అణువు

Question: ఎలక్ట్రాన్ ఏ విద్యుదావేశాన్ని కలిగి ఉంటుంది?


అణువులు: నిర్వచనం
ఏదైనా ఒక రసాయన మూలకాన్ని తీసుకుని దాన్ని చిన్న చిన్న ముక్కలుగా విభజించుకుంటూ పోతే ఆ మూలకం యొక్క రసాయన వ్యక్తిత్వాన్ని పోగొట్టుకోకుండా ఉండగలిగిన అతి చిన్న ముక్కని అణువు (atom) అని నిర్వచించేరు (smallest recognized division of a chemical element). అనగా అణువు అనేది రసాయన మూలకాలను నిర్వచించే పదార్థం యొక్క అతి చిన్న యూనిట్. ప్రతి ఘన, ద్రవ, వాయు, మరియు ప్లాస్మా అనేవి తటస్థ లేదా అయనీకరణ పొందిన అణువుల సమూహాలు. అణువులు చాలా చిన్నవి: అణువుల యొక్క పరిమాణాన్ని పికొమీటర్లలో (పికోమీటరు = 10−12 మీటరు) కొలుస్తారు .
అణువుల కట్టడి
అణువులు ఎలా ఉంటాయో ఎవ్వరూ కంటితో చూడలేదు కాని, వాటి నిర్మాణశిల్పాన్ని ప్రతిబింవబించే నమూనాలు మాత్రం రెండు ఉన్నాయి. ఈ రెండు నమూనాలలోను అణువులో రెండు భాగాలు ఉన్నట్లు ఊహించుకోవచ్చు. అణువు మధ్యలో ఉన్న భాగాన్ని కణిక అని కాని కేంద్రకం (nucleus) అని కాని అంటారు. అణువు ద్రవ్యరాసి (mass) లో సింహభాగం (99.94% పైగా) ఈ కణిక లేదా కేంద్రకంలో ఉంది. మిగిలిన అత్యల్ప ద్రవ్యరాసి అణువు చుట్టూ ఉన్న ఎలక్‌ట్రానులలో ఉంది. బోర్‌ నమూనాలో ఈ ఎలక్‌ట్రానులని సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాల మాదిరి ఊహించుకుంటాం. ప్రస్తుతం అత్యంత ఆదరణ పొందిన రెండవ నమూనాలో ఈ ఎలక్‌ట్రానులని ఒక మేఘంలా ఊహించుకుంటాం.
ప్రతి అణువు యొక్క కణిక లేదా కేంద్రకంలో ఒకటి లేదా అంతకంటె ఎక్కువ ప్రోటాన్లు ఉంటాయి. కొన్ని అణు కేంద్రకాలలో నూట్రానులు కూడా ఉంటాయి. ప్రోటానులను, న్యూట్రానులను కలిపి నూక్లియానులు అని కూడా అంటారు. ప్రోటాన్లు ధనాత్మక విద్యుదావేశమును కలిగి వుంటాయి, ఎలక్ట్రాన్లు ఋణాత్మక విద్యుదావేశమును కలిగి వుంటాయి. న్యూట్రాన్లు ఏ విద్యుదావేశమును కలిగి వుండవు. ప్రోటాన్ల సంఖ్య, ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య సరి సమానంగా ఉంటే, ఆ అణువు ఏ విద్యుదావేశం లేకుండా తటస్థంగా ఉంటుంది. ఒక అణువులో ప్రోటాన్లు, ఎలెక్‌ట్రానులు సరిసమానంగా లేకపోతే అప్పుడు అది ధనాత్మక లేదా ఋణాత్మక ఆవేశాన్ని కలిగి ఉంటుంది. అప్పుడు దానిని ఒక అయాన్ అంటారు.
పరమాణువు
పరమాణువు అంటే అణువు కంటే చిన్న కణము. పరమాణువు కణాలకు కొన్ని ఉదాహరణలు: ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లు, ఎలక్ట్రాన్లు. వీటిని కూడా ఇంకా చిన్నవి అయిన క్వార్క్‌లు అనే ఊహాత్మక కణాల సంయోగాలుగా నమూనాలు ఉన్నాయి. అనగా, ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లు, ఎలక్‌ట్రానులు కూడా క్వార్క్‌లతో కట్టినట్లు అని ఊహించుకోవచ్చు.
