मार्गण मूलद्रव्ये

मार्गण मूलद्रव्ये: अनेक रासायनिक, जीवरासायनिक, भौतीक तसेच औद्योगिक प्रक्रियांचे स्वरूप व यंत्रणा जगण्यासाठी मार्गण (मागोवा घेणाऱ्या) मूलद्रव्यांचा उपयोग केला जातो. हे सूक्ष्मग्राही व फार संवेदनशील तंत्र हे. विक्रियाकारकाचे यथाक्रम विक्रियेच्या उत्पादनात रूपांतर होण्याचा कार्यपथ, आंतररेणवीय व रेणूतील अंतर्गत व्यूह बदल, रेणूंच्या संरचना व परिणात्मक विश्लेषण अशा भिन्न रासायनिक क्षेत्रांत मार्गण मूलद्रव्यांचा उपयोग केला गेलेला आहे. जीवरासायनिक विक्रिया व यंत्रणा यांचा मागोवा मार्गण मूलद्रव्ये घेऊ शकतात. काही भौतीक व औद्योगिक क्षेत्रांतील घटनांच्या स्वरूपावरही मार्गण मूलद्रव्यांद्वारे नवा प्रकाश पाडता आला आहे.

ही मूलद्रव्ये सामान्यतः ज्या साठी वापरली जातात त्यांचे दोन वर्ग करता येतात : (१) किरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणारी) मार्गण मूलद्रव्ये व (२) अकिणोत्सर्गी मार्गण मूलद्रव्ये. T³_, C¹⁴, p²², S³⁵, Br⁸² I¹³¹ ही काही किरणोत्सर्गी मार्गण मूलद्रव्ये असून D², C¹³, N¹⁵, O¹⁸ व Cl³⁷ ही सामान्यतः उपयोगात आणली जाणारी अकिरणोत्सर्गी मार्गण मूलद्रव्ये आहेत. न्यूट्रॉन किंवा अन्य कणांच्या माऱ्याने वव्हंशः मूलद्रव्यांचे किरणोत्सर्गी नवे समस्थानिक (अणुक्रमांक तोच पण भिन्न अणुभार असलेले त्याच मुलद्रव्याचे प्रकार) उपलब्ध झाले असून त्यांचाही मार्गण मूलद्रव्ये म्हणून उपयोग होऊ शकतो. जेव्हा एखाद्या घटनेचा, प्रक्रियेचा वा प्रणालीचा काल हा तीत सहभागी असणाऱ्या एखाद्या मूलद्रव्याच्या संदर्भाने मोजावयाचा असतो, तेव्हा शक्य तर त्या मूलद्रव्याच्या ज्या किरणोत्सर्गी समस्थानिकाचे अर्धायुष्य (मुळची कार्यप्रणवता निम्मी होण्यास लागणारा कालावधी) त्या प्रणालीच्या, प्रक्रियेच्या वा घटनेच्या जवळपास असते, त्याचा उपयोग करून अधिक बिनचूक मापन करता येते.

