তেজস্ক্রিয়তা হলো একটি সহজাত কোয়ান্টাম ঘটনা যার মাধ্যমে অস্থিতিশীল পারমাণবিক নিউক্লিয়াস স্বতঃস্ফূর্তভাবে অতিরিক্ত শক্তি নির্গমন করে স্থায়ী অবস্থায় রূপান্তরিত হয়। প্রকৃতির মৌলিক বলগুলোর মাধ্যমে নিউক্লিয়াস তিনটি প্রধান উপায়ে ক্ষয়প্রাপ্ত হয়: কুলম্ব প্রাচীর ভেদ করে হিলিয়াম নিউক্লিয়াসের কোয়ান্টাম টানেলিংয়ের মাধ্যমে আলফা ((alpha)) ক্ষয়, দুর্বল নিউক্লীয় বলের দ্বারা কোয়ার্ক রূপান্তরের মাধ্যমে বিটা ((beta)) ক্ষয়, এবং কোয়ান্টাম তড়িৎচুম্বকত্ব দ্বারা অতিরিক্ত শক্তি বিকিরণে গামা ((gamma)) নিঃসরণ।
১. তেজস্ক্রিয় ক্ষয়ের গতিবিদ্যা
যেকোনো মুহূর্তে ক্ষয়ের হার উপস্থিত অক্ষত পরমাণুর সংখ্যার সমানুপাতিক:
[
rac{dN}{dt} = -lambda N(t) implies N(t) = N_0 e^{-lambda t}
]
এখানে (lambda) হলো ক্ষয় ধ্রুবক। অর্ধায়ু ((t_{1/2})) হলো সেই সময়কাল যার মধ্যে প্রাথমিক পরমাণুর অর্ধেক অংশ ক্ষয়প্রাপ্ত হয়:
[
t_{1/2} = rac{ln 2}{lambda} approx rac{০.৬৯৩}{lambda}
]
একটি দীর্ঘস্থায়ী জনক আইসোটোপ যখন ক্রমাগত ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে স্বল্পস্থায়ী কন্যা আইসোটোপ তৈরি করে (যেমন ইউরেনিয়াম-২৩৮ থেকে রেডিয়াম-২২৬), তখন উভয়ের তেজস্ক্রিয় সক্রিয়তা সমান হয়ে যায়। একে বলে সেকুলার ইক্যুইলিব্রিয়াম (Secular Equilibrium)।
২. আলফা ক্ষয় ও গ্যামোর কোয়ান্টাম টানেলিং
আলফা ক্ষয়ে নিউক্লিয়াস থেকে একটি হিলিয়াম নিউক্লিয়াস (({}^4_2alpha)) নির্গত হয়। কিন্তু নিউক্লিয়াসের চারপাশের কুলম্ব বিভব বাধার উচ্চতা ২৫ থেকে ৩০ MeV, অথচ আলফা কণার শক্তি মাত্র ৪ থেকে ৯ MeV। চিরায়ত বলবিদ্যায় এই কণার পক্ষে বের হওয়া অসম্ভব!
১৯২৮ সালে জর্জ গ্যামো কোয়ান্টাম মেকানিক্সের মাধ্যমে প্রমাণ করেন যে আলফা কণাটি তরঙ্গাকারে এই বিভব বাধা ভেদ বা টানেল করে বেরিয়ে আসে। WKB সূত্র অনুযায়ী টানেলিং সম্ভাবনা:
[
T approx e^{-2G} quad ext{যেখানে} quad G propto rac{Z}{sqrt{Q_alpha}}
]
এখানে শক্তি (Q_alpha) সূচকের নিচে বর্গমূলে অবস্থান করায় কণার শক্তিতে সামান্য বৃদ্ধি ঘটলে ক্ষয়ের হার লক্ষ কোটি গুণ বেড়ে যায়। এটিই ১৮৮৬ সালে আবিষ্কৃত অভিজ্ঞতালব্ধ গেইগার-নাটাল সূত্রকে তাত্ত্বিকভাবে প্রতিষ্ঠা করে।
৩. বিটা ক্ষয় ও দুর্বল বল
বিটা ক্ষয় কোনো পূর্ব-গঠিত কণার নির্গমন নয়; দুর্বল নিউক্লীয় বলের (W) বোসন বিনিময়ের মাধ্যমে নিউক্লিয়াসের ভেতর একটি ডাউন কোয়ার্ক আপ কোয়ার্কে রূপান্তরিত হয় ((d o u + e^- + bar{
u}_e))। বিটা ক্ষয়ের শক্তি তিনটি কণার মধ্যে এলোমেলোভাবে বণ্টিত হওয়ায় নিঃসৃত ইলেকট্রনের শক্তি বর্ণালী অবিচ্ছিন্ন হয়, যা ব্যাখ্যা করতে গিয়ে উলফগ্যাং পাউলি নিউট্রিনো কণার অস্তিত্ব আবিষ্কার করেন।
৪. গামা বিকিরণ ও নিউক্লিয়ার আইসোমার
আলফা বা বিটা ক্ষয়ের পর নিউক্লিয়াসটি সাধারণত উত্তেজিত কোয়ান্টাম অবস্থায় থাকে। অতিরিক্ত শক্তি ফোটন আকারে নির্গত করে সে গ্রাউন্ড স্টেটে নেমে আসে। যেসব ক্ষেত্রে কৌণিক ভরবেগের বিশাল পার্থক্যের কারণে ((Delta J ge ৪)) গামা নিঃসরণ বাধাগ্রস্ত হয়, সেখানে উত্তেজিত অবস্থাটি কয়েক মিনিট বা ঘণ্টা পর্যন্ত টিকে থাকে। এদের বলা হয় নিউক্লিয়ার আইসোমার (যেমন টেকনিশিয়াম-৯৯এম, ({}^{99m} ext{Tc})), যা আধুনিক চিকিৎসার সিটি স্ক্যান ও ক্যানসার শনাক্তকরণে বিশ্বজুড়ে ব্যবহৃত হয়।
