जेंव्हा α-कण किरणोत्सारी घटकातून बाहेर पडतात तेंव्हा
- (1)अणुअंक 2 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 4 ने कमी होतो
- (2)अणुअंक 1 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 2 ने कमी होतो
- (3)अणुअंक 1 ने वाढतो
- (4)अणुअंक आणि अणुवस्तुमानांक बदलत नाही
बरोबर उत्तर पर्याय (1) — 'अणुअंक 2 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 4 ने कमी होतो'. उत्तर थेट α-कण म्हणजे नेमके काय, यातूनच निघते. α-कण म्हणजे अणुवस्तुमानांक चार असलेले हेलियमचे अणुकेंद्रक : दोन प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉन एकत्र बांधलेले, धनप्रभार दोन, आणि इलेक्ट्रॉन एकही नाही. एखादे जड किरणोत्सारी अणुकेंद्रक असा कण बाहेर टाकते तेव्हा त्याच्यातून नेमके तेच चार न्यूक्लिऑन जातात, दुसरे काहीही नाही. अणुअंक म्हणजे व्याख्येनेच अणुकेंद्रकातील प्रोटॉनांची संख्या, आणि दोन प्रोटॉन निघून गेले आहेत, म्हणून तो दोनने घटतो. अणुवस्तुमानांक म्हणजे प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांची एकूण संख्या, आणि चार न्यूक्लिऑन निघून गेले आहेत, म्हणून तो चारने घटतो. या हिशेबात व्याख्येपलीकडे अर्थ लावण्यासारखे काहीच नाही, आणि म्हणूनच हा प्रश्न भौतिकीच्या वेशातला प्रत्यक्षात व्याख्येचाच प्रश्न आहे. याचा परिणाम असा की तयार होणारे नवे अणुकेंद्रक हे मूळ मूलद्रव्याची फक्त हलकी आवृत्ती नसते, तर ते पूर्णपणे वेगळे मूलद्रव्यच असते — आवर्त सारणीत मूळ मूलद्रव्याच्या दोन घरे डावीकडे उभे राहणारे. सॉडी व फॅजान्स यांच्या विस्थापन नियमाचा हा α-भाग आहे. काही प्रमाण उदाहरणे लक्षात ठेवली की नियम क्षणात तपासता येतो. युरेनियम-238 चा अणुअंक 92 आहे; एक α-कण बाहेर टाकल्यावर ते थोरियम-234 होते, ज्याचा अणुअंक 90 — म्हणजे अणुवस्तुमानांक चारने आणि अणुअंक दोनने घटला. रेडियम-226, अणुअंक 88, त्याच हिशेबाने रेडॉन-222 होते, ज्याचा अणुअंक 86; आणि रेडॉन हा वायू असल्यानेच किरणोत्साराचा हा टप्पा आरोग्याच्या दृष्टीने महत्त्वाचा ठरतो. या प्रश्नात उरलेले तीन पर्याय नेमके काय दाखवतात हेही पाहण्यासारखे आहे : एक β-क्षयाचे वर्णन देतो, एक कोणताच बदल होत नाही असे म्हणतो, आणि एक अर्धवट व चुकीचा हिशेब मांडतो. म्हणजे संपूर्ण पर्यायसंच किरणोत्साराच्या तीन प्रकारांच्या परिणामांवरच बांधलेला आहे, आणि तिन्ही प्रकार वेगळे ठेवता येणे हीच इथली खरी परीक्षा आहे. मराठी स्तंभात 'जेंव्हा' व 'तेंव्हा' असे अनुस्वारासह छापले आहे; ती छपाईची बाब असून अर्थावर तिचा परिणाम नाही.
- (2)अणुअंक 1 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 2 ने कमी होतो — हा पर्याय बरोबर उत्तरातील दोन्ही आकडे नेमके निम्मे करून तयार केला आहे, आणि तो अशा उमेदवाराला पकडतो ज्याला दिशा बरोबर आठवते — दोन्ही राशी घटतात — पण त्यामागचा कण आठवत नाही. किरणोत्सारात कोणतेही अणुकेंद्रक 'अर्धा α-कण' बाहेर टाकत नाही; प्रोटॉन व न्यूट्रॉन हे अखंड कण असतात आणि α-कण म्हणजे त्यांचा ठरावीक, चार न्यूक्लिऑनांचा बांधलेला संच. शिवाय हे आकडे कोणत्याही खऱ्या क्षयप्रकाराशी जुळत नाहीत : निसर्गात आढळणाऱ्या तीनही मुख्य प्रकारांत अणुअंक दोनने घटतो, एकने वाढतो, किंवा तसाच राहतो. या पर्यायाला बाद करण्याचा सर्वात सोपा मार्ग म्हणजे आकडे लक्षात ठेवण्याऐवजी कणच लक्षात ठेवणे — हेलियमचे अणुकेंद्रक, दोन प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉन — कारण मग दोन व चार हे आकडे पाठ करावेच लागत नाहीत, ते आपोआप निघतात.
