બીટાકણ

બીટાકણ : રેડિયોઍક્ટિવ પરમાણુની ન્યૂક્લિયસમાંથી બીટા-ક્ષય (beta decay) દરમિયાન ઉત્સર્જિત થતો શક્તિશાળી કણઇલેક્ટ્રૉન અથવા પૉઝિટ્રૉન. ઇલેક્ટ્રૉન ઋણ અને પૉઝિટ્રૉન ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. આ બંને કણો એકબીજાના પ્રતિકણ (antiparticles) છે. તેમનાં દળ સમાન છે અને પ્રત્યેકનું દળ પ્રોટૉનના દળના લગભગ 1840મા ભાગનું હોય છે. આ કણની ઊર્જા 0થી 3 અથવા 5 MeV વચ્ચે હોય છે.

ન્યૂક્લિયસ ધન વિદ્યુતભારિત પ્રોટૉન અને વિદ્યુતભારવિહીન ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. તેમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રૉન હોતા નથી, તો પછી બીટાક્ષય દરમિયાન ઇલેક્ટ્રૉન અથવા પૉઝિટ્રૉન કેવી રીતે ઉત્સર્જિત થાય તેવો પ્રશ્ન સ્વાભાવિક છે. અહીં ન્યૂટ્રૉનનો ક્ષય થાય ત્યારે તેમાંથી પ્રોટૉન, ઇલેક્ટ્રૉન અને ન્યૂટ્રિનો એમ ત્રણ કણો પેદા થાય છે.

ન્યૂટ્રૉન (_on¹) → પ્રોટૉન (₊₁P^l) + ઇલેક્ટ્રૉન (_–1e^o) + ન્યૂટ્રિનો (_oν^o)

આ પ્રકિયા પ્રમાણે મળતો ઇલેક્ટ્રૉન મુક્ત થતાની સાથે તુરત જ ન્યૂક્લિયસની બહાર આવે છે, જેને બીટા (_–1e^o) કણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

ન્યૂટ્રૉનના ક્ષયની જેમ પ્રોટૉનનો ક્ષય થાય ત્યારે તેમાંથી ન્યૂટ્રૉન, પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રિનો – એમ ત્રણ કણો પેદા થાય છે. પ્રોટૉન (₁P¹) ન્યૂટ્રૉન (_on¹) + પૉઝિટ્રૉન (₊₁e^o) + ન્યૂટ્રિનો (_oν^o) – આ પ્રક્રિયા પ્રમાણે મળતો પૉઝિટ્રૉન મુક્ત થતાની સાથે તરત જ ન્યૂક્લિયસની બહાર આવે છે, જેને બીટા (₊₁e^o) કણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

રેડિયોઍક્ટિવ ન્યૂક્લિયસમાંથી બીટાકણ એટલે કે ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જિત થાય છે ત્યારે પરમાણુના પરમાણુ ક્રમાંક(પ્રોટૉનની સંખ્યા)માં એકનો વધારો થાય છે અને પરમાણુ ભારાંક(પ્રૉટોન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા)માં કશો જ ફેર પડતો નથી. ઇલેક્ટ્રૉનના ઉત્સર્જનથી પરમાણુભારાંકમાં એટલા માટે ફેર પડતો નથી કે પરમાણુના દળની સરખામણીમાં ઇલેક્ટ્રૉનનું દળ નહિવત્ હોય છે.

ઇલેક્ટ્રૉન (બીટાકણ) ઉત્સર્જનની પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે અપાય છે :

_ZX^A → _z+1Y^A + _–1e^o + ઊર્જા

પૉઝિટ્રૉનનું ઉત્સર્જન થતું હોય ત્યારે પરમાણુ ક્રમાંકમાં 1નો ઘટાડો થાય છે.

_ZX^A → _z–1Y + ₊₁e^o + ઊર્જા

બીટાકણ એટલે ઇલેક્ટ્રૉન (_–1e^o) અથવા પૉઝિટ્રૉન (₊₁e^o). સામાન્યત: ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન થતું હોય છે. આવા ઇલેક્ટ્રૉન નહિવત્ દળ અને એકમ ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. તે ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ ઉપર આપાત થતાં તેના ઉપર અસર કરે છે. માધ્યમમાં થઈને પસાર થતાં માધ્યમના અણુ-પરમાણુઓનું આયનીકરણ (ionization) કરે છે. બીટાકણોની આયનીકરણ-શક્તિ આલ્ફાકણની આયનીકરણ-શક્તિ કરતાં ઓછી અને ગામા-કિરણોની આયનીકરણ-શક્તિ કરતાં વધારે હોય છે. બીટાકણ માધ્યમમાં થઈને પસાર થઈ શકે છે. બીટાકણની માધ્યમમાં ભેદનશક્તિ આલ્ફાકણની ભેદનશક્તિ કરતાં વધારે અને ગામા-કિરણોની ભેદનશક્તિ કરતાં ઓછી હોય છે. ઝિંક સલ્ફાઇડના પડવાળા પડદા ઉપર બીટાકણ આપાત થતાં તેના ઉપર પ્રસ્ફુરણ (fluorescence) પેદા થાય છે.

