07 March, 2007

അണുസംയോജനവും നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ഊര്‍ജ്ജ ഉല്‌പാദനവും

ജ്യോതി ശാസ്ത്രബ്ലോഗിലെ “നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ജീവചരിത്രം - ഭാഗം III- മുഖ്യധാരാ ദശ“ എന്ന പോസ്റ്റിനു ഒരു ചെറു അനുബന്ധമായി, അണുസംയോജന പ്രക്രിയകളെ കുറിച്ച് എഴുതി തുടങ്ങിയതാണ് ഈ പോസ്റ്റ്. പക്ഷെ എഴുതി തുടങ്ങിയപ്പോള്‍ കൈകാര്യം ചെയ്യേണ്ട വിഷയങ്ങളുടെ ബാഹുല്യം നിമിത്തം ഇത് ഒരു അനുബന്ധത്തില്‍ പോയിട്ട് ഒരു പോസ്റ്റില്‍ പോലും ഒതുങ്ങുകയില്ല എന്നു മനസ്സിലായി. അതിനാല്‍ ഇതു വരെ എഴുതി വന്നതൊക്കെ ഒരു പോസ്റ്റായി ഇവിടെ ഇടുന്നു. അണുസംയോജനത്തെ കുറിച്ചുള്ള പോസ്റ്റുകള്‍ തുടരുന്നതായിരിക്കും

കല്ലേച്ചിയുടെ ചോദ്യം‍

എഴുതി വന്നപ്പോള്‍ കല്ലേച്ചി കഴിഞ്ഞ പോസ്റ്റിന്റെ കമെന്റില്‍ ചോദിച്ച ചില ചോദ്യങ്ങള്‍ക്കും ഉത്തരം പറയേണ്ടതായി വരും, അതില്‍ നിന്നു തന്നെ നമുക്കു തുടങ്ങാം. അദ്ദേഹം ചോദിച്ച ഒരു ചോദിച്ച ഒരു ചോദ്യം ഇതാണ്.

സംശയം നമ്പര്‍ 1

ഇവിടെ പ്ലാസ്മാവസ്തയില്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ വേര്‍പെട്ട ഹൈഡ്രജന്റെ പ്രോട്ടോണുകള്‍ പരസ്പരം കൂടിയോജിച്ച്‌ ഹീലിയമാകുന്നതിന്‌ എന്ത്‌ ശക്തിയാണ്‌ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌? കാരണം, രണ്ട്‌ പ്രോട്ടോണുകള്‍ കൂടിച്ചേരുന്നതില്‍ അവയിലെ സമാന ബലങ്ങള്‍ (പോസിറ്റീവ്‌) തടയില്ലേ? സമാന ബലങ്ങള്‍ വികര്‍ഷിക്കുന്നു എന്നാണല്ലോ പാഠം. ഈ ബലങ്ങളെ അതിജയിക്കാന്‍ കേവലം ഗുരുത്വാകര്‍ഷണത്തിനാകുമോ? ബലങ്ങള്‍ എന്നുപയോഗിച്ചത്‌, ന്യൂക്ലിയര്‍ അതിബലവും വിദ്യുത്‌കാന്തിക ബലവും ചേര്‍ത്താണ്‌.

ഇതിനുള്ള ഉത്തരം എന്താണെന്നു നമുക്കൊന്ന് നോക്കാം. അണുവിന്റെ ഘടന നമ്മള്‍ ചെറിയ ക്ലാസ്സുകളില്‍ നിന്നു പഠിച്ചിട്ടുണ്ട്. പ്രോട്ടോണും ന്യൂട്രോണും ഉള്ള അണു കേന്ദ്രം. അതിനു ചുറ്റും കറങ്ങുന്ന ഇലക്‌ട്രോണ്‍. ഇതാണല്ലോ അണുവിന്റെ ഏറ്റവും ലളിതമായ ഘടന. ഇലക്‌ട്രോണിനു ഋണ ചാര്‍ജ്ജ് (negative charge) ആണ് ഉള്ളതെന്നും, പ്രോട്ടോണിനു ധന ചാര്‍ജ്ജ് (positive charge) ആണെന്നും, ന്യൂട്രോണിനു ചാര്‍ജ്ജ് ഒന്നും ഇല്ല എന്നും നമ്മള്‍ക്ക് അറിയാം.

