ટ્રેસર–પ્રવિધિ

ટ્રેસર–પ્રવિધિ : સહેલાઈથી પારખી શકાય તેવા સ્થિર (stable) અથવા વિકિરણધર્મી (radioactive) સમસ્થાનિકોને તત્વ કે સંયોજન રૂપે રાસાયણિક, જૈવવૈજ્ઞાનિક, ભૌતિક, ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય કે અન્ય પ્રણાલીમાં કોઈ કસોટી કે પ્રયોગ માટે દાખલ કરી તે સમસ્થાનિકને પારખીને તે પ્રણાલીનો અભ્યાસ કરવાની પ્રવિધિ. સમસ્થાનિકોનો ટ્રેસરપ્રવિધિમાં અભ્યાસ 1930 પછી શરૂ થયો. ટ્રેસર તરીકે વપરાતા સમસ્થાનિક પદાર્થના અભ્યાસ દરમિયાન અન્ય પદાર્થની હાજરીમાં પારખી શકાય તેવો હોવો જરૂરી છે.

એક જ તત્વના સમસ્થાનિકોના રાસાયણિક ગુણધર્મો અને પરમાણુક્રમાંકો એકસરખા હોય છે, પરંતુ તેમના પરમાણુભાર જુદા હોય છે. સમસ્થાનિકો સ્થિર અથવા વિકિરણધર્મી હોઈ શકે. સ્થિર સમસ્થાનિકોના પરમાણુભાર જુદા હોવાને લીધે તેમને દ્રવ્યમાન વર્ણપટ લેખક (mass spectrograph) દ્વારા જુદા પાડી શકાય છે. હાઇડ્રોજન અને ડ્યુટેરિયમયુક્ત સંયોજનોને પારરક્ત વર્ણપટ દ્વારા જુદાં પારખી શકાય છે. વિકિરણધર્મી તત્વોમાંથી α, β કે પૉઝિટ્રૉન જેવા કણયુક્ત વિકિરણો અને γ કિરણો ઉત્પન્ન થતાં હોય છે, જે વાયુને વિદ્યુતવાહક બનાવે છે અને ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ પર અસર કરે છે. પ્રથમ પ્રકારની અસરના આધારે પદાર્થની વિકિરણધર્મિતા માપવા ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ, ઇલેક્ટ્રોમીટર, ગાઇગર મુલર કાઉન્ટર અને અન્ય કાઉન્ટરોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સ્થિર સમસ્થાનિકોનું માપન વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકો કરતાં વધુ ચોકસાઈપૂર્વક કરી શકાય છે, પણ વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોનું માપન  સૂક્ષ્મ માત્રામાં પણ થઈ શકે છે. વિશિષ્ટ ઉપયોગમાં લેવાતા આવા અસામાન્ય સમસ્થાનિક પરમાણુઓને ટ્રેસર–નિર્દેશકો અથવા ચિહનિત (tagged) પરમાણુઓ કહેવામાં આવે છે. હલકા પરમાણુભારવાળાં તત્વોના સ્થિર સમસ્થાનિકોનો ટ્રેસર તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકો બહુ થોડા પ્રમાણમાં વપરાતા હોવાથી બધા જ વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોનો ઉપયોગ શક્ય છે. હાલમાં વિશિષ્ટ વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકયુક્ત સંયોજનો સહેલાઈથી મળે છે અને પ્રયોગશાળામાં પણ તે બનાવી શકાય છે. ખરેખર ઉપયોગમાં લેવાતા સમસ્થાનિકોનું પ્રમાણ નજેવું હોવાથી તેમની હાજરી સાંદ્રતામાં દર્શાવવાને બદલે સાપેક્ષ વિકિરણધર્મિતામાં [નમૂનાના એકમ વજનદીઠ વિકિરણધર્મિતામાં] દર્શાવવામાં આવે છે. આને વિશિષ્ટ વિકિરણધર્મિતા પણ કહે છે. વિકિરણસક્રિય પદાર્થની સક્રિયતા હાલ રૂથરફૉર્ડ (1 રૂથરફૉર્ડ = 1 x 10⁶ વિભંજન પ્રતિસેકન્ડ) નામના એકમમાં દર્શાવવામાં આવે છે. પહેલાં આ એકમ ક્યુરી અને મિલીક્યુરીમાં દર્શાવવામાં આવતો. એક ક્યુરી વિકિરણધર્મિતાવાળો  સમસ્થાનિક એક સેકંડમાં 3.7 × 10¹⁰ વિભંજન બતાવે છે, જ્યારે મિલીક્યુરી 3.7 x 10⁷ વિભંજનો બતાવે છે.

