ഊർജം - കൂടുതൽ വിവരങ്ങൾ

ഊർജം

പ്രവൃത്തി ചെയ്യാനുള്ള ശേഷി. ഫലം പലവിധത്തിലാകാം. ഉദാ. ഒരു വസ്‌തുവിന്റെ സ്ഥാനം മാറ്റുക, രൂപം മാറ്റുക, താപനില ഉയർത്തുക എന്നീ ഫലങ്ങള്‍ ഉളവാക്കുവാന്‍ ഊർജം(energy) ആവശ്യമാണ്‌. ഏതു ചലനസ്ഥിതിയുടെ മാറ്റത്തിനും ബലവും ഊർജവും ആവശ്യമാണ്‌. ജോലി ചെയ്യുമ്പോഴും കളിക്കുമ്പോഴും പ്രവൃത്തി ചെയ്യപ്പെടുന്നു അഥവാ ഊർജം ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു. ഭൗതികത്തിൽ ഊർജത്തെ നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത്‌ താഴെ കൊടുക്കുന്ന വിധത്തിലാണ്‌; ബലത്തിന്റെ പ്രയോഗബിന്ദു ചലിക്കുമ്പോള്‍ പ്രവൃത്തി നിർവഹിക്കപ്പെട്ടതായി പറയാം. ബലത്തിന്റെ പരിമാണവും ബലത്തിന്റെ ദിശയിൽ ഉണ്ടായ സ്ഥാനാന്തരവും തമ്മിലുള്ള ഗുണനഫലമാണ്‌ പ്രവൃത്തിയുടെ അളവ്‌.

A എന്ന ബിന്ദുവിൽ അഇ എന്ന ദിശയിലേക്ക്‌ Fഎന്ന ബലം(force) പ്രവർത്തിക്കുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. ബലപ്രയോഗം ഹേതുവായി അക്ക്‌ ആയിലേക്കു വിസ്ഥാപനം (displacement) സേംഭവിക്കുന്നു എന്നു കരുതുക.AB, AC എന്നീ ദിശകള്‍ തമ്മിലുള്ള കോണം ആണെങ്കിൽ നിർവഹിക്കപ്പെടുന്ന പ്രവൃത്തി W = FS ആെയിരിക്കും. ഇവിടെ A B = S എന്ന്‌ സങ്കല്‌പിച്ചിരിക്കുന്നു. F ഉം S ഉം ഒരേ ദിശയിലാണെങ്കിൽ, Cos = 1അഥവാ W = FS. വിസ്ഥാപനം ഇല്ലെങ്കിൽ പ്രവൃത്തി ചെയ്‌തതായി കണക്കാക്കുന്നില്ല, അതായത്‌ S = 0ആണെങ്കിൽ, W = 0.അതുപോലെ ബലം ഒട്ടും പ്രവർത്തിക്കുന്നില്ലെങ്കിലും പ്രവൃത്തി ഉണ്ടാകുന്നില്ല. ബലം പ്രയോഗിക്കുന്ന ദിശയ്‌ക്കു ലംബമായിട്ടാണ്‌ വിസ്ഥാപനമുണ്ടാകുന്നതെങ്കിൽ ആ വിസ്ഥാപനം പ്രയുക്തമാകുന്ന ബലത്തിന്റെ ഫലമല്ല. അതുകൊണ്ടും "പ്രവൃത്തി' ഉണ്ടാകുന്നില്ല.= 90O ആണെങ്കിൽ W = 0 ആയിരിക്കും. "പ്രവൃത്തി' സാങ്കേതികമായ ഒരർഥത്തിലാണ്‌ ഇവിടെ പ്രയോഗിക്കുന്നത്‌. ഒരാള്‍ 100 കിലോഗ്രാം ഭാരം തലയിലേറ്റി എത്രനേരം നിന്നാലും ഭാരത്തിനു വിസ്‌ഥാപനം വരാത്തതുകൊണ്ട്‌, സാങ്കേതികാർഥത്തിൽ പ്രവൃത്തി നിർവഹിക്കപ്പെടുന്നില്ല. ഭാരത്തെ തലയിൽ എത്തിക്കാന്‍ പ്രയത്‌നം ആവശ്യമാണ്‌. പ്രവൃത്തി ചെയ്യപ്പെടുന്ന വേഗം, ശക്തിയെ (power) ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. ഒരു സെക്കന്‍ഡിൽ നിർവഹിക്കപ്പെടുന്ന പ്രവൃത്തിയെയാണ്‌ ശക്തിയുടെ മാത്രയായി നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത്‌. ശക്തി, ബലം, ഊർജം എന്നീ പദങ്ങള്‍ നിയതമായ അർഥത്തിലാണ്‌ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നത്‌.

ഊർജത്തിന്റെ മാത്ര. ശാസ്‌ത്രത്തിൽ പ്രചാരം സിദ്ധിച്ചിട്ടുള്ള ഒരു മാത്രയാണ്‌ എർഗ്‌(erg)). W = FSഎന്ന സമവാക്യത്തിൽ F = 1 S = 1 ആണെങ്കിൽ W = 1 ആയിരിക്കും. ഒരു ഡൈന്‍ (dyne) ബലത്തിന്റെ പ്രയോഗബിന്ദു ബലത്തിന്റെ ദിശയിൽ 1 സെ.മീ. നീങ്ങുമ്പോള്‍ ചെയ്യപ്പെടുന്ന പ്രവൃത്തിയുടെ അളവാണ്‌ എർഗ്‌. പ്രായോഗികതലത്തിൽ നിന്നും വീക്ഷിച്ചാൽ, ഇത്‌ വളരെച്ചെറിയൊരു മാത്രയാണ്‌. അതുകൊണ്ട്‌ ജൂള്‍ (joule) എന്ന ടക മാത്രയാണ്‌ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കാറ്‌. 1 ന്യൂട്ടണ്‍ ബലത്തിന്റെ പ്രയോഗബിന്ദുവിന്‌ ബലത്തിന്റെ ദിശയിൽ 1 മീ. വിസ്ഥാപനം സംഭവിച്ചാൽ ചെയ്യപ്പെടുന്ന പ്രവൃത്തിക്കു തുല്യമാണിത്‌. എർഗിന്റെ ഒരു കോടി (107) മടങ്ങാണിത്‌. താപഗതികത്തിലെ ഒന്നാം നിയമത്തിന്റെ ഉപജ്ഞാതാവായ ജെയിംസ്‌ പ്രസ്‌കോട്ട്‌ ജൂള്‍ (1817-87) എന്ന ഭൗതികശാസ്‌ത്രജ്ഞന്റെ പേരിലാണ്‌ ഈ മാത്ര അറിയപ്പെടുന്നത്‌. പ്രായോഗികതലത്തിൽ ധാരാളം ഉപയോഗിക്കുന്ന മറ്റൊരു മാത്രയാണ്‌ കി.വാ.മ.(കിലോവാട്ട്‌ മണിക്കൂർ; k.w.h). ഒരു ജൂള്‍ പ്രവർത്തനം ഒരു സെക്കന്‍ഡ്‌ കൊണ്ട്‌ നിർവഹിക്കപ്പെട്ടാൽ ശക്തി ഒരു വാട്ട് (watt)ആണ്‌. 1000 വാട്ട്‌ എന്ന തോതിൽ ഒരു മണിക്കൂർ നേരത്തേക്ക്‌ ഊർജം ഉപയോഗിക്കുകയാണെങ്കിൽ ഉപയോഗിച്ച ഊർജത്തിന്റെ അളവ്‌ ഒരു കി.വാ.മ. ആണ്‌. അതായത്‌ 1 കി.വാ.മ. = 1000 x 60 x 60 = 3.6 x 106ജൂള്‍. വിദ്യുച്ഛക്തിയുടെ ഉപഭോഗം കണക്കാക്കുന്നത്‌ സാധാരണയായി കി.വാ.മ. എന്ന മാത്രയിലാണ്‌.

അണുഭൗതികത്തിൽ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്ന ഊർജമാത്രകള്‍ എർഗിനെക്കാള്‍ ചെറുതാണ്‌. ഇലക്‌ട്രാണ്‍വോള്‍ട്ട്‌ (eV)എന്നത്‌ അത്തരം ഒരു മാത്രയാണ്‌. ഒരു വോള്‍ട്ട്‌ പൊട്ടന്‍ഷ്യൽ അന്തരത്തിലൂടെ ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ സഞ്ചരിച്ചാൽ അതിനുണ്ടാകുന്ന ഊർജവ്യത്യാസമാണ്‌ ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ വോള്‍ട്ട്‌. അതായത്‌ 1 eV=1.602x10-19ജൂള്‍. ഇതിന്റെ ദശലക്ഷം മടങ്ങാണ്‌ ഒരു മില്യണ്‍ ഇലക്‌ട്രാണ്‍ വോള്‍ട്ട്‌ (MeV)1 MeV = 106eV. ശക്തിയുടെ ടക മാത്ര വാട്ട്‌ (watt) ആേണ്‌. ഒരു കാരകം (agency) സെക്കന്‍ഡിൽ ഒരു ജൂള്‍ എന്ന നിരക്കിൽ പ്രവൃത്തി ചെയ്യുന്നുവെങ്കിൽ (അഥവാ ഊർജം ചെലവിടുന്നുവെങ്കിൽ) അതിന്റെ ശക്തി ഒരു വാട്ട്‌ ആണെന്നു പറയും. 1000 വാട്ട്‌ ഒരു കിലോവാട്ടും ദശലക്ഷം വാട്ട്‌ ഒരു മെഗാവാട്ടുമാണ്‌. മുമ്പ്‌ ഉപയോഗത്തിലുണ്ടായിരുന്ന ഒരു യൂണിറ്റ്‌ ആണ്‌ കുതിരശക്തി (horse power). ഇത്‌ 745.7 വാട്ടിനു തുല്യമായി കണക്കാക്കുന്നു.

സ്ഥാനികോർജം (Potential energy). ഒരു വസ്‌തുവിന്‌ അതിന്റെ സ്ഥാനം കൊണ്ടോ അവസ്ഥകൊണ്ടോ പ്രവൃത്തിചെയ്യാനുള്ള കഴിവാണ്‌ സ്ഥാനികോർജം. 'm' പിണ്ഡമുള്ള ഒരു വസ്‌തുവിൽ ഭൂമിപ്രയോഗിക്കുന്ന ഗുരുത്വബലം mg(g-ഗുരുത്വത്വരണം) ആണ്‌. അതിനെ 'h' ഉയരത്തിൽ എത്തിക്കാന്‍ ഗുരുത്വബലത്തിനെതിരെ ചെയ്യേണ്ട പ്രവൃത്തിയുടെ അളവ്‌ F.S = mg.h ആണ്‌. പൂർവസ്ഥാനത്തേക്കു തിരിച്ചെത്തുമ്പോള്‍ അതിന്‌ അത്രയും പ്രവൃത്തി ചെയ്യാന്‍ കഴിയുന്നതുകൊണ്ട്‌ പ്രസ്‌തുത വസ്‌തുവിന്റെ സ്ഥാനികോർജം mgh ആയിരിക്കും. ആകർഷണബലംമൂലമുള്ള സ്ഥാനികോർജം ഋണവും(negative) വികർഷണബലംമൂലമുള്ളത്‌ ധനവും (positive)ആയി പരിഗണിക്കുന്നു. മുറുകിയ അവസ്ഥയിലുള്ള ഒരു സ്‌പ്രിങ്‌, വലിച്ചുമുറുക്കിയ ഒരു വില്ല്‌, ചാർജ്‌ ചെയ്‌ത ഒരു സെൽ, സ്‌ഫോടനശേഷിയുള്ളഒരു രാസവസ്‌തു തുടങ്ങിയവയ്‌ക്കെല്ലാം അവയുടെ അവസ്ഥമൂലം പ്രവൃത്തി ചെയ്യാനുള്ള ശേഷിയുണ്ട്‌. ഇവയെല്ലാം സ്ഥാനികോർജങ്ങള്‍ക്ക്‌ ഉദാഹരണമാണ്‌.

ഗതികോർജം (Kinetic energy). അണകെട്ടി നിർത്തിയ ജലം തുറന്നുവിട്ടാൽ വർധിതവേഗത്തോടെ ഒഴുകുന്നു. ഒഴുകുന്ന ജലത്തിനും പ്രവൃത്തി ചെയ്യാനുള്ള കഴിവുണ്ട്‌; അതായത്‌ ഊർജമുണ്ട്‌. ഇത്തരം ഊർജത്തെ ഗതികോർജമെന്നു പറയുന്നു. ഒരു വസ്‌തുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനം m-ഉം വേഗം v ഉം ആണെങ്കിൽ അതിന്റെ ഗതികോർജം K.E.=œ mv2.. വസ്‌തുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനമോ വേഗമോ കൂടുമ്പോള്‍ ഗതികോർജവും കൂടുന്നു.

വിവിധരൂപങ്ങള്‍. ഊർജം പലരൂപത്തിലും പ്രകടമാകുന്നു. അണകെട്ടി നിർത്തിയ ജലത്തിന്റെ സ്ഥാനികോർജം, ഒഴുകുന്ന ജലത്തിന്റെ ഗതികോർജം എന്നിവ യാന്ത്രികോർജത്തിന്‌ ഉദാഹരണങ്ങളാണ്‌. പക്ഷേ ഊർജം എല്ലായ്‌പോഴും യാന്ത്രികമാവണമെന്നില്ല. ഊർജത്തിന്റെ മറ്റു പ്രധാനരൂപങ്ങളാണ്‌ താപം, പ്രകാശം, ശബ്‌ദം, വൈദ്യുതി എന്നിവ. ഊർജത്തെ ഒരു രൂപത്തിൽനിന്ന്‌ മറ്റൊരു രൂപത്തിലേക്ക്‌ മാറ്റാവുന്നതാണ്‌. താപോർജത്തെ യാന്ത്രികോർജമായി മാറ്റുകയാണ്‌ താപയന്ത്രങ്ങളിൽ ചെയ്യുന്നത്‌. യാന്ത്രികോർജത്തെ വൈദ്യുതോർജമായി രൂപാന്തരപ്പെടുത്തുന്നവയാണ്‌ ജനറേറ്ററുകള്‍. വൈദ്യുതോർജം ആവശ്യാനുസരണം മറ്റനേകം ഊർജരൂപങ്ങളിലേക്ക്‌ മാറ്റാന്‍ കഴിയും. യഥാർഥത്തിൽ മിക്ക ഊർജരൂപങ്ങളും സൂക്ഷ്‌മതലത്തിൽ സ്ഥാനിക, ഗതിക ഊർജങ്ങളിൽ ഒന്നാണ്‌. ഉദാ. ചെടികള്‍ സംഭരിക്കുന്ന അന്നജം (രാസോർജം), താപോർജം (തന്മാത്രകളുടെ ഗതികോർജം), വൈദ്യുതോർജം (ഇലക്‌ട്രാണുകളുടെ ഗതികോർജം) മുതലായവ.

രാസോർജം (Chemical energy). സൗരോർജം ഉപയോഗിച്ച്‌, സസ്യങ്ങള്‍ അവയുടെ ഇലയിലും തടിയിലും വേരിലും മറ്റും പഞ്ചസാര, സെല്ലുലോസ്‌ തുടങ്ങിയ പദാർഥങ്ങള്‍ നിർമിച്ചു സംഭരിക്കുന്നു. തടി കത്തിച്ച്‌ താപോർജം ലഭ്യമാക്കാം. പലതരത്തിലുള്ള ഇന്ധനങ്ങളിൽ രാസോർജത്തിന്റെ രൂപത്തിൽ ഊർജം സംഭൃതമായിരിക്കുന്നു. പ്രധാനമായ ഇന്ധനങ്ങള്‍ കൽക്കരി, എണ്ണ, പ്രകൃതിവാതകം, വിറക്‌ എന്നിവയാണ്‌.

അണുകേന്ദ്രാർജം (Nuclear energy). ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിലാണ്‌ അണുകേന്ദ്രം ഒരു ഊർജസ്രോതസ്സാണെന്നു കണ്ടുപിടിച്ചത്‌. യുറേനിയത്തെപ്പോലെ, താരതമ്യേന അണുസംഖ്യ കൂടിയ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ വിഘടിക്കുമ്പോള്‍ ഊർജം മുക്തമാകുന്നു. അതുപോലെതന്നെ അണുസംഖ്യ കുറഞ്ഞ അണുക്കള്‍ (ഹൈഡ്രജന്‍) സംയോജിക്കുമ്പോഴും ഊർജം മുക്തമാകുന്നു. ഈ ഊർജത്തെയാണ്‌ അണുകേന്ദ്രാർജമെന്നു പറയുന്നത്‌.

വൈദ്യുതോർജം(Electrical energy). ഊർജരൂപാന്തരണത്തിനു പറ്റിയ സംവിധാനങ്ങളുടെ നിർമാണമാണ്‌ വൈദ്യുത എന്‍ജിനീയറിങ്ങിൽ സാധിക്കുന്നത്‌. സംവിധാനങ്ങളുടെ നിർമിതിയിൽ ഊർജത്തിന്റെ നഷ്‌ടം കഴിയുന്നത്ര കുറഞ്ഞിരിക്കണം; എന്നാൽ വേണ്ട രൂപത്തിലേക്ക്‌ ഊർജത്തെ മാറ്റുകയും വേണം. ഉദാഹരണത്തിന്‌ വൈദ്യുതോർജത്തെ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌ പ്രകാശമായിട്ടോ (ഇലക്‌ട്രിക്‌ ബള്‍ബ്‌) താപമായിട്ടോ (ഇലക്‌ട്രിക്‌ ഹീറ്റർ) യാന്ത്രികോർജമായിട്ടോ (ഫാന്‍) ആയിരിക്കും. ഓരോരോ മാറ്റത്തിനും വേണ്ട സംവിധാനം അതിനു പറ്റിയതായിരിക്കണം. ഒരു യന്ത്രത്തിന്റെ ശക്തി എത്രവലിയ ഭാരം അതിനു വലിക്കാന്‍ കഴിയും എന്നതിന്റെ സൂചനയല്ല; ഒരു നിർദിഷ്‌ടഭാരത്തെ എത്രവേഗത്തിൽ വലിക്കാന്‍ കഴിയും എന്നതിന്റെ അളവാണ്‌. താത്ത്വികമായി ഏറ്റവും വലിയ ഭാരത്തെ നീക്കാന്‍ ഏറ്റവും ചെറിയ എന്‍ജിന്‍ മതി. വളരെയധികം നേരം പ്രവർത്തിച്ചാലേ, കുറച്ചുദൂരമെങ്കിലും ഭാരം നീങ്ങുകയുള്ളൂ എന്നുമാത്രം. സൈദ്ധാന്തികമായി വളരെവലിയ ഗിയർതോത്‌ (Gear ratio) ഉപയോഗിച്ച്‌ ഇങ്ങനെ ചെയ്യാം. പക്ഷേ പ്രായോഗികമായി ഗിയർവീലുകളുടെ ഘർഷണാധിക്യംകൊണ്ട്‌ ചെറിയ എന്‍ജിന്‌ അവയെ നീക്കുവാന്‍ കഴിയാതെ വന്നേക്കാം.

സംവഹനധാരയും കാറ്റും. ചൂടുപിടിക്കുമ്പോള്‍ ജലം വികസിക്കുന്നു. തപ്‌തജലത്തിന്റെ സാന്ദ്രത തണുത്തതിന്റേതിനെക്കാള്‍ കുറവായിരിക്കും. തന്മൂലം ചൂടുപിടിച്ച ജലം മേല്‌പോട്ടു പൊങ്ങുകയും സാന്ദ്രതകൂടിയ തണുത്തജലം കീഴ്‌പോട്ടു വരികയും ചെയ്യുന്നു. ഇവിടെ ജലകണങ്ങള്‍ ഒരു സംവഹനധാരയായി (con-vection current)സേഞ്ചരിക്കാന്‍ ഇടയാകുന്നു. ഇതുപോലെയുള്ള ധാരകള്‍, വാതകങ്ങള്‍ ചൂടുപിടിച്ചാലും ഉണ്ടാകുന്നതാണ്‌. അന്തരീക്ഷത്തിലെ സംവഹനധാരകളാണ്‌ കാറ്റിന്റെ ഉദ്‌ഭവഹേതുക്കളിൽ പ്രധാനം. ഇവിടെ താപോർജത്തിന്‌ ഗതികോർജമായി രൂപാന്തരണം സംഭവിക്കുന്നു.

പായ്‌ക്കപ്പലുകള്‍ ഓടിക്കാന്‍ പണ്ടുമുതൽക്കേ കാറ്റിന്റെ ഗതികോർജം ഉപയോഗിക്കപ്പെട്ടിരുന്നു. വളരെക്കാലത്തിനുശേഷമാണ്‌ (ഏകദേശം എ.ഡി. 10-ാം ശതകം) കാറ്റാടിയന്ത്രം(windmill)രൂപംകൊണ്ടത്‌. വെള്ളം പമ്പുചെയ്‌തുയർത്താനാണ്‌ പ്രധാനമായും കാറ്റാടിയന്ത്രം ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത്‌. പക്ഷേ ഇവയുടെ അസാമാന്യവലുപ്പം, കാറ്റിന്റെ അനിയതസ്വഭാവം എന്നിവകൊണ്ട്‌ ഇവയെ ഇന്ന്‌ അധികം ഉപയോഗിക്കാറില്ല. ഇപ്പോള്‍ വിദ്യുച്ഛക്തിയുത്‌പാദനത്തിനാണ്‌ കാറ്റാടിയന്ത്രങ്ങള്‍ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. വേലിയേറ്റത്തിൽ നിന്ന്‌ ഊർജം സംഭരിക്കുന്നതിനുള്ള യന്ത്രങ്ങള്‍ (tide mills) 16-ാം നൂറ്റാണ്ടിൽത്തന്നെ നിലവിൽവന്നിരുന്നു. ഹൈഡ്രാ ഇലക്‌ട്രിക്‌ പ്ലാന്റുകള്‍, തെർമൽ പ്ലാന്റുകള്‍ എന്നിവയെയാണ്‌ വൈദ്യുതി ഉത്‌പാദിപ്പിക്കാന്‍ ഇന്ന്‌ പ്രധാനമായി ആശ്രയിക്കുന്നത്‌. അണുകേന്ദ്രാർജത്തിൽനിന്നും, വൈദ്യുതി ഉത്‌പാദിപ്പിക്കുന്നുണ്ട്‌. ഊർജത്തിന്റെ വന്‍തോതിലുള്ള സ്രാതസ്സുകളാണ്‌ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍. വിഘടനത്തിലൂടെയോ സംയോജനത്തിലൂടെയോ ഈ ഊർജത്തെ മോചിപ്പിക്കാം. പക്ഷേ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ സംയോജനപ്രക്രിയ(fusion)വഴി മോചിതമാകുന്ന ഊർജത്തെ നിയന്ത്രണാധീനമാക്കാന്‍ ഇതേവരെ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല. എന്നാൽ, വിഘടനത്തിലൂടെ മോചിതമാകുന്ന ഊർജത്തെ വൈദ്യുതോർജമാക്കി മാറ്റാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്‌. കുറച്ച്‌ ഇന്ധനത്തിൽനിന്ന്‌ വളരെയധികം ഊർജം ലഭ്യമാക്കാം എന്നതാണ്‌ ഇതിന്റെ മേന്മ. ഇന്നറിയാവുന്ന യുറേനിയം, തോറിയം എന്നീ നിക്ഷേപങ്ങളുടെ പകുതി ഉപയോഗിച്ചാൽത്തന്നെ 1000 ക്യൂ ഊർജം ലഭ്യമാക്കാമെന്നു കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. ഒരു ഗ്രാം ജലത്തിന്റെ താപനില 1oC (സെൽഷ്യസ്‌) ഉയർത്തുവാന്‍വേണ്ട താപമാണ്‌ 1 കാലറി. 252 കാലറി ഒരു ബ്രിട്ടീഷ്‌ തെർമൽ യൂണിറ്റും (B.Th.U.), 1018 ആ.ഠവ.ഡ. ഒരു ക്യൂ (Q)-ഉം ആകുന്നു. 3,00,000 ലക്ഷം ടണ്‍ കൽക്കരി കത്തിച്ചാൽ കിട്ടുന്ന താപം ഏകദേശം ഒരു ക്യു-വിന്‌ തുല്യമായിരിക്കും. എന്നാൽ, ഇന്നും പരിഹരിക്കാന്‍ സാധിച്ചിട്ടില്ലാത്ത അപകടസാധ്യതകളും ആണവമാലിന്യങ്ങളുടെ നിർമാർജനവും ആണവോർജത്തിന്റെ സ്വീകാര്യത നഷ്‌ടമാക്കുന്നു.

ദഹനം എന്ന പ്രക്രിയ. ഇന്ധനങ്ങളിൽ രാസോർജം സംഭൃതമായിരിക്കുന്നു. ഇന്ധനങ്ങള്‍ കത്തുമ്പോള്‍ രാസോർജം താപോർജമായി രൂപാന്തരപ്പെടുന്നു. ഓക്‌സിജനുമായുള്ള സംയോജനത്തെയാണ്‌ ദഹനം (burning)എന്നു പറയുന്നത്‌. ഇതൊരു രാസപ്രക്രിയയാണ്‌. ഉദാ. താപം.

ഒരു കിലോഗ്രാം കാർബണ്‍ പരിപൂർണമായി കത്തിയാൽ (ഏകദേശം 2.6 കിലോഗ്രാം ഓക്‌സിജനുമായി സംയോജിച്ചാൽ) കിട്ടുന്ന ഊർജം ഏതാണ്ട്‌ 10 കി.വാ.മ. ആയിരിക്കും. രാസോർജം ഒരുതരം സ്ഥാനികോർജമാണ്‌. അണുക്കള്‍ ബന്ധിച്ചുനിൽക്കുന്നത്‌ വൈദ്യുതാകർഷണംമൂലമാണ്‌. രാസപ്രക്രിയയിലൂടെ അണുക്കളുടെ സംവിധാനത്തിനു മാറ്റംവരുന്നു. അതായത്‌ ആകർഷണബലങ്ങളിൽ മാറ്റംവരുന്നു. ഈ മാറ്റം ചിലപ്പോള്‍ ഊർജത്തിന്റെ മോചനത്തിലും മറ്റു ചിലപ്പോള്‍ ഊർജത്തിന്റെ അവശോഷണത്തിലും കലാശിക്കുന്നു. ഇന്ധനങ്ങള്‍ ദഹിക്കുമ്പോള്‍ ഊർജം മോചിതമാകുകയാണ്‌ ചെയ്യുന്നത്‌.

ഒരു രാസപ്രക്രിയവഴി വ്യാപ്‌തത്തിൽ ഗണ്യമായ വർധന വരുന്നുവെങ്കിൽ, ആ പ്രക്രിയ രാസോർജത്തെ നേരിട്ട്‌ യാന്ത്രികോർജമാക്കി മാറ്റാന്‍ കെല്‌പുള്ളതായിരിക്കും. വിസ്‌ഫോടനങ്ങള്‍ ഇത്തരം ഊർജരൂപാന്തരണങ്ങള്‍ക്ക്‌ ഉദാഹരണമാണ്‌. ഖനനത്തിലും തുരങ്കനിർമാണ(tunneling)ത്തിലും വിസ്‌ഫോടന തത്ത്വമാണ്‌ പ്രധാനമായും സ്വീകരിച്ചിട്ടുള്ളത്‌. പരിചിതമായ ഒരു വിസ്‌ഫോടകവസ്‌തുവാണ്‌ ടി.എന്‍.ടി.(Tri nitrotoluene). കോള്‍ട്ടാറിൽനിന്നു ലഭിക്കുന്ന ടൊള്വീന്‍ (toluene) എന്ന ദ്രാവകത്തിൽ നൈട്രിക്‌ അമ്ലവും സള്‍ഫ്യൂരിക്‌ അമ്ലവും ചേർത്താണ്‌ ഇതുണ്ടാക്കുന്നത്‌. രാസോർജത്തെ നേരിട്ട്‌ വൈദ്യുതോർജമാക്കുന്നതിനുള്ള ഉപാധിയാണ്‌ വൈദ്യുതസെല്ലുകള്‍. ലെക്ലാന്‍ഷേ സെൽ, ഡാനിയൽ സെൽ തുടങ്ങിയ വൈദ്യുതസെല്ലുകള്‍ ഇതിനുദാഹരണമാണ്‌. ടോർച്ചിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഡ്രസെൽ, ലെക്ലാന്‍ഷേ സെല്ലിന്റെ ഒരു വകഭേദമാണ്‌.

സൗരോർജം. ഭൂമിയിൽ ജീവന്റെ ഉദ്‌ഭവത്തിനും നിലനിൽപ്പിനും നിദാനം സൂര്യനാണ്‌. അണുകേന്ദ്രാർജവും ഒരു പക്ഷേ ഭൗമതാപോർജവും(geothermal energy) ഒഴികെ ശേഷിക്കുന്ന എല്ലാ ഊർജവിഭവങ്ങളുടെയും സ്രാതസ്‌ സൂര്യനാണ്‌. സൂര്യനിൽനിന്ന്‌ ബഹിർഗമിക്കുന്ന ശക്തി ഏതാണ്ട്‌ 386x1021 കി.വാ. വരും. സൗരോർജത്തെ സംഭരിക്കാനോ പ്രഷണം ചെയ്യാനോ വിതരണം ചെയ്യാനോ എളുപ്പമാണ്‌. മാത്രമല്ല ഭക്ഷണം പാകം ചെയ്യുക, വെള്ളം തിളപ്പിക്കുക, മുറികള്‍ മിതശീതോഷ്‌ണമാക്കി നിലനിർത്തുക തുടങ്ങി അനേകം പ്രവർത്തനങ്ങള്‍ക്ക്‌ ഇത്‌ ഉപയോഗിക്കാവുന്നതാണ്‌. അർധചാലകങ്ങള്‍(semi-conductors) ഉപയോഗിച്ച്‌ സൗരോർജത്തെ നേരിട്ട്‌ വൈദ്യുതിയാക്കുവാന്‍ സാധിക്കും. ബഹിരാകാശവാഹനങ്ങളിൽ സൗരസെൽ ധാരാളം ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും ഭൂമിയിൽ വന്‍തോതിൽ വൈദ്യുതി ഉത്‌പാദിപ്പിക്കുവാന്‍ സൗരസെല്ലുകളുടെയും ബാറ്ററികളുടെയും വില തടസ്സമാണ്‌. എന്നാൽ, ഇത്‌ ക്രമേണ കുറഞ്ഞുവരുന്നുണ്ട്‌.

അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ സംയോജനപ്രക്രിയ വഴിയാണ്‌ സൂര്യനിൽ ഊർജോത്‌പാദനം നടക്കുന്നത്‌. സംയോജനംവഴി ഹൈഡ്രജന്‍ ഹീലിയമായി രൂപാന്തരപ്പെടുകയാണ്‌ ചെയ്യുന്നത്‌. ഈ രൂപാന്തരണത്തിൽ കുറച്ചു ദ്രവ്യമാനം നഷ്‌ടമാകുന്നു. നഷ്‌ടപ്പെടുന്ന ദ്രവ്യമാനം എന്ന പ്രഖ്യാതമായ ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍ സമവാക്യം അനുസരിച്ച്‌, ഊർജമായി രൂപാന്തരപ്പെടുകയാണ്‌ ചെയ്യുന്നത്‌. ഈ വിധത്തിലുള്ള ഊർജോത്‌പാദനംകൊണ്ട്‌ പരിസരദൂഷണം സംഭവിക്കുന്നില്ല. മറ്റെല്ലാ ഊർജോത്‌പാദനവും പരിസരത്തെ ദുഷിപ്പിക്കുന്നതാണ്‌. എച്ചയും വാതകങ്ങളും കത്തിക്കുന്നതുകൊണ്ടുവരുന്ന പരിസരദൂഷണവും ആഗോളതാപനവും ജീവന്റെ നിലനിൽപ്പിനുതന്നെ ഒരു വിപത്താണെന്ന്‌ ലോകം ഇപ്പോള്‍ തിരിച്ചറിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്‌.

ഊർജോത്‌പാദനം നക്ഷത്രങ്ങളിൽ. സ്വയംപ്രകാശിക്കുന്ന ഗോളങ്ങളാണ്‌ നക്ഷത്രങ്ങള്‍. അവയിലെ പ്രകാശം ഊർജത്തിന്റെ രൂപമാണ്‌. ഈ ഊർജം നക്ഷത്രങ്ങളിൽ ഉത്‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നതെങ്ങനെയെന്നു നോക്കാം. ഊർജോത്‌പാദനത്തെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം എല്ലാ നക്ഷത്രങ്ങളിലും നടക്കുന്ന പ്രക്രിയ മുഖ്യമായും രണ്ടുതരമാണ്‌; ബെഥേവൈത്‌സാക്കർ സിദ്ധാന്തവും ക്രിച്ച്‌ ഫീൽഡ്‌ സിദ്ധാന്തവും. നക്ഷത്രത്തിന്റെ നിർമാണഘടകങ്ങളിൽ മുഖ്യമായവ ഹൈഡ്രജനും ഹീലിയവുമാണ്‌. സൂര്യന്റെ പ്രതലതാപനില ഏതാണ്ട്‌ 6000 കോടി ീഇ-ഉം ആന്തരതാപനില ഏതാണ്ട്‌ രണ്ടു കോടി ീഇ-ഉം ആകുന്നു. അന്തർഭാഗത്തു പ്രവർത്തിക്കുന്ന മർദം ഏതാണ്ട്‌ ഒരു ലക്ഷം അന്തരീക്ഷമർദത്തോടു തുല്യമായിരിക്കും. ഇത്രയും ഉയർന്ന താപനിലയും മർദവുമുള്ള പരിതോവസ്ഥയിൽ ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ (പ്രാട്ടോണുകള്‍) യോജിച്ച്‌ ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉളവാകുന്നു എന്നതാണ്‌ രണ്ടു പ്രക്രിയകളിലെയും അന്ത്യഫലം. ഇതൊരു താപ അണുകേന്ദ്രീയ പ്രതിപ്രവർത്തനമാണ്‌ (thermonuclear reaction). ഈ പ്രക്രിയയിൽ കുറച്ചു ദ്രവ്യമാനം നഷ്‌ടപ്പെടുകയും അത്‌ ഊർജമായി ബഹിർഗമിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഒരു ഗ്രാം ദ്രവ്യമാനത്തെ ഊർജമാക്കി മാറ്റിയാൽ,9x1016 ജൂള്‍ ഊർജം ലഭിക്കും. സൂര്യനിൽ ഓരോ സെക്കന്‍ഡിലും 60 കോടി ടണ്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ ഹീലിയമായി മാറുകയും 40 ലക്ഷം ടണ്‍ ദ്രവ്യമാനം ഊർജമായി രൂപാന്തരപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു.

