परमाणु नाभिक और समस्थानिक

परमाणु नाभिक किससे बना है

किसी परमाणु का लगभग पूरा द्रव्यमान — 99.9% से अधिक — उसके नाभिक में समाया होता है, जबकि यह पूरे परमाणु आयतन का केवल एक दस-खरबवां हिस्सा घेरता है। नाभिक दो प्रकार के न्यूक्लिऑनों से बना होता है: धनावेशित प्रोटॉन और विद्युत रूप से उदासीन न्यूट्रॉन। दोनों का द्रव्यमान लगभग बराबर है (लगभग 1.67 · 10⁻²⁷ किग्रा) और दोनों स्वयं तीन-तीन क्वार्कों से बने होते हैं।

प्रोटॉनों की संख्या — परमाणु क्रमांक Z — यह तय करती है कि कौन-सा रासायनिक तत्व है: ठीक 6 प्रोटॉन वाला हर परमाणु कार्बन है, और 79 प्रोटॉन वाला हर परमाणु सोना है। प्रोटॉन संख्या बदलते ही तत्व बदल जाता है। इसके विपरीत, न्यूट्रॉन संख्या N एक ही तत्व में भिन्न हो सकती है — यही समस्थानिकों की उत्पत्ति है।

प्रोटॉन विद्युतचुंबकीय रूप से एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं — न्यूट्रॉन स्वयं कोई आवेश दिए बिना अतिरिक्त प्रबल आकर्षण प्रदान करते हैं। इसीलिए भारी नाभिकों को स्थिर रहने के लिए प्रोटॉनों की तुलना में असंगत रूप से अधिक न्यूट्रॉन चाहिए।

समस्थानिक क्या होता है

समस्थानिक एक ही तत्व के परमाणु होते हैं — यानी समान प्रोटॉन संख्या Z वाले — जो अपनी न्यूट्रॉन संख्या N में भिन्न होते हैं। चूँकि न्यूट्रॉन संख्या का रासायनिक व्यवहार पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ता (यह लगभग पूरी तरह इलेक्ट्रॉनों द्वारा तय होता है), किसी तत्व के समस्थानिक रासायनिक रूप से लगभग समान व्यवहार करते हैं। लेकिन उनके नाभिक मौलिक रूप से भिन्न हो सकते हैं: कुछ अनंत काल तक स्थिर रहते हैं, तो कुछ सेकंडों में क्षय हो जाते हैं।

प्रतीक द्रव्यमान संख्या A (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का योग, बाईं ओर ऊपर लिखा) और परमाणु क्रमांक Z (बाईं ओर नीचे लिखा) तत्व चिह्न के आगे लगाकर किसी न्यूक्लाइड की स्पष्ट पहचान की जाती है। कार्बन प्राकृतिक रूप से तीन समस्थानिकों में पाया जाता है:

स्थिरता की घाटी

यदि सभी ज्ञात न्यूक्लाइडों के लिए न्यूट्रॉन संख्या N को प्रोटॉन संख्या Z के विरुद्ध आलेखित किया जाए, तो स्थिर नाभिकों की एक संकरी पट्टी बनती है — स्थिरता की घाटी। हल्के तत्वों के लिए इष्टतम बिंदु N = Z के निकट होता है (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन लगभग बराबर संख्या में)। प्रोटॉन संख्या बढ़ने के साथ यह पट्टी न्यूट्रॉन-आधिक्य की ओर खिसकती जाती है, क्योंकि बढ़ती हुई प्रोटॉन संख्या के कारण बढ़ते कूलॉम प्रतिकर्षण की भरपाई के लिए अतिरिक्त न्यूट्रॉन चाहिए होते हैं — जो स्वयं प्रतिकर्षण में योगदान नहीं करते।

इस घाटी के बाहर के नाभिक अस्थिर होते हैं और इस तरह क्षय होते हैं कि वे घाटी के करीब पहुँच जाएँ: न्यूट्रॉन-आधिक्य को आमतौर पर β⁻-क्षय से ठीक किया जाता है (एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन में बदल जाता है), जबकि प्रोटॉन-आधिक्य को β⁺-क्षय या इलेक्ट्रॉन ग्रहण से। सीसे से भारी अधिकांश नाभिक अक्सर पूरे हीलियम-नाभिक बाहर छोड़ देते हैं — अल्फा-क्षय। सटीक क्षय प्रकार और उनकी गतिकी को भौतिकी विभाग के रेडियोधर्मी क्षय वाले पृष्ठ पर विस्तार से समझाया गया है।

