ബന്ധനോര്ജ്ജം
വിക്കിപീഡിയ, ഒരു സ്വതന്ത്ര വിജ്ഞാനകോശം.
അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളെ അതില് നിന്നു വേര്പിരിക്കുവാന് പ്രസ്തുത അണുകേന്ദ്രത്തിലെ ഓരോ കണത്തിനും നല്കേണ്ട ഊര്ജ്ജത്തിനാണ് ബന്ധനോര്ജ്ജം (Binding energy) എന്നു പറയുന്നത്. കണങ്ങള് കൂടിചേര്ന്ന് അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടായപ്പോള് ഒരു കണത്തിനു ശരാശരി എത്ര ദ്രവ്യം നഷ്ടപ്പെട്ടുവോ, അത്രയും ദ്രവ്യത്തിനു തുല്യമായ ഊര്ജ്ജം കണങ്ങളെ വേര്പിരിക്കുവാന് കൊടുക്കണം എന്നാണ് ബന്ധനോര്ജ്ജം കൊണ്ട് അര്ത്ഥമാക്കുന്നത്.
ഉള്ളടക്കം |
[തിരുത്തുക] ചരിത്രം
1920-ല് എഫ്.ഡബ്ലിയു ആസ്റ്റണ് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന് നിരവധി അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനം അളന്നു കൊണ്ട് അതില് പഠനങ്ങള് നടത്തി. അതില് സ്വാഭാവികമായും ഹൈഡ്രജനും ഹീലിയവും ഉണ്ടായിരുന്നു. നാല് ഹൈഡ്രജന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനം എത്രയാണോ അത്രയും ദ്രവ്യമാനം ആയിരിക്കും ഒരു ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിനു ഉണ്ടാവുക എന്ന് അന്നത്തെ അറിവ് വച്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാര് സിദ്ധാന്തിച്ചിരുന്നു.
ആസ്റ്റണെ അത്ഭുതപ്പെടുത്തികൊണ്ട് ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം നാല് ഹൈഡ്രജന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനത്തേക്കാള് അല്പം കുറവാണെന്ന് കണ്ടു. ഇതിന്റെ വിശദാംശം എന്താണെന്നു നോക്കാം.
പ്രോട്ടോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം = 1.00728 amu (1 amu = 1.6604 X 10 -27 kg ആണ്)
ന്യൂട്രോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം = 1.00866 amu
അപ്പോള് ഒരു പ്രോട്ടോണും ഒരു ന്യൂട്രോണും കൂടിചേര്ന്ന് ഉണ്ടാകുന്ന ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം 1.00728 amu + 1.00866 amu = 2.01594 amu ആയിരിക്കണം. പക്ഷെ ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം അളന്നപ്പോള് അത് 2.01355 amu ആണെന്നാണ് കിട്ടിയത്. അതായത് ഒരു പ്രോട്ടോണും ഒരു ന്യൂട്രോണും ചേര്ന്ന് ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടായപ്പോള് അതിന്റെ ദ്രവ്യമാനത്തില് ഏതാണ്ട് 0.00239 amu (2.01594 amu - 2.01355 amu) ദ്രവ്യം എങ്ങനെയോ നഷ്ടപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.
ഇതേ പോലെ മറ്റു ഉയര്ന്ന മൂലകങ്ങള്ക്കൊക്കെ ദ്രവ്യനഷ്ടം ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട് എന്നു പിന്നീടുള്ള പരീക്ഷണങ്ങള് തെളിയിച്ചു.
ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ കാര്യത്തില് ഇത് എത്രയാണെന്ന് നോക്കാം. ഹീലിയം അണുവില് 2 പ്രോട്ടോണും 2 ന്യൂട്രോണും ആണല്ലോ ഉള്ളത്. അതിനാല് ,
2 പ്രോട്ടോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം = 2 x 1.00728 amu = 2.01458 amu
2 ന്യൂട്രോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം = 2 x 1.00866 amu = 2.01732 amu
ഇവയുടെ ആകെതുകയായ 4.03190 amu (2.01458 + 2.01732) ആണ് ഹീലിയം അണു കേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം സാധാരണ കണക്കില് വരേണ്ടത്.
പക്ഷെ ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം അളന്നപ്പോള് അത് 4.00150 amu മാത്രമേ ഉള്ളൂ എന്നു കണ്ടു. അതായത് 0.03040 amu (4.03190 amu - 4.00150 amu) ദ്രവ്യം നഷ്ടപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ഇതു എന്തുകൊണ്ടാണെന്നു വിശദീകരിക്കാന് ആസ്റ്റണു കഴിഞ്ഞില്ല.
