समस्थानिक

समस्थानिक : प्रोटॉनांची संख्या सारखीच परंतु न्यूट्नॉनांची संख्या भिन्न असलेले अणू वास्तविक एकाच मूलद्रव्याचे असतात आणि त्यांचे आवर्त सारणीतील [ मूलद्रव्यांच्या विशिष्ट पद्धतीने केलेल्या कोष्टकरूप मांडणीतील ⟶ आवर्त सारणी] स्थानही एकच असते. अशा दोन किंवा अधिक अणूंना त्या मूलद्रव्याचे समस्थानिक म्हणतात. Isotope  (समस्थानिक) ही संज्ञा गीक शब्द ‘Isos– सम (तेच) आणि Topos-स्थान’ यांवरून तयार झाली. समस्थानिक किरणोत्सर्गी ( भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणारे ) किंवा स्थिर असतात. काही मूलद्रव्यांचा फक्त एकच स्थिर समस्थानिक असतो, तर काहींचे दोन किंवा अधिक (जास्तीतजास्त दहा ) स्थिर समस्थानिक आहेत. काही मूलद्रव्यांचे सर्वच समस्थानिक किरणोत्सर्गी आहेत. कृत्रिम रीत्या मात्र सर्वच मूलद्रव्यांचे किरणोत्सर्गी आणि काहींचे निसर्गात न आढळणारे समस्थानिक निर्माण करता येतात. (पहा  ‘मूलद्रव्ये’ या नोंदीतील कोष्टक क. २).

समस्थानिकांची कल्पना १९१३ च्या सुमारास साकार झाली. धन किरणांचा आणि नैसर्गिक किरणोत्सर्गी खनिजांचा अभ्यास स्वतंत्रपणे होत असताना समान अणुक्रमांक पण भिन्न द्रव्यमानांक असलेले अणू अस्तित्वात असावेत, असे गृहीत धरल्यास बऱ्याचशा प्रायोगिक निरीक्षणांचे शास्त्रशुद्घ स्पष्टीकरण देणे शक्य झाले. १९१२ साली जे. जे. टॉमसन यांनी विसर्जन नलिकेत निऑन वायू वापरून निर्माण होणारी धन किरणे एकमेकांस काटकोनात असणाऱ्या विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रांतून पाठवून मिळणाऱ्या अन्वस्तांची छायाचित्रे घेतली. यावरून निऑन वायूत बव्हंशी २० व काही अंशी २२ द्रव्यमानांकाचे अणू असावेत, असा निष्कर्ष निघाला. १८९६ साली किरणोत्सर्गाचा शोध लागल्यापासून १९११ पर्यंत किरणोत्सर्गाचे निरनिराळे सु. ४० प्रकार निदर्शनास आले, परंतु त्यांचा आवर्त सारणीत  समावेश करण्यास फक्त बाराच जागा शिल्ल्क होत्या. गण बदल नियमानुसार फेडरिक सॉडी यांनी युरेनियम, थोरियम आणि ॲक्टिनियम ह्या नैसर्गिक किरणोत्सर्गी श्रेढयंचा आराखडा मांडला, तेव्हा या ४० पैकी बऱ्याच प्रकारांचा अणुक्रमांक एकच परंतु द्रव्यमानांक भिन्न असल्याचे आढळल्यावरून त्यांनी अशा अणूंना आयसोटोप ( समस्थानिक) हे नाव दिले.

