રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વો : રેડિયો-સક્રિયતા ધરાવતાં એવાં તત્ત્વો કે જેમના પરમાણુઓ અસ્થિર હોઈ વધારાની ઊર્જા સ્વયંભૂપણે (spontaneously) આલ્ફા (α), બીટા (β) કે ગૅમા (β) – વિકિરણ રૂપે ઉત્સર્જિત કરે છે. જો પરમાણુ α-કણ (હીલિયમ નાભિક) ઉત્સર્જિત કરે તો તેના પરમાણુક્રમાંક(atomic number)માં 2 એકમનો અને પરમાણુભાર(atomic weight)માં 4 એકમનો ઘટાડો થાય છે. જો β-કણ (ઇલેક્ટ્રૉન) ઉત્સર્જિત થાય તો પરમાણુના વજનમાં (પરમાણુભારમાં) કોઈ નોંધપાત્ર ફેરફાર થતો નથી, પણ તેના પરમાણુક્રમાંકમાં એક એકમનો વધારો થાય છે. ϒ–કિરણોના ઉત્સર્જનને કારણે પરમાણુક્રમાંક કે પરમાણુભારાંકમાં કોઈ ફેરફાર થતો નથી.
1895માં X-કિરણોની શોધ બાદ 1896માં યુરેનિયમના ક્ષારમાંથી ઉદભવતા પ્રસ્ફુરણ અને X-કિરણો વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ કરતી વખતે ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી હેન્રી બૅકેરલે (Henri Becquerel) નોંધ્યું કે યુરેનિયમના ક્ષારમાંથી X-કિરણો જેવાં વિકિરણો નીકળે છે, જે આંખ વડે જોઈ શકાતાં ન હોવા છતાં ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ ઉપર અસર કરે છે અને હવામાં આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરે છે. વિકિરણના ઉત્સર્જનનો આ ગુણધર્મ રેડિયો-ઍક્ટિવિટી (વિકિરણધર્મિતા, radioactivity) તરીકે ઓળખાય છે. આ પ્રકારના વિકિરણનું ઉત્સર્જન તત્વોની ભૌતિક કે રાસાયણિક સ્થિતિ ઉપર આધારિત હોતું નથી. વિકિરણના ઉત્સર્જન બાદ તત્વના પરમાણુકેન્દ્રની રચનામાં ફેરફાર થાય છે, અને બીજા તત્વનું નિર્માણ થાય છે. દા.ત., યુરેનિયમનું થોરિયમમાં રૂપાંતર થાય છે. નવું ઉત્પન્ન થયેલું તત્વ થોરિયમ પણ રેડિયો-ઍક્ટિવ ગુણધર્મ દર્શાવે છે. આમ, યુરેનિયમ ઉપરાંત થોરિયમ, પોલોનિયમ, રેડિયમ અને ઍક્ટિનિયમ જેવાં તત્ત્વો પણ આવી વિકિરણધર્મિતા દર્શાવે છે. આવાં તત્ત્વો રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વો તરીકે ઓળખાય છે.
વિકિરણધર્મી ક્ષય દરમિયાન રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વમાંથી ઉત્સર્જિત થતા α–કણો ધન ભારવાહી કણો હોય છે. તેમના ઉપર ચુંબકીય ક્ષેત્રની અને વિદ્યુતપ્રવાહની અસર થાય છે. β–કણો ઋણ ભારવાહી કણો (ઇલેક્ટ્રૉન) છે. તે ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ ઉપર અસર કરે છે અને 0.1 મિમી. જેટલી જાડાઈની ધાતુની પ્લેટમાંથી પસાર થઈ શકે છે. γ–કિરણો (દળરહિત) વીજચુંબકીય તરંગો હોવાથી તેમને કણો ગણી શકાય નહિ. તેમના ઉપર વિદ્યુતપ્રવાહની કે ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર થતી નથી. આ કિરણો ઊંચી પ્રભેદનશક્તિ ધરાવે છે.
કુદરતમાંથી પ્રાપ્ત થતાં જે તત્વો રેડિયો-ઍક્ટિવ ગુણધર્મો દર્શાવે છે તેમને કુદરતી રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વો કહે છે, જ્યારે પ્રયોગશાળામાં બનાવેલાં રેડિયો-ઍક્ટિવ ગુણધર્મો ધરાવતાં તત્વોને કૃત્રિમ અથવા સંશ્લેષિત રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. કૃત્રિમ રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોમાં કેટલાંક ઓછા પરમાણુભાર ધરાવતાં સ્થાયી તત્વોના સમસ્થાનિકો પણ હોય છે, જ્યારે કુદરતી રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોના પરમાણુભાર સામાન્ય રીતે ઊંચા હોય છે.
