Science and technology March 20 | అస్థిర కేంద్రకాలు.. శక్తి వికిరణ రూపాలు

Science and technology | 1896లో హెన్రీ బెకరెల్‌ అణుధార్మికత కనుక్కోవడంతో కేంద్రక భౌతిక శాస్త్రం ఉనికి మొదలైంది. తరువాత అణుధార్మిక సంబంధ పరిశోధనలను మేరీ క్యూరీ, పియరీ క్యూరీ, ఎర్నెస్ట్‌ రూథర్‌ఫర్డ్‌లు కొనసాగించారు. కేంద్రక లక్షణాలను ద్రవబిందు నమూనా, కేంద్రక కర్పర నమూనా వంటివి విస్తరిస్తాయి. వీటి ప్రకారం, పరమాణు కేంద్రకాల్లో 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 వంటి సంఖ్యల్లో కేంద్రక కణాలు ఉంటే అవి స్థిరంగా ఉంటాయి. దీనికి ప్రధాన కారణం వాటి కర్పరాలు పూర్తిగా నిండి ఉండటమే. మిగిలిన కేంద్రకాలు అస్థిరంగా ఉంటాయి. ఈ విధమైన అస్థిర కేంద్రకాలు, తమ కేంద్రకం నుంచి శక్తిని వికిరణాల రూపంలో ఉద్గారించే, శక్తి తగ్గించుకొనే క్రమంలో స్థిరత్వాన్ని పొందుతాయి. ఈ ధర్మాన్నే రేడియోధార్మికత (లేదా) అణుధార్మికత అంటారు.

• రేడియోధార్మికతను ప్రదర్శించే పరమాణువులు తమ కేంద్రక శక్తిని ఆల్ఫా కణాలు, బీటా కణాలు, గామా వికిరణాల రూపంలో వెదజల్లుతాయి. సాధారణంగా పరమాణు సంఖ్య 82 కంటే ఎక్కువ కలిగిన మూలకాలను రేడియోధార్మిక మూలకాలుగా వ్యవహరిస్తారు.
• ఆల్ఫా కణాలను తొలుత 1899లో ఎర్నెస్ట్‌ రూథర్‌ఫర్డ్‌ కనుగొన్నాడు.
• కొన్ని భారీ మూలకాలు తమంతట తాముగా రేడియోధార్మికతను ప్రదర్శిస్తాయి. అయితే కొన్ని తేలికపాటి మూలకాల పరమాణు కేంద్రకాలను, ఇతర తేలికపాటి కణాలతో తాడనం చెందించి వాటిని రేడియోధార్మిక మూలకాలుగా పరివర్తనం చెందించవచ్చు. ఈ ప్రక్రియనే కృత్రిమ రేడియోధార్మికత అంటారు.
• కృత్రిమ (లేదా) ప్రేరిత రేడియోధార్మికతను 1934లో ఐరిన్‌ క్యూరీ, ఫ్రెడరిక్‌ జోలియట్‌లు కనుగొన్నారు. ఇందుకుగానూ వీరికి 1935లో నోబెల్‌ బహుమతి లభించింది.

