17.1: रेडियोधर्मी आइसोटोप

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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याद रखें कि एक परमाणु एक तत्व का सबसे छोटा घटक है जो उस तत्व के सभी रासायनिक गुणों को बरकरार रखता है (पदार्थ देखें)। जैसा कि पहले चर्चा की गई थी, परमाणुओं में नाभिक में अनचार्ज्ड न्यूट्रॉन और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन होते हैं। नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन नाभिक को घेर लेते हैं। एक परमाणु का परमाणु द्रव्यमान प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या से निर्धारित होता है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान नगण्य होता है। प्रत्येक प्रोटॉन या न्यूट्रॉन का वजन 1 परमाणु द्रव्यमान इकाई (AMU) होता है। तत्वों की आवधिक तालिका में प्रदर्शित परमाणु द्रव्यमान मान पूर्ण संख्या नहीं हैं क्योंकि वे उस तत्व (आकृति\(\PageIndex{a}\)) के परमाणुओं के लिए औसत परमाणु द्रव्यमान का प्रतिनिधित्व करते हैं। एक ही तत्व के परमाणुओं में समान द्रव्यमान होना जरूरी नहीं है क्योंकि वे न्यूट्रॉन संख्या में भिन्न हो सकते हैं।

तत्वों की आवधिक सारणी से हाइड्रोजन और यूरेनियम का प्रतिनिधित्व करने वाली कोशिकाएं। — चित्र\(\PageIndex{a}\): आवधिक तालिका की प्रत्येक कोशिका में पूर्ण संख्या परमाणु संख्या, या प्रोटॉन की संख्या (हाइड्रोजन के लिए 1 और यूरेनियम के लिए 92) है। परमाणु द्रव्यमान संख्या भी दिखाई गई है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की औसत संख्या (हाइड्रोजन के लिए 1.01 और यूरेनियम के लिए 238.03) है। नेशनल सेंटर फॉर बायोटेक्नोलॉजी इंफॉर्मेशन (सार्वजनिक डोमेन) से तस्वीरें क्रॉप और लेबल की गईं।

आइसोटोप एक ही तत्व के विभिन्न रूप हैं जिनमें प्रोटॉन की संख्या समान होती है, लेकिन न्यूट्रॉन की एक अलग संख्या होती है। कार्बन, पोटेशियम और यूरेनियम जैसे कुछ तत्वों में प्राकृतिक रूप से आइसोटोप होते हैं। कार्बन का सबसे आम आइसोटोप कार्बन -12 में छह प्रोटॉन और छह न्यूट्रॉन होते हैं। इसलिए, इसका द्रव्यमान 12 (छह प्रोटॉन और छह न्यूट्रॉन) और परमाणु संख्या 6 (जो इसे कार्बन बनाता है) है। कार्बन -14 में छह प्रोटॉन और आठ न्यूट्रॉन होते हैं। इसलिए, इसका द्रव्यमान 14 (छह प्रोटॉन और आठ न्यूट्रॉन) और परमाणु संख्या 6 है, जिसका अर्थ है कि यह अभी भी तत्व कार्बन है। कार्बन के ये दो वैकल्पिक रूप आइसोटोप हैं। कुछ आइसोटोप अस्थिर होते हैं और अधिक स्थिर तत्व बनाने के लिए कणों और ऊर्जा के रूप में विकिरण का उत्सर्जन करते हैं। विकिरण के कुछ रूप खतरनाक होते हैं। इन्हें रेडियोधर्मी आइसोटोप या रेडियोआइसोटोप (आंकड़ा\(\PageIndex{b}\)) कहा जाता है। रेडियोधर्मी क्षय के दौरान, एक प्रकार का परमाणु इस तरह से दूसरे प्रकार के परमाणु में बदल सकता है (आकृति\(\PageIndex{c}\))।

प्रोटियम, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के मॉडल, जो हाइड्रोजन के सभी आइसोटोप हैं — चित्र\(\PageIndex{b}\): हाइड्रोजन के आइसोटोप। इन सभी परमाणुओं में एक प्रोटॉन (“पी ⁺” लेबल वाला गुलाबी वृत्त) होता है, लेकिन प्रोटियम में कोई न्यूट्रॉन नहीं होता है, ड्यूटेरियम में एक न्यूट्रॉन (“एन” लेबल वाला नारंगी वृत्त) होता है, और ट्रिटियम में दो न्यूट्रॉन होते हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन परमाणु (नाभिक) के केंद्र में स्थित हैं। एक इलेक्ट्रॉन (नीला वृत्त जिसका लेबल “e ^-”) प्रत्येक परमाणु नाभिक के चारों ओर घूमता है। नेशनल आइसोटोप डेवलपमेंट सेंटर/यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी आइसोटोप प्रोग्राम (सार्वजनिक डोमेन) से छवि।

