अणु रेणूया थोकडा…म्हणजे किती थोकडा (लहान)!

आमच्या लेखांच्या अपडेट्स मिळवण्यासाठी आमच्या फेसबुक पेजला नक्की Like करा: facebook.com/InMarathi.page

===

आधुनिक भौतिक शास्त्रातील आपल्या अतिशय परिचयाच्या ज्या संज्ञा आहेत त्यातल्या गुरुत्वाकर्षण आणि अणु ह्या संज्ञा कदाचित सगळ्यात जास्त परिचयाच्या. त्यातून विशेष बाब म्हणजे ही संज्ञा एक कल्पना म्हणून तरी आपणा सर्वसामान्य लोकांना अनेक शतकांपासून माहिती आहे. इतर शास्त्रीय संज्ञांबद्दल तसे खात्रीने म्हणता येत नाही. अगदी तुकोबा रायांच्या अणु रेणुया थोकडा, तुका आकाश एवढा… किंवा समर्थांच्या अणुपासोनी ब्रह्मांडा एवढा होत जातसे.. मध्ये हा अणु म्हणजे पदार्थाचे लहानात लहान रूप म्हणून आपल्या समोर नक्की येतो.

atom-marathipizza
turbosquid.com

अति प्राचीन काळी महर्षी कणादाने पदार्थाचे सगळ्यात छोटे एकक म्हणजे अणु असे प्रतिपादन केले असल्याचे आढळते पण ह्या फक्त संकल्पना झाल्या. त्यांनी त्या कल्पना काही निरीक्षण, गणिताच्या आधारे सिद्ध करून दाखवल्या नाहीत. तेव्हा त्याचा शास्त्रीय आधार कमीच. ग्रीक लोकांनी ही हा असाच काहीसा विचार केलेला आढळतो. त्यांच्या कडे दोन प्रकारच्या विचारधारा आढळतात.

=====

=====


पहिला विचार म्हणजे-

सगळी सृष्टी चार मूलतत्वानी बनली आहे. माती, पाणी, आग आणि वायू ही ती चार तत्वे आणि हि सगळी मूल तत्व आहेत. म्हणजे काय तर, उदा. पाणी घेऊन त्याचे अगदी कितीही छोटे छोटे  लहानात लहान भाग केले तरी ते शेवटी पाणीच राहते, त्यातून दुसरे काही शिल्लक उरत नाही म्हणून तर ते मूलतत्व. अर्थात हा विचार चुकीचा होता हे नंतर सिद्ध झाले.

दुसरा विचार म्हणजे-

आपण ह्या पाण्याचे लहान लहान तुकडे करत गेलो तर एक वेळ अशी येते की पाणी राहत नाही.

पण म्हणजे काय होते? आणि जर ते पाणी राहत नसेल त्यातून काय शिल्लक उरते? हे काही त्यांना सांगता आले नाही. आपल्या कडील पंचमहाभूते म्हणजे पृथ्वी, आप, तेज, वायू आणि आकाश हीच मूलतत्वं किंवा कमीतकमी ह्या प्रकारची संकल्पना आपण ग्रीकांकडून उचलली असण्याचा संभव आहे. तर अणु हे अगदी १९व्या शतकापर्यंत पदार्थाचे सगळ्यात छोटे आणि पुढे विभाजीत न करता येण्याजोगे एकक मानले जात होते.

atom-marathipizza01
abstract.desktopnexus.com

प्रत्येक मूलतत्त्वाचा अणु वेगवेगळा असून तो त्या त्या पदार्थाचे सर्व भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म अंगी बाळगून असतो हे ही माहित झाले होते, अशी एकूण ११८ मूलद्रव्य आज आपल्याला माहिती आहेत आणि प्रत्येकाचे अणु अगदी विशिष्ट रचनेचे आहेत. अणुची रचना कशी असते हेही आपल्याला आज बऱ्यापैकी कळलेले आहे. मध्यभागी जड असे केंद्रक ज्यात अणूचे जवळपास सगळे वस्तुमान सामावले गेले आहे आणि त्याभोवती विविध कक्षातून फिरणारे इलेक्ट्रॉन्स, अशी ती रचना आहे. ऐकताना ही रचना आपल्याला सूर्यमालेसारखी वाटू शकेल पण तशी ती नाही.

