नाभिकीय अभिक्रियाओं (विखंडन और संलयन) पर आधारित उदाहरण प्रश्न

नाभिकीय अभिक्रियाओं (विखंडन और संलयन) पर आधारित उदाहरण प्रश्न

परमाणु अभिक्रियाएँ विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विकास में, विशेष रूप से ऊर्जा क्षेत्र में, एक महत्वपूर्ण भौतिक घटना हैं। परमाणु अभिक्रियाएँ दो मुख्य प्रकार की होती हैं: विखंडन और संलयन। इस लेख में, हम परमाणु अभिक्रियाओं (विखंडन और संलयन दोनों) से संबंधित मूलभूत अवधारणाओं, अंतरों और कई उदाहरण समस्याओं और उनके समाधानों पर चर्चा करेंगे।

विखंडन और संलयन अभिक्रियाओं का परिचय

विखंडन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा यूरेनियम-235 या प्लूटोनियम-239 जैसे बड़े और भारी परमाणु नाभिक छोटे और हल्के नाभिकों में टूट जाते हैं। इस प्रक्रिया से बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है क्योंकि मूल नाभिक का कुछ द्रव्यमान ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है, जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण (E=mc²) में बताया गया है। विखंडन अभिक्रियाओं का व्यापक रूप से परमाणु ऊर्जा संयंत्रों और परमाणु हथियारों में उपयोग किया जाता है।

इसके विपरीत, संलयन वह प्रक्रिया है जिसमें हल्के नाभिक मिलकर भारी नाभिक बनाते हैं। संलयन अभिक्रिया का सबसे सामान्य उदाहरण हाइड्रोजन नाभिकों का हीलियम में संलयन है, जैसा कि सूर्य और अन्य तारों में होता है। संलयन विखंडन की तुलना में प्रति इकाई द्रव्यमान अधिक ऊर्जा उत्पन्न करता है और ब्रह्मांड में ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत है।

Contoh Soal dan Pembahasan

इन दो प्रकार की नाभिकीय प्रतिक्रियाओं को बेहतर ढंग से समझने के लिए, आइए कुछ ऐसे प्रश्नों के उदाहरणों पर चर्चा करें जो अक्सर नाभिकीय भौतिकी के पाठों में पूछे जाते हैं।

प्रश्न 1: यूरेनियम-235 की विखंडन अभिक्रिया

सबसे आम विखंडन अभिक्रियाओं में से एक वह है जब यूरेनियम-235 एक न्यूट्रॉन को ग्रहण करता है और बेरियम-141 और क्रिप्टन-92 में विभाजित हो जाता है, जिससे तीन अतिरिक्त न्यूट्रॉन निकलते हैं। इस अभिक्रिया का समीकरण लिखिए और मुक्त ऊर्जा की मात्रा की गणना कीजिए, यदि यूरेनियम-235 का नाभिकीय द्रव्यमान 235,0439 u, बेरियम-141 का 140,9144 u और क्रिप्टन-92 का 91,9262 u है। एक न्यूट्रॉन का द्रव्यमान 1,0087 u है।

बहस:

होने वाली नाभिकीय प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]

मुक्त हुई ऊर्जा की गणना करने के लिए, हमें द्रव्यमान की कमी का पता होना चाहिए, जो कि प्रारंभिक द्रव्यमान और उत्पादों के द्रव्यमान के बीच का अंतर है:

1. प्रारंभिक द्रव्यमान = यूरेनियम-235 का द्रव्यमान + न्यूट्रॉन का द्रव्यमान = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. उत्पाद का द्रव्यमान = बेरियम-141 का द्रव्यमान + क्रिप्टन-92 का द्रव्यमान + 3 न्यूट्रॉन का द्रव्यमान = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. द्रव्यमान की कमी (Δm) = प्रारंभिक द्रव्यमान – उत्पाद का द्रव्यमान = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u

मुक्त हुई ऊर्जा की गणना समीकरण \(E=mc^2\) का उपयोग करके की जा सकती है, जहाँ 1 u 931.5 MeV के बराबर है:

\[
ΔE = Δm × 931.5 MeV = 0.1919 × 931.5 MeV ≈ 178.8 MeV
\]

अतः, इस विखंडन अभिक्रिया में मुक्त होने वाली ऊर्जा लगभग 178.8 MeV है।

प्रश्न 2: हाइड्रोजन संलयन अभिक्रिया

संलयन अभिक्रिया के उदाहरण के रूप में, आइए दो ड्यूटेरियम नाभिकों (⁻²H) की अभिक्रिया पर विचार करें, जिससे एक हीलियम-3 नाभिक (⁻³H) और एक न्यूट्रॉन बनता है। यदि ड्यूटेरियम का द्रव्यमान 2,0141 u, हीलियम-3 का द्रव्यमान 3,0160 u और न्यूट्रॉन का द्रव्यमान 1,0087 u हो, तो मुक्त हुई ऊर्जा की गणना कीजिए।

बहस:

होने वाली नाभिकीय प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]

अभिक्रिया में होने वाली द्रव्यमान की कमी की गणना कीजिए:

1. प्रारंभिक द्रव्यमान = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. उत्पाद का द्रव्यमान = हीलियम-3 का द्रव्यमान + न्यूट्रॉन का द्रव्यमान = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. द्रव्यमान की कमी (Δm) = प्रारंभिक द्रव्यमान – उत्पाद का द्रव्यमान = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u

उत्सर्जित ऊर्जा की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

\[
ΔE = Δm × 931.5 MeV = 0.0035 × 931.5 MeV ≈ 3.26 MeV
\]

इस संलयन अभिक्रिया से निकलने वाली ऊर्जा लगभग 3.26 MeV है।

तुलना और अनुप्रयोग

इन दो उदाहरणों से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि यद्यपि संलयन अभिक्रियाएँ विखंडन अभिक्रियाओं द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा की तुलना में प्रति घटना थोड़ी कम ऊर्जा उत्पन्न करती हैं, संलयन का मुख्य लाभ इसकी कहीं अधिक ऊर्जा क्षमता है जब इसे बड़ी मात्रा में किया जाता है, जैसे कि संलयन रिएक्टर में, जो आदर्श रूप से दुनिया की ऊर्जा समस्याओं को अधिक स्वच्छ और सुरक्षित तरीके से हल कर सकता है।

परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में वर्तमान में विखंडन प्रतिक्रियाओं का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन सुरक्षा और परिणामस्वरूप उत्पन्न होने वाले रेडियोधर्मी कचरे से संबंधित चुनौतियाँ बनी हुई हैं। वहीं, सौर और तारकीय ऊर्जा का आधार बनने वाली संलयन प्रतिक्रियाओं का विकास हो रहा है, और फ्रांस में आईटीईआरटी जैसी परियोजनाएँ भविष्य के स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में परमाणु संलयन की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करने का लक्ष्य रखती हैं।

निष्कर्ष

परमाणु विखंडन और संलयन दोनों अभिक्रियाओं को समझना तकनीकी और वैज्ञानिक विकास के संदर्भ में अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, यह ज्ञान ब्रह्मांड की कार्यप्रणाली और सतत ऊर्जा स्रोतों के निर्माण में इसके संभावित अनुप्रयोगों की गहरी समझ प्रदान करता है। परमाणु अभिक्रियाओं के अध्ययन में, ऊपर वर्णित व्यावहारिक समस्याओं के माध्यम से परमाणु ऊर्जा की अवधारणाओं और अनुप्रयोगों को गहराई से समझना सहायक होता है।