अल्फ़ा क्षय

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अल्फ़ा क्षय का दृश्य प्रतिनिधित्व

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

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

इस प्रकार से अल्फा क्षय सामान्यतः सबसे भारी न्यूक्लाइड में होता है। सैद्धांतिक रूप से, यह मात्र निकिल (तत्व 28) से किंचित 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। अतः परीक्षण में, क्षय की यह विधि मात्र निकिल से अत्यधिक भारी न्यूक्लाइड में देखा गया है, सबसे हल्का ज्ञात अल्फा उत्सर्जक एंटिमनी का दूसरा सबसे हल्का समस्थानिक ¹⁰⁴Sb है। यद्यपि, असाधारण रूप से, बेरिलियम-8 दो अल्फा कणों में विघटित हो जाता है।

अल्फा क्षय अब तक क्लस्टर क्षय का सबसे सामान्य रूप है, जहां मूल परमाणु न्यूक्लिऑन के परिभाषित क्षय उत्पाद संग्रह को बाहर निकालता है, और अन्य परिभाषित उत्पाद को पश्च छोड़ देता है। इस प्रकार से संयुक्त अत्यधिक उच्च परमाणु बंधन ऊर्जा और अल्फा कण के अपेक्षाकृत छोटे द्रव्यमान के कारण यह सबसे सामान्य रूप है। अतः अन्य क्लस्टर क्षयों के जैसे, अल्फा क्षय मूल रूप से क्वांटम सुरंगन प्रक्रिया है। बीटा क्षय के विपरीत, यह परमाणु बल और विद्युत चुम्बकीय बल दोनों के बीच परस्पर क्रिया द्वारा नियंत्रित होता है।

इस प्रकार से 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 निकट 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 विलुप्त होने की बहुत संभावना होती है, और उनकी आगे की गति को वायु के कुछ सेंटीमीटर द्वारा रोका जा सकता है।

अतः 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

See also: अल्फ़ा कण § खोज और उपयोग का इतिहास

इस प्रकार से अल्फा कणों का वर्णन प्रथमतः 1899 में अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा रेडियोधर्मिता की जांच में किया गया था, और 1907 तक उन्हें He²⁺आयन के रूप में पहचाना गया था। अतः 1928 तक, जॉर्ज गामो ने सुरंगन के माध्यम से अल्फा क्षय के सिद्धांत को हल कर लिया था। अल्फा कण एक आकर्षक परमाणु विभव कूप और एक प्रतिकारक विद्युत चुम्बकीय संभावित बाधा द्वारा नाभिक के भीतर फंसा हुआ है। शास्त्रीय रूप से, इससे बचना मना है, परंतु क्वांटम यांत्रिकी के (तत्कालीन) नवीन खोजे गए सिद्धांतों के अनुसार, इसमें बाधा के माध्यम से "सुरंग" बनाने और नाभिक से बचने के लिए दूसरी ओर दिखाई देने की एक छोटी (परंतु गैर-शून्य) संभावना है। इस प्रकार से गामो ने नाभिक के लिए मॉडल क्षमता को हल किया और प्रथम सिद्धांतों से, क्षय के आधे जीवन और उत्सर्जन की ऊर्जा के बीच संबंध प्राप्त किया, जिसे पूर्व अनुभवजन्य रूप से खोजा गया था और इसे गीगर-नट्टल नियम के रूप में जाना जाता था।

तंत्र

अतः परमाणु नाभिक को साथ रखने वाला परमाणु बल बहुत दृढ़ होता है, सामान्यतः प्रोटॉन के बीच प्रतिकारक विद्युत चुम्बकीय बल की तुलना में बहुत अधिक दृढ़ होता है। यद्यपि, परमाणु बल भी कम दूरी का होता है, जिसकी दृढ़ता लगभग 3 फेमटोमीटर से अधिक तीव्रता से गिरती है, जबकि विद्युत चुम्बकीय बल की सीमा असीमित होती है। किसी नाभिक को साथ रखने वाले आकर्षक परमाणु बल की दृढ़ता इस प्रकार नाभिकों की संख्या के समानुपाती होती है, परंतु नाभिक को अलग करने का प्रयत्न करने वाले प्रोटॉन-प्रोटॉन प्रतिकर्षण की कुल विघटनकारी विद्युत चुम्बकीय शक्ति लगभग उसके परमाणु क्रमांक के वर्ग के समानुपाती होती है। इस प्रकार से 210 या अधिक न्यूक्लियॉन वाला नाभिक इतना बड़ा होता है कि इसे साथ रखने वाला दृढ़ परमाणु बल इसमें स्थित प्रोटॉन के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण को जटिलता 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 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। इस प्रकार से समीकरण

