परमाणु प्रतिक्रिया: Difference between revisions
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उपरोक्त शैली में पूर्ण समीकरणों का उपयोग करने के बजाय, कई स्थितियों में, परमाणु प्रतिक्रियाओं का वर्णन करने के लिए संक्षिप्त संकेतन का उपयोग किया जाता है। फॉर्म A(b,c)D की यह शैली A + b के बराबर है जो c + D का उत्पादन करती है। सामान्य प्रकाश कणों को | उपरोक्त शैली में पूर्ण समीकरणों का उपयोग करने के बजाय, कई स्थितियों में, परमाणु प्रतिक्रियाओं का वर्णन करने के लिए संक्षिप्त संकेतन का उपयोग किया जाता है। फॉर्म A(b,c)D की यह शैली A + b के बराबर है जो c + D का उत्पादन करती है। सामान्य प्रकाश कणों को प्रायः इस आशुलिपि में संक्षिप्त किया जाता है, समान्तयः प्रोटॉन के लिए p, न्यूट्रॉन के लिए n, ड्यूटेरॉन के लिए d, α कण का प्रतिनिधित्व करने वाला या हीलियम-4, [[ बीटा कण |बीटा कण]] या इलेक्ट्रॉन के लिए β, [[ गामा फोटॉन |गामा फोटॉन]] आदि के लिए γ। उपरोक्त प्रतिक्रिया को <sup>6</sup>Li(d,α)α के रूप में लिखा जाएगा।<ref>[http://www.astrophysicsspectator.com/topics/stars/FusionHydrogenRate.html The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars]</ref><ref> | ||
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एक प्रतिक्रिया (एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया) के दौरान [[ गतिज ऊर्जा |गतिज ऊर्जा]] जारी की जा सकती है या होने वाली प्रतिक्रिया (एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया) के लिए गतिज ऊर्जा की आपूर्ति की जा सकती है। इसकी गणना बहुत सटीक कण शेष द्रव्यमान की तालिका के संदर्भ में की जा सकती है, <ref>{{cite web|url=https://www.nist.gov/pml/atomic-weights-and-isotopic-compositions-relative-atomic-masses|title=सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान के साथ परमाणु भार और समस्थानिक रचनाएँ|first=Curt|last=Suplee|date=23 August 2009|website=NIST}}</ref> निम्नानुसार: संदर्भ तालिकाओं के अनुसार, {{nuclide|Lithium|6}} नाभिक का [[ मानक परमाणु भार |मानक परमाणु भार]] 6.015 परमाणु द्रव्यमान इकाई (संक्षिप्त यू) है, ड्यूटेरियम में 2.014 u है, और हीलियम-4 नाभिक में 4.0026 u है। अत: | एक प्रतिक्रिया (एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया) के दौरान [[ गतिज ऊर्जा |गतिज ऊर्जा]] जारी की जा सकती है या होने वाली प्रतिक्रिया (एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया) के लिए गतिज ऊर्जा की आपूर्ति की जा सकती है। इसकी गणना बहुत सटीक कण शेष द्रव्यमान की तालिका के संदर्भ में की जा सकती है, <ref>{{cite web|url=https://www.nist.gov/pml/atomic-weights-and-isotopic-compositions-relative-atomic-masses|title=सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान के साथ परमाणु भार और समस्थानिक रचनाएँ|first=Curt|last=Suplee|date=23 August 2009|website=NIST}}</ref> निम्नानुसार: संदर्भ तालिकाओं के अनुसार, {{nuclide|Lithium|6}} नाभिक का [[ मानक परमाणु भार |मानक परमाणु भार]] 6.015 परमाणु द्रव्यमान इकाई (संक्षिप्त यू) है, ड्यूटेरियम में 2.014 u है, और हीलियम-4 नाभिक में 4.0026 u है। अत: | ||
* अलग-अलग नाभिकों के शेष द्रव्यमान का योग = 6.015 + 2.014 = 8.029 u; | * अलग-अलग नाभिकों के शेष द्रव्यमान का योग = 6.015 + 2.014 = 8.029 u; | ||
* दो हीलियम-नाभिकों पर कुल विराम द्रव्यमान = 2 × 4.0026 = 8.0052 | * दो हीलियम-नाभिकों पर कुल विराम द्रव्यमान = 2 × 4.0026 = 8.0052 u; | ||
* अनुपस्थित शेष द्रव्यमान = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 परमाणु द्रव्यमान इकाइयाँ। | * अनुपस्थित शेष द्रव्यमान = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 परमाणु द्रव्यमान इकाइयाँ। | ||