[തിരുത്തുക] ആര്തര് ഏഡിങ്ങ്ടന്റെ വിശദീകരണം
ആസ്റ്റന്റെ കണ്ടുപിടുത്തത്തിന്റെ പ്രാധാന്യം ബ്രിട്ടീഷ് ജ്യോതിശാസ്ത്രജ്ഞനായ ആര്തര് ഏഡിങ്ങ്ടന് വളരെ പെട്ടെന്ന് തന്നെ മനസ്സിലാക്കി. ഹൈഡ്രജന് അണുക്കള് ഹീലിയം അണുക്കളായി മാറ്റുന്ന പ്രക്രിയയിലൂടെ ആണ് സൂര്യന് പ്രകാശിക്കുന്നത് എന്നാണ് ആസ്റ്റണിന്റെ പരീക്ഷണ ഫലങ്ങള് തെളിയിക്കുന്നത് എന്ന് ആ വര്ഷം ബ്രിട്ടണില് നടന്ന ഒരു ശാസ്ത്ര കോണ്ഗ്രസ്സില് ഏഡിങ്ങടന് വാദിച്ചു. ഇങ്ങനെ നഷ്ടപ്പെടുന്ന ദ്രവ്യം ഐന്സ്റ്റൈന്റെ പ്രശസ്തമായ E = mc2 എന്ന സമവാക്യം വഴി ഊര്ജ്ജം ആയി മാറുകയാണ് എന്നു പിന്നീടു മനസ്സിലായി. അണുസംയോജന പ്രക്രിയകളുടെ പിന്നിലുള്ള സങ്കീര്ണതകള് ഒന്നും അറിയാതെ ഏഡിങ്ങ്ടന് നടത്തിയ ഈ പ്രവചനം പിന്നീട് ശരിയാണെന്ന് തെളിഞ്ഞു.
ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ കാര്യത്തില് നഷ്ടപ്പെട്ട 0.00239 x 1.6604 X 10 -27 x (3 X 108)2 = 0.035715204 X 10 -11 Joules ഊര്ജ്ജം ആയി പുറത്തുവന്നു. Joulesനു പകരം കുറച്ച് കൂടി സൗകര്യപ്രദമായ ഒരു ഏകകമാണ് ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാര് ഇവിടെ ഉപയോഗിക്കുക. MeV എന്നാണ് ഈ ഏകകത്തിന്റെ പേര്. മുകളില് Joules-ല് ഉള്ള ഊര്ജ്ജത്തെ MeV ലേക്ക് മാറ്റിയാല്, ഒരു പ്രോട്രോണും ഒരു ന്യൂട്രോണും ചേര്ന്ന് ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാകുമ്പോള് 2.23 MeV ഊര്ജ്ജം പുറത്തുവിടുന്നു എന്നു കാണാം. മറ്റൊരുവിധത്തില് പറഞ്ഞാല് ഡ്യുറ്റീരിയം അണുകേന്ദ്രത്തിലെ പ്രോട്ടോണിനേയും ന്യൂട്രോണിനേയും തമ്മില് വേര്തിരിക്കണമെങ്കില് 2.23 MeV ഊര്ജ്ജം നല്കണം. അതായത് 2.23 MeV ഊര്ജ്ജം കൊണ്ടാണ് ഈ രണ്ട് കണങ്ങളേയും തമ്മില് ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്. പ്രോട്ടോണിനും ന്യൂട്രോണിനും ശരാശരി 1.12 MeV (2.23/2) ക്ക് തുല്യമായ ദ്രവ്യനഷ്ടം സംഭവിച്ചിരിക്കുന്നു. ഇതിനാണ് ബന്ധനോര്ജ്ജം അഥവാ Binding energy എന്നു പറയുന്നത്.
ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ കാര്യത്തില് ഇത് കണക്കു കൂട്ടിയപ്പോള് അതിന്റെ ശരാശരി ബന്ധനോര്ജ്ജം 7.075 MeV ആണെന്നു കണ്ടു. ഇതു ഡ്യുട്ടീരിയത്തിന്റേതിനേക്കാള് വളരെ കൂടുതല് ആണെന്നു കാണാം. മറ്റുചില മൂലകങ്ങളുടെ ബന്ധനോര്ജ്ജം ഇനി പറയുന്ന വിധമാണ്. കാര്ബണ് = 7.45 MeV, ഓക്സിജന് = 7.67 MeV, കാല്സിയം = 8.277 MeV, ഇരുമ്പ് = 8.49 MeV, അയഡിന് = 8.295 MeV, ഈയം = 7.541 MeV, യുറേനിയം = 7.245 MeV.