कोणतीही कालावर अवलंबून असलेली घटना, प्रक्रिया वा प्रणाली अभ्यासावयाची असल्यास तीत मार्गण मूलद्रव्य प्रथम प्रविष्ट करावे लागते. उदा. C¹⁴ हे Ba C¹⁴O₃ च्या स्वरूपात, N¹⁵ च्या स्वरूपात, हे N¹⁵ H₄ Cl स्वरूपात उपलब्ध असेल. ते विशिष्य क्रियाक्षेत्रात वा विक्रिया प्रणालीत रासायनिक रूपापातराद्वारे योग्य सहभागी रेणूच्या स्वरूपात प्रथम आणले जाते. या मूळ स्थानापासून व क्षणापासून भिन्न कालावधीनंतर ते मार्गण मूलद्रव्य कोठे, कसे व कोणत्या प्रमाणात जाते हे पाहण्यासाठी त्या घटनेचे भिन्न स्थानिय व भिन्न कालीय क्षेत्र छेद विलग करून तेथवर पोचलेल्या मार्गण मूलद्रव्याचे प्रमाण मोजावयाचे असते. म्हणजे मग त्यावरून विक्रियेचा वा घटनेचा पथक्रम कळतो. किरणोत्सर्गी मार्गण मूलद्रव्याचे परिणाम गायगर-म्यूलर गणित्राने [→ कण अभिज्ञातक] मापता येते. किरणोत्सर्गात निर्माण होणारे कण वा प्ररण (तरंगरूपी ऊर्जा) यांनी विद्राव रूपातील काही संयुगे उद्दीपत होऊन प्रेरक चमक देतात. असे चमक गणित्रही [→ कण अभिज्ञतक] किरणोत्सर्गी मार्गण मूलद्रव्याच्या मापणासाठी वापरतात. ड्यूटेरॉनचे प्रमाण अवरक्त वर्णपटमापणाने [→ अवरक्त प्रारण] कळू शकते. जर मार्गण मूलद्रव्य अणुकेंद्रीय चुंबकीय अनुस्पंदनशील [→ अनुस्पंदन] असेल, तर अनुस्पंदनावरूनही त्याची मात्रा कळू शकते.

मार्गण मूलद्रव्यांचा उपयोग काही गृहीते जमेस धरलेली असतात: (१) ज्या मार्गण मूलद्रव्याचा किरणोत्सर्गी किंवा अकिरणोत्सर्गी समस्थानिक मार्गणसाठी वापरावयाचा असतो त्याचे अन्य समस्थानिक समान गुणधर्माचे असावयास पाहिजेत. एखाद्या मूलद्रव्याचे रासायनिक गुणधर्म त्याच्या अणुकेंद्दीय धन भारावर किंवा अणुक्रमांकावर अवलंबून असतात. अणुक्रमांकच रासायनिक गुणधर्मांचा नियामक असतो म्हणून कोणत्याही मूलद्रव्याचे सर्व समस्थानिक समान रासायनिक गुणधर्माचे असतात. हे सामान्यतः जरी खरे असले, तरी कमी अणुभाराच्या मूलद्रव्यांना हे लागू नाही. उदा., हायड्रोजनापेक्षा ड्यूटेरियम या त्याच्या समस्थानिकाची विक्रियेतील व विनिमयातील गती संथ असते आणि काही जीवरासायनिक प्रक्रियांत  H₂O ऐवजी D₂O  चा वापर बाधक मारक ठरतो. अन्यथा गतिभेद असतानाही अंतीम फलिते सारखी असतील, तर यंत्रणा व क्रमपथाचा मागोवा त्याद्वारे घेता येईल. यामुळेच H व D चे गतिभेदही विक्रिया गतिविज्ञानात उपयोगी पडू शकतात. बंघछेदन H जवळ होत असेल व त्याऐवजी त्याच्या जागी D घातल्यावर गतीत फरक पडत असेल, तर त्या बंधाशी विक्रिया यंत्रणेचा संबंध स्थापता येईल. अशा समस्थानिकाचा (H/D) गतिभेद फरकाशिवाय विक्रियेत संबंध नसतानाही आणखी एक दुय्यम परिणाम होतो, म्हणून गतिभेदावरून यंत्रणेत H आहे वा नाही हा निष्कर्ष दक्षतेने काढणे आवश्यक आहे.(२) मार्गण समस्थानिकांचा क्रिया वा घटनाक्षेत्रात प्रवेश करविल्यावर त्याचा भिन्न अणु मारामुळे किंवा किरणोत्सर्गी धर्मामुळे निरीक्षणाखालील क्रियाक्षेत्रावर किंवा घटनेवर काही निराळा प्रभाव पडत नाही, याची खात्री असली पाहिजे. (३) विशिष्ट स्थल-कालीय परिस्थितीत मार्गण समस्थानिकाने घेतलेले स्थान निश्चित असले पाहिजे.

