*ओळख क्वांटम मेकॅनिक्स ची* (भाग ५)

क्वांटम मेकॅनिक्स-

   क्लासिकल मेकॅनिक्स मध्ये केप्लर, न्यूटन पासून ते मॅक्सवेल पर्यंत या सर्वांनी मांडलेले नियम हे आपल्या उघड्या डोळ्यांनी दिसणाऱ्या गोष्टींवर आपण योजू शकतो. क्लासिकल चे नियम हे भव्य पातळीवरच फक्त लागू होतात. तसच क्वांटम मेकॅनिक्स च्या काही वर्षे आधी प्रकाशात आलेली आइन्स्टाइन चा सापेक्षतावाद हा सुद्धा ग्रह, तारे, अशा मोठ्या पातळीवर लागू होतो. पण आपण जेव्हा सूक्ष्म (क्वांटम) पातळीवर जातो तेव्हा क्लासिकल चे नियम हे क्वांटम ला लागू होत नाही हे लक्षात येऊ लागलं.

या सुक्ष्मतेचे उदाहरणच द्यायचे तर आपण ज्या इलेक्ट्रॉन बद्दल वाचतो त्याचं वस्तुमान (वजन) हे ९.१०९ ×  10^-31 एवढं असतं. यावरून तो किती लहान असेल याची आपण कल्पना करू शकतो. आपण सामन्यतः कोणत्याही गोष्टीचा आकार किंवा वजन हे पुर्णांकामध्ये म्हणजे २,३, १५ अश्या प्रकारे मोजतो पण हे इलेक्ट्रॉन, प्रोटोन सारखे कण निगेटिव्ह आकाराचे आणि वजनाचे असतात  जसजसा आकार लहान होत जातो तसे त्या वस्तूचे गुणधर्म बदलत जातात. क्वांटम म्हणजेच अगदी सूक्ष्म पातळीवर लागू होणारे वेगळे नियम तयार केल्याशिवाय हे कोडं काही सुटणार नाही हे संशोधकांच्या लक्षात आलं.

आणि क्वांटम मेकॅनिक्स ह्या नव्या शाखेचा जन्म झाला. गेल्या केवळ शंभर वर्षांच्या कालखंडात अगदीच नव्याने जन्माला आलेल्या या सूक्ष्म कणांचा अभ्यास करणाऱ्या शाखेचा आवाका प्रचंड मोठ्या प्रमाणात वाढला आहे. मराठीमध्ये याला पुंजभौतिकी हा सुंदर शब्द योजला आहे, आइन्स्टाइन आणि प्लँकच्या सांगण्यानुसार प्रकाश हा पॅकेट च्या म्हणजेच पुंजक्यांच्या स्वरूपात असतो,ज्याला त्यांनी क्वांटा असं नाव दिलं त्यावरून त्याला आपण पुंजभौतिकी असं म्हणतो.

मूळ कल्पनेवरून आणि योगदानामुळे प्लँक ला क्वांटम मेकॅनिक्स चा जनक मानले जाते.

●क्वांटम पातळीवरचा मुख्य घटक- अणू (Atom)

     आपण यापूर्वी शिकलो आहोत त्यानुसार सर जे जे थॉम्प्सन, रुदरफोर्ड, नील्स बोहर यांनी वेगवेगळी अशी अॅटॉमिक मॉडेल्स मांडली.यापैकी थॉम्प्सन याने १८९७ साली अणुमधील इलेक्ट्रॉन चा शोध लावला. पपईत ज्याप्रमाणे बिया असतात त्याप्रमाणे अणूमध्ये इलेक्ट्रॉन हे विखुरलेले असतात असं थॉम्प्सनचं म्हणणं होतं. ‘अणू हा अविभाज्य नसून, तो विविध कणांचा बनलेला आहे आणि त्यापैकी एका कणाचा शोध मी लावलेला आहे’ असं थॉम्प्सन ने लंडन च्या रॉयल सोसायटीकडे आपला प्रबंध पाठवून जाहीर केलं. १९०६ साली त्याच्या संशोधनाला नोबेल पुरस्कार मिळाला. इलेक्ट्रॉनचे कण स्वरूप सिद्ध केल्याबद्दल थॉम्प्सन ला नोबेक मिळाले (तर त्याचा मुलगा जॉर्ज याला इलेक्ट्रॉनचे लहर स्वरूप सिद्ध केल्याबद्दल नोबेल पारितोषिक मिळाले). त्यानंतर रुदरफोर्ड याने  सांगितलं की अणु हा भरीव नसून तो पोकळ आहे, त्यात इलेक्ट्रॉन आहेत आणि मुख्य म्हणजे त्याला एक गाभा आहे. ह्या गाभ्यावर पॉझिटीव्ह चार्ज असतो आणि इलेक्ट्रॉनवर निगेटीव्ह चार्ज असतो.  या गाभ्यामध्ये म्हणजेच ज्याला न्युक्लियस म्हणतात,  त्यामध्ये पॉझिटीव्ह चार्ज असलेले ‘प्रोटॉन’ हे कण असतात. या न्युक्लीयस मध्ये प्रोटॉन सोबत ‘न्युट्रॉन’ नावाचे कोणताही चार्ज नसलेले असे न्युट्रल कण अस्तित्वात असतात हे जेम्स चॅडविक याने १९३२ साली बरेच प्रयोग करून सिद्ध केलं. या शोधाबद्दल त्याला १९३५ साली नोबेल पारितोषिक मिळालं. 

या नंतर या क्वांटम नाट्यामध्ये एन्ट्री झाली ती नील्स बोहर याची. रुदरफोर्ड ने आणि नंतर इतर संशोधकांनी तयार केलेल्या अॅटॉमिक मॉडेल्समध्ये सुधारणा करून एक सर्वांना पटेल असं मॉडेल बोहर याने बनवलं. बोहर ने रुदरफोर्ड च्या मॉडेल मध्ये सुधारणा करताना त्यामध्ये क्वांटमच्या संकल्पनांचा वापर केला (त्यामध्ये सध्या फारसं खोलात नको शिरायला). बोहर ने असं मांडलं की अणूमध्ये न्युक्लियसच्या आत पॉझिटीव्ह चार्ज असणारे प्रोटॉन असतात आणि कोणताही चार्ज नसणारे न्युट्रॉन असतात आणि या न्युक्लियस भोवती त्याच्या आत असलेल्या प्रोटॉन जेवढ्या संखेने असतात तेवढ्याच संख्येचे निगेटीव्ह चार्ज असलेले इलेक्ट्रॉन कण वेगवेगळ्या कक्षांमधून फिरत असतात. प्रत्येक कक्षेमध्ये फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन ची उर्जा (एनर्जी) वेगळी असते. ही एनर्जी प्लँकने गणित वापरून तयार केलेला प्लँक स्थिरांक (plank constant) वापरून काढता येते. बोहर ने तयार केलेले किंवा शोधलेले अणूविषयक नियम हे विज्ञानातले मुलभूत नियम मानले जातात. जेव्हा आपण कोणताही पदार्थ तापवतो तेव्हा  अर्थातच आपण त्याला जास्त उर्जा पुरवतो, त्यावेळी त्यातील अणूंमध्ये असलेले इलेक्ट्रॉन त्यांना मिळणारी एनर्जी शोषून घेतात. जेव्हा कोणताही इलेक्ट्रॉन एनर्जी शोषून घेतो तेव्हा तो ज्या आतल्या कक्षेमध्ये असतो त्या कक्षेतून तो बाहेरच्या कक्षेत उडी मारतो आणि तेथेच काही क्षण स्थिरावतो. त्याचप्रमाणे जेव्हा एखादा इलेक्ट्रॉन एनर्जी रेडीएट करतो म्हणजेच बाहेर टाकतो, तेव्हा तो बाहेरच्या कक्षेतून आतल्या कक्षेत उडी मारतो. हे सतत (जेव्हा उर्जा घेणं/बाहेर टाकणं चालू असतं तेव्हा) चालू राहातं. त्यावेळी तो आधीची आणि नंतरची अशा या दोन काक्षांशिवाय इतर कोठेही आढळत नाही. याला ‘क्वांटम जंप’ म्हटलं जातं. बोहर ने केलेल्या संशोधनामध्ये त्याचं हायड्रोजनचं अॅटॉमिक मॉडेल प्रसिद्ध आहे. १९२२ साली बोहर ला नोबेल पारितोषिक मिळालं.

क्रमशः

-पुष्कराज घाटगे