ऊर्जेचे अंतरंग-२२: पाण्याचे ऊर्जांतरण

वाफेतली ऊर्जा काढून घेतली तर तिचे पाणी होते. पाण्यातली ऊर्जा काढून घेतली तर त्याचा बर्फ होतो. बर्फातली ऊर्जा काढून घेतली तर त्याचे काय होते? त्याचे तापमान ऊर्जा काढून घेत जावी तसतसे घटत जाते. बर्फाला जसजसे निववत जावे तसतसे निववणार्‍या पदार्थाचे तापमान वाढत जाते. म्हणजे मग तो पदार्थ पुन्हा बर्फास निववू शकत नाही. जेव्हा निववणारे पदार्थच संपत जातात तेव्हा मग बर्फाला आणखी निववणे शक्य होत नाही. कारण मग त्या तापमानापेक्षा कमी तापमानाचे निववणारे पदार्थच उपलब्ध होत नाहीत. अशा तापमानाला निव्वळ शून्य अंश तापमान म्हणतात. लॉर्ड केल्विन ह्यांनी त्याचा शोध लावला म्हणून त्याला शून्य अंश केल्विन म्हणू लागले. प्रत्यक्षात हे तापमान -२७३.१६ अंश सेल्शस एवढे असते. 

निव्वळ शून्य तापमान ही एक तार्किकदृष्ट्या निश्चितपणे गाठली जाणारी अवस्था आहे. तिथे आजवर प्रत्यक्षात कुणीही पोहोचलेला नाही आणि पोहोचण्याची शक्यताही नाही, कारण त्या तापमानावर, ना द्रव पदार्थ राहतात, ना वायूरूप पदार्थ राहू शकतात. केवळ घनरूपसृष्टी. सार्‍या जगाची अहिल्याच काय ती बनून राहते. फक्त शिळा. तेव्हा माणसे ती अवस्था पाहू, अनुभवू शकतील अशी सुतराम शक्यता नाही.

पाण्याचे प्रावस्थांतरण

आता हे उघडच आहे की इथपासून पुन्हा त्या बर्फाला ऊर्जा पुरवली तर त्याचे तापमान वाढू लागेल[१]. शून्य अंश सेल्शिअसला पोहोचल्यावर बर्फाचे पाण्यात रुपांतरण सुरू होईल[२]. पुरेशी ऊर्जा मिळताच शून्य अंश सेल्शिअस तापमानावरच संपूर्ण बर्फाचे पाणी होईल. मग त्या पाण्याला ऊर्जा पुरवत राहू तसतसे त्याचे तापमान वाढत राहील. शंभर अंश सेल्शिअस पर्यंत तापमान वाढल्यावर, ऊर्जा पुरवतच राहिल्यास तापमान न वाढता त्याच तापमानावर पाण्याची वाफ होईल[३].

मात्र ऊर्जा सामावत, वाफ न होऊ देता पाण्याला पाणीच ठेवायचे असेल तर दाब वाढवावा लागतो. उदाहरणार्थ प्रेशर कुकर. कुकरमध्ये पाण्याची वाफ १०० अंश सेल्शसहून अधिक तापमानावर होत असल्याने, जी डाळ एरव्ही सहजी शिजत नाही ती कुकरमध्ये मऊसूत होते. आण्विक भट्ट्यांमध्ये निर्माण होणारी ऊर्जा बाहेर काढण्यासाठी असेच दाबित पाणी वापरले जाते. त्या पाण्याची ३०० अंश सेल्शसहून अधिक तापमानावरही वाफ होऊ नये म्हणून त्या पाण्यास १०० किलोग्रॅम प्रती वर्ग सेंटिमीटर दाबावर ठेवल्या जाते. हे करण्याचे कारण म्हणजे वाफेपेक्षा पाण्यात उष्णतावाहकता जास्त असते व म्हणून मोठ्या प्रमाणावर निर्माण होणार्‍या ऊर्जेस लगबगीने बाहेर काढून घेऊन वाढत्या तापमानाचा धोका टाळता येतो. अशा प्रकारच्या कारणांसाठी दाब वाढवत वाढवत पाण्यास पाणीच ठेवत ऊर्जा देत गेले तर ३७४ अंश सेल्शसच्या आसपास त्या पाण्याची घनता त्याच तापमानावरील व दाबावरील वाफेच्या घनतेएवढीच होते आणि मग पाणी व वाफ ह्यांमध्ये काहीच भेदभाव उरत नाही. पाणीही वाफेगत उडू लागते आणि वाफही पाण्यागत बुडू लागते. अशा संमिश्र कोलाहलाच्या स्थितीला प्राकल (प्लाझ्मा) म्हणतात. अगदी सूर्यात असते तसेच अखंड वायूरूप.

अशाप्रकारे आपण हे पाहिले की पाण्याचा शून्य ऊर्जेकडे होणारा प्रवास त्याला सर्वघन अवस्थेकडे घेऊन जातो. तर त्याच पाण्याचा ऊर्जस्वलतेकडील प्रवास त्याला प्राकलावस्थेत (प्लाझ्मा अवस्थेत, सूर्यांतर्गत असणार्‍या अवस्थेप्रत) सर्ववायू अवस्थेपर्यंत घेऊन जातो.

बर्फाची लादी, फ्रीझमधील बर्फाचे ठोकळे इत्यादी पाण्याच्या घनावस्था आपल्याला माहीत असतात. आपल्या ओळखीच्या असतात. हवेतून पावसाचे पाणी जमिनीवर पडत असता, वाटेतच ते संपूर्णतः गोठते तेव्हा निर्माण होतात गारा. त्याही आपण ओळखतोच. मात्र, जेव्हा हवेतून पडणारे पावसाचे पाणी जमिनीवर पडत असता, एकदम संपूर्णपणे न गोठता सावकाश साखळत जाते तेव्हा, त्याचे स्फटिक तयार होतात. हलव्याला काटे फुटतात, मात्र साखर फुटाणे गुळगुळीतच राहतात, तसे हे असते. साखळत असतांना विस्ताराची संपूर्ण स्वायत्तता मिळत गेल्यास, पाण्याचे स्फटिकांत रूपांतरण होते. तशी स्वायत्तता न मिळाल्यास, किंबहुना तसा अवधीच न मिळाल्यास, त्या पाण्याच्या अचानक गोठून गारा होतात. साखरफुटाण्यांसारख्या.

पाण्याच्या घन म्हणजे बर्फ अवस्थेचा स्पर्श अतिथंड असतो. ह्या थंडाव्याचा उपयोग आपण शीत-कपाटांमध्ये (फ्रीझमध्ये) चांगल्या प्रकारे करून घेत असतो. आईस्क्रीम करत असतो. पदार्थ न नासता ताजे ठेवू शकत असतो. मासे तर बर्फाच्या लाद्यांतच ठेवले जातात. मात्र, हिमनदीवरून तासभर जरी चालायची पाळी आली तरी शरीर गारठून जाते. पायाला हिमदंश होऊ शकतो. बोटांना, हाता-पायांना अचेतनता येते. अवयव निकामी होऊ शकतात.

पाण्याची द्रव अवस्था म्हणजे आपले रोजच्या वापरातले पाणी. हौद, नदी, पाणवठे, जलाशय, तलाव, समुद्र इत्यादींतले पाणी. पावसाचे पाणी. पाण्याचा गुणधर्म थंडावा देण्याचा असतो. स्वच्छ करणारा असतो. सुखावह असतो.

वाफ अवस्थेतले पाणी वायूरूप असते. प्रेशर कुकर मधून बाहेर पडणारी वाफ, वाफेच्या इंजिनातून सोडली जाणारी वाफ, हिवाळ्यात तोंडातून बाहेर पडणारी वाफ, चहाच्या किटलीतून बाहेर उंच झेपावणारी वाफ आपल्या परिचयाचीच असते. वाफ ऊर्जस्वल असते. उष्णता हा तिचा स्वभाव असतो. वाफेने शरीर भाजू शकते.

पाण्याची सर्वाधिक ऊर्जस्वल अवस्था म्हणजे प्राकल. पावसाळ्यात, विशेषतः पावसाळ्याच्या सुरूवातीस आकाशातून पडणारी वीज म्हणजे पाण्याची प्राकल अवस्था होय. ह्या अवस्थेत पाण्यातील मूलके (आयन्स) सुटी होतात. स्वैर संचार करू लागतात. मानवी शरीरास प्राकलाचा स्पर्श अत्यंत हिंसक असतो. वीज अंगावर कोसळल्यास माणसे जळून जातात. झाडे कोळपून कोळसा होतात. इमारती कोसळतात. तरीही प्राकलावस्थेचा उपयोग मानवाने अत्यंत हुशारीने करून घेतलेला आहे. हल्लीचे प्राकल दूरदर्शक (प्लाझ्मा टी.व्ही.) हे त्याचेच एक उदाहरण आहे.

मात्र उष्मा-द्रवचालिकीय (थर्मल हायड्रॉलिक्स) शास्त्रानुसार, बर्फाला ऊर्जा पुरवू लागल्यावर जर सभोवतालच्या वातावरणाचा दाब, समुद्रपातळीवरील वातावरणाच्या दाबाहून कमी असेल, तर पाण्याचा एक वेगळाच प्रवास अनुभवास येतो. ऊर्जाप्राप्तीनंतर त्या बर्फाचे पाणी होत नाही, तर थेट त्याची वाफच होते. आपल्या सभोवतालच्या वातावरणाचा दाब कायमच समुद्रपातळीवरील वातावरणाच्या दाबाच्या आसपासचा राहत असल्याने आपल्याला, असला अद्‌भूत प्रवास कधीही दिसू शकत नाही. ह्या प्रक्रियेस संप्लवन म्हणतात.

साधारणतः इंग्रजी वायच्या आकाराचे दिसणारे खालील आलेखचित्र, दाब x तापमान प्रतलावरील पाण्याचा ऊर्जाप्रवास अभिव्यक्त करत असते. सामान्यपणे आपण मधल्या आडव्या तुटक आलेखरेषेवरच वावरत असतो, जिथे वातावरणीय दाब १ असतो.  इंग्रजी वायच्या उजव्या वर जाणार्‍या आलेखरेषेवर, डावीकडून उजवीकडे जात असता पाणी उकळून वाफ होत असते, म्हणून ह्या आलेखरेषेला उकळण किंवा उत्कलनरेषा म्हणतात. ह्या आलेखरेषेवरील सर्वात वरच्या बिंदूला क्रांतिक बिंदू म्हणतात. इथपासून पुढे पाण्याची ऊर्जा आणखी वाढवत गेल्यास, पाण्याची आणि वाफेची घनता सम-समान होते. मग वाफ पाण्यात बुडू लागते आणि पाणी वाफेत उडू लागते.

संप्लवनाचे शास्त्रीय स्पष्टीकरण

इंग्रजी वायच्या खाली जाणार्‍या आलेखरेषेवर, डावीकडून उजवीकडे जात असता बर्फाचे संप्लवन होऊन त्याचे थेट वाफेतच रूपांतरण होत असते, म्हणून ह्या आलेखरेषेला संप्लवनरेषा म्हणतात. ह्या तिन्ही रेषा ज्या बिंदूत परस्परांना मिळतात, त्या बिंदूवर म्हणजेच त्या दाब आणि तापमानावर, बर्फ, पाणी आणि वाफ तिन्ही प्रावस्था अस्तित्वात राहू शकत असतात, म्हणून त्या बिंदूस त्रय-बिंदू म्हणतात. त्रय-बिंदूपासून डाव्या बाजूस वर जाणारा आलेख, वितळण रेषा व्यक्त करत असतो. ह्या रेषेवर डावीकडून उजवीकडे जात असता बर्फाचे पाणी होत असते.  अशाप्रकारे वरील निळसर भागात पाणी द्रव स्वरूपात राहते. उजवीकडील हिरवट भागात ते वाफरूप वायू स्वरूपात राहते. तर डावीकडील पांढर्‍या भागात पाणी बर्फरूप घन स्वरूपात राहत असते.