- (3)अणुअंक 1 ने वाढतो — हे विधान खरे आहे, पण वेगळ्याच क्षयप्रकाराबद्दल : ते β-ऋण क्षयाचे वर्णन आहे. त्यात अणुकेंद्रकातील एक न्यूट्रॉन प्रोटॉनमध्ये रूपांतरित होतो आणि त्याबरोबर एक इलेक्ट्रॉन व एक प्रतिन्यूट्रिनो बाहेर पडतात; प्रोटॉन एकने वाढल्याने अणुअंक एकने वाढतो, पण न्यूक्लिऑनांची एकूण संख्या तेवढीच राहत असल्याने अणुवस्तुमानांक बदलत नाही आणि नवे मूलद्रव्य आवर्त सारणीत एक घर उजवीकडे सरकते. प्रश्न मात्र α-कणाविषयी विचारतो, आणि α व β यांचे परिणाम एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेला जातात — एकात अणुअंक घटतो, दुसऱ्यात वाढतो. या पर्यायात आणखी एक इशारा दडलेला आहे : तो अणुवस्तुमानांकाविषयी काहीच सांगत नाही. दोन्ही राशींपैकी एकाचाच उल्लेख करणारा पर्याय दिसला की तो अपुरा आहे का, हे आधी तपासावे.
- (4)अणुअंक आणि अणुवस्तुमानांक बदलत नाही — हे वर्णन γ-उत्सर्जनाचे आहे, α-उत्सर्जनाचे नाही. उद्दीपित अवस्थेतील अणुकेंद्रक उच्च ऊर्जेचा फोटॉन बाहेर टाकून खालच्या ऊर्जास्थितीत जाते; त्यात कोणताही न्यूक्लिऑन बाहेर पडत नाही आणि प्रभारही बदलत नाही, म्हणून अणुअंक व अणुवस्तुमानांक दोन्ही तसेच राहतात. γ-उत्सर्जन बहुधा α किंवा β क्षयानंतरच घडते, कारण त्या क्षयाने तयार झालेले नवे अणुकेंद्रक उद्दीपित अवस्थेत उरलेले असते. α-कण मात्र प्रत्यक्ष वस्तुमान व प्रभार घेऊन बाहेर पडतो, म्हणून त्यानंतर काहीच बदलले नाही असे असूच शकत नाही. तिन्ही प्रकारांची भेदक शक्तीही लक्षात ठेवण्यासारखी : α सर्वात जास्त आयनीकरण करणारा पण सर्वात कमी भेदक, आणि γ सर्वात जास्त भेदक — म्हणूनच किरणोत्सारापासून संरक्षणाचे नियम प्रकारानुसार वेगवेगळे असतात.
किरणोत्सार म्हणजे अस्थिर अणुकेंद्रकाने प्रारण बाहेर टाकून अधिक स्थिर अवस्थेकडे जाणे. 1896 साली हेन्री बेक्वेरल यांना युरेनियममध्ये ही घटना आढळली आणि पुढे मेरी व पिएर क्युरी यांनी पोलोनियम व रेडियम वेगळे करून तिचा अभ्यास पुढे नेला. प्रारणाचे तीन प्रकार आहेत आणि तिन्हींचे अणुकेंद्रकावर होणारे परिणाम वेगवेगळे असतात. α-कण म्हणजे हेलियमचे अणुकेंद्रक — दोन प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉन, धनप्रभार दोन; तो बाहेर पडल्यावर अणुअंक दोनने व अणुवस्तुमानांक चारने घटतो आणि नवे मूलद्रव्य आवर्त सारणीत दोन घरे डावीकडे जाते. β-ऋण क्षयात अणुकेंद्रकातील न्यूट्रॉनाचे प्रोटॉनात रूपांतर होते आणि एक इलेक्ट्रॉन व प्रतिन्यूट्रिनो बाहेर पडतात; अणुअंक एकने वाढतो, अणुवस्तुमानांक तसाच राहतो, आणि नवे मूलद्रव्य एक घर उजवीकडे सरकते. γ-उत्सर्जनात उद्दीपित अणुकेंद्रक फक्त उच्च ऊर्जेचा फोटॉन बाहेर टाकते; अणुअंक व अणुवस्तुमानांक दोन्ही अपरिवर्तित राहतात. α व β यांच्या परिणामांचे हे नियम एकत्रितपणे सॉडी व फॅजान्स यांचा विस्थापन नियम म्हणून ओळखले जातात. भेदक शक्तीच्या दृष्टीने क्रम उलटा असतो : α-कण सर्वाधिक आयनीकरण करतो पण कागदाच्या पानानेही अडतो, β-कण त्याहून अधिक भेदक असतो पण धातूच्या पातळ पत्र्याने अडतो, आणि γ-किरण सर्वाधिक भेदक असून त्यांना अडवण्यासाठी शिसे किंवा जाड काँक्रीट लागते. किरणोत्साराचा दर अर्धायुष्याने मोजला जातो — दिलेल्या नमुन्यातील निम्मी अणुकेंद्रके क्षय पावण्यास लागणारा काळ — आणि तो त्या समस्थानिकाचे वैशिष्ट्य असून तापमान किंवा दाबाने बदलत नाही.
