Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Nuclear Fission नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission)

Nuclear fission is the fragmentation of a heavy atomic nucleus into two lighter nuclei of comparable mass accompanied by the release of enormous amounts of energy. The process is initiated by the absorption of a neutron and governed by the liquid-drop model of nuclear deformation. नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission) एक भारी परमाणु नाभिक का दो हल्के नाभिकों में विखंडन है, जिसका द्रव्यमान लगभग समान होता है और इसके साथ भारी मात्रा में ऊर्जा मुक्त होती है। यह प्रक्रिया एक न्यूट्रॉन के अवशोषण द्वारा शुरू होती है और नाभिकीय विरूपण के 'लिक्विड-ड्रॉप मॉडल' (liquid-drop model) द्वारा नियंत्रित होती है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Mechanism of Neutron-Induced Fission न्यूट्रॉन-प्रेरित विखंडन की क्रियाविधि

Thermal neutrons with kinetic energies near 0.025 eV efficiently induce fission in odd-mass actinides like 235U and 239Pu.
Absorption of a neutron forms an excited compound nucleus 236U* possessing high excitation energy exceeding the fission activation energy barrier.
Deformation of the spherical nucleus into a dumbbell shape occurs via the coulombic repulsion overcoming the short-range strong nuclear attractive forces.
Scission results in asymmetric mass distribution typically yielding light fragment groups near mass 95 and heavy fragment groups near mass 137.

0.025 eV के निकट गतिज ऊर्जा वाले तापीय न्यूट्रॉन (thermal neutrons) 235U और 239Pu जैसे विषम-द्रव्यमान वाले एक्टिनाइड्स में प्रभावी रूप से विखंडन प्रेरित करते हैं।
न्यूट्रॉन का अवशोषण एक उत्तेजित संयुक्त नाभिक 236U* बनाता है, जिसमें विखंडन सक्रियण ऊर्जा अवरोध से अधिक उच्च उत्तेजना ऊर्जा होती है।
गोलाकार नाभिक का डंबल आकार में विरूपण, कूलम्बिक प्रतिकर्षण (coulombic repulsion) के कारण होता है जो लघु-परास वाले प्रबल नाभिकीय आकर्षण बलों पर विजय प्राप्त करता है।
विखंडन (scission) के परिणामस्वरूप असममित द्रव्यमान वितरण होता है, जो आमतौर पर द्रव्यमान 95 के निकट हल्के खंड और द्रव्यमान 137 के निकट भारी खंड समूह प्रदान करता है।

Neutron Economy and Chain Reactions न्यूट्रॉन अर्थव्यवस्था और श्रृंखला अभिक्रियाएं

Each 235U fission event releases an average of 2.4 to 2.5 prompt neutrons along with delayed neutrons emitted by radioactive fission products.
A critical mass is achieved when the neutron multiplication factor k = 1, balancing neutron production with absorption and leakage losses.
Control rods composed of strong neutron absorbers such as cadmium or boron regulate the thermal neutron flux inside nuclear reactors.
Moderators such as heavy water (D2O), graphite, or light water slow down fast fission neutrons to thermal energies via elastic collisions.

प्रत्येक 235U विखंडन घटना औसतन 2.4 से 2.5 त्वरित न्यूट्रॉन (prompt neutrons) मुक्त करती है, साथ ही रेडियोधर्मी विखंडन उत्पादों द्वारा उत्सर्जित विलंबित न्यूट्रॉन (delayed neutrons) भी निकलते हैं।
क्रांतिक द्रव्यमान (critical mass) तब प्राप्त होता है जब न्यूट्रॉन गुणन कारक k = 1 होता है, जो न्यूट्रॉन उत्पादन को अवशोषण और रिसाव हानि के साथ संतुलित करता है।
कैडमियम या बोरॉन जैसे प्रबल न्यूट्रॉन अवशोषकों से बनी नियंत्रण छड़ें (control rods) परमाणु रिएक्टरों के अंदर तापीय न्यूट्रॉन फ्लक्स को नियंत्रित करती हैं।
भारी जल (D2O), ग्रेफाइट या हल्का जल जैसे मंदक (moderators), प्रत्यास्थ संघट्टों (elastic collisions) के माध्यम से तीव्र विखंडन न्यूट्रॉनों की गति को धीमा करके उन्हें तापीय ऊर्जा तक लाते हैं।

