प्रारण

प्रारण : उत्सर्जित ऊर्जेला, तिच्या प्रेषण व प्रसारणक्रियेला प्रारण असे म्हणतात. विद्युत् चुंबकीय, कणस्वरूप, ध्वनिजन्य असे प्रारणाचे प्रमुख प्रकार आहेत. प्रारण ऊर्जेचे प्रसारण सरळ रेषेत होते, असे सामान्यपणे अभिप्रेत असते. वरील प्रारण प्रकारात हा गुणधर्म ढोबळमानाने आढळतो, हे लक्षात घेण्याजोगे आहे. प्रारण ही सर्वसाधारण संज्ञा अणूच्या अणुकेंद्रामधून किंवा अणुकेंद्राच्या भोवताली असलेल्या इलेक्ट्रॉन कवचामधून उत्सर्जित होणाऱ्या विविध प्रकारच्या ऊर्जांसाठी विशेषतः वापरण्यात येते.

विद्युत् चुंबकीय ऊर्जेचे प्रेषण ⇨विद्युत्चुंबकीयतरंगाच्या स्वरूपात होत असते. या प्रारणाचे वर्गीकरण तरंगलांबीच्या उतरत्या क्रमाने पुढीलप्रमाणे करता येते रेडिओ तरंग, सूक्ष्मतरंग, अवरक्त (अथवा उष्णता), दृश्य, जंबुपार, क्ष- व गॅमा-किरण [⟶ विद्युत् चुंबकीय प्रारण]. काही परिस्थितीत प्रारणाचे वर्तन कणाप्रमाणे होते असे आढळते. विद्युत् चुंबकीय प्रारणकणास ⇨ फोटॉन असे म्हणतात. फोटॉनाची ऊर्जा त्याच्या कंप्रतेनुसार (दर सेकंदाला होणाऱ्या कंपनांच्या संख्येनुसार) वाढत असल्यामुळे वर्गीकरणातील वरील क्रम वाढती फोटॉन ऊर्जा दाखवितो. रेडिओ तरंगांपासून गॅमा किरणांपर्यंतच्या प्रारणाच्या विस्तृत पट्ट्यास ‘विद्युत् चुंबकीय वर्णपट’ म्हणतात. सर्व प्रकारच्या द्रव्याचे कण त्याच्या तापमानानुसार अखंडपणे कंप पावत असल्यामुळे ते जे विद्युत् चुंबकीय प्रारण उत्सर्जित करतात, त्यास ⇨उष्णताप्रारण असे म्हणतात. सामान्यपणे ऊष्मीय पदार्थापासून अवरक्त प्रारणे उत्सर्जित होत असतात. पदार्थाचे तापमान ५००° से. इतके किंवा त्याहून जास्त असले म्हणजे त्याने उत्सर्जित केलेल्या उष्णता प्रारणापैकी काही भाग दृश्य वर्णपट भागात असतो. [⟶ प्रकाश].

किरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणारी) द्रव्ये व समस्थानिक (अणुक्रमांक तोच पण भिन्न अणुभार असलेल्या त्याच मूलद्रव्याचे प्रकार) यांनी उत्सर्जित केलेल्या आल्फा व बीटा कणांना कणस्वरूप प्रारण असे म्हणतात [⟶ किरणोत्सर्ग]. ⇨विश्वकिरणांना सुद्धा हीच संज्ञा लावली जाते. या कण प्रारणाची ऊर्जा खूप मोठी म्हणजे MeV (दशलक्ष इलेक्ट्रॉन व्होल्ट १ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६०२ X १०^–१९जूल) या प्रतीची असते. वायुकणावर याचा आघात झाला असता, वायुकणाचे आयनीकरण करण्याची (विद्युत् भारित अणू, रेणू वा अणुगट निर्माण करण्याची) क्षमता या कणामध्ये असते.

ध्वनिजन्य प्रारणाची ऊर्जा खूपच कमी प्रतीची असते. यांचे कंप्रतेनुसार वर्गीकरण अवश्राव्य, श्राव्य व श्राव्यातीत असे करता येते. श्राव्य प्रारणाची कंप्रता १६ ते २०,००० हर्ट्‌झ एवढी असते. याच्या उगम स्थानाचे प्रकार असंख्य आहेत. स्फटिकांना दिलेल्या प्रत्यावर्ती विद्युत् दाबामुळे स्फटिक कंपित होऊन श्राव्यातीत ध्वनी उत्पन्न करतात. [⟶ ध्वनि श्राव्यातीत ध्वनिकी].