ബെഥേ-വൈത്‌സാക്കർ സിദ്ധാന്തം. ബെഥേയും (Bethe) വൈത്‌സാക്കറും (Weizacker)ചേർന്ന്‌ 1939-ൽ ആവിഷ്‌കരിച്ചതാണ്‌ ഈ സിദ്ധാന്തം. ഇതിന്‌ കാർബണ്‍ നൈട്രജന്‍ ചക്രം എന്നും പേരുണ്ട്‌. ഹൈഡ്രജനെ ഹീലിയമാക്കി മാറ്റുന്ന ഈ പ്രക്രിയയിൽ കാർബണ്‍, നൈട്രജന്‍ എന്നിവ ഉത്‌പ്രരകങ്ങളായി പ്രവർത്തിക്കുന്നതിനാലാണിത്‌. ഊർജം. . C–N ചക്രം ഇതാണ്‌; കാർബണ്‍ അണുകേന്ദ്രവും പ്രാട്ടോണും ചേർന്ന്‌ ഒരു റേഡിയോ ആക്‌റ്റീവ്‌ നൈട്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രവും ഊർജവും ഉണ്ടാകുന്നു എന്നാണ്‌ സമവാക്യം സൂചിപ്പിക്കുന്നത്‌. റേഡിയോ ആക്‌റ്റീവതയുള്ള ഒരു നൈട്രജന്‍ ഒരു പോസിട്രാണും ന്യൂട്രിനോയും ഉത്സർജിച്ച്‌ കാർബണ്‍ ആയി രൂപാന്തരപ്പെടുന്നു

അങ്ങനെ ആരംഭത്തിൽ ഉണ്ടായിരുന്ന-ൽത്തന്നെ എത്തിച്ചേരുന്നു. 4 ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ ചേർന്ന്‌ ഒരു ഹീലിയവും 27 MeV ഊർജവും സൃഷ്‌ടിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്‌തു. ശൃംഖലയുടെ ഏതെങ്കിലും കച്ചിയിൽനിന്നു തുടങ്ങി അവിടെത്തന്നെ പിന്നീട്‌ എത്തിച്ചേരാന്‍ ഏതാണ്ട്‌ 60 ലക്ഷം വർഷം വേണ്ടിവരും. 4 പ്രാട്ടോണുകളുടെ ആകെ ദ്രവ്യമാനം ആണ്‌ (ഗ്രാം). ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം -ഉം ദ്രവ്യമാനത്തിൽ വരുന്ന കുറവ്‌ -ഉം ആണ്‌. എന്ന സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച്‌ ഇതിനു സമാനമായ ഊർജം കണക്കാക്കുമ്പോള്‍ ഈ ഊർജത്തിന്റെ മൂല്യം വളരെ നിസ്സാരമാണെന്നു തോന്നാം. പക്ഷേ ഇത്തരം കോടാനുകോടി പ്രവർത്തനങ്ങള്‍ ഒരേസമയത്ത്‌ നടക്കുന്നതുകൊണ്ട്‌ ഭീമമായ ഊർജം ഉത്‌പാദിതമാകുന്നു.

ചാറൽസ്‌ ക്രിച്ച്‌ഫീൽഡ്‌ സിദ്ധാന്തം. ചാറൽസ്‌ ക്രിച്ച്‌ഫീൽഡ്‌ (Charles Critchfield) 1939-ൽ മറ്റൊരു സിദ്ധാന്തം ആവിഷ്‌കരിക്കുകയുണ്ടായി. അന്യോന്യം കൂട്ടിമുട്ടുന്ന പ്രാട്ടോണുകളിലൊന്ന്‌ വിപരീത ബീറ്റാശോഷണം (Inverse beta decay) വഴി ഒരു ന്യൂട്രാണ്‍ ആകുകയും ഈ ന്യൂട്രാണ്‍ പ്രാട്ടോണുമായി ചേർന്ന്‌ ഒരു ഡോയ്‌ട്ടേറിയം (Dauterium-1H2)ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. 1ഒ2 വീണ്ടും ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രവുമായി കൂട്ടിമുട്ടി ഹീലിയം (He3) ഉണ്ടാകുകയും, അങ്ങനെയുള്ള രണ്ടു ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ യോജിച്ച്‌ ആൽഫാകണങ്ങളും (He4) പ്രാട്ടോണുകളും ഉടലെടുക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഒഒ ചക്രവും കാർബണ്‍ ചക്രത്തിലെ പരിണതഫലംതന്നെ നൽകുന്നു. കാർബണും നൈട്രജനും ഉത്‌പ്രരകങ്ങളായി ഇവിടെ ആവശ്യമില്ല. ഒഒ സംയോജനപ്രക്രിയയിലെ പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങള്‍ ഇങ്ങനെ കുറിക്കാം: ഊർജം ഊർജം ഊർജം ഈ രണ്ടു സിദ്ധാന്തങ്ങളും പഠനവിധേയമാക്കിയതിൽനിന്ന്‌ ഉരുത്തിരിഞ്ഞ നിഗമനം ഇതാണ്‌: സൂര്യനെക്കാള്‍ ശോഭകൂടിയ നക്ഷത്രങ്ങളിൽ (ശോഭ കൂടുമ്പോള്‍ ഉള്ളിലെ താപനിലയും കൂടും) C–N ചക്രമാണ്‌ മുഖ്യമായ ഊർജോത്‌പാദനപ്രക്രിയ. സൂര്യനെക്കാള്‍ ശോഭകുറഞ്ഞ നക്ഷത്രങ്ങളിൽ സംയോജനത്തിനാണ്‌ പ്രാധാന്യം. സൂര്യനിൽ രണ്ടും നടക്കുന്നുണ്ട്‌. എന്നാൽ സംയോജനത്തിനാണ്‌ മുന്‍തൂക്കം.

ഊർജോപഭോഗം. ഒരു രാജ്യത്ത്‌ ആകെ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്ന ഊർജം ആ രാജ്യത്തിന്റെ പുരോഗതിയുടെ മാനദണ്ഡമായി ഗണിക്കാറുണ്ട്‌. ഇന്ത്യയിലെ പ്രതിശീർഷ, പ്രതിവർഷ ഊർജോപഭോഗം ഏതാണ്ട്‌ 0.25 മെട്രിക്‌ടണ്‍ (മെ.ട.) കൽക്കരിക്കു തുല്യമാണെന്ന്‌ കണക്കാക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. വികസിത രാജ്യങ്ങളായ യു.എസ്‌., ജപ്പാന്‍, യൂറോപ്യന്‍ യൂണിയന്‍, കാനഡ തുടങ്ങിയവയോടു താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ ഈ ഊർജോപഭോഗം വളരെ കുറവാണ്‌. യു.എസ്സിൽ പ്രതിവർഷ, പ്രതിശീർഷ-ഊർജോപഭോഗം ഏതാണ്ട്‌ 10 മെ.ട. ആകുന്നു.

ഊർജം നിത്യജീവിതത്തിൽ. ഊർജം പരിഷ്‌കൃതജീവിതത്തിന്റെ അവശ്യഘടകമാണ്‌. ആഹാരം പാകം ചെയ്യാന്‍, വാഹനങ്ങള്‍ ഓടിക്കാന്‍, ടെലിവിഷനും കംപ്യൂട്ടറും പ്രവർത്തിപ്പിക്കാന്‍, വെളിച്ചവും ചൂടും (തണുപ്പുരാജ്യങ്ങളിൽ) കിട്ടാന്‍, വ്യവസായശാലകള്‍ പ്രവർത്തിക്കാന്‍ ഇങ്ങനെ എച്ചിയാലൊടുങ്ങാത്ത ആവശ്യങ്ങള്‍ ഊർജത്തിനുണ്ട്‌. ജനങ്ങളുടെ ജീവിതനിലവാരം ഉയരുമ്പോള്‍ ഊർജത്തിന്റെ ഉപഭോഗവും കൂടുന്നു എന്നതാണ്‌ ഇന്നുവരെയുള്ള അനുഭവം. എന്നാൽ, പല സമ്പന്ന രാജ്യങ്ങളിലും ഊർജത്തിന്റെ അമിതോപഭോഗമാണ്‌ നാം കാണുന്നത്‌. അവരുടെ ഊർജോപഭോഗ നിരക്കിലേക്ക്‌ ഇന്നത്തെ വികസ്വര-അവികസിത രാജ്യങ്ങള്‍ (അവിടങ്ങളിലാണ്‌ ലോകജനതയുടെ സിംഹഭാഗവും) എത്തിച്ചേർന്നാൽ ലോകത്ത്‌ ലഭ്യമായ ഊർജസ്രാതസ്സുകളെല്ലാം (സൗരോർജമൊഴികെ) ഏതാനും വർഷംകൊണ്ട്‌ തീർന്നുപോവുകയും ഭൂമി വന്‍പരിസ്ഥിതിനാശത്തിന്‌ ഇരയാവുകയും ചെയ്യും.

ഊർജവും പരിസ്ഥിതിയും. ഊർജത്തിന്റെ കൂടിയ ഉപഭോഗം പരിസ്ഥിതിയിൽ വലിയ മാറ്റങ്ങള്‍ സൃഷ്‌ടിക്കും. ഫോസിൽ ഇന്ധനങ്ങള്‍ കത്തിക്കുമ്പോള്‍ കാർബണ്‍ മോണോക്‌സൈഡ്‌, സള്‍ഫർ ഡയോക്‌സൈഡ്‌ തുടങ്ങിയ വിഷവാതകങ്ങള്‍ക്കു പുറമേ വലിയ അളവിൽ കാർബണ്‍ ഡയോക്‌സൈഡും അന്തരീക്ഷത്തിൽ എത്തുന്നു. വിഷവാതകങ്ങളെ നീക്കംചെയ്യാന്‍ സാങ്കേതികവിദ്യകള്‍ ലഭ്യമാണെങ്കിലും ഇഛ2 ഇല്ലാതാക്കാന്‍ ചെലവുകുറഞ്ഞ മാർഗങ്ങളൊന്നും ലഭ്യമല്ല. ഇത്‌ ആഗോളതാപനത്തിന്‌ ഇടയാക്കുന്നു. കൽക്കരി, എച്ച ഖനനം ഭൂമിക്കുമേൽ ചെലുത്തുന്ന മറ്റ്‌ ആഘാതങ്ങളും നിസ്സാരമല്ല. കടലിൽ തൂവുന്ന എച്ചയും അന്തരീക്ഷത്തിൽ കലരുന്ന പ്രകൃതിവാതകങ്ങളും (മുഖ്യമായും മീഥെയ്‌ന്‍) ഇന്ന്‌ പ്രകൃതിക്കു വലിയ ഭീഷണി ഉയർത്തുന്നുണ്ട്‌. ആഗോളതാപനത്തിന്റെ ഫലം ഹിമാലയം പോലുള്ള നദീസ്രാതസ്സുകളിലെ ഹിമപാളിയുടെ നഷ്‌ടമായും ധ്രുവങ്ങളിലെ ഹിമം ഉരുകലായും സമുദ്രവിതാനത്തിന്റെ ഉയർച്ചയായും അനുഭവപ്പെട്ടുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. ഇതിനു പരിഹാരമായി പലരും നിർദേശിക്കുന്നത്‌ ആണവറിയാക്‌ടറുകളുടെ നിർമാണമാണ്‌. എന്നാൽ ഇതും ഒട്ടും സുരക്ഷിതമല്ലെന്ന്‌ ത്രീമൈൽ ഐലന്‍ഡിലെയും ചെർണോബിലെയും ഫുക്കുഷിമയിലെയും അനുഭവങ്ങള്‍ കാണിക്കുന്നു. ഇത്തരം വന്‍ദുരന്തങ്ങള്‍ സാങ്കേതികമികവ്‌വഴി പരിഹരിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞാൽപ്പോലും റേഡിയോ ആക്‌റ്റീവ്‌ ആണവ അവശിഷ്‌ടങ്ങള്‍ ഒഴിവാക്കൽ, കാലാവധി കഴിയുന്ന ആണവനിലയങ്ങള്‍ സുരക്ഷിതമായി സൂക്ഷിക്കൽ (അനേകലക്ഷം വർഷങ്ങളോളം) തുടങ്ങിയ ഗുരുതരമായ പ്രശ്‌നങ്ങള്‍ അവശേഷിക്കുന്നു. ഏറ്റവും സുരക്ഷിതമെന്നു വിശേഷിപ്പിക്കാറുള്ള ജലവൈദ്യുത നിലയങ്ങളും വനനഷ്‌ടം, ജൈവവൈവിധ്യനാശം തുടങ്ങിയ പ്രശ്‌നങ്ങള്‍ ഉയർത്തുന്നുണ്ട്‌.

കാറ്റിൽ നിന്നുള്ള വൈദ്യുതിയും സൗരോർജത്തിന്റെ വിവിധരീതിയിലുള്ള ഉപയോഗവും (സൂര്യവെളിച്ചം ലഭ്യമാകുന്ന കെട്ടിടഡിസൈന്‍, സൂര്യതാപം നേരിട്ടു പ്രയോജനപ്പെടുത്തൽ, സൗരവൈദ്യുതി...) ആണ്‌ ഇന്ന്‌ പരിസ്ഥിതിക്ക്‌ ആഘാതമേല്‌പിക്കാത്ത ഊർജസ്രാതസ്സുകളായി കണക്കാക്കുന്നത്‌. ഇപ്പോള്‍ ചെലവ്‌ ഏറിയതെങ്കിലും സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിക്കുന്നതിനൊപ്പം ഇവയുടെ ഉത്‌പാദനച്ചെലവ്‌ കുറയുകയും മറ്റ്‌ ഇന്ധനരൂപങ്ങളുടെ വില കൂടുകയും ചെയ്യുമ്പോള്‍ നമുക്ക്‌ ആശ്രയിക്കാവുന്ന ഏതാണ്ട്‌ അനന്തമായ ഊർജസ്രാതസ്സായി സൗരോർജം മാറുമെന്നാണ്‌ പ്രതീക്ഷ. ഇന്ത്യപോലെ ഉഷ്‌ണമേഖലയിലും അതിനോടുചേർന്നു കിടക്കുന്ന രാജ്യങ്ങള്‍ക്കുമാവും ഇതിന്റെ ഏറ്റവും വലിയ പ്രയോജനം.

അണു

Atom

ഭൗതികപദാര്‍ഥങ്ങളുടെ അവിഭാജ്യാംശമെന്നു കരുതപ്പെട്ടിരുന്ന കണിക.

പ്രാചീനസങ്കല്പങ്ങള്‍

പദാര്‍ഥഘടനയെക്കുറിച്ചുള്ള സങ്കല്പത്തിന് ഇരുപത്തഞ്ച് നൂറ്റാണ്ടിലധികം പഴക്കമുണ്ട്. പൗരാണിക ഭാരതീയരും ഗ്രീക്കുകാരും ഇതിനെപ്പറ്റി പ്രതിപാദിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഭാരതീയ ചിന്തകരില്‍ പ്രമുഖന്‍ ആയിരുന്ന 'കണാദന്‍' (ബി.സി. 6-5 ശ.) പദാര്‍ഥത്തിന്റെ ഏറ്റവും ചെറിയ അംശത്തെ 'അണു' എന്ന് വിളിച്ചു. ബി.സി. 5-ാം ശ.-ത്തിലാണ് ഗ്രീസില്‍ 'അണുവാദികള്‍' ഉണ്ടായത്. ഈ കാലഘട്ടത്തില്‍ ജീവിച്ചിരുന്ന ലൂസിപ്പസും അദ്ദേഹത്തിന്റെ ശിഷ്യനായ ഡമോക്രിറ്റസും ആയിരുന്നു ഇവരില്‍ പ്രമുഖര്‍. പദാര്‍ഥങ്ങളെല്ലാം അവിഭാജ്യങ്ങളായ ചെറിയ കണങ്ങളെക്കൊണ്ടാണ് നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നതെന്ന് ഡമോക്രിറ്റസ് അഭിപ്രായപ്പെട്ടു. ഈ അവിഭാജ്യ കണങ്ങളെ 'അത്തോമ' (വിഭജിക്കാന്‍ കഴിയാത്തത്) എന്നു വിളിച്ചു. ഇതില്‍നിന്നാണ് ഇംഗ്ളീഷില്‍ ആറ്റം (Atom) എന്ന പദം ഉണ്ടായത്. ഡമോക്രിറ്റസിന്റെ അണുസിദ്ധാന്തത്തെ എപ്പിക്ക്യൂറസ് എന്ന ഗ്രീക്കു ചിന്തകനും പിന്‍താങ്ങിയിരുന്നു. 'വസ്തുക്കളുടെ പ്രകൃതം' എന്ന ലുക്രീഷ്യസിന്റെ കവിതയിലും ഈ അഭിപ്രായം നിഴലിച്ചു കാണാം.

അണുസിദ്ധാന്തം വളര്‍ച്ച പ്രാപിച്ചുകൊണ്ടിരുന്നകാലത്തുതന്നെയാണ് (ബി.സി. 5-ാം ശ.) എംപെഡോക്ള്‍സ് തന്റെ ചതുര്‍ഭൂതസിദ്ധാന്തം മുന്നോട്ടുവച്ചത്: ഈ പ്രപഞ്ചം മുഴുവനും അഗ്നി, വായു, പൃഥ്വി, ജലം എന്നീ നാലു ഭൂതങ്ങള്‍കൊണ്ടാണ് നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നത്. സുപ്രസിദ്ധ ഗ്രീക്കുചിന്തകനായ അരിസ്റ്റോട്ടല്‍ ഈ സിദ്ധാന്തത്തെ ശക്തമായി പിന്‍താങ്ങി. സര്‍വ വസ്തുക്കളിലും ഒരേ ബീജഭൂതം (hyle) ആണ് ഉള്ളത്. ഈ വസ്തുവിന് മൗലിക ഘടകങ്ങളായി നാലു ഗുണങ്ങള്‍ ഉണ്ട്: ചൂട്, തണുപ്പ്, വരള്‍ച്ച, ഈര്‍പ്പം. ഈ ഘടകങ്ങളുടെ ഉള്ളടക്ക വ്യത്യാസമാണ് പദാര്‍ഥങ്ങളുടെ വൈവിധ്യത്തിനു കാരണം. അരിസ്റ്റോട്ടലിന്റെ ഈ സിദ്ധാന്തം 2,000 വര്‍ഷത്തോളം നിലനിന്നു. ഇതിനു സമാനമാണ് ഭാരതീയരുടെ പഞ്ചഭൂതസിദ്ധാന്തം. ഇതനുസരിച്ച് പ്രപഞ്ചത്തിലുള്ള എല്ലാ പദാര്‍ഥങ്ങളും അഗ്നി, വായു, ജലം, പൃഥ്വി, ആകാശം എന്നീ അഞ്ചു ഭൂതങ്ങള്‍കൊണ്ടാണ് നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നത്.

അരിസ്റ്റോട്ടലിന്റെ എതിര്‍പ്പുകളെ അതിജീവിക്കാന്‍ ഡമോക്രിറ്റസിന്റെ അണുസിദ്ധാന്തത്തിനു കഴിഞ്ഞില്ല. അങ്ങനെ പല ശതകങ്ങളോളം സുഷുപ്തിയിലാണ്ട അണുസങ്കല്പം നവോത്ഥാനകാലത്തിനുശേഷമാണ് യൂറോപ്പില്‍ പുനരുജ്ജീവിച്ചത്. 16-ഉം 17-ഉം ശ.-ങ്ങളില്‍ ഗലീലിയോ ഗലീലി, റെനേ ദെകാര്‍ത്തെ, ഫ്രാന്‍സിസ് ബേക്കണ്‍, റോബര്‍ട്ട് ബോയ് ല്‍ , ഐസക് ന്യൂട്ടണ്‍ തുടങ്ങിയ ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാരും ദാര്‍ശനികരും പദാര്‍ഥം സാന്തം (finite) അല്ലെന്നും പ്രത്യുത അണു എന്ന പരമകണങ്ങള്‍കൊണ്ട് ഉണ്ടാക്കപ്പെട്ടതാണെന്നും ഉള്ള അഭിപ്രായക്കാരായിരുന്നു.

അണുസങ്കല്പത്തിനുള്ള രസതന്ത്ര തെളിവുകള്‍

സ്പെയ്സും, ദ്രവ്യവും സാന്തം ആണെന്ന് ഉദ്ഘോഷിച്ചിരുന്ന അരിസ്റ്റോട്ടലിന്റെ സിദ്ധാന്തമായിരുന്നു മധ്യകാലഘട്ടത്തില്‍ പദാര്‍ഥഘടനയെക്കുറിച്ച് നിലവിലിരുന്നത്. ഏതു വസ്തുവിന്റെയും മൗലിക ഘടകങ്ങളായ ചൂട്, തണുപ്പ്, വരള്‍ച്ച, ഈര്‍പ്പം എന്നിവയുടെ ഉള്ളടക്കം വ്യത്യാസപ്പെടുത്തി പുതിയ വസ്തുക്കള്‍ ഉണ്ടാക്കാനുള്ള ശ്രമത്തിലാണ് അക്കാലത്ത് രസതന്ത്രജ്ഞര്‍ ഏര്‍പ്പെട്ടിരുന്നത്. ഈ ഉള്ളടക്കം വ്യത്യാസപ്പെടുത്തലായിരുന്നു രസവാദിക(Alchemists)ളുടെ ലക്ഷ്യം. പരിമാണാത്മക രസതന്ത്രത്തിന്റെ വളര്‍ച്ചയോടെയാണ് പദാര്‍ഥഘടനയെക്കുറിച്ചുള്ള പരസ്പരവിരുദ്ധചിന്താഗതികളെ വിലയിരുത്താന്‍വേണ്ട പരീക്ഷണത്തെളിവുകള്‍ ലഭിച്ചത്.

ആധുനിക അണുസിദ്ധാന്തത്തിന്റെ പ്രണേതാവ് ജോണ്‍ ഡാള്‍ട്ടന്‍ (1766-1844) ആണ്. മീഥേന്‍, എഥിലീന്‍, കാര്‍ബണ്‍ മോണോക്സൈഡ്, കാര്‍ബണ്‍ഡൈഓക്സൈഡ് തുടങ്ങിയ വാതകങ്ങളുടെ സമന്വിത-ബഹുഗുണിതാംശബന്ധനിയമം (Multiproduct ratio rule) നിര്‍ദേശിക്കാന്‍ ഈ സിദ്ധാന്തം ഡാള്‍ട്ടനെ സഹായിച്ചു. A എന്ന മൂലകം ആ എന്ന മൂലകവുമായി സംയോജിച്ച് രണ്ടോ അതിലധികമോ യൗഗികങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുമ്പോള്‍, ഒരു നിശ്ചിത ഭാരത്തിലുള്ള A-യുമായി സംയോജിക്കുന്ന B-യുടെ ഭാരങ്ങള്‍ ലഘുപൂര്‍ണസംഖ്യകളുടെ അംശബന്ധത്തിലായിരിക്കുമെന്നതാണ് (ratio of integers) ബഹുഗുണിതാനുപാത നിയമം. രാസപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ പങ്കെടുക്കുന്ന മൂലകങ്ങളുടെ പരിമാണങ്ങളെപ്പറ്റിയുള്ള പഠനം നാലാമത്തെ രാസസംയോഗനിയമത്തിനു വഴിതെളിച്ചു. ഒരു മൂലകത്തിന്റെ ഒരേ ഭാരവുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന രണ്ടു മൂലകങ്ങളുടെ ഭാരങ്ങള്‍ തമ്മിലുള്ള അനുപാതം, ഇവ തമ്മില്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുമ്പോഴുള്ള ഭാരാനുപാതത്തിന് സമമോ അല്ലെങ്കില്‍ അതിന്റ വേറെ ഗുണിതമോ ആയിരിക്കും.

ഡാള്‍ട്ടന്‍ സിദ്ധാന്തം

രാസസംയോഗ നിയമങ്ങള്‍ വിശദീകരിക്കാനായി ജോണ്‍ ഡാള്‍ട്ടന്‍ 1803-ല്‍ നിര്‍ദേശിച്ച അണുസിദ്ധാന്തത്തിന്റെ അഭിഗൃഹീതങ്ങള്‍ (postulates) താഴെ ചേര്‍ക്കുന്നു: (1) പദാര്‍ഥം അവിഭാജ്യങ്ങളായ അണുക്കള്‍ അടങ്ങിയതാണ്; (2) ഒരു മൂലകത്തിന്റെ എല്ലാ അണുക്കളും ഭാരത്തിലും ഗുണധര്‍മങ്ങളിലും സര്‍വസമമാണ്; (3) വിവിധ മൂലകങ്ങള്‍ക്ക് വിവിധതരം അണുക്കളാണ് ഉള്ളത്; വിവിധ മൂലകങ്ങളുടെ അണുക്കള്‍ ഭാരത്തില്‍ വ്യത്യസ്തമാണ്; (4) അണുക്കള്‍ അവിനശ്യമാണ്; രാസപ്രവര്‍ത്തനം അണുക്കളുടെ പുനഃക്രമീകരണം മാത്രമാണ്; (5) ലഘു അംശബന്ധത്തില്‍ വിവിധമൂലകങ്ങള്‍ സംയോജിച്ചാണ് രാസയൌഗികങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുന്നത്. ഈ അഭിഗൃഹീതങ്ങളില്‍നിന്ന് രാസസംയോഗനിയമങ്ങള്‍ വ്യുത്പാദിപ്പിക്കാവുന്നതാണ്.

ഡാള്‍ട്ടന്റെ അണുസിദ്ധാന്തം അപൂര്‍ണമായിരുന്നു. അണുക്കളുടെ ആ.ഭാ. നിര്‍ണയിക്കാനുള്ള മാര്‍ഗത്തിനുപോലും ഡാള്‍ട്ടന്റെ അഭിഗൃഹീതങ്ങള്‍ പ്രയോജകീഭവിക്കുന്നില്ല. ഘടകമൂലകങ്ങളുടെ എത്ര അണുക്കള്‍ വീതം ചേര്‍ന്നാണ് യൗഗികം ഉണ്ടാകുന്നതെന്ന് കണ്ടുപിടിക്കാന്‍ ഡാള്‍ട്ടന് മാര്‍ഗമൊന്നുമില്ലായിരുന്നു. ഒരു യൌഗികം ഉണ്ടാകുമ്പോള്‍ രണ്ടു മൂലകങ്ങള്‍ W₁, W₂ ഗ്രാം വീതം ചേരുന്നുവെങ്കില്‍ . w₁/w₂=n₁A₁ / n₂A₂.ഇവിടെ A₁, A₂മൂലകങ്ങളുടെ അണുഭാരവും n₁, n₂ സംയോജനത്തില്‍ പങ്കെടുക്കുന്ന മൂലകഅണുക്കളുടെ എണ്ണവും ആണ്.n₁ : n₂ എന്ന അനുപാതം അറിഞ്ഞാല്‍ത്തന്നെ, അണുക്കളുടെ ആപേക്ഷികഭാരമേ നിര്‍ണയിക്കാനാവൂ. അതിനാല്‍ അണുസിദ്ധാന്തം പ്രയോഗിക്കാന്‍വേണ്ടി ഡാള്‍ട്ടന്‍ ചില സ്വേച്ഛാസങ്കല്പങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ചു: രണ്ടു മൂലകങ്ങള്‍ സംയോജിച്ച് ഒരേയൊരു യൌഗികമേ ഉണ്ടാകുന്നുള്ളുവെങ്കില്‍ ആ യൗഗികത്തില്‍ രണ്ടു മൂലകങ്ങളുടെയും ഓരോ അണുക്കള്‍ മാത്രമേ ഉണ്ടായിരിക്കുകയുള്ളു എന്ന്. ഹൈഡ്രജന്‍ പെറോക്സൈഡ് അന്ന് അറിയപ്പെടാതിരുന്നതിനാല്‍, വെള്ളത്തെ ഒരു ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവും ഒരു ഓക്സിജന്‍ അണുവും ചേര്‍ന്നുള്ള യൗഗികമായാണ് ഡാള്‍ട്ടന്‍ കണക്കാക്കിയത്. ഡാള്‍ട്ടന്റെ തത്ത്വം ലളിതമെങ്കിലും തെറ്റായിരുന്നു. വികസിച്ചുകൊണ്ടിരുന്ന രസതന്ത്രത്തില്‍ പല ബുദ്ധിമുട്ടുകള്‍ക്കും അത് വഴിവച്ചു.

വാതകങ്ങള്‍ രാസപരമായി സംയോജിക്കുന്ന പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളെപ്പറ്റി പഠനം നടത്തുന്നതിനിടയിലാണ് ഡാള്‍ട്ടന്റെ അണുസിദ്ധാന്തം ബുദ്ധിമുട്ടുകളെ നേരിട്ടത്. വാതകങ്ങള്‍ തമ്മിലുള്ള സംയോജനത്തെ സംബന്ധിച്ച ഒരു നിയമം 1808-ല്‍ ഗേലൂസാക് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ കണ്ടുപിടിച്ചു. ഒരേ താപനിലയിലും മര്‍ദത്തിലും വാതകം A, വാതകം B യുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിച്ച് വാതകം C ഉണ്ടാകുമ്പോള്‍ A, B,C എന്നീ വാതകങ്ങളുടെ വ്യാപ്തപരമായ അംശബന്ധം (volumetric ratio) ലഘുപൂര്‍ണ സംഖ്യകള്‍ ആയിരിക്കും. രണ്ട് ഉദാഹരണങ്ങള്‍ താഴെ കൊടുക്കുന്നു: 1 വ്യാപ്തം ഹൈഡ്രജന്‍ + 1 വ്യാപ്തം ക്ളോറിന്‍ = 2 വ്യാപ്തം ഹൈഡ്രജന്‍ക്ളോറൈഡ്; 2 വ്യാപ്തം ഹൈഡ്രജന്‍ + 1 വ്യാപ്തം ഓക്സിജന്‍ = 2 വ്യാപ്തം നീരാവി. ഇതില്‍നിന്ന് സുപ്രധാനമായ ഒരു നിഗമനത്തിലെത്താന്‍ കഴിയും. വാതകാവസ്ഥയിലുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ ലളിതമായ വ്യാപ്താനുപാതത്തിലും അണുക്കള്‍ ലളിതാനുപാതത്തിലും സംയോജിക്കുകയാണെങ്കില്‍, ഒരേ വ്യാപ്തം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തകവാതകങ്ങളിലുള്ള അണുക്കളുടെ എണ്ണങ്ങള്‍ പരസ്പരം ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കണം. ഒരേ താപനിലയിലും ഒരേ മര്‍ദത്തിലും വിവിധ വാതകങ്ങളുടെ തുല്യവ്യാപ്തത്തിലുള്ള അണുക്കളുടെ എണ്ണം തുല്യമായിരിക്കുമെന്ന ആശയം ഡാള്‍ട്ടന്‍ സ്വീകരിച്ചിരുന്നു. അതുപ്രകാരം 1 വ്യാപ്തം ഹൈഡ്രജന്‍ (n)+1 വ്യാപ്തം ക്ലോറിന്‍ (n) = 2 വ്യാപ്തം ഹൈഡ്രജന്‍ക്ളോറൈഡ് (2n യൗഗിക അണുക്കള്‍). അതായത്, 1 ഹൈഡ്രജന്‍ അണു + 1 ക്ലോറിന്‍ അണു = 2 ഹൈഡ്രജന്‍ക്ളോറൈഡ് യൗഗിക അണുക്കള്‍. അല്ലെങ്കില്‍ ഒരു ഹൈഡ്രജന്‍ക്ളോറൈഡ് യൗഗിക അണുവില്‍ 1/2 ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവും 1/2 ക്ലോറിന്‍ അണുവും ഉണ്ട്. അണുവിനെ വിഭജിക്കാമെന്ന ഈ നിഗമനം, അണു അവിഭാജ്യമാണെന്ന ഡാള്‍ട്ടന്‍ സിദ്ധാന്തത്തിനു വിരുദ്ധമാകുന്നു.

അവോഗാഡ്രോ പരികല്പന

ഈ പ്രതിസന്ധി പരിഹരിക്കാന്‍ 1811-ല്‍ ഇറ്റാലിയന്‍ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ അവോഗാഡ്രോ, മൗലിക അണുക്കളും വാതകങ്ങളിലെ ഏറ്റവും ചെറിയ കണികകളും തമ്മില്‍ വ്യവഛേദിച്ചാല്‍ മതിയെന്ന് നിര്‍ദേശിച്ചു. അണുക്കള്‍ ചേര്‍ന്നുണ്ടാകുന്ന ഈ വാതകകണങ്ങളെ അദ്ദേഹം തന്‍മാത്രകള്‍ (molecules) എന്നു വിളിച്ചു. മൂലകങ്ങളുടെ ഗുണധര്‍മങ്ങളും സ്വതന്ത്ര-അസ്തിത്വവുമുള്ള കണം അണുവല്ല, അണുക്കള്‍ ഘടകങ്ങളായുള്ള തന്‍മാത്രകളാണ്. അങ്ങനെ ഗേലൂസാക്, ഡാള്‍ട്ടന്‍ എന്നിവരുടെ ഗവേഷണഫലങ്ങളെ അവോഗാഡ്രോ കോര്‍ത്തിണക്കി. ഒരേ താപനിലയിലും മര്‍ദത്തിലും തുല്യവ്യാപ്തം വാതകങ്ങളില്‍ തുല്യ എണ്ണം തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടെന്ന് അദ്ദേഹം നിര്‍ദേശിച്ചു. ഹൈഡ്രജന്‍, നൈട്രജന്‍ തുടങ്ങിയ സാധാരണ വാതകങ്ങളുടെ തന്‍മാത്രകള്‍ ദ്വിഅണുക (diatomic)മാണെന്നും വെള്ളത്തിന്റെ തന്‍മാത്രയില്‍ രണ്ടു ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കളും ഒരു ഓക്സിജന്‍ അണുവും ആണ് ഉള്ളതെന്നും ഇതുമൂലം തെളിഞ്ഞു (നോ: അവോഗാഡ്രോ). അവോഗാഡ്രോനിര്‍ദേശത്തെ രൂക്ഷമായി വിമര്‍ശിച്ചത് ഡാള്‍ട്ടന്‍ തന്നെയായിരുന്നു. ഒരേജാതി അണുക്കള്‍ സംയോജിച്ച് തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടാകുന്നുവെന്ന സങ്കല്പം അദ്ദേഹത്തിനു സ്വീകാര്യമായിരുന്നില്ല. രണ്ടു ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ ചേര്‍ന്ന് തന്‍മാത്രയുണ്ടാകുന്നെങ്കില്‍ എന്തുകൊണ്ട് ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ കൂടുതല്‍ ചേര്‍ന്ന് ദ്രാവകമാകുന്നില്ല? വളരെ പ്രസക്തമായ ഈ ചോദ്യത്തിന് ഉത്തരം കിട്ടാന്‍ ഒരു നൂറ്റാണ്ടോളം വീണ്ടും കാത്തിരിക്കേണ്ടിവന്നു.