રેડિયો-ઍક્ટિવ ફેરફાર થવાથી નવા તત્વનું નિર્માણ થાય છે. પરમાણુકેન્દ્રમાં થતો આ ફેરફાર અપ્રતિવર્તી હોય છે અને તાપમાન કે દબાણ જેવાં બાહ્ય પરિબળોની અસરથી મુક્ત હોય છે. રેડિયો-ઍક્ટિવ ફેરફાર થાય ત્યારે વિપુલ પ્રમાણમાં ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે. આમ રેડિયો-ઍક્ટિવિટી એ તત્વના પરમાણુકેન્દ્રમાં થતા ફેરફાર સાથે સંકળાયેલો ગુણધર્મ છે, જે સામાન્ય રાસાયણિક અને ભૌતિક ફેરફારોથી અલગ હોય છે.
રેડિયો-ઍક્ટિવિટીનો એકમ બેકેરલ (Bq) છે. તે પ્રતિસેકન્ડે સરેરાશ એક નાભિકીય રૂપાંતરણ (nuclear transformation) પામતા રેડિયોનાભિક(radionuclide)ની સક્રિયતા છે. 1 Bq = 1 વિખંડન સેકન્ડ–1. અગાઉ આ સક્રિયતા માટે ક્યુરી (Ci) એકમ તરીકે વપરાતો હતો, જે એક ગ્રામ રેડિયમ–226ની આશરે સક્રિયતા હતી : 1 Ci = 3.7 × 1010 Bq.
રેડિયો-ઍક્ટિવ ક્ષયને કારણે ઉત્પન્ન થયેલું તત્વ તેના માતૃતત્વથી રાસાયણિક અને ભૌતિક સ્વરૂપે અલગ હોય છે. નવું ઉત્પન્ન થયેલું તત્વ રેડિયો-ઍક્ટિવ ગુણધર્મ ધરાવતું હોય કે ન પણ હોય. રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વના વિભંજનની આ પ્રક્રિયા નવું ઉત્પન્ન થયેલું તત્વ સ્થાયી ન બને ત્યાં સુધી ચાલતી રહે છે.
રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વના પરમાણુઓનું સતત વિખંડન એક પછી એક થતું હોય છે અને આમાં કયો પરમાણુ પ્રથમ વિખંડન પામશે તે નક્કી હોતું નથી. (યાચ્છિક વિખંડન, random disintegration). આથી તત્વના દરેક પરમાણુનો આયુષ્યકાળ અલગ અલગ હોય છે. જે પરમાણુઓનું વિખંડન પહેલું થાય તેમનું આયુષ્ય ટૂંકું હોય છે જ્યારે જેમનું મોડું થાય તેમનું આયુષ્ય લાંબું હોય છે. વિખંડનની આ પ્રક્રિયા અનિશ્ચિત સમય સુધી ચાલે છે. તેથી કોઈ પણ રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વનો સંપૂર્ણ ક્ષય (decay) થવાનો સમય અનંત હોય છે. પરિણામે તત્વનો કુલ આયુષ્યસમય અર્થવિહીન બને છે.
