परमाणु पायस

परमाणु पायस प्लेट एक प्रकार का पार्टिकल डिटेक्टर है जिसका उपयोग पहली बार 20 वीं शताब्दी के प्रारंभिक दशकों में परमाणु और कण भौतिकी के प्रयोगों में प्रयोग किया गया था।  यह फोटोग्राफिक प्लेट का संशोधित रूप है जिसका उपयोग अल्फा-कण, न्यूक्लियॉन, लेपटोन या मेसॉन जैसे तीव्र आवेशित कणों को रिकॉर्ड करने और जांच करने के लिए किया जा सकता है। पायस को प्रदर्शित करने और विकसित करने के बाद, एकल कण ट्रैक देखे जा सकते हैं और जिसे माइक्रोस्कोप का उपयोग करके मापा जा सकता है।

विवरण
परमाणु पायस प्लेट फोटोग्राफिक प्लेट का संशोधित रूप है, जो जिलेटिन के मोटे फोटोग्राफिक पायस के साथ लेपित होता है, जिसमें बहुत पतला सिल्वर हलाइड ग्रेन्स की उच्च सांद्रता होती है; पायस की त्रुटिहीन संरचना को कण का पता लगाने के लिए अनुकूलित किया जा रहा है।

इसमें अत्यधिक उच्च स्थानिक शुद्धता का लाभ है, जो केवल सिल्वर हलाइड ग्रेन्स (कुछ माइक्रोन ) के आकार तक सीमित है, शुद्धता जो आधुनिक कण डिटेक्टरों में से भी उत्तम है (के-मेसन क्षय के नीचे की छवि में पैमाने का निरीक्षण करें)। इमल्शन प्लेटों का ढेर कणों की परस्पर क्रियाओं को रिकॉर्ड और संरक्षित कर सकता है जिससे उनके प्रक्षेपवक्र को 3-आयामी अंतरिक्ष में सिल्वर-हैलाइड ग्रेन्स के निशान के रूप में अंकित किया जा सके, जिसे सूक्ष्म पैमाने पर किसी भी स्वरूप से देखा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, इमल्शन प्लेट एकीकृत उपकरण है जिसे डेटा की वांछित मात्रा जमा होने तक प्रकाशित या विकिरणित किया जा सकता है। यह कॉम्पैक्ट है, जिसमें कोई संबद्ध रीड-आउट केबल या इलेक्ट्रॉनिक्स नहीं है, जिससे प्लेटों को बहुत ही सीमित स्थानों में स्थापित किया जा सकता है और अन्य डिटेक्टर तकनीकों की तुलना में, निर्माण, संचालन और रखरखाव के लिए काफी कम खर्चीला है। ब्रह्मांडीय किरणों के उच्च-ऊंचाई, पर्वत और गुब्बारे आधारित अध्ययनों को सक्षम करने में ये विशेषताएं निर्णायक थीं, जिससे पाई-मेसन की खोज हुई और के-मेसन क्षय में समता उल्लंघन हुआ; आधुनिक प्रयोगात्मक कण भौतिकी के विकास में एक महत्त्वपूर्ण घटना परिभाषित करते हुए, उप-परमाणु कण चिड़ियाघर की वास्तविक प्रकृति और सीमा पर प्रकाश डालना।

परमाणु पायस का मुख्य हानि यह है कि यह सघन और जटिल सामग्री ( चांदी, ब्रोमिन , कार्बन , नाइट्रोजन , ऑक्सीजन ) है जो संभावित रूप से कई बिखरने और आयनकारी ऊर्जा हानि के माध्यम से अन्य डिटेक्टर घटकों के लिए कणों की उड़ान को बाधित करता है। अंत में, उपयोगी, 3-आयामी डिजीटल डेटा प्राप्त करने के लिए इमल्शन की बड़ी मात्रा का फोटोग्राफिक विकास और स्कैनिंग धीमी और श्रम सघन प्रक्रिया है।

