ન્યૂક્લિયર રસાયણ (nuclear chemistry)

ન્યૂક્લિયર રસાયણ (nuclear chemistry) : પરમાણુના કેન્દ્ર(નાભિક)માં થતા ફેરફાર અથવા કેન્દ્રના રૂપાંતરણ (transformation) સાથે સંકળાયેલ રસાયણવિજ્ઞાનની શાખા. તેમાં સ્વયંભૂ (spontaneous) અને પ્રેરિત (induced) વિકિરણધર્મિતા (radioactivity), નાભિકો(nuclei)નાં ખંડન (fission) અથવા વિપાટન (splitting) અને તેમનાં સંગલન (fusion) અથવા સમ્મિલન(union)નો તેમજ પ્રક્રિયા-નીપજોના ગુણધર્મો, તેમના વર્તન તથા અલગીકરણ અને વિશ્લેષણનો સમાવેશ થાય છે. ન્યૂક્લિયર રસાયણમાં ભૌતિક તકનીકોનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે.

ન્યૂક્લિયર રસાયણવિદોનું મુખ્ય કાર્ય વિકિરણધર્મી અથવા વિકિરણોત્સર્ગી (radioactive) નાભિકોને ઓળખવાનું તેમજ તેમનાં અર્ધઆયુષ્ય (half-life), ક્ષય પામવાની રીત, ઉદ્ભવતી ઊર્જા, દળસંખ્યા (mass-number), કેન્દ્રકણ(nucleon)ની બંધનઊર્જા (binding energy) જેવા ગુણધર્મો નક્કી કરવાનું છે. આ અભ્યાસને લીધે સંશ્લેષિત (synthetic) વિકિરણોત્સર્ગી તત્ત્વોની શોધ થઈ શકી છે તથા પરમાણુક્રમાંક 112 તથા તેથી આગળનાં 118 સુધીનાં તત્ત્વો મેળવી શકાયાં છે. ન્યૂક્લિયર રસાયણનાં અન્ય ક્ષેત્રોમાં ન્યૂક્લિયર બંધારણ અને સ્પેક્ટ્રમિતિ તથા વિવિધ નાભિકીય પ્રક્રિયાની સંભવિતતા (probability) અને કાર્યવિધિ(mechanism)નો સમાવેશ થાય છે. આ ઉપરાંત સંકીર્ણ નાભિકો સાથે ઉચ્ચ ઊર્જાવાળા પ્રક્ષેપી કણો(projectiles)ની પારસ્પરિક ક્રિયા અને તેમાંથી મળતી નીપજોના અભ્યાસ સાથે પણ ન્યૂક્લિયર રસાયણ સંકળાયેલ છે.

ઐતિહાસિક પાર્શ્વભૂમિકા : ન્યૂક્લિયર રસાયણની શરૂઆત પિયરી અને મેરી ક્યૂરી દ્વારા 1898માં પોલોનિયમ અને રેડિયમ તત્ત્વોનાં અલગીકરણ અને ઓળખથી થઈ. તે પછીનાં થોડાં વર્ષોમાં ઍક્ટિનિયમ, થોરૉન અને રેડૉનની શોધ તેમજ વિકિરણોત્સર્ગી ક્ષય દરમિયાન ઉદભવતા α– તથા β– કણોની અને γ– કિરણોની ઓળખ તેમજ વિવિધ પ્રકારની કિરણોત્સર્ગી શ્રેણીઓની શોધને કારણે પારમાણ્વિક (atomic) અને ન્યૂક્લિયર વિજ્ઞાનમાં ઘણી પ્રગતિ થઈ શકી છે. α–કણો હિલિયમના નાભિકો (He²⁺) છે, જ્યારે β–કણો એ ઇલેક્ટ્રૉન છે. γ–કિરણો વીજભાર અને દળવિહીન કિરણો છે. આ પ્રકારનાં સંશોધનોને લીધે વિકિરણોત્સર્ગી ક્ષયના નિયમો તથા સમસ્થાનિકોનો ખ્યાલ અસ્તિત્વમાં આવ્યો. 1919માં રુધરફર્ડ તથા તેમના સહકાર્યકરો દ્વારા કૃત્રિમ તત્વાંતરણ(transmutation)ની, જ્યારે 1921માં હાન દ્વારા ન્યૂક્લિયર સમઘટકતા(isomerism)ની શોધ થઈ. 1932માં ઍન્ડરસને પૉઝિટ્રૉન (⁰₁e) નામનો ઇલેક્ટ્રૉન જેવો પણ ધનવીજભારિત કણ શોધ્યો. 1934માં આઇરીન ક્યૂરી (મેરી ક્યૂરીનાં પુત્રી) અને જોલિયોટે કૃત્રિમ વિકિરણધર્મિતા(artificial radioactivity)ની શોધ કરી.

