न्यूक्लीय विखंडन (Nuclear fission)

अणुकेंद्रकाचे जवळजवळ समान वस्तुमान असलेल्य़ा दोन भागांमध्ये होणाऱ्या विभाजनाच्या प्रक्रियेला न्यूक्लीय विखंडन म्हणतात. साधारणपणे युरेनियम (uranium) अथवा त्याहून अधिक वस्तुमान असलेल्या अणुकेंद्रकांचे उत्स्फूर्तपणे विखंडन होते. अशा विखंडनांला उत्स्फूर्त (spontaneous) विखंडन असे म्हणतात. उत्स्फूर्त विखंडनाची प्रक्रिया पुंज प्रक्रिया असल्याने ती प्रसंभाव्य (stochastic) असते. त्यामुळे एखाद्या अणुकेंद्रकाचे विखंडन केव्हा होईल हे निश्चितपणे सांगता येत नाही, परंतु विशिष्ट कालखंडात त्या अणुकेंद्रकाच्या विखंडनाच्या शक्यतेविषयी भाकीत करता येते. उत्स्फूर्त न्यूक्लीय विखंडन हा किरणोत्सर्गाचा (radioactivity) एक प्रकार आहे. विखंडनाची प्रक्रिया प्रसंभाव्य असल्याने इतर किरणोत्सर्गी प्रक्रियांप्रमाणे तिच्या अर्धायुःकाल व क्षयांक यांची व्याख्या करता येते [किरणोत्सर्ग : ऱ्हासाचे नियम].

**प्रेरित न्यूक्लीय विखंडन प्रतिकृती**. युरेनियम-235 वर न्यूट्रॉनचा मारा केल्यावर न्यूट्राॅनचे अवशोषण होऊन युरेनियम-236 अस्थिर अणुकेंद्र तयार होते आणि अणुकेंद्राची शकले होऊन क्रिप्टॉन $Kr$ आणि बेरियम $Br$ यांसारखे अणुकेंद्रके तयार होतात. तयार झालेली अणुकेंद्रके अस्थिर असतात, त्यावेळी न्यूट्रॉन, गॅमा किरण इ. कणसुद्धा उत्सर्जित होतात. या प्रक्रियेत सुमारे $200MeV$ इतकी ऊर्जा निर्माण होऊन ही ऊर्जा अणुकेंद्रकांच्या गतिज ऊर्जेत रूपांतर होते.

विखंडनाच्या इतर प्रक्रियांमध्ये अणुकेंद्रकांचे विखंडन न्यूट्रॉन (Neutron, $n$ ), प्रोटॉन (Proton, $P$ ), गॅमा कण (Gamma particle, $\gamma$ particle) इ. कणांच्या अवशोषणानंतर होते. अशा प्रक्रियांमध्ये कणांच्या अवशोषणामुळे तयार झालेल्या अणुकेंद्रकाच्या ऊर्जेत वाढ होते आणि ते उत्तेजित झालेले असते. त्यामुळे अशा अणुकेंद्रकाच्या विखंडनाची प्रक्रिया सुलभ होते. किंबहुना सर्वसाधारणपणे अशा अणुकेंद्रकांचे उत्स्फूर्त विखंडन होण्याची शक्यता अतिशय कमी असते. अशा इतर कणांच्या अवशोषणानंतर होणाऱ्या विखंडनाला प्रेरित (induced) विखंडन म्हणतात.

