लेख बताता है कि परमाणु विखंडन क्या है, इस प्रक्रिया की खोज और वर्णन कैसे किया गया। ऊर्जा और परमाणु हथियारों के स्रोत के रूप में इसके उपयोग का पता चलता है।
"अविभाज्य" परमाणु
इक्कीसवीं सदी "परमाणु की ऊर्जा", "परमाणु प्रौद्योगिकी", "रेडियोधर्मी अपशिष्ट" जैसी अभिव्यक्तियों से परिपूर्ण है। अंटार्कटिका की मिट्टी, महासागरों, बर्फ के रेडियोधर्मी संदूषण की संभावना के बारे में समाचार पत्रों की सुर्खियों में समय-समय पर संदेश फ्लैश होते हैं। हालांकि, एक सामान्य व्यक्ति को अक्सर इस बात का बहुत अच्छा अंदाजा नहीं होता है कि विज्ञान का यह क्षेत्र क्या है और यह रोजमर्रा की जिंदगी में कैसे मदद करता है। यह इतिहास के साथ, शायद, शुरू करने लायक है। पहले ही सवाल से, जो एक अच्छी तरह से खिलाए गए और कपड़े पहने हुए व्यक्ति द्वारा पूछा गया था, उसकी दिलचस्पी इस बात में थी कि दुनिया कैसे काम करती है। आंख कैसे देखती है, कान क्यों सुनता है, पानी पत्थर से कैसे भिन्न है - यह वही है जो प्राचीन काल से बुद्धिमानों को चिंतित करता है। प्राचीन भारत और ग्रीस में भी, कुछ जिज्ञासु दिमागों ने सुझाव दिया कि एक न्यूनतम कण है (इसे "अविभाज्य" भी कहा जाता है) जिसमें एक सामग्री के गुण होते हैं। मध्यकालीन रसायनज्ञों ने ऋषियों के अनुमान की पुष्टि की, और परमाणु की आधुनिक परिभाषा इस प्रकार है: परमाणु किसी पदार्थ का सबसे छोटा कण होता है जो उसके गुणों का वाहक होता है।
परमाणु के भाग
हालांकि, प्रौद्योगिकी का विकास (मेंविशेष रूप से, फोटोग्राफी) ने इस तथ्य को जन्म दिया है कि परमाणु को अब पदार्थ का सबसे छोटा संभव कण नहीं माना जाता है। और यद्यपि एक परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ है, वैज्ञानिकों ने जल्दी ही महसूस किया कि इसमें अलग-अलग आवेशों वाले दो भाग होते हैं। धनात्मक आवेश वाले भागों की संख्या ऋणात्मक की संख्या की भरपाई करती है, इसलिए परमाणु तटस्थ रहता है। लेकिन परमाणु का कोई स्पष्ट मॉडल नहीं था। चूँकि उस अवधि के दौरान शास्त्रीय भौतिकी अभी भी हावी थी, इसलिए विभिन्न धारणाएँ बनाई गईं।
एटम मॉडल
सबसे पहले “किशमिश रोल” मॉडल प्रस्तावित किया गया था। धनात्मक आवेश, जैसा कि था, परमाणु के पूरे स्थान को भर दिया, और उसमें ऋणात्मक आवेश वितरित किए गए, जैसे कि एक गोखरू में किशमिश। रदरफोर्ड के प्रसिद्ध प्रयोग ने निम्नलिखित निर्धारित किया: एक सकारात्मक चार्ज (नाभिक) वाला एक बहुत भारी तत्व परमाणु के केंद्र में स्थित है, और बहुत हल्के इलेक्ट्रॉन आसपास स्थित हैं। नाभिक का द्रव्यमान सभी इलेक्ट्रॉनों के योग से सैकड़ों गुना भारी होता है (यह पूरे परमाणु के द्रव्यमान का 99.9 प्रतिशत है)। इस प्रकार, बोहर के परमाणु के ग्रहीय मॉडल का जन्म हुआ। हालांकि, इसके कुछ तत्वों ने तत्कालीन स्वीकृत शास्त्रीय भौतिकी का खंडन किया। इसलिए, एक नया, क्वांटम यांत्रिकी विकसित किया गया था। इसके प्रकट होने के साथ ही विज्ञान का गैर-शास्त्रीय काल शुरू हो गया।
