बीटा ऱ्हास (Beta Decay)

बीटा किरण : ( $\beta$ rays; $\beta$ particle; $\beta$ radiation).

बीटा ऱ्हास हा किरणोत्सर्गी ऱ्हासाचा (Radioactive decay) एक प्रकार आहे. बीटा ऱ्हासाचे प्रामुख्याने तीन प्रकार आहेत.

१. $\beta^-$ ऱ्हास : या प्रकारात अणुकेंद्रातील एका न्यूट्रॉनाचे ( $n$ ) प्रोटॉनात ( $p$ ) रूपांतर होते आणि या प्रक्रियेत इलेक्ट्रॉन ( $e^-$ ) आणि प्रतिन्यूट्रिनोचे (antineutrino; $\bar\nu_e$ ) उत्सर्जन होते.

$n \rightarrow p+e^-+\bar\nu_e$

$\beta^-$ ऱ्हासात अणुकेंद्राच्या विद्युतभारसंख्येत (Atomic Number) एकाने वाढ होते. बहुतांशी सर्व नैसर्गिक बीटा ऱ्हास या प्रकारात मोडतात.

२. $\beta^+$ ऱ्हास : या प्रकारात अणुकेंद्रातील एका प्रोटॉनाचे न्यूट्रॉनात रूपांतर होते आणि या प्रक्रियेत पॉझिट्रॉन (Positron; antielectron; $e^+$ ) आणि न्यूट्रिनोचे ( $\nu_e$ ) उत्सर्जन होते.

$p \rightarrow n+e^++\nu_e$

या प्रकारात अणुकेंद्राच्या विद्युतभारसंख्या एकाने कमी होते.

३. इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण (Electron capture): या प्रकारात अणुकेंद्रातील प्रोटॉन अणूमधील इलेक्ट्रॉन यांमध्ये अभिक्रिया होऊन न्यूट्रॉन ( $n$ ) आणि न्यूट्रिनो ( $\nu_e$ ) निर्माण होतात. इलेक्ट्रॉन प्रग्रहणाची प्रक्रिया खालील समीकरणात दाखवलेली आहे.

$p+e^-\rightarrow n+\nu_e$

इलेक्ट्रॉन प्रग्रहणाच्या प्रक्रियेत सुद्धा अणुकेंद्राची विद्युतभारसंख्या एकाने कमी होते.

अर्नेस्ट रदरफोर्ड (Ernest Rutherford) यांनी १८९९ साली किरणोत्सर्गी ऱ्हासात बीटा कण उत्सर्जित होतात हे दाखवले. नंतर १९०० साली आंत्वान आंरी बेक्रेल (Henri Bequerel) यांनी बीटा कणांचा विद्युतभार इलेक्ट्रॉनांच्या विद्युतभाराइतकाच असतो असे दाखवले आणि १९०१ साली रदरफोर्ड आणि फ्रेडरिक सॉडी (Frederick Soddy) यांनी बीटा ऱ्हासामध्ये अणूचे रासायनिक गुणधर्म बदलतात म्हणजेच अणूचे मूलद्रव्य बदलते हे दाखवून दिले. १९३४ साली फ्रेडरिक जोलिओ आणि आइरीन जोलिओ-क्यूरी (Frederick and Irene Joliot-Curie) यांनी धन विद्युतभार असलेले आणि इलेक्ट्रॉन एवढे वस्तुमान असलेले कण काही अणुकेंद्रांच्या ऱ्हासात उत्सर्जित होतात आणि हे कण १९३२ मध्ये कार्ल डेव्हिड ॲंडरसन (Karl David Anderson) याला विश्वकिरणांच्या संशोधनात सापडलेले पॉझिट्रॉनच आहेत असे दाखवून दिले.

इलेक्ट्रॉन प्रग्रहणाचा सिद्धांत प्रथम ग्यान-कार्लो विक (Gian Carlo Wick) यांनी १९३७ मध्ये मांडला. लुई वॉल्टर अल्वारेझ (Luis Alwarez) याने व्हॅनॅडियम-४८ (Vanedium-48) च्या अणूकेंद्राचा इलेक्ट्रॉन प्रग्रहणाद्वारे ऱ्हास होतो हे दाखवले. [किरणोत्सर्गाचा इतिहास].

