ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ (nuclear reactions)

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ (nuclear reactions) : પરમાણ્વીય ન્યૂક્લિયસ અને પ્રતાડક કણ કે ફોટૉન (પ્રકાશના કણ) વચ્ચે થતી પ્રક્રિયા. ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાને અંતે નવી ન્યૂક્લિયસ મળે છે. તે સાથે કણોનું ઉત્સર્જન પણ થાય છે; જેમ કે, નાઇટ્રોજન (¹⁴₇N) ઉપર હિલિયમ-ન્યૂક્લિયસ (⁴₂He) એટલે કે આલ્ફા (α) કણનું પ્રતાડન કરતાં, ઑક્સિજન (¹⁷₈O) અને હાઇડ્રોજન(¹₁H)ની નવી ન્યૂક્લિયસ એટલે કે પ્રોટૉન (P) મળે છે.

 

આ પ્રક્રિયાને સંક્ષિપ્તમાં ¹⁴N(α,P)¹⁷O એ રીતે પણ દર્શાવાય છે.

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા દરમિયાન ન્યૂક્લિયસની સંરચનામાં ફેરફાર થતો હોય છે. આવા ફેરફારને કારણે ન્યૂક્લિયસમાંથી ન્યૂટ્રૉન બહાર આવે કે તેમાં ઉમેરાય તો જે તે તત્વનો સમસ્થાનિક (isotope) મળે છે. (સમસ્થાનિક એટલે એક જ સરખા રાસાયણિક ગુણધર્મો અને જુદા જુદા ભૌતિક ગુણધર્મો ધરાવતાં તત્વો.)

પ્રોટૉન બહાર આવે કે ઉમેરાય ત્યારે નવું તત્વ મળે છે. નવું તત્વ બને તે ઘટનાને તત્વાંતરણ (transmutation) કહે છે.

જેમાંથી ઊર્જા મેળવી શકાય છે તેવી ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ ત્રણ પ્રકારની હોય છે : (1) રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજન અથવા ક્ષય (decay), (2) ન્યૂક્લિયર વિખંડન (fission) અને (3) ન્યૂક્લિયર સંલયન (fusion). જે કોઈ દ્રવ્ય આ પ્રક્રિયાઓમાં ભાગ લે છે તેના દ્રવ્યમાનમાં પ્રક્રિયાને અંતે ઘટાડો થાય છે. દ્રવ્યમાન ક્ષતિ (mass defect) તરીકે ઓળખાતો દ્રવ્યમાનનો આ ઘટાડો, આઇન્સ્ટાઇનના સિદ્ધાંત (E = mc²) મુજબ, ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે. રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજનની ઘટના સ્વયંભૂ (spontaneous) છે. અસ્થાયી રેડિયો-ઍક્ટિવ ન્યૂક્લિયસ આપોઆપ, સમસ્થાનિક અથવા નવા તત્ત્વમાં રૂપાંતર પામે છે. આ પ્રક્રિયાને પરિણામે વિદ્યુતભારિત કણો અને વિકિરણનું ઉત્સર્જન થતું હોય છે. યુરેનિયમ અને થોરિયમ જેવાં ભારે તત્વોનું રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજન આપોઆપ થાય છે અને પરિણામે કુદરતી અથવા પશ્ચ વિકિરણમાં વધારો થાય છે. આપોઆપ રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજનની પ્રક્રિયા કુદરતી કહેવાય છે, જ્યારે રિઍક્ટરમાં થતા રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજનને કૃત્રિમ કહે છે.

ન્યૂક્લિયર વિકિરણમાં આલ્ફાકણ, બીટા-કણ (ધન કે ઋણ) અને ગામા-કિરણોનો સમાવેશ થાય છે. આલ્ફાકણમાં બે પ્રોટૉન તથા બે ન્યૂટ્રૉન હોય છે, અર્થાત્ તે હિલિયમની ન્યૂક્લિયસ છે. બીટા-કણ ઇલેક્ટ્રૉન (⁰_-1e) અથવા પૉઝિટ્રૉન (⁰_-1e) છે, જ્યારે ગામા-કિરણો, X-કિરણો જેવા, વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગો છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવ વિભંજનનું માપ અર્ધજીવનકાળ(half life time)ના એકમમાં વ્યક્ત કરાય છે. પદાર્થમાં જેટલા રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુઓ હોય તેમાંથી અર્ધી સંખ્યાના પરમાણુઓનું વિભંજન થવા માટે જે સમય લાગે છે તેને અર્ધજીવનકાળ કહે છે. અથવા જે સમય દરમિયાન પદાર્થની રેડિયો-ઍક્ટિવિટીનું મૂલ્ય અર્ધું થાય છે તેને અર્ધ-જીવનકાળ કહે છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વ(^A_ZX)માંથી આલ્ફાકણનું (₂He⁴) ઉત્સર્જન થાય ત્યારે તત્વના પરમાણુભારાંક(A)માં 4નો અને પરમાણુક્રમાંક (Z)માં 2નો ઘટાડો થાય છે અને નવું તત્વ  મળે છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વ(^A_ZX)માંથી બીટાકણ (ઇલેક્ટ્રૉન ⁰_-1e) નીકળે ત્યારે તત્વના પરમાણુભારાંકમાં કશો ફેર પડતો નથી, જ્યારે પરમાણુક્રમાંકમાં 1નો વધારો થાય છે અને નવું તત્વ (^A_Z+1Y) મળે છે.

