रेडियोधर्मी क्षय के प्रकार: अल्फा, बीटा, गामा

​रेडियोधर्मीएक ऐसा शब्द है जिसे अच्छी तरह से समझा नहीं गया है। डर में डूबे हुए और स्वाभाविक रूप से विदेशी और खतरनाक लगने वाले, रेडियोधर्मी क्षय की प्रकृति कुछ ऐसी है जो सीखने लायक है कि आप भौतिकी के छात्र हैं या सिर्फ एक इच्छुक आम आदमी हैं।

वास्तविकता यह है कि रेडियोधर्मिता अनिवार्य रूप से परमाणु प्रतिक्रियाओं का वर्णन करती है जो किसी तत्व की परमाणु संख्या में परिवर्तन और/या गामा विकिरण की रिहाई की ओर ले जाती है। यह बड़ी मात्रा में खतरनाक है क्योंकि जारी विकिरण "आयनीकरण" है (यानी, इसमें परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को छीनने के लिए पर्याप्त ऊर्जा है) लेकिन यह एक दिलचस्प शारीरिक घटना है और व्यवहार में, अधिकांश लोग कभी भी रेडियोधर्मी सामग्री के आसपास नहीं होंगे जो जोखिम में होने के लिए पर्याप्त हैं।

नाभिक संलयन द्वारा कम ऊर्जा की स्थिति प्राप्त कर सकता है - जो तब होता है जब दो नाभिक एक साथ मिलकर एक भारी बनाते हैं नाभिक, प्रक्रिया में ऊर्जा जारी करता है - या विखंडन द्वारा, जो भारी तत्वों का लाइटर में विभाजित होता है वाले। विखंडन परमाणु रिएक्टरों में ऊर्जा का स्रोत है, और परमाणु हथियारों में भी, और विशेष रूप से ज्यादातर लोग यही सोचते हैं जब वे रेडियोधर्मिता के बारे में सोचते हैं। लेकिन ज्यादातर समय, जब नाभिक प्रकृति में कम ऊर्जा की स्थिति में बदल जाता है, तो यह रेडियोधर्मी क्षय के लिए नीचे होता है।

तीन प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय होते हैं: अल्फा क्षय, बीटा क्षय और गामा क्षय, हालांकि बीटा क्षय अपने आप में तीन अलग-अलग प्रकारों में आता है। परमाणु क्षय के इन रूपों के बारे में सीखना किसी भी परमाणु भौतिकी पाठ्यक्रम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

अल्फा क्षय तब होता है जब एक नाभिक "अल्फा कण" (α-कण) कहलाता है। एक अल्फा कण दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन का एक संयोजन है, जिसे यदि आप अपनी आवर्त सारणी जानते हैं तो आप हीलियम नाभिक के रूप में पहचान लेंगे।

परिणामी परमाणु के द्रव्यमान और गुणों के संदर्भ में प्रक्रिया को समझना काफी आसान है: यह. से चार खो देता है इसकी द्रव्यमान संख्या (प्रोटॉन से दो और इलेक्ट्रॉनों से दो) और इसकी परमाणु संख्या से दो (दो प्रोटॉन से) खोया हुआ)। इसका मतलब यह है कि मूल परमाणु (यानी, "जनक" नाभिक) अल्फा क्षय से गुजरने के बाद एक अलग तत्व ("बेटी" नाभिक के आधार पर) बन जाता है।

अल्फा क्षय में जारी ऊर्जा की गणना करते समय, आपको हीलियम नाभिक के द्रव्यमान को घटाना होगा और मूल परमाणु के द्रव्यमान से बेटी परमाणु, और इसे आइंस्टीन के प्रसिद्ध का उपयोग करके ऊर्जा के मूल्य में परिवर्तित करें समीकरणइ​ = ​एम सी​². यह गणना करना आमतौर पर आसान होता है यदि आप परमाणु द्रव्यमान इकाइयों (एमु) में काम करते हैं और लापता द्रव्यमान को कारक से गुणा करते हैंसी​² = ९३१.४९४ मेव/एमू। यह MeV (यानी, मेगा इलेक्ट्रॉनवोल्ट) में ऊर्जा का मान लौटाता है, जिसमें एक इलेक्ट्रॉनवोल्ट 1.602 × 10 के बराबर होता है⁻⁹ जूल और आम तौर पर परमाणु पैमाने पर ऊर्जा में काम करने के लिए एक अधिक सुविधाजनक इकाई।