તે અગાઉ 1932માં ચૅડવિક દ્વારા ન્યૂટ્રૉન કણની, જ્યારે યુરે અને તેમના સહકાર્યકરો દ્વારા ડ્યૂટેરિયમ(ભારે હાઇડ્રોજન)ની શોધ થઈ હતી. આ કણોને વેગીલા બનાવી અન્ય પરમાણુઓ પર તેમનો મારો ચલાવી હજારોની સંખ્યામાં કિરણોત્સર્ગી નાભિકો મેળવી શકાયા. 1939માં હાન અને સ્ટ્રાસમૅન દ્વારા નાભિકીય વિખંડન(nuclear fission)ની શોધ થવાને કારણે પરમાણુયુગનો ઉદય થયો અને 1940–45 દરમિયાન પરમાણુબૉમ્બ શક્ય બન્યો. આ માટે 1942માં ઇટાલિયન વૈજ્ઞાનિક એન્રિકો ફર્મી દ્વારા સૌપ્રથમ પરમાણુભઠ્ઠી અમેરિકામાં બાંધવામાં આવી.

દ્વિતીય વિશ્વયુદ્ધ પછીના સમયમાં પ્રતિકણો(antiparticles)ની શોધ થઈ. તેમાં 1953માં રાઇન્સ અને કોવન દ્વારા પ્રતિન્યૂટ્રિનો(antinutrino)ની, 1954માં સેગ્રે દ્વારા પ્રતિપ્રોટૉન(antiproton)ની અને 1956માં કૉર્ક અને તેમના સહકાર્યકરો દ્વારા પ્રતિન્યૂટ્રૉનની શોધ અગત્યની ગણી શકાય.

1956માં જ કૉલ્ડર હૉલ કમ્બ્રિયા ખાતે વિશ્વનું સૌપ્રથમ નાભિકીય શક્તિમથક(nuclear power station) કાર્યાન્વિત બન્યું.

નાભિકીય પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ : નાભિકીય પ્રક્રિયામાં અભિઘાતક (bombarding) કણ લક્ષ્ય (target) નાભિક સાથે પારસ્પરિક પ્રક્રિયા કરી એક અથવા વધુ નાભિકો અને અન્ય કણો ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન નાભિકો અને કણોના ઉત્સર્જન જેવી ઘટનાઓની ક્રમે ક્રમે ઘટનાવાર નોંધ કરવાથી પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ થઈ શકે છે. આ માટે અબરખ કે પોલિકાર્બોનેટ જેવા કણ-પથ-પરખકો(particle track detectors)નો ઉપયોગ થાય છે. આ અભ્યાસથી પ્રતિઘાતી (recoil) નાભિકોના કોણીય વિતરણની તેમજ કોઈ એક ન્યૂક્લિયર ઘટના દરમિયાન ઉત્સર્જિત થતા ટુકડાઓ(fragments)ની ગુણકતા (multiplicity) અંગેની માહિતી પ્રાપ્ત થઈ શકે છે. બારીક અવલોકન માટે બબલ-ચેમ્બર, સ્પાર્ક-ચેમ્બર અને સ્ટ્રીમર-ચેમ્બરનો ઉપયોગ થાય છે. પાતળા અને જાડા પરખકોની યોગ્ય ગોઠવણી કરવાથી ઘણા હલકા કણોનાં દળ અને તેમના વીજભાર અનન્ય રીતે (uniquely) જાણી શકાયાં છે. વળી ઉડ્ડયનકાળ (time of flight) અથવા વેગ અને ગતિજ ઊર્જા માપીને ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયામાં પ્રતિઘાત પામતા (recoiling) નાભિકોનાં દળ પણ માપી શકાય છે.

