किरणोत्सर्ग (Radioactivity)

अस्थायी अणुकेंद्रकांमधून वेगवेगळे कण उत्सर्जित होण्याच्या प्रक्रियेला किरणोत्सर्ग म्हणतात. किरणोत्सर्गाची दोन प्रकारांमध्ये विभागणी करता येईल. पहिल्या प्रकारात नैसर्गिक किरणोत्सर्ग, तर दुसऱ्या प्रकारात प्रयोगशाळांमध्ये तयार करण्यात आलेल्या अणुकेंद्रकांमधून होणारा किरणोत्सर्ग अर्थात कृत्रिम किरणोत्सर्ग मोडतो. अशी अणुकेंद्रके स्थायी अणुकेंद्रकांच्या टक्करीत (collision) अथवा अणुभट्ट्यांमध्ये निर्माण केली जाते.

किरणोत्सर्गाचे प्रकार : अणुकेंद्रकांच्या किरणोत्सर्गाची प्रामुख्याने तीन प्रकारात विभागणी केली जाते.

१. अल्फा ऱ्हास (alpha decay; $\alpha$ decay) : या प्रकारात अस्थायी अणुकेंद्रकांतून अल्फा कण, म्हणजेच हीलियमचे ( $He$ ) अणुकेंद्रक उत्सर्जित होते. हीलियमच्या अणुकेंद्रकांचे वस्तुमानांक 4 आणि विद्युतभारसंख्या 2 असल्याने अल्फा कणाच्या उत्सर्जनानंतर अणुकेंद्रकाच्या वस्तुमानांकात व विद्युतभारसंख्येमध्ये अनुक्रमे 4 आणि 2 ने घट होते. याचे कारण बॅरिऑनसंख्येच्या आणि विद्युतभाराच्या अक्षय्यतेचे नियम आहे. [अल्फा ऱ्हास].

२. बीटा ऱ्हास (beta decay; $\beta$ decay) : या ऱ्हासामध्ये अस्थायी अणुकेंद्रातून इलेक्ट्रॉन (electron; $e$ ) अथवा पॉझिट्रॉन (positron; $\bar e$ ) आणि त्याबरोबर न्यूट्रिनो (Neutrino; $\nu$ ) अथवा प्रतिन्यूट्रिनो (Antineutrino; $\bar\nu$ ) उत्सर्जित होतो. इलेक्ट्रॉनचा विद्युतभार ऋण आहे तर पॉझिट्रॉनचा विद्युतभार धन आहे. त्यामुळे इलेक्ट्रॉनाच्या उत्सर्जनानंतर अणुकेंद्राच्या विद्युतभारसंख्येत एकाने भर पडते आणि पॉझिट्रॉनाच्या उत्सर्जनानंतर अणुकेंद्राच्या विद्युतभारसंख्येत एकाने घट होते. मात्र बीटा ऱ्हासात भाग घेणाऱ्या अणुकेंद्रकांच्या वस्तुमानसंख्येत बदल होत नाही. बीटा ऱ्हास अबल आंतरक्रियेमुळे (weak interaction) होतो. काही बीटा ऱ्हासांमध्ये पॉझिट्रॉन आणि न्यूट्रिनोच्या उत्सर्जनाऐवजी अणुकेंद्रक अणूमधील इलेक्ट्रॉन शोषून घेते आणि न्यूट्रिनोचा उत्सर्ग होतो. या प्रक्रियेतसुद्धा अणुकेंद्राची विद्युतभारसंख्या एकाने कमी होते. या प्रक्रियेस इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण (electron capture) असे म्हणतात. [बीटा ऱ्हास].

३. गॅमा ऱ्हास (gamma decay; $\gamma$ decay) : गॅमा ऱ्हासामध्ये अस्थायी अणुकेंद्रक विद्युतचुंबकीय प्रारण (electromagnetic radiation) म्हणजेच गॅमा कण उत्सर्जित करून कमी ऊर्जापातळीत (lower energy state) जाते. गॅमा ऱ्हासात अणुकेंद्राच्या वस्तुमानांकात आणि विद्युतभारसंख्येत बदल होत नाही. त्यामुळे अणूच्या रासायनिक गुणधर्मांत बदल होत नाही. गॅमा किरण हे प्रकाश किरण अथवा क्ष-किरणांप्रमाणे विद्युतचुंबकीय प्रारणाचा एक भाग आहेत. परंतु गॅमा किरणांची ऊर्जा प्रकाश अथवा क्ष-किरणांच्या तूलनेत अधिक असते. [गॅमा ऱ्हास].

