अध्याय 13

कक्षा 12 Science भौतिकी अध्याय 13

नाभिक

वैज्ञानिक रदरफोर्ड ने अल्फा-कण पर प्रकीर्णन के प्रयोग द्वारा ज्ञात किया। कि किसी परमाणु का समस्त धन आवेश एक सूक्ष्म जगह (केंद्र) पर जमा रहता है। इस स्थान को परमाणु का नाभिक कहते हैं। नाभिक की त्रिज्या 10-15 मीटर की कोटी की होती है।

चूंकि इलेक्ट्रॉन पर ऋण आवेश होता है इसलिए यह नाभिक के चारो ओर निश्चित कक्षाओं में घूमते रहते हैं। नाभिक में जितना धन आवेश होता है उतना ही नाभिक के चारों ओर ऋण आवेश होता है।

नाभिक संबंधित महत्वपूर्ण बिंदु

नाभिक में केवल धन आवेश उपस्थित होता है ऋण आवेश (इलेक्ट्रॉन) नाभिक के चारो ओर अलग-अलग कक्षाओं में घूमता रहता है।
नाभिक के अंदर प्रोटॉन तथा न्यूट्रॉन होते हैं प्रोटॉनओं तथा न्यूट्रॉनों की संख्या के योग को परमाणु की द्रव्यमान संख्या कहते हैं। एवं केवल प्रोटोनों की संख्या को परमाणु क्रमांक कहते हैं।
• 17Cl35ये समस्थानिक हैं। क्योंकि इन दोनों के परमाणु क्रमांक समान हैं, जो कि 17 हैं। तथा द्रव्यमान संख्याएं भिन्न-भिन्न हैं 35 तथा 37।
1 a.m.u. में 931 मेगा इलेक्ट्रॉन-वोल्ट होते हैं।
84P218इस संकेतक से तात्पर्य है – इसमें 84 नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या या परमाणु क्रमांक है तथा 218 पोलिनियम परमाणु की द्रव्यमान संख्या (न्यूक्लिऑनों की संख्या) है।
• नाभिकीय रिएक्टर में भी नाभिकीय विखंडन की घटना घटित होती है।
1 क्यूरी में 3.7 × 1010विघटन/सेकंड होते हैं। क्यूरी रेडियोएक्टिव पदार्थ की सक्रियता का मात्रक होता है।

नाभिकीय विखंडन

जब किसी भारी तत्व के परमाणुओं पर न्यूट्रॉनओं की बमबारी की जाती है तो भारी तत्व दो बराबर-बराबर हल्के तत्वों में टूट जाता है। एवं इसमें बहुत अधिक ऊर्जा का उत्सर्जन होता है इस प्रकार किसी भारी तत्व का हल्के-हल्के तत्वों में टूटने की प्रक्रिया को नाभिकीय विखंडन (nuclear fission) कहते हैं।

नाभिकीय विखंडन का समीकरण

आइयें नाभिकीय विखंडन को समीकरण द्वारा समझते हैं। इसमें एक तत्व यूरेनियम (92U235) का प्रयोग करेंगे, यूरेनियम का परमाणु क्रमांक 92 तथा न्यूक्लिऑनों की संख्या 235 है। यूरेनियम के दो समस्थानिक होते हैं – 92U238 तथा 92U235

जब यूरेनियम पर न्यूट्रॉन की बमबारी की जाती है एवं एक न्यूट्रॉन जब यूरेनियम से टकराता है। तब यूरेनियम इसको अवशोषित कर लेता है और एक आइसोटोप U236 बन जाता है। परंतु यह अत्यंत अस्थायी होता है जिस कारण यह दो खंडों में विखंडित हो जाता है और साथ ही न्यूट्रॉन तथा ऊर्जा का भी उत्सर्जन होता है। चित्र द्वारा स्पष्ट किया गया है। तो इस प्रकार नाभिकीय विखंडन का समीकरण

नाभिकीय विखंडन में उर्जा

”नाभिकीय विखंडन में उर्जा किस रूप से निकलती है।” नाभिकीय विखंडन में अत्यधिक ऊर्जा का उत्सर्जन होता है जिसे नाभिकीय ऊर्जा कहते हैं।

गणना द्वारा ज्ञात किया गया कि यूरेनियम के इस नाभिक से लगभग 190 मेगा इलेक्ट्रॉन-वोल्ट ऊर्जा मुक्त होती है। एवं इस ऊर्जा का अधिकांश भाग विखंडन द्वारा प्राप्त हल्के नाभिकों (जैसे Ba तथा Kr) की गतिज ऊर्जा के रूप में प्राप्त होता है। तथा ऊर्जा का शेष भाग उत्सर्जित न्यूटनों की गतिज ऊर्जा तथा ऊष्मा विकिरणों के रूप में प्राप्त होता है।

