TNPSC Daily Notes: Radioactivity & Nuclear Physics — Alpha, Beta, Gamma Rays, Half-Life, Fission & Fusion | கதிரியக்கம் மற்றும் அணுக்கரு இயற்பியல் — 01 October 2026

Radioactivity is the spontaneous disintegration of an unstable atomic nucleus, during which it emits particles or electromagnetic radiation and transforms into a different nucleus. Henri Becquerel stumbled on the phenomenon in 1896: a photographic plate wrapped in black paper was fogged by a uranium salt placed near it, even though no sunlight had reached the plate. Two years later Marie and Pierre Curie isolated two far more active elements from pitchblende, naming them polonium (after Marie’s homeland Poland) and radium. The crucial insight for examinations is that radioactivity is a nuclear property, not a chemical one — it cannot be switched off by heating, cooling, compressing or chemically combining the element.

Ernest Rutherford separated the emissions into alpha and beta components using a magnetic field, and Paul Villard identified the third, uncharged component as gamma radiation in 1900. An alpha particle is a helium nucleus: two protons and two neutrons, charge +2, mass 4u. Because it is heavy and doubly charged it collides violently with the atoms it passes, so it ionises strongly but travels only a few centimetres in air and is stopped by a sheet of paper or the outer layer of skin. A beta particle is an electron thrown out when a neutron inside the nucleus converts into a proton; it is lighter and faster, penetrating a few millimetres of aluminium. Gamma radiation carries no charge and no rest mass, travels at the speed of light, and needs several centimetres of lead or thick concrete to attenuate it. Remember the two reversed ladders: penetration rises from alpha to gamma, while ionisation falls in the same direction.

The bookkeeping of decay is simple and heavily tested. In alpha decay the parent loses 4 from its mass number and 2 from its atomic number, so uranium-238 becomes thorium-234. In beta decay a neutron becomes a proton, so the atomic number rises by one while the mass number stays put: carbon-14 becomes nitrogen-14. Gamma emission is the nucleus shedding surplus energy only, leaving both numbers untouched. Statistically, decay follows N = N₀e^−λt, where λ is the decay constant. The half-life, the time for half the nuclei present to decay, is T_1/2 = 0.693/λ. Half-life is a fixed fingerprint of each isotope: uranium-238 takes 4.5 billion years, carbon-14 takes 5,730 years, and some artificial isotopes last fractions of a second. After n half-lives the undecayed fraction is one over two to the power n, so three half-lives leave one-eighth of the original sample.

Activity is counted in becquerel, one disintegration per second, with the older curie equal to 3.7 × 10¹⁰ becquerel. Biological effect needs two further units: the gray measures energy absorbed per kilogram of tissue, and the sievert weights that dose by how damaging the particular radiation is. A Geiger–Müller counter detects individual ionising events, while photographic film badges record cumulative exposure for workers.

Nuclear fission, found by Otto Hahn and Fritz Strassmann in 1938 and interpreted by Lise Meitner and Otto Frisch, is the splitting of a heavy nucleus into two comparable fragments. A slow neutron absorbed by uranium-235 produces an unstable nucleus that breaks apart into fragments such as barium and krypton, releasing roughly 200 MeV together with two or three neutrons. Those neutrons can trigger further fissions, and once the sample exceeds its critical mass the reaction sustains itself. A power reactor keeps that chain reaction just barely self-sustaining using a moderator of heavy water or graphite to slow neutrons to useful speeds, control rods of cadmium or boron to swallow the surplus, and a coolant to carry heat to the steam turbine. Enrico Fermi assembled the first such pile at Chicago in 1942.

Fusion is the opposite process: light nuclei merge into a heavier one, and the small mass lost reappears as energy through E = mc². The Sun runs the proton–proton cycle, fusing hydrogen into helium at temperatures of about ten million kelvin, which is why fusion is also called a thermonuclear reaction. Weight for weight, fusion releases more energy than fission and produces no long-lived radioactive waste, but confining a plasma at such temperatures remains unsolved for commercial power. India is one of the seven partners in the ITER tokamak being built in France. The reason both processes release energy at all is the binding-energy curve: binding energy per nucleon peaks near iron-56 at about 8.8 MeV, so heavy nuclei gain stability by splitting and light nuclei gain it by fusing.

India’s programme, drawn up by Homi J. Bhabha, is built around the country’s modest uranium and abundant thorium. Stage one burns natural uranium in pressurised heavy water reactors and stockpiles the plutonium in the spent fuel. Stage two feeds that plutonium into fast breeder reactors that generate electricity while breeding more plutonium-239 from a uranium-238 blanket. Stage three replaces the blanket with thorium-232, which captures neutrons and becomes fissile uranium-233, unlocking the monazite sands of the southern coast. The Atomic Energy Commission dates from 1948 and the Department of Atomic Energy from 1954; Apsara at Trombay, commissioned in 1956, was the first research reactor in Asia, and Tarapur became India’s first nuclear power station in 1969.

Tamil Nadu carries the second stage. The Madras Atomic Power Station at Kalpakkam, with two 220 MW pressurised heavy water reactors, was the first nuclear power station designed and built wholly within India. The same site hosts the Indira Gandhi Centre for Atomic Research, which designed the 500 MW Prototype Fast Breeder Reactor, and BHAVINI, which operates it. The PFBR is cooled by liquid sodium rather than water and burns uranium–plutonium mixed oxide fuel; it attained first criticality on 6 April 2026, a long-awaited entry into stage two. Further south, Kudankulam in Tirunelveli district operates Russian-designed VVER reactors of 1,000 MW each, the largest single units in the country. As of February 2026 India ran 24 reactors totalling 8,180 MWe under NPCIL, the public company set up in 1987.

Finally, radioisotopes matter far beyond power. Cobalt-60 gamma sources treat tumours and sterilise surgical supplies; iodine-131 diagnoses and treats thyroid disease because the thyroid concentrates iodine; phosphorus-32 traces fertiliser uptake in crops; sodium-24 follows blood circulation and locates blockages; carbon-14 dates organic remains up to about fifty thousand years old; and the uranium-lead clock dates rocks over billions of years. Gamma irradiation also extends the shelf life of onions, potatoes and spices without leaving residue.

நிலையற்ற அணுக்கரு தானாகவே சிதைந்து, துகள்களையோ மின்காந்தக் கதிர்களையோ வெளியிட்டு வேறு ஒரு அணுக்கருவாக மாறும் நிகழ்வே கதிரியக்கம். 1896-ஆம் ஆண்டு ஹென்றி பெக்கரல் இதைத் தற்செயலாகக் கண்டறிந்தார்: கறுப்புத் தாளில் சுற்றப்பட்டிருந்த ஒளிப்படத் தகடு, அதன் அருகில் வைக்கப்பட்டிருந்த யுரேனியம் உப்பினால் மங்கலாகியிருந்தது; சூரிய ஒளி அந்தத் தகட்டை அடையவே இல்லை. இரண்டு ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு மேரி கியூரியும் பியேர் கியூரியும் பிட்ச்பிளெண்ட் தாதுவில் இருந்து இன்னும் அதிக தீவிரம் கொண்ட இரு தனிமங்களைப் பிரித்தெடுத்து, மேரியின் தாய்நாடாகிய போலந்தின் நினைவாக பொலோனியம் என்றும், மற்றொன்றை ரேடியம் என்றும் பெயரிட்டனர். தேர்வுக்கு முக்கியமான கருத்து இதுவே: கதிரியக்கம் ஒரு அணுக்கரு பண்பு, வேதியியல் பண்பு அல்ல. வெப்பப்படுத்தினாலும், குளிரூட்டினாலும், அழுத்தினாலும், வேதியியல் சேர்மமாக்கினாலும் அதை நிறுத்த முடியாது.

காந்தப் புலத்தைப் பயன்படுத்தி ஆல்பா, பீட்டா ஆகிய கூறுகளைப் பிரித்தவர் எர்னஸ்ட் ரதர்ஃபோர்டு; மின்னூட்டமில்லாத மூன்றாவது கூறாகிய காமாக் கதிரை 1900-இல் அடையாளம் கண்டவர் பால் வில்லார்ட். ஆல்பா துகள் என்பது ஹீலியம் அணுக்கரு — இரு புரோட்டான்கள், இரு நியூட்ரான்கள், மின்னூட்டம் +2, நிறை 4u. கனமாகவும் இரட்டை மின்னூட்டத்துடனும் இருப்பதால் அது கடந்து செல்லும் அணுக்களுடன் வலுவாக மோதுகிறது; எனவே அயனியாக்கும் திறன் மிக அதிகம், ஆனால் காற்றில் சில சென்டிமீட்டர் மட்டுமே பயணிக்கும். ஒரு தாள் தாளோ தோலின் மேல் படலமோ அதைத் தடுத்துவிடும். அணுக்கருவுக்குள் ஒரு நியூட்ரான் புரோட்டானாக மாறும்போது வெளியேறும் எலக்ட்ரானே பீட்டா துகள்; இது இலகுவாகவும் வேகமாகவும் இருப்பதால் சில மில்லிமீட்டர் அலுமினியத்தை ஊடுருவும். காமாக் கதிருக்கு மின்னூட்டமும் ஓய்வு நிறையும் இல்லை; ஒளியின் வேகத்தில் பயணிக்கும்; அதைத் தணிக்க பல சென்டிமீட்டர் ஈயமோ தடிமனான கான்கிரீட்டோ தேவை. ஆல்பாவில் இருந்து காமா வரை ஊடுருவும் திறன் கூடும், அதே வரிசையில் அயனியாக்கும் திறன் குறையும் — இந்த எதிர் வரிசையை நினைவில் கொள்ளுங்கள்.

சிதைவின் கணக்கு எளிமையானது, ஆனால் தேர்வுகளில் அடிக்கடி கேட்கப்படுவது. ஆல்பா சிதைவில் நிறை எண் 4-ஆகவும் அணு எண் 2-ஆகவும் குறையும்; எனவே யுரேனியம்-238 தோரியம்-234 ஆகிறது. பீட்டா சிதைவில் ஒரு நியூட்ரான் புரோட்டானாக மாறுவதால் அணு எண் ஒன்று கூடும், நிறை எண் மாறாது; கார்பன்-14 நைட்ரஜன்-14 ஆகிறது. காமா வெளியேற்றத்தில் அணுக்கரு உபரி ஆற்றலை மட்டுமே இழப்பதால் இரு எண்களும் மாறாமல் இருக்கும். புள்ளிவிவர அடிப்படையில் சிதைவு N = N₀e^−λt என்ற விதியைப் பின்பற்றுகிறது; இங்கு λ சிதைவு மாறிலி. இருக்கும் அணுக்கருக்களில் பாதி சிதைவதற்கு ஆகும் காலமே அரைவாழ்வுக் காலம், T_1/2 = 0.693/λ. ஒவ்வொரு சமதானிக்கும் இது ஒரு நிலையான கைரேகை போன்றது: யுரேனியம்-238-க்கு 450 கோடி ஆண்டுகள், கார்பன்-14-க்கு 5,730 ஆண்டுகள், சில செயற்கைச் சமதானிகளுக்கு வினாடியின் ஒரு பகுதி மட்டுமே. n அரைவாழ்வுக் காலங்களுக்குப் பிறகு சிதையாமல் எஞ்சுவது இரண்டின் n-ஆம் அடுக்கில் ஒரு பங்கு; எனவே மூன்று அரைவாழ்வுக் காலங்களுக்குப் பிறகு தொடக்க அளவில் எட்டில் ஒரு பங்கு எஞ்சும்.

கதிரியக்கத் தீவிரம் பெக்கரல் அலகில் அளக்கப்படுகிறது — ஒரு வினாடிக்கு ஒரு சிதைவு. பழைய அலகாகிய கியூரி 3.7 × 10¹⁰ பெக்கரலுக்குச் சமம். உயிரியல் தாக்கத்தை அளக்க இரு அலகுகள் தேவை: ஒரு கிலோகிராம் திசு உறிஞ்சும் ஆற்றலை கிரே குறிக்கிறது; அந்தக் குறிப்பிட்ட கதிர் எவ்வளவு சேதம் விளைவிக்கும் என்பதை எடைபோட்டு சீவெர்ட் குறிக்கிறது. தனித்தனி அயனியாக்கல் நிகழ்வுகளை கீகர்–முல்லர் கணிப்பான் கண்டறிகிறது; பணியாளர்கள் மொத்தமாக வெளிப்பட்ட அளவை ஒளிப்பட நாடா அடையாள அணிகள் பதிவு செய்கின்றன.

1938-இல் ஓட்டோ ஹானும் ஃபிரிட்ஸ் ஸ்ட்ராஸ்மனும் கண்டறிந்து, லிஸ் மெய்ட்னரும் ஓட்டோ ஃபிரிஷும் விளக்கம் அளித்த அணுக்கரு பிளவு என்பது, கனமான அணுக்கரு ஏறத்தாழ சமமான இரு துண்டுகளாகப் பிளவுபடுவது. யுரேனியம்-235 ஒரு மெதுவான நியூட்ரானை ஏற்றுக்கொள்ளும்போது உருவாகும் நிலையற்ற அணுக்கரு, பேரியம், கிரிப்டான் போன்ற துண்டுகளாக உடைந்து ஏறத்தாழ 200 MeV ஆற்றலையும் இரண்டு அல்லது மூன்று நியூட்ரான்களையும் வெளியிடுகிறது. அந்த நியூட்ரான்கள் மேலும் பிளவுகளைத் தூண்டும்; மாதிரியின் அளவு முக்கிய நிறையைக் கடந்ததும் வினை தானே தொடரும். ஒரு மின் உற்பத்தி உலை அந்தச் சங்கிலி வினையைச் சற்றே தானே தொடரும் நிலையில் மட்டுமே வைத்திருக்கிறது: நியூட்ரான்களை பயனுள்ள வேகத்துக்கு மெதுவாக்க கன நீர் அல்லது கிராஃபைட் தணிப்பான், உபரி நியூட்ரான்களை உறிஞ்ச காட்மியம் அல்லது போரான் கட்டுப்பாட்டுத் தண்டுகள், வெப்பத்தை நீராவி விசையாழிக்குக் கொண்டு செல்ல குளிரூட்டி. இத்தகைய முதல் உலையை 1942-இல் சிகாகோவில் என்ரிகோ ஃபெர்மி அமைத்தார்.

இணைவு இதற்கு நேர் எதிரானது: இலகுவான அணுக்கருக்கள் இணைந்து கனமான ஒன்றாக மாறுகின்றன; இழக்கப்படும் சிறிய நிறை E = mc² வாயிலாக ஆற்றலாக வெளிப்படுகிறது. சூரியனில் ஏறத்தாழ ஒரு கோடி கெல்வின் வெப்பநிலையில் புரோட்டான்–புரோட்டான் சுழற்சி மூலம் ஹைட்ரஜன் ஹீலியமாக இணைகிறது; எனவே இணைவை வெப்ப அணுக்கரு வினை என்றும் அழைக்கிறோம். எடைக்கு எடை ஒப்பிட்டால் இணைவு பிளவை விட அதிக ஆற்றலை வெளியிடுகிறது; நீண்ட ஆயுள் கதிரியக்கக் கழிவும் உருவாவதில்லை. ஆனால் அத்தகைய வெப்பநிலையில் பிளாஸ்மாவை அடைத்து வைப்பது வணிக மின் உற்பத்திக்கு இன்னும் தீர்க்கப்படாத சிக்கல். பிரான்சில் கட்டப்படும் ITER டோக்கமாக் திட்டத்தின் ஏழு பங்காளிகளில் ஒன்று இந்தியா. இரு வினைகளுமே ஆற்றலை வெளியிடுவதற்குக் காரணம் பிணைப்பு ஆற்றல் வளைவரை: ஒரு நியூக்ளியானுக்கான பிணைப்பு ஆற்றல் இரும்பு-56-க்கு அருகில் ஏறத்தாழ 8.8 MeV என உச்சம் பெறுகிறது; எனவே கனமான அணுக்கருக்கள் பிளவுபடுவதாலும், இலகுவானவை இணைவதாலும் நிலைத்தன்மை பெறுகின்றன.

நாட்டில் யுரேனியம் குறைவாகவும் தோரியம் மிக அதிகமாகவும் இருப்பதை அடிப்படையாகக் கொண்டு ஹோமி ஜே. பாபா வகுத்ததே இந்தியாவின் திட்டம். முதல் நிலையில் அழுத்தப்பட்ட கன நீர் உலைகளில் இயற்கை யுரேனியம் எரிக்கப்பட்டு, செலவழிந்த எரிபொருளில் கிடைக்கும் புளூட்டோனியம் சேமிக்கப்படுகிறது. இரண்டாம் நிலையில் அந்தப் புளூட்டோனியம் வேக இனப்பெருக்க உலைகளுக்கு எரிபொருளாகச் செல்கிறது; அவை மின்சாரம் தருவதோடு யுரேனியம்-238 போர்வையில் இருந்து மேலும் புளூட்டோனியம்-239-ஐ உற்பத்தி செய்கின்றன. மூன்றாம் நிலையில் அந்தப் போர்வை தோரியம்-232-ஆக மாற்றப்படுகிறது; அது நியூட்ரான்களை ஏற்று பிளவுறும் யுரேனியம்-233 ஆகி, தென் கடற்கரையின் மொனாசைட் மணலைப் பயன்பாட்டுக்குக் கொண்டு வரும். அணுசக்தி ஆணையம் 1948-இல், அணுசக்தித் துறை 1954-இல் தொடங்கப்பட்டன. 1956-இல் தொடங்கப்பட்ட டிராம்பேயின் அப்சரா ஆசியாவின் முதல் ஆய்வு உலை; 1969-இல் தாராப்பூர் இந்தியாவின் முதல் அணுமின் நிலையமாக அமைந்தது.

இரண்டாம் நிலையைச் சுமப்பது தமிழ்நாடு. இரண்டு 220 MW அழுத்தப்பட்ட கன நீர் உலைகளுடன் கல்பாக்கத்தில் அமைந்துள்ள மெட்ராஸ் அணுமின் நிலையம், முழுவதும் இந்தியாவிலேயே வடிவமைக்கப்பட்டு கட்டப்பட்ட முதல் அணுமின் நிலையம். அதே தளத்தில், 500 MW முன்மாதிரி வேக இனப்பெருக்க உலையை வடிவமைத்த இந்திரா காந்தி அணுசக்தி ஆய்வு மையமும், அதை இயக்கும் பவினி நிறுவனமும் உள்ளன. PFBR நீருக்குப் பதிலாக திரவ சோடியத்தால் குளிரூட்டப்படுகிறது; யுரேனியம்–புளூட்டோனியம் கலப்பு ஆக்சைடு எரிபொருளைப் பயன்படுத்துகிறது. 2026 ஏப்ரல் 6-இல் அது முதல் முறையாக முக்கியநிலையை அடைந்து, நெடுநாள் எதிர்பார்க்கப்பட்ட இரண்டாம் நிலைக்கு இந்தியாவை அழைத்துச் சென்றது. இன்னும் தெற்கே, திருநெல்வேலி மாவட்டம் கூடங்குளத்தில் ரஷ்யத் தொழில்நுட்பத்தில் அமைந்த ஒவ்வொன்றும் 1,000 MW கொண்ட VVER உலைகள் இயங்குகின்றன; நாட்டிலேயே மிகப் பெரிய தனி உலைகள் இவை. 2026 பிப்ரவரி நிலவரப்படி 1987-இல் தொடங்கப்பட்ட அரசுத் துறை நிறுவனமாகிய NPCIL கீழ் 24 உலைகள் மொத்தம் 8,180 MWe திறனுடன் இயங்கின.

இறுதியாக, கதிரியக்கச் சமதானிகளின் பயன் மின் உற்பத்தியைத் தாண்டி விரிகிறது. கோபால்ட்-60 காமா மூலங்கள் கட்டிகளுக்குச் சிகிச்சை அளிக்கவும் அறுவைச் சிகிச்சைப் பொருள்களைக் கிருமி நீக்கம் செய்யவும் பயன்படுகின்றன. தைராய்டு சுரப்பி அயோடினைச் சேர்த்துக்கொள்வதால் அயோடின்-131 தைராய்டு நோய்களைக் கண்டறியவும் குணப்படுத்தவும் உதவுகிறது. பாஸ்பரஸ்-32 பயிர்கள் உரத்தை எவ்வாறு உறிஞ்சுகின்றன என்பதைக் கண்டறியப் பயன்படுகிறது; சோடியம்-24 இரத்த ஓட்டத்தைப் பின்தொடர்ந்து அடைப்புகளை அடையாளம் காட்டுகிறது; கார்பன்-14 ஏறத்தாழ ஐம்பதாயிரம் ஆண்டுகள் வரையான கரிமப் படிவுகளின் வயதைக் கணக்கிடுகிறது; யுரேனியம்–ஈயக் கடிகாரம் கோடிக்கணக்கான ஆண்டுகள் பழமையான பாறைகளின் வயதைக் கூறுகிறது. காமாக் கதிர்வீச்சு எச்சம் எதையும் விட்டுவிடாமல் வெங்காயம், உருளைக்கிழங்கு, மசாலாப் பொருள்களின் சேமிப்புக் காலத்தையும் நீட்டிக்கிறது.