विश्वात पाणी त्याच्या शुद्ध प्रावस्थांत तर आढळून येतेच. शिवाय ह्या प्रावस्थांची मिश्रणेही आढळून येतात. जसे की ढग. ढगात पाण्याच्या चारही प्रावस्था आढळून येतात. मात्र ढग ही काही पाण्याची पाचवी शुद्ध प्रावस्था नाही. ढग हे पाण्याच्या चारही प्रावस्थांसहित इतर पदार्थांसोबतचे मिश्रण असते. ढगात धूर, प्रदूषणाचे धुके, धूळ, अपरिमित ऊर्जा, इत्यादी इतर घटकही असू शकतात. कविकुलगुरू महाकवी कालिदास, आपल्या मेघदूत ह्या महाकाव्यात ढगाचे वर्णन खालीलप्रमाणे करतात.

धूमज्योति: सलिलमरुतां संनिपात: क्व मेघ:

      संदेशार्था: क्व पटुकरणै: प्राणिभि: प्रापणीया: ।

इत्यौत्सुदक्यादपरिगणयन्गु्ह्यकस्तं ययाचे

      कामार्ता हि प्रकृतिकृपणाश्चेतनाचेतनेषु ।।  

      - मेघदूत ५/१२८, कविकुलगुरू महाकवी कालिदास

म्हणजे

पाणी, वारा, जलसहित ज्योती, घडे ज्या ढगाला ।

प्राण्यांद्वारे प्रेष्य हितगुजा, पाठवावे तया का ॥

औत्सुक्याने न गणुन मुळी, पाठविले ढगा त्या ।

कामातूरा फरक न कळे, चेतनाचेतनांचा ॥ 

- मराठी अनुवाद: नरेंद्र गोळे २०१५०५२३

अतीउंचीवरचे ढग  ६,००० मीटर किंवा जास्त उंचीवर असतात. त्यांचा रंग सहसा पांढरा असतो. विषेशतः सूर्योदयाच्या किंवा सूर्यास्ताच्या वेळी, यांच्यात आपल्याला अनेक रंगांच्या छटा दिसू शकतात. मध्य उंचीवरचे ढग  १,८०० ते ६,००० मीटर उंचीवर असतात. या ढगांत पाण्याचे खूप छोटे छोटे कण किंवा बर्फाचे स्फटिक असतात.  कमी उंचीवरचे ढग जमिनीपासून ते १,८०० मीटर उंचीपर्यंत राहतात. यात प्रामुख्याने पाण्याचे बारीक कण असतात.

संदर्भः

१.     ऊर्जेचे अंतरंग-०७: शून्य ऊर्जेकडे आणि ऊर्जस्वलतेकडे वाटचाल http://urjasval.blogspot.in/2010/05/blog-post_2820.html#links

२.     शुद्ध पदार्थांची प्रावस्थाचित्रे (फेज डायग्राम्स ऑफ प्युअर सब्सटन्सेस) http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/phasediags.html

३.     ढगांचे प्रकार http://www.iucaa.ernet.in/~scipop/Obsetion/clouds_M.htm

४.     पाण्याचे स्फटिक http://en.wikipedia.org/wiki/Ice

---

[१] एक ग्रॅम पाण्याला, प्रमाण वातावरणीय दाबावर, १ अंश सेल्शस तापवण्याकरता आवश्यक असलेल्या ऊर्जेस एक कॅलरी ऊर्जा म्हटले जाते.

[२] एक ग्रॅम बर्फाचे, प्रमाण वातावरणीय दाबावर, पाण्यात रूपांतरण करण्यास लागणार्‍या ऊर्जेला घनावस्थांतरण ऊर्जा म्हटले जाते. ही ८० कॅलरी इतकी असते.

[३] एक ग्रॅम पाण्याचे, प्रमाण वातावरणीय दाबावर, वाफेत रूपांतरण करण्यास लागणार्‍या ऊर्जेला वायूअवस्थांतरण ऊर्जा म्हटले जाते. ही ५४० कॅलरी इतकी असते.

ऊर्जेचे अंतरंग-२१: प्रारण संवेदक उपकरणे

प्रारण संवेदक उपकरणे१ मुख्यतः दोन प्रकारची असतात. १. दर-मापक उपकरणे आणि २. व्यक्तिगत मात्रा-मापक उपकरणे.



दर-मापक उपकरणे, ज्या दराने प्रारण उपसर्ग होत असतो तो दर मोजतात. ह्यालाच सामान्यपणे प्रारण-तीव्रता म्हणतात. सर्वेक्षण मापक, गजर आणि स्थल-निगराणी-उपकरणे ह्या प्रकारात मोडतात. ही उपकरणे काळासोबत बदलती प्रारण-तीव्रता सादर करत असतात. जसे की राँजन/तास किंवा लघु-राँजन/तास. ह्या उपकरणांची तुलना चारचाकीच्या गतीमापका (स्पीडोमीटर) सोबत केली जाऊ शकते. कारण दोन्हीही प्रकारची उपकरणे कालसापेक्ष एककांत मापन करत असतात.

मात्रा-मापक-उपकरणे, मोजलेल्या काळात ग्रहण केलेला एकूण उपसर्ग मोजत असतात. म्हणूनच या उपकरणांना मात्रा-मापक म्हटले जाते. सामान्यतः औद्योगिक प्रारणालेखनात वापरली जाणारी मात्रा-मापके छोटीशी साधने असतात, ज्यांना व्यक्तीने ग्रहण केलेली मात्रा मापन करण्याकरता व्यक्तीनेच धारण करावी यासाठी अभिकल्पित केलेले असते. ह्या उपकरणांची तुलना चारचाकीच्या अंतरमापका (ऑडोमीटर) सोबत केली जाऊ शकते. कारण दोन्हीही प्रकारची उपकरणे राशी संकलित एककांत मापन करत असतात.

सर्वेक्षण मापक

प्रारण-आलेखक व्यक्तींकरता, प्रारणांचे अस्तित्व आणि त्यांची तीव्रता जाणून घेण्याकरता उपलब्ध साधनांपैकी सर्वात महत्त्वाचे साधन म्हणजे सर्वेक्षण मापक हे असते. घटनांचे पुनरीक्षण (रिव्ह्यू) आणि अति-संसर्गाचे अहवाल असे सुचवतात की या प्रकारच्या बहुतेक घटना तंत्रज्ञाकडे सर्वेक्षण मापक नसल्यमुळे अथवा त्याने ते न वापरल्यामुळे घडून आल्या आहेत.

सर्वेक्षण मापकाचे अनेक निरनिराळे नमुने, कामाच्या ठिकाणी प्रारण मापनार्थ उपलब्ध असतात. ते सारेच मूलतः एक संवेदक आणि एक वाचनदर्शक यांपासून बनलेले असतात. निरंतर आणि अंकित दर्शक उपलब्ध असतात. औद्योगिक प्रारण आलेखनार्थ वापरले जाणारे सर्वेक्षण मापक, वायुव्याप्त संवेदकाचा उपयोग करून घेत असतात.

वायुव्याप्त संवेदक गणक

पोकळ दंडगोल एका विद्युतदंडाचे कार्य करतो आणि अक्षावर ताणून बसवलेली, मध्यवर्ती, पातळ तार, दुसर्‍या विद्युतदंडाचे कार्य करते. या साधनास विभवांतर लावल्यावर, तार धन होते आणि पोकळ दंडगोल ऋण. गणक ज्यावेळी किरणोत्सारी पदार्थाच्या जवळ आणला जातो, त्यावेळी त्यातील वायू मुलकित होतो. विद्युतक्षेत्र, प्रत्येक मुलक-जोडीतील विजकास धनाग्राकडे सरकवते, तर धनभारित वायुच्या अणूंना ऋणाग्राकडे सरकवते. यामुळे प्रारणाशी संबंधित वियुतसंकेत वर्धित होऊन संख्येच्या स्वरूपात प्रदर्शित केला जातो.

मूलक-कक्ष गणक



तुलनेने कमी विभवांतर असल्यामुळे मूलक-कक्षात केवळ सुरूवातीच्या मूलकीकारक घटनांशी संबंधित संकेत गोळा होत असतात. त्यामुळे निष्पन्न होणारा संकेत क्षीण असतो. प्रखर प्रारणच उच्च ऊर्जा आणि सशक्त विभव निर्माण करू शकते. केवळ प्राथमिक मूलकच गोळा होत असल्याने, वास्तविक प्रारण-संसर्गातील ऊर्जा आणि तीव्रतेबाबतची माहिती मिळते. मात्र अशा मापकांचे विजकशास्त्र संकेतवर्धनाचे दृष्टीने संवेदनाक्षम असावे लागते. त्यामुळे अशी उपकरणे बर्‍यापैकी महाग आणि नाजूक असतात. प्रारण-ऊर्जेच्या मोठ्या पल्ल्यात, प्रारण-संसर्गाची अचूक मापने करावयाची असतात, तेव्हा हा खर्च आणि अशी निगा यांची गरज समर्थनीय ठरते. क्ष-किरण जनित्रांतून निर्माण होणार्‍या भेद-प्रारणां (ब्रेमस्ट्रॉहलंग) च्या मापनाकरता हे आवश्यक ठरू शकते. काही वेळा गॅमा किरणालेखन (रेडिओग्राफी) करत असता, वापरलेल्या किरणोत्सारी समस्थानिकाच्या निरपेक्ष, अचूक संसर्ग मापनार्थ मूलक-कक्ष सर्वेक्षण मापक वापरला जातो.

प्रमाणशीर गणक



प्रमाणशीर गणक संवेदक काहीसे जास्त विभवांतर वापरतात. सशक्त विद्युत क्षेत्रामुळे प्राथमिक मूलकीकरणात निर्माण झालेले विद्युतभार त्वरित होऊन, वायूत इतर विजक निर्माण करतात. दुय्यम मूलक-जोड्यांत निर्माण झालेले विजक, प्राथमिक विजकांसहित धन अग्राकडे सरकत असता, ऊर्जा मिळवत राहतात आणि आणखी जास्त मूलकीकरण घडवतात. परिणामतः प्राथमिक मूलकजोडीतील प्रत्येक विजक, मूलकजोड्यांची एक उतरंडच निर्माण करत असतात. ह्या प्रभावास वायू-गुणन किंवा वर्धन म्हटले जाते. ह्या विभव पल्ल्यात, दुय्यम परस्परक्रियांतून मुक्त झालेल्या कणांची संख्या ही पार होत असलेल्या मूलक कणांच्या संख्येच्या थेट प्रमाणात असतात. म्हणून अशा वायू-मुलकीकारक-संवेदकांस प्रमाणशीर गणक म्हणतात. मूलक-कक्ष संवेदकांप्रमाणेच, प्रमाणशीर संवेदकही निरनिराळ्या प्रकारच्या प्रारणांत भेद करतात. मात्र, त्यांना खूपच स्थिर विजकीय आधाराची गरज असते, जो महाग आणि कष्टसाध्य असतो. प्रमाणशीर संवेदक सामान्यपणे केवळ प्रयोगशालेय संचव्यवस्थेत (सेटिंग) च वापरले जातात.

