રેડિયો-ઍક્ટિવિટી

રેડિયો-ઍક્ટિવિટી : આલ્ફા અને બીટા-કણો તથા ઉચ્ચ-ઊર્જા ગૅમા- કિરણોના ઉત્સર્જન સાથે ભારે તત્વોના સમસ્થાનિકો(રેડિયો સમસ્થાનિકો)ની ન્યૂક્લિયસનું આપમેળે થતું વિભંજન (disintegration). જુદા જુદા 2,300થી વધુ જાણીતા પરમાણુઓમાં 2,000થી વધુ પરમાણુઓ રેડિયો-ઍક્ટિવ છે. આશરે 90 રેડિયો-ઍક્ટિવિટી જાતો કુદરતમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે. બાકીના બીજા બધા રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુઓ વિજ્ઞાનીઓ કૃત્રિમ રીતે તૈયાર કરે છે. ફ્રાન્સના એ. એચ. બેકેરલે 1896માં કુદરતી રેડિયો-ઍક્ટિવિટીની શોધ કરી.

રેડિયો-ઍક્ટિવ પદાર્થો ત્રણ પ્રકારનાં વિકિરણને ઉત્સર્જિત કરે છે : આલ્ફા-કણો, જેની ઓળખ સૌપ્રથમ બૅકેરલે આપી. ન્યૂઝીલૅન્ડના અર્નેસ્ટ રધર ફર્ડે બીટા-કણોની ઓળખ કરાવી. ફ્રાન્સનાં મેરી અને પિયરી ક્યુરીએ ગૅમા-કિરણોની ઓળખ કરાવી.

આલ્ફા-કણો ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. તેમાં બે પ્રોટૉન અને બે ન્યૂટ્રૉન હોય છે. આલ્ફા-કણો એટલે હીલિયમ ન્યૂક્લિયસ. ઉત્સર્જિત થતા આલ્ફા-કણોની ઊર્જા ઘણી વધારે હોય છે; પણ માધ્યમમાં થઈને પસાર થતાં તે ઝડપથી ઊર્જા ગુમાવે છે. આથી આલ્ફા-કણોની ભેદન-શક્તિ ઓછી હોય છે અને આયનીકરણ (ionisation) કરવાની શક્તિ ઘણી વધારે હોય છે. (જુઓ રંગીન ચિત્ર)

બીટા-કણો ઇલેક્ટ્રૉન છે. કેટલીક રેડિયો-ઍક્ટિવ ન્યૂક્લિયસ સામાન્ય ઇલેક્ટ્રૉનને ઉત્સર્જિત કરે છે, જે ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. એવી કેટલીક રેડિયો-ઍક્ટિવ ન્યૂક્લિયસ હોય છે, જે પૉઝિટ્રૉન(ધન વિદ્યુત-ભારિત ઇલેક્ટ્રૉન)નું ઉત્સર્જન કરે છે. બીટા-કણો લગભગ પ્રકાશની ઝડપે ગતિ કરતા હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉન હલકા હોવાથી માધ્યમમાં થઈને પસાર થાય ત્યારે ધીમી આંતરક્રિયા કરે છે. આથી તે માધ્યમમાં વધારે અંતર કાપી શકે છે. તેમની ભેદનશક્તિ પ્રમાણમાં વધુ અને આયનીકરણની શક્તિ પ્રમાણમાં ઓછી હોય છે.

ગૅમા-કિરણો વિદ્યુતભાર ધરાવતા નથી. તે વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણનો ઉચ્ચ ઊર્જા ધરાવતો અંશ છે. ગૅમા-કિરણો X-કિરણો જેવાં જ હોય છે. આ કિરણો વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણના ફોટૉન છે. તે પ્રકાશની ઝડપે ગતિ કરે છે. તે આલ્ફા અને બીટા કણો કરતાં ઘણું વધારે અંતર માધ્યમમાં કાપી શકે છે. તેમની ભેદનશક્તિ મહત્તમ અને આયનીકરણશક્તિ લઘુતમ હોય છે.