બીટાકણ દ્રવ્ય સાથે પ્રબળ આંતરક્રિયા કરે છે. એક જ પ્રકારના દ્રવ્યમાંથી જુદી જુદી જાડાઈની પ્લેટોમાં થઈને બીટાકણ પસાર કરતાં, પ્લેટની અમુક જાડાઈ સુધી બીટા કિરણાવલીની તીવ્રતા અચળ રહે છે. પ્લેટની જાડાઈ ત્યારબાદ વધતાં તીવ્રતા એકદમ ઘટવા લાગે છે. અંતે તે શૂન્ય થાય છે. ઍલ્યુમિનિયમના પતરાની જાડાઈ અને બીટાકણની તીવ્રતાનો આલેખ નીચેની આકૃતિમાં દર્શાવ્યો છે.

બીટાકણની ગતિ શૂન્ય બને ત્યાં સુધી માધ્યમમાં તેણે કાપેલા અંતરને અવધિ (range) કહે છે. સામાન્ય રીતે આ અવધિને ઘનતા (f) અને જાડાઈ(x)ના ગુણાકાર (fx) વડે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે.

શક્તિશાળી બીટાકણ માધ્યમમાં થઈને પસાર થાય છે ત્યારે તે તેના પથ ઉપર ઉષ્મા પેદા કરે છે. બીટાકણની ગતિઊર્જાનો વ્યય થતાં આવી ઉષ્મા પેદા થાય છે. આવી ઉષ્મા કેટલીક વખત રાસાયણિક પ્રક્રિયાને ઉત્તેજિત્ત કરે છે અને દ્રવ્યમાં સંરચનાત્મક ફેરફારો પેદા કરે છે; જેમ કે કાચને રંગહીન બનાવે છે.

બીટાકણોના વેગ શોધવા માટે અર્ધવર્તુળાકાર ચુંબકીય સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ(semicircular magnetic spectrograph)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બીટાકણની ગતિને લંબરૂપ ચુંબકીય ક્ષેત્ર (B) લાગુ પાડવાથી તેનું આવર્તન થાય છે અને તે અર્ધવર્તુળાકાર ગતિપથ ધારણ કરે છે.

આ અર્ધવર્તુળની ત્રિજ્યા(r)માંથી લેવામાં આવે છે. અહીં બીટાકણ ઉપર લાગુ પડાતું કેન્દ્રગામી બળ  એ ચુંબકીય ક્ષેત્રને લીધે બીટાકણ ઉપર લાગતા બળ BeV જેટલું થાય છે. અહીં m, v અને e ઇલેક્ટ્રૉનનાં અનુક્રમે દળ, વેગ અને વિદ્યુતભાર છે. આથી બીટાકણનો વેગ B_r થાય છે અને બીટાકણની ગતિઊર્જા E = ½mV² થાય છે. સામાન્ય રીતે કુદરતી રેડિયોઍક્ટિવ ન્યૂક્લિયસમાંથી ઉત્સર્જન પામતા બીટાકણનો વેગ 0.998 જેટલો હોય છે, જ્યાં C પ્રકાશનો વેગ છે. આથી બીટાકણના પ્રચંડ વેગને કારણે સાપેક્ષિકીય (relativistic) સુધારો અનિવાર્ય છે. તે માટે બીટાકણની ગતિઊર્જા

થાય છે,

જ્યાં m_o, બીટાકણ(ઇલેક્ટ્રૉન)નું સ્થિર દળ છે.

બીટાકણ માધ્યમ(શોષક)માં દાખલ થતાની સાથે જ અથડામણ કરે તો તે સત્વરે ઊર્જા ગુમાવે છે અને તેનો પથ ટૂંકો હોય છે. જો બીટાકણ ઘણું અંતર કાપ્યા બાદ અથડામણ કરે તો તેનો ગતિપથ લાંબો મળે છે. આથી જુદા જુદા બીટાકણના ગતિપથ લાંબા-ટૂંકા મળે છે. આ ઘટનાને વિચરણ (straggling) કહે છે. બીટાકણો હલકા હોઈ તેમનું પ્રકીર્ણન સરળતાથી થાય છે. પરિણામે પથ સુરેખ મળતો નથી. એટલે વિચરણ અને પ્રકીર્ણનને કારણે બીટાકણની અવધિ ઓછી ચોક્કસ મળે છે.

વધુ ઊર્જા ધરાવતા બીટાકણો માટે બીજી એક રસપ્રદ ઘટના જોવા મળે છે. ન્યૂક્લિયસના પ્રબળ વિદ્યુતક્ષેત્રમાં થઈને બીટા-કણ (ઇલેક્ટ્રૉન) પસાર થાય છે ત્યારે વિકિરણ દ્વારા ઊર્જા ગુમાવે છે. કારણ કે આવા પ્રબળ વિદ્યુતક્ષેત્રમાં ઇલેક્ટ્રૉન આકર્ષાઈને પ્રવેગી ગતિ કરે છે. પરિણામે તે વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે. આ ઉત્સર્જિત ઊર્જા X-કિરણોના સ્વરૂપે બહાર પડે છે. આ ઘટનાને અવમંદન વિકિરણ (bremsstrahlung) કહે છે. આ રીતે બીટાકણ આયનીકરણ અને અવમંદન વિકિરણ  એવી બે ઘટનાઓ દ્વારા ઊર્જા ગુમાવે છે. સીસા જેવા ભારે તત્વ માટે વિકિરણ દ્વારા ગુમાવવાની ઊર્જા વિશેષ હોય છે.

1.02 MeV જેટલી અથવા વધુ ઊર્જા ધરાવતો ફોટૉન પ્રબળ વિદ્યુતક્ષેત્રમાં થઈને પસાર થતાં ઇલેક્ટ્રૉન અને પૉઝિટ્રૉનની જોડ (pair) પેદા કરે છે. તેથી ઊલટું, પૉઝિટ્રૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન મળતાં તેમનું વિલોપન (annihilation) થાય છે અને ઊર્જા પેદા થાય છે. રેડિયોઍક્ટિવ તત્વ જુદી જુદી ઊર્જાવાળા બીટાકણોનું ઉત્સર્જન કરે છે ત્યારે તે સળંગ વર્ણપટ રચે છે, પણ સળંગ બીટા વર્ણપટથી એક મુશ્કેલી ઊભી થાય છે. બીટાકણની મહત્તમ ઊર્જા લક્ષમાં લેતાં ઊર્જા-સંરક્ષણના નિયમને આંચ આવતી નથી; કારણ કે પ્રક્રિયા પહેલાં અને પછી ઊર્જાનું સંતુલન જળવાઈ રહે છે; પણ જે કણો મહત્તમ ઊર્જા નથી ધરાવતા તેમની બાબતે ઊર્જા-સંરક્ષણનો નિયમ જળવાતો નથી. બીટાક્ષયની બાબતે એક ઉકેલ તરીકે, એવું વિચારવામાં આવ્યું કે ઊર્જા-સંરક્ષણના નિયમને તિલાંજલિ આપવા આ ઉકેલ ગ્રાહ્ય નથી, કારણ કે આજ સુધી એવી કોઈ ઘટના નોંધાઈ નથી, જેમાં ઊર્જા-સંરક્ષણના નિયમનો ભંગ થયો હોય. આથી, બીટાક્ષયની બાબતે પણ આ નિયમનો ભંગ થાય નહિ. વિજ્ઞાનીઓને ઊર્જા-સંરક્ષણના નિયમ પ્રત્યે સંપૂર્ણ શ્રદ્ધા છે. આથી બીટાક્ષયની પ્રક્રિયા દરમિયાન પણ ઊર્જા-સંરક્ષણનો નિયમ અકબંધ રહે છે.

બીટાક્ષય માટે પાઉલીએ પ્રથમ વાર ન્યૂટ્રિનો-પરિકલ્પના રજૂ કરી. એટલે કે આવા ક્ષય દરમિયાન ઇલેક્ટ્રૉન સાથે વિદ્યુતભાર વિનાનો અને લગભગ શૂન્યવત્ દળવાળો બીજો સૂક્ષ્મકણ ન્યૂટ્રિનો પણ ઉત્સર્જિત થાય છે જે ઓછાવત્તા પ્રમાણમાં ઊર્જા પોતાની સાથે લઈ જાય છે. ન્યૂટ્રિનો પરિકલ્પના વડે બીટાક્ષયની પ્રક્રિયા દરમ્યાન ઊર્જાનું સંરક્ષણ થાય છે.

બીટાક્ષયની પ્રક્રિયા દરમિયાન સમાનતા(parity)નું સંરક્ષણ થતું નથી. સમાનતા ન્યૂક્લિયસનો અમૂર્ત (abstract) ગુણધર્મ છે. તે છતાં ન્યૂક્લિયસનાં રૂપાંતરણો(transmutations)માં તે મહત્વનું સ્થાન ધરાવે છે.

આશા પ્ર. પટેલ