રેડિયો-સમસ્થાનિકો (radio-isotopes)

રેડિયો-સમસ્થાનિકો (radio-isotopes) : એકસમાન ન્યૂક્લિયર વીજભારો એકસમાન પરમાણુ-ક્રમાંક (atomic number) ધરાવતા હોય પરંતુ જુદા જુદા પરમાણુભાર (atomic mass) ધરાવતા હોય તેના બે અથવા તેના કરતાં વધારે ન્યૂક્લાઇડ (nuclides). આવા સમસ્થાનિકો એકસમાન રાસાયણિક પરંતુ ભિન્ન ભૌતિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. જે પરમાણુની લાક્ષણિકતા તેના પરમાણુ-ક્રમાંક, પરમાણુ-ભારાંક તથા ન્યૂક્લિયર ઊર્જા-સ્તરો વડે દર્શાવવામાં આવે તેને ન્યૂક્લાઇડ કહે છે.

રેડિયો-સમસ્થાનિકો(radio-isotopes)ની શોધ રેડિયોધર્મિતા(radioactivity)ના અભ્યાસનું પરિણામ છે. એ જાણવા મળ્યું કે રેડિયોધર્મી ક્ષય (decay) દરમિયાન મળતી નીપજ પણ રેડિયોધર્મી હોય છે. તે માતૃપદાર્થ (mother nuclei) કરતાં જુદા રાસાયણિક ગુણધર્મો આપે છે. રેડિયમ એક ધાતુ છે, જેનો પરમાણુભાર 226 છે. તે આયોનિયમ(ionium)ના આલ્ફા-વિઘટન (α–disinte-gration) બાદ મળતી નીપજ છે. રેડિયમ પોતે પણ α–ઉત્સર્જન દ્વારા દુર્લભ એવો રેડૉન (radon) નામનો વાયુ આપે છે. આયોનિયમના ગુણધર્મો થોરિયમ જેવા છે અને તે બંનેના મિશ્રણમાંથી છૂટા પાડવા મુશ્કેલ છે. તેઓ બંને વર્ણપટીય રીતે પણ સમાન જોવા મળે છે. આયોનિયમનો પરમાણુભાર 230 અને થોરિયમનો 232 છે. બીજાં કેટલાંય તત્વો શોધી શકાયાં છે કે જે રાસાયણિક ર્દષ્ટિએ સમાન હોય, પરંતુ તેમના પરમાણુભાર અલગ હોય. 1913માં સૉડી નામના વૈજ્ઞાનિકે સમસ્થાનિક નામ આપ્યું; જેનો અર્થ આવર્તકોષ્ટક(periodic table)માં એકસમાન સ્થાન થાય છે.

સમસ્થાનિકો રેડિયોધર્મી ક્ષય વડે સમજી શકાય છે. ક્ષયના કારણે પરમાણુ-ભારાંક કે પરમાણુ-ક્રમાંક બદલાય છે. જ્યારે આલ્ફા-કણનું ઉત્સર્જન રેડિયોધર્મી નાભિ (ન્યૂક્લિયસ) દ્વારા થાય છે ત્યારે નાભિનો વીજભાર બે એકમ જેટલો ઘટે છે, કારણ કે આલ્ફા-કણ બે એકમ ધન વીજભાર ધરાવે છે; પરંતુ પરમાણુ-ભારાંકમાં ચાર એકમ જેટલો ઘટાડો જોવા મળે છે. જ્યારે બીટા-કણ(β–particle)નું ઉત્સર્જન થાય છે ત્યારે બીટા-કણ એક એકમ ઋણ વીજભાર ધરાવતો હોવાથી ન્યૂક્લિયસનો વીજભાર એક એકમ વધે છે, પણ નાભિના દળમાં અતિ-અલ્પ માત્રામાં ફેરફાર થાય છે. 1913માં સૉડી તથા ફાજને આ નિયમો આપ્યા.

યુરેનિયમ ₉₂U²³⁸ (પરમાણુ-ભારાંક 238, પરમાણુ-ક્રમાંક 92) રેડિયોધર્મી ક્ષય દરમિયાન α-કણ ઉત્સર્જિત કરીને ₉₀U²³⁴માં રૂપાંતરિત થાય છે. ₉₀U²³⁴ બીટા-કણ ઉત્સર્જિત કરીને  ₉₁U²³⁴માં રૂપાંતરિત થાય છે, જે ફરીથી બીટા-કણ ઉત્સર્જિત કરીને  ₉₂U²³⁴માં રૂપાંતરિત થાય છે.  ₉₂U²³⁸ અને  ₉₂U²³⁴ બંને સમસ્થાનિકો છે. તેમને રાસાયણિક દૃષ્ટિએ અલગ કરવા મુશ્કેલ છે, કારણ કે તે બંને રાસાયણિક દૃષ્ટિએ એક જ તત્વ છે.