परमाणु और रेडियोधर्मिता
उपरोक्त सभी से यह स्पष्ट हो जाता है कि नाभिक परमाणु का एक भारी, धनावेशित भाग है, जो इसके थोक का निर्माण करता है। जब एक परमाणु की कक्षा में ऊर्जा की मात्रा और इलेक्ट्रॉनों की स्थिति को अच्छी तरह से समझा गया, तो यह समझने का समय थापरमाणु नाभिक की प्रकृति। सरल और अप्रत्याशित रूप से खोजी गई रेडियोधर्मिता बचाव में आई। इसने परमाणु के भारी मध्य भाग के सार को प्रकट करने में मदद की, क्योंकि रेडियोधर्मिता का स्रोत परमाणु विखंडन है। उन्नीसवीं और बीसवीं शताब्दी के मोड़ पर, खोजों की एक के बाद एक बारिश हुई। एक समस्या के सैद्धांतिक समाधान के लिए नए प्रयोग आवश्यक हो गए। प्रयोगों के परिणामों ने उन सिद्धांतों और परिकल्पनाओं को जन्म दिया जिनकी पुष्टि या खंडन करने की आवश्यकता थी। अक्सर सबसे बड़ी खोजें केवल इसलिए होती हैं क्योंकि इस तरह सूत्र की गणना करना आसान हो जाता है (जैसे, उदाहरण के लिए, मैक्स प्लैंक की क्वांटम)। फोटोग्राफी के युग की शुरुआत में भी, वैज्ञानिकों को पता था कि यूरेनियम लवण एक प्रकाश संश्लेषक फिल्म को रोशन करते हैं, लेकिन उन्हें संदेह नहीं था कि परमाणु विखंडन इस घटना का आधार था। इसलिए परमाणु क्षय की प्रकृति को समझने के लिए रेडियोधर्मिता का अध्ययन किया गया। जाहिर है, विकिरण क्वांटम संक्रमण से उत्पन्न हुआ था, लेकिन यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं था कि कौन से हैं। क्यूरीज़ ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, यूरेनियम अयस्क में लगभग हाथ से काम करते हुए, शुद्ध रेडियम और पोलोनियम का खनन किया।
रेडियोधर्मी विकिरण का प्रभार
रदरफोर्ड ने परमाणु की संरचना का अध्ययन करने के लिए बहुत कुछ किया और इस अध्ययन में योगदान दिया कि परमाणु नाभिक का विखंडन कैसे होता है। वैज्ञानिक ने एक रेडियोधर्मी तत्व द्वारा उत्सर्जित विकिरण को चुंबकीय क्षेत्र में रखा और एक अद्भुत परिणाम प्राप्त किया। यह पता चला कि विकिरण में तीन घटक होते हैं: एक तटस्थ था, और अन्य दो सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए थे। परमाणु विखंडन का अध्ययन इसकी परिभाषा के साथ शुरू हुआ:अवयव। यह साबित हो गया था कि नाभिक विभाजित हो सकता है, अपने धनात्मक आवेश का कुछ भाग छोड़ सकता है।
नाभिक की संरचना
बाद में यह पता चला कि परमाणु नाभिक में न केवल प्रोटॉन के धनात्मक आवेशित कण होते हैं, बल्कि न्यूट्रॉन के तटस्थ कण भी होते हैं। साथ में उन्हें न्यूक्लियॉन (अंग्रेजी "नाभिक", नाभिक) से कहा जाता है। हालांकि, वैज्ञानिक फिर से एक समस्या में पड़ गए: नाभिक का द्रव्यमान (अर्थात, नाभिकों की संख्या) हमेशा इसके आवेश के अनुरूप नहीं होता है। हाइड्रोजन में, नाभिक का आवेश +1 होता है, और द्रव्यमान