समस्थानिक आणि अणुकेंद्रीय रचना : कोणत्याही मूलद्रव्याच्या सर्व समस्थानिकांच्या अणुकेंद्रातील प्रोटॉनांची संख्या सारखी असल्यामुळे इलेक्ट्रॉनांची संख्याही सारखी असते व त्यांचे रासायनिक गुणधर्म समान असतात परंतु न्यूट्रॉनांची संख्या भिन्न असल्यामुळे त्यांचे द्रव्यमान व भौतिकीय ( अणुकेंद्रीय ) गुणधर्म भिन्न असतात. उदा., हायड्रोजन या मूलद्रव्याची द्रव्यमाने १, २ आणि ३ असलेले अनुकमे हायड्नोजन (¹H₁),  ड्यूटेरियम ( ²H₁ ) आणि टि्नटियम ( ³H₁ ) हे तीन समस्थानिक आहेत. त्या सर्वांच्या अणुकेंद्रात एकच प्रोटॉन परंतु अनुकमे ०, १ व २ न्यूट्रॉन आहेत. ट्रिटियम हा किरणोत्सर्गी समस्थानिक आहे आणि इतर दोन समस्थानिक  स्थिर आहेत. एकाच मूलद्रव्याचे अनेक स्थिर व किरणोत्सर्गी समस्थानिक असू शकतात.

समस्थानिकांचे द्रव्यमान त्यांतील प्रोट्रॉन, न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन आदी मूलकणांच्या बेरजेइतके (द्रव्यमानांकाइतके ) असावयास पाहिजे, परंतु प्रत्यक्षात ते कमी आढळते. कारण तो अणू बनताना काही द्रव्यमान बंधनऊर्जेच्या स्वरूपात नाहीसे होते. प्रतिकण बंधनऊर्जा जितकी जास्त तितका अणू स्थिर असतो. न्यूट्रॉन व प्रोटॉनांच्या संख्येवरही स्थिरता अवलंबून असते. समप्रोटॉन व समन्यट्रॉन असलेले समस्थानिक बहुधा स्थिर आणि निसर्गात विपुल, तर विषम प्रोटॉन व न्यूट्रॉन असलेले समस्थानिक दुर्मिळपणे आढळतात. विषम अणुक्रमांक असलेल्या मूलद्रव्यांना सहसा एकच स्थिर समस्थानिक असतो, तर सम अणुक्रमांक मूलद्रव्यांचे अनेक समस्थानिक असतात. अणुकेंद्रातील प्रोटॉनांची किंवा न्यूट्रॉनांची संख्या कृत्रिम रीत्या बदलून भिन्न मूलद्रव्यांचे किंवा त्याच मूलद्रव्याचे स्थिर वा किरणोत्सर्गी समस्थानिक निर्माण करता येतात.

समस्थानिकांचे अस्तित्व आणि अणुभार : नैसर्गिक रीत्या सार्थ प्रमाणात पृथ्वीवर आढळणाऱ्या ८३ मूलद्रव्यांपैकी वीस मूलद्रव्यांमध्ये प्रत्येकी फक्त एकच स्थिर समस्थानिक असतो, तर ६३ मूलद्रव्यांमध्ये प्रत्येकी दोन किंवा अधिक (जास्तीतजास्त दहा) स्थिर समस्थानिक  असतात (उदा., कथिलाचे दहा स्थिर समस्थानिक आहेत). या मूलद्रव्यांचे अणुभार त्यांच्या समस्थानिकांच्या द्रव्यमानांकावर आणि नैसर्गिक विपुलतेवर अवलंबून असतात. उदा., नैसर्गिक गंधकात ९५% S-३२, ०.७६% S-३३, ४.२२% S-३४ आणि ०.०१४% S-३६ असते. म्हणून गंधकाचा अणुभार = ^१/_१०० (९५ x ३२ + ०.७६ x ३३ + ४.२२ x  ३४ +  ०.०१४ x  ३६) = ३२.०९०६ आहे. पृथ्वीवरील कोणत्याही प्रदेशातील मूलद्रव्यांच्या समस्थानिकांची विपुलता जवळ-जवळ कायम असते. विदलन (विच्छेदन) प्रकियेत निर्माण होणाऱ्या मूलद्रव्यांचा अणुभार निसर्गात आढळणाऱ्या त्याच मूलद्रव्यांच्या अणुभारापेक्षा निराळा असतो, कारण विदलन प्रकियेत निर्माण होणाऱ्या मूलद्रव्याच्या स्थिर समस्थानिकांची विपुलता निसर्गातील विपुलतेपेक्षा भिन्न असते. उदा., निसर्गात Eu-१५१ व Eu-१५३ हे  यूरोपियमाचे समस्थानिक अनुकमे ४७.७७% व ५२.२३% असतात, तर विदलन प्रकियेत १००% Eu-१५३ निर्माण होते. अशनींत आढळणाऱ्या मूलद्रव्यांतील समस्थानिकांची प्रतिशत विपुलता पृथ्वीवरील प्रतिशत विपुलतेपेक्षा फारशी भिन्न नसते. पर्यायाने अणुभारही जवळजवळ सारखेच असतात. द्रव्यमान वर्णपटविज्ञानाने मूलद्रव्यातील समस्थानिकांचे संघटन निश्चित करता येते.

