MPSC 2025 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 55 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (2) — बीटा क्षय. बीटा-वजा क्षयात, अस्थिर अणुकेंद्रकातील एक न्यूट्रॉन प्रोटॉनमध्ये रूपांतरित होतो व त्याचवेळी एक इलेक्ट्रॉन (बीटा कण) व एक प्रतिन्यूट्रीनो उत्सर्जित करतो; बीटा-अधिक क्षयात एक प्रोटॉन न्यूट्रॉनमध्ये रूपांतरित होतो व त्याचवेळी एक पॉझिट्रॉन व एक न्यूट्रीनो उत्सर्जित करतो. व्होल्फगांग पाउली यांनी 1930 मध्ये सर्वप्रथम न्यूट्रीनोच्या अस्तित्वाची कल्पना मांडली, ती विशेषतः बीटा क्षयातील एका कोड्याचे निराकरण करण्यासाठी — उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन एकाच निश्चित ऊर्जेऐवजी सलग विस्तृत ऊर्जा-श्रेणी दाखवत असल्याचे आढळले होते, जे ऊर्जा व संवेगाच्या अक्षयतेचा भंग करत असल्यासारखे भासत होते, जोपर्यंत तिसरा, तोपर्यंत सापडलेला नसलेला कणही प्रत्येक क्षय-घटनेत काही ऊर्जा व संवेग घेऊन जात असणार असे मानले जात नाही. एन्रिको फर्मी यांनी 1934 मध्ये आपल्या बीटा-क्षय सिद्धांतात हे बसवले व त्या कणाला न्यूट्रीनो ('लहान तटस्थ कण') हे नाव दिले; 1956 मध्ये क्लाईड कोवान व फ्रेडरिक राईन्स यांनी प्रायोगिकरीत्या त्याचे अस्तित्व सिद्ध केले. न्यूट्रीनो (किंवा प्रतिन्यूट्रीनो) हा बीटा क्षयात ऊर्जा, संवेग व लेप्टॉन-संख्या यांचा समतोल राखण्यासाठी अंगभूत असल्याने, त्याचे उत्सर्जन विशेषतः बीटा क्षयाचे वैशिष्ट्य आहे, प्रश्नात नमूद इतर क्षय वा विकिरण प्रक्रियांचे नव्हे.

• (1)अल्फा क्षय — अल्फा क्षय म्हणजे जड अस्थिर अणुकेंद्रकातून अल्फा कण — म्हणजे दोन प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉन एकत्र बांधलेले हेलियम-4 केंद्रक — उत्सर्जित होणे, ज्यामुळे केंद्रकाची वस्तुमान-संख्या 4 ने व अणुक्रमांक 2 ने कमी होतो. ही एक द्विपिंड प्रक्रिया आहे (मूळ केंद्रक एका उपकेंद्रकात व अल्फा कणात विभागले जाते) जी कोणत्याही अतिरिक्त उत्सर्जित कणाशिवाय ऊर्जा व संवेग समतोल राखते, त्यामुळे यात न्यूट्रीनोचा सहभाग नसतो.
• (3)गॅमा क्षय — गॅमा क्षय म्हणजे केंद्रक उत्तेजित ऊर्जा-अवस्थेतून खालच्या अवस्थेत उतरताना उच्च-ऊर्जा फोटॉन (गॅमा किरण) उत्सर्जित करणे, हे सामान्यतः अल्फा किंवा बीटा क्षयाने केंद्रकातील प्रोटॉन वा न्यूट्रॉन-संख्या आधीच बदलल्यानंतर लगेच घडते. यात केंद्रकाची वस्तुमान-संख्या वा अणुक्रमांक बदलत नाही आणि केवळ विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित होते, कोणताही न्यूट्रीनो नव्हे.
• (4)एक्स रे — एक्स-किरण हे विद्युतचुंबकीय विकिरण असून सहसा केंद्रकाबाहेर तयार होते — वेग मंदावणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांमुळे (ब्रेम्सस्ट्राहलुंग) किंवा अणूच्या आतील कवचातील रिकाम्या जागेत भरण्यासाठी इलेक्ट्रॉन ऊर्जा-पातळ्यांदरम्यान उतरल्याने (वैशिष्ट्यपूर्ण एक्स-किरण) — म्हणजे ही अणु-इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया आहे, केंद्रकीय क्षय प्रक्रिया मुळीच नाही, आणि त्यात न्यूट्रीनोचा सहभाग नसतो.

बीटा क्षय हा किरणोत्सर्गाच्या तीन शास्त्रीय प्रकारांपैकी एक आहे (अल्फा व गॅमा क्षयासोबत), आणि त्याचे दोन रूप आहेत — बीटा-वजा क्षय, ज्यात न्यूट्रॉनचे प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन व प्रतिन्यूट्रीनोमध्ये रूपांतर होते (n → p + e⁻ + प्रतिन्यूट्रीनो), आणि बीटा-अधिक क्षय, ज्यात प्रोटॉनचे न्यूट्रॉन, पॉझिट्रॉन व न्यूट्रीनोमध्ये रूपांतर होते (p → n + e⁺ + न्यूट्रीनो). न्यूट्रीनो (किंवा प्रतिन्यूट्रीनो) या प्रक्रियेसाठी अत्यावश्यक आहे, कारण त्यामुळेच बीटा क्षय ऊर्जा, रेषीय संवेग व लेप्टॉन-संख्या एकाच वेळी समतोलात राखू शकतो — तो नसता, तर उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनांचा निरीक्षित सलग ऊर्जा-वर्णपट ज्ञात अक्षयता-नियमांत बसवताच आला नसता, आणि नेमके हेच कोडे पाउली यांना मुळात या कणाचे अस्तित्व सुचवण्यास प्रवृत्त करते.

