परमाणु और नाभिकीय भौतिकी

परिचय

इस आलेख में हम परमाणु और नाभिकीय भौतिकी का अन्वेषण करके पदार्थ के कोर में प्रवेश करेंगे। आधुनिक भौतिकी के ये क्षेत्र पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंडों से संबंधित होते हैं, जो प्रौद्योगिकी में विशाल प्रगति और ब्रह्मांड की गहरी अंतर्दृष्टि में योगदान देते हैं। परमाणु और नाभिकीय भौतिकी परमाणुओं और उनके नाभिकों की संरचना, गुण, व्यवहार और इंटरैक्शन का अध्ययन करता है।

परमाणुओं को समझना

परमाणु हमारे चारों ओर की हर चीज के मूल निर्माण खंड हैं। एक परमाणु एक नाभिक से बना होता है, जो प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों से बना होता है, और इसे इलेक्ट्रॉनों द्वारा घेर लिया जाता है। परमाणुओं को समझना पदार्थ को समझने की कुंजी है।

परमाणु संरचना

एक परमाणु मुख्य रूप से तीन प्रकार के कणों से बना होता है:

• प्रोटॉन: नाभिक में पाए जाने वाले सकारात्मक रूप से चार्ज कण। प्रत्येक तत्व में एक विशिष्ट संख्या में प्रोटॉन होते हैं।
• न्यूट्रॉन: ये भी नाभिक में पाए जाते हैं और न्यूट्रल होते हैं। ये प्रोटॉनों के साथ मिलकर परमाणु के बड़े हिस्से का भार बनाते हैं।
• इलेक्ट्रॉन: नकारात्मक रूप से चार्ज कण जो विशिष्ट ऊर्जा स्तरों पर नाभिक की परिक्रमा करते हैं, जिन्हें अक्सर इलेक्ट्रॉन शेल कहा जाता है।

हाइड्रोजन परमाणु:
प्रोटॉनों की संख्या = 1
न्यूट्रॉनों की संख्या = 0
इलेक्ट्रॉनों की संख्या = 1
    

परमाणु का वर्णन

यह आरेख एक साधारण परमाणु को दिखाता है जिसमें एक नाभिक (ग्रे सर्कल) शामिल होता है जिसमें एक प्रोटॉन होता है और एक ऑर्बिटल होता है जिसमें एक इलेक्ट्रॉन (लाल सर्कल) होता है।

परमाणु मॉडल

सालों से, परमाणु की संरचना को समझाने के लिए विभिन्न मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं। चलिए कुछ महत्वपूर्ण परमाणु मॉडलों पर नजर डालते हैं:

थॉमसन का मॉडल

J.J. थॉमसन ने "प्लम पुडिंग मॉडल" प्रस्तावित किया, जिसमें इलेक्ट्रॉन कुकीज की तरह एक सकारात्मक रूप से चार्ज "पुडिंग" में बिखरे थे। इसने सुझाव दिया कि परमाणु सकारात्मक चार्ज पदार्थ के समान गोलाकार होते हैं जिनमें इलेक्ट्रॉन मिश्रित होते हैं।

रदरफोर्ड का मॉडल

अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने अल्फा कणों के साथ सोने की पन्नी को बमबारी करके नाभिक की खोज की। इससे एक मॉडल आया जिसमें एक घना नाभिक होता है जिसे परिक्रमा करते हुए इलेक्ट्रॉन घेरते हैं, जैसे ग्रह सूर्य की परिक्रमा करते हैं।

बोहर का मॉडल

यह मॉडल, नील्स बोहर द्वारा विकसित की गई, क्वांटमाइज़ इलेक्ट्रॉन शेल को प्रस्तुत करता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन निश्चित रास्तों में नाभिक की परिक्रमा करते हैं जबकि कोणीय वेग को संरक्षित रखते हैं। इस मॉडल ने हाइड्रोजन के स्थायित्व और उत्सर्जन स्पेक्ट्रा की व्याख्या करने में मदद की।