प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा

किसी परमाणु नाभिक का द्रव्यमान हमेशा उसके अलग-अलग न्यूक्लिऑनों के द्रव्यमानों के योग से कम होता है — इस अंतर को द्रव्यमान क्षति कहा जाता है और आइंस्टाइन के E = mc² के अनुसार यह ठीक उतनी ही ऊर्जा के बराबर होता है जो नाभिक के निर्माण के समय मुक्त होती: बंधन ऊर्जा। इसे न्यूक्लिऑनों की संख्या से विभाजित करने पर प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा मिलती है — यह इस बात का सीधा मापक है कि नाभिक कितनी मज़बूती से जुड़ा है।

इस मान को द्रव्यमान संख्या A के विरुद्ध आलेखित करने पर एक ऐसा वक्र बनता है जिसका शिखर आयरन-56 और निकल-62 के क्षेत्र में होता है — पूरे आवर्त सारणी में सबसे मज़बूती से बंधे नाभिक। (सटीक शिखर मान निकल-62 के पास है, आयरन-56 से बाल-बराबर आगे; लेकिन क्योंकि आयरन-56 इस क्षेत्र का कहीं अधिक सामान्य और नाम देने वाला न्यूक्लाइड है, इसलिए यहाँ इसे संदर्भ बिंदु के रूप में उपयोग किया गया है।) यही बताता है कि भारी तत्वों का नाभिकीय विखंडन और हल्के तत्वों का नाभिकीय संलयन — दोनों ही ऊर्जा क्यों मुक्त करते हैं: दोनों प्रक्रियाएँ वक्र पर इसी शिखर की दिशा में बढ़ती हैं।

आखिर आयरन ही क्यों?

इस विशेष शिखर का कारण अलग-अलग परास वाली दो शक्तियों की प्रतिस्पर्धा में छिपा है। प्रबल नाभिकीय बल की परास बेहद कम है — हर न्यूक्लिऑन केवल अपने निकटतम पड़ोसियों को "महसूस" करता है, चाहे पूरा नाभिक कितना भी बड़ा क्यों न हो। इसलिए न्यूक्लिऑन संख्या बढ़ने के साथ प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा में इसका योगदान अनिश्चित काल तक नहीं बढ़ सकता, यह संतृप्त हो जाता है। इसके विपरीत, प्रोटॉनों के बीच विद्युत प्रतिकर्षण (कूलॉम बल) पूरे नाभिक में फैला रहता है और प्रोटॉन संख्या बढ़ने के साथ लगातार तेज़ी से बढ़ता है, क्योंकि हर प्रोटॉन नाभिक के अन्य सभी प्रोटॉनों को प्रतिकर्षित करता है। द्रव्यमान संख्या लगभग 56 तक अतिरिक्त न्यूक्लिऑन-बंधनों से मिलने वाला लाभ अभी भी मामूली कूलॉम प्रतिकर्षण पर हावी रहता है — हर अतिरिक्त न्यूक्लिऑन नाभिक को औसतन अधिक मज़बूती से बांधता है। आयरन के बाद यह अनुपात पलट जाता है: अतिरिक्त प्रोटॉन आकर्षक ऊर्जा से अधिक प्रतिकर्षी ऊर्जा लाते हैं, और वक्र फिर से नीचे गिरने लगता है। आयरन-56, निकल-62 और कोबाल्ट-59 लगभग ठीक उसी बिंदु पर स्थित हैं जहाँ नाभिकीय बल की संतृप्ति और कूलॉम प्रतिकर्षण की वृद्धि संतुलन में आती हैं — इसी संकरे समूह में कहीं पूरे आवर्त सारणी में प्रति न्यूक्लिऑन बंधन ऊर्जा का अधिकतम मान स्थित है (सटीक मापन के अनुसार यह न्यूनतम अंतर से निकल-62 पर है, आयरन-56 पर नहीं)।

समस्थानिकों का व्यावहारिक उपयोग किसलिए है

क्योंकि समस्थानिक रासायनिक रूप से लगभग समान व्यवहार करते हैं लेकिन भौतिक रूप से — चाहे द्रव्यमान के आधार पर या रेडियोधर्मिता के आधार पर — पहचाने जा सकते हैं, इसलिए इन्हें ऐसी प्रक्रियाओं में चिह्नक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है जो अन्यथा देखी नहीं जा सकतीं।