शोध : न्यूक्लीय विखंडनाच्या शोधाचे श्रेय ओटो हान (Otto Hahn), लिझे माइटनर (Lise Meitner) आणि फ्रिट्झ स्ट्रासमान (Fritz Strassmann) या शास्त्रज्ञांना दिले जाते. त्यांनी केलेल्या प्रयोगात त्यांना असे आढळले की, न्यूट्रॉन आणि युरेनियम यांच्या संघातात बेरियम, लॅंथॅनम यांसारखी अणुकेंद्रके तयार होतात. याविषयीचा शोधनिबंध त्यांनी १९३९ साली प्रसिद्ध केला. त्यानंतर माइटनर आणि ओटो रॉबर्ट फ्रिश (Otto Robert Frisch) यांनी केलेल्या अधिक संशोधनानंतर असे आढळून आले की, युरेनियम-235 अणुकेंद्रकाच्या न्यूट्रॉनबरोबरील संघातात उत्तेजित झालेले युरेनियम-236 अणुकेंद्रक तयार होते आणि या अणुकेंद्रकाचे दोन तुकड्यांत विभाजन होते. अशा विभाजनाच्या प्रक्रियेत सु. $200 MeV$ ऊर्जा उत्सर्जित होते. या प्रक्रियेस माइटनर आणि स्ट्रासमान यांनी न्यूक्लीय विखंडन (nuclear fission) असे नाव दिले. अर्थातच माइटनर आणि फ्रिश यांनी शोधलेली विखंडनाची प्रक्रिया म्हणजे प्रेरित विखंडनाची प्रक्रिया होती. त्यानंतर युरेनियम-235 च्या उत्स्फूर्त विखंडनाचा शोध रशियन शास्त्रज्ञ जॉर्जी फ्लॅयोरॉव्ह (Georgy Flyorov) आणि कॉन्स्टन्टिन पेत्रझाक (Constantin Petrjhak ) यांनी १९४० साली केलेल्या प्रयोगात लावला.

**अणुकेंद्राची न्यूक्लीय विखंडनात होणारी आकारांचे स्थित्यंतर**. अणुकेंद्र प्रथम लंबवर्तुळाकार होऊन त्यानंतर त्याचा आकार डंबेल सारखा होतो. नंतर त्याची दोन शकले पडतात. त्यावेळी अणुकेंद्रके विरूपित आणि उत्सर्जित असतात, त्यानंतर दोन शकले विद्युत विभवामुळे एकमेकांपासून दूर जातात.

विखंडनाची प्रक्रिया : न्यूक्लीय विखंडनाची प्रक्रिया अणुकेंद्रकांच्या द्रव-बिंदू प्रतिकृतीचा उपयोग करून समजून घेता येते. प्रेरित विखंडनामध्ये न्यूट्रॉनसारख्या कणाच्या अवशोषणानंतर अणुकेंद्रकाचे विखंडन होते. द्रव-बिंदू प्रतिकृतीनुसार न्यूट्रॉनच्या अवशोषणामुळे अणुकेंद्रक उत्तेजित होते आणि त्यामुळे न्यूक्लीय द्रव-बिंदूमध्ये दोलन सुरू होते. या दोलनाच्या प्रक्रियेत द्रव-बिंदूचा आकार बदलून ते विरूपित होते. उत्तेजित द्रव-बिंदूची ऊर्जा पुरेशी नसल्यास द्रव-बिंदूचे (अथवा अणुकेंद्रकाचे) दोलन होत रहाते.

द्रव-बिंदूची ऊर्जा अधिक असल्यास त्याचे विघटन होऊन दोन शकले होतात. विघटन होत असताना होणारी द्रव-बिंदूची स्थित्यंतरे सोबतच्या चित्रात दाखवलेली आहेत. त्यानुसार प्रथम न्यूक्लीय द्रव-बिंदू विरूपित होऊन लंबवर्तुळाकार अथवा विवृत्तीय होतो. त्यानंतर त्याचे विरूपण वाढत जाऊन त्याचा आकार डंबेलसारखा होतो. अधिक विरूपणानंतर त्याची दोन शकले होतात. ही दोन शकले विद्युतभारित असतात. त्यांमधील विद्युत अथवा कूलंबीय प्रतिकर्षणामुळे ही शकले एकमेकांपासून दूर फेकली जातात. ही दोन शकले एकमेकांपासून बरीच दूर जातात तेंव्हा त्यांची गतिज ऊर्जा सुमारे $200 MeV$ होते. विखंडनानंतर तयार झालेल्या दोन अणुकेंद्रकांचे एकूण वस्तुमान विखंडनापूर्वीच्या अणुकेंद्रकाच्या वस्तुमानापेक्षा थोडे कमी असते. या दोहोंमधील वस्तुमानाच्या फरकाचे, आइन्स्टाइन यांच्या वस्तुमान आणि ऊर्जेच्या अक्षय्यतेच्या नियमानुसार, दोन शकलांच्या गतिज ऊर्जेमध्ये रूपांतर होते.