निसर्गातील किरणोत्सर्गी समस्थानिक : बिस्मथापेक्षा जड असलेल्या (अणुक्रमांक ८४ पासून पुढील ) सर्व मूलद्रव्यांमध्ये स्थिर समस्थानिक नसून फक्त किरणोत्सर्गी समस्थानिक असतात. बरेच समस्थानिक युरेनियम, थोरियम आणि ॲक्टिनियम ह्यांच्या नैसर्गिक किरणोत्सर्गी श्रेढयांच्या स्वरूपात आढळतात. पोलोनियमापेक्षा (अणुक्रमांक ८४) कमी अणुक्रमांक असलेल्या मूलद्रव्यांचेही प्रदीर्घ अर्धायुष्ये असलेले किरणोत्सर्गी समस्थानिक स्थिर समस्थानिकांबरोबरच आढळतात. एक हजारापेक्षा अधिक माहीत झालेल्या किरणोत्सर्गी समस्थानिकांपैकी सु. ५० समस्थानिक निसर्गात आढळतात. किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची अणुकेंद्रे अस्थिर आणि अतिरिक्त ऊर्जा उत्सर्जित करणारी असतात. ही अणुकेंद्रे आल्फा, बीटा आणि गॅमा किरणांच्या रूपात उत्स्फूर्तपणे प्रारण (तरंगरूपी ऊर्जा) बाहेर टाकतात. मराठी विश्र्वकोशा त मूलद्रव्ये या नोंदीतील कोष्टक क. २ मध्ये स्थिर समस्थानिकांची प्रतिशत विपुलता आणि किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची उत्सर्जने  दिलेली आहेत.

समस्थानिकांचे उत्पादन : कृत्रिम रीत्या कोणत्याही मूलद्रव्याचे किरणोत्सर्गी समस्थानिक निर्माण करता येतात. इतकेच नव्हे तर ९२ पेक्षा अधिक अणुक्रमांक असलेल्या व निसर्गात न आढळणाऱ्या मूलद्रव्यांचेदेखील किरणोत्सर्गी समस्थानिक निर्माण करता येतात. समस्थानिक निर्मितीची मुख्यत: पुढील तीन प्रकारची साधने आहेत :

प्रयोगशाळेतील साधने : रेडियम-सी (पोलोनियम-२१४) च्या उद्‌गमापासून निघणाऱ्या अतिवेगवान आल्फा कणामुळे कमी अणुकमांकाच्या मूलद्रव्यांवर अणुकेंद्रीय प्रक्रिया घडून येतात. १९१९ साली अर्नेस्ट रदरफर्ड यांनी N¹⁴ (^α , p ) O¹⁷ ही अणुकेंद्रीय प्रक्रिया घडवून निराळ्या मूलद्रव्याचा अणू कृत्रिम रीत्या प्रथमच निर्माण केला. अणुक्रमांक ८४ ते ९२ पर्यंतच्या मूलद्रव्यांचे समस्थानिक युरेनियम किंवा थोरियम यांच्या खनिजांपासून प्रयोगशाळेत रासायनिक प्रक्रिया करून शुद्ध स्वरूपात मिळविता येतात.

