ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણ (Nucleosynthesis)

ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણ (Nucleosynthesis) : વિશ્વનાં મૂળભૂત તત્ત્વોની ઉત્પત્તિના સિદ્ધાંત સાથે સંકળાયેલ ન્યૂક્લિયૉન (ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન)નું સંશ્લેષણ. ન્યૂટ્રૉન (વિદ્યુતભારવિહીન દ્રવ્યકણ) અને પ્રોટૉન (એકમ ઘન વિદ્યુતભારિત કણ) ન્યૂક્લિયસના પાયાના ઘટક કણો છે. ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણ સાથે કેટલીક પ્રક્રિયાઓ સંકળાયેલી છે. જે પ્રક્રિયાનો સૌર-પ્રણાલી, તારકો અને આંતરતારાકીય માધ્યમમાં પ્રવર્તતાં તત્ત્વોના વૈશ્વિક વૈપુલ્ય (universal abundance) સાથે મેળ બેસે તે પ્રક્રિયા સ્વીકાર્ય બને છે. વિશ્વમાં બધાં જ તત્ત્વોમાં 98 % તત્ત્વો, હાઇડ્રોજન અને હિલિયમ છે. પરમાણુભારાંક (A) વધે તેમ ભારે તત્ત્વોનું પ્રમાણ ઘટે છે. આવો ઘટાડો ઘાતાંકીય (exponential) નિયમને અનુસરે છે.

આશરે ચૌદ અબજ વર્ષ પહેલાં બનેલી મહાવિસ્ફોટ(bigbang)ની ઘટનાને કારણે વિશ્વની ઉત્પત્તિ થઈ હોવાનું મનાય છે. વિસ્તરતા વિશ્વ અને 3K પશ્ચાત્ વિકિરણની નોંધ વિશ્વની ઉત્પત્તિના આ સિદ્ધાંતનું સમર્થન કરે છે. મહાવિસ્ફોટ બાદ તરત જ વિશ્વનાં તાપમાન અને ઘનતા પ્રચંડ હતાં. તત્ત્વોના સંશ્લેષણ માટે પ્રચંડ તાપમાન અને ઘનતા અનિવાર્ય છે. વિશ્વની ઉત્પત્તિ બાદ થોડીક મિનિટો માટે આવી પરિસ્થિતિ ચાલુ રહી હતી. વિસ્ફોટ બાદ તરત જ તો વિશ્વ પ્રબળ વિકિરણથી ભરપૂર હતું. આવા વિકિરણે ઝડપથી વિસ્તરતા અગનગોળા(fire ball)નું નિર્માણ કર્યું. અગનગોળો ઠંડો પડતો ગયો તેમ દ્રવ્યનું સર્જન થવા લાગ્યું. વિસ્ફોટ પછીની ત્રણ મિનિટમાં ન્યૂટ્રિનો, ઇલેક્ટ્રૉન, ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન અને હલકાં તત્ત્વોનું સર્જન થયું.

વિસ્ફોટ બાદ સમય જતાં અગનગોળાનાં તાપમાન અને ઘનતા ઘટવા લાગ્યાં અને દ્રવ્યના પુંજ છૂટા પડવા લાગ્યા. આ પુંજમાંથી તારાવિશ્વ(galaxy)ની રચના થઈ. તારાવિશ્વના નાના પુંજમાંથી તારા બન્યા. આવા પુંજના થોડાક અંશમાંથી ગ્રહો અને સૌર-પ્રણાલી બન્યાં.