गायगर-मुल्लर गणक

गायगर-मुल्लर गणक आणखीनच उच्च विभवावर म्हणजे ८०० ते १,२०० व्होल्ट विभवावर काम करतात. प्रमाणशीर गणकांप्रमाणेच उच्च विभव प्राथमिक मूलकीकरणांतील विजकांना त्वरित करून दुय्यम विजक निर्माण करवतात. मात्र मूलकजोड्यांची ही मोठ्या प्रमाणात घडून येणारी उतरंड, मूलकांनी गणक संपृक्त होईस्तोवर सुरूच राहते. हे सर्व क्षणांशात घडून येते आणि स्थिर-विभवाचा विद्युत-प्रवाह-फटका निर्माण होतो. गायगर-मुल्लर पल्ल्यात गोळा होणार्‍या मोठ्या संख्येतील दुय्यम मूलकांच्या ह्या ओघास वर्षाव म्हणून ओळखले जाते. ह्यामुळे मोठा विभव-फटका निर्माण होत असतो. दुसर्‍या शब्दांत विद्युतप्रवाह फटक्याचा आकार, त्या फटक्यास कारण असलेल्या प्राथमिक मूलकीकारक घटनेच्या निरपेक्ष असतो. १९०८ मध्ये ह्या गणकाचा शोध लावणार्‍या हॅन्स गायगर आणि पुढे १९२८ मध्ये त्यांच्याच सहयोगाने त्याचा विकास घडवून आणणार्‍या वॉल्टर मुल्लर यांचेच नाव, ह्या गणकास दिले गेलेले आहे.

गायगर-मुल्लर गणकांचे विद्युत-मंडल, फटक्यांच्या संख्येचे गणन करून त्यांची नोंद ठेवते. बहुधा ही माहिती गणित-संख्या/मिनिट अशा स्वरूपात दर्शवली जाते. जर उपकरणास ध्वनिक्षेपक असेल तर फटके श्राव्य संकेतही निर्माण करू शकतात. जेव्हा कक्षातील सर्व वायू संपूर्णतः मूलकित होतो तेव्हा, विद्युतफटक्याचे भारावतरण करेस्तोवर, आणखी मूलक गोळा होणे थांबते. ह्याकरता क्षणांशच लागत असतो, मात्र ही प्रक्रिया स्वतंत्र घटना संवेदण्याचा दर काहीसा मर्यादित करते. मूलक-कक्ष उपकरणांपेक्षा गायगर-मुल्लर गणक सामान्यपणे निम्नस्तरीय प्रारणांकरता जास्त संवेदनाक्षम असतात, कारण ते स्वतंत्र मूलकीकारक घटना दर्शवू शकतात. निष्पन्नांकन (कॅलिब्रेशन) करून, विविक्षित ऊर्जा-पल्ल्यात गणनदर संसर्गदराच्या स्वरूपात दर्शवणे शक्य असते. गॅमा किरण आलेखनाकरता वापरत असता प्रातिनिधिकपणे उपयोगात आणल्या जात असलेल्या ऊर्जेकरता ते निष्पन्नांकित केले जातात. बहुधा ०.६६२ दशलक्ष विजकव्होल्ट पातळीवरील Cs-१३७ गॅमा प्रारणे निष्पन्नांकन पुरवतात. गायगर-मुल्लर गणक मूलक-कक्षाचे अथवा प्रमाणशीर कक्षाचे मानाने खूपच जास्त विजक निर्माण करत असल्याने त्यांचेकरता इतर सर्वेक्षण मापकांच्याच दर्जाच्या विजकीय व्यवस्थापनाची गरज नसते. त्यामुळे मापक स्वस्त आणि बळकट असतात. निरनिराळ्या ऊर्जेच्या प्रकाशकणांसोबत निरनिराळ्या परिमाणात मूलकीकरण करण्याबाबतची असमर्थता आणि भारावतरण केल्याखेरीज पुन्हा तयार न होण्यामुळे निरंतर वापरास योग्य न राहणे ह्या गायगर-मुल्लर गणकाच्या दोन उणीवा आहेत.

वायू-व्याप्त-संवेदकांची तुलना

सोबतचा आलेख वायू-व्याप्त-संवेदकांतील, संकलित मूलकांबाबतचा, वाढत्या उपायोजित विभवासोबत बदलता संबंध दर्शवतो. मूलक-कक्ष-क्षेत्रात विभव तुलनेने कमी असते आणि केवळ प्राथमिक मूलके गोळा केली जातात. प्रमाणशीर-कक्ष-क्षेत्रात विभव काहीसे जास्त असते त्यामुळे प्राथमिक आणि त्यांच्या थेट प्रमाणातील दुय्यम मूलके गोळा होतात. गायगर-मुल्लर-क्षेत्रात धनाग्राभोवतीचा वायू पूर्णतः मूलकित झालेला असल्याने सर्वाधिक दुय्यम मूलके गोळा होतात. निरनिराळ्या प्रकारच्या प्रारणांत मूलक-कक्ष आणि प्रमाणशीर-कक्ष क्षेत्रांत जो भेद संभवतो तो इथे लक्षात घ्यावा. निरनिराळ्या ऊर्जा पातळ्यांतील प्रारणे संवेदकात निरनिराळ्या संख्येत प्राथमिक मूलके निर्माण करतात. मात्र गायगर-मुल्लर क्षेत्रात दर घटनेगणिक गोळा झालेल्या दुय्यम मूलकांची संख्या तीच राहते, मग मूळच्या प्रारणात किती ऊर्जा आहे ह्याच्याशी त्याचा संबंध नसतो. मोठ्या संकेत-फटक्याच्या बदल्यात, निरनिराळ्या ऊर्जेच्या प्रारणांचा अचूक संसर्ग मापण्याची क्षमता गायगर-मुल्लर गणक गमावून बसतो. सर्वेक्षण मापकांकरता आवश्यक असणार्‍या विजकीय व्यवस्था मोठ्या संकेत-फटक्यामुळे खूपच सोप्या होतात.

खिशावरील मात्रामापक



क्ष-किरण वा गॅमा किरणांच्या, धारणकर्त्या व्यक्तीस झालेल्या संसर्गाचे तत्काळ वाचन उपलब्ध व्हावे म्हणून खिशातील मात्रामापक वापरले जातात. नावच सुचवते त्यानुसार, ते सामान्यपणे खिशावरच लावून वापरले जातात. औद्योगिक किरणालेखनात सामान्यपणे वापरल्या जाणार्‍या खिशावरील मात्रामापकाचे दोन प्रकार असतात. थेट-वाचक-खिशावरील-मात्रामापक आणि अंकित-विजकीय- खिशावरील-मात्रामापक.

थेट-वाचक-खिशावरील-मात्रामापक हा सामान्यतः लेखणीच्याच आकार व आकारमानाचा असतो. त्यात एक सुमारे २ लघूलिटर आकारमानाचा छोटासा मूलक-कक्ष असतो. मूलक-कक्षातील मध्यवर्ती तार धनाग्र असते. याच तारेस धातुवेष्टित वालुकातंतू (क्वार्ट्झ फायबर) जोडलेला असतो. जेव्हा धनाग्र धन-विभवाने भारित होतो तेव्हा तो भार धनाग्र-तार आणि वालुकातंतू यांच्यात वितरित होतो. त्यांच्यातील विद्युतस्थैतिकी अपकर्षणामुळे वालुकातंतू प्रतिसारला जातो. जितके विभव जास्त तेवढाच प्रतिसारही जास्त. कक्षावरील प्रारणीय घटना, कक्षातील सक्रिय आकारमानात मूलकीकरण घडवते. त्यात निर्माण झालेले विजक मध्यवर्ती धनाग्राकडे आकर्षित होऊन त्यावर संकलित होतात. त्यामुळे त्यावरील निव्वळ धनभार कमी होतो आणि वालुकातंतूस पूर्वपदावर येणे शक्य करतो. एकूण हालचाल मूलकीकरणाच्या थेट प्रमाणात असते. प्रकाशाच्या स्त्रोताकडे उपकरणाचे तोंड फिरवून तंतूची जागा अंगभूत भिंगांनी निरीक्षित केली जाते. तंतू एका संसर्गाच्या एककांत चिन्हांकित केलेल्या अर्धपारदर्शक पट्टीवर पाहिला जातो. प्रातिनिधिक औद्योगिक किरणालेखन खिशावरील मात्रामापकात पूर्णपट्टी वाचन २०० लघु-राँजन असते, मात्र याहून जास्त परिमाण असलेली अभिकल्पनेही उपलब्ध आहेत. कामाची पाळी सुरू असता वारंवार मात्रामापक वाचनाची दखल घ्यायला हवी. तर प्रत्येक पाळीच्या अखेरीस मोजलेल्या संसर्गाची नोद ठेवायला हवी.

खिशावरील मात्रामापकाचा मुख्य लाभ हा, धारणकर्त्या व्यक्तीस तिला होत असलेल्या संसर्गाचे तत्काळ वाचन उपलब्ध करून देत असतो. खिशावरील मात्रामापक पुन्हपुन्हा वापरला जाऊ शकतो. मर्यादित पल्ला, कायमस्वरूपी नोंद करण्याची असमर्थता तसेच पडल्या वा उसळल्यामुळे वाचन नाहीसे होणे ह्या त्याच्या मुख्य उणीवा आहेत. प्रत्येक कामाच्या पाळीच्या सुरूवातीस मात्रामापक पुनर्भारित आणि नोंद करून घ्यावा लागतो. विद्युतभाराची गळती दर २४ तासात पूर्ण पल्ल्याच्या २% हून मोठी नसावी.

अंकित विजकीय मात्रामापक

हे मात्रामापक मात्रा आणि मात्रा-दर नोंदवतात. हे मात्रामापक बहुधा गायगर-मुल्लर गणक वापरतात. प्रारण संवेदकाचे निष्पादन संकलित केले जाते, जेव्हा पूर्वनिर्धारित संसर्ग-पातळी गाठली जाताच एक विजकीय गणक सुरू होतो. मग गणक एकूण संकलित संसर्ग आणि मात्रा-दर अंकित संकेतांच्या स्वरूपात दर्शवतो. काही अंकित विजकीय मात्रामापक श्राव्य गजराचा समावेश करतात. प्रत्येक वाढत्या संसर्गासोबत ते नाद करतात. काही नमुने, पूर्वनिर्धारित संसर्ग-पातळी गाठली जाताच निरंतर नाद करण्याकरता सुसज्ज केले जाऊ शकतात. ह्या स्वरूपामुळे, थेट-वाचक-खिशावरील-मात्रामापकासोबत होणार्‍या वाचन-चुका किमान राखल्या जातात. ज्यामुळे पुन्हा सुसज्ज करण्या-अगोदर उच्च सर्वाधिक वाचन करणे शक्य होते.

श्राव्य-गजर-दर-मापक आणि अंकित विजकीय मात्रामापक



पूर्वनिर्धारित संसर्ग-पातळी गाठली जाताच एक स्वल्प ’बीप’ किंवा ’चिर्प’ प्रसारित करणारी ही साधने असतात. गॅमा उत्सर्जकांसोबत काम करत असलेल्या व्यक्तींनी ही विजकीय साधने धारण करावित. त्यांच्यामुळे, पूर्वनिर्धारित संसर्ग-पातळीहून प्रारणमात्रा जास्त झाल्याची सूचना किरणालेखकास मिळून, औद्योगिक किरणालेखनातील अपघाती संसर्गाची संभावना घटते . प्रातिनिधिक दर-मापक ४५०-५०० लघु-राँजन/तास यादरम्यान वाजू लागतात. इथे ह्याची नोंद घेणे महत्त्वाचे आहे की, श्राव्य-गजर-दर-मापक, सर्वेक्षण मापकांसारखे असावेत असा उद्देश नसतो व त्यांचे ऐवजीही ते वापरले जाऊ नयेत.