આથી વ્યવહારમાં કુલ ક્ષય-સમયને બદલે રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વની સક્રિયતા અર્ધી થાય તેટલો ક્ષય થવા માટે લાગતા સમયનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આને તત્વનો અર્ધઆયુષ્ય સમય (t1/2) કહે છે. તે તત્વના જથ્થા પર આધારિત હોતો નથી. દરેક તત્વનો અર્ધઆયુષ્ય સમય અલગ હોય છે. આ સમયની મદદથી તત્વના વિખંડનની ઝડપ જાણી શકાય છે. અલ્પ અર્ધઆયુષ્ય સમય ધરાવતાં તત્વો વહેલાં ક્ષય પામે છે, તો લાંબો અર્ધઆયુષ્ય સમય ધરાવતાં તત્વોના ક્ષયની અવધિ લાંબી હોય છે. આમ, રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોનો અર્ધઆયુષ્ય સમય શૂન્યથી અનંત વચ્ચે ગમે તે હોઈ શકે. અર્ધઆયુષ્ય માટેનું સમીકરણ રેડિયો-ઍક્ટિવ ક્ષયના નિયમ અંગેના સમીકરણ પરથી મળી શકે. આ સમીકરણ મુજબ
રેડિયો-ઍક્ટિવ જાતિના પરમાણુઓનો સરેરાશ આયુષ્ય-સમય τ (અથવા tav અથવા l) પણ નક્કી કરી શકાય. બધા પરમાણુઓના અસ્તિત્વના (તેમના ક્ષય માટેના) સમયને પ્રારંભમાંની પરમાણુઓની સંખ્યા વડે ભાગવાથી તે મળી શકે. આમ સરેરાશ આયુષ્ય-સમય એટલે કોઈ પણ રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વનું વિખંડન શરૂઆતના દર પ્રમાણે ચાલુ રહે તો તેના સંપૂર્ણ વિખંડન માટે લાગતો સમય. તત્વના વિખંડન અથવા ક્ષય અચળાંક સાથે તે નીચેના સમીકરણ મુજબ સંકળાયેલ હોય છે :
કુદરતમાંથી લગભગ ચાલીસ રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વો પ્રાપ્ત થયાં છે. આ તત્વોના પરમાણુ-અંક 206થી 238ની વચ્ચે હોવાથી આવર્તકોષ્ટકમાં તેમની ગોઠવણી મુશ્કેલ બને છે. આ તત્વોની ક્રમિક (succesive) વિભંજન-પેદાશો વડે ત્રણ રેડિયો-ઍક્ટિવ શ્રેણીઓ બનાવવામાં આવી છે. આ શ્રેણીઓનાં નામ સામાન્ય રીતે તેમના પ્રથમ તત્વ ઉપરથી રાખવામાં આવ્યાં છે (સારણી) :
(1) થોરિયમ શ્રેણી ( 4n શ્રેણી)
આ તત્વોની દ્રવ્યમાન સંખ્યા (mass number) 4n વડે દર્શાવી શકાય છે; જ્યાં n એ એક પૂર્ણાંક સંખ્યા છે; તેથી આ શ્રેણી 4n શ્રેણી પણ કહેવાય છે.
(2) યુરેનિયમ શ્રેણી ( 4n + 2 શ્રેણી)
આ શ્રેણીનાં તત્વોની દ્રવ્યમાન સંખ્યા 4n + 2 વડે દર્શાવાય છે. તેથી આ શ્રેણી 4n + 2 શ્રેણી પણ કહેવાય છે.
(3) ઍક્ટિનિયમ શ્રેણી ( 4n + 3 શ્રેણી)
આ શ્રેણીનાં તત્વોની દ્રવ્યમાન સંખ્યા 4n + 3 વડે દર્શાવાય છે; તેથી આ શ્રેણી 4n + 3 શ્રેણી પણ કહેવાય છે.
આ ત્રણ શ્રેણીઓ ઉપરાંત ચોથી શ્રેણી(નેપ્ચૂનિયમ શ્રેણી)નાં તત્વોની દ્રવ્યમાન સંખ્યા 4n + 1 વડે દર્શાવાય છે. તેથી આ શ્રેણી 4n + 1 શ્રેણી કહેવાય છે. આ શ્રેણી પરાયુરેનિયમ (transuranic) તત્વોની બનેલી છે અને તેનાં તત્વો કુદરતમાં પ્રાપ્ત થતાં નથી.
રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોના સમસ્થાનિકો કૃષિ-ક્ષેત્રે, રસાયણ-ક્ષેત્રે, તબીબી ક્ષેત્રે ઔષધ તરીકે તેમજ રોગના નિદાન માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે. અન્ય ઉદ્યોગોમાં પણ તે ઉપયોગી બન્યા છે.