જો પૉઝિટ્રૉન (⁰₊₁e) ઉત્સર્જિત થાય તો એક ધન વિદ્યુતભાર ઓછો થાય છે. અહીં પ્રોટૉનનો ક્ષય થતાં ન્યૂટ્રૉન, પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રૉન મળે છે. આવો પૉઝિટ્રૉન ન્યૂક્લિયસની બહાર આવે ત્યારે ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉન ઘટે છે અને એક ન્યૂટ્રૉન વધે છે. કાર્બન (¹¹₆N) 6 પ્રોટૉન અને 5 ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. તેમાંથી પૉઝિટ્રૉનનું ઉત્સર્જન થતાં તે બૉરોન (¹¹₅B) બને છે, જે 5 પ્રોટૉન અને 6 ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વમાંથી ગામા-કિરણનું ઉત્સર્જન થાય તો તેના પરમાણુભારાંક અને પરમાણુક્રમાંકમાં કશો ફેર પડતો નથી; કારણ કે ગામા-કિરણો અતિસૂક્ષ્મ તરંગલંબાઈના વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગો હોઈ, વિદ્યુત-ભાર કે દળ ધરાવતાં નથી. ગામા-કિરણોના ઉત્સર્જન બાદ ન્યૂક્લિયસનું અસ્થાયીપણું ઘટે છે.

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયામાં કણ સ્થિર-ન્યૂક્લિયસ સાથે અથડાતો હોય છે. પ્રક્રિયા પહેલાં અને પછી પ્રક્રિયામાં ભાગ લેતા ઘટકો એના એ જ રહે તો તેને પ્રકીર્ણન (scattering) કહે છે. પ્રકીર્ણન દરમિયાન આપાત-કણ તેની થોડીઘણી ઊર્જા લક્ષ્ય (target) ન્યૂક્લિયસને આપે તો તેને અસ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન કહે છે. અને પ્રક્રિયા પહેલાં અને પછી આપાત-કણની ગતિ ઊર્જા અચળ રહે તો તેને સ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન કહે છે. પ્રક્રિયા બાદ ઘટક કણો પહેલાં કરતાં જુદા મળે તો તેને ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા (reaction) કહે છે.

પૂરતી ઊર્જાવાળો ડ્યૂટેરૉન (²₁H) અથવા (d) એટલે કે ભારે હાઇડ્રોજન, કાર્બન (¹²₆C) સાથે અથડાય તો નીચે પ્રમાણે ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ જોવા મળે છે :

 ડ્યૂટેરૉનની જેમ પ્રતાડક કણ તરીકે આલ્ફા (α), ન્યૂટ્રૉન ₀n¹, ફોટૉન જેવા કણોનો ઉપયોગ કરીને જુદી જુદી ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ મેળવી શકાય છે. ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા દરમિયાન વિદ્યુતભાર, ન્યૂક્લિયૉનની સંખ્યા, ઊર્જા, રેખીય તથા કોણીય વેગમાન અને કેટલીક પ્રક્રિયામાં સમાનતાનું સંરક્ષણ થાય છે.

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા કેટલા સમયમાં થાય છે અને આપાત-કણની કેટલી ગતિ-ઊર્જા ન્યૂક્લિયસને ઉત્તેજિત કરવા માટે મળે છે તે બે બાબત મહત્વની છે. નીલ બ્હોરના મત મુજબ લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસ આપાત-કણનું શોષણ કરીને સંયુક્ત (compound) ન્યૂક્લિયસ બને છે. આવી ન્યૂક્લિયસનું આયુષ્ય આશરે 10^–16 સેકન્ડ જેટલું હોય છે. કણને ન્યૂક્લિયસની આરપાર નીકળી જવા માટે 10^–22 સેકન્ડ લાગે છે. આ દૃષ્ટિએ સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસનું આયુષ્ય ઘણું વધારે ગણાય. આપાત-કણ ન્યૂક્લિયસમાં દાખલ થાય ત્યારે તેની ગતિ-ઊર્જા, ન્યૂક્લિયૉન વચ્ચે વહેંચાય છે. બરાબર આ સમયે આપાત-કણ અને લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસનું અલગ અસ્તિત્વ નથી રહેતું. સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસ અત્યંત ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં હોઈ તે અસ્થાયી હોય છે. ઉષ્માગતિકીય સમતોલન પ્રાપ્ત કર્યા બાદ તેનું વિભાજન થાય છે.

