ATOMİK PARTİKÜLLER ve MANYETİZMA

ATOM VE NÜKLEUS

Doğadaki tüm maddeler (gaz, katı ve sıvı) atomlardan meydana gelmektedir. Atomlar ise proton, nötron ve elektron denen partiküllerden oluşmaktadır. Bu atomik partiküllerin özellikleri tablodaki gibidir:

Proton ve nötronlar (bunlara nükleon da denmektedir) atomun nükleus (çekirdek) denen bölümünde bulunurlar; elektronlar ise nükleus çevresinde seviyeler şeklinde ilerleyen çemberlerde bulunur (bunlara orbit veya shell denmektedir) (Şekil 3.1). Nükleus atomun merkezinde, ağır ve pozitif yüklü parçasıdır ve atomun kütlesinin büyük bölümünü oluşturur. Nükleus tüm atom ile karşılaştırıldığında oldukça densdir (atomun densitesi 1 g / cm³, nükleusun densitesi 10¹⁵ g/cm³).

Sekil 3.1: Atomda belli seviyelerde elektronlar ve nükleusda (çekirdek) proton ve Nötronlar bulunmaktadır. Nükleus çapının atom çapına göre belirgin küçük olduğuna dikkat ediniz. Buna karşın nükleus belirgin densdir.

Atom nükleusunda protonların haricinde nötronlar da mevcuttur. Nükleusda bulunan nötronların sayısı Nötron numarası (N) ile gösterilir ve bu sayı 0 ile 146 arasında değişmektedir. Doğada bulunan stabil atomlarda her zaman nötron sayısı proton sayısı ile eşit veya nötron sayısı daha fazladır (N≥Z) (He-3 2 proton ve 1 nötron sayısı ile bu kurala uymaz [5]). Nükleusdaki proton ve nötronların toplamına ise kütle numarası (A) denmektedir (A=Z+N).

Nükleon’ları yani nükleusda bulunan proton ve nötronları beraberce belli mesafede tutan bir nükleer güç sözkonusudur. Bu güç protonlar ile nötronlar arasında söz konusu olduğu gibi nötronlar arasında da vardır. Bunun anlamı, nükleusdaki protonlar ile nötronlar arasında ve nötronların birbirleri arasındaki mesafeleri rastgele olmayıp belli bir güç tarafından düzenlenmekte olduğudur (attractive force).  

Bu başlık altında anlatılacaklar MRG’nin temel noktası olan nükleer manyetizma haricindeki, elektronların neden olduğu manyetizmaları açıklamaktadır. Daha önce de bahsedildiği gibi elektronlar nükleer manyetizmaya etkisi haricinde, atomun manyetik özellik gösterip göstermeme özelliğini tayin etmektedirler. Bu konunun iyi anlaşılması ile, MRG ünitlerinde kullanılan permanent magnet (güçlü dış manyetik alan)’in nasıl oluşturulduğu, yine kitabın ileri bölümlerinde detaylı olarak bahsedilecek olan MRG’de kullanılan kontrast maddelerin etki mekanizmaları ve bazı materyallerin artefaktlara ve komplikasyonlara nasıl neden olduğu daha iyi kavranacaktır.

Negatif yüklü elektronlar nükleus çevresindeki belirli seviyelerde hareket halindedirler ve seviye sayısı (orbit) arttıkça enerji seviyeleri artmaktadır. Nükleus çevresindeki bu orbitler alt gruplara da ayrılmaktadır (subshell). Örneğin (Na) sodyum atomundaki 11 elektrondan 2 tanesi ilk çemberde, 2 tanesi ikinci çemberin s alt grubunda, 6 tanesi ikinci çemberin p alt grubunda, 1 tanesi ise üçüncü çemberde yer alır. (P) fosfor atomunda ise 15 elektronun 2 tanesi birinci çemberde, 2 tanesi ikinci çemberin s alt grubunda, 3 tanesi üçüncü çemberin p alt grubundadır. Magnet gibi güçlü manyetik alanlar içinde, elektronların neden olduğu bu enerji seviyeleri (shell, subshell) daha da alt gruplara ayrılmaktadır. Kural olarak, her enerji çemberinde sadece sınırlı sayıda elektron bulunabilir ve ilk önce düşük enerji seviyeli iç çemberler doldurulur, daha sonra sırası ile enerji seviyesi yüksek dış çemberler doldurulur. Dolu olan bir çemberde çift sayıda elektron vardır.

Elektronlar nasıl manyetizma nedeni olmaktadır?.  

