समस्थानिक (आइसोटोप) के संदर्भ में, निम्नलिखित में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं ? 1. समान परमाणु क्रमांक किन्तु अलग परमाणु द्रव्यमान वाले परमाणुओं को समस्थानिक कहते हैं । 2. प्रोटियम, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम कार्बन के समस्थानिक हैं । नीचे दिए गए कूट से सही उत्तर चुनिए : कूट :
- (a)केवल 2
- (b)1 और 2 दोनों
- (c)न तो 1 न ही 2
- (d)केवल 1
सही उत्तर — (d), केवल 1। कथन 1 पाठ्यपुस्तक-परिभाषा है और यह बिल्कुल सही है: समस्थानिक एक ही तत्व के वे परमाणु हैं जिनका परमाणु क्रमांक समान है (प्रोटॉनों की समान संख्या, जो तत्व को तय करती है) किन्तु द्रव्यमान क्रमांक भिन्न है, क्योंकि वे भिन्न-भिन्न संख्या में न्यूट्रॉन वहन करते हैं। कथन 2 गलत है: प्रोटियम, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम हाइड्रोजन के तीन समस्थानिक हैं, कार्बन के नहीं। तीनों का परमाणु क्रमांक 1 है — प्रोटियम में कोई न्यूट्रॉन नहीं और द्रव्यमान क्रमांक 1, ड्यूटेरियम में एक न्यूट्रॉन और द्रव्यमान क्रमांक 2, ट्रिटियम में दो न्यूट्रॉन और द्रव्यमान क्रमांक 3। कार्बन के समस्थानिक कार्बन-12, कार्बन-13 और कार्बन-14 हैं, सभी का परमाणु क्रमांक 6 है। तो केवल कथन 1 ही सही है।
- (a)केवल 2 — यह सही परिभाषा को अस्वीकार करता है और गलत उदाहरण को स्वीकार करता है — ठीक सच्चाई का उल्टा। कथन 1 की भाषा, 'समान परमाणु क्रमांक किन्तु अलग परमाणु द्रव्यमान', समस्थानिकों की मानक परिभाषा है और इसमें कोई दोष नहीं निकाला जा सकता।
- (b)1 और 2 दोनों — सबसे लुभावना गलत उत्तर, क्योंकि कथन 1 स्पष्ट रूप से सही है और एक जल्दबाज़ पाठक वह भरोसा कथन 2 तक ले जाता है। किन्तु प्रोटियम, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम हाइड्रोजन के समस्थानिक हैं; इस त्रिक का कार्बन से कोई संबंध नहीं है, जिसके समस्थानिक C-12, C-13 और C-14 हैं।
- (c)न तो 1 न ही 2 — कथन 1 सही है, इसलिए 'न तो' नहीं टिक सकता। केवल कथन 2, जो हाइड्रोजन के समस्थानिकों को गलत ढंग से कार्बन को सौंप देता है, गलत है।
किसी परमाणु की पहचान उसके परमाणु क्रमांक Z से तय होती है, नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या; द्रव्यमान क्रमांक A प्रोटॉन व न्यूट्रॉन का योग है। प्रोटॉन गिनती स्थिर रखते हुए न्यूट्रॉन गिनती बदलें तो आपको समस्थानिक मिलते हैं — समान तत्व, समान रसायन, भिन्न द्रव्यमान व भिन्न नाभिकीय स्थिरता। A को स्थिर रखें और इसके बजाय Z बदलें तो आपको समभारिक (isobars) मिलते हैं (उदाहरण के लिए आर्गन-40 व कैल्शियम-40)। चूँकि समस्थानिकों की इलेक्ट्रॉन-व्यवस्था समान होती है, वे रासायनिक रूप से लगभग अभेद्य होते हैं; वे घनत्व, विसरण-दर व रेडियोधर्मिता जैसे भौतिक गुणों में भिन्न होते हैं। 'आइसोटोप' शब्द 1913 में फ्रेडरिक सोडी द्वारा गढ़ा गया था।
