अल्फ़ा क्षय



अल्फा क्षय या α-क्षय एक प्रकार की रेडियोधर्मिता है जिसमें एक परमाणु नाभिक एक अल्फा कण (हीलियम नाभिक) उत्सर्जित करता है और इस तरह एक अलग परमाणु नाभिक में परिवर्तित या 'क्षय' हो जाता है, जिसकी द्रव्यमान संख्या चार से कम हो जाती है और एक परमाणु संख्या होती है। वह दो से कम हो गया है। एक अल्फा कण हीलियम-4 परमाणु के नाभिक के समान होता है, जिसमें दो प्रोटोन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। इसका चार्ज है $2 e$ और का एक द्रव्यमान $4 Da$. उदाहरण के लिए, यूरेनियम-238 विघटित होकर थोरियम-234 बनाता है।

जबकि अल्फा कणों में विद्युत आवेश होता है $2 e$, यह आमतौर पर नहीं दिखाया जाता है क्योंकि एक परमाणु समीकरण इलेक्ट्रॉनों पर विचार किए बिना एक परमाणु प्रतिक्रिया का वर्णन करता है - एक सम्मेलन जिसका अर्थ यह नहीं है कि नाभिक आवश्यक रूप से तटस्थ परमाणुओं में होते हैं।

अल्फा क्षय आम तौर पर सबसे भारी न्यूक्लाइड में होता है। सैद्धांतिक रूप से, यह केवल निकल  (तत्व 28) से कुछ हद तक भारी नाभिक में हो सकता है, जहां प्रति न्यूक्लियॉन की समग्र बाध्यकारी ऊर्जा अब अधिकतम नहीं है और इसलिए न्यूक्लाइड सहज विखंडन-प्रकार की प्रक्रियाओं के प्रति अस्थिर हैं। व्यवहार में, क्षय का यह तरीका केवल निकेल से काफी भारी न्यूक्लाइड में देखा गया है, सबसे हल्का ज्ञात अल्फा उत्सर्जक  सुरमा  का दूसरा सबसे हल्का आइसोटोप है, एंटीमनी के आइसोटोप |104Sb. हालाँकि, असाधारण रूप से, बेरिलियम-8 दो अल्फा कणों में विघटित हो जाता है।

अल्फा क्षय अब तक क्लस्टर क्षय का सबसे आम रूप है, जहां मूल परमाणु न्यूक्लियंस के एक परिभाषित क्षय उत्पाद संग्रह को बाहर निकालता है, और एक अन्य परिभाषित उत्पाद को पीछे छोड़ देता है। संयुक्त अत्यधिक उच्च परमाणु बंधन ऊर्जा और अल्फा कण के अपेक्षाकृत छोटे द्रव्यमान के कारण यह सबसे आम रूप है। अन्य क्लस्टर क्षयों की तरह, अल्फा क्षय मूल रूप से एक क्वांटम टनलिंग प्रक्रिया है। बीटा क्षय के विपरीत, यह परमाणु बल और विद्युत चुम्बकीय बल दोनों के बीच परस्पर क्रिया द्वारा नियंत्रित होता है।

अल्फा कणों की विशिष्ट गतिज ऊर्जा 5 MeV (या उनकी कुल ऊर्जा का ≈ 0.13%, 110 TJ/kg) होती है और उनकी गति लगभग 15,000,000 m/s या प्रकाश की गति का 5% होती है। उत्पादित ऊर्जा पर इस प्रक्रिया के आधे जीवन के गीजर-न्यूटॉल नियम के कारण, इस ऊर्जा के आसपास आश्चर्यजनक रूप से छोटी भिन्नता है। उनके अपेक्षाकृत बड़े द्रव्यमान के कारण, विद्युत आवेश $2 e$ और अपेक्षाकृत कम वेग के कारण, अल्फा कणों के अन्य परमाणुओं के साथ संपर्क करने और अपनी ऊर्जा खोने की बहुत संभावना होती है, और उनकी आगे की गति को हवा के कुछ सेंटीमीटर द्वारा रोका जा सकता है।

पृथ्वी पर उत्पादित लगभग 99% हीलियम यूरेनियम या थोरियम युक्त खनिजों के भूमिगत भंडार के अल्फा क्षय का परिणाम है। हीलियम को प्राकृतिक गैस उत्पादन के उप-उत्पाद के रूप में सतह पर लाया जाता है।