రేడియోధార్మిక క్షయపక్రియలు

• రేడియోధార్మిక మూలకాలు మూడు పద్ధతుల్లో తమ కేంద్రక శక్తిని తగ్గించుకొని స్థిరత్వాన్ని పొందుతాయి.
  1. ఆల్ఫా క్షయం (Alpha Decay) –
• ఆల్ఫా కణాలను హీలియం-4 కేంద్రకాలుగా వ్యవహరిస్తారు. ఆల్ఫా కణాల ఉద్గారం వల్ల ద్రవ్యరాశిలో 4 యూనిట్లు, పరమాణు సంఖ్యలో రెండు యూనిట్లు తగ్గుదల సంభవిస్తుంది. ఉదాహరణకు యురేనియం (U-238) నుంచి ఆల్ఫాకణ ఉద్గారం వల్ల అది థోరియం (Th-234)గా మారుతుంది. అయితే, దీని పరమాణు సంఖ్య 90, ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 234గా మారుతుంది.
• ఈ ప్రక్రియ యురేనియం ఒక స్థిరమైన మూలకంగా పరివర్తనం చెందే వరకు కొనసాగుతుంది. అమెర్షియం కేవలం ఆల్ఫా కణాలను మాత్రమే ఉద్గారిస్తుంది.
  2. బీటా క్షయం
• ఈ ప్రక్రియలో ఏదైనా పరమాణు కేంద్రకం ఎలక్ట్రాన్‌ (లేదా) పాజిట్రాన్‌, న్యూట్రినోను ఉద్గారిస్తుంది. ఈ కణాలు, ఆ పరమాణు కేంద్రకంలో ఒక ప్రోటాన్‌, న్యూట్రాన్‌గా (లేదా) ఒక న్యూట్రాన్‌ ప్రోటాన్‌, ఎలక్ట్రాన్‌గా మార్పు చెందే క్రమంలో ఏర్పడి ఉద్గారించబడతాయి. సాధారణంగా బీటా ఉద్గారాన్ని, పాజిట్రాన్‌ ఉద్గారంగా వ్యవహరిస్తారు.
• యురేనియంలో బీటా కణాలను హెన్రీ బెకరెల్‌ కనుగొన్నాడు. ఈ బీటా కణాల ఉద్గారం రెండు రకాలు.
  1. బీటా –
  2. బీటా +
• ఎలక్ట్రాన్‌ ఉద్గారం (లేదా) బీటా- ఉద్గారానికి ఉదాహరణగా కార్బన్‌-14 పరమాణువు నైట్రోజన్‌-14 పరమాణువుగా మారడాన్ని పేర్కొనవచ్చు. ఈ సందర్భంలో దాని అర్ధ జీవితకాలం 5,730 సంవత్సరాలు. అణుధార్మిక మూలకం బీటా కణాన్ని ఉద్గారిస్తే దాని పరమాణు సంఖ్య ఒకటి
  పెరుగుతుంది.
  గమనిక – ఆల్ఫా, బీటా క్షయాలను పరివర్తనాలు అంటారు. కేంద్రక పరివర్తనం అంటే ఒక మూలకం మరో మూలకంగా మారడం.
  ఆల్ఫా, బీటా కణాల ఉద్గారాల ప్రభావాన్ని రేడియోధార్మిక స్థానభ్రంశ నియమం తెలియజేస్తుంది.
  3. గామా క్షయం
  ఉత్తేజిత కేంద్రకాల్లోని శక్తి గామా వికిరణాల రూపంలో వెలువడుతుంది.
• గామా వికిరణాల ఉద్గారం వల్ల కేంద్రక పరివర్తనం జరగదు. కేవలం దాని కేంద్రక శక్తి తగ్గుతుంది. పాల్‌ విల్లార్డ్‌ అనే శాస్త్రవేత్త 1900 సంవత్సరంలో రేడియం నుంచి వెలువడే ధార్మికతను పరిశీలించే క్రమంలో గామా వికిరణాలను కనుగొన్నాడు. ఇవి విద్యుదావేశం లేని, X-కిరణాలను పోలిన వికిరణాలుగా గుర్తించారు.
• అణుధార్మిక మూలకాలు వెలువరించే ఉద్గారాన్ని సాధారణంగా బుద్బుద పేటిక, గీగర్‌ కౌంటర్‌, సింటిలేషన్‌ కౌంటర్‌, సాలిడ్‌ స్టేట్‌ డిటెక్టర్‌ల సహాయంతో గణిస్తారు.
• అణుధార్మికతకు ప్రమాణాలు బెకరెల్‌, రూథర్‌ఫర్డ్‌, క్యూరీ.
• 1903లో ఎర్నెస్ట్‌ రూథర్‌ఫర్డ్‌ కేంద్రక శక్తిని కనుగొన్నాడు. పరమాణువు వెలువరించే శక్తినే కేంద్రక శక్తిగా పేర్కొంటారు. హెచ్‌జీ వెల్స్‌ ‘పరమాణువును విచ్ఛిత్తి చెందించడం’ అనే పదజాలం ఆధారంగా కేంద్రక శక్తి అనే పదం ప్రాచుర్యం పొందింది.
  కేంద్రక చర్య
• పరమాణు కేంద్రకాలు (లేదా) కేంద్రక కణాల చర్యల వల్ల తొలుత తీసుకొన్న వాటి కంటే విభిన్నమైన ఉత్పన్నాలను ఏర్పరిచే ప్రక్రియనే కేంద్రక చర్య అంటారు.
• కేంద్రక చర్యలను రెండు రకాలుగా పేర్కొంటారు. అవి కేంద్రక విచ్ఛిత్తి, కేంద్రక సంలీనం.
  కేంద్రక విచ్ఛిత్తి

