ஆற்றலின் நிறை வடிவம்-THE PHOTONS

Image: pixabay 

ஒளியைப் பற்றிய அறிவியலானது, நமது ஆர்வத்தை மென்மேலும் தூண்டுவதாகவே அமைகிறது. ஒளி என்பது ஒரு துகளா அல்லது அலையா என்பதைக் கண்டுபிடிக்கவே நமது விஞ்ஞானிகளுக்கு 100 வருடங்களுக்கு மேல் ஆனது. ஆனால் ஒளியைப் பற்றி ஒரு தெளிவான புரிதல் கிடைத்த பிறகு மனிதனால், பிரபஞ்சத்தில் உள்ள பல புதிர்களுக்கு விடையளிக்க முடிந்தது. இந்தத் தொகுப்பில், எதன் அடிப்படையில் ஒளியினை அலை என்றும் துகள் என்றும் கூறினார்கள் என்பதனைப் பற்றியும், ஒளியின் மீதான ஈர்ப்பு விசையின் விளைவுகளைப் பற்றியும், ஒளியின் ஆற்றலுக்கு நிறை வடிவம் உள்ளதா என்பதனை பற்றியும் விரிவாகக் காண்போம். 

நாம் பார்க்கக்கூடிய ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் ஒரு ஆற்றல் உள்ளது. அந்த ஆற்றல், நிலை ஆற்றலாகவோ அல்லது இயக்க ஆற்றலாகவோ இருக்கலாம். நிலையாக ஓரிடத்தில் நிற்கும் பொருளினுடைய ஆற்றல், நிலையாற்றல் (potential energy) என்றும், இயக்கத்தில் இருக்கக்கூடிய ஒரு பொருளினுடைய ஆற்றல் இயக்கஆற்றல் (kinetic energy) என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன. 

அந்த வகையில், ஒளிக்கு நிலை ஆற்றல் இல்லை. ஏனென்றால் ஒளி ஓரிடத்தில் நிற்பதில்லை. இது இயக்க ஆற்றலை மட்டுமே கொண்டுள்ளது. இந்த இயக்க ஆற்றலானது அலை வடிவத்தில் செல்கிறதா அல்லது துகள் வடிவத்தில் செல்கிறதா என்பதனை இங்கு விரிவாகக் காண்போம். 

ஒளியின் அலை வடிவம் :

16ஆம் நூற்றாண்டில் வாழ்ந்த நியூட்டன் அவர்கள், ஒளி என்பது துகள் வடிவிலேயே பரவுகிறது என்று கூறினார். அந்தத் துகள் மிகவும் சிறியதாக இருந்தால், அது நீல நிறத்திலும், பெரியதாக இருந்தால் அது சிவப்பு நிறத்திலும் இருக்கும் என்று கணித்திருந்தார். அதே காலகட்டத்தில் வாழ்ந்த Christiaan Huygenes எனும் இயற்பியலாளர், ஒளி என்பது அலை வடிவிலேயே பரவுகிறது என்று கூறினார். அவரைப் பொறுத்தவரையில் ஒளியானது, அது பரவும் திசைக்குச் செங்குத்தான திசைகளில் மேலும் கீழும், அலைவுகளை (oscillations) ஏற்படுத்திக் கொண்டே செல்கிறது என்று நம்பினார். 

Image: wikimedia commons 

Image: wikimedia commons

இவருடைய கூற்றை உண்மையாகும் வகையில் 1800 களில் Thomas Young எனும் பல்கலை ஆய்வாளர், ஒரு சோதனையைச் செய்தார். இந்தச் சோதனையில் ஒரு ஒளிக்கதிரானது, மேலுள்ள படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது போல, சில பிளவுகளின் வழியே புகுந்து செல்கிறது. இங்கு அந்தப் பிளவுகள், ஒளியினுடைய அலைநீளத்தை விடச் சிறியதாக இருக்க வேண்டும். இந்த சோதனையின் முடிவில் அவர், ஒருசில இடங்களில் மட்டும் ஒளியானது, பிரகாசமாகவும், மற்ற இடங்களில் இல்லாமலும் இருப்பதைக் கவனித்தார். இது, ஒரு துகளினால் சாத்தியமே இல்லை.

