அணு மற்றும் அணுக்கரு இயற்பியல்

அணு மற்றும் அணுக்கரு இயற்பியல் பற்றி

கடினம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

அணு இயற்பியல் மற்றும் அணுக்கரு இயற்பியல் ஆகியவை நவீன அறிவியலின் அடித்தளமாகும். ஒரு காலத்தில் அணு பிளக்க முடியாதது என்று கருதப்பட்டது, ஆனால் இருபதாம் நூற்றாண்டின் கண்டுபிடிப்புகள் அணுவிற்குள் இருக்கும் நுணுக்கமான உலகத்தை நமக்குத் திறந்தன. மின்னிறக்கக் குழாய் சோதனைகள் முதல் அணுக்கரு உலைகள் வரை இந்தத் துறையின் வளர்ச்சி மனிதகுலத்தின் ஆற்றல் தேவைகளையும் தொழில்நுட்பத்தையும் மாற்றியமைத்துள்ளது.

இந்த அத்தியாயத்தில், எலக்ட்ரானின் மின்னூட்டம் மற்றும் நிறை கண்டறியப்பட்ட விதம், அணுவின் நிலைத்தன்மை மற்றும் நிறமாலைத் தொடர்கள் ஆகியவற்றைப் புரிந்துகொள்வோம். போர் அணு மாதிரி எவ்வாறு ஹைட்ரஜன் அணுவின் பண்புகளைத் துல்லியமாகக் கணிக்கிறது என்பதைப் பார்ப்போம். இது குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸ் உருவாவதற்கு முன்னோடியாக அமைந்த மிக முக்கியமான கோட்பாடாகும்.

தேர்வு நோக்கில், போர் அணு மாதிரியின் எடுகோள்கள், கதிரியக்கச் சிதைவு விதிகள் மற்றும் அணுக்கரு பிணைப்பு ஆற்றல் ஆகியவை மிகவும் முக்கியமானவை. இந்த அடிப்படை விதிகளைப் புரிந்துகொள்வதன் மூலம், அணு ஆற்றல் எவ்வாறு மின்சாரம் தயாரிக்கப் பயன்படுகிறது என்பதையும் விண்மீன்களில் நடைபெறும் ஆற்றல் மாற்றங்களையும் மாணவர்கள் தெளிவாகப் புரிந்துகொள்ள முடியும்.

நீங்கள் கற்பவை

• அணுவின் குவாண்டம் கொள்கைகளைப் புரிந்துகொள்ளுதல்
• பல்வேறு அணு மாதிரிகளின் நன்மைகள் மற்றும் வரம்புகளை ஒப்பிடுதல்
• கதிரியக்கச் சிதைவு கணக்குகளைத் தீர்க்கும் திறன் பெறுதல்
• அணுக்கரு பிளவு மற்றும் இணைவு வினைகளை விளக்குதல்
• ஹைட்ரஜன் நிறமாலை வரிசைகளின் அலைநீளத்தைக் கணக்கிடுதல்
• அணுக்கரு ஆற்றலின் முக்கியத்துவத்தை உணர்தல்

தொடங்குவதற்கு முன்

• மின்னியல் மற்றும் காந்தவியல் அடிப்படைகள்
• ஒளியின் பண்புகள் மற்றும் அலை இயக்கம்
• வேதியியலில் அணு அமைப்பு பற்றிய அடிப்படை அறிவு