नए कण डिटेक्टर और कण त्वरक प्रौद्योगिकियों के उद्भव के साथ-साथ इन हानियों ने 20 वीं शताब्दी के अंत में कण भौतिकी में परमाणु पायस प्लेटों के उपयोग में गिरावट का नेतृत्व किया। चूँकि दुर्लभ प्रक्रियाओं के अध्ययन और विज्ञान की अन्य शाखाओं, जैसे चिकित्सा और जीव विज्ञान में ऑटोरैडियोग्राफी, में इस पद्धति का उपयोग जारी है।

विषय के व्यापक और तकनीकी रूप से विस्तृत विवरण के लिए बरकस, पॉवेल, फाउलर और पर्किन्स की पुस्तकों का संदर्भ लें। परमाणु पायस पद्धति के इतिहास और व्यापक वैज्ञानिक संदर्भ की व्यापक समीक्षा के लिए, गैलिसन की पुस्तक देखें।

इतिहास
1896 में हेनरी बेकरेल द्वारा रेडियोधर्मिता की खोज के बाद फोटोग्राफिक इमल्शन का उपयोग करते हुए, अर्नेस्ट रदरफोर्ड, पहले कनाडा में मैकगिल विश्वविद्यालय में काम कर रहे थे, फिर इंग्लैंड में मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में, रेडियोधर्मी सामग्री द्वारा उत्सर्जित विकिरण का विस्तार से अध्ययन करने के लिए उस पद्धति का उपयोग करने वाले पहले भौतिकविदों में से एक थे।

1905 में वे कुछ परमाणु नाभिकों के रेडियोधर्मी क्षय में उत्पन्न नवीनतम खोजी गई अल्फा किरणों के गुणों में अपने शोध को जारी रखने के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फोटोग्राफिक प्लेटों का उपयोग कर रहे थे। इसमें अल्फा किरणों के साथ विकिरण के कारण फोटोग्राफिक प्लेटों के काले पड़ने का विश्लेषण सम्मिलित था। फोटोग्राफिक विकास द्वारा दिखाई देने वाले फोटोग्राफिक इमल्शन में सिल्वर हैलाइड ग्रेन के साथ किरणों को बनाने वाले कई आवेशित अल्फा कणों की परस्पर क्रिया से यह काला पड़ना संभव हुआ। रदरफोर्ड ने मैनचेस्टर में अपने शोध सहयोगी किनोशिता सुएकिती, को अल्फा-कणों की फोटोग्राफिक क्रिया की अधिक विस्तार से जांच करने के लिए प्रोत्साहित किया।

किनोशिता ने अपने उद्देश्यों में सम्मिलित किया "यह देखने के लिए कि क्या एकल 𝛂-कण ने एक पता लगाने योग्य फोटोग्राफिक घटना का उत्पादन किया"। उनकी पद्धति सही प्रकार से मापा रेडियोधर्मी स्रोत से विकिरण के लिए पायस को प्रदर्शित करना था, जिसके लिए 𝛂-कणों की उत्सर्जन दर ज्ञात थी। उन्होंने उस ज्ञान और प्लेट की स्रोत से सापेक्ष निकटता का उपयोग किया, जिससे प्लेट को पार करने वाले 𝛂-कणों की संख्या की गणना की जा सके। उन्होंने उस संख्या की तुलना उन विकसित हलाइड ग्रेन्सों की संख्या से की, जिन्हें उन्होंने इमल्शन में गिना था, ' पृष्ठभूमि विकिरण ' का सावधानीपूर्वक लेखा लेते हुए, जिसने एक्सपोज़र में अतिरिक्त 'नॉन-अल्फा' ग्रेन्स का उत्पादन किया। उन्होंने इस शोध परियोजना को 1909 में पूरा किया। यह दिखाते हुए कि यह संभव था "बहुत पतला सिल्वर हैलाइड ग्रेन्स की इमल्शन फिल्म तैयार करके, और उच्च आवर्धन के माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, फोटोग्राफिक विधि को काफी शुद्धता के साथ 𝛂-कणों की गिनती के लिए लागू किया जा सकता है"। यह पहली बार था कि फोटोग्राफिक इमल्शन के माध्यम से अलग-अलग आवेशित कणों का अवलोकन प्राप्त किया गया था। चूँकि, यह अलग-अलग कण प्रभावों का पता लगाना था, न कि किसी कण के विस्तारित प्रक्षेपवक्र का अवलोकन। इसके तुरंत बाद, 1911 में, मैक्स रींगानम दिखाया गया है कि फोटोग्राफिक इमल्शन के माध्यम से 𝛂-कण के पारित होने का उत्पादन होता है, जब इमल्शन विकसित किया गया था, 𝛂-कण के प्रक्षेपवक्र को रेखांकित करने वाले चांदी के हलाइड ग्रेन्स की एक पंक्ति; पायस में विस्तारित कण ट्रैक का पहला अवलोकन रिकॉर्ड किया गया।