द्रव-बिंदूची ऊर्जा कमी असल्यामुळे त्याचे विरूपण जर डंबेलसारखा आकार होण्याआधी थांबले तर त्याचे विखंडन होत नाही आणि त्याचे वर्तुळाकार आकाराभोवती दोलन सुरू रहाते. परंतु अधिक ऊर्जा असल्यामुळे त्याचा आकार डंबेलसारखा झाल्यास मात्र त्याचे विघटन होते.

अणुकेंद्रकांच्या वस्तुमानांचा विचार केल्यास असे आढळते की, विभाजित अणुकेंद्रकांची वस्तुमाने विभाजनापूर्वीच्या अणुकेंद्रकाच्या वस्तुमानाहून कमी असतात. त्यामुळे ऊर्जेच्या अक्षय्यतेच्या नियमांनुसार अणुकेंद्रकाचे विखंडन होणे सैद्धांतिक दृष्ट्या शक्य असते. म्हणजेच अणुकेंद्रकाचे उत्स्फूर्त विखंडन शक्य असते. उत्स्फूर्त विखंडनात न्यूक्लीय द्रव-बिंदूचे विरूपण होत असते परंतु पुरेशी ऊर्जा नसल्याने अनाधुनिक स्थितिगतिशास्त्रानुसार द्रव-बिंदूचे विभाजन होत नाही आणि न्यूक्लीय द्रव-बिंदूमध्ये गोलाकार आकाराभोवती दोलन होत रहाते. पुंज स्थितिगतिशास्त्रानुसार मात्र विखंडन होऊ शकते परंतु अशा विखंडनाच्या प्रक्रियेची शक्यता अतिशय कमी असते. [न्यूक्लीय विखंडनाचा सिद्धांत].

युरेनियम-235(लाल), युरेनियम-233(हिरवा) आणि प्लुटोनियम-239(जांभळा) अणुकेंद्रकांचे न्यूक्लीय विखंडनानंतर तयार झालेल्या अणुकेंद्रकांचे वस्तुमानांक वितरण.

अणुकेंद्रकांचे वस्तुमान वितरण : अणुकेंद्रकाच्या विखंडनानंतर तयार झालेल्या अणुकेंद्रकांची वस्तुमाने भिन्न भिन्न असतात. सोबतच्या आकृतीत युरेनियम-235, युरेनियम-233 आणि प्लुटोनियम-239 या अणुकेंद्रकांचे औष्णिक (thermal) न्यूट्रॉनांच्या शोषणानंतर झालेल्या विखंडनामध्ये निर्माण झालेल्या अणुकेंद्रकांचे वितरण दाखवले आहे. या चित्रातून खालील गोष्टी स्पष्ट होतात.

