परमाणु विखंडन
Nuclear Fission
परमाणु भौतिकी
और परमाणु रसायन विज्ञान में, परमाणु विखंडन एक परमाणु प्रतिक्रिया या एक
रेडियोधर्मी क्षय प्रक्रिया है जिसमें एक परमाणु का नाभिक दो या अधिक छोटे,
हल्के नाभिक में विभाजित होता है। विखंडन प्रक्रिया अक्सर गामा
फोटॉनों का उत्पादन करती है, और रेडियोधर्मी क्षय के
ऊर्जावान मानकों द्वारा भी ऊर्जा की एक बहुत बड़ी मात्रा जारी करती है।
ऑस्टिन-स्वीडिश
भौतिक विज्ञानी लिसे मित्नर के सुझाव पर जर्मन ओटो हैन और उनके सहायक फ्रिट्ज
स्ट्रैसमैन द्वारा 17 दिसंबर, 1938 को भारी तत्वों
के परमाणु विखंडन की खोज की गई थी, जिन्होंने जनवरी 1939 में अपने भतीजे ओटो रॉबर्ट फ्रिस्क के साथ इसे सैद्धांतिक रूप से समझाया
था। फ्रिस्क ने इस प्रक्रिया को जीवित कोशिकाओं के जैविक विखंडन के साथ सादृश्य
द्वारा नाम दिया है। भारी न्यूक्लियड्स के लिए, यह एक
एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया है जो बड़ी मात्रा में ऊर्जा दोनों को विद्युत चुम्बकीय
विकिरण और टुकड़ों की गतिज ऊर्जा के रूप में जारी कर सकती है (थोक सामग्री को गर्म
करना जहां विखंडन होता है)। परमाणु संलयन की तरह, ऊर्जा के
उत्पादन के लिए विखंडन के लिए, परिणामस्वरूप तत्वों की कुल
बाध्यकारी ऊर्जा में प्रारंभिक तत्व की तुलना में अधिक बाध्यकारी ऊर्जा होनी
चाहिए।
विखंडन परमाणु
संवातन का एक रूप है क्योंकि परिणामी टुकड़े मूल परमाणु के समान तत्व नहीं हैं।
उत्पादित दो (या अधिक) नाभिक सबसे अधिक तुलनीय लेकिन थोड़ा अलग आकार के होते हैं, आम तौर पर आम फिशाइल समस्थानिकों के लिए लगभग 3 से 2 के उत्पादों के द्रव्यमान अनुपात के साथ। अधिकांश फ़ाउंडेशन बाइनरी फ़िशन
(दो चार्ज किए गए टुकड़े का उत्पादन) हैं, लेकिन कभी-कभी
(प्रति 1000 घटनाओं में 2 से 4 बार), तीन सकारात्मक चार्ज किए गए टुकड़े का
उत्पादन किया जाता है, एक टर्नरी विखंडन में। त्रिक
प्रक्रियाओं में इनमें से सबसे छोटे टुकड़े एक प्रोटॉन से एक आर्गन नाभिक के आकार
के होते हैं।
न्यूट्रॉन
द्वारा प्रेरित विखंडन के अलावा, मनुष्यों द्वारा दोहन और दोहन, सहज
रेडियोधर्मी क्षय (न्यूट्रॉन की आवश्यकता नहीं) का एक प्राकृतिक रूप भी विखंडन के
रूप में संदर्भित किया जाता है, और विशेष रूप से बहुत
उच्च-द्रव्यमान-संख्या समस्थानिकों में होता है। 1940 में
मॉस्को में फ्लायोरोव, पेत्रज़ाक और कुरचटोव द्वारा
स्पॉन्टेनियस विखंडन की खोज की गई थी, एक प्रयोग में इस बात
की पुष्टि करने के लिए कि न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी के बिना यूरेनियम की विखंडन दर
नगण्य थी, जैसा कि नील्स बोहर ने भविष्यवाणी की थी; यह नगण्य नहीं था।
उत्पादों की अप्रत्याशित
रचना (जो एक व्यापक संभावना और कुछ हद तक अराजक तरीके से भिन्न होती है) शुद्ध रूप