തന്‍മാത്രാഭാരം

(Molecular weight).

മൂലകങ്ങളുടെയും യൗഗികങ്ങളുടെയും തന്‍മാത്രാഭാരം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ അവോഗാഡ്രോസിദ്ധാന്തം വഴിയൊരുക്കി. ഒരേ താപനിലയിലും മര്‍ദത്തിലും 1 ലി. വാതകത്തിന്റെ ഭാരവും അത്രയും വ്യാപ്തം മാനകവാതകത്തിന്റെ ഭാരവും തമ്മിലുള്ള അനുപാതമാണ് വാതകത്തിന്റെ ആപേക്ഷികഘനത്വം. അതിനാല്‍, അവോഗാഡ്രോ പരികല്പനയനുസരിച്ച് രണ്ടു വാതകങ്ങളും ഒരേ മര്‍ദത്തിലും ഒരേ താപനിലയിലും ആണെങ്കില്‍ താഴെ പറയുന്നതു ശരിയായിരിക്കും.

ഹൈഡ്രജന്‍, ഓക്സിജന്‍ എന്നീ വാതകങ്ങളെ മാനകവാതകങ്ങള്‍ ആയി കണക്കാക്കാം. ഇവ ദ്വിഅണുകങ്ങളാണ്. ഹൈഡ്രജന്റെ അണുഭാരം സ്വേച്ഛാകല്പിതമായി 1 എന്ന് സ്വീകരിച്ചാല്‍ തന്‍മാത്രാഭാരം = 2x ആപേക്ഷികഘനത്വം എന്നു ലഭിക്കുന്നു. ഒരു വാതകമൂലകത്തിന്റെ തന്‍മാത്രാഭാരം ഇപ്രകാരം നിര്‍ണയിക്കുമ്പോള്‍ അതില്‍നിന്ന് ഒരു തന്‍മാത്രയിലുള്ള അണുക്കളുടെ എണ്ണം അറിയാന്‍ കഴിയുന്നു. അതില്‍നിന്ന് മൂലകത്തിന്റെ ആപേക്ഷിക അണുഭാരം നിര്‍ണയിക്കാം.

അണുഭാരം

(Atomic weight)

1860-ലെ അന്താരാഷ്ട്ര അണുഭാര സമ്മേളനം ഡാള്‍ട്ടന്‍-അവോഗാഡ്രോ പദ്ധതി അംഗീകരിച്ചു. അതിനുശേഷം നിരവധി യൌഗികങ്ങളുടെ അതിസൂക്ഷ്മവിശ്ളേഷണഫലമായി അണുഭാരങ്ങളുടെ പട്ടിക തയ്യാറാക്കി.

അണുഭാരം ആപേക്ഷികഭാരമാണ്. അതിനാല്‍ മൂലകങ്ങളില്‍വച്ച് ഏറ്റവും കനം കുറഞ്ഞ ഹൈഡ്രജന്‍ ആണ് ആദ്യം മാനകവാതകമായി സ്വീകരിച്ചത്. പക്ഷേ, ഹൈഡ്രജന്‍ യൌഗികങ്ങള്‍ പരിമിതങ്ങളായതിനാലും ഓക്സിജനുമായി ചേര്‍ന്ന് മിക്ക മൂലകങ്ങളും യൌഗികങ്ങള്‍ ഉണ്ടാക്കുമെന്നതിനാലും 1902-ല്‍ ഓക്സിജന്‍ (O) മാനകവാതകമായി സ്വീകരിക്കുകയും ഓക്സിജന്റെ അണുഭാരം 16.000 എന്ന് നിശ്ചയിക്കുകയും ചെയ്തു. അതുവരെ ഓക്സിജന്റെ അണുഭാരം ഇതില്‍നിന്ന് അല്പം വ്യത്യസ്തമായിരുന്നു. തുടര്‍ന്ന് O = 16.000 അടിസ്ഥാനമാക്കി അണുഭാരപ്പട്ടിക പരിഷ്കരിക്കപ്പെട്ടു.

ഡാള്‍ട്ടന്‍ സങ്കല്പിച്ചതുപോലെ ഒരേ മൂലകത്തിന്റെ എല്ലാ അണുക്കളും സമഭാരികങ്ങള്‍ അല്ലാത്തതിനാല്‍ (നോ: ഐസോടോപ്പുകള്‍) രാസ-അണുഭാരം ശ.ശ. ഭാരം മാത്രമേ ആകുന്നുള്ളു. പ്രകൃതിയില്‍ ഓക്സിജന്റെ സ്ഥാനീയങ്ങളുടെ സംഘടനം, വളരെ കൃത്യമായി പറഞ്ഞാല്‍, സ്ഥിരമല്ല. എങ്കിലും O = 16.000 എന്ന തോതാണ് 1961 വരെ സ്വീകരിച്ചിരുന്നത്. ഓരോ അണുവിന്റെയും പെരുമാറ്റത്തിനാണ് ഭൌതികശാസ്ത്രത്തില്‍ പ്രാധാന്യം. അതിനാല്‍ ഏതെങ്കിലും ഒരു അണുവിന്റെ ഒരു പ്രത്യേകസ്ഥാനീയത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിവേണം അണുഭാരപ്പട്ടിക തയ്യാറാക്കുവാന്‍. കാര്‍ബണ്‍ അണുവിന്റെ C = 12.000 എന്ന സ്ഥാനീയമാണ് ഇതിന് മാനകം ആയി 1961-ല്‍ സ്വീകരിച്ചത്. ഈ തോതിനെ കാര്‍ബണ്‍മാനകം എന്നു പറയുന്നു.

അണു-തന്‍മാത്രകളുടെ വലുപ്പം

അണുക്കള്‍ യഥാര്‍ഥത്തില്‍ ഉണ്ടെന്നതിന് വ്യക്തവും ഭൌതികവും ആയ തെളിവുകള്‍ നല്കാതെ അണുസിദ്ധാന്തത്തെ ഒരു പ്രവര്‍ത്തന പ്രക്രിയയായി മാത്രമേ ഇതുവരെ അവതരിപ്പിച്ചിട്ടുള്ളു. അണുവിന്റെ ശരിയായ വലുപ്പത്തെക്കുറിച്ചും ഭാരത്തെക്കുറിച്ചും വേണ്ടത്ര തെളിവുകള്‍കൂടി ലഭിച്ചാല്‍ മാത്രമേ അണുസിദ്ധാന്തത്തിന് നിരാക്ഷേപമായ യുക്തിസഹത ലഭിക്കയുള്ളു. അണുക്കളുടെ സംയോഗംമൂലം തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടാകുന്നുവെന്ന് സങ്കല്പിക്കുകയാണെങ്കില്‍, രണ്ടോ മൂന്നോ അണുക്കള്‍ ചേര്‍ന്ന് ഉണ്ടാകുന്ന തന്‍മാത്രയുടെ വലുപ്പം അണുവിന്റേതിനേക്കാള്‍ വളരെയേറെ ആകാന്‍ ഇടയില്ല.

പ്രതലവലിവുരീതി

(surface tension model)

തന്‍മാത്രയുടെ വലുപ്പം ഏകദേശം കൃത്യമായി കണക്കു കൂട്ടിയത് തോമസ് യങ് എന്ന ഇംഗ്ളീഷ് ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞനാണ്. ദ്രാവകങ്ങളുടെ പ്രതലബലവും വലിവുബലവും (tensil strength) ആധാരമാക്കിയാണ് യങ് തന്റെ നിഗമനങ്ങളിലെത്തിയത്. തന്‍മാത്രകളുടെ വലുപ്പം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ പ്രതലബലവും ദ്രാവകങ്ങളുടെ ബാഷ്പലീന താപവും (latent heat of vapourisation) ആണ് ജെ.ജെ. വാട്ടേഴ്സണ്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തിയത് (1845). അദ്ദേഹം കണക്കു കൂട്ടിയത് ഇങ്ങനെയാണ്: ഒരു ദ്രാവകപ്രതലത്തില്‍ 1 ച.സെ.മീ. വിസ്താരം ഉണ്ടാക്കാന്‍ വേണ്ട ഊര്‍ജമാണ് പ്രതലബലം; ഒരു ഗ്രാം ദ്രാവകത്തെ പൂര്‍ണമായി അതിന്റെ തിളനിലയില്‍ ബാഷ്പമാക്കാന്‍, അതായത് തന്‍മാത്രകളെ വേര്‍തിരിക്കാന്‍ വേണ്ട ഊര്‍ജം ബാഷ്പലീനതാപവും. തന്‍മാത്രകളെ d വശമുള്ള ക്യൂബുകളായി സങ്കല്പിച്ചാല്‍ V വ്യാപ്തം ദ്രാവകത്തില്‍ V/d³ തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കും. ഒരു തന്‍മാത്രയുടെ പാര്‍ശ്വതല വിസ്തീര്‍ണം 6d² ആയതിനാല്‍ ആകെ തന്‍മാത്രകളുടെ വിസ്താരം V/d³x6d²=6V/d ആണ്. അതിനാല്‍ തന്‍മാത്രകളുടെ വിസ്താരം വര്‍ധിപ്പിക്കാന്‍ ചെലവായ ഊര്‍ജം = പ്രതലബലം * വിസ്താരം=Sx6V/d=6SV/d . ബാഷ്പ ലീനതാപം L എങ്കില്‍ V വ്യാപ്തം ദ്രാവകം ബാഷ്പീകരിക്കാന്‍ ചെലവഴിച്ച ഊര്‍ജം = VL. ഇവ രണ്ടും തുല്യമായതിനാല്‍,6SV/d=VL . അതായത്, d=6S/L. വെള്ളത്തിന് S = 70 ഡൈന്‍/സെ.മീ. എന്നും H=Z²e⁴M/8E;²₀ h³C എര്‍ഗ്/ഘ. സെ.മീ. എന്നും സ്വീകരിച്ചാല്‍ d = 2 x 10^-10 മീ. അതായത് ജലതന്‍മാത്രയുടെ വലുപ്പം 0.20 നാനോ മീ. എന്നു വരുന്നു (1 നാനോ മീ. = 10^-9 മീ.)

മാധ്യമുക്തപഥരീതി

(Mean free path model)

ഗതികസിദ്ധാന്ത നിഗമനങ്ങള്‍ തന്‍മാത്രകളുടെ വേഗത്തെപ്പറ്റിയുള്ള പഠനത്തില്‍ ഏറെ പ്രാധാന്യം അര്‍ഹിക്കുന്നു. മിക്ക തന്‍മാത്രകളുടെയും വേഗം 25°c-ല്‍ 300 മീറ്ററിലധികമാണ്. എങ്കിലും ഘനത്വംകൂടിയ കാര്‍ബണ്‍ ഡൈഓക്സൈഡ് പോലുള്ള ഒരു വാതകം അന്തരീക്ഷത്തിലേക്കു തുറന്നുവച്ചിരുന്നാല്‍ വായുവുമായുള്ള അതിന്റെ മിശ്രണം വളരെവേഗം നടക്കുന്നില്ലെന്നു പരീക്ഷണങ്ങള്‍ തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. വളരെ കുറച്ചു ദൂരം മാത്രം സഞ്ചരിക്കുമ്പോഴേക്കും തന്‍മാത്രകള്‍ തമ്മില്‍ സംഘട്ടനം നടക്കുന്നതായിരിക്കണം അതിനു കാരണം. രണ്ടു അനുക്രമസംഘട്ടനങ്ങള്‍ക്കിടയില്‍ ഒരു തന്മാത്ര സഞ്ചരിക്കുന്ന ശ.ശ. ദൂരമാണ് അതിന്റെ മാധ്യമുക്തപഥം. ഗതികസിദ്ധാന്തത്തില്‍ തന്‍മാത്രകളെ കട്ടിയുള്ള ഗോളങ്ങളായി കല്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ഒരു വ്യാപ്തമാത്ര(unit volume)യില്‍ d വ്യാസമുള്ള n വാതക തന്‍മാത്രകളുണ്ടെങ്കില്‍, തന്‍മാത്രയുടെ മാധ്യമുക്തപഥം λ_യ്ക്കുള്ള സമീകരണം ഇങ്ങനെയാണ് γ=1/√2πnd².V വ്യാപ്തം വാതകത്തില്‍ V_n തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കും. വാതകം ദ്രാവകമായി സംഘനിക്കുമ്പോള്‍ വ്യാപ്തം V ആണെങ്കില്‍ തുല്യ ഗോളങ്ങളുടെ സങ്കുലന രീതി (packing nature) കണക്കിലെടുത്താല്‍ v = Vnd³ എന്നു തെളിയിക്കാം. അപ്പോള്‍,Vλ=Vd/√2π എന്നു കിട്ടുന്നു. മിക്ക വാതകങ്ങള്‍ക്കും V = 0.005V, = 2 x 10^-8 മീ. ആയതിനാല്‍ d = 0.20 നാനോമീറ്റര്‍ (നോ: അന്താരാഷ്ട്രമാത്രാ സമ്പ്രദായം) എന്നു കിട്ടുന്നു. തന്‍മാത്രകളുടെ വലുപ്പം ഏകദേശം 0.20 നാനോമീറ്റര്‍ വരും. 1 ഘ.സെ.മീ. തന്‍മാത്രയില്‍ ഏകദേശം 4.5 x 10¹⁹ തന്‍മാത്രകള്‍ ഉണ്ടെന്ന് ഈ തന്‍മാത്രാ വലുപ്പം ഉപയോഗിച്ച് 1865-ല്‍ ജെ. ലോഷ്മിഡ്റ്റ് നിര്‍ണയിച്ചു. രസതന്ത്രജ്ഞരെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം ഒരു ഗ്രാം വാതകത്തില്‍, അതായത് 22415 ഘ.സെ.മീ. വാതകത്തില്‍ എത്ര തന്‍മാത്രകളുണ്ടെന്നുള്ള അറിവ് പ്രധാനമാണ്. ഈ അറിവ് ഓരോ മൂലക അണുവിന്റെയും കേവലഭാരം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ സഹായിക്കുന്നു. ഒരു ഗ്രാം തന്‍മാത്രയിലുള്ള അണുക്കളുടെ സംഖ്യയെ അവോഗാഡ്രോസംഖ്യ N₀ എന്നു പറയുന്നു. ഏറ്റവും പുതിയ വിധികളനുസരിച്ചുള്ള നിര്‍ണയപ്രകാരം അവോഗാഡ്രോസംഖ്യ 6.02252 x 10²³ ആണ്. ഇതില്‍നിന്ന് ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ ഭാരം = 1.673 x 10^-27 കി.ഗ്രാം എന്നു കിട്ടുന്നു. ഏതു മൂലകത്തിലെ അണുവിന്റെയും കേവലഭാരം കാണാന്‍ അതിന്റെ അണുഭാരത്തെ ഹൈഡ്രജന്‍-അണുഭാരം കൊണ്ട് ഗുണിച്ചാല്‍ മതി.

എണ്ണഫിലിം രീതി

(Oil film model).

വെള്ളത്തില്‍ ലയിക്കാത്തതും ധ്രുവീയ-അന്ത്യ ഗ്രൂപ്പുകള്‍ (polar terminal groups) ഉള്ളതുമായ ഒലിയിക് അമ്ളം (Oleic acid) പോലുള്ള ചില കാര്‍ബണികയൌഗികങ്ങള്‍ ശുദ്ധജല പ്രതലത്തില്‍ പരക്കുമെന്ന് 1891-ല്‍ ഫ്രൌളിന്‍ പോക്കല്‍സ് തെളിയിച്ചു. റാലിപ്രഭു, ഈ പരീക്ഷണം തുടര്‍ന്നു. ജലപ്രതലത്തിലേക്ക് ഒഴിക്കുന്ന ഒലിയിക് അമ്ളത്തിന്റെ അളവ് ഒരു പരിമാണത്തില്‍ കുറവാണെങ്കില്‍ വെള്ളത്തിന്റെ പ്രതലബലത്തില്‍ കുറവുണ്ടാകുന്നില്ലെന്ന് 1899-ല്‍ അദ്ദേഹം കണ്ടുപിടിച്ചു. ഈ പരിമാണത്തിന് ക്രാന്തികപരിമാണം (critical measure) എന്നു പറയുന്നു. ക്രാന്തികപരിമാണത്തില്‍ കൂടുതലായാല്‍ പ്രതലബലം കുറയുന്നതായും തെളിയിക്കപ്പെട്ടു. ജലപ്രതലത്തില്‍ ഒലിയിക് അമ്ളത്തിന്റെ ഒരു സാന്ത ഏകതന്‍മാത്രാഫിലിം (finite single molecule film) ഉണ്ടാകുമ്പോഴാണ് പ്രതലബലത്തില്‍ മാറ്റംവരുന്നതെന്ന് അദ്ദേഹം അനുമാനിച്ചു. 1 ഘ.സെ.മീ. ഏകതന്‍മാത്രാഫിലിം ഉണ്ടാകാന്‍ എത്ര ഒലിയിക് അമ്ളം വേണമെന്ന് പരീക്ഷണത്തിലൂടെ റാലിപ്രഭു നിര്‍ണയിച്ചു. ശുദ്ധ അമ്ളത്തിലും ഏകതന്‍മാത്രാഫിലിമിലും അമ്ളത്തിന്റെ ഘനത്വം തുല്യമാണെന്ന സങ്കല്പത്തില്‍ അദ്ദേഹം അമ്ളതന്‍മാത്രയുടെ വലുപ്പം 1.00 നാനോമീറ്റര്‍ ആണെന്നു കണ്ടു

എക്സ്റേ വിഭംഗനം

(X-ray diffraction)

ക്രിസ്റ്റലീയ ഖരങ്ങള്‍ക്ക് നിശ്ചിത ജ്യാമിതീയ രൂപമുണ്ട്. അവയില്‍ നിശ്ചിത ജ്യാമിതീയ മാതൃകകളിലാണ് അണുക്കള്‍ വിന്യസിച്ചിരിക്കുന്നത്. ക്രിസ്റ്റലിലെ മാത്രാസെല്ലിന്റെ വ്യാപ്തം (v) കാണാനുള്ള സമീകരണം V=ZM/N₀p ആണ്. ഇവിടെ Z മാത്രാസെല്ലിലുള്ള അണുക്കളുടെ എണ്ണം, M അണുഭാരം, N₀ അവോഗാഡ്രോസംഖ്യ,p ഘനത്വം എന്നിവയെ പ്രതിനിധാനം ചെയ്യുന്നു. അലുമിനിയം ലോഹത്തിന്റെ ക്രിസ്റ്റലില്‍ മാത്രാസെല്ലിന്റെ വ്യാപ്തം പരിശോധിക്കുമ്പോള്‍ ഇത് വ്യക്തമാകും. അലൂമിനിയത്തിന് Z = 4, M= 26.98,p = 2.7 ഗ്രാം/ഘ.സെ.മീ. ആയതിനാല്‍,V=4 x 26.98/2.7 x 6.023 x 10²³ = 64.86 x 10^-21 ഘ.സെ.മീ. മാത്രാസെല്ലിന് ക്യൂബ് ആകൃതി ആയതിനാല്‍, ക്യൂബിന്റെ വശം = 4.049 x 10^-8 സെ.മീ. = 0.4049 നാനോമീറ്റര്‍. ഗോളങ്ങളുടെ ജ്യാമിതീയ സങ്കുലനം കണക്കിലെടുക്കുമ്പോള്‍, അലുമിനിയം അണുവിന്റെ വ്യാസം 0.286 നാനോമീറ്റര്‍ എന്നുവരുന്നു. ഇപ്രകാരം പല അണുക്കളുടെയും വ്യാസം നിര്‍ണയിച്ചിട്ടുണ്ട്.

അണുഭാരം കൂടുന്ന മുറയ്ക്ക് അണുക്കളുടെ വലുപ്പം കൂടുന്നുണ്ടെങ്കിലും ഈ വസ്തുത ഒരു നിയമമായി ഗണിക്കവയ്യ. ഏറ്റവും കൂടുതല്‍ വലുപ്പമുള്ള അണുക്കളുടെ കൂട്ടത്തില്‍പെടുന്നു ക്ഷാരലോഹങ്ങള്‍. അണുക്കളുടെ വലുപ്പം സാമാന്യമായി 0.1 മുതല്‍ 0.5 വരെ നാനോമീറ്റര്‍ ആണെന്നു പറയാം.

അണുവിന്റെ അസ്തിത്വത്തിന് മറ്റു തെളിവുകള്‍

അണുവെന്ന സങ്കല്പത്തിന് 20-ാം ശ.-ത്തിന്റെ ആരംഭംവരെ നിഗമനാത്മകമായ തെളിവുകള്‍ അല്ലാതെ യഥാര്‍ഥ തെളിവുകള്‍ ലഭിച്ചിരുന്നില്ല. ഇലക്ട്രോണ്‍, റേഡിയോ ആക്റ്റിവത തുടങ്ങിയവയുടെ കണ്ടുപിടിത്തത്തോടെയാണ് പദാര്‍ഥത്തിന്റെ അണുഘടനയെ സംബന്ധിച്ച യാഥാര്‍ഥ്യങ്ങള്‍ വെളിച്ചം കണ്ടത്.

ഇലക്ട്രോണ്‍

പദാര്‍ഥത്തിന്റെ അണുസിദ്ധാന്തത്തെ പിന്‍താങ്ങുന്നവയായിരുന്നു ഫാരഡെയുടെ ഗവേഷണങ്ങള്‍. ഒരേ പരിമാണം വൈദ്യുതി, വിവിധ ഇലക്ട്രോളൈറ്റുക(electrolytes)ളില്‍കൂടി പ്രവഹിപ്പിച്ചാല്‍, നിക്ഷേപിക്കപ്പെടുന്ന പദാര്‍ഥങ്ങളുടെ ഭാരം അവയുടെ രാസതുല്യാങ്കഭാരങ്ങള്‍ക്ക് ആനുപാതികമായിരിക്കുമെന്നു മൈക്കേല്‍ഫാരഡെ 1833-ല്‍ കണ്ടുപിടിച്ചു. ഒരു കി.ഗ്രാം. തുല്യാങ്കം പദാര്‍ഥം നിക്ഷേപിക്കപ്പെടാന്‍ 9.6522 x10⁷ കൂളും വൈദ്യുതി വേണമെന്ന് ഫാരഡെ കണ്ടെത്തി. ഈ വസ്തുത പദാര്‍ഥത്തിന്റെ അണുസിദ്ധാന്തത്തെ പിന്‍താങ്ങാന്‍ പര്യാപ്തമായിരുന്നു.

സാധാരണ പരിതഃസ്ഥിതികളില്‍ വാതകങ്ങള്‍ നല്ല ഇന്‍സുലേറ്ററുകളാണ്. ഉയര്‍ന്ന പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ പ്രയോഗിച്ചാല്‍ ഒരു ഡിസ്ചാര്‍ജ് മാത്രമേ ഉണ്ടാകയുള്ളു. പക്ഷേ, മര്‍ദം കുറയും തോറും അതിലെ വാതകം ചാലകത പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുകയും പല ദീപ്തിപ്രവാഹങ്ങള്‍ അതില്‍ ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യും. ഡിസ്ചാര്‍ജ് ട്യൂബുകളില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ഇത്തരം പ്രതിഭാസങ്ങളെപ്പറ്റി ജെ. പ്ളക്കര്‍ (1858), ഡബ്ള്യു. ഹിറ്റോര്‍ഫ് (1869), വില്യം ക്രൂക്സ് (1879) തുടങ്ങി പലരും പഠനം നടത്തി. മര്‍ദം 1- 0.1 ന്യൂട്ടണ്‍ മീ^-2 ആയിരിക്കുമ്പോള്‍ കാഥോഡില്‍നിന്നു പുറപ്പെടുന്ന കിരണങ്ങളെ ഇ. ഗോള്‍ഡ്സ്റ്റൈന്‍ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ കാഥോഡ്കിരണങ്ങള്‍ (രമവീേറലൃമ്യ) എന്നു വിളിച്ചു. കാഥോഡ്കിരണങ്ങള്‍ കണങ്ങളാണ്; കാഥോഡിനു ലംബമായി നേര്‍രേഖയില്‍ സഞ്ചരിക്കുന്നു; കാന്തികമണ്ഡലത്തിലും വിദ്യുത്മണ്ഡലത്തിലും അവ വ്യതിചലിക്കുന്നു എന്നെല്ലാം തെളിയിക്കപ്പെട്ടു. കാഥോഡ്കണങ്ങള്‍ക്ക് ഋണചാര്‍ജ് ഉണ്ടെന്ന് സര്‍ ജെ.ജെ. തോംപ്സണ്‍ തെളിയിച്ചു. പല വാതകങ്ങളും ഉപയോഗിച്ച് പരീക്ഷണങ്ങള്‍ ആവര്‍ത്തിച്ചതിന്റെ ഫലമായി എല്ലാ വസ്തുക്കളിലും ഋണവൈദ്യുതിമാത്ര, അതായത് ഇലക്ട്രോണ്‍, ഒരു മൌലികഘടകമാണെന്നു സ്ഥാപിക്കപ്പെട്ടു. ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാര്‍ജ് e-ഉം ദ്രവ്യമാനം m-ഉം ആണെങ്കില്‍, e/m ന്റെ മൂല്യം 1.76 x 10¹¹ കൂളും കി.ഗ്രാം^-1 ആകുന്നു.

ദ്വാരങ്ങളുള്ള ഒരു കാഥോഡ് ഉപയോഗിക്കുകയും മര്‍ദം വളരെ കുറയാതിരിക്കയും ചെയ്യുന്നെങ്കില്‍, ആനോഡില്‍ (anode) നിന്ന്, അതായത് ധന ഇലക്ട്രോഡില്‍നിന്ന് വര്‍ണ രശ്മികള്‍ പുറപ്പെടുന്നുണ്ടെന്ന് ഇ. ഗോള്‍ഡ്സ്റ്റൈന്‍ (1886) തെളിയിച്ചു. ഇവയെ ധനകിരണങ്ങള്‍ എന്നു വിളിക്കുന്നു. ഈ കണങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണങ്ങളുടെ ഫലമായി ഏറ്റവും ഭാരം കുറഞ്ഞ ധനകണത്തിന് ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ ഭാരമുണ്ടെന്ന് തെളിയിക്കപ്പെട്ടു. റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് ഈ കണത്തെ പ്രോട്ടോണ്‍ (proton) എന്നു വിളിച്ചു.

റേഡിയോ ആക്റ്റിവത

(Radio activity)

റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം അണുവിന്റെ അസ്തിത്വത്തിനു നേരിട്ടുള്ള തെളിവു നല്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങളില്‍നിന്ന് α(ആല്‍ഫാ), β(ബീറ്റാ) γ(ഗാമാ)-രശ്മികള്‍ ഉത്സര്‍ജിക്കപ്പെടുന്നു. α-കണം സിങ്ക്സള്‍ഫൈഡ് സ്ക്രീനില്‍ പതിക്കുമ്പോള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന സ്പന്ദങ്ങള്‍ നിരീക്ഷിക്കാവുന്നതാണ്.

ബ്രൌണിയന്‍ ചലനം

(Brownian motion).

ഇംഗ്ളീഷ് സസ്യശാസ്ത്രജ്ഞനായ റോബര്‍ട്ട് ബ്രൌണ്‍ 1827-ല്‍ ദ്രാവകത്തില്‍ നിലംബിതമായ പൂമ്പൊടി ഇടതടവില്ലാതെ ചലിക്കുന്നതായി കണ്ടു. ഈ ചലനത്തെ ബ്രൌണിയന്‍ ചലനമെന്നു വിളിക്കുന്നു. 1906-ല്‍ ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍ ഈ ചലനത്തെ വിശകലനം ചെയ്ത് ഒരു സമീകരണം കണ്ടെത്തി. ജെ. പെരിന്‍, ബ്രൌണിയന്‍ ചലനപഠനംവഴി അവോഗാഡ്രോ സംഖ്യയുടെ മൂല്യം നിര്‍ണയിച്ചു. ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ എക്സ്റേകള്‍ ഉപയോഗിച്ചുള്ള പഠനങ്ങളും അണുക്കളുടെ വലുപ്പം അളക്കാന്‍ സഹായിച്ചിട്ടുണ്ട്.

അണുവിനെ നേരിട്ടു കാണാനുള്ള ശ്രമം വിജയിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇ. ഡബ്ളിയു. മുള്ളര്‍ഫീല്‍ഡ് അയോണ്‍മൈക്രോസ്കോപ് ഉപയോഗിച്ച് അണുവിന്റെ പത്തുലക്ഷം ഇരട്ടി വലുപ്പമുള്ള ചിത്രങ്ങള്‍ എടുത്തിട്ടുണ്ട്.

ന്യൂക്ളിയര്‍ അണു

(Nuclear atom).

റേഡിയോ ആക്റ്റിവത, ഇലക്ട്രോണ്‍ എന്നിവയുടെ കണ്ടുപിടിത്തം അണുസംരചന മനസ്സിലാക്കാന്‍ സഹായിച്ചു. റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങളില്‍നിന്ന് ധനകണങ്ങളും ഋണകണങ്ങളും ഉത്സര്‍ജിക്കുന്നുണ്ടെന്ന അറിവ്, അണു നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നത് ധനചാര്‍ജും ഋണചാര്‍ജും ചേര്‍ന്നാണെന്ന നിഗമനത്തിന് വഴി തെളിച്ചു. ഈ അഭിപ്രായം സാധുവാണെങ്കില്‍, അണു ഉദാസീനമായതിനാല്‍ ധനചാര്‍ജുകളുടെയും ഋണചാര്‍ജുകളുടെയും എണ്ണം തുല്യമായിരിക്കണം. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഭാരം നിസ്സാരമായതിനാല്‍ അണുവിന്റെ ഭാരം മുഴുവന്‍ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നത് ധനചാര്‍ജിലായിരിക്കുകയും വേണം.

തോംപ്സണ്‍ മാതൃക

മേല്പറഞ്ഞ കാര്യങ്ങള്‍ കണക്കിലെടുത്ത് 1898-ല്‍ സര്‍. ജെ.ജെ. തോംപ്സണ്‍ അണുവിന് ഒരു മാതൃക ഉണ്ടാക്കി. ഏകസമാന ഘനത്വമുള്ള (uniform density) ധനചാര്‍ജിതഗോളത്തില്‍ തുല്യ ഋണചാര്‍ജ് ഉണ്ടാകാന്‍ വേണ്ടത്ര ഇലക്ട്രോണുകള്‍ വിതറിയിട്ടുള്ള ഒരു മാതൃകയാണ് തോംപ്സണ്‍ വിവക്ഷിച്ച അണു. തോംപ്സണ്‍-ന്റെ മാതൃക തികച്ചും യുക്തിസഹമെന്ന് അന്ന് അംഗീകരിച്ചിരുന്നു.

1904-ല്‍ ജപ്പാന്‍കാരനായ എച്ച്. നഗയോക്ക അണുവിന് 'ശനിമാതൃക' (Saturn model) നിര്‍ദേശിച്ചു. ശനിഗ്രഹത്തിനു ചുറ്റും വലയങ്ങള്‍ ഉള്ളതുപോലെ, ധനചാര്‍ജ് അണുവിന്റെ കേന്ദ്രത്തിലും അതിനുചുറ്റും വലയത്തില്‍ ഇലക്ട്രോണുകളും എന്ന ഈ മാതൃക യഥാര്‍ഥത്തില്‍ ശ്രദ്ധിക്കപ്പെട്ടില്ല.

ആല്‍ഫാ-കണ പ്രകീര്‍ണനം

(α-particle scattering).

1911-ല്‍ ഗൈഗറും മാര്‍സ്ഡനും അണുവിന്നുള്ളില്‍ എന്താണെന്നറിയാനുള്ള ശ്രദ്ധേയമായ ഒരു പരീക്ഷണം നടത്തി. റഥര്‍ഫോര്‍ഡിന്റെ നിര്‍ദേശാനുസരണം നടത്തിയ ഈ പരീക്ഷണത്തില്‍ റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങളില്‍നിന്ന് ഉത്സര്‍ജിക്കുന്ന വേഗമേറിയ α-കണങ്ങളാണ് അന്വേഷണമാധ്യമം (probe) ആയി ഉപയോഗിച്ചത്. അവ α-കണം ഉത്സര്‍ജിക്കുന്ന വസ്തു, ചിത്രത്തില്‍ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ സൂക്ഷ്മസുഷിരമുള്ള ഒരു ലെഡ്സ്ക്രീനിന്റെ പിന്നില്‍വച്ചു. അങ്ങനെ α-കണങ്ങളുടെ ഒരു നേരിയ വ്യൂഹം ഉണ്ടാക്കി. ഈ വ്യൂഹം കനം കുറഞ്ഞ സ്വര്‍ണത്തകിടില്‍ പതിപ്പിച്ചു.