ન્યૂક્લિયસમાં શું ચાલી રહ્યું છે તે જાણવા માટે તેનું આંતરિક માળખું જાણવું જરૂરી છે. ન્યૂક્લિયસમાં રહેલા પ્રોટૉનની સંખ્યાને પરમાણુક્રમાંક કહે છે. પ્રત્યેક તત્ત્વ જુદા જુદા પરમાણુક્રમાંક ધરાવે છે. હાઇડ્રોજનમાં એક જ પ્રોટૉન હોય છે. માટે તેનો પરમાણુક્રમાંક 1 છે.

યુરેનિયમની અંદર 92 પ્રોટૉન હોય છે. માટે તેનો પરમાણુક્રમાંક 92 છે. ન્યૂક્લિયસમાં રહેલા પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યાને પરમાણુ- ભારાંક કહે છે. સામાન્ય હાઇડ્રોજન-પરમાણુમાં એક જ પ્રોટૉન હોય છે અને તેમાં ન્યૂટ્રૉન હોતો નથી. માટે તેનો પરમાણુભારાંક 1 હોય છે. ભારે હાઇડ્રોજન(અથવા ડ્યુટેરિયમ)માં એક પ્રોટૉન અને એક ન્યૂટ્રૉન હોય છે; માટે તેનો પરમાણુભારાંક 2 છે. હાઇડ્રોજનનું રેડિયો-ઍક્ટિવ સ્વરૂપ–ટ્રિટિયમ એક પ્રોટૉન અને બે ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. માટે તેનો પરમાણુંભારાંક 3 છે; પણ આ બધા પ્રકારના હાઇડ્રોજનનો પરમાણુક્રમાંક તો 1 જ છે.

જે પરમાણુઓનો પરમાણુક્રમાંક સમાન, પણ પરમાણુભારાંક અસમાન હોય તેને સમસ્થાનિકો (isotopes) કહે છે. સામાન્ય હાઇડ્રોજન ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમ હાઇડ્રોજનના સમસ્થાનિકો છે. વિજ્ઞાનીઓ તેમને  તરીકે વ્યક્ત કરે છે. નીચેનો આંકડો પરમાણુક્રમાંક અને ઉપરનો આંકડો પરમાણુ- ભારાંક દર્શાવે છે. કોઈ પણ તત્વના તમામ સમસ્થાનિક એકસરખા રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવે છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુમાંથી ઉત્સર્જિત થતા આલ્ફા અને બીટા-કણો તથા ગૅમા-કિરણો રંગીન આકૃતિમાં દેખાડ્યા છે.

આલ્ફા વિકિરણ : જ્યારે ન્યૂક્લિયસ આલ્ફા-કણનું ઉત્સર્જન કરે છે ત્યારે તે બે પ્રોટૉન અને બે ન્યૂટ્રૉન ગુમાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, યુરેનિયમનો સમસ્થાનિક U-238,92 પ્રોટૉન અને 146 ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. તેમાંથી આલ્ફા-કણ નીકળી ગયા બાદ ન્યૂક્લિયસનો પરમાણુ ક્રમાંક 90 બને છે, જે યુરેનિયમ નથી પણ તે નવું તત્વ થોરિયમ છે. રૂપાંતરિત થયેલો સમસ્થાનિક (થોરિયમ) છે.