से क्वांटम टनलिंग प्रक्रियाओं जैसे कि प्रोटॉन उत्सर्जन, अल्फा क्षय और क्लस्टर क्षय से विखंडन को अलग करती है, जो हर बार एक ही उत्पाद देते हैं। परमाणु विखंडन परमाणु ऊर्जा के लिए
ऊर्जा का उत्पादन करता है और परमाणु हथियारों के विस्फोट को संचालित करता है।
दोनों का उपयोग संभव है क्योंकि परमाणु ईंधन नामक कुछ पदार्थ विखंडन न्यूट्रॉन से
टकराते समय विखंडन से गुजरते हैं, और जब वे अलग हो जाते हैं
तो न्यूट्रॉन उत्सर्जित करते हैं। यह परमाणु परमाणु रिएक्टर में नियंत्रित दर पर
या परमाणु हथियार में बहुत तेज, अनियंत्रित दर से ऊर्जा जारी
करने के लिए एक आत्मनिर्भर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया को संभव बनाता है।
परमाणु ईंधन
में निहित मुक्त ऊर्जा की मात्रा गैसोलीन जैसे रासायनिक ईंधन के समान द्रव्यमान
में निहित मुक्त ऊर्जा की मात्रा से लाखों गुना अधिक है, जिससे परमाणु विखंडन ऊर्जा का बहुत घना स्रोत है। परमाणु विखंडन के उत्पाद,
हालांकि, भारी तत्वों की तुलना में औसत से
कहीं अधिक रेडियोधर्मी होते हैं, जिन्हें सामान्य रूप से
ईंधन के रूप में विखंडित किया जाता है, और महत्वपूर्ण समय के
लिए परमाणु अपशिष्ट समस्या को जन्म देते हैं। परमाणु अपशिष्ट संचय और परमाणु
हथियारों की विनाशकारी क्षमता पर चिंता एक ऊर्जा स्रोत के रूप में विखंडन का उपयोग
करने की शांतिपूर्ण इच्छा के लिए एक असंतुलन है।
इतिहास
परमाणु विखंडन
की खोज
परमाणु विखंडन
की खोज 1938 में केसर विल्हेम सोसाइटी फॉर केमिस्ट्री की इमारतों में हुई, जो आज बर्लिन विश्वविद्यालय के एक हिस्से में है, जो
रेडियोधर्मिता के विज्ञान पर चार दशकों से अधिक काम कर रहा है और नए परमाणु भौतिकी
के विस्तार के बारे में बताया गया है जिसमें घटकों का वर्णन किया गया है।
परमाणुओं। 1911 में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड
ने परमाणु का एक मॉडल प्रस्तावित किया था जिसमें प्रोटॉन के एक बहुत छोटे, घने और धनात्मक आवेशित नाभिक की परिक्रमा, ऋणात्मक
रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉनों (रदरफोर्ड मॉडल) से घिरा हुआ था। इलेक्ट्रॉनों के
क्वांटम व्यवहार (बोहर मॉडल) को समेट कर 1913 में नील्स
बोह्र ने इस पर सुधार किया। हेनरी बेकरेल, मैरी क्यूरी,
पियरे क्यूरी और रदरफोर्ड द्वारा किए गए कार्य ने आगे विस्तार से
बताया कि नाभिक, हालांकि कसकर बंधा हुआ है, रेडियोधर्मी क्षय के विभिन्न रूपों से गुजर सकता है, और इस तरह अन्य तत्वों में प्रसारित होता है। (उदाहरण के लिए, अल्फा क्षय द्वारा: एक अल्फा कण का उत्सर्जन-दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन
एक हीलियम नाभिक के समान एक कण में बंधे होते हैं।)
परमाणु
संक्रामण में कुछ काम किया गया था। 1917 में, रदरफोर्ड
नाइट्रोजन में ऑक्सीजन के संचार को पूरा करने में सक्षम था, नाइट्रोजन
14N + α → 17O + पी में