• అస్థిరమైన పరమాణవులతో కూడిన భారీ కేంద్రక విచ్ఛిత్తి అనవచ్చు. ఈ ప్రక్రియలో తరచుగా కొన్ని స్వేచ్ఛా న్యూట్రాన్‌లు, గామా ఫోటాన్లు వెలువడటమే కాకుండా అధిక పరిమాణంలో శక్తి కూడా విడుదలవుతుంది.
• కేంద్రక విచ్ఛిత్తి ప్రక్రియను ఒట్టోహాన్‌, ఫ్రిట్జ్‌ స్ట్రాస్‌మన్‌లు కనుగొన్నారు. అటామిక్‌ బాంబులో ప్రధానంగా పనిచేసే సూత్రం కూడా అణువిచ్ఛిత్తి (లేదా) కేంద్రక విచ్ఛిత్తి ప్రక్రియ.
• నేటి వరకూ యుద్ధ పరిస్థితుల్లో రెండుసార్లు అణ్వాయుధాలను ఉపయోగించడం
  జరిగింది. రెండో ప్రపంచ యుద్ధ సమయంలో అమెరికా, జపాన్‌ మీద జరిపిన దాడిలో భాగంగా అణ్వాయుధాలను ప్రయోగించారు.
• ‘లిటిల్‌ బాయ్‌’ అనే యురేనియం బాంబును 1945 ఆగస్టు 6న హిరోషిమాపై ప్రయోగించగా, నాగసాకిపై ‘ఫ్యాట్‌ మాన్‌గా’ గా వ్యవహరించే ప్లుటోనియం బాంబును 1945 ఆగస్టు 9న అమెరికా ప్రయోగించింది.
  కేంద్రక సంలీనం
• రెండు (లేదా) అంతకంటే ఎక్కువ తేలికైన మూలకాల పరమాణు కేంద్రకాలు ఒకదానితో మరొకటి కలిసిపోయి వాటి కంటే బరువైన మరో మూలక కేంద్రంగా ప్రక్రియను కేంద్రక సంలీనంగా నిర్వచించారు. ఈ ప్రక్రియలోనూ అధిక పరిమాణంలో శక్తి, కేంద్రక కణాలు విడుదలవుతాయి.
• సూర్యుడు, ఇతర నక్షత్రాల్లో నిరంతరం జరిగే ప్రక్రియే కేంద్రక సంలీన ప్రక్రియ. హైడ్రోజన్‌ బాంబు తయారీలో ఉపయోగించే సూత్రం ఇదే.
• కేంద్రక సంలీన ప్రక్రియకు అత్యధిక ఉష్ణోగ్రత, అత్యధిక పీడనం వంటి పరిస్థితులు అవసరం. అందుకని హైడ్రోజన్‌ బాంబును విస్ఫోటనం చెందించడానికి ముందుగా అణుబాంబు విచ్ఛిత్తి జరగాలి. ఈ ప్రక్రియలో శక్తితో పాటు కొన్ని కేంద్రక కణాలు కూడా వెలువడుతాయి.
• సూర్యుడిలో నిరంతరం జరిగే కేంద్రక సంలీన ప్రక్రియ ఫలితంగానే నిరంతరం వేడి, వెలుతురు వెలువడుతాయి. ఈ ప్రక్రియలో నాలుగు హైడ్రోజన్‌ పరమాణువులు సంలీనం చెంది ఒక హీలియం కేంద్రకంగా మారి 14.1 MeV శక్తిని, ఒక స్వేచ్ఛా న్యూట్రాన్‌ను వెలువరుస్తాయి.
  కేంద్రక పరివర్తన