अणुकेंद्रकीय भौतिकी एमपीएससीच्या सामान्य विज्ञान विभागात मोजक्या पण निश्चित मुद्द्यांवर विचारली जाते, आणि किरणोत्साराचे तीन प्रकार व त्यांचे परिणाम हा त्यातला सर्वात नियमित मुद्दा आहे. या प्रश्नाचा पर्यायसंच त्याचे उत्तम उदाहरण आहे : चारपैकी एक पर्याय α-क्षयाचा, एक β-क्षयाचा, एक γ-उत्सर्जनाचा, आणि एक पूर्णपणे बनावट आकड्यांचा. म्हणजे तिन्ही प्रकार वेगळे ठेवता येत असतील तर उत्तर काही सेकंदांत मिळते, आणि ते वेगळे ठेवता येत नसतील तर चारही पर्याय सारखेच वाटतात. या गटाची तयारी आकडे पाठ करून नव्हे तर कण ओळखून करावी : α-कण म्हणजे हेलियमचे अणुकेंद्रक हे एकदा पक्के झाले की दोन व चार हे आकडे आपोआप निघतात, आणि β-क्षयात इलेक्ट्रॉन बाहेर पडतो हे पक्के झाले की अणुअंक का वाढतो हेही आपोआप कळते. आयोग याच घटकावर आणखी काही ठरावीक प्रश्न विचारते : भेदक शक्तीचा क्रम, अर्धायुष्याची व्याख्या व त्यावर आधारित सोपी आकडेमोड, कार्बन डेटिंग, आणि किरणोत्सारी समस्थानिकांचे वैद्यकीय व औद्योगिक उपयोग. या सर्वांची तयारी एकाच वेळी होते, कारण त्या सर्वांचा पाया तीन प्रकारच्या क्षयांचे परिणाम हाच आहे. शिवाय हा घटक रसायनशास्त्राच्या आवर्त सारणीशीही जोडलेला आहे, कारण क्षयानंतर मूलद्रव्य सारणीत कोणत्या दिशेला सरकते हा प्रश्न वारंवार विचारला जातो.
- α-कण म्हणजे अणुवस्तुमानांक चार असलेले हेलियमचे अणुकेंद्रक — दोन प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉन — आणि म्हणून तो धनप्रभार दोन वाहून नेतो.
- अणुकेंद्रकाने α-कण बाहेर टाकल्यावर त्याचा अणुअंक दोनने व अणुवस्तुमानांक चारने घटतो, त्यामुळे तयार होणारे नवे मूलद्रव्य आवर्त सारणीत मूळ मूलद्रव्याच्या दोन घरे डावीकडे उभे राहते; सॉडी व फॅजान्स यांच्या विस्थापन नियमाचा हा α-भाग आहे.
- β-ऋण क्षयात अणुकेंद्रकातील एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन बनतो आणि त्याबरोबर एक इलेक्ट्रॉन व एक प्रतिन्यूट्रिनो बाहेर पडतात; त्यामुळे अणुअंक एकने वाढतो, अणुवस्तुमानांक तसाच राहतो आणि नवे मूलद्रव्य एक घर उजवीकडे सरकते.
- γ-उत्सर्जन म्हणजे उद्दीपित अणुकेंद्रकाने उच्च ऊर्जेचा फोटॉन बाहेर टाकणे; त्यात अणुअंक व अणुवस्तुमानांक दोन्ही बदलत नाहीत, आणि ते बहुधा α किंवा β क्षयानंतर, नवे अणुकेंद्रक उद्दीपित अवस्थेत उरल्यामुळे घडते.
- युरेनियम-238 α-कण बाहेर टाकून थोरियम-234 होते आणि रेडियम-226 होऊन रेडॉन-222 बनते. भेदक शक्तीच्या क्रमात α सर्वाधिक आयनीकरण करणारा व सर्वात कमी भेदक असतो, तर γ सर्वाधिक भेदक असतो.