तीन, और दो, और एक हो सकता है। आवर्त सारणी में हीलियम का परमाणु आवेश +2 है, जबकि इसके नाभिक में 4 से 6 नाभिक होते हैं। अधिक जटिल तत्वों में एक ही चार्ज के लिए कई और अलग-अलग द्रव्यमान हो सकते हैं। परमाणुओं के ऐसे रूपांतरों को समस्थानिक कहा जाता है। इसके अलावा, कुछ समस्थानिक काफी स्थिर निकले, जबकि अन्य जल्दी से क्षय हो गए, क्योंकि उन्हें परमाणु विखंडन की विशेषता थी। नाभिक की स्थिरता के नाभिकों की संख्या के अनुरूप कौन सा सिद्धांत है? एक भारी और काफी स्थिर नाभिक में सिर्फ एक न्यूट्रॉन के जुड़ने से रेडियोधर्मिता की रिहाई के लिए इसका विभाजन क्यों हुआ? अजीब तरह से, इस महत्वपूर्ण प्रश्न का उत्तर अभी तक नहीं मिला है। आनुभविक रूप से, यह पता चला कि परमाणु नाभिक के स्थिर विन्यास प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की निश्चित मात्रा के अनुरूप होते हैं। यदि नाभिक में 2, 4, 8, 50 न्यूट्रॉन और/या प्रोटॉन हों, तो नाभिक निश्चित रूप से स्थिर होगा। इन नंबरों को जादू भी कहा जाता है (और वयस्क वैज्ञानिक, परमाणु भौतिक विज्ञानी, उन्हें वह कहते हैं)। इस प्रकार, नाभिक का विखंडन उनके द्रव्यमान पर निर्भर करता है, अर्थात उनमें शामिल नाभिकों की संख्या पर।
ड्रॉप, शेल, क्रिस्टल
इस समय कोर की स्थिरता के लिए जिम्मेदार कारक का निर्धारण करना संभव नहीं था। परमाणु की संरचना के मॉडल के कई सिद्धांत हैं। तीन सबसे प्रसिद्ध और विकसित अक्सर विभिन्न मुद्दों पर एक दूसरे का खंडन करते हैं। पहले के अनुसार, नाभिक एक विशेष परमाणु तरल की एक बूंद है। पानी की तरह, यह तरलता, सतह तनाव, सहसंयोजन और क्षय की विशेषता है। शेल मॉडल में, नाभिक में कुछ निश्चित ऊर्जा स्तर भी होते हैं, जो न्यूक्लियंस से भरे होते हैं। तीसरा कहता है कि कोर एक ऐसा माध्यम है जो विशेष तरंगों (डी ब्रोगली) को अपवर्तित करने में सक्षम है, जबकि अपवर्तक सूचकांक संभावित ऊर्जा है। हालांकि, कोई भी मॉडल अभी तक पूरी तरह से यह नहीं बता पाया है कि इस विशेष रासायनिक तत्व के एक निश्चित महत्वपूर्ण द्रव्यमान पर, परमाणु विखंडन क्यों शुरू होता है।
ब्रेकअप कितने प्रकार के होते हैं
रेडियोधर्मिता, जैसा कि ऊपर बताया गया है, प्रकृति में पाए जाने वाले पदार्थों में पाया गया: यूरेनियम, पोलोनियम, रेडियम। उदाहरण के लिए, ताजा खनन किया गया, शुद्ध यूरेनियम रेडियोधर्मी है। इस मामले में बंटवारे की प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त होगी। किसी भी बाहरी प्रभाव के बिना, यूरेनियम परमाणुओं की एक निश्चित संख्या अल्फा कणों का उत्सर्जन करेगी, जो स्वचालित रूप से थोरियम में परिवर्तित हो जाएंगे। आधा जीवन नामक एक संकेतक है। इससे पता चलता है कि कितने समय तक भाग की प्रारंभिक संख्या से लगभग आधा रह जाएगा। प्रत्येक रेडियोधर्मी तत्व के लिए, अर्ध-आयु भिन्न होती है - कैलिफ़ोर्निया के लिए एक सेकंड के अंश से. तकयूरेनियम और सीज़ियम के लिए सैकड़ों हजारों साल। लेकिन मजबूर रेडियोधर्मिता भी है। यदि परमाणुओं के नाभिक पर उच्च गतिज ऊर्जा वाले प्रोटॉन या अल्फा कणों (हीलियम नाभिक) से बमबारी की जाती है, तो वे "विभाजित" हो सकते हैं। परिवर्तन का तंत्र, निश्चित रूप से, माँ के पसंदीदा फूलदान को कैसे तोड़ा जाता है, इससे अलग है। हालाँकि, एक निश्चित सादृश्य है।