ഇനി നമ്മള്‍ പഠിച്ചു കൊണ്ടിരിക്കുന്ന നക്ഷത്രത്തിന്റെ കാര്യം എടുത്താല്‍ അത്യധികം ഉയര്‍ന്ന താപനില കാരണം അവിടെ അണുക്കള്‍ ഒക്കെ അയണീകൃതമാകും എന്ന് നമുക്ക് അറിയാം. അതായത് നക്ഷത്രം പദാര്‍ത്ഥത്തിന്റെ നാലാമത്തെ അവസ്ഥയില്‍ ആണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. മറ്റൊരു വിധത്തില്‍ പറഞ്ഞാല്‍ അണുവില്‍ നിന്നു വേര്‍പ്പെട്ട ഋണ ചാര്‍ജ്ജുള്ള ഇലക്‌ട്രോണിന്റെ കടലില്‍ ഒഴുകി നടക്കുന്ന ധന ചാര്‍ജ്ജുള്ള അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ പ്രോട്ടോണും ന്യൂട്രോണുമാണ് ഉള്ളത്. പ്രോട്ടോണിന്റെ എണ്ണം Z എന്ന അക്ഷരം കൊണ്ടും ന്യൂട്രോണിന്റെ എണ്ണം N എന്ന അക്ഷരം കൊണ്ടും സൂചിപ്പിക്കുന്നു. പ്രോട്ടോന്റേയും ന്യൂട്രോണിന്റേയും ആകെ എണ്ണത്തെ mass number എന്നു പറയുന്നു. അതിനെ A എന്ന അക്ഷരം കൊണ്ട് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. അതായത് A= Z + N

ഒരു സാധാരണ നക്ഷത്രത്തിന്റെ വ്യാപ്‌തത്തിന്റെ സിംഹഭാഗവും ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ ആയിരിക്കും എന്ന് നിങ്ങള്‍ കേട്ടിട്ടുണ്ടല്ലോ. അപ്പോള്‍ അവിടെ അണുകേന്ദ്രം എന്നത് കൊണ്ട് അര്‍ത്ഥമാക്കുന്നത് ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ ആണ്. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രം എന്നാല്‍ ഒരു പ്രോട്ടോണ്‍ ആണെന്ന് നിങ്ങള്‍ക്ക് അറിയാമല്ലോ.

പ്രപഞ്ചത്തില്‍ നാല് അടിസ്ഥാന ബലങ്ങളാണ് ഉള്ളത് എന്ന് നമ്മള്‍ കേട്ടിട്ടുണ്ടല്ലോ. അത് താഴെ പറയുന്നവ ആണ്.

  1. ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ ബലം (Gravitational force)
  2. വിദ്യുത്കാന്തിക ബലം (Electromagentic force)
  3. ദുര്‍ബ്ബല ന്യൂക്ലിയര്‍ ബലം (Weak nuclear force)
  4. തീവ്ര ന്യൂക്ലിയര്‍ ബലം (Strong Nuclear force)

ജ്യോതിശാസ്ത്രബ്ലോഗില്‍ ആദിമ പ്രപഞ്ചത്തെ കുറിച്ച് പഠിക്കുമ്പോള്‍ വിവിധബലങ്ങളെ കുറിച്ച് വളരെ വിശദമായി പഠിക്കുന്നതായിരിക്കും. ഇപ്പോള്‍ നമ്മുടെ ഈ വിഷയത്തിന്റെ ആവശ്യത്തിനു കല്ലേച്ചിയുടെ ചോദ്യത്തിലേക്ക് വരാം.