అణువా? పరమాణువా? అయోమయం
atom అనే ఇంగ్లీషు మాటని తెలుగులో అణువు అంటాము. అప్పుడు అణువు కంటే చిన్న కణాలను పరమాణువులు అవుతాయి. కాని హిందీ, కన్నడ భాషలలో atom అనే పదాన్ని పరమాణువు అని, atom కంటే చిన్న కణాలను "ఉప పరమాణు కణము" అనీ అంటున్నారు. అందువలన atomని కొందరు తెలుగులో మాత్రం అణువు అనిన్నీ, కొందరు పరమాణువు అనిన్నీ వేరు వేరు పదాలు వాడడం వలన ఇబ్బంది వస్తోంది. దీనితో అణువు అంటే ఏమిటి? పరమాణువు అంటే ఏమిటి? అన్న అనుమానం పెను భూతమై కూర్చుంది.
అయోమయ నివృత్తి
ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రంలో, ఇంగ్లీషులో, ప్రపంచవ్యాప్తంగా వాడుకలో ఉన్న atom అన్న మాటకి సమానార్థకమైన తెలుగు మాట ఏమిటో పరిశీలిద్దాం.
ప్రాచీన భారతదేశంలో కాణాదుడు అణుసిద్ధాంతాన్ని ప్రతిపాదించేడు. ఆయన ప్రపంచంలోని వస్తువులన్నీ "అణువు"ల సముదాయం అన్నారు. ఆయన "అణువు" అన్న మాటనే వాడేరు. ఆయన "అణువు" అని పిలచినది ఈనాటి atomతో సరి తూగుతుందా అని విచారించాలి. అదే కాణాదుడు "రెండేసి అణువుల సమూహాన్ని "ద్వియాణువు" అనిన్నీ, మూడేసి అణువుల సమూహాన్ని "త్రయాణువు" అని కూడా అభివర్ణించేరు. కనుక కాణాదుడు వాడిన "ద్వియాణువు," "త్రయాణువు" అన్న భావాలని కలగలిపి ఈనాడు మోలిక్యూల్ (molecule) తో సరిపోల్చవచ్చు. కనుక కాణాదుడు అణువు అన్నప్పుడు ఆయన ఉద్దేశం atom అనే అని తెలుస్తున్నాది కదా.
మంత్రపుష్పంలో ఆత్మ ఎలా ఉంటుంది? ఎక్కడ ఉంటుంది? అన్న ప్రశ్నలకి సమాధానం చెబుతూ ఋగ్వేదంలో ఉన్న మంత్రపుష్పంలో "నీవారశూకవర్తన్వీ పీతాభాస్వతణూపమా" అని ఉంది. ఇది ఋగ్వేదంలో ఉన్న మంత్రం. దీనిని భారతదేశంలో పూజ చేసినప్పుడల్లా పఠిస్తూ ఉంటారు. నీవార ధాన్యపు మొనలా అణు ప్రమాణంలో ఆత్మ హృదయ పీఠంలో ఉంది అని అర్థం. ఇక్కడ వాడిన మాట "అణు." ఇది ద్వియాణువు కాదు, త్రయాణువు కాదు, బహుళాణువు కాదు.
మనం రోజూ వార్తా పత్రికలలో చూసే "అణు శక్తి కేంద్రం," "అణు బాంబు," అణ్వస్త్ర ప్రయోగం" వంటి పేర్లే వింటున్నాము కాని పరమాణు శక్తి, పరమాణు బాంబు, పరమాణు అస్త్రం వంటి పదబంధాలు వినడం లేదు కదా.
కనుక atom అన్న మాటకి అణువు అన్నదే సమానార్థకం.
అలాగని "పరమాణువు"ని పెంట మీద పారెయ్యక్కరలేదు. ఎలక్‌ట్రానులని, ప్రోటానులని, నూట్రానులని కలగలిపి పరమాణువులు అనొచ్చు. 
అణువు
ఇప్పుడు మోలిక్యూలు అనే మాటకి తెలుగు మాట కావాలి. ఒక మోలిక్యూలులో రెండు అణువులు (atoms) ఉండొచ్చు, రెండు వందల అణువులు ఉండొచ్చు. దీనికి "బహుళాణువు" (ద్వయాణువు, త్రయాణువు అన్న సంప్రదాయం ప్రకారం) అని పేరు పెట్టవచ్చు. బహుళాణువునే కుదించి బణువు అని తెలుగు భాషా పత్రికలో 1970లో ఒకరు వాడేరు. చిన్న చిన్న అణుసమూహాలని బణువు అనిన్నీ, మరీ పెద్దగా ఉన్న అణు సమూహాలని బృహత్‌ బణువు (mega molecule) అనొచ్చు. అప్పుడు బాగా పొడుగైన రబ్బరు వంటి బణువులని, వారసవాహికల బణువులని బృహత్‌బణువులు అనొచ్చు.
