अणुप्रक्रिया (विखंडन आणि संलयन) यांवरील उदाहरणात्मक प्रश्न
अणुप्रक्रिया या विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या, विशेषतः ऊर्जा क्षेत्राच्या विकासातील एक महत्त्वपूर्ण भौतिक घटना आहेत. अणुप्रक्रियेचे दोन मुख्य प्रकार आहेत: विखंडन आणि संलयन. या लेखात, आपण विखंडन आणि संलयन या दोन्ही अणुप्रक्रियांशी संबंधित मूलभूत संकल्पना, त्यांमधील फरक, तसेच अनेक उदाहरणे आणि त्यांची उत्तरे यांवर चर्चा करणार आहोत.
विखंडन आणि संलयन अभिक्रियांचा परिचय
विखंडन ही अशी प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये युरेनियम-२३५ किंवा प्लुटोनियम-२३९ सारखे मोठे, जड अणुकेंद्रक लहान, हलक्या अणुकेंद्रकांमध्ये विभागले जाते. अल्बर्ट आईनस्टाईन यांच्या प्रसिद्ध समीकरण \(E=mc^2\) नुसार, मूळ अणुकेंद्रकाच्या वस्तुमानाचा काही भाग ऊर्जेमध्ये रूपांतरित होत असल्यामुळे या प्रक्रियेत मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा बाहेर पडते. अणुऊर्जा प्रकल्प आणि अणुबॉम्बमध्ये विखंडन अभिक्रियांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.
याउलट, संलयन ही अशी प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये हलकी केंद्रके एकत्र येऊन जड केंद्रके तयार होतात. संलयन प्रतिक्रियेचे सर्वात सामान्य उदाहरण म्हणजे हायड्रोजन केंद्रकांचे हेलियममध्ये होणारे संलयन, जे सूर्य आणि इतर ताऱ्यांमध्ये घडते. संलयनामुळे विखंडनापेक्षा प्रति एकक वस्तुमानानुसार अधिक ऊर्जा निर्माण होते आणि तो विश्वातील ऊर्जेचा प्राथमिक स्रोत आहे.
नमुना प्रश्न आणि चर्चा
या दोन प्रकारच्या अणुप्रक्रिया अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, अणुभौतिकशास्त्राच्या पाठांमध्ये नेहमी विचारल्या जाणाऱ्या काही प्रश्नांच्या उदाहरणांवर चर्चा करूया.
प्रश्न १: युरेनियम-२३५ ची विखंडन अभिक्रिया
सर्वात सामान्य विखंडन अभिक्रियांपैकी एक म्हणजे जेव्हा युरेनियम-२३५ एक न्यूट्रॉन पकडते आणि बेरियम-१४१ व क्रिप्टॉन-९२ मध्ये विभाजित होते, आणि या प्रक्रियेत तीन अतिरिक्त न्यूट्रॉन बाहेर पडतात. जर युरेनियम-२३५ चे अणुवस्तुमान २३५.०४३९ u, बेरियम-१४१ चे १४०.९१४४ u, आणि क्रिप्टॉन-९२ चे ९१.९२६२ u असेल, तर या अभिक्रियेचे समीकरण लिहा आणि बाहेर पडलेल्या ऊर्जेची गणना करा. एका न्यूट्रॉनचे वस्तुमान १.००८७ u आहे.
चर्चा:
होणारी अणुप्रक्रिया खालीलप्रमाणे लिहिता येते:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
मुक्त झालेल्या ऊर्जेची गणना करण्यासाठी, आपल्याला वस्तुमान तूट माहित असणे आवश्यक आहे, जी प्रारंभिक वस्तुमान आणि उत्पादनांचे वस्तुमान यांमधील फरक आहे:
१. प्रारंभिक वस्तुमान = युरेनियम-२३५ चे वस्तुमान + न्यूट्रॉनचे वस्तुमान = २३५.०४३९ u + १.००८७ u = २३६.०५२६ u
२. उत्पादनाचे वस्तुमान = बेरियम-१४१ चे वस्तुमान + क्रिप्टॉन-९२ चे वस्तुमान + ३ न्यूट्रॉनचे वस्तुमान = १४०.९१४४ u + ९१.९२६२ u + ३(१.००८७ u) = २३५.८६०७ u
३. वस्तुमान तूट (Δm) = प्रारंभिक वस्तुमान – उत्पादनाचे वस्तुमान = २३६.०५२६ u – २३५.८६०७ u = ०.१९१९ u
\(E=mc^2\) या समीकरणाचा वापर करून मुक्त झालेल्या ऊर्जेची गणना करता येते, जिथे 1 u म्हणजे 931.5 MeV आहे:
\[
\Delta E = \Delta m \times 931.5 \, \text{MeV} = 0.1919 \times 931.5 \, \text{MeV} \approx 178.8 \, \text{MeV}
\]
तर, या विखंडन प्रक्रियेत मुक्त होणारी ऊर्जा सुमारे 178.8 MeV आहे.