एक कार्बन-14 परमाणु नाइट्रोजन -14 तक सड़ जाता है, जिससे विकिरण निकलता है — चित्र\(\PageIndex{c}\): कार्बन (कार्बन -14) के एक **रेडियोधर्मी आइसोटोप** में छह प्रोटॉन और आठ न्यूट्रॉन होते हैं। यह नाइट्रोजन (नाइट्रोजन -14) के एक स्थिर आइसोटोप में बदल जाता है, जिसमें सात प्रोटॉन और सात न्यूट्रॉन होते हैं। रेडियोधर्मी क्षय से विकिरण निकलता है। (इस उदाहरण में होने वाले विशेष प्रकार के विकिरण को बीटा माइनस डेके, beta- कहा जाता है।) कार्बन -14 एक अनुमानित दर पर क्षय होता है, जिसमें से आधे हर 5730 साल में क्षीण हो जाते हैं। क्योंकि जीवों में कार्बन प्रचुर मात्रा में होता है, इस अनुमानित क्षय दर का उपयोग आमतौर पर जीवाश्मों के डेटिंग के लिए किया जाता है। CDC (सार्वजनिक डोमेन) से छवि।

हाफ लाइफ

आधा जीवन वह समय है जो मूल रेडियोधर्मी आइसोटोप के आधे हिस्से को क्षय (आंकड़ा\(\PageIndex{d}\)) तक ले जाता है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम -238 का आधा जीवन लगभग 4.5 बिलियन वर्ष है। 4.5 बिलियन वर्षों के बाद, यूरेनियम -238 की मूल मात्रा का केवल आधा (50%) ही रहेगा। बाकी थोरियम -234 (जो रेडियोधर्मी भी है और जल्दी से रेडियोधर्मी आइसोटोप की एक श्रृंखला तक पहुंच जाता है, जब तक कि यह अंततः लीड-206 नहीं बन जाता, जो स्थिर है; आंकड़ा\(\PageIndex{e-f}\))। दो आधे जीवन (9 बिलियन वर्ष) के बाद, 50% में से केवल आधा ही रहेगा (मूल का 25%)। तीन आधे जीवन के बाद, मूल यूरेनियम -238 का केवल 12.5% ही रहेगा।

एक मूल नमूने के अंश का ग्राफ जो प्रत्येक आधे जीवन के बाद बना रहता है। — चित्र\(\PageIndex{d}\): प्रत्येक आधे जीवन के बाद, रेडियोधर्मी आइसोटोप का 50% क्षय होता है। एक आधे जीवन के बाद, रेडियोधर्मी आइसोटोप का 50% (1/2; 0.5) रहता है। दो आधे जीवन के बाद, मूल रेडियोधर्मी आइसोटोप का केवल 25% शेष रहता है। तीन आधे जीवन के बाद, यह 12.5% है; चार आधे जीवन = 6.25%; पांच आधे जीवन = 3.125%। फ्रैकोनी, मॉरिसन, और वोल्फ/ओपनस्टैक्स (CC-BY) द्वारा छवि। openstax.org पर मुफ्त में प्रवेश करें।

U-238 का नाभिक, जिसमें कई प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन छोड़कर Th-235 तक पहुंच जाते हैं। — चित्र\(\PageIndex{e}\): जब अस्थिर यूरेनियम -238 का क्षय होता है, तो यह एक अल्फा (α) कण का उत्सर्जन करता है, जो दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। यह इसे एक नए तत्व (थोरियम -234) में बदल देता है। ओपनस्टैक्स (CC-BY) द्वारा छवि। openstaxcollege.org पर मुफ्त में डाउनलोड करें।

यूरेनियम -238 की क्षय श्रृंखला को तीरों से जुड़े आइसोटोप की एक श्रृंखला द्वारा दर्शाया गया है — चित्र\(\PageIndex{f}\): यूरेनियम -238 की क्षय श्रृंखला। प्रत्येक आइसोटोप द्रव्यमान, परमाणु संख्या, और आधा जीवित क्रम में, परमाणु प्रतीक के दाईं ओर सूचीबद्ध है। प्रत्येक तीर को जारी विकिरण के प्रकार के साथ लेबल किया जाता है: अल्फा (α) विकिरण, जो दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन, या बीटा (β) विकिरण है, जो एक उच्च ऊर्जा वाला इलेक्ट्रॉन है। एक स्थिर (गैर-रेडियोधर्मी) आइसोटोप, सीसा (Pb-206) पर समाप्त होने तक यूरेनियम से क्षय जारी रहता है। तोसाका (CC-BY) द्वारा छवि।

