ન્યૂક્લિયર દહનચક્ર (nuclear combustion cycle)

ન્યૂક્લિયર દહનચક્ર (nuclear combustion cycle) : 4 હાઇડ્રોજન ન્યૂક્લિયસ(પ્રોટૉન P)નું અતિ ઊંચા તાપમાને સંલયન (fusion) દ્વારા હિલિયમ ન્યૂક્લિયસ (આલ્ફા કણ – α)માં રૂપાંતર થવાની ઘટના. આ ઘટના બે રીતે થાય છે : (1) પ્રોટૉન-પ્રોટૉન(PP)-ચક્ર અને (2) કાર્બન-નાઇટ્રોજન(CN)-ચક્ર તરીકે. આ પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન ઊર્જા મુક્ત થાય છે અને તેની સાથે પૉઝિટ્રૉન (e⁺) તથા ન્યૂટ્રિનો(υ)નું ઉત્સર્જન થાય છે. સૂર્ય અને તારાઓમાં બંને પ્રક્રિયાઓ ઓછાવત્તા પ્રમાણમાં ચાલતી હોય છે, જેને કારણે ઊર્જાનો વિપુલ જથ્થો પેદા થાય છે.

મુખ્ય ક્રમ (main sequence) તારાથી થોડાક નાના અને થોડાક મોટા તારાઓની ઊર્જાનો સ્રોત PP-ચક્ર છે. 4 પ્રોટૉનનું સંલયન થતાં હિલિયમ-ન્યૂક્લિયસ બને ત્યારે આ પ્રક્રિયાને અંતે દળમાં ઘટ પડે છે. આ ઘટ આઇન્સ્ટાઇનના સિદ્ધાંત E = mc² મુજબ ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે. તેની સાથે ગામા-કિરણ ફોટૉન-સ્વરૂપે અને ન્યૂટ્રિનો ઉત્સર્જન પામે છે. આ ચક્રમાં થતી શ્રેણીબદ્ધ પ્રક્રિયાઓ નીચે પ્રમાણે છે :

એક પ્રોટૉન (હાઇડ્રોજન ન્યૂક્લિયસ –¹₁H) બીજા પ્રોટૉન સાથે સંયોજાતાં ડ્યૂટેરિયમ (ભારે હાઇડ્રોજન ²₁H) બને છે તે સાથે પૉઝિટ્રૉન (e⁺) અને ન્યૂટ્રિનો (υ) મુક્ત થાય છે :

ડ્યૂટેરિયમ (²₁H) સાથે પ્રોટૉન (¹₁H) સંયોજાતાં હિલિયમ (¹₂H) બને છે અને ગામા-વિકિરણ (γ) ફોટૉન-સ્વરૂપે ઉત્સર્જિત થાય છે :

હિલિયમ (¹₂He)ની બે ન્યૂક્લિયસ સંયોજાતાં એક હિલિયમ ન્યૂક્લિયસ (⁴₂He) અને બે પ્રોટૉન (¹₁H) મળે છે :

આ બધી પ્રક્રિયાઓને એક જ પ્રક્રિયા વડે નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય છે :

સૂર્યના અતિ ગરમ અંતર્ભાગ(core)માં મોટા પાયે PP – પ્રક્રિયા અને અલ્પાંશે CN – પ્રક્રિયા ચાલે છે. PP – પ્રક્રિયાના એક જ ચક્ર દરમિયાન 26.73 MeV ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે તે સાથે બે પૉઝિટ્રૉન અને બે ન્યૂટ્રિનો ઉત્સર્જિત થાય છે.

સૂર્ય અને તારાઓની ઊર્જાનું બીજું કારણ કાર્બન-નાઇટ્રોજન(CN)-ચક્ર છે. આ પ્રક્રિયા છ તબક્કાઓમાં થાય છે. આ પ્રક્રિયાઓની શ્રેણી દરમિયાન કાર્બન તો ઉદ્દીપક (catalyst) તરીકે જ કાર્ય કરે છે. કાર્બન પરમાણુથી આ પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે અને છ તબક્કાને અંતે કાર્બન મળી રહે છે. આ CN – ચક્રમાં થતી પ્રક્રિયાઓની શ્રેણી નીચે પ્રમાણે છે :

કાર્બન (¹²₆H) અને પ્રોટૉન(¹₁H)નું સંયોજન થતાં નાઇટ્રોજન (¹³₇N) મળે છે અને તેની સાથે ગામા-વિકિરણનું ઉત્સર્જન થાય છે :

આ રીતે મળતો નાઇટ્રોજન તે સ્વરૂપે લાંબા સમય સુધી ટકતો નથી. એટલે કે તે રેડિયોઍક્ટિવ હોઈ અસ્થાયી હોય છે; તેથી તેનું વિભંજન થાય છે. પરિણામે કાર્બન(¹³₆C)માં રૂપાંતર થાય છે તે સાથે પૉઝિટ્રૉન (e⁺) અને ન્યૂટ્રિનો (υ) ઉત્સર્જિત થાય છે :

સમસ્થાનિક (isotope) કાર્બન(¹³₆C)નું પ્રોટૉન (¹₁H) સાથે સંયોજન થતાં નાઇટ્રોજન(¹⁴₇N)માં રૂપાંતર થાય છે અને તે સાથે ગામા-વિકિરણ ઉત્સર્જિત થાય છે.