ન્યૂક્લિયર-પ્રક્રિયાને કારણે તારકોમાં પ્રચંડ ઊર્જા અને તાપમાન પેદા થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં બે કે વધુ હલકી ન્યૂક્લિયસનું અતિ ઊંચા તાપમાને સંલયન થાય છે અને ભારે ન્યૂક્લિયસ બને છે. સંલયનને અંતે તૈયાર થતી ન્યૂક્લિયસનું દળ તેના ઘટક કણોના કુલ દળ કરતાં ઓછું હોય છે. આ રીતે ભારે ન્યૂક્લિયસની રચનાને અંતે દળમાં ઘટાડો થાય છે. દળના આવા ઘટાડાને દળની ક્ષતિ (mass defect) કહે છે. દળનો આ ઘટાડો આઇન્સ્ટાઇનના સૂત્ર E=mc² મુજબ ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે. અહીં m, દળ અને c, પ્રકાશનો વેગ છે. આ સિદ્ધાંતને આધારે ઇ. એમ. બર્બીજ, જી. આર. બર્બીજ, ડબ્લ્યૂ. એ. ફાઉલર અને ફ્રેડ હૉઇલે 1957માં ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણને લગતા સંશોધનનો પાયો નાખ્યો. આવા સંશોધનમાં તારાકીય ઊર્જાની ઉત્પત્તિ, તારાકીય સંરચના અને ઉત્ક્રાંતિના અભ્યાસનો સમાવેશ થાય છે.

તારકોમાં ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણ ચાલુ હોવાના પુરાવા મળતા જાય છે. આવી પ્રક્રિયા અબજો વર્ષથી ચાલતી આવી છે તેને આધારે તારાઓનું આયુષ્ય અંદાજવાનું શક્ય બન્યું છે. વૃદ્ધ તારાઓમાં લોહ અને હાઇડ્રોજન તત્ત્વોનો ગુણોત્તર, સૂર્ય માટેના આવા ગુણોત્તર કરતાં 100થી 1,000ગણો ઓછો હોય છે. ન્યૂક્લિયર-પ્રક્રિયાને કારણે આવા ગુણોત્તર નક્કી થાય છે. જૂની પેઢીના તારાઓમાં ભારે તત્ત્વો વિશેષ પ્રમાણમાં જોવા મળે છે. તે પછીની પેઢીના તારકો આંતરતારાકીય (interstellar) વાયુ અને રજકણના બનેલા હોઈ તેમાં હાઇડ્રોજન અને હિલિયમ વિશેષ અને ભારે તત્ત્વો ઓછાં પ્રમાણમાં જોવા મળે છે. કેટલાક તારકોમાં કાર્બન 12C અને કાર્બન 13Cનો ગુણોત્તર 4 જેટલો મળે છે. વિશ્વમાં મળતા 12C અને 13Cનો વૈશ્વિક ગુણોત્તર 90 જેટલો છે. આથી એવું માની શકાય કે 13Cનું ન્યૂક્લિયર-સંશ્લેષણ તારાના માત્ર મધ્યભાગમાં જ થાય છે અને નહિ કે સમગ્ર તારકમાં.

હાઇડ્રોજનનું દહન : આ પ્રક્રિયામાં ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણને કારણે હાઇડ્રોજનનું હિલિયમમાં રૂપાંતર થાય છે. જે તારાનું દળ 1.2M જેટલું અથવા તેથી ઓછું હોય, તેમાં પ્રોટૉન-પ્રોટૉન પ્રક્રિયા દ્વારા હાઇડ્રોજનનું દહન થાય છે. અહીં MΘ સૂર્યનું દળ છે. તબક્કાવાર 4 પ્રોટૉન સંયોજાતાં હિલિયમ-ન્યૂક્લિયસ બને છે. આ પ્રક્રિયાને કારણે હિલિયમ, ડ્યુટેરિયમ અને સંભવત: લિથિયમની ઉત્પત્તિ થઈ હોય તેવું માની શકાય છે. જેમનું તાપમાન 2 × 10⁷K અથવા વધુ હોય તેવા દળદાર તારકોમાં હાઇડ્રોજનનું દહન કાર્બન-નાઇટ્રોજન-ઑક્સિજન ચક્ર દ્વારા થાય છે. હાઇડ્રોજનમાંથી હિલિયમ બને છે. આવા હિલિયમનો ઘણોખરો જથ્થો ભારે તત્ત્વોની રચનામાં વપરાઈ જાય છે. આથી કાર્બન, નાઇટ્રોજન, ઑક્સિજન અને ફ્લોરિનનું અસ્તિત્વ હાઇડ્રોજનના દહનને આભારી છે.