परमाणु प्रतिक्रिया में, कुल (सापेक्षतावादी) ऊर्जा संरक्षित होती है। इसलिए "अनुपस्थित" अन्य द्रव्यमान को प्रतिक्रिया में जारी गतिज ऊर्जा के रूप में फिर से प्रकट होना चाहिए; इसका स्रोत नाभिकीय बंधन ऊर्जा है। आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता सूत्र E=mc<sup>2</sup> का उपयोग करके जारी ऊर्जा की मात्रा का निर्धारण किया जा सकता है। हमें पहले परमाणु द्रव्यमान इकाई के बराबर ऊर्जा की आवश्यकता है: | परमाणु प्रतिक्रिया में, कुल (सापेक्षतावादी) ऊर्जा संरक्षित होती है। इसलिए "अनुपस्थित" अन्य द्रव्यमान को प्रतिक्रिया में जारी गतिज ऊर्जा के रूप में फिर से प्रकट होना चाहिए; इसका स्रोत नाभिकीय बंधन ऊर्जा है। आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता सूत्र ''E=mc<sup>2</sup>'' का उपयोग करके जारी ऊर्जा की मात्रा का निर्धारण किया जा सकता है। हमें पहले परमाणु द्रव्यमान इकाई के बराबर ऊर्जा की आवश्यकता है: | ||
:: 1 u ''c''<sup>2</sup> = (1.66054 × 10<sup>−27</sup> kg) × (2.99792 × 10<sup>8</sup> m/s)<sup>2</sup> | :: 1 u ''c''<sup>2</sup> = (1.66054 × 10<sup>−27</sup> kg) × (2.99792 × 10<sup>8</sup> m/s)<sup>2</sup> | ||
::= 1.49242 × 10<sup>−10</sup> kg (m/s)<sup>2</sup> = 1.49242 × 10<sup>−10</sup> J (joule) × (1 MeV / 1.60218 × 10<sup>−13</sup> J) = 931.49 MeV, so 1 u ''c''<sup>2</sup> = 931.49 MeV. इसलिए, जारी ऊर्जा 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV है। | |||
अलग तरीके से व्यक्त किया गया: द्रव्यमान 0.3% कम हो गया है, जो 90 PJ/kg के 0.3% के अनुरूप है, 270 TJ/kg है। | अलग तरीके से व्यक्त किया गया: द्रव्यमान 0.3% कम हो गया है, जो 90 PJ/kg के 0.3% के अनुरूप है, 270 TJ/kg है। | ||
परमाणु प्रतिक्रिया के लिए यह ऊर्जा की बड़ी मात्रा है; मात्रा इतनी अधिक है क्योंकि हीलियम-4 नाभिक की प्रति न्यूक्लिऑन बाध्यकारी ऊर्जा असामान्य रूप से अधिक है क्योंकि He-4 नाभिक "दोगुना जादू" है। (He-4 नाभिक असामान्य रूप से स्थिर है और इसी कारण से कसकर बंधा हुआ है कि हीलियम परमाणु अक्रिय है: He-4 में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की प्रत्येक जोड़ी एक भरे हुए 1s [[ परमाणु कक्षीय |परमाणु कक्षीय]] में उसी तरह से रहती है जैसे कि इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी में हीलियम परमाणु भरे हुए 1s इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल पर कब्जा कर लेता है)। नतीजतन, अल्फा कण परमाणु प्रतिक्रियाओं के दाईं ओर | परमाणु प्रतिक्रिया के लिए यह ऊर्जा की बड़ी मात्रा है; मात्रा इतनी अधिक है क्योंकि हीलियम-4 नाभिक की प्रति न्यूक्लिऑन बाध्यकारी ऊर्जा असामान्य रूप से अधिक है क्योंकि He-4 नाभिक "दोगुना जादू" है। (He-4 नाभिक असामान्य रूप से स्थिर है और इसी कारण से कसकर बंधा हुआ है कि हीलियम परमाणु अक्रिय है: He-4 में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की प्रत्येक जोड़ी एक भरे हुए '''1s''' [[ परमाणु कक्षीय |परमाणु कक्षीय]] में उसी तरह से रहती है जैसे कि इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी में हीलियम परमाणु भरे हुए '''1s''' इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल पर कब्जा कर लेता है)। नतीजतन, अल्फा कण परमाणु प्रतिक्रियाओं के दाईं ओर प्रायः दिखाई देते हैं। | ||
परमाणु प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा मुख्यतः तीन तरीकों में से में प्रकट हो सकती है: | परमाणु प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा मुख्यतः तीन तरीकों में से में प्रकट हो सकती है: | ||
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== Q-मूल्य और ऊर्जा संतुलन == | == Q-मूल्य और ऊर्जा संतुलन == | ||
प्रतिक्रिया समीकरण को लिखने में, एक तरह से [[ रासायनिक समीकरण |रासायनिक समीकरण]] के अनुरूप, इसके अतिरिक्त, प्रतिक्रिया ऊर्जा को दाईं ओर दे सकते हैं: | प्रतिक्रिया समीकरण को लिखने में, एक तरह से [[ रासायनिक समीकरण |रासायनिक समीकरण]] के अनुरूप, इसके अतिरिक्त, प्रतिक्रिया ऊर्जा को दाईं ओर दे सकते हैं: | ||
: टारगेट न्यूक्लियस + प्रोजेक्टाइल → फाइनल न्यूक्लियस + | : टारगेट न्यूक्लियस + प्रोजेक्टाइल → फाइनल न्यूक्लियस + इजेकटाइल + Q | ||
ऊपर चर्चा किए गए विशेष मामले के लिए, प्रतिक्रिया ऊर्जा की गणना पहले ही Q = 22.2 MeV के रूप में की जा चुकी है। अत: | ऊपर चर्चा किए गए विशेष मामले के लिए, प्रतिक्रिया ऊर्जा की गणना पहले ही Q = 22.2 MeV के रूप में की जा चुकी है। अत: | ||
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== आवेशित बनाम अनावेशित कण == | == आवेशित बनाम अनावेशित कण == | ||