જો જાડા લક્ષ્ય (target) ઉપર મારો ચલાવવામાં આવે તો પ્રક્રિયા-નીપજો છટકીને બહાર જઈ શકતી ન હોવાથી પ્રત્યેક ઘટના લક્ષ્યના આધારદ્રવ્ય(matrix)માં રહી જાય છે. કોણીય વિતરણના અભ્યાસ તેમજ પ્રતિઘાતસીમાના માપન માટે પ્રતિઘાત પામતી નીપજોને ગ્રાહકપટ્ટી(catcher foil)માં પુંજ(beam)ની દિશાનાં વિવિધ કોણે એકઠી કરવામાં આવે છે. તેમનું રાસાયણિક અલગન કરવાથી ઉત્પન્ન થયેલાં તત્ત્વો પારખી શકાય છે, જ્યારે વિકિરણના માપન દ્વારા સમસ્થાનિકોને ઓળખી શકાય છે. સ્થાયી તેમજ વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોનું વિપુલતાપ્રમાણ દળ સ્પેક્ટ્રમિતિ (mass spectrometry) વડે પણ નક્કી થઈ શકે છે. જાડા લક્ષ્યના આધારદ્રવ્યમાં એકઠી થયેલ પ્રક્રિયા-નીપજોનું વિકિરણ-રાસાયણિક (radiochemical) અલગન અને અભિજ્ઞાન (identification)  એ નીપજો પારખવાની સરળ પદ્ધતિ છે. આને કારણે કેટલીક વિરલ (rare) ઘટનાઓને માપવાનું શક્ય બન્યું છે. જરૂર પડ્યે આ માટે વધુ પરિષ્કૃત (sophisticated) તકનીક ઉપયોગમાં લઈ શકાય. આ અભિગમને લીધે નવી નવી નાભિકીય ઘટનાઓનાં તેમજ ભારે આયનો વડે પ્રેરિત પ્રક્રિયાઓનાં અન્વેષણ શક્ય બન્યાં છે.

ન્યૂક્લિયર રસાયણને કારણે વિવિધ નાભિકીય પ્રક્રિયાઓનું ઊપજ-નિર્ધારણ (yield determination) તેમજ ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન અને પાયૉનથી માંડી યુરેનિયમ આયન સુધીના વિવિધ પ્રકારના પ્રક્ષેપકો (projectiles) તથા ઉષ્મીય(0.025eV)થી માંડીને ઉચ્ચ સાપેક્ષકીય (relativistic) ઊર્જા (500 GeV) વાપરવાથી મળતી નીપજોનું ઊર્જા-વિતરણ (ઊર્જા-વર્ણપટ) અને કોણીય વિતરણ નક્કી કરવાનું શક્ય બન્યું છે. આવો અભ્યાસ નાભિકીય વિખંડન (nuclear fission), સમુત્ખંડન (spallation) તથા અન્ય પ્રચંડ (violent) લક્ષ્ય-વિસ્ફોટનો(target explosions)ના અન્વેષણ માટે યોગ્ય ગણાય છે.