बोहर का फार्मूला इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स के लिए

r_n = frac{n^2 cdot h^2}{4 cdot pi^2 cdot k cdot m_e cdot Z cdot e^2}
    

जहां:

• r_n nth ऑर्बिट का रेडियस है
• h प्लैंक का स्थिरांक है
• m_e इलेक्ट्रॉन का मास है
• Z परमाणु संख्या है
• e मौलिक चार्ज है

क्वांटम यांत्रिक मॉडल

आधुनिक परमाणु मॉडल क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करते हैं यह वर्णन करने के लिए कि ऊर्जा के संभावित क्षेत्र जहां इलेक्ट्रॉन पाए जाने की संभावना होती है, जिन्हें परमाणु ऑर्बिटल्स कहा जाता है। पहले के मॉडलों के विपरीत, क्वांटम यांत्रिकी इलेक्ट्रॉन की स्थिति का वर्णन नहीं करता है, बल्कि यह संभाव्यता वितरण का वर्णन करता है इलेक्ट्रॉन की संभावित स्थिति का।

नाभिकीय भौतिकी

अब हम परमाणु के केंद्र पर ध्यान केंद्रित करेंगे, नाभिक। नाभिकीय भौतिकी नाभिकीय बलों, प्रतिक्रियाओं और घटकों का अध्ययन करता है।

नाभिकीय घटक

• प्रोटॉन: एक सकारात्मक चार्ज रखते हैं और किसी तत्व की परमाणु संख्या को परिभाषित करते हैं।
• न्यूट्रॉन: न्यूट्रल होते हैं और नाभिक को एकजुट करने में मदद करते हैं, जिससे यह अधिक स्थिर होता है।

बंधन ऊर्जा

नाभिकीय भौतिकी में, बंधन ऊर्जा वह ऊर्जा होती है जो किसी नाभिक को उसके घटक प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों में विभाजित करने के लिए आवश्यक होती है। अधिक बंधन ऊर्जा एक अधिक स्थिर नाभिक का संकेत देती है।

E_b = [Z m_p + (A-Z) m_n - M] c^2
    

जहां:

• E_b बंधन ऊर्जा है
• Z प्रोटॉनों की संख्या है
• A द्रव्यमान संख्या है
• m_p प्रोटॉन का मास है
• m_n न्यूट्रॉन का मास है
• M परमाणु द्रव्यमान है
• c प्रकाश की गति है

नाभिकीय बल

नाभिकीय बल, जिसे मजबूत बल भी कहा जाता है, वे बल होते हैं जो प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों को नाभिक में एक साथ जोड़ते हैं। मजबूत नाभिकीय बल प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों को नाभिक में बांधते हैं, यद्यपि प्रोटॉनों के बीच प्रतिकर्षक विद्युत चुम्बकीय बल होता है।

रेडियोधर्मिता

रेडियोधर्मिता वह प्रक्रिया है जिसके तहत अस्थिर नाभिक ऊर्जा को विकिरण के रूप में निकालता है। यह कई तत्वों में स्वाभाविक रूप से होती है और कृत्रिम रूप से भी प्रेरित की जा सकती है।

रेडियोधर्मी विघटन के प्रकार

• अल्फा विघटन (α): अल्फा कण (2 प्रोटॉन और 2 न्यूट्रॉन) के उत्सर्जन द्वारा परमाणु संख्या 2 से और द्रव्यमान संख्या 4 से घट जाती है।
• बीटा विघटन (β): एक बीटा कण (इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन) का उत्सर्जन एक न्यूट्रॉन को प्रोटॉन में या उसके विपरीत में परिवर्तित करता है।
• गामा विघटन (γ): उच्च ऊर्जा फोटॉनों का उत्सर्जन, अक्सर अन्य प्रकार के विघटन के बाद ऊर्जा को रिलीज़ करता है।

आधा जीवन

किसी रेडियोधर्मी समस्थानिक के आधे जीवन का समय वह होता है जिसमें नमूने का आधा भाग विघटित हो जाता है। यह समस्थानिक की स्थिरता का माप है।