હિલિયમનું દહન : તારાના મધ્ય ભાગમાંથી હાઇડ્રોજન વાયુ ખલાસ થઈ જાય છે ત્યારે તેનો અંતર્ભાગ સંકોચાતાં તેનું તાપમાન અને તેની ઘનતા વધે છે. અંતર્ભાગની ઘનતા 10⁷ કિગ્રા./મી.³ અને તાપમાન 108K જેટલું થાય છે. આ સ્થિતિમાં હિલિયમના દહનથી ઊર્જા પેદા થાય છે અને હિલિયમનું ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણ થાય છે. અહીં ત્રણ આલ્ફા-કણો(હિલિયમ ન્યૂક્લિયસ)નું સંલયન થતાં 12C બને છે. કાર્બન 12C અને આલ્ફા-કણનું સંયોજન થતાં ઑક્સિજન 16O બને છે. આવા સંયોજન દરમિયાન ગામા-કિરણો એટલે કે વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ સ્વરૂપે ઊર્જા મુક્ત થાય છે. આ પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે થાય છે :

¹²C + ⁴He → ¹⁶O + γ

આ પ્રક્રિયા સંક્ષિપ્તમાં ¹²C(α, γ)¹⁶O પ્રમાણે લખાય છે. આ રીતે હિલિયમદહનમાં ¹⁶O(α, γ)²⁰Ne, ²⁰Ne(α, γ)²⁴Mg, ¹⁴N(α, γ)¹⁸F અને ¹⁸O(α, γ)²²Ne પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે. ¹⁸F અસ્થાયી છે, જે પૉઝિટ્રૉન (e⁺) અને ન્યૂટ્રિનો(υ)નું ઉત્સર્જન કરીને ¹⁸Oમાં રૂપાંતર પામે છે. ન્યૂટ્રૉન (n) પેદા થતો હોય તેવી પ્રક્રિયા ¹³C(α, n)¹⁶O પણ જોવા મળે છે.

કાર્બનદહન : દહનને કારણે હિલિયમ ખલાસ થયા બાદ, તારાનું પ્રારંભિક દળ ઓછામાં ઓછું 7.5 MΘ હોય તો ગુરુત્વાકર્ષી સંકોચનને કારણે તેનું તાપમાન 5 × 10⁸K જેટલું થાય છે. આટલા ઊંચા તાપમાને કાર્બન −¹²Cની બે ન્યૂક્લિયસ તેમની વચ્ચેના વિદ્યુત-સ્થિતિમાનને લીધે પેદા થતા અવરોધને પાર કરી શકે છે. પરિણામે ²⁰Ne, ²³Na અને ²⁴Mgનું નિર્માણ થાય છે. આ પ્રક્રિયાઓ ¹²C(¹²C, α)²⁰Ne, ¹²C(¹²C, P)²³Na અનેેે ¹²C(¹²C, γ)²⁴Mg વડે દર્શાવાય છે. કાર્બનના દહનથી 28 પરમાણુ-ભારાંક સુધીની ન્યૂક્લિયસ તૈયાર થાય છે.

ઑક્સિજનદહન : કાર્બનદહન બાદ નિયૉનદહનની પ્રક્રિયા થોડાક સમય માટે જોવા મળે છે અને તેમાંથી ઑક્સિજન મળે છે. ઑક્સિજનની ન્યૂક્લિયસ 10⁹K તાપમાને સંલગ્ન પામે છે. આ તાપમાને ¹⁶Oની બંને ન્યૂક્લિયસ તેમની વચ્ચેના વિદ્યુત-સ્થિતિમાનને લીધે પેદા થતા અંતરાયને પાર કરી શકે છે. ઑક્સિજન-સંલયનની પ્રક્રિયાઓ ¹⁶O(¹⁶O, α)²⁸Si, ¹⁶O(¹⁶O, P)³¹P વગેરે મળે છે. અહીં 40 પરમાણુભારાંક સુધીની ન્યૂક્લિયસ તૈયાર થાય છે.