४. अल्फा, बीटा आणि गॅमा कणांच्या उत्सर्गाव्यतिरिक्त न्यूट्रॉन आणि प्रोटॉनांचा उत्सर्गही किरणोत्सर्गात मोडतो. परंतु नैसर्गिक किरणोत्सर्गाच्या प्रक्रियांमध्ये या कणांचा उत्सर्ग सर्वसाधारणपणे होत नाही. प्रयोगशाळांत दोन अणुकेंद्रकांच्या आघातात तयार होणाऱ्या अणुकेंद्रकांच्या ऱ्हासात मात्र न्यूट्रॉन किंवा प्रोटॉनांचा उत्सर्ग होण्याची शक्यता असते. तसेच युरेनियमपार (trans-uranic) अणुकेंद्रकांच्या विखंडनात निर्माण होणारी अणुकेंद्रके खूप उत्तेजित असतात आणि त्यांच्या ऱ्हासात प्रामुख्याने न्यूटॉनांचा उत्सर्ग होतो.

५. काही युरेनियमपार अणुकेंद्रांचा ऱ्हास त्यांच्या विखंडनाने होतो. या ऱ्हासात अणुकेंद्राची मुख्यतः दोन शकले होतात आणि काही न्यूट्रॉनांचे उत्सर्जन होते. हा सुद्धा एक प्रकारचा किरणोत्सर्गच आहे. [न्यूक्लीय विखंडन]

किरणोत्सर्गाच्या विविध प्रकारांची यादी सोबतच्या कोष्टकात दिलेली आहे.

ऱ्हासाचा प्रकार	आंतरक्रिया	संदर्भ नोंद	टिप्पणी
अल्फा ऱ्हास	सबल	अल्फा ऱ्हास	अल्फा ऱ्हासाची प्रक्रिया पुंज भौतिकीवर आधारित आहे. अणुकेंद्रकात अल्फा कण तयार होण्याची शक्यता असते आणि हे कण पुंज सुरंगनाद्वारे अणुकेंद्राबाहेर येतात.
न्यूक्लीय विखंडन	सबल	न्यूक्लीय विखंडन	अणुकेंद्रकाचे दोन अथवा तीन भाग होतात. विखंडनाचे स्पष्टीकरण द्रवबिंदु प्रतिकृतीद्वारे होते. विखंडनामध्ये दोन किंवा अधिक न्यूट्रॉन आणि गॅमा किरणे उत्सर्जित होतात.
प्रोटॉन अथवा न्यूट्रॉन उत्सर्जन	सबल	–	या प्रक्रिया अत्यंत दुर्मिळ आहेत.
इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन	अबल	बीटा ऱ्हास	या प्रक्रियेत न्यूट्रॉनचा ऱ्हास होऊन प्रोटॉन, इलेक्टॉन आणि प्रतिन्यूट्रिनो निर्माण होतात. प्रोटॉन जन्य अणुकेंद्रामध्ये बद्ध होतो.
पॉझिट्रॉन उत्सर्जन	अबल	बीटा ऱ्हास	या प्रक्रियेत प्रोटॉनचा ऱ्हास होऊन न्यूट्रॉन, पॉझिट्रॉन, न्यूट्रिनो निर्माण होतात. न्यूट्रॉनजन्य अणुकेंद्रामध्ये बद्ध होतो.
इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण	अबल	बीटा ऱ्हास	या प्रक्रियेत प्रोटॉन आणि अणूतील इलेक्ट्रॉनांचा ऱ्हास होऊन न्यूट्रॉन आणि न्यूट्रिनो निर्माण होतात. प्रोटॉनजन्य अणुकेंद्रामध्ये बद्ध होतो.
गॅमा ऱ्हास (फोटॉन उत्सर्जन)	विद्युतचुंबकीय	गॅमा ऱ्हास	या प्रक्रियेत उत्सर्जित अणुकेंद्रक फोटॉनचा उत्सर्ग करून कमी ऊर्जापातळीत जाते. जनक आणि जन्य अणुकेंद्रकांचे वस्तुमानांक आणि विद्युतभारसंख्या सारखीच असते.