प्रारणामुळेपदार्थाचीहोणारीहानी: उच्च ऊर्जेचे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन, क्ष- व गॅमा-किरण इ. स्वरूपाची प्रारणे जेव्हा पदार्थावर पडतात वा त्यामधून जातात तेव्हा त्यामुळे पदार्थाच्या गुणधर्मात कायम स्वरूपाचे बदल होतात. प्रारण एखाद्या प्रयुक्तीवर पडले असता तिच्या कार्यामध्ये कायम स्वरूपाचा दोष निर्माण होतो. प्रारणामुळे झालेल्या बंदलास अथवा त्यामुळे उत्पन्न झालेल्या दोषास प्रारणहानी असे म्हणतात. प्रारणहानीचे स्वरूप पुढे दिलेल्या उदाहरणांवरून स्पष्ट होईल : (१) प्रारण पडल्यामुळे विद्युत् निरोधक पदार्थाच्या कार्यात बिघाड होतो. (२) प्रारणाने इलेक्ट्रॉनीय घटकांवर किरणीयन केल्यास (म्हणजे प्रारण पाडल्यास) ते आपले काम बरोबर करीत नाहीत. उदा., ट्रँझिस्टरची विवर्धन कार्यक्षमता (आदान संकेताची ऊर्जा वाढविण्याची कार्यक्षमता) त्यावर प्रारण पाडले असता फार मोठ्या प्रमाणात कमी होते. (३) अतिसंवाहक (अतिनीच तापमानाला ज्याची विद्युत् संवाहकता अतिशय वाढते व रोध शून्य होतो अशा) पदार्थावर न्यूट्रॉन पडले असता त्याची अतिसंवाहकता काही वेळा नष्ट होते. (४) प्रारणामुळे कार्बनी संयुगे व त्यांचे विद्राव यांमध्ये बहुवारिकीकरण (अनेक साधे रेणू संयोग पावून जटिल रेणू तयार होण्याची क्रिया) होते व अशा रीतीने त्यांच्या श्यानतेत (दाटपणात) मोठा बदल घडून येतो. (५) नैसर्गिक रबरावर प्रारण पडले असता त्याची स्थितिस्थापकता (ताण काढून घेतल्यावर मूळ स्थिती परत येण्याची क्षमता) कमी होते, तर धातूच्या यांत्रिक गुणधर्मांत (उदा., ताणबल, आकुंचन बल, कर्तन बल इ.) बदल होतो. (६) प्रारणाचे काचेतून पारगमन झाल्यामुळे त्या जागी काचेच्या रंगात स्थानिक बदल होतो. (७) लिथियमामधून उच्च ऊर्जेचे न्यूट्रॉन गेले, तर त्यामधील लिथियम अणूचे द्रव्यांतरण (एका मूलद्रव्याचे दुसऱ्या मूलद्रव्यात रूपांतरण होणे)

 होऊन त्याचे हीलियम व ट्रिटियम यांमध्ये रूपांतर होते. हीलियम व ट्रिटियम वायुरूप असल्यामुळे ते पदार्थात बुडबुड्याच्या स्वरूपात निर्माण होतात.

अवकाशयान अथवा कृत्रिम उपग्रह यांवर तीव्र प्रारणाला तोंड द्यावयाचे प्रसंग अनेक वेळा येतात. व्हॅन ॲलन प्रारण पट्टांमध्ये [⟶ प्रारण पट्ट] प्रारण तीव्रतेचे प्रमाण खूप मोठे असते तसेच अवकाशात इतर सर्व ठिकाणी सूर्य, गांगेय व इतर विभागांपासून उगम पावणाऱ्या प्रारणाचा यानावर सतत वर्षाव होत असतो. अशा परिस्थितीत संभाव्य प्रारणहानीपासून निर्माण होणाऱ्या अडचडणीवर मात करण्याकरिता योग्य योजना यानात उपलब्ध करून ठेवणे आवश्यक ठरते. अणुकेंद्रीय विक्रियकात (अणुभट्टीमध्ये) उच्च ऊर्जेचा अती तीव्र असा न्यूट्रॉन स्त्रोत उत्पन्न होतो. त्याच्या वर्षावामुळे होणाऱ्या प्रारणहानीमुळे विक्रियकाच्या कार्यात विक्षेप उत्पन्न होणार नाही, याविषयी काळजी घेतली जाते. याकरिता एक मार्ग म्हणजे उपयोगात आणलेल्या पदार्थ वस्तूची योग्य निवड हा होय. आकृतीमध्ये निरनिराळ्या पदार्थांमध्ये प्रारणामुळे होणाऱ्या हानीचे स्वरूप व ज्या न्यूट्रॉन स्त्रोत पातळीकरिता या हानीचे मान नगण्य राहत नाही, तिचे मूल्य दिले आहे.