चूंकि बीटा क्षय में तीन अलग-अलग किस्में होती हैं, इसलिए प्रत्येक के बारे में बारी-बारी से सीखना उपयोगी होता है, हालांकि उनके बीच बहुत सी समानताएं हैं। बीटा-प्लस क्षय तब होता है जब एक प्रोटॉन एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है, जिसमें बीटा-प्लस कण (यानी, एक β+ कण) के साथ-साथ एक अपरिवर्तित, निकट-द्रव्यमान कण जिसे न्यूट्रिनो कहा जाता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, बेटी परमाणु में मूल परमाणु की तुलना में एक कम प्रोटॉन और एक अधिक न्यूट्रॉन होगा, लेकिन कुल द्रव्यमान संख्या समान होगी।

बीटा-प्लस कण को ​​वास्तव में पॉज़िट्रॉन कहा जाता है, जो कि इलेक्ट्रॉन के अनुरूप एंटीमैटर कण है। इसका धनात्मक आवेश इलेक्ट्रॉन पर ऋणात्मक आवेश के समान आकार का होता है, और द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के समान होता है। जारी किए गए न्यूट्रिनो को तकनीकी रूप से इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो कहा जाता है। ध्यान दें कि इस प्रक्रिया में नियमित पदार्थ का एक कण और एंटीमैटर का एक कण निकलता है।

इस क्षय प्रक्रिया में जारी ऊर्जा की गणना अन्य रूपों की तुलना में थोड़ी अधिक जटिल है क्षय, क्योंकि मूल परमाणु के द्रव्यमान में पुत्री परमाणु के द्रव्यमान की तुलना में एक अधिक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान शामिल होगा द्रव्यमान। इसके ऊपर, आपको प्रक्रिया में उत्सर्जित होने वाले β+ कण के द्रव्यमान को भी घटाना होगा। अनिवार्य रूप से, आपको बेटी कण के द्रव्यमान को घटाना होगा औरदोमूल कण के द्रव्यमान से इलेक्ट्रॉन, और फिर पहले की तरह ऊर्जा में परिवर्तित हो जाते हैं। न्यूट्रिनो इतना छोटा है कि इसे सुरक्षित रूप से उपेक्षित किया जा सकता है।

बीटा-माइनस क्षय अनिवार्य रूप से बीटा-प्लस क्षय की विपरीत प्रक्रिया है, जहां एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है एक प्रोटॉन, एक बीटा-माइनस कण (एक β-कण) और एक इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो को में छोड़ता है प्रक्रिया। इस प्रक्रिया के कारण, बेटी परमाणु में मूल परमाणु की तुलना में एक कम न्यूट्रॉन और एक अधिक प्रोटॉन होगा।

β- कण वास्तव में एक इलेक्ट्रॉन है, लेकिन इस संदर्भ में इसका एक अलग नाम है क्योंकि जब क्षय के लिए बीटा उत्सर्जन पहली बार खोजा गया था, तो कोई नहीं जानता था कि कण वास्तव में क्या था। इसके अतिरिक्त, उन्हें बीटा कण कहना उपयोगी है क्योंकि यह आपको याद दिलाता है कि यह बीटा क्षय प्रक्रिया से आता है, और यह तब उपयोगी हो सकता है जब आप यह याद रखने की कोशिश करना कि प्रत्येक में क्या होता है - बीटा-प्लस क्षय में सकारात्मक बीटा कण जारी किया जाता है और नकारात्मक बीटा कण बीटा-माइनस में जारी किया जाता है क्षय। इस मामले में, हालांकि, न्यूट्रिनो एक एंटीमैटर कण है, लेकिन फिर से, एक एंटीमैटर और एक नियमित पदार्थ कण इस प्रक्रिया में जारी किया जाता है।