अणुकेंद्रीय विकियक : हे किरणोत्सर्गी समस्थानिकांच्या निर्मितीचे अत्यंत प्रभावी आणि सोयीस्कर साधन आहे. यात ऊष्मीय, धीमे आणि वेगवान न्यूट्रॉन उपलब्ध असतात. विद्युत् भार नसल्यामुळे प्रतिसारण न होता त्यांचा लक्ष्य अणुकेंद्रात सहज प्रवेश होतो आणि जवळजवळ सर्वच मूलद्रव्यांचे किरणोत्सर्गी समस्थानिक निर्माण करता येतात.

कणवेगवर्धक यंत्रे : यांत कॉककॉफ्ट-वॉल्टन प्रपाती जनित्र, स्थिर विद्युत् किंवा व्हॅन डी गॅफ जनित्र, रेखीय वेगवर्धक, सायक्लोट्रॉन, बीटाट्रॉन वगैरे कणवेगवर्धकांचा समावेश होतो. त्यांच्या साहाय्याने इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, आल्फा कण, ड्यूटेरॉन, ट्रिटॉन किंवा हलक्या मूलद्रव्यांचे धन विद्युत् आयन त्वरित करून त्यांचा मारा योग्य लक्ष्य अणूवर केल्यास अणुकेंद्रीय विकियकाच्या साहाय्याने ज्यांची निर्मिती होऊ शकत नाही अशा न्यूट्रॉन-न्यून समस्थानिकांची निर्मिती करता येते.[⟶ कणवेगवर्धक].

समस्थानिकांचे विलगीकरण : स्थिर समस्थानिकांच्या विलगीकरण पद्धती मुख्यत: भौतिकीय किंवा भौतिकीय-रासायनिक गुणधर्म भिन्नतेवर आधारलेल्या असतात. कारण एकाच मूलद्रव्याचे समस्थानिक केवळ रासायनिक प्रकियांनी अलग करता येत नाहीत. विलगीकरण पद्धतींच्या पहिल्या प्रकारात ऊर्ध्वपातन वगैरेंसारख्या व्युत्कमी ( उलट दिशेत होणाऱ्या ) किंवा अंशत: व्युत्कमी कियांचा वापर करतात. दुसऱ्या प्रकारात वायुरूप विसरण, औष्णिक विसरण किंवा विद्युत् विघटन यांसारख्या अव्युत्कमी कियांचा वापर करतात. या दोन्ही प्रकारांतील प्रत्येक पायरीत विलगीकरणावयव अत्यल्प असल्यामुळे, त्या किया अनेक वेळा घडवाव्या लागतात. अणुबाँबसाठी लागणारा युरेनियम (२३५) हा समस्थानिक वायुरूप विसरण कियेमुळे   युरेनियम (२३८) पासून अलग करता आला, तर लाखो लिटर पाण्याचे विद्युत् विघटन करून मोठया प्रमाणावर ड्यूटेरियम मिळविता आला. तिसऱ्या प्रकारात मिश्र समस्थानिकांचे आयनीभूत अणू एकमेकांस काटकोनात असलेल्या विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रांतून पाठवितात. समस्थानिकांचे द्रव्यमान भिन्न असल्यामुळे आयनीभूत अणूंचे विचलन भिन्न असते. द्रव्यमान वर्णलेखाच्या साहाय्याने लहान प्रमाणात आणि आयसोट्रॉनाच्या साहाय्याने मोठया प्रमाणात समस्थानिकांचे विलगीकरण करता येते. केंद्रोत्सारी (केंद्रापासून दूर लोटणाऱ्या ) क्रियेनेही समस्थानिकांचे विलगीकरण होते, कारण जास्त द्रव्यमानांकाच्या समस्थानिकावर केंद्रोत्सारी प्रेरणा जास्त असल्यामुळे त्यांचे कमी द्रव्यमानांकाच्या समस्थानिकापासून अंशत: विलगीकरण साध्य होते.