प्रारणहानीयंत्रणा : या यंत्रणेचे अनेक प्रकार संभवतात पण खाली दिलेले प्रकार विशेष महत्त्वाचे आहेत.

इलेक्ट्रॉनीयउद्दीपनवआयनीकरण : या प्रकारची प्रक्रिया प्रारणामुळे कार्बनी संयुगे व त्यांचे विद्राव यांमध्ये विशेषकरून घडते. इलेक्ट्रॉनीय उद्दीपन व आयनीकरण यांमुळे या पदार्थांच्या भौतिक गुणधर्मांत (उदा., श्यानतेत) बदल होतो.

द्रव्यांतरण : या प्रकारची विक्रिया उच्च ऊर्जाधारी न्यूट्रॉन स्रोतामध्ये मिळते. या तऱ्हेचा स्रोत अणुकेंद्रीय विक्रियकात निर्माण होतो. या प्रकारच्या एका विक्रियेबद्दलचा उल्लेख आधी केलेलाच आहे. या विक्रियेचे वर्णन खालील समीकरणाने करता येते.

             Li⁶                +            n                        ⟶      He⁴            +             H³    +            4.8 MeV

       लिथियम                       न्यूट्रॉन                           हीलियम                  ट्रिटियम                 उर्जा

या विक्रियेत हीलियम व ट्रिटियम या वायूंचे भरपूर उत्पादन होते व त्यामध्ये मोठी ऊर्जा मुक्त केली जाते.

भंजनखंडामुळेहोणारापरिणाम : न्यूट्रॉनाद्वारे अणूचे जेव्हा भंजन होते (या प्रकारची विक्रिया अणुकेंद्रीय विक्रियकात मोठ्या प्रमाणात होते) तेव्हा या विक्रियेच्या अंती दोन विद्युत् भारवाहक, मोठ्या द्रव्यमानाचे व उच्च ऊर्जाधारी खंड (तुकडे) बाहेर पडतात. या खंडांमुळे उष्णता व प्रारणहानी हे परिणाम होतात.