१. विखंडनानंतर तयार होणाऱ्या अणुकेंद्रकांच्या वस्तुमानांचे वितरण सममित (symmetric) नसते. किंबहुना विखंडन होणाऱ्या अणुकेंद्रकाच्या बरोबर निम्मे वस्तुमान असलेल्या अणुकेंद्रकांची संख्या शून्यवत असते.
२. वितरणाचे एक शिखर 90-100 वस्तुमानांकाजवळ तर दुसरे शिखर 130-140 वस्तुमानांकाजवळ आहे. या घटनेचे स्पष्टीकरण अणुकेंद्रकांची कवच प्रतिकृती (shell model) वापरून करता येते. कवच प्रतिकृतीनुसार 40 आणि 50 हे कूटांक (magic numbers) आहेत आणि या संख्येच्या जवळपास प्रोटॉन संख्या किंवा न्यूट्रॉन संख्या असलेली अणुकेंद्रके अधिक स्थायी असतात. त्यामुळे विखंडनानंतर अशा अणुकेंद्रके निर्माण होण्याची शक्यता अधिक असते.
३. वितरणाच्या शिखरांची रुंदी सु. 25 वस्तुमानांकाइतकी आहे. या रुंदीचे कारण प्रमुख्याने विखंडनाच्या प्रक्रियेत न्यूक्लिऑनांचे एका भागातून दुसऱ्या भागात जाणे हे आहे. विखंडनाच्या प्रक्रियेत अणुकेंद्रकाचा डंबेलसारखा आकार असताना दोन भागांमध्ये न्यूक्लिऑनांचा विनिमय (exchange) होत असतो. न्यूक्लिऑनांची ही हालचाल प्रसंभाव्य (stochastic) असते आणि संख्याशास्त्राच्या नियमांनुसार अणुकेंद्रकांच्या वस्तुमानांकातील चढौतार (fluctuation) अपेक्षित आहे.

प्रयोगांमध्ये असे आढळते की, न्यूट्रॉन अथवा फोटॉन यांच्या साहाय्याने अणुकेंद्रक अधिकाधिक उत्तेजित केल्यास वितरणाच्या दोन शिखरांमधील दरी भरून निघते आणि वितरण अधिकाधिक सममित होते.

ऊर्जा आणि कणांचे उत्सर्जन : ऊर्जा: युरेनियमच्या आसपास वस्तुमानांक असलेल्या अणुकेंद्रकांची प्रति न्यूक्लिऑन बंधनऊर्जा सु. $7.6 MeV$ आहे आणि त्यांची शकले झाल्यावर तयार झालेल्या अणुकेंद्रकांची प्रति न्यूक्लिऑन बंधनऊर्जा सु. $8.5 MeV$ आहे. म्हणजे अणुकेंद्राची दोन शकले झाल्यामुळे एकूण बंधनऊर्जेत $(8.5 - 7.6)$ x $235 = 211.5 MeV$ इतकी वाढ होते. त्यामुळे विखंडनाच्या प्रक्रियेत सु. $211.5 MeV$ ऊर्जा उत्सर्जित होते. ही ऊर्जा तयार झालेली अणुकेंद्रके आणि उत्सर्जित झालेले कण यांच्या गतिज ऊर्जेमध्ये असते. त्यापैकी सु. $180 MeV$ ऊर्जा दोन शकलांच्या गतिज ऊर्जेत असते.

न्यूट्रॉनांचे उत्सर्जन : अणुकेंद्रकांच्या विखंडनात साधारणपणे दोनाहून अधिक न्यूटॉन उत्सर्जित होतात. उदा., युरेनियम-235 च्या उत्स्फूर्त विखंडनात सरासरी 2.5 न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात. प्रेरित विखंडनात अणुकेंद्रकास कणांच्या शोषणामुळे अधिक ऊर्जा मिळते आणि त्यामुळे उत्सर्जित न्यूट्रॉनांची संख्या वाढते.

विखंडन होणाऱ्या अणुकेंद्रकाचे दोन भाग होईपर्यंत काही न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात. त्यांना त्वरित (prompt) न्यूट्रॉन म्हणतात. या न्यूट्रॉनांची गतिज ऊर्जा $1 MeV$ पेक्षा अधिक असते. त्वरित न्यूट्रॉनांची एकूण सरासरी गतिज ऊर्जा सु. $5 MeV$ असते. विखंडनानंतर अणुकेंद्रकाचे दोन शकले उत्तेजित झालेली असतात. ही शकले एखादा न्यूट्रॉन उत्सर्जित करतात. या न्यूट्रॉनाची गतिज ऊर्जा $1 MeV$ पेक्षा कमी असते. या न्यूट्रॉनांना विलंबित (delayed) न्यूट्रॉन म्हणतात.

