रेडियोधर्मिता
अस्थिर परमाणु नाभिक तब तक निरंतर विकिरण उत्सर्जित करते रहते हैं जब तक वे एक स्थिर अवस्था तक नहीं पहुँच जाते — और यह एक ऐसी नियमितता के साथ होता है जिसकी सटीक गणना की जा सकती है।
आयनकारी विकिरण के तीन प्रकार
एक अस्थिर नाभिक तीन मूलतः भिन्न तरीकों से ऊर्जा और आवेश से मुक्त हो सकता है। अल्फा और बीटा विकिरण को पहले ही 1899 में अर्नेस्ट रदरफ़र्ड ने उनकी भिन्न भेदन क्षमता के आधार पर अलग-अलग पहचाना था; 1900 में पॉल विलार्ड द्वारा खोजी गई, इससे भी अधिक भेदक गामा विकिरण को रदरफ़र्ड ने 1903 में इसी वर्गीकरण में शामिल किया — यह उस समय हुआ जब तीनों विकिरण प्रकारों की सटीक प्रकृति अभी तक ज्ञात नहीं थी।
आकार की दृष्टि से भेदन क्षमता की तुलना: अल्फा तो त्वचा या कागज़ से ही रुक जाती है, बीटा को एल्युमिनियम चाहिए, गामा के लिए मोटी सीसा परिरक्षण ही काम करती है।
अर्ध-आयु
रेडियोधर्मी क्षय एकल नाभिक के स्तर पर एक विशुद्ध यादृच्छिक प्रक्रिया है — कोई भी यह पूर्वानुमान नहीं लगा सकता कि कोई विशेष परमाणु ठीक कब क्षय होगा। किंतु नाभिकों की एक बड़ी संख्या में यह एक सटीक सांख्यिकीय नियम में बदल जाता है: हर समान लंबाई के अंतराल में, अर्थात् अर्ध-आयु t½ में, अभी तक शेष बचे नाभिकों में से हमेशा ठीक आधे नाभिक क्षय होते हैं — चाहे शुरुआत में उनकी संख्या कितनी भी रही हो।
अर्ध-आयु के मान बेहद भिन्न होते हैं: पोलोनियम-214 एक मिलीसेकंड के दसवें हिस्से में क्षय होता है, जबकि यूरेनियम-238 को 4.5 अरब वर्ष लगते हैं — यह लगभग पृथ्वी की आयु के बराबर है। यह स्थिरता रेडियोधर्मी समस्थानिकों को सटीक "घड़ी" बना देती है, जैसा कि रेडियोकार्बन विधि में देखा जाता है।
चरघातांकी क्षय: हर अर्ध-आयु के बाद अभी तक क्षय न हुए नाभिकों की संख्या आधी रह जाती है — 50% → 25% → 12.5% → …
N₀ = आरंभिक मात्रा · t½ = अर्ध-आयु · N(t) = समय t पर शेष मात्रा
क्षय शृंखलाएँ और रेडियोधर्मी संतुलन
कई भारी नाभिक एक ही चरण में स्थिरता प्राप्त नहीं करते। उदाहरण के लिए यूरेनियम-238 चौदह क्रमिक अल्फा और बीटा क्षयों की एक पूरी क्षय शृंखला से गुज़रता है, इससे पहले कि अंत में स्थिर सीसा-206 प्राप्त हो। इस शृंखला का हर मध्यवर्ती उत्पाद स्वयं भी रेडियोधर्मी होता है, और उसकी अपनी, अक्सर बिल्कुल भिन्न अर्ध-आयु होती है।
| परमाणु | द्रव्यमान संख्या | क्षय | परमाणु में | समय |
|---|---|---|---|---|
| यूरेनियम | 238 | α | थोरियम | 4.47 अरब वर्ष |
| थोरियम | 234 | β⁻ | प्रोटैक्टिनियम | 24.1 दिन |
| प्रोटैक्टिनियम | 234 | β⁻ | यूरेनियम | 1.17 मिनट |
| यूरेनियम | 234 | α | थोरियम | 245,500 वर्ष |
| थोरियम | 230 | α | रेडियम | 75,400 वर्ष |
| रेडियम | 226 | α | रेडॉन | 1,600 वर्ष |
| रेडॉन | 222 | α | पोलोनियम | 3.82 दिन |
| पोलोनियम | 218 | α | सीसा | 3.1 मिनट |
| सीसा | 214 | β⁻ | बिस्मथ | 26.8 मिनट |