કુદરતી રેડિયોધર્મી તત્વોમાં સમસ્થાનિકો શોધાયા બાદ 1913માં જે. જે. થૉમ્સને ધન-કિરણો ઉપર આધારિત પ્રાયોગિક પદ્ધતિ વડે અન્ય તત્વો(elements)માં સમસ્થાનિકો શોધી કાઢ્યા. જે. જે. થૉમ્સનના કાર્યને એફ. ડબ્લ્યૂ. એસ્ટને 1919 આગળ વધારીને ધન-કિરણો ઉપર કાર્ય કરતા માસ સ્પેક્ટ્રૉમિટર (mass spectrometer) વડે શોધી કાઢ્યું કે મોટાભાગનાં તત્વો એક પ્રકારનું સમસ્થાનિકોનું મિશ્રણ ધરાવે છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં 9થી 10 સમસ્થાનિકો હોય છે.

સમસ્થાનિકોનો સુવ્યવસ્થિત અભ્યાસ ફક્ત તેના સમસ્થાનિકીય દળ જાણવા પૂરતો મર્યાદિત નથી, પણ તેની વિપુલતા (abundance) જાણવામાં પણ થાય છે. રેડિયોધર્મી ન હોય તેવા ‘સ્થાયી’ નવ જેટલાં તત્વોના સમસ્થાનિકો ઓછી રેડિયોધર્મિતા દર્શાવે છે; જેમાં K⁴⁰, Rb⁸⁷, In¹¹⁵, La¹³⁸, Nd¹⁴⁴, Sm¹⁴⁷, Lu¹⁷⁶, Re¹⁸⁷ અને Pt¹⁹⁰ છે.

બેકી (even) સંખ્યામાં પરમાણુ-ક્રમાંક Z ધરાવતા ન્યૂક્લાઇડ એકી સંખ્યા(odd)ના પરમાણુ-ક્રમાંક ધરાવતા ન્યૂક્લાઇડ કરતાં વધારે સ્થાયી હોય છે. આ આંકડાકીય માહિતી અલગ સારણીમાં આપેલ છે. બેકી સંખ્યામાં Z (પરમાણુ-ક્રમાંક) ધરાવતા ન્યૂક્લાઇડ એકી સંખ્યાના Z કરતાં વધારે સંખ્યામાં છે, તેવી જ રીતે બેકી સંખ્યામાં પરમાણુ-ભારાંક (A) ધરાવતા ન્યૂક્લાઇડ એકી સંખ્યા ધરાવતા કરતાં વધારે છે. મોટાભાગના ન્યૂક્લાઇડ બેકી સંખ્યામાં A તથા Z ધરાવે છે; તેમાં અપવાદરૂપ ₁H², ₃Li⁶, ₅B¹⁰ અને ₇N¹⁴ છે. જ્યારે એકી સંખ્યાના Z અને બેકી સંખ્યામાં A ધરાવતા ₁₉K⁴⁰ અને ₇₁Lu¹⁷⁶ ન્યૂક્લાઇડો ખૂબ નબળાં રેડિયોધર્મી છે.

કેટલાક અગત્યના ન્યૂક્લાઇડના સમસ્થાનિકો અને વિપુલતાનો કોઠો

સંજ્ઞા	પરમાણુ–ક્રમાંક	પરમાણુ–ભારાંક	સાપેક્ષ વ્યાપકતા %માં
H	1	1	99.89849–99.9861
D	1	2	0.0139–0.0151
He	2	3	~10–5–10–4
		4	~100
C	6	12	98.892
		13	1.108
N	7	14	99.634
		15	0.366
O	8	16	99.759
		17	0.037
		18	0.204
Fe	26	54	5.82
		56	91.66
		57	2.19
		58	0.33
Sn	50	112	0.96
		114	0.66
		115	0.35
		116	14.30
		117	7.61
		118	24.03
		119	8.58
		120	32.85
		122	4.72
		124	5.94
Pb	82	204	1.48
		206	23.6
		207	22.6
		208	52.3
U	92	234	0.0056
		235	0.7205
		238	99.2739

 Z તથા Aની કિંમતો ઉપરથી એવું તારણ નીકળે કે H¹ અને He³ના અપવાદ સિવાય સ્થાયી ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનોની સંખ્યા સરખી અથવા તો ન્યૂટ્રૉનોની સંખ્યા વધારે હોય છે. આ બાબતોનો અભ્યાસ A–Z વિરુદ્ધ પ્રોટૉનોની સંખ્યાના આલેખ (graph) ઉપરથી થઈ શકે છે. (આકૃતિ 1). ઉદાહરણ રૂપે પરમાણુ-ક્રમાંક 50 ધરાવતા તત્વ માટે ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા 62થી 74ની વચ્ચે છે એટલે સમસ્થાનિકોનો પરમાણુ-ભારાંક 112થી 124 વચ્ચે રહે છે, એટલે કે ટિન નામના તત્વના ન્યૂક્લિયસમાં 62થી ઓછા ન્યૂટ્રૉન અને 74થી વધારે ન્યૂટ્રૉનો હોતા નથી અને તે સ્થાયી (stable) છે.