નાભિકીય સ્પેક્ટ્રમવિજ્ઞાન (nuclear spectroscopy) : કિરણોત્સર્ગી નાભિકો દ્વારા ઉત્સર્જિત થતાં વિકિરણોના ઊર્જા-વર્ણપટ વિશિષ્ટ પ્રકારનાં ઉપકરણો વાપરીને નક્કી થઈ શકે છે. α-કણ વર્ણપટ સ્પંદ-ઊંચાઈ (pulse height) વિશ્લેષકો સાથે જોડાયેલ ઘન-અવસ્થા જ્ઞાપકો (solid state detectors) વડે મેળવી શકાય છે. વધુ વિભેદન માટે ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા ચુંબકીય સ્પેક્ટ્રોમીટર વપરાય છે. β-કણ વર્ણપટ માટે અનુપાતિક ગણિત્રો (proportional counters) અને પ્રસ્ફુરણ-ગણિત્રો (scintillation counters) વપરાય છે. અહીં પણ ચોકસાઈપૂર્વકના (precise) ઊર્જા-નિર્ધારણ માટે ચુંબકીય સ્પેક્ટ્રોમીટર વપરાય છે. γ-કિરણ અને X-કિરણ વર્ણપટ માપવા માટે થેલિયમ વડે સક્રિય બનાવેલા સોડિયમ આયોડાઇડ પ્રસ્ફુરણ-ગણિત્રોનો ઉપયોગ થાય છે. વધુ વિભેદન અને ઊંચી ચોકસાઈ માટે ઘન-અવસ્થા-જ્ઞાપકોનો ઉપયોગ કરી શકાય.

ન્યૂક્લિયર સંરચનાના નિર્ધારણ માટે પણ નાભિકીય પ્રક્રિયા સ્પેક્ટ્રમિકી(spectroscopy)નો ઉપયોગ થાય છે. તેમાં પ્રક્ષેપી કણ (projectile)ના પ્રકાર તેમજ ઊર્જા જેવા ગુણધર્મો તેમજ ઉત્ક્ષેપિત (ejected) કેન્દ્રકણ(nucleon)ની ઊર્જા ઉપરથી ન્યૂક્લાઇડના ઊર્જાસ્તરો મળે છે. જોકે ન્યૂક્લાઇડ(nuclide)ના ઊર્જાસ્તરોની સંરચના અને દરેક સ્તરની ઊર્જા, ઘૂર્ણન તથા સમતા (parity) માટે સંકીર્ણ તકનીકનો ઉપયોગ જરૂરી છે.

નવાં ન્યૂક્લાઇડનું અન્વેષણ : વિવિધ પ્રકારનાં લગભગ 2,500 જેટલાં ન્યૂક્લાઇડ પારખી શકાયાં છે, પણ હજુ ઘણાં બાકી છે. ખાસ કરીને નાભિકોમાંના ન્યૂટ્રૉન તથા પ્રોટૉનની સ્થાયિતા(stability)-સીમા અંગે અન્વેષણ વધુ થઈ રહ્યું છે. આ સીમાની નજીકના ભાગમાં નાભિકીય જાતિ(species)નો અર્ધઆયુષ્ય સમય ઘણો ટૂંકો (મિલીસેકન્ડથી સેકન્ડ જેટલો) બને છે. આ માટે ખાસ પ્રકારની તકનીકો વિકસાવવામાં આવી છે. નવા ન્યૂક્લાઇડની શોધમાં ક્રમાંક 107થી આગળનાં તત્ત્વોના ન્યૂક્લાઇડની શોધ અગ્રતાક્રમે છે, કારણ કે પ્રોટૉન 114 અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા 184 અથવા 178 ધરાવતાં તત્ત્વો સ્થાયિતા-વિભાગ(island of stability)માં હોવાનું મનાય છે. આ માટે ભારે આયન-પ્રક્ષેપીકણ (દા. ત., 48Ca) અને ન્યૂટ્રૉન-સમૃદ્ધ લક્ષ્યો (દા. ત., 247Cm) મેળવવામાં આવ્યાં છે. એમ મનાય છે કે તેનાથી ધાર્યા મુજબનાં ન્યૂક્લાઇડ મેળવી શકાશે.