Energetics and Mass Defect ऊर्जा विज्ञान और द्रव्यमान क्षति

The total binding energy per nucleon increases from approximately 7.6 MeV for 235U to about 8.5 MeV for the fission fragments.
This difference in binding energy accounts for the massive energy release of approximately 200 MeV per fission event.
Most of the released energy appears as the kinetic energy of the fission fragments, alongside prompt gamma rays and kinetic energy of neutrons.
Fission products are neutron-rich and undergo a series of successive β- decays to reach stable isobaric configurations.

प्रति न्यूक्लियॉन कुल बंधन ऊर्जा (binding energy per nucleon) 235U के लिए लगभग 7.6 MeV से बढ़कर विखंडन खंडों के लिए लगभग 8.5 MeV हो जाती है।
बंधन ऊर्जा में यह अंतर प्रति विखंडन घटना लगभग 200 MeV की भारी ऊर्जा मुक्ति का कारण बनता है।
मुक्त ऊर्जा का अधिकांश भाग विखंडन खंडों की गतिज ऊर्जा, त्वरित गामा किरणों और न्यूट्रॉनों की गतिज ऊर्जा के रूप में प्रकट होता है।
विखंडन उत्पाद न्यूट्रॉन-समृद्ध होते हैं और स्थिर आइसोबारिक विन्यास तक पहुँचने के लिए क्रमिक β- क्षय की एक श्रृंखला से गुजरते हैं।

📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण

Neutron Multiplication Factor न्यूट्रॉन गुणन कारक (Neutron Multiplication Factor)

k = Number of neutrons in generation n+1Number of neutrons in generation n

Conditions: For criticality determination in fission reactors.

शर्तें: विखंडन रिएक्टरों में क्रांतिकता (criticality) निर्धारण के लिए।

इकाइयाँ: विमाहीन (Dimensionless)

Fission Energy Release विखंडन ऊर्जा मुक्ति (Fission Energy Release)

Q = [m(²³⁵U) + m(n) - m(Products)] × 931.5 MeV

Conditions: Calculated per fission event using atomic mass units (amu).

शर्तें: परमाणु द्रव्यमान इकाइयों (amu) का उपयोग करके प्रति विखंडन घटना की गणना।

इकाइयाँ: MeV

Radioactive Decay Law for Precursors पूर्वगामी के लिए रेडियोधर्मी क्षय नियम (Radioactive Decay Law for Precursors)

N(t) = N₀ e^-λt

Conditions: Applies to fission product decay chains.

शर्तें: विखंडन उत्पाद क्षय श्रृंखलाओं पर लागू होता है।

इकाइयाँ: समय (t) और क्षय नियतांक (λ)

Mass-Energy Equivalence द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता (Mass-Energy Equivalence)

ΔE = Δm × c²

Conditions: Applicable to all radioactive decay and nuclear fission calculations.

शर्तें: सभी रेडियोधर्मी क्षय और नाभिकीय विखंडन गणनाओं पर लागू।

इकाइयाँ: J (जूल) या MeV

⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ

Exceptionअपवाद Even-even nuclei are generally more stable against spontaneous fission than odd-mass nuclei.सम-सम (even-even) नाभिक आमतौर पर विषम-द्रव्यमान नाभिकों की तुलना में स्वतः विखंडन के प्रति अधिक स्थिर होते हैं।

