அணு அமைப்பு

அணு -  Atoms 
உலகில் உள்ள எல்லாப் பொருள்களும் அணுக்களால் ஆனவையே (நம் உடலும் கூடத்தான்). எல்லாப் பொருள்களிலும் அல்லது தனிமங்களிலும் (Elements) அணு அதனுடைய அடிப்படை அளவுவாக இருக்கிறது. தனிமங்களை இதைவிட சிறிய அளவாக பிரிக்க முடியாது.

அதாவது ஒரு அணுவை எடுத்தால் அது இரும்பு அணுவா, ஆக்ஸிஜன் அணுவா அல்லது ஹைட்ரஜன் அணுவா என கூறமுடியும். அணுவைப் பிரிக்க முடிந்தாலோ அல்லது அணுவின் ஒரு பகுதியை மட்டும் நோக்கினாலோ அதனுடைய இரும்பு, ஆக்ஸிஜன் போன்ற அடையாளங்கள் மறைந்து விடும். சரி, இரும்பு அணுவுக்கும் ஆக்ஸிஜன் அணுவுக்கும் என்ன வித்தியாசம்? அணுவுக்குள் இருக்கும் பொருட்களின் எண்ணிக்கையில் தான் வித்தியாசம், பொருட்களில் வித்தியாசமில்லை. 

அணுவுக்குள் என்ன இருக்கிறது: எல்லா அணுவுக்குள்ளும் இருக்கக்கூடியவை மூன்றே பொருட்கள்.
1. எலக்ட்ரான்,
2. ப்ரோடான்,
3. நியூட்ரான் ஆகியவை. 

                                             

இவற்றில் ப்ரோடானும் ந்யூட்ரானும் அணுவின் மையப்பகுதியில் அணுக்கரு என்றழைக்கப்படும் பகுதியில் இருக்கும். எலக்ட்ரான் அணுக்கருவைச் சுற்றி வந்து கொண்டிருக்கும். இதில் எலக்ட்ரானும், ப்ரோடானுமே சம அளவான எதிரெதிர் மின்சக்தியைக் கொண்டவை. அணுவில் இவையிரண்டும் சம அளவில் இருப்பதால் இதன் சக்திகள் ஒன்றையொன்று ஈர்த்து அணுவின் அமைப்பை நிலையானதாக்குகிறது. 

ப்ரோடான்: பாஸிடிவ் சக்தி கொண்டது. அணுவின் மையத்தில் இருக்கும். எடை 1.0073 amu.
எலக்ட்ரான்: நெகடிவ் சக்தி கொண்டது. அணு மையத்தைச் சுற்றி சுழன்று வரும். ப்ரோடானுக்கு சமமான சக்தி இருந்தாலும், ப்ரோடானை விட இரண்டாயிரம் மடங்கு எடை குறைவானது. எடை 0.000549 amu. 

அணுவானது ந்யூட்ரான்: ப்ரோடானும், எலக்ட்ரானும் இணைந்தது. அதனால் மின்சக்தி சமனப்பட்டு சக்தியை வெளிப்படுத்தாமல் இருக்கும். கிட்டதட்ட ப்ரோடானின் எடை 1.0087amu. இது இல்லாமல் ப்ரோடான், எலக்ட்ரான் மட்டும் கொண்ட அணுக்கள் உண்டு.

அணுவின் அளவு:
மிகச் சிறிய அணு. அதாவது ஒரு எலக்ட்ரான், ஒரு ப்ரோடான் கொண்டது ஹைட்ரஜன் அணு. இதன் விட்டம் 5-10(-8) MM. உருவகப்படுத்தி பார்க்க வேண்டுமானால் 2 கோடி ஹைட்ரஜன் அணுக்களை ஒரு நேர்க்கோட்டில் வைத்தால் ஒரு மில்லிமீட்டர் நீளம் வரும்.
அணு எண்: அணுவில் உள்ள ப்ரோடான்களின் எண்ணிக்கையைக் குறிக்கும். 

அணுவின் அமைப்பு: உலகின் சின்னஞ் சிறிய பொருள் அணு என்று நாம் கூறினாலும் அந்த அணு மூன்று உட்பொருள்களால் ஆனது என்பதனை அறிந்து கொண்டோம்  புரோட்டான், நியூட்ரான் மற்றும் எலெக்ட்ரான் என்ற மூன்று மூலக்கூறுகளைத்தான் அணுவைக் கட்டமைக்கும் உட்பிரிவு அணுத் துகள்கள் (Sub atomic particle)  என்று நாம் அழைகிறோம். 