इस प्रकार के बीटा क्षय में जारी ऊर्जा की गणना करना थोड़ा सरल है, क्योंकि बेटी परमाणु के पास मौजूद अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन बीटा उत्सर्जन में खोए हुए इलेक्ट्रॉन के साथ रद्द हो जाता है। इसका मतलब है कि गणना करने के लिएम, आप बस मूल परमाणु से बेटी परमाणु के द्रव्यमान को घटाते हैं और फिर प्रकाश वर्ग की गति से गुणा करते हैं (सी​²), पहले की तरह, प्रति परमाणु द्रव्यमान इकाई मेगा इलेक्ट्रॉनवोल्ट में व्यक्त किया गया।

अंतिम प्रकार का बीटा क्षय पहले दो से काफी अलग है। इलेक्ट्रॉन कैप्चर में, एक प्रोटॉन एक इलेक्ट्रॉन को "अवशोषित" करता है और एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो की रिहाई के साथ एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है। इसलिए यह परमाणु संख्या (यानी प्रोटॉन की संख्या) को एक से कम कर देता है और न्यूट्रॉन की संख्या को एक से बढ़ा देता है।

ऐसा लग सकता है कि यह अब तक के पैटर्न का उल्लंघन करता है, जिसमें एक पदार्थ और एक एंटीमैटर कण उत्सर्जित होता है, लेकिन यह इस संतुलन के वास्तविक कारण का संकेत देता है। "लेप्टन संख्या" (जिसे आप "इलेक्ट्रॉन परिवार" संख्या के रूप में सोच सकते हैं) संरक्षित है, और एक इलेक्ट्रॉन या इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो में लेप्टन संख्या 1 होती है, जबकि पॉज़िट्रॉन या इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो में लेप्टन संख्या होती है −1.

आपको यह देखने में सक्षम होना चाहिए कि अन्य सभी प्रक्रियाएं इसे आसानी से पूरा करती हैं। इलेक्ट्रॉन कैप्चर के लिए, लेप्टान संख्या 1 से कम हो जाती है जब इलेक्ट्रॉन कब्जा कर लिया जाता है, इसलिए इसे संतुलित करने के लिए, 1 के लेप्टन संख्या वाले कण को ​​उत्सर्जित करना पड़ता है।

इलेक्ट्रॉन कैप्चर में जारी ऊर्जा की गणना करना बहुत सरल है: क्योंकि इलेक्ट्रॉन मूल परमाणु से आता है, आपको माता-पिता और बेटी के बीच इलेक्ट्रॉनों की संख्या में अंतर के लिए लेखांकन के बारे में चिंता करने की आवश्यकता नहीं है परमाणु। आप पाते हैंमकेवल मूल परमाणु से बेटी परमाणु के द्रव्यमान को घटाकर। प्रक्रिया के लिए अभिव्यक्ति आम तौर पर बाईं ओर इलेक्ट्रॉन के साथ लिखी जाएगी, लेकिन सरल नियम आपको याद दिलाता है कि यह वास्तव में द्रव्यमान के संदर्भ में मूल परमाणु का हिस्सा है।

गामा क्षय में एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) का उत्सर्जन शामिल है, लेकिन प्रक्रिया के परिणामस्वरूप परमाणु में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या नहीं बदलती है। यह एक फोटॉन के उत्सर्जन के समान है जब एक इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा राज्य से निम्न ऊर्जा राज्य में संक्रमण करता है, लेकिन इस मामले में संक्रमण परमाणु के नाभिक में होता है।

इसी तरह की स्थिति की तरह, एक उच्च ऊर्जा राज्य से निम्न ऊर्जा राज्य में संक्रमण एक फोटॉन के उत्सर्जन से संतुलित होता है। इनमें 10 केवी से अधिक ऊर्जा होती है और आमतौर पर गामा किरणें कहलाती हैं, हालांकि परिभाषा वास्तव में सख्त नहीं है (उदाहरण के लिए, एक्स-रे के साथ ऊर्जा सीमा ओवरलैप होती है)।