બીટા વિકિરણ : જ્યારે ન્યૂક્લિયસ બીટા-કણ(ઇલક્ટ્રૉન)નું ઉત્સર્જન કરે છે ત્યારે તેની સાથે પ્રતિન્યૂટ્રીનો (antineutrino) પણ પેદા થાય છે. પ્રતિન્યૂટ્રીનો વિદ્યુતભાર ધરાવતા નથી. તેમનું દળ નહિવત્ (શૂન્યવત્) હોય છે. ઋણ બીટા-ઉત્સર્જનમાં ન્યૂક્લિયસમાં રહેલો ન્યૂટ્રૉન પ્રોટૉન, ઋણ ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રતિન્યૂટ્રીનોમાં રૂપાંતર પામે છે. ન્યૂક્લિયસમાં ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રતિન્યૂટ્રીનો પેદા થતાંની સાથે તુરત જ ન્યૂક્લિયસમાંથી બહાર નીકળી જાય છે અને પ્રોટૉન ન્યૂક્લિયસમાં જ રહે છે; અર્થાત્ આ રીતે તૈયાર થતી નવી ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉનનો વધારો થાય છે અને એક ન્યૂટ્રૉન ઘટે છે; ઉદાહરણ તરીકે, કાર્બન સમસ્થાનિક ઋણ ઇલેક્ટ્રૉન બહાર પાડે છે કાર્બન, આઠ ન્યૂટ્રૉન અને છ ન્યૂટ્રૉન. તેથી ન્યૂક્લિયસનું વિભંજન થાય છે ત્યારે ન્યૂટ્રૉનનું પ્રોટૉન, ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રતિન્યૂટ્રીનોમાં રૂપાંતર થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રતિન્યૂટ્રીનોનું ઉત્સર્જન થયા બાદ ન્યૂક્લિયસમાં સાત પ્રોટૉન અને સાત ન્યૂટ્રૉન હોય છે. તેનો પરમાણુ ભારાંક એનો એ જ રહે છે; પણ પરમાણુક્રમાંકમાં એકનો વધારો થાય છે. આ રીતે નવું તત્વ નાઇટ્રોજન  મળે છે અને ઋણ ઇલેક્ટ્રૉનના ઉત્સર્જન બાદ રૂપાંતર થાય છે.

જ્યારે ન્યૂક્લિયસ પૉઝિટ્રૉન ઉત્સર્જિત કરે છે ત્યારે ન્યૂક્લિયસના અંદરના પ્રોટૉનનું ન્યૂટ્રૉન, પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનોમાં રૂપાંતર થાય છે. પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનૉનું નિર્માણ થતાંની સાથે જ બહાર આવે છે અને ન્યૂટ્રૉન ન્યૂક્લિયસમાં જ રહે છે. કાર્બન સમસ્થાનિક ¹¹C પૉઝિટ્રૉનનું ઉત્સર્જન કરે છે. કાર્બન ¹¹Cમાં છ પ્રોટૉન અને પાંચ ન્યૂટ્રૉન હોય છે. તે જ્યારે પૉઝિટ્રૉનનું ઉત્સર્જન કરે છે, ત્યારે એક પ્રોટૉનનું ન્યૂટ્રીનોના ઉત્સર્જન બાદ ન્યૂક્લિયસ પાંચ પ્રોટૉન અને છ ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. પરમાણુભારાંક એનો એ જ રહે છે; પણ પરમાણુ ક્રમાંકમાં એકનો ઘટાડો થાય છે. 5 પરમાણુક્રમાંક ધરાવતું તત્વ બૉરૉન છે. આ રીતે પૉઝિટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનોના ઉત્સર્જન બાદ રૂપાંતર થાય છે.

ગૅમા વિકિરણ : આ વિકિરણ જુદી જુદી રીતે મળતું હોય છે. ન્યૂક્લિયસમાંથી આલ્ફા અથવા બીટા-કણના ઉત્સર્જનથી પ્રાપ્ય એવી તમામ ઊર્જા તેમની સાથે નીકળતી નથી. કેટલીક વખત આલ્ફા અથવા બીટાના ઉત્સર્જન બાદ ન્યૂક્લિયસની સ્થાયી (stable) સ્થિતિમાં હોય તેના કરતાં થોડી વધારે ઊર્જા તેમાં રહી જાય છે. આવી વધારાની ઊર્જા ગૅમા-કિરણો સ્વરૂપે બહાર આવે છે. ગૅમા વિકિરણથી તત્વનું રૂપાંતરણ થતું નથી; જ્યારે રેડિયો-સમસ્થાનિકની મિતસ્થાયી (metastable) સ્થિતિનો તે જ સમસ્થાનિકના નિમ્ન ઊર્જાસ્તરમાં ક્ષય થાય છે ત્યારે જ ગૅમા-કિરણનું ઉત્સર્જન થાય છે. રેડિયો-સમસ્થાનિક જુદા જુદા બે ઊર્જા-સ્તરોમાં વિભાજિત થાય છે ત્યારે તે સમઘટક(isomers)ની જોડનું નિર્માણ કરે છે.