प्रमाण उदाहरणांवर तपासून पाहा : U-238 (Z=92) चा α-क्षय होऊन Th-234 (Z=90) बनते; Ra-226 (Z=88) चे Rn-222 (Z=86) होते — म्हणूनच रेडियमयुक्त खडकातून रेडॉन वायू झिरपतो. हा सॉडी व फॅजान्स यांच्या विस्थापन नियमाचा α-संबंधी भाग आहे.
- α व β क्षयांचे परिणाम एकमेकांच्या जागी लावणे; एकात अणुअंक दोनने घटतो, तर दुसऱ्यात तो एकने वाढतो
- γ-उत्सर्जनात काहीतरी वस्तुमान बाहेर पडते असे समजणे; तिथे फक्त ऊर्जा बाहेर पडते आणि दोन्ही अंक तसेच राहतात
- अणुअंक व अणुवस्तुमानांक यांच्यापैकी एकाचाच उल्लेख करणारा अपुरा पर्याय पूर्ण मानणे
- आकडे पाठ करून कण विसरणे; α-कण म्हणजे हेलियमचे अणुकेंद्रक हे लक्षात ठेवले की दोन व चार हे आकडे आपोआप निघतात
किरणोत्सारावर एमपीएससी ठरावीक आकारांत प्रश्न विचारते : कोणत्या क्षयात अणुअंक व अणुवस्तुमानांक कसे बदलतात, तीन प्रारणांपैकी सर्वात भेदक किंवा सर्वात जास्त आयनीकरण करणारे कोणते, अर्धायुष्यावर आधारित सोपी आकडेमोड, आणि एखाद्या मूलद्रव्याचा क्षय होऊन कोणते मूलद्रव्य तयार होते. यांतले पहिले दोन आकार जवळजवळ दरवर्षी कोणत्या ना कोणत्या राज्यसेवा परीक्षेत दिसतात. तयारीसाठी सर्वात कार्यक्षम मार्ग म्हणजे तीन ओळींचा एक तक्ता लक्षात ठेवणे — α : अणुअंक उणे दोन, अणुवस्तुमानांक उणे चार; β-ऋण : अणुअंक अधिक एक, अणुवस्तुमानांक तोच; γ : दोन्ही तेच — आणि त्या तक्त्याला भेदक शक्तीचा उलटा क्रम जोडणे. आवर्त सारणीशी असलेला दुवाही लक्षात ठेवावा, कारण क्षयानंतर मूलद्रव्य डावीकडे की उजवीकडे सरकते हा प्रश्न रसायनशास्त्राच्या अंगानेही विचारला जातो. युरेनियम-238 पासून थोरियम-234 आणि रेडियम-226 पासून रेडॉन-222 ही दोन उदाहरणे तयार ठेवली की कोणतीही आकडेमोड क्षणात तपासता येते.
या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
β-ऋण क्षयात अणुकेंद्रकाच्या अणुअंक व अणुवस्तुमानांकाचे काय होते ?
- (a)अणुअंक 1 ने वाढतो आणि अणुवस्तुमानांक तोच राहतो
- (b)अणुअंक 1 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 1 ने कमी होतो
- (c)अणुअंक 2 ने कमी होतो आणि अणुवस्तुमानांक 4 ने कमी होतो
- (d)दोन्ही बदलत नाहीत
उत्तर(1) अणुअंक 1 ने वाढतो आणि अणुवस्तुमानांक तोच राहतो — β-ऋण क्षयात अणुकेंद्रकातील एक न्यूट्रॉन प्रोटॉनमध्ये रूपांतरित होतो आणि त्याबरोबर एक इलेक्ट्रॉन व एक प्रतिन्यूट्रिनो बाहेर पडतात; प्रोटॉन वाढल्याने अणुअंक वाढतो, पण न्यूक्लिऑनांची एकूण संख्या तेवढीच राहते. दोन घटींचा पर्याय α-क्षयाचा आहे आणि 'दोन्ही बदलत नाहीत' हा γ-उत्सर्जनाचा.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
α, β व γ या प्रारणांचा भेदक शक्तीनुसार चढता क्रम कोणता ?
- (a)γ < β < α
- (b)α < β < γ
- (c)β < α < γ
- (d)α < γ < β
उत्तर(2) α < β < γ — α-कण जड व दुप्पट प्रभाराचा असल्याने तो सर्वाधिक आयनीकरण करतो पण कागदाच्या पानानेही अडतो; β-कण हलका असल्याने अधिक आत जातो पण धातूच्या पातळ पत्र्याने अडतो; आणि γ-किरण प्रभाररहित उच्च ऊर्जेचे प्रारण असल्याने सर्वाधिक भेदक असतात व त्यांना अडवण्यासाठी शिसे किंवा जाड काँक्रीट लागते. आयनीकरण शक्तीचा क्रम याच्या नेमका उलटा असतो.