प्रकृति से लेकर नाभिकीय भौतिकी तक इंद्रधनुष का विज्ञान

हाल ही में, मैंने न्यूक्लियर फिज़िक्स के एक व्याख्यान के दौरान हेवी-आयन स्कैटरिंग में फ्रेनल और फ्राउनहोफर स्कैटरिंग पर चर्चा की, जहाँ हमने रेनबो स्कैटरिंग की दिलचस्प अवधारणा पर भी बात की। इस प्रभाव का नाम इसकी समानता के कारण रखा गया है, जो हमें आसमान में इंद्रधनुष के रूप में दिखाई देता है।

युवा छात्रों और आम जनों के लिए, जो इस विषय से परिचित नहीं हैं, मैंने सोचा कि इस रोचक समानता को सरल तरीके से समझाना उपयोगी रहेगा। जिस तरह प्रकाश की किरणें पानी की बूंदों से गुजरते समय मुड़ती और फैलती हैं, उसी तरह हेवी आयन जब नाभिक से टकराते हैं, तो कुछ ऐसा ही पैटर्न बनता है, जिससे हमें न्यूक्लियर फोर्सेस के बारे में महत्वपूर्ण जानकारियाँ मिलती हैं।

यह वाकई बहुत रोमांचक है कि लोगों को यह बताया जाए कि ऐसा ही एक अद्भुत घटना-क्रम परमाणु स्तर पर भी होता है, जैसा कि हम सामान्य जीवन में इंद्रधनुष को देखते हुए अनुभव करते हैं। इसी संदर्भ में, इस ब्लॉग में हम रेनबो स्कैटरिंग की अवधारणा पर चर्चा करेंगे और समझेंगे कि कैसे यह ऑप्टिक्स और न्यूक्लियर फिज़िक्स को आपस में जोड़ती है।

इंद्रधनुष ने सदियों से मानव जाति को अपनी चमकदार रंगों से मोहित किया है, जो बारिश के बाद आकाश में फैलते हैं। लेकिन क्या आप जानते हैं कि परमाणु नाभिकों की गहराई में भी इसी तरह की एक घटना होती है? इसे नाभिकीय इंद्रधनुष कहा जाता है, और यह भारी आयनों (heavy ions) के प्रकीर्णन (scattering) के अध्ययन में उत्पन्न होती है, जहां कण उच्च ऊर्जा पर टकराते हैं। हालांकि प्राकृतिक और नाभिकीय इंद्रधनुष आकार में बहुत अलग होते हैं, लेकिन इन्हें जोड़ने वाले भौतिक सिद्धांत आश्चर्यजनक रूप से समान होते हैं।

इस ब्लॉग में, हम दोनों प्रकार के इंद्रधनुषों के पीछे के विज्ञान के बारे में जानेंगे, और यह समझेंगे कि अपवर्तन (REFRACTION), प्रकीर्णन (SCATTERING) और व्यतिकरण (INTERFERENCE) कैसे इन अद्भुत पैटर्नों को आकार देते हैं, चाहे वे वायुमंडल में हों या परमाणु नाभिकों के भीतर हों। बारिश के बाद जो इंद्रधनुष हम देखते हैं, वह पानी की बूंदों में प्रकाश के प्रकीर्णन और अपवर्तन का परिणाम है।

आइए इसे चरणबद्ध तरीके से समझें। जब सूर्य का प्रकाश पानी की बूंद में प्रवेश करता है, तो उसकी गति धीमी हो जाती है और वह मुड़ जाता है। इस प्रक्रिया को अपवर्तन कहते हैं। प्रकाश के विभिन्न रंग (तरंगदैर्ध्य) अलग-अलग मात्रा में मुड़ते हैं, जहां बैंगनी सबसे ज्यादा और लाल सबसे कम मुड़ता है। अपवर्तित प्रकाश, पानी की बूंद की आंतरिक सतह से टकराता है और वापस परावर्तित हो जाता है।

इसे पूर्ण आंतरिक परावर्तन (total internal reflection) कहते हैं। जब परावर्तित प्रकाश बूंद से बाहर निकलता है, तो वह फिर से मुड़ता है। यह दोहरा अपवर्तन, प्रकाश को उसके घटक रंगों में फैला देता है, जिससे वह स्पेक्ट्रम बनता है जिसे हम इंद्रधनुष के रूप में पहचानते हैं। इसे नीचे दिए गए चित्र में दर्शाया गया है। यह ऐसा ही है, जैसा तब होता है जब सफेद प्रकाश एक प्रिज्म से होकर गुजरता है और प्रकाश सात रंगों में विभाजित हो जाता है, विभिन्न बूंदों के भीतर प्रकाश द्वारा लिए गए रास्तों के व्यतिकरण से प्रकाश के कुछ कोण उजागर होते हैं और कुछ दब जाते हैं। यह इंद्रधनुष को उसकी विशिष्ट चाप आकार प्रदान करता है। पूरी प्रक्रिया प्रकाश के प्रकीर्णन और तरंग व्यतिकरण के भौतिक विज्ञान द्वारा शासित होती है, जो नाभिकीय इंद्रधनुष को समझने के लिए भी उतनी ही महत्वपूर्ण हैं।

नाभिकीय इंद्रधनुष क्या है?

नाभिकीय भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, नाभिकीय इंद्रधनुष भारी आयनों के प्रकीर्णन के दौरान होता है। जब एक प्रक्षेपक नाभिक (Incident Nucleus) जैसे ऑक्सीजन या कार्बन किसी लक्षित नाभिक (target Nucleus), जैसे सीसा (Pb) या थोरियम (Th) नाभिक, से टकराता है, तो प्रकीर्णित कणों के वितरण में एक इंद्रधनुष जैसा पैटर्न उत्पन्न होता है। पर्याप्त उच्च ऊर्जा पर, मजबूत नाभिकीय बल—जो प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों को नाभिक में एक साथ बांधता है—टकराने वाले नाभिकों के बीच की अंतःक्रिया पर हावी हो जाता है। यह घटना प्रक्षेपक नाभिक की दिशा में मुड़ाव, या विपथन, उत्पन्न करती है, कुछ उसी तरह जैसे प्रकाश बूंद से गुजरते समय मुड़ता है। इसे निम्न चित्र में प्रस्तुत किया गया है;

रदरफोर्ड प्रकीर्णन सूत्र यह बताता है कि जब कण (जैसे अल्फा कण) नाभिक के पास से गुजरते हैं, तो वे कैसे बिखरते हैं। समीकरण b=acot(θ/2) यह बताता है कि प्रभावी व्यास b (जो यह बताता है कि कण नाभिक के  कितने  करीब आता है) और प्रकीर्णन कोण θ (वह कोण जिस पर कण  मुड़ता है) के बीच क्या संबंध है।

इसे आसान शब्दों में समझें...

भारी आयन टकराव की स्थिति में, जब प्रभावी व्यास b (impact parameter) छोटा होता है, तो प्रकीर्णन कोण θ बढ़ता जाता है। जब b बहुत बड़ा होता है, तब θ शून्य के करीब होता है (मतलब कण मुड़ता नहीं है)। जब b छोटा होता है, तब θ अपने अधिकतम मान के करीब पहुंच जाता है, जिसे θm​ कहते हैं। किसी विशेष मध्यम मान के लिए, प्रकीर्णन कोण अपने अधिकतम मान θm​ तक पहुंचता है। इलास्टिक (प्रत्यास्थ) प्रकीर्णन के लिए विभेदन क्रॉस-सेक्शन, जो किसी विशेष कोण पर प्रकीर्णन की संभावना मापता है, निम्नलिखित सूत्र द्वारा दी जाती है:

इसका मतलब है कि, प्रकीर्णन की संभावना  (क्रॉस-सेक्शन) इस बात पर निर्भर करती है कि  प्रभावी व्यास प्रकीर्णन कोण  θ, के साथ कैसे बदलता है। जब प्रकीर्णन कोण  θ अपने अधिकतम पर होता है, तब θ  और  b के बीच व्युत्पन्न (derivative) शून्य हो जाता है, जैसा कि नीचे चित्र में दिखाया गया है।इसके परिणामस्वरूप, सूत्र यह संकेत देता है कि उस कोण θ=θm (=θr)  पर क्रॉस-सेक्शन   अत्यधिक बढ़ जाता है, या "अनंत" हो जाता है।

इसका मतलब यह है कि किसी विशेष कोण पर क्रॉस-सेक्शन अनंत हो जाता है, प्रकीर्णन की संभावना अचानक बहुत अधिक हो जाती है। परिणाम, एक नाभिकीय संस्करण का  इंद्रधनुष, जो नग्न आंखों से अदृश्य होता है, लेकिन प्रकीर्णित कणों के कोणीय वितरण में स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। इसे इंद्रधनुषीय प्रकीर्णन (RAINBOW SCATTERING) कहा जाता है।

इंद्रधनुषीय प्रकीर्णन एक ऐसी परिघटना है जो नाभिकीय भौतिकी और प्रकाशिकी (Optics) दोनों में देखी जाती है, जहां विभेदन क्रॉस-सेक्शन एक विशिष्ट रूपरेखा दिखाता है, जो विभिन्न प्रकीर्णन पथों के बीच तरंग व्यतिकरण के कारण उत्पन्न होता है। विशेष रूप से, कुछ कोणों पर प्रकीर्णन के लिए, क्रॉस-सेक्शन तेज़ी से बढ़ता है (जिसे "अनंत वृद्धि" कहा जाता है), और फिर बड़े कोणों पर अचानक शून्य हो जाता है।यह इसलिए होता है क्योंकि एक निश्चित अधिकतम कोण θm​, से परे, कोई प्रकीर्णन संभव नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि उस कोण से अधिक पर प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन गायब हो जाता है।

यह परिघटना वायुमंडलीय प्रकाशिकी में पानी की बूंदों द्वारा सूर्य की किरणों के प्रकीर्णन के समान है, जहां जल की बूंदों के साथ परस्पर क्रिया करने वाली प्रकाश किरणें इंद्रधनुष का निर्माण करती हैं, जो कि रचनात्मक और विनाशकारी व्यतिकरण के कारण होता है। ऐसे प्रकाशिकी (ऑप्टिकल) मामलों में, विशिष्ट कोणों (जैसे इंद्रधनुषीय कोण​) पर प्रकीर्णित सूर्य का प्रकाश तीव्र हो जाता है, जो इंद्रधनुष के रूप में दिखाई देता है। इसी प्रकार, नाभिकीय प्रकीर्णन में, एक निश्चित कोण पर प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन में अचानक वृद्धि (जिसे इंद्रधनुषीय कोण θr​ कहा जाता है) इसी तरह के रचनात्मक व्यतिकरण प्रभावों के कारण होती है।

प्राकृतिक और नाभिकीय इंद्रधनुष के बीच समानताएँ...

हालांकि यह घटनाएँ बिल्कुल अलग पैमानों पर होती हैं—एक आकाश में और दूसरी परमाणु नाभिक के भीतर—प्राकृतिक और नाभिकीय इंद्रधनुष कुछ मुख्य भौतिक सिद्धांतों को साझा करते हैं: (i) प्राकृतिक इंद्रधनुष में, सूर्य का प्रकाश जब पानी की बूंदों में प्रवेश करता और बाहर निकलता है, तो वह विभिन्न तरंगदैर्ध्य के आधार पर अलग-अलग कोणों पर मुड़ता है;(ii) नाभिकीय प्रकीर्णन में, जब भारी आयन लक्षित नाभिक के नाभिकीय क्षेत्र के साथ अंतःक्रिया करता है, तो वह अपवर्तित (REFRACTED) होता है। यह नाभिकीय संभाव्यता, आकर्षक (attractive) नाभिकीय बल और प्रत्युत्कर्षण (repulsive) कूलॉम्ब बल का संयोजन होती है, जो प्रक्षेपक को वैसे ही अपवर्तित करती है जैसे बूंदें प्रकाश को करती हैं।

प्राकृतिक इंद्रधनुष में, विभिन्न बूंदों से बाहर निकलने वाली प्रकाश तरंगों के बीच व्यतिकरण इंद्रधनुष के चमकदार और धुंधले क्षेत्रों को उत्पन्न करता है। नाभिकीय इंद्रधनुष में, प्रकीर्णित कणों के तरंग-कार्यों के बीच क्वांटम यांत्रिक व्यतिकरण प्रकीर्णन क्रॉस-सेक्शन में उतार-चढ़ाव उत्पन्न करता है, जो प्राकृतिक इंद्रधनुष में देखे गए बारी-बारी से उज्ज्वल और मंद बैंड की तरह दिखता है।

प्राकृतिक इंद्रधनुष में अपवर्तन के कारण रंगों का कोणीय पृथक्करण चाप आकार में दिखाई देता है। इसी तरह, नाभिकीय इंद्रधनुष प्रकीर्णित आयनों के कोणीय वितरण में उतार-चढ़ाव के रूप में दिखाई देता है। प्रकीर्णित कणों की तीव्रता विशिष्ट कोणों पर चरम पर होती है, जो प्राकृतिक इंद्रधनुष के कोणीय तीव्रता की नकल करती है। नाभिकीय भौतिकी में, नाभिकीय इंद्रधनुष प्रक्षेपक और लक्षित नाभिक के संभाव्यता क्षेत्रों के बीच अंतःक्रिया से उत्पन्न होता है। नाभिकीय संभाव्यता के दो घटक होते हैं;

(i) कूलॉम्ब प्रतिकर्षण और 

(ii) नाभिकीय आकर्षण।

कूलॉम्ब प्रतिकर्षण सकारात्मक आवेशित नाभिकों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक बल और नाभिकीयआकर्षण बल तब कार्य करता है जब प्रक्षेपक लक्षित नाभिक के पास आता है। कुछ उच्च ऊर्जाओं पर, आने वाला प्रक्षेप्य नाभिक इस परमाणु क्षमता से अपवर्तित हो जाता है, ठीक उसी तरह जैसे बारिश की बूंद से गुजरने पर प्रकाश अपवर्तित हो जाता है। विक्षेपित भारी आयन विभिन्न कोणों पर बिखरते हैं, जिससे बिखरे हुए कणों के कोणीय वितरण में एक पैटर्न बनता है जो इंद्रधनुष जैसा दिखता है।

यह घटना विशेष रूप से भारी आयनों के टकराव में स्पष्ट रूप से दिखाई देती है, जहां आने वाले नाभिकों की ऊर्जा और संवेग (MOMENTUM) नाभिकीय बलों को हावी करने के लिए पर्याप्त होते हैं। परिणामी इंद्रधनुष जैसा कोणीय वितरण नाभिकीय इंद्रधनुष कहलाता है।

नाभिकीय इंद्रधनुष का अध्ययन करना न केवल प्रकाशिकी और नाभिकीय भौतिकी के बीच के समानांतरों पर गहरी अंतर्दृष्टि प्रदान करता है, बल्कि यह परमाणु नाभिकों की संरचना और नाभिकीय अंतःक्रियाओं को समझने के लिए भी महत्वपूर्ण है। यहां इसके कुछ प्रमुख अनुप्रयोग दिए गए हैं;

(i)नाभिकीय इंद्रधनुष प्रकीर्णन में कोणीय वितरण की जांच करके, भौतिकविद नाभिकीय संभाव्यता और भारी आयनों के टकराव के दौरान काम करने वाली शक्तियों के बारे में जानकारी प्राप्त कर सकते हैं।

(ii) नाभिकीय इंद्रधनुष शोधकर्ताओं को नाभिक के भीतर घनत्व वितरण और विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर नाभिकीय बलों के व्यवहार को समझने में मदद करते हैं। यह नाभिकीय अंतःक्रियाओं के सैद्धांतिक मॉडल को परिष्कृत करने के लिए महत्वपूर्ण है।

(iii) नाभिकीय इंद्रधनुष प्रभाव को समझने से भारी आयन प्रतिक्रियाओं की गतिशीलता के बारे में मूल्यवान जानकारी मिलती है, जिसमें संलयन (fusion), प्रत्यास्थ प्रकीर्णन (elastic scattering), और कण हस्तांतरण (particle transfer) शामिल हैं। ये प्रतिक्रियाएँ कई नाभिकीय भौतिकी अनुप्रयोगों में केंद्रीय हैं, जैसे कि परमाणु ऊर्जा और चिकित्सा अनुप्रयोगों में।

इंद्रधनुष चाहे आकाश में हो या परमाणु नाभिक के भीतर, दोनों घटनाओं में अंतर्निहित भौतिक सिद्धांत समान हैं। यह समरूपता न केवल हमारे चारों ओर की प्राकृतिक दुनिया और सूक्ष्म जगत के बीच गहरे संबंधों को दर्शाती है, बल्कि यह भी दिखाती है कि विज्ञान की मूलभूत अवधारणाएँ हर पैमाने पर लागू होती हैं।

Thank you for your interest in my blog! I'd be happy to share the details with you. Please feel free to send an email via our "Contact Us" section, and you'll receive the full details promptly.