அணு மற்றும் அணுக்கரு இயற்பியல் — விரிவான விளக்கம்

பாடத்தின் கண்ணோட்டம்

எலக்ட்ரானின் கண்டுபிடிப்பு மற்றும் பண்புகள்

மின்னிறக்கக் குழாயில் வாயுக்கள் வழியாக மின்சாரம் பாயும்போது உருவாகும் கேத்தோடு கதிர்கள் பற்றிய ஆய்வுகள் நவீன இயற்பியலின் தொடக்கமாகும். ஜே.ஜே. தாம்சன் தனது ஆய்வில் மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலத்தைப் பயன்படுத்தி எலக்ட்ரானின் மின்னூட்டம் மற்றும் நிறை விகிதத்தை (e/m) கண்டறிந்தார். இதனைத் தொடர்ந்து, மில்லிகன் தனது புகழ்பெற்ற எண்ணெய் துளி சோதனையின் மூலம் ஒரு தனித்த எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பை மிகத் துல்லியமாக அளவிட்டார். இந்த கண்டுபிடிப்புகள் அணு என்பது பிளக்க முடியாத துகள் அல்ல என்பதையும், அதற்குள் நுணுக்கமான அடிப்படைத் துகள்கள் இருப்பதையும் உறுதி செய்தன.

அணு மாதிரிகள் மற்றும் நிலைத்தன்மை

அணுவின் உட்கட்டமைப்பை விளக்கப் பல்வேறு மாதிரிகள் முன்மொழியப்பட்டன. தாம்சன் அணுவை ஒரு தர்பூசணிப் பழத்துடன் ஒப்பிட்டார், அதில் நேர்மின்சுமை பரவியுள்ள பகுதியில் எலக்ட்ரான்கள் விதைகள் போலப் பதிந்துள்ளன என்றார். ஆனால் ரூதர்ஃபோர்டின் ஆல்பா துகள் சிதறல் சோதனை, அணுவின் மையத்தில் மிகச்சிறிய, அடர்த்தியான நேர்மின்சுமை கொண்ட உட்கரு இருப்பதை நிரூபித்தது. பின்னர் நீல்ஸ் போர், எலக்ட்ரான்கள் குறிப்பிட்ட கதிர்வீச்சு வெளியிடாத வட்டப்பாதைகளில் மட்டுமே இயங்கும் என்று கூறி அணுவின் நிலைத்தன்மையை விளக்கினார். இது ஹைட்ரஜன் அணுவின் பண்புகளை விளக்கப் பெரிதும் உதவியது.

ஹைட்ரஜன் நிறமாலைத் தொடர்கள்

அணுக்களில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் ஒரு ஆற்றல் மட்டத்திலிருந்து மற்றொரு ஆற்றல் மட்டத்திற்கு மாறும்போது ஒளியை உமிழ்கின்றன அல்லது உட்கவருகின்றன. இதுவே அணு நிறமாலை உருவாகக் காரணமாகிறது. ஹைட்ரஜன் அணுவைப் பொறுத்தவரை லைமன், பாமர், பாசன், பிராக்கெட் மற்றும் ஃபண்ட் போன்ற நிறமாலைத் தொடர்கள் உருவாகின்றன. ஒவ்வொரு தொடரும் எலக்ட்ரான் தாவும் இறுதி ஆற்றல் மட்டத்தைப் பொறுத்து அமைகிறது. இந்த நிறமாலை வரிகளின் அலைநீளங்களைக் கணக்கிடுவதன் மூலம் அணுவின் ஆற்றல் மட்டங்களுக்கு இடையிலான இடைவெளியைத் துல்லியமாக அறிய முடிகிறது.

அணுக்கருவின் பண்புகள் மற்றும் பிணைப்பு ஆற்றல்

அணுவின் மையத்தில் உள்ள உட்கரு புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்களால் ஆனது. உட்கருவின் ஆரம் அதன் நிறை எண்ணின் $1/3$ அடுக்குக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும். அணுக்கருவினுள் உள்ள துகள்களை ஒன்றாகப் பிணைத்து வைத்திருக்கும் விசை அணுக்கரு விசை எனப்படுகிறது. அணுக்கருவின் நிறையானது அதன் உட்பொருட்களின் தனித்தனி நிறைகளின் கூடுதலை விடக் குறைவாக இருக்கும். இந்த நிறை வேறுபாடே ஆற்றலாக மாற்றப்பட்டு உட்கருவை நிலைநிறுத்துகிறது. இதனை நிறை குறைபாடு மற்றும் பிணைப்பு ஆற்றல் வரைபடம் மூலம் தெளிவாகப் புரிந்து கொள்ள முடியும்.

கதிரியக்கம் மற்றும் சிதைவு விதிகள்

சில கனமான தனிமங்கள் தன்னிச்சையாகச் சிதைவடைந்து கதிரியக்கத்தை வெளியிடுகின்றன. இதில் ஆல்பா, பீட்டா துகள்கள் மற்றும் காமா கதிர்கள் வெளியேறுகின்றன. கதிரியக்கச் சிதைவு விதியின்படி, ஒரு வினாடியில் சிதைவடையும் அணுக்களின் எண்ணிக்கை அந்த நேரத்தில் உள்ள மொத்த அணுக்களின் எண்ணிக்கைக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும். அரை ஆயுட்காலம் என்பது ஒரு தனிமத்தின் பாதி அளவு சிதைவடையத் தேவைப்படும் காலமாகும். இந்த பண்புகள் மருத்துவத்தில் புற்றுநோய் சிகிச்சைக்கும், தொல்பொருள் ஆய்வுகளில் காலத்தைக் கணிக்கவும் பெரிதும் பயன்படுகின்றன.

அணுக்கரு பிளவு மற்றும் இணைவு

அணுக்கரு பிளவு என்பது ஒரு கனமான உட்கரு இரண்டு சிறிய உட்கருக்களாகப் பிரிந்து அதிக ஆற்றலை வெளியிடும் நிகழ்வாகும். இது அணுக்கரு உலைகளில் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட முறையில் நடைபெற்று மின்சாரம் தயாரிக்கப் பயன்படுகிறது. மறுபுறம், அணுக்கரு இணைவு என்பது மிக அதிக வெப்பநிலையில் லேசான உட்கருக்கள் இணைந்து கனமான உட்கருவாக மாறும் நிகழ்வாகும். இது சூரியன் மற்றும் விண்மீன்களில் நடக்கும் ஆற்றல் மாற்றத்திற்கு அடிப்படையாகும். இவ்விரு வினைகளும் மனிதகுலத்திற்குத் தேவையான மிகப்பெரிய ஆற்றல் மூலங்களாகத் திகழ்கின்றன.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• நிறை எண் மற்றும் அணு எண் குழப்பம்: அணு எண் புரோட்டான்களையும், நிறை எண் மொத்த நியூக்ளியான்களையும் குறிக்கும்.
• கதிரியக்கச் சிதைவு விகிதம்: சிதைவு விகிதம் என்பது எஞ்சியுள்ள அணுக்களின் எண்ணிக்கையைப் பொறுத்தது, சிதைந்த அணுக்களையல்ல.
• பிணைப்பு ஆற்றல் அலகு: பெரும்பாலும் இது மெகா எலக்ட்ரான் வோல்ட் அலகில் அளவிடப்படும், ஜூல் அலகிற்கு மாற்றும்போது கவனம் தேவை.
• நிறமாலைத் தொடர் வரிசை: அலைநீளங்களின் அடிப்படையில் பாமர், லைமன் போன்ற வரிசைகளைச் சரியாக அடையாளம் காண வேண்டும்.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

அணுக்கரு நிலைத்தன்மைக்குக் காரணம் என்ன?

அணுக்கருவினுள் புரோட்டான்களுக்கு இடையிலான மின்னியல் விலக்கு விசையை விட வலிமையான ஈர்ப்பு விசை கொண்ட அணுக்கரு விசை செயல்படுவதே அணுக்கருவின் நிலைத்தன்மைக்குக் காரணமாகும். இது மின்சுமையைச் சாராதது மற்றும் மிகக் குறுகிய எல்லைக்குள் மட்டுமே செயல்படும் மிகவும் வலிமையான விசையாகும். இந்த விசை புரோட்டான்களையும் நியூட்ரான்களையும் உட்கருவிற்குள் நெருக்கமாகப் பிணைத்து வைத்துள்ளது.

அரை ஆயுட்காலம் என்றால் என்ன?

ஒரு கதிரியக்கத் தனிமத்தில் உள்ள ஆரம்ப அணுக்களின் எண்ணிக்கை சிதைவடைந்து சரியாகப் பாதியாகக் குறைய எடுத்துக்கொள்ளும் காலம் அரை ஆயுட்காலம் எனப்படும். இது ஒவ்வொரு கதிரியக்கத் தனிமத்திற்கும் ஒரு குறிப்பிட்ட மாறிலி மதிப்பாக இருக்கும். இதன் மூலம் ஒரு பொருளின் கதிரியக்கச் செயல்பாட்டின் வேகத்தை நம்மால் எளிதாகக் கணக்கிட முடியும்.

அணுக்கரு பிளவு மற்றும் இணைவு எது அதிக ஆற்றலைத் தரும்?

ஒரு குறிப்பிட்ட நிறையில் அணுக்கரு இணைவு வினை அணுக்கரு பிளவு வினையை விட பல மடங்கு அதிக ஆற்றலை வெளியிடும். உதாரணமாக, சூரியனில் நடக்கும் ஹைட்ரஜன் இணைவு வினை மிகப்பெரிய ஆற்றலைத் தருகிறது. பிளவு வினை பெரும்பாலும் கனமான அணுக்கருக்களில் மட்டுமே நடக்கும், ஆனால் இணைவு வினை லேசான அணுக்கருக்களில் அதிக ஆற்றலைத் தரும்.

போர் மாதிரியின் வரம்புகள் யாவை?

போர் மாதிரி பல எலக்ட்ரான் கொண்ட அணுக்களின் நிறமாலையை விளக்கவில்லை மற்றும் நிறமாலை வரிகளின் நுட்பமான கட்டமைப்பை விளக்கத் தவறிவிட்டது. இது எலக்ட்ரான்களை ஒரு குறிப்பிட்ட வட்டப்பாதையில் இயங்குவதாகக் கருதுகிறது, ஆனால் நவீன குவாண்டம் கொள்கை இதை ஒரு துகள் மேகமாகவே கருதுகிறது. மேலும் இது நிறமாலை வரிகளின் செறிவை விளக்கவில்லை.

கதிரியக்கக் காலக்கணிப்பு எதற்குப் பயன்படுகிறது?

புதைபடிவங்கள், பழங்காலப் பொருட்கள் மற்றும் பாறைகளின் வயதைக் கண்டறிய கார்பன் காலக்கணிப்பு போன்ற முறைகள் பயன்படுகின்றன. இது கதிரியக்கச் சிதைவு வீதத்தின் அடிப்படையில் பொருட்களின் காலத்தைத் துல்லியமாகக் கணக்கிடுகிறது. அகழ்வாராய்ச்சி மற்றும் புவியியல் ஆய்வுகளில் வரலாற்று நிகழ்வுகளைக் காலவரிசைப்படுத்த இந்த முறை ஒரு மிக முக்கியமான கருவியாக இன்று செயல்படுகிறது.

ஆல்பா சிதைவில் அணு எண் எவ்வாறு மாறும்?

ஆல்பா சிதைவின் போது அணுக்கருவிலிருந்து ஒரு ஹீலியம் உட்கரு வெளியேறுவதால், சேய் உட்கருவின் அணு எண் இரண்டு அலகுகள் குறைகிறது. அதே நேரத்தில் அதன் நிறை எண் நான்கு அலகுகள் குறைகிறது. இது ஒரு கதிரியக்கத் தனிமம் மற்றொரு தனிமமாக மாறும் ஒரு மிக முக்கியமான அணுக்கரு மாற்ற நிகழ்வாகும்.