സ്വര്‍ണത്തകിടിന്റെ പിന്നില്‍ സിങ്ക്സള്‍ഫൈഡ് സ്ക്രീന്‍ സ്ഥാപിച്ചു. α-കണങ്ങള്‍ ഈ സ്ക്രീനില്‍ പതിച്ചാല്‍ പ്രകാശസ്ഫുരണങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകും. മിക്കവാറും എല്ലാ α-കണങ്ങളും തകിടില്‍ക്കൂടി കടന്നുപോകുമെന്നും ചിലതിനു മാത്രം വ്യതിചലനം ഉണ്ടാകുമെന്നും ആയിരുന്നു പ്രതീക്ഷ. തോംപ്സന്റെ അണുമാതൃകയില്‍ ചാര്‍ജുകള്‍ ഏകസമാനമായതിനാല്‍ പ്രതീക്ഷിക്കാവുന്നതാണ് ഇത്. പക്ഷേ ഗൈഗറും മാര്‍സ്ഡനും കണ്ടത് ഇതാണ്: മിക്ക α-കണങ്ങളും തകിടിലൂടെ കടന്നുപോയി; പക്ഷേ ചിലത് വലിയ കോണങ്ങളില്‍ പ്രകീര്‍ണനം ചെയ്യപ്പെട്ടു. ചിലതു പിറകോട്ടു പ്രകീര്‍ണനം ചെയ്യപ്പെട്ടു. ?-കണങ്ങള്‍ക്ക് ഇലക്ട്രോണിന്റെ 7,000 മടങ്ങ് ഭാരം ഉണ്ടായിരുന്നതിനാലും, അവ നല്ല വേഗത്തില്‍ പാഞ്ഞിരുന്നതിനാലും തീവ്രബലം പ്രവര്‍ത്തിച്ചെങ്കില്‍ മാത്രമേ അവ പിന്‍തിരിയുകയുള്ളു എന്ന നിഗമനത്തില്‍ അവര്‍ എത്തി.

റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് മാതൃക

(Rutherford model).

ഈ പരീക്ഷണഫലങ്ങള്‍ക്ക് വിശദീകരണം നല്കാന്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് 'കേന്ദ്രീയ അണുമാതൃക' നിര്‍ദേശിച്ചു. അണുവിന്റെ ധനചാര്‍ജും ഭാരവും സാന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നത് അതിലെ വളരെ ചെറിയ അണുകേന്ദ്രത്തിലാണ്. ഇലക്ട്രോണുകള്‍ നിശ്ചിത അകലത്തില്‍ സൂര്യനു ചുറ്റും ഗ്രഹങ്ങളെന്നപോലെ കറങ്ങിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു. α-കണങ്ങള്‍ സ്വര്‍ണത്തകിടിലൂടെ നേരെ കടന്നുപോകാന്‍ കാരണം അണു മൊത്തത്തില്‍ പൊള്ളയായതാണ്. മാത്രമല്ല, റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് മാതൃകയില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ വിദ്യുത്ബലം തോംപ്സണ്‍ മാതൃകയിലെക്കാള്‍ 10⁸ മടങ്ങ് അധികമുണ്ടെന്ന് പരികലനംവഴി കാണിക്കാന്‍ കഴിയും. അതാണ് α-കണങ്ങള്‍ വലിയ കോണങ്ങളില്‍ പ്രകീര്‍ണനവിധേയമാകാന്‍ കാരണം.

ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഭ്രമണപഥത്തില്‍ ചലിച്ചുകൊണ്ടിരുന്നാല്‍ മാത്രമേ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് അണുവിന് സ്ഥിരതയുള്ളു. പക്ഷേ, ക്ളാസ്സിക്കല്‍ വിദ്യുത്-ഗതികം (Electro-Dynamics) അനുസരിച്ച് ചലിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഒരു ചാര്‍ജ് ത്വരണവിധേയമാകുന്നതിനാല്‍ ഊര്‍ജവികിരണം നടത്തും. അങ്ങനെയാവുമ്പോള്‍ കുറെ കഴിഞ്ഞാല്‍, ഇലക്ട്രോണ്‍ ഊര്‍ജം ക്ഷയിച്ച് ഒരു സര്‍പ്പിളപഥത്തിലൂടെ ചലിച്ച് അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ പതിക്കും. പക്ഷേ, അണു നശിക്കാത്തതിനാല്‍ ഇപ്രകാരം സംഭവിക്കയില്ലെന്ന് തീര്‍ച്ചയാണ്. ഈ പരസ്പരവൈരുധ്യത്തില്‍നിന്ന് സ്ഥൂലവസ്തുക്കള്‍ക്ക് ബാധകമായ ഭൌതികനിയമങ്ങള്‍ സൂക്ഷ്മവസ്തുക്കളായ അണുക്കള്‍ക്ക് ബാധകമല്ലെന്ന് മനസ്സിലാക്കാവുന്നതാണ്.

ബോര്‍ അണുമാതൃക

(Bohr atom model).

അണുവിന്റെ പെരുമാറ്റവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്ന ആദ്യത്തെ അണുസിദ്ധാന്തം-ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ സംരചന-നിര്‍ദേശിച്ചത് 1913-ല്‍, നീല്‍സ്ബോര്‍ ആണ്. പല പോരായ്മകളും ഉണ്ടെങ്കിലും ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം നല്ലൊരു കാല്‍വയ്പ് ആയിരുന്നു. 1900-ല്‍ തപ്തവസ്തുക്കളുടെ സ്പെക്ട്രം വിശദീകരിക്കാനാണ് മാക്സ്-പ്ളാങ്ക് ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം ആവിഷ്കരിച്ചത്. വികിരണങ്ങള്‍ ക്വാണ്ടങ്ങളായി, അതായത് പാക്കറ്റുകളായി, ആണ് ഉത്സര്‍ജിക്കപ്പെടുന്നതെന്നും ക്വാണ്ടത്തിന്റെ മിനിമം ഊര്‍ജം E=hv ആണെന്നും അദ്ദേഹം പ്രസ്താവിച്ചു. ഇവിടെ h പ്ളാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കവും vവികിരണത്തിന്റെ ആവൃത്തിയും ആണ്. ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചലനത്തിന് ക്ളാസ്സിക്കല്‍ വിദ്യുത്ഗതികത്തിനുപകരം ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം ബോര്‍ പ്രയോഗിച്ചു.

അണുസ്പെക്ട്രം

മൂലകങ്ങളുടെ സ്പെക്ട്രരേഖകള്‍, പ്രത്യേകിച്ചും സുസ്ഥാപിതമായ ഹൈഡ്രജന്‍ സ്പെക്ട്രരേഖകള്‍ ആണ് തന്റെ അണുസിദ്ധാന്തത്തില്‍ ബോറിനെ എത്തിച്ചത്. ഹൈഡ്രജന്റെ സ്പെക്ട്രത്തില്‍ നാലു പ്രധാന രേഖകള്‍ - ചുവപ്പ്, പച്ച, നീല, വയലറ്റ് - ഉണ്ട്. 1885-ല്‍ ജെ.ജെ. ബാമര്‍ ഈ രേഖകളുടെ തരംഗനീളം അളന്നു. അതിനെ വളരെ കൃത്യമായി

എന്ന സൂത്രം പ്രതിനിധാനം ചെയ്യുന്നു. ഇവിടെ λ= തരംഗനീളം; R_H = ഹൈഡ്രജനുള്ള റിഡ്ബര്‍ഗ് സ്ഥിരാങ്കം = 109677 സെ.മീ.^-1; n= 3, 4, 5 ..... ഇത്യാദി പൂര്‍ണ സംഖ്യകള്‍

സമീകരണം (1)-ന്റെ സാമാന്യരൂപം റിറ്റ്സ് (Ritz) നിര്‍ദേശിച്ചു.

ഇത്തരം ബന്ധങ്ങളെ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ വെളിച്ചത്തില്‍ വിശദീകരിക്കാനാണ് ബോര്‍ ശ്രമിച്ചത്.

ബോര്‍ അണു

(Bohr atom).

സ്വേച്ഛാകല്പിത രീതിയിലാണ് ബോര്‍ തന്റെ അണുസിദ്ധാന്തം നിര്‍ദേശിച്ചത്. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുമാതൃകയ്ക്കും ബോര്‍ സ്വീകരിച്ച സങ്കല്പനങ്ങള്‍ (assumptions) താഴെ കൊടുക്കുന്നു : (1) അണുകേന്ദ്രത്തിനു ചുറ്റും വൃത്താകാരമായ ഭ്രമണപഥത്തില്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ സഞ്ചരിക്കുന്നു; (2) കോണീയസംവേഗം h/2λ യുടെ ഗുണിതങ്ങളായിട്ടുള്ള ഭ്രമണപഥങ്ങള്‍ മാത്രമേ അനുവദനീയമായുള്ളു; (3) അനുവദനീയ ഭ്രമണപഥത്തില്‍ ആയിരിക്കുമ്പോള്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ ഊര്‍ജവികിരണം നടത്തുന്നില്ല. ഒരു അനുവദനീയ ഭ്രമണപഥത്തില്‍ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് ഇലക്ട്രോണ്‍ ചാടുമ്പോള്‍ ഊര്‍ജവികിരണം ഉണ്ടാകുന്നു.

ഈ സങ്കല്പനങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് ബോര്‍, ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ വ്യാസാര്‍ധം (radius), അനുവദനീയ പരിപഥ ഊര്‍ജം (circuit energy) എന്നിവ പരികലനം നടത്തിയതും നിരീക്ഷ്യസ്പെക്ട്രരേഖകള്‍ (visible spectral lines) സൈദ്ധാന്തികമായി പ്രവചിക്കാമെന്നു തെളിയിച്ചതും.

m,v,r എന്നിവ യഥാക്രമം ഇലക്ട്രോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം, ഭ്രമണവേഗം, ഭ്രമണപഥത്രിജ്യ (radius) എന്നിവ ആണെങ്കില്‍ ബോര്‍ സ്ഥിരാവസ്ഥ ഇങ്ങനെ കുറിക്കാം: 2π mvr =nh. ഇവിടെ n പ്ളാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കവും ആണ്. ഈ സമീകരണത്തെ mvr =n h/2 എന്നെഴുതിയാല്‍ ബോറിന്റെ രണ്ടാമത്തെ സങ്കല്പനമായി. ഇവിടെ mvr=n h/2π കോണീയസംവേഗവും n ക്വാണ്ടംസംഖ്യയും ആണ്. രേഖാസ്പെക്ട്രത്തില്‍ അണു ഊര്‍ജവികിരണം നടത്തുന്നുണ്ട്. ഇതിന് ബോര്‍ നല്കിയ വിശദീകരണം ഇതാണ്: സാധാരണ അണു നിമ്നതലത്തില്‍ (ground state) ആണ്; അത് ഉത്സര്‍ജിതമാകുമ്പോള്‍ ക്വാണ്ടീകരിച്ച ഊര്‍ജം (quantized energy) അവശോഷണം ചെയ്കയും ഇലക്ട്രോണ്‍ താത്കാലികമായി ഉത്തേജിതാവസ്ഥയില്‍ ആകുകയും ചെയ്യുന്നു. ക്ഷണികമായ ഈ ഉത്തേജിതാവസ്ഥയില്‍ നിന്ന് (ഊര്‍ജം: En₂) ആദ്യാവസ്ഥയിലേക്ക് (ഊര്‍ജം: En₁) ഇലക്ട്രോണ്‍ വരുമ്പോള്‍ ഊര്‍ജവികിരണം നടത്തുന്നു. അതായത്,

(3), (4), (5), (6) എന്നീ സമീകരണങ്ങളില്‍, Ze = അണുകേന്ദ്രചാര്‍ജ്, e = ഇലക്ട്രോണ്‍ചാര്‍ജ്, m = ഇലക്ട്രോണ്‍ ദ്രവ്യമാനം, (സ്വതന്ത്ര സ്പെയ്സിന്റെ വിദ്യുത്ശീലത) = 8.854 x10 ^-12 ഫാരഡ് മീ.^-1 n= ക്വാണ്ടം സംഖ്യ എന്നിവ ആണ്. ബോര്‍ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ സാധുത്വം പരിശോധിക്കാന്‍ റിഡ്ബര്‍ഗ് സ്ഥിരാങ്കത്തിന്റെ എംപിരികസമീകരണമൂല്യവും സമീകരണം (6)-ന്റെ മൂല്യവും തമ്മിലുള്ള പൊരുത്തം പ്രയോജനപ്പെടുത്താം. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന് z = 1, e = 1.60 x 10^-19 കൂളും m = 9.11 x 10^-31 കി.ഗ്രാം, c = 3 x 10⁸ മീ. സെ.^-1, h = 6.62 x 10^-34 ജൂള്‍ സെ. എന്നീ മൂല്യങ്ങള്‍ സമീകരണം (6)-ല്‍ പ്രതിസ്ഥാപിച്ചാല്‍, R_H = 1.099 x 10⁷ മീ.^-1എന്നുകിട്ടുന്നു. R_H-ന്റെ മൂല്യങ്ങള്‍ ഏകദേശം തുല്യമായതിനാല്‍ ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം വിജയമായിരുന്നു എന്നു പറയാം; ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ ത്രിജ്യ 0.053 നാനോമീറ്ററും.

ബോര്‍ സമീകരണം

(4)-ല്‍ n₁,n₂ എന്നിവയെ മുഖ്യക്വാണ്ടംസംഖ്യകളെന്നു പറയുന്നു. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ ഊര്‍ജം ഇലക്ട്രോണ്‍ ചലനംമൂലമുള്ളതാണ്. ഇത് സമീകരണം (3)-ല്‍ നിന്നു കിട്ടുന്നു. E-യുടെ മൂല്യം മൌലിക സ്ഥിരാങ്കങ്ങള്‍ക്കുപുറമേ n²-നെക്കൂടി ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു; അതായത് n വലുതാകുംതോറും Eയുടെ സംഖ്യാമൂല്യം കുറയുന്നു. നിമ്നതമാവസ്ഥയില്‍, അതായത്,n = 1 ആകുമ്പോള്‍, ഇലക്ട്രോണ്‍, അണുകേന്ദ്രത്തിന് ഏറ്റവും അടുത്തായിരിക്കും; ഊര്‍ജത്തിന്റെതാകട്ടെ ഋണമൂല്യ-ഉച്ചതമവും. അണു ഉത്തേജിക്കപ്പെടുമ്പോള്‍, ഭ്രമണപഥത്തിന്റെ ത്രിജ്യ കൂടുതലുള്ള n = 2, 3, 4 തുടങ്ങിയ തലങ്ങളിലേക്ക് അതായത് ഋണ-ഊര്‍ജം കുറയുന്ന ഭ്രമണപഥങ്ങളിലേക്ക് ഇലക്ട്രോണ്‍ ചാടുന്നു. ഈ അവസ്ഥയില്‍നിന്ന് നിമ്നതലത്തിലേക്ക് ഇലക്ട്രോണ്‍ വരുമ്പോള്‍, അവശോഷണം ചെയ്ത ധന-ഊര്‍ജം വികിരിണമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു. ഇങ്ങനെ സ്പെക്ട്രരേഖകള്‍ ഉണ്ടാകുന്നു.

പക്ഷേ, ബോര്‍ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ വിജയം താത്കാലികം മാത്രം ആയിരുന്നു. ഒന്നിലധികം ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉള്ള അണുക്കളുടെ കാര്യത്തില്‍ ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം പരാജയപ്പെട്ടു.

ദീര്‍ഘവൃത്ത ഭ്രമണപഥ ഇലക്ട്രോണ്‍

(Elliptical orbit electron).

പ്രതിലോമാനുപാത (inversely propotional) ആകര്‍ഷണത്തിനു വിധേയമായി ഇലക്ട്രോണ്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിനു ചുറ്റും ഭ്രമണം ചെയ്യുന്നതിനാല്‍, ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഭ്രമണപഥം ദീര്‍ഘവൃത്തമായിരിക്കണം. സൂര്യനു ചുറ്റും ഭൂമി ഭ്രമണം ചെയ്യുന്നത് ഇത്തരം ഭ്രമണപഥത്തിലാണ്. ഹൈഡ്രജനെക്കാള്‍ സങ്കീര്‍ണങ്ങളായ അണുക്കള്‍ക്കു ബോര്‍ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ സാമാന്യവത്കരണവും ഇലക്ട്രോണിന്റെ ദീര്‍ഘവൃത്തഭ്രമണപഥങ്ങളും ബ്രിട്ടിഷ് ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഡബ്ളിയു. വില്‍സനും (1915) ജര്‍മന്‍ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ എ. സോമര്‍ഫെല്‍ഡും (1916) സ്വതന്ത്രമായിത്തന്നെ നിര്‍ദേശിച്ചു. ദീര്‍ഘവൃത്തഭ്രമണപഥങ്ങളെ നിര്‍ദേശിക്കാന്‍ അവര്‍ രണ്ടാമതൊരു ക്വാണ്ടംസംഖ്യ-ദിഗംശീയക്വാണ്ടംസംഖ്യ (azimuthal quantum number)-കൂടി നിര്‍ദേശിച്ചു. പിന്നീട് ദീര്‍ഘവൃത്തത്തിന്റെ അര്‍ധമുഖ്യാക്ഷം a-ഉം അര്‍ധലഘ്വക്ഷം b-ഉം ആണെങ്കില്‍ ആണെന്നു തെളിയിച്ചു. ഇവിടെ lപൂര്‍ണസംഖ്യയും nമുഖ്യക്വാണ്ടംസംഖ്യയുമാണ്. കൂടാതെ l- ന് 0, 1, 2, 3 ഇത്യാദി (n- 1) വരെ മൂല്യങ്ങളുണ്ടാകാം; അതനുസരിച്ച് ഇലക്ട്രോണിന് ഭ്രമണപഥങ്ങളും n = 1,n = 2,n = 3 ഉള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഭ്രമണപഥങ്ങളാണ് ചിത്രത്തില്‍ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത്.

മുഖ്യക്വാണ്ടം സംഖ്യ n = 3 ആകുമ്പോള്‍ l = 0, 1, 2 ആണ്. സാധാരണ l= 0-നെ sഎന്നും l= 1-നെ p എന്നുംl = 2-നെ dഎന്നുംl = 3-നെ f എന്നും പറയാറുണ്ട്. n = 3 ഉള്ള ഭ്രമണപഥങ്ങളെ 3s,3p, 3d എന്നും വിളിക്കാറുണ്ട്. ഇതില്‍നിന്ന് n = 3 ഉള്ള ഭ്രമണപഥത്തിലെ ഇലക്ട്രോണിന് മൂന്നു വ്യത്യസ്ത ഊര്‍ജതലങ്ങളുണ്ടെന്നു വരുന്നു. ഐന്‍സ്റ്റൈന്റെ വിശേഷ ആപേക്ഷികതാസിദ്ധാന്തത്തില്‍ നിന്ന് കാണിക്കാവുന്നതാണിത്. സ്പെക്ട്രരേഖകളുടെ സൂക്ഷ്മഘടനയിലേക്കും ഇത് വെളിച്ചം വീശുന്നു.

ചക്രണ ക്വാണ്ടംസംഖ്യ

(Magnetic Quantum number).

സ്പെക്ട്രരേഖകളുടെ സൂക്ഷ്മഘടന വിശദീകരിക്കാന്‍ ദീര്‍ഘവൃത്തഭ്രമണപഥങ്ങള്‍ സഹായകമായി. എങ്കിലും ക്ഷാരലോഹങ്ങളുടെ സ്പെക്ട്രങ്ങളിലെ ദ്വന്ദ്വ(pair)ത്തെ വിശദീകരിക്കാന്‍ ഇത് പര്യാപ്തമായില്ല. ഗൂഡ്സ്മിത്ത്, ഉള്ളന്‍ബെക്ക് എന്നിവര്‍ 1925-ല്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ ചക്രണം എന്ന സങ്കല്പം ഉന്നയിച്ചു. ഭൂമി സ്വന്തം അച്ചുതണ്ടില്‍ കറങ്ങുന്നതുപോലെ ഇലക്ട്രോണും കറങ്ങുന്നുണ്ട്. ഭൂമി, സൂര്യനെ 3651/4 ദിവസംകൊണ്ട് പ്രദക്ഷിണം വയ്ക്കുന്നു; പക്ഷേ സ്വന്തം അച്ചുതണ്ടില്‍ 24 മണിക്കൂര്‍ കൊണ്ട് കറങ്ങുന്നു. ഇലക്ട്രോണാകട്ടെ ദീര്‍ഘവൃത്തഭ്രമണപഥത്തില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തെ പ്രദക്ഷിണം വയ്ക്കുന്നു. സ്വന്തം അച്ചുതണ്ടില്‍ 1/2(h/2π)കോണിയ സംവേഗ(angular momentum)ത്തോടെ കറങ്ങുന്നു. ഇതില്‍നിന്ന് ഇലക്ട്രോണിന് ചക്രണ ക്വാണ്ടംസംഖ്യ s ഉണ്ടെന്നും S = 1/2എന്നും കിട്ടുന്നു. ഇലക്ട്രോണ്‍ അതിന്റെ ഭ്രമണപഥദിശയില്‍ കറങ്ങുമ്പോള്‍ സമാന്തര ചക്രണവും(S=+1/2) എതിര്‍ദിശകളിലാകുമ്പോള്‍ പ്രതിസമാന്തരചക്രണവും (S=-1/2) നടത്തുന്നുവെന്ന് പറയുന്നു.

ഈ പശ്ചാത്തലത്തില്‍, അണുവിലെ ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ അവസ്ഥ രേഖപ്പെടുത്താന്‍ n,l,s എന്നീ മൂന്നു ക്വാണ്ടംസംഖ്യകള്‍ ആവശ്യമെന്നു വരുന്നു.

കാന്തിക ക്വാണ്ടംസംഖ്യ

(Magnetic Quantum number).

സ്പെക്ട്രരേഖകള്‍ തീവ്രകാന്തികമണ്ഡലത്തില്‍ ഘടകങ്ങളായി വേര്‍തിരിയുന്നുണ്ടെന്ന് സീമാന്‍ (Zeeman) കണ്ടുപിടിച്ചിരുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസമാണ് സീമാന്‍ പ്രഭാവം. കാന്തികമണ്ഡലത്തിന്റെ അഭാവത്തില്‍ ഒറ്റയെന്നു തോന്നുന്ന രേഖകള്‍ കാന്തികമണ്ഡലത്തില്‍ രണ്ടോ അതിലധികമോ ആയി വേര്‍തിരിയുന്നു. നിസ്സാരമായ ഈ സ്ഥാനാന്തരങ്ങളെ, അതായത് പുതിയ രേഖകളെ വിശദീകരിക്കാന്‍ അണുവിനു സ്വീകരിക്കാവുന്ന പുതിയ ഊര്‍ജതലങ്ങളെ നിര്‍ദേശിക്കേണ്ടിവന്നു. ഈ പുതിയ ക്വാണ്ടംസംഖ്യയെ ദിഗംശീയകാന്തിക ക്വാണ്ടംസംഖ്യ ml എന്നു വിളിച്ചു. ഈ പ്രഭാവത്തിന്റെ പൂര്‍ണ വിശകലനത്തില്‍നിന്ന് mlന് (2l+1) മൂല്യങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകാമെന്നു വരുന്നു. അതായത് l= 2 എങ്കില്‍ ml=-2, -1, 0, + 1, + 2 എന്നീ 5 മൂല്യങ്ങള്‍ ഉണ്ട്. കാന്തിക ക്വാണ്ടം സംഖ്യയുടെ ആവിര്‍ഭാവത്തോടെ അണുവിലെ ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ പൂര്‍ണമായി നിര്‍ദേശിക്കാന്‍ 4 ക്വാണ്ടംസംഖ്യകള്‍ n,l,s വേണമെന്നു തീര്‍ച്ചയായി.

പൌളി തത്ത്വം

(Pauli Principle).

ദൂരവ്യാപകഫലങ്ങള്‍ ഉളവാക്കിയ പൌളിതത്ത്വം, അതായത് പൌളി അപവര്‍ജനതത്ത്വം (Pauil principle) 1925-ല്‍ വൂള്‍ഫ് ഗാങ് പൌളി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ പ്രസ്താവിച്ചതാണ്. ആ തത്ത്വം ഇതാണ്: ഒരു അണുവില്‍ n,l,s,ml എന്നീ 4 ക്വാണ്ടംസംഖ്യകള്‍ക്ക് തുല്യമായിട്ട് രണ്ട് ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടാകയില്ല. z അണുസംഖ്യയുള്ള ഒരു അണുവില്‍ z ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കും. ഈ ഇലക്ട്രോണുകളെ വ്യത്യസ്തഭ്രമണപഥങ്ങളിലാണ് ക്രമപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നത്. ഈ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഓരോന്നിനും തനതായ 4 ക്വാണ്ടംസംഖ്യകള്‍ ഉണ്ട്; ഇവയാണ് ഇലക്ട്രോണിന്റെ അവസ്ഥ നിര്‍ണയിക്കുന്നത്.

ഒരേ മുഖ്യക്വാണ്ടംസംഖ്യ n ഉള്ള ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഒരേ ഷെല്ലില്‍ ഉള്ളവയെന്നു പറയുന്നു. അണുകേന്ദ്രത്തോട് ഏറ്റവും അടുത്ത ഭ്രമണപഥത്തിന് (n = 1), ഇത് K-ഷെല്‍; (n = 2), L-ഷെല്‍; (n = 3), ങഷെല്‍ ഇത്യാദി. ഒരു ഷെല്ലില്‍ ഉണ്ടാകാവുന്ന പരാമാവധി ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം 2n² ആണ്. ഇവിടെ n മുഖ്യക്വാണ്ടം സംഖ്യയാണ്. nനും lനും ഒരേ മൂല്യമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളെ സബ്ഷെല്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ എന്നു പറയുന്നു. ഒരു ഷെല്ലില്‍ ആകാവുന്നത്ര ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടെങ്കില്‍ ആ ഷെല്‍ പൂര്‍ണമായി എന്നു പറയുന്നു.

മോസ്ലി നിയമം

1913-ല്‍ ആണ് ഹെന്റി ജി. മോസ്ലി എന്ന ബ്രിട്ടിഷ് ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ പല ലോഹമൂലകങ്ങളുടെയും സ്വാഭാവിക എക്സ്റേസ്പെക്ട്രത്തെക്കുറിച്ച് ക്രമവത്കൃതമായ പഠനം നടത്തിയത്. ഇതിന്റെ ഫലമായി, മൂലകത്തിന്റെ അണുസംഖ്യ z കൂടുന്നതനുസരിച്ച് എക്സ്റേയുടെ ആവൃത്തി കുറയുന്നതായി കണ്ടു. v ആവൃത്തിയും c, b എന്നിവ സ്ഥിരാങ്കങ്ങളുമായ മോസ്ലി നിയമം ഇങ്ങനെ കുറിക്കാം:

സ്വാഭാവിക എക്സ്റേ സ്പെക്ട്രം നിര്‍ണയിക്കുന്നതില്‍ അണുസംഖ്യ മൌലികപ്രാധാന്യമുള്ളതാണെന്ന് അദ്ദേഹം സമര്‍ഥിച്ചു.

റഥര്‍ഫോര്‍ഡ്-ബോര്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ അണുസിദ്ധാന്തം പുറത്തുവന്ന കാലത്തുതന്നെയാണ് മോസ്ലിയുടെ ഗവേഷണങ്ങളും നടന്നത്. സമീകരണം (7)-ല്‍ c -യുടെ മൂല്യം K_α രേഖയനുസരിച്ച് 3/4RCആണെന്നു കണ്ടു. R റിഡ്ബര്‍ഗ് സ്ഥിരാംഗവും c പ്രകാശവേഗവും ആകുന്നു. b-യുടെ വില ഏകദേശം 1 ആണെന്നു കണ്ടു. ഈ മൂല്യങ്ങള്‍ (7)-ല്‍ എഴുതിയാല്‍

ഈ സമീകരണം ഹൈഡ്രജന്‍ സ്പെക്ട്രത്തിന് ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം നല്‍കുന്ന സമീകരണത്തിന് തുല്യമാണ് [(4), (6) എന്നീ സമീകരണങ്ങള്‍ നോക്കുകപ. പക്ഷേ, ഒരു വ്യത്യാസം മാത്രം: z-നുപകരം (z - 1)-ഉം n₂ = 2-ഉം n = 1-ഉം n₁-1-ഉം ആണ്. ഇതില്‍നിന്ന് എക്സ്റേ സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ ഉദ്ഭവവും ഹൈഡ്രജന്‍ സ്പെക്ട്രത്തിന്റേതുപോലെതന്നെയാണെന്നു കിട്ടുന്നു. മോസ്ലി-ഗവേഷണങ്ങളുടെ പ്രാധാന്യം അണുവിന്റെ സംരചനയെ മൂലകങ്ങളുടെ സ്വാഭാവിക എക്സ്റേ സ്പെക്ട്രവുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തിയതുമാത്രമല്ല; അണുവിനെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം മൌലികപ്രാധാന്യമുള്ള അണുസംഖ്യ എന്ന വസ്തുത, അണുസംഖ്യ നിര്‍ണയിക്കുന്നതില്‍ എക്സ്റേ സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ പ്രയോജനം എന്നിവയും ആ ഗവേഷണഫലങ്ങളാണ്.

ഐസോടോപ്പ്

(Isotope)

ഒരു മൂലകത്തെ നിര്‍വചിക്കാന്‍ അതിന്റെ അണുസംഖ്യ z പ്രസ്താവിച്ചാല്‍ മതി; പക്ഷേ, ഈ നിര്‍വചനം അതിലെ അണുവിനെ കൃത്യമായി സൂചിപ്പിക്കാന്‍ സഹായിക്കണമെന്നില്ല. ഇതിനു കാരണം ഒരേ മൂലകംതന്നെ വ്യത്യസ്ത അണുഭാരങ്ങളുള്ള അണുക്കളുടെ മിശ്രിതമായതാണ്. ഉദാഹരണത്തിന് ഓക്സിജനില്‍ 16-ഉം 17-ഉം 18-ഉം വീതം അണുഭാരമുള്ള അണുക്കളുണ്ട്. ഒരേമൂലകത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത-അണുഭാരങ്ങളുള്ള അണുക്കളെ ആ മൂലകത്തിന്റെ സ്ഥാനീയങ്ങള്‍ അഥവാ ഐസോടോപ്പുകള്‍ എന്നു പറയുന്നു. ഇന്ന് ഭൂമിയില്‍ ഏകദേശം 284 ഐസോടോപ്പുകള്‍ എല്ലാ മൂലകങ്ങള്‍ക്കുമായി ഉണ്ട്.

പ്രോട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍

(Proton,Neutron).

അണുസംരചനയില്‍ ധനചാര്‍ജിതമാത്രയാണ് പ്രോട്ടോണ്‍. ധനകിരണവിശ്ളേഷണത്തില്‍ ഇവയെ കണ്ടെത്തിയെന്നു നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചു. ഇലക്ട്രോണ്‍ നഷ്ടപ്പെട്ട ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവാണ് പ്രോട്ടോണ്‍; അതായത് ഹൈഡ്രജന്റെ അണുകേന്ദ്രം. ഇതിന് ഇലക്ട്രോണിന്റെ 1,837 മടങ്ങ് ഭാരമുണ്ട്. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ ആണ് മൂലകങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാനം എന്ന് പ്രൌട്ട്, 1815-ല്‍ പ്രസ്താവിച്ചിട്ടുണ്ട്. അണുസംഖ്യയും അണുഭാരവും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം പകുതിയിലധികം മൂലകങ്ങള്‍ക്കും 1-ല്‍ കുറവായതിനാല്‍ രണ്ടു പ്രശ്നങ്ങള്‍ ഉണ്ടായി: (1) അണുകേന്ദ്രത്തിലുള്ള പ്രോട്ടോണുകളുടെ എണ്ണം അണുഭാരത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയിരിക്കുന്നു; ചാര്‍ജ് തുലനപ്പെടുത്താന്‍ ആവശ്യമായ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കുകയും ചെയ്യും; (2) അണുകേന്ദ്രത്തിലുള്ള പ്രോട്ടോണുകളുടെ എണ്ണം അണുസംഖ്യയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയിരിക്കുന്നു. ബാക്കിഭാരം ഉദാസീനവും പ്രോട്ടോണിന്റെ അത്രഭാരമുള്ളതുമായ ആവശ്യമുള്ളിടത്തോളം ഉദാസീനകണങ്ങളുടേതാണ്. 1932-ല്‍ ജെ. ചാഡ്വിക്, അത്തരം കണങ്ങള്‍ കണ്ടുപിടിച്ചു. വിദ്യുത്-ചാര്‍ജില്ലാത്ത പ്രോട്ടോണിനോളം തന്നെ ഭാരമുള്ള ഈ കണങ്ങളാണ് ന്യൂട്രോണുകള്‍ എന്നറിയപ്പെടുന്നത്.

ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ

(Mass Number).

ഒരു മൂലകത്തിന്റെ അണുസംഖ്യ Z-ഉം അതിന്റെ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണം N-ഉം ആണെങ്കില്‍ Z + N = A എന്ന സമീകരണത്തില്‍ A, അണുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനസംഖ്യയെന്നു പറയുന്നു. അണുസംഖ്യയെന്നാല്‍ ഒരണുവിന്റെ അണുകേന്ദ്രത്തിലുള്ള പ്രോട്ടോണുകളുടെ എണ്ണമാണ്. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ പ്രോട്ടോണും ന്യൂട്രോണും ഉണ്ട്. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ത്രിജ്യ 10^-12 - 10^-14 മീറ്ററിനുള്ളിലാണ്.

ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം

(Quantum Theory).

അണുവിനെയും അതിലെ സൂക്ഷ്മകണങ്ങളെയും പ്രതിപാദിക്കുന്ന ശാസ്ത്രശാഖയാണ് ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം അഥവാ തരംഗബലതന്ത്രം (Quantum Mechanics). നിത്യജീവിതത്തില്‍ അനുഭവമില്ലാത്ത പല പുതിയ സങ്കല്പങ്ങളും ഇതില്‍ അടങ്ങിയിട്ടുണ്ട്.

ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ (ഇന്ന് പഴയ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തം എന്നാണ് ഇതിനെ വിളിക്കുന്നത്.) സൂത്രധാരന്‍മാര്‍ പ്ളാങ്ക്, ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍, ബോര്‍ തുടങ്ങിയവരാണ്. 1924-ഓടുകൂടിയാണ് മൌലികപ്രാധാന്യമുള്ള പല ഭൌതികസത്യങ്ങളെയും വിശദീകരിക്കാന്‍ ഇത് പര്യാപ്തമല്ലെന്നു കണ്ടത്. ബോര്‍ ഇലക്ട്രോണിന്റെ സ്ഥിരഭ്രമണപഥം, സ്പെക്ട്രരേഖകളുടെ ആപേക്ഷിക തീവ്രത തുടങ്ങിയവയെപ്പറ്റിയൊന്നും പഴയ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തത്തില്‍ പ്രതിപാദിക്കുന്നില്ല.