प्रारंभिक टक्कर में जो प्रतिक्रिया | प्रारंभिक टक्कर में जो प्रतिक्रिया प्रारम्भ करती है, कणों को पर्याप्त रूप से पास आना चाहिए ताकि कम दूरी की मजबूत शक्ति उन्हें प्रभावित कर सके। चूंकि अधिकांश सामान्य परमाणु कण धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं, इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया प्रारम्भ करने से पहले उन्हें काफी [[ इलेक्ट्रोस्टाटिक्स |इलेक्ट्रोस्टाटिक्स]] प्रतिकर्षण को दूर करना होगा। यहां तक कि अगर लक्षित नाभिक एक तटस्थ परमाणु का हिस्सा है, तो दूसरे कण को [[ इलेक्ट्रॉन बादल |इलेक्ट्रॉन बादल]] से काफी दूर तक प्रवेश करना चाहिए और नाभिक के निकट आना चाहिए, जो कि सकारात्मक रूप से आवेशित होता है। इस प्रकार, इस तरह के कणों को पहले उच्च ऊर्जा में त्वरित किया जाना चाहिए, उदाहरण के लिए: | ||
* [[ कण त्वरक |कण त्वरित्र]]; | * [[ कण त्वरक |कण त्वरित्र]]; | ||
*परमाणु क्षय (अल्फा कण यहाँ मुख्य प्रकार के हित हैं क्योंकि बीटा और गामा किरणें परमाणु प्रतिक्रियाओं में शायद ही कभी सम्मिलित होती हैं); | *परमाणु क्षय (अल्फा कण यहाँ मुख्य प्रकार के हित हैं क्योंकि बीटा और गामा किरणें परमाणु प्रतिक्रियाओं में शायद ही कभी सम्मिलित होती हैं); | ||
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साथ ही, चूँकि प्रतिकर्षण का बल दो आवेशों के गुणनफल के समानुपाती होता है, भारी नाभिकों के बीच होने वाली प्रतिक्रियाएँ दुर्लभ होती हैं, और भारी और हल्के नाभिकों के बीच की तुलना में उच्च आरंभिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है; जबकि दो हल्के नाभिकों के बीच होने वाली अभिक्रियाएं सबसे आम हैं। | साथ ही, चूँकि प्रतिकर्षण का बल दो आवेशों के गुणनफल के समानुपाती होता है, भारी नाभिकों के बीच होने वाली प्रतिक्रियाएँ दुर्लभ होती हैं, और भारी और हल्के नाभिकों के बीच की तुलना में उच्च आरंभिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है; जबकि दो हल्के नाभिकों के बीच होने वाली अभिक्रियाएं सबसे आम हैं। | ||
दूसरी ओर, [[ थर्मल न्यूट्रॉन |न्यूट्रॉन]] में प्रतिकर्षण पैदा करने के लिए कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, और बहुत कम ऊर्जा पर परमाणु प्रतिक्रिया | दूसरी ओर, [[ थर्मल न्यूट्रॉन |न्यूट्रॉन]] में प्रतिकर्षण पैदा करने के लिए कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, और बहुत कम ऊर्जा पर परमाणु प्रतिक्रिया प्रारम्भ करने में सक्षम होते हैं। वास्तव में, बहुत कम कण ऊर्जा पर (कहते हैं, कमरे के तापमान पर तापीय संतुलन के अनुसार), न्यूट्रॉन की डी ब्रोगली तरंगदैर्घ्य बहुत बढ़ जाती है, संभवतः सम्मिलित नाभिक के अनुनादों के करीब ऊर्जा पर, इसके कैप्चर क्रॉस-सेक्शन में काफी वृद्धि होती है। इस प्रकार निम्न-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील हो सकते हैं। | ||
== उल्लेखनीय प्रकार == | == उल्लेखनीय प्रकार == | ||
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* [[ स्पेलेशन |स्पेलेशन]] - नाभिक पर पर्याप्त ऊर्जा और संवेग के साथ एक कण द्वारा प्रहार किया जाता है जिससे वह कई छोटे टुकड़ों को बाहर कर देता है या उन्हें कई टुकड़ों में तोड़ देता है। | * [[ स्पेलेशन |स्पेलेशन]] - नाभिक पर पर्याप्त ऊर्जा और संवेग के साथ एक कण द्वारा प्रहार किया जाता है जिससे वह कई छोटे टुकड़ों को बाहर कर देता है या उन्हें कई टुकड़ों में तोड़ देता है। | ||
*[[ प्रेरित गामा उत्सर्जन | प्रेरित गामा उत्सर्जन]] उस वर्ग से संबंधित है जिसमें परमाणु उत्तेजना के अवस्था को बनाने और नष्ट करने में केवल फोटोन सम्मिलित थे। | *[[ प्रेरित गामा उत्सर्जन | प्रेरित गामा उत्सर्जन]] उस वर्ग से संबंधित है जिसमें परमाणु उत्तेजना के अवस्था को बनाने और नष्ट करने में केवल फोटोन सम्मिलित थे। | ||
*[[ अल्फा क्षय |अल्फा क्षय]] - हालांकि [[ सहज विखंडन |सहज विखंडन]] के समान अंतर्निहित बलों द्वारा संचालित, α क्षय को समान्तयः बाद वाले से अलग माना जाता है। | *[[ अल्फा क्षय |अल्फा क्षय]] - हालांकि [[ सहज विखंडन |सहज विखंडन]] के समान अंतर्निहित बलों द्वारा संचालित, α क्षय को समान्तयः बाद वाले से अलग माना जाता है। प्रायः उद्धृत किया जाने वाला विचार कि "परमाणु प्रतिक्रियाएं" प्रेरित प्रक्रियाओं तक ही सीमित हैं, गलत है। "रेडियोधर्मी क्षय" "परमाणु प्रतिक्रियाओं" का एक उपसमूह है जो प्रेरित होने के बजाय स्वतःस्फूर्त होते हैं। उदाहरण के लिए, असामान्य रूप से उच्च ऊर्जा वाले तथाकथित "गर्म अल्फा कण" वास्तव में एक प्रेरित [[ त्रिगुट विखंडन |त्रिगुट विखंडन]] में उत्पन्न हो सकते हैं, जो एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया है (स्वस्फूर्त विखंडन के विपरीत)। इस तरह के अल्फ़ाज़ सहज त्रिगुट विखंडन से भी उत्पन्न होते हैं। | ||