കല്ലേച്ചിയുടെ ചോദ്യത്തിനുള്ള ഉത്തരം

ഇനി കല്ലേച്ചി ചോദിച്ചിരിക്കുന്ന ചോദ്യം നോക്കൂ “രണ്ട്‌ പ്രോട്ടോണുകള്‍ കൂടിച്ചേരുന്നതില്‍ അവയിലെ സമാന ബലങ്ങള്‍ (പോസിറ്റീവ്‌) തടയില്ലേ? സമാന ബലങ്ങള്‍ വികര്‍ഷിക്കുന്നു എന്നാണല്ലോ പാഠം. ഈ ബലങ്ങളെ അതിജയിക്കാന്‍ കേവലം ഗുരുത്വാകര്‍ഷണത്തിനാകുമോ? ബലങ്ങള്‍ എന്നുപയോഗിച്ചത്‌, ന്യൂക്ലിയര്‍ അതിബലവും വിദ്യുത്‌കാന്തിക ബലവും ചേര്‍ത്താണ്‌.

രണ്ട്‌ പ്രോട്ടോണുകള്‍ കൂടിച്ചേരുന്നതില്‍ അവയിലെ സമാന ബലങ്ങള്‍ എന്ന് കല്ലേച്ചി ഉദ്ദേശിച്ചത് സമാന ചാര്‍ജ്ജ് എന്നായിരിക്കും എന്നു കരുതികൊണ്ട് ഇതിന്റെ വിശദീകരണത്തിലേക്ക്.

ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ഒരു പ്രോട്ടോണ്‍ മാത്രമാണ് ഉള്ളത് എന്ന് നമുക്ക് അറിയാമല്ലോ. പ്രോട്ടോണിനു ധന ചാര്‍ജ്ജ് ആണ് ഉള്ളത് എന്നും നമുക്ക് അറിയാം. ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ 2 പ്രോട്ടോണാണ് ഉള്ളത്. പക്ഷേ ഒരേ ചാര്‍ജ്ജുള്ള രണ്ട് കണങ്ങള്‍ തമ്മില്‍ വികര്‍ഷിക്കും എന്ന് നമുക്ക് അറിയാമല്ലോ. അപ്പോള്‍ എങ്ങനെയാണ് ഒരേചാര്‍ജ്ജുള്ള രണ്ട് പ്രോട്ടോണുകള്‍ ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ഒരുമിച്ചിരിക്കുന്നത്. അത് വികര്‍ഷിച്ച് പോകേണ്ടതല്ലേ?

ഇതിനുള്ള ഉത്തരം വളരെ ലളിതമായി പറയാം. കൂടുതല്‍ സാങ്കേതികതകളിലേക്ക് കടക്കുന്നില്ല. അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളെ കൂട്ടി യോജിപ്പിച്ചു നിര്‍ത്തുന്നത് വിദ്യുത് കാന്തിക ബലം കൊണ്ടോ ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ ബലം കൊണ്ടോ അല്ല, മറിച്ച് തീവ്ര ന്യൂക്ലിയര്‍ ബലം കൊണ്ടാണ്.