अणूचेस्थलांतर : अणुकेंद्रीय विक्रियकामध्ये धातू व त्यासारख्या इतर स्फटिकी घन पदार्थांत प्रारणामुळे घडून येणाऱ्या हानीचा हा एक सर्वसामान्य प्रकार आहे. न्यूट्रॉनचा आघात झाल्यामुळे स्फटिक जालकात विशिष्ट जागी स्थानबद्ध असलेला अणू आपल्या स्थानापासून बाहेर फेकला जातो. न्यूट्रॉनची ऊर्जा काही MeV एवढी असल्यामुळे ज्या अणूवर त्याचा आघात होतो, त्याला भरपूर गतिज ऊर्जा मिळते. प्रथम आहत अणू (प्रथम ज्यावर आघात झालेला आहे असा अणू प्र. आ. अ.) हा त्यामुळे जालकामधील अनेक स्थानबद्ध अणूंवर आघात करून त्यांचे परत स्थलांतर करू शकतो. अशा रीतीने अणू आघातांमुळेच स्थलांतरित केल्या गेलेल्या द्वितीयक अणूंची संख्या काही शतकांएवढी असते. पुष्कळ आघातांनंतर अणूंची ऊर्जा पुरेशी कमी झाल्यावर तो शेवटी स्फटिकामध्येच पण जालकांतरिक स्थानी (स्फटिक जालकातील अणूंच्या नेहमीच्या स्थानांच्या मधल्या भागातील स्थानी) स्थिर होतो. स्थलांतर प्रक्रियेमध्ये अणू जालकातील स्थानापासून जालकांतरिक स्थानापर्यंत नेला जातो. पहिल्या आघातानंतर प्र. आ. अ. जालकामधून जात असताना तो आपली ऊर्जा मुख्यत्वेकरून इलेक्ट्रॉन उद्दीपन व आयनीकरण प्रक्रियेमध्ये खर्च करतो. अणूची मूळ ऊर्जा जेवढी जास्त तेवढी अशा प्रकारे आघात करून ऊर्जा-विनिमय करण्याची संभाव्यता जास्त असते असे दिसते. अणूच्या गतिमार्गाच्या शेवटच्या टप्प्यात मात्र ऊर्जेचा अणु-स्थलांतर प्रक्रिया घडवून आणण्याकरिता द्वारपिंडी (आवश्यक असणारी किमान) ऊर्जा पातळी २०-४० eV या प्रतीची असते. हिचे मूल्य अर्थात अणूचे द्रव्यमान, त्याचा जालकामधील दिक्‌विन्यास (जालकातील विशिष्ट अक्षांच्या सापेक्ष असणारी स्थिती) इ. गोष्टींवर अवलंबून असते. एखादा अणू जालकस्थानापासून उचलून जालकांतरित स्थानी गेला असता मूळ जालकामध्ये एक रिक्त स्थान निर्माण होते. जालकामध्ये रिक्त स्थान निर्माण होणे व जालकांतरित स्थानी अणूची स्थापना होणे यांमुळे जो जालक दोष निर्माण होतो, त्यास बिंदू दोष म्हणतात. रिक्त स्थान व जालकांतरित स्थान यांमध्ये पुनःसंयोग होण्याची संभाव्यता नेहमीच असते. पुनःसंयोगामध्ये आंतरकोशिकीय स्थानामधील अणू परत जालकातील स्थानात जाऊन बसतो. या प्रक्रियेत बाहेर पडणाऱ्या ऊर्जेचे पदार्थाच्या ऊष्मीय ऊर्जेत रूपांतर होते.

धातूमध्येहोणारीप्रारणहानी : निकेलसारख्या धातूवर मध्यम प्रमाणाचा (१०^१९ न्यूट्रॉन/सेंमी.^२) न्यूट्रॉन स्त्रोत पडला असता त्यामध्ये रिक्त खंडे अथवा पोकळ अवकाश खंडे निर्माण होतात. या आविष्काराचा अभ्यास करण्याकरिता ⇨ कणवेगवर्धकापासून मिळालेल्या उच्च ऊर्जेच्या (५-१० MeV) Ni⁺ आयनांचा निकेलावर भडिमार केला जातो. या प्रयोगात Ni⁺ आयन हे प्र. आ. अणूचे स्थान घेतात. निकेल धातूत फार सूक्ष्म प्रमाणात हीलियम मिश्रित केला असता धातूची उच्च तापमान तंतुक्षमता कमी होते, तर त्याचे ताणबल वाढते. या कार्याकरिता निकेल धातूवर न्यूट्रॉनांचा भडिमार केला असता अणुकेंद्रीय विक्रिया होऊन त्यापासून आल्फा कण बाहेर पडतात. आल्फा कणांचे अर्थातच पुढे हीलियमामध्ये रूपांतर होते. प्रारणाच्या साहाय्याने धातूमध्ये अपद्रव्य घालून त्याच्या गुणधर्मांमध्ये योग्य ते बदल कसे घडवून आणता येतात, याचे हे एक चांगले उदाहरण आहे. या पद्धतीमध्ये प्रक्रियेवर चांगले नियंत्रण ठेवता येते. इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रॉन किंवा गॅमा किरण यांसारखे प्रारण धातूवर टाकून त्यामध्ये अणू स्थलांतरामुळे बिंदू दोष निर्माण करता येतात. या दोषामुळे पदार्थाच्या (१) ऊष्मीय संवाहकता [⟶ उष्णता संवहन], (२) विद्युत् रोधकता (पदार्थाचा विद्युत प्रवाहाला होणारा रोध गुणिले त्याच्या काटच्छेदाचे क्षेत्रफळ व भागिले प्रवाह मार्गाची लांबी), (३) विशिष्ट उष्णता (एक एकक द्रव्यमानाच्या पदार्थाचे तापमान एक एकक वाढविण्यासाठी त्याला द्यावी लागणारी उष्णता) या व इतर प्रचलांमध्ये (विशिष्ट परिस्थितीत अचल राहणाऱ्या राशींमध्ये) नियंत्रितपणे बदल घडवून आणता येतात. याउलट या प्रचलांत होणारे बदल प्रयोगाने मोजून त्यांपासून पदार्थामध्ये निर्माण झालेल्या दोषाचे अस्तित्व व त्याविषयीची सविस्तर माहिती मिळविता येते. क्ष-किरण वापरले असता जालक दोषाच्या आसपास जी विकृती निर्माण होते त्याविषयीचे सरळ ज्ञान मिळविता येते.