निर्देशित अल्फा कणों का उपयोग करके। यह परमाणु प्रतिक्रिया का पहला अवलोकन था, यानी एक प्रतिक्रिया जिसमें एक क्षय के कणों का उपयोग दूसरे परमाणु नाभिक
को बदलने के लिए किया जाता है। आखिरकार, 1932 में, रदरफोर्ड के सहयोगियों अर्नेस्ट वाल्टन और जॉन कॉकक्रॉफ्ट द्वारा एक पूरी
तरह से कृत्रिम परमाणु प्रतिक्रिया और परमाणु प्रसारण प्राप्त किया गया, जिन्होंने लिथियम -7 के खिलाफ कृत्रिम रूप से त्वरित
प्रोटॉन का उपयोग किया, जिससे इस नाभिक को दो अल्फा कणों में
विभाजित किया जा सके। करतब को लोकप्रिय रूप से "परमाणु को विभाजित करने"
के रूप में जाना जाता था, और उन्हें "कृत्रिम कणों में
तेजी से परमाणु नाभिक द्वारा परमाणु नाभिक का प्रसारण" के लिए भौतिकी में 1951 का नोबेल पुरस्कार मिला, हालांकि यह परमाणु
उत्सर्जन प्रतिक्रिया नहीं थी जो बाद में भारी तत्वों में खोजी गई थी।
अंग्रेजी भौतिक
विज्ञानी जेम्स चैडविक ने 1932 में न्यूट्रॉन की खोज के बाद, एनरिको फर्मी और रोम में उनके सहयोगियों ने 1934 में
न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम पर बमबारी के परिणामों का अध्ययन किया। फ़ेर्मी ने
निष्कर्ष निकाला कि उनके प्रयोगों ने 93 और 94 प्रोटॉन के साथ नए तत्व बनाए थे, जिसे समूह ने
एनसोनियम और डबोनियम कहा था। hesperium। हालाँकि, सभी को फ़र्मि के अपने परिणामों के विश्लेषण से यकीन नहीं था, हालांकि वह न्यूट्रॉन विकिरण द्वारा उत्पन्न नए रेडियोधर्मी तत्वों के
प्रदर्शन के लिए भौतिकी में 1938 का नोबेल पुरस्कार जीतेंगे,
और परमाणु प्रतिक्रियाओं से संबंधित उनकी खोज के लिए। धीमी गति से
न्यूट्रॉन ”। जर्मन केमिस्ट इडा नोदैक ने 1934 में विशेष रूप से एक नए, भारी तत्व 93 बनाने के बजाय प्रिंट में सुझाव दिया था कि "यह अनुमान है कि नाभिक
कई बड़े टुकड़ों में टूट जाता है।" हालांकि, उस समय
नोदैक के निष्कर्ष का पीछा नहीं किया गया था।
फेरमी प्रकाशन
के बाद, ओटो हैन, लिज़ मितनर और फ्रिट्ज़ स्ट्रैसमैन ने
बर्लिन में इसी तरह के प्रयोग करना शुरू किया। मार्च 1938
में जर्मनी के साथ ऑस्ट्रिया के संघ, अंसलचूस के साथ एक
ऑस्ट्रियन यहूदी, मिटनर ने अपनी ऑस्ट्रियाई नागरिकता खो दी,
लेकिन वह जुलाई 1938 में स्वीडन भाग गया और
बर्लिन में हैन के साथ मेल द्वारा पत्राचार शुरू किया। संयोग से, उसका भतीजा ओटो रॉबर्ट फ्रिस्क, जो एक शरणार्थी भी
था, स्वीडन में भी था, जब 19 दिसंबर को Meitner ने Hnn से
एक पत्र प्राप्त किया, जिसमें उसके रासायनिक प्रमाण का वर्णन
किया गया था कि न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम के बमबारी के कुछ उत्पाद बेरियम थे। हैन
ने नाभिक के फटने का सुझाव दिया, लेकिन वह इस बात से
अनिश्चित थे कि परिणामों के लिए भौतिक आधार क्या था। बेरियम का परमाणु द्रव्यमान
यूरेनियम की तुलना में 40% कम था, और
नाभिक के द्रव्यमान में इतने बड़े अंतर के लिए रेडियोधर्मी क्षय के पहले ज्ञात