उपयोग :  रसायनशास्र : मार्गण तंत्राच्या साहाय्याने विनिमय रासायनिक विक्रियांचा मागोवा घेता येतो व त्यांचा गतिविज्ञान दृष्टा अभ्यास करता येतो. एखादी रासायनिक विक्रिया कोणत्या मधल्या पायऱ्यांनी पुढे प्रगत होते ते पाहता येते. तसेच रासायनिक विक्रियेत साहाय्य करणारा उत्पेरक कशा प्रकारे विक्रियेची गती वाढवितो त्याची यंत्रणा कळते. रासायनिक बंध तयार होणे व तुटणे याचा मागोवा घेऊन त्यावरून विक्रियाकारकांच्या संरचना कळू शकतात. अत्यल्प प्रमाणात प्राप्त करता येणारी नेपच्यूनियमासारखी युरेनियमोत्तर (युरेनियमापेक्षा अधिक अणुमार असलेली) मूलद्रव्ये ओळखणे, त्यांचे वजण करणे, त्यांचे गुणधर्म अभ्यासणे व विक्रियांतून त्यांचा मागोवा घेणे मार्गण धर्मामुळे शक्य होते. युरोनियमोत्तर मूलद्रव्ये स्वयंमार्गणकारी असतात.

रासायनिक क्षेत्रातील मार्गण मूलद्रव्याच्या उपयोगाने कळू शकलेल्या काही विक्रिया :

(१) हा समपक्ष हायड्रॉक्सिल [→ त्रिमितिय रसायनशास्र] असल्याचे या त्याच्या समतल निर्मिती विक्रियेवरून कळते

(२) पुढील विक्रिया त्रिकेंद्र-विक्रिया असून ती एका टोकाकडून होते आणि अशा विक्रियेत हॅलोजनाचे दुसऱ्याने विस्थापन झाल्याने चतुष्कफलक एका बाजूने मिटून दुसऱ्या बाजूने उघडल्याप्रमाणे (छत्री वाऱ्याने उलटी व्हावी तशी) संरचना होते.

(३) O¹⁸ युक्त पाण्याच्या विक्रियेने n- पेंटिल अल्कोहॉल देणाऱ्या n- पेंटिल ॲसटेटामध्ये O¹⁸ नसतो व हा O¹⁸ ॲसिटीक अम्‍लाच्या रेणूत अवतरतो, असे एस्. पोल्यानी  यांनी दाखविले, त्यावरून या विक्रियेचे स्वरूप असे दाखविता येते :

(४) मेल्व्हिन कॅल्व्हिन यांनी C¹⁴ वापरून हरितद्रव्याच्या संपर्कात  CO₂ व H₂O यांत होणाऱ्या ⇨ प्रकाशसंश्लेषण विक्रियेचा अभ्यास केला. या विक्रियेत प्रारंभी फॉर्माल्डहाइड तयार होते ही पूर्वी प्रचलीत असलेली कल्पना खरी नसल्याचे आढळले.

(५) ॲसिटोॲसिटिक एस्टरामध्ये कीटो व इनॉल अशा दोन स्वरूपाचे रेणू संतूलित अवस्थेत असतात असे D₂O निश्चित केले गेले. अन्य प्रकारे या कीटो-इनॉल संतुलनाचीपूर्वी कल्पना होती.

(६) रासायनिक क्षेत्रातील अशा शेकडो विक्रियांची उदाहरणे देता येतील. विक्रिया यंत्रणेतील संदिग्‍धता मार्गण मूलद्रव्य वापरून दूर करता येते.

2KI + KIO₄ + H₂O → I₂+KIO₃ + 2KOH या विक्रियेत KIO₃ मधील I अणू KIO₄ मधून येतो KI मधून नव्हे, असे I¹³¹ मार्गण अणू KI मध्ये वापरून I¹³¹ ची किरणोत्सर्जकता तयार होणाऱ्या KIO₃ मध्ये येत नाही, हे यावरून दाखविता येते.