இந்த மும்மூர்த்திகளில் புரோட்டான், நியூட்ரான் இரண்டும் கூட்டணியாக இணைந்து பின்னிப் பிணைந்து  எலெக்ரான்களிலிருந்து வெகுதூரம் விலகி அணுவின் மையத்தில் அணுவின் உட்கரு (Nucleus) என்ற பெயரில் குடிகொண்டுள்ளது. எலெக்ட்ரான் எனப்படும் இந்த மின்னனு உட்கருவை அசுர வேகம், மின்னல் வேகம் என்ற வார்த்தைகளில் அடங்காத பத்துலட்சத்தில் ஒரு பங்கு வினாடியில் ஒரு சுற்று என்ற அதிசயிக்கத்தக்க வேகத்தில் சுற்றி வருகின்றன. 

எலெக்ட்ரான்களின் இந்த சுழற்சி வேகம்தான் அணுவுக்கு முட்டை ஓடு போன்ற ஒரு வெளிப்புறத் தோற்றத்தை அளிக்கின்றது. இன்னும் விளக்கமாகச் சொல்ல வேண்டும் என்றால் ஒரு ஹைட்ரஜன் அணுவின் விட்டம் 6 கி.மீ அகலம் என்று கற்பனை செய்து கொண்டால் அதன் மையத்தில் ஒரு டென்னிஸ் பந்தின் அளவுதான் ஹைட்ரஜன் அணுவின் உட்கரு இருக்கும். 

இந்த  உட்கருவிலிருந்து 3 கி.மீ அப்பால் சுற்றி வரும் எலெட்ரான்கள்தான் அணுவுக்கு ஒரு திடத்தோற்றத்தைத் தருகின்றது. எலெக்ட்ரான்களுக்கும் உட்கருவுக்கும் இடைப்பட்ட தூரம் எதுமேயற்ற ஒரு வெற்றிடம்! ஆனால் எலெக்ட்ரான்களின் சுழற்சியினால் உருவாகும் இந்த மாயச் சுவரைக் கடந்து இந்த சூன்யத்துற்குள் எதுவுமே நுழைந்து விட முடியாது. எப்படி ஒரு மின் விசிறி சுழலும் போது ஒரு பென்சிலை இறக்கைகளின் சுழற்சியில் நுழைத்தால் உட்செல்ல முடியாதோ அப்படித்தான் அணுவுக்குள்ளும் எந்த ஒரு சக்தியும் நுழைய முடியாது.

அணுவின் இந்த அமைப்பை சூரிய குடும்பத்தோடும் ஒப்பிடுவதுண்டு. அணுவின் உட்கருவை சூரியன் என்று வைத்துக் கொண்டால் எலெக்ரான்கள் தான் கிரகங்கள் ஆகும். ஆனால் கிரகங்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட பாதையில் சுற்றிவருவது போல் அணுவின் உட்கருவை எலெக்ட்ரான்கள் சுற்றுவதில்லை. அப்பாதையைக் கண்காணிப்பது என்பதும் அவ்வளவு சுலபமில்லை. மேலும் அணுவின் உட்கருவில் புரோட்டான்களும் நியூட்ரான்களும் ஒரே இடத்தில் நிலை கொள்ளாமல் இடம் மாறி மாறி நகர்ந்து கொண்டே இருக்கும்.

ஒரு அணு நிறையின் (Mass) பெரும் பங்கு அதன் உட்கரு எனலாம். ஏனெனில் எலெக்ரான்கள் வெகு இலகுவான நிறையுடையது. ஒரு புரோட்டான் 1836 எலெக்ரான்களின் நிறை கொண்டது. ஒரு நியூட்ரான் 1839 எலெக்ரான்களின் நிறை கொண்டது என்றால் ஒரு எலெக்ரானின் நிறையை நாம் ஒருவாறு யூகிக்கலாம்.

ஒவ்வொரு புரோட்டானும் ஒரு யூனிட் நேர் மின் சக்தியைக் கொண்டிருக்கும். ஒவ்வொரு எலெக்ட்ரானும் ஒரு யூனிட் எதிர்மின் சக்தியைக்கொண்டிருக்கும். நியூட்ரான்கள் மின்னோட்டம் எதுவுமே இல்லாத சமநிலை யுடையவை ஒரு அணுவில் புரொட்டான்களின் எண்ணிக்கையும்  எலெக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையும் பெரும்பாலும் சமஅளவில் இருப்பதால் அணுக்களும் சமநிலை மின்னோட்டம் (Electrically Neutral) உள்ளவை எனலாம். 

ஒரு அணுவுடன் ஒப்பிடும்போது ஒரு புரொட்டானும் நியூட்ரானும் லட்சத்தில் ஒரு பங்கு சிறியவைகள். இந்த புரொட்டானும் நியூட்ரானும் கூட மேலும் சின்னஞ் சிறிய குவார்க்ஸ் எனப்படும் நுண்துகள்களால் ஆனவை.

ஆனால் எலெக்ட்ரான்கள் அப்படி அல்ல. இவைகள் எந்த ஒரு நுண்துகள் களாலும் ஆனவை அல்ல. எலெக்ரான்களின் நிறையோ வெகு சொற்பமே என்றாலும் எலெக்ட்ரான்கள் எதிர்மின் சக்தி கொண்டவைகள் என்பதால் அது உட்கருவால் ஈர்க்கப்படுகின்றது. எதிர் மின்னோட்டம் கொண்ட எலெக்ட்ரான் கள் உட்கருவிலிருந்து விலகிச் செல்லவே முயலும்.

முடிவில் அதனதன் ஈர்ப்பு சக்தியால் சூரியனை கிரகங்கள் சுற்றிவருவது போல் எல்லா எலெக்ட்ரான்களும் உட்கருவைச் சுற்றி வலம் வருகின்றன.  இதில் அதிக எதிர்மின் சக்தி கொண்ட எலெக்ட்ரான்கள் உட்கருவிலிருந்து நம் யுரேனஸ் கிரகத்தைப்போல் வெகுதூரம் விலகியும் குறைந்த சக்தி கொண்ட எலெக்ட்ரான்கள் உட்கருவின் அருகில் புதன் கிரகத்தைப்போல் பல்வேறு அடுக்குகளில் (Shell) சுற்றி வருகின்றன. 

இயல்பு நிலையில் எந்த பாதிப்புக்கும் ஆட்படாமல் உள்ள அணு ஒரு பெட்டிக்குள் கிடக்கும் பட்டாசைப் போல் அடங்கிக் கிடக்கும் (Inert Stage). பட்டாசின் திரியில் ஒரு நெருப்புப் பொறி பட்டவுடன் அது வெடித்துச் சிதறு வது போல் அணுக்களும் ஏதாவது ஒரு வகையில் பாதிப்புக்கு உள்ளாகும் போது அவைகளும் வெடித்துப் பிளவுறும்.

இந்த அணுப்பிளவின் போது வெளிப்படும் அபரிமித சக்தியைத்தான் அணுசக்தி என்கிறோம். கண்களால் பார்க்கக் கூடிய திரியை நம்மால் எளிதில் பற்ற வைக்க முடியும். ஆனால் கண்களுக்கே புலப்படாத அணுக்களை எப்படிப் பற்ற வைத்துப் பாதிப்புக்கு உள்ளாக்குவது? ஆனாலும் கண்களுக்கே புலப்படாத இந்த அணுக்களையும் பிளந்து அதன் உள்ளே புகுந்து சாதித்துவிட்டான் மனிதன்! 

இங்குதான் மனிதனின் மூளை எத்தகைய அபார சக்தி வாய்ந்தது என்பதை  நம்மால் உணர்ந்து கொள்ளமுடிகிறது.

எனவே ஒவ்வொரு தனிமத்திற்கும் ஒரு அடிப்படைத் தன்மை கொண்ட அணுக்களே அதற்கான செங்கற்கள் எனலாம்! ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட தனிமங்கள் சேரும்போது ஒரு புதிய கூட்டுப்பொருள் (compound) உருவாகிறது. உதாரணமாக நாம் அருந்தும் நீரைச் சொல்லலாம். ஹைட்ரஜன் அணுக்களும் ஆக்ஸிஜன் அணுக்களும் சேர்ந்து நீர் உருவாகின்றது. 

நீரை உருவாக்கப் பயன்படும் ஹைட்ரஜன், ஆக்ஸிஜன் அணுக்களின் சேர்மம் ஒன்றுக்கு ஒன்று என்ற சரி விகிதத்தில் இல்லாமல் சற்று வித்தியாசமான தாயும், சிக்கல் நிறைந்த அம்சமாகவும் உள்ளன. அணு எடை வித்தியாசம் காரணமாய் இரண்டு ஹைட்ரஜன் அணுக்கள் ஒரே ஒரு ஆக்ஸிஜன் அணுவுடன் இணைந்து நீரை (H2O) உருவாக்குகின்றன. ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட தனிமங்கள் சேர்வதால் உருவாகும் இந்த சேர்மத்தின் அடிப்படை அலகை நாம் நீரின் மூலக்கூறு (Molecule) என்கிறோம்.

ஒவ்வொரு தனிமங்களின் அணு எடையைப் பொறுத்தவரை அதிக வித்தியாசம் காணப்படும் அளவிற்கு அதன் பருமனைப் பொறுத்தவரை குறுக்களவில் அதிக வித்தியாசம் ஏதும் இல்லை. ஏறக் குறைய அணுக்கள் யாவுமே ஒரே குறுக்களவைக் கொண்டுள்ளன. உதாரணமாக இவ்வுலகில் அதிக அணு எடை கொண்ட தனிமமான யுரேனியத்தின் அணு எடையானது ஹைட்ரஜன் அணு எடையை விட 200 மடங்கு அதிகம்! ஆனால் யுரேனிய அணுவின் குறுக்களவோ ஹைட்ரஜன் அணுவின் குறுக்களவை விட 3 மடங்கே அதிகம்!

கடுகு சிறுத்தாலும் காரம் குறையாதென்பார்கள். அணுதான் இப்பிரபஞ்சத்தின் மிக மிகச் சின்னஞ் சிறிய பொருள். ஆனால் அதன் சக்தியும் வீரியமும் மிக மிகப் பெரிய அளவிலானது. அணுவில் பொதிந்துள்ள ஆற்றலின் (energy) அளவோ அளவிட முடியாத அபரிமித சக்தியாகும்! குதிரையை வசப்படுத்த நாம் சேணம் பூட்டி அதைக் கட்டுப்படுத்துவது போல் அளப்பரிய அணுவின் ஆற்றலையும் கட்டுப்படுத்தி நம் தேவைக்குப் பயன்படுத்த நம் விஞ்ஞானிகள் வழிவகைகள் கண்டுள்ளனர்.

அணுவின் உள்ளமைப்பை விளக்கிய நீல்ஸ் போஹ்ர் 

நீல்ஸ் போஹ்ர் கூறியது: மூலங்களின் இரசாயனப் பௌதிகப் பண்பாடுகள் அணுக்கருவைச் சுற்றிவரும் எலெக்டிரான்களைப் பொருத்தவை; அணுவின் திணிவு அல்லது நிறை [Atomic Mass] அணுக்கருவின் புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகிய பரமாணுக்களின் நிறையைச் சார்ந்தது; மூலகத்தின் கதிரியக்கத்துக் காரணமும் அணுக்கரு தாங்க முடியாமல் உள்ள ஏராளமான பரமாணுக்கள்தான். ரூதர்ஃபோர்டின் அணு உள்ளமைப்பு மாடல் எந்திரவியல் முறைப்படியும், மின்காந்த முறைப்படியும் நிலையற்றது [Mechanically & Electro-magnetically Unstable]. ஆனால் மாக்ஸ் பிளான்க், ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டைன், மற்ற விஞ்ஞானிகளும் விருத்தி செய்த “குவாண்டம்  நியதியை” நீல்ஸ் போஹ்ர் உட்புகுத்தி அணுக்கருவின் “நிலைப்பாடை” வடித்துக் காண்பித்தார்.

பூர்வீகப் பௌதிக [Classical Physics] விதிப்பாட்டிலிருந்து விலகி, நீல்ஸ் போஹ்ர் ஒரு புதிய கோட்பாடை ஆக்கினார்: “எந்த ஓர் அணுவும் குறிப்பிட்ட ஓரளவு சக்தியை கொண்டுதான், தனிப்பட்ட நிலைப் பாடுகளில் நிலவி வருகிறது.” [Any atom could exist only in a discrete set of  stable or stationary states by a definite value of its energy]. இதுவே போஹ்ர் அணு  உள்ளமைப்பு மாடல் என்றும் கூறப்படுவது.   போஹ்ர் விளக்கிய அணுவின் குவாண்டம் நியதி இதுதான்.

ஹைடிரஜன் அணு வெளிவிடும்  ஒளிப்பட்டைக் கோடுகளுக்கு [Series of Lines observed in the Spectrum of Light emitted by  Atomic Hydrogen] அந்த நியதி விளக்கம் கூறியது. அந்த ஒளிப்பட்டைக் கோடுகளின் அதிர்வுகளை [Frequencies] வெகு துல்லியமாக அந்த நியதி மூலம் கணித்துக் காட்டினார். அந்த அதிர்வுகளை அணுவின் எலெக்டிரான் மின்கொடை, திணிவு மூலமாகக் கணித்தார் [In terms of the charge & mass of the Electron]. அவற்றை எடுத்துக் காட்ட போஹ்ர் கூறியது: அணு தனது நிலைப் பாடில் உள்ளபோது எலெக்டிரான் கதிர்வீச்சு வெளியாக்கு வதில்லை. எலெக்டிரான் பரமாணு ஒரு  நிலைப்பாடி லிருந்து அடுத்த நிலைக்கு மாறும் போதுதான், கதிர்வீச்சை உமிழ்கிறது.