तरीकों का कोई हिसाब नहीं था। फ्रिस्क को संदेह था, लेकिन
मेटनर ने एक रसायनज्ञ के रूप में हैन की क्षमता पर भरोसा किया। मैरी क्यूरी कई
वर्षों से बेरियम को रेडियम से अलग कर रही थी, और तकनीक
अच्छी तरह से जानी जाती थी। Meitner और Frisch ने हाहन के परिणामों की सही व्याख्या की, जिसका अर्थ
था कि यूरेनियम का नाभिक लगभग आधे में विभाजित हो गया था। फ्रिस्क ने सुझाव दिया
कि इस प्रक्रिया को "परमाणु विखंडन" नाम दिया जाए, जो कि कोशिका विभाजन को दो कोशिकाओं में रहने की प्रक्रिया के अनुरूप करती
है, जिसे तब बाइनरी विखंडन कहा जाता था। जिस तरह परमाणु शब्द
"चेन रिएक्शन" को बाद में रसायन विज्ञान से उधार लिया जाएगा, इसलिए "विखंडन" शब्द को जीव विज्ञान से उधार लिया गया था।
नई खोज के बारे
में समाचार तेज़ी से फैल गया, जिसे महान वैज्ञानिक और संभावित व्यावहारिक संभावनाओं
के साथ पूरी तरह से उपन्यास भौतिक प्रभाव के रूप में सही ढंग से देखा गया था।
हेन्न और स्ट्रैसमैन की खोज के बारे में मीटनर और फ्रिस्क की व्याख्या ने नेल्स
बोहर के साथ अटलांटिक महासागर को पार किया, जिसे प्रिंसटन
विश्वविद्यालय में व्याख्यान देना था। I. I. रबी और विलिस
लैंब, प्रिंसटन विश्वविद्यालय में काम करने वाले दो कोलंबिया
विश्वविद्यालय के भौतिकविदों ने खबर सुनी और इसे वापस कोलंबिया ले गए। रबी ने कहा
कि उसने एनरिको फर्मी को बताया; फर्मी ने इसका श्रेय मेम्ने
को दिया। इसके बाद बोह्र ने फ़र्मनी को देखने के लिए जल्द ही प्रिंसटन से कोलंबिया
चला गया। फर्मी को अपने कार्यालय में न पाकर, बोह्र ने
साइक्लोट्रॉन क्षेत्र में उतर गए और हर्बर्ट एल एंडरसन को पाया। बोह्र ने उसे कंधे
से पकड़ लिया और कहा: "युवक, मुझे तुम्हें भौतिकी में
कुछ नया और रोमांचक करने के लिए समझाना है।" कोलंबिया के कई वैज्ञानिकों के
लिए यह स्पष्ट था कि वे न्यूट्रॉन बमबारी से यूरेनियम के परमाणु विखंडन में जारी
ऊर्जा का पता लगाने की कोशिश करें। 25 जनवरी 1939 को, कोलंबिया विश्वविद्यालय की टीम ने संयुक्त राज्य
में पहला परमाणु विखंडन प्रयोग किया, जो पुपिन हॉल के तहखाने
में किया गया था। प्रयोग में एक आयनीकरण कक्ष के अंदर यूरेनियम ऑक्साइड रखना और
न्यूट्रॉन के साथ विकिरण करना, और इस प्रकार जारी ऊर्जा को
मापना शामिल था। परिणामों ने पुष्टि की कि विखंडन हो रहा था और दृढ़ता से संकेत
दिया कि यह आइसोटोप यूरेनियम 235 था जो विशेष रूप से विखंडन
था। अगले दिन, जॉर्ज वॉशिंगटन विश्वविद्यालय और कार्नेगी
इंस्टीट्यूशन ऑफ वाशिंगटन के संयुक्त तत्वावधान में वाशिंगटन, डी.सी. में सैद्धांतिक भौतिकी पर पांचवां वाशिंगटन सम्मेलन शुरू हुआ। वहां,
परमाणु विखंडन पर खबर और भी फैल गई, जिसने कई
और प्रयोगात्मक प्रदर्शनों को बढ़ावा दिया।
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