തീവ്ര ന്യൂക്ലിയര്‍ ബലം

അപ്പോള്‍ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ കണങ്ങളെ യോജിപ്പിച്ച് നിര്‍ത്തുന്നത് തീവ്രന്യൂക്ലിയര്‍ ബലം കൊണ്ടാണെന്നു നമ്മള്‍ മനസ്സിലാക്കി. പക്ഷെ തീവ്ര ന്യൂക്ലിയര്‍ ബലത്തിനു ഒരു കുഴപ്പമുണ്ട്. അത് വളരെ ചെറിയ വ്യാപ്തിയില്‍ മാത്രമേ പ്രവര്‍ത്തിക്കുകയുള്ളൂ. ഏതാണ്ട് 10-15 m വ്യാപ്തിയില്‍ മാത്രം. അതിപ്പുറത്തേക്ക് അതിനു ശക്തിയില്ല. അതിനാല്‍ രണ്ടു പ്രോട്ടോണുകള്‍ തമ്മില്‍ വികര്‍ഷിച്ചു പോകാതിരിക്കണം എങ്കില്‍ അത് കുറഞ്ഞത് 10-15 m ദൂരത്തേക്ക് എങ്കിലും അത് അടുക്കണം. അങ്ങനെ അടുക്കണം വേണമെങ്കില്‍ കണങ്ങള്‍ അതിവേഗം സഞ്ചരിച്ച് തമ്മില്‍ കൂട്ടിയിടിക്കണം. അതായത് കണങ്ങളുടെ ഗതികോര്‍ജ്ജം ഭീമമായിരിക്കണം. അങ്ങനെ സംഭവിക്കണം എങ്കില്‍ ഉന്നതമായ താപനില വേണം. അതായത് കണങ്ങള്‍ സംയോജിക്കണം എങ്കില്‍ (അതായത് കൂടിചേര്‍ന്ന് ഇരിക്കണം എങ്കില്‍) അതിനു ചേര്‍ന്ന അന്തരീക്ഷവും വേണം. അതിനാല്‍ ഉന്നത താപനിലയുള്ള നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ മാത്രമേ ഇങ്ങനെ ഒരു സംയോജനത്തിനു സാധ്യതയുള്ളൂ. ഇനി നമ്മള്‍ ഇപ്പോള്‍ പറഞ്ഞ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ കണ്ടുപിടത്തിലേക്കൊക്കെ വഴിവച്ച ചരിത്രത്തിലേക്ക്.

അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനവും കുറച്ചു ചരിത്രവും

1920-ല്‍ F.W Aston എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ നിരവധി അണുക്കളുടെ ദ്രവ്യമാനം വളരെ കൃത്യമായി അളന്നു 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.

അണുസംയോജനം നടക്കുമ്പോള്‍ ദ്രവ്യനഷ്ടം ഉണ്ടാകുന്നു

Aston-നെ അത്ഭുതപ്പെടുത്തികൊണ്ട് ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം നാല് ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനത്തേക്കാള്‍ അല്‌പം കുറവാണെന്ന് കണ്ടു. ഇതു എന്തുകൊണ്ടാണെന്നു വിശദീകരിക്കാന്‍ അദ്ദേഹത്തിനു കഴിഞ്ഞില്ല. 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.

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. അത് എന്താണെന്ന് നമുക്ക് നോക്കാം.

ബന്ധനോര്‍ജ്ജം അഥവാ Binding energy

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 സൌകര്യപ്രദമായ 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 വേര്‍തിരിക്കണം എങ്കില്‍ 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.

ബന്ധനോര്‍ജ്ജം എന്നതു കൊണ്ട് ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തിലെ ഒരു കണത്തിനു അത്രയും ഊര്‍ജ്ജം ഉണ്ട് എന്നല്ല അര്‍ത്ഥം, മറിച്ച് ആ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളെ അതില്‍ നിന്നു വേര്‍പിരിക്കുവാന്‍ ആ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ ഓരോ കണത്തിനും അത്രയും ഊര്‍ജ്ജം നല്‌കണം എന്നാണ് അര്‍ത്ഥം. അതായത് കണങ്ങള്‍ കൂടിചേര്‍ന്നപ്പോള്‍ ഒരു കണത്തിനു ശരാശരി എത്ര ദ്രവ്യം നഷ്ടപ്പെട്ടുവോ ആ ദ്രവ്യത്തിനു തുല്യമായ ഊര്‍ജ്ജം കൊടുക്കണം.

ബന്ധനോര്‍ജ്ജ ഗ്രാഫ്

താഴെ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ഗ്രാഫ് ശ്രദ്ധിക്കുക. ഇതില്‍ Y-അക്ഷത്തില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണത്തിന്റെ ശരാശരി ബന്ധനോര്‍ജ്ജവും X-അക്ഷത്തില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ കണങ്ങളുടെ എണ്ണവും (Atomic mass) കൊടുത്തിരിക്കുന്നു.