સિલિકનદહન : તારાનું તાપમાન 3 × 10⁹K થતાં આ પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે. અહીં પરમાણુભારાંક A = 56થી 60 વચ્ચેનાં તત્ત્વો બને છે. A = 60થી વધુ પરમાણુ-ભારાંક ધરાવતાં તત્ત્વો માટે સંલયન શક્ય નથી, કારણ કે અહીં બે ન્યૂક્લિયસ વચ્ચે વિદ્યુત-સ્થિતિમાનનો અંતરાય પાર કરવાનું શક્ય નથી. A = 56થી 60 પરમાણુ-ભારાંકનાં તત્ત્વો માટે ન્યૂક્લિયૉન-દીઠ બંધન-ઊર્જા (binding energy) મહત્તમ બને છે. A = 60 કરતાં વધુ ભારે તત્ત્વોનું ન્યૂક્લિયર-દહન અને સંલયન હજુ સુધી શક્ય બન્યું નથી. તેથી તેના આધારે વૈશ્વિક વૈપુલ્યને સમજાવવા વધારાના ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણની રાહ જોવાની રહી.

ન્યૂક્લિયસ-સંશ્લેષણની પ્રક્રિયા ભિન્ન પ્રકારની હોય છે. કેટલાક મુખ્ય પ્રકારો નીચે પ્રમાણે છે :

એસ. પ્રક્રિયા (s-process) : ન્યૂટ્રૉન વિદ્યુતતટસ્થ કણ હોઈ ભારે ન્યૂક્લિયસ વડે પ્રગ્રહણ પામતાં પહેલાં તેના ઉપર વિદ્યુતક્ષેત્રની અસર થતી નથી. બીજ(seed)-ન્યૂક્લિયસમાં ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા ઓછી હોય તો ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ ધીમેથી થાય છે, માટે આ પ્રક્રિયાને ધીમી પ્રક્રિયા (slow process) કહે છે. ન્યૂટ્રૉન મેળવ્યા બાદ ન્યૂક્લિયસ અસ્થાયી બને છે. તે ઇલેક્ટ્રૉન અને ઍન્ટિન્યૂટ્રિનોનું ઉત્સર્જન કર્યા બાદ સ્થાયી થાય છે. આવી ન્યૂક્લિયસ બીજા ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ કરે છે. આ પ્રમાણે પરમાણુ-ભારાંક A = 209 થાય ત્યાં સુધી સંશ્લેષણ થાય છે. એસ. પ્રક્રિયા લાલ વિશાળ તારામાં (red giant) ચાલુ હોવાનું મનાય છે. ભારે ધાતુઓ ધરાવતા તારામાં ટૅક્નિશિયમનું સંશ્લેષણ એસ. પ્રક્રિયા વડે થયું હોવાની માન્યતા છે.

આર. પ્રક્રિયા (r-process) : ન્યૂટ્રૉનના ઝડપી પ્રગ્રહણ(rapid capture)ની આ પ્રક્રિયા છે. તેમાં 1થી 100 સેકન્ડમાં 100 જેટલા ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ થતું હોય છે. ન્યૂટ્રૉનનો આટલો મોટો ઓઘ (flux) તો અભિનવ તારા(supernova)ના વિસ્ફોટને પરિણામે મળે છે. ન્યૂટ્રૉનના આવા ઝડપી પ્રગ્રહણની પ્રક્રિયાથી અસ્થાયી ન્યૂક્લિયસ મારફતે પણ સંશ્લેષણને આગળ ધપાવી શકાય છે. ન્યૂક્લિયસના આવા સંશ્લેષણને કારણે ટ્રાન્સયુરેનિક તત્ત્વો મળે છે. પરમાણુ-ક્રમાંક Z = 94 પાસેનાં ટ્રાન્સયુરેનિક તત્ત્વો ન્યૂટ્રૉન-પ્રેરિત વિખંડન પ્રત્યે અસ્થાયી હોય છે અને ભારે ન્યૂક્લિયસની આર. પ્રક્રિયાસંશ્લેષણ બંધ પડે છે. વિખંડનને કારણે વચગાળાનું દળ ધરાવતી ન્યૂક્લિયસ મળે છે. આવી ન્યૂક્લિયસ બીજ તરીકે વર્તે છે. ફરીથી તેના વડે સંશ્લેષણ-ચક્ર ચાલુ થાય છે.