नाभिकीय विखंडन में श्रंखला अभिक्रिया

जब यूरेनियम परमाणु पर न्यूटनों की बमबारी की जाती है तब यूरेनियम नाभिक दो बराबर बराबर नाभिक में टूट जाता है। एवं साथ ही अत्यधिक ऊर्जा तथा तीन नये इलेक्ट्रॉन भी मुक्त होते हैं। अगर आगे भी यूरेनियम नाभिक हो तो ये नये न्यूट्रॉन ही यूरेनियम से टकराकर उसे भी विखंडित कर देते हैं। एवं आगे भी यही नियम लागू होता है। जैसा चित्र में दिखाया गया है तब नाभिकों के विखंडन की एक श्रंखला बन जाती है। इस प्रक्रिया को नाभिकीय विखंडन की श्रंखला अभिक्रिया कहते हैं।

नाभिकीय विखंडन का उदाहरण परमाणु बम (atomic bomb) है। अर्थात परमाणु बम नाभिकीय विखंडन पर आधारित होता है।

नाभिकीय संलयन

जब दो या अधिक हल्के नाभिक संयुक्त होकर एक भारी नाभिक का निर्माण करते हैं। तब इस प्रक्रिया को नाभिकीय संलयन कहते हैं।

नाभिकीय संलयन प्रक्रिया से प्राप्त भारी नाभिक का द्रव्यमान, हल्के दोनों नाभिकों के द्रव्यमान के योग से कम होता है। इस प्रकार नाभिकीय संलयन में द्रव्यमान की हानि (क्षति) होती है जो कि ऊर्जा के रूप में प्राप्त हो जाती है।

नाभिकीय संलयन के उदाहरण

जब दो भारी हाइड्रोजन अर्थात् ड्यूटिरियम (1H2) संलयित होते हैं। तो ट्रॉइटियम प्राप्त होता है। एवं द्रव्यमान की क्षति ऊर्जा के रूप में प्राप्त होती है।
1H2 + 1H2 → 1H3 + 1H1 + ऊर्जा
अब ट्रॉइटियम को पुनः ड्यूटिरियम के साथ मिलकर संलयित होने पर हीलियम नाभिक का निर्माण होता है।
1H3 + 1H2 → 2He4 + 0n1 + ऊर्जा

अतः स्पष्ट है कि ड्यूटिरियम के तीन नाभिक संलयित होकर एक हीलियम नाभिक का निर्माण करते हैं। इस दौरान जो ऊर्जा मुक्त होती है वह प्रोटॉन sub>1H1) तथा न्यूट्रॉन sub>0n1) को गतिज ऊर्जा के रूप में प्राप्त होती है।
नाभिकीय संलयन का उदाहरण हाइड्रोजन बम (hydrogen bomb) है। अर्थात हाइड्रोजन बम नाभिकीय संलयन की क्रियाविधि पर आधारित होता है।

नाभिकीय संलयन की प्रक्रिया

नाभिकीय संलयन प्रक्रिया एक बहुत ही कठिन प्रक्रिया है। क्योंकि इसमें जिन नाभिकों का संलयन होता है। वह नाभिक, इस दौरान एक दूसरे के समीप आ जाते हैं। एवं अब इन नाभिकों के बीच प्रतिकर्षण बल अत्यंत तीव्र (मजबूत) हो जाता है। इस बल के विपरीत नाभिकों का संलयन करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता पड़ती है जो कि प्राकृतिक रूप से उपलब्ध नहीं है। इस कारण नाभिकीय संलयन प्रक्रिया बहुत कठिन है।

रेडियो सक्रियता

किसी रेडियोएक्टिव पदार्थ के परमाणुओं के क्षय होने की दर को उस रेडियोएक्टिव पदार्थ की सक्रियता कहते हैं।

इसके अनुसार किसी क्षण रेडियोएक्टिव पदार्थ के क्षय होने की दर, उस क्षण पदार्थ में शेष परमाणुओं की संख्या के अनुक्रमानुपाती होती है।

माना किसी क्षण रेडियोएक्टिव पदार्थ में बचे परमाणुओं की संख्या N है तो उस क्षण पदार्थ की सक्रियता R हो तो