परमाणु ऊर्जा
अब तक, हमने एक व्यावहारिक प्रश्न का उत्तर नहीं दिया है: परमाणु विखंडन के दौरान ऊर्जा कहाँ से आती है। आरंभ करने के लिए, यह स्पष्ट किया जाना चाहिए कि एक नाभिक के निर्माण के दौरान, विशेष परमाणु बल कार्य करते हैं, जिन्हें मजबूत अंतःक्रिया कहा जाता है। चूंकि नाभिक कई धनात्मक प्रोटॉनों से बना होता है, इसलिए यह प्रश्न बना रहता है कि वे आपस में कैसे चिपके रहते हैं, क्योंकि स्थिरवैद्युत बलों को उन्हें एक-दूसरे से काफी मजबूती से दूर धकेलना चाहिए। इसका उत्तर सरल है और एक ही समय में नहीं: विशेष कणों के नाभिकों के बीच बहुत तेजी से आदान-प्रदान द्वारा नाभिक को एक साथ रखा जाता है - पाई-मेसन। यह कनेक्शन अविश्वसनीय रूप से छोटा रहता है। जैसे ही पाई-मेसन का आदान-प्रदान बंद हो जाता है, नाभिक का क्षय हो जाता है। यह भी निश्चित रूप से जाना जाता है कि एक नाभिक का द्रव्यमान उसके सभी घटक नाभिकों के योग से कम होता है। इस घटना को द्रव्यमान दोष कहा जाता है। वास्तव में, लापता द्रव्यमान वह ऊर्जा है जो नाभिक की अखंडता को बनाए रखने पर खर्च की जाती है। जैसे ही परमाणु के नाभिक से कुछ भाग अलग हो जाता है, यह ऊर्जा मुक्त हो जाती है और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। यानी परमाणु विखंडन की ऊर्जा प्रसिद्ध आइंस्टीन सूत्र का स्पष्ट प्रदर्शन है। याद रखें कि सूत्र कहता है: ऊर्जा और द्रव्यमान एक दूसरे में बदल सकते हैं (E=mc2)।
सिद्धांत और व्यवहार
अब हम आपको बताएंगे कि कैसे इस विशुद्ध सैद्धांतिक खोज का उपयोग जीवन में गीगावाट बिजली पैदा करने के लिए किया जाता है। सबसे पहले, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि नियंत्रित प्रतिक्रियाएं मजबूर परमाणु विखंडन का उपयोग करती हैं। अक्सर यह यूरेनियम या पोलोनियम होता है, जिस पर तेज न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी की जाती है। दूसरे, यह समझना असंभव नहीं है कि परमाणु विखंडन के साथ नए न्यूट्रॉन का निर्माण होता है। नतीजतन, प्रतिक्रिया क्षेत्र में न्यूट्रॉन की संख्या बहुत तेजी से बढ़ सकती है। प्रत्येक न्यूट्रॉन नए, अभी भी बरकरार नाभिक से टकराता है, उन्हें विभाजित करता है, जिससे गर्मी की रिहाई में वृद्धि होती है। यह परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया है। एक रिएक्टर में न्यूट्रॉन की संख्या में अनियंत्रित वृद्धि से विस्फोट हो सकता है। ठीक ऐसा ही 1986 