पॉझिट्रॉन

पॉझिट्रॉन : एक मूलकण [→मूलकण]. सांकेतिक चिन्ह e⁺. विद्युत् भार इलेक्ट्रॉनाइतकाच परंतु घन चिन्हयुक्त. बाकी सर्व गुणधर्म (शून्य गतिवस्तुमान, परिवलन, चुंबकीय परिबल व सांख्यिकी या गुणधर्माचे स्पष्टीकरण ‘मूलकण’ या नोंदीत दिले आहे) तंतोतंत इलेक्ट्रॉनासारखे, म्हणून याला इलेक्ट्रॉनाचा प्रतिकण म्हटले जाते. पॉझिट्रॉनला घन इलेक्ट्रॉन व इलेक्ट्रॉनाला निगॅट्रॉन अशीही नावे क्वचित वापरलेली दिसतात.

पी.ए.एम्. डिरॅक यांच्या सापेक्षता-पुंज समीकरणावरून [→पुंजयामिकी] इलेक्ट्रॉनाला घन व ऋण अशा दोन्ही प्रकारच्या ऊर्जा स्थिती असू शकतात, असे दिसून आले पण ज्यांना ऋण-ऊर्जा आहे असे इलेक्ट्रॉन प्रत्यक्षात आढळून येत नाहीत. याचा उलगडा करण्यासाठी १९२८ मध्ये डिरॅक यांनी अशी कल्पना मांडली की, ‘सामान्यतः सर्व ऋण-ऊर्जा स्थिती इलेक्ट्रॉनांनी संपूर्णतया व्यापलेल्या असतात. ऋण-ऊर्जा स्थितीतील एखाद्या इलेक्ट्रॉनाला इतर मार्गाने पुरेशी ऊर्जा मिळाल्यास तो घन-ऊर्जायुक्त होऊन बाहेर येतो व त्यामुळे दृश्यमान होतो. त्याचबरोबर ऋण-ऊर्जा स्थितींच्या समुद्रात जी एक रिकामी जागा किंवा छिद्र निर्माण होईल ते आपणाला घन भारयुक्त इलेक्ट्रॉन म्हणून प्रत्ययाला येईल’. अशा तऱ्हेने पॉझिट्रॉनाच्या अस्तित्वाचे भाकीत डिरॅक यांनी वर्तविले. १९३२ मध्ये सी.डी. अँडरसन यांना विश्वकिरणासंबंधी (बाह्य अवकाशातून येणाऱ्या भेदक किरणांसंबंधी) प्रयोग करताना पॉझिट्रॉनाचा अस्तित्वाचा प्रत्यक्ष पुरावा मिळाला.

पहिला ज्ञात प्रतिकण म्हणून पॉझिट्रॉनाचे महत्त्व आहेच परंतु ऊर्जेचे द्रव्यात किंवा द्रव्याचे संपूर्णपणे ऊर्जेत रूपांतर करू शकणाऱ्या विक्रिया पॉझिट्रॉनामुळेच प्रथम प्रत्ययाला आल्या आणि त्यामुळे ऊर्जा व वस्तुमान यांचे परस्परांत रूपांतर E=mc² या सापेक्षता सिद्धांतीय समीकरणानुसार [→सापेक्षता सिद्धांत] होते, याचा प्रायोगिक पडताळा मिळू शकला. या दृष्टीनेही पॉझिट्रॉनाला महत्त्व आहे.

उत्पत्ती : (१) कित्येक किरणोत्सर्गी समस्थानिकांच्या (अणुक्रमांक तोच पण भिन्न अणुभार असलेल्या त्याच मूलद्रव्याच्या, भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणाऱ्या प्रकारांच्या) अणुकेंद्रामधून पॉझिट्रॉनाचे उत्सर्जन होते. अशी अणुकेंद्रे निसर्गात आढळत नाहीत, पण कृत्रिम रीत्या विक्रिया घडवून आणून बनविली जातात. झॉल्यो-क्यूरी दांपत्याने बरेच संशोधन करून पॉझिट्रॉनाच्या उत्सर्जनाची बरीच उदाहरणे दाखवून दिली. या सर्वांमध्ये अणुकेंद्रान्तर्गत प्रोटॉनांचे न्यूट्रॉनांमध्ये रूपांतर होते आणि तत्क्षणीच पॉझिट्रॉनाची उत्पत्ती होते. पॉझिट्रॉनाच्या उत्सर्जनाचे प्रसिद्ध उदाहरण Na²² हे होय.