औद्योगिक: या तंत्राची संवेदनक्षमता उच्च प्रतीची असून त्याव्दारे १०^-12 ग्रॅम एवढ्या अतिसूक्ष्म परिमाणाच्या द्रव्याचे अस्तित्व जाणून घेता येते. यासाठी सामान्य विश्लेषण पद्धती निरुपयोगी ठरतात. दोन धातूंचे पृष्ठभाग एकमेकांवर घासले गेल्यास एकाच पृष्ठभागातील कण दुसऱ्यावर स्थलांतरीत होतात आणि त्यांच्या पृष्ठभागांच्या दरम्यान वंगण असल्यास त्यात जाऊन अडथळा निर्माण करतात. एकमेकांत अडकून फिरविल्या जाणाऱ्या दातेरी चाकात असेच घडते व त्याचा शोध मार्गण तंत्राने घेता येतो. लोखंडाच्या गंजण्याच्या विक्रियेचा अभ्यास मार्गण तंत्राने करण्यासाठी लोखंडावर किरणोत्सर्गी लोहाचा पातळ थर देतात. गंजण्याची विक्रिया सुरू होताच हवेतील ऑक्सिजन अणू पृष्ठीय सापेक्ष प्रमाण बंधीत ऑक्सीजनाने व्यापलेल्या जागेमुळे घटून किरणोत्सर्ग कमी होतो, अशा प्राकरे गंजण्याच्या विक्रियेचा मागोवा घेता येतो.

पोलादाचा पृष्ठभाग कठीण होण्याकरिता त्यात अत्यल्प प्रमाणात कार्बन ही अशुद्धी मुद्दाम मिसळली जाते. पोलादाच्या पृष्ठभागावरील कार्बनाचे वितरण कळण्यासाठी त्या पृष्ठभागावर शक्तिशाली ड्यूटेरॉनचा भडिमार केल्यास कार्बन (C¹²) अणूचे किरणोत्सर्गी N¹³ अणूत रूपांतर होते. आता पोलादाच्या पृष्ठभागावर अल्युमिनियमाचा पातळ पत्रा झाकल्यास N¹³ मधून निघणारे किरण अल्युमिनियमाचे त्याच्या किरणोत्सर्गी समस्थानिकात रूपांतर घडवितात व हा पत्रा छायाचित्रणाच्या फिल्मवर ठेवताच क्रियाशिल अल्युमिनियमाची स्थाने व पर्यायाने पोलादाच्या पृष्ठभागावरील कार्बन अणूच्या स्थानांचे आलेखन फिल्मवर मिळते. त्याचप्रमाणे सामान्यतः धातूच्या पृष्ठातील अणू कायम स्थिर असल्याचे आपण समजतो पण हे खरे नाही, असे चांदीच्या लगडीच्या पृष्ठभागावर किरणोत्सर्गी  चांदीचा (Ag¹¹⁰) पातळ थर देऊन ती लगड ५००^° से. पर्यंत तापवितात. किरणोत्सर्गी थरापासून निरनिराळ्या अंतरावरील लगडीचे पातळ छेद Ag¹¹⁰ अणूंच्या क्रियाशिलतेद्वारे परीक्षले जातात. त्यावरून चांदीचे अणू चांदीच्या लगडीत कसकसे व कोणत्या गतीने विसर्जित होतात याचा भिन्न कालावधीच्या संदर्भाने मागोवा घेता येतो. हा वेग दर आठवड्यास ०·२५ सेंमी. असल्याचे आढळले.