• దీన్ని 1917లో ఎర్నెస్ట్‌ రూథర్‌ఫర్డ్‌ కనుగొన్నాడు. తన పరిశోధనల్లో భాగంగా నైట్రోజన్‌ను ఆల్ఫా కణంతో తాడనం చెందిస్తే అది ఆక్సిజన్‌గా పరివర్తనం చెందింది.
• రసాయన ఇంధనాలతో పోలిస్తే, కేంద్రక/అణు ఇంధనాల్లో మిలియన్ల రెట్లు అణుశక్తి అందుబాటులో ఉంటుంది. పెట్రోల్‌/గ్యాసోలిన్‌ వంటి రసాయన ఇంధనాలతో పోలిస్తే అణు ఇంధనాలు అధికంగా ఆధారపడే శక్తి వనరులయ్యాయి.
• అన్ని అనుకూల, పూర్తి భద్రతా పరిస్థితుల్లో ఒకసారి నింపిన అణుకర్మాగారాలు ఏళ్లపాటు నిరాటంకంగా శక్తిని అందించగలవు.
• కేంద్రక విచ్ఛిత్తి ప్రక్రియలో విడుదలయ్యే మరికొన్ని స్వేచ్ఛా న్యూట్రాన్‌లే తమ పరిసరాల్లో మరింత అణు ఇంధనం అందుబాటులో ఉంటే వాటితో శోషించకొనబడి మరిన్ని కేంద్రక విచ్ఛిత్తి ప్రక్రియలకు దారితీస్తాయి. ఈ విధంగా నిరంతరాయంగా ఇంధనం అయిపోయేవరకు విచ్ఛిత్తి ప్రక్రియ జరిగితే దాన్ని శృంఖల/గొలుసు ప్రక్రియగా పేర్కొంటారు.
• గొలుసు చర్య/శృంఖల చర్యను కట్టుబాటు చేయగలిగితే దాన్ని నియంత్రిత శృంఖల చర్య అంటారు. ఇందుకు ఉపయోగించే పరికరాన్ని అణు రియాక్టర్‌గా పేర్కొంటారు.
• గొలుసు చర్యను అదుపు చేయలేకపోతే దాన్ని అనియత శృంఖల చర్య అంటారు. ఈ పరిస్థితుల్లో భారీ విస్ఫోటనం సంభవిస్తుంది. అణు రియాక్టర్‌ను ఎన్రికో ఫెర్మి 1942లో కనుగొన్నాడు.
  అణురియాక్టర్‌ (లేదా) కేంద్రక రియాక్టర్‌
• తొలుత ఎటామిక్‌ పైల్‌ (atomic pile)గా వ్యవహరించేవారు. దీన్ని ఉపయోగించి కొనసాగించదగిన నియంత్రిత శృంఖల చర్య ద్వారా వెలువడే అణుశక్తిని, అణువిద్యుత్‌ కేంద్రాల్లో విద్యుత్‌ తయారీకి, జలాంతర్గాములను, ఓడలను నడపడం వంటి ప్రజోపయోగ కార్యక్రమాల్లో వినియోగించవచ్చు.
• వైద్య, పారిశ్రామిక రంగాల్లో మిక్కిలి ఉపయోగకరం అయిన ఐసోటోపుల తయారీలోనూ, అణ్వాయుధాల తయారీకి అవసరమైన ప్లుటోనియం ఇంధనాన్ని తయారు చేయడానికి అణురియాక్టర్‌లు ఎంతో ఉపయోగకరం, మరికొన్ని పరిశోధనా రియాక్టర్‌లుగా ఉపయోగపడుతున్నాయి.

గమనిక- కొన్ని రకాల రియాక్టర్‌లలో ఉప ఉత్పన్నంగా ప్లుటోనియం వెలువడుతుంది.

తెలుగు అకాడమీ సౌజన్యంతో