उष्णता-प्रस्फुरक-मात्रामापक (उप्रमा, Thermo-luminescent-dosimeters-TLDs)

अनेकदा फित-पट्टी ऐवजी उष्णता-प्रस्फुरक-मात्रामापक वापरले जातात. फित-पट्टी प्रमाणेच ते (बहुधा तीन महिन्यांच्या अथवा त्याहून कमी) काळाकरता धारण केले जातात. नंतर मग त्यांनी किरणोत्साराची काही मात्रा गोळा केली असल्यास, किती ते निर्धारित करण्याकरता त्यांवर प्रक्रिया करावी लागते. उष्णता-प्रस्फुरक-मात्रामापक अगदी १ लघुरेम इतकी कमी मात्राही मोजू शकतो. पण नियमित परिस्थितींमध्ये त्यांची निम्न-मात्रा-मापन-क्षमता ही फित-पट्टी इतकीच असते. उष्णता-प्रस्फुरक-मात्रामापकाचा नेमकेपणा निम्न-मात्रेकरता सुमारे १५% इतका असतो. तर उच्च-मात्रांकरता तो ३% इतका सुधारतो. इतर व्यक्तिगत-देखरेख-उपकरणांपेक्षा यांचा फायदा हा असतो की त्यांचा मात्रा-प्रतिसाद रेषीय असतो, तुलनेने ऊर्जा-निरपेक्ष असतो आणि ते निम्न-मात्रांकरता संवेदनाक्षम असतात. फित-पट्टीशी तुलना करता ते पुनर्वापरक्षमही असतात. मात्र कायमस्वरूपी नोंद होत नाही किंवा पुनर्वाचन शक्य नसते आणि त्वरित, काम करत असता वाचनही शक्य नसते.

उप्रमा हा लिथियम फ्लुओराईड सारखा घन-स्फटिक-संरचनेतला एक प्रस्फुरक (फॉस्फर) असतो. कक्षीय तापमानावर, मूलकीकारक प्रारणांच्या संसर्गात आल्यास, प्रारण; प्रस्फुरक स्फटिकाशी परस्पर-अभिक्रिया करते आणि आपाती (इन्सिडंट) ऊर्जेपैकी आंशिक किंवा सर्वच ऊर्जा पदार्थात जमा करते. पदार्थातील ऊर्जा शोषणारे काही अणू मूलकात रूपांतरित होतात, ज्यामुळे मुक्त विजक निर्माण होतात, तर एक वा अनेक विजक-विरहित जागा (उणीवा, ज्यांना इंग्रजीत ’होल्स’ म्हणतात) निर्माण होतात. स्फटिकाच्या संरचनेतील अपरिपूर्णतांपाशी मुक्त विजक पकडले जाऊन जागीच खिळवले जातात.

स्फटिक तापवल्यास स्फटिकाची मांडणी थरथरू लागते व पकडलेले विजक मुक्त होतात. ते मुक्त झालेले विजक मूळ जमिनी अवस्थेत परततांना मूलकीकरणात मिळवलेली ऊर्जा उत्सर्जित करतात. यावरूनच उष्णता-प्रस्फुरक हे नाव या पद्धतीस प्राप्त झाले आहे. उत्सर्जित प्रकाश, प्रकाश-गुणक-नलिकेद्वारा मोजला जातो. गणलेल्या प्रकाश कणांची संख्या, प्रस्फुरकावर आदळणार्‍या प्रारणाच्या परिमाणाच्या थेट प्रमाणात असते. फितीची प्रकाशकीय (ऑप्टिकल) घनता (काळेपणा) वाचण्या ऐवजी, स्वतंत्र उष्णता-प्रस्फुरक पदार्थास तापवले असता उत्सर्जित प्रकाश मोजला जातो. अशाप्रकारे निर्मित “उजाळा-रेषे (ग्लो-कर्व्ह)” चा संबंध मग प्रारण-संसर्गाशी जोडला जातो. ही प्रक्रिया अनेकवार पुनरावृत्त करता येते.

१ http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/RadiationSafety/cc_rad-safety_index.htm

नरेंद्र गोळे, narendra.v.gole@gmail.com
.

ऊर्जेचे अंतरंग-२०: किरणोत्साराची देखभाल

किरणोत्सार पाहताही येत नाही आणि अनुभवताही येत नाही. मात्र त्याचा स्वास्थ्यावर हानीकारक प्रभाव पडतो. म्हणून, किरणोत्सारी क्षेत्रात कार्यरत असणार्‍या व्यक्तींची देखभाल करणे अत्यंत आवश्यक असते. ह्या देखभालीच्या साह्याने प्रत्येक व्यक्तीस मिळणार्‍या मात्रेची नोंद ठेवली जाते, ज्यामुळे हे सुनिश्चित करणे शक्य होते, की कोणत्याही कर्मचार्‍यास निर्धारित मात्रेपेक्षा जास्त मात्रा मिळू नये. किरणोत्सार देखभाल अनेक प्रकारे केली जाते.

१. व्यक्तीगत अवशोषित किरणोत्सार मात्रेचे मापन
२. किरणोत्सारी क्षेत्रातील किरणोत्साराचे मापन
३. गतीशील उपकरणाद्वारे किरणोत्साराचे मापन
४. शीतलक आणि द्रव व घन अपशिष्ट पदार्थांतील किरणोत्साराचे मापन
५. वातावरणात प्रसृत होणार्‍या किरणोत्साराचे मापन

निरनिराळ्या किरणोत्सारांच्या मापनांसाठी निरनिराळी उपकरणे वापरली जातात. किरणोत्साराच्या उपस्थितीचा शोध लावण्यासाठी मूलक-कक्ष आणि प्रमाणशीर (आनुपाती) गणक वापरतात. व्यक्तीगत मात्रामापनासाठी चित्रफित, औष्णिक-प्रतिदीप्ती (थर्मोल्युमिनिसेंट) आणि किरणोत्सारी-प्रकाश-औष्णिक- प्रतिदीप्ती (रेडिओ-फोटो-थर्मोल्युमिनिसेंट) पदार्थांचा वापर करतात. किरणोत्साराचे क्षेत्रीय मापन आणि अन्य देखभाल करण्यासाठी गायगर-मुल्लर तसेच प्रस्फुरण प्रदर्शकांचा वापर करतात.

अणुभट्टीच्या आसपास अथवा किरणोत्सारी क्षेत्रात कार्यरत असलेल्या कोणत्याही व्यक्तीस आपल्याजवळ मात्रामापक (डोसीमीटर) बाळगणे आवश्यक असते. मात्रामापकाद्वारा ह्या गोष्टीचा पत्ता लागतो की त्या व्यक्तीने, विशिष्ट काळात (एक वर्ष, एक महिना, दोन सप्ताह अथवा त्याहूनही कमी) किती मात्रा प्राप्त केलेली आहे. देखभालीत पूर्वी दोन प्रकारच्या मापकांचा उपयोग होत असे.

१. चित्रफीत (फोटोग्राफीक फिल्म) अथवा फितबक्कल (फिल्म बॅज)
२. खिशात ठेवण्याचा छोटा मूलककक्ष.

फितबक्कल काही काळ वापरल्यावर ती फित विकसित करून तिच्यातील काळेपणाच्या घनत्वाच्या आधारावर त्या काळात तिने प्राप्त केलेल्या अवशोषित किरणोत्सार मात्रेचे अंकन केले जाते. खिशातील मूलककक्षात, कोणत्याही वेळी डोळ्यांनी पाहून, प्राप्त मात्रा समजून घेता येते. बहुधा खिशातील मूलककक्ष उच्च किरणोत्सार क्षेत्रात काम करत असता वापरला जातो, कारण कमी वेळात जास्त मात्रा मिळाल्यास ते लगेच कळते आणि ती व्यक्ती सतर्क होते व आपली मात्रा निर्धारित मात्रेच्या मर्यादेत राखू शकते. वर्तमानात, फितबक्कल मात्रामापकाऐवजी औष्णिक-प्रतिदीप्ती मात्रामापकाचा (थर्मो-ल्युमिनिसेंट डोसीमीटर) वापर होत आहे. याव्यतिरिक्त अनेक देशांमध्ये किरणोत्सारी-प्रकाश-प्रतिदीप्ती (रेडिओ-फोटो-थर्मोल्युमिनिसेंट) मात्रामापकाचाही वापर होत आहे.

प्रारण संरक्षणाबाबतची मानके निर्धारित करणार्‍या संस्था

प्रारण-सुरक्षा-उपस्कर

नरेंद्र गोळे, narendra.v.gole@gmail.com
.

ऊर्जेचे अंतरंग-१९: किरणोत्साराचे प्रभाव आणि त्यांचे मापन

जेव्हा किरणोत्सार एखाद्या माध्यमातून जात असतो तेव्हा त्या माध्यमाचे प्रत्यक्ष वा अप्रत्यक्षरीत्या मूलकीकरण होते किंवा ते माध्यम उत्तेजित अवस्थेत पोहोचते. सजीवांमध्ये हे मूलकीकरण किंवा ही उत्तेजना, शरीराचे अनेक कण जसे की प्रथिने, न्यूक्लिक आम्ल इत्यादींना नष्ट करते. हे सर्व कण शरीराकरता अत्यंत महत्वाचे असतात. म्हणून किरणोत्सार, सजीवांच्या शरीरांसाठी धोकादायक असतो. अल्फा आणि बीटा किरणे माध्यमास प्रत्यक्षरीत्या मूलकित करतात.

गॅमा आणि क्ष किरणे माध्यमास अप्रत्यक्षरीत्या मूलकित करतात. इथे उच्च ऊर्जाधारी विजकांद्वारा मूलकीकरण होते. ही मूलके, किरणे आणि माध्यमांच्या अणुंपासून कॉम्पटन विखुरण, प्रकाश-वैद्युतिक प्रभाव आणि युग्म-उत्पादन अभिक्रिया यांद्वारे निर्माण होतात. तर विरक्तक, माध्यमात प्रग्रहण आणि विखुरण अभिक्रियेद्वारा गॅमा किरणे निर्माण करून अप्रत्यक्षरीत्या माध्यमास मूलकित करतात.

शोषित मात्रा एकक ’राँजन’

प्रमाण तापमानावर आणि दाबाखाली, १ घन सेंटीमीटर कोरड्या हवेत १ विद्युतस्थैतिकी एकक इतका विद्युतभार निर्माण करणार्‍या गॅमा वा क्ष-किरणांच्या मूलकीकारक प्रारणास १ राँजन शोषित मात्रा म्हणतात१.

इतर माध्यमांमध्ये किरणोत्साराचे एकक, रॅड (Radiation Absorbed Dose - किरणोत्सार अवशोषित मात्रा) या नावाने ओळखले जात असे. एक रॅड किरणोत्सारामुळे कोणत्याही माध्यमाच्या एक ग्रॅम वस्तुमानात १०० अर्ग ऊर्जेचे अवशोषण होते. आंतरराष्ट्रीय एकक प्रणालीत, किरणोत्सार ग्रे मध्ये (संक्षेपाने Gy) मोजला जातो. एक ग्रे किरणोत्सारामुळे कोणत्याही माध्यमाच्या एक किलोग्रॅम पदार्थात एक ज्यूल ऊर्जेचे अवशोषण होते. म्हणजे १ Gy=१०० रॅड. सामान्यत: ह्या एककास किलो-ग्रे अथवा मेगॅ-ग्रे एककात व्यक्त केले जाते. जर ऊष्म्याशी ह्याची तुलना करायची असेल तर १० किलो ग्रे किरणोत्सार, एक लिटर पाण्यात अवशोषित झाल्यास पाण्याच्या तापमानात २.४ अंश सेल्शिअस वाढ होते.


