अल्फा ऱ्हास (Alpha decay)

( $\alpha$ rays; $\alpha$ particle; $\alpha$ radiation).

अल्फा ऱ्हास अथवा अल्फा किरणोत्सर्ग हा किरणोत्सर्गाचा एक प्रकार आहे. या किरणोत्सर्गाच्या प्रकारात अणुकेंद्रातून अल्फा कण, म्हणजेच हीलियम ( $He$ ) अणूचे अणुकेंद्रक, उत्स्फूर्तपणे उत्सर्जित होते आणि कमी वस्तुमान असलेले अणुकेंद्रक तयार होते. अल्फा ऱ्हासाच्या प्रक्रियेत अल्फा कणाबरोबरच ऊर्जादेखील उत्सर्जित होते. अल्फा कण उत्सर्जित होण्याची प्रक्रिया अतिशय थोड्या वेळात घडते..

सोबतच्या चित्रात डाव्या बाजूस अल्फा ऱ्हासापूर्वीची अणुकेंद्राची स्थिती दाखवलेली आहे आणि उजव्या बाजूस ऱ्हासानंतरची स्थिती दाखवलेली आहे. लाल आणि निळे गोळे अनुक्रमे प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन दाखवतात. उजवीकडील चित्रात अल्फा कण जन्य अणुकेंद्रापासून दूर जाताना दाखवलेला आहे.

साधारणपणे लेड ( $Pb$ ) अणुकेंद्रकाहून अधिक वस्तुमान असणाऱ्या अणुकेंद्राकांचा अल्फा ऱ्हास होत असल्याचे प्रयोगात आढळून आलेले आहे. अशा अणुकेंद्रकांची वस्तुमानांक (Atomic Mass Number) २०८ पेक्षा अधिक असते. याला अपवाद टेलुरियमची-१२८ (Telurium-128) आणि १३० वस्तुमानांक असलेली अणुकेंद्रके आहेत. तसेच ८ वस्तुमानांक असलेल्या बेरिलियमच्या अणुकेंद्रकाचे चटकन (१०^-२३ से.) विघटन होऊन दोन अल्फा कण तयार होतात. अल्फा कणाची वस्तुमानांक ४ आणि विद्युतभार संख्या (Atomic Number0) २ आहे. त्यामुळे जनक (parent) अणुकेंद्रकाच्या ऱ्हासानंतर तयार झालेल्या जन्य (daughter) अणुकेंद्रकाची वस्तुमानांक आणि विद्युतभार संख्येत अनुक्रमे ४ आणि २ ने घट होते. अल्फा ऱ्हासाची प्रक्रिया सोबतच्या आकृतीत दाखवली आहे.

अर्नेस्ट रदरफोर्ड (Ernst Rutherford) याने अल्फा ऱ्हास हा किरणोत्सर्गाचा प्रकार आहे हे दाखवून दिले. त्यानंतर लवकरच अल्फा ऱ्हासावर प्रायोगिक आणि सैद्धांतिक संशोधन झाले (किरणोत्सर्गाचा इतिहास).

वेगवेगळ्या अणुकेंद्रकांच्या अल्फा ऱ्हासात साधारणपणे ५ $MeV$ ते १० $MeV$ इतकी ऊर्जा उत्सर्जित होते. या प्रक्रियेत अल्फा कण आणि जन्य अणुकेंद्र निर्माण होत असल्याने ही ऊर्जा या दोन अणुकेंद्रांच्या गतिज ऊर्जेत विभागली जाते. किंबहुना, जन्य अणुकेंद्राचे वस्तुमान अल्फा कणाच्या वस्तुमानाहून बरेच अधिक असल्याने, संवेगाच्या अक्षय्यतेचा नियमानुसार बहुतांश उत्सर्जित ऊर्जा अल्फा कणाच्या गतिज ऊर्जेत असते. तसेच विशिष्ट अणुकेंद्राच्या अल्फा ऱ्हासाच्या प्रक्रियेत निर्माण होणाऱ्या सर्व अल्फा कणांची गतिज ऊर्जा सारखीच असते. या उलट बीटा ऱ्हासामध्ये असे आढळत नाही. म्हणजे विशिष्ट अणुकेंद्रकाच्या बीटा ऱ्हासात निर्माण होणाऱ्या बीटा किरणांची ऊर्जा वेगवेगळी असते.

निरनिराळ्या अणुकेंद्रकातून उत्सर्जित होणाऱ्या अल्फा कणांची ऊर्जा ५ $MeV$ ते १० $MeV$ असली तरी त्या अणुकेंद्रकांच्या अर्धायुःकालामध्ये (half life, $T_{1}{2}$ अथवा क्षयांकामध्ये (decay constant, $\lambda$ ) बराच फरक असतो. जे. डब्ल्यू. गायगर ( Johannes Wilhelm Geiger) आणि जॉन मायकल नटल (John Michell Nuttal) यांनी असे दाखवून दिले की कणांची ऊर्जा आणि क्षयांक (decay constant) यांमधील संबंध

$log_{10} \lambda = \frac{-a_1Z}{E^{1/2}}+a_2$

असा असतो. इथे $Z$ आणि $E$ हे अणुकेंद्राचा विद्युतभार आणि अल्फा कणाची ऊर्जा आहे. स्थिरांक $a_1$ आणि $a_2$ हे गायगर आणि नटल यांनी प्रयोगांद्वारे निश्चित केलेले आहेत. वरील समीकरणाला गायगर-नटल नियम असे म्हणतात. हे समीकरण असे दाखवते की अल्फा ऱ्हासाचा क्षयांक $\lambda exp(-E^\frac{1}{2})$ चा समानुपाती असतो. म्हणजेच अल्फा कणाचा क्षयांक कणाच्या गतिज ऊर्जेच्या घातांकाने बदलतो. त्यामुळे वेगवेगळ्या अणुकेंद्रकांच्या अल्फा ऱ्हासामध्ये अल्फा कणांच्या गतिज ऊर्जेत फार बदल नसला ( ५ $MeV$ पासून १० $MeV$ पर्यंत) तरी त्यांचा अर्धायु:काल मात्र काही सेकंदांपासून १०^१० वर्षापर्यंत बदलतो.

अल्फा ऱ्हासाचा, आणि विशेषतः गायगर-नटल नियमाचा सैद्धांतिक खुलासा जॉर्ज गॅमो (George Gamow) यांनी केला. त्यासाठी गॅमोने क्वांटम सुरंगनाच्या प्रक्रियेचा वापर केला. अल्फा ऱ्हासाच्या यंत्रणेची विस्तृत माहिती अल्फा ऱ्हासाची यंत्रणा या नोंदीत दिलेली आहे.

कळीचे शब्द : #किरणोत्सर्ग #radioactivity #क्वांटम सुरंगन #गायगर-नटल नियम

संदर्भ :