ദെ ബ്രോയെ (ഡി ബ്രോഗ്ളി) നിയമം

ചലിക്കുന്ന കണങ്ങള്‍ക്ക് തരംഗങ്ങളുടെ സ്വാഭാവികഗുണധര്‍മങ്ങളുണ്ടെന്ന് 1924-ല്‍ ഡി ബ്രോഗ്ളിയെ ചൂണ്ടിക്കാട്ടി. m ദ്രവ്യമാനവും v വേഗവും (അതായത്, സംവേഗം P =mv) ഉള്ള ഒരു കണത്തിന്റെ തരംഗനീളം λ സൂചിപ്പിക്കുന്നെങ്കില്‍, λ-യുടെ മൂല്യം ഈ സമീകരണം കൊണ്ട് കണക്കാക്കാം: (h: പ്ളാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം) λ=h/mv=h/p ആണെന്ന് അദ്ദേഹം തെളിയിച്ചു. ഇതില്‍നിന്ന് ഇലക്ട്രോണ്‍, പ്രോട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍, അണു, തന്മാത്ര തുടങ്ങിയവയ്ക്കെല്ലാം തരംഗഗുണധര്‍മങ്ങളുണ്ടെന്നുവരുന്നു - അതായത്, സൂക്ഷ്മകണങ്ങള്‍ക്ക് തരംഗ-കണദ്വന്ദ്വഭാവം ഉണ്ടെന്നുസാരം. ദെ ബ്രോയെയുടെ ഈ സിദ്ധാന്തം 1927-ല്‍ ഡേവിസണ്‍, ജെര്‍മന്‍ എന്നിവരും സര്‍ ജി.പി. തോംപ്സണും ഇലക്ട്രോണ്‍ വിഭംഗനംവഴി തെളിയിച്ചു.

പല സന്ദര്‍ഭങ്ങളിലും ഇലക്ട്രോണിന്റെ തരംഗസ്വഭാവം പ്രസക്തമല്ല; പക്ഷേ, ചില സന്ദര്‍ഭങ്ങളില്‍ തരംഗസ്വഭാവം അതിപ്രധാനമാണുതാനും. ഒരു ട്രയോഡ് വാല്‍വിലെ (Triode valve) ആനോഡ് വിദ്യുത്ധാരയെപ്പറ്റി പ്രതിപാദിക്കുന്നിടത്ത് ഇലക്ട്രോണിനെ കണമായി പരിഗണിക്കണം; ഇലക്ട്രോണ്‍ മൈക്രോസ്കോപ്പിലും ഇലക്ട്രോണ്‍ വിഭംഗനത്തിലും അതിനെ തരംഗമായും.

അനിശ്ചിതത്വ തത്ത്വം

(Uncertainty Principle).

അണുസംരചനയിലെ ഇലക്ട്രോണിന് തരംഗഗുണധര്‍മങ്ങള്‍ ആരോപിക്കുമ്പോള്‍ ഇലക്ട്രോണിനെ ഒരു ബിന്ദുവായല്ല പ്രത്യുത, സ്പെയ്സില്‍ നിശ്ചിത തരംഗനീളമുള്ള തരംഗസമൂഹം ആയിവേണം പരിഗണിക്കുവാന്‍. ഇതിന്റെ ഫലമോ? ഒരണുവില്‍ ഇലക്ട്രോണിന്റെ കൃത്യസ്ഥാനം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ സാധിക്കാതെവരുന്നു. മറ്റൊരുവിധത്തില്‍ പറഞ്ഞാല്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍, അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ നിന്ന് r ദൂരത്തില്‍ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു എന്നു പറയുന്നതിന്നുപകരം ഇലക്ട്രോണ്‍, r-നും (r + dr)നും ഇടയില്‍ ഉണ്ടെന്നു പറയേണ്ടിവരുന്നു. അതായത്, ഇലക്ട്രോണിന്റെ സ്ഥാനനിര്‍ണയത്തില്‍ അനിശ്ചിതത്വം dr ഉണ്ടാകുന്നു, dr എന്നത് ദെ ബ്രോയെ തരംഗനീളത്തെയും തദ്വാരാ ഇലക്ട്രോണിന്റെ സംവേഗത്തെയും ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നതിനാല്‍, ഈ ആശയങ്ങള്‍ ഹൈസന്‍ബര്‍ഗിന്റെ അനിശ്ചിതത്വ തത്ത്വത്തിനു വഴിതെളിച്ചു. സ്ഥാനാന്തരണത്തിലുള്ള അനിശ്ചിതത്വം Λx-ഉം (x-അക്ഷദിശയില്‍) സംവേഗത്തിലുള്ള അനിശ്ചിതത്വം Λpx-ഉം ആണെങ്കില്‍ (x-ദിശയിലുള്ള സംവേഗം), ഇവയുടെ ഗുണിതം h-നെക്കാള്‍ വലുതോ h-നു തുല്യമോ ആകാം എന്ന് ഹൈസന്‍ബര്‍ഗ് തെളിയിച്ചു. മേല്പറഞ്ഞ പുതിയ തത്ത്വങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാനത്തില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെ ഘടന ഇപ്രകാരമാണ്. ബോര്‍സിദ്ധാന്തത്തില്‍ അവ്യവസ്ഥിതമായാണ് ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഭ്രമണപഥത്രിജ്യയും വേഗവും പ്രതിപാദിച്ചിട്ടുള്ളത്. ബോര്‍ ക്വാണ്ടീകരണതത്ത്വം mvr = n h/2π ആണ്; n = 1 എങ്കില്‍, ഹൈഡ്രജന്‍ അണു സാധാരണ അവസ്ഥയിലാണ്; ത്രിജ്യ r = h/2πmv -ഉം. ഡി ബ്രോഗ്ളി സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് mv സംവേഗമുള്ള തരംഗത്തിന്റെ തരംഗനീളം: λ = h/mv-ഉം: അതായത് ഈ ബന്ധം ബോര്‍ത്രിജ്യയ്ക്കുള്ള സമീകരണത്തില്‍ എഴുതിയാല്‍ λ = 2 πrഎന്നു കിട്ടുന്നു. ഇതില്‍നിന്ന്, ഇലക്ട്രോണ്‍ തരംഗനീളത്തിന്റെ ഗുണിതത്തോളം വൃത്തപരിധിയുള്ള ഭ്രമണപഥങ്ങളിലാണ് ഇലക്ട്രോണ്‍ ഉണ്ടായിരിക്കുക എന്നു വരുന്നു. സ്ഥിരമായ ഭ്രമണപഥങ്ങളുണ്ടെന്നതിന് വ്യക്തമായ തെളിവാണ് ഇത്.

ആധുനിക സങ്കല്പത്തില്‍, ഇലക്ട്രോണ്‍ നിശ്ചിത ഭ്രമണപഥത്തില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തെ ചുറ്റുന്നു എന്നല്ല പറയുന്നത്. പകരം അണുകേന്ദ്രത്തിനു ചുറ്റും സ്പെയ്സില്‍ ഒരു സാന്ത-ഋണചാര്‍ജ് (finite negative change) ഉണ്ടെന്നു സങ്കല്പിച്ചിരിക്കുന്നു. അണുകേന്ദ്രത്തിനു ചുറ്റുമുള്ള ഈ ചാര്‍ജ്-പടലത്തില്‍, അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്ന് ഏതു ദൂരത്തില്‍ വേണമെങ്കിലും ഇലക്ട്രോണ്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യാം.ശൂന്യതാസാന്ദ്രപ്രദേശങ്ങളാല്‍ വേര്‍തിരിഞ്ഞുകിടക്കുന്ന അതിസാന്ദ്രതയുടെ സ്ഥാനീകൃതമേഖലകള്‍ എന്നതാണ് അണുവിന്റെ ആധുനിക നിര്‍വചനം.

അണുസംരചനയും ആവര്‍ത്തനപ്പട്ടികയും

മൂലകങ്ങളെ അണുസംഖ്യയുടെ ക്രമത്തില്‍ പട്ടികയാക്കിയാല്‍ സദൃശ ഭൌതികഗുണധര്‍മങ്ങളും രാസഗുണധര്‍മങ്ങളും ഉള്ള മൂലകങ്ങള്‍ ക്രമാനുഗതമായ അന്തരാളങ്ങളില്‍ ആവര്‍ത്തിതമാകുന്നതായി കാണാം. റഷ്യന്‍ രസതന്ത്രജ്ഞനായ ദിമ്ത്രി മെന്‍ദെല്യേഫ് ഈ എംപിരികനിരീക്ഷണം 1869-ല്‍ ആവര്‍ത്തനനിയമം എന്നപേരില്‍ പ്രസിദ്ധപ്പെടുത്തി. മൂലകങ്ങളുടെ ആവര്‍ത്തനഗുണധര്‍മങ്ങളെ പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്ന പട്ടികയാണ് ആവര്‍ത്തനപ്പട്ടിക. മെന്‍ദെല്യേഫ്, സദൃശഗുണധര്‍മങ്ങളുള്ള മൂലകങ്ങളെ ഗ്രൂപ്പുകളായി തിരിച്ചു. നോ: ആവര്‍ത്തനപ്പട്ടിക

മെന്‍ദെല്യേഫിന്റെ ആശയങ്ങള്‍ക്ക് ആധുനിക-അണുസംരചനയുടെ വെളിച്ചത്തില്‍ മൌലികമായ സ്ഥാനമുണ്ട്. z അണുസംഖ്യയുള്ള ഒരു അണുവിന്റെ അണുകേന്ദ്രത്തിനുചുറ്റും z ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഭ്രമണം ചെയ്തുകൊണ്ടിരിക്കും. ഈ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ വിവിധ ഷെല്ലുകളിലും സബ്ഷെല്ലുകളിലും ആണ് ക്രമപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നത്. ക്വാണ്ടം സംഖ്യ n ഉള്ള ഒരു ഷെല്ലില്‍ ക്രമപ്പെടുത്താവുന്ന പരമാവധി ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം 2n² ആണെന്നു നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചു. പരമാവധി ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള ഒരു ഷെല്ലിനെ പൂര്‍ണ ഷെല്‍ എന്നു പറയുന്നു. ഈ പൂര്‍ണത മൂലകത്തിന്റെ രാസസ്ഥിരതയെ കാണിക്കുന്നു. നിഷ്ക്രിയവാതകങ്ങളായ (inert gases) ഹീലിയം, നിയോണ്‍ തുടങ്ങിയവയ്ക്ക് പൂര്‍ണ ഇലക്ട്രോണ്‍ ഷെല്ലുകളാണ് ഉള്ളത്. സാമാന്യമായി ഈ മൂലകങ്ങള്‍ രാസപ്രവര്‍ത്തനവ്യഗ്രത പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്നില്ല. ഓരോ ഷെല്ലിലും സബ്ഷെല്ലിലും ഉണ്ടാകാവുന്ന പരമാവധി ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം താഴെ കൊടുക്കുന്നു:

അണുസംഖ്യ z = 11 ഉള്ള മൂലകം സോഡിയം ആണ്. സോഡിയത്തില്‍ 11 ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ട്. മേല്‍കൊടുത്ത പട്ടികയില്‍നിന്ന് സോഡിയത്തിന് K-ഷെല്ലില്‍ 2 ഇലക്ട്രോണും L-ഷെല്ലില്‍ 8 ഇലക്ട്രോണും M-ഷെല്ലില്‍ 1 ഇലക്ട്രോണും ഉണ്ടെന്ന് (11 = 2 + 8 + 1) കാണാം. സോഡിയത്തിന്റെ ബാഹ്യതമ ഷെല്‍ ങ-ഷെല്ലാണ്. ഇതിലെ ഇലക്ട്രോണിനെ സംയോജക-ഇലക്ട്രോണ്‍ (Valence electron) എന്നു പറയുന്നു. രാസസംയോഗങ്ങളില്‍ സോഡിയത്തിന് നഷ്ടമാകുന്ന ഇലക്ട്രോണ്‍ ഇതാണ്.

മൂലകങ്ങള്‍ അവയുടെ ബാഹ്യതമ ഷെല്ലില്‍ 8 ഇലക്ട്രോണുകള്‍ നേടി ഷെല്‍ പൂര്‍ത്തിയാക്കാന്‍ ശ്രമിക്കുന്നു. ഈ ശ്രമമാണ് രാസപ്രവര്‍ത്തനത്തിനുള്ള പല കാരണങ്ങളില്‍ ഒന്ന്. ബാഹ്യതമ ഷെല്ലില്‍ ഒന്നോ രണ്ടോ ഇലക്ട്രോണുകളേ ഉള്ളുവെങ്കില്‍ ആ ഇലക്ട്രോണുകളെ നഷ്ടപ്പെടുത്തിയും ഷെല്‍ പൂര്‍ത്തിയാക്കാന്‍ ഒന്നോ രണ്ടോ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ മാത്രമേ ആവശ്യമുള്ളുവെങ്കില്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ സ്വീകരിച്ചുമാണ് ബാഹ്യതമ ഷെല്‍ പൂര്‍ത്തിയാക്കുന്നത് എന്ന് സാമാന്യമായി പറയാം. ഇതാണ് രാസസംയോജകതയുടെ അടിസ്ഥാനം.

മ്യുവോണ്‍, മെസോണ്‍ അണുക്കള്‍

(Muon, Meson-Atoms).

ഭ്രമണപഥത്തില്‍ ഇലക്ട്രോണിനുപകരം മറ്റു ചില ഋണചാര്‍ജിതകണങ്ങള്‍ (മ്യുവോണുകള്‍, മെസോണുകള്‍) ഉള്ള അണുക്കള്‍ ഉണ്ടെന്ന് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. ഇലക്ട്രോണിന്റെ തന്നെ ചാര്‍ജുള്ള ഈ ഋണചാര്‍ജിതകണങ്ങള്‍ക്ക് ഇലക്ട്രോണിന്റെ പലമടങ്ങ് ഭാരമുണ്ട്. ഈ അണുക്കള്‍ക്ക് ഒരു അണുകേന്ദ്രവും ഭ്രമണപഥത്തില്‍ ഒരു മ്യുവോണും (ഈ അണുവാണ് മ്യുവോണ്‍ അണു) അല്ലെങ്കില്‍ ഒരു മെസോണും (ഇതാണ് മെസോണ്‍ അണു) അധികം ഉണ്ടായിരിക്കും. ഘടന ഏകദേശം ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റേതുപോലെയാണെങ്കിലും ഒരു പ്രധാന വ്യത്യാസം ഉണ്ട്. മ്യുവോണ്‍ അണുവിനും മെസോണ്‍ അണുവിനും അണുകേന്ദ്രം ഏതു വേണമെങ്കിലും ആകാം. മെസോണ്‍ അല്ലെങ്കില്‍ മ്യുവോണ്‍-ഭ്രമണപഥത്തിനുപുറമേ അണു ഉദാസീനമാകാന്‍ വേണ്ടത്ര ഇലക്ട്രോണുകള്‍ വിവിധ ഭ്രമണപഥങ്ങളില്‍ ചലിക്കുന്നുണ്ടായിരിക്കും; ഈ അണുക്കള്‍ അല്പായുസ്സുകളാണ്. അണുകേന്ദ്രം, മെസോണിനെ (അല്ലെങ്കില്‍ മ്യുവോണിനെ) പിടിച്ചെടുക്കുന്നതോ അഥവാ മെസോണിന് (മ്യുവോണിന്) സ്വയം ക്ഷയം സംഭവിക്കുന്നതോ ആണ് ഇതിനു കാരണം. ഒരു പോസിട്രോണും ഇലക്ട്രോണും ഉള്ള പോസിട്രോണിയം അണുവും കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. പക്ഷേ, ക്ഷണിക-അസ്തിത്വമുള്ള ഈ അണു പോസിട്രോണ്‍-ഇലക്ട്രോണ്‍ സംഘട്ടനം മൂലം ഊര്‍ജമായി മാറുന്നു.

അണു-ഊര്‍ജം

Atomic energy

അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം. അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജത്തെ അണു-ഊര്‍ജം എന്നും പറയാം. രാസപ്രവര്‍ത്തനം നടക്കുമ്പോള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ഊര്‍ജമാണ് രാസ-ഊര്‍ജം. രാസപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ അണുവിലെ ബാഹ്യ-ഇലക്ട്രോണുകള്‍ മാത്രം പങ്കെടുക്കുന്നതിനാല്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ഏര്‍പ്പെടുന്ന മൂലകങ്ങളുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ക്ക് മാറ്റമൊന്നും സംഭവിക്കുന്നില്ല. അണുകേന്ദ്രപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങ(Nuclear reactions)ളില്‍ മൂലകങ്ങളുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ക്ക് മാറ്റം ഉണ്ടാകുകയും ഊര്‍ജം ബഹിര്‍ഗമിക്കുകയും ചെയ്യും. ഈ മാറ്റമാണ് അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജത്തിന്റെ ഉറവിടം. രാസ-ഊര്‍ജത്തിന്റെ അനേകം മടങ്ങ് മൂല്യമുള്ളതാണ് ഈ ഊര്‍ജം.

അണു-ഊര്‍ജമെന്ന സങ്കല്പം. യുറേനിയം തുടങ്ങിയ മൂലകങ്ങളുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സ്വയം ചാര്‍ജിതകണങ്ങളെ (charged particles) ഉത്സര്‍ജിക്കുന്നുണ്ടെന്ന് കണ്ടുപിടിച്ചതോടെ (1896: റേഡിയോ ആക്റ്റിവത) റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങ(radio active elements)ളുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ ഊര്‍ജസ്രോതസ് ആണെന്നു വ്യക്തമാക്കപ്പെട്ടു. പക്ഷേ, റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് മൂലകങ്ങളില്‍നിന്നു ഉത്സര്‍ജിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം വളരെ നിസ്സാരമാണ്. 1930-ഓടുകൂടി ചാര്‍ജിതകണങ്ങളെ ത്വരണം ചെയ്ത് അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം നടത്താമെന്ന് കണ്ടുപിടിച്ചതോടെയാണ് അണുകേന്ദ്രവിഘടനം (fission) ഊര്‍ജത്തിന്റെ അളവറ്റ ഉറവിടമാണെന്ന് മനസ്സിലാക്കിയത്. ഉയര്‍ന്ന ദ്രവ്യമാനസംഖ്യകളില്‍ മാത്രം ഒതുങ്ങിനില്‍ക്കാത്തതും നിയന്ത്രിക്കാവുന്നതും ആയ അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം റേഡിയോ ആക്റ്റിവതയില്‍നിന്ന് വിഭിന്നമായ ഒരു പ്രക്രിയയാണ്. അതുകൊണ്ടാണ് അണുപ്രതിവര്‍ത്തനം ആശാവഹമായത്.

അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം (Nuclear reaction). 1919-ല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് നൈട്രജന്‍ അണുവില്‍ α-കണംകൊണ്ട് ആഘാതം ഏല്പിച്ചപ്പോള്‍ ഓക്സിജനും പ്രോട്ടോണും ഉണ്ടാകുന്നതായി കണ്ടു.

¹⁴N₇ +⁴He₂ →¹⁶O₈ + ¹H₁

ചരിത്രപ്രധാനമായ ഈ പരീക്ഷണം ആണ് 'മൂലകാന്തരണം' (transmutation) സാധ്യമാണെന്ന് ആദ്യമായി തെളിയിച്ചത്. തുടര്‍ന്ന് പല അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളും കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടു. ന്യൂട്രോണ്‍ കണ്ടുപിടിച്ചത് ബെരിലിയം അണുവില്‍ a-കണംകൊണ്ട് ആഘാതം ഏല്പിച്ചാണ്:

⁹Be₄ + ⁴He₂ → ¹²C₆ +¹n₀

അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കാന്‍ രണ്ടു മാര്‍ഗങ്ങള്‍ ഉണ്ട്.

1. അണുകേന്ദ്രവിഘടനം (Nuclear fission). 1939-ല്‍ ജര്‍മനിയില്‍ ഓട്ടോഹാനും അദ്ദേഹത്തിന്റെ സഹപ്രവര്‍ത്തകരായ ലിസിമെയ്റ്റ്നറും എഫ്. സ്റ്റ്രാസ്മാനും യുറേനിയം അണുവില്‍ ന്യൂട്രോണ്‍കൊണ്ട് ആഘാതമേല്പിച്ചപ്പോള്‍ ലഭിച്ച വസ്തു, സൂക്ഷ്മരാസവിശ്ളേഷണത്തിന് വിധേയമാക്കി; വ്യുത്പന്നത്തില്‍ ബേരിയത്തിന്റെ ഐസോടോപ് ഉണ്ടെന്നു കണ്ടു. യുറേനിയത്തിന്റെ അണുസംഖ്യ 92-ഉം ബേരിയത്തിന്റേത് 56-ഉം ആണ്. അതിനാല്‍ യുറേനിയം അണു ഏതാണ്ട് രണ്ടു തുല്യഭാഗങ്ങളായി വിഘടനം ചെയ്യപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്ന നിഗമനത്തില്‍ അവര്‍ എത്തി. വ്യുത്പന്നത്തില്‍ 36 അണുസംഖ്യയുള്ള ക്രിപ്റ്റോണ്‍ വാതകവും അവര്‍ കണ്ടെത്തി. യുറേനിയത്തിന്റെ വിഘടനഫലമായി ലന്‍ഥാനം (Lanthanum) തുടങ്ങിയ മൂലകങ്ങളും ഉണ്ടാകുമെന്ന് തെളിഞ്ഞു.

യുറേനിയം-വിഘടനഫലമായുണ്ടാകുന്ന ഊര്‍ജം ഏറിയകൂറും U-235 ഐസോടോപ്പില്‍ നിന്നാണ് ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നത്. U-235 അണുകേന്ദ്രം മന്ദന്യൂട്രോണ്‍ പിടിച്ചെടുത്ത് വിഘടിതമാകുമ്പോള്‍ ഒരു വിഘടനത്തിന് ശരാശരി 2.5 ന്യൂട്രോണ്‍ എന്ന നിരക്കില്‍ ന്യൂട്രോണുകളെ വിസര്‍ജിക്കുന്നു:

²³⁵U₉₂+¹no→¹⁴¹Ba₅₆ + ⁹²Kr₃₆ + ¹no

മേല്‍കൊടുത്ത പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ഒരു u-235 അണുകേന്ദ്രം വിഘടിതമാകുമ്പോള്‍ ഒരു ബേരിയം അണുവും ഒരു ക്രിപ്റ്റോണ്‍ അണുവും 3 ന്യൂട്രോണുകളും ഉണ്ടാകുന്നു. ഈ ന്യൂട്രോണുകള്‍ വീണ്ടും യുറേനിയം-235 അണുക്കളുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു. പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ഇങ്ങനെ തുടരുന്നതിന്റെ ഫലമായി ഒരു ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം നടക്കുകയും വളരെ അധികം ഊര്‍ജം വിസര്‍ജിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. അണുബോംബില്‍ ഈ തത്ത്വമാണ് പ്രയോഗിക്കുന്നത്. മേല്‍വിവരിച്ച അണുകേന്ദ്രവിഘടനം നടക്കുമ്പോള്‍ മോചിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജത്തിന്റെ അളവ് ഇങ്ങനെ കണ്ടെത്താം. അണുദ്രവ്യമാനമാത്രയില്‍ u235-ന്റെ അണുഭാരം 235.1175, ന്യൂട്രോണിന്റെ ഭാരം 1.00898,Ba-141-ന്റെ അണുഭാരം 140.9577, Kr-92-ന്റെ അണുഭാരം 91.9264. വിഘടനത്തിനു മുമ്പുള്ള ദ്രവ്യമാനം = 236.1265, വിഘടനത്തിനുശേഷം ആകെ ദ്രവ്യമാനം = 235.9110; അതുകൊണ്ട് ദ്രവ്യമാനനഷ്ടം = 0.2155. ഈ ദ്രവ്യമാനനഷ്ടമാണ് ഊര്‍ജമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നത്. ഒരു ഗ്രാം അണു, അതായത് 235 ഗ്രാം U-235-ന്റെ വിഘടനഫലമായി 5.45 ദശലക്ഷം കി.വാ.മ. വിദ്യുച്ഛക്തിക്ക് തുല്യമായ ഊര്‍ജം, ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. 1 മെഗാവാട്ട് ഉത്പാദനശേഷിയുള്ള ഒരു വിദ്യുച്ഛക്തിനിലയത്തിലെ 277 ദിവസത്തെ ഉത്പന്നത്തിന് തുല്യമാണ് ഈ ഊര്‍ജം.

അണുകേന്ദ്ര റിയാക്റ്ററുകളില്‍ വിഘടനപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ഗ്രാഫൈറ്റ് പോലുള്ള മന്ദീകാരികള്‍ ഉപയോഗിച്ച് നിയന്ത്രിച്ചാണ് ഊര്‍ജ-ഉത്പാദനം നടത്തുന്നത്.

2. അണുകേന്ദ്ര സംയോജനം (Nuclear fusion). രണ്ടു അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ ചേര്‍ത്ത് വേറൊരു പുതിയ അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാക്കുന്ന പ്രക്രിയയ്ക്കാണ് അണുകേന്ദ്രസംയോജനം എന്നു പറയുന്നത്. താഴ്ന്ന ദ്രവ്യമാനസംഖ്യകളുള്ള അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ക്ക് വേണ്ടത്ര ത്വരണം കൊടുത്താല്‍ അവ സംയോജിക്കുമെന്ന് യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രവിഘടനം കണ്ടുപിടിക്കുന്നതിനു മുമ്പുതന്നെ അറിയപ്പെട്ടിരുന്നു. 1934-ല്‍ എം.എല്‍.ഇ. ഒലിഫാന്റും പി. ഹാര്‍ടെക്കും ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ - ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ സംഘട്ടനം വഴി ട്രിഷ്യയം ഉത്പാദിപ്പിച്ചു:

²D₁ + ²D₁ → ³H₁ + ¹H₁

പക്ഷേ, ഈ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തിനുള്ള ഒരു ന്യൂനത ഇത് സ്വയം പോഷകമല്ലെന്നതാണ്.

രണ്ടു ഡ്യൂട്ടറിയം- അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിച്ച് ഹീലിയം അണു ഉണ്ടാകുന്ന ഒരു പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ഉത്സര്‍ജിക്കുന്ന ഊര്‍ജത്തിന്റെ അളവ് ഇങ്ങനെ വ്യക്തമാക്കാം:

²D₁ + ²D₁ → ⁴He₂

അണു ദ്രവ്യമാനമാത്രയില്‍ ഡ്യൂട്ടറിയത്തിന്റെ ഭാരം 2.01471-ഉം ഹീലിയത്തിന്റേത് 4.00388-ഉം ആണ്. ഇതില്‍ നിന്ന് ദ്രവ്യമാനനഷ്ടം 0.02544 എന്നു കിട്ടുന്നു. അതായത്, 2 ഗ്രാം ഡ്യൂട്ടറിയത്തില്‍നിന്ന് 3.2 * 105 കി.വാ.മ. ഊര്‍ജം ലഭിക്കുന്നു. ഒരു ഗ്രാം അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം കണക്കാക്കിയാല്‍ സംയോജനമാണ് വിഘടനത്തെക്കാള്‍ ലാഭകരം എന്നു കാണാം.

സൂര്യനിലും നക്ഷത്രങ്ങളിലും ഊര്‍ജോത്പാദനം നടക്കുന്നത് സംയോജനം വഴിയാണ്. ചാര്‍ജിത അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിപ്പിക്കാന്‍ വളരെ അധികം ഊര്‍ജം നല്കണം. ഇതിന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ 50-100 ദശലക്ഷം ഡിഗ്രിവരെ ചൂടാക്കണം. ഈ പ്രക്രിയ ശ്രമകരമാണ്. ഹൈഡ്രജന്‍ ബോംബില്‍ ഇത്രയ്ക്ക് ഉയര്‍ന്ന താപനില സൃഷ്ടിക്കുന്നത് വിഘടനസ്ഫോടനം വഴിയാണ്. പക്ഷേ, സംയോജനപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം അഥവാ താപ-അണുകേന്ദ്രപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം (thermonuclear reaction) വഴി ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം എങ്ങനെ നിയന്ത്രണാധീനമാക്കാം എന്നതാണ് പ്രശ്നം. പ്ളാസ്മ വഴി (നോ: പ്ളാസ്മാ ഭൌതികം) 60 ദശലക്ഷം ഡിഗ്രി താപനില വരെ എത്തുവാന്‍ സാധിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിലും സംയോജനം നടക്കുവാന്‍ വേണ്ടത്ര സമയം ഈ താപനില നിലനിര്‍ത്തുവാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല. ഇക്കാരണത്താല്‍ ഒരു സംയോജന റിയാക്റ്റര്‍ ഇനിയും നിര്‍മിക്കേണ്ടിയിരിക്കുന്നു.

'അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജം സമാധാന ആവശ്യങ്ങള്‍ക്ക്. ഖനനം, തോടുവെട്ടല്‍, വലിയ കുഴികുത്തല്‍ തുടങ്ങിയ പല ആവശ്യങ്ങള്‍ക്കും രാസസ്ഫോടക വസ്തുക്കള്‍ ധാരാളം ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. ഈ ആവശ്യങ്ങള്‍ ലഘു അണുസ്ഫോടനങ്ങള്‍ നടത്തി സാധിക്കാവുന്നതാണ്. രാസസ്ഫോടകവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ ഊര്‍ജനഷ്ടം വളരെ കൂടുതലുണ്ടെങ്കിലും പ്രവര്‍ത്തനച്ചെലവ് പരിഗണിച്ചാല്‍ അണുസ്ഫോടനങ്ങള്‍ നടത്തുന്നതാണ് ലാഭകരം. അണുസ്ഫോടനങ്ങളുടെ മറ്റൊരു മുഖ്യപ്രയോജനം കൃത്രിമ ഭൂകമ്പങ്ങള്‍ സൃഷ്ടിച്ച് ഭൂകമ്പങ്ങളെപ്പറ്റിയുള്ള ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടത്താമെന്നുള്ളതാണ്.

ഊര്‍ജവിഭവങ്ങള്‍ കുറഞ്ഞുവരുന്നതിനാല്‍ അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കാന്‍ ധാരാളം അണുശക്തിനിലയങ്ങള്‍ ലോകത്തില്‍ പല രാജ്യങ്ങളിലും സ്ഥാപിച്ചുവരുന്നു.

കപ്പലുകള്‍ ഓടിക്കാന്‍ അണുകേന്ദ്രശക്തി പ്രയോജനപ്പെടുന്നുണ്ട്. അണുശക്തികൊണ്ടു പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന അന്തര്‍വാഹിനികള്‍ ഉണ്ട്. റോക്കറ്റുകള്‍ പ്രവര്‍ത്തിപ്പിക്കാനും അണുകേന്ദ്രശക്തി ഉപയോഗിച്ചുതുടങ്ങുമെന്നതില്‍ സംശയമില്ല. സമുദ്രജലം വാറ്റി ശുദ്ധമാക്കി ശുദ്ധജലക്ഷാമത്തെ നേരിടാന്‍ അണുകേന്ദ്ര-ഊര്‍ജം പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നുണ്ട്. അമേരിക്കയില്‍ സമുദ്രജലശുദ്ധീകരണത്തിനുള്ള പരീക്ഷണപ്ളാന്റ് നിര്‍മിച്ചുകഴിഞ്ഞിരിക്കുന്നു. അതിന് ഇനിയും നിരവധി ഉപയോഗങ്ങള്‍ കണ്ടെത്തുവാന്‍ കഴിയും.

അണുകേന്ദ്ര-ആഘൂര്‍ണം

Nuclear moment

അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഭ്രമണം, ഘടന, വിന്യാസം എന്നിവയെആശ്രയിച്ചു നിലകൊള്ളുന്ന വൈദ്യുത, കാന്തിക, യാന്ത്രിക പരിമാണങ്ങള്‍. സമീപ അണുകങ്ങളിലെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെയോ മറ്റ് അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെയോ ബാഹ്യപ്രയുക്ത മണ്ഡലങ്ങളുടെയോ വൈദ്യുത/കാന്തിക ബലങ്ങള്‍ക്ക് വിധേയമായ ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഗുണധര്‍മങ്ങള്‍, ആ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഘടനയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കും. അണുകേന്ദ്ര ഘടന സങ്കീര്‍ണമായതിനാല്‍, അതിന്റെ വൈദ്യുത, കാന്തിക വിന്യാസങ്ങള്‍, പ്രത്യേകമായാണ് കണക്കാക്കുന്നത്. മൊത്തം അണുകേന്ദ്ര ആഘൂര്‍ണത്തെ അനുക്രമമായി കുറഞ്ഞുവരുന്ന വിവിധ ഘടക ആഘൂര്‍ണങ്ങളായി വേര്‍തിരിക്കാവുന്നതാണ്. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ വിവിധ സ്ഥിതിക-വൈദ്യുത-ആഘൂര്‍ണവും (static electric moment) കാന്തികാഘൂര്‍ണവും ഉള്‍പ്പെടുന്നതാണ് അണുകേന്ദ്ര-ആഘൂര്‍ണം. കാന്തിക ഡൈപോള്‍ (magnetic dipole), വൈദ്യുത ക്വാഡ്രപോള്‍ (electric quadrupole), കാന്തിക ഓക്ടപോള്‍ (magnetic octupole) എന്നിവയാണ് ഇവയില്‍ പ്രധാനപ്പെട്ടവ.

