नाभिक: कक्षा 12 के लिए पूरी जानकारी और महत्वपूर्ण अवधारणाएँ

नाभिक की संरचना और मूलभूत कण

नाभिक परमाणु का वह भाग है जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन स्थित होते हैं। प्रोटॉन धनात्मक आवेशित होते हैं जबकि न्यूट्रॉन आवेशरहित होते हैं।

• प्रोटॉन (Proton): धनात्मक आवेश +1, द्रव्यमान लगभग 1 u
• न्यूट्रॉन (Neutron): आवेश शून्य, द्रव्यमान लगभग 1 u

नाभिक का कुल द्रव्यमान प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान का योग होता है, जिसे द्रव्यमान संख्या (Mass Number) कहते हैं।

नाभिकीय द्रव्य का घनत्व अत्यंत अधिक होता है, लगभग $10^{17} ext{kg/m}^3$। यह घनत्व नाभिक के आकार पर निर्भर नहीं करता, अर्थात छोटे या बड़े नाभिक का घनत्व लगभग समान होता है।

नाभिक की त्रिज्या और द्रव्यमान संख्या का संबंध

नाभिक की त्रिज्या ($r$) द्रव्यमान संख्या ($A$) के साथ निम्नलिखित संबंध में होती है:

$$r = r_0 A^{1/3}$$

जहाँ $r_0$ लगभग 1.2 से 1.3 फेम्टोमीटर (fm) के बराबर होता है। इसका अर्थ है कि नाभिक का आकार द्रव्यमान संख्या के घनमूल के समानुपाती होता है।

उदाहरण के लिए, यदि किसी नाभिक की द्रव्यमान संख्या 8 है और दूसरे की 27, तो उनके त्रिज्या का अनुपात होगा:

$$\frac{r_1}{r_2} = \left(\frac{8}{27}\right)^{1/3} = \frac{2}{3}$$

यह अनुपात दर्शाता है कि द्रव्यमान संख्या बढ़ने पर नाभिक की त्रिज्या भी बढ़ती है, लेकिन घनत्व लगभग स्थिर रहता है।

बंधन ऊर्जा और नाभिकीय स्थिरता

बंधन ऊर्जा (Binding Energy) वह ऊर्जा होती है जो नाभिक के प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ बांधे रखती है। यह ऊर्जा नाभिक के द्रव्यमान की कमी (Mass Defect) के कारण उत्पन्न होती है।

• बंधन ऊर्जा जितनी अधिक होती है, नाभिक उतना ही स्थिर होता है।
• हल्के नाभिकों में बंधन ऊर्जा कम होती है, इसलिए वे संलयन (Fusion) की प्रक्रिया में ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं।
• भारी नाभिक विखंडन (Fission) के दौरान ऊर्जा छोड़ते हैं।

बंधन ऊर्जा प्रति नाभिकीय कण के रूप में भी मापी जाती है, जो नाभिक की स्थिरता का संकेत देती है।

बन्धन ऊर्जा का सूत्र:

$$E_b = \Delta m \times c^2$$

जहाँ $\Delta m$ द्रव्यमान की कमी है और $c$ प्रकाश की गति है।

रेडियोधर्मिता और नाभिकीय क्षय

रेडियोधर्मिता (Radioactivity) नाभिक की अस्थिरता का संकेत है जिसमें नाभिक स्वतः विकिरण उत्सर्जित करता है। यह विकिरण तीन प्रकार का हो सकता है:

• α-कण (Alpha particles): हेलीम के नाभिक, +2 आवेशित
• β-कण (Beta particles): इलेक्ट्रॉन या पॉजिट्रॉन
• γ-किरणें (Gamma rays): उच्च ऊर्जा की विद्युतचुंबकीय किरणें

उदाहरण के लिए, बीटा विकिरण में एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन में परिवर्तित होता है, इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होता है।

रेडियोधर्मी नाभिक का आधा जीवन ($T_{1/2}$) वह समय होता है जिसमें नाभिकों की संख्या आधी हो जाती है।

उदाहरण: यदि आधा जीवन 3 घंटे है, तो 9 घंटे में गतिविधि घटकर $\frac{1}{8}$ हो जाएगी।

नाभिकीय ऊर्जा के स्रोत: संलयन और विखंडन

नाभिकीय ऊर्जा के दो मुख्य स्रोत हैं:

1. संलयन (Fusion): हल्के नाभिकों का मिलकर भारी नाभिक बनाना। यह प्रक्रिया सूर्य और तारों में ऊर्जा का मुख्य स्रोत है। संलयन के लिए उच्च ताप और दबाव की आवश्यकता होती है ताकि कूलॉम अवरोध पार किया जा सके।

2. विखंडन (Fission): भारी नाभिक का टूटकर छोटे नाभिकों में विभाजित होना। यूरेनियम और प्लूटोनियम जैसे भारी नाभिक विखंडन के लिए प्रयोग होते हैं।

इन दोनों प्रक्रियाओं में बंधन ऊर्जा की कमी ऊर्जा के रूप में निकलती है, जो परमाणु ऊर्जा संयंत्रों और हथियारों में उपयोग होती है।

नाभिकीय द्रव्यमान इकाई और भौतिक मात्राएँ

नाभिकीय द्रव्यमान को मापने के लिए परमाणु द्रव्यमान इकाई (atomic mass unit, u) का उपयोग किया जाता है। यह $^{12}C$ परमाणु के द्रव्यमान के 1/12वें भाग के बराबर होती है।

यह तालिका नाभिकीय भौतिकी में प्रयोग होने वाली प्रमुख मात्राओं को दर्शाती है।