ટ્રેસર સમસ્થાનિકની સાંદ્રતા નક્કી કરવા માટે વપરાતું સાધન તેમાંથી નીકળતા વિકિરણના પ્રકાર પર આધાર રાખે છે. H², C¹³, N¹⁵, O¹⁸ જેવા સ્થાયી સમસ્થાનિકોનું માપન દ્રવ્યમાન-વર્ણપટલેખક દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. H³, C¹⁴ અને S³⁵ જેવા નિર્બળ (β) ઉત્સર્જકો (emitters) વિકિરણ નમૂના અને કાઉન્ટરની દીવાલો તેનું અવશોષણ ન કરે તે ર્દષ્ટિએ વિશિષ્ટ સાવચેતી રાખવી પડે છે. આ માટે વાયુપ્રાવસ્થા (gas phase) ગાઇગર કાઉન્ટર, આયનીકરણ ચેમ્બર અથવા પ્રવાહી સ્ફુરણ (scintillation) કાઉન્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. કેટલાક કિસ્સામાં પાતળા પડવાળી બારી ધરાવતા ગાઇગર કાઉન્ટર પણ વપરાય છે. વધુ ઊર્જા ધરાવતાં β કિરણો (P³², F¹⁸, Cl³⁶, I¹³¹) માટે ગાઇગર કાઉન્ટર અથવા અન્ય કાઉન્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે β_r⁸², I¹³¹ જેવા γ વિકિરકો માટે સ્ફટિક સ્ફુરણ કાઉન્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બહુ નિર્બળ વિકિરણને પારખવા માટે નમૂનાને ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ પાસે રાખી તેનો ફોટોગ્રાફ લેવામાં આવે છે. તેને ઑટોરેડિયોગ્રાફ કહેવામાં આવે છે. સમસ્થાનિક ટ્રેસરપ્રવિધિના તેમાં રહેલા તત્ત્વના અસામાન્ય (સ્થાયી અથવા વિકિરણધર્મી) અને સામાન્ય સમસ્થાનિકના ગુણોત્તર પ્રમાણે ત્રણ પ્રકાર પાડી શકાય : (1) અચળ સમસ્થાનિક ગુણોત્તર, (2) ફેરફારયુક્ત સમસ્થાનિક ગુણોત્તર, (3) સમસ્થાનિક ગુણોત્તર બિનજરૂરી.