गॅमा किरणांचे उत्सर्जन : विखंडनानंतर निर्माण झालेली उत्तेजित अणुकेंद्रके प्रामुख्याने फोटॉनांचे उत्सर्जन करून थंड होतात. उत्सर्जित फोटॉनांची सरासरी ऊर्जा सु. $7 MeV$ असते.

इतर कणांचे उत्सर्जन : न्यूट्रॉनांप्रमाणे अल्फा कण अथवा इतर छोटी अणुकेंद्रके ऊर्जेच्या दृष्टीने उत्सर्जित होऊ शकतात. परंतु या प्रक्रियेत विद्युत विभवाचा अडथळा असतो आणि त्यामुळे या कणांचे उत्सर्जनही फार क्वचितच आढळून येते.

बीटा ऱ्हास : विखंडनानंतर निर्माण झालेल्या अणुकेंद्रकांमध्ये न्यूट्रॉनांची संख्या प्रोटॉनांच्या संख्येच्या तूलनेत अधिक असते. त्यामुळे या अणुकेंद्रांमधील न्यूट्रॉनांचा बीटा ऱ्हास होऊन त्यांमधील प्रोटॉनसंख्येत वाढ होते आणि ती स्थायी (stable) होतात. या बीटा ऱ्हासामुळे उत्सर्जित झालेल्या इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनोंची सरासरी गतिज ऊर्जा अनुक्रमे $8 MeV$ आणि $12 MeV$ असते.

विखंडनाचे दुर्मिळ प्रकार : बहुतेक सर्व न्यूक्लीय विखंडनांमध्ये अणुकेंद्रकाची दोन शकले होतात आणि या प्रक्रियेत फोटॉनांव्यतिरिक्त न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात. परंतु काही विखंडने इतर दुर्मिळ प्रकारांनी होतात. अशा दुर्मिळ विखंडनांमध्ये अणुकेंद्रकाची दोनाऐवजी तीन जवळजवळ समान वस्तुमाने असलेली शकले होतात. ऊर्जेच्या दृष्टीने असे विखंडन शक्य आहे. परंतु अशा विखंडनांसाठी प्रथम अणुकेंद्राचे अष्टध्रुवी (octupole) विरूपण होणे आवश्यक असते. अशा विरूपणामध्ये दोन समान भाग होण्यास आवश्यक असलेल्या चतुर्धृवी (quadrupole) विरूपणाच्या तूलनेत अणुकेंद्राच्या पृष्ठभागामध्ये मोठ्या प्रमाणात वाढ होणे आवश्यक असते. त्यामुळे असे विरूपण होण्याची शक्यता बरीच कमी असते. तसेच अशा अष्टध्रृवी विरूपणात आवश्यक असलेली उत्तेजन ऊर्जा उपलब्ध नसते. त्यामुळे तीन भाग होऊन विखंडन होण्याची शक्यता कमी होते.

काही विखंडनात दोन मोठी अणुकेंद्रके आणि हीलियमची अथवा त्याहून अधिक वस्तुमान असलेली लहान अणुकेंद्रके उत्सर्जित होतात. अशा प्रक्रियासुद्धा अतिशय दुर्मिळ आहेत.

उपयोग : न्यूक्लीय विखंडनामध्ये मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा उत्सर्जित असल्याने न्यूक्लीय विखंडनाचा ऊर्जा निर्मितीमध्ये आणि विध्वंसक कार्यामध्ये वापर होतो.