| बिस्मथ | 214 | β⁻ | पोलोनियम | 19.9 मिनट |
| पोलोनियम | 214 | α | सीसा | 164 माइक्रोसेकंड |
| सीसा | 210 | β⁻ | बिस्मथ | 22.3 वर्ष |
| बिस्मथ | 210 | β⁻ | पोलोनियम | 5.01 दिन |
| पोलोनियम | 210 | α | सीसा | 138.4 दिन |
| सीसा | 206 | स्थिर | — शृंखला का अंत — | — |
1.17 मिनट का मान अल्पजीवी समावयवी प्रोटैक्टिनियम-234m के लिए लागू होता है, जो 99.8% से अधिक मामलों में बनता है; शेष, अधिक दीर्घजीवी प्रोटैक्टिनियम-234 (मूल अवस्था, अर्ध-आयु ≈ 6.7 घंटे) एक दुर्लभतर वैकल्पिक मार्ग से होते हुए भी अंततः यूरेनियम-234 में ही परिणत होता है।
इस शृंखला का पहला चरण — यूरेनियम-238 का अल्फा क्षय — यह दर्शाता है कि अर्ध-आयु उसके पीछे की भौतिकी के प्रति कितनी संवेदनशील होती है। एक अल्फा कण (एक हीलियम नाभिक) को यूरेनियम नाभिक से अलग होने के लिए, शास्त्रीय दृष्टि से, उसे कूलॉम अवरोध को पार करना होता — यानी उसके और शेष धनावेशित नाभिक के बीच का विद्युत प्रतिकर्षण — जिसके लिए वास्तव में उसके पास पर्याप्त ऊर्जा है ही नहीं। फिर भी वह बच निकलता है, लेकिन केवल क्वांटम-यांत्रिक टनल प्रभाव के माध्यम से: इस अवरोध को हर प्रयास में पार किए बिना उसमें से होकर गुज़र जाने की एक छोटी, किंतु शून्य नहीं, संभावना। यह संभावना कितनी छोटी है, यह क्षय के दौरान मुक्त हुई ऊर्जा पर अत्यंत संवेदनशील रूप से निर्भर करता है — और यूरेनियम-238 इसमें असामान्य रूप से कम ऊर्जा मुक्त करता है (अन्य अल्फा-उत्सर्जकों के 9 मेगाइलेक्ट्रॉन-वोल्ट (MeV) तक की तुलना में लगभग 4.3)। इससे अवरोध अपेक्षाकृत मोटा हो जाता है और टनल-प्रयास का सफल होना अत्यंत दुर्लभ बन जाता है: एक अकेला यूरेनियम नाभिक प्रति सेकंड अकल्पनीय रूप से अनगिनत बार "प्रयास" तो करता है, लेकिन लगभग हमेशा असफल रहता है — सांख्यिकीय औसत के अनुसार यह तभी सफल होता है जब 4.47 अरब वर्ष बीत चुके हों।
यही क्षय शृंखला, पर एक कड़ी के रूप में नहीं बल्कि न्यूक्लाइड चार्ट (N बनाम Z) पर: हर अल्फा-क्षय दो घर बाईं ओर और दो घर नीचे की ओर (Z−2, N−2) जाता है, हर बीटा-क्षय एक घर दाईं ओर और एक घर नीचे की ओर (Z+1, N−1) खिसकता है। समान रंग = समान तत्व, चाहे द्रव्यमान भिन्न हो — U, Po और Pb यहाँ भिन्न-भिन्न समस्थानिकों के रूप में कई बार दिखाई देते हैं।
यदि कोई मातृ नाभिक अपने संतति नाभिकों की तुलना में बहुत अधिक दीर्घजीवी हो, तो कुछ समय बाद एक तथाकथित दीर्घकालिक संतुलन (सेक्युलर इक्विलिब्रियम) स्थापित हो जाता है: हर संतति पदार्थ ठीक उसी क्षण उतनी ही तेज़ी से क्षय होता है जितनी तेज़ी से वह मातृ नाभिक से पुनः बनता है — इस कारण उसकी सक्रियता बहुत लंबे समय तक स्थिर बनी रहती है, भले ही वह स्वयं अल्पजीवी हो। पुराने यूरेनियम अयस्कों में इस प्रकार क्षय शृंखला के सभी चौदह सदस्य एक साथ, एक स्थिर मात्रात्मक अनुपात में मौजूद रहते हैं।