एकके : किरणोत्सर्गाचे आंतरराष्ट्रीय एकक बेक्रेल (becquerel, $Bq$ ) आहे. एक बेक्रेल म्हणजे प्रति सेकंदात एक किरणोत्सर्गी ऱ्हास होय. क्यूरी (Curie, $Ci$ ) हे एकक सुद्धा प्रचलित आहे. एक क्यूरी म्हणजे (एखाद्या किरणोत्सर्गी पदार्थातील) एका सेकंदात $3.7$ x $10^{10}$ किरणोत्सर्गी ऱ्हास. म्हणजे $1 Ci = 3.7$ x $10^{10} Bq$ .

किरणोत्सर्गी ऱ्हासाचे नियम : किरणोत्सर्गी ऱ्हास पुंज स्थितिगतिशास्त्राच्या नियमांनुसार होत असल्याने एखाद्या अणुकेंद्राचा केंव्हा ऱ्हास होईल हे सांगता येत नाही पण त्याची विशिष्ट कालखंडात ऱ्हास होण्याची शक्यता किती आहे हे सांगणे शक्य असते. म्हणजेच एखाद्या अणुकेंद्राचा ऱ्हास प्रसंभाव्य (stochastic) असतो. त्यामुळे एखाद्या किरणोत्सर्गी पदार्थाच्या किती अणुकेंद्रांचा एखाद्या विशिष्ट कालखंडात ऱ्हास होईल याचे भाकीत करता येते.

किरणोत्सर्गी अणुकेंद्रकाच्या एकक वेळात (unit time) ऱ्हास होण्याच्या शक्यतेला ऱ्हास स्थिरांक अथवा क्षयांक (decay constant) म्हणतात. हा क्षयांक त्या अणुकेंद्रकाचा गुणधर्म असून तो वेळेनुसार अथवा स्थानानुसार बदलत नाही. एखाद्या पदार्थाच्या अणुकेंद्रकाचा क्षयांक ( $\lambda$ ) असेल तर एकक वेळात त्या पदार्थाच्या सरासरी $\lambda N$ अणुकेंद्रकांचा ऱ्हास होतो (इथे $N$ ही त्या पदार्थामधील अणुकेंद्रकांची संख्या आहे). या गुणधर्माचा वापर करून किरणोत्सर्गाचे नियम परिगणित करता येतात. उदा., सुरवातीस एखाद्या पदार्थात सुरवातीस $N_0$ अणुकेंद्रे असतील तर $t$ वेळानंतर त्यांची संख्या खालील सुत्राने दाखविता येते. [किरणोत्सर्ग : ऱ्हासाचे नियम].

$N(t) = N_0 e^ {-\lambda t}$

किरणोत्सर्गाचे परिणाम : नैसर्गिक अथवा प्रयोगशाळेत निर्माण केलेल्या किरणोत्सर्गी पदार्थातून उत्सर्जित होणाऱ्या कणांचा जीवित वस्तूंवर विपरित परिणाम होतो. हे कण जीवित वस्तूंमधील पेशींमध्ये शिरून त्यांमधील डीॲाक्सिरिबोन्यूक्लिक अम्लाचा (deoxyribonucleic acid; DNA) चा नाश करतात. तसेच हे कण पेशींमधून जाताना पेशींमध्ये मोठ्या प्रमाणात ऊर्जेचा निक्षेप होतो. त्यामुळे जीवाला धोका पोचतो आणि कॅन्सरसारखे रोग होऊ शकतात.[किरणोत्सर्गाचे परिणाम]. परंतु किरणोत्सर्गातून बाहेर पडणाऱ्या गॅमा कणांचा कांदे, आंबे यांसारखे पदार्थ निर्जंतुक करण्यासाठी उपयोग करता येतो [निर्जंतुकीकरण].

पहा : किरणोत्सर्गाचा इतिहास, किरणोत्सर्ग : ऱ्हासाच्या शृंखला, किरणोत्सर्ग : ऱ्हासाचे नियम, किरणोत्सर्गाचे परिणाम.

कळीचे शब्द : #अल्फाऱ्हास, #बीटाऱ्हास, #गॅमाऱ्हास, #न्यूक्लीय #विखंडन.

संदर्भ :