R ∝ N

मानो किसी रेडियोएक्टिव पदार्थ के प्रारंभ में N0 परमाणु हैं एवं पदार्थ की अर्द्ध आयु T है तो एक अर्द्ध आयु के पश्चात शेष रेडियोएक्टिव परमाणुओं की संख्या

अतः यह समीकरण ही रेडियो सक्रियता का संबंध समीकरण है। इससे स्पष्ट है कि रेडियो एक्टिव पदार्थ की सक्रियता समय के साथ घटती जाती है।

रेडियो सक्रियता का मात्रक

रेडियोएक्टिव पदार्थ की सक्रियता का मात्रक क्यूरी होता है। इसे C द्वारा प्रदर्शित किया जाता है यदि किसी रेडियोएक्टिव पदार्थ में 3.7 × 1010 विघटन/सेकंड होते हैं। तो उस पदार्थ की सक्रियता 1 क्यूरी होगी। अर्थात स्पष्ट है कि 1 क्यूरी में 3.7 × 1010 विघटन/सेकंड होते हैं।

1 क्यूरी C = 3.7 × 1010 विघटन/सेकंड

1 मिलीक्यूरी mC = 3.7 × 107 विघटन/सेकंड

1 माइक्रोक्यूरी µC = 3.7 × 104 विघटन/सेकंड

सक्रियता का एस आई मात्रक बेकेरल होता है

1 बेकेरल = 1 विघटन/सेकंड

1 क्यूरी C = 3.7 × 1010 बेकेरल

रेडियोएक्टिव पदार्थ की अर्द्ध आयु

वह समय अंतराल जिसमें किसी रेडियोएक्टिव पदार्थ के परमाणुओं की संख्या विघटन के कारण घटकर प्रारंभिक मान की आधी हो जाती है। तब उस समय अंतराल को रेडियोएक्टिव पदार्थ की अर्द्ध आयु कहते हैं। इसे T द्वारा प्रदर्शित करते हैं।

T=loge2 या T=0.6931
जहां λ क्षय नियतांक है।

नाभिक की संरचना

वैज्ञानिक रदरफोर्ड में अल्फा-कण प्रकीर्णन प्रयोग द्वारा यह पता लगाया कि किसी परमाणु का समस्त धन आवेश परमाणु के केंद्र में एकत्रित रहता है। एवं इलेक्ट्रॉन (ऋण आवेश) इसके चारों ओर गति करते रहते हैं। इस केंद्र के भाग को परमाणु का नाभिक कहते हैं। नाभिक की त्रिज्या 10-15 मीटर होती है। एवं पूरे परमाणु की त्रिज्या 10-10 मीटर होती है इस प्रकार नाभिक की त्रिज्या परमाणु की त्रिज्या के दस हजारवें भाग के बराबर होती है।

इसी बीच सन 1919 ई० में रदरफोर्ड ने प्रोटॉन की खोज की और बताया कि प्रोटोन का द्रव्यमान, हाइड्रोजन के नाभिक के द्रव्यमान के बराबर होता है, एवं इस पर धन आवेश होता है। परमाणु के नाभिक में प्रोटॉन ही उपस्थित होते हैं। किसी परमाणु के नाभिक में उपस्थित प्रोटॉन, उस परमाणु के परमाणु क्रमांक के बराबर होते हैं।

सन 1932 ई० में न्यूट्रॉन की खोज हुई और यह माना गया कि न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता है। लेकिन इसका द्रव्यमान लगभग प्रोटोन के बराबर ही होता है न्यूट्रॉन के यह गुण, प्रोटोन के गुणों के साथ मिलकर नाभिक का रूप ले लेते हैं।
अतः अंत में यह माना गया कि परमाणु के नाभिक में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन उपस्थित होते हैं। प्रोटोन पर धन आवेश होता है एवं न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता है, यह आवेशहीन होता है। एवं न्यूट्रॉन का द्रव्यमान होता है प्रोटोन तथा न्यूट्रॉन की संख्या परमाणु के कुल द्रव्यमान के बराबर होती है।

नाभिक का आकार

रदरफोर्ड ने पतले स्वर्ण पत्रों पर अल्फा-कण प्रकीर्णन प्रयोग द्वारा नाभिक के आकार का पता लगाया। कि नाभिक का आयतन उसमें उपस्थित न्यूक्लिऑनों की संख्या के अनुक्रमानुपाती होता है।