Observation: Spontaneous fission half-lives can be anomalously short for very heavy transuranic elements like 254Cf. — Electrostatic repulsion forces scale with Z2/A, overwhelming the quantum mechanical shell stabilization effects in superheavy nuclei. प्रेक्षण: 254Cf जैसे बहुत भारी ट्रांसयुरानिक तत्वों के लिए स्वतः विखंडन की अर्ध-आयु असामान्य रूप से कम हो सकती है। इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण बल Z2/A के साथ बढ़ते हैं, जो अति-भारी नाभिकों में क्वांटम यांत्रिक शेल स्थिरीकरण प्रभावों पर हावी हो जाते हैं।

Exceptionअपवाद Thermal neutrons induce fission in all heavy actinide isotopes.तापीय न्यूट्रॉन सभी भारी एक्टिनाइड समस्थानिकों में विखंडन प्रेरित करते हैं।

Observation: 238U does not undergo fission with thermal neutrons but requires fast neutrons with energies greater than 1 MeV. — Even-even 238U has a pairing energy gap that makes the threshold energy for fission higher than the binding energy supplied by thermal neutron absorption. प्रेक्षण: 238U तापीय न्यूट्रॉन के साथ विखंडन नहीं करता है, बल्कि इसके लिए 1 MeV से अधिक ऊर्जा वाले तीव्र न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है। सम-सम 238U में एक युग्मन ऊर्जा अंतराल (pairing energy gap) होता है जो विखंडन के लिए आवश्यक दहलीज ऊर्जा को तापीय न्यूट्रॉन अवशोषण द्वारा प्रदान की गई बंधन ऊर्जा से अधिक बना देता है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र

Mass Number Asymmetry Ruleद्रव्यमान संख्या असममितता नियम

Mass ratio of fragments ≈ 3 : 2

Application: Quickly identify probable fission product mass ranges (heavy fragment ~138, light fragment ~95). अनुप्रयोग: संभावित विखंडन उत्पाद द्रव्यमान श्रेणियों (भारी खंड ~138, हल्का खंड ~95) की त्वरित पहचान।

Energy Conversion Shortcutऊर्जा रूपांतरण शॉर्टकट

1 amu = 931.5 MeV

Application: Directly convert mass defect in atomic mass units to total energy in MeV without calculating in Joules first. अनुप्रयोग: द्रव्यमान क्षति को सीधे MeV में परिवर्तित करना।

Criticality Condition Mnemonicक्रांतिकता स्थिति मेमोनिक

k < 1 (Sub), k = 1 (Crit), k > 1 (Super)

Application: Immediately determine reactor state and neutron population trend from the multiplication factor. अनुप्रयोग: गुणन कारक से रिएक्टर की स्थिति का तुरंत निर्धारण।

⚖️ Nuclear Fission vs Nuclear Fusion ⚖️ नाभिकीय विखंडन बनाम नाभिकीय संलयन

Parameterपैरामीटर	Nuclear Fissionनाभिकीय विखंडन	Nuclear Fusionनाभिकीय संलयन
Reactantsअभिकारक	Heavy actinides (e.g., 235U, 239Pu)भारी एक्टिनाइड्स (जैसे 235U, 239Pu)	Light isotopes (e.g., 2H, 3H)हल्के समस्थानिक (जैसे 2H, 3H)
Activation Energyसक्रियण ऊर्जा	Low (Thermal neutrons)कम (तापीय न्यूट्रॉन)	Extremely high (Coulomb barrier)अत्यधिक उच्च (कूलम्ब अवरोध)
Energy per Nucleonप्रति न्यूक्लियॉन ऊर्जा	Lower (~0.9 MeV per nucleon)कम (~0.9 MeV प्रति न्यूक्लियॉन)	Higher (~3.5 to 6 MeV per nucleon)उच्च (~3.5 से 6 MeV प्रति न्यूक्लियॉन)
Byproductsउप-उत्पाद	Radioactive fission fragmentsरेडियोधर्मी विखंडन खंड	Stable helium nuclei (mostly)स्थिर हीलियम नाभिक (मुख्यतः)

🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)

Fission of one 235U nucleus yields approximately 200 MeV of usable energy.
Thermal neutrons have an average kinetic energy of roughly 0.025 eV at room temperature.
Delayed neutrons constitute less than 1% of total neutrons but are crucial for reactor control.
Fission products possess high neutron-to-proton ratios and undergo beta-minus decay chains.
U-235 undergoes fission with thermal neutrons, whereas U-238 requires fast neutrons.
Graphite and heavy water act as efficient moderators due to low neutron capture cross-sections.

