Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
यह अध्ययन सुपरहैवी नाभिकों (Z=112-120) के संश्लेषण के लिए 18 हॉट फ्यूजन प्रतिक्रियाओं में क्वासीफिशन गतिकी का विश्लेषण करने हेतु सूक्ष्मदर्शीय समय-निर्भर हार्ट्री-फोक सिद्धांत का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि शेल प्रभाव (विशेष रूप से गोलाकार 208Pb और अष्टध्रुवीय-विकृत Z=88/N=136) विखंडन निर्माण को नियंत्रित करते हैं जबकि भारीе प्रक्षेप्य क्वासीफिशन को त्वरित करते हैं, जिससे तत्वों Z=119 और Z=120 को बनाने के प्रयासों में देखी गई कम संलयन संभावनाओं की व्याख्या होती है।
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पदार्थ की वास्तविक सीमाओं को समझने की खोज में, भौतिक विज्ञानी लगातार सबसे भारी संभव परमाणु बनाने का प्रयास कर रहे हैं। ये अति-भारी तत्व, जो आवर्त सारणी के सुदूर छोर पर स्थित हैं, पृथ्वी पर स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं हैं; उन्हें प्रयोगशालाओं में कृत्रिम रूप से बनाना पड़ता है। उन्हें बनाने के लिए, वैज्ञानिक दो छोटे परमाणु नाभिकों को अविश्वसनीय उच्च गति पर आपस में टकराते हैं, इस उम्मीद में कि वे एक एकल, भारी नाभिक में विलीन हो जाएंगे। हालांकि, यह प्रक्रिया अत्यंत कठिन है। जब दो नाभिक आपस में टकराते हैं, तो वे अक्सर एक साथ जुड़ने में विफल रहते हैं। एक नए तत्व के रूप में विलय होने के बजाय, वे एक क्षण के लिए स्पर्श करते हैं और फिर तुरंत फिर से अलग हो जाते हैं। विफलता का यह विशिष्ट तरीका, जहाँ नाभिक संक्षिप्त रूप से परस्पर क्रिया करते हैं लेकिन एक नया तत्व बनाने से पहले अलग हो जाते हैं, 'क्वासिफिशन' (quasifission) के रूप में जाना जाता है। यह वर्तमान में ज्ञात तत्वों, जैसे कि 118 प्रोटॉन वाले तत्व, से भी भारी तत्वों को बनाने में वैज्ञानिकों को रोकने वाली प्राथमिक बाधा है। यह समझना कि यह विभाजन वास्तव में क्यों और कैसे होता है, अगली यात्रा के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है: तत्वों 119 और 120 का निर्माण करना।
चीन की एक शोध टीम ने इस प्रक्रिया को सूक्ष्म स्तर पर गहराई से देखा है ताकि यह समझा जा सके कि टकराव के भीतर वास्तव में क्या हो रहा है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक भारी नाभिक बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए अठारह विभिन्न प्रकार के टकरावों का मॉडल तैयार किया। उन्होंने उन प्रतिक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक छोटा, तेज़ गति वाला प्रक्षेप्य (projectile) नाभिक एक बड़े, स्थिर लक्ष्य (target) नाभिक से टकराता है। शोधकर्ता विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि नाभिकों की आंतरिक संरचना परिणाम को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने कैल्शियम, स्कैंडियम, टाइटेनियम, वैनेडियम और क्रोमियम सहित विभिन्न प्रकार के प्रक्षेप्यों वाले टकरावों का परीक्षण किया, जिनका लक्ष्य 112 से 120 प्रोटॉन के बीच के तत्वों का निर्माण करना था।
अध्ययन से पता चला कि इन टकरावों का परिणाम यादृच्छिक (random) नहीं है; यह नाभिक के भीतर मौजूद "शेल" (shells) द्वारा गहराई से निर्देशित होता है। जिस तरह परमाणु में इलेक्ट्रॉन विशिष्ट ऊर्जा स्तरों या शेल में व्यवस्थित होते हैं, उसी तरह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन भी नाभिक के भीतर कुछ स्थिर समूहों में व्यवस्थित होने को प्राथमिकता देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि कैल्शियम, स्कैंडियम, टाइटेनियम और वैनेडियम जैसे हल्के प्रक्षेप्यों का उपयोग करने वाले टकरावों में, सिस्टम के टूटने की एक मजबूत प्रवृत्ति होती है, जिससे एक खंड (fragment) लेड-208 (सीसा-208) जैसा दिखने लगता है। लेड-208 एक विशेष रूप से स्थिर नाभिक है क्योंकि इसके प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पूर्ण, गोलाकार शेल को भर देते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि टकराने वाले नाभिक इस तरह से "लक्ष्य" बनाते हैं कि वे इस स्थिर विन्यास (configuration) की ओर बढ़ें, जिससे भारी खंड एक विशिष्ट संख्या में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के साथ बनता है जो इस स्थिर लेड-जैसे ढांचे से मेल खाता है। यह व्यवहार इन सभी हल्के प्रक्षेप्यों का उपयोग करने वाली सभी प्रतिक्रियाओं में सुसंगत था, जो एक सार्वभौमिक नियम की ओर संकेत करता है।