इवोल्यूशन इन एक्शन: कार्बन डेटिंग

कार्बन-14 (¹⁴ C) एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला रेडियोआइसोटोप है जो वायुमंडल में ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा बनाया जाता है। यह एक सतत प्रक्रिया है, इसलिए अधिक ¹⁴ C हमेशा बनाए जा रहे हैं। जैसे ही एक जीवित जीव विकसित होता है, उसके शरीर में ¹⁴ C का सापेक्ष स्तर वायुमंडल में 14C की सांद्रता के बराबर होता है। जब एक जीव मर जाता है, तो वह ¹⁴ डिग्री सेल्सियस का सेवन नहीं करता है, इसलिए अनुपात में गिरावट आएगी। बीटा क्षय नामक प्रक्रिया द्वारा ¹⁴ ^{C घटकर 14} N हो जाता है; यह इस धीमी प्रक्रिया (आंकड़ा\(\PageIndex{c}\)) में ऊर्जा को छोड़ देता है। लगभग 5,730 वर्षों के बाद, ^{14 C की शुरुआती सांद्रता का केवल आधा हिस्सा ¹⁴} N में परिवर्तित हो गया होगा, एक आइसोटोप की मूल सांद्रता के आधे हिस्से को उसके अधिक स्थिर रूप में सड़ने में लगने वाले समय को इसका आधा जीवन कहा जाता है।

क्योंकि ¹⁴ C का आधा जीवन लंबा होता है, इसका उपयोग पूर्व में जीवित वस्तुओं, जैसे कि जीवाश्म की उम्र के लिए किया जाता है। किसी वस्तु में पाए जाने वाले ¹⁴ C सांद्रता के अनुपात का उपयोग करके वायुमंडल में पाए जाने वाले ¹⁴ C की मात्रा का उपयोग करके, आइसोटोप की मात्रा जो अभी तक क्षीण नहीं हुई है, निर्धारित की जा सकती है। इस राशि के आधार पर, जीवाश्म की आयु की गणना लगभग 50,000 वर्ष (\(\PageIndex{g}\)नीचे चित्र) की जा सकती है। लंबे समय तक आधे जीवन वाले आइसोटोप, जैसे पोटेशियम -40, का उपयोग पुराने जीवाश्मों की उम्र की गणना करने के लिए किया जाता है। कार्बन डेटिंग के उपयोग के माध्यम से, वैज्ञानिक पिछले 50,000 वर्षों के भीतर रहने वाले जीवों की पारिस्थितिकी और जैव-भूगोल का पुनर्निर्माण कर सकते हैं।

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएँ

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं वे हैं जिनमें परमाणु (आकृति\(\PageIndex{h}\)) के नाभिक को विभाजित करना शामिल है। उन्हें न्यूट्रॉन के साथ रेडियोधर्मी तत्वों को नष्ट करके प्रेरित किया जा सकता है। प्राकृतिक रेडियोधर्मी क्षय की तरह, प्रेरित परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं ऊर्जा छोड़ती हैं। जब परमाणु विखंडन का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है तो ऊष्मा ऊर्जा का उत्सर्जन होता है। यह परमाणु ऊर्जा का आधार है। वर्तमान में, यूरेनियम -235 (²³⁵ यू; 235 के परमाणु द्रव्यमान वाला यूरेनियम का एक आइसोटोप) वर्तमान में परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं (आंकड़ा\(\PageIndex{h}\)) के लिए ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

परमाणु विखंडन परमाणु नाभिक के विभाजन को दर्शाता है। परमाणु संलयन दो छोटे नाभिक संयोजन को दर्शाता है। — चित्र\(\PageIndex{h}\): परमाणु विखंडन और संलयन भौतिक प्रक्रियाएं हैं जो परमाणुओं से ऊर्जा उत्पन्न करती हैं। परमाणु विखंडन में परमाणु के नाभिक को विभाजित करना शामिल है, लेकिन परमाणु संलयन में छोटे नाभिक को एक बड़े में जोड़ना शामिल है। सारा हरमन/अमेरिकी ऊर्जा विभाग (सार्वजनिक डोमेन) की छवि।

लाल और नीले गोले का एक समूह U-235 नाभिक का प्रतिनिधित्व करता है, जो एक न्यूट्रॉन (लाल गोले) से टकराता है और विभाजित होता है — चित्र\(\PageIndex{i}\): यूरेनियम -235 (²³⁵ यू) के विखंडन को न्यूट्रॉन के साथ बमबारी करके प्रेरित किया जा सकता है। यह U-236 का उत्पादन करता है, जो अस्थिर होता है और विखंडन के टुकड़ों और अतिरिक्त न्यूट्रॉन में विभाजित होता है। परिणामस्वरूप ऊर्जा निकलती है। लाल गोले न्यूट्रॉन होते हैं, और नीले गोले प्रोटॉन होते हैं। बीसी ओपन टेक्स्टबुक्स (CC-BY) द्वारा छवि।

एट्रिब्यूशन

मैथ्यू आर फिशर द्वारा पर्यावरण जीवविज्ञान से पदार्थ से मेलिसा हा द्वारा संशोधित (CC-BY के तहत लाइसेंस प्राप्त)