एक 235U नाभिक का विखंडन लगभग 200 MeV उपयोगी ऊर्जा प्रदान करता है।
तापीय न्यूट्रॉन की कमरे के तापमान पर औसत गतिज ऊर्जा लगभग 0.025 eV होती है।
विलंबित न्यूट्रॉन कुल न्यूट्रॉन का 1% से कम होते हैं लेकिन रिएक्टर नियंत्रण के लिए महत्वपूर्ण हैं।
विखंडन उत्पादों में उच्च न्यूट्रॉन-से-प्रोटॉन अनुपात होता है और वे बीटा-माइनस क्षय श्रृंखलाओं से गुजरते हैं।
U-235 तापीय न्यूट्रॉन के साथ विखंडन करता है, जबकि U-238 को तीव्र न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है।
ग्रेफाइट और भारी जल कम न्यूट्रॉन कैप्चर क्रॉस-सेक्शन के कारण प्रभावी मंदक के रूप में कार्य करते हैं।

🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)

Confusing nuclear fission with radioactive alpha decay; fission splits a nucleus into two comparable fragments.
Assuming fast neutrons are required for U-235 fission; thermal neutrons have a much higher cross-section for U-235.
Forgetting that mass units must be converted using 931.5 MeV/amu when computing energy release.
Confusing control rods (neutron absorbers) with moderators (neutron speed reducers).

नाभिकीय विखंडन को रेडियोधर्मी अल्फा क्षय के साथ भ्रमित करना; विखंडन एक नाभिक को दो तुलनीय खंडों में विभाजित करता है।
यह मानना कि U-235 विखंडन के लिए तीव्र न्यूट्रॉन आवश्यक हैं; तापीय न्यूट्रॉन का U-235 के लिए क्रॉस-सेक्शन बहुत अधिक होता है।
ऊर्जा मुक्ति की गणना करते समय यह भूल जाना कि द्रव्यमान इकाइयों को 931.5 MeV/amu का उपयोग करके परिवर्तित करना आवश्यक है।
नियंत्रण छड़ों (न्यूट्रॉन अवशोषक) को मंदक (न्यूट्रॉन गति कम करने वाले) के साथ भ्रमित करना।

Syllabus Sectionपाठ्यक्रम अनुभाग

Inorganic Chemistryअकार्बनिक रसायन

Branch topics covered under official UP PGT Chemistry curriculum.आधिकारिक UP PGT रसायन विज्ञान पाठ्यक्रम के अंतर्गत शामिल विषय।

Dual Nature Of Particle → Heisenberg Uncertainty Principle → Schrodinger Wave Equation → Atomic Orbitals → Quantum Numbers → S Orbitals →

Full Chemistry Tracker →

Nuclear Fission नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission)

Mechanism of Neutron-Induced Fission न्यूट्रॉन-प्रेरित विखंडन की क्रियाविधि

Neutron Economy and Chain Reactions न्यूट्रॉन अर्थव्यवस्था और श्रृंखला अभिक्रियाएं

Energetics and Mass Defect ऊर्जा विज्ञान और द्रव्यमान क्षति

⚡ Quick Revision: Nuclear Fission ⚡ त्वरित रिवीज़न: नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission)

Compound Nucleus Formation संयुक्त नाभिक निर्माण

Asymmetric Mass Yield असममित द्रव्यमान प्राप्ति

Neutron Multiplication न्यूट्रॉन गुणन

Energy Balances ऊर्जा संतुलन

📚 Terms & Units Glossary 📚 पारिभाषिक शब्दावली एवं इकाइयाँ

🎯 Key Takeaways 🎯 महत्वपूर्ण निष्कर्ष (Key Takeaways)

📌 Quick Recall 📌 त्वरित स्मरण (Quick Recall)

⚖️ Key Differences ⚖️ महत्वपूर्ण अंतर (Key Differences)

❓ Practice Questions (20 MCQs)❓ अभ्यास प्रश्न (20 बहुविकल्पीय प्रश्न)

What is the approximate energy released per fission event of ²³⁵U? ²³⁵U की प्रति विखंडन घटना में लगभग कितनी ऊर्जा मुक्त होती है?

What is the primary function of a moderator in a nuclear reactor? परमाणु रिएक्टर में मंदक (moderator) का प्राथमिक कार्य क्या है?

What value of the neutron multiplication factor (k) represents a critical reactor? न्यूट्रॉन गुणन कारक (k) का कौन सा मान एक क्रांतिक (critical) रिएक्टर को दर्शाता है?

Why is ²³⁸U classified as fertile rather than fissile? ²³⁸U को विखंडनीय के बजाय उपजाऊ (fertile) क्यों वर्गीकृत किया जाता है?

What is the mass number range for typical heavy fission fragments? विशिष्ट भारी विखंडन टुकड़ों के लिए द्रव्यमान संख्या की सीमा क्या है?

Which decay mode characterizes newly formed fission products? कौन सा क्षय मोड नवगठित विखंडन उत्पादों की विशेषता है?

In the relation ΔE = Δm × c², what does 1 amu correspond to in terms of energy? ΔE = Δm × c² संबंध में, 1 amu ऊर्जा के संदर्भ में किसके बराबर है?

Which of the following is used as both a coolant and a moderator? निम्नलिखित में से किसका उपयोग शीतलक (coolant) और मंदक (moderator) दोनों के रूप में किया जाता है?

What is the average number of prompt neutrons released per ²³⁵U fission? ²³⁵U के प्रति विखंडन में मुक्त होने वाले त्वरित न्यूट्रॉन की औसत संख्या क्या है?

What defines a subcritical nuclear assembly? उप-क्रांतिक (subcritical) परमाणु असेंबली को क्या परिभाषित करता है?

Which actinide is produced artificially by neutron bombardment of ²³⁸U? ²³⁸U पर न्यूट्रॉन बमबारी द्वारा कृत्रिम रूप से कौन सा एक्टिनाइड निर्मित होता है?

What is the primary origin of fission energy? विखंडन ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत क्या है?

What are delayed neutrons crucial for? विलंबित (delayed) न्यूट्रॉन किसके लिए महत्वपूर्ण हैं?

Which subatomic particle initiates fission in ²³⁵U? कौन सा उप-परमाणु कण ²³⁵U में विखंडन शुरू करता है?

🏛️ Exam Trends & Question Pattern🏛️ परीक्षा ट्रेंड एवं प्रश्न पैटर्न

⏱️ Timed Topic Test⏱️ समयबद्ध टॉपिक टेस्ट

Instructionsनिर्देश

Nuclear Fission नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission)

Mechanism of Neutron-Induced Fission न्यूट्रॉन-प्रेरित विखंडन की क्रियाविधि

Neutron Economy and Chain Reactions न्यूट्रॉन अर्थव्यवस्था और श्रृंखला अभिक्रियाएं

Energetics and Mass Defect ऊर्जा विज्ञान और द्रव्यमान क्षति

⚡ Quick Revision: Nuclear Fission ⚡ त्वरित रिवीज़न: नाभिकीय विखंडन (Nuclear Fission)

Compound Nucleus Formation संयुक्त नाभिक निर्माण

Asymmetric Mass Yield असममित द्रव्यमान प्राप्ति

Neutron Multiplication न्यूट्रॉन गुणन

Energy Balances ऊर्जा संतुलन

📚 Terms & Units Glossary 📚 पारिभाषिक शब्दावली एवं इकाइयाँ

🎯 Key Takeaways 🎯 महत्वपूर्ण निष्कर्ष (Key Takeaways)

📌 Quick Recall 📌 त्वरित स्मरण (Quick Recall)

⚖️ Key Differences ⚖️ महत्वपूर्ण अंतर (Key Differences)

❓ Practice Questions (20 MCQs)❓ अभ्यास प्रश्न (20 बहुविकल्पीय प्रश्न)

What is the approximate energy released per fission event of 235U? 235U की प्रति विखंडन घटना में लगभग कितनी ऊर्जा मुक्त होती है?

What is the primary function of a moderator in a nuclear reactor? परमाणु रिएक्टर में मंदक (moderator) का प्राथमिक कार्य क्या है?

What value of the neutron multiplication factor (k) represents a critical reactor? न्यूट्रॉन गुणन कारक (k) का कौन सा मान एक क्रांतिक (critical) रिएक्टर को दर्शाता है?

Why is 238U classified as fertile rather than fissile? 238U को विखंडनीय के बजाय उपजाऊ (fertile) क्यों वर्गीकृत किया जाता है?

What is the mass number range for typical heavy fission fragments? विशिष्ट भारी विखंडन टुकड़ों के लिए द्रव्यमान संख्या की सीमा क्या है?

Which decay mode characterizes newly formed fission products? कौन सा क्षय मोड नवगठित विखंडन उत्पादों की विशेषता है?

In the relation ΔE = Δm × c2, what does 1 amu correspond to in terms of energy? ΔE = Δm × c2 संबंध में, 1 amu ऊर्जा के संदर्भ में किसके बराबर है?

Which of the following is used as both a coolant and a moderator? निम्नलिखित में से किसका उपयोग शीतलक (coolant) और मंदक (moderator) दोनों के रूप में किया जाता है?

What is the average number of prompt neutrons released per 235U fission? 235U के प्रति विखंडन में मुक्त होने वाले त्वरित न्यूट्रॉन की औसत संख्या क्या है?

What defines a subcritical nuclear assembly? उप-क्रांतिक (subcritical) परमाणु असेंबली को क्या परिभाषित करता है?

Which actinide is produced artificially by neutron bombardment of 238U? 238U पर न्यूट्रॉन बमबारी द्वारा कृत्रिम रूप से कौन सा एक्टिनाइड निर्मित होता है?

What is the primary origin of fission energy? विखंडन ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत क्या है?

What are delayed neutrons crucial for? विलंबित (delayed) न्यूट्रॉन किसके लिए महत्वपूर्ण हैं?

Which subatomic particle initiates fission in 235U? कौन सा उप-परमाणु कण 235U में विखंडन शुरू करता है?

🏛️ Exam Trends & Question Pattern🏛️ परीक्षा ट्रेंड एवं प्रश्न पैटर्न

⏱️ Timed Topic Test⏱️ समयबद्ध टॉपिक टेस्ट

Instructionsनिर्देश

Test Resultपरीक्षा परिणाम

What is the approximate energy released per fission event of ²³⁵U? ²³⁵U की प्रति विखंडन घटना में लगभग कितनी ऊर्जा मुक्त होती है?

Why is ²³⁸U classified as fertile rather than fissile? ²³⁸U को विखंडनीय के बजाय उपजाऊ (fertile) क्यों वर्गीकृत किया जाता है?

In the relation ΔE = Δm × c², what does 1 amu correspond to in terms of energy? ΔE = Δm × c² संबंध में, 1 amu ऊर्जा के संदर्भ में किसके बराबर है?

What is the average number of prompt neutrons released per ²³⁵U fission? ²³⁵U के प्रति विखंडन में मुक्त होने वाले त्वरित न्यूट्रॉन की औसत संख्या क्या है?

Which actinide is produced artificially by neutron bombardment of ²³⁸U? ²³⁸U पर न्यूट्रॉन बमबारी द्वारा कृत्रिम रूप से कौन सा एक्टिनाइड निर्मित होता है?

Which subatomic particle initiates fission in ²³⁵U? कौन सा उप-परमाणु कण ²³⁵U में विखंडन शुरू करता है?