एक तर फक्त हायड्रोजनचा अपवाद सोडला तर अणूच्या कोणत्याही कक्षेत दोन पेक्षा कमी इलेक्ट्रॉन असू शकत नाहीत, अणूच्या कुठल्या कक्षेत किती इलेक्ट्रॉन बसणार ह्याचे गणित ठरलेले असते म्हणजे पहिल्या कक्षेत २, दुसऱ्या कक्षेत ८, तिसऱ्या कक्षेत १८ वगैरे आणि सगळ्यात महत्वाचे म्हणजे इलेक्ट्रॉन हे पूर्णपणे कण आहेत असे म्हणता येत नाही. म्हणजे ते एकाच वेळी कण आणि तरंग ह्या अवस्थेत असतात. ( हे असे का? हा वेगळ्या लेखाचा विषय आहे).

थोडक्यात सांगायचे तर अणु केंद्रकाभोवती इलेक्ट्रॉनचे कण घिरट्या घालताहेत असे म्हणण्यापेक्षा केंद्र भोवती इलेक्ट्रॉनच्या ढगाचे आच्छादन आहे हे म्हणणे जास्त सयुक्तिक होईल….असो. पृथ्वीवर आढळणारे एकूण एक पदार्थ ह्या मूलद्रव्यांपासून बनले आहेत आणि जे पदार्थ मूलद्रव्य नाहीत ते दोन किंवा अधिक मूलद्रव्यांच्या अणु पासून बनले आहेत. त्यांच्या सगळ्यात लहान एककाला आपण रेणू म्हणतो आणि दोन किंवा अधिक मूलद्रव्याचे अणु एकत्र येऊन ते रेणू बनतात. पण ते रेणू बनताना दोन किंवा अधिक मूलद्रव्याच्या अणूंच्या फक्त बाहेरच्या कक्षेतल्या इलेक्ट्रॉनची देवाण घेवाण किंवा भागीदारी होते, अणुकेंद्रकाचा काहीही संबंध येत नाही.

atom-marathipizza02
mrswarnerarlington.weebly.com

आपोआप किंवा जाणून बुजून घडवल्या जाणाऱ्या सगळ्या रासायनिक क्रियांमध्ये फक्त ह्या बाहेरच्या कक्षेतल्या इलेक्ट्रॉनचीच देव घेव होते, मुख्य केंद्रक खूप म्हणजे खूपच लांब असते. जाता जाता सांगायचे म्हणजे प्रत्येक अणु हा तीन घटकांनी बनलेला असतो ते म्हणजे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन आणि कुठल्याही दोन मूलद्रव्याच्या अणुतले प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन सारखेच असतात. त्यात काहीही फरक नसतो. प्रोटॉन, न्यूट्रॉन हे अणूच्या केंद्रात असतात इलेक्ट्रॉन हे ह्या केंद्रकाभोवती निरनिराळ्या कक्षांमध्ये घिरट्या घालत असतात.

सर्वसाधारण पणे शाळेत गेलेल्या सगळ्यांना अणु बद्दल  ही एवढी  माहिती असतेच असते. पण किती मोठा असतो हा अणु? आणि त्याचे हे घटक? उत्तर मजेशीर आहे.

तर गणिताच्या भाषेत उत्तर आहे ०.१  न्यानो मीटर म्हणजे  (१ × १/१०0 मीटर म्हणजे एका मिटरचा १० कोटीवा भाग).

हा आकार आहे सगळ्यात सोप्या हायड्रोजनच्या अणुचा, पण असली आकडेवारी ऐकून डोक्यात काय प्रकाश पडणार ? म्हणून जरा सोप्या उदाहरणाने समजून घेऊ.

अशी कल्पना करा की एका संत्र्या मध्ये फक्त आणि फक्त हायड्रोजनचेच अणु भरले आहेत आणि ते आपण मोजायला निघालो आहोत. आता एवढे लहान अणु दिसणे अशक्य म्हणून मग आपण हायड्रोजनचा प्रत्येक अणु आपण कसातरी हवा वगैरे भरून एका करवंदा एवढा मोठा केला. म्हणजे करवंदाची जी साल आहे तिथे हायड्रोजनच्या अणु मधला एकमेव इलेक्ट्रॉन घिरट्या घालतोय. तर आपल्या संत्र्याचा आकार पृथ्वी एवढा मोठा होईल. विचार करा पृथ्वीच्या आकाराच्या संत्र्यात करवंदा एवढे अणु भरले आहेत शिगोशिग…! हि गम्मत इथे थांबत नाही. आता आपण ठरवले की आपण ह्या करवंदाएवढ्या अणूचे केंद्रक बघायचे म्हणून (कल्पनेने ) ते करवंद कापले आणि आत केंद्रक बघू लागलो तर आत आपल्याला काहीच दिसणार नाही, मग आपण भिंग घेऊन बघितले तरीही काहीच दिसणार नाही. नुसतीच रिकामी जागा, निर्वात पोकळी, म्हणून मग आपण अजून हवा भरून हे करवंदही मोठे मोठे करत गेलो. आता आपले करवंद एका फुटबॉलच्या मैदानाएवढे मोठे झाले आहे. तर ह्या मैदानाच्या केंद्रभागी एका छोट्या गोटी एवढे केंद्रक आपल्याला दिसेल आणि मैदानाच्या भिंतीच्या बाहेरून रव्याच्या कणावढा छोटा इलेक्ट्रॉन घिरट्या घालत आहे.

atom-marathipizza03
ted.com

आता विचार करा आपल्या संत्र्याचा आकार किती वाढला असेल. तो तर आता शुक्रापासून ते  मंगळापर्यंत जाऊन पोहोचला देखिल आणि विशेष बाब म्हणजे ह्या अणूच्या एकूण आकारापैकी ९९.९९९९९% भाग म्हणजे निर्वात पोकळी, रिकामी जागा आहे. (अर्थात त्यात इलेक्ट्रो मॅग्नेटिक फिल्ड्स, ग्रॅव्हिटेशनल फिल्ड्स वगैरे असतात.पण वस्तुमान अजिबात नसते.) म्हणजे सगळी सृष्टी त्यातले विविध पदार्थ हे ह्या ९९.९९९९९% रिकाम्या असलेल्या जागेनेच भरलेली आहे. मग पदार्थाला वस्तुमान (वजन नाही) असते ते कसे काय? ९९.९९९९९% रिकाम्या असलेल्या अणूपासून पदार्थाला वस्तुमान कसे काय प्राप्त होते?

इलेक्ट्रॉन ला वस्तुमान जवळपास नसतेच तो अणु केंद्राकातल्या प्रोटोन पेक्षा १८००+पट हलका असतो म्हणजे प्रोटोन जर एक किलो वस्तूमानाचा असेल तर हा अर्ध्या ग्राम इतक्या वस्तूमानाचा असतो. खरेच मग प्रोटॉन, न्यूट्रॉन ने भरलेल्या अणु केंद्रकाचे वस्तूमान किती असते? आणि सगळ्या पदार्थाना वस्तुमान ज्या मुळे प्राप्त होते त्या अणु केंद्रकाची घनता किती असते. (घनता म्हणजे एक विशिष्ट आकाराच्या जागेत ठासून ठासून किती वस्तुमान भरले आहे ते). तर ती असते २.५ × १/१०१६ पाउंड/ फूट किंवा ४ × १/१०१७ कि.ग्रा./ मी . आता ह्या आकड्या वरून फार काही कळणार नाही. फक्त एवढेच लक्षात येईल की फार जास्त वगैरे काही तरी आहे. पण म्हणजे काय? डोळ्यासमोर काहीच येत नाही. मग थोडे वेगळ्या प्रकारे सांगतो

आज पृथ्वी वर साधारण ७ अब्ज लोक राहतात. असे गृहीत धरू की त्या प्रत्येक कडे एक मोटार गाडी आहे आणि तिचे प्रत्येकीचे वस्तुमान २ टन आहे. आता आपण काय करायचे कि ह्या सगळ्या ७ अब्ज गाड्या ज्यांचे वस्तुमान १४ अब्ज टन आहे त्या घेऊन एखाद्या महाकाय, अजस्त्र क्रशर मध्ये घालून ठेचून ठेचून त्याला १ फुट x १ फुट x १ फुट लांबी रुंदी इंचीच्या एका पेटीत भरल्या तर त्या पेटीची घनता आपल्या लाडक्या हायड्रोजनच्या अणुच्या एका केंद्रका एवढी होईल.

पण प्रश्न असा उभा राहतो कि अणुचे जे छोटे छोटे मूलकण आहेत म्हणजे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन त्यांना तरी वस्तुमान प्राप्त का होते? हेही आता माहित झाले आहे की हे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन आणखी छोट्या कणांनी बनले आहेत त्यांना क्वार्क असे म्हणतात. ह्या प्रत्येक क्वार्कला स्वत:ची अशी गती (spin) असते पण त्यावरून ते क्वार्क्स ज्या मुल कणात आहेत तो प्रोटॉन, न्यूट्रॉन कि इलेक्ट्रॉन बनणार हे ठरते. त्याला वस्तुमान कसे प्राप्त होते हे समजत नाही. अजून ह्या प्रश्नाचे निश्चित उत्तर मिळालेले नाही पण काही थेअरीज मांडल्या गेल्या आहेत आणि पुढे नजीकच्या भविष्यात त्याची उत्तरे मिळतील अशी लक्षणे आतापासून दिसू लागली आहेत .

atom-marathipizza04
pbslearningmedia.org

 

हिग्स थेअरी

=====

=====

१९६४ साली प्रोफेसर पीटर हिग्ज ह्यांनी ही थेअरी मांडली.  त्यांनी असे सांगितले की सगळ्या विश्वात हे एक अति अति सूक्ष्म कण आणि त्यांचे प्रभावक्षेत्र व्यापून राहिलेले आहे. त्यांनाच आपण हिग्ज बोसॉन कण आणि हिग्ज बोसॉन फिल्ड म्हणून आज ओळखतो. सर्व क्वर्क्स ह्या हिग्ज बोसॉन फिल्ड शी निरनिराळ्या प्रकारे प्रतिक्रिया करतात आणि ज्याप्रकारे त्यांची ह्या हिग्ज फिल्ड शी प्रक्रिया होते त्याप्रमाणात त्यांना वस्तुमान प्राप्त होते.

जसे आपले सर्वपरिचित चुंबकीय क्षेत्र असते आणि ते निरनिराळ्या पदार्थांशी निरनिराळ्या प्रकारे प्रतिक्रिया करते म्हणजे लोखंड जास्त प्रमाणात प्रतिक्रिया करते तर लाकूड जवळपास काहीच प्रतिक्रिया करत नाही किंवा दुसरे उदाहरण द्यायचे तर एखादा भरभक्कम जड मनुष्य पाण्यात पोहताना भरपूर पाणी इकडे तिकडे उडवत पोहतो पण एखादा निष्णात जलतरण पटू अगदी कमीत कमी पाणी उडवत अगदी सहज पोहतो तसेच काही कण ह्या हिग्ज बोसॉन फिल्ड शी जास्त प्रमाणात प्रतिक्रिया करतात म्हणून त्यांना जास्त वस्तुमान प्राप्त होते तर जे अगदी कमी प्रमाणात प्रतिक्रिया करतात त्यांना अगदी कमी किंवा नगण्य वस्तुमान प्राप्त होते.

Peter -Higgs-theory-marathipizza
ph.ed.ac.uk

आतापर्यंत तरी ही फक्त एक थेअरी आहे पण शास्त्रज्ञ हिग्ज बोसॉन कणांचे अस्तित्व शोधायचा आणि सिद्ध करायचा प्रयत्न करताहेत. बघू त्यांना त्यात यश येते कि नाही ते…!

===

आमचे इतर लेख वाचण्यासाठी क्लिक करा: InMarathi.com तसेच, आमच्या लेखांच्या अपडेट्स मिळवण्यासाठी आमच्या फेसबुक पेजला नक्की Like करा: facebook.com/InMarathi.page । Copyright (c) 2017  InMarathi.com | All rights reserved.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

error: चोरी करणं हे अनैतिक आहे. असं कृत्य का करताय?