सिलिकॉन व जर्मेनियम या ⇨ अर्धसंवाहकात काही विशिष्ट अपद्रव्ये मिसळली असता त्यांचे n व p प्रकारच्या अर्धसंवाहकात रूपांतर करता येते. याकरिता इष्ट अपद्रव्ये उच्च ऊर्जाधारी आयन प्रारणाच्या स्वरूपात प्रवेगित करून अर्धसंवाहकात त्यांचे अंतःरोपण केले जाते. या पद्धतीमध्ये इतर पर्यायी पद्धतींपेक्षा अपद्रव्याच्या प्रमाणावर फार चांगले व सतत नियंत्रण करता येते.

अर्धसंवाहकस्फटिकावरहोणाराप्रारणाचापरिणाम : यासंबंधी करण्यात येणाऱ्या प्रयोगांपासून व त्यांवरून मिळणाऱ्या प्रदत्तापासून (संख्यात्मक वा गुणात्मक माहितीपासून) प्रारणाच्या उपस्थितीत इलेक्ट्रॉनीय मंडले व प्रयुक्ती यांच्या होणाऱ्या वर्तनाविषयी माहिती मिळते. न्यूट्रॉन प्रारण काही अर्धसंवाहकांवर पडले असता त्यांची विद्युत् संवाहकता (पदार्थातील विद्युत् प्रवाह घनता व विद्युत् क्षेत्र यांचे गुणोत्तर) कमी होते, असे आढळते. या परिणामात पदार्थातील वाहक संख्या घनता व वाहकाची गतिशीलता या दोन्हींत घट होते, असे दाखविता येते. n ­ – प्रकारच्या अर्धसंवाहकातील वाहक संख्या घनता न्यूट्रॉन भडिमाराने कमी होते. याचा अर्थ त्यामध्ये स्वीकारक पातळ्या निर्माण केल्या जातात, असा केला जातो. याप्रमाणे न्यूट्रॉन भडिमारामुळे काही अर्धसंवाहकांत दाता पातळ्या तर दुसऱ्या काही अर्धसंवाहकांत स्वीकारक पातळ्या निर्माण केल्या जातात, असा निष्कर्ष काढता येतो. प्रारण भडिमारामुळे स्फटिकात जे दोष (अथवा बदल) निर्माण होतात त्यांमुळे तो अस्थिर होतो. काळानुसार स्फटिक आपल्या पूर्व स्थिर स्थितिप्रत जाण्याचा नेहमीच प्रयत्न करीत असतो. पदार्थातील रिक्त स्थान व जालकांतरिक स्थान यांमध्ये पुनःसंयोग होण्याचा नेहमीच चांगला संभव असतो. त्यामुळे सर्वसामान्यपणे काळ जसा प्रगत होतो तशी स्फटिकामध्ये निर्माण झालेल्या दोषांची आपली संख्या कमी करण्याकडे प्रवृत्ती असावी, हे स्पष्ट होते. प्रारणाचा भडिमार थांबविल्यानंतर जे दोष सातत्याने राहतात त्यांनाच व्याख्येनुसार प्रारणहानी असे म्हणतात हे या संदर्भात लक्षात ठेवण्याजोगते आहे.

पहा : अवरक्त प्रारण उष्णता प्रारण किरणोत्सर्ग जंबुपार प्रारण प्रकाश विद्युत् चुंबकीय प्रारण विश्वकिरण सूक्ष्मतरंग क्ष-किरण.

संदर्भ : 1. Billington, D. S. Crawford, J. H. Radiation Damage in Solids, Princeton, 1961.

            2. Chadderton, L. T. Radiation Damage in Crystals, London, 1965.

            3. Vavilov, V. S. Trans, Tybulewicz, A. Effects of Radiation on Semiconductors, New York, 1965.

चिपळोणकर, व. त्रिं.

“