लुईस हॅरॉल्ड ग्रे२ (१० नोव्हेंबर १९०५ ते ९ जुलै १९६५)

लुईस हॅरॉल्ड ग्रे हे ब्रिटिश भौतिकशास्त्रज्ञ होते. त्यांनी मुख्यत्वे जैव प्रणालींवरील प्रारण-प्रभावांवर काम केले. त्या कामातूनच पुढे प्रारण-जीवशास्त्राचा (रेडिओ-बायोलॉजीचा) जन्म झाला. ग्रे ह्यांनीच, सजीवाद्वारे-शोषित-प्रारण-मात्रेच्या एककाची व्याख्या केली. १ एकक शोषित प्रारण-ऊर्जा = १ किलोग्रॅम सजीवाद्वारे १ ज्यूल इतकी प्रारणऊर्जा शोषली जाणे. ह्याच एककाला पुढे त्यांचे नाव देण्यात आले, “ग्रे”. आंतरराष्ट्रीय-एकक-प्रणालीतील हे एक साधित एकक आहे. १९३७ साली ग्रे महाशयांनीच माऊंट व्हर्नान हॉस्पिटलमध्ये सुरूवातीचे विरक्तक-जनित्र बांधले. १९४० साली त्यांनी विरक्तक-मात्रेकरता तुलनात्मक-जैव-प्रभावीपणाची संकल्पना विकसित केली.

शोषित मात्रा (ऍब्जॉर्ब्ड डोस)

"शोषित मात्रा"चा अर्थ आहे पदार्थाद्वारे, किरणोत्सारापासून मिळालेल्या ऊर्जेचे झालेले शोषण. शोषित मात्रेचे मोजमाप ग्रे (Gy) मध्ये केले जाते. १ ग्रे म्हणजे बाधित भागाच्या प्रत्येक किलोग्रॅम कायाभारामध्ये १ ज्यूल ऊर्जेचे शोषण. एखादया मात्रेचा लहान मुलावर, त्याचे वजन कमी असल्यामुळे परिणाम अधिक होईल, तर तितक्याच मात्रेचा प्रभाव मोठया माणसावर कमी होईल. जीवशास्त्रीय व्याख्येनुसार काही प्रकारचे किरणोत्सर्जन (अल्फा- , बीटा-ब, गॅमा-ग इत्यादी) इतर उत्सर्जनांपेक्षा अधिक घातक ठरते. म्हणून, किरणोत्सार सुरक्षितता मापदंडान्वये मात्रा-सममूल्य, सिव्हर्ट (Sv)मध्ये मोजला जाते. शोषित भागाचा दर्जा-गुणकाने गुणाकार करून सिव्हर्ट (Sv) चे प्रमाण प्राप्त केले जाते.


प्रो.रॉल्फ मॅक्सिमिलन सिव्हर्ट (०६ मे १८९६ ते ३ ऑक्टो. १९६६)

हे स्विडिश भौतिकशास्त्रज्ञ होते. त्यांनी मुख्यत्वे प्रारणांच्या जैव प्रभावांचा अभ्यास केलेला होता. कर्करोगाकरता प्रारणांचा उपयोग करतांना त्यांच्या मापनांत त्यांनी मोलाची भूमिका पार पाडली होती. आण्विक-प्रारणांच्या प्रभावावरील संयुक्तराष्ट्र-वैज्ञानिक-समितीचे ते अध्यक्ष होते. १९६४ मध्ये त्यांनी आंतरराष्ट्रीय-प्रारण-संरक्षण-मंडळाची (International Radiation Protection Association-IRPA) स्थापना केली होती. ते त्याचे संस्थापक अध्यक्षही होते. प्रारण-मात्रेच्या मापनार्थ त्यांनी अनेक उपकरणे शोधून काढली. त्यातील “सिव्हर्ट-कक्ष” हे उपकरण सर्वात जास्त विख्यात आहे. १९७९ साली, मूलकीकारक-प्रारणांच्या-सममूल्य-मात्रेच्या एककास त्यांचे नाव देण्यात आले. आंतरराष्ट्रीय-एकक-प्रणालीतील सिव्हर्ट (Sv) हे एक (derived unit) साधित एकक आहे. १ मूलकीकारक-प्रारणाची-सममूल्य-मात्रा = १ किलोग्रॅम सजीवाद्वारे गॅमा-प्रारणातील १ ज्यूल इतकी ऊर्जा शोषली जाण्याने घडून येणार्‍या हानीइतकी हानी घडवणारी, दिलेल्या प्रारणाची शोषित मात्रा = १ Sv.

सजीवांमध्ये निरनिराळ्या किरणोत्सारांचे मूलकीकरण निरनिराळ्या प्रकारे होते. ह्या वेगळेपणास दूर करण्यासाठी निरनिराळ्या किरणोत्सारांकरता निरनिराळे गुणवत्ता गुणकांक वापरतात. त्यांना सापेक्ष-जैव-सममूल्यता (संक्षेपाने RBE-Relative Biological Equivalent) म्हटले जाते. जर अवशोषित किरणोत्साराची मात्रा D रॅड असेल, तर मात्रेच्या सममूल्याचे एकक रेम असेल (REM-RAD Equivalent of Man मनुष्यातील सममूल्य किरणोत्सार ). मात्रेच्या सममूल्य (रेम)=D (रॅड) x RBE. तसेच, जर अवशोषित किरणोत्साराची मात्रा D ग्रे असेल तर आंतरराष्ट्रीय प्रमाण प्रणालीत, मात्रेच्या सममूल्य एकक सिव्हर्ट (संक्षेपाने Sv) असेल. म्हणजेच: मात्रेच्या सममूल्य एकक (सिव्हर्ट) = D (ग्रे) x RBE. १ सिव्हर्ट = १०० रेम.

किरणोत्साराची सापेक्ष जैव प्रभावशीलता ३



सिव्हर्ट अथवा रेम, सर्व प्रकारच्या किरणोत्सारांच्या संयुक्त अवशोषणाची मात्रा दर्शवितात. आंतरराष्ट्रीय किरणोत्सार संरक्षण आयोग (आय.सी.आर.पी.) ही एक संस्था आहे, जी किरणोत्सारांच्या क्षेत्रात कार्यरत असलेल्या सर्व कर्मचार्‍यांसाठी स्वीकारार्ह किरणोत्सार अवशोषणाचे प्रमाण निर्धारित करते. हे विद्यमान प्रमाण दरसाल २० लघू सिव्हर्ट आहे, तर सर्वसामान्य नागरिकास हे प्रमाण दरसाल १ लघू सिव्हर्ट आहे. उदाहरणार्थ, जर एखादा कर्मचारी सप्ताहात ४० तास काम करत असेल आणि वर्षाचे ५० सप्ताह धरल्यास, त्या कर्मचार्‍यासाठी स्वीकारार्ह किरणोत्सार अवशोषणाचे प्रमाण असेल दरतास १० सूक्ष्म सिव्हर्ट. ह्या संस्थेने हेही निर्धारित केलेले आहे की एखाद्या व्यक्तीस, वाढत्या वयासोबत आपल्या संपूर्ण जीवनकाळात एकूण किती किरणोत्साराचे अवशोषण करणे सुरक्षित आहे.

कुणाही कर्मचार्‍यास अथवा सर्वसामान्य नागरिकास किरणोत्सार अवशोषणाने हानी पोहोचू नये म्हणून आय.सी.आर.पी., किरणोत्सारी क्षेत्रात काम करणार्‍या संस्थांना, सदैव सतर्क करीत असते. प्रत्यक्षात किरणोत्सार सर्वच ठिकाणी विद्यमान असतो. जळी, स्थळी, वातावरणी, कुठेही. निसर्गत: त्वचेबाहेरून मिळणार्‍या किरणोत्सारामुळे मनुष्यास दरसाल जवळपास ०.७ लघू सिव्हर्ट अवशोषणाची मात्रा, तर आहाराद्वारे शरीरांतर्गत दरसाल १.७ लघू सिव्हर्ट अवशोषणाची मात्रा मिळत असते.

किरणोत्साराचे प्रभाव४



प्रारण मापनाची एकके



खरे तर अल्फा किरणांना त्वचेद्वारे किंवा कागदाद्वारे रोखले जाऊ शकते पण अशा किरणांना उत्सर्जित करणारे पदार्थ सेवन केले गेले किंवा धूळ आदिद्वारे श्वसनाबरोबर शरीरात गेले, तर हेच उत्सर्जित किरण अत्यंत हानीकारक ठरतात. आपल्याला वेगवेगळया उत्सर्जनाच्या प्रकारांनी बाधा होते. यात मानव निर्मित प्रकाराने बाधा फार कमी प्रमाणात होते. खालील कोष्टकात सामान्य माणसाला विविध मार्गाने होणार्‍या उत्सर्जन संसर्गाचे सरासरी प्रमाण दाखवले गेले आहे.

उत्सर्जनाचा परिणाम

संसर्गाचे (एक्सपोजर) प्रमाण आणि त्याचा कालावधी यावर उत्सर्जनाचा परिणाम अवलंबून असतो. प्रामुख्याने संसर्गाचा प्रादुर्भाव निम्न, मध्यम व उच्च या तीन स्तरांवर विभागला जातो. आपल्यापैकी प्रत्येकावर नैसर्गिक उत्सर्जनाचा प्रभाव होत असतो. जो निम्नस्तरीय स्वरूपाचा असतो. नैसर्गिक संसर्गाच्या १०० पट अधिक संसर्ग हा मध्यम पातळीचा व त्यापेक्षा अधिक संसर्ग हा उच्च पातळीचा संसर्ग संबोधला जातो. मध्यम आणि उच्च पातळीच्या संसर्गामुळे दीर्घ कालावधी नंतर होणारा प्रादुर्भाव दिसून येतो. कॅन्सर हा अशाच प्रादुर्भावांपैकी एक आहे. आज संशोधनाअंती हे माहीत झाले आहे की कॅन्सरची कारणे अनेक आहेत, त्यापैकी आपण श्वास घेतो त्या हवेमुळे, जे पाणी पितो त्यामुळे, जे अन्न खातो त्यामुळेपण कॅन्सर होऊ शकतो. कारण ह्या गोष्टींमध्येही विषारी रसायने असतात. निम्नस्तरीय मात्रे मुळे कॅन्सर होतो असे स्पष्ट संकेत मिळालेले नाहीत. उपलब्ध आकडेवारीवरूनही याबाबतीत निश्चित प्रमाण मिळत नाही. त्यामुळे याबाबतीत वेगवेगळी अनुमाने केली जाऊ शकतात. कारण कॅन्सर होण्याची कारणे अनेक आहेत.

