⚛️ nuclear theory

Angular and Kinetic Properties of Scission Neutrons within Time-dependent Density Functional Theory

यह अध्ययन टाइम-डिपेंडेंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि विखंडन न्यूट्रॉन (scission neutrons), $^{235}\mathrm{U}$ , $^{239}\mathrm{Pu}$ , और $^{252}\mathrm{Cf}$ विखंडन के प्रॉम्प्ट विखंडन न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम में एक महत्वपूर्ण, उच्च-ऊर्जा घटक के रूप में मौजूद होते हैं, जो प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करता है कि उनका समावेश पारंपरिक केवल-इवैपोरेशन (evaporation-only) मॉडलों में देखे गए उच्च-ऊर्जा यील्ड के व्यवस्थित कम अनुमान को हल करता है।

मूल लेखक: Antonio Bjelčić, Ibrahim Abdurrahman, Kyle Godbey

प्रकाशित 2026-06-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Antonio Bjelčić, Ibrahim Abdurrahman, Kyle Godbey

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि एक विशाल, अस्थिर गुब्बारा (एक परमाणु नाभिक) अचानक दो टुकड़ों में टूट जाता है। यह परमाणु विखंडन (nuclear fission) है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि जब ऐसा होता है, तो परिणामी दो टुकड़े (जिन्हें फ्रैगमेंट कहा जाता है) अविश्वसनीय गति से अलग होते हैं और न्यूट्रॉन नामक सूक्ष्म कण बाहर निकालते हैं।

लंबे समय तक, भौतिकविदों ने सोचा कि ये सभी न्यूट्रॉन बाद में "वाष्पित" (evaporated) होते हैं, जैसे गर्म कॉफी से भाप उठती है जब पानी उबल चुका हो। उन्होंने माना कि फ्रैगमेंट पूरी तरह से बन चुके थे और स्थिर रूप से चल रहे थे, इससे पहले कि वे इन न्यूट्रॉन को छोड़ना शुरू करें।

हालाँकि, यह नया शोध पत्र सुझाव देता है कि कुछ न्यूट्रॉन वास्तव में उसी क्षण "बाहर फेंके" (kicked out) जाते हैं जब गुब्बारा टूटता है। इन्हें विखंडन न्यूट्रॉन (scission neutrons) कहा जाता है। ये टूटने के उस क्षणिक, अराजक क्षण में पैदा होते हैं, न कि बाद में किसी शांत, ठंडे होते हुए फ्रैगमेंट से।

यहाँ शोधकर्ताओं ने इन "स्नैप-टाइम" (टूटते समय के) न्यूट्रॉन का प्रमाण कैसे पाया, इसे सरल भाषा में समझाया गया है:

1. सुपर-कंप्यूटर सिमुलेशन

विखंडन के दौरान क्या होता है, यह देखने के लिए वैज्ञानिकों ने सूक्ष्मदर्शी (microscope) का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय उन्होंने टाइम-डिपेंडेंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (TDDFT) नामक सिद्धांत का उपयोग करके एक सुपर-कंप्यूटर के माध्यम से इस घटना का एक "मूवी" चलाया।

इसे एक उच्च-गति वाले, 3D वीडियो गेम की तरह समझें जहाँ वे परमाणुओं के नाचने और टूटने का अनुकरण (simulate) करते हैं। इस "गेम" के पिछले संस्करणों में, आभासी दुनिया बहुत छोटी थी। न्यूट्रॉन वैज्ञानिकों के यह पता लगाने से पहले ही स्क्रीन के किनारे से टकरा जाते थे कि उनकी गति कितनी है या वे किस दिशा में उड़ रहे हैं।

इस अध्ययन में, उन्होंने एक बहुत बड़ी आभासी दुनिया बनाई (पहले की तुलना में लगभग 3 गुना बड़ी)। इसने न्यूट्रॉन को इतनी जगह दी कि वे बाहर निकल सकें और स्थिर हो सकें, ताकि वैज्ञानिक डेटा को खराब किए बिना उन्हें सटीक रूप से माप सकें।

2. "स्पीड लिमिट" की खोज

एक बार जब उनके पास स्पष्ट दृश्य प्राप्त हो गया, तो उन्होंने विशिष्ट कोणों पर (मुख्य रूप से विभाजन के सापेक्ष बगल में और थोड़ा पीछे की ओर) उड़ने वाले न्यूट्रॉन को देखा। उन्होंने कुछ आश्चर्यजनक पाया:

"नो-गो" ज़ोन (No-Go Zone): कोई भी कम ऊर्जा वाले (लगभग 1.5 से 2 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से नीचे) विखंडन न्यूट्रॉन नहीं हैं। ऐसा लगता है जैसे यहाँ एक गति सीमा (speed limit) है; कोई भी धीमा कण "स्नैप-टाइम" न्यूट्रॉन नहीं हो सकता।
उच्च-गति वाली भीड़: इसके बजाय, ये सभी न्यूट्रॉन तेज़ हैं। वे एक विशिष्ट उच्च गति (3–3.5 MeV) के आसपास केंद्रित होते हैं और फिर और भी तेज़ कणों की एक लंबी पूंछ (tail) में विलीन हो जाते हैं।

यह एक डाइविंग बोर्ड से कूदने वाली भीड़ की तरह है। "वाष्पित" (evaporated) न्यूट्रॉन उन लोगों की तरह हैं जो बाद में शांति से पूल डेक से उतरते हैं। "विखंडन" (scission) न्यूट्रॉन उन लोगों की तरह हैं जिन्हें ठीक उसी सेकंड बोर्ड से हिंसक रूप से उछाल दिया जाता है जब वह टूटता है। बोर्ड से उछले गए लोग हमेशा तेज़ गति से चलते हैं; आप उस विशिष्ट घटना से कभी भी कोई धीमा व्यक्ति नहीं देखते।

3. "लापता" ऊर्जा की पहेली सुलझाना

वैज्ञानिक वर्षों से अपने कंप्यूटर मॉडल को वास्तविक दुनिया के प्रयोगों के साथ मिलाने की कोशिश कर रहे हैं। उनके पास एक समस्या थी:

पुराना मॉडल: यदि आप केवल "भाप" (वाष्पित न्यूट्रॉन) को गिनते हैं, तो आपका कंप्यूटर मॉडल बहुत कम उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन की भविष्यवाणी करता है। यह एक बाल्टी को छोटे कप से भरने की कोशिश करने जैसा है, लेकिन बाल्टी को हमेशा उस पानी से अधिक पानी की आवश्यकता होती है जो कप प्रदान कर सकता है।
नया मॉडल: जब शोधकर्ताओं ने "स्नैप-टाइम" न्यूट्रॉन (जो उन्हें अपने बड़े सिमुलेशन में मिले) को "भाप" वाले न्यूट्रॉन के साथ जोड़ा, तो गणित आखिरकार काम कर गया। संयुक्त मॉडल यूरेनियम और कैलिफ़ोर्नियम के लिए वास्तविक प्रयोगों में मापे गए उच्च-ऊर्जा डेटा से पूरी तरह मेल खाता है।

4. यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह पहली बार है जब एक शुद्ध सूक्ष्म सिद्धांत (purely microscopic theory) (जो केवल अनुमान नहीं लगाता या यह मान नहीं लेता कि चीजें मौजूद हैं) ने इन "स्नैप-टाइम" न्यूट्रॉन की भविष्यवाणी की है और सिद्ध किया है कि वे वास्तविक हैं।

पहले: वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाना पड़ता था कि ये न्यूट्रॉन मौजूद हैं क्योंकि गणित मेल नहीं खा रहा था।
अब: कंप्यूटर सिमुलेशन ने बिना बताए स्वाभाविक रूप से इन्हें उत्पन्न किया। यह तूफान की भविष्यवाणी बादलों की गति देखकर करने जैसा है, न कि केवल इसलिए कि मौसम विभाग कहता है कि तूफान आ रहा है।

निष्कर्ष

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि जब एक परमाणु विभाजित होता है, तो न्यूट्रॉन का एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण हिस्सा (कुल का लगभग 6% से 10%) टूटने के हिंसक क्षण में पैदा होता है। ये न्यूट्रॉन इसलिए अलग हैं क्योंकि वे विशिष्ट कोणों पर हमेशा तेज़ होते हैं और कभी भी धीमे नहीं होते।

डेटा में इस "फिंगरप्रिंट" को खोजकर, शोधकर्ताओं ने अंततः "स्नैप-टाइम" न्यूट्रॉन को "भाप" वाले न्यूट्रॉन से अलग कर दिया है, जिससे हमें परमाणु विखंडन वास्तव में कैसे काम करता है, इसकी एक स्पष्ट और अधिक सटीक तस्वीर मिली है। यह हमें उन मौलिक बलों को समझने में मदद करता है जो पदार्थ को थामे रखते हैं और उसे तोड़ते हैं।

तकनीकी सारांश: समय-निर्भर घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (TDDFT) के भीतर विखंडन न्यूट्रॉन (Scission Neutrons) के कोणीय और गतिज गुण

समस्या विवरण
परमाणु विखंडन की खोज के लगभग एक सदी बाद भी, इसकी पूर्ण सूक्ष्म व्याख्या करना अभी भी कठिन बना हुआ है, विशेष रूप से बाहरी सैडल पॉइंट (outer saddle point) से विखंडन (scission) तक के संक्रमण और उसके बाद प्राथमिक विखंडन खंडों (primary fission fragments - FFs) के निर्माण के संबंध में। वर्तमान सांख्यिकीय वाष्पीकरण कोड यह मान लेते हैं कि सभी त्वरित न्यूट्रॉन पूरी तरह से त्वरित खंडों से समदैशिक (isotropically) रूप से उत्सर्जित होते हैं। हालांकि, यह ढांचा गर्दन टूटने (neck rupture) की अत्यधिक गैर-संतुलन गतिशील प्रक्रिया के दौरान उत्सर्जित न्यूट्रॉन, जिन्हें 'विखंडन न्यूट्रॉन' (scission neutrons - SNs) कहा जाता है, का लेखा-जोखा नहीं रख सकता है। यद्यपि SNs की कल्पना 1939 से की जा रही है और विभिन्न मॉडलों के माध्यम से उनका अध्ययन किया गया है, फिर भी वे प्रयोगात्मक रूप से अनसुलझे हैं क्योंकि केवल प्रॉम्प्ट-न्यूट्रॉन अवलोकन ही विखंडन के समय उत्सर्जित न्यूट्रॉन और बाद में वाष्पित होने वाले न्यूट्रॉन के बीच अंतर करने में सक्षम नहीं हैं। टाइम-डिपेंडेंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (TDDFT) का उपयोग करके SNs की भविष्यवाणी करने के पिछले प्रयास छोटे सिमुलेशन डोमेन द्वारा सीमित थे, जिससे न्यूट्रॉन के गणनात्मक सीमाओं तक पहुँचने से पहले उनके कोणीय और गतिज गुणों का एक साथ निर्धारण करना असंभव था।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन $^{235}\text{U}(n_{th}, f)$ , $^{239}\text{Pu}(n_{th}, f)$ , और $^{252}\text{Cf}(sf)$ में SN उत्सर्जन की जांच करने के लिए सुपरफ्लुइड सिस्टम तक विस्तारित TDDFT पर आधारित एक पूर्णतः सूक्ष्म ढांचे का उपयोग करता है।

सिमुलेशन सेटअप: लेखकों ने SkM* ऊर्जा घनत्व कार्यात्मक (EDF) के साथ अक्षीय-सममित हार्मोनिक-ऑसिलेटर सॉल्वर AxialHOHFB का उपयोग किया। एक महत्वपूर्ण प्रगति एक काफी बड़े सिमुलेशन डोमेन (एक दीर्घवृत्त जिसके अर्ध-अक्ष $Z_{max} = 70$ fm और $R_{max} = 55$ fm हैं) का उपयोग थी, जो पिछले अध्ययनों की तुलना में लगभग 3.2 गुना बड़ा है।
दो-चरणीय एकीकरण: सटीकता बनाए रखते हुए कम्प्यूटेशनल बाधाओं को प्रबंधित करने के लिए, एक दो-चरणीय समय एकीकरण प्रक्रिया का उपयोग किया गया। सिस्टम को एक छोटे आधार ( $B_1$ ) में स्थिर संकुचित हार्ट्री-फॉग-बोगोलियुव (HFB) समाधान से विखंडन क्षण तक विकसित किया गया, फिर इसे एक बड़े आधार ( $B_2$ ) में परिवर्तित किया गया ताकि न्यूट्रॉन सीमा के पास पहुँचने तक विकास जारी रहे।
SN गुणों का निष्कर्षण: SNs की पहचान एक क्षेत्र $V^{(SN)}_\eta$ को परिभाषित करके की गई जहाँ सामूहिक-प्रवाह ऊर्जा घनत्व (collective-flow energy density) और आंतरिक गतिज ऊर्जा घनत्व का अनुपात $\eta = 3$ की दहलीज (threshold) से अधिक हो गया। यह मानदंड उन न्यूट्रॉन को अलग करता है जो बाहरी सामूहिक प्रवाह (outward collective flow) द्वारा संचालित होते हैं।
कोणीय और गतिज विश्लेषण: इस क्षेत्र के भीतर, स्थानीय वेग क्षेत्र और प्रति न्यूट्रॉन सामूहिक-प्रवाह ऊर्जा की गणना की गई। अध्ययन ने कोणीय अंतराल $110^\circ \leq \theta \leq 150^\circ$ (हल्के FF की दिशा के सापेक्ष मापा गया) पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ सीमा प्रतिबिंबों (boundary reflections) से पहले SN यील्ड संतृप्त (saturate) हो जाती है।
प्रयोग के साथ तुलना: गणना किए गए SN स्पेक्ट्रम को वाष्पित न्यूट्रॉन (EN) घटक के लिए मैक्सवेलियन वाष्पीकरण मॉडल के साथ जोड़ा गया। वाष्पीकरण मॉडल के मापदंडों (खंड तापमान $T$ और बहुलता अनुपात $\bar{\nu}_L/\bar{\nu}_H$ ) को विशेष रूप से निम्न-ऊर्जा प्रयोगात्मक डेटा ( $E \leq E_{thr}$ ) द्वारा सीमित किया गया था। इस संयुक्त मॉडल की तुलना $^{239}\text{Pu}$ और $^{252}\text{Cf}$ के उच्च-ऊर्जा प्रॉम्प्ट विखंडन न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम (PFNS) डेटा के विरुद्ध की गई।

मुख्य परिणाम

SN स्पेक्ट्रम की विशेषताएं: तीनों प्रणालियों के लिए निकाले गए SN स्पेक्ट्रा एक विशिष्ट दहलीज व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। SNs एक विशिष्ट ऊर्जा दहलीज ( $E_{thr}$ ) के नीचे अनुपस्थित होते हैं, जो लगभग 1.5–2 MeV है (विशेष रूप से प्रेरित विखंडन के लिए $\approx 2$ MeV और स्वतःस्फूर्त विखंडन के लिए $\approx 1.5$ MeV)। स्पेक्ट्रा 3–3.5 MeV के पास शिखर (peak) पर पहुँचते हैं और लगभग 18 MeV तक विस्तृत एक घातांकीय (exponential) उच्च-ऊर्जा पूंछ (tail) प्रदर्शित करते हैं।
यील्ड अनुमान: $^{239}\text{Pu}(n_{th}, f)$ के लिए, कुल SN यील्ड $0.19 \pm 0.01$ (कुल प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन का लगभग 6.6%) गणना की गई है। $^{252}\text{Cf}(sf)$ के लिए, यील्ड $0.39 \pm 0.02$ (लगभग 10.4%) है।
मॉडल सत्यापन: जब गणना किए गए SN घटक को वाष्पीकरण मॉडल (जो केवल निम्न-ऊर्जा डेटा द्वारा सीमित है) में जोड़ा जाता है, तो परिणामी कुल PFNS, $^{239}\text{Pu}$ और $^{252}\text{Cf}$ दोनों के उच्च-ऊर्जा यील्ड को सटीक रूप से पुनरुत्पादित करता है। इसके विपरीत, केवल वाष्पीकरण वाला मॉडल व्यवस्थित रूप से उच्च-ऊर्जा यील्ड को कम आंकता है, भले ही इसे 95% विश्वास अंतराल के भीतर देखा जाए।
कोणीय स्थिरता: अध्ययन पुष्टि करता है कि विश्वसनीय स्पर्शोन्मुखी (asymptotic) गुण केवल कोणीय सीमा $110^\circ \leq \theta \leq 150^\circ$ के भीतर ही निकाले जा सकते हैं। इस सीमा के बाहर, क्षणिक हस्तक्षेप प्रभाव (transient interference effects) और सीमा प्रतिबिंब वर्तमान सिमुलेशन डोमेन के भीतर यील्ड को संतृप्त होने से रोकते हैं।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि यह मौजूदा मापे गए प्रॉम्प्ट विखंडन न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रा के भीतर विखंडन-न्यूट्रॉन हस्ताक्षर की पहली पहचान प्रदान करता है जिसे पूर्णतः सूक्ष्म ढांचे के भीतर पहचाना गया है। यह प्रदर्शित करके कि TDDFT बिना किसी पूर्व धारणा के स्वाभाविक रूप से SNs उत्पन्न करता है, और कि ये SNs वाष्पीकरण-मात्र मॉडलों और उच्च-ऊर्जा प्रयोगात्मक डेटा के बीच के अंतर को हल करते हैं, यह अध्ययन प्रॉम्प्ट विखंडन में एक गैर-नगण्य विखंडन-न्यूट्रॉन घटक के लिए प्रत्यक्ष प्रमाण प्रस्तुत करता है।

लेखक तर्क देते हैं कि यह कार्य मानक सांख्यिकीय-वाष्पीकरण चित्र से परे विखंडन न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रा की व्याख्या करने के लिए एक सूक्ष्म आधार स्थापित करता है। इसके अतिरिक्त, वे एक विशिष्ट प्रयोगात्मक हस्ताक्षर की पहचान करते हैं: ऊर्जा दहलीज ( $E_{thr}$ ) के नीचे SN और EN योगदान का पृथक्करण। यह निहित करता है कि निर्दिष्ट कोणीय सीमा में निम्न-ऊर्जा माप वाष्पीकरण घटक के लिए सबसे मजबूत बाधा प्रदान करते हैं, जबकि उच्च-ऊर्जा पूंछ (tail) SN योगदान का प्राथमिक संकेतक है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि वर्तमान सिमुलेशन विशिष्ट कोणीय सीमाओं तक सीमित हैं, फिर भी यह पद्धति सफलतापूर्वक विखंडन न्यूट्रॉन के एक मापने योग्य संकेत को अलग करती है जिसे लगभग एक सदी से सैद्धांतिक रूप से कल्पित किया जा रहा है।

1. सुपर-कंप्यूटर सिमुलेशन

2. "स्पीड लिमिट" की खोज

3. "लापता" ऊर्जा की पहेली सुलझाना

4. यह क्यों महत्वपूर्ण है

निष्कर्ष

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