यह प्रश्न एक ही अदला-बदली पर बना है। यह परिभाषा को सही ढंग से बताता है और फिर हाइड्रोजन के समस्थानिक-नामों को कार्बन से जोड़ देता है, इस भरोसे पर कि जो उम्मीदवार 'कार्बन-14 डेटिंग' याद रखते हैं वे 'समस्थानिक' शब्द देखते ही कार्बन को सबसे आगे रखेंगे। बचाव यह है कि नामों का शाब्दिक अर्थ याद रखें: प्रोटियम है 'पहला' (एक अकेला प्रोटॉन), ड्यूटेरियम है 'दूसरा' (प्रोटॉन प्लस एक न्यूट्रॉन) और ट्रिटियम है 'तीसरा' (प्रोटॉन प्लस दो न्यूट्रॉन) — एक गणना-क्रम जो केवल हाइड्रोजन के लिए ही अर्थ रखता है, वह तत्व जिसमें केवल एक प्रोटॉन है। हाइड्रोजन ही वह एकमात्र तत्व है जिसके समस्थानिकों के अलग-अलग नाम हैं।
- हाइड्रोजन के तीन समस्थानिक हैं: प्रोटियम (1 प्रोटॉन, 0 न्यूट्रॉन, द्रव्यमान क्रमांक 1, प्राकृतिक हाइड्रोजन का 99.9 प्रतिशत से अधिक), ड्यूटेरियम (1 न्यूट्रॉन, द्रव्यमान क्रमांक 2) और ट्रिटियम (2 न्यूट्रॉन, द्रव्यमान क्रमांक 3); केवल ट्रिटियम रेडियोधर्मी है, जिसकी अर्ध-आयु लगभग 12.3 वर्ष है
- कार्बन के समस्थानिक कार्बन-12 व कार्बन-13 हैं, दोनों स्थिर, और कार्बन-14, जो रेडियोधर्मी है, जिसकी अर्ध-आयु लगभग 5,730 वर्ष है और यही रेडियोकार्बन डेटिंग का आधार है
- ड्यूटेरियम ऑक्साइड (D2O) भारी जल है, भारत के दाबित भारी-जल रिएक्टरों में मॉडरेटर; ड्यूटेरियम व ट्रिटियम थर्मोन्यूक्लियर हथियारों व संलयन अनुसंधान में नाभिकीय संलयन का ईंधन हैं
- समस्थानिकों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान होती है इसलिए रासायनिक अभिक्रियाओं में वे लगभग एक जैसा व्यवहार करते हैं; इसके विपरीत, समभारिकों (isobars) का द्रव्यमान क्रमांक समान किन्तु परमाणु क्रमांक भिन्न होता है, और समन्यूट्रॉनिकों (isotones) में न्यूट्रॉनों की संख्या समान होती है
- अधिकांश प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिक स्थिर होते हैं — समस्थानिक होने का अर्थ स्वयं रेडियोधर्मी होना नहीं है
कथन 1 की परिभाषा ठीक यही तालिका है। किन्तु नामित त्रिक हाइड्रोजन का है, कार्बन का नहीं, इसलिए कथन 2 असफल होता है — जिससे विकल्प (d), केवल 1, प्राप्त होता है।
- प्रोटियम, ड्यूटेरियम व ट्रिटियम को कार्बन से जोड़ देना क्योंकि कार्बन-14 डेटिंग सबसे परिचित समस्थानिक-कहानी है
- समस्थानिकों (समान परमाणु क्रमांक, भिन्न द्रव्यमान क्रमांक) को समभारिकों (समान द्रव्यमान क्रमांक, भिन्न परमाणु क्रमांक) से भ्रमित करना
- यह मान लेना कि हर समस्थानिक रेडियोधर्मी होता है — कार्बन-12, कार्बन-13, प्रोटियम व ड्यूटेरियम सभी स्थिर हैं
UPPSC परिभाषा व मानक उदाहरणों को सीधे पूछता है, प्रायः इसी जैसे दो-कथन मद के रूप में; UPSC अनुप्रयोग परत को तरजीह देता है — किस समस्थानिक का किसलिए उपयोग होता है, स्किंटिलेशन काउंटर एक गामा-उत्सर्जक को कैसे पहचानता है, या भारी जल किसी रिएक्टर के भीतर क्या करता है।
निम्नलिखित में से कौन-सा रेडियोधर्मी नहीं है?