*विखंडन अभिक्रियाएं - एक बहुत भारी नाभिक, अतिरिक्त प्रकाश कणों (सामान्य न्यूट्रॉन) को अवशोषित करने के बाद, दो या कभी-कभी तीन टुकड़ों में विभाजित हो जाता है। यह एक प्रेरित नाभिकीय प्रतिक्रिया है। स्वतःस्फूर्त विखंडन, जो न्यूट्रॉन की सहायता के बिना होता है, समान्तयः परमाणु प्रतिक्रिया नहीं माना जाता है। ज्यादा से ज्यादा, यह एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया नहीं है। | *विखंडन अभिक्रियाएं - एक बहुत भारी नाभिक, अतिरिक्त प्रकाश कणों (सामान्य न्यूट्रॉन) को अवशोषित करने के बाद, दो या कभी-कभी तीन टुकड़ों में विभाजित हो जाता है। यह एक प्रेरित नाभिकीय प्रतिक्रिया है। स्वतःस्फूर्त विखंडन, जो न्यूट्रॉन की सहायता के बिना होता है, समान्तयः परमाणु प्रतिक्रिया नहीं माना जाता है। ज्यादा से ज्यादा, यह एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया नहीं है। | ||
=== प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया === | === प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया === | ||
मध्यवर्ती ऊर्जा प्रक्षेप्य एकल त्वरित (10<sup>−21</sup> सेकंड) घटना में ऊर्जा को स्थानांतरित करता है या नाभिक को नाभिक में उठाता है या खो देता है। ऊर्जा और गति हस्तांतरण अपेक्षाकृत छोटा है। ये प्रयोगात्मक परमाणु भौतिकी में विशेष रूप से उपयोगी होते हैं क्योंकि लक्ष्य नाभिक की संरचना की जांच करने के लिए प्रतिक्रिया तंत्र पर्याप्त सटीकता के साथ गणना करने के लिए | मध्यवर्ती ऊर्जा प्रक्षेप्य एकल त्वरित (10<sup>−21</sup> सेकंड) घटना में ऊर्जा को स्थानांतरित करता है या नाभिक को नाभिक में उठाता है या खो देता है। ऊर्जा और गति हस्तांतरण अपेक्षाकृत छोटा है। ये प्रयोगात्मक परमाणु भौतिकी में विशेष रूप से उपयोगी होते हैं क्योंकि लक्ष्य नाभिक की संरचना की जांच करने के लिए प्रतिक्रिया तंत्र पर्याप्त सटीकता के साथ गणना करने के लिए प्रायः सरल होते हैं। | ||
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Revision as of 15:11, 16 January 2023
परमाणु भौतिकी और परमाणु रसायन विज्ञान में, परमाणु प्रतिक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें दो नाभिक, या एक नाभिक और एक बाहरी उप-परमाण्विक कण, एक या अधिक नए न्यूक्लाइड्स का उत्पादन करने के लिए टकराते हैं। इस प्रकार, परमाणु प्रतिक्रिया से कम से कम एक न्यूक्लाइड का दूसरे में रूपांतरण होना चाहिए। यदि एक नाभिक दूसरे नाभिक या कण के साथ परस्पर क्रिया करता है और फिर वे किसी भी न्यूक्लाइड की प्रकृति को बदले बिना अलग हो जाते हैं, तो इस प्रक्रिया को परमाणु प्रतिक्रिया के बजाय केवल एक प्रकार का परमाणु बिखराव कहा जाता है।
सिद्धांत रूप में, एक प्रतिक्रिया में दो से अधिक कण टकरा सकते हैं, लेकिन क्योंकि एक ही समय में एक ही स्थान पर तीन या अधिक नाभिकों के मिलने की संभावना दो नाभिकों की तुलना में बहुत कम होती है, ऐसी घटना असाधारण रूप से दुर्लभ है (ट्रिपल अल्फा प्रक्रिया देखें) उदाहरण के लिए तीन-निकाय परमाणु प्रतिक्रिया के बहुत करीब)। शब्द "परमाणु प्रतिक्रिया" या तो किसी अन्य कण के साथ टकराव से प्रेरित न्यूक्लाइड में बदलाव या टकराव के बिना न्यूक्लाइड के सहज परिवर्तन के लिए संदर्भित हो सकता है। लौकिक किरणों और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया में प्राकृतिक परमाणु प्रतिक्रियाएं होती हैं, और परमाणु ऊर्जा प्राप्त करने के लिए मांग पर, एक समायोज्य दर पर, परमाणु प्रतिक्रियाओं को कृत्रिम रूप से नियोजित किया जा सकता है। विखंडनीय सामग्रियों में परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाएं प्रेरित परमाणु विखंडन उत्पन्न करती हैं। प्रकाश तत्वों की विभिन्न परमाणु संलयन प्रतिक्रियाएँ सूर्य और तारों के ऊर्जा उत्पादन को शक्ति प्रदान करती हैं।
| परमाणु भौतिकी |
|---|
 |
| नाभिक · न्यूक्लियन s ( p, n) · परमाणु मामला · परमाणु बल · परमाणु संरचना · परमाणु प्रतिक्रिया |
इतिहास