N(t) = N_0 cdot left( frac{1}{2} right)^{frac{t}{t_{1/2}}}
    

जहां:

• N(t) समय t पर अविघतित नाभिकों की संख्या है
• N_0 प्रारंभिक नाभिकों की संख्या है
• t_{1/2} आधा जीवन है

विखंडन और संलयन

नाभिकीय विखंडन और संलयन वे प्रतिक्रियाएँ हैं जो परमाणु संरचनाओं में संशोधन करके ऊर्जा को रिलीज़ करती हैं। ये प्रतिक्रियाएँ कई अनुप्रयोगों को शक्ति देती हैं, जैसे नाभिकीय रिएक्टर और तारे।

नाभिकीय विखंडन

विखंडन एक प्रक्रिया है जिसमें एक भारी नाभिक दो या अधिक छोटे नाभिक में विभाजित होता है, अक्सर मुक्त न्यूट्रॉन और फोटॉन उत्पन्न करता है। विखंडन बड़ी मात्रा में ऊर्जा छोड़ता है।

यूरोनियम-235 विखंडन का उदाहरण:

^{235}U + n rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3n + text{energy}
    

नाभिकीय संलयन

संलयन वह प्रक्रिया है जिसमें दो हल्के नाभिक एक भारी नाभिक में मिल जाते हैं। संलयन तारों को शक्ति प्रदान करता है और विखंडन से अधिक ऊर्जा उत्पादन करता है, लेकिन इसके लिए अत्यधिक तापमान और दबाव की आवश्यकता होती है।

ड्यूटेरियम संलयन का उदाहरण:

^{2}H + ^{3}H rightarrow ^{4}He + n + text{energy}
    

परमाणु और नाभिकीय भौतिकी के अनुप्रयोग

परमाणु और नाभिकीय भौतिकी के कई क्षेत्रों में अनुप्रयोग होते हैं जो चिकित्सा से लेकर ऊर्जा उत्पादन तक पर प्रभाव डालते हैं:

नाभिकीय शक्ति

नाभिकीय रिएक्टरों का उपयोग बिजली उत्पादन के लिए विखंडन के लिए किया जाता है। विखंडन प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न गर्मी का उपयोग भाप बनाने के लिए किया जाता है जो टर्बाइन को बिजली पैदा करने के लिए उत्प्रेरित करती है।

चिकित्सा अनुप्रयोग

• विकिरण चिकित्सा: कैंसर का इलाज विकिरण के साथ संचित पेशियों को लक्षित करके किया जाता है।
• चिकित्सा इमेजिंग: जैसे कि पेट स्कैन, रेडियोधर्मी ट्रैसर्स का उपयोग करता है आंतरिक शरीर संरचनाओं को देखने के लिए।

कार्बन डेटिंग

कार्बन डेटिंग कार्बन-14 के क्षय का उपयोग करके हजारों साल पुरानी जैव सामग्री की आयु का निर्धारण करती है। किसी नमूने में बचे कार्बन-14 की मात्रा को मापकर, वैज्ञानिक उसकी आयु का अनुमान लगा सकते हैं।

अंतरिक्ष जांच

नाभिकीय प्रोपल्शन सिस्टम संभावित रूप से बेहतर अंतरिक्ष यात्रा प्रदान करते हैं, पारंपरिक रासायनिक आधार वाले रॉकेटों की तुलना में अंतरिक्ष यानों को अधिक तेज़ और अधिक दूरी तक यात्रा करने की अनुमति देते हैं।

निष्कर्ष

परमाणु और नाभिकीय भौतिकी पदार्थ के मौलिक पहलुओं और इंटरैक्शनों को गहराई से समझने में मदद करता है, जिससे प्रोद्योगिकी की प्रगति और वैज्ञानिक समझ में गहराई आती है। सरल, शास्त्रीय मॉडलों से लेकर परमान्विक और नाभिकीय सिद्धांतों तक, भौतिकी का यह क्षेत्र विकासशील है और हमारे ब्रह्मांड के ज्ञान को विस्तार करता है।

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