तरी सुद्धा सुरक्षिततेच्या दृष्टीकोनातून नेहमीच असे मानले जाते की निम्नस्तरीय मात्रेमुळेही कॅन्सर प्रकट होऊ शकतो, आणि त्यानुसार संरक्षणात्मक उपायही योजले जातात. कमी वेळात जास्त उच्चस्तरीय मात्रा मिळण्याने लगेचच, मळमळणे, उलटी होणे इत्यादी लक्षणे जाणवू लागतात, मात्र जीवाला धोका नसतो. जसजसे मात्रेचे प्रमाण वाढत जाते तसतशी बरे होण्याची शक्यता मावळत जाते. प्राणहानीस कारण ठरू शकेल असे मात्रास्तर, नैसर्गिकरीत्या आढळणार्‍या मात्रास्तरांपेक्षा १००० पटीने जास्त असतात.

१ http://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6ntgen
२ http://www.lhgraytrust.org/graychron.html
३ स्त्रोतः “नाभिकीय ऊर्जा से विद्युत उत्पादन”, श्री.गोरा चक्रवर्ती आणि डॉ.तेजेनकुमार बसू.
४ स्त्रोतः “नाभिकीय ऊर्जा से विद्युत उत्पादन”, श्री.गोरा चक्रवर्ती आणि डॉ.तेजेनकुमार बसू.

नरेंद्र गोळे, narendra.v.gole@gmail.com
.

ऊर्जेचे अंतरंग-१८: सर्वव्यापी किरणोत्सार

किरणोत्सार आपल्या सभोवार पसरलेला आहे. एका सामान्य माणसाला सगळ्या स्त्रोतांकडून मिळणारा किरणोत्साराचा संसर्ग जर १००% धरला, तर त्यातला किती संसर्ग कशापासून आपणास होत असतो ते खाली दिलेले आहे.

१. घरेः आपल्याला मिळणार्‍या किरणोत्साराचा ५५% हिस्सा रेडॉनद्वारे मिळतो. रेडॉन हा एक वायू आहे जो जमिनीतील नैसर्गिक युरेनियमपासून उत्पन्न होतो. रेडॉन जो घरांतून दडलेला असतो.
२. शुश्रुषालयेः आपल्याला मिळणार्‍या किरणोत्सारापैकी सुमारे १५% किरणोत्सार वैद्यकीय आणि दंत-क्ष-किरणचिकित्सेतून मिळतो.
३. मानवी शरीरः आपल्याला मिळणार्‍या किरणोत्सारापैकी सुमारे ११% किरणोत्सार आपल्या शरीरांतच असतो - तो, आपण खातो त्या अन्नातून आणि पितो त्या पाण्यातून मिळत असतो.
४. सूर्यः आपला जवळजवळ ८% किरणोत्सार, बाह्य अवकाशातून येतो - सूर्य आणि तार्‍यांपासून.
५. खडक आणि मातीः जवळजवळ ८% किरणोत्सार, खडक आणि मातीतून येतो.
६. दूरदर्शनसंचः आपल्याला मिळणार्‍या किरणोत्सारापैकी सुमारे ३% किरणोत्सार दूरदर्शन संचांसारख्या वस्तूंतून मिळतो.
७. विमानेः अमेरिकेस ओलांडून जाणार्‍या एका जाऊन-येऊन केलेल्या फेरीत आपल्याला वर्षभरात मिळणार्‍या किरणोत्साराच्या १% किरणोत्सार सोसावा लागतो.
८. अणुऊर्जासंयंत्रः अणुऊर्जासंयंत्रापासूनच्या ५० मैलांच्या परिघात राहणार्‍यांना, त्या कारणाने, आपल्याला वर्षभरात मिळणार्‍या किरणोत्साराच्या ५०,००० व्या हिश्याहूनही कमी किरणोत्साराचा मुकाबला, करावा लागतो.

क्रमांक १ ते ८ पर्यंतच्या सामान्य माणसाच्या वाट्यास येणार्‍या किरणोत्सारात, नैसर्गिक किरणोत्साराचाच वाटा मुख्य असल्याचे दिसून येते; मानवनिर्मित किरणोत्साराचा वाटा त्याच्या तुलनेत नगण्य वाटावा एवढाच काय तो दिसतो. त्याच्या भीतीने विकासाचा मार्ग सोडावा एवढ्या प्रमाणात तो मुळी अस्तित्वातच नाही.

प्रत्येक व्यक्तीस निरनिराळ्या स्त्रोतांद्वारे मिळणार्‍या किरणोत्साराची मात्रा१

६९० सूक्ष्मसिव्हर्ट/वर्ष नैसर्गिक पृष्ठभूमीतून मिळते
२०० सूक्ष्मसिव्हर्ट/वर्ष चिकित्सेसाठी छातीचे क्ष-किरण चित्रण करतांना मिळते
००५ सूक्ष्मसिव्हर्ट/वर्ष अन्य स्त्रोतांकडून मिळते

आपल्यावर भूपृष्ठातून नैसर्गिक स्वरूपात उत्सर्जित होणार्‍या गॅमा किरणांचा परिणाम तर होतोच, शिवाय आपल्या शरीरात सुद्धा पोटॅशियम आणि कर्बाच्या नैसर्गिक समस्थानिकांच्या रूपात किरणोत्सारी पदार्थ अत्यल्प प्रमाणात अस्तित्वात असतात. साधारणत: भूपृष्ठाद्वारे होणार्‍या उत्सर्जनाचे प्रमाण व त्याचा प्रभाव मानव निर्मित उत्सर्जनाच्या बाधेपेक्षा अधिक असतो.

सामान्य माणसाला विविध मार्गाने होणारा सरासरी संसर्ग२



विविध शहरांमधील नैसर्गिक भूपृष्ठांद्वारे होणारे उत्सर्जन



जेव्हा एका व्यक्तीची बदली मुंबईहून दिल्लीला होते तेव्हा त्याला २१६ सूक्ष्म-ग्रे नैसर्गिक उत्सर्जनाची अतिरिक्त मात्रा मिळते, जी एका अणुविद्युतगृहापासून मिळणार्‍या उत्सर्जन मात्रेपेक्षा १० पट अधिक असते. (गॅमा प्रारणाकरता १ सूक्ष्म ग्रे हे परिमाण, १ सूक्ष्म सिव्हर्ट च्या सममूल्य असते).

उत्सर्जनाच्या प्रमाणाची माहिती मिळवण्याकरता आणि त्याचे मोजमाप करण्यासाठी वेगवेगळी उपकरणे तयार केली गेली आहेत. या उपकरणांच्या साह्याने जगामधील इतर स्थानांप्रमाणे भारताचा पण एक नकाशा तयार केला गेलेला आहे, ज्यामध्ये नैसर्गिक प्रकारे होणारे उत्सर्जन-प्रमाण दाखवले आहे. भारतात काही जागी नैसर्गिक उत्सर्जन-प्रमाण अधिक आहे त्यामुळे तिथे राहणार्‍या जनतेस होणार्‍या संसर्गाचे प्रमाण अधिक आहे. पृथ्वीवर ब्राझील, चीन, फ्रान्स व भारतात जगातील सर्वाधिक उत्सर्जनाचे प्रमाण असलेली स्थाने आढळून आली आहेत.

दक्षिण केरळ व तमिळनाडूच्या समुद्रतटांजवळील भागात उत्सर्जनाचे प्रमाण, राष्ट्रीय उत्सर्जनाच्या प्रमाणापेक्षा ६ पटीने अधिक आहे. केरळ आणि तामिळनाडूच्या अशा भागांत जवळ जवळ १ लाख लोक राहतात. ह्यामधील काही लोकांना उत्सर्जनाच्या राष्ट्रीय प्रमाणापेक्षा १० पटीने अधिक बाधा होते. तरी देख़ील एवढया मोठया प्रमाणातील उत्सर्जनामुळे तेथील जनतेवर कोणताही हानीकारक प्रभाव आढळून आलेला नाही. तसेच अणुविद्युतकेंद्राच्या आसपास राहणार्‍या जनतेसही उत्सर्जनाची बाधा अत्यंत कमी प्रमाणात होते असे आढळून आलेले आहे.

मानवनिर्मित प्रकारे होणार्‍या उत्सर्जनामध्ये वैद्यकीय व दंत क्ष-किरणामुळे रूग्णास अधिक मात्रा मिळते. अणुकेंद्रावर काम करणारे लोक, कोळशाच्या खाणीतील कामगार, क्ष-किरण तंत्रज्ञ इत्यादींवर होणारा उत्सर्जनाचा अनुज्ञप्त परिणाम हा सामान्य जनतेवर होणार्‍या परिणामाच्या तुलनेत अधिक असतो. परंतु सरकारद्वारा ह्यासंदर्भात आवश्यक देखरेख ठेवली जाऊन त्याचे निर्धारण व नियमन केले जाते. आंतरराष्ट्रीय किरणोत्सार सुरक्षा बचाव आयोग (आई.सी.आर.पी.) द्वारा निश्चित मापदंडांच्या आधारे एका वर्षात अनुज्ञप्त मात्रेची मर्यादा जास्तीत जास्त ५० मिलिसिव्हर्ट आहे. परंतु भारतीय अणुऊर्जा नियामक मंडळाने (ए.ई.आर.बी.) ही मर्यादा ३० मिलिसिव्हर्ट निश्चित केली आहे३.

संस्तुत मात्रा मर्यादा

२० लघू-सिव्हर्ट/साल प्रारण व्यावसायिक कर्मचार्‍यांकरता
०१ लघू-सिव्हर्ट/साल सामान्य जनतेकरता

एवढा किरणोत्सार सभोवती असतांना त्याचा संसर्ग होणारच की!

उपसर्गानी शब्दाचा अर्थ तो बदलतो पुरा । प्रहार-आहार-विहार-संहारा परी तो स्मरा ॥

एक साधासा वाटणारा शब्द आहे सर्ग. म्हणजे अध्याय. प्रकरण. मात्र उपसर्गामुळे त्याचे खालीलप्रमाणे कितीतरी शब्द घडू शकतात, ज्यांचे अर्थ निरनिराळे आहेत.

निसर्ग = नि+सर्ग = Nature
विसर्ग = वि+सर्ग = Discharge
उत्सर्ग = उत्‌+सर्ग = Ejection, Emition
उपसर्ग = उप+सर्ग = Modifier, Affection
संसर्ग = सं+सर्ग = Exposure, Infection

तर ह्या संसर्गाचेच मापन आणि नियमन आपल्याला करायचे असते.

रेडॉन वायू



हवेपेक्षा सुमारे आठपट जड असणारा रेडॉन वायू, हा बहुधा सर्वात जड वायूंपैकी एक आहे. सामान्य तापमानावर हा राजस वायू रंगहीन, गंधहीन असतो. मात्र त्याच्या गोठणबिंदूच्या, २०२°K (-७१°C किंवा -९६°F) खालीपर्यंत निववल्यास, संघनित होऊन उजळ-पिवळ्या-नारिंगी रंगात प्रस्फुरित होऊन, तो झळकू लागतो. कारण असते, त्यातून होणारे किरण-उत्सर्जन. रेडॉन-२२२ अल्फा किरणोत्सर्जनाने विघटित होतो. त्याचे अर्धायू ३.८ दिवसांचे असते. सामान्यतः तुम्ही रेडॉन पाहू शकत नाही. त्याचा वास किंवा चवही घेता येत नाही. तरीही तुमच्या घरातच तो समस्या बनून नांदू शकतो. तो जमिनीतील युरेनियमच्या विघटनातून येत असतो. तो म्हणजे अमेरिकेतील फुफ्फुसाच्या कर्करोगाचे दोन क्रमांकाचे, आघाडीचे कारण आहे. घराबाहेर रेडॉनची पातळी कमी असते, तर घरात मात्र ती जास्त असू शकते. दर १५ घरांमधील एका घरात रेडॉनची पातळी, ०.१४८ बेक्वेरल/लिटर ह्या धोक्याच्या पातळीहून, वाढलेली आढळू शकते. अमेरिकेत दरसाल २१,००० लोक त्याची शिकार होत असतात. रेडॉन, थोरॉन आणि त्यांच्या वंशजांच्या श्वसनातून शरीरात प्रवेश करण्यामुळे, भारतीय लोकसंख्येस अंदाजे दरसाल सरासरी ०.९७ लघुसिव्हर्ट मात्रादराचा सामना करावा लागतो.