1919 में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड नाइट्रोजन 14N + α → 17O + p पर निर्देशित अल्फा कणों का उपयोग करके, मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में नाइट्रोजन के ऑक्सीजन में रूपांतरण को पूरा करने में सक्षम थे। यह एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया का पहला अवलोकन था, यानी एक ऐसी प्रतिक्रिया जिसमें क्षय के कणों को दूसरे परमाणु नाभिक को बदलने के लिए उपयोग किया जाता है। आखिरकार, 1932 में कैंब्रिज विश्वविद्यालय में, रदरफोर्ड के सहयोगियों जॉन कॉकक्रॉफ्ट और अर्नेस्ट वाल्टन द्वारा पूरी तरह से कृत्रिम परमाणु प्रतिक्रिया और परमाणु रूपांतरण हासिल किया गया, जिन्होंने नाभिक को दो अल्फा कणों में विभाजित करने के लिए लिथियम-7 के खिलाफ कृत्रिम रूप से त्वरित प्रोटॉन का उपयोग किया। इस कारनामे को लोकप्रिय रूप से "परमाणु के विभाजन" के रूप में जाना जाता था, हालांकि यह आधुनिक परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया नहीं थी जिसे बाद में (1938 में) जर्मन वैज्ञानिकों 'ओट्टो हैन, लिसे मीटनर, और फ्रिट्ज स्ट्रैसमैन द्वारा भारी तत्वों में खोजा गया था।[1]
परमाणु प्रतिक्रिया समीकरण
परमाणु अभिक्रियाओं को रासायनिक समीकरणों के समान रूप में दिखाया जा सकता है, जिसके लिए समीकरण के प्रत्येक पक्ष के लिए अपरिवर्तनीय द्रव्यमान को संतुलित करना चाहिए, और जिसमें कणों के परिवर्तन को कुछ संरक्षण कानूनों का पालन करना चाहिए, जैसे कि आवेश और बेरिऑन संख्या (कुल परमाणु द्रव्यमान) का संरक्षण संख्या)। इस संकेतन का उदाहरण इस प्रकार है:
द्रव्यमान, आवेश और द्रव्यमान संख्या के ऊपर दिए गए समीकरण को संतुलित करने के लिए, दाईं ओर के दूसरे नाभिक का परमाणु क्रमांक 2 और द्रव्यमान संख्या 4 होना चाहिए; इसलिए यह भी हीलियम-4 है। इसलिए पूर्ण समीकरण है:
या अधिक सरलता से:
उपरोक्त शैली में पूर्ण समीकरणों का उपयोग करने के बजाय, कई स्थितियों में, परमाणु प्रतिक्रियाओं का वर्णन करने के लिए संक्षिप्त संकेतन का उपयोग किया जाता है। फॉर्म A(b,c)D की यह शैली A + b के बराबर है जो c + D का उत्पादन करती है। सामान्य प्रकाश कणों को प्रायः इस आशुलिपि में संक्षिप्त किया जाता है, समान्तयः प्रोटॉन के लिए p, न्यूट्रॉन के लिए n, ड्यूटेरॉन के लिए d, α कण का प्रतिनिधित्व करने वाला या हीलियम-4, बीटा कण या इलेक्ट्रॉन के लिए β, गामा फोटॉन आदि के लिए γ। उपरोक्त प्रतिक्रिया को 6Li(d,α)α के रूप में लिखा जाएगा।[2][3]
ऊर्जा संरक्षण
एक प्रतिक्रिया (एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया) के दौरान गतिज ऊर्जा जारी की जा सकती है या होने वाली प्रतिक्रिया (एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया) के लिए गतिज ऊर्जा की आपूर्ति की जा सकती है। इसकी गणना बहुत सटीक कण शेष द्रव्यमान की तालिका के संदर्भ में की जा सकती है, [4] निम्नानुसार: संदर्भ तालिकाओं के अनुसार, 6
3Li
नाभिक का मानक परमाणु भार 6.015 परमाणु द्रव्यमान इकाई (संक्षिप्त यू) है, ड्यूटेरियम में 2.014 u है, और हीलियम-4 नाभिक में 4.0026 u है। अत:
- अलग-अलग नाभिकों के शेष द्रव्यमान का योग = 6.015 + 2.014 = 8.029 u;
- दो हीलियम-नाभिकों पर कुल विराम द्रव्यमान = 2 × 4.0026 = 8.0052 u;
- अनुपस्थित शेष द्रव्यमान = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 परमाणु द्रव्यमान इकाइयाँ।
परमाणु प्रतिक्रिया में, कुल (सापेक्षतावादी) ऊर्जा संरक्षित होती है। इसलिए "अनुपस्थित" अन्य द्रव्यमान को प्रतिक्रिया में जारी गतिज ऊर्जा के रूप में फिर से प्रकट होना चाहिए; इसका स्रोत नाभिकीय बंधन ऊर्जा है। आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता सूत्र E=mc2 का उपयोग करके जारी ऊर्जा की मात्रा का निर्धारण किया जा सकता है। हमें पहले परमाणु द्रव्यमान इकाई के बराबर ऊर्जा की आवश्यकता है:
- 1 u c2 = (1.66054 × 10−27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2
- = 1.49242 × 10−10 kg (m/s)2 = 1.49242 × 10−10 J (joule) × (1 MeV / 1.60218 × 10−13 J) = 931.49 MeV, so 1 u c2 = 931.49 MeV. इसलिए, जारी ऊर्जा 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV है।
अलग तरीके से व्यक्त किया गया: द्रव्यमान 0.3% कम हो गया है, जो 90 PJ/kg के 0.3% के अनुरूप है, 270 TJ/kg है।