हालाँकि, कहानी तब बदल गई जब शोधकर्ताओं ने एक भारी प्रक्षेप्य: क्रोमियम-54 का उपयोग किया। इन टकरावों में, मार्गदर्शक बल अलग था। एक गोलाकार, लेड-जैसे खंड बनाने के बजाय, सिस्टम ने एक भारी खंड बनाने की प्रबल प्रवृत्ति दिखाई जो रेडियम-224 के समान है। यह रेडियम-जैसा नाभिक गोलाकार नहीं है; इसका आकार अधिक नाशपाती जैसा है। यह आकार एक अलग प्रकार की आंतरिक स्थिरता के कारण है, जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन विकृत, ऑक्टुपोल (octupole) आकार के शेल में बस जाते हैं। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि जब क्रोमियम-54 का उपयोग किया जाता है, तो टकराव की गतिशीलता इस नाशपाती के आकार की स्थिरता द्वारा संचालित होती है, जिससे एक अलग प्रकार का क्वासिफिशन होता है जो हल्के प्रक्षेप्यों का उपयोग करने वाली प्रतिक्रियाओं से मौलिक रूप से भिन्न है।
खंडों के आकार के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि दो नाभिक टूटने से पहले कितनी देर तक संपर्क में रहते हैं। उन्होंने प्रक्षेप्य के भार और टूटने की गति के बीच एक स्पष्ट संबंध पाया। जैसे-जैसे प्रक्षेप्य भारी होता गया, कैल्शियम से टाइटेनियम और फिर क्रोमियम की ओर, नाभिकों द्वारा एक-दूसरे को छूने में बिताया गया समय काफी कम होता गया। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि भारी प्रक्षेप्य अधिक विद्युत आवेश वहन करते हैं, जिससे एक मजबूत प्रतिकर्षण बल पैदा होता है जो नाभिकों को अधिक तेज़ी से दूर धकेलता है। यह तीव्र अलगाव नाभिकों को पूरी तरह से विलय होने और एक नए, स्थिर तत्व में बसने के लिए कम समय देता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह कम हुआ संपर्क समय एक प्रमुख कारण है जिससे वैज्ञानिकों द्वारा कैल्शियम प्रक्षेप्यों से बदलकर टाइटेनियम या क्रोमियम जैसे भारी प्रक्षेप्यों का उपयोग करने पर नए तत्वों के निर्माण की सफलता दर नाटकीय रूप रूप से गिर जाती है।
अध्ययन ने इन टकरावों के दौरान न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के संतुलन को भी देखा। उन्होंने पाया कि भले ही नाभिक बहुत तेज़ी से अलग हो जाते हैं, फिर भी वे एक-दूसरे के साथ अपने न्यूट्रॉन और प्रोटॉन को बहुत कुशलता से साझा करने में सक्षम होते हैं। जब तक वे अलग होते हैं, दोनों खंडों के बीच न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के अनुपात का अंतर बहुत कम और सभी अध्ययन की गई विभिन्न प्रतिक्रियाओं में सुसंगत होता है। यह निष्कर्ष एक सटीक, सूक्ष्म बाधा (constraint) प्रदान करता है जिसका उपयोग अन्य वैज्ञानिक यह समझने के लिए बेहतर मॉडल बनाने के लिए कर सकते हैं कि ये प्रतिक्रियाएं कैसे काम करती हैं।
अंततः, यह कार्य उन अदृश्य बलों की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है जो यह निर्धारित करते हैं कि एक अति-भारी तत्व जन्म लेगा या विफल हो जाएगा। यह पुष्टि करता है कि नाभिकों की आंतरिक शेल संरचना टकराव के लिए एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करती है, जो यह तय करती है कि खंड गोलाकार होंगे या नाशपाती के आकार के। यह विद्युत प्रतिकर्षण द्वारा निर्मित भौतिक बाधा को भी उजागर करता है, जो टूटने की प्रक्रिया को तेज़ कर देता है। ये अंतर्दृष्टि तत्वों 119 और 120 के संश्लेषण के निरंतर प्रयास के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। यह समझना कि कौन सा प्रक्षेप्य और लक्ष्य संयोजन सफल होने की संभावना रखता है और अन्य क्यों विफल होते हैं, वैज्ञानिकों को उनके प्रयोगों के बारे में अधिक सूचित विकल्प चुनने में मदद कर सकता है, जो संभावित रूप से आवर्त सारणी पर एक नए तत्व के सफल निर्माण का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।
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