1938 में क्रिसमस की छुट्टी पर, भौतिक विज्ञानी लिस मित्नेर और ओटो फ्रिस्क ने परमाणु रसायनज्ञ ओटो हैन के एक निजी पत्र में वैज्ञानिक समाचार प्राप्त किया। जब न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम पर बमबारी करते हैं, तो हाहन ने कुछ आश्चर्यजनक अवलोकन किए थे जो परमाणुओं के घने कोर के बारे में उस समय ज्ञात हर चीज के खिलाफ गए थे - उनके नाभिक।
Meitner और Frisch ने जो कुछ देखा उसके लिए एक स्पष्टीकरण प्रदान करने में सक्षम थे कि वह परमाणु भौतिकी के क्षेत्र में क्रांति लाएगा: एक यूरेनियम नाभिक आधे में विभाजित हो सकता है - या विखंडन, जैसा कि उन्होंने इसे कहा - दो नए नाभिक का उत्पादन, विखंडन टुकड़े कहा जाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात, यह विखंडन प्रक्रिया भारी मात्रा में ऊर्जा जारी करती है। द्वितीय विश्व युद्ध की सुबह में यह खोज सत्ता के इस नए परमाणु स्रोत को समझने और उसका उपयोग करने के लिए एक वैज्ञानिक और सैन्य दौड़ की शुरुआत थी।
लियो स्ज़ीलार्ड विखंडन प्रक्रिया पर व्याख्यान देते हैं (आर्गोनो नेशनल लेबोरेटरी, सीसी बाय-एनसी-एसए) अकादमिक समुदाय को इन निष्कर्षों की रिहाई ने कई परमाणु वैज्ञानिकों को तुरंत परमाणु विखंडन प्रक्रिया की जांच करने के लिए प्रेरित किया। भौतिक विज्ञानी लियो स्लेजार्डमेड एक महत्वपूर्ण अहसास है: यदि विखंडन न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करता है, और न्यूट्रॉन विखंडन को प्रेरित कर सकते हैं, तो एक नाभिक के विखंडन से न्यूट्रॉन दूसरे नाभिक के विखंडन का कारण बन सकते हैं। यह एक स्व-निरंतर "चेन" प्रक्रिया में सभी कैस्केड कर सकता है।
इस प्रकार प्रायोगिक रूप से यह साबित करने के लिए खोज शुरू हुई कि परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है - और 75 साल पहले, शिकागो विश्वविद्यालय के शोधकर्ता सफल हुए, जो परमाणु युग बन जाएगा।
विखंडन का दोहन
द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान परमाणु बम बनाने के मैनहट्टन परियोजना के प्रयास के हिस्से के रूप में, ज़ीलार्ड ने शिकागो विश्वविद्यालय में भौतिक विज्ञानी एनरिको फर्मी और अन्य सहयोगियों के साथ मिलकर दुनिया का पहला प्रायोगिक परमाणु रिएक्टर बनाया।
एक निरंतर, नियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए, प्रत्येक विखंडन को केवल एक अतिरिक्त विखंडन प्रेरित करना होगा। कोई और, और एक विस्फोट होगा। किसी भी कम और प्रतिक्रिया बाहर होगा।
नोबेल पुरस्कार विजेता एनरिको फर्मी ने इस परियोजना का नेतृत्व किया (आर्गनेने नेशनल लेबोरेटरी, सीसी बाय-एनसी-एसए) पहले के अध्ययनों में, फर्मी ने पाया था कि यूरेनियम नाभिक न्यूट्रॉन को आसानी से अवशोषित कर लेगा अगर न्यूट्रॉन अपेक्षाकृत धीमी गति से आगे बढ़ रहे थे। लेकिन यूरेनियम के विखंडन से निकलने वाले न्यूट्रॉन तेजी से होते हैं। तो शिकागो प्रयोग के लिए, भौतिकविदों ने कई बिखराव प्रक्रियाओं के माध्यम से उत्सर्जित न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए ग्रेफाइट का उपयोग किया। यह विचार एक अन्य यूरेनियम नाभिक द्वारा अवशोषित होने की न्यूट्रॉन की संभावनाओं को बढ़ाने के लिए था।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे श्रृंखला प्रतिक्रिया को सुरक्षित रूप से नियंत्रित कर सकते हैं, टीम ने एक साथ धांधली की जिसे उन्होंने "नियंत्रण छड़" कहा। ये तत्व कैडमियम की एक उत्कृष्ट न्यूट्रॉन अवशोषक की चादरें थीं। भौतिकविदों ने यूरेनियम-ग्रेफाइट ढेर के माध्यम से नियंत्रण छड़ को काट दिया। प्रक्रिया के हर चरण में फर्मी ने अपेक्षित न्यूट्रॉन उत्सर्जन की गणना की, और धीरे-धीरे अपनी अपेक्षाओं की पुष्टि करने के लिए एक नियंत्रण रॉड को हटा दिया। एक सुरक्षा तंत्र के रूप में, कैडमियम नियंत्रण छड़ को जल्दी से डाला जा सकता है अगर कुछ गलत होने लगे, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया को बंद करने के लिए।