જીવંત કોષોની અટપટી ક્રિયાઓ સમજવા માટે રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોના સમસ્થાનિકો વપરાય છે. જટિલ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓની ક્રિયાવિધિના અભ્યાસ માટે પણ રેડિયો-ઍક્ટિવ સમસ્થાનિકો વપરાય છે. તબીબી ક્ષેત્રે રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોના સમસ્થાનિકો રોગના નિદાન અને સારવાર માટે અત્યંત ઉપયોગી છે. લોહીના પરિભ્રમણની જાણકારી મેળવવા રેડિયો-ઍક્ટિવ સોડિયમ ઉપયોગી બને છે. થાઇરૉઇડ ગ્રંથિના અભ્યાસમાં રેડિયો-ઍક્ટિવ આયોડિનની મદદ લેવામાં આવે છે. મગજની ગાંઠ(brain tumour)ની ચોક્કસ જગા તેમજ કદ જાણવા માટે રેડિયો-ઍક્ટિવ આયોડિન વપરાય છે. લોહીના કૅન્સરના નિદાન માટે રેડિયો-ઍક્ટિવ ફૉસ્ફરસ વપરાય છે; જ્યારે કૅન્સરના ઇલાજ માટે રેડિયો-ઍક્ટિવ કોબાલ્ટનાં વિકિરણોનો ઉપયોગ થાય છે. પહેલાં આવા ઇલાજ માટે રેડિયમનો ઉપયોગ કરવામાં આવતો હતો; પરંતુ રેડિયમ અલ્પ પ્રમાણમાં પ્રાપ્ય હોવાથી તે ઘણું મોંઘું છે; જ્યારે રેડિયો-ઍક્ટિવ કોબાલ્ટ સસ્તું પડે છે અને બંનેમાંથી પ્રાપ્ત થતું રેડિયો-ઍક્ટિવ વિકિરણ સમાન હોય છે.
રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વોના ઉપયોગો સામે તેનાં કેટલાંક ભયસ્થાનો પણ છે. જો રેડિયો-ઍક્ટિવ તત્વ મનુષ્યના શરીરમાં અત્યંત અલ્પ પ્રમાણમાં જાય તો પણ તે હાનિકારક બને છે. ઉદાહરણ નીચે સારણીમા દર્શાવ્યાં છે.
રેડિયમ–226 (α અને γ વિકિરણ; t1/2 = 1,620 વર્ષ)
ક્યુરી-દંપતીએ આ તત્વ શોધ્યું. તેનું વિકિરણ હાડકામાંથી પસાર થઈ શકે છે. તેથી કૅન્સરનું મુખ્ય કારણ બની શકે છે. તે ϒ વિકિરણના સ્રોત તરીકે વપરાય છે.
સારણી : રેડિયો–ઍક્ટિવ તત્વોની શ્રેણીઓ
થોરિયમ શ્રેણી નેપ્ચૂનિયમ શ્રેણી યુરેનિયમ શ્રેણી ઍક્ટિનિયમ શ્રેણી
(A = 4n) (A = 4n + 1) (A = 4n + 2) (A = 4n + 3)
આયોડિન–131 (β અને γ વિકિરણ; t1/2 = 8.1 દિવસ)
તે કેન્દ્રીય સંગલનની પેદાશ છે. થાઇરૉઇડ ગ્રંથિમાં શોષાતું હોવાથી થાઇરૉઇડ ગ્રંથિના કૅન્સરના ઇલાજમાં તે વપરાય છે; પરંતુ જો આકસ્મિક રીતે પણ શરીરમાં જાય તો થાઇરૉઇડ ગ્રંથિમાં શોષાઈને તેમાં ગાંઠ ઉત્પન્ન કરી શકે છે.
પ્લૂટોનિયમ–239 (ઓછી તીવ્રતા ધરાવતાં γ વિકિરણો; t1/2 = 25,000 વર્ષ)
પ્રયોગશાળામાં યુરેનિયમમાંથી તે બનાવાય છે. તેનું કેન્દ્રીય ખંડન થઈ શકે છે; તેથી પરમાણુ-શસ્ત્રો બનાવવા માટે તે વપરાય છે. અત્યંત અલ્પ પ્રમાણમાં પણ જો શરીરમાં તેનું વિકિરણ જાય તો ભયજનક બની શકે છે.
સ્ટ્રૉન્શિયમ–90 (ઉગ્ર β–કણોનું વિકિરણ; t1/2 = 28 વર્ષ)
તે કેન્દ્રીય ખંડનની નીપજ છે. શરીરમાં જાય તો કૅલ્શિયમના ક્ષારની જેમ હાડકામાં જમા થઈ જાય છે અને વધારે પ્રમાણમાં જાય તો હાડકાનું કૅન્સર થઈ શકે છે.
ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