अगला कदम स्वाभाविक रूप से 1912 में विक्टर हेस द्वारा खोजी गई कॉस्मिक किरणों सहित अन्य कण प्रकारों का पता लगाने और अनुसंधान के लिए इस तकनीक को लागू करना होगा। चूँकि, 1914 में प्रथम विश्व युद्ध के प्रारंभ से प्रगति रुक ​​गई थी। मानक फोटोग्राफिक इमल्शन के कण पहचान प्रदर्शन में सुधार का उत्कृष्ट उद्देश, अन्य प्रकार के कण - प्रोटॉन का पता लगाने के लिए, उदाहरण के लिए, 𝛂-कण के कारण होने वाले आयनीकरण का लगभग एक चौथाई उत्पादन करता है - 1920 के दशक में विभिन्न भौतिक अनुसंधान प्रयोगशालाओं द्वारा फिर से लिया गया।

विशेष रूप से ऑस्ट्रिया में विएना के रेडियम अनुसंधान संस्थान में काम कर रहे मारिएटा ब्लाउ ने 1923 में प्रोटॉन का पता लगाने के लिए वैकल्पिक प्रकार के फोटोग्राफिक इमल्शन प्लेटों की जांच करना प्रारंभ किया, जिसे उस समय "एच-रे" के रूप में जाना जाता था। उसने पैराफिन मोम को विकिरणित करने के लिए 𝛂-कणों के रेडियोधर्मी स्रोत का उपयोग किया, जिसमें हाइड्रोजन की उच्च सामग्री होती है। 𝛂-कण हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) से टकरा सकता है, उस प्रोटॉन को मोम से बाहर निकालकर फोटोग्राफिक इमल्शन में डाल सकता है, जहाँ यह सिल्वर हैलाइड ग्रेन्स का दृश्य ट्रैक बनाता है। कई परीक्षणों के बाद, विभिन्न प्लेटों का उपयोग करके और अवांछित विकिरण से पायस के सावधानीपूर्वक परिरक्षण के बाद, वह परमाणु पायस में प्रोटॉन ट्रैक्स का पहला अवलोकन करने में सफल रही। लेटरल थिंकिंग के सरल उदाहरण के द्वारा, उसने परमाणु इमल्शन में न्यूट्रॉन का पहला 'अवलोकन' करने के लिए समान विधि लागू की। विद्युत रूप से तटस्थ होने के कारण, न्यूट्रॉन को सीधे फोटोग्राफिक इमल्शन में नहीं देखा जा सकता है, लेकिन यदि यह इमल्शन में प्रोटॉन से टकराता है, तो रिकॉइलिंग प्रोटॉन का पता लगाया जा सकता है। उन्होंने विशिष्ट परमाणु प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं से उत्पन्न न्यूट्रॉन के ऊर्जा स्पेक्ट्रम को निर्धारित करने के लिए इस पद्धति का उपयोग किया। उसने अपनी पटरियों के साथ प्रकाशित ग्रेन्स घनत्व को मापकर प्रोटॉन ऊर्जा निर्धारित करने के लिए विधि विकसित की (तेज न्यूनतम आयनीकरण कण धीमे कणों की तुलना में कम ग्रेन्स के साथ बातचीत करते हैं)। तेज प्रोटॉन के लंबे ट्रैक को अधिक त्रुटिहीन रूप से रिकॉर्ड करने के लिए, उन्होंने ब्रिटिश फिल्म निर्माता इलफ़र्ड (अब इलफ़र्ड फोटो ) को अपनी व्यावसायिक प्लेटों पर पायस को मोटा करने के लिए सूचीबद्ध किया, और उन्होंने अन्य पायस - ग्रेन्स का आकार, अव्यक्त छवि प्रतिधारण, विकास की स्थिति - अल्फा-कण और फास्ट-प्रोटॉन ट्रैक की दृश्यता में सुधार मापदंडों के साथ प्रयोग किया। 1937 में, मारिएटा ब्लाउ और उनकी पूर्व छात्रा हर्था वैंबाकर ने परमाणु विघटन सितारों (ज़र्ट्रुमेरुंगस्टर्न) की खोज की, जो इंसब्रुक के ऊपर हाफलेकरस्पिट्ज पर 2300 मीटर की ऊंचाई पर ब्रह्मांडीय विकिरण के संपर्क में आने वाले परमाणु पायस में फैलाव के कारण थे। इस खोज ने परमाणु और ब्रह्मांडीय किरण भौतिकी की दुनिया में सनसनी उत्पन्न कर दी, जिसने परमाणु पायस विधि को व्यापक दर्शकों के ध्यान में लाया। लेकिन द्वितीय विश्व युद्ध के लिए अग्रणी ऑस्ट्रिया और जर्मनी में राजनीतिक अशांति की प्रारंभ ने मारिएटा ब्लाउ के लिए अनुसंधान के उस क्षेत्र में प्रगति को अचानक रोक दिया।