പ്രോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രോണുകളുംകൊണ്ട് നിര്‍മിതമായ ഒരു അണുകേന്ദ്രവും അതിനെ പ്രദക്ഷിണം ചെയ്യുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുമാണ് ഒരു അണുവിലുള്ളത്. ഋണവൈദ്യുതിയുള്ള ഇലക്ട്രോണ്‍ ഒരു സംവൃതപരിപഥത്തില്‍ (closed path) സഞ്ചരിക്കുന്നതിനാല്‍ വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കുന്ന ചാലകംപോലെയാണെന്നു പറയാം. അക്കാരണത്താല്‍ പ്രദക്ഷിണപഥത്തിന്റെ തലത്തിനു ലംബമായി ഒരു ലഘുവായ കാന്തികമണ്ഡലം ഉളവാകുന്നു. കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണമുള്ള ഒരു ചെറിയ കക്ഷീയ (orbital) കാന്തിക കവചമായി അതു വര്‍ത്തിക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ പരിക്രമണം ഹേതുവായി അണുവിന് ഒരു കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണമുണ്ടാകുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഓരോന്നും സ്വന്തം അക്ഷത്തെ ആധാരമാക്കി ചക്രണം ചെയ്യുന്നതുകൊണ്ട് അവയ്ക്ക് ഓരോന്നിനും ഒരു ചക്രണകാന്തിക-ആഘൂര്‍ണം (Spin magnetic moment) ലഭിക്കും. അങ്ങനെ ഒരു അണുവിന് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചക്രണം ഹേതുവായി ഒരു കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണമുണ്ടാകുന്നു.

അണുവില്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ കവചങ്ങളില്‍ വര്‍ത്തിക്കുന്നതുപോലെ പ്രോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രോണുകളും ക്വാണ്ടവത്കൃത കക്ഷ്യകളില്‍ (Quantised axes) വര്‍ത്തിക്കുന്നു. അവയ്ക്കു കക്ഷ്യപരിക്രമണവും ചക്രണചലനവും കൂടിയുണ്ട്. അവയില്‍ ചാര്‍ജ് വഹിക്കുന്നവ അണുകേന്ദ്രത്തിന് കക്ഷീയ കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണവും (Axial magnetic moment) ചക്രണ കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണവും വെവ്വേറേ നല്കി മൊത്തമായി ഒരു അണുകേന്ദ്ര കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണമുണ്ടാക്കുന്നു.

അണുകേന്ദ്ര കാന്തിക-ആഘൂര്‍ണം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ പല പദ്ധതികളുമുണ്ട്. അവയില്‍ പ്രധാനമായവ താഴെ ചേര്‍ക്കുന്നു:

(1) അണു സ്പെക്ട്രത്തിലെ അതിസൂക്ഷ്മഘടനയുടെ (hyper - fine structure) വിശ്ളേഷണം; (2) ബാന്‍ഡ് സ്പെക്ട്ര(band spectrum)ത്തിലെ ഒന്നിടവിട്ടുള്ള തീവ്രതയുടെ പഠനം; (3) തന്‍മാത്രീയപുഞ്ജങ്ങള്‍ക്കും അണുകിരണ പുഞ്ജങ്ങള്‍ക്കും (molecular and atomic beams) ഒരു കാന്തികമണ്ഡലത്തില്‍ സംഭവിക്കുന്ന വ്യതിചലനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം; (4) കാന്തിക അനുനാദ-റേഡിയോ ആവൃത്തി സ്പെക്ട്രങ്ങളുടെ (magnetic resonance radio frequency spectra) പഠനം; (5) സൂക്ഷ്മതരംഗ സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ വിശ്ളേഷണം (analysis of microwave spectra). നോ: അണുകേന്ദ്രം, അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം

അണുകേന്ദ്ര ഭൗതികം

Nuclear Physics

ഒരു ഭൗതികശാസ്ത്രശാഖ. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങളാണ് ഇതിലെ പഠനവിഷയം. അണുഭൗതികത്തില്‍ നിന്ന് (Atomic Physics) അണുകേന്ദ്രപഠനങ്ങള്‍ ഉരുത്തിരിഞ്ഞപ്പോള്‍ ആ പഠനങ്ങളെ 'അണുകേന്ദ്രഭൗതികം' എന്നു വിളിച്ചു.

അണുകേന്ദ്രം സ്വച്ഛന്ദമായി വിഘടിക്കുന്നതാണ് റേഡിയോ ആക്റ്റിവത എന്ന് 1904-ല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് വ്യാഖ്യാനിച്ചു. ഈ വ്യാഖ്യാനമാണ് അണുകേന്ദ്ര ഭൗതികത്തിന്റെ ആരംഭം കുറിച്ചത്. 1930-നുശേഷം ഈ വിഷയത്തില്‍ പ്രധാനമായ കണ്ടുപിടിത്തങ്ങള്‍ ഉണ്ടായി. റേഡിയോ ആക്റ്റിവത കൃത്രിമമായി സൃഷ്ടിച്ചതും പ്രോട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍ എന്നീ കണങ്ങളെ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ കണ്ടെത്തിയതും അണുകേന്ദ്രത്തെ ഭേദിക്കുവാനും അതിന്റെ ഘടനയില്‍ മാറ്റം വരുത്തുവാനുമുള്ള യാന്ത്രികോപകരണങ്ങള്‍ (Accelerators) കണ്ടുപിടിച്ചതും അക്കൂട്ടത്തില്‍പെടുന്നു. ചാര്‍ജില്ലാത്ത ന്യൂട്രോണുകളും ധനാത്മകചാര്‍ജുള്ള (+) പ്രോട്ടോണുകളും അടങ്ങിയതാണ് അണുകേന്ദ്രം. അണുസംഖ്യ കുറഞ്ഞ മൂലകങ്ങളില്‍ അവ ഏകദേശം തുല്യമായിരിക്കും. ന്യൂട്രോണുകളേയും പ്രോട്ടോണുകളേയും പൊതുവായി ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ എന്ന് പറയുന്നു. ന്യൂട്രോണുകളും പ്രോട്ടോണുകളും അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ പരസ്പരം അതിശക്തമായി ബന്ധിക്കപ്പെട്ടിരിക്കയാണെന്ന ഒരു സിദ്ധാന്തവും ആവിഷ്കരിക്കപ്പെട്ടു. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്ന് ഏതെങ്കിലും ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ മാറിപ്പോകുമ്പോഴോ അവ തകര്‍ന്ന് മറ്റു മൗലികകണങ്ങള്‍ രൂപപ്പെടുമ്പോഴോ മാത്രമാണ് മൂലകാന്തരണങ്ങളും (transmutations) വിഘടനങ്ങളും (disintegrations) സംഭവിക്കുന്നത്. അണുകേന്ദ്രത്തിലെ ഘടകങ്ങള്‍ വേര്‍പെടുമ്പോള്‍ അതിലെ ബന്ധനോര്‍ജം (binding energy) മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. അണുകേന്ദ്രവിഘടനവും (nuclear fission) അണുകേന്ദ്ര സംയോജനവും (nuclear fusion) അണുകേന്ദ്രഭൌതികത്തിന്റെ ഭാഗമാണ്. ഇവിടെ ദ്രവ്യം ഊര്‍ജമായി മാറുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്.

ബന്ധനോര്‍ജം കുറവുള്ള അണുകേന്ദ്രാവസ്ഥയെപ്പറ്റി പ്രതിപാദിക്കുന്ന ശാസ്ത്രശാഖയ്ക്ക് നിമ്നോര്‍ജ-അണുകേന്ദ്രഭൌതികം (Low Energy Nuclear Physics) എന്നും കൂടുതലുള്ളതിന് ഉന്നതോര്‍ജ-അണുകേന്ദ്രഭൌതികം (High Energy Nuclear Physics) എന്നും പറയുന്നു. കോസ്മികരശ്മികളില്‍ അധികവും വളരെയേറെ ഊര്‍ജമുള്ള പ്രോട്ടോണുകളായതിനാല്‍, കോസ്മികരശ്മികളുടെ പഠനം ഉന്നതോര്‍ജ-അണുകേന്ദ്ര ഭൗതികത്തില്‍പെടുന്നു. പ്രോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രോണുകളും അണുകേന്ദ്രത്തിനകത്ത് ഏതെല്ലാംവിധത്തില്‍ ക്രമീകരിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്നും ഏതേതു ബലങ്ങളാണ് അവയെ ബന്ധിക്കുന്നതെന്നുമുള്ള പഠനമാണ് ആദ്യത്തെ വിഭാഗത്തില്‍പെടുന്നത്. മൌലികകണങ്ങള്‍ തമ്മിലുള്ള പരസ്പര പ്രവര്‍ത്തനങ്ങളെ രണ്ടാംവിഭാഗത്തില്‍ പഠനവിധേയമാക്കുന്നു.

കണങ്ങളുടെ സംസൂചകങ്ങള്‍ (Partical detectors), യുറേനിയം ഇന്ധന റിയാക്റ്ററുകള്‍ (Uranium fuel Reactors), കണങ്ങളുടെ ത്വരകങ്ങള്‍ (Partical Accelerators) എന്നിവയെ പരീക്ഷണശാലയില്‍ നിര്‍മിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. നോ: അണുകേന്ദ്രം, അണുകേന്ദ്ര ആഘൂര്‍ണം, അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം, അണുഭൌതികം, കണികാത്വരിത്രങ്ങള്‍, റേഡിയോ ആക്റ്റിവത

അണുകേന്ദ്രം

Nucleus

അണുവില്‍ ധനചാര്‍ജ് (positive charge) ഉള്ളഭാഗം. 1912-ല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് അതിനു 'ന്യൂക്ലിയസ്' (Nucleus) എന്നു പേരിട്ടു. അണുവിനെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം ഇന്നു മിക്കവാറും ന്യൂക്ളിയസ്സിനെക്കുറിച്ചുമാത്രമാണ്.

ചാഡ് വിക് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ 1932-ല്‍ ന്യൂട്രോണ്‍ കണം കണ്ടുപിടിച്ചതോടെയാണ് അണുകേന്ദ്രം ന്യൂട്രോണും പ്രോട്ടോണും കൊണ്ടു നിര്‍മിതമായിരിക്കാമെന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ ഊഹിച്ചത്.

അണുകേന്ദ്രം ന്യൂക്ലിയോണുകള്‍ (Nucleons) എന്നറിയപ്പെടുന്ന A കണങ്ങള്‍കൊണ്ടു കെട്ടിപ്പടുത്തിരിക്കുന്നു. അവയില്‍ പ്രോട്ടോണുകളെ Z എന്നും ന്യൂട്രോണുകളെ N എന്നും സൂചിപ്പിക്കുന്നു. മൂലകത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ (Mass number) A എന്നും അണുസംഖ്യ (Atomic number) Z എന്നും പറയാം. Z-പ്രോട്ടോണുകള്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിനു (z x e) ധനചാര്‍ജ് നല്കുന്നു. അണുവില്‍ Z കക്ഷീയ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ (Orbital electrons) ഉള്ളതുകൊണ്ട് z x e ഋണചാര്‍ജ് അവയില്‍നിന്നു ലഭിക്കുന്നു. അതിനാല്‍ മൊത്തമായി അണുവിനു ചാര്‍ജില്ലാതാകുന്നു.

അണുകേന്ദ്ര പരിമാണം (Nuclear size). 1911-ല്‍ ഗൈഗര്‍, മാര്‍സ്ഡല്‍ എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാര്‍ ഭാരമേറിയ അണുകേന്ദ്രങ്ങളാല്‍ ആല്‍ഫാകണങ്ങള്‍ എപ്രകാരം പ്രകീര്‍ണനം (scattering) ചെയ്യപ്പെടുന്നു എന്നറിയാന്‍ ചില ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടത്തി. അതില്‍നിന്നു ലഭിച്ച വിവരങ്ങളില്‍നിന്ന് അണുകേന്ദ്രത്തിന് ഉദ്ദേശം 10^-12 സെ.മീ. വ്യാസാര്‍ധമുണ്ടെന്നു റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് അനുമാനിച്ചു. അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ വ്യാസാര്‍ധം r = r₀A 10^-13സെ.മീ. എന്ന സമീകരണംകൊണ്ടു പ്രകടമാക്കാവുന്നതാണ്. ഇതില്‍ r₀ ഒരു സ്ഥിരാങ്കവും A ദ്രവ്യമാനസംഖ്യയുമാണ്. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ വ്യാസാര്‍ധം അണുവിന്റേതിനോടു താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ തുലോം ചെറുതാണ്. ഉദാ. ആര്‍ഗണ്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിനു 4.1 x 10^-13 സെ.മീ. വ്യാസാര്‍ധമുണ്ട്; അണുവിനു 1.5 x 10^-8 സെ.മീ., അതായത് ഏകദേശം 4 x 10⁴ മടങ്ങു വ്യാസാര്‍ധമാണുള്ളത്. അണുവില്‍ അണുകേന്ദ്രമിരിക്കുന്ന സ്ഥലത്തെ അപേക്ഷിച്ചു വളരെയധികം സ്ഥലം ശൂന്യമായി കിടക്കുന്നു എന്ന് ഇതില്‍നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. അതിനാല്‍ ചാര്‍ജില്ലാത്ത ന്യൂട്രോണുകള്‍ യാതൊരു വിഷമവും കൂടാതെ കട്ടിയുള്ള ദ്രവ്യത്തില്‍ കൂടി കടന്നുപോകുന്നതില്‍ അസ്വാഭാവികത ഒന്നുമില്ല. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഘനമാനം πr³ ഘ.സെ.മീ. ആണ്. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം മിക്കവാറും ദ്രവ്യമാനസംഖ്യക്ക് ആനുപാതികമാണ്. അതിനാല്‍ അണുകേന്ദ്ര സാന്ദ്രത എല്ലാ അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലും ഒന്നുതന്നെയായിരിക്കും. ഇത് ഉദ്ദേശം 7.4 x 10¹¹ കി.ഗ്രാം/ഘ. സെ.മീ. എന്ന വലിയ തുകയാണ്.

അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം. ആധുനിക ദ്രവ്യമാനസ്പെക്ട്രോസ്കോപി (Mass Spectroscopy) എന്ന ശാസ്ത്രശാഖയുടെ സഹായത്തോടെ അണുക്കളുടെ ദ്രവ്യമാനം 6-7 ഗണനീയ അങ്കങ്ങളോളം കണിശമായി നിര്‍ണയിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. ഭൗതികശാസ്ത്രത്തില്‍ അണുദ്രവ്യമാനമാത്രയായി (atomic mass unit = amu) എടുത്തിട്ടുള്ളത് 1.6599 X 10^-21 ഗ്രാം ആണ്. ഇത് ഓക്സിജന്‍-16 (¹⁶O) ദ്രവ്യമാനത്തിന്റെ 16-ല്‍ ഒരംശമാണ്. രസതന്ത്രത്തില്‍ സ്വീകരിച്ചിരിക്കുന്ന ദ്രവ്യമാനമാത്രയെക്കാള്‍ ഇതു 0.03 ശ.മാ. കുറവാണ്. ഈ നിര്‍വചനപ്രകാരം പ്രോട്ടോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം 1.007595 amu എന്നും ന്യൂട്രോണിന്റേതു 1.008987 amu എന്നും സിദ്ധിക്കുന്നു. ഒരു amu = 1.492 X 10^-3 എര്‍ഗ് (erg) അഥവാ 93 കോടി 12 ലക്ഷം ഇലക്ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ഊര്‍ജം എന്നു കണക്കാക്കാം.

അണുകേന്ദ്രബലം (Nuclear force). അണുകേന്ദ്രം കെട്ടിപ്പടുത്തിട്ടുള്ള ന്യൂക്ലിയോണുകളെ കൂട്ടിച്ചേര്‍ത്തുവച്ചിരിക്കുന്നത് ആകര്‍ഷണബലങ്ങളുടെ പ്രേരണയാലാണ്; ആ ബലങ്ങള്‍ ചെയ്ത പ്രവൃത്തി (work) ഊര്‍ജമായി മോചിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യും. ഈ ബലങ്ങള്‍ വൈദ്യുതമാകാന്‍ തരമില്ല. വൈദ്യുതബലം ഉള്ളതുതന്നെ പ്രോട്ടോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള വികര്‍ഷണമാണ്. ഗുരുത്വാകര്‍ഷണം തുലോം തുച്ഛമാണ്. ഈ അണുകേന്ദ്രബലങ്ങളുടെ പ്രത്യേകത, അതു ന്യൂക്ളിയോണുകളുടെ പ്രകൃതിയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നില്ലെന്നുള്ളതാണ്. അതായത്, പ്രോട്ടോണും പ്രോട്ടോണും, പ്രോട്ടോണും ന്യൂട്രോണും ന്യൂട്രോണും ന്യൂട്രോണും തമ്മിലുള്ള വികര്‍ഷണം മിക്കവാറും തുല്യമാണ്. പ്രോട്ടോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള വൈദ്യുതവികര്‍ഷണശക്തിയെക്കാള്‍ വളരെ കൂടുതലാണ് അവ തമ്മിലുള്ള അണുകേന്ദ്രബലം.

അണുകേന്ദ്രബലങ്ങള്‍ തന്‍മാത്രാബന്ധങ്ങള്‍ (molecular bonds) പോലെയാണ്. അവയ്ക്കു ഭാഗികമായിട്ടെങ്കിലും ഒരു വിനിമയ സവിശേഷതയുണ്ടായിരിക്കണം. തന്‍മാത്രാ ബന്ധങ്ങളുണ്ടാകാന്‍ (ഉദാ. ഹൈഡ്രജന്‍ തന്‍മാത്ര) ആവശ്യത്തിനുള്ള സംയോജകത ഇലക്ട്രോണ്‍ വിനിമയ(exchange)ത്തിനുണ്ട്. ഹൈഡ്രജന്‍ തന്‍മാത്രയിലുള്ള അണുക്കള്‍ ആകര്‍ഷണത്തിനു വിധേയമായി ബന്ധപ്പെടാനിടവരുന്നത് ഒരു അണുവിന്റെ ഇലക്ട്രോണ്‍ മറ്റേ അണുവിനു കൈമാറുമ്പോഴാണ്. ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ തമ്മില്‍ വിനിമയം ചെയ്യുന്ന കണങ്ങള്‍ ഇലക്ട്രോണുകളാകാന്‍ തരമില്ല. കാരണങ്ങള്‍: (1) അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ഇലക്ട്രോണുകളില്ലെന്നതിനു തെളിവുകളുണ്ട്; (2) ഇലക്ട്രോണുകള്‍ കൈമാറിയാല്‍ തന്നെയും അതിലുണ്ടാകുന്ന ആകര്‍ഷണബലം ബന്ധനോര്‍ജത്തിനു മതിയാകുന്നതല്ല. (നോ: അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം) ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഏകദേശം 200 മടങ്ങു ദ്രവ്യമാനമുള്ള മെസോണ്‍ എന്ന കണമാണ് കൈമാറ്റം ചെയ്യുന്നതെന്ന് 1935-ല്‍ യൂക്കാവാ എന്ന ജപ്പാന്‍ ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ താത്ത്വികമായി നിര്‍ദേശിച്ചു. അക്കാലത്ത് അത്തരം ഒരു കണത്തെക്കുറിച്ചു യാതൊരു അറിവുമുണ്ടായിരുന്നില്ല. എന്നാല്‍ പില്ക്കാലത്ത് കോസ്മികകിരണങ്ങളില്‍ അവ കണ്ടെത്തുവാനിടയായി.

ഒരു വിദ്യുത്കാന്തിക മണ്ഡലത്തില്‍ (electro magnetic field) ഏതുവിധത്തില്‍ ബലം പ്രേഷണം ചെയ്യുന്ന കണം (force transmitting particle) ആയി ഫോട്ടോണ്‍ (photon) വര്‍ത്തിക്കുന്നുവോ അതുപോലെ അണുകേന്ദ്രമണ്ഡലത്തില്‍ (nuclear field) മെസോണ്‍ ബലം പ്രേഷണം ചെയ്യുന്ന കണമായിവര്‍ത്തിക്കുന്നു. ഫോട്ടോണുകളുടെ അവശോഷണവും (absorption) പുനരുത്സര്‍ജനവും (re-emission)കൊണ്ട് ആവേശിതകണങ്ങള്‍ (charged particles) തമ്മിലുള്ള കൂളൂംബലം (Coulomb force) ഉണ്ടാകുന്നതുപോലെ മെസോണുകളുടെ അവശോഷണവും പുനരുത്സര്‍ജനവുംകൊണ്ട് ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള ആകര്‍ഷണബലം സംജാതമാകുന്നു. ഈ ബലത്തിന്റെ സീമ (range)ആണ്. ഇതില്‍ h, പ്ലാങ്കു സ്ഥിരാങ്കം (plank's constant), m മെസോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം, c പ്രകാശവേഗം. മെസോണിനെ വമിക്കുന്ന പ്രോട്ടോണ്‍ അതിനെ വീണ്ടും സ്വീകരിക്കാതെ ഏറ്റവും സമീപത്തുള്ള ന്യൂട്രോണ്‍ അവശോഷണം ചെയ്യുന്നുവെങ്കില്‍, ഈ ന്യൂട്രോണ്‍ പ്രോട്ടോണായി മാറുകയും മറ്റേ കണം ന്യൂട്രോണായിത്തീരുകയും ചെയ്യും. ഫലത്തില്‍, ന്യൂട്രോണും പ്രോട്ടോണും സ്വസ്ഥാനങ്ങള്‍ പരസ്പരം കൈമാറുന്നു. മൈസോണിന്റെ സ്ഥാനത്തിനു വരുന്ന വ്യത്യാസം കൊണ്ടുണ്ടാകുന്ന ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള ബന്ധമാണ് വിനിമയബലമായി (exchange force)ത്തീരുന്നത്. കോസ്മിക കിരണങ്ങളില്‍ ഋണധന ചാര്‍ജുകളുള്ള രണ്ടുതരം മെസോണുകളെ 1937-ല്‍ നെതര്‍മേയറും ആന്‍ഡേഴ്സണും കണ്ടെത്തി. അവയെ μ±മെസോണുകളെന്നു വിളിച്ചുവരുന്നു. എന്നാല്‍, യൂക്കാവാ താത്വികമായി കണക്കാക്കി എടുത്തതില്‍ കുറവായിരുന്നു ഈ കണങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനം. 1947-ല്‍ മെസോണിന്റെ കണ്ടുപിടിത്തത്തോടെ ഈ വൈരുധ്യം അപ്രത്യക്ഷമായി. അവയ്ക്കു യൂക്കാവാ കണത്തിനുവേണ്ട ദ്രവ്യമാനവും ചാര്‍ജും ഉള്ളതായി കണ്ടു. നോ: അണു, അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം, അണുശബ്ദാവലി

അണുകേന്ദ്ര റിയാക്റ്റര്‍

Nuclear reactor

അണുവിഘടനത്തില്‍നിന്നുണ്ടാകുന്ന ഊര്‍ജത്തെ നിയന്ത്രിതരീതിയില്‍ പ്രായോഗികാവശ്യങ്ങള്‍ക്കായി വിനിയോഗിക്കാന്‍ സജ്ജീകരിക്കുന്ന സംവിധാനം. വൈദ്യുതോത്പാദനമുള്‍പ്പെടെ നിരവധി ആവശ്യങ്ങള്‍ക്കായി അണുകേന്ദ്ര റിയാക്ടറുകള്‍ ഉപയോഗിച്ചുവരുന്നു.

വിഘടനം

Fission

1939-ല്‍ ഹാന്‍, സ്ട്രാസ്മാന്‍ എന്നിവര്‍ക്കു ലഭിച്ച പരീക്ഷണഫലങ്ങളെ, ന്യൂട്രോണ്‍ വിഘടനംകൊണ്ട് യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രത്തിന് സംഭവിക്കുന്ന വിഘടനം ആയിട്ടാണ് മിറ്റ്നര്‍, ഫ്രിഷ് എന്നിവര്‍ ചിത്രീകരിച്ചത്. പ്രകൃതിയിലുള്ള യുറേനിയത്തിന്റെ 0.712 ശ.മാ. ²³⁵u എന്ന ഐസോടോപ്പും ബാക്കി (²³⁴u-ന്റെ അവഗണിക്കത്തക്ക അംശം ഒഴിച്ചാല്‍) ²³⁸u എന്ന ഐസോടോപ്പുമാണ്. 0.025 eV ഊര്‍ജമുള്ള ന്യൂട്രോണുകളെ താപീയ (thermal) ന്യൂട്രോണുകളെന്ന് വിളിക്കുന്നു.

1 eV മുതല്‍ 0.1 eV വരെ ഊര്‍ജമുള്ളവ മാധ്യമിക (intermediate) ന്യൂട്രോണുകളെന്നും അതിനുമേല്‍ ഊര്‍ജമുള്ളവ ദ്രുത (fast) ന്യൂട്രോണുകളെന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. താപീയ ന്യൂട്രോണുകള്‍ ²³⁵U-ലും ദ്രുതന്യൂട്രോണുകള്‍ ²³⁸U-ലും വിഘടനം നടത്തുന്നു. വിഘടനത്തിന്റെ പഠനത്തില്‍ ഇവ രണ്ടുമാണ് പ്രധാനം.

വിഘടനത്തില്‍ ഒരു അണുകേന്ദ്രം രണ്ടു ഖണ്ഡങ്ങളായി പിളരുകയും രണ്ടോ മൂന്നോ ന്യൂട്രോണുകളെ മോചിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. 95-നും 140-നും അടുത്തു ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ (mass number) ഉള്ള അണുകേന്ദ്രങ്ങളായിട്ടാണ് യുറേനിയം പിളരുന്നത്. ഉദാ. 235u-ന്റെ ഒരു വിഘടനമാതൃക:

²³⁵U₉₂ + ¹no → ⁹⁵ Mo₄₂ + ¹³⁹La₅₇+ 2¹no +7β^-

ഈ സംഭവത്തില്‍ ആദ്യം ഉണ്ടായത് മോളിബ്ഡനവും (Mo) അണുസംഖ്യ 50 ആയിട്ടുള്ളൊരു ന്യൂക്ളിയസ്സുമായിരുന്നു. ബീറ്റാകണികകള്‍ (β) ആ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ജീര്‍ണനം (decay) മൂലമാണ് ഉദ്ഭവിക്കുന്നത്. വിഘടനത്തില്‍നിന്നുണ്ടാകുന്ന ന്യൂട്രോണുകള്‍ ദ്രുതങ്ങളാണ്.

വിഘടനത്തില്‍ അത്യധികമായ ഊര്‍ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന സവിശേഷത ആണ് അതിന്റെ പ്രായോഗികത വര്‍ധിപ്പിച്ചത്. വിഘടനത്തില്‍ അല്പം ദ്രവ്യമാനം അപ്രത്യക്ഷമാകുന്നത് ഐന്‍സ്റ്റൈന്റെ ദ്രവ്യ-ഊര്‍ജ സമീകരണപ്രകാരം, ഊര്‍ജമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു. മുകളില്‍ കൊടുത്തിട്ടുള്ള അഭിക്രിയയില്‍ 0.219 ദ്രവ്യമാനമാത്രകള്‍ (atomic mass units അഥവാ a m u) ഊര്‍ജമായി രൂപാന്തരപ്പെടുന്നു. ഒരു a m u, 931 mev-ന് തുല്യമായതിനാല്‍ 204 Mev ഊര്‍ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു എന്നു മനസ്സിലാക്കാം. അതായത് ഒരു വിഘടനത്തിന് ശ.ശ. 200 Mev ഊര്‍ജം മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു.

വിഘടന ഊര്‍ജത്തിന്റെ സിംഹഭാഗവും (170 `Mev) വിഘടനാംശങ്ങളുടെ ഗതികോര്‍ജമായി പരിവര്‍ത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. വിഘടനാംശങ്ങളെ ചുറ്റുമുള്ള മറ്റു അണുകേന്ദ്രങ്ങളുമായി ഇലാസ്തിക സംഘട്ടനം (elastic collision) നടത്തി ഈ ഊര്‍ജത്തെ താപ-ഊര്‍ജരൂപത്തിലേക്കു മാറ്റാം.

ശൃംഖലാ - അഭിക്രിയ

Chain reaction

വിഘടന ന്യൂട്രോണുകളെ ഗ്രാഫൈറ്റ്, ഘനജലം (heavy water) തുടങ്ങിയ ഏതെങ്കിലുമൊരു യോജിച്ച മാധ്യമത്തിലൂടെ കടത്തിവിട്ടാല്‍ അവ മാധ്യമത്തിന്റെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുമായി ഇലാസ്തിക സംഘട്ടനത്തിലകപ്പെട്ട് ശക്തി ക്ഷയിച്ച് താപീയ സ്തരത്തെ (thermal level) പ്രാപിക്കുന്നു. ഈ പ്രക്രിയയെ മന്ദീകരണം (moderation) എന്നും പ്രസ്തുത മാധ്യമത്തെ മന്ദീകാരി (moderator) എന്നും വിളിക്കുന്നു. മന്ദീകൃത ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് ²³⁵U-ല്‍ തുടര്‍ന്നു വിഘടനം നടത്തി ഒരു വിഘടനശൃംഖല തന്നെ സൃഷ്ടിക്കാന്‍ കഴിയും. ഒരു വാട്ട് (watt) ശക്തി ഉത്പാദിപ്പിക്കണമെങ്കില്‍ സെക്കന്‍ഡില്‍ 30 ബില്യന്‍ വിഘടനങ്ങള്‍ നടക്കണം.

മന്ദീകരണത്തിനിടയില്‍ ഏതാനും ന്യൂട്രോണുകള്‍ നഷ്ടപ്പെടാനിടയുണ്ട്. ²³⁸U-ലെ അനുനാദഗ്രസനം (resonance capture), അപദ്രവ്യങ്ങളുടെ അവശോഷണം, സ്വാഭാവികമായ ചോര്‍ച്ച എന്നിങ്ങനെ വിവിധതരത്തില്‍ ന്യൂട്രോണുകള്‍ നഷ്ടപ്പെടുന്നു. ഒരു വിഘടന ന്യൂട്രോണ്‍ മന്ദീകരിക്കപ്പെട്ട് ഏതെങ്കിലുമൊരു ²³⁵U അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ അവശോഷിതമാകുന്നതുവരെയുള്ള കാലത്തിന് ഒരു തലമുറ (generation) എന്നു പറയുന്നു. ശൃംഖലാ-അഭിക്രിയ തുടരുന്നതിന് വിഘടനക്ഷമത ഉള്ള ഒരു ന്യൂട്രോണെങ്കിലും ഓരോ തലമുറയിലും ആവശ്യമാണ്.

ചതുര്‍ഘടക സമീകരണം

Four Factor Formula

അനന്തപരിമാണമുള്ളൊരു റിയാക്റ്റര്‍വ്യൂഹത്തില്‍നിന്നും ന്യൂട്രോണ്‍ ചോര്‍ച്ച ഉണ്ടാവില്ല. തൊട്ടുതൊട്ടുള്ള രണ്ടു തലമുറകളിലെ വിഘടനന്യൂട്രോണുകളുടെ സംഖ്യകള്‍ തമ്മിലുള്ള അംശബന്ധത്തെ പ്രഭാവിഗുണനാങ്കം (effective multiplication factor.k) എന്നു പറയുന്നു. അനന്തപരിമാണമുള്ളൊരു വ്യൂഹത്തിന്റെ കാര്യത്തില്‍ പ്രസ്തുത അംശബന്ധത്തെ അനന്തപരിമാണ-മാധ്യമ (infinite medium) ഗുണനാങ്കം K∞, എന്നു വിളിക്കുന്നു. ഈ രണ്ട് അംശബന്ധങ്ങളെ k =k∞p എന്ന സമീകരണംകൊണ്ടു ബന്ധിക്കാം. ചോര്‍ച്ചയില്‍നിന്നു രക്ഷപ്പെടാനുള്ള സംഭാവ്യതയെ (probability) ആണ് p സൂചിപ്പിക്കുന്നത്.

ഒരു തലമുറയുടെ ആരംഭത്തില്‍ N ദ്രുതന്യൂട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടെന്ന് സങ്കല്പിക്കുക. അവയില്‍ ചിലത് ²³⁸U-അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ ഭേദിച്ച് ന്യൂട്രോണ്‍ പെരുപ്പത്തില്‍ വ്യത്യാസം വരുത്താനിടയുണ്ട്. ഈ പ്രഭാവത്തെ കണക്കിലെടുക്കുന്നതിന് N-നെ E എന്നൊരു ഘടകം - ദ്രുതവിഘടന ഘടകം (fast fission factor)-കൊണ്ടു ഗുണിക്കുക. ഇന്ധനമന്ദീകാരി മാധ്യമത്തിലൂടെ പ്രയാണം ചെയ്യുമ്പോള്‍ ഈ NE ന്യൂട്രോണുകളുടെ ശക്തി ക്ഷയിക്കുന്നു. അവയില്‍ കുറെ എണ്ണം ²³⁸U അനുനാദഗ്രസനത്തിന് (resonance) ഇരയാകും. അതില്‍നിന്നു രക്ഷപ്പെടാനുള്ള സംഭാവ്യത p ആണെങ്കില്‍, മന്ദീകരണാന്ത്യത്തില്‍ അവശേഷിക്കുന്ന ന്യൂട്രോണുകളുടെ സംഖ്യ NEp ആകുന്നു. ഇവയുടെ f എന്ന അംശം ²³⁵Uല്‍ അവശോഷിക്കപ്പെടുന്നു എന്നു വയ്ക്കുക. f-ന് താപീയ വിനിയോഗഘടകം (thermal utilization factor) എന്നു പറയുന്നു. അവശോഷിക്കപ്പെടുന്ന ഓരോ താപീയ-ന്യൂട്രോണിനും പകരം ദ്രുതഗതിയുള്ള ν വിഘടന ന്യൂട്രോണുകള്‍ പിറക്കുന്നു. തന്‍മൂലം രണ്ടാം തലമുറക്കാരുടെ സംഖ്യ NEpfν ആകുന്നു. നിര്‍വചനമനുസരിച്ച്: . k∞ = Epfν

ക്രാന്തികാവസ്ഥ

Criticality

മുമ്പു പ്രസ്താവിച്ചതനുസരിച്ച് സ്വയം പരിരക്ഷിതമായൊരു ശൃംഖലാപ്രവര്‍ത്തനത്തിന് k ഒന്നോ അതിലധികമോ ആയിരിക്കണം; k = 1 എന്ന അവസ്ഥയ്ക്ക് ക്രാന്തികാവസ്ഥ എന്നു പറയുന്നു. k > 1, k < 1 എന്നീ അവസ്ഥകളെ യഥാക്രമം അതിക്രാന്തിക(supercritical)മെന്നും, അധഃക്രാന്തിക(subcritical)മെന്നും വിശേഷിപ്പിക്കുന്നു. ക്രാന്തികാവസ്ഥ കൈവരുത്തണമെങ്കില്‍ k∞യുടെ മൂല്യം 1-ല്‍ കൂടുതലായിരിക്കണം. ചോര്‍ച്ചയില്‍നിന്നു രക്ഷപ്പെടാനുള്ള സംഭാവ്യത p, എപ്പോഴും 1-ല്‍ കുറവായിരിക്കുമെന്നതാണിതിനു കാരണം. k∞ യുടെ മൂല്യം ഉയര്‍ത്തുന്നതിന് p, f എന്നിവയുടെ മൂല്യങ്ങള്‍ വര്‍ധിപ്പിക്കണം. യുറേനിയത്തിന്റെ അളവിനെ അപേക്ഷിച്ച് മന്ദീകാരിയുടെ പരിമാണം വര്‍ധിപ്പിക്കുകയാണെങ്കില്‍ p-യുടെ മൂല്യം വര്‍ധിക്കും. പക്ഷേ, അപ്പോള്‍ f-ന്റെ മൂല്യം കുറയും; നേരെ മറിച്ചാണെങ്കില്‍, p-മൂല്യം കുറയുകയും f-മൂല്യം വര്‍ധിക്കുകയും ചെയ്യും. പ്രായോഗികമായി pf-ന് ഉച്ചതമമൂല്യം പ്രദാനം ചെയ്യത്തക്ക നിലയിലാണ് ഇന്ധനവും മന്ദീകാരിയും ചേര്‍ക്കാറുള്ളത്. പ്രകൃതിജന്യമായ യുറേനിയത്തില്‍ ²³⁵U-ന്റെ അംശത്തെ കൃത്രിമമായി വര്‍ധിപ്പിക്കുന്നതിന് സംപോഷണം (enrichment) എന്നു പറയുന്നു. ഒരു നിശ്ചിത അളവിലുള്ള മന്ദീകാരിയോടൊപ്പം പ്രകൃത്യാ കിട്ടുന്ന യുറേനിയത്തിനുപകരം സമ്പുഷ്ട യുറേനിയം ഉപയോഗിക്കുകയാണെങ്കില്‍, p-യുടെയും f-ന്റെയും മൂല്യങ്ങളെ ഒരേ സമയത്തുതന്നെ വര്‍ധിപ്പിക്കാവുന്നതാണ്.