સમસ્થાનિકોની વિપુલતાનો ગુણોત્તર કાર્બનના C¹²/C¹³ માટે ચૂનાના પથ્થરો(lime stone)માં 89.2 અને કોલસામાં 91.8 છે. વાતાવરણમાં ઑક્સિજનની O¹⁶/O¹⁸ની વિપુલતાનો ગુણોત્તર 489.2 છે. H¹ અને H²નો ગુણોત્તર પાણીમાં તેના સ્રોત મુજબ બદલાય છે.

કુદરતી તેમજ કૃત્રિમ જાણીતા ન્યૂક્લાઇડનાં બંધારણો A–Z વિરુદ્ધ પ્રોટૉનની સંખ્યાના આલેખ (આકૃતિ 2) ઉપરથી જાણી શકાય છે. સ્થાયી ન્યૂક્લાઇડ કાળા ચોરસ તરીકે દર્શાવેલ છે. આલ્ફા-ઉત્સર્જકો સાદા ત્રિકોણ અને ચોરસ વડે અને બીટા ઉત્સર્જકો સાદા વર્તુળ વડે દર્શાવેલ છે. કૃત્રિમ રીતે રેડિયોધર્મી ન્યૂક્લાઇડ સ્થાયી ન્યૂક્લાઇડથી ઉપર અથવા નીચે આલેખમાં આવેલ છે, તેઓ સ્થાયિત્વ માટે જરૂરી એવા પ્રોટૉન-ન્યૂટ્રૉન ગુણોત્તર કરતાં ક્યાં તો વધારે ન્યૂટ્રૉન ધરાવે છે. અથવા વધારે પ્રોટૉન ધરાવે છે. જે ન્યૂક્લિયસમાં ઓછા પ્રોટૉનો હોય છે તે નાભિકીય વીજભાર મેળવીને સ્થાયિત્વ પ્રાપ્ત કરે છે. જે નાભિમાં પ્રોટૉનો ન્યૂટ્રૉન કરતાં વધારે હોય તે પોતાનો નાભિકીય વીજભાર ઘટાડીને સ્થાયિત્વ પ્રાપ્ત કરે છે. પૉઝિટ્રૉનનું ઉત્સર્જન એવા સમસ્થાનિકોમાં જોવા મળે છે કે જ્યાં તેમનો પરમાણુ-ભારાંક સ્થાયી સમસ્થાનિકોના પરમાણુ-ભારાંક કરતાં ઓછો હોય, જ્યારે ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન (બીટા-કણ) એવા સમસ્થાનિકોમાં જોવા મળે છે કે જેમાં તેમનો પરમાણુ-ભારાંક સ્થાયી સમસ્થાનિકોથી વધારે હોય. C¹¹, N¹², O¹⁵, F¹⁷, Ne¹⁹, Na²¹, Mg²³, A1²⁵ ન્યૂક્લાઇડ પૉઝિટ્રૉન ઉત્સર્જિત કરે છે. દરેકના પરમાણુ-ભારાંક સ્થાયી સમસ્થાનિકોથી ઓછા છે. C¹⁴, N¹⁶, F²⁰, Ne²³, Na²⁴, Mg²⁷, Al²⁸ ન્યૂક્લાઇડ ઇલેક્ટ્રૉન (બીટા-કણ) ઉત્સર્જિત કરે છે, તેમના પરમાણુ-ભારાંકો સ્થાયી સ્મસ્થાનિકોથી વધારે છે.

આલ્ફા અથવા બીટા-કણોના ઉત્સર્જન બાદ નાભિ ઉત્તેજિત અવસ્થામાં હોય છે, જે પોતે આંતરિક પરિવર્તન (internal conversion) અથવા ગૅમા(γ)-વિકિરણ(radiation)ના ઉત્સર્જન વડે પોતાની ઉત્તેજના ઘટાડે છે. ગૅમા-ઉત્સર્જન સમજવા માટે ક્વૉન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રીય રીતે વિકિરણોનું ઉત્સર્જન તથા નાભિની જુદી જુદી ક્વૉન્ટમ અવસ્થાઓ જાણવી જરૂરી છે. Mn⁵⁴, Zn⁶⁵, Na²⁴, Co⁶⁰ જાણીતા ગૅમા-સ્રોતો છે. Co⁶⁰ તથા Cs¹³⁷ સમસ્થાનિકો ઔદ્યોગિક રીતે ઉપયોગી છે. Co⁶⁰માંથી ઉત્સર્જિત થતાં ગૅમા-કિરણો રબરને વલ્કેનાઇઝ કરવામાં, ગૅમા-રેડિયોગ્રાફી વડે કાસ્ટિંગ (casting) તેમજ વેલ્ડિંગમાં રહેલ સૂક્ષ્મ તિરાડો પારખવામાં, તબીબી સાધનોને જંતુમુક્ત (sterilization) કરવામાં અને કૅન્સરની સારવારમાં ઉપયોગી છે. આ ઉપરાંત Ir¹⁹², Cs¹³⁷ અને Am²⁴¹ પણ ગૅમા-સ્રોત માટે જાણીતા છે.

મિહિર જોશી