1938 में जर्मन भौतिक विज्ञानी वाल्टर हिटलर, जो इंग्लैंड में रहने और काम करने के लिए वैज्ञानिक शरणार्थी के रूप में जर्मनी से भाग गए थे, ब्रिस्टल विश्वविद्यालय में कई सैद्धांतिक विषयों पर शोध कर रहे थे, जिसमें कॉस्मिक किरण वर्षा का गठन भी सम्मिलित था। उन्होंने उस समय कॉस्मिक रे डिटेक्शन के लिए क्लाउड चैंबर्स के उपयोग पर विचार करते हुए सेसिल पॉवेल का उल्लेख किया, कि 1937 में दो विनीज़ भौतिकशास्त्रियों, ब्लाऊ और वम्बाचर ने ऑस्ट्रियाई आल्प्स में फोटोग्राफिक इमल्शन को प्रदर्शित किया था और कम ऊर्जा वाले प्रोटॉन के साथ-साथ 'सितारों' या ब्रह्मांडीय किरणों के कारण होने वाले परमाणु विघटन को देखा था।

इसने पावेल को आकर्षित किया, जिन्होंने हेटलर को एलफोर्ड हाफ-टोन इमल्शन के एक बैच के साथ स्विट्जरलैंड की यात्रा करने के लिए मना लिया और उन्हें 3,500 मीटर पर जंगफ्राजोक पर प्रदर्शित किया। अगस्त 1939 में 'प्रकृति' को लिखे पत्र में, वे ब्लाऊ और वम्बाचर की टिप्पणियों की पुष्टि करने में सक्षम थे। उन विकासों के बाद, द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, पॉवेल और ब्रिस्टल विश्वविद्यालय में उनके शोध समूह ने कॉस्मिक किरण कणों का पता लगाने के लिए इमल्शन को और अनुकूलित करने के लिए इलफ़र्ड (अब इलफ़र्ड फोटो) के साथ सहयोग किया। इलफ़र्ड ने एक केंद्रित 'परमाणु-अनुसंधान' पायस का उत्पादन किया जिसमें प्रति इकाई मात्रा में सिल्वर ब्रोमाइड की सामान्य मात्रा का आठ गुना होता है (देखें 'इलफ़र्ड द्वारा परमाणु पायस' के लिए बाहरी लिंक)। पॉवेल के समूह ने सबसे पहले कैम्ब्रिज कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर /त्वरक विश्वविद्यालय का उपयोग करते हुए नए 'परमाणु-अनुसंधान' इमल्शन को कैलिब्रेट किया, जो नए इमल्शन में आवेशित कणों के लिए आवश्यक रेंज-ऊर्जा संबंधों को मापने के लिए जांच के रूप में कृत्रिम विघटन कण प्रदान करता है।