ക്രാന്തികാവസ്ഥ സൃഷ്ടിക്കുവാന്‍ വ്യൂഹത്തിന് (ഇന്ധനം + മന്ദീകാരി) ഉണ്ടായിരിക്കേണ്ട ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ വലുപ്പത്തെ ക്രാന്തികമാനം (critical size) എന്നു പറയുന്നു. ഒരു റിയാക്റ്ററിന്റെ നിര്‍മിതി ആരംഭിക്കുന്നതിനു മുമ്പുതന്നെ അതിന്റെ ക്രാന്തികമാനത്തെ ഗണനക്രിയകൊണ്ടും പിന്നീട് പരീക്ഷണങ്ങളില്‍ക്കൂടിയും നിര്‍ണയിക്കുന്നു.

വര്‍ഗീകരണം

ന്യൂട്രോണുകളുടെ അടിസ്ഥാനത്തില്‍

താപീയം, ദ്രുതം, മാധ്യമികം എന്നിങ്ങനെ മൂന്നിനം റിയാക്റ്ററുകള്‍ ഉണ്ട്. വിഘടനകാരികളായ ന്യൂട്രോണുകളില്‍ ഭൂരിപക്ഷത്തിന്റെയും ഊര്‍ജത്തെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് ഈ വിഭജനം.

താപീയ റിയാക്ടറില്‍ വിഘടനം നടത്തുന്നത് താപീയ ന്യൂട്രോണുകളാണ്. ഇതിനു മന്ദീകാരി ആവശ്യമാണ്.

മന്ദീകാരി ഇല്ലാത്തതിനാല്‍ വളരെ ഒതുക്കമുള്ള ചെറിയൊരു ക്രോഡമാണ് ദ്രുത-റിയാക്റ്ററിന്റേത്. ഇതില്‍ അതിസമ്പുഷ്ട യുറേനിയം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ക്രാന്തികത്വ പ്രാപ്തിക്ക് ഒരടി വ്യാസം മതിയാകും.

മാധ്യമിക റിയാക്റ്ററില്‍ വിഘടനം നടത്തുന്നത് മാധ്യമിക ന്യൂട്രോണുകളാണ്. അല്പം മന്ദീകരണമാവശ്യമുണ്ട്. പക്ഷേ, താപീയ റിയാക്റ്ററിന്റെ അത്രയും വേണ്ട.

താപീയ റിയാക്റ്ററിന്റെ മാതൃക

ആദ്യത്തെ റിയാക്റ്റര്‍ നിര്‍മിച്ചതും പ്രവര്‍ത്തിപ്പിച്ചതും അമേരിക്കയിലെ എന്റിക്കോ ഫെര്‍മി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്റെ നേതൃത്വത്തിലുള്ള ഒരു സംഘമാണ്. 1942 ഡി. 2-ന് ഉച്ചതിരിഞ്ഞ് 3.25നാണ് ശൃംഖലാ-അഭിക്രിയ ആദ്യമായി സാധിച്ചത്. യുറേനിയം, ഗ്രാഫൈറ്റ് എന്നിവയുടെ

ഇഷ്ടിക'കളെ ജാലികാ (lattice) രീതിയില്‍ വിന്യസിച്ചിട്ടുള്ളൊരു വ്യൂഹമായിരുന്നു ഫെര്‍മിയുടെ റിയാക്റ്റര്‍. അതിനെ തുടര്‍ന്ന് വിവിധ രാജ്യങ്ങളിലായി നൂറുകണക്കില്‍ റിയാക്റ്ററുകള്‍ സ്ഥാപിക്കപ്പെട്ടു. അവയില്‍ 99 ശ.മാനമോ അതിലധികമോ താപീയ വിഘടനത്തെ (thermal fission) അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തി ആയതിനാല്‍ ഒരു താപീയ റിയാക്റ്ററിന്റെ മുഖ്യഭാഗങ്ങള്‍ വിശദമാക്കേണ്ടതുണ്ട്.

ക്രോഡം

Core

ഇന്ധനവും മന്ദീകാരിയും ചേര്‍ത്തു വിന്യസിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ള കേന്ദ്രഭാഗം. ²³⁵U-നെ കൂടാതെ ²³³U, ²³⁹pu (പ്ളൂട്ടോണിയം) എന്നീ വസ്തുക്കളിലും താപീയ വസ്തുക്കളിലും താപീയ ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് വിഘടനം നടത്താന്‍ കഴിയും. ന്യൂട്രോണ്‍ അഭിക്രിയ മൂലം തോറിയത്തില്‍നിന്ന് ²³³U-ഉം,²³⁸U-ല്‍ നിന്ന് ²³⁹pu-ഉം ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു.

ഇന്ധനത്തില്‍ വിഘടനക്ഷമമായ ഐസോടോപ്പ് കൂടാതെ (ഉദാ. ²³⁵U) വിഘടനക്ഷമമാക്കി മാറ്റാവുന്ന മറ്റു മൂലകങ്ങളും (ഉദാ. ²³⁸U) കലര്‍ത്തിയിരിക്കും. ഇത്തരം പരിവര്‍ത്തനത്തിന് ഉപയോഗിക്കുന്ന വസ്തുക്കളെ ഫലപുഷ്ടവസ്തുക്കളെന്ന് (fertile materials) പറയുന്നു. വിഘടനയോഗ്യമായ ഇന്ധനം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന രണ്ടിനം റിയാക്റ്ററുകളുണ്ട്. ഒരു 'പരിവര്‍ത്തക'ത്തില്‍ (convertor) ഒരു വിഘടന-ഇനത്തെ (fissile species) ഇന്ധനമായി സ്വീകരിക്കയും (ഉദാ. ²³⁵U) ന്യൂട്രോണ്‍ അവശോഷണം മൂലം ഒരു ഫലപുഷ്ടവസ്തുവില്‍നിന്നും (ഉദാ. ²³⁸U) മറ്റൊരു വിഘടന-ഇനത്തെ (ഉദാ. ²³⁹pu) ഉത്പാദിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഒരു വിഘടന-ഇനത്തെ (ഉദാ. ²³⁹pu) ഇന്ധനമായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ന്യൂട്രോണുകളെ ഒരു ഫലപുഷ്ടവസ്തു (ഉദാ. ²⁸⁸U) അവശോഷിച്ച് അതേ വിഘടന ഇനത്തെ തന്നെ കൂടുതലായി ഉത്പാദിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന റിയാക്റ്ററുകള്‍ക്ക് 'ബ്രീഡറു'കളെന്നു (Breeders) പറയുന്നു.

ക്രോഡത്തിന്റെ വലുപ്പം ഇന്ധനത്തിന്റെ സമ്പുഷ്ടതയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. സമ്പുഷ്ടത വര്‍ധിപ്പിക്കുന്നതനുസരിച്ച് ക്രോഡം ചെറുതാകുന്നു. ഖരരൂപത്തിലോ അപൂര്‍വമായി ഒരു ജലപരലായിനി (aqueous) ആയിട്ടോ ഇന്ധനം പ്രയോഗിക്കപ്പെടുന്നു. പ്ളേറ്റുകള്‍, പെല്ലറ്റുകള്‍ (pellets), സൂചികള്‍ തുടങ്ങിയ രൂപങ്ങള്‍ ഇന്ധനനിര്‍മിതിയില്‍ (fuel fabrication) സ്വീകരിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ശീതകവുമായി (coolant) നേരിട്ടു യാതൊരു സമ്പര്‍ക്കവും ഉണ്ടാകാതിരിക്കത്തക്കവണ്ണം ഇന്ധനശകലങ്ങള്‍ക്ക് ഒരു രക്ഷാകവചം (cladding) നല്കുന്നു.

ഹൈഡ്രജന്‍, ഡ്യൂട്ടീരിയം, കാര്‍ബണ്‍, ബെറിലിയം തുടങ്ങിയ ഭാരംകുറഞ്ഞ ന്യൂക്ളിയസ്സുകളുമായി ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് ഇലാസ്തികസംഘട്ടനം നടത്തുന്നതിന് മെച്ചപ്പെട്ട പരിച്ഛേദമാണുള്ളത് (cross-section). പ്രകീര്‍ണന-പരിച്ഛേദം (scattering cross - sectioin) അധികമാണെന്നതുകൊണ്ടുമാത്രം ഒരു വസ്തുവിനെ മന്ദീകാരിയായി ഉപയോഗിക്കാന്‍ പാടില്ല. അതിന്റെ ന്യൂട്രോണ്‍ഗ്രസനപരിച്ഛേദവും (capture -cross-section) വളരെ കുറവായിരിക്കണം. ലഘുജലം (light water), ഘനജലം (heavy water), ഗ്രാഫൈറ്റ്, ബെറിലിയം തുടങ്ങിയവയാണ് സാധാരണ പ്രയോഗത്തിലുള്ള മന്ദീകാരികള്‍. ഇന്ധനത്തെയും മന്ദീകാരിയേയും ഏകാത്മകമോ ഭിന്നാത്മകമോ ആയി ചേര്‍ത്തു വിന്യസിക്കുന്നു. ദ്രുതന്യൂട്രോണുകളെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയുള്ള ദ്രുതറിയാക്റ്ററുകളില്‍ മന്ദീകാരി ആവശ്യമില്ല.

നിയന്ത്രണവ്യവസ്ഥ

Control system)

വിഘടനത്തില്‍ ക്ഷണിജങ്ങളെന്നും (prompt) വിളംബിതങ്ങളെന്നും (delayed) രണ്ടു പറ്റം ന്യൂട്രോണുകളാണ് പിറക്കുന്നത്. ക്ഷണിജ ന്യൂട്രോണുകള്‍ 10^-14 സെ.നുള്ളിലും വിളംബിത ന്യൂട്രോണുകള്‍ ഏതാനും സെ. താമസിച്ചും ഉദ്ഗമിക്കപ്പെടുന്നു. വിളംബിത ന്യൂട്രോണുകളുടെ ഉദ്ഭവത്തിനുള്ള ഈ കാലതാമസം റിയാക്റ്ററിന്റെ നിയന്ത്രണ വ്യവസ്ഥയുടെ അടിസ്ഥാനമായിത്തീര്‍ന്നിരിക്കുന്നു. എല്ലാ ന്യൂട്രോണുകളും ഭേദനനിമിഷത്തില്‍ തന്നെ പുറപ്പെട്ടിരുന്നെങ്കില്‍ ഭീമമായൊരു വിസ്ഫോടനത്തില്‍ എല്ലാ കഴിയുമായിരുന്നു. ബോറോണ്‍, കാഡ്മിയം തുടങ്ങിയ ന്യൂട്രോണ്‍ ഗ്രസനകാരികളെ (absorbers) ദണ്ഡുകളുടെ രൂപത്തില്‍ റിയാക്റ്ററിലേക്ക് ഇറക്കിയും ചലിപ്പിച്ചും പിന്‍തള്ളിയുമാണ് അതിന്റെ പ്രവര്‍ത്തനം നിയന്ത്രിക്കുന്നത്.

ശീതകം

Coolant

ക്രോഡത്തില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന ചൂട് അവിടെനിന്നും എത്രയും വേഗത്തില്‍ നീക്കം ചെയ്യുന്നോ അത്രയും ശക്തി വര്‍ധിപ്പിക്കാന്‍ അതു സഹായിക്കും. താപാന്തരണത്തിനായി (heat transfer) ഒരു ദ്രാവകമോ വാതകമോ പരിസഞ്ചരണം (circulation) ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇതിന് ശീതകമെന്നു പറയുന്നു. ഉദാ. സാധാരണജലം, ഘനജലം, ദ്രവസോഡിയം, വായു, കാര്‍ബണ്‍ഡൈഓക്സൈഡ്.

താപവിനിമേയി

Heat Exchanger

ശീതകം സംവഹിച്ചുകൊണ്ടു വരുന്ന താപത്തെ, നേരിട്ടു സമ്പര്‍ക്കമില്ലാതെ ജലത്തില്‍ പകര്‍ന്ന് നീരാവി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള ഉപകരണം. റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് പ്രദൂഷണം (contamination) തടയുന്നതിനാണ് നേരിട്ടുള്ള സമ്പര്‍ക്കം വിലക്കിയിട്ടുള്ളത്.

രക്ഷാകവചങ്ങള്‍

Shieldings

അണുവിഘടനത്തില്‍ ഉദ്ഭവിക്കുന്ന മാരകവികിരണങ്ങളെ തടയുന്നതിന് റിയാക്റ്ററിനെ രണ്ടുതരത്തിലുള്ള രക്ഷാകവചങ്ങള്‍ അണിയിക്കുന്നു. താപീയകവചം (thermal shield) എന്നറിയപ്പെടുന്നൊരു സ്റ്റീല്‍ലൈനിങ് തീവ്രമായ വികിരണതാഡനമേറ്റ് (radiation bombardment) റിയാക്റ്റര്‍ ഭിത്തികള്‍ ദ്രവിച്ചുപോകാതിരിക്കാന്‍ സഹായിക്കുന്നു; താപീയകവചം തുളച്ച് പുറത്തുവരുന്ന അതിതീവ്രവികിരണങ്ങളെ തടയാന്‍വേണ്ടി കോണ്‍ക്രീറ്റുകൊണ്ട് നല്ല കനത്തിലൊരു ആവരണം റിയാക്റ്ററിന് മൊത്തത്തില്‍ നല്കിയിട്ടുണ്ട്. അതിന് ജീവരക്ഷാകവചം എന്നു പറയുന്നു. പ്രവര്‍ത്തകരുടെ ആരോഗ്യവും ജീവനും പരിരക്ഷിക്കാന്‍ അത്യന്താപേക്ഷിതമാണ് രക്ഷാകവചങ്ങള്‍.

ലക്ഷ്യത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തില്‍

ഗവേഷണ റിയാക്റ്റര്‍

ഗവേഷണം, അധ്യാപനം, പദാര്‍ഥപരിശോധന (materials testing) തുടങ്ങിയ ലക്ഷ്യങ്ങള്‍ക്കായി സംവിധാനം ചെയ്യപ്പെടുന്ന മാതൃകകളെ പൊതുവില്‍ ഗവേഷണ റിയാക്റ്ററുകളെന്നു വിളിക്കാം. നൂതനമായ റിയാക്റ്റര്‍ മാതൃകകളെപ്പറ്റി ഗവേഷണം നടത്താനും ശാസ്ത്രീയ പരീക്ഷണങ്ങള്‍ക്കാവശ്യമായ ന്യൂട്രോണുകള്‍, ഗാമാ ( γ) രശ്മികള്‍ തുടങ്ങിയവയെ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും ആണ് ഗവേഷണ റിയാക്റ്ററുകളെ വിനിയോഗിക്കുന്നത്.

ഗവേഷണ റിയാക്റ്ററുകള്‍ രണ്ടു തരമുണ്ട്: പൂള്‍ (pool) മാതൃകയും ടാങ്ക് (tank) മാതൃകയും. പൂള്‍മാതൃകയില്‍ (ഉദാ. അപ്സര) ജലം നിറച്ച ഒരു കൃത്രിമക്കുളത്തില്‍ യഥേഷ്ടം സ്ഥാനചലനം നടത്താവുന്ന വിധത്തില്‍ ക്രോഡത്തെ മുക്കിയിട്ടിരിക്കുന്നു. അടച്ചുവച്ച ഒരു ടാങ്കിനുള്ളില്‍ ക്രോഡത്തെ പ്രതിഷ്ഠിച്ചിരിക്കയാണ് ടാങ്ക് റിയാക്റ്ററുകളില്‍ ചെയ്തിരിക്കുന്നത്. പൂള്‍മാതൃകയെ അപേക്ഷിച്ച് കൂടുതല്‍ ശക്തമായ ന്യൂട്രോണ്‍ബീമുകളെ ഉത്പാദിപ്പിക്കാന്‍ ടാങ്ക് മാതൃകയ്ക്കു കഴിയും.

ഗവേഷണ റിയാക്റ്ററില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന താപത്തെ ശീതക വ്യവസ്ഥവഴി നീക്കം ചെയ്യുന്നു. അതിനെ വിദ്യുച്ഛക്തിയാക്കി മാറ്റുന്നില്ല.

പവര്‍ റിയാക്റ്റര്‍

വിദ്യുച്ഛക്തി ഉത്പാദനമാണ് ഇതിന്റെ മുഖ്യലക്ഷ്യം നീരാവി ടര്‍ബൈനില്‍ പ്രവേശിച്ച് അതിന് ഘൂര്‍ണനഗതി (rotary motion) ഉണ്ടാക്കുന്നു. ടര്‍ബൈന്‍ ഷാഫ്ട് ഉപയോഗിച്ച് ജനറേറ്ററില്‍ വിദ്യുച്ഛക്തി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ടര്‍ബൈന്‍ വിടുന്ന നീരാവിക്ക് കണ്ടന്‍സറി(condenser)ലുള്ള ശീതകധമനികളുമായി സമ്പര്‍ക്കമുണ്ടായി ജലമായിത്തീരുന്നു. ഈ ജലം അടുത്ത പ്രവര്‍ത്തനത്തിനുവേണ്ടി നീരാവി സംഭരണവ്യൂഹത്തിലേക്ക് പമ്പുചെയ്തയയ്ക്കുന്നു. നീരാവി തണുപ്പിക്കുന്നതിന് ഒരു പ്രാകൃതികജലസ്രോതസ്സിനെയാണ് സാധാരണ ആശ്രയിക്കാറ്.

പ്രധാനപ്പെട്ട ചില പവര്‍ റിയാക്റ്റര്‍ രൂപങ്ങള്‍:

മര്‍ദിതജല റിയാക്റ്റര്‍

Pressurized water reactor

ഇന്ധനം-യുറേനിയംഓക്സൈഡ് (സ്റ്റൈയ്ന്‍ലസ് സ്റ്റീല്‍ അല്ലെങ്കില്‍ സിര്‍ക്കോണിയം സങ്കരംകൊണ്ട് ആവൃതവും അല്പം സമ്പുഷ്ടമാക്കപ്പെട്ടതും); മന്ദീകാരി-ജലം; ശീതകം-ജലം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം: 13.79 കി.പാസ്കല്‍; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമ താപമാനം (outlet temperature): 260°Cനുമേല്‍.

തിളജല റിയാക്റ്റര്‍

Boiling water reactor

ഇന്ധനം-യുറേനിയം ഓക്സൈഡ് (മുന്‍ചൊന്ന സ്വഭാവം); മന്ദീകാരി-തിളയ്ക്കുന്ന വെള്ളം; ശീതകം-തിളയ്ക്കുന്ന വെള്ളം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം: 6.89 കി.പാസ്കല്‍; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമതാപമാനം: 260°Cനുമേല്‍.

വാതക ശീതളന റിയാക്റ്റര്‍

Gas cooled reactor

ഇന്ധനം-ഗ്രാഫൈറ്റ് ആവരണമുള്ള തോറിയം കാര്‍ബൈഡ് കലര്‍ത്തിയ അതിസമ്പുഷ്ട യുറേനിയം കാര്‍ബൈഡ്; മന്ദീകാരി-ഗ്രാഫൈറ്റ്; ശീതകം-ഹീലിയം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം: 2.76 കി.പാസ്കല്‍; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമതാപമാനം: 760°C.

ഏറെ താപാന്തരണ (heat transfer) ഗുണങ്ങളില്ലെങ്കിലും കുറഞ്ഞ മര്‍ദനിലകളില്‍ത്തന്നെ ഉയര്‍ന്ന താപമാനങ്ങള്‍ കൈവരുത്താന്‍ വാതകങ്ങള്‍ക്ക് സാധിക്കുന്നു.

ഘനജല റിയാക്റ്റര്‍

Heavy water reactor

ഇന്ധനം-ഒരു സിര്‍ക്കോണിയം മിശ്രത്താല്‍ ആവൃതമായ യുറേനിയം ലോഹം, അല്ലെങ്കില്‍ ഓക്സൈഡ്; മന്ദീകാരി-ഘനജലം; ശീതകം-ഘനജലം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം: 5.17 കി.പാസ്കല്‍; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമ-താപമാനം: 260°C.

ഇന്ധനോപഭോഗം കുറവാണിതില്‍. പ്രകൃതിയിലുള്ളതോ അല്പം സമ്പുഷ്ടമാക്കപ്പെട്ടതോ ആയ യുറേനിയം ഉപയോഗിക്കാം.

സോഡിയം-ഗ്രാഫൈറ്റ് റിയാക്റ്റര്‍

Sodium graphite reactor

ഇന്ധനം-അല്പം സമ്പുഷ്ടമാക്കപ്പെട്ട യുറേനിയം സങ്കരം അല്ലെങ്കില്‍ കാര്‍ബൈഡ് സ്റ്റെയ്ന്‍ലസ്സ്റ്റീല്‍ ആവൃതം; മന്ദീകാരി-ഗ്രാഫൈറ്റ്; ശീതകം-ദ്രാവകസോഡിയം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം-അല്പമാത്രം; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമതാപമാനം: 537.78°C.

വളരെ ചെറിയ മര്‍ദത്തില്‍ ഉച്ചതാപമാനങ്ങള്‍ സൃഷ്ടിക്കാന്‍ ഇതിന് കഴിയുന്നു. കട്ടികൂടിയ ഒരു പുറന്തോടിന്റെ ആവശ്യമില്ല. ശക്തമായ താപാന്തരണഗുണങ്ങളാണ് സോഡിയത്തിനുള്ളത്.

ദ്രുത-പ്രത്യുത്പാദന റിയാക്റ്റര്‍

Fast breeder reactor

ഇന്ധനം-അതിസമ്പുഷ്ട യുറേനിയം സങ്കരം, സ്റ്റെയ്ന്‍ലസ് സ്റ്റീല്‍ ആവൃതം; അല്ലെങ്കില്‍ യുറേനിയം-പ്ളൂട്ടോണിയം ഓക്സൈഡുകളോ കാര്‍ബൈഡുകളോ; മന്ദീകാരി-ഇല്ല; ശീതകം-ദ്രാവകസോഡിയം; ക്രോഡത്തിലെ മര്‍ദം-നാമമാത്രം; ശീതകത്തിന്റെ നിര്‍ഗമ താപമാനം: 426.67°C-648.89°C.

ഇതു മറ്റുതരത്തില്‍ നഷ്ടപ്പെട്ടേക്കാവുന്ന ന്യൂട്രോണുകളെ ²³⁸U അവശോഷിച്ചു പ്ളൂട്ടോണിയമായി രൂപാന്തരപ്പെടുത്തുന്നു.

റിയാക്റ്ററുകളുടെ സുരക്ഷിതത്വം

ഡിസൈന്‍ തത്ത്വങ്ങള്‍ പാടേ വ്യത്യസ്തമായതിനാല്‍ ഏതെങ്കിലും സാഹചര്യത്തില്‍ ഒരു റിയാക്റ്റര്‍ അണുബോംബിനെപ്പോലെ പൊട്ടിത്തെറിക്കുമെന്നു ഭയപ്പെടേണ്ടതില്ല. ഒരു വേള അതിന്റെ ക്രോഡം ഉരുകിപ്പോയേക്കാം; സ്വയം പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന നിയന്ത്രണദണ്ഡുകള്‍ ഇത്തരം അപകടങ്ങളെ ഒഴിവാക്കുന്നു.

ഇന്ധനശകലങ്ങള്‍ക്കു നല്കുന്ന ആവരണം (cladding) റേഡിയോ ആക്റ്റിവത വെളിയില്‍ വരുന്നതിനെതിരായുള്ള പ്രഥമ രക്ഷാമാര്‍ഗമാണ്. രണ്ടാമത്തെ മുന്‍കരുതലായി റിയാക്റ്ററിനെ വാതകപ്രവേശനമില്ലാത്തൊരു (gas tight) ആവരണത്തിനുള്ളില്‍ (enclosure) സ്ഥാപിക്കുകയാണ് പതിവ്. ഉണ്ടാകാനിടയുള്ള എത്ര വലിയ മര്‍ദത്തെയും താങ്ങാന്‍ പറ്റിയതാണ് ഈ 'പുറന്തോട്'.

ഒരു റിയാക്റ്റര്‍ സ്ഥാപിക്കുന്നതിനുള്ള സ്ഥലം തിരഞ്ഞെടുക്കുമ്പോള്‍ പല കാര്യങ്ങളും പരിഗണിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ജനവാസകേന്ദ്രങ്ങളില്‍നിന്നുള്ള ദൂരം, കാലാവസ്ഥ, ഭൂമിയുടെ കിടപ്പ് തുടങ്ങിയ ഘടകങ്ങളെ സസൂക്ഷ്മം പരിശോധിച്ചേ മതിയാകൂ.

ഭാവിയിലെ റിയാക്റ്റര്‍

ഭാരംകുറഞ്ഞ അണുക്കളുടെ സംയോജനത്തില്‍ (fusion) നിന്ന് വമ്പിച്ച ഊര്‍ജം-താപീയ അണുകേന്ദ്രോര്‍ജം (thermo-nuclear energy) - ലഭ്യമാണെന്നു തെളിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. ഉദാ. ഹൈഡ്രജന്‍ ബോംബ്. വിഘടനതത്ത്വത്തെ ആസ്പദമാക്കിയുള്ള റിയാക്റ്ററുകളേ ഇന്നുള്ളു. സംയോജന-അഭിക്രിയയെ നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള ശ്രമം തുടര്‍ന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. അതു വിജയിക്കുന്നപക്ഷം ഏറ്റവും ചെലവുകുറഞ്ഞ രീതിയില്‍ ശക്തി ലഭ്യമായിത്തീരും. വിലകൂടിയ ഇന്ധനങ്ങളൊന്നും ആവശ്യമില്ലെന്നതാണ് സംയോജനത്തില്‍ നിന്നുണ്ടാകുന്ന ഊര്‍ജത്തിന്റെ സവിശേഷത. നോ: അണു, അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം, അണുബോംബ്, അണുശക്തിതേജോവശിഷ്ടങ്ങള്‍, അണുഗവേഷണം ഇന്ത്യയില്‍, അപ്സര റിയാക്റ്റര്‍, സെര്‍ലീന റിയാക്റ്റര്‍, സൈറസ് റിയാക്റ്റര്‍

അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയം

Nuclear Science

അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ശക്തികളെയും ഉള്ളടക്കത്തെയും രസതന്ത്രപരവും ഭൗതികവുമായ വശങ്ങളിലൂടെ വിശകലനം ചെയ്യുന്ന ആധുനിക ശാസ്ത്രശാഖ. അണുകേന്ദ്രഭൗതികം, അണുകേന്ദ്രരസതന്ത്രം എന്നീ ഉള്‍പ്പിരിവുകള്‍ ഇതിനുണ്ട്. അണു വിച്ഛേദിക്കപ്പെടാന്‍ കഴിയാത്ത ഏറ്റവും ചെറിയ പദാര്‍ഥമാണെന്ന സങ്കല്പത്തിനു മാറ്റം വന്നതോടെ അണുവിജ്ഞാനീയമെന്നത് അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയമായി. 2,500 വര്‍ഷങ്ങള്‍ക്കുമുമ്പ് ഗ്രീസിലും അതിനുമുമ്പുതന്നെ ഭാരതത്തിലും അണുവിനെക്കുറിച്ചുള്ള ശാസ്ത്രീയ ബോധമുണ്ടായിരുന്നു. നോ: അണു, അണുഭൌതികം

അണുകേന്ദ്രവിജ്ഞാനീയ വികാസത്തിന്റെ നാഴികക്കല്ലുകള്‍

1896-ല്‍ ഹെന്റി ബെക്വറല്‍ എന്ന ഫ്രഞ്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ യുറേനിയം യൗഗികങ്ങളുടെ റേഡിയോ ആക്റ്റിവത (Radioactivity) കണ്ടുപിടിച്ചതോടുകൂടിയാണ് അണുകേന്ദ്രത്തെക്കുറിച്ചുള്ള അറിവ് വര്‍ധിച്ചത്. അതിനുശേഷം തുടരെയുള്ള കണ്ടുപിടിത്തങ്ങള്‍ ഈ രംഗത്തുണ്ടായി. അവയില്‍ പ്രധാനപ്പെട്ടവ താഴെ കുറിക്കുന്നു:

(1) യുറേനിയം ഖനിജങ്ങ(minerals)ളില്‍നിന്നു റേഡിയം വേര്‍തിരിച്ചെടുത്തത് - പിയര്‍ക്യൂറിയും മേരിക്യൂറിയും (1898);

(2) ദ്രവ്യമാനവും (mass) ഊര്‍ജവും (energy) തമ്മിലുള്ള ബന്ധം പ്രസ്താവിച്ചത് - ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍ (1905);

(3) ആല്‍ഫാ (α) കണങ്ങള്‍ ഹീലിയത്തിന്റെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളാണെന്നു പരീക്ഷണങ്ങള്‍കൊണ്ടു തെളിയിച്ചത് - റഥര്‍ഫോര്‍ഡും റോയിഡും (1909);

(4) കോസ്മിക കിരണങ്ങള്‍ (cosmic rays) കണ്ടെത്തിയത് - ഹെസ്സ് (1910);

(5) ക്ളൗഡ്ചേംബര്‍ (Cloud chamber) എന്ന ഉപകരണം നിര്‍മിച്ചത് - കോക്ക്രോഫ്റ്റ് വില്‍സണ്‍ (1912);

(6) പരീക്ഷണശാലയില്‍ അണുകേന്ദ്രമൂലകാന്തരണം (Nuclear transformation) ആദ്യമായി നടത്തിയത് - റഥര്‍ ഫോര്‍ഡ് (1919);

(7) ദ്രവ്യമാന സ്പെക്ട്രോമീറ്റര്‍ (Mass spectrometer) എന്ന ഉപകരണം നിര്‍മിച്ചത് - ആസ്റ്റണ്‍ (1919);

(8) ദ്രവ്യകണങ്ങള്‍ക്കു തരംഗസ്വഭാവമുള്ളതായി വെളിപ്പെടുത്തിയത് - ദെ ബ്രോയെ (1924):

(9) ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം (Quantum mechanics) എന്ന ഭൌതികശാസ്ത്രശാഖയുടെ ഉത്പത്തി-ഷോഡിംഗര്‍, ബാറണ്‍, ഹൈസന്‍ബര്‍ഗ്, ജോര്‍ഡന്‍ എന്നിവരുടെ പ്രവര്‍ത്തനംമൂലം (1926);

(10) ഗൈഗര്‍ മുള്ളര്‍ കൌണ്ടര്‍ (Geiger muller counter) എന്ന ഉപകരണത്തിന്റെ നിര്‍മാണം (1928);

(11) കൃത്രിമമായി ത്വരണം ചെയ്യപ്പെട്ട കണങ്ങള്‍ (artifically accelerated particles) കൊണ്ട് അണുകേന്ദ്രമൂലകാന്തരണം നടത്തിയത് - കോക്ക്രോഫ്റ്റ് വില്‍സണ്‍ (1930);

(12) സെക്ളോട്രോണ്‍ (Cyclotron) എന്ന ഉപകരണം നിര്‍മിച്ചത് - ലോറന്‍സ് (1932);

(13) ന്യൂട്രോണ്‍ കണ്ടുപിടിച്ചത് - ചാഡ്വിക് (1932).

(14) പോസിട്രോണ്‍ കണ്ടുപിടിച്ചത് - ആന്‍ഡേഴ്സണ്‍ (1932);

(15) അണുകേന്ദ്രം ന്യൂട്രോണുകളാലും പ്രോട്ടോണുകളാലും നിര്‍മിതമാണ് എന്നു നിര്‍ദേശിച്ചത് - ഹൈസന്‍ബര്‍ഗ് (1932);

(16) കൃത്രിമ റേഡിയോ ആക്റ്റിവത കണ്ടുപിടിച്ചത് - ജുലിയറ്റ് ക്യൂറിയും ഐറിന്‍ ക്യൂറിയും (1934);

(17) മെസോണ്‍ എന്ന കണത്തെ താത്ത്വികമായി വിഭാവനം ചെയ്തത് - യൂക്കാവാ (1935);

(18) അണുകേന്ദ്ര ഘടനയെക്കുറിച്ചുള്ള യൌഗിക-അണുകേന്ദ്രസിദ്ധാന്തം നിര്‍ദേശിച്ചത് - നീല്‍സ് ബോര്‍ (1936);

(19) കോസ്മിക കിരണങ്ങളില്‍ മ്യൂ ()- മെസോണ്‍ കണ്ടെത്തിയത് - നെദര്‍മേയര്‍, ആന്‍ഡേഴ്സണ്‍ (1937);

(20) അണുകേന്ദ്രകാന്തിക-ആഘൂര്‍ണത്തെ (Nuclear magnetic moment) കൃത്യമായി നിര്‍ണയിച്ചത് - റാബി (1938);

(21) അണുകേന്ദ്രവിഘടനം നിരീക്ഷിച്ചത് - ഹാന്‍, സ്റ്റ്രാസ്മാന്‍ (1939);

(22) ആദ്യത്തെ അണുകേന്ദ്ര റിയാക്റ്റര്‍ നിര്‍മിച്ചു പ്രവര്‍ത്തിപ്പിച്ചത് - ഫെര്‍മി (1942);

(23) പൈ ( ) മെസോണ്‍ എന്ന കണം കണ്ടുപിടിച്ചത് - സെസില്‍ പൌവല്‍, സീസര്‍ ലാറ്റസ്, ജൂസെപ്പെ ഒക്കിയാലിനി (1947);

(24) വി (V)-കണത്തിന്റെ കണ്ടുപിടിത്തം - റാച്ചസ്റ്റര്‍ ബട്ലര്‍ (1947);

(25) പരീക്ഷണശാലയില്‍ കൃത്രിമമായി മെസോണുകള്‍ നിര്‍മിച്ചത് - ഗാര്‍ഡ്നര്‍, ലാറ്റസ് (1948);

(26) അണുകേന്ദ്ര ഘടനയെക്കുറിച്ച് കവചസിദ്ധാന്തം (Shell theory) നിര്‍ദേശിച്ചത് - മേയര്‍ ഹാക്സല്‍ ജെന്‍സണ്‍, സൂയസ് (1949);

(27) താപ-അണുകേന്ദ്രീയ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങ(thermo nuclear reactions)ളെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണങ്ങള്‍ - ഹൈഡ്രജന്‍ ബോംബിന്റെ നിര്‍മാണം - 1956 മുതല്‍;

(28) താപ-അണു കേന്ദ്രീയ-പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനോര്‍ജത്തെ (thermo-nuclear reaction energy) നിയന്ത്രിക്കാന്‍ കഴിയുമെന്നും സമാധാനപരമായ ആവശ്യങ്ങള്‍ക്ക് ഉപയോഗിക്കാമെന്നും വെളിപ്പെടുത്തിയത് - സോവിയറ്റ് റഷ്യയിലെ കപിറ്റ്സ, പീറ്റര്‍ ലെനിഡോവിച്ച് (ആഗ. 1970). നോ: അണുകേന്ദ്രം

ബന്ധന-ഊര്‍ജം

(Binding energy).

ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ m_p ദ്രവ്യമാനം വീതമുള്ള z പ്രോട്ടോണുകളും M_n വീതമുള്ള N ന്യൂട്രോണുകളും അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. Z പ്രോട്ടോണുകളുടെ ആകെ ദ്രവ്യമാനം Z ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടേതായിരിക്കും. അതിനാല്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം M=M_H Z+M_n(A-Z) ആകേണ്ടതാണ്.

ഇവിടെ M_H ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനവും A=Z+N- ആണ്. എന്നാല്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം (M) മേല്പറഞ്ഞതില്‍ കുറവായിരിക്കും. ദ്രവ്യമാനവ്യത്യാസം, M_HZ+M_n(A-Z)-M= Δ അതായത് Δ ദ്രവ്യനഷ്ടം സംഭവിക്കുന്നു. പ്രോട്ടോണുകളേയും ന്യൂട്രോണുകളേയും അതായത് ന്യൂക്ളിയോണുകളെ ബന്ധിക്കുന്ന ഊര്‍ജമാണിത്. അതിനാല്‍ ബന്ധന-ഊര്‍ജം B=Δc²={M_HZ+M_n(A-Z)-M}C².ജൂള്‍സ്,e.v.എന്ന് ഇലക്ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ടായും ഇത് കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. (c-പ്രകാശവേഗം). ഓരോ ന്യൂക്ലിയോണിനെയും ബന്ധിക്കുന്ന ശ.ശ. ഊര്‍ജം B= ഇത് അണുകേന്ദ്രബലങ്ങളെ എതിര്‍ത്ത് ഓരോ ന്യൂക്ളിയോണിനെയും വേര്‍പെടുത്തി ദൂരെ മാറ്റുവാന്‍ വേണ്ടിവരുന്ന പ്രവൃത്തിയെ ആണ് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. A-യെ അപേക്ഷിച്ച് B എപ്രകാരം മാറിവരുന്നു എന്നു ചിത്രത്തില്‍നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. ഏറ്റവും സ്ഥിരമായ അണുസമഭാരികം (isobar) (നോ: അണു) ആണ് കണക്കിലെടുത്തിട്ടുള്ളത്. A-50-നോടു സമീപിക്കുമ്പോള്‍ B = 8.4 MeV‍ കുറയുന്നില്ല. ചെറുതും വലുതും ദ്രവ്യമാനസംഖ്യയുള്ള അണുക്കള്‍ക്കു B ഇതിനേക്കാള്‍ കുറവാണ്. വളരെ ചെറിയ ദ്രവ്യമാനസംഖ്യയുള്ള അണുക്കളുടെ ആ-ല്‍ മുറതെറ്റിയ വ്യതിയാനമാണ് കാണുന്നത്. ഒരു ന്യൂക്ളിയോണിന്റെ ബന്ധന ഊര്‍ജം ആണ്.

സ്വച്ഛന്ദ-അണുകേന്ദ്ര വിഘടനം

Spotaneous disintegration of the nucleus

അണുഭാരം വളരെ കൂടുതലുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ വികിരണത്തിനു (radiation) സ്വയം വിധേയമായി ഒന്നിനുപുറകെ മറ്റൊന്ന് എന്ന ക്രമത്തില്‍ വിവിധ മൂലകങ്ങളായി രൂപം പ്രാപിച്ച് ഒടുവില്‍ സ്ഥിരമൂലകമായ ഈയ (lead)ത്തില്‍ എത്തിനില്ക്കുന്ന ഒരു പ്രത്യേകത പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്നുണ്ട്. സ്വാഭാവിക റേഡിയോആക്റ്റിവത (natural radioactivity) എന്നറിയപ്പെടുന്ന പ്രതിഭാസമാണിത്. ആല്‍ഫാ, ബീറ്റാ, ഗാമാ (αβγ ) എന്നീ മൂന്നുതരം രശ്മികളാണ് വികിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നത്. ആല്‍ഫാ രശ്മികളായി പുറപ്പെടുന്നത് ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ തന്നെയാണ്. അവയ്ക്കു നിശ്ചിതതോതില്‍ ഊര്‍ജവും ഇലക്ട്രോണിന്റെ രണ്ടിരട്ടി ധനചാര്‍ജുമുണ്ട്. ബീറ്റ രശ്മികളായി വരുന്നത് ഇലക്ട്രോണുകള്‍ തന്നെയാണ്. അവയ്ക്ക് അവിച്ഛിന്ന-ഊര്‍ജ സ്പെക്ട്രം (continous energy spectrum) ആണുള്ളത്. ഗാമാ ( γ)-രശ്മികള്‍ എക്സ്-രശ്മികളെ(X-rays)ക്കാള്‍ തരംഗനീളം കുറഞ്ഞ വിദ്യുത് കാന്തിക തരംഗങ്ങളാണ്. അവയുടെ ഊര്‍ജത്തിനു ചില നിശ്ചിതമായ അളവുകളുണ്ട്. അറിവില്‍പ്പെട്ട എല്ലാ റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് രൂപാന്തരണങ്ങളിലും (Radioactive transformations) α അല്ലെങ്കില്‍ β കണമാണ് ഉത്സര്‍ജിതമാകുന്നത്; ഒരു രൂപാന്തരണത്തില്‍ ഏതെങ്കിലുമൊന്നുമാത്രം. A ദ്രവ്യമാനസംഖ്യയും Z അണുസംഖ്യയുമുള്ള ഒരു അണു α -കണത്തെ ഉത്സര്‍ജനം ചെയ്യുമ്പോള്‍ നൂതനമായുണ്ടാകുന്ന അണുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ (A-4)-ഉം അണുസംഖ്യ (Z- 2)-ഉം ആണ്. ഒരു β-കണമാണ് ഉത്സര്‍ജിതമാകുന്നതെങ്കില്‍ പുതിയ അണുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ A തന്നെയാണ്; അണുസംഖ്യ (Z + 1) ആകുകയും ചെയ്യും. ഇലക്ട്രോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം തുച്ഛമാണെന്നതാണ് ഇതിനു കാരണം. β-കണം ഉത്സര്‍ജിതമാകുമ്പോള്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ ഒരു ന്യൂട്രോണ്‍, പ്രോട്ടോണ്‍ ആയിത്തീര്‍ന്ന്, മൊത്തം ധനചാര്‍ജ് (Z + 1) ആയിത്തീരുന്നു.

α,β,കണങ്ങള്‍ വിപുലമായ ഗതികോര്‍ജ (Kinetic energy)ത്തോടുകൂടിയാണ് ഉത്സര്‍ജിക്കപ്പെടുന്നത്. കണം ഉത്സര്‍ജിതമായ ഉടനെ നൂതനമായി രൂപംകൊള്ളുന്ന അണുകേന്ദ്രം ഊര്‍ജസ്വലമായ നിലയിലാണ് വര്‍ത്തിക്കുന്നത്. താമസിയാതെ സാധാരണനിലയിലെത്തുമ്പോള്‍ ഒരു γക്വാണ്ടം വമിക്കപ്പെടുന്നു. α-കണങ്ങള്‍ ചില നിശ്ചിത ഊര്‍ജത്തോടെയാണ് പുറത്തുവരുന്നത്. ഉദാ. തോറിയം-C അണുക്കള്‍ (Z= 83, A = 212) തോറിയം-C¹ അണുക്കളായി (Z = 81, A = 208) രൂപാന്തരപ്പെടുമ്പോള്‍ α-കണങ്ങള്‍ E₁= 6.201,E₂ = 6.161, E₃ = 5.873, E₄ = 5.728, E₅ = 5.709 എന്നീ MeV ഊര്‍ജത്തോടെയാണ് വമിക്കപ്പെടുന്നത്. αകണങ്ങള്‍ തോറിയം-C അണുകേന്ദ്രങ്ങളില്‍ മൂലാവസ്ഥയില്‍ (ground state) നിന്നുയര്‍ന്ന് E₄-E₂ = 0.04, E₁-E₂ = 0.328, E₁-E₄ = 0.473, E₁-E₅ = 0.492 MeV എന്ന ഊര്‍ജസ്തരങ്ങളില്‍ വര്‍ത്തിക്കുന്നുവെന്നാണ് ഗാമോ (Gamow) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ ഇതിനു നല്കിയ വ്യാഖ്യാനം. അണുകേന്ദ്രത്തിലുള്ള ഒരു α-കണം, E₁ ഊര്‍ജസ്തര(energy level)ത്തില്‍ നിന്നു മറ്റൊരു ഊര്‍ജസ്തരത്തിലേക്കു പതിക്കുമ്പോള്‍ ഒരു γ-ക്വാണ്ടം ഉളവായി വമിക്കപ്പെടുന്നു. ഇങ്ങനെ 5 സ്തരങ്ങള്‍ ഉള്ളതിനാല്‍ 10 ജാതിയിലുള്ള γ-ക്വാണ്ടം ഉളവാകാന്‍ സാധ്യതയുണ്ടെങ്കിലും 6 എണ്ണം മാത്രമാണ് നിരീക്ഷിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുള്ളത്. ബാക്കി 4 എണ്ണം അവയുടെ ശക്തിക്കുറവിനാലോ ഏതോ അജ്ഞാതമായ നിര്‍ധാരണനിയമ(selection rule)ത്തിനു വിധേയമായി സംക്രമണങ്ങള്‍ (transitions) നിരോധിച്ചതിനാലോ ആയിരിക്കാം നിരീക്ഷിക്കപ്പെടാന്‍ കഴിയാതെപോകുന്നത്. റേഡിയം-C¹, തോറിയം-C¹ എന്നീ മൂലകങ്ങള്‍ ശക്തമായ α-കണങ്ങള്‍ വമിക്കാനിടവരുന്നത്, അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ വിവിധ ഉന്നത ക്വാണ്ടം നിലയില്‍ വര്‍ത്തിക്കുന്നതുകൊണ്ടാണ് α-കണം വമിക്കാന്‍പോകുന്ന അണുകേന്ദ്രം അതിനു ജന്‍മംകൊടുത്ത പൂര്‍വവിഘടനത്തില്‍ നിന്നു ലഭിച്ച ഊര്‍ജത്താല്‍ ഉത്തേജിതാവസ്ഥയിലിരിക്കുകയാണ്. ഒരു γ-ക്വാണ്ടത്തെ വമിച്ച് താഴ്ന്ന ഒരു സ്തരത്തില്‍ എത്തുന്നതിനുമുമ്പ് α-കണം പുറത്തുവരുന്നപക്ഷം അതു സാധാരണയില്‍ കൂടുതലായ ഊര്‍ജത്തോടെ പ്രത്യക്ഷപ്പെടും. അധികപ്പറ്റായ ഊര്‍ജം ഉത്തേജിത അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്ന് അതു നേടുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ നിശ്ചിതമായ ക്വാണ്ടരൂപത്തിലുള്ള ഊര്‍ജസ്തരങ്ങളുണ്ട്. β-കണങ്ങളുടെ ഊര്‍ജവിതരണം ചിത്രത്തില്‍ കാണിച്ചിട്ടുള്ളതു പോലെയാണ്. അതുക്രമേണ ഉയര്‍ന്ന് അധികതമ(maximum)ത്തില്‍ എത്തി പിന്നീട് പൂജ്യം ആയിത്തീരുന്നു. ആധുനികസിദ്ധാന്തപ്രകാരം കണങ്ങളുടെ അധികതമ-ഊര്‍ജം സമ്പൂര്‍ണവിഘടന-ഊര്‍ജം (total disintegration energy) തന്നെയാണ്. അണുകേന്ദ്രം നിശ്ചിതക്വാണ്ട-അവസ്ഥകളില്‍ വര്‍ത്തിക്കുന്നുവെന്നതിന് α-കണങ്ങളുടെയും γ-ക്വാണ്ടത്തിന്റെയും ഊര്‍ജസ്പെക്ട്രം സ്ഥിരീകരണം നല്കുന്നു. പക്ഷേ, β-കണങ്ങള്‍ക്കു അവിച്ഛിന്ന-ഊര്‍ജവിതരണം (continuous energy distribution) ആണുള്ളത്. ഈ വ്യത്യാസം ഒരു പ്രശ്നമായി അവശേഷിക്കുന്നു. അണുകേന്ദ്രം ന്യൂട്രോണ്‍ ക്വാണ്ട-അവസ്ഥയില്‍നിന്നു പ്രോട്ടോണ്‍ ക്വാണ്ട-അവസ്ഥയിലേക്കു പരിവര്‍ത്തനം ചെയ്യുമ്പോഴാണ് β-കണം പുറത്തുവരുന്നത്. ഈ രണ്ടു ക്വാണ്ടം-അവസ്ഥകള്‍ തമ്മിലുള്ള ഊര്‍ജ വ്യത്യാസമാണ് β-കണത്തിനു ലഭിക്കേണ്ട ഊര്‍ജം. എന്നാല്‍ β-കണം പുറത്തുവരുന്നത് കുറഞ്ഞും കൂടിയുമുള്ള ഊര്‍ജത്തോടെയാണ്. β-കണത്തോടുകൂടി ന്യൂട്രിനോ എന്ന മറ്റൊരു കണംകൂടി വമിക്കുന്നുണ്ടെന്നും ആകെ ലഭ്യമാകുന്ന നിശ്ചിതവിഘടനോര്‍ജം β-കണവും ന്യൂട്രിനോയും തമ്മില്‍ പങ്കുവച്ചെടുക്കുന്നുവെന്നുമാണ് പൗളി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ ഇതിനു നല്കിയ സമാധാനം. β-കണത്തിനു അധികതമത്തില്‍ ഊര്‍ജം ലഭിക്കുമ്പോള്‍ ന്യൂട്രിനോയ്ക്ക് ഊര്‍ജമില്ലാതാകുന്നു; നേരെമറിച്ചും വരാം. ഈ ന്യൂട്രിനോയുടെ ദ്രവ്യമാനം നിസ്സാരമാണെങ്കിലും അതിന് ഊര്‍ജവും സംവേഗ(momentum)വും ഉണ്ട്.

ന്യൂക്ളിയാര്‍ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ പ്രാചീരം

Nuclear Pontential barrier

യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രം α-കണങ്ങളെ പ്രകീര്‍ണനം ചെയ്യുമ്പോള്‍ ശ്രദ്ധേയമായ ചില വസ്തുതകള്‍ വെളിപ്പെടുന്നു. തോറിയം-C¹-ല്‍ (Th-C¹) നിന്നു ലഭിക്കുന്ന 9 MeV ഊര്‍ജമുള്ളവ കൂളൂംനിയമത്തെ അതിലംഘിച്ച് യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രത്തെ സമീപിക്കുന്നതിനു ശക്തിയുള്ളതല്ല, അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു 3 x 10^-12 സെ.മീ. ദൂരം വരെയെങ്കിലും അണുകേന്ദ്രമണ്ഡലത്തില്‍ α-കണത്തിന്റെ സ്ഥാനികോര്‍ജം (Pontential energy) കൂളും നിയമത്തിന് (Ur=) വിധേയമാണ്.

α-ന്യൂക്ലിയര്‍ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ പ്രാചീരം

അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നുള്ള ദൂരം (r) 3 x 10^-12 സെ.മീ. ആണെങ്കില്‍ സ്ഥാനികോര്‍ജം 9 MeVആയിരിക്കും. ദൂരംകുറയുംതോറും സ്ഥാനികോര്‍ജം വര്‍ധിച്ച് അധികതമത്തിലെത്തിക്കഴിഞ്ഞാല്‍ പിന്നെ കൂളൂംനിയമം തകര്‍ന്നുപോകുന്നു. ഈ വികര്‍ഷണക്ഷമത (repulsive potential) α-കണത്തിന് അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ പ്രവേശനം നിരോധിക്കുന്നു. അത് ഒരു പൊട്ടന്‍ഷിയ പ്രാചീരമായി കണക്കാക്കാവുന്നതാണ്. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നും പുറത്തുവരുന്നതിനുമുമ്പ് അല്പസമയമെങ്കിലും α-കണം ആ രൂപത്തില്‍ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ഉണ്ടായിരിക്കണം. അപ്പോള്‍ α-കണവും റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് അണുകേന്ദ്രവും തമ്മില്‍ അകത്തും പുറത്തും ഉണ്ടാകുന്ന പരസ്പരക്രിയ (interaction) ആണ് ചിത്രത്തില്‍ കാണിച്ചിട്ടുള്ള സ്ഥാനികോര്‍ജലേഖ(potential energy curve) സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. r₂ മുതല്‍ r₁ വരെ ലേഖ ഉയര്‍ന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഭാഗം α-കണം അണുകേന്ദ്രത്തെ സമീപിക്കുമ്പോള്‍ വര്‍ധിച്ചുവരുന്ന വികര്‍ഷണത്തെ കാണിക്കുന്നു. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ അകത്തും സമീപത്തും ഈ ലേഖയുടെ ആകൃതി കൃത്യമായി മനസ്സിലാക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല. എന്നാല്‍ വികര്‍ഷണക്ഷമതയ്ക്കുപകരം ഒരു ആകര്‍ഷണക്ഷമത V₀, r₀ എന്ന ദൂരംവരെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു. ഈ ദൂരമാണ് അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഫലപ്രദമായ വ്യാസാര്‍ധം. α-കണം പുറത്തുവരുമ്പോള്‍ അതിനുള്ള ഊര്‍ജം (E_α) തന്നെയാണ് അതിനകത്തുമുള്ളത്. α-കണത്തിന്റെ ഗതികോര്‍ജമായി അവശേഷിക്കുന്നത് ആകെയുള്ള E_α-യില്‍നിന്നു V₀ കുറച്ചുകിട്ടുന്ന E_α-V₀ ആണ്.

യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രത്തെ സമീപിക്കുന്ന ഒരു α-കണം അഭിമുഖീകരിക്കുന്നത് 9 Mev സ്തരമുള്ള ഒരു പൊട്ടന്‍ഷിയ ഊര്‍ജപ്രാചീരമാണ്. എന്നാല്‍ യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രം വമിക്കുന്ന α-കണത്തിനു 4 Mev ഊര്‍ജമാണുള്ളത്. അകത്തും ഈ ഊര്‍ജംതന്നെയാണുണ്ടായിരിക്കേണ്ടത്. ഈ α-കണത്തിന് ഒരു തരംഗസ്വരൂപം കൂടിയുള്ളതുകൊണ്ടാണ് 4 MeV ഉള്ള α-കണം 9 MeV സ്തരത്തിലുള്ള പ്രാചീരം കടന്നു പുറത്തുവരുന്നത്. അതിന്റെ തരംഗനീളം ആണ് h . ഇവിടെ, E ചിത്രത്തില്‍ P A B നിരപ്പായി കാണിച്ചിട്ടുള്ള ആകെ ഊര്‍ജവും V സ്ഥിതികോര്‍ജവുമാണ്. കണം MBAC DC' A' B' M' രേഖയ്ക്കു മുകളിലാണ്; അതായത് പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ വെല്ലി(potential well)നകത്തോ പുറത്തോ ആയിരിക്കണം. Aa,Bb,aA'a',B'b' എന്നീ പരിധികള്‍ക്കകത്ത് E-യെക്കാള്‍ കൂടുതലാണ് V. അപ്പോള്‍ E-V ഋണാത്മകമാകയാല്‍ തരംഗനീളം കല്പിതസംഖ്യ (imaginary number) ആയിരിക്കുന്നു. അതിന്റെ അര്‍ഥം തരംഗത്തിനു AC DC' A' എന്ന അതിര്‍ത്തിക്കുള്ളില്‍ പൂര്‍ണപ്രതിഫലനം (total reflection) സംഭവിക്കുന്നു എന്നതാണ്. അണുവില്‍ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ നിശ്ചിത ഊര്‍ജങ്ങളിലും ആവൃത്തി(frequency)കളിലും സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നതുപോലെ അണുകേന്ദ്രത്തിനകത്ത് α-കണങ്ങള്‍ ചില നിശ്ചിത ഊര്‍ജങ്ങളിലും ആവൃത്തികളിലും സ്ഥിതിചെയ്യുന്നുണ്ടാകണം. ചിത്രത്തില്‍ AB,A'B' എന്നീ മേഖലകളില്‍ തരംഗനീളം കല്പിതമാണെങ്കിലും തരംഗഫലനം (wave function) ψ=ψ₀sin 2πrt വാസ്തവികം (real) ആണ്. തരംഗ-ആയാമം (wave amplitude) A-യിലോ A'-ലോ ശൂന്യമാകുന്നില്ലെങ്കിലും എക്സ്പൊണന്‍ഷ്യല്‍ (exponential) ആയി കുറഞ്ഞ് B-യില്‍ അഥവാ B'-ല്‍ എത്തുമ്പോള്‍ തുച്ഛമാകുന്നു എന്നല്ലാതെ പൂജ്യമാകുന്നില്ല. B അഥവാ B' തരണംചെയ്താല്‍ തരംഗം വീണ്ടും വാസ്തവികമായിത്തീരുന്നു. ആയാമം കുറവുള്ള ഒരു തരംഗം അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു പുറത്ത്  തരംഗനീളമുള്ള ഒരു ഗോളീയ തരംഗം (spherical wave) ജനിക്കുന്നു. ഒരു തരംഗം അണുകേന്ദ്രത്തിനകത്തുള്ള ഒരു തരംഗം ക്രമേണ ക്ഷയിക്കുന്നുവെന്നര്‍ഥം. α-കണം അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു രക്ഷപ്പെടാനുള്ള സാധ്യതയുണ്ടാകുന്നു.

പ്രാചീരത്തിന്റെ ഉയരം കൂടുന്തോറും തരംഗസമൂഹം (wave packet) പുറത്തേക്ക് ഒഴുകുന്ന നിരക്കു ചുരുങ്ങുകയും അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നു പുറത്തുവരുവാനുള്ള സാധ്യത കുറയുകയും ചെയ്യും.

അണുകേന്ദ്ര മാതൃകകള്‍

Nuclear models

ദ്രാവകതുള്ളി മാതൃക

Liquid drop model).

എല്ലാ അണുകേന്ദ്രങ്ങളിലും അണുകേന്ദ്രദ്രവ്യ(nuclear matter)ത്തിനു മിക്കവാറും ഒരേ സാന്ദ്രത (density) ആണ്. ഒരു ദ്രാവകത്തിന്റെ തുള്ളിക്കു വലിയ വ്യത്യാസമുണ്ടെങ്കിലും സാന്ദ്രതയ്ക്ക് വ്യത്യാസമില്ല. അതിനാല്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഗുണങ്ങളെ ഒരു ദ്രാവകത്തിന്റെ തുള്ളിയായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുന്നത് പ്രയോജനകരമായേക്കുമെന്ന് ബോര്‍ (Bohr) കരുതി. അവ തമ്മില്‍ പല സാദൃശ്യങ്ങളുമുണ്ട്: (1) ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള സ്ഥിരബന്ധനോര്‍ജത്തിനു തുള്ളിയുടെ ബാഷ്പ-ലീനതാപ (latent heat of vapourisation)വുമായി സാമ്യമുണ്ട്; (2) തുള്ളിയുടെ ബാഷ്പനത്തിന് അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ റേഡിയോ ആക്റ്റിവതയുമായുള്ള സാമ്യം; (3) തുള്ളിക്കകത്തുള്ള തന്‍മാത്രകളുടെ താപീയ കമ്പന-ഊര്‍ജവും (thermal vibration energy) ന്യൂക്ളിയോണുകളുടെ ഊര്‍ജവും തമ്മില്‍ സാമ്യമുണ്ട്; (4) ചെറിയ തുള്ളികള്‍ ചേര്‍ന്ന് വലിയ തുള്ളിയായിത്തീരുന്നതുപോലെ, പതനകണങ്ങളെ (bombarding particles) സ്വീകരിച്ച് ഒരു സംയുക്ത അണുകേന്ദ്രം രൂപംകൊള്ളുന്നു.

ഒരു തുള്ളിക്കകത്തുള്ള തന്മാത്രകള്‍ അവയുടെ ഏറ്റവും സമീപത്തുള്ള തന്‍മാത്രകളുടെ സ്വാധീനശക്തിക്കു മാത്രമേ വിധേയമായിരിക്കയുള്ളു. അതുപോലെ ന്യൂക്ളിയോണും ന്യൂക്ളിയോണും തമ്മിലുള്ള ബലങ്ങള്‍ക്കു ഹ്രസ്വപരാസമേയുള്ളു. തുള്ളിയുടെ പ്രതലത്തിലുള്ള തന്‍മാത്രകള്‍ അകത്തുള്ളവയെപ്പോലെ ദൃഢമായ ബന്ധനത്തില്‍ അല്ല സ്ഥിതിചെയ്യുന്നത്. അതുപോലെ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ പ്രതലത്തിലെ ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ അകത്തുള്ളവയെപ്പോലെ ദൃഢമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നില്ല.

ഈ ആശയങ്ങളെല്ലാം കണക്കിലെടുത്ത് A,Z,M എന്നീ ഭൌതികവസ്തുതകള്‍ (Physical data) ഉള്‍പ്പെടുത്തി ^AM_z എന്ന അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനത്തെയും E_B എന്ന ബന്ധനോര്‍ജ(binding energy)ത്തെയും ചേര്‍ത്തുള്ള ഒരു ആനുഭവികസൂത്രവാക്യം (empirical formula) രൂപപ്പെടുത്താന്‍ സാധിച്ചു: ^AM_z=Z M_H+(A-Z)M_n-E_B. ഇവിടെ M_H,M_n എന്നിവ ക്രമത്തില്‍ ഒരു ഹൈഡ്രജന്‍ അണുവിന്റെയും ന്യൂട്രോണിന്റെയും ദ്രവ്യമാനമാണ്. അണുദ്രവ്യത്തെയും ബന്ധനോര്‍ജത്തെയും വളരെ സൂക്ഷ്മതയോടെ കണക്കാക്കിയെടുക്കാന്‍ ഈ പരിഗണനയിലൂടെ സാധിക്കുന്നു. ഇതിനുപുറമേ 238^U₉₂ എന്ന അണു ഒരു α-ഉത്സര്‍ജകമാണെന്നുംβ-ഉത്സര്‍ജകമല്ലെന്നും സ്ഥാപിക്കാന്‍ കഴിയും. ഉത്സര്‍ജനത്തിന്റെ ഊര്‍ജവും കണക്കാക്കാന്‍ കഴിയുന്നു. ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ വിഘടനാഭികഗുണങ്ങളെക്കുറിച്ചു പ്രവചിക്കാന്‍ കഴിയുമെന്ന് ഇതില്‍നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. എങ്ങനെ അണുകേന്ദ്രവിഘടനം (nuclear fission) സംഭവിക്കുമെന്നു വിശദീകരിക്കുന്നതിലാണ് ദ്രാവകത്തുള്ളി മാതൃക വിജയിക്കുന്നത്. മന്ദഗതിയിലുള്ള ന്യൂട്രോണുകള്‍ കൊണ്ട് ²³⁵U₉₂ അണുവിന് വിഘടനം സംഭവിക്കുമെന്നും ²³⁸U₉₂ അണുവിന് അതു സംഭവിക്കണമെങ്കില്‍ അതിവേഗം ചലിക്കുന്ന ന്യൂട്രോണുകള്‍ ആവശ്യമാണെന്നും സ്ഥാപിക്കാന്‍ കഴിയും. ബന്ധനോര്‍ജസൂത്രം (binding energy formula) ഉപയോഗിച്ച് എല്ലാ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെയും ബന്ധനോര്‍ജം (E_B) കണ്ടുപിടിക്കാം. Z-നെ അപേക്ഷിച്ച് E_B ഏതുപ്രകാരം പരിവര്‍ത്തിതമാകുന്നുവെന്ന് ലേഖ (curve) വരച്ച് അതില്‍നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. അതില്‍നിന്ന് അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ സ്ഥിരത്വഗുണങ്ങളെ (stability properties)ക്കുറിച്ചും പ്രത്യേക സമഭാരിക (isobar) അണുക്കളുടെ βആക്റ്റിവതയെക്കുറിച്ചും അറിവുലഭിക്കുന്നതാണ്.

അണുകേന്ദ്ര കവചമാതൃക

Nuclear shell model

അണുവിലുള്ള ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്കു വിജയപ്രദമായ ഒരു കവചമാതൃക (Shell model) ഉള്ളതായി സങ്കല്പിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട് (നോ: അണു). അതുപോലെ അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ ക്രമീകൃതവും ക്വാണ്ടം വ്യവസ്ഥയ്ക്കു വിധേയവുമായ അണുകേന്ദ്രകവചങ്ങളില്‍ ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നുണ്ടാകാം. ഇവ തമ്മില്‍ സാദൃശ്യം വളരെയേറെ ഉള്ളതിനാല്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഗണിക്കപ്പെട്ട എല്ലാ ഗുണങ്ങളെയും പരിശോധിക്കേണ്ടിയിരിക്കുന്നു. ഉദാ. സ്ഥിരതാഗുണത്തെ പരിഗണിക്കുമ്പോള്‍ 4n(n പൂര്‍ണസംഖ്യ) ന്യൂക്ളിയോണുകളുള്ള ന്യൂക്ളിയൈഡുകള്‍ (Nucleids) താരതമ്യേന സ്ഥിരതയുള്ളവയാണ് എന്നു കാണാം. അണുകേന്ദ്രത്തില്‍ Z, N എന്നിവയുടെ മൂല്യം 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 എന്നിവയാകുമ്പോള്‍ അണുകേന്ദ്രം വളരെ സ്ഥിരതയുള്ളതായി കാണുന്നു. അവയെ മാന്ത്രികസംഖ്യകള്‍ (magic figures) എന്നു വിളിച്ചുവരുന്നു. സംവൃതകവചങ്ങളെ (closed shells) ആണ് അവ സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. കക്ഷീയ-സംവേഗം-ക്വാണ്ടംസംഖ്യക്ക് (orbital angular momentum quantum number:l) 0, 1, 2, 3 എന്നീ മൂല്യം നല്‍കിയാല്‍ ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ 2, 8, 20, 50, 82, 126 എന്നീ സംഖ്യകളിലെത്തിച്ചേര്‍ന്ന് സംവൃതകവചങ്ങള്‍ രൂപപ്പെടുന്നു. എന്നാല്‍ 50-ല്‍ കൂടുതലുള്ള മാന്ത്രികസംഖ്യകള്‍ ഈ സൂത്രം ഉപയോഗിച്ചു ലഭിക്കുന്നില്ല.

എന്നാല്‍ ഓരോ ന്യൂക്ലിയോണിനും   എന്ന ചക്രണകോണീയസംവേഗവും (spin angular momentum), lh/2 എന്ന കക്ഷീയ കോണീയസംവേഗവും (axial angular momentum) കല്പിക്കുകയാണെങ്കില്‍ കോണീയസംവേഗം (l+-1/2) h/2π =J h/2π എന്നു സിദ്ധിക്കും. ഒരു അണുകേന്ദ്രത്തില്‍, പൌളിയുടെ സിദ്ധാന്തപ്രകാരം (2J + 1) ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ക്കു സംപൂര്‍ണ കോണീയ സംവേഗം (Total angular momentum) ഉണ്ടാകാവുന്നതാണ്.

ഈ സങ്കല്പനങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