అణువు నిర్మాణ శిల్పం
సా. శ 1896 లో, యూరోప్ లో, హెన్రి బెక్విరల్, మరీ క్యూరీ, పియేర్ క్యూరీ ప్రకృతి సిద్ధంగా జరిగే “రేడియో ధర్మం” అనే ప్రక్రియని అధ్యయనం చేస్తూ “కత్తిరించడానికి కూడా వీలు పడని సూక్ష్మాతి సూక్ష్మమైన అణు రూపం” అని మనం అభివర్ణిస్తున్న అణువు లోపల అంతర్గతమైన నిర్మాణశిల్పం ఉందనే భావానికి పునాదులు వేసేరు. 
సా. శ 1897 లో, బ్రిటన్ లో, కేథోడ్ కిరణాల మీద పరిశోధన చేస్తున్న జె. జె. థాంసన్ ఏమన్నాడంటే కేథోడ్ కిరణాలు నిజానికి విద్యుత్ తత్త్వం పూనిన, ఉదజని అణువు కంటే చిన్నవయిన, రేణువులు అన్నాడు. ఈ రేణువులకి తరువాత “ఎలక్ట్రాన్లు” (electrons) అని పేరు పెట్టేరు. అనగా అణువులో “ఎలక్ట్రానులు” అనే రేణువులు ఉన్నాయి! అణువుని కత్తిరించి లోపల చూడవచ్చన్నమాట! అణుగర్భంలో ఇంకేమి ఉన్నాయో?
గుళిక వాదం (Quantum Theory)
ఇది ఇలా ఉండగా, మరొక సందర్భంలో, జర్మనీలో, మాక్స్ ప్లాంక్ అనే పరిశోధకుడు ఒక రకం ఇబ్బందిలో పడ్డాడు. నల్లటి ఇనప కడ్డీని వేడి చేస్తే ముందు ఎర్రగాను, ఇంకా వేడి చేస్తే తెల్లగాను అవుతుంది. ఇది మనందరికీ తెలిసిన విషయమే. కానీ “చల్లగా ఉన్నప్పుడు నల్లగా ఉన్న కడ్డీ వేడెక్కుతున్నకొద్దీ ఎందుకు రంగు మారుతుంది?” ఈ రకం ప్రశ్న మనలాంటి సామాన్యులు అడగరు. కానీ మాక్స్ ప్లాంక్ అడిగేడు. ప్రయోగాలు చేసి చూసేడు. మంటలో ఉన్న శక్తి (energy) “ఒక నదీ  ప్రవాహంలా” కొలిమి నుండి కడ్డీ లోకి ప్రహిస్తుంది అని అనుకున్నంతసేపూ ఆయనకి సంతృప్తికరమైన సమాధానం దొరకలేదు. కాని, వేడి కొలిమి నుండి కడ్డీ లోకి “వాన చినుకులులా, బొట్లు బొట్లుగా,” ప్రవహిస్తోంది అని అనుకుంటే ప్రయోగానికి, సిద్దాంతానికి మధ్య పొత్తు కుదురుతోంది. ప్రత్యక్ష ప్రమాణానిదే పైచేయి కనుక - అయిష్టంగానే - శక్తి ధారలా ప్రవహించదు, బొట్లు బొట్లు గానే ప్రవహిస్తుంది అని, సా. శ 1900 నాటికి అందరూ ఒప్పుకోక తప్పలేదు. అనగా ఉష్ణ శక్తి నిజ స్వరూపం బొట్లు, బొట్లుగా, గుళికలలా, ఉంటుంది (heat energy is quantized).
సా. శ 1905 లో ఆయిన్^స్టయిన్ ప్రతిపాదించిన సాధారణ సాపేక్ష సిద్దాంతం పర్యవసానంగా కాంతి రూపంలో ఉన్న శక్తి నిజ స్వరూపం కూడా గుళికలలానే ఉంటుంది అని తేలిపోయింది (light energy is also quantized). గుళిక వాదం (quantum theory) కి పునాదులు పడుతున్నాయి. 
