नाभिकीय संलयन क्या है?
परमाणु के केंद्र को नाभिक कहते हैं। नाभिकीय संलयन में दो हल्के नाभिक जुड़कर एक भारी नाभिक बनाते हैं और ऊर्जा निकलती है। यह विखंडन का उलटा है, जहाँ एक भारी नाभिक टूटता है। संलयन जलना नहीं है: कुछ जलता नहीं और ऑक्सीजन नहीं लगती।
संलयन सूर्य और रात में दिखने वाले सब तारों को शक्ति देता है। सूर्य के प्रकाश के रूप में जो ऊर्जा हम तक आती है, वह सूर्य के क्रोड के संलयन की ऊर्जा है, और पृथ्वी की लगभग सारी ऊर्जा उसी से चलती है।
इसके लिए बहुत ऊँचा तापमान क्यों चाहिए
नाभिक धन आवेशित होते हैं और धन धन को दूर धकेलता है। जुड़ने के लिए दो नाभिकों को इतना पास आना पड़ता है कि बहुत कम दूरी का आकर्षण (प्रबल नाभिकीय बल) काम करने लगे। इसके लिए तेज़ गति चाहिए। ऊँचा तापमान यानी तेज़ कण, और ऊँचा दाब कणों को पास-पास भरता है ताकि वे बार-बार मिलें।
सूर्य के क्रोड में तापमान लगभग 1.5 करोड़ °C है और पदार्थ पानी से 100 गुना से ज़्यादा घना दबा है। फिर भी ज़्यादातर मुलाक़ातें असफल होती हैं; कभी-कभी नाभिक धकेलने वाली दीवार के आर-पार निकल जाते हैं (क्वांटम सुरंगन)। सूर्य इतना विशाल है कि ये दुर्लभ सफलताएँ भी मिलकर बहुत ऊर्जा देती हैं।
प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला
सूर्य चार हाइड्रोजन नाभिकों (प्रोटॉनों) को छोटे चरणों में जोड़कर हीलियम बनाता है, इसे प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला कहते हैं:
- दो प्रोटॉन जुड़ते हैं। एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है और ड्यूटीरियम (भारी हाइड्रोजन) बनता है; एक नन्हा कण न्यूट्रिनो और एक पॉज़िट्रॉन बाहर निकलते हैं।
- ड्यूटीरियम एक और प्रोटॉन से मिलकर हीलियम-3 बनाता है और गामा प्रकाश की चमक निकलती है।
- दो हीलियम-3 नाभिक मिलकर हीलियम-4 बनाते हैं और दो प्रोटॉन वापस देते हैं।
कुल परिणाम: 4 H → 1 He + ऊर्जा। सूर्य से लगभग 1.3 गुना भारी तारे दूसरी श्रृंखला (CNO चक्र) अपनाते हैं, जिसमें कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन सहायक होते हैं, पर अंत वही रहता है।
द्रव्यमान ऊर्जा बन जाता है
आइंस्टीन ने दिखाया कि द्रव्यमान और ऊर्जा एक ही चीज़ के दो रूप हैं: E = m c², जहाँ c प्रकाश की चाल (3 × 10⁸ मी/से) है। हीलियम नाभिक उसे बनाने वाले चार हाइड्रोजन से थोड़ा हल्का होता है; यह खोया द्रव्यमान (द्रव्यमान क्षति) प्रकाश, ऊष्मा और न्यूट्रिनो के रूप में निकल जाता है।
हाइड्रोजन का लगभग 0.7% द्रव्यमान खो जाता है। c² बहुत बड़ा है, इसलिए थोड़ा द्रव्यमान भी बहुत ऊर्जा देता है: 1 kg हाइड्रोजन के संलयन से लगभग 6 × 10¹⁴ J मिलता है। सूर्य हर सेकंड लगभग 40 लाख टन द्रव्यमान को ऊर्जा में बदलता है।
स्थिर तारा और पृथ्वी पर संलयन