शिकागो पाइल 1, 1942 में शिकागो विश्वविद्यालय में एक एथलेटिक क्षेत्र के स्टैंड में बनाया गया था। (आर्गनेन नेशनल लेबोरेटरी, सीसी बाय-एनसी-एसए) उन्होंने इस 20x6x25-फुट सेटअप को शिकागो पाइल नंबर वन, या सीपी -1 को संक्षिप्त रूप में कहा - और यह था कि उन्होंने 2 दिसंबर, 1942 को दुनिया की पहली नियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया प्राप्त की। एक एकल यादृच्छिक न्यूट्रॉन श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रक्रिया शुरू करने के लिए पर्याप्त था। एक बार भौतिकविदों ने सीपी -1 को इकट्ठा किया। पहला न्यूट्रॉन यूरेनियम नाभिक पर विखंडन को प्रेरित करेगा, नए न्यूट्रॉन का एक सेट उत्सर्जित करेगा। ये द्वितीयक न्यूट्रॉन ग्रेफाइट में कार्बन नाभिक से टकराते हैं और धीमे हो जाते हैं। तब वे अन्य यूरेनियम नाभिक में चले जाते हैं और विखंडन प्रतिक्रियाओं के एक दूसरे दौर को प्रेरित करते हैं, और भी अधिक न्यूट्रॉन उत्सर्जित करते हैं, और उस पर। कैडमियम नियंत्रण छड़ ने सुनिश्चित किया कि यह प्रक्रिया अनिश्चित काल तक जारी नहीं रहेगी, क्योंकि फर्मी और उनकी टीम श्रृंखला की प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए उन्हें कैसे और कहां सम्मिलित कर सकती है।
एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया। हरे रंग के तीर नए न्यूट्रॉन उत्सर्जित करते हुए दो विखंडन टुकड़ों में एक यूरेनियम नाभिक का विभाजन दिखाते हैं। इनमें से कुछ न्यूट्रॉन नए विखंडन प्रतिक्रियाओं (काले तीर) को प्रेरित कर सकते हैं। कुछ न्यूट्रॉन अन्य प्रक्रियाओं (नीले तीर) में खो सकते हैं। लाल तीर विलंबित न्यूट्रॉन दिखाते हैं जो बाद में रेडियोधर्मी विखंडन टुकड़ों से आते हैं और जो नई विखंडन प्रतिक्रियाओं को प्रेरित कर सकते हैं। (एरिन ओ'डॉनेल, एमएसयू, सीसी बाय-एसए द्वारा संशोधित माइकरुन) श्रृंखला प्रतिक्रिया को नियंत्रित करना बेहद महत्वपूर्ण था: यदि उत्पादित और अवशोषित न्यूट्रॉन के बीच संतुलन बिल्कुल सही नहीं था, तो श्रृंखला प्रतिक्रियाएं या तो बिल्कुल भी आगे नहीं बढ़ेंगी, या अन्य बहुत अधिक खतरनाक चरम में, श्रृंखला प्रतिक्रियाएं रिलीज के साथ तेजी से गुणा करेंगी ऊर्जा की भारी मात्रा में।
कभी-कभी, परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया में विखंडन के कुछ सेकंड बाद, अतिरिक्त न्यूट्रॉन निकल जाते हैं। विखंडन के टुकड़े आम तौर पर रेडियोधर्मी होते हैं, और उनमें न्यूट्रॉन के बीच विभिन्न प्रकार के विकिरण का उत्सर्जन हो सकता है। दूर, एनरिको फर्मी, लियो स्ज़ीलार्ड, यूजीन विग्नर और अन्य ने चेन रिएक्शन को नियंत्रित करने में इन तथाकथित "देरी न्यूट्रॉन" के महत्व को मान्यता दी।
यदि उन्हें ध्यान में नहीं लिया गया, तो ये अतिरिक्त न्यूट्रॉन प्रत्याशित की तुलना में अधिक विखंडन प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करेंगे। नतीजतन, उनके शिकागो प्रयोग में परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया संभावित विनाशकारी परिणामों के साथ नियंत्रण से बाहर हो सकती है। अधिक महत्वपूर्ण बात, हालांकि, इस बार विखंडन और अधिक न्यूट्रॉन की रिहाई के बीच की देरी मानव श्रृंखला के लिए प्रतिक्रिया और समायोजन करने के लिए कुछ समय की अनुमति देती है, श्रृंखला प्रतिक्रिया की शक्ति को नियंत्रित करती है ताकि यह बहुत तेजी से आगे न बढ़े।
परमाणु ऊर्जा संयंत्र आज 30 देशों में काम करते हैं। (एपी फोटो / जॉन बेज़ेमोर) 2 दिसंबर, 1942 की घटनाओं ने एक विशाल मील का पत्थर चिह्नित किया। परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया का निर्माण और नियंत्रण कैसे किया जाता है, यह पता लगाना आज दुनिया भर में ऊर्जा उत्पादन करने वाले 448 परमाणु रिएक्टरों की नींव है। वर्तमान में, 30 देशों ने अपने पावर पोर्टफोलियो में परमाणु रिएक्टरों को शामिल किया है। इन देशों के भीतर, परमाणु ऊर्जा उनकी कुल विद्युत शक्ति के औसतन 24 प्रतिशत का योगदान देती है, जो फ्रांस में 72 प्रतिशत तक है।
मैनहट्टन परियोजना की निरंतरता और द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान उपयोग किए गए दो परमाणु बमों के निर्माण के लिए सीपी -1 की सफलता भी आवश्यक थी।