जीवविज्ञान : सजीवांत अनेक साधे कार्बनी रेणू, बहुवारिक (लहान साध्या रेणूंच्या संयोगाने बनलेले प्रचंड) कार्बनी रेणू इ. उपस्थित असतात व कार्बन हा त्यांतील अनिवार्य घटक C¹⁴ या किरणोत्सर्गी कार्बन अणूने विस्थापित होण्याची कमी अधिक शक्यता असते. असे करून अनेक जीवरासायनिक संयुगांच्या संरचना व त्याच्या विक्रियांचा क्रमपथ C¹⁴ मार्गणासाठी वापरून कळू शकतो. प्रतिजैव पदार्थ (अँटिबायॉटिक्स), जीवनसत्त्वे, ⇨ हॉर्मोने, ⇨ ॲमिनो अम्ले यांच्या संरचना मार्गण तंत्राने अभ्यासल्या गेल्या आहेत. प्राण्याच्या शरीरात कार्बन व फॉस्परस यांचे जेथे संकेद्रण होते ती स्थळे व फॉस्पेट, नायट्रोजन संयुगे इ. खते म्हणून वापरल्यावर झाडांच्या मुळांतून त्यांची वेळोवेळी होणारी प्रगती C¹⁴, N³²,N¹⁸ वगैरे मार्गण अणुयुक्त संयुगे मुद्दाम तयार करून व विक्रियाकारक म्हणून वापरून अभ्यासली गेली आहेत. उदा., I¹³¹ जर अल्प KI रूपात दिले, तर ⇨ अवटू ग्रंथीत आकारमान, आरोग्य व क्षमता हे गुणधर्म काढता येतात. रक्तातील लाल पेशींच्या तलम आवरणातून Na⁺ व K⁺ आयनांचे (विद्यूत भारित अणूंचे) होणारे स्थानांतरण किरणोत्सर्गी Na व K समस्थानिक वापरून केले गेले आहे. वटवाघळांचा रात्रीचा संचार Co⁶⁰ वापरून माहीत केला गेला. सूक्ष्म विश्लेषणासाठीही मार्गण मूलद्रव्यांचा महत्त्वाचा उपयोग होतो.

इतर उपयोग: बव्हंशः मूलद्रव्यांचे अणू अणूकेंद्रीय विक्रियकातील (अणुभट्टीतील) प्रखर न्यूट्रॉन झोताच्या माऱ्याने एक वा अधिक न्यूट्रॉन शोषून जे अणू देतात ते बहुधा किरणोत्सर्गी असतात. या प्रकारे न्यूट्रॉनाने क्रियाशिल झालेले अणू स्वयंमार्गण अणू बनतात व त्यांच्या विशिष्ट अर्धायुष्यावरून मूलद्रव्याच्या स्वरूपाची निश्चीती होऊ शकते. एखाद्या मिश्रधातूच्या पृष्ठावर कोणते धातू अणू कोणत्या प्रमाणात आहेत अशा मापनाने कळू शकेल. एकाच मूलद्रव्याचे भिन्न समस्थानिक न्यूट्रॉन माऱ्याने भिन्न किरणोत्सर्गी धर्माचे अणू तयार करतात म्हणून त्यांचे स्वरूप व प्रमाण कळू शकते. न्यूट्रॉन प्रेरणेने स्वयंमार्गण अणूंच्या निर्मितीमुळे मिश्रधातूच्या पृष्ठीय अध्यायनाला चालना मिळाली आहे. युरेनियमोत्तर मूलद्रव्ये ओळखण्यासाठी नवनिर्मित समस्थानिकांचा अभ्यास केला जातो. त्यांचे अर्धायुष्य मापून नवनव्या मूलद्रव्यांचे समस्थानिक न्यूट्रॉन व अन्य अतिगतिशिल कण व आयान यांच्या माऱ्यानी मिळवून त्यांचे स्वरूप निश्चित करण्यास या उच्च जड अणूंच्या समस्थानिकांची स्वयंमार्गणता उपयोगी पडते.

पहा : अणुऊर्जेचे शांततामय उपयोग.

संदर्भ : 1. Daudel, P. Trans. Eisner, U. Radiocative Tracers in Chemistry and Industry, London, 1960.

             2. Glasstone, S. Text Book of Physical Chemistry, London, 1964.

             3. Meinke W. W. Scribner, B. F., Ed., Trace Characterization, chemical and Physical, 1967.

             4. Siri, W. E. Isotopic Traces and Nuclear Radiations, New York. 1959.

चिपळोणकर, व. त्रि. करवेलकर, ना. वि.

“