Na²² →  Ne²² + e⁺ +γ

येथे γ हा न्यूट्रिनो दर्शवितो. (२) ऊर्जेचे द्रव्यात रूपांतर होऊनही पॉझिट्रॉन तयार होतात. १.०२ MeV किंवा त्याहून जास्त ऊर्जेच्या गॅमा किरण फोटॉनांचे (एखाद्या अणुकेंद्राच्या किंवा मूलकणाच्या सान्निध्यात) १ पॉझिट्रॉन व १ इलेक्ट्रॉन अशा जोडीत रूपांतर होऊ शकते. अशा विक्रियेत द्रव्यमान-ऊर्जा यांच्या व संवेगाच्या (द्रव्यमान x वेग या राशीच्या) अक्षय्यतेच्या सिद्धांताचे पालन होते [→द्रव्य आणि ऊर्जा यांची अक्षय्यता संवेगाची अक्षय्यता]. १.०२ MeV ही त्या दोन कणांच्या शून्यवेग-द्रव्यमानांच्या बेरजेशी सममूल्य ऊर्जा होय. यापेक्षा कमी ऊर्जेच्या फोटॉनापासून पॉझिट्रॉन-इलेक्ट्रॉन जोडी निर्माण होऊ शकत नाही. विश्वकिरण पृथ्वीच्या वातावरणातून खाली येत असताना घडणाऱ्या अणुकेंद्रिय विक्रियांतून असे अनेक उच्च ऊर्जेचे गॅमा किरण निर्माण होत असल्यानेच अँडरसन यांच्या प्रयोगांत पॉझिट्रॉनांचे अस्तित्व दिसून येणे शक्य झाले.

जीवनमान व द्रव्याचे नष्टीकरण : संपूर्ण निर्वातात पॉझिट्रॉन अमर्याद काळापर्यंत अस्तित्वात राहू शकतो, म्हणजेच त्याचे जीवनमान अनंत आहे परंतु (द्रव्यांतर्गत किंवा मुक्त) इलेक्ट्रॉनाशी त्याचा संपर्क आला की, अत्यल्प काळात ते दोनही कण नष्ट होऊन त्यांचे दोन गॅमा किरण फोटॉनांत रूपांतर होते. या आविष्काराला द्रव्याचे नष्टीकरण असे म्हणतात व त्यात द्रव्यमान-ऊर्जा आणि संवेग यांच्या अक्षय्यतेच्या सिद्धांताचे पालन होते, असे आढळून येते.

