உண்மையில் அணு என்பது எப்படி இருக்கும்?

அணுக்கள் என்றவுடன் பலருக்கு நம் சூரியக்குடும்பம்தான் நினைவில் தோன்றும். ஏனெனில், சூரியக்குடும்பத்தின் மையத்தில் உள்ள சூரியனை, மற்ற கிரகங்கள் சுற்றி வருவதைப் போல, ஒரு அணுவின் அணுக்கருவினை எலக்ட்ரான்கள் சுற்றி வருவதாகவே நம்மில் பலர் நினைத்துக் கொண்dடிக்கிறோம். ஆனால், உண்மையில் அணுக்கள் அப்படி இருப்பதில்லை. பிறகு எப்படி இருக்கும்?🤔

அணுவினுடைய அமைப்பிற்கான தேடல், 18ஆம் நூற்றாண்டிலேயே தொடங்கிவிட்டது. இதுவரையில் பல்வேறு அணு மாதிரிகள் வெளியிடப்பட்டுள்ளன. இவற்றிற்கெல்லாம் தொடக்கமாக இருந்தது 1803 ஆம் ஆண்டில் வெளிவந்த "ஜான் டால்டன்" அவர்களால் வெளியிடப்பட்ட திடக்கோள வடிவ (solid sphere) அணு மாதிரியே ஆகும்.

அவரைப் பொறுத்தவரையில் அணு என்பது ஒரு மிகச்சிறிய, கண்களுக்குத் தெரியாத ஒரு துகள் ஆகும். அணுவின் அளவோ, அதன் வகையோ, அனைத்துப் பொருட்களிலும் ஒன்றாக இருப்பதில்லை.

இவருக்குப் பிறகு 1898 ஆம் ஆண்டில் " J. J. Thomson" எனும் இயற்பியலாளர், மற்றொரு அணு மாதிரிக் கோட்பாட்டை வெளியிட்டார். அவர் அணுவை ஒரு தர்ப்பூசணிப் பழத்துடன் ஒப்பிட்டார். அந்தப் பழத்தின் சிகப்புப் பகுதியை நேர்மின் சுமையுடைய ஒரு பொருளாகவும் அதன் விதைகளை எதிர்மின் துகள்களாகவும் (எலக்ட்ரான்கள்) கருதினார். அணுவைப் பற்றிய அவரின் ஊகம் விஞ்ஞானிகளிடையே பெருமளவில் தாக்கத்தை ஏற்படுத்தியது. ஏனெனில் அவர்தான் எலக்ட்ரான்களைக் கண்டுபிடித்தவர்.

ஆனால், அணுவைப் பற்றிய அவரின் ஊகம் தவறென்று, அவருக்குப் பிறகு வந்த "Ernest Rutherford" எனும் இயற்பியலாளர் தனது தங்கப்படலச் சோதனையின் (gold foil experiment) மூலம் நிருபித்தார். மேலும், அணுவின் மையத்தில் உள்ள அணுக்கருவில்தான் நேர் மின்தன்மை உடைய பொருட்கள் பொதிக்கப்பட்டுள்ளன என்பதையும், ஆதாரத்துடன் நிரூபித்தார். இவரைப் பொருத்தவரையில், கிரகங்கள் சூரியனைச் சுற்றி வருவது போல, ஒரு அணுவில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் அணுக்கருவினைச் சுற்றி வருகின்றன.ஒரு அணுவின் பெரும்பாலான பகுதி வெற்றிடமே ஆகும். அணுவின் உண்மையான அமைப்பை நோக்கிய தேடலில், இவரின் பங்கு மிகவும் முக்கியமான ஒன்றாகும்.

நேர் மின்தன்மையுடைய அணுக்கருவானது, எதிர் மின்தன்மையுடைய எலக்ட்ரான்களைத் தன்னை நோக்கி இழுக்கும்போது, அந்த எலக்ட்ரான்கள், அணுக்கருவிற்குள் விழாமல் அதனைச் சுற்றி வருவது ஏன்? என்ற கேள்விக்கான விளக்கத்தை இவரால் கொடுக்க முடியவில்லை.

போர் அணுமாதிரிக் கொள்கை:

பிறகு, 1913 ஆம் ஆண்டில் Niels Bohr எனும் இயற்பியலாளரால் முன்வைக்கப்பட்ட "போர் அணுமாதிரிக் கொள்கை" அணுவைப் பற்றிய நமது பார்வையை வேறொரு கோணத்திற்கு எடுத்துச் சென்றது.

இவரின் அணுக் கொள்கையின் படி, எலக்ட்ரான்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட வட்டப்பாதையில் (ஆற்றல் நிலைகளில்) அணுக்கருவைச் சுற்றி வருகின்றன. இவை, ஒரு குறிப்பிட்ட ஆற்றல்நிலையில் இருக்கும் வரை, எந்தவித ஆற்றலையும் வெளிப்படுத்துவதில்லை. எலக்ட்ரான்கள் ஒரு ஆற்றல் நிலையிலிருந்து மற்றொரு ஆற்றல் நிலைக்கு மாறும்போது மட்டுமே, ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு ஆற்றலை வெளியிடவோ அல்லது உறிஞ்சவோ செய்கின்றன.ஒரு குறிப்பிட்ட வட்டப்பாதையில் சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான்கள், சீரான திசைவேகத்தையே கொண்டுள்ளன.

Image created using OpenAI's tools

உயர் ஆற்றல்நிலைகளில் சுற்றிவரும் எலக்ட்ரான்கள் அதிகப்படியான ஆற்றலையும், குறைவான ஆற்றல் நிலைகளில் சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான்கள் குறைவான ஆற்றலையும் பெற்றுள்ளன. ஒரு எலக்ட்ரான் இருக்கக்கூடிய ஆற்றல் நிலையை பொறுத்தே அதன் திசைவேகம் மாறுபடும். ஆனால் ஒவ்வொரு ஆற்றல் நிலைகளிலும் எலக்ட்ரான்கள் சீரான திசைவேகத்தில் தான் செல்கின்றன. குறைவான ஆற்றல்நிலைகளில் சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான்களின் திசைவேகம் அதிகமாகவும், உயர் ஆற்றல் நிலைகளில் சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான்களின் திசைவேகம் குறைவாகவும் இருக்கும்.

இந்த போர் அணுக்கொள்கையானது ஒரு எலக்ட்ரானை மட்டுமே கொண்டுள்ள ஹைட்ரஜன் அணுவை மட்டுமே விளக்கியது. அதிகப்படியான எலக்ட்ரான்களையும் ஆற்றல் நிலைகளையும் கொண்டுள்ள அணுக்களை இந்தக் கொள்கையால் விளக்க முடியவில்லை.

குவாண்டம் அணுக் கொள்கை:

கடைசியாக 1920 களில் Erwin Schrödinger மற்றும் Werner Heisenberg ஆகியோரால் முன்வைக்கப்பட்ட "குவாண்டம்" அணு மாதிரிதான் அணுவின் அமைப்பைத் துல்லியமாக விளக்கியது. மேலும், இந்த குவாண்டம் அணுக்கொள்கையே பலராலும் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட ஒன்றாகும்.

ஒரு அணுவில் உள்ள ஒவ்வொரு துகள்களும் (எலக்ட்ரான், புரோட்டான், நியூட்ரான்,....) துகள்களாக மட்டும் செயல்படாமல் அலைகளாகவும் செயல்படுகின்றன என்பதே இந்தக் கொள்கையின் அடிப்படைக் கருத்தாகும். இந்தக் கொள்கையின் படி எலக்ட்ரான்கள், துகள் வடிவில் அணுக்கருவினைச் சுற்றி வருவதில்லை. அவை அணுக்கருவினைச் சுற்றி, குறிப்பிட்ட ஆற்றல் நிலைகளில் மேகங்கள் போல பரவியுள்ளன.

Image created using OpenAI's tools.

அதாவது, ஒரு எலக்ட்ரானின் சுற்றுப் பாதையினுடைய ஒவ்வொரு புள்ளியிலும் அந்த எலக்ட்ரான் இருப்பதற்கான வாய்ப்பு உள்ளது. மேலும், குவாண்டம் அணுக் கொள்கையின்படி எலக்ட்ரான்கள் அணுக்கருவைச் சுற்றி வருவதில்லை. மாறாக அவை அணுக்கருவைச் சுற்றி, தனித்தனி ஆற்றல் நிலைகளில் மேகம் போன்று பரவியவாறு உள்ளன.

இந்த எலக்ட்ரான் மேகங்கள், அடர்த்தியாக உள்ள பகுதிகளில் எலக்ட்ரான் இருப்பதற்கான வாய்ப்பு அதிகமாகவும், குறைவான அடர்த்தியுடைய பகுதிகளில் எலக்ட்ரான் இருப்பதற்கான வாய்ப்பு குறைவாகவும் இருக்கும்.

Image created using OpenAI's tools

ஆனால் அணுக்கருவானது மேகம் போன்று பரவி இருப்பதில்லை. ஒட்டுமொத்த அணுவின் நிறையில் 99.99% அதன் அணுக்கருவில்தான் பொதிக்கப்பட்டுள்ளது. மீதமுள்ள நிறையே அதில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் நிறையாகும்.