ऊर्जानिर्मिती : न्यूक्लीय विखंडनाच्या शोधानंतर या प्रक्रियेत मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा निर्माण होते हे कळले आणि या ऊर्जेचा उपयोग करण्यासंबंधी विचार सुरू झाला. एका युरेमियम अणुकेंद्रकाच्या विखंडनात सु. $200 MeV$ म्हणजेच सु. $3.2$ x $10^{-13}J$ (जूल) इतकी ऊर्जा निर्माण होते. हिशोब केल्यावर असे आढळते की, एका किलोग्रॅम युरेनियम अणुकेंद्रकांच्या विखंडनानंतर सु. $2$ x $10^{13}J$ ऊर्जा उत्सर्जित होईल. इतकी ऊर्जा मिळवण्यासाठी $1.5$ x $10^6$ किग्रॅ. कोळसा जाळावा लागेल. या आकडेवारीतून ऊर्जानिर्मितीसाठी न्यूक्लीय विखंडन अत्यंत कार्यक्षम (efficient) आहे हे कळते.

या व्यतिरिक्त महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे प्रत्येक अणुकेंद्रकाच्या विखंडनात सरासरी 2.5 न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात. हे न्यूट्रॉन युरेनियमच्या इतर अणुकेंद्रकात शोषले गेल्यास त्या अणुकेंद्रकांचे प्रेरित विखंडन होते. त्यामुळे युरेनियममधील विखंडनाची साखळी चालू राहू शकते. अशी साखळी नियंत्रणात राहिली तर ऊर्जानिर्मितीचा वेग मर्यादित ठेवता येतो आणि यामधील उत्सर्जित ऊर्जेचा विद्युतनिर्मितीत वापर करता येतो.

विखंडनाची प्रक्रिया मर्यादेमध्ये ठेवण्यासाठी जटिल (complex) संहती निर्माण करणे जरुरी असते. अशा संहतीत उत्सर्जित न्यूट्रॉनांचा वेग मंद करणे, जास्त असलेल्या न्यूट्रॉनांचे इतर पदार्थ वापरून शोषण करणे आणि उत्पन्न झालेली ऊर्जा संहतीबाहेर काढून तिचे विद्युतनिर्मिती करण्यासाठी वापर करणे इत्यादि गोष्टी कराव्या लागतात. अशा संहतींना अणुभट्ट्या म्हणतात. अशा अणुभट्ट्या अनेक देशात बांधल्या आहेत. भारतात सुद्धा भाभा आणवीय संशोधन केंद्र – मुंबई, तारापूर, कल्पक्कम, नरोडा इत्यादी ठिकाणी संशोधनासाठी आणि विद्युतनिर्मितीसाठी अणुभट्ट्या निर्माण केलेल्या आहेत.

अणुबॉम्ब : न्यूट्रॉनांच्या शोषणाने होणारी युरेनियमच्या अणुकेंद्रांची विखंडनाची साखळी मर्यादेत राहिली नाही तर विखंडनांच्या संख्येमध्ये घातांकीय (exponential) वाढ होते. त्यामुळे अतिशय थोड्या वेळात खूप ऊर्जा निर्माण होऊन प्रचंड मोठा स्फोट होतो. अशा स्फोटाचा विध्वंसक कामात वापर होऊ शकतो. उदा., दुसऱ्या महायुद्धात अमेरिकेने १९४५ साली जपानच्या हिरोशिमा आणि नागासाकी या दोन शहरात असे स्फोट घडवून आणले. अशा स्फोटात मोठ्या प्रमाणावर मनुष्य आणि वित्त हानी होते. अशा स्फोट करता येऊ शकणाऱ्या यंत्रणेला अणुबॉम्ब म्हणतात.

कळीचे शब्द : #बंधनऊर्जा #वक्र #bindingenergy #बंधनऊर्जा #युरेनियम #द्रव-बिंदुप्रतिकृती #अणुभट्ट्या #अणुबॉम्ब

संदर्भ :