વિભંજનની આ ક્રિયા પ્રવાહીના બાષ્પીભવનની ક્રિયા જેવી છે. સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસમાંથી ન્યૂક્લિયૉન અથવા હલકા કણ ઉત્સર્જિત થાય છે. હલકાં તત્વોની બાબતે આગળ દર્શાવ્યા પ્રમાણેની પ્રક્રિયાઓ થાય છે જ્યારે ભારે તત્વો (A > 200) માટે સંભવત: ન્યૂક્લિયરનું વિખંડન થાય છે.

કેટલીક એવી ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ છે જેમાં સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસનું નિર્માણ થતું નથી. આપાત-કણ લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસની સપાટી ઉપર રહેલા કોઈ એક ન્યૂક્લિયૉન સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. આવી પ્રક્રિયા પ્રકીર્ણન-સ્વરૂપે થતી હોય છે. પ્રકીર્ણનમાં આપાત-કણની થોડી ઘણી ગતિ-ઊર્જા લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસને ઉત્તેજિત કરવામાં વપરાય તો તેને અસ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન કહે છે. સ્થાનાંતર પ્રક્રિયામાં ન્યૂક્લિયૉનની ફેરબદલી થતી હોય છે. ઘણીખરી સીધી (direct) પ્રક્રિયાઓમાં આપાત-કણ અને લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે ન્યૂક્લિયૉનની આપ-લે થાય છે. આપાત-કણ તેનો ન્યૂક્લિયૉન લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસને આપે તો તેવી પ્રક્રિયાને પટ્ટીકરણ (stripping) કહે છે અને જો મેળવે તો ઉત્થાપક (pick-up) પ્રક્રિયા કહે છે. ડ્યૂટેરૉન ન્યૂટ્રૉન તથા પ્રોટૉન ધરાવે છે. આવો ડ્યૂટેરૉન લક્ષ્ય-ન્યૂક્લિયસ પાસેથી પસાર થાય ત્યારે ન્યૂક્લિયસ, ન્યૂટ્રૉનને પકડી પાડે છે અને પ્રોટૉનને સીધેસીધો જવા દે છે.

અસ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન એ સીધેસીધી પ્રક્રિયા છે જેમાં કણોનું કોણીય વિતરણ ઉત્તેજિત સ્થિતિના પ્રચક્રણ (spin) અને સમતા(parity)ની માહિતી આપે છે. સ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન એ પણ સીધેસીધી આંતરક્રિયા છે. તેમાં આંતરક્રિયા કરતા કણોમાં કશો જ ફેરફાર થતો નથી.

કેટલીક ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓની ક્રિયાવિધિ ઘણી જટિલ હોય છે; જેમ કે, સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસમાં ન્યૂક્લિયૉન વચ્ચે ગતિ-ઊર્જાનું ઉત્સર્જન થતું હોય છે. આને સમતોલન પૂર્વેનું ઉત્સર્જન કહે છે. ક્રિપ્ટૉન (⁸⁴Kr) અને બિસ્મથ (²⁰⁹Bi) જેવી ભારે ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે આંતરક્રિયા થાય ત્યારે સંયુક્ત ન્યૂક્લિયસના નિર્માણની સંભાવના બિલકુલ ઓછી હોય છે. અહીં થોડાક સમય માટે આંતરક્રિયા થાય છે અને પછીથી તે સીધી પ્રક્રિયામાં પરિણમે છે.

ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓનો હેતુ ન્યૂક્લિયસની સંરચનાનો અભ્યાસ કરવાનો છે. તેને માટે સૌપ્રથમ પ્રક્રિયાવિધિ ઉપર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવાનું હોય છે, ત્યારબાદ પ્રક્રિયામાં ભાગ લેતી ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે સંબંધ સ્થાપિત કરવાનો હોય છે. ન્યૂક્લિયસના કવચ, પ્રવાહી-બુંદ કે અન્ય પ્રકારના નમૂનાથી સૈદ્ધાંતિક અભ્યાસ શરૂ કરવામાં આવે છે. તે સાથે પ્રાયોગિક પરિણામો મેળવવામાં આવે છે અને તેને આધારે નમૂનામાં સુધારા-વધારા કરવામાં આવે છે. સૈદ્ધાંતિક આગાહી મુજબ પરિણામો મળે ત્યાં સુધી પ્રયોગો અને આનુષંગિક સુધારા-વધારા ચાલુ રાખવામાં આવે છે, ત્યાર પછી જ ન્યૂક્લિયસની પ્રમાણભૂત માહિતી મળી શકે છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