प्रश्न २: हायड्रोजन संलयन अभिक्रिया
संलयन प्रतिक्रियेचे उदाहरण म्हणून, दोन ड्युटेरियम केंद्रकांपासून (\( \text{^2_1H} \)) एक हेलियम-3 केंद्रक (\( \text{^3_2He} \)) आणि एक न्यूट्रॉन तयार होण्याची प्रतिक्रिया विचारात घेऊया. जर ड्युटेरियमचे वस्तुमान 2,0141 u, हेलियम-3 चे वस्तुमान 3,0160 u आणि न्यूट्रॉनचे वस्तुमान 1,0087 u असेल, तर मुक्त झालेल्या ऊर्जेची गणना करा.
चर्चा:
होणारी अणुप्रक्रिया खालीलप्रमाणे लिहिता येते:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]
अभिक्रियेमध्ये होणारी वस्तुमान तूट मोजा:
१. सुरुवातीचे वस्तुमान = २(२.०१४१ यु) = ४.०२८२ यु
२. उत्पादनाचे वस्तुमान = हेलियम-३ चे वस्तुमान + न्यूट्रॉनचे वस्तुमान = ३.०१६० u + १.००८७ u = ४.०२४७ u
३. वस्तुमान तूट (Δm) = प्रारंभिक वस्तुमान – उत्पादनाचे वस्तुमान = २३६.०५२६ u – २३५.८६०७ u = ०.१९१९ u
मुक्त झालेल्या ऊर्जेची गणना करता येते:
\[
\Delta E = \Delta m \times 931.5 \, \text{MeV} = 0.0035 \times 931.5 \, \text{MeV} \approx 3.26 \, \text{MeV}
\]
या संलयन अभिक्रियेतून मुक्त होणारी ऊर्जा सुमारे ३.२६ MeV आहे.
तुलना आणि अनुप्रयोग
या दोन उदाहरणांवरून आपण असा निष्कर्ष काढू शकतो की, जरी विखंडन अभिक्रियांमधून मुक्त होणाऱ्या ऊर्जेपेक्षा संलयन अभिक्रियांमधून प्रति घटना किंचित कमी ऊर्जा निर्माण होत असली तरी, संलयनाचा मुख्य फायदा म्हणजे संलयन अणुभट्टीसारख्या मोठ्या प्रमाणात केल्यास त्यातून मिळणारी प्रचंड ऊर्जा क्षमता, ज्यामुळे आदर्शपणे जगाच्या ऊर्जा समस्या अधिक स्वच्छपणे आणि सुरक्षितपणे सोडवता येऊ शकतात.
विखंडन अभिक्रिया सध्या अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जातात, परंतु त्यांना सुरक्षितता आणि त्यामुळे निर्माण होणाऱ्या किरणोत्सर्गी कचऱ्याशी संबंधित आव्हानांचा सामना करावा लागतो. दरम्यान, सौर आणि तारकीय ऊर्जेचा आधार असलेल्या संलयन अभिक्रिया विकसित होत आहेत, आणि फ्रान्समधील ITER सारख्या प्रकल्पांचा उद्देश भविष्यातील स्वच्छ ऊर्जा स्रोत म्हणून अणुसंलयनाची व्यवहार्यता सिद्ध करणे हा आहे.
निष्कर्ष
तांत्रिक आणि वैज्ञानिक विकासाच्या संदर्भात, अणुविखंडन आणि अणुसंलयन या दोन्ही अणुप्रक्रिया समजून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. शिवाय, हे ज्ञान विश्व कसे कार्य करते आणि शाश्वत ऊर्जा स्रोत पुरवण्यासाठी त्याचे संभाव्य उपयोग काय आहेत, याबद्दल अधिक सखोल अंतर्दृष्टी देते. अणुप्रक्रियांचा अभ्यास करताना, वर चर्चा केलेल्यांसारखी सराव उदाहरणे अणुऊर्जेच्या संकल्पना आणि उपयोगांबद्दलची आपली समज अधिक दृढ करण्यास मदत करतात.