मुख्य अनुक्रम का तारा वह है जो अपने क्रोड में हाइड्रोजन का संलयन कर रहा है। वह इसलिए स्थिर रहता है कि गुरुत्व अंदर दबाता है और संलयन की गर्मी बाहर धकेलती है। संलयन ज़्यादा हो तो क्रोड फूलता है, ठंडा होता है और संलयन धीमा पड़ता है। कम हो तो गुरुत्व क्रोड को दबाता है, वह गरम होता है और संलयन तेज़ होता है। इसी स्वयं-सुधार संतुलन से सूर्य लगभग 10 अरब साल चमकता है।
बड़े तारों के पास ईंधन ज़्यादा है पर वे उसे बहुत तेज़ जलाते हैं, इसलिए केवल लाखों साल जीते हैं; छोटे तारे सैकड़ों अरब साल जीते हैं। पृथ्वी पर वैज्ञानिक चुंबकीय "बोतलों" में 10 करोड़ °C से ऊपर हाइड्रोजन के दो भारी रूपों (ड्यूटीरियम और ट्राइटियम) का संलयन करने की कोशिश करते हैं। इससे कार्बन डाइऑक्साइड नहीं बनती, पर इसे लगातार चलाना बहुत कठिन है।
करके देखो
3D में तापमान स्लाइडर चलाओ और "टकराओ" दबाओ। पहले अनुमान लगाओ: क्या 1 करोड़ °C पर वे जुड़ेंगे? फिर जाँचो। घर पर दो चुंबक एक जैसे ध्रुव आमने-सामने रखकर पास लाने की कोशिश करो: जो धक्का महसूस होता है वह दो नाभिकों के बीच के धक्के जैसा है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- E = m c² (c = 3 × 10⁸ मी/से)
- 4 ¹H → ⁴He + 2 पॉज़िट्रॉन + 2 न्यूट्रिनो + ऊर्जा (प्रति हीलियम लगभग 26.7 MeV)
- 1 u = 931.5 MeV
- खोया द्रव्यमान ≈ संलयित हाइड्रोजन का 0.7%
- सूर्य का क्रोड: लगभग 1.5 करोड़ °C
हल किए गए उदाहरण
1. 1 kg हाइड्रोजन का हीलियम में संलयन होता है और 0.7% द्रव्यमान खो जाता है। कितनी ऊर्जा निकलेगी?
खोया द्रव्यमान = 0.007 kg। E = m c² = 0.007 × (3 × 10⁸)² = 0.007 × 9 × 10¹⁶ = 6.3 × 10¹⁴ J।
2. सूर्य हर सेकंड 3.8 × 10²⁶ J ऊर्जा देता है। वह हर सेकंड कितना द्रव्यमान ऊर्जा में बदलता है?
m = E / c² = 3.8 × 10²⁶ / 9 × 10¹⁶ ≈ 4.2 × 10⁹ kg, यानी लगभग 40 लाख टन प्रति सेकंड।
3. चार हाइड्रोजन परमाणुओं का द्रव्यमान 4.0313 u है और उनसे बने हीलियम परमाणु का 4.0026 u। निकली ऊर्जा निकालो (1 u = 931.5 MeV)।
Δm = 4.0313 − 4.0026 = 0.0287 u। E = 0.0287 × 931.5 ≈ 26.7 MeV।
4. 1 kg कोयला जलने पर लगभग 3 × 10⁷ J देता है। 1 kg हाइड्रोजन का संलयन (6.3 × 10¹⁴ J) कितने गुना ज़्यादा ऊर्जा देता है?
6.3 × 10¹⁴ / 3 × 10⁷ = 2.1 × 10⁷, यानी लगभग 2.1 करोड़ गुना ज़्यादा।
आम गलतियाँ
- सूर्य को "हाइड्रोजन जलाते" कहना। वह उसका संलयन करता है; जलने में ऑक्सीजन चाहिए और वह रासायनिक परिवर्तन है।
- संलयन और विखंडन को उलझाना। संलयन हल्के नाभिक जोड़ता है; विखंडन भारी नाभिक तोड़ता है।
- सोचना कि द्रव्यमान नष्ट हो जाता है। वह ऊर्जा में बदलता है; द्रव्यमान और ऊर्जा मिलाकर संरक्षित रहते हैं।
- भूल जाना कि नाभिक एक-दूसरे को धकेलते हैं, इसलिए ऊँचा तापमान चाहिए।