न्यूट्रिनो (Neutrino; $\nu_e$ ) : बीटा कणांची ऊर्जा मोजली असता असे आढळते की बीटा ऱ्हासात बीटा कणांची ऊर्जा स्थिर (constant) नसते तर ती शून्य गतिज ऊर्जेपासून विशिष्ट गतिज ऊर्जेपर्यंत बदलती असते. त्यामुळे बीटा ऱ्हासात ऊर्जेच्या अक्षय्यतेच्या नियमाचा भंग होतो असा समज होतो. तसेच बीटा ऱ्हासात कोनीय संवेगाच्या (Angular momentum) अक्षय्यतेचाही भंग होतो असे आढळते. ऊदा., न्यूट्रॉनच्या ऱ्हासात प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतात. या तिन्ही कणांची आभ्राससंख्या (spin) १/२ आहे. म्हणजे १/२ आभ्राससंख्या असलेल्या न्यूट्रॉनच्या ऱ्हासानंतर निर्माण होणाऱ्या प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनाची एकूण आभ्राससंख्या ० किंवा १ होते. म्हणजेच ऱ्हासाआधी आणि ऱ्हासानंतर असलेल्या आभ्राससंख्या वेगवेगळ्या असतात आणि कोनीय संवेगाच्या अक्षयतेचा भंग होतो. ऊर्जा आणि कोनीय संवेगाची अक्षय्यता हे भौतिकीमधील महत्त्वाचे नियम आहेत आणि त्यांचे उल्लंघन होणे हे सहजासहजी मान्य करणे कठीण आहे. या समस्येतून मार्ग काढण्यासाठी व्होल्फगांग पाउली (Wolfgang Pauli) यांनी १९३७ साली बीटा ऱ्हासात एका वस्तुमान अतिशय कमी असलेल्या, १/२ आभ्राससंख्या असलेल्या आणि विद्युतभाररहित कणाचे उत्सर्जन होते असा प्रस्ताव मांडला. हे कण विद्युतभाररहित असल्याने आणि केवळ अबल आंतरक्रियेद्वारे (Weak Interaction) क्रियाशील असल्याने बीटा ऱ्हासात ते दिसत नाहीत असे त्यांनी गृहित धरले. या कणांना एन्रीको फेर्मी (Enrico Fermi) यांंनी न्यूट्रिनो (the little one) असे नाव दिले. न्यूट्रिनोचे संसूचन सी. एल्. कॉवन (Clyde Cowan), फ्रेडरिक राइनेस (Frederick Reines) आणि त्यांच्या सहाय्यकांनी (coworkers) १९५६ साली केले.

न्यूट्रिनो

बीटा ऱ्हासाचा सिद्धांत : बीटा ऱ्हासाचा सिद्धांत एन्रिको फेर्मी यांनी १९३४ साली मांडला. या सिद्धांतात फेर्मी यांनी डिरॅक यांच्या पॉझिट्रॉन, पॉलीच्या न्यूट्रिनो आणि हायझेनबेर्क यांच्या न्यूट्रॉन-प्रोटॉनची प्रतिकृती यांचा वापर केला. या सिद्धांतास सुरवातीस पुरेसा प्रतिसाद मिळाला नाही परंतु काही वर्षांनी तो सर्वमान्य झाला.

बीटा ऱ्हासाच्या सिद्धांतातील पुढचा टप्पा म्हणजे त्सुंग डाओ ली (Tsung-Dao Lee) आणि चेन निंग यांग (Chen Ning Yang) यांचा १९५६ साली मांडलेला पॅरिटीच्या अक्षय्यतेच्या नियमाच्या भंगाचा प्रस्ताव (पॅरिटीचे उल्लंघन). त्याच वर्षी सी. एस. वू (Chien-Shiung Wu) आणि तिच्या सहकाऱ्यांनी बीटा ऱ्हासात पॅरिटीचा भंग होतो हे दाखवून दिले. सद्ध्याच्या सर्वमान्य मानक प्रतिकृतीनुसार (standard model) बीटा ऱ्हास $W$ आणि $Z$ बोसॉनांच्या (Boson) देवाणघेवाणीमुळे (exchange) होतो असे मानले जाते.