पोटॅशियम४

पोटॅशियम हे शरीराच्या धारणा आणि वाढीकरता आवश्यक असणारे मूलद्रव्य आहे. शरीरातील द्रव आणि पेशी यांच्यातील पाण्याचा विनिमय सर्वसामान्य राखण्याकरता त्याची आवश्यकता असते. उत्तेजनेस मज्जातंतू जे प्रतिसाद देतात त्याकरता आणि स्नायूंच्या आकुंचनाकरताही ह्याची गरज असते. ते आजवर निसर्गतः सर्वात विपुलतेने शरीरात आढळून येणारे किरणोत्सारी मूलद्रव्य आहे. सरासरी पुरूषात १४० ग्रॅम पोटॅशियम असते. शरीराचे वजन आणि स्नायूंच्या वजनाप्रमाणे हे प्रमाण बदलते असते. आपण रोज २.५ ग्रॅम पोटॅशियमचे सेवन करत असतो तर सुमारे तेवढेच बाहेर टाकून देत असतो. पोटॅशियमची तीन समस्थानिके आहेत. सर्वात विपूल म्हणजे ९३.२६% या प्रमाणात आढळून येणारे, के-३९ हे समस्थानिक स्थिर आहे. ६.७३% या प्रमाणात आढळून येणारे के-४१ समस्थानिकही स्थिर आहे. मात्र सर्वात कमी, ०.०११८% या प्रमाणात आढळून येणारे, के-४० हे समस्थानिक किरणोत्सारी आहे. त्याचे अर्धायू १.२६ अब्ज वर्षे इतके आहे. म्हणूनच ते अजूनही टिकून आहे. त्याचे विघटन होत असता ८९% वेळा, कमाल १३.३ लक्ष विजक-व्होल्ट ऊर्जेचे बीटा किरण उत्सर्जित करत असते. तर उर्वरित ११% वेळा, कमाल १४.६ लक्ष विजक-व्होल्ट ऊर्जेचे गॅमा किरण उत्सर्जित करत असते.

प्रारणांचा संसर्ग

जर उत्सर्जन मनुष्याच्या शरीरात गेले, तर त्यामुळे काही अणू क्षतिग्रस्त होतात परंतु जर उत्सर्जनाचा संसर्ग अधिक प्रमाणात नसेल व त्याचा कालावधी मोठा असेल तर क्षतिग्रस्त अणू स्वत:च आपली भरपाई करतात आणि पूर्व स्थितीमध्ये परत येतात. मनुष्याच्या शरीरामध्ये ही प्रक्रिया निसगर्त:च चालू असते. बर्‍याच वेळा असे देख़ील होते की ह्या भरपाई प्रक्रियेत हे क्षतिग्रस्त अणू चुकून एकमेकाला जोडले जातात. जर असे झाले तर दीर्घावधीत ह्याचा परिणाम पेशींच्या क्रियाशीलतेवर होतो. जर उत्सर्जन संसर्ग फार मोठया प्रमाणावर असेल आणि कमी वेळेत झाला असेल तर शरीराचे नैसर्गिक उपचार तंत्र बिघडून जाते व त्याचे काम बरोबर होत नाही. अशा स्थितीत उत्सर्जनाचा प्रभाव लगेच दिसून येतो. किरणोत्सारी पदार्थ आणि क्ष-किरण-जनित्रे निरनिराळ्या दराने आणि ऊर्जा-पातळ्यांवर प्रारणे निर्माण करत असतात. याकरता, प्रारणांची तीव्रता आणि ऊर्जा यांचे वर्णन करण्याकरता वापरले जाणारे पाच महत्त्वाचे पारिभाषिक शब्द आहेत ऊर्जा, सक्रियता, तीव्रता, संसर्ग आणि ताकद हे.

किरणोत्सार हाताळणार्‍यांना होणारा संसर्ग

एकोणीसाव्या शतकाअखेरीस, क्ष-किरणे आणि किरणोत्सार सक्रियता यांचे शोध लागल्यापासूनच, किरणोत्सार सजीवांसाठी हानीकारक ठरू शकत असल्याचे ज्ञान झालेले होते. त्या वेळी अनेक किरणोत्सारतज्ञ आणि किरणोत्सारी पदार्थ हाताळणार्‍या कर्मचार्‍यांमध्ये त्वचारोग, अस्थींचा कर्करोग आणि रक्ताचा कर्करोग यांसारखे आजार अधिक प्रमाणात आढळून आले. ह्याचे कारण मुख्यत: काहीसा बेसावधपणा आणि काही परिस्थितींचे अज्ञान हे होते. अशीच स्थिती कित्येक दशकांपर्यंत चालत राहिली. शेवटी, १९२०च्या आरंभी किरणोत्सारी पदार्थ हाताळणार्‍या कर्मचार्‍यांकरता काही सुरक्षा व्यवस्था अंमलात आणणे सुरू झाले. यानंतर दहा वर्षांनी त्या कर्मचार्‍यांमध्ये उपर्युक्त रोगांचे अस्तित्व खूपच कमी झालेले होते.

१ स्त्रोतः “नाभिकीय ऊर्जा से विद्युत उत्पादन”, श्री.गोरा चक्रवर्ती आणि डॉ.तेजेनकुमार बसू.
२ परमाणु ऊर्जा और विकिरण के संबंध में जनधारणाएं: भ्रांतियाँ बनाम वास्तविकता, परमाणु ऊर्जा विभाग, पृष्ठ-६.
३ परमाणु ऊर्जा और विकिरण के संबंध में जनधारणाएं: भ्रांतियाँ बनाम वास्तविकता, परमाणु ऊर्जा विभाग, पृष्ठ-६.
४ स्त्रोत: http://www.rerowland.com/K40.html

नरेंद्र गोळे, narendra.v.gole@gmail.com, http://urjasval.blogspot.com/

ऊर्जेचे अंतरंग-१७: किरणोत्सार, विश्वकिरणे आणि मूलकीकरण

कोणत्याही पदार्थातून उत्स्फूर्तपणे निघणार्‍या ऊर्जेला किंवा कणांना उत्सर्जन म्हणतात. किरणोत्सारी पदार्थांमुळे होणारे उत्सर्जन प्रामुख्याने ३ प्रकारचे असते. अल्फा, बीटा आणि गॅमा. ह्या उत्सर्जनास अणुकेंद्रकीय उत्सर्जन म्हणतात. कारण ते अणूंच्या गर्भातून उगम पावत असते. अल्फा कण म्हणजे हेलियमचे अणुकेंद्रक (nucleus) असते, तर बीटा कण म्हणजे ऋणक किंवा विजक (electron) असतात. काही जड अणू विद्युतभार रहित कण उत्सर्जित करतात, ते म्हणजे विरक्तक (neutrons) असतात.

अल्फा कण: अस्थिर अणुकेंद्रक, अल्फा व बीटा किरणांचे उत्सर्जन करते व स्वत: सुद्धा र्‍हास पावत राहते. ह्या प्रक्रियेत निघणारी ऊर्जा ही उष्णतेच्या स्वरूपात असते. उदाहरणार्थ २३८U९२ चा र्‍हास होऊन त्याचे २३४Th९० मध्ये परिवर्तन होते आणि या प्रक्रियेत एक अल्फा कण उत्सर्जित होतो, जो हेलियमचे अणुकेंद्रक असतो.

२३८U९२ = २३४Th९० + ४He२ (U-युरेनियम, Th-थोरियम, He-हेलियम)

बीटा कण: बीटा र्‍हास प्रक्रियेत अणुकेंद्रकामधील विरक्तक स्वत: विभाजित होतो व त्यातून एक धनक व एक विजक तयार होतात. त्यामुळे अणूचे वस्तुमान बदलत नाही पण त्याच्या अणुक्रमांकात एकने वाढ होते. ह्यावेळी वस्तुमानामध्ये थोडा र्‍हास होतो, जो उष्णतेच्या रूपात बाहेर पडतो.

२३४Th९० = २३४Pa९१ + बीटा कण (Th-थोरियम, Pa-पॅलाडियम)

गॅमा कण: सामान्यत: अल्फा अथवा बीटा कणांच्या उत्सर्जनानंतर अणुकेंद्रकातील अतिरिक्त ऊर्जा, गॅमा किरणांच्या स्वरूपात उत्सर्जित होते.

B ह्या चुंबकीय क्षेत्रातील अल्फा, बीटा आणि गॅमा किरणांची, मेरी क्युरी यांनी केलेली अभिव्यक्ती सोबतच्या चित्रात दर्शवलेली आहे. इथे असे गृहित धरले आहे की किरणोत्सारी पदार्थ, एका शिश्याच्या ठोकळ्यातील अरुंद पण खोल पोकळीत ठेवलेले आहेत, जेणेकरून विद्युत वा चुंबकीय क्षेत्रांच्या अभावात ही किरणे बारीक उभ्या शलाकेच्या स्वरूपात वर येतील.

कागदास लंब दिशेने सशक्त चुंबकीय क्षेत्र कागदाबाहेर येईल अशा दिशेने लावले असता, अल्फा कण धनभारित आणि तुलनेने जड असल्याने, जरासे उजव्या बाजूस वळतील, बीटा कण ऋणभारित आणि हलके असल्याने डाव्या दिशेने जास्त प्रमाणात वळतील, तर गॅमा किरणे विद्युतभारित नसल्याने सरळच जातील. इथे v हा कणाचा वेग आणि m हे त्याचे वस्तुमान असल्याचे गृहित धरलेले आहे.

विद्युत आणि चुंबकीय क्षेत्रांद्वारे वळवलेल्या विद्युतभारित कणांचा अभ्यास करण्याची जे.जे.थॉमसन यांची पद्धत सोबतच्या चित्रात दर्शवलेली आहे. निर्वात पोकळी धारण करणार्‍या काचेच्या नलिकेत ऋणाग्र C आणि धनाग्र A यांदरम्यान विद्युतविभव लावले असता, ऋणाग्रातून निर्माण होणारे विजक धनाग्रातील S ह्या फटीतून त्यांच्या गतीमुळेच बाहेर पडतात. मग त्यांचेवर चुंबकीय M, तसेच विद्युत PP, क्षेत्रे योजून त्यांना वळवले जाई. अशाप्रकारे त्या किरणांचे विद्युत भार, त्यांची गती, त्यांची ऊर्जा इत्यादींबाबत अभ्यास करता येई. मात्र विद्युत क्षेत्र जर त्यांच्या गतीस लंब न राखता त्यांचे गतीच्याच दिशेने लावले तर त्यांना रोखता अथवा त्वरित करता येई.

विद्युतभारित कणांचे अशाप्रकारे त्वरण केल्यास त्यांची गती वाढते. गती ज्यावेळी प्रकाशाच्या गतीच्या तुल्यबल होते तेव्हा त्या कणांचे सापेक्ष वस्तुमान, स्थिर वस्तुमानाच्या तुलनेत कसे वाढत जाते ते सोबतच्या आकृतीत दर्शवले आहे. m०, m, v व c म्हणजे अनुक्रमे स्थिर वस्तुमान, सापेक्ष वस्तुमान, प्रत्यक्षातील गती आणि प्रकाशाची गती हे चल आहेत.