पॉझिट्रोनियम : पॉझिट्रॉन व इलेक्ट्रॉन समीप आल्यास केव्हा केव्हा नष्टीकरणाच्या आधीच ते एकमेकांच्या सभोवती फिरत राहून त्यांचा हायड्रोजन सदृश अणू तयार होतो, त्याला पॉझिट्रोनियम असे म्हणतात. या अणूच्या अतिस्थिर व उत्तेजित अशा अवस्था असतात. स्थिरतम अवस्थेत इलेक्ट्रॉन व पॉझिट्रॉन यांमधील अंतर १.०६ Ǻ(१Ǻ= १०^–८ सेंमी.) असून त्या अणूची ऊर्जा ६.८eV असते. जेव्हा एखादा पॉझिट्रॉन काही माध्यमातून जाईल तेव्हा असा पॉझिट्रोनियम अणू तयार होतो कारण माध्यमामध्ये असंख्य इलेक्ट्रॉन असतात. जर पॉझिट्रॉन व इलेक्ट्रॉन यांची परिबले [चुंबकीय अथवा परिवलन परिबले→ अणुकेंद्रिय व आणवीय परिबले] एकमेकांच्या विरुद्ध दिशांत असतील, तर त्याला पॅरापॉझिट्रोनियम म्हणतात आणि एकाच दिशेत असतील, तर त्याला ऑर्थोपॉझिट्रोनियम म्हणतात. असा हा पॉझिट्रोनियम त्या माध्यमातून प्रवास करताना कधीकधी माध्यमातील एखाद्या इलेक्ट्रॉनाच्या जवळून जाईल व पॉझिट्रॉन –इलेक्ट्रॉन आघातामुळे नष्टीकरणाची क्रिया घडून येईल. पॅरापॉझिट्रोनियमाच्या नष्टीकरणाचा कालखंड सु. १०^–१० से. असावा, असे सैद्धांतिक रीत्या दिसून येते. या नष्टीकरणात दोन फोटॉनांची निर्मिती होऊन ते एकमेकांच्या विरुद्ध दिशांनी प्रक्षेपित होतात. माध्यमातील इलेक्ट्रॉन विविध संवेग मूल्यांचे असल्यामुळे या दोन फोटॉनांचे प्रत्यक्षात निरनिराळ्या दिशांत प्रक्षेपण होते आणि नष्टीकरणाचा कालखंडही थोडा वेगळा आढळून येतो. या दोन्ही प्रकारच्या निरीक्षणांवरून माध्यमाच्या अंतर्गत संरचनेबद्दल माहिती मिळू शकते. ऑर्थोपॉझिट्रोनियमाच्या नष्टीकरणामध्ये तीन फोटॉनांची निर्मिती होते. या क्रियेचा कालखंड जवळजवळ १,००० पटींनी मोठा आहे. म्हणजेच या क्रियेची संभाव्यता कमी आहे.

गेल्या काही वर्षापासून यूरोप व अमेरिकेतील संशोधन केंद्रांमध्ये अती उच्च ऊर्जेच्या इलेक्ट्रॉन व पॉझिट्रॉन यांच्या आघातासंबंधी प्रयोग चालू आहेत. या प्रयोगांत पॉझिट्रॉन व इलेक्ट्रॉन मोठ्या वर्तुळाकृती कक्षांमधून परस्परांच्या विरुद्ध दिशांनी फिरत ठेवलेले असतात आणि काही ठराविक ठिकाणी त्यांच्या शलाका एकमेकांवर आघात करतात. अशा आघातातून गॅमा किरण किंवा कण-प्रतिकणांच्या जोड्या निघतात, शिवाय अनेक नवीन प्रकारच्या कूलकणांचीही निष्पत्ती होते, असे निदर्शनास आले आहे.

प्रतिद्रव्य व प्रतिदीर्घिका : सैद्धांतिक दृष्ट्या विश्वातील पॉझिट्रॉन व इलेक्ट्रॉनांच्या संख्या समान असल्या पाहिजेत परंतु पृथ्वीवर आपणाला पॉझिट्रॉन अत्यल्प संख्येने आढळतात, हे कसे काय? या कूट प्रश्नाचे उत्तर देण्यासाठी [→ द्रव्य आणि प्रतिद्रव्य] कल्पना युक्त ऋण भारित अणुकेंद्राची कल्पना करणे शक्य झाले. अशा अणुकेंद्राभोवती भ्रमण करणाऱ्या पॉझिट्रॉनांमुळे प्रतिद्रव्याचे अणू बनतात. काही अतिदूरच्या दीर्घिका (तारामंडळे) संपूर्णतया प्रतिद्रव्याच्या बनलेल्या असाव्यात अशी एक कल्पना आहे परंतु पृथ्वीवरून केलेलया आतापर्यंतच्या सर्व निरीक्षणांवरून या कलपनेची सत्यता किंवा असत्यता उमगू शकलेली नाही.

इ.स. १९४८मध्ये आर्.पी. फाइनमन यांनी पॉझिट्रॉनाबद्दल एक अत्यंत क्रांतिकारक अभिकल्पना मांडली आहे. तिच्यानुसार पॉझिट्रॉन म्हणजे भविष्यकालाकडून भूतकालाकडे जाणारे इलेक्ट्रॉन होत. ही कल्पना आता सर्व कण व प्रतिकण यांना लागू करण्यात आलेली आहे.

संदर्भ : Schweber, S.S. Relativistic Quantum Field Theory, New York, 1961.

पुरोहित, वा.ल. राजोपाध्ये, वि.य.