नाभिक: कक्षा 12 भौतिकी में द्रव्यमान-ऊर्जा और बंधन-ऊर्जा का महत्व

नाभिक क्या है? कक्षा 12 के लिए परिचय

नाभिक परमाणु का वह केंद्र है जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं। कक्षा 12 के NCERT भौतिकी में नाभिक की संरचना और गुणों को विस्तार से समझाया गया है। प्रोटॉन धनात्मक आवेशित कण हैं, जबकि न्यूट्रॉन आवेशहीन होते हैं। नाभिक का द्रव्यमान लगभग पूरा परमाणु द्रव्यमान होता है, लेकिन इसका आयतन परमाणु के मुकाबले बहुत छोटा होता है।

नाभिक की स्थिरता और ऊर्जा को समझने के लिए हमें द्रव्यमान-ऊर्जा समतुल्यता और नाभिकीय बंधन-ऊर्जा की अवधारणाओं को जानना आवश्यक है।

आइंस्टाइन का द्रव्यमान-ऊर्जा समतुल्यता सिद्धांत (E = mc²)

आइंस्टाइन ने दिखाया कि द्रव्यमान और ऊर्जा एक ही रूप हैं और एक-दूसरे में परिवर्तित हो सकते हैं। इसका सूत्र है:

$$E = mc^2$$

जहाँ,

• $E$ = ऊर्जा (जूल में)
• $m$ = द्रव्यमान (किलोग्राम में)
• $c$ = प्रकाश की गति ($3 imes 10^8$ m/s)

इसका अर्थ है कि थोड़े से द्रव्यमान में बहुत बड़ी ऊर्जा निहित होती है। उदाहरण के लिए, 1 ग्राम पदार्थ में लगभग $9 imes 10^{13}$ जूल ऊर्जा होती है, जो अत्यंत विशाल मात्रा है। यह सिद्धांत नाभिकीय ऊर्जा के स्रोत को समझने में मदद करता है।

नाभिकीय बंधन-ऊर्जा और द्रव्यमान क्षति

नाभिक का द्रव्यमान उसके घटकों (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) के कुल द्रव्यमान से कम होता है। इस अंतर को द्रव्यमान क्षति (Mass Defect) कहते हैं। यह क्षति ऊर्जा के रूप में मुक्त होती है, जिसे बंधन-ऊर्जा (Binding Energy) कहते हैं।

बंधनीय ऊर्जा वह ऊर्जा है जो नाभिक को उसके प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में विभाजित करने के लिए आवश्यक होती है।

उदाहरण:

• ऑक्सीजन-16 ($^{16}O$) नाभिक का द्रव्यमान उसके घटकों के कुल द्रव्यमान से 0.13691 u कम होता है।

बंधन-ऊर्जा की गणना के लिए:

$$E = ext{Mass Defect} imes 931.5 ext{ MeV}$$

यहाँ 1 u = 931.5 MeV के बराबर ऊर्जा के रूप में परिवर्तित होता है।

प्रति न्यूक्लियॉन बंधन-ऊर्जा और नाभिक की स्थिरता

बंधन-ऊर्जा को नाभिक में न्यूक्लियॉनों (प्रोटॉन + न्यूट्रॉन) की संख्या $A$ से विभाजित करके प्रति न्यूक्लियॉन बंधन-ऊर्जा प्राप्त की जाती है। यह मान नाभिक की स्थिरता का संकेत देता है।

मध्यवर्ती द्रव्यमान संख्या के नाभिक सबसे स्थिर होते हैं। हल्के और भारी नाभिकों में यह कम होने के कारण वे विखंडन या संलयन के लिए प्रवण होते हैं।

नाभिकीय बलों के गुण और प्रभाव

नाभिकीय बलें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ बाँधती हैं। ये बल लघु परासी (short-range) और संतृप्त (saturated) होती हैं, अर्थात् ये केवल निकटवर्ती न्यूक्लियॉनों को प्रभावित करती हैं।

इसका मतलब है कि नाभिक में न्यूक्लियॉनों की संख्या बढ़ने पर, प्रत्येक न्यूक्लियॉन पर पड़ने वाला बल स्थिर रहता है। इसलिए भारी नाभिकों में प्रति न्यूक्लियॉन बंधन-ऊर्जा कम हो जाती है, जिससे वे विखंडन के लिए अस्थिर हो जाते हैं।

यह गुण नाभिकीय विखंडन और संलयन में ऊर्जा के मुक्त होने की व्याख्या करता है।

नाभिकीय ऊर्जा के स्रोत: विखंडन और संलयन

नाभिकीय ऊर्जा दो मुख्य प्रक्रियाओं से मुक्त होती है:

• विखंडन (Fission): भारी नाभिक जैसे यूरेनियम-235 का टूटना।
• संलयन (Fusion): हल्के नाभिकों का मिलना, जैसे हाइड्रोजन के नाभिकों का हीलियम बनाना।

दोनों प्रक्रियाओं में द्रव्यमान क्षति होती है, जो ऊर्जा के रूप में निकलती है। यह ऊर्जा नाभिकीय रिएक्टरों और सूर्य की ऊर्जा का स्रोत है।

उदाहरण:

यूरेनियम-235 के विखंडन में लगभग 200 MeV ऊर्जा मुक्त होती है।