परमाणु प्रतिक्रिया के लिए यह ऊर्जा की बड़ी मात्रा है; मात्रा इतनी अधिक है क्योंकि हीलियम-4 नाभिक की प्रति न्यूक्लिऑन बाध्यकारी ऊर्जा असामान्य रूप से अधिक है क्योंकि He-4 नाभिक "दोगुना जादू" है। (He-4 नाभिक असामान्य रूप से स्थिर है और इसी कारण से कसकर बंधा हुआ है कि हीलियम परमाणु अक्रिय है: He-4 में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की प्रत्येक जोड़ी एक भरे हुए 1s परमाणु कक्षीय में उसी तरह से रहती है जैसे कि इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी में हीलियम परमाणु भरे हुए 1s इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल पर कब्जा कर लेता है)। नतीजतन, अल्फा कण परमाणु प्रतिक्रियाओं के दाईं ओर प्रायः दिखाई देते हैं।
परमाणु प्रतिक्रिया में जारी ऊर्जा मुख्यतः तीन तरीकों में से में प्रकट हो सकती है:
- उत्पाद कणों की गतिज ऊर्जा (आवेशित परमाणु प्रतिक्रिया उत्पादों की गतिज ऊर्जा का अंश सीधे इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है); [5]
- गामा किरणें कहे जाने वाले बहुत उच्च ऊर्जा वाले फोटोन का उत्सर्जन;
- मेटास्टेबल (मितस्थायी) ऊर्जा स्तर के रूप में कुछ ऊर्जा नाभिक में रह सकती है।
जब उत्पाद का केंद्रक मेटास्टेबल होता है, तो इसके परमाणु क्रमांक के आगे तारक चिह्न ("*") लगाकर इसका संकेत दिया जाता है। यह ऊर्जा अंततः परमाणु क्षय द्वारा जारी की जाती है।
थोड़ी मात्रा में ऊर्जा एक्स-रे के रूप में भी उभर सकती है। समान्तयः, उत्पाद नाभिक की अलग परमाणु संख्या होती है, और इस प्रकार इसके इलेक्ट्रॉन गोले का विन्यास गलत होता है। जैसा कि इलेक्ट्रॉनों ने खुद को पुनर्व्यवस्थित किया और ऊर्जा के निचले स्तर तक गिर गए, आंतरिक संक्रमण एक्स-रे (ठीक परिभाषित उत्सर्जन लाइनों वाली एक्स-रे) उत्सर्जित हो सकती हैं।
Q-मूल्य और ऊर्जा संतुलन
प्रतिक्रिया समीकरण को लिखने में, एक तरह से रासायनिक समीकरण के अनुरूप, इसके अतिरिक्त, प्रतिक्रिया ऊर्जा को दाईं ओर दे सकते हैं:
- टारगेट न्यूक्लियस + प्रोजेक्टाइल → फाइनल न्यूक्लियस + इजेकटाइल + Q
ऊपर चर्चा किए गए विशेष मामले के लिए, प्रतिक्रिया ऊर्जा की गणना पहले ही Q = 22.2 MeV के रूप में की जा चुकी है। अत:
प्रतिक्रिया ऊर्जा ("Q-मान") एक्सोथर्मल प्रतिक्रियाओं के लिए सकारात्मक है और रसायन विज्ञान में समान अभिव्यक्ति के विपरीत एंडोथर्मल प्रतिक्रियाओं के लिए ऋणात्मक है। एक ओर, यह अंतिम पक्ष और प्रारंभिक पक्ष पर गतिज ऊर्जा के योगों के बीच का अंतर है। लेकिन दूसरी ओर, यह प्रारंभिक पक्ष और अंतिम पक्ष पर नाभिकीय विराम द्रव्यमानों के बीच का अंतर भी है (इस प्रकार, हमने ऊपर क्यू मान की गणना की है)।
प्रतिक्रिया दर
यदि प्रतिक्रिया समीकरण संतुलित है, तो इसका अर्थ यह नहीं है कि प्रतिक्रिया वास्तव में होती है। जिस दर पर प्रतिक्रिया होती है वह ऊर्जा और घटना कणों के प्रवाह और प्रतिक्रिया क्रॉस सेक्शन पर निर्भर करती है। प्रतिक्रिया दर के बड़े भंडार का एक उदाहरण रीक्लिब (REACLIB) डेटाबेस है, जैसा कि संयुक्त संस्थान परमाणु खगोल भौतिकी द्वारा बनाए रखा गया है।
आवेशित बनाम अनावेशित कण
प्रारंभिक टक्कर में जो प्रतिक्रिया प्रारम्भ करती है, कणों को पर्याप्त रूप से पास आना चाहिए ताकि कम दूरी की मजबूत शक्ति उन्हें प्रभावित कर सके। चूंकि अधिकांश सामान्य परमाणु कण धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं, इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया प्रारम्भ करने से पहले उन्हें काफी इलेक्ट्रोस्टाटिक्स प्रतिकर्षण को दूर करना होगा। यहां तक कि अगर लक्षित नाभिक एक तटस्थ परमाणु का हिस्सा है, तो दूसरे कण को इलेक्ट्रॉन बादल से काफी दूर तक प्रवेश करना चाहिए और नाभिक के निकट आना चाहिए, जो कि सकारात्मक रूप से आवेशित होता है। इस प्रकार, इस तरह के कणों को पहले उच्च ऊर्जा में त्वरित किया जाना चाहिए, उदाहरण के लिए:
- कण त्वरित्र;
- परमाणु क्षय (अल्फा कण यहाँ मुख्य प्रकार के हित हैं क्योंकि बीटा और गामा किरणें परमाणु प्रतिक्रियाओं में शायद ही कभी सम्मिलित होती हैं);
- बहुत उच्च तापमान, लाखों डिग्री के क्रम में, थर्मान्यूक्लीयर प्रतिक्रियाएँ पैदा करता है;
- लौकिक किरणें
साथ ही, चूँकि प्रतिकर्षण का बल दो आवेशों के गुणनफल के समानुपाती होता है, भारी नाभिकों के बीच होने वाली प्रतिक्रियाएँ दुर्लभ होती हैं, और भारी और हल्के नाभिकों के बीच की तुलना में उच्च आरंभिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है; जबकि दो हल्के नाभिकों के बीच होने वाली अभिक्रियाएं सबसे आम हैं।