[തിരുത്തുക] ബന്ധനോര്ജ്ജ ആരേഖം
അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളുടെ എണ്ണവും, കണത്തിന്റെ ശരാശരി ബന്ധനോര്ജ്ജവും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം സൂചിപ്പിക്കുന്ന ആരേഖമാണ് ബന്ധനോര്ജ്ജ ആരേഖം. ബന്ധനോര്ജ്ജ ആരേഖത്തിന്റെ ചിത്രം ചുവടെ ചേര്ത്തിരിക്കുന്നു.
ഇതില് Y-അക്ഷത്തില് അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണത്തിന്റെ ശരാശരി ബന്ധനോര്ജ്ജവും X-അക്ഷത്തില് അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളുടെ എണ്ണവും (Atomic mass) കൊടുത്തിരിക്കുന്നു.
[തിരുത്തുക] ബന്ധനോര്ജ്ജ ആരേഖവും അണുഭൗതികവും
ഈ ആരേഖം അണു ഭൗതികത്തില് വളരെ പ്രാധാന്യമുള്ള ഒന്നാണ്. ആണവോര്ജ്ജത്തെ സംബന്ധിച്ചുള്ള പല സുപ്രധാന വിവരങ്ങളും ഈ ഗ്രാഫ് വഴി കിട്ടും. ഈ വക്രരേഖയുടെ ഉയര്ന്ന ഭാഗങ്ങള് കൂടിയ ബന്ധനോര്ജ്ജത്തെ കാണിക്കുന്നു. ബന്ധനോര്ജ്ജം കൂടുതലുള്ള മൂലകങ്ങളിലെ അണുകേന്ദ്രത്തില് കണങ്ങള് തീവ്രമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്നതിനാല് ആ അണു കൂടുതല് സ്ഥിരത ഉള്ളതായിരിക്കും എന്നര്ത്ഥം. അതായതു് ഇത്തരം അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങള് വേര്പെടുത്താന് കൂടുതല് ഊര്ജ്ജം നല്കണം എന്നര്ത്ഥം. മറ്റൊരു വിധത്തില് പറഞ്ഞാല് ഈ വക്രരേഖയില് താഴെ കിടക്കുന്ന അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങള് താരതമ്യേനെ ദുര്ബ്ബലമായിട്ടാണ് അണുകേന്ദ്രത്തില് ബന്ധിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് എന്നും അതിനാല് അത്തരം അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങളെ വേര്പെടുത്താന് കുറഞ്ഞ ഊര്ജ്ജം നല്കിയാല് മതി എന്ന് പറയാം.
ഗ്രാഫിന്റെ വലത് വശത്തു കാണുന്ന അണുകേന്ദ്രങ്ങള് വിഭജിക്കുകയാണെങ്കില് അത് ഇടത് വശത്ത് ബന്ധനോര്ജ്ജം കൂടുതല് ഉള്ള (അതായത് കൂടുതല് സ്ഥിരതയുള്ള/കെട്ടുറപ്പുള്ള അണുകേന്ദ്രം) അണുകേന്ദ്രം ആയി മാറും. അതായത് കുറഞ്ഞ ഊര്ജ്ജം കൊടുത്ത് ഗ്രാഫിന്റെ വലത് വശത്തുള്ള അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ വിഭജിച്ചാല് അത് കൂടുതല് കെട്ടുറപ്പുള്ള അണുകേന്ദ്രം ആയി മാറും. ഇതിനാണ് അണുവിഭജനം അഥവാ Nuclear fission എന്നു പറയുന്നത്. അണുവിഭജനത്തില് ഉയര്ന്ന അറ്റോമികഭാരമുള്ള മൂലകങ്ങളായ യുറേനിയത്തിന്റേയും പ്ലൂട്ടോണിയത്തിനേയും അണുകേന്രങ്ങളെ വിഭജിച്ച് ചെറിയ അണുകേന്ദ്രങ്ങള് ആക്കുക ആണ് ചെയ്യുന്നത്. ഈ പ്രക്രിയയിലൂടെ ആണ് ആണവനിലയങ്ങളും ആറ്റം ബോംബും ഒക്കെ ഊര്ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്.