(1) અચળ સમસ્થાનિક ગુણોત્તર : પદાર્થના ભૌતિક તેમજ રાસાયણિક ગુણધર્મો નક્કી કરવા વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોનો નિર્દેશક તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. AgBrની દ્રાવ્યતા નક્કી કરવા ચોક્કસ વિશિષ્ટ સક્રિયતા ધરાવતા વિકિરણધર્મી Br^82*નો ઉપયોગ કરી અદ્રાવ્ય AgBr બનાવવામાં આવે છે. તેનું સંતૃપ્ત દ્રાવણ બનાવી દ્રાવણના આપેલા કદમાંથી મળતા અવશેષમાંના Br^*નું પ્રમાણ નક્કી કરી AgBrની દ્રાવ્યતા નક્કી થઈ શકે છે. પ્લૅઝ્મા વૉલ્યુમ એક્સપાન્ડર તરીકે વપરાતા ડેક્સટ્રાન બહુશર્કરાનો અણુભાર નક્કી કરવા માટે વિકિરણધર્મી Cનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. નૅપ્ચુનિયમ (Np⁹³) અને પ્લૂટોનિયમ (Pu⁹⁴) જેવાં વિકિરણધર્મી તત્વો યુરેનિયમ ગ્રૅફાઇટ ભઠ્ઠી(pile)માંથી પૂરતી માત્રામાં મેળવવામાં આવ્યાં તે પહેલાં તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મોનો અલ્પ માત્રા ઉપર અભ્યાસ ઘણાં વર્ષો અગાઉ શક્ય બન્યો હતો. આને રસાયણશાસ્ત્રમાં એક અદ્ભુત ઘટના ગણવામાં આવે છે. આ ગુણધર્મોના અભ્યાસને આધારે જ પરમાણુબૉમ્બની શોધ વધુ ઝડપી બની હતી. આ ઉપરાંત અનુયુરેનિયમ તત્વો જેવાં કે  અમેરિશિયમ (Am⁹⁵), ક્યુરિયમ (Cm⁹⁶), બર્કેલિયમ (Bk⁹⁷), કૅલિફૉર્નિયમ (Cf⁹⁸), આઇન્સ્ટાઇનિયમ (Es⁹⁹), ફર્મિયમ (Fm¹⁰⁰), મેન્ડેલિવિયમ (Md¹⁰¹), નોબેલિયમ (No¹⁰²) અને લૉરેન્શિયમ (Lr¹⁰³)ના રાસાયણિક ગુણધર્મો ટ્રેસરમાત્રામાં તારવેલા સમસ્થાનિકોના અભ્યાસના આધારે જ મેળવવામાં આવેલા. BiH₃નું અસ્તિત્વ વિકિરણધર્મી બિસ્મથ સમસ્થાનિક થોરિયમ – C દ્વારા નક્કી કરવામાં આવેલું. પુન:સ્ફટિકીકરણ (recrystatisation) અને નિષ્કર્ષણના નિયમો, સક્રિય જથ્થાનો નિયમ અને અનંત મંદને (dilution) વીજધ્રુવ વિભવના નિયમની યથાર્થતા સમસ્થાનિકીય અભ્યાસ દ્વારા પુરવાર થઈ શકી છે. નર્ન્સટનો વીજચાલક બળ(EMF)નો નિયમ તો બિસ્મથના 1¹² સપ્રમાણ જેટલા મંદ દ્રાવણ માટે પણ સાચો ઠર્યો છે. સૂક્ષ્મ વિશ્લેષણની વિદ્યુતરાસાયણિક અથવા ભારમાપક પદ્ધતિઓ તેમજ વિશ્લેષણની નવી પદ્ધતિમાં કઈ જગ્યાએ ક્ષતિ દાખલ થાય છે તે શોધવા ટ્રેસર–પ્રવિધિ આદર્શ છે. ખડકમાં રહેલા સ્તરના લેડના વિશ્લેષણની ભૂલ રેડિયમ D સમસ્થાનિક દ્વારા અને રૂથિનિયમ ખનિજમાં તેના વિશ્લેષણની ભૂલ વિકિરણધર્મી રૂથિનિયમના ઉપયોગથી શોધવામાં આવેલી. મિશ્ર સ્ફટિકીકરણ મિશ્રધાતુ-(alloys)માં આંતરધાતુ સંયોજનોનું નિર્માણ, કેટલાક પ્રકારનાં પ્રસરણ અધિશોષણ (absorption) અને સહઅવક્ષેપન (coprecipitation) પ્રક્રિયાઓમાં પણ ટ્રેસર–પ્રવિધિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સ્ટેનલેસ સ્ટીલમાં ર્જીણતા (aging) અથવા બરડતા આવવાનું કારણ તેમાંના Cનું તેની મૂળ જગ્યાએથી થતું સ્થળાંતર છે એ હકીકત C¹⁴ વડે નક્કી કરી શકાઈ હતી. ઘસારો અને ક્ષારણની સમસ્યાનો અભ્યાસ પણ ટ્રેસર–પ્રવિધિથી શક્ય બન્યો છે. લેડ, કૉપર વગેરે ધાતુની ચિહનિત સપાટી પર તે જ ધાતુને વારંવાર સરકાવતાં તેમાં મિલીમાઇક્રોગ્રામમાં થતો ઘસારો કાઉન્ટિંગ કે ઑટોરેડિયોગ્રાફીથી માપવામાં આવે છે. રીલે ભાગો અને પિસ્ટન રિંગોને ન્યૂક્લિયર રિઍક્ટર અથવા ભઠ્ઠીમાં મૂકી વિકિરણધર્મી બનાવી તેના ઘસારા પર તેમજ આ ઘસારા પર ઊંજણની શી અસર થાય છે તે ટ્રેસર-પ્રવિધિથી નક્કી કરવામાં આવે છે.