નાઇટ્રોજન(¹⁴₇N)નું પ્રોટૉન (¹₁H) સાથે સંયોજન થતાં ઑક્સિજન(¹⁵₈O)માં રૂપાંતર થાય છે અને તે સાથે ગામા-વિકિરણ ઉત્સર્જિત થાય છે.

ઑક્સિજન (¹⁵₈O) રેડિયો-ઍક્ટિવ હોઈ તે અસ્થાયી છે અને તેનું વિભંજન થતાં નાઇટ્રોજન(¹⁵₇N), પૉઝિટ્રૉન (e⁺) અને ન્યૂટ્રિનો (u) મળે છે :

આ નાઇટ્રોજન (¹⁵₇N) સાથે ઝડપથી ગતિ કરતો પ્રોટૉન ((¹₂H) સંયોજાતાં ફરીથી કાર્બન (¹²₆C) અને હિલિયમ (⁴₂He) મળે છે. CN ચક્ર દરમિયાન અતિ ઊંચા તાપમાને થરમૉન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ દ્વારા હલકાં તત્વોનું સંલયન થાય છે. ગરમ તારાઓમાં CN ચક્ર જ ઊર્જાનો મુખ્ય સ્રોત છે. ગરમ તારાઓમાં મહદંશે CNચક્ર અને અલ્પાંશે PP – પ્રક્રિયા દ્વારા ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે. સૂર્યમાં તેથી ઊલટું થાય છે. ઠંડા તારાઓમાં CNચક્રની પ્રક્રિયા ખાસ જોવા મળતી નથી. અહીં પણ છેલ્લા તબક્કાના અંતે દળમાં ઘટ પડે છે, જે E = mc² મુજબ ઊર્જામાં રૂપાંતરિત થાય છે. જન્મે જર્મન પણ યુ. એસ.ના નાગરિક એવા ભૌતિકવિજ્ઞાની હાંસ બેથે 1938માં આ પ્રક્રિયા પ્રસિદ્ધ કરી. આવા એક ચક્ર દરમિયાન લગભગ 26.73 MeV ઊર્જા મુક્ત થાય છે અને 1.7 MeV ન્યૂટ્રિનો-ઊર્જા તરીકે બહાર ચાલી જાય છે. સૂર્ય કે તારાને ન્યૂટ્રિનો-ઊર્જા ઉષ્મા-ઊર્જા તરીકે મળતી નથી.

આ ઉપરાંત 1960માં તારાઓમાં ¹⁷O(P, α)¹⁸F(e⁺υ)¹⁸O(P, α)¹⁵N અને ¹⁸O(P, α)¹⁹F(P, α)16O પ્રક્રિયાઓ ચાલતી હોવાનું જણાયું છે, જેથી પેદા થતી કુલ ઊર્જામાં વધારો થાય છે.

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા અથવા ચક્ર દરમિયાન પેદા થતી ઊર્જા વિદ્યુતચુંબકીય ઊર્જા અને કણોની ગતિ-ઊર્જા તરત જ તારાના મધ્ય ભાગમાં ઉષ્મા-ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે. આ ઊર્જા ધીમે ધીમે સપાટી તરફ જાય છે. સૂર્યના મધ્ય ભાગમાં આ રીતે પેદા થતી ઊર્જા સપાટી સુધી પહોંચતાં લાખો વર્ષ લાગે છે જ્યારે આ ચક્ર દરમિયાન પેદા થતા ન્યૂટ્રિનો પ્રકાશના વેગથી ગતિ કરી લગભગ બે સેકન્ડમાં જ સૂર્યની બહાર નીકળી જાય છે; કારણ કે તે દ્રવ્ય સાથે અતિ મંદ આંતરક્રિયા કરે છે. આથી ન્યૂટ્રિનો પ્રચંડ ભેદનશક્તિ (penetration power) ધરાવે છે. પરિણામે સૂર્યમાં ચાલતી પ્રક્રિયાઓ અને હલચલની તાજી માહિતી મળી રહે છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