क्ष-किरणे आणि गॅमा किरणे यांचे गुणधर्म

१. ती मानवी संवेदनांना कळत नाहीत (म्हणजे दिसत नाहीत, ऐकू येत नाहीत किंवा जाणवतही नाहीत).
२. ती सरळ रेषेत प्रकाशाच्या गतीने प्रवास करतात.
३. त्यांचे पथ, विद्युत अथवा चुंबकीय क्षेत्रांनी बदलवता येत नाहीत.
४. दोन पदार्थांच्या जोडावर ती काहीशी वाकतात (refracted).
५. आण्विक कणाशी गाठ पडेपर्यंत, ती पदार्थात पार होत राहतात.
६. दरम्यान ती विखुरली जातात आणि शोषली जातात.
७. ती पदार्थात किती अंतर चालून जाऊ शकतील हे त्यांच्या ऊर्जेवर आणि ज्यातून ते प्रवास करत असतात त्या पदार्थावर अवलंबून असते.
८. पदार्थाचे मूलकीकरण करण्यास पुरेशी ऊर्जा त्यांचेजवळ असते आणि जिवंत पेशींना ते हानी पोहोचवू शकतात किंवा त्यांचा संपूर्ण विनाशही घडवून आणू शकतात.

अर्धायू 

अर्धायुष्याचे तत्त्व विषद करणारा किरणोत्सारी विघटनाचा आलेख. अणुऊर्जेचे स्त्रोतपुस्तक, लेखकः सॅम्युएल ग्लास्टन, प्रकरण-५: नैसर्गिक किरणोत्सार. किरणोत्सारी र्‍हासाच्या प्रक्रियेत धनकांच्या संख्येमध्ये बदल होतो त्यामुळे मूळ अणू हा उत्सर्जन झाल्यानंतर एका नवीन अणुमध्ये रूपांतरित होतो. कोणत्याही किरणोत्सारी पदार्थाचा र्‍हास होण्याच्या प्रमाणावर ही गोष्ट अवलंबून असते की, तो किती शिल्लक राहील. अर्धायू (हाफ-लाइफ) म्हणजे अणुंच्या र्‍हासानंतर त्यांची संख्या अर्धी राहण्यापर्यंतचा कालावधी होय. म्हणजेच असा कालावधी की ज्यामुळे किरणोत्सर्जन क्षमतेचा र्‍हास होऊन ती निम्म्यावर येते. उदा. रेडियम-२२६ चे अर्धायू १६०० वर्षे आहे. समजा सुरूवातीस रेडियम-२२६ चे १०० अणू आपल्याजवळ आहेत. तर १६०० वर्षांनंतर फक्त ५० अणू शिल्लक राहतील व ३२०० वर्षांनंतर त्यातील फक्त २५ अणूच शिल्लक राहतील.

युरेनियमचे अर्धायुष्य ४.५ अब्ज वर्षे आहे, जे जवळपास पृथ्वीच्या अंदाजित वयाइतकेच आहे. याचाच अर्थ असा की पृथ्वीच्या जन्माच्या वेळेस अस्तित्वात असलेल्या युरेनियमपैकी किमान अर्धे तरी अजूनही अस्तित्वात असायला हवे. म्हणून निरनिराळी किरणोत्सारी उत्पादने विघटित होत असता, त्यांच्या जन्मदात्यांच्या विघटन उत्पन्नांनी ती बदलली जात असतात. इथे ह्याची दखल घेणे सुरस ठरेल की केवळ तीनच किरणोत्सारी मालिका निसर्गात अस्तित्वात आहेत. युरेनियम, थोरियम आणि ऍक्टिनियम. वास्तविक चार शक्य असायला हव्यात. चवथ्या मालिकेतील सर्वात दीर्घायू सदस्याचे अर्धायू २० लक्ष वर्षे आहे, म्हणून पृथ्वीच्या जन्मापासून आजवर तो जवळपास पूर्णपणे विघटित होऊन गेलेला असावा. त्यामुळे अशी मालिका निसर्गतः आढळून येत नाही.

अति-क्रियाशील मूलद्रव्ये नाहीशी होतात, तर कमी क्रियाशील मूलद्रव्ये दीर्घकाळ टिकून राहतात. ज्या अणूंचे अर्धायू दीर्घ आहे त्यांची किरणोत्सर्जनक्षमता कमी प्रतीची असते आणि ज्या अणूंचे अर्धायू अल्प आहे त्यांची किरणोत्सर्जन क्षमता जास्त उच्च प्रतीची असते. म्हणूनच किरणोत्सारी पदार्थाचे अर्धायू आणि त्याच्या किरणोत्सर्जन क्षमतेचा स्तर, परस्पर हे विरोधी प्रमाणात असतात. युरेनियम २३८ चे अर्धायू ४५० कोटी वर्ष आहे. युरेनियमचा विविध १४ पातळींवर र्‍हास होऊन त्याचे रूपांतर शिसे, ह्या स्थिर समस्थानिकात होते. ह्या प्रक्रियेला अनेक अब्ज वर्षे लागतात. म्हणूनच तो टिकून आहे. मात्र, ९२ हून अधिक अणुक्रमांक असलेली, प्लुटोनियमसारखी अनेक मूलद्रव्ये आहेत, ज्यांची अर्धायुष्ये अल्प असल्यानेच आज निसर्गतः ती उपलब्ध नाहीत.

किरणोत्सारी र्‍हासदराचे निर्धारण

एखाद्या दिलेल्या नमुन्यातील प्रत्येक किरणोत्सारी अणू त्याच्या गर्भातून एक अल्फा अथवा एक बीटा कण विघटनादरम्यान बाहेर टाकतो. या सर्व वस्तुस्थितींशी सुसंगत असलेल्या गृहितकांवरच मापन पद्धती आधारलेल्या असतात. परिणामतः दिलेल्या वेळात विघटित होत असणार्‍या अणूंची संख्या आणि त्यावरून विघटन दर, उत्सर्जित अल्फा किंवा बीटा कणांची गणना करून शोधून काढता येईल. प्रत्येक कणाची गणना करणे किरणोत्सार अभ्यासाचे दृष्टीने खूप महत्त्वाचे आहे आणि याकरता अनेक उपकरणे अभिकल्पित केली गेलेली आहेत.

विश्वकिरणे

एकोणिसाव्या शतकाच्या अखेरीस, बाह्य अवकाशातून येणार्‍या भेदक (पेनेट्रेटिंग) प्रारणांचे अस्तित्व, चार्लस थॉमसन रीस विल्सन (१८६९-१९५९) यांनी केलेल्या विद्युत-दर्शक-यंत्रांसहितच्या साध्या प्रयोगांतून संवेदले गेले. रॉबर्ट अँड्र्यूज मिलिकन (१८६८-१९६३) या अमेरिकन, नोबेल विजेत्या भौतिकशास्त्रज्ञाने, अतिशय ऊर्जस्वल भारित कणांच्या ह्या प्रारणांना ’विश्वकिरण’ हे नाव दिले. त्यात निरनिराळ्या प्रकाची अणुकेंद्रके असतात, मात्र मुख्यत्वे धनक असतात. प्राथमिक विश्वकिरण वातावरणाशी परस्पर-कार्यरत होऊन दुय्यम किरणे निर्माण करतात.

होमी भाभा यांनी वॉल्टर हिटलर यांच्या सहयोगाने १९३७ साली प्रकाशित एका शोधनिबंधात विश्वकिरण वर्षावाच्या निर्मितीचे स्पष्टीकरण दिले. पुढे ह्या वर्षावासच “भाभा वर्षाव” हे नाव देण्यात आले. प्राथमिक कणांच्या एका वर्गालाच वापरले जाणारे ’मेसॉन’ हे नाव भाभा यांनीच सुचवलेले होते.

विश्वकिरण हे अण्वंतर्गत ऊर्जस्वल भारित कणांनी बनलेले असतात. यांचे मूळ पृथ्वीबाहेरील अवकाशात असते. पृथ्वीच्या वातावरणात आणि पृष्ठभागात प्रवेश करत असता ही किरणे अनेक दुय्यम कण निर्माण करतात. ऐतिहासिक काळात यांचे स्वरूप विद्युतचुंबकीय मानले गेले होते, त्यामुळे त्यांचे नाव विश्वकिरणे असे पडले. बव्हंशी प्राथमिक विश्वकिरणे, पृथ्वीवरील आपल्या ओळखीच्या स्थिर अण्वंतर्गत कणांनीच बनलेली असतात. जसे की धनक, अणुगर्भ किंवा विजक. मात्र त्यांतील एक लहानसा हिस्सा प्रतिपदार्थांचा बनलेला असतो. जसे की धन-विजक (पॉझिट्रॉन), प्रति-धनक (अँटिप्रोटॉन) इत्यादी. त्यांच्या नेमक्या स्वरूपावर संशोधन अजून सुरूच आहे. ८८% विश्वकिरणे धनक अथवा उद्‌जनच्या अणुगर्भांनी बनलेली असतात. १०% हेलियम अणुगर्भ अथवा अल्फा कणांनी बनलेली असतात. तर १% अवजड अणुगर्भांनी बनलेली असतात. उर्वरित १% विश्वकिरणे विजकांनीच बनलेली असतात. विश्वकिरणांची ऊर्जा १०**२० विजकव्होल्ट (eV) इतकी जास्त असू शकते.

१९३० ते १९५० दरम्यान, अणुगर्भ आणि त्याचे घटक यांबाबतच्या वैज्ञानिक अभ्यासांत विश्वकिरणांनी महत्त्वाची भूमिका बजावली, कारण उच्च-ऊर्जा-कणांचे ते एकमेव स्त्रोत होते. अल्पजीवी अण्वंतर्गत कणांचा शोध विश्वकिरण आघातांमुळे लागला होता. १९५० नंतर आलेल्या शक्तिशाली कण-त्वरकांच्या आविष्करणांनंतरही तपासकांनी विश्वकिरणांचा अभ्यास, मर्यादित प्रमाणात का होईना पण सुरूच ठेवला. ह्याचे मुख्य कारण हे होते की विश्वकिरणांत असणारे ऊर्जेचे प्रमाण, प्रायोगिक परिस्थितींमध्ये उपलब्ध होऊ शकणार्‍या ऊर्जांपेक्षा प्रचंड प्रमाणात जास्त होते.

मूलकीकरण

ऊर्जा उत्सर्जनाद्वारे दुसर्‍या अणू किंवा रेणुमधील विजक वेगळे केले जाऊ शकतात. अशा प्रकारे ते अणु-रेणूंना विद्युत-भारित व क्रियाशील अवस्थेत आणून सोडतात. ह्या प्रक्रियेला मूलकीकरण (ionization) असे म्हणतात आणि हा प्रभाव घडवून आणणार्‍या उत्सर्जनाला मूलकीकारक़ उत्सर्जन (ionizing radiation) असे म्हणतात. मूलकीकरण करत असता उत्सर्जनातील ऊर्जा घटत जाते. त्यातील ऊर्जा पूर्णतः नाहीशी झाली की ते पदार्थात लुप्त होऊन जाते. त्यापूर्वी ते उत्सर्जन पदार्थात जे अंतर चालून जाते त्यावरून त्याची भेदकता समजत असते. ह्या किरणोत्सारी उत्सर्जनाची भेदकता खालील कोष्टका प्रमाणे असते.

नरेंद्र गोळे २०१११०३१ narendra.v.gole@gmail.com, http://urjasval.blogspot.com/
.