एमपीएससीचा भौतिकशास्त्र विभाग प्रत्येक प्रकारच्या किरणोत्सर्गी क्षयाचे विशिष्ट वेगळेपण — काय उत्सर्जित होते, आणि केंद्रकाची वस्तुमान-संख्या व अणुक्रमांक बदलतात की नाही — वारंवार तपासतो, कारण केंद्रकीय-भौतिकशास्त्र स्मरण-प्रश्न सहसा याच पद्धतीने रचले जातात. न्यूट्रीनो हे विशेषतः बीटा-क्षयाचे लक्षण आहे, आणि बीटा-इलेक्ट्रॉनांच्या सलग ऊर्जा-वर्णपटाच्या ऐतिहासिक कोड्यातून ते कसे समोर आले, हेच या प्रश्नातून तपासले जाणारे नेमके तथ्य आहे.

• बीटा-वजा क्षय: न्यूट्रॉनचे प्रोटॉनमध्ये रूपांतर होते, इलेक्ट्रॉन व प्रतिन्यूट्रीनो उत्सर्जित होतात; बीटा-अधिक क्षय: प्रोटॉनचे न्यूट्रॉनमध्ये रूपांतर होते, पॉझिट्रॉन व न्यूट्रीनो उत्सर्जित होतात.
• व्होल्फगांग पाउली यांनी 1930 मध्ये बीटा-क्षय इलेक्ट्रॉनांच्या सलग ऊर्जा-वर्णपटाचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी, ऊर्जा व संवेगाच्या अक्षयतेचा भंग न करता, न्यूट्रीनोच्या अस्तित्वाची कल्पना मांडली.
• एन्रिको फर्मी यांनी 1934 मध्ये बीटा क्षयाचा सिद्धांत औपचारिकपणे मांडला व त्या कणाला न्यूट्रीनो हे नाव दिले; 1956 मध्ये कोवान व राईन्स यांनी त्याचे अस्तित्व प्रायोगिकरीत्या सिद्ध केले.
• अल्फा क्षयात हेलियम-4 केंद्रक उत्सर्जित होतो, गॅमा क्षयात फोटॉन उत्सर्जित होतो, आणि यांपैकी कोणतीही प्रक्रिया न्यूट्रीनो उत्सर्जित करत नाही; केवळ बीटा क्षयच करतो.

• प्रत्येक किरणोत्सर्गी क्षयासोबत न्यूट्रीनो उत्सर्जित होतो असे गृहीत धरणे, ते विशेषतः बीटा क्षयापुरतेच मर्यादित असताना
• गॅमा क्षय (केंद्राची वस्तुमान-संख्या वा अणुक्रमांक न बदलणारी फोटॉन-उत्सर्जन प्रक्रिया) व बीटा क्षय (अणुक्रमांक बदलणारी कण-रूपांतरण प्रक्रिया) यांत गल्लत करणे
• एक्स-किरणांना केंद्रकीय किरणोत्सर्गाची घटना मानणे, ती प्रत्यक्षात अणु-इलेक्ट्रॉन घटना असताना

एमपीएससीचा विज्ञान विभाग वारंवार एखाद्या विशिष्ट प्रकारच्या किरणोत्सर्गी क्षयाचे वैशिष्ट्यपूर्ण कण वा विकिरण कोणते असे विचारतो, आणि यातून अल्फा, बीटा व गॅमा क्षयासाठी केंद्रकात काय बदलते व काय उत्सर्जित होते याची स्वतंत्रपणे नेमकी आठवण तपासली जाते.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  बीटा क्षयात निरीक्षित सलग ऊर्जा-वर्णपटाचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी न्यूट्रीनोच्या अस्तित्वाची कल्पना सर्वप्रथम कोणी मांडली ?

  • (a)एन्रिको फर्मी
  • (b)व्होल्फगांग पाउली
  • (c)अर्नेस्ट रदरफोर्ड
  • (d)जेम्स चॅडविक

  उत्तर(b) व्होल्फगांग पाउली — त्यांनी बीटा क्षयात ऊर्जा व संवेगाची अक्षयता टिकवण्यासाठी 1930 मध्ये न्यूट्रीनोची कल्पना मांडली; नंतर फर्मी यांनी सिद्धांत औपचारिक केला व 1934 मध्ये त्या कणाला नाव दिले.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  कोणत्या प्रकारचा किरणोत्सर्गी क्षय केंद्राची वस्तुमान-संख्या किंवा अणुक्रमांक न बदलता त्याची उत्तेजित ऊर्जा-अवस्था बदलतो ?

  • (a)अल्फा क्षय
  • (b)बीटा-वजा क्षय
  • (c)बीटा-अधिक क्षय
  • (d)गॅमा क्षय

  उत्तर(d) गॅमा क्षय — आधीच बनलेला केंद्रक उत्तेजित अवस्थेतून खालच्या ऊर्जा-अवस्थेत उतरताना फोटॉन उत्सर्जित करतो, त्याची प्रोटॉन व न्यूट्रॉन-संख्या अपरिवर्तित राहते.