ఇది ఇలా ఉండగా, బ్రిటన్ లో, ఎర్నస్ట్ రూథర్^ఫోర్డ్ పల్చటి బంగారపు రేకుని జోరుగా ప్రవహిస్తున్న “ఆల్ఫా” కణాలతో బాదాడు. ఈ కణాలు, ఏ ఒక్కటీ కూడా, అణు గర్భం గుండా పోకుండా, ఎల్లప్పుడూ పక్కకి తప్పించుకునే ప్రయాణం చేసాయి. ఈ “ఆల్ఫా” కణాలకి ధన విద్యుదావేశం ఉంటుంది. ఈ లక్షణాన్ని ఆధారంగా చేసుకుని అణు గర్భంలో కూడా ఏదో ధన విద్యుదావేశం ఉన్న పదార్థం ఉందని 1911 లో తీర్మానానికి వచ్చాడు. (ఒకే రకమైన విద్యుదావేశాలు వికర్షించుకుంటాయి కనుక!) తరువాత సిద్దాంతాల ద్వారా అణు గర్భంలో ఉన్న ధన విద్యుదావేశపు పదార్థం (దీన్ని కణిక అందాం) తప్ప మిగిలినది అంతా ఖాళీయే అని తీర్మానించారు. అదే నిజం అయితే ఎలక్ట్రాన్లు కణిక చుట్టూ ప్రదక్షిణాలు చేస్తూ ఉండాలి. అదే నిజం అయితే ప్రదక్షిణాలు చేసే ఎలక్ట్రాన్లు తమ శక్తిని క్రమేపి కోల్పోయి మధ్యలో ఉన్న కణికలో పడిపోవాలి. అది జరగడం లేదు!
పచ్చి వెలక్కాయలా గొంతుకకి అడ్డం పడ్డ ఈ చిక్కు సమస్యని డెన్మార్క్ దేశస్థుడు నీల్స్ బోర్, 1913 లో, పరిష్కరించాడు. ఈయన ఏమన్నాడంటే ఎలాక్^ట్రానుల ప్రవర్తనని కూడా గుళికీకరించాలన్నాడు. అంటే? ఎలక్ట్రాన్లు కణిక చుట్టూ - సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరుగుతున్నట్లు - ఎప్పుడూ ఏదో ఒక నిర్దేశించిన కక్ష్య లోనే తిరగాలి తప్ప తన ఇష్టం వచ్చినట్లు తిరగకూడదు. ఒక కక్ష్య నుండి మరొక కక్ష్య లోకి గభీ మని “గుళిక గెంతు” (quantum jump) వేయ వచ్చు కానీ నెమ్మదిగా “జరుగుతూ” వెళ్ళకూడదు. అనగా ఎలక్ట్రాన్లు ప్రదక్షిణం చేసే కక్ష్యలని కూడా గుళికీకరించాలి (quantization of electron orbits).
దరిమిలా అణు గర్భంలో రెండు రకాల రేణువులు (particles) ఉన్నాయని తెలిసింది. ఒకటి, ఇందాక తారసపడ్డ, ధనావేశంతో ఉన్న ప్రోటాను. ఇది కాకుండా ఏ రకమైన ఆవేశం లేకుండా తటస్థంగా ఉండే నూట్రాను అనే రేణువు కూడా ఉందని కనుక్కున్నారు. దీనితో ఛేదించడానికి వీలు పడదనుకున్న అణువులో మూడు రకాల రేణువులు ఉన్నాయని తేలింది. వీటిని పరమాణువులు (sub-atomic particles) అందాం.. 
అణు పరిశోధనలో గుళిక వాదం నెమ్మదిగా తలెత్తున్న తరుణంలో జర్మనీలో హైజెన్^బర్గ్ అనే అయన, 1927 లో, ఒక మెలిక వేసేడు. ఈయన అన్నది ఏమిటంటే అణు ప్రపంచంలో ఒక రేణువు ఒక సమయంలో ఎక్కడ ఉందో నిర్ధారించి చెప్పగలిగితే అదే సమయంలో అది ఎంత జోరుగా ప్రయాణం చేస్తున్నాదో చెప్పడం అసంభవం. అలాగే, ఒక రేణువు, ఒక సమయంలో, ఎంత జోరుగా ప్రయాణం చేస్తున్నాదో చెప్పగలిగితే అదే సమయంలో అది ఎక్కడ ఉందో నిర్ధారించి చెప్పడం అసంభవం. కష్టం కాదు, అసంభవం! అలాగే పౌలి (Pauli) సూత్రం ప్రకారం ఒకే లక్షణాలు కల రెండు ఎలక్ట్రానులు ఒకే చోట ఉండలేవు. అనగా ఒకే రకమైన కత్తులు రెండు ఒకే ఒరలో ఇమడవు. ఇలా గుళిక సిద్దాంతం పెరుగుతూ వచ్చింది. 
ఎప్పుడో శతాబ్దాల క్రితం కణాదుడు వేసిన విత్తు పోషణ లేక మరుగున పడిపోయినా ఇటీవలి కాలంలో పాశ్చాత్య ప్రపంచంలో అదే భావం తిరిగి తలెత్తి వటవృక్షంలా పెరిగి మన జీవన శైలినే మార్చి వేసింది.
మూలాలు

వర్గం:అణువులు
వర్గం:పరమాణువులు
వర్గం:రసాయన శాస్త్రము
వర్గం:భౌతిక రసాయన శాస్త్రం
వర్గం:అయోమయ నివృత్తి