भौतिकविदों के शेष प्रश्न
विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन और परमाणु विखंडन को समझने की खोज आधुनिक परमाणु भौतिकी प्रयोगशालाओं में जारी है। आज की दौड़ परमाणु बम या परमाणु रिएक्टर बनाने के लिए नहीं है; यह प्रयोग और सिद्धांत के बीच घनिष्ठ सहयोग के माध्यम से नाभिक के बुनियादी गुणों की समझ के लिए है।
शोधकर्ताओं ने केवल आइसोटोप की एक छोटी संख्या के लिए प्रयोगात्मक रूप से विखंडन देखा है - प्रत्येक न्यूट्रॉन कितने हैं, इस आधार पर एक तत्व के विभिन्न संस्करण - और इस जटिल प्रक्रिया का विवरण अभी तक अच्छी तरह से समझ में नहीं आया है। अत्याधुनिक सैद्धांतिक मॉडल अवलोकनित विखंडन गुणों को समझाने की कोशिश करते हैं, जैसे कि कितनी ऊर्जा जारी होती है, उत्सर्जित न्यूट्रॉन की संख्या और विखंडन के द्रव्यमान।
विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन केवल नाभिक के लिए होता है जो स्वाभाविक रूप से नहीं होते हैं, और ये नाभिक केवल थोड़े समय के लिए रहते हैं। हालांकि प्रयोगों में कुछ नाभिकों का पता चला है जो विलंबित न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करते हैं, हम अभी तक यह अनुमान लगाने में सक्षम नहीं हैं कि आइसोटोप में यह गुण होना चाहिए। हम विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन या जारी की गई ऊर्जा की मात्रा के लिए सटीक संभावनाएं भी नहीं जानते हैं - ऐसे गुण जो परमाणु रिएक्टरों में ऊर्जा उत्पादन के विवरण को समझने के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं।
इसके अलावा, शोधकर्ता नए नाभिक की भविष्यवाणी करने की कोशिश कर रहे हैं जहां परमाणु विखंडन संभव हो सकता है। वे नए प्रयोग और शक्तिशाली नई सुविधाओं का निर्माण कर रहे हैं जो सीधे इन सभी गुणों को मापने के प्रयास में, नाभिक तक पहुंच प्रदान करेंगे, जिनका अध्ययन पहले कभी नहीं किया गया है। साथ में, नए प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अध्ययन हमें परमाणु विखंडन की बेहतर समझ प्रदान करेंगे, जो परमाणु रिएक्टरों के प्रदर्शन और सुरक्षा को बेहतर बनाने में मदद कर सकते हैं।
दो विलय वाले न्यूट्रॉन सितारों के कलाकार का प्रतिपादन, एक और स्थिति जहां विखंडन होता है। (नासा के गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर / सीआई लैब, सीसी बाय) विखंडन और विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन दोनों प्रक्रियाएं हैं जो सितारों के भीतर भी होती हैं। विशेष रूप से चांदी और सोने जैसे भारी तत्वों का निर्माण विदेशी नाभिक के विखंडन और विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन गुणों पर निर्भर कर सकता है। विखंडन सबसे भारी तत्वों को तोड़ता है और उन्हें लाइटर वाले (विखंडन टुकड़े) के साथ बदल देता है, एक स्टार की तत्व संरचना को पूरी तरह से बदल रहा है। विलंबित न्यूट्रॉन उत्सर्जन, तारकीय वातावरण में अधिक न्यूट्रॉन जोड़ता है, जो तब नई परमाणु प्रतिक्रियाओं को प्रेरित कर सकता है। उदाहरण के लिए, परमाणु गुणों ने न्यूट्रॉन-स्टार विलय की घटना में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई जो हाल ही में दुनिया भर में गुरुत्वाकर्षण-तरंग और विद्युत चुम्बकीय वेधशालाओं द्वारा खोजी गई थी।
विज्ञान ने शिलार्ड की दृष्टि और फर्मी के एक नियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के प्रमाण के बाद से एक लंबा सफर तय किया है। इसी समय, नए प्रश्न उभर कर सामने आए हैं, और उन बुनियादी परमाणु गुणों के बारे में अभी भी बहुत कुछ सीखना है जो श्रृंखला प्रतिक्रिया और इसके ऊर्जा के पृथ्वी पर और हमारे ब्रह्मांड में कहीं और उत्पादन पर इसके प्रभाव को चलाते हैं।
यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।
आर्टेमिस स्पाईरो, न्यूक्लियर एस्ट्रोफिजिक्स, मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी के एसोसिएट प्रोफेसर
वोल्फगैंग मिटिग, भौतिकी के प्रोफेसर, मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी
