परमाणु न्यूक्लियस के द्रव्यमान एवं स्थिरता

परमाणु न्यूक्लियस: द्रव्यमान एवं स्थिरता - विस्तृत नोट्स

1. न्यूक्लियर फोर्सेज:

• शक्तिशाली न्यूक्लियर फोर्स:

• पाइओन (pi) जैसे मेज़ॉन्स के विनिमय

• सतुरेशन गुण: शक्तिशाली न्यूक्लियर फोर्स बहुत छोटी दूरी पर ही शक्तिशाली है और किसी निश्चित दूरी से परे छोटा हो जाता है।

• आवेश स्वतंत्रता: शक्तिशाली न्यूक्लियर फोर्स इंटरैक्टिंग न्यूक्लियोन्स के आवेश के बिना निर्भर है।

• आइसोस्पिन: न्यूक्लियोन्स की आवेश राज्यों का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला अवधारणा।

• कमज़ोर न्यूक्लियर फोर्स:

• चार्ज्ड और निष्पादित प्रवाह: दो प्रकार के कमज़ोर इंटरैक्शन, W और Z बोसन द्वारा संचालित।

• W बोसन: बीटा विघटन के ज़िम्मेदार चार्ज्ड कमज़ोर इंटरैक्शन को संचालित करते हैं।

• Z बोसन: न्यूट्रिनो स्कैटरिंग और इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन विघटन के ज़िम्मेदार निष्पादित कमज़ोर इंटरैक्शन को संचालित करते हैं।

2. न्यूक्लियर मॉडल्स:

• लिक्विड ड्रॉप मॉडल:

• अर्ध-अनुमानित द्रव्यमान सूत्र: एक न्यूक्लियस के द्रव्यमान के बीच एक अनुमानित संबंध प्रदान करता है जो उसके प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या के साथ।

• बाइंडिंग एनर्जी: एक न्यूक्लियस में सभी न्यूक्लियोन्स को एक-दूसरे से अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा।

• विषम-सम नियम की व्याख्या: विषम संख्या वाले न्यूक्लियस उच्च स्थिरता के लिए अधिक स्थिर हैं क्योंकि न्यूक्लियस में न्यूक्लियोन्स का जोड़ाई।

• स्थिरता के लिए Z की सीमित सीमा: एक निश्चित संख्या के न्यूट्रॉन्स के लिए एक न्यूक्लियस के ऊपर कितने प्रोटॉन्स हो सकते हैं जब तक यह अस्थिर न हो जाए।

• शैल मॉडल:

• न्यूक्लियस का एक क्वांटम यांत्रिक मॉडल, न्यूक्लियोन्स के न्यूक्लियस के अंदर विशिष्ट ऊर्जा स्तर या शैलों को आराम करने के विचार पर आधारित।

• न्यूक्लियोन: प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के लिए एक सामान्य शब्द।

• जादूगर संख्याएँ: विशेष न्यूक्लियोन्स की संख्याएँ (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) जो खास अत्यंत स्थिर विन्यासों से संबंधित हैं।

• स्पिन-शॉर्ट कनेक्शन: एक न्यूक्लियोन के स्पिन और उसके न्यूक्लियस के चारों ओर के चालाई के बीच इंटरैक्शन, जो न्यूक्लियोन्स के ऊर्जा स्तरों पर प्रभाव डालता है।

• कलेक्टिव मॉडल:

• न्यूक्लियस को एक घूर्णन या झटके वाले वस्तु के रूप में वर्णित करता है।

• घूर्णन और झटके वाले उत्तेजना के मोड: न्यूक्लियस के घूर्णन या झटके के विभिन्न तरीके, जिसके परिणामस्वरूप उत्तेजित अवस्थाएँ होती हैं।

• न्यूक्लियर विकृति: एक शरारती गोलाकार से न्यूक्लियस के आकार में परिवर्तन, जो घूर्णन या झटके के कारण हो सकता है।

• दीर्घायु: एक घूर्णित न्यूक्लियस के अंगुलर वेग में परिवर्तनों के खिलाफ प्रतिरोध का माप।

• फर्मी गैस मॉडल:

• न्यूक्लियस में न्यूक्लियोन्स को गैस गणित के अनुपालन करने वाले अनइंटरैक्टिंग पार्टिकल्स के रूप में मानता है।

• फर्मी एनर्जी की अवधारणा: एक न्यूक्लियोन को आदिम शून्य तापमान पर आराम करने के लिए उच्चतम ऊर्जा स्तर।

• पॉली का एक्स्क्लूजन नियम: एक समय में दो न्यूक्लियोन्स एक ही क्वांटम अवस्था में नहीं आ सकते।

3. न्यूक्लियर स्थिरता:

• द्रव्यमान दोष एवं बाइंडिंग एनर्जी:

• द्रव्यमान दोष: न्यूक्लियस के द्रव्यमान और उसके व्यक्तिगत प्रोटॉन्स और न्यूट्रॉन्स के द्रव्यमान के बीच का अंतर।

• बाइंडिंग एनर्जी: द्रव्यमान दोष के ऊर्जा अपेक्षा, जो एक न्यूक्लियस में सभी न्यूक्लियोन्स को एक-दूसरे से अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है।

• बीटा विघटन:

• बीटा विघटन के प्रकार (β+, β-): एक प्रोटॉन को न्यूट्रॉन में या उलट परिवर्तित करने के लिए न्यूक्लियस से एक पॉजिट्रॉन (β+) या एक इलेक्ट्रॉन (β-) का निर्वहन।

• छोड़ी गई ऊर्जा: बीटा विघटन में छोड़ी गई ऊर्जा माता-पिता न्यूक्लियस के द्रव्यमान और बेटा न्यूक्लियस के द्रव्यमान के बीच के अंतर के बराबर है, निर्वहित पार्टिकल के द्रव्यमान को घटाकर।

• Q-मान: बीटा विघटन में निर्वहित पार्टिकल की अधिकतम गतिज ऊर्जा।

• अल्फा विघटन:

• न्यूक्लियस से एक अल्फा पार्टिकल (दो प्रोटॉन्स और दो न्यूट्रॉन्स का संघ) का निर्वहन।

• Q-मान: अल्फा विघटन में छोड़ी गई ऊर्जा माता-पिता न्यूक्लियस के द्रव्यमान और बेटा न्यूक्लियस के द्रव्यमान के बीच के अंतर के बराबर है, अल्फा पार्टिकल के द्रव्यमान को घटाकर।

• गैमो का सिद्धांत: अल्फा विघटन को शक्तिशाली न्यूक्लियर फोर्स द्वारा बनाए गए पोटेंशियल बैरियर के माध्यम से अल्फा पार्टिकल के ट्यूनलिंग के रूप में स्पष्ट करता है।

• गामा विघटन:

• विघटन योजना: एक न्यूक्लियस में ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमणों की अनुक्रमणिका, जिसमें गामा किरणों का निर्वहन शामिल है।

• चयन नियम: ऊर्जा स्तरों के बीच होने वाले संक्रमणों पर विरोधाभास, कोणीय धारण और पैरिटी के बराबरी के आधार पर।

• आंतरिक रूप से रूपांतरण: प्रक्रिया जहाँ एक उत्तेजित न्यूक्लियस की ऊर्जा उसके एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित होती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन का निर्वहन।

• पॉजिट्रॉन्स का निर्वहन: कुछ मामलों में होता है, जब एक इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन जोड़ी उत्तेजित न्यूक्लियस की ऊर्जा से बनती है।

4. न्यूक्लियर प्रतिक्रियाएँ:

• न्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के प्रकार:

• न्यूक्लियर फिज़न: प्रक्रिया जहाँ एक भारी न्यूक्लियस दो या अधिक छोटे न्यूक्लियस में विघटित होता है, ऊर्जा छोड़ता है।

• न्यूक्लियर फ्यूजन: प्रक्रिया जहाँ दो या अधिक हल्के न्यूक्लियस एक भारी न्यूक्लियस को बनाने के लिए जोड़े जाते हैं, ऊर्जा छोड़ता है।

• न्यूक्लियर रूपांतरण: प्रक्रियाएँ जहाँ न्यूक्लियस की संरचना बदल जाती है, जैसे कि न्यूट्रॉन के अवशोषण या अल्फा पार्टिकल के निर्वहन के द्वारा।

• संरक्षण नियम:

• ऊर्जा: न्यूक्लियर प्रतिक्रिया के आगे और बाद में कुल ऊर्जा एक ही होनी चाहिए।

• द्रव्यमान संख्या: न्यूक्लियर प्रतिक्रिया के आगे और बाद में प्रोटॉन्स और न्यूट्रॉन्स की कुल संख्या एक ही होनी चाहिए।

• आवेश: न्यूक्लियर प्रतिक्रिया के आगे और बाद में कुल विद्युत आवेश एक ही होना चाहिए।

• धारण: न्यूक्लियर प्रतिक्रिया के आगे और बाद में कुल धारण एक ही होना चाहिए।

• स्पिन: न्यूक्लियर प्रतिक्रिया के आगे और बाद में कुल स्पिन एक ही होना चाहिए।

• क्रॉस-सेक्शन:

• परिभाषा: एक प्रतिक्रिया के घटनने की संभावना का एक माप जब पार्टिकल्स की एक बीम एक लक्ष्य के साथ इंटरैक्ट करती है।

• प्रकार: कई प्रकार के क्रॉस-सेक्शन, जैसे कुल क्रॉस-सेक्शन, लाल क्रॉस-सेक्शन, अल्लाइस क्रॉस-सेक्शन, अवशोषण क्रॉस-सेक्शन, स्कैटरिंग क्रॉस-सेक्शन।

• इकाइयाँ: आमतौर पर बार्न (1 बार्न = 10^-28 मीटर^2) या मिलीबार्न (1 मिलीबार्न = 10^-31 मीटर^2) में व्यक्त किए जाते हैं।

5. परमाणु भौतिकी के अनुप्रयोग:

• परमाणु ऊर्जा संयंत्र:

• फिज़न रिएक्टर: फिज़न प्रक्रिया का उपयोग गर्मी उत्पन्न करने के लिए करते हैं, जिसका उपयोग भाप उत्पन्न करने और विद्युत उत्पादन करने के लिए किया जाता है।

• फिज़न रिएक्टर के प्रकार: प्रेशराइज़्ड वाटर रिएक्टर्स (PWRs), बोलिंग वाटर रिएक्टर्स (BWRs), और गैस-कुल्ड रिएक्टर्स (GCRs)।

• फायदे: एक विश्वसनीय और कुशल ऊर्जा स्रोत प्रदान करते हैं, कम ऑपरेशन लागत के साथ।

• नुकसान: सुरक्षा, पराबैंगनी अपशिष्ट निपटान और प्रसारण से संबंधित चिंताएँ।

• ब्रीडर रिएक्टर: एक प्रकार का रिएक्टर जो अपने उपयोग से अधिक विघटनीय पदार्थ (जैसे प्लॉटिनम-239) उत्पन्न करता है।

• परमाणु चिकित्सा:

• चिकित्सा निदान में रेडियोइजोटोप्स: विभिन्न चिकित्सा स्थितियों का निदान करने के लिए पराबैंगनी आइसोटोप्स का उपयोग, जैसे थायराइड विकार और हड्डियों के रोग।

• PET (पॉजिट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी): पॉजिट्रॉन-उत्सर्जित रेडियोआइसोटोप्स का उपयोग शरीर की चयापचय गतिविधि के तीन आयामी छवियों को उत्पन्न करने की तकनीक।

• MRI (चुंबकीय ध्वनि छवि): चुंबकीय क्षेत्र और रेडियो लहरों का उपयोग शरीर की आंतरिक संरचनाओं की विस्तृत छवियों को उत्पन्न करने की तकनीक।

• रेडियोथेरापी: कैंसर और अन्य रोगों का उपशमन करने के लिए आयनक विद्युताभ का उपयोग।

• रेडियोफार्मास्यूटिकल्स: चिकित्सा निदान और उपचार में उपयोग किए जाने वाले पराबैंगनी पदार्थ।

• परमाणु प्रौद्योगिकी:

• रेडियोकार्बन दायरा: जीवाणु सामग्री की उम्र निर्धारित करने की तकनीक जिसमें पराबैंगनी कार्बन-14 की मात्रा का मापन किया जाता है।

• न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी: न्यूट्रॉन्स का उपयोग वस्तुओं की छवियों को उत्पन्न करने की तकनीक, जिससे छिपे हुए दोष या संरचनाएँ का पता चल सके।

• खाद्य प्रक्षेपण: खाद्य पदार्थों को आयनक विद्युताभ से उपचार करने की प्रक्रिया जिससे उनकी अवधि बढ़ जाती है और हानिकारक जीवाणुओं को नष्ट किया जाता है।

• धुएं डिटेक्टर्स: धुएं किलोब्ल का पता लगाने और आग के मामले में एलार्म ट्रिगर करने के लिए एक पराबैंगनी आइसोटोप का उपयोग करते हैं।

संदर्भ:

• NCERT भौतिकी, कक्षा 11: अध्याय 11-13 और 15
• NCERT भौतिकी, कक्षा 12: अध्याय 13 और 14
• भौतिकी के अवधारण, आयतन 2, द्वारा H. C. Verma
• वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए भौतिकी, आयतन 2, द्वारा R. A. Serway और J. W. Jewett
• न्यूक्लियर भौतिकी, द्वारा S. N. Goshal