Eğer atomdaki elektron çemberlerinde ve çember alt gruplarında çift sayıda elektron var ise bu elektronlar birbirlerine ters yönde hareket ederler ve birbirlerinin oluşturdukları manyetizmayı nötralize ettiklerinden dolayı atomda manyetizma oluşmaz. Bununla birlikte bu atomlar güçlü manyetik alan içine (magnet içine) konacak olurlarsa elektronların dizilişinde bu manyetik alan etkisi ile değişiklik olacağından küçük bir manyetizasyon oluşur ve bu manyetizasyon yönü ortamın güçlü manyetik alan vektörüne ters yönde olur. Atomdaki (elementdeki) bu davranış biçimine “diyamanyetizm” denir ve hemen tüm elementlerde bu davranış özelliği görülür. Bu olayda oluşan manyetizmin amplitütü ortamın manyetik alan gücü (magnet) ile doğrudan orantılıdır. İzm özelliği gösteren yaygın örnekler; inert gazlar, çoğu organik moleküller (doku) ve NaCl gibi kristal tuzlarıdır. Birçok atomda son elektron çemberinde tek sayıda elektron vardır. Dolayısıyla bu atomda elektronlar birbirlerinin oluşturdukları manyetizmayı nötralize edemezler ve bu atom ortamda güçlü manyetik alan olmadan da manyetizma nedeni olur. Bu davranış özelliğindeki atomlar için “paramanyetik” denir. Bununla birlikte, bu atom yalnız başına bir manyetizm nedeni olduğu halde, bu atomlardan oluşmuş bir elementde manyetizasyon görülmez. Bunun nedeni elementi oluşturan atomların manyetizasyon vektörlerinin rastgele dağılım göstermesi ve birbirlerinin manyetizasyonlarını nötralize etmeleridir. Eğer bu element güçlü bir manyetik alan içine konacak olursa elektronların neden olduğu bu manyetizmalar belli bir düzene gireceğinden belirgin bir manyetizasyon gözlenebilir. Diyamanyetizmde olduğu gibi paramanyetik elementlerde de oluşan bu manyetizma ortamda bulunan güçlü manyetik alanın (magnet) gücü ile doğrudan orantılıdır. Bununla birlikte farklı olarak, oluşan manyetizma ortamın güçlü manyetik alan vektörü ile aynı yönde olur (diamanyetizmde ters yönde olmaktaydı) (Şekil 3.3).

Yine element içinde dağınık manyetizasyon vektörleri nedeni ile manyetizasyon nedeni olmayan, fakat paramanyetik elementlerden farklı olarak ortamdaki manyetik alana (dış manyetik alana) ileri derecede duyarlı olan elementler de vardır. Bunlar çok daha zayıf dış manyetik alanda bile güçlü manyetizma nedeni olmaktadırlar ve dış manyetik alan ortamdan uzaklaştırılsa bile bu manyetizasyon devam etmektedir. Bu davranış özelliğine “Ferromanyetizm” denmektedir. Bu özellikten faydalanılarak (dış manyetik alan uzaklaştırılsa dahi element manyetizasyonunun devam etmesi) sabit güçlü manyetik elemenler (Permanent magnet) elde edilebilmektedir. Ferromanyetik elemenler; demir (Fe), nikel (Ni), kobalt (Co) ve Fe3O4’dir.

Bunların haricinde “Ferrrimanyetizm”, “Antiferromanyetizm” ve “Süpermanyetizm” kavramları vardır. Ferrimanyetik elementlerde dış manyetik alan etkisi ile atom manyetik vektörleri düzene girer ancak bunlardan çoğu dış manyetik alan yönüne, daha az bir kısmı ise ters yöne olur. Dolayısıyla bu elementlerde manyetizasyon görülür. Antiferromanyetik elementlerde ise dış manyetik vektör yönüne ve tersine dizilenler birbirlerine eş sayıda olduklarından birbirlerinin etkilerini nötralize ederler ve bu elementlerde manyetizasyon görülmez (Şekil 3.4). Süperparamanyetik elemenlerde ise dış manyetik alana duyarlılık çok fazladır, bununla birlikte ferromanyetik elementlerden farklı olarak dış manyetik alan ortadan kaybolduğunda elementde oluşan manyetizasyon da ortadan kalkmaktadır.

Şekil 3.4: Ferromanyetik and Ferrimanyetik elementler manyetizasyon oluştururlarken, antiferromanyetik materyallerde birbirlerine ters yöndeki dizilimler eş sayıda olduklarından manyetizasyon görülmez.