दूसरी ओर, न्यूट्रॉन में प्रतिकर्षण पैदा करने के लिए कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, और बहुत कम ऊर्जा पर परमाणु प्रतिक्रिया प्रारम्भ करने में सक्षम होते हैं। वास्तव में, बहुत कम कण ऊर्जा पर (कहते हैं, कमरे के तापमान पर तापीय संतुलन के अनुसार), न्यूट्रॉन की डी ब्रोगली तरंगदैर्घ्य बहुत बढ़ जाती है, संभवतः सम्मिलित नाभिक के अनुनादों के करीब ऊर्जा पर, इसके कैप्चर क्रॉस-सेक्शन में काफी वृद्धि होती है। इस प्रकार निम्न-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील हो सकते हैं।
उल्लेखनीय प्रकार
जबकि संभव परमाणु प्रतिक्रियाओं की संख्या बहुत अधिक है, ऐसे कई प्रकार हैं जो अधिक सामान्य या अन्यथा उल्लेखनीय हैं। कुछ उदाहरणों में ये सम्मिलित हैं:
- संलयन प्रतिक्रियाएँ - दो हल्के नाभिक मिलकर एक भारी नाभिक बनाते हैं, जिसके बाद अतिरिक्त कण (समान्तयः प्रोटॉन या न्यूट्रॉन) उत्सर्जित होते हैं।
- स्पेलेशन - नाभिक पर पर्याप्त ऊर्जा और संवेग के साथ एक कण द्वारा प्रहार किया जाता है जिससे वह कई छोटे टुकड़ों को बाहर कर देता है या उन्हें कई टुकड़ों में तोड़ देता है।
- प्रेरित गामा उत्सर्जन उस वर्ग से संबंधित है जिसमें परमाणु उत्तेजना के अवस्था को बनाने और नष्ट करने में केवल फोटोन सम्मिलित थे।
- अल्फा क्षय - हालांकि सहज विखंडन के समान अंतर्निहित बलों द्वारा संचालित, α क्षय को समान्तयः बाद वाले से अलग माना जाता है। प्रायः उद्धृत किया जाने वाला विचार कि "परमाणु प्रतिक्रियाएं" प्रेरित प्रक्रियाओं तक ही सीमित हैं, गलत है। "रेडियोधर्मी क्षय" "परमाणु प्रतिक्रियाओं" का एक उपसमूह है जो प्रेरित होने के बजाय स्वतःस्फूर्त होते हैं। उदाहरण के लिए, असामान्य रूप से उच्च ऊर्जा वाले तथाकथित "गर्म अल्फा कण" वास्तव में एक प्रेरित त्रिगुट विखंडन में उत्पन्न हो सकते हैं, जो एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया है (स्वस्फूर्त विखंडन के विपरीत)। इस तरह के अल्फ़ाज़ सहज त्रिगुट विखंडन से भी उत्पन्न होते हैं।
- विखंडन अभिक्रियाएं - एक बहुत भारी नाभिक, अतिरिक्त प्रकाश कणों (सामान्य न्यूट्रॉन) को अवशोषित करने के बाद, दो या कभी-कभी तीन टुकड़ों में विभाजित हो जाता है। यह एक प्रेरित नाभिकीय प्रतिक्रिया है। स्वतःस्फूर्त विखंडन, जो न्यूट्रॉन की सहायता के बिना होता है, समान्तयः परमाणु प्रतिक्रिया नहीं माना जाता है। ज्यादा से ज्यादा, यह एक प्रेरित परमाणु प्रतिक्रिया नहीं है।
प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया
मध्यवर्ती ऊर्जा प्रक्षेप्य एकल त्वरित (10−21 सेकंड) घटना में ऊर्जा को स्थानांतरित करता है या नाभिक को नाभिक में उठाता है या खो देता है। ऊर्जा और गति हस्तांतरण अपेक्षाकृत छोटा है। ये प्रयोगात्मक परमाणु भौतिकी में विशेष रूप से उपयोगी होते हैं क्योंकि लक्ष्य नाभिक की संरचना की जांच करने के लिए प्रतिक्रिया तंत्र पर्याप्त सटीकता के साथ गणना करने के लिए प्रायः सरल होते हैं।
इनलेस्टिक स्कैटरिंग
केवल ऊर्जा और संवेग का ही स्थानांतरण होता है।
- (p,p') परमाणु अवस्थाओं के बीच अंतर का परीक्षण करता है
- (α,α') नाभिकीय सतह के आकार और आकार को मापता है। चूँकि α कण जो नाभिक से टकराते हैं वे अधिक हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं, लोचदार और उथला इनलेस्टिक α बिखराव लक्ष्य के आकार और आकार के प्रति संवेदनशील होता है, जैसे कि एक छोटी काली वस्तु से प्रकाश बिखरा हुआ होता है।
- (e,e') आंतरिक संरचना की जांच के लिए उपयोगी है। चूंकि इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की तुलना में कम मजबूती से बातचीत करते हैं, इसलिए वे लक्ष्य के केंद्र तक पहुंच जाते हैं और नाभिक से गुजरने पर उनके तरंग कार्य कम विकृत होते हैं।
आवेश-विनिमय प्रतिक्रियाएँ
ऊर्जा और आवेश को प्रक्षेप्य और लक्ष्य के बीच स्थानांतरित किया जाता है। इस प्रकार की अभिक्रियाओं के कुछ उदाहरण हैं:
- (p,n)
- (3He,t)
न्यूक्लियॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं
समान्तयः, मध्यम रूप से कम ऊर्जा पर, एक या एक से अधिक न्यूक्लिऑन्स प्रक्षेप्य और लक्ष्य के बीच स्थानांतरित होते हैं। ये नाभिकों की बाहरी कोश संरचना के अध्ययन में उपयोगी होते हैं। प्रक्षेप्य से लक्ष्य तक स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं; स्ट्रिपिंग रिएक्शन, या लक्ष्य से प्रक्षेप्य तक; उठाने वाली प्रतिक्रियाएँ हैं।