ઇલેક્ટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ (capture) એ વિભંજનની બીજી પ્રક્રિયા છે.

રેડિયો-સમસ્થાનિકોની કુદરતી કે કૃત્રિમ રેડિયો-ઍક્ટિવિટી ચરઘાતાંકીય (exponential) નિયમ પ્રમાણે ઘટે છે. જે સમય દરમિયાન રેડિયો-ઍક્ટિવ કણોની સંખ્યા વિભંજનને કારણે ઘટીને અર્ધી થાય છે, તે સમયને અર્ધજીવનકાળ (half-life) કહે છે.

અર્ધજીવનકાળ 1.5 × 10^–8 સેકન્ડ અને 1.4 × 10^–10 વર્ષ વચ્ચે બદલાતો હોય છે. નિશ્ચિત સમયમાં ક્ષય (decay) પામતા પરમાણુઓનો અંશ ખરેખર અચળ હોતો નથી. રેડિયો-ઍક્ટિવ ક્ષયની પ્રક્રિયા એ સાંખ્યકીય ઘટના (statistical phenomenon) છે અને અર્ધજીવનકાળ એ ઘણાબધા વિભંજનના સરેરાશ સમયનું મૂલ્ય છે.

રેડિયો–ઍક્ટિવિટીના ઉપયોગો : (1) રેડિયો-ઍક્ટિવ અનુજ્ઞાપક (tracer) તરીકે : તબીબી ક્ષેત્રે, જૈવવૈજ્ઞાનિક સંશોધન તથા ભૌતિક અને રાસાયણિક ક્ષેત્રે તેનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. (2) સંદીપ્તિશીલ રંગક (luminescent paint) તરીકે : ઘડિયાળના કાંટા તથા આંકડા સ્પષ્ટ રીતે જોઈ શકાય તે માટે ઝિન્ક સલ્ફાઇડ(ZnS)નો ઉપયોગ થાય છે. (3) રેડિયમ-ચિકિત્સા તરીકે : ચામડીના રોગો ઉપર ઉપચાર કરવા તેનો ઉપયોગ થાય છે.

રેડિયો–ઍક્ટિવિટીનું મહત્વ : કુદરતે પૃથ્વીના ખડકોમાં રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુઓનું વિતરણ ન કર્યું હોત, આ પરમાણુઓમાં થોડાક દીર્ઘજીવી ન હોત અને માણસ વિકસ્યો અને વૈજ્ઞાનિક બન્યો ત્યાં સુધી તેમણે તેમની ઓલાદ વધારી ન હોત, રેડિયો-ઍક્ટિવ પરમાણુઓની અવગણના કરી હોત અથવા તેમનો અભ્યાસ નજર-અંદાજ કર્યો હોત તો ‘પરમાણુની ઇમારત’ તૈયાર કરવામાં હજુ શતાબ્દીઓ લાગી હોત. આથી જેમણે રેડિયો-ઍક્ટિવિટીની શોધ કરી અને અભૂતપૂર્વ વિકાસ સાધવા મંડ્યા રહ્યા તે બધાં સન્માનનીય છે. તે બધાંનો ઇતિહાસ ભવ્ય અને કરુણાસભર રહ્યો છે. તેમણે લાભોની જે પરિસ્થિતિ પેદા કરી છે તેનો પૂરેપૂરો ઉપયોગ થયો નથી. સજીવો ઉપર રેડિયો-ઍક્ટિવિટીની અસરો(પ્રભાવ)ના અભ્યાસથી અલૌકિક (પૂર્ણતયા) પરિસ્થિતિનું નિર્માણ થવા સંભવ છે.

આનંદ પ્ર. પટેલ