हज़ारों वर्ष पहले मर चुके पेड़ की लकड़ी का एक टुकड़ा कब काटा गया था, वैज्ञानिक यह कैसे पता लगाते हैं? इसका रहस्य लकड़ी में मौजूद कार्बन परमाणुओं में छिपा है। एक ही कार्बन में थोड़े अधिक भारी प्रकार के परमाणु भी मिले होते हैं, और उनमें से कुछ एक निश्चित दर से गायब होते जाते हैं। मानो हर परमाणु में एक घड़ी लगी हो।
एक ही तत्व के ऐसे परमाणुओं को, जिनका भार अलग-अलग होता है, ‘समस्थानिक (Isotope)’ कहते हैं। उनके रासायनिक गुण लगभग एक जैसे होते हैं, लेकिन परमाणु नाभिक में न्यूट्रॉनों की संख्या अलग होने के कारण कुछ हमेशा स्थिर रहते हैं, जबकि कुछ विकिरण उत्सर्जित करते हुए दूसरे तत्वों में बदल जाते हैं।
इस सामग्री में हम समस्थानिकों के अर्थ और परमाणु संरचना से शुरू करके स्थिर और रेडियोधर्मी समस्थानिकों का अंतर, कार्बन से समय मापने की विधि तथा चिकित्सा, ऊर्जा और जलवायु अनुसंधान में उनके उपयोगों को क्रम से समझेंगे।
अलग-अलग भार वाले जुड़वाँ परमाणु: समस्थानिकों के सिद्धांत और उपयोग
एक ही स्थान पर मौजूद अलग परमाणु
परमाणु के केंद्र में नाभिक होता है और उसके चारों ओर इलेक्ट्रॉन घूमते हैं। नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं। प्रोटॉनों की संख्या तय करती है कि तत्व कौन-सा है। 6 प्रोटॉन हों तो कार्बन और 8 हों तो ऑक्सीजन होता है।
- परमाणु क्रमांक (Atomic Number): परमाणु नाभिक में मौजूद प्रोटॉनों की संख्या, जो तय करती है कि वह कौन-सा तत्व है।
- द्रव्यमान संख्या (Mass Number): प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या, जो परमाणु के भार का लगभग अनुमान देती है।
- समस्थानिक (Isotope): ऐसे परमाणु जिनमें प्रोटॉनों की संख्या समान होती है, लेकिन न्यूट्रॉनों की संख्या अलग होने से उनकी द्रव्यमान संख्याएँ अलग होती हैं।
रासायनिक अभिक्रियाओं में मुख्य भूमिका इलेक्ट्रॉनों की होती है, इसलिए समान इलेक्ट्रॉन संख्या वाले समस्थानिक लगभग एक ही तरह से अभिक्रिया करते हैं। समस्थानिक के अंग्रेज़ी नाम आइसोटोप की उत्पत्ति ग्रीक शब्द इसोस (isos), जिसका अर्थ ‘समान’ है, और टोपोस (topos), जिसका अर्थ ‘स्थान’ है, से हुई है। इसका अर्थ है कि वे आवर्त सारणी में एक ही खाने में आते हैं। 1913 में ब्रिटिश रसायनज्ञ फ्रेडरिक सॉडी (Frederick Soddy) ने यह अवधारणा प्रस्तुत की थी। यह नाम उनके साथ बातचीत कर रही स्कॉटलैंड की चिकित्सक और लेखिका मार्गरेट टॉड (Margaret Todd) ने सुझाया था।
स्थिर परमाणु और बदलने वाले परमाणु
नाभिक की स्थिरता के आधार पर समस्थानिकों को मुख्यतः दो प्रकारों में बाँटा जाता है। हाइड्रोजन इसका सबसे अच्छा उदाहरण है।
(1) स्थिर समस्थानिक
ये ऐसे समस्थानिक हैं जो समय बीतने पर भी नहीं बदलते। साधारण हाइड्रोजन में न्यूट्रॉन नहीं होता, लेकिन एक न्यूट्रॉन वाला ड्यूटेरियम उससे दोगुना भारी होता है। ड्यूटेरियम की खोज 1931 में अमेरिकी रसायनज्ञ हैरोल्ड यूरी (Harold Urey) ने की थी। अधिकांश कार्बन भी कार्बन-12 होता है, जबकि लगभग 1.1% कार्बन-13 होता है, जिसमें एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन होता है।
(2) रेडियोधर्मी समस्थानिक
ये ऐसे समस्थानिक हैं जिनका नाभिक अस्थिर होता है और जो विकिरण उत्सर्जित करते हुए दूसरे परमाणुओं में बदल जाते हैं। दो न्यूट्रॉन वाले ट्रिटियम का आधा हिस्सा लगभग 12 वर्ष बीतने पर हीलियम में बदल जाता है।
(3) अर्धायु नाम की घड़ी
किसी रेडियोधर्मी समस्थानिक की मात्रा को उसकी शुरुआती मात्रा के आधे तक घटने में लगने वाला समय अर्धायु (Half-life) कहलाता है। तापमान या दाब बदलने पर भी अर्धायु लगभग अपरिवर्तित रहती है, इसलिए यह समय मापने की एक सटीक घड़ी बन जाती है। एक अर्धायु बीतने पर आधा हिस्सा बचता है, दो अर्धायु बीतने पर 4 में से 1 भाग और तीन अर्धायु बीतने पर 8 में से 1 भाग बचता है। इस तरह मात्रा नियमित रूप से घटती जाती है।
कार्बन से समय मापने की विधि
वायुमंडल में ऊँचाई पर अंतरिक्ष से आने वाली कॉस्मिक किरणें (Cosmic Ray) हवा से टकराकर लगातार रेडियोधर्मी कार्बन, यानी कार्बन-14 बनाती हैं। पौधे प्रकाश संश्लेषण के दौरान इस कार्बन को ग्रहण करते हैं और जानवर पौधों को खाकर इसे अपने शरीर में संचित करते हैं।
साँस रुकते ही घड़ी चलने लगती है
जब तक जीव जीवित रहता है, उसके शरीर में कार्बन-14 का अनुपात वायुमंडल के समान बना रहता है। लेकिन मृत्यु के बाद नया कार्बन शरीर में नहीं आता और बचा हुआ कार्बन-14 लगभग हर 5,730 वर्ष में आधा हो जाता है। इसलिए बची हुई मात्रा मापकर पीछे की ओर गणना की जा सकती है कि उस जीव की मृत्यु कब हुई थी।
वह खोज जिसने पुरातत्त्व को बदल दिया
यह रेडियोकार्बन काल निर्धारण विधि (Radiocarbon Dating) अमेरिका के शिकागो विश्वविद्यालय के विलर्ड लिबी (Willard Libby) ने 1940 के दशक के उत्तरार्ध में विकसित की थी। इस उपलब्धि के लिए उन्हें 1960 में रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार मिला। हालाँकि, नमूना जितना पुराना होता है, बची हुई मात्रा उतनी ही कम हो जाती है, इसलिए विश्वसनीय मापन की सीमा सामान्यतः लगभग 5 × दस हज़ार वर्ष पहले तक होती है।
दैनिक जीवन और विज्ञान में समस्थानिक
समस्थानिकों का प्रयोग प्रयोगशाला के बाहर भी बड़े पैमाने पर होता है। उनके रासायनिक गुण समान होने और केवल भार या विकिरण में अंतर होने की विशेषता ही उन्हें उपयोगी बनाती है।
(1) रोगों की पहचान और उपचार करने वाली चिकित्सा
शरीर में थोड़ी मात्रा में रेडियोधर्मी समस्थानिक डालने पर चित्रों के माध्यम से पता लगाया जा सकता है कि वह कहाँ जमा हो रहा है। लगभग 6 घंटे की अर्धायु वाला टेक्नीशियम-99m नैदानिक जाँचों में व्यापक रूप से इस्तेमाल होता है, जबकि आयोडीन-131 का उपयोग थायरॉइड ग्रंथि के उपचार में होता है।
(2) परमाणु बिजली उत्पादन का ईंधन
प्राकृतिक यूरेनियम में आसानी से नाभिकीय विखंडन करने वाला यूरेनियम-235 केवल लगभग 0.7% होता है। इसलिए बिजलीघर के ईंधन के रूप में उपयोग करने के लिए इसे संवर्धन प्रक्रिया से गुज़ारा जाता है, जिससे यह अनुपात बढ़ता है।
(3) अतीत की जलवायु बताने वाली बर्फ
भारी ऑक्सीजन-18 वाला पानी हल्के पानी की तुलना में कम वाष्पित होता है और पहले वर्षा या हिमपात के रूप में गिरता है। इसलिए अंटार्कटिका के हिमनदों की बर्फ में ऑक्सीजन समस्थानिकों का अनुपात मापकर उस समय के तापमान का अनुमान लगाया जा सकता है जब वह बर्फ गिरी थी।
(4) उत्पत्ति का स्थान बताने वाला पहचान चिह्न
पौधों और जानवरों में समस्थानिकों के अनुपात उस क्षेत्र के पानी, मिट्टी और जलवायु के अनुसार थोड़े अलग होते हैं जहाँ वे पले-बढ़े हैं। इन अंतरों का विश्लेषण करके पता लगाया जा सकता है कि शहद या वाइन जैसे खाद्य पदार्थों में सस्ती सामग्री मिलाई गई है या नहीं, और क्या उनका उत्पादन वास्तव में बताए गए क्षेत्र में हुआ है।
समस्थानिक बताते हैं कि बाहर से एक जैसे दिखने वाले परमाणुओं के भीतर झाँकें तो हर एक की अपनी अलग कहानी होती है। कुछ न्यूट्रॉनों का अंतर प्राचीन पुरावशेषों की आयु बताता है, शरीर में रोगों का पता लगाता है और लाखों वर्ष पहले के मौसम की जानकारी भी देता है।
यह जानना कि एक ही नाम वाले परमाणुओं में भी अलग-अलग भार और समय समाए होते हैं, परमाणुओं की अदृश्य दुनिया को गहराई से समझने के अध्ययन का पहला कदम है।