में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र में हुआ था। इसलिए, प्रतिक्रिया क्षेत्र में हमेशा एक पदार्थ होता है जो अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है, एक तबाही को रोकता है। यह लंबी छड़ के रूप में ग्रेफाइट है। प्रतिक्रिया क्षेत्र में छड़ों को डुबो कर परमाणु विखंडन की दर को धीमा किया जा सकता है। परमाणु प्रतिक्रिया समीकरण विशेष रूप से प्रत्येक सक्रिय रेडियोधर्मी पदार्थ और उस पर बमबारी करने वाले कणों (इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, अल्फा कणों) के लिए संकलित किया जाता है। हालांकि, अंतिम ऊर्जा उत्पादन की गणना संरक्षण कानून के अनुसार की जाती है: E1+E2=E3+E4। यानी मूल नाभिक और कण (E1 + E2) की कुल ऊर्जा परिणामी नाभिक की ऊर्जा और मुक्त रूप में जारी ऊर्जा (E3 + E4) के बराबर होनी चाहिए। परमाणु प्रतिक्रिया समीकरण यह भी दर्शाता है कि क्षय के परिणामस्वरूप किस प्रकार का पदार्थ प्राप्त होता है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम के लिए U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg। तत्वों के समस्थानिक यहां सूचीबद्ध नहीं हैं।हालाँकि, यह महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम के विखंडन की कम से कम तीन संभावनाएं हैं, जिसमें सीसा और नियॉन के विभिन्न समस्थानिक बनते हैं। लगभग सौ प्रतिशत मामलों में, परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया रेडियोधर्मी समस्थानिकों का उत्पादन करती है। अर्थात यूरेनियम के क्षय से रेडियोधर्मी थोरियम उत्पन्न होता है। थोरियम क्षय होकर प्रोटैक्टीनियम, वह एक्टिनियम, इत्यादि में बदल सकता है। इस श्रृंखला में बिस्मथ और टाइटेनियम दोनों रेडियोधर्मी हो सकते हैं। यहां तक कि हाइड्रोजन, जिसमें नाभिक में दो प्रोटॉन होते हैं (एक प्रोटॉन की दर से) को अलग-अलग कहा जाता है - ड्यूटेरियम। ऐसे हाइड्रोजन से बनने वाले पानी को भारी पानी कहा जाता है और परमाणु रिएक्टरों में प्राथमिक सर्किट भरता है।
अशांत परमाणु
"हथियारों की दौड़", "शीत युद्ध", "परमाणु खतरा" जैसे भाव आधुनिक व्यक्ति को ऐतिहासिक और अप्रासंगिक लग सकते हैं। लेकिन एक समय की बात है, लगभग पूरी दुनिया में हर समाचार विज्ञप्ति के साथ यह रिपोर्ट दी जाती थी कि कितने प्रकार के परमाणु हथियारों का आविष्कार किया गया और उनसे कैसे निपटा जाए। लोगों ने भूमिगत बंकर बनाए और परमाणु सर्दी की स्थिति में स्टॉक कर लिया। पूरे परिवार ने आश्रय बनाने के लिए काम किया। यहां तक कि परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं के शांतिपूर्ण उपयोग से भी आपदा आ सकती है। ऐसा लगता है कि चेरनोबिल ने मानवता को इस क्षेत्र में सावधान रहना सिखाया, लेकिन ग्रह के तत्व मजबूत हो गए: जापान में भूकंप ने फुकुशिमा परमाणु ऊर्जा संयंत्र के बहुत विश्वसनीय किलेबंदी