(2) ફેરફારયુક્ત સમસ્થાનિક ગુણોત્તર : આ પ્રવિધિમાં સામાન્ય સમસ્થાનિકો અને વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોના ગુણોત્તરમાં ફેરફાર થાય છે. કેટલીક રાસાયણિક પ્રક્રિયા, ઉદ્દીપનીય ઘટના (catalytic phenomenon), સ્ફટિક સપાટીનો વિસ્તાર, રાસાયણિક બંધની સાપેક્ષ મજબૂતાઈ અને અન્ય સમસ્યાના ઉકેલ માટે આ પ્રકારની ટ્રેસર-પ્રવિધિ ઉપયોગી થઈ છે. અસંખ્ય પ્રક્રિયાઓનો સમાંગ (homogeneous) અને વિષમાંગ (heterogeneous) પ્રણાલીઓમાં અનેક વિનિમય  સમસ્થાનિક અથવા વિતરણ પ્રક્રિયાઓનો  અભ્યાસ કરવામાં આવેલો છે. વાયુપ્રાવસ્થા પ્રક્રિયામાં વિકિરણધર્મી Br* વાપરી નીચેની પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરવામાં આવેલો છે :

HBr^* + Br₂  → HBr + Br2^*

દરેક સંયોજનમાં વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકની તીવ્રતા નક્કી કરી Br₂નો વિનિમય પ્રમાણસર થાય છે તેમ નક્કી કરવામાં આવેલું છે. સમસ્થાનિકોના વિનિમયનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હોય તેવી પ્રવાહી અવસ્થાવાળી કાર્બનિક અને અકાર્બનિક એમ ઘણી પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ થયો છે. મોટાભાગની આવી પ્રક્રિયા હેલાઈડ સંયોજનો સાથે સંકળાયેલી છે. આવી એક પ્રક્રિયા નીચે બતાવવામાં આવેલી છે :