- (a) एस्टेटीन
- (b) फ्रांसियम
- (c) ट्रिटियम
- (d) ज़िरकोनियम
उत्तर(d) ज़िरकोनियम
वही अवधारणा, नाभिकीय-स्थिरता के पक्ष से परखी गई। इसकी व्याख्या इस पर टिकी है कि ट्रिटियम हाइड्रोजन का एक बीटा-उत्सर्जक समस्थानिक है और ज़िरकोनियम के कई स्थिर समस्थानिक हैं — यही वह भेद है जिसका दुरुपयोग यहाँ कथन 2 करता है, हाइड्रोजन के समस्थानिकों और सामान्यतः स्थिर समस्थानिकों के बीच।
एक नाभिकीय रिएक्टर में भारी जल का कार्य है
- (a) न्यूट्रॉनों की गति धीमी करना
- (b) न्यूट्रॉनों की गति बढ़ाना
- (c) रिएक्टर को ठंडा करना
- (d) नाभिकीय अभिक्रिया को रोकना
उत्तर(a) न्यूट्रॉनों की गति धीमी करना
भारी जल ड्यूटेरियम ऑक्साइड है, इसलिए यह प्रश्न इस बारे में है कि हाइड्रोजन के एक समस्थानिक का वास्तविक उपयोग क्या है। यह वह मानक अनुवर्ती प्रश्न है जो UPSC तब पूछता है जब उम्मीदवार जान चुका होता है कि ड्यूटेरियम क्या है।
रेडियोधर्मिता के संदर्भ में, निम्नलिखित में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं ? 1. रेडियोधर्मिता एक नाभिकीय गुण है । 2. हाइड्रोजन बम नाभिकीय विखंडन के सिद्धांत पर तैयार किया जाता है । नीचे दिए गए कूटों का उपयोग कर सही उत्तर चुनिए । कूट :
- (a) केवल 1
- (b) केवल 2
- (c) 1 और 2 दोनों
- (d) न तो 1 न ही 2
उत्तर(a) केवल 1
भौतिकी के दूसरे पक्ष पर वही हाइड्रोजन समस्थानिक: हाइड्रोजन बम ड्यूटेरियम व ट्रिटियम के संलयन से कार्य करता है, इसलिए इसे विखंडन-युक्ति कहने वाला कथन गलत है। UPPSC इस छोटे हाइड्रोजन-समस्थानिक तथ्य-समूह को चक्रों में बार-बार खोदता रहा है।
- अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं
समान द्रव्यमान क्रमांक किन्तु भिन्न परमाणु क्रमांक वाले परमाणुओं को क्या कहते हैं?
- (a)समस्थानिक
- (b)समभारिक
- (c)समन्यूट्रॉनिक
- (d)समावयवी
उत्तर(b) समभारिक — उदाहरण के लिए आर्गन-40 व कैल्शियम-40, जिनका द्रव्यमान क्रमांक 40 समान है किन्तु प्रोटॉन-संख्या भिन्न है।
- अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं
नाभिकीय रिएक्टरों में मॉडरेटर के रूप में उपयोग होने वाला भारी जल हाइड्रोजन के किस समस्थानिक का ऑक्साइड है?
- (a)प्रोटियम
- (b)ड्यूटेरियम
- (c)ट्रिटियम
- (d)हीलियम-3
उत्तर(b) ड्यूटेरियम — भारी जल ड्यूटेरियम ऑक्साइड, D2O है।