माना न्यूक्लिऑनों की संख्या A हो तथा नाभिक की त्रिज्या R है तब

चूंकि परमाणु का आकार गोलाकार होता है तब गोले का आयतन 43R3 होगा। अतः

433R3 A

या R3 ∝ A
R = A1/3
R=R0A1/3

जहां R0 एक नियतांक है इस नियतांक का प्रयोग द्वारा प्राप्त मान 1.2 × 10-15 मीटर के लगभग होता है। चूंकि 19 न्यूक्लिऑनों की संख्या भिन्न-भिन्न परमाणुओं के लिए भिन्न-भिन्न होती है।

इसलिए नाभिकों की त्रिज्याएं भी भिन्न-भिन्न परमाणुओं के लिए भिन्न-भिन्न होती हैं।

न्यूक्लिऑनों की संख्या, न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है अतः
न्यूक्लिऑनों की संख्या = प्रोटॉन + न्यूट्रॉन की संख्या

नाभिकीय बल

नाभिक के भीतर उपस्थित वह बल जो न्यूक्लिऑनों (न्यूट्रॉनों और प्रोटॉनों) को परस्पर बांधे रखता है। इस बल को नाभिकीय बल (nuclear force) कहते हैं।

नाभिकीय बल दो प्रकार के होते हैं।

(1) प्रबल नाभिकीय बल

(2) दुर्बल नाभिकीय बल

प्रबल नाभिकीय बल

नाभिक के भीतर प्रोटोनों तथा न्यूट्रॉनों को एक साथ बांधे रखने वाले बल को प्रबल नाभिकीय बल (strong nuclear force) कहते हैं। प्रबल नाभिकीय बल के लक्षण –

(i) प्रबल नाभिकीय बल आवेश पर निर्भर नहीं करता है। अर्थात दो प्रोटोनों तथा दो न्यूट्रॉनों के बीच जितना नाभिकीय बल होगा, उतना ही एक प्रोटोन तथा एक न्यूट्रॉन के बीच होगा।

(ii) प्रबल नाभिकीय बल विद्युत चुंबकीय बल की तुलना में 100 गुना अधिक प्रबल होता है।

(iii) प्रबल नाभिकीय बल लघु (कम) परास का होता है। यह केवल नाभिक के भीतर ही होता है नाभिक से दूर जाने पर यह बल लगातार घटता जाता है।

दुर्बल नाभिकीय बल

दुर्बल नाभिकीय बल भी प्रबल नाभिकीय बल की भांति ही लघु परास वाला बल होता है। दुर्बल नाभिकीय बल गुरुत्वाकर्षण बल से प्रबल होता है जबकि विद्युत चुंबकीय तथा नाभिकीय बलों से क्षीण (कमजोर) होता है।

नाभिकीय घटनाएं जैसे रेडियोएक्टिव नाभिक से बीटा-क्षय में कार्य करने वाला बल दुर्बल नाभिकीय बल होता है।

नाभिकीय बल के गुण

नाभिकीय बल आकर्षण बल होता है – न्यूक्लिऑनों के बीच आकर्षण के कारण ही नाभिकीय बल लगता है।
नाभिकीय बल विद्युत बल नहीं होता है – अर्थात यह बल विद्युत प्रकृति के नहीं होते हैं।
नाभिकीय बल अत्यंत प्रबल होता है – अर्थात यह बल बहुत अधिक मजबूत होते हैं। क्योंकि इनके परमाणुओं में लघु परास होती है।

नाभिक का वर्गीकरण

प्रोटोनों की संख्या के आधार पर नाभिक को तीन भागों में बांटा गया है।

(i) समस्थानिक (समप्रोटोनिक)
(ii) समभारिक
(iii) समन्यूट्रॉनिक

समस्थानिक (समप्रोट्रॉनिक)

वे तत्व जिनके परमाणु क्रमांक समान होते हैं एवं द्रव्यमान संख्या (प्रोटॉन तथा न्यूट्रॉनों की संख्या) भिन्न-भिन्न होती हैं। समस्थानिक कहलाते हैं। जैसे

हाइड्रोजन – 1H1, 1H2, 1H3

क्योंकि इसमें न्यूट्रॉनों की संख्या समान रहती है इसलिए इसे समप्रोट्रॉनिक भी कहते हैं।

समभारिक

वे तत्व जिनके परमाणु क्रमांक भिन्न-भिन्न होते हैं परंतु द्रव्यमान संख्या समान होती है समभारिक कहलाते हैं।

जैसे – 18Ar40 व 20Ca40

समन्यूट्रॉनिक

वे तत्व जिनके परमाणु क्रमांक तथा द्रव्यमान संख्या दोनों ही भिन्न-भिन्न होती हैं परंतु न्यूट्रॉनों की संख्या समान होती है समन्यूट्रॉनिक कहलाते हैं।

जैसे – 1H3 व 2He4

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