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नाभिकीय संलयन

नाभिकीय संलयन में हल्के नाभिक जुड़कर भारी नाभिक बनाते हैं और ऊर्जा निकलती है। सूर्य के क्रोड में लगभग 1.5 करोड़ °C पर चार हाइड्रोजन नाभिक चरणों में (प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला) जुड़कर एक हीलियम नाभिक बनाते हैं। हीलियम का द्रव्यमान चार हाइड्रोजन से लगभग 0.7% कम होता है; वह खोया द्रव्यमान E = mc² से ऊर्जा बन जाता है। गुरुत्व का अंदर दबाना और संलयन की गर्मी का बाहर धकेलना तारे को अरबों साल स्थिर रखता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. सूर्य हाइड्रोजन की विशाल गेंद है। उसके क्रोड में तापमान लगभग 1.5 करोड़ °C है। सूर्य का प्रकाश वहीं से शुरू होता है।
  2. दो हाइड्रोजन नाभिकों पर धन आवेश है, इसलिए वे एक-दूसरे को दूर धकेलते हैं। 60 लाख °C पर वे बहुत धीमे हैं: लौट जाते हैं। तापमान 1.5 करोड़ °C करो और "टकराओ" दबाओ: अब वे इतने पास आते हैं कि जुड़ जाते हैं।
  3. जब गर्म और तेज़ नाभिक मिलते हैं, तो चार हाइड्रोजन नाभिक जुड़कर एक हीलियम नाभिक बनाते हैं। प्रकाश और ऊष्मा निकलती है। यही नाभिकीय संलयन है।
  4. अब तौलो: हीलियम और प्रकाश मिलकर चार हाइड्रोजन से थोड़े हल्के हैं। लगभग 0.7% द्रव्यमान ग़ायब हुआ और ऊर्जा बन गया: E = mc²।
  5. सूर्य फटता या सिकुड़ता क्यों नहीं? गुरुत्व अंदर दबाता है, संलयन की गर्मी बाहर धकेलती है। संलयन-दर का स्लाइडर चलाओ और देखो तारा खुद को सँभाल लेता है।
  6. खुद करो: तापमान बदलो और दो नाभिक टकराओ। वह तापमान खोजो जहाँ वे बस जुड़ने लगते हैं।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

क्या सूर्य आग की तरह जल रहा है?

नहीं। आग को ऑक्सीजन चाहिए और वह रासायनिक परिवर्तन है। सूर्य क्रोड में संलयन से ऊर्जा बनाता है, जो नाभिकीय परिवर्तन है। हाइड्रोजन नाभिकों को हीलियम बनते देखो।

संलयन के लिए इतनी गर्मी क्यों चाहिए?

हाइड्रोजन नाभिक धनात्मक हैं, इसलिए धकेलते हैं। 3D में 60 लाख °C पर धीमे नाभिक लौट गए। केवल तेज़, गर्म नाभिक इतने पास आते हैं कि जुड़ सकें।

ऊर्जा कहाँ से आती है? क्या द्रव्यमान नष्ट होता है?

थोड़ा द्रव्यमान (लगभग 0.7%) ऊर्जा में बदलता है, E = mc²। द्रव्यमान और ऊर्जा मिलाकर वही रहते हैं; पीली पट्टी दिखाती है कि क्या प्रकाश बना।

सूर्य फटता या सिकुड़ता क्यों नहीं?

गुरुत्व अंदर धकेलता है और संलयन की गर्मी बाहर, और दोनों संतुलित हैं। संलयन बढ़े तो तारा फैलकर ठंडा होता है; घटे तो सिकुड़कर गरम होता है।

क्या सूर्य कभी ख़त्म होगा?

हाँ, लगभग 5 अरब साल बाद। उसके क्रोड का लगभग आधा हाइड्रोजन अब तक ख़र्च हो चुका है। बड़ा तारा जल्दी ख़त्म होता है क्योंकि वह ईंधन तेज़ जलाता है।

क्या हम पृथ्वी पर संलयन ऊर्जा बना सकते हैं?

वैज्ञानिक चुंबकीय मशीनों में 10 करोड़ °C से ऊपर इसकी कोशिश करते हैं। विचार वही है जो तुम्हारे "टकराओ" बटन में है: नाभिकों को इतना तेज़ करो कि जुड़ जाएँ। वह तापमान खोजो जहाँ यह बस काम करता है।

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:

  1. 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।
  2. ड्यूटीरियम एक और प्रोटॉन से मिलकर हीलियम-3 बनाता है और गामा प्रकाश की चमक निकलती है।
  3. 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

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

अभ्यास क्विज़

1. नाभिकीय संलयन में क्या होता है?
2. सूर्य का क्रोड लगभग कितने तापमान पर है?
3. सूर्य में चार हाइड्रोजन नाभिक अंत में किसका एक नाभिक बनाते हैं?
4. संलयन में निकली ऊर्जा कहाँ से आती है?
5. संलयन को बहुत ऊँचा तापमान इसलिए चाहिए क्योंकि नाभिक:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

नाभिकीय संलयन आसान शब्दों में क्या है?

जब दो छोटे नाभिक जुड़कर बड़ा नाभिक बनाते हैं और ऊर्जा देते हैं। इसी से सूर्य और तारे चमकते हैं।

संलयन और विखंडन में क्या अंतर है?

संलयन हल्के नाभिकों को जोड़ता है (जैसे हाइड्रोजन से हीलियम)। विखंडन भारी नाभिकों को तोड़ता है (जैसे यूरेनियम)। दोनों में कुछ द्रव्यमान ऊर्जा बनता है।

क्या पृथ्वी पर संलयन से बिजली बन सकती है?

वैज्ञानिक इस पर काम कर रहे हैं, ऐसी मशीनों से जो गैस को चुंबकीय क्षेत्र में 10 करोड़ °C से ऊपर रखती हैं। अभी लंबे समय तक खर्च से ज़्यादा बिजली नहीं मिलती।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

दक्षिण कोरिया고등학교 1학년Environment and energy
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Quantum and the micro world
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Stars and exoplanet systems

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