ഇതേ യുക്തി ഉപയോഗിച്ചാല് ബന്ധനോര്ജ്ജ ഗ്രാഫ് വേറൊരു സാധ്യത കൂടി തരുന്നു. അതായത് ഗ്രാഫിന്റെ ഇടത് ഭാഗത്ത്, താഴ്ന്ന മൂലകങ്ങളുടെ മൂന്നു നാല് അണുകേന്ദ്രങ്ങള് കൂടിചേരുകയാണെങ്കില് അത് കൂടുതല് സ്ഥിരതയുള്ള ഒരു മൂലകം ആയി തീരുന്നു. ഈ പ്രക്രിയക്കാണ് അണു സംയോജനം അഥവാ Nuclear fusion എന്നു പറയുന്നത്. നക്ഷത്രങ്ങളില് ഈ പ്രക്രിയ വഴിയാണ് ഊര്ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. പക്ഷെ അണുസംയോജനത്തിന്റെ കാര്യത്തില് ലഭിയ്ക്കുന്ന ഊര്ജ്ജത്തിന്റെ അളവിന്റെ കാര്യത്തില് വ്യത്യാസം ഉണ്ട്. അതിനെകുറിച്ചുള്ള വിവരങ്ങള് താഴെ.
- ഹൈഡ്രജന്റെ ബന്ധനോര്ജ്ജം 0 MeV ആകുമ്പോള്, ഹീലിയത്തിന്റേത് 7.075 MeV ആണ് എന്ന് ഈ ഗ്രാഫില് നിന്നു കാണാം. അതായത് ഹൈഡ്രജന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ (പ്രോട്ടോണുകളെ) സംയോജിച്ചിപ്പിച്ച് ഹീലിയം അണുവാക്കുമ്പോള് ആണ് ഊര്ജ്ജത്തിന്റെ അളവ് ഏറ്റവും കൂടുതല്. മറിച്ച് ഹീലിയത്തെ സംയോജിപ്പിച്ച് അതിനടുത്ത മൂലകം (കാര്ബണ്) ഉണ്ടാക്കുമ്പോള് ഉള്ള കാര്യം നോക്കുക. കാര്ബണിന്റെ ബന്ധനോര്ജ്ജം 7.45 MeV ആണ്. ഹീലിയത്തിന്റേത് 7.075 MeV തും. അതിനാല് ഹീലിയത്തിന്റെ അണുകേന്ദ്രത്തെ പ്രോട്ടോണുമായി (ഹൈഡ്രജന് അണുകേന്ദ്രവുമായി) സംയോജിപ്പിച്ച് കാര്ബണ് അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാകുമ്പോള് 0.375 MeV (7.45 - 7.075) ഊര്ജ്ജം (energy released per nucleon) മാത്രമാണ് പുറത്തുവരിക. മറ്റു ഉയര്ന്ന മൂകലങ്ങളിലേക്ക് പോകുംതോറും പുറത്തു വരുന്ന ഊര്ജ്ജത്തിന്റെ അളവ് പിന്നേയും കുറഞ്ഞു വരുന്നത് കാണാം. അതിനാല് ഹൈഡ്രജന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ സംയോജിപ്പിച്ച് ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ആക്കുന്ന പ്രക്രിയക്കാണ് പ്രപഞ്ചത്തില് ഏറ്റവും കൂടുതല് ഊര്ജ്ജം പുറത്തു വിടുവാന് കഴിയുക. നക്ഷത്രങ്ങള് ഒക്കെ ഊര്ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത് ഈ പ്രക്രിയ വഴിയാണ്.
- ഈ ഗ്രാഫില് നിന്നു ഏറ്റവും കൂടുതല് ബന്ധനോര്ജ്ജം ഉള്ളത് നിക്കലിനും (Nickel-62) ഇരുമ്പിനാണെന്നും (Iron-58, Iron-56) മനസ്സിലാക്കാം. അണു സംയോജനം വഴി നിക്കലിനു മുകളിലുള്ള മൂലകങ്ങള് ഉണ്ടാകുമ്പോള് ഊര്ജ്ജം പുറത്തു വിടുകയല്ല മറിച്ച് ഊര്ജ്ജം ആഗിരണം ചെയ്യുകയാണ് എന്ന് അതില് നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. അപ്പോള് നക്ഷത്രങ്ങളില് അത്തരം ഒരു പ്രക്രിയക്ക് വഴിയില്ല. കാരണം ഊര്ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുവാന് പറ്റാത്ത പ്രക്രിയ നടക്കുമ്പോള് നക്ഷത്രങ്ങളില് ഗുരുത്വാകര്ഷണം മേല്ക്കൈ നേടുന്നു. അതോടെ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ താപനില കുറയുകയും അണുസംയോജനം നടക്കാതാവുകയും ചെയ്യും. അങ്ങനെ വരുമ്പോള് ഇരുമ്പിനു മുകളിലുള്ള മൂലകങ്ങള് ഈ പ്രപഞ്ചത്തില് എങ്ങനെ ഉണ്ടായി എന്ന ചോദ്യം അവശേഷിക്കുന്നു.
 |
ഈ ലേഖനം അപൂര്ണ്ണമാണ്. ഇതു പൂര്ത്തിയാക്കുവാന് സഹകരിക്കുക. |