ബന്ധനോര്‍ജ്ജ ഗ്രാഫും അണുഭൌതീകവും

ഈ ഗ്രാഫ് വളരെ ന്യൂക്ലിയര്‍ ഫിസിക്സില്‍ വളരെ പ്രാധാന്യം ഉള്ള ഒന്നാണ്. നമ്മുടെ മുന്നോട്ടുള്ള പഠനത്തിനും ആണവോര്‍ജ്ജത്തെ സംബന്ധിച്ചുള്ള സുപ്രധാന വിവരങ്ങളും ഈ ഗ്രാഫ് വഴി നമ്മള്‍ കിട്ടും. ഈ വക്രരേഖയുടെ ഉയര്‍ന്ന ഭാഗങ്ങള്‍ കൂടിയ ബന്ധനോര്‍ജ്ജത്തെ കാണിക്കുന്നു. ബന്ധനോര്‍ജ്ജം കൂടുതലുള്ള മൂലകങ്ങളിലെ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ കണങ്ങള്‍ തീവ്രമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്നാണര്‍ത്ഥം. അതായത് ആ അണു കൂടുതല്‍ സ്ഥിരത ഉള്ളതായിരിക്കും എന്നര്‍ത്ഥം. മറ്റൊരു വിധത്തില്‍ പറഞ്ഞാല്‍ ഇത്തരം അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങളിലെ വേര്‍പെടുത്താന്‍ കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജ്ജം നല്‌കണം എന്നര്‍ത്ഥം. ഇനി ഇതുതന്നെ വേറൊരു വിധത്തില്‍ പറഞ്ഞാല്‍ ഈ വക്രരേഖയില്‍ താഴെ കിടക്കുന്ന അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങള്‍ താരതമ്യേനെ ദുര്‍ബ്ബലമായിട്ടാണ് അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ബന്ധിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് എന്നും അതിനാല്‍ അത്തരം അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലെ കണങ്ങളെ വേര്‍പെടുത്താന്‍ കുറഞ്ഞ ഊര്‍ജ്ജം നല്‌കിയാല്‍ മതി എന്ന് പറയാം.

നമ്മള്‍ മുകളില്‍ പറഞ്ഞ ഈ ഖണ്ഡിക അണുഭൌതീകത്തിന്റെ (Nuclear Physics) അടിസ്ഥാന പ്രമാണങ്ങളാണ്. അത് എന്താണെന്ന് നോക്കാം. 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.

നമ്മള്‍ ഇപ്പോള്‍ പറഞ്ഞ അതേ യുക്തി ഉപയോഗിച്ച് ബന്ധനോര്‍ജ്ജ ഗ്രാഫ് വേറെ ഒരു സാധ്യതയും 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.