તકનીક : રાસાયણિક હસ્તકૌશલ્ય (manipulation) અને વિકિરણધર્મી પદાર્થોના અલગનની [વિકિરણ-રાસાયણિક (radiochemical) વિશ્લેષણની] તકનીકો સામાન્ય વૈશ્લેષિક તકનીકોથી અલગ પડે છે. વિકિરણરાસાયણિક વિશ્લેષણની પદ્ધતિઓ સારા એવા પ્રમાણમાં (~ 50 %) ઊપજ મેળવવા ઉપરાંત વિશિષ્ટતા (specificity) અને ઝડપને લક્ષમાં રાખી પસંદ કરવામાં આવે છે. વિકિરણધર્મી નિર્મિતિ(preparation)માં વિકિરણ રાસાયણિક શુદ્ધિ માટેનાં ધોરણો વધુ કડક હોય છે, કારણ કે તેમાં વિકિરણધર્મી અશુદ્ધિનો લેશમાત્ર અંશ પણ સંદૂષણ (contamination) રૂપે આવી જાય તો પ્રયોગ નકામો નીવડે છે.

વધુ પ્રમાણમાં વિકિરણધર્મી પદાર્થો સાથે કામ પાડતી વખતે સ્વાસ્થ્યને લગતાં જોખમો રહેલાં હોવાથી આવા નમૂનાઓ વાપરી કાર્ય કરતી વખતે પરિરક્ષક દીવાલો અને ખાસ પ્રકારની તકનીકો વાપરવી પડે છે. વળી ઉચ્ચ વિકિરણ-ધર્મિતાને કારણે દ્રાવણો ગરમ થવાથી તથા દ્રાવકનું વિઘટન થવાને કારણે ઉદ્ભવતા પરપોટા પણ સામાન્ય પદ્ધતિને અસર કરે છે.

નાભિકીય પ્રક્રિયામાં  લક્ષ્ય પદાર્થમાં ઉત્પન્ન થતા વિકિરણધર્મી પદાર્થનું દળ ઘણુંખરું બહુ ઓછું (≤ 10^-10 M) હોય છે. દ્રાવક-નિષ્કર્ષણ તથા આયન-વિનિમય (ion-exchange) જેવી તકનીકો દ્વારા તેમનું અલગન થઈ શકે છે. વળી સામાન્ય દ્રાવણો કરતાં આવાં દ્રાવણોની વર્તણૂક ઘણી વાર અલગ પડતી હોય છે; દા. ત., વિકિરણ કલિલ (radio-colloid)નું બનવું, પાત્રની દીવાલ પર કે ધૂળના રજકણો પર અને અવક્ષેપ ઉપર અધિશોષણ જેવી ઘટનાઓમાં સમતોલન-અચળાંકની સાંદ્રતા-આધારિતતા આગળ પડતી બની જાય છે. આને નિવારવા સમસ્થાનિક-મંદન-પૃથક્કરણ (isotope dilution analysis) જેવી તકનીકનો ઉપયોગ થાય છે. વિકિરણધર્મી દર્શક (tracer) પદ્ધતિનો પણ આવે વખતે ઉપયોગ થઈ શકે.

અલ્પઆયુષ્યવાળી વિકિરણધર્મી જાતિના અભ્યાસ માટે આયનવિનિમય, દ્રાવક-નિષ્કર્ષણ અને બાષ્પીભવન (volatilization) જેવી તકનીકોનો ઉપયોગ થાય છે. નાભિકીય પ્રક્રિયામાં જો બાષ્પશીલ નીપજ બનતી હોય તો પ્રક્રિયા બંધ પાત્રમાં કરી નીપજોને સતત બહાર લઈ જવામાં આવે છે. વાયુનું સતત નિસ્સરણ (emanation) કરતાં ઘન આધારદ્રવ્યોનો પણ ઉપયોગ થઈ શકે છે.