को नुकसान पहुंचाया। परमाणु प्रतिक्रिया की ऊर्जा विनाश के लिए उपयोग करना बहुत आसान है। प्रौद्योगिकीविदों को केवल विस्फोट की शक्ति को सीमित करने की आवश्यकता है, ताकि गलती से पूरे ग्रह को नष्ट न करें। सबसे "मानवीय" बम, यदि आप उन्हें कह सकते हैं, तो विकिरण के साथ परिवेश को प्रदूषित न करें। सामान्य तौर पर, वे सबसे अधिक बार उपयोग करते हैंअनियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रिया। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में वे हर तरह से बचने का प्रयास करते हैं, बमों में बहुत ही आदिम तरीके से हासिल किया जाता है। किसी भी स्वाभाविक रूप से रेडियोधर्मी तत्व के लिए, शुद्ध पदार्थ का एक निश्चित महत्वपूर्ण द्रव्यमान होता है जिसमें एक श्रृंखला प्रतिक्रिया स्वयं ही पैदा होती है। यूरेनियम के लिए, उदाहरण के लिए, यह केवल पचास किलोग्राम है। चूंकि यूरेनियम बहुत भारी है, यह केवल 12-15 सेंटीमीटर व्यास की एक छोटी धातु की गेंद है। हिरोशिमा और नागासाकी पर गिराए गए पहले परमाणु बम बिल्कुल इस सिद्धांत के अनुसार बनाए गए थे: शुद्ध यूरेनियम के दो असमान भागों ने बस संयुक्त रूप से एक भयानक विस्फोट किया। आधुनिक हथियार शायद अधिक परिष्कृत हैं। हालांकि, किसी को महत्वपूर्ण द्रव्यमान के बारे में नहीं भूलना चाहिए: भंडारण के दौरान शुद्ध रेडियोधर्मी सामग्री की छोटी मात्रा के बीच अवरोध होना चाहिए, भागों को जोड़ने से रोकना।
विकिरण स्रोत
82 से अधिक परमाणु आवेश वाले सभी तत्व रेडियोधर्मी हैं। लगभग सभी हल्के रासायनिक तत्वों में रेडियोधर्मी समस्थानिक होते हैं। नाभिक जितना भारी होगा, उसका जीवनकाल उतना ही कम होगा। कुछ तत्व (जैसे कैलिफ़ोर्निया) केवल कृत्रिम रूप से प्राप्त किए जा सकते हैं - भारी परमाणुओं को हल्के कणों से टकराकर, अक्सर त्वरक में। चूंकि वे बहुत अस्थिर हैं, वे पृथ्वी की पपड़ी में मौजूद नहीं हैं: ग्रह के निर्माण के दौरान, वे बहुत जल्दी अन्य तत्वों में विघटित हो गए। यूरेनियम जैसे हल्के नाभिक वाले पदार्थों का खनन किया जा सकता है। यह प्रक्रिया लंबी है, निष्कर्षण के लिए उपयुक्त यूरेनियम, यहां तक कि बहुत समृद्ध अयस्कों में भी, एक प्रतिशत से भी कम होता है। तीसरा रास्ता,शायद इंगित करता है कि एक नया भूवैज्ञानिक युग शुरू हो चुका है। यह रेडियोधर्मी कचरे से रेडियोधर्मी तत्वों का निष्कर्षण है। एक बिजली संयंत्र में, एक पनडुब्बी या विमान वाहक पर ईंधन खर्च करने के बाद, मूल यूरेनियम और अंतिम पदार्थ का मिश्रण, विखंडन का परिणाम प्राप्त होता है। फिलहाल, इसे ठोस रेडियोधर्मी कचरा माना जाता है और यह एक गंभीर सवाल है कि उनका निपटान कैसे किया जाए ताकि वे पर्यावरण को प्रदूषित न करें। हालांकि, यह संभावना है कि निकट भविष्य में इन कचरे से तैयार केंद्रित रेडियोधर्मी पदार्थ (उदाहरण के लिए, पोलोनियम) का खनन किया जाएगा।