$$E_{di}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2},$$

द्वारा दी गई कुल विघटन ऊर्जा की गणना करने पर, जहां 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 यह पाता है कि निश्चित रूप से स्थितियों में यह धनात्मक है और इसलिए अल्फा कण उत्सर्जन संभव है, जबकि अन्य क्षय मोड में ऊर्जा जोड़ने की आवश्यकता होगी। इस प्रकार से उदाहरण के लिए, यूरेनियम-232 के लिए गणना करने से ज्ञात होता है कि अल्फा कण उत्सर्जन से 5.4 MeV ऊर्जा निकलती है, जबकि प्रोटॉन उत्सर्जन के लिए 6.1 MeV की आवश्यकता होगी। अधिकांश विघटन ऊर्जा अल्फा कण की गतिज ऊर्जा बन जाती है, यद्यपि गति के संरक्षण को पूर्ण करने के लिए, ऊर्जा का भाग नाभिक के पुनरावृत्ति में चला जाता है (परमाणु पुनरावृत्ति देखें)। यद्यपि, चूंकि अधिकांश अल्फा-उत्सर्जक विकिरण समस्थानिक की द्रव्यमान संख्या 210 से अधिक है, जो अल्फा कण (4) की द्रव्यमान संख्या से कहीं अधिक है, नाभिक की पुनरावृत्ति में जाने वाली ऊर्जा का अंश सामान्यतः अत्यधिक छोटा होता है, 2% से भी कम। फिर भी, पुनरावृत्ति ऊर्जा (केवी के पैमाने पर) अभी भी रासायनिक बंधों की दृढ़ता (ईवी के पैमाने पर) से बहुत बड़ी है, इसलिए विघटज न्यूक्लाइड उस रासायनिक वातावरण से अलग हो जाएगी जिसमें मूल था। अतः ऊर्जा और अनुपात अल्फा-कण स्पेक्ट्रोमिकी के माध्यम से रेडियोधर्मी मूल की पहचान करने के लिए अल्फा कणों का उपयोग किया जा सकता है।

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

यद्यपि, क्वांटम यांत्रिकी, अल्फा कण को ​​क्वांटम सुरंगन के माध्यम से बाहर निकलने की अनुमति देती है। अतः अल्फा क्षय का क्वांटम सुरंगन सिद्धांत, स्वतंत्र रूप से जॉर्ज गामो द्वारा और 1928 में रोनाल्ड विल्फ्रेड गुर्नी और एडवर्ड कोंडोन द्वारा विकसित किया गया था, जिसे क्वांटम सिद्धांत की एक बहुत ही महत्वपूर्ण पुष्टि के रूप में सराहा गया था। अनिवार्य रूप से, अल्फा कण नाभिक से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करके नहीं, यद्यपि दीवार के माध्यम से सुरंग बनाकर बाहर निकलता है। इस प्रकार से गुरनी और कॉन्डन ने इस पर अपने लेख में निम्नलिखित अवलोकन किया:

अब तक नाभिक की कुछ विशेष यादृच्छिक 'अस्थिरता' को प्रतिपादित करना आवश्यक रहा है, परंतु निम्नलिखित नोट में, यह बताया गया है कि विघटन बिना किसी विशेष परिकल्पना के क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का स्वाभाविक परिणाम है... बहुत कुछ उस विस्फोटक हिंसा के विषय में लिखा गया है जिसके साथ α-कण को ​​नाभिक में उसके स्थान से फेंक दिया जाता है। परंतु 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 स्वतंत्र कण माना जा सकता है, जो निरंतर गति में है परंतु दृढ़ परस्पर क्रिया द्वारा नाभिक के भीतर आयोजित किया जाता है। अतः विद्युत चुम्बकीय बल के प्रतिकारक संभावित अवरोध के साथ प्रत्येक टकराव पर, छोटी गैर-शून्य संभावना है कि यह अपना रास्ता सुरंग बना लेगा। लगभग 10⁻¹⁴ मीटर के परमाणु व्यास के भीतर 1.5×10⁷ m/s की गति वाला एक अल्फा कण प्रति सेकंड 10²¹ से अधिक बार बाधा से टकराएगा। यद्यपि, यदि प्रत्येक टक्कर में पलायन करने की संभावना बहुत कम है, तो विकिरण समस्थानिक की अर्धायु बहुत लंबा होगा, क्योंकि पलायन करने की कुल संभावना 50% तक पहुंचने के लिए यह आवश्यक समय है। एक परम उदाहरण के रूप में, समस्थानिक बिस्मथ-209 की अर्धायु 2.01×10¹⁹ वर्ष है।

इस प्रकार से बीटा-क्षय स्थिर समभारिक में समस्थानिक 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 क्षय से गुजरने के लिए सिद्धांतित किया गया है। अन्य सभी द्रव्यमान संख्याओं (समभारिक (न्यूक्लाइड)) में सैद्धांतिक रूप से स्थिर न्यूक्लाइड होता है। जिनका द्रव्यमान 5 है वे हीलियम-5 और प्रोटॉन या न्यूट्रॉन में क्षय हो जाते हैं, और जिनका द्रव्यमान 8 है वे दो हीलियम-4 नाभिक में क्षय हो जाते हैं; उनकी अर्धायु (हीलियम -5, लिथियम 5 -5, और बेरिलियम -8) बहुत छोटा है, A ≤ 209 वाले अन्य सभी न्यूक्लाइड के आधे जीवन के विपरीत, जो बहुत लंबे हैं। (A ≤209 वाले ऐसे न्यूक्लाइड ¹⁴⁶Sm को छोड़कर आदिम न्यूक्लाइड हैं।)

अतः सिद्धांत के विवरण पर कार्य करने से विकिरण समस्थानिक के आधे जीवन को उसके अल्फा कणों की क्षय ऊर्जा से संबंधित समीकरण मिलता है, जो अनुभवजन्य गीगर-न्यूटॉल नियम की सैद्धांतिक व्युत्पत्ति है।

उपयोग

इस प्रकार से अमेरिकियम-241, अल्फा उत्सर्जक, का उपयोग धूम्रपान डिटेक्टरों में किया जाता है। अल्फा कण विवृत आयन कक्ष में आयनीकरण वायु और आयनित वायु के माध्यम से छोटा विद्युत प्रवाह प्रवाहित करते हैं। अतः अग्नि से निकलने वाले धूम्र के कण जो कक्ष में प्रवेश करते हैं, प्रवाह को कम कर देते हैं, जिससे धूम्र संसूचक का अलार्म प्रारंभ हो जाता है।

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

अतः अल्फा क्षय समष्टि जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले