अणू

अणू म्हणजे पदार्थाचा सर्वात लहान घटक जो त्याच्या रासायनिक गुणधर्मांसह टिकून राहतो. कोणताही पदार्थ अणूंनी बनलेला असतो आणि प्रत्येक अणू केंद्रक व त्याभोवती फिरणारे इलेक्ट्रॉन यांनी बनलेला असतो. केंद्रकात प्रोटॉन व न्यूट्रॉन असतात. अणूचा आकार अत्यंत लहान असतो; तरीही त्याची रचना समजल्यामुळे रसायनशास्त्र, भौतिकशास्त्र आणि जीवशास्त्र यांतील अनेक प्रश्न सुटले. अणूची कल्पना प्राचीन काळापासून मांडली जात होती, परंतु प्रयोगांवर आधारित सिद्धांत विसाव्या शतकात विकसित झाला. आज अणूच्या रचनेवर आधारित अनेक तंत्रज्ञाने — औषधे, अर्धवाहके, अणुभट्ट्या आणि वैद्यकीय उपकरणे — रोजच्या जीवनात वापरली जातात.

माहिती

अणूमध्ये केंद्रकाचा आकार संपूर्ण अणूच्या तुलनेत अत्यंत लहान असतो, परंतु त्यातच जवळपास संपूर्ण वस्तुमान असते. केंद्रकाभोवती इलेक्ट्रॉन वेगवान गतीने असतात. प्रोटॉनची संख्या म्हणजे अणुक्रमांक आणि तीच मूलद्रव्याची ओळख ठरवते. प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांच्या बेरजेला वस्तुमानांक असे म्हणतात. एकाच मूलद्रव्याच्या वेगवेगळ्या न्यूट्रॉन संख्या असलेल्या अणूंना समस्थानिके असे म्हणतात.

कण	स्थान	विद्युतभार
प्रोटॉन	केंद्रकात	धन
न्यूट्रॉन	केंद्रकात	तटस्थ
इलेक्ट्रॉन	केंद्रकाभोवती	ऋण
क्वार्क	प्रोटॉन व न्यूट्रॉनच्या आत	अंशतः भार
फोटॉन	ऊर्जा वाहून नेणारा कण	भार नाही

अणूंची जोडणी होऊन रेणू तयार होतात. दोन हायड्रोजन अणू व एक ऑक्सिजन अणू जोडले जाऊन पाण्याचा रेणू तयार होतो. रासायनिक अभिक्रियांमध्ये अणू नष्ट होत नाहीत किंवा नव्याने तयार होत नाहीत; ते फक्त पुनर्रचना होतात.

प्राचीन कल्पना

पदार्थ अखंड आहे की त्याचे लहान कण असतात, हा प्रश्न प्राचीन काळापासून विचारले जात होता. ग्रीसमध्ये डेमोक्रिटस यांनी पदार्थाचे अंतिम अविभाज्य कण असतात अशी कल्पना मांडली. भारतातही वैशेषिक दर्शनात परमाणूची संकल्पना आढळते; कणाद या विचारवंतांशी ती जोडली जाते. या कल्पना तत्त्वचिंतनावर आधारित होत्या आणि प्रयोगांनी पडताळलेल्या नव्हत्या.

डाल्टनचा सिद्धांत

जॉन डाल्टन यांनी १८०८ मध्ये अणुसिद्धांत मांडला. त्यानुसार प्रत्येक मूलद्रव्य अविभाज्य अणूंनी बनलेले असते आणि एका मूलद्रव्याचे सर्व अणू एकसारखे असतात. वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांचे अणू वस्तुमानाने वेगळे असतात आणि संयुगांमध्ये ते साध्या गुणोत्तरात जोडले जातात. या सिद्धांताने रसायनशास्त्राला परिमाणात्मक आधार दिला.

पुढील संशोधनात असे आढळले की अणू अविभाज्य नाहीत आणि एकाच मूलद्रव्याचे अणू वस्तुमानात थोडे वेगळे असू शकतात. तरीही डाल्टनच्या कल्पनेतील मूलभूत विचार आजही वैध आहेत.

इलेक्ट्रॉन आणि केंद्रक

१८९७ मध्ये जे. जे. थॉमसन यांनी इलेक्ट्रॉनचा शोध लावला आणि असे दाखवले की अणूमध्ये ऋण भाराचे कण असतात. त्यांनी अणूचे एक मॉडेल मांडले ज्यात धन भार संपूर्ण अणूभर पसरलेला असून त्यात इलेक्ट्रॉन रुतलेले असतात.

१९११ मध्ये अर्नेस्ट रुदरफोर्ड यांनी सोन्याच्या पातळ पत्र्यावरील प्रयोगाच्या आधारे नवे मॉडेल मांडले. या प्रयोगात काही कण मोठ्या कोनात परावर्तित झाले, ज्यावरून असे स्पष्ट झाले की अणूचे संपूर्ण धन भार एका अत्यंत लहान केंद्रकात केंद्रित आहे. १९३२ मध्ये जेम्स चॅडविक यांनी न्यूट्रॉनचा शोध लावला आणि केंद्रकाची रचना पूर्ण झाली.

रुदरफोर्ड व बोर मॉडेल

रुदरफोर्डच्या मॉडेलनुसार इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती सूर्याभोवतीच्या ग्रहांसारखे फिरतात. परंतु भौतिकशास्त्राच्या नियमांनुसार अशा प्रकारे फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉनने सतत ऊर्जा बाहेर टाकली पाहिजे आणि शेवटी केंद्रकात पडले पाहिजे. प्रत्यक्षात तसे होत नाही, ही या मॉडेलची मर्यादा होती.

१९१३ मध्ये नील्स बोर यांनी सुधारित मॉडेल मांडले. त्यानुसार इलेक्ट्रॉन केवळ काही निश्चित कक्षांतच राहू शकतात आणि त्या कक्षांत असताना ते ऊर्जा टाकत नाहीत. एका कक्षेतून दुसऱ्या कक्षेत जाताना ते विशिष्ट ऊर्जेचे किरण शोषून घेतात किंवा सोडतात. या कल्पनेमुळे मूलद्रव्यांच्या वर्णपटातील रेषा समजावून सांगता आल्या.

पुढे क्वांटम यांत्रिकीने असे दाखवले की इलेक्ट्रॉनचे निश्चित कक्ष नसतात; त्यांची स्थिती संभाव्यतेद्वारे वर्णन केली जाते. तरीही बोरचे मॉडेल सोपे असल्याने अध्यापनात मोठ्या प्रमाणात वापरले जाते.

अणूचा आकार आणि बल

अणूचा व्यास सुमारे एका अंशाच्या दशकोटी भागाइतका असतो आणि केंद्रक त्याहून अनेक पटींनी लहान असतो. केंद्रकाचा व्यास अणूच्या व्यासाच्या सुमारे लाखाव्या भागाइतका असतो. तरीही अणूचे जवळपास संपूर्ण वस्तुमान केंद्रकातच असते.

केंद्रकातील प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांना एकत्र ठेवणारे बल अत्यंत तीव्र असते आणि ते अत्यंत कमी अंतरावरच कार्यरत राहते. काही जड केंद्रके अस्थिर असतात आणि ती किरणोत्सर्गाद्वारे स्थिर होण्याचा प्रयत्न करतात. हा गुणधर्मच अणुऊर्जेचा आधार आहे.

अणूंचा अभ्यास करण्यासाठी आज अत्यंत शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शके आणि त्वरक वापरले जातात. या उपकरणांमुळे पृष्ठभागावरील अणूंची रचना पाहता येते आणि नव्या पदार्थांच्या निर्मितीसाठी माहिती मिळते.

रेणू, बंध आणि समस्थानिके

अणू परस्परांशी जोडले जाऊन रेणू तयार होतात आणि या जोडणीला रासायनिक बंध असे म्हणतात. एका अणूचे इलेक्ट्रॉन दुसऱ्या अणूकडे पूर्णपणे जात असतील तर तयार होणाऱ्या विद्युतभारित कणांमधील आकर्षणामुळे बंध तयार होतो. उदाहरणार्थ, सोडियम आणि क्लोरिन यांच्या संयोगातून मिठाचा रेणू तयार होतो.

दुसऱ्या प्रकारात अणू इलेक्ट्रॉनांची देवाणघेवाण करत नाहीत, तर ते इलेक्ट्रॉन वाटून घेतात. अशा बंधामुळे तयार होणारे रेणू सामान्यतः तुलनेने स्थिर असतात. पाण्याचा रेणू या प्रकारचा आहे. बंधाचा प्रकार रेणूचे आकार, ताकद आणि गुणधर्म ठरवतो.

एकाच मूलद्रव्याच्या वेगळ्या न्यूट्रॉन संख्या असलेल्या अणूंना समस्थानिके असे म्हणतात. कार्बनचे काही समस्थानिक अस्थिर असतात आणि विशिष्ट वेळानंतर क्षय पावतात. या क्षयाच्या दरावरून प्राचीन वस्तूंचे वय ठरवले जाते.

क्षयी समस्थानिकांचा वापर वैद्यकातही होतो. कर्करोगाच्या निदान व उपचारात काही समस्थानिके वापरली जातात. कृषी आणि अन्न संरक्षणातही किरणोत्सर्गाचा मर्यादित वापर केला जातो. या सर्व वापरांमध्ये सुरक्षेचे कडक नियम पाळले जातात.

अणु ऊर्जा

काही जड केंद्रकांचे विभाजन झाल्यावर मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा मुक्त होते; या प्रक्रियेला केंद्रकीय विखंडन असे म्हणतात. ही प्रक्रिया १९३८ मध्ये शोधली गेली. विखंडनातून निघणारे न्यूट्रॉन पुढील केंद्रकांचे विभाजन करू शकतात आणि अशा प्रकारे शृंखलाबद्ध अभिक्रिया तयार होते.

अणुभट्टीत ही अभिक्रिया नियंत्रित गतीने चालवली जाते आणि त्यातून निघणाऱ्या उष्णतेने वाफ तयार करून वीज निर्माण केली जाते. भारतात अणुऊर्जा निर्मिती अनेक दशकांपासून होत आहे. या तंत्रज्ञानाचे फायदे असले, तरी किरणोत्सर्गाची सुरक्षा, कचऱ्याची विल्हेवाट आणि दुर्घटनांचा धोका या बाबींचे काटेकोर नियोजन आवश्यक असते.

संदर्भ

शेवटचे संपादन: ८ नोव्हेंबर २०२६