दुर्मीळ बीटा ऱ्हास : १. काही $\beta^-$ ऱ्हासात उत्सर्जित झालेला इलेक्ट्रॉन तयार झालेल्या अणूच्या इलेक्ट्रॉनांच्या कवचात समाविष्ट होऊ शकतो. अशा ऱ्हासात फक्त न्यूट्रिनो अणूबाहेर येतो. उदा., न्यूट्रॉनच्या काही ऱ्हासात उत्सर्जित झालेला इलेक्ट्रॉन आणि तयार झालेला प्रोटॉन एकत्र येऊन हायड्रोजनचा ( $H$ ) अणू तयार होतो.

$n\rightarrow H+\bar\nu_e$

अशा ऱ्हासांमध्ये उत्सर्जित झालेली ऊर्जा मुख्यत्वे न्यूट्रिनोच्या गतिज ऊर्जेमध्ये जाते (थोडी हायड्रोजनच्या प्रतिक्षेपित (recoil) ऊर्जेत जाते). असे ’इलेक्ट्रॉन विरहित’ ऱ्हास अत्यंत दुर्मीळ असतात.

२. काही दुर्मीळ ऱ्हासात एखाद्या अणूकेंद्रामधून दोन इलेक्ट्रॉन आणि दोन न्यूट्रिनो एकामागून एक असे दोन टप्प्यात उत्सर्जित होण्याऐवजी एका टप्यात उत्सर्जित होतात. अशा ऱ्हासांना डबल बीटा ऱ्हास (double beta decay; $\beta\beta$ decay) असे म्हणतात. असे ऱ्हाससुद्धा अत्यंत दुर्मीळ असतात. किंबहुना एखाद्या अणुकेंद्राचा दोन टप्प्यांनी होणारा ऱ्हास शक्य असेल तर डबल बीटा ऱ्हास प्रयोगांमध्ये आढळून येत नाही. परंतु काही अणुकेंद्रांचा एक इलेक्ट्रॉन व न्यूट्रिनो होऊन ऱ्हास होऊ शकत नाही कारण तयार होणाऱ्या अणुकेंद्राचे वस्तुमान ऱ्हास होणाऱ्या अणुकेंद्राच्या वस्तुमानाहून कमी असते. अशा स्थितीत डबल बीटा ऱ्हास ऊर्जा अक्षय्यतेच्या नियमानुसार शक्य असतो. प्रयोगांमध्ये असे ऱ्हास आढळून आलेले आहेत. असे ऱ्हास अतिशय दुर्मीळ असून त्यांचा अर्धायुःकाल १०^२१ वर्षांच्या आसपास असतो. उदा., झेनॉन-१३६ (Zenon-136) च्या अणुकेंद्राचा डबल बीटा ऱ्हास दोन इलेक्ट्रॉन आणि दोन न्यूट्रिनोंच्या उत्सर्जनाने होतो आणि या ऱ्हासाचा अर्धायुःकाल २.१६X१०^२१ वर्षे आहे.

३. जर न्यूट्रिनो आणि प्रतिन्यूट्रिनो एकमेकांचे प्रतिकण असतील (अशा न्यूट्रिनोंना मेजोराना न्यूट्रिनो (Majorana neutrino) म्हणतात.) तर विना-न्यूट्रिनो डबल बीटा ऱ्हास होणे शक्य आहे. या प्रकारात पहिल्या न्यूट्रॉनचा ऱ्हास होऊन प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आणि प्रति न्यूट्रिनो उत्सर्जित होतील आणि लगेचच (न्यूट्रिनो आणि प्रतिन्यूट्रिनो एकमेकांचे प्रतिकण असल्याने) प्रतिन्यूट्रिनो आणि न्यूट्रॉनची अन्योन्यक्रिया होऊन प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतील. अशा प्रकारे न्यूट्रिनोविरहित डबल बीटा ऱ्हास होणे सैद्धांतिक शक्य आहे. अजूनपर्यंत न्यूट्रिनोविरहित डबल बीटा ऱ्हास प्रयोगांद्वारे आढळून आलेले नाहीत परंतु यासंबंधी संशोधन चालू आहे.

कळीचे शब्द : #किरणोत्सर्गीऱ्हास #किरणोत्सर्गी #न्यूट्रिनो #डबलबीटाऱ्हास #न्यूट्रॉन #प्रोटॉन #इलेक्ट्रॉन #प्रतिन्यूट्रिनो #antineutrino #पॉझिट्रॉन #

संदर्भ :