પી. પ્રક્રિયા (proton rich process) : આ પ્રક્રિયામાં વધુ પ્રોટૉનવાળાં ભારે તત્ત્વો થાય છે. તે પ્રક્રિયા લાલ વિશાળ તારકમાં થતી હોવાનું મનાય છે.

એલ. પ્રક્રિયા (l-process) : વૈશ્વિક વૈપુલ્ય(universal abundance)માં જોવા મળતાં લિથિયમ, બેરિલિયમ અને બૉરોન લાંબો સમય ટકતાં નથી, કારણ કે પ્રોટૉનના મારાને કારણે તેમનો નાશ થતો હોય છે. મહાવિસ્ફોટને પરિણામે કેટલુંક લિથિયમ પેદા થયું હોય, પણ આવી આદ્ય ઘટના બધા જ ⁶Li માટે જવાબદાર હોતી નથી. વધુ વૈપુલ્ય ધરાવતાં કાર્બન, નાઇટ્રોજન અને ઑક્સિજન જેવાં ભારે તત્ત્વોનું પ્રોટૉન વડે સમુત્ખંડન (spallalion) થતાં ⁶Li, ¹⁹Be, ¹⁰B જેવાં તત્ત્વો મળે છે. ભારે ન્યૂક્લિયસનું વિભાજન કરીને હલકી ન્યૂક્લિયસ મેળવવાની પ્રક્રિયાને એલ. પ્રક્રિયા કહે છે. આંતરતારાકીય માધ્યમમાં જ્યાં વાયુ ઉપર કૉસ્મિક કિરણોનો સતત મારો ચાલે છે, ત્યાં એલ. પ્રક્રિયાનો સંભવ છે. ચુંબકીય તારાની સપાટી ઉપર પણ એલ. પ્રક્રિયા થતી હોવાનું મનાય છે.

તારો તેના જીવનનો ઘણોખરો સમય હાઇડ્રોજનની દહન-અવસ્થામાં અને બાકીનો હિલિયમ-દહન-અવસ્થામાં ગાળે છે. વિશ્વની ઉત્પત્તિની થોડીક મિનિટોમાં ઘણાંખરાં તત્ત્વોનું સંશ્લેષણ થયાની ગણતરી છે. આજે ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણને લગતા સંશોધન માટેનું ક્ષેત્ર વિશાળ અને વિકસતું છે. આધુનિક સંશોધનથી જાણવા મળે છે કે કાર્બન, ઑક્સિજન અને સિલિકનનું દહન વધુ વાસ્તવિક છે. ન્યૂક્લિયર ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાના દર વિશે વધુ ચોક્કસ માહિતી મેળવવા પ્રયત્ન કરે છે. ખગોળ-ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ તારામાં પ્રવર્તતી ઉષ્માગતિકીય પરિસ્થિતિને આધારે વધુ માહિતી મેળવવા પ્રયત્નશીલ છે. આ બધા પ્રયત્નોને કારણે ન્યૂક્લિયર સંશ્લેષણની પ્રક્રિયાને લગતા સિદ્ધાંતમાં સારા એવા સુધારાવધારાની સંભાવના છે. કેટલાક જૂના અનુત્તરિત પ્રશ્નોના જવાબ મળશે તે સાથે બીજા નવા પ્રશ્નો પણ ઊભા થશે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