मूलद्रव्यांतर प्रकियांत किंवा विदलन प्रकियांत निर्माण झालेले किरणो-त्सर्गी समस्थानिक लक्ष्य मूलद्रव्यापेक्षा भिन्न मूलद्रव्याचे असल्यामुळे ते रासायनिक किंवा भौतिकीय-रासायनिक पद्धतींनी विलग करता येतात. एकाच वेळी बऱ्याच मूलद्रव्यांचे समस्थानिक उपस्थित असल्यामुळे आणि त्यांपैकी बरेच समस्थानिक स्थिराणू विरहीत असल्यामुळे विलगीकरण  प्रकियांत रेडिओ रासायनिक शुद्धतेवर विशेष भर दयावा लागतो. वायुवर्णलेखन पद्धतीत सकियित कोळसा, ॲल्युमिना किंवा सिलिका जेल यांचे स्तंभ वापरून वायुरूप समस्थानिकांचे विलगीकरण करता येते.

उपयोग : विलगीकरण केलेल्या ( समृद्घ ) समस्थानिकांचा मोठया प्रमाणात वापर अणुकेंद्रीय संशोधन, अणुकेंद्रीय वीजनिर्मिती, अणुकेंद्रीय शस्त्रे, अणुकेंद्रीय वैदयक आणि कृषी संशोधन या क्षेत्रांत होतो. जड पाण्याचा [ड्यूटेरियम ( H²) समृद्ध ] उपयोग काही अणुकेंद्रीय विकियकांमध्ये न्यूट्रॉन मंदायक म्हणून करतात. वायुरूप विसरण प्रकियेने समृद्घ केलेल्या युरेनियम (२३५) चा वापर अणुकेंद्रीय विकियकामध्ये इंधन म्हणून करतात. वैदयकामध्ये कोबाल्ट (६०) हा समस्थानिक कर्करोगाची ( कॅन्सरची ) वाढ रोखण्याकरिता प्रारण उद्‌गम म्हणून वापरतात. आयोडीन (१३१) समस्थानिक मेंदूतील अर्बुदाची ( शरीरास निरूपयोगी अशा गाठीची ) जागा ओळखण्यास, हृदीय प्रदानाचे मापन करण्यास आणि यकृत व अवटू गंथी यांची कियाशीलता ठरविण्यास उपयुक्त आहे. किरणोत्सर्गी कार्बन (१४) समस्थानिकाचा वापर करून मधुमेह, गाऊट, पांडुरोग आणि विशालांगता यांस कारणीभूत होणाऱ्या चयापचयातील विकृतीसंबंधी अध्ययन करता येते. कार्बन (१४) समस्थानिक कालमापनासाठीही उपयुक्त आहे. प्लुटोनियम (238) या किरणोत्सर्गी  समस्थानिकाच्या क्षयामुळे निर्माण झालेल्या उष्णतेचे तापविद्युत् संधी मंडल प्रयुक्तीने विजेत रूपांतर होते. विजेच्या सुटसुटीत उद्‌गमाचा वापर हृदीय गतिकारकात ( पेस मेकर ) आणि अवकाशयानांमध्ये करतात. कार्बन (१३), नायट्नोजन (१५), ऑक्सिजन (१८) आणि हायड्रोजन (२) या स्थिर समस्थानिकांचा उपयोग सजीवांमधील चयापचय ( शरीरात सतत घडणाऱ्या भौतिक व रासायनिक घडामोडी ), औषधांचा होणारा उपयोग आणि इतर प्रक्रिया यांचे अध्ययन करण्याकरिता होतो. मराठी विश्वकोशा तील ‘ अणुऊर्जेचे शांततामय उपयोग ’ व ‘ मार्गण मूलद्रव्ये ’ या नोंदीत किरणोत्सर्गी व स्थिर समस्थानिकांच्या उपयोगासंबंधी सविस्तर वर्णन करण्यात आलेले आहे.

पहा : किरणोत्सर्गी मूलद्रव्ये रसायनशास्त्र.

संदर्भ : 1. Dickin, A. P. Radiogenic Isotope Geology, 1994.

            2. Litha, K. Michener, R. Stable Isotopes in Ecology, 1994.

            3. Taylor, H. P. O’Neill, J. R. Kaplan, I. R. Stable Isotope Geochemistry, 1991.  

           4. Wolfe, R. R. Radioactive and Stable Isotope Tracers in Bio-medicine, 1992.

वामनाचार्य, गजानन.