अल्फा या बीटा उत्सर्जन एक उच्च-ऊर्जा, उत्तेजित अवस्था में एक नाभिक छोड़ सकता है, और इन प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप जारी ऊर्जा गामा किरणों के रूप में होती है। हालाँकि, नाभिक किसी अन्य नाभिक से टकराने या न्यूट्रॉन से टकराने के बाद उच्च-ऊर्जा अवस्था में भी समाप्त हो सकता है। सभी मामलों में परिणाम समान होता है: नाभिक अपनी उत्तेजित अवस्था से निम्न ऊर्जा अवस्था में चला जाता है और इस प्रक्रिया में गामा किरणें छोड़ता है।

यूरेनियम -238 एक अल्फा कण (यानी, एक हीलियम नाभिक) की रिहाई के साथ थोरियम -234 में क्षय हो जाता है, और यह रेडियोधर्मी क्षय के सबसे प्रसिद्ध उदाहरणों में से एक है। प्रक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

इस प्रक्रिया में कितनी ऊर्जा निकलती है, इसकी गणना करने के लिए, आपको परमाणु द्रव्यमान की आवश्यकता होगी: ²³⁸यू = 238.05079 एमू, ²³⁴थ = २३४.०४३६३ एमू और ⁴वह = ४.००२६० amu, परमाणु द्रव्यमान इकाइयों में व्यक्त सभी द्रव्यमानों के साथ। अब यह पता लगाने के लिए कि इस प्रक्रिया में कितनी ऊर्जा निकलती है, आपको बस इतना करना है किममूल मूल परमाणु के द्रव्यमान से उत्पादों के द्रव्यमान को घटाकर, और फिर यह प्रतिनिधित्व करने वाली ऊर्जा की मात्रा की गणना करें।

रेडियोधर्मी क्षय अक्सर जंजीरों में होता है, प्रारंभिक बिंदु और अंतिम बिंदु के बीच कई चरणों के साथ। ये क्षय श्रृंखला लंबी हैं और पूरी प्रक्रिया में कितनी ऊर्जा जारी की गई है, इसकी गणना करने के लिए कई चरणों की आवश्यकता होगी, लेकिन ऐसी एक श्रृंखला का एक टुकड़ा लेना दृष्टिकोण को दर्शाता है।

यदि आप थोरियम-232 की क्षय श्रृंखला को देखें, तो श्रृंखला के अंत के करीब, एक अस्थिर नाभिक (अर्थात, एक अस्थिर समस्थानिक का एक परमाणु, जिसमें बिस्मथ -212 का एक छोटा आधा जीवन पोलोनियम -212 में बीटा-माइनस क्षय से गुजरता है, जो तब अल्फा क्षय से लेड -208 में बदल जाता है, एक स्थिर समस्थानिक इस प्रक्रिया में निकलने वाली ऊर्जा की गणना आप चरण दर चरण करके कर सकते हैं।

सबसे पहले, बिस्मथ-212 से बीटा-माइनस क्षय (म= 211.99129 एमू) पोलोनियम-212 में (म= २११.९८८८७ amu) देता है:

याद रखें कि बीटा-माइनस क्षय में इलेक्ट्रॉन संख्या में परिवर्तन रद्द हो जाता है। वह जारी करता है:

अगला चरण पोलोनियम-212 से लेड-208 तक अल्फा क्षय है (म= 207.97665 amu) और एक हीलियम नाभिक।

और ऊर्जा है:

इस प्रक्रिया में कुल मिलाकर 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV ऊर्जा निकलती है। बेशक, यदि आप सावधान हैं (अल्फा कण, और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों सहित यदि आपकी प्रक्रिया में बीटा-प्लस क्षय शामिल है) तो आप एक चरण में द्रव्यमान के अंतर की गणना कर सकते हैं और फिर परिवर्तित कर सकते हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण आपको प्रत्येक पर जारी ऊर्जा बताता है मंच।