  1. ഈ ഗ്രാഫ് പരിശോധിച്ചാല്‍ മനസ്സിലാകും ഹൈഡ്രജന്റെ ബന്ധനോര്‍ജ്ജം 0 MeV ആകുമ്പോള്‍, ഹീലിയത്തിന്റേത് 7.075 MeV ആണ്. 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 ഊര്‍ജ്ജ ഉല്‍‌പാദനത്തിന്റെ വിശദാംശങ്ങള്‍ നമ്മള്‍ അടുത്ത പോസ്റ്റില്‍ പരിചയപ്പെടും.
  2. ഈ ഗ്രാഫില്‍ നിന്നു ഏറ്റവും കൂടുതല്‍ ബന്ധനോര്‍ജ്ജം ഉള്ളത് ഇരുമ്പിനാണെന്നു (Iron) നമുക്ക് മനസ്സിലാക്കാമല്ലോ. അതിന്റെ അര്‍ത്ഥം വളരെ വ്യക്തവുമാണല്ലോ. അണു സംയോജനം വഴി ഇരുമ്പിനു മുകളിലുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുമ്പോള്‍ ഊര്‍ജ്ജം പുറത്തു വിടുകയല്ല മറിച്ച് ഊര്‍ജ്ജം ആഗിരണം ചെയ്യുകയാണ്. അപ്പൊള്‍ നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഒക്കെ അത്തരം ഒരു പ്രക്രിയക്ക് വഴിയില്ല. കാരണം ഊര്‍ജ്ജം ഉല്‍‌പാദിപ്പിക്കുവാന്‍ പറ്റാത്ത പ്രക്രിയ നടക്കുമ്പോള്‍ നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഗുരുത്വാകര്‍ഷണം മേല്‍ക്കൈ നേടുന്നു. അതോടെ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ താപനില കുറയുകയും അണുസംയോജനം നടക്കാതാവുകയും ചെയ്യും. അപ്പോള്‍ പിന്നെ ഇരുമ്പിനു മുകളില്‍ ഉള്ള മൂലകങ്ങള്‍ ഈ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ എങ്ങനെ ഉണ്ടായി? അതിനുള്ള ഉത്തരം ജ്യോതിശാസ്ത്ര ബ്ലോഗ്ഗിലെ തുടര്‍ന്നുള്ള പോസ്റ്റുകളില്‍ നിന്നു നമുക്ക് മനസ്സിലാക്കാം. പ്രപഞ്ച രഹസ്യങ്ങളുടെ അത്ഭുത കലവറയിലേക്കുള്ള യാത്ര നമ്മള്‍ തുടങ്ങിയിട്ടേ ഉള്ളൂ. അവിടെ നമ്മളെ കാത്തിരിക്കുന്ന അത്ഭുത സത്യങ്ങള്‍ അനവധിയാണ്.

അപ്പോള്‍ ഈ പോസ്റ്റില്‍ നിന്ന് നമ്മള്‍ മനസ്സിലാക്കിയത് ഇതൊക്കെയാണ്.

  1. അണു സംയോജനം എന്ന പ്രക്രിയ വഴിയാണ് നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഊര്‍ജ്ജം ഉല്‍‌പാദിപ്പിക്കുന്നത്.
  2. അണു വിഭജനം എന്ന പ്രക്രിയ വഴി ആണ് ആണവ നിലയങ്ങളിലും ആറ്റം ബോംബും ഊര്‍ജ്ജം പുറത്തുവിടുന്നത്.
  3. അണു സംയോജനം വഴി നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഇരുമ്പ് വരെയുള്ള മൂലകങ്ങളെ ഉണ്ടാകൂ. അതിനു മുകളില്‍ ഉള്ള മൂലകങ്ങളെ ഉല്‍‌പാദിപ്പിക്കുവാന്‍ നക്ഷത്രങ്ങള്‍ക്കാവില്ല.

ഇപ്പോള്‍ നിങ്ങള്‍ക്ക് സ്വാഭാവികമായും ചോദിക്കും. അണുസംയോജനത്തെ കുറിച്ച് വളരെയധികം കാര്യങ്ങള്‍ ഞങ്ങള്‍ മനസ്സിലാക്കി. പക്ഷെ എങ്ങനെയാണ് ഈ പ്രക്രിയ എന്നു പറഞ്ഞില്ലല്ലോ. മാത്രമല്ല ജ്യോതിശാസ്ത്ര ബ്ലോഗ്ഗിലെ പോസ്റ്റില്‍ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനം അനുസരിച്ച് പല വിധത്തിലുള്ള പ്രക്രിയകളാണ് നടക്കുന്നത്. അവയില്‍ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ടത് (i) Proton-Proton chain-ഉം (ii) CNO Cycle-ഉം ആണ്. എന്നൊക്കെ പറഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. പക്ഷെ അതൊന്നും ഇതുവരെ പറഞ്ഞില്ലല്ലോ? അതിനെ കുറിച്ചാണ് നമ്മുടെ അടുത്ത പോസ്റ്റ്. സൂര്യനിലും മറ്റ് നക്ഷത്രങ്ങളിലും നടക്കുന്ന ഊര്‍ജ്ജ ഉല്‍‌പാദനത്തിന്റെ വിശദാംശങ്ങള്‍.