ઓરડાના તાપમાને Br^* વિનિમય માટે ફક્ત એક જ મિનિટની જરૂર પડે છે. બ્રોમીન સમસ્થાનિક પરમાણુનો પૂર્ણ વિનિમય અને AlBr₃^* માંના બધા જ બ્રોમીન પરમાણુઓ એકસરખા છે. તેની કસોટી વિકિરણધર્મી Br^* પરમાણુઓ બંને સંયોજનોમાં બ્રોમીન પરમાણુઓનો જે ગુણોત્તર હોય તે  ગુણોત્તરના પ્રમાણમાં વિનિમય પામે ત્યારે થઈ તેમ કહી શકાય. બેન્ઝાઇલ હેલાઇડના પ્રમાણમાં ફિનાઇલ હેલાઇડનો હેલોજન વિનિમયદર ઓછો છે. એમોનિયમ પૉલિસલ્ફાઇડના બધા જ સલ્ફર-પરમાણુ એકસરખા છે, જ્યારે સોડિયમ થાયૉસલ્ફેટના બધા જ સલ્ફર-પરમાણુ એકસરખા નથી, તે આવા પ્રયોગથી બતાવી શકાયું છે. ચિહનિત As^*નો ઉપયોગ કરી આર્સેનસ ઍસિડ અને આયોડિન વચ્ચેની ઉપચયન-અપચયન પ્રક્રિયાના વેગનો દર માપી શકાયો છે. પાણી અને ઍસિડ, આલ્ડિહાઇડ, કીટોન જેવાં કાર્બનિક સંયોજનો તેમજ સલ્ફેટ અને કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ તથા અકાર્બનિક સંયોજનો વચ્ચે ઑક્સિજનનો વિનિમય થયેલો જોવા મળે છે. વિકિરણધર્મી ધાતુઓ જેવી કે Fe અને Cr વગેરેનો ઉપયોગ કરીને સંકીર્ણ અને અસંકીર્ણ આયનો વચ્ચે ધાતુ–પરમાણુઓનો વિનિમય થયો છે કે નહિ તે નક્કી કરી શકાયું છે. સ્થિર સમસ્થાનિકોનો ઉપયોગ કરી એસ્ટર બનાવવાની પ્રક્રિયા જળવિભાજનની પ્રક્રિયા અને બહુલીકરણની પ્રક્રિયાઓની ગતિવિધિ નક્કી થઈ શકી છે. પ્રકાશ-સંશ્લેષણની પ્રક્રિયા સમજવા માટે O¹⁸ અને C¹⁴ O₂નો ઉપયોગ કરવામાં આવેલો અને એવું નક્કી કરવામાં આવ્યું કે વનસ્પતિ જે પાણી શોષે છે તેમાંનો O₂ તે બહાર કાઢે છે. વનસ્પતિમાંથી જે C¹⁴O₂ લે છે તે છેવટે સુક્રોઝમાં પરિણમે છે. સમસ્સ્થાનિક ગુણોત્તરમાં ફેરફાર થતાં ઉપર આધારિત સમસ્થાનિક મંદનપદ્ધતિ (isotope dilution method) જૈવરાસાયણિક સંશોધનમાં સંકીર્ણ મિશ્રણમાં ઍમિનોઍસિડનું પ્રમાણ શોધવા માટે ઘણી ઉપયોગી પુરવાર થઈ છે. ભારે N¹⁵ ધરાવતો પણ N¹⁵/N¹⁴નું પ્રમાણ જ્ઞાત હોય તેવા પ્રથમ સંશ્લેષિત કરેલા ઍમિનોઍસિડને, જેનું પ્રમાણ શોધવાનું હોય તેવા અજ્ઞાત મિશ્રણમાં ચોક્કસ પ્રમાણમાં ઉમેરવામાં આવે છે. તેમાં જો O¹⁸ C¹³ H² નિર્દેશક તરીકે વાપર્યા હોય તો સમસ્થાનિક ગુણોત્તર  અનુક્રમે  મિશ્રણનું સમાંગીકરણ O¹⁸ / O¹⁶; C¹³ / C¹² અથવા H₂H¹ કર્યા પછી આવશે. તેમાંથી થોડો ભાગ લઈ તેને શુદ્ધ સ્થિતિમાં મેળવ્યા પછી તેમાંના સમસ્થાનિકના ગુણોત્તરનું પ્રમાણ નક્કી કરવામાં આવે છે. સમસ્થાનિક ગુણોત્તરના ફેરફાર ઉપરથી તેમાંના ઍમિનોઍસિડનું પ્રમાણ નક્કી કરી શકાય છે. અહીં કુદરતી રીતે સંયોજનમાં આવેલા ચિહ્નિત સમસ્થાનિક્ધો લક્ષમાં લેવો જરૂરી છે. આ જ પદ્ધતિ દ્વારા પેનિસિલીન ઉદ્યોગમાં આથવણમાં તેનું પ્રમાણ કેટલું છે તે નક્કી કરવામાં આવે છે.