નમૂનાના નિર્માણ (preparation) અને ગણન(counting)ની તકનીક : ન્યૂક્લિયર રસાયણમાં જે તે ન્યૂક્લાઇડના કિરણોત્સર્ગી આમાપન (radioactive assay) અને તેના નાભિકીય ગુણધર્મોને નક્કી કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સંસૂચકો (detectors) ઉત્સર્જિત વિકિરણ અને ઇચ્છિત માહિતીના પ્રકાર ઉપર આધાર રાખે છે.

દ્રવ્યમાં α-કણો અને વિખંડનથી મળતા ટુકડાઓની સીમા ટૂંકી હોવાથી 100 મિગ્રા./સેમી.² પૃષ્ઠઘનતાવાળા નમૂના ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે. આ માટે નમૂનાનું એકસરખું નિક્ષેપન જરૂરી છે. બાષ્પીભવન, ઇલેક્ટ્રોપ્લેટિંગ, અથવા ધાતુની પતરી પર છંટકાવ કરીને આ હેતુ સાધી શકાય છે. નમૂનાની ગણતરી આયનીકરણ (ionization)-ચેમ્બરમાં, વાયુ અનુપાતી ગણિત્રમાં અથવા ઘનઅવસ્થા સંસૂચકો વડે કરવામાં આવે છે.

β-કણોની ઊર્જા વિસ્તૃત સીમામાં જોવા મળતી હોવાથી નમૂનાને તૈયાર કરવાની અને ગણતરીની તકનીક તે પ્રમાણે જુદી જુદી હોય છે. આ માટે ગાઈગર ગણિત્ર, પ્રવાહ પ્રકારના અનુપાતી ગણિત્ર (flow type proportional counter) અને પ્રસ્ફુરણ (scintillation)-ગણિત્રનો ઉપયોગ થાય છે. અહીં પણ α-કણની માફક જ અવક્ષેપ રૂપે કે ગાળણપત્ર-ચકતી (disc) રૂપે કે પ્રવાહી રૂપે અથવા આંતરિક ગણન માટે વાયુ રૂપે નમૂનો તૈયાર કરવામાં આવે છે.

વધુ ભેદનશક્તિ ધરાવતાં γ-કિરણો માટે તેમની ઊંચી ક્ષમતા અને વિભેદનને કારણે પ્રસ્ફુરણ-ગણિત્રો અને ઘન-અવસ્થા સંસૂચકો વધુ વપરાય છે.

પ્રયુક્ત ન્યૂક્લિયર રસાયણ : ન્યૂક્લિયર રસાયણની તકનીકોનો જે ક્ષેત્રોમાં ઉપયોગ થાય છે તેમાં નીચેનાંને ગણાવી શકાય :

નાભિકીય ભઠ્ઠીનું રસાયણ અને ભૌતિકી સમસ્થાનિકોનું ઉત્પાદન, ન્યૂક્લિયર ઇજનેરી, નાભિકીય ઇંધનનું પુન:પ્રક્રમણ-ચક્ર (reprocessing cycle), ન્યૂક્લિયર શસ્ત્રોનો વિકાસ, ભૂરસાયણ, બ્રહ્માંડ-રસાયણ (cosmochemistry), પર્યાવરણીય રસાયણ, પ્રવેગિત પુંજ(beam)નો અભ્યાસ, રેડિયોસમસ્થાનિકોનો ઔદ્યોગિક અને ખેતીવિષયક ઉપયોગ તથા રસાયણશાસ્ત્ર અને જૈવિક વિજ્ઞાનનો પાયારૂપ અભ્યાસ.

સમસ્થાનિક-મંદન-પૃથક્કરણ તથા સક્રિયન (activation)-વિશ્લેષણ એ રસાયણશાસ્ત્રમાં વપરાતી અગત્યની પદ્ધતિઓ છે. ન્યૂક્લિયર મેડિસિનમાં વિકિરણધર્મી દર્શકો (tracers) તથા વિકિરણોત્સર્ગીય ચિહ્નિત (radioactively tagged) સંયોજનોનો ઉપયોગ મહત્ત્વનો છે.

યાદવેન્દ્રકુમાર અગ્રવાલ

અનુ. જ. દા. તલાટી