- (α,n) और (α,p) प्रतिक्रियाएं। अध्ययन की गई शुरुआती कुछ परमाणु प्रतिक्रियाओं में अल्फा क्षय द्वारा निर्मित अल्फा कण सम्मिलित था, जो लक्ष्य नाभिक से एक न्यूक्लिऑन को दस्तक देता था।
- (d,n) और (d,p) प्रतिक्रियाएं। ड्यूटेरॉन बीम एक लक्ष्य पर टकराता है; लक्ष्य नाभिक ड्यूटेरॉन से न्यूट्रॉन या प्रोटॉन को अवशोषित करता है। ड्यूटेरॉन इतना शिथिल बंधा हुआ है कि यह लगभग वैसा ही है जैसे प्रोटॉन या न्यूट्रॉन कैप्चर। यौगिक नाभिक बन सकता है, जिससे अतिरिक्त न्यूट्रॉन अधिक धीरे-धीरे उत्सर्जित हो सकते हैं। (d,n) अभिक्रियाओं का उपयोग ऊर्जावान न्यूट्रॉन उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
- विषमता विनिमय प्रतिक्रिया (K, π) का उपयोग हाइपरन्यूक्लियस का अध्ययन करने के लिए किया गया है।
- 1917 में रदरफोर्ड द्वारा की गई प्रतिक्रिया 14N(α,p)17O (रिपोर्ट 1919), को समान्तयः पहला परमाणु रूपांतरण प्रयोग माना जाता है।
न्यूट्रॉन के साथ अभिक्रियाएँ
| → T | → 7Li | → 14C | |||
|---|---|---|---|---|---|
| (n,α) | 6Li + n → T + α | 10B + n → 7Li + α | 17O + n → 14C + α | 21Ne + n → 18O + α | 37Ar + n → 34S + α |
| (n,p) | 3He + n → T + p | 7Be + n → 7Li + p | 14N + n → 14C + p | 22Na + n → 22Ne + p | |
| (n,γ) | 2H + n → T + γ | 13C + n → 14C + γ |
न्यूट्रॉन के साथ प्रतिक्रियाएँ परमाणु रिएक्टरों और परमाणु हथियारों में महत्वपूर्ण हैं। जबकि सबसे प्रसिद्ध न्यूट्रॉन प्रतिक्रियाएं न्यूट्रॉन स्कैटरिंग (न्यूट्रॉन प्रकीर्णन), न्यूट्रॉन कैप्चर और परमाणु विखंडन हैं, कुछ हल्के नाभिकों (विशेष रूप से अजीब-विषम नाभिक) के लिए थर्मल न्यूट्रॉन के साथ सबसे संभावित प्रतिक्रिया एक स्थानांतरण प्रतिक्रिया है:
कुछ अभिक्रियाएँ केवल तीव्र न्यूट्रॉनों से ही संभव हैं:
- (n,2n) प्रतिक्रियाएं थोरियम चक्र में प्प्रोटैक्टीनियम-231 और यूरेनियम-232 की छोटी मात्रा का उत्पादन करती हैं जो अन्यथा अत्यधिक रेडियोधर्मी एक्टिनाइड उत्पादों से अपेक्षाकृत मुक्त होती हैं।
- 9Be + n → 2α + 2n परमाणु हथियार के बेरिलियम न्यूट्रॉन परावर्तक में कुछ अतिरिक्त न्यूट्रॉन का योगदान कर सकता है।
- 7Li + n → T + α + n ने ऑपरेशन कैसल के ब्रावो, रोमियो और यांकी शॉट्स में अप्रत्याशित रूप से अतिरिक्त उपज का योगदान दिया, जो कि यू.एस. द्वारा किए गए तीन उच्चतम-उपज वाले परमाणु परीक्षण थे।
यौगिक परमाणु प्रतिक्रियाएं
या तो कम-ऊर्जा प्रक्षेप्य अवशोषित हो जाता है या उच्च-ऊर्जा कण ऊर्जा को नाभिक में स्थानांतरित कर देता है, जिससे यह बहुत अधिक ऊर्जा के साथ पूरी तरह से एक साथ बंध जाता है। लगभग 10−19 सेकंड के समय के पैमाने पर, कण, समान्तयः न्यूट्रॉन, "उबले हुए" होते हैं। अर्थात्, यह एक साथ तब तक बना रहता है जब तक कि आपसी आकर्षण से बचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न्यूट्रॉन में केंद्रित न हो जाए। उत्तेजित अर्ध-बद्ध नाभिक को संयुक्त नाभिक कहा जाता है।
- कम ऊर्जा (e, e' xn), (γ, xn) (xn एक या अधिक न्यूट्रॉन को दर्शाता है), जहां गामा या आभासी गामा ऊर्जा विशाल द्विध्रुव अनुनाद के निकट है। ये इलेक्ट्रॉन त्वरकों के आसपास विकिरण परिरक्षण की आवश्यकता को बढ़ाते हैं।
यह भी देखें
- एकोप्लानरिटी
- परमाणु भार
- परमाणु नाभिक
- परमाणु संख्या
- सीएनओ चक्र
- परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया
- ओपेनहाइमर-फिलिप्स प्रक्रिया
- परमाणु शक्ति
संदर्भ
- ↑ Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932. Archived 2012-09-02 at the Wayback Machine
- ↑ The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars
- ↑ Tilley, R. J. D. (2004). Understanding Solids: The Science of Materials. John Wiley and Sons. p. 495. ISBN 0-470-85275-5.
- ↑ Suplee, Curt (23 August 2009). "सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान के साथ परमाणु भार और समस्थानिक रचनाएँ". NIST.
स्रोत
- Schmitz, Taylor (1973). परमाणु भौतिकी. Pergamon Press. ISBN 0-08-016983-X.
- Bertulani, Carlos (2007). संक्षेप में परमाणु भौतिकी. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12505-3.