(3) સમસ્થાનિક ગુણોત્તર બિનજરૂરી : જ્યારે કોઈ પ્રણાલીમાં પ્રક્રમ(process)ની ક્રિયાવિધિ (mechanism) કરતાં પ્રણાલીમાંના કોઈ એક તત્વનો પથ વધુ અગત્યનો હોય ત્યારે ટ્રૅસર-પ્રવિધિમાં સમસ્થાનિક ગુણોત્તર ધ્યાનમાં  લેવો જરૂરી નથી. ગોલ્ડ અને લેડ ધાતુના સ્વપ્રસરણનો અભ્યાસ તેમના વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોના માર્ગના અભ્યાસ પરથી નક્કી કરી શકાય છે. પાઇપલાઇનમાં જુદા જુદા કાચા તેલની સીમા નક્કી કરવા માટે વિકિરણધર્મી Ba¹⁴⁰ માંથી ઉત્સર્જિત તથા ભેદક (g) કિરણોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. તેલના કૂવાના શારકામ દરમિયાન છિદ્રાળુ તેલધારક સ્તર નક્કી કરવા વિકિરણધર્મી I¹³¹નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. દર્દીની થાઇરૉઇડ ગ્રંથિ બરાબર કાર્ય કરે છે કે ઓછીવત્તી સક્રિય છે તે જાણવા માટે દરદીને I¹³¹ મોં વડે આપવામાં આવે છે. શરીરમાં દાખલ થયા પછી પૂરતા સમય પછી થાઇરૉઇડ ગ્રંથિએ અવશોષણથી મેળવેલી I¹³¹ની માત્રા માપવામાં આવે છે અને તે ઉપરથી થાઇરૉઇડ ગ્રંથિની સક્રિયતા નક્કી થઈ શકે છે. શરીરમાંના પાણીનું પ્રમાણ તેમજ ઇલેક્ટ્રૉલાઇટનું પ્રમાણ સમસ્થાનિક મંદનપ્રવિધિથી માપવામાં આવે છે.  પાણીના માપન માટે  ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. શરીરમાં Na⁺ અને K⁺ના માપન માટે Na²⁴ અને  K⁴²નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. થાઇરૉઇડના કૅન્સર માટે તેમજ મગજમાંની અને અન્ય ગાંઠ માટે પણ સમસ્થાનિક ટ્રેસર-પ્રવિધિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

એક સંશોધકે ચામાચીડિયાના અભ્યાસ માટે તેમના પગે Co⁶⁰ લગાડ્યો અને તેમના માળા પર સ્વયંસંચાલિત રેકર્ડર મૂક્યું જેથી રાતના વખતે ચામાચીડિયાં તેમના માળામાં રહે છે કે નહિ તે નક્કી કરી શકાય. ગટરોમાં વંદાનું સ્થળાંતર અને નાનાં પ્રાણીઓ અને જીવજંતુઓના વ્યવહારનો અભ્યાસ સમસ્થાનિક ટ્રેસરથી કરવામાં આવેલો  છે. Ca અને P³²યુક્ત ખાતર જમીનમાં નાખી નજીકના છોડમાં તે કેટલા પ્રમાણમાં દાખલ થાય છે તેના આધારે જમીનમાં કેટલા ખાતરની જરૂર છે તે નક્કી કરી શકાય છે. ઉદ્યોગમાં પણ ટ્રેસર- પ્રવિધિના ઉપયોગ વડે આખા પ્લાન્ટનું સંચાલન કરવામાં આવે છે.

પ્રવીણસાગર સત્યપંથી