radyoaktif elementleri makinenin içindeki soy gazdan geçirmektedir. Kutupsal yapıları nedeniyle, radyoaktif parçacıklar dağıldıkları gazı iyonize etmektedirler. Sonuçtaki iyonlar radyoaktivitenin kendisine göre kolayca saptanabilir ve bu, cihazın çalışma prensibidir. Geiger Sayacı, bir ucunda seramik veya mika bir pencere ile kapatılmış metal bir silindirdir. İnce filmler, çevredeki kıvrımlı radyoaktif parçacıkların kolayca nüfuz etmesine izin vermektedir. Tüpün aşağı akması, genellikle tungstenden oluşan ince bir metal teldir. Bu telin ucu, diğer uçtaki büyük bir güç kaynağına bağlanır ve bu da büyük bir pozitif yük biriktirmektedir. Bu son, pozitif bir elektrot, bir anot gibi davranmaktadır. Metal borunun kavisli yüzeyi negatif elektrot katot olarak işlev görmektedir.
Silindir Neon veya Argon gibi inert bir gazla doldurulmaktadır. Radyoaktif parçacıklar geçerken, bu gazı iyonlaştırırlar. Pozitif ve negatif iyonlar, silindirik tüpün etrafında açılmaktadır. Negatif yüklü elektronlar anında anoda çekilirken, pozitif iyonlar büyük pozitif yük tarafından itilir ve katoda doğru akmaktadır. Dahası, elektronlar gazı aşağı doğru hareket ettirdikçe daha fazla atoma çarpışmaktadırlar, daha fazla iyon ve elektron üreten iyonizasyon zincir reaksiyonuna neden olmaktadır ve buna Geiger akıntısı denmektedir. Daha sonra, birçok elektron anoda ulaşarak bir metre üzerinde ölçülen bir elektrik darbesi üretmektedir.
Tüpten gelen her nabız bir sayıya göre kalibre edilmektedir. Saniyedeki sayımlar, radyasyon alanının gücünün yaklaşık bir değerini vermektedir ve sayımlar kullanıcı tarafından görsel bir okuma ile sağlanabilmektedir. Görsel okumalar geleneksel analog ölçüm cihazları veya elektrikli LCD ekranlar olabilmektedir. Hali hazırda belirli bir alandaki radyasyonun şiddetini göstermek için saat başına milli-Röntgen (mR/saat) veya saat başına mikro-Sievert (uS/saat) gibi farklı birimler kullanılmaktadır. Ayrıca tel Geiger sayaçlarıyla ilişkili ünlü tıklamaları üretmek için amplifikatörlere ve bir hoparlöre bağlanabilmektedir. Daha ucuz sayıcılar hem gama hem de beta ışınlarını tespit edebilirken pahalı olanlar da alfa ışınlarını algılamaktadırlar. Bununla birlikte, bu cihazı kullanmanın bir sınırlaması, bu radyasyonları ayırt edememesidir, çünkü çıkış darbesi, olay radyasyonunun enerjisine bakılmaksızın aynı büyüklüktedir. Son olarak, serbest iyonları çeken bir gaz bırakılarak cihazın çalışması durdurulabilmektedir. Bu işleme su verme denir ve gaz su verme gazı olarak bilinmektedir. Halojenler, güçlü elektronegatif yapıları nedeniyle mükemmel söndürücülerdir, ancak akım akışına karşı büyük bir direnç de alınabilmektedir.
Geiger Sayacının Önemi Nedir?
Bilim adamları radyoaktif emisyonu ölçmek için Geiger sayaçlarını kullanmaktadırlar çünkü insanlar ve hayvanlar için son derece tehlikelidir. Bir nükleer santrale veya radyoaktif elementler içeren bir kazaya yakın olması, insanı tehlikeli etkilerine oldukça yatkın hale getirmektedir. Radyasyon organik hücreleri hızla öldürmektedir. Küçük bir doz bile bulantıya neden olan kemik iliği ve lenf düğümleri gibi vücudun son derece önemli kısımlarında, geri dönüşü olmayan hasara duyarlı, kansere veya diğer otoimmün hastalıklara neden olan radyasyon zehirlenmesine neden olabilmektedir. Beyaz kan hücrelerinin kaybı tedavi edilebilmektedir, ancak hayatta kalma sadece olasıdır, garanti edilmemektedir. Bu nedenle, radyoaktif aktivite içeren araştırma laboratuvarları ve enerji santralleri, zararlı radyoaktiviteyi takip etmek ve tüm çalışanların güvenli, radyasyon içermeyen bir ortamda çalışmasını sağlamak için bunlar gibi hayati cihazları kullanmaktadırlar.
Kaynakça:
https://atomic.lindahall.org/what-is-a-geiger-counter.html
https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/science-101/what-is-a-geiger-counter.html
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu