ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం

Question: ప్రోటాన్ విద్యుత్ ఆవేశం ఎంత?

పరమాణువులో ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్, న్యూట్రాన్ అనే మూడు ముఖ్యమైన మూలకణాలున్నాయి. ఈ కణాలు పరమాణువులో ఏ విధంగా అమరి ఉన్నాయో తెలియజెప్పేదే పరమాణు నిర్మాణం. దీనికి సంబంధించి శాస్త్రవేత్తలు ఎన్నో నమూనాలను ప్రవేశపెట్టారు. అందులో రూథర్ ఫర్డ్ నమూనా ఒకటి. తను చేసిన α- కణ పరిక్షేపణ ప్రయోగ పరిశీలనల ఆధారంగా ఈ నమూనాని ప్రతిపాదించాడు. α - కణ పరిక్షేపణ 
ప్రయోగం:

1911లో రూథర్‌ఫర్డ్ సలహాపై H.గీగర్, E.మార్మెడెన్ అనే శాస్త్రవేత్తలు, బంగారు రేకును α - కణాలతో తాడించే ప్రయోగాన్ని చేశారు.ఈ ప్రయోగానికి కావలసిన α - కణాలను 83Bi214 నుంచి పొందారు. α - కణం ధనావేశాన్ని కలిగి ప్రోటాన్ ఆవేశానికి రెండు రెట్లు ఉంటుంది. దీని ద్రవ్యరాశి ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశికి 7000 రెట్లు ఉంటుంది. ఈ α - కణాలను సన్నని రంధ్రం గల సీసపు దిమ్మెల ద్వారా పంపి, వీటి నుంచి సమాంతరంగా బయటకు వచ్చే α - కణాలతో 2.1×10-7 మీ. మందం గల బంగారు రేకును కొట్టించారు. పరిక్షేపణ చెందిన α - కణాలను జింక్ సల్ఫైడ్ తెర, మైక్రోస్కోపు ఉన్న భ్రమణం చెందగల శోధకంతో పరిశీలించారు. α - కణాలు జింక్ సల్ఫైడ్ తెరను తాకినప్పుడు, దానిపై కాంతివంతమైన మెరుపులు ఏర్పడ్డాయి.రేకుపై పతనం చెందిన α - కణాల దిశతో పోల్చి, ఎంత కోణంలో ఎన్ని మెరుపులు ఏర్పడ్డాయో లెక్కించారు. 
ప్రయోగ పరిశీలనలు:



1. అత్యధిక సంఖ్యలో α - కణాలు బంగారు పరమాణువు ద్వారా ఎటువంటి పరిక్షేపణ చెందక నేరుగా ప్రయాణించాయి. 
2. కొన్ని α - కణాలు 900 కంటే తక్కువ కోణంతోనూ, అంత కంటే తక్కువ సంఖ్యలో అంటే సుమారు 8000 కణాలలో ఒక కణం 900 కంటే ఎక్కువ 1800 కంటే తక్కువ కోణంతో పరిక్షేపణ చెందాయి. 
3. సుమారు 20,000 కణాలలో ఒక కణం 1800 కోణంతో వెనుకకు మళ్లింది. ఈ పరిశీలనల ఆధారంగా రూథర్‌ఫర్డ్ ఒక పరమాణు నమూనాను ప్రతిపాదించాడు. 
రూథర్‌ఫర్డ్ నమూనా:
1. పరమాణువులో కేంద్రకం ఉంటుంది. కేంద్రక పరిమాణం, పరమాణు పరిమాణంలో వంతు ఉంటుంది. 
2. కేంద్రకంలో ధనావేశం, ద్రవ్యరాశి ఉన్న ప్రోటాన్లు ఉంటాయి. 
3. కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్లు వివిధ కక్ష్యల్లో తిరుగుతూ ఉంటాయి. 
4. కేంద్రకానికి, ఎలక్ట్రాన్లకు మధ్య చాలా ప్రదేశం ఖాళీగా ఉంటుంది. 
α - కణాలు ఎందుకు పరిక్షేపణ చెందాయి 
α - కణం, ధనావేశం ఉన్న కణం. పరమాణు కేంద్రకంలో ప్రోటాన్లు ఉండటం వల్ల అది ధనావేశాన్ని పొంది ఉంటుంది.
కూలూం నియమం ప్రకారం, రెండు సజాతి ఆవేశాలు వికర్షించుకొంటాయి. అందువల్ల కేంద్రకం చేత α - కణం వికర్షింపబడి పరిక్షేపణ చెందుతుంది.
α - కణం పరిక్షేపణ కోణం 'θ', కేంద్రకానికి అతి దగ్గరగా వచ్చిన దూరం, అంటే అభిఘాత పరామితి ' b' పై ఆధారపడి ఉంటుంది. 
α - కణం కేంద్రకానికి చాలా దూరంలో ఉన్నపుడు దాని వేగ సదిశకు, కేంద్రకానికి మధ్య ఉన్న లంబదూరాన్ని అభిఘాత పరామితి అంటారు. ఈ అభిఘాత పరామితి 'b' విలువ ఎక్కువ ఉన్న, α - కణాలు ఎటువంటి పరిక్షేపణ చెందక తిన్నగా ప్రయాణిస్తాయి. 'b' విలువ తగ్గే కొద్దీ, పరిక్షేపణ కోణం విలువ పెరుగుతూ ఉంటుంది. 'b' విలువ '0' అయినప్పుడు α - కణం పరమాణు కేంద్రకాన్ని ఢీకొని 1800 కోణంతో వెనుకకు మళ్లుతుంది. 
సజాతి ఆవేశాలు ఉన్న ప్రోటాన్లు కేంద్రకంలో దూరం
పరమాణు నిర్మాణం ప్రకారం, ధనావేశం ఉన్న ప్రోటాన్లు అతి చిన్న కేంద్రంలో చాలా దగ్గరగా ఉంటాయని తెలుస్తోంది. సజాతి ఆవేశం కలిగిన ప్రోటాన్లు ఒకదానినొకటి వికర్షించుకొని దూరంగా జరగాలి. కానీ ఏదో శక్తి వాటిని అతి దగ్గరగా బంధించి ఉంచుతోంది. ఒక పరమాణు కేంద్రకం ద్రవ్యరాశి, దానిలోని కణాల మొత్తం ద్రవ్యరాశికి సమానంగా ఉండాలి.కానీ పరిశీలిస్తే ఒక్క హైడ్రోజన్‌లో తప్ప మిగిలిన అన్ని మూలకాల కేంద్రకాల ద్రవ్యరాశి, అందులో ఉండే కేంద్రక కణాల మొత్తం ద్రవ్యరాశి కంటే తక్కువగా ఉంటోంది.అది శక్తిగా మారి కేంద్రక కణాలను బంధించి ఉండవచ్చు. 
ఐన్‌స్టీన్ అనే శాస్త్రవేత్త ద్రవ్యరాశి, శక్తుల తుల్యసూత్రం E = mc2 ని ప్రతిపాదించాడు. ఇక్కడ m అనేది ద్రవ్యరాశి, E అనేది శక్తి, c అనేది శూన్యంలో కాంతివేగం. ఈ సూత్రం ప్రకారం ద్రవ్యరాశిని శక్తిగాను, శక్తిని ద్రవ్యరాశిగాను మార్చగలమని తెలుస్తుంది. అందుచేత ద్రవ్య-శక్తి నిత్యత్వ సూత్రాన్ని ప్రతిపాదించుకోవాలి. విశ్వంలో ఉన్న మొత్తం ద్రవ్యరాశి, శక్తి స్థిరం. ద్రవ్యరాశి తరుగు బంధన శక్తిగా మారి కేంద్రక కణాలను బంధించింది. కేంద్రకం మొత్తం బంధన శక్తిని, కేంద్రకంలో ఉన్న కణాల సంఖ్యతో భాగిస్తే వచ్చేది సగటు బంధన శక్తి. ఈ సగటు బంధన శక్తి ఏ కేంద్రకానికి ఎక్కువ ఉంటుందో అది చాలా స్థిరంగా ఉంటుంది. ఇది తక్కువగా ఉన్న కేంద్రకాలు అస్థిరంగా ఉండి స్థిరత్వం కోసం కొన్ని కణాలను బయటకు వెదజల్లుతాయి. ఇటువంటి లక్షణం పరమాణు సంఖ్య 83 కంటే ఎక్కువ ఉన్న మూలకాలలో కనిపిస్తుంది. ఈ ప్రక్రియని రేడియో ధార్మికత అంటారు. యురేనియం, రేడియం మొదలైన మూలకాలను దీనికి ఉదాహరణలుగా చెప్పవచ్చు.
రేడియో ధార్మిక కిరణాలు
రూథర్‌ఫర్డ్ రేడియో ధార్మిక పదార్థాల నుంచి వచ్చే వికిరణాలను ఒక బలమైన అయస్కాంత రెండు ధ్రువాల మధ్య వాటికి లంబంగా వెళ్లేట్లు చేశాడు. ఈ ప్రయోగం నుంచి ఈ వికిరణాలు α - కణాలు, β− కణాలు మరియు γ− కిరణాలు అని మూడు రకాలుగా గుర్తించాడు. 
ఈ వికిరణాలన్నీ పరమాణు కేంద్రకాల నుంచి వెలువడతాయి. కేంద్రకంలోని 2 ప్రోటాన్లు, 2 న్యూట్రాన్లు కలసి ఒక α - కణంగా బయటకు వస్తుంది. ఇది హీలియం కేంద్రకంలా ఉంటుంది. స్థిరత్వం కోసం కేంద్రకంలోని ఒక న్యూట్రాన్, ఒక ప్రోటాన్, ఒక ఎలక్ట్రాన్‌గా విడిపోతుంది. ప్రోటాన్ కేంద్రకంలో ఉండిపోతుంది. ఎలక్ట్రాన్, β− కణంగా పరమాణువు నుంచి బయటకు వస్తుంది. అందుచేత ఇవి అతివేగంగా చలించే ఎలక్ట్రాన్లని చెప్పవచ్చు. α - కణం లేదా β− కణం విడుదలైన తరవాత, కేంద్రకం స్థిరత్వం కోసం γ− కిరణాన్నీ విడుదల చేస్తుంది. γ− కిరణాలు విద్యుదయస్కాంత వికిరణాలు. 
మూలకాలకూ జీవితకాలం
రేడియో ధార్మిక మూలకం, ఒక α - కణం/ఒక β− కణాన్ని పోగొట్టుకుంటే దాని పరమాణు సంఖ్యలో మార్పు వచ్చి అది మరొక మూలకంగా మారుతుంది. ఈ ప్రక్రియను మూలకాల విఘటనం అంటారు.
ఈ మూలకాల విఘటనం ఒక నియమం ప్రకారం జరుగుతుంది. దాన్ని రేడియో ధార్మిక విఘటన నియమం అంటారు. ఒక రేడియో ధార్మిక మూలకపు విఘటన రేటు, విఘటకు ముందున్న పరమాణువుల సంఖ్యకు అనులోమాను పాతంలో ఉంటుంది. అంటే ఇక్కడ విఘటన రేటును, N- విఘటకు ముందున్న పరమాణువుల సంఖ్యను, λ విఘటన స్థిరాంకాన్ని తెలియజేస్తాయి. ఒక రేడియో ధార్మిక మూలకం ఎంత సమయంలో పూర్తిగా విఘటనం చెందుతుందో చెప్పడం కష్టం. కానీ ఎంత సమయంలో ఒక రేడియో ధార్మిక మూలకం ద్రవ్యరాశి సగమవుతుందో చెప్పవచ్చు. 
ఈ కాలాన్ని ఆ మూలకం అర్ధజీవిత కాలం (T) అంటారు. T = 0.693/λ నుంచి ఒక మూలకపు అర్ధ జీవిత కాలాన్ని లెక్కించవచ్చు. యురేనియం అర్ధజీవితకాలం 4500 మిలియన్ల సంవత్సరాలు. యురేనియం మూలకం α , β కణాలను విడుదల చేస్తూ వివిధ మూలకాలుగా మారుతూ చివరికి సీసంగా మారుతుంది. దీనిని యురేనియం శ్రేణి అంటారు. అదే విధంగా థోరియం శ్రేణి, ఆక్టేనియం శ్రేణి అని మరో రెండు సహజ రేడియో ధార్మిక శ్రేణులు ఉన్నాయి. వీటిని రేడియో ధార్మిక మూలకాల వంశ వృక్షాలని చెప్పొచ్చు. 
కొత్త మూలకాలను తయారు చేయడo
రసాయన చర్యలతో ఒక మూలకాన్ని వేరొక మూలకంగా మార్చలేం. కానీ కేంద్రక చర్యలతో ఒక మూలకాన్ని మరొక మూలకంగా మార్చవచ్చు. స్థిరమైన మూలక కేంద్రకాలను α - కణం లేదా ప్రోటాన్‌తో తాడించడం వల్ల వాటిని వేరొక మూలకాలుగా మార్చొచ్చు. ఈ ప్రక్రియను కృత్రిమ పరివర్తనం అంటారు. రూథర్‌ఫర్డ్ మొదటిసారిగా నత్రజనిని ఆక్సిజన్‌గా మార్చాడు. ఆ విధంగా ఏర్పడిన మూలకాలు కొన్ని రేడియో ధార్మికతను ప్రదర్శిస్తాయి. వాటిని రేడియో ఐసోటోపులు అంటారు. వాటిని మనం వైద్యరంగంలో, వ్యవసాయ రంగంలో, పరిశ్రమల్లో ఉపయోగిస్తున్నాం. కేన్సర్ కణాల నాశనానికి Co60 ని వాడుతారు. 
పరమాణువు ముక్కలుగా అవడo

1939వ సంవత్సరంలో ఒట్టోహాన్, లీజిమిట్నెర్, స్ట్రాస్‌మన్‌లు పరమాణువును విభజించి అత్యధిక శక్తిని పొందే విధానాన్ని కనుగొన్నారు. C235 కేంద్రకాన్ని ఒక న్యూట్రాన్‌తో తాడించడం వల్ల, ఆ న్యూట్రాన్ కేంద్రకంతో కలసి అస్థిరమైన ఒక సంయుక్త కేంద్రకాన్ని ఏర్పరుస్తుంది.స్థిరత్వం పొందడం కోసం ఈ సంయుక్త కేంద్రకం సుమారుగా రెండు సమాన ద్రవ్యరాశులు గల కేంద్రకాలుగా విడిపోయి శక్తిని విడుదల చేస్తుందని కనుగొన్నారు. ఈ చర్యను కేంద్రక విచ్ఛిత్తి చర్య అంటారు.
92U235 + 0n1 → 56Ba141 +36Kr92 + 3 ( 0n1) + Q (శక్తి) Mev.
ప్రతి ఒక్క కేంద్రక విచ్ఛిత్తి చర్యలో సుమారు 200 Mev ల శక్తి విడుదల అవుతుంది. ప్రతి కేంద్రక విచ్ఛిత్తిలో సుమారు సగటున 2.5 న్యూట్రాన్లు విడుదల అవుతాయి. ఈ విధంగా విడుదలైన న్యూట్రాన్లు మిగిలిన యురేనియం కేంద్రాలను విచ్ఛిన్నం చేయడం ప్రారంభిస్తాయి. ఈ విధంగా తీసుకున్న U235 పూర్తిగా విచ్ఛిన్నం అయ్యే వరకు చర్య జరుపుతూనే ఉంటుంది. దాన్నే శృంఖల చర్య అంటారు. 	 
ఈ శృంఖల చర్యలో అపారమైన శక్తి విడుదల అవుతుంది. దాన్ని రెండు రకాలుగా ఉపయోగించుకోవచ్చు. పరమాణు బాంబ్ రూపంలో మానవ జాతిని నాశనం చేయవచ్చు లేదా నియంత్రించి పరమాణు విద్యుత్కేంద్రాలలో విద్యుదుత్పత్తిని చేయవచ్చు. కేంద్రక విచ్ఛిత్తి శృంఖల చర్యను నియంత్రించి, దాన్ని నెమ్మదిగా జరిపి, శక్తిని విడుదల చేసే అమరికను న్యూక్లియర్ రియాక్టర్ అంటారు. ఒక పరమాణు విద్యుత్ కేంద్రంలో ముఖ్యంగా ఒక న్యూక్లియర్ రియాక్టర్, ఉష్ణమార్పిడి చేసే విభాగం, టర్బైను, విద్యుత్ జనరేటరు ఉంటాయి. 
నక్షత్రాలు, సూర్యుడు శక్తిని పొందే విధానం
కేంద్రక మేళన చర్యలు లేదా కేంద్రక సంలీన చర్యలు అనే కేంద్రక చర్యలు నిరంతర నక్షత్రాలు, సూర్యునిలో జరగడం వల్ల మనకు వాటి నుంచి శక్తి లభిస్తోంది. ఈ చర్యల్లో 4 ప్రోటాన్లు కలిసి ఒక హీలియం కేంద్రకంగా ఏర్పడుతూ శక్తిని విడుదల చేస్తాయి.వాటినే కేంద్రక మేళన లేదా సంలీనచర్యలు అంటారు. 
కేంద్రకాలు వికర్షణను అధిగమించి ఈ చర్యలను జరపాలి కాబట్టి అత్యధిక ఉష్ణోగ్రత కావాలి. అందుకే చర్యలను ఉష్ణకేంద్రక చర్యలని కూడా పిలుస్తారు. వీటిలో క్రియా జనకాల మొత్తం ద్రవ్యరాశి, క్రియాజన్యాల మొత్తం ద్రవ్యరాశి కంటే ఎక్కువ ఉంటుంది. ఈ ద్రవ్యరాశి తరుగుశక్తిగా మారి బయటకు వస్తుంది. సూర్యుడు, నక్షత్రాల కేంద్రాల్లో అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతలు ఉండటం వల్ల ఈ సంలీన చర్యలు జరుగుతున్నాయి. ఈ శక్తినీ మానవ ప్రయోజనానికి ఉపయోగపడే విధంగా కేంద్రక సంలీన చర్యలపై పరిశోధనలు జరుగుతున్నాయి.
వర్గం:భౌతిక శాస్త్రము