बाद में उन्होंने 20वीं शताब्दी की भौतिकी में दो सबसे महत्वपूर्ण खोजों को बनाने के लिए इन पायसों का उपयोग किया। सबसे पहले, 1947 में सेसिल पॉवेल, सीज़र लैट्स, ग्यूसेप ओचिआलिनी और ह्यूग मुइरहेड ( ब्रिस्टल विश्वविद्यालय ) ने पाइरेनीज़ में पिक डु मिडी वेधशाला में कॉस्मिक किरणों के संपर्क में आने वाली प्लेटों का उपयोग किया और आइरीन रॉबर्ट्स और मेरियट्टा कुर्ज़ द्वारा स्कैन किया गए आवेशित पाई मेसन की खोज की। दूसरा, दो साल बाद 1949 में, स्विट्जरलैंड में जुंगफ्राजोक पर स्फिंक्स वेधशाला में प्रदर्शित प्लेटों का विश्लेषण करते हुए, सकारात्मक के-मेसन और इसके 'अजीब' क्षय के पहले त्रुटिहीन अवलोकन  ब्रिस्टल में सेसिल पॉवेल के समूह के शोध छात्र रोज़मेरी ब्राउन द्वारा किए गए थे। तब टाऊ-थीटा पहेली में 'ताउ मेसन' के रूप में जाना जाता है, इन के-मेसन क्षय मोड के त्रुटिहीन माप ने अजीबता की क्वांटम अवधारणा की प्रारंभ की और कमजोर बातचीत में समता उल्लंघन की खोज की। रोज़मेरी ब्राउन ने आकर्षक चार-ट्रैक इमल्शन इमेज में बताया, कि एक 'टाऊ' के ​​तीन आवेशित चबूतरों को "के ट्रैक" के रूप में क्षय किया, इस प्रकार प्रभावी रूप से नए खोजे गए 'अजीब' के-मेसन का नामकरण किया। सेसिल पॉवेल को परमाणु प्रक्रियाओं का अध्ययन करने की फोटोग्राफिक पद्धति के विकास और इस पद्धति से बने मेसॉन के बारे में उनकी खोजों के लिए भौतिकी में 1950 का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।

नए कण डिटेक्टर और कण त्वरक प्रौद्योगिकियों के उद्भव, परिचय में उल्लिखित हानि के साथ, 20 वीं शताब्दी के अंत में कण भौतिकी में परमाणु पायस प्लेटों के उपयोग में गिरावट का नेतृत्व किया। चूँकि दुर्लभ अंतःक्रियाओं और क्षय प्रक्रियाओं के अध्ययन में इस पद्धति का उपयोग जारी रहा।  वर्तमान में, फिजिक्स बियॉन्ड द स्टैंडर्ड मॉडल की खोज, विशेष रूप से न्युट्रीनो और डार्क मैटर के सामान्य पदार्थ के साथ अत्यधिक दुर्लभ अंतःक्रियाओं के अध्ययन से तकनीक का पुनरुद्धार का मार्ग प्रशस्त हुआ है। उदाहरण ओपेरा प्रयोग हैं, इटली में ग्रैन सासो प्रयोगशाला में न्यूट्रिनो दोलनों का अध्ययन, और सर्न एलएचसी में फसेर प्रयोग, जो डार्क फोटॉन सहित नए, हल्के और कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले कणों की खोज करेगा।

अन्य अनुप्रयोग
ऐसे कई वैज्ञानिक और तकनीकी क्षेत्र उपस्थित हैं जहां विद्युत आवेशित कणों की स्थिति, दिशा और ऊर्जा को त्रुटिहीन रूप से रिकॉर्ड करने या उनके प्रभाव को एकीकृत करने के लिए परमाणु पायस की क्षमता का उपयोग किया गया है। अधिकांश स्थितियों में इन अनुप्रयोगों में ऑटोरैडियोग्राफी द्वारा प्रत्यारोपित रेडियोधर्मी मार्करों का पता लगाना सम्मिलित है। उदाहरण हैं

चिकित्सा अनुसंधान

जैविक अनुसंधान

धातुकर्म

प्रतिक्रियाशील सतह रसायन

विकिरण सुरक्षा

मुऑन टोमोग्राफी ( म्यूोग्राफी )

पुरातत्व।

बाहरी कड़ियाँ

 * Nuclear emulsions by Ilford