डबल बीटा क्षय

परमाणु भौतिकी में, डबल बीटा क्षय एक प्रकार का रेडियोधर्मी क्षय है जिसमें दो न्यूट्रॉन एक परमाणु नाभिक के अंदर एक साथ दो प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाते हैं, जो इसके विपरीत भी संभव है। एकल बीटा क्षय के रूप में, यह प्रक्रिया परमाणु को प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के उच्चतम अनुपात के करीब ले जाने की अनुमति देती है। इस परिवर्तन के परिणामस्वरूप, नाभिक दो पहचाने जाने योग्य बीटा कणों का उत्सर्जन करता है, जो इलेक्ट्रॉन या पोजीट्रान होते हैं।

भौतिक रसायन विज्ञान दो प्रकार के डबल बीटा क्षय के बीच अंतर करता है: साधारण डबल बीटा क्षय और न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय। साधारण डबल बीटा क्षय में, जिसे कई समस्थानिकों में देखा गया है, क्षयकारी नाभिक से दो इलेक्ट्रॉन और दो इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित होते हैं। न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय में, एक परिकल्पित प्रक्रिया जिसे कभी नहीं देखा गया है, में केवल इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन होगा।

इतिहास

डबल बीटा क्षय का विचार पहली बार 1935 में मारिया गोएपर्ट मेयर द्वारा प्रस्तावित किया गया था।

1937 में, एटोर मेजराना ने प्रदर्शित किया कि बीटा क्षय सिद्धांत के सभी परिणाम अपरिवर्तित रहते हैं यदि न्यूट्रिनो उसका अपना एंटीपार्टिकल होता, जिसे अब मेजराना कण के रूप में जाना जाता है।

1939 में, वेंडेल एच. फेरी ने प्रस्तावित किया कि यदि न्यूट्रिनो मेजराना कण हैं, तो डबल बीटा क्षय किसी भी न्यूट्रिनो के उत्सर्जन के बिना आगे बढ़ सकता है, इस प्रक्रिया के माध्यम से जिसे अब न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय कहा जाता है।

यह अभी तक ज्ञात नहीं है कि क्या न्यूट्रिनो एक मेजराना कण है, और, संबंधित रूप से, क्या न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय प्रकृति में उपस्थित है।

1930-1940 के दशक में, कमजोर अंतःक्रियाओं में समानता का उल्लंघन ज्ञात नहीं था, और परिणामस्वरूप गणनाओं से पता चला कि न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय सामान्य डबल बीटा क्षय की तुलना में होने की अधिक संभावना होनी चाहिए, यदि न्यूट्रिनो मेजराना कण थे। अनुमानित आधा जीवन 10¹⁵~10¹⁶ वर्षों के क्रम में था।प्रयोगशाला में प्रक्रिया का निरीक्षण करने का प्रयास कम से कम 1948 से शुरू होता है जब ई.एल. फायरमैन ने 124 के आधे जीवन को सीधे मापने का पहला प्रयास किया¹²⁴
Sn
समस्थानिक एक गीगर काउंटर के साथ।

प्राय 1960 के माध्यम से रेडियोमेट्रिक प्रयोगों ने नकारात्मक परिणाम या झूठे सकारात्मक परिणाम दिए, पश्चात के प्रयोगों से इसकी पुष्टि नहीं हुई। 1950 में, पहली बार डबल बीटा ¹³⁰
Te
के आधे जीवन का क्षय करता है भू-रासायनिक विधियों द्वारा 1.4 × 1021 वर्ष मापा गया था, यथोचित रूप से आधुनिक मूल्य के काफी करीब। इसमें क्षय द्वारा उत्पादित क्सीनन के खनिजों में एकाग्रता का पता लगाना सम्मलित था।

1956 में, कमजोर अंतःक्रियाओं की V-A प्रकृति स्थापित होने के पश्चात, यह स्पष्ट हो गया कि न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय का आधा जीवन सामान्य डबल बीटा क्षय से काफी अधिक होगा। 1960-1970 के दशक में प्रयोगात्मक तकनीकों में महत्वपूर्ण प्रगति के अतिरिक्त, 1980 के दशक तक प्रयोगशाला में डबल बीटा क्षय नहीं देखा गया था। प्रयोग केवल आधे जीवन के लिए निचली सीमा स्थापित करने में सक्षम थे - प्राय 10²¹ वर्ष। उसी समय, भू-रासायनिक प्रयोगों ने ⁸²
Se
से ¹²⁸
Te
के डबल बीटा क्षय का पता लगाया।

डबल बीटा क्षय पहली बार 1987 में ⁸²
Se
में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन में माइकल मो के समूह द्वारा एक प्रयोगशाला में देखा गया था।

तब से, कई प्रयोगों ने अन्य समस्थानिकों में सामान्य डबल बीटा क्षय देखा है। उन प्रयोगों में से किसी ने भी न्यूट्रिनोलेस प्रक्रिया के लिए सकारात्मक परिणाम नहीं दिए हैं, जिससे आधे जीवन की निचली सीमा प्राय 10²⁵ वर्ष हो गई है। 1990 के दशक के समय भू-रासायनिक प्रयोग जारी रहे, जिससे कई समस्थानिकों के लिए सकारात्मक परिणाम प्राप्त हुए।डबल बीटा क्षय दुर्लभ ज्ञात प्रकार का रेडियोधर्मी क्षय है; 2019 तक यह केवल 14 समस्थानिकों में देखा गया है (¹³⁰
Ba
में डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर सहित ¹³⁰
Ba
2001,⁷⁸
Kr
में देखा गया, 2013 और ¹²⁴
Xe
में मनाया गया, 2019 में देखा गया), और सभी का जीवनकाल औसत 10¹⁸ वर्ष अधिक है।

साधारण डबल बीटा क्षय

एक विशिष्ट डबल बीटा क्षय में, नाभिक में दो न्यूट्रॉन प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाते हैं, और दो इलेक्ट्रॉन और दो इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित होते हैं। प्रक्रिया को एक साथ दो बीटा माइनस क्षय के रूप में सोचा जा सकता है। (डबल) बीटा क्षय संभव होने के लिए, अंतिम नाभिक में मूल नाभिक की तुलना में अधिक बाध्यकारी ऊर्जा होनी चाहिए। कुछ नाभिकों के लिए, जैसे जर्मेनियम-76, आइसोबार (न्यूक्लाइड) एक परमाणु संख्या अधिक (आर्सेनिक - 76) में एक छोटी बाध्यकारी ऊर्जा होती है, जो एकल बीटा क्षय को रोकती है। चूंकि, परमाणु संख्या दो उच्च, सेलेनियम -76 के साथ आइसोबार में एक बड़ी बाध्यकारी ऊर्जा होती है, इसलिए डबल बीटा क्षय की अनुमति है।

फर्मी के सुनहरे नियम का उपयोग करके बीटा उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के समान दो इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम की गणना की जा सकती है।

$$\frac{dN(T_1,T_2,\cos <!--\; \; -->\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->})}{d{T}_{1}d{T}_{2}d\cos <!--\; \; -->\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}=F(Z,T_1)F(Z,T_2)w_1{p}_1{w}_2{p}_2{(Q-<!--\; -\; -->T_1-<!--\; -\; -->T_2)}^5(1-<!--\; -\; -->v_{}$$