உதாரணமாக, ஒரு பந்தினை,  அதனை விடக் குறைவான விட்டம் உடைய ஒரு துளையை நோக்கி நாம் வீசும் போது, அந்தப் பந்தினால், அந்தத் துளையின் வழியாகப் புகுந்து செல்ல முடியாது. ஆனால் ஒரு தண்ணீர் குழாயிலிருந்து நீரினை வேகமாக அந்த சிறிய துளையின் வழியே செலுத்தும் பொழுது, இந்த நீரினால் நேரான பாதையில் செல்ல முடியாவிட்டாலும், அந்தத் துளையினுடைய விளிம்புகளின் வழியாக, புகுந்து அடுத்த பகுதிக்குச் சென்று விடும். 

இது போலத்தான், இந்தச் சோதனையிலும்  நிகழ்ந்துள்ளது. ஒருவேளை ஒளியானது ஒரு துகளாக இருந்திருந்தால், அதனால் கண்டிப்பாக அந்தப் பிளவைத் தாண்டிப் பயணித்திருக்க முடியாது. இவ்வாறாக ஒளியானது, துகள் வடிவில் பரவவில்லை, அலை வடிவில் தான் பரவுகிறது என்று Thomas Young நிரூபித்தார். 

ஒருசில இடங்களில் மட்டும், அந்த ஒளியானது பிரகாசமாகத் தெரிந்ததற்கான காரணத்தை, கீழுள்ள புகைப்படம் விளக்குகிறது.

இரண்டு அலைகள் ஒன்றுடன் ஒன்று சேரும் பொழுது, மேலுள்ளது போல் தான் அவை பரவும். எனவேதான், சோதனையின் முடிவில் சில இடங்களில் மட்டும் ஒளியானது பிரகாசமாகத் தெரிந்தது.

ஒளியின் துகள் வடிவம்:

Thomas Young அவர்களினுடைய சோதனைக்குப் பிறகு அனைவரும், ஒளி என்பது அலை வடிவத்தில் தான் பரவுகிறது என்று நம்பத் தொடங்கினர். அவரின் பிறகு, பிரபல இயற்பியலாளரான Albert Einstein அவர்கள், ஒளியைப் பற்றிய தனது சிந்தனையை குவாண்டம் அளவில் ஓடவிட்டார். 

1905 ஆம் ஆண்டில் ஒளிக்கு, துகள் வடிவமும் உள்ளது என்பதனை ஒரு சோதனையாக நிகழ்த்திக்காட்டினார். அந்தச் சோதனையின் பெயர் ஒளிமின் விளைவு (the photoelectric effect) ஆகும். 

Image: wikimedia commons

இந்தச் சோதனையின் முடிவில், ஒளியானது ஒரு உலோகத்தின் மீது படும்பொழுது, அதனுடைய அதிர்வெண்ணுக்கு ஏற்ப எலக்ட்ரான்கள் வெளியேற்றப்படுவதைக் கண்டுபிடித்தார். இந்தச் சோதனை முடிவுகள் பின்வருமாறு.

• ஒளிக்கதிர்கள் படுவதற்கும் எலக்ட்ரான்கள் வெளியேற்றப்படுவதற்கும் இடையில் நேர இடைவெளியே இல்லை.
•  ஒளிக்கதிரினுடைய செறிவினை (intensity) அதிகரிக்கும் போது வெளியேறிய எலக்ட்ரான்களினுடைய இயக்க ஆற்றலில் எந்த வித மாற்றமும் இல்லை. 
•  ஒளிக்கதிரினுடைய அதிர்வெண்ணை (frequency) அதிகரிக்கும் பொழுது, எலக்ட்ரான்களின் இயக்க ஆற்றல் அதிகரித்திருந்தது.

ஒருவேளை ஒளியானது அலை வடிவில் இருந்திருந்தால்.....

• ஒளி அலைகளிலிருந்து ஆற்றலைப் பெற்றுக்கொண்டு எலக்ட்ரான்கள் வெளியேறுவதற்கு, கண்டிப்பாகக் குறிப்பிட்ட கால அளவை எடுத்துக் கொள்ளும்.  
• மேலும் ஒளியினுடைய செறிவினை அதிகரிக்கும் போது, எலக்ட்ரான்களினுடைய இயக்க ஆற்றலும், அவற்றின் எண்ணிக்கையும்  அதிகரித்திருக்க வேண்டும். 

இவை எதுவும் சரியாக நிகழாததால், ஒளியானது ஆற்றல் பொதிகளின் (energy pockets) வடிவத்தில் பரவுகிறது என்று ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள் நிரூபித்தார். இந்த ஆற்றல் பொதிகள்தான் பிற்காலத்தில் ஃபோட்டான்கள் என்று அழைக்கப்பட்டன.

Thomas Young அவர்களினுடைய சோதனைப்படி ஒளியானது அலை வடிவத்தில் பரவுகிறது. ஆனால், Albert Einstein அவர்களினுடைய சோதனைப்படி ஒளியானது துகள் வடிவில் பரவுகிறது. இந்த இரண்டு சோதனைகளும் சரியானவையே!

எனவே, ஐன்ஸ்டீன் அவர்கள், ஒளிக்கு அலை வடிவமும் உண்டு, துகள் வடிவமும் உண்டு என்று முடிவெடுத்தார். 

இவரினுடைய ஒளிமின் விளைவுக்காக 1921 ஆம் ஆண்டில் நோபல் பரிசு பெற்றார்.

ஆற்றலின் நிறை வடிவம்:

ஃபோட்டான்கள் எனும், ஆற்றல் பொதிகளுக்கு நிறை வடிவம் உள்ளதா என்பது கொஞ்சம் வித்தியாசமான கேள்வி ஆகும். 

உண்மையில் இந்த ஃபோட்டான்களுக்கு நிறை இல்லை. இருப்பினும் அவை, ஈர்ப்பு விசைக்குக் கட்டுப்படுகின்றன! இதற்கு உதாரணமாகக் கருந்துளைகளின் வழியே ஒளியானது ஈர்க்கப்படுவதைக் கூறலாம். 

அது எப்படி நிறை இல்லாத ஒரு பொருள் ஈர்ப்பு விசைக்குக் கட்டுப்பட முடியும்?

ஒளிக்கு நிறை இல்லை என்று கூறியது அதன் ஓய்வு நிறையை மட்டுமே. 

ஒரு பொருள் ஓய்வில் இருக்கும் பொழுது கணக்கிடப்படக்கூடிய அதனுடைய நிறை ஓய்வு நிறை ஆகும். ஒளிக்கு ஓய்வு நிறை என்பதே இல்லை. ஏனென்றால் ஒளியானது ஓரிடத்தில் நிற்பதில்லை. ஆனால் இதற்கு நிலைம நிறை (inertial mass) உண்டு. 

சாதாரணமாக ஒரு பொருளினுடைய உந்தம் என்பது அப்பொருளினுடைய, நிறை மற்றும் திசைவேகம் ஆகியவற்றின் பெருக்கல் பலனே ஆகும். 

P=MV

இங்கே நிலைம நிறை என்பது, உந்தத்தினை திசைவேகத்தினால் வகுக்கக் கிடைப்பதே ஆகும். 

M=P/V

ஒளிக்கு, நிறை இல்லாவிட்டாலும் அது ஒரு மாறாத உந்தத்தனையும், திசைவேகத்தையும் கொண்டுள்ளது. எனவே இவற்றைக் கொண்டு, ஒளியினுடைய நிலைம நிறையைக் கண்டுபிடித்து விடலாம். ஆனால், ஒளியினுடைய நிறைக்கும் அதனுடைய உந்தத்திற்கும் எந்த சம்பந்தமும் இல்லை. ஒளியினுடைய உந்தத்தினைக் கீழ் உள்ளவாறு எழுதலாம்.

P= hν/c 

இங்கே, h என்பது பிளாங்க் மாறிலியையும், ν என்பது ஒளியின் அதிர்வெண்ணையும், c என்பது ஒளியின் திசை வேகத்தையும் குறிக்கிறது. 

எனவே, ஒளிக்கு ஓய்வு நிறை இல்லை என்பது இங்குத் தெளிவாகிறது. ஆனால் இதற்கென்று, குறிப்பிட்ட உந்தமும் திசைவேகமும் இருப்பதனால், இது கண்டிப்பாக நிறையுள்ள ஒரு துகள் போலவே செயல்பட வேண்டும். அந்தத் துகள்கள்தான் ஃபோட்டான்கள் ஆகும். அல்லது, இவற்றை ஆற்றல் பொதிகள் என்றும் அழைக்கலாம். 

ஒளியின் மீதான ஈர்ப்புவிசையின் விளைவு:

Image: picryl 

ஒளிக்கு ஓய்வு நிறையே இல்லாத போது, அது கண்டிப்பாக ஈர்ப்புவிசைக்குக் கட்டுப்பட்டிருக்கக் கூடாது.  ஆனால் ஒளியானது கருந்துளையின்  அருகே செல்லும் பொழுது அந்தத் துளையினுடைய ஈர்ப்பு விசையினால், உள்ளே இழுக்கப்படுகிறது. இதற்கான காரணம் பின்வருமாறு.....

உதாரணமாக, பூமியில் ஒரு குறிப்பிட்ட உயரத்திலிருந்து, ஒரு குறிப்பிட்ட நிறை உடைய கல்லைக் கீழ் நோக்கி விடுவதாக நினைத்துக் கொள்ளுங்கள். முதலில் நாம் அந்தக் கல்லைக் கீழே விடும் தருணத்தில் அதனுடைய இயக்க ஆற்றலானது பூஜ்ஜியமாக இருந்திருக்கும். அந்தக் கல்லானது தரையை நெருங்கும் பொழுது அதனுடைய இயக்க ஆற்றல், உச்சகட்டத்தை அடைந்திருக்கும். 

எனவே, இங்கு அந்தக் கல்லை விடும்பொழுது இருந்த திசை வேகத்தை விட, அது தரையை அடையும் பொழுது இருக்கக்கூடிய திசைவேகம் அதிகரித்துள்ளது. இதற்குக் காரணம் பூமியினுடைய ஈர்ப்பு விசையே. 

ஃபோட்டான்களுக்கு நிலைம நிறை இருப்பதால், அது கண்டிப்பாக ஈர்ப்பு விசைக்குக் கட்டுப்பட்டாக வேண்டும்.  ஏனென்றால் இயற்பியலின்படி,  நிலைம நிறையும் ஈர்ப்பு நிறையும் சமம் ஆகும். 

நிலைமநிறை இருப்பதனால் ஃபோட்டான்களை,  துகள் என்று எண்ணிக் கொள்ள வேண்டாம். அது, ஆற்றல் பொதிகளின் வடிவத்தில் தான் செல்கிறது. இருப்பினும் நம் முன்பே கூறியிருப்பது போல ஒரு குறிப்பிட்ட உந்தத்தையும், திசைவேகத்தையும் பெற்றுள்ளதால் அது ஈர்ப்பு விசை உள்ள ஒரு பொருளைப் பொறுத்தவரையில், ஒரு துகளாகவே எடுத்துக் கொள்ளப்படுகிறது. 

ஆனால், ஃபோட்டான்கள், பூமியின் மேல்பகுதியிலிருந்து, தரையை அடையும் போது அவற்றினுடைய திசைவேகம் அதிகரித்திருக்காது. ஏனென்றால், பிரபஞ்சத்தில் ஒளியினுடைய வேகம் மாறிலி ஆகும்.

அதற்குப் பதிலாக ஒளியினுடைய அதிர்வெண் (frequency) அதிகரித்திருக்கும். இதனால் அதனுடைய உந்தம் அதிகரிக்கப்படுகிறது மேலும் இதன் நிலைம நிறையும் அதிகரிக்கிறது. ஆனால்  பூமியில், ஃபோட்டான்களினுடைய அதிர்வெண்ணில் ஏற்படும் மாற்றமானது மிகவும் சிறிய அளவில் தான் இருக்கும். கருந்துளை போன்ற அதிகப்படியான ஈர்ப்புவிசை கொண்ட பொருள்களில் தான், ஃபோட்டான்களினுடைய அதிர்வெண்கள் பெரிய அளவில் அதிகரித்திருக்கும். 

அதிர்வெண்  அதிகரிக்க அதிகரிக்க, ஃபோட்டான்களினுடைய நிலைம நிறையும் அதிகரிக்கிறது. இந்த நிலைம நிறை அதிகரிப்பதால் ஃபோட்டான்கள் , மென்மேலும் ஈர்ப்பு விசையின் தாக்கத்திற்கு உட்படுத்தப்படுகின்றன. இவ்வாறாகவே ஒளியானது ஈர்ப்பு விசைக்குக் கட்டுப்படுகிறது.