इतिहास
अल्फा कणों का वर्णन पहली बार 1899 में अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा रेडियोधर्मिता की जांच में किया गया था, और 1907 तक उन्हें हे के रूप में पहचाना गया था।2+आयन. 1928 तक, जॉर्ज गामो ने टनलिंग के माध्यम से अल्फा क्षय के सिद्धांत को हल कर लिया था। अल्फा कण एक आकर्षक परमाणु क्षमता वाले कुएं द्वारा नाभिक के अंदर फंस जाता है और एक प्रतिकारक विद्युत चुम्बकीय संभावित अवरोध। शास्त्रीय रूप से, इससे बचना मना है, लेकिन क्वांटम यांत्रिकी के (तत्कालीन) नए खोजे गए सिद्धांतों के अनुसार, इसमें संभावित अवरोध के माध्यम से क्वांटम सुरंग बनाने और नाभिक से बचने के लिए दूसरी तरफ दिखाई देने की एक छोटी (लेकिन गैर-शून्य) संभावना है. गामो ने नाभिक के लिए एक मॉडल क्षमता को हल किया और पहले सिद्धांतों से, क्षय के आधे जीवन और उत्सर्जन की ऊर्जा के बीच एक संबंध प्राप्त किया, जिसे पहले अनुभवजन्य रूप से खोजा गया था और इसे गीगर-नट्टल कानून के रूप में जाना जाता था।

तंत्र
परमाणु नाभिक को एक साथ रखने वाला परमाणु बल बहुत मजबूत होता है, सामान्य तौर पर प्रोटॉन के बीच प्रतिकारक विद्युत चुम्बकीय बल की तुलना में बहुत अधिक मजबूत होता है। हालाँकि, परमाणु बल भी कम दूरी का होता है, जिसकी ताकत लगभग 3 फेमटोमीटर से अधिक तेजी से गिरती है, जबकि विद्युत चुम्बकीय बल की सीमा असीमित होती है। किसी नाभिक को एक साथ रखने वाले आकर्षक परमाणु बल की ताकत इस प्रकार नाभिकों की संख्या के समानुपाती होती है, लेकिन नाभिक को अलग करने की कोशिश करने वाले प्रोटॉन-प्रोटॉन प्रतिकर्षण की कुल विघटनकारी विद्युत चुम्बकीय शक्ति लगभग उसके परमाणु क्रमांक के वर्ग के समानुपाती होती है। 210 या अधिक न्यूक्लियॉन वाला एक नाभिक इतना बड़ा होता है कि इसे एक साथ रखने वाला मजबूत परमाणु बल इसमें मौजूद प्रोटॉन के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण को मुश्किल से संतुलित कर सकता है। आकार को कम करके स्थिरता बढ़ाने के साधन के रूप में ऐसे नाभिक में अल्फा क्षय होता है। एक जिज्ञासा यह है कि क्यों अल्फा कणों, हीलियम नाभिक, को एकल प्रोटॉन उत्सर्जन या न्यूट्रॉन उत्सर्जन या क्लस्टर क्षय जैसे अन्य कणों के विपरीत अधिमानतः उत्सर्जित किया जाना चाहिए। इसका एक कारण अल्फा कण की उच्च बंधन ऊर्जा है, जिसका अर्थ है कि इसका द्रव्यमान दो मुक्त प्रोटॉन और दो मुक्त न्यूट्रॉन के द्रव्यमान के योग से कम है। इससे विघटन ऊर्जा बढ़ती है। द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता द्वारा दी गई कुल विघटन ऊर्जा की गणना करना $$E_{di} = (m_\text{i} - m_\text{f} - m_\text{p})c^2,$$ कहाँ $m_{i}$नाभिक का प्रारंभिक द्रव्यमान है, $m_{f}$ कण उत्सर्जन के बाद नाभिक का द्रव्यमान है, और $m_{p}$ उत्सर्जित (अल्फा-) कण का द्रव्यमान है, कोई पाता है कि कुछ मामलों में यह सकारात्मक है और इसलिए अल्फा कण उत्सर्जन संभव है, जबकि अन्य क्षय मोड में ऊर्जा जोड़ने की आवश्यकता होगी। उदाहरण के लिए, यूरेनियम-232 के लिए गणना करने से पता चलता है कि अल्फा कण उत्सर्जन से 5.4 MeV ऊर्जा निकलती है, जबकि एक प्रोटॉन उत्सर्जन के लिए 6.1 MeV की आवश्यकता होगी। अधिकांश विघटन ऊर्जा अल्फा कण की गतिज ऊर्जा बन जाती है, हालांकि गति के संरक्षण को पूरा करने के लिए, ऊर्जा का एक हिस्सा नाभिक के पुनरावृत्ति में चला जाता है (परमाणु पुनरावृत्ति देखें)। हालाँकि, चूंकि अधिकांश अल्फा-उत्सर्जक रेडियोआइसोटोप की द्रव्यमान संख्या 210 से अधिक है, जो कि अल्फा कण (4) की द्रव्यमान संख्या से कहीं अधिक है, नाभिक की पुनरावृत्ति में जाने वाली ऊर्जा का अंश आम तौर पर काफी छोटा होता है, 2% से कम।. फिर भी, पुनरावृत्ति ऊर्जा (केवी के पैमाने पर) अभी भी रासायनिक बंधों की ताकत (ईवी के पैमाने पर) से बहुत बड़ी है, इसलिए बेटी न्यूक्लाइड उस रासायनिक वातावरण से अलग हो जाएगी जिसमें मूल था। ऊर्जा और अनुपात अल्फा-कण स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से रेडियोधर्मी माता-पिता की पहचान करने के लिए अल्फा कणों का उपयोग किया जा सकता है।

हालाँकि, ये विघटन ऊर्जाएँ मजबूत परमाणु और विद्युत चुम्बकीय बल के बीच परस्पर क्रिया द्वारा निर्मित प्रतिकारक संभावित अवरोध से काफी छोटी हैं, जो अल्फा कण को ​​भागने से रोकती है। परमाणु बल के प्रभाव की सीमा के ठीक बाहर एक अल्फा कण को ​​अनंत से नाभिक के निकट एक बिंदु तक लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा आम तौर पर लगभग 25 MeV की सीमा में होती है। नाभिक के भीतर एक अल्फा कण को ​​एक संभावित अवरोध के अंदर माना जा सकता है जिसकी दीवारें अनंत क्षमता से 25 MeV ऊपर हैं। हालाँकि, क्षय अल्फा कणों में अनंत क्षमता से लगभग 4 से 9 MeV की ऊर्जा होती है, जो बाधा को दूर करने और भागने के लिए आवश्यक ऊर्जा से बहुत कम है।

हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी, अल्फा कण को ​​क्वांटम टनलिंग के माध्यम से बाहर निकलने की अनुमति देती है। अल्फा क्षय का क्वांटम टनलिंग सिद्धांत, स्वतंत्र रूप से जॉर्ज गामो द्वारा विकसित किया गया और 1928 में रोनाल्ड विल्फ्रेड गुर्नी और एडवर्ड कोंडोन द्वारा, इसे क्वांटम सिद्धांत की एक बहुत ही महत्वपूर्ण पुष्टि के रूप में सराहा गया। अनिवार्य रूप से, अल्फा कण नाभिक से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करके नहीं, बल्कि दीवार के माध्यम से सुरंग बनाकर बाहर निकलता है। गुरनी और कॉन्डन ने इस पर अपने पेपर में निम्नलिखित अवलोकन किया: अब तक नाभिक की कुछ विशेष मनमानी 'अस्थिरता' को प्रतिपादित करना आवश्यक रहा है, लेकिन निम्नलिखित नोट में, यह बताया गया है कि विघटन बिना किसी विशेष परिकल्पना के क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का एक स्वाभाविक परिणाम है... बहुत कुछ उस विस्फोटक हिंसा के बारे में लिखा गया है जिसके साथ α-कण को ​​नाभिक में उसके स्थान से फेंक दिया जाता है। लेकिन ऊपर चित्रित प्रक्रिया से, कोई यह कहेगा कि α-कण लगभग किसी का ध्यान नहीं जाता। 

सिद्धांत मानता है कि अल्फा कण को ​​नाभिक के भीतर एक स्वतंत्र कण माना जा सकता है, जो निरंतर गति में है लेकिन मजबूत बातचीत द्वारा नाभिक के भीतर आयोजित किया जाता है। विद्युत चुम्बकीय बल के प्रतिकारक संभावित अवरोध के साथ प्रत्येक टकराव पर, एक छोटी गैर-शून्य संभावना है कि यह अपना रास्ता सुरंग बना लेगा। 1.5×10 की गति वाला एक अल्फा कणलगभग 10 के परमाणु व्यास के भीतर 7m/s−14m 10 से अधिक बैरियर से टकराएगाप्रति सेकंड 21बार. हालाँकि, यदि प्रत्येक टक्कर में भागने की संभावना बहुत कम है, तो रेडियोआइसोटोप का आधा जीवन बहुत लंबा होगा, क्योंकि भागने की कुल संभावना 50% तक पहुंचने के लिए यह आवश्यक समय है। एक चरम उदाहरण के रूप में, आइसोटोप बिस्मथ-209 का आधा जीवन है $2.01 years$.

बीटा-क्षय स्थिर आइसोबार में आइसोटोप जो द्रव्यमान संख्या A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, और A ≥ 165 के साथ दोहरे बीटा क्षय के संबंध में भी स्थिर हैं, उन्हें अल्फा से गुजरने के लिए सिद्धांतित किया गया है। क्षय। अन्य सभी द्रव्यमान संख्याओं (आइसोबार (न्यूक्लाइड)) में सैद्धांतिक रूप से एक स्थिर न्यूक्लाइड होता है। जिनका द्रव्यमान 5 है वे हीलियम-5 और एक प्रोटॉन या न्यूट्रॉन में क्षय हो जाते हैं, और जिनका द्रव्यमान 8 है वे दो हीलियम-4 नाभिक में क्षय हो जाते हैं; उनका आधा जीवन (हीलियम -5, लिथियम 5 -5, और बेरिलियम -8) बहुत छोटा है, ए ≤ 209 वाले अन्य सभी न्यूक्लाइड के आधे जीवन के विपरीत, जो बहुत लंबे हैं। (ए ≤209 वाले ऐसे न्यूक्लाइड आदिम न्यूक्लाइड हैं सिवाय इसके कि 146एस.एम.) सिद्धांत के विवरण पर काम करने से एक रेडियोआइसोटोप के आधे जीवन को उसके अल्फा कणों की क्षय ऊर्जा से संबंधित एक समीकरण मिलता है, जो अनुभवजन्य गीगर-न्यूटॉल कानून की एक सैद्धांतिक व्युत्पत्ति है।

उपयोग
अमेरिकियम-241, एक अल्फा उत्सर्जक, का उपयोग धूम्रपान डिटेक्टरों में किया जाता है। अल्फा कण एक खुले आयन कक्ष में आयनीकरण हवा और आयनित हवा के माध्यम से एक छोटा विद्युत प्रवाह प्रवाहित करते हैं। आग से निकलने वाले धुएँ के कण जो चैम्बर में प्रवेश करते हैं, करंट को कम कर देते हैं, जिससे स्मोक डिटेक्टर का अलार्म चालू हो जाता है।

रेडियम-223 भी एक अल्फा उत्सर्जक है। इसका उपयोग कंकाल मेटास्टेस (हड्डियों में कैंसर) के उपचार में किया जाता है।

अल्फा क्षय अंतरिक्ष जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लिए एक सुरक्षित शक्ति स्रोत प्रदान कर सकता है और कृत्रिम पेसमेकर के लिए उपयोग किया जाता था। रेडियोधर्मी क्षय के अन्य रूपों की तुलना में अल्फा क्षय को अधिक आसानी से बचाया जा सकता है।

स्टेटिक एलिमिनेटर आमतौर पर हवा को आयनित करने के लिए पोलोनियम-210, एक अल्फा उत्सर्जक का उपयोग करते हैं, जिससे 'स्टैटिक क्लिंग' अधिक तेजी से नष्ट हो जाता है।

विषाक्तता
अत्यधिक आवेशित और भारी, अल्फा कण बहुत कम औसत मुक्त पथ के साथ, सामग्री की एक छोटी मात्रा के भीतर अपनी कई MeV ऊर्जा खो देते हैं। इससे आंतरिक संदूषण के मामलों में डीएनए में डबल-स्ट्रैंड का टूटना टूटने की संभावना बढ़ जाती है, जब शरीर में प्रवेश किया जाता है, साँस लिया जाता है, इंजेक्ट किया जाता है या त्वचा के माध्यम से पेश किया जाता है। अन्यथा, अल्फा स्रोत को छूना आम तौर पर हानिकारक नहीं होता है, क्योंकि अल्फा कण कुछ सेंटीमीटर हवा, कागज के टुकड़े, या बाह्यत्वचा (त्वचा)त्वचा) बनाने वाली मृत त्वचा कोशिकाओं की पतली परत द्वारा प्रभावी ढंग से संरक्षित होते हैं; हालाँकि, कई अल्फ़ा स्रोत बीटा क्षय|बीटा-उत्सर्जक रेडियो बेटियों के साथ भी होते हैं, और दोनों अक्सर गामा फोटॉन उत्सर्जन के साथ होते हैं।

सापेक्ष जैविक प्रभावशीलता (आरबीई) समतुल्य विकिरण जोखिम के लिए कुछ जैविक प्रभावों, विशेष रूप से कैंसर या गल जाना  | कोशिका-मृत्यु का कारण बनने के लिए विकिरण की क्षमता को मापता है। अल्फा विकिरण में एक उच्च रैखिक ऊर्जा हस्तांतरण (एलईटी) गुणांक होता है, जो अल्फा कण द्वारा यात्रा के प्रत्येक एंगस्ट्रॉम के लिए एक अणु/परमाणु का लगभग एक आयनीकरण होता है। विभिन्न सरकारी नियमों द्वारा अल्फा विकिरण के लिए आरबीई को 20 के मान पर निर्धारित किया गया है। आरबीई को न्यूट्रॉन विकिरण के लिए 10 पर और बीटा क्षय और आयनीकरण फोटॉन के लिए 1 पर सेट किया गया है।

हालाँकि, मूल नाभिक की परमाणु पुनरावृत्ति (अल्फा रिकॉइल) इसे महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा देती है, जो आयनीकरण क्षति का कारण भी बनती है (आयनीकरण विकिरण देखें)। यह ऊर्जा मोटे तौर पर अल्फा के वजन के बराबर है ($4 Da$) को माता-पिता के वजन (आमतौर पर लगभग 200 Da) से अल्फ़ा की कुल ऊर्जा के गुणा से विभाजित किया जाता है। कुछ अनुमानों के अनुसार, यह अधिकांश आंतरिक विकिरण क्षति के लिए जिम्मेदार हो सकता है, क्योंकि रिकॉइल न्यूक्लियस एक परमाणु का हिस्सा है जो अल्फा कण से बहुत बड़ा है, और आयनीकरण के बहुत घने निशान का कारण बनता है; परमाणु आमतौर पर एक भारी धातु (रसायन विज्ञान) है, जो अधिमानतः गुणसूत्रों पर एकत्रित होता है। कुछ अध्ययनों में, इसके परिणामस्वरूप सरकारी नियमों में प्रयुक्त मूल्य के बजाय आरबीई 1,000 के करीब पहुंच गया है।

सार्वजनिक विकिरण खुराक में सबसे बड़ा प्राकृतिक योगदानकर्ता रेडॉन है, जो एक प्राकृतिक रूप से पाई जाने वाली रेडियोधर्मी गैस है जो मिट्टी और चट्टान में पाई जाती है। यदि गैस अंदर ली जाती है, तो रेडॉन के कुछ कण फेफड़े की अंदरूनी परत से जुड़ सकते हैं। ये कण अल्फा कणों का उत्सर्जन करते हुए क्षय जारी रखते हैं, जो फेफड़ों के ऊतकों में कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकते हैं। 66 वर्ष की आयु में अविकासी खून की कमी  से मैरी क्यूरी की मृत्यु संभवतः लंबे समय तक आयनीकरण विकिरण की उच्च खुराक के संपर्क में रहने के कारण हुई थी, लेकिन यह स्पष्ट नहीं है कि यह अल्फा विकिरण या एक्स-रे के कारण था। क्यूरी ने रेडियम के साथ बड़े पैमाने पर काम किया, जो रेडॉन में बदल जाता है, अन्य रेडियोधर्मी सामग्रियों के साथ जो बीटा क्षय और गामा किरणों का उत्सर्जन करते हैं। हालाँकि, क्यूरी ने प्रथम विश्व युद्ध के दौरान बिना परिरक्षित एक्स-रे ट्यूबों के साथ भी काम किया था, और पुनर्जन्म के दौरान उसके कंकाल के विश्लेषण से पता चला कि रेडियोआइसोटोप का बोझ अपेक्षाकृत कम था।

माना जाता है कि रूसी दलबदलू अलेक्जेंडर लिट्विनेंको की 2006 में विकिरण विषाक्तता से हत्या पोलोनियम-210, एक अल्फा उत्सर्जक के साथ की गई थी।

संदर्भ

 * Alpha emitters by increasing energy (Appendix 1)

बाहरी संबंध

 * [[Image:Ndslivechart.png]] The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on alpha decay
 * Alpha decay with 3 animated examples showing the recoil of daughter

यह भी देखें

 * बीटा क्षय
 * गामा क्षय

श्रेणी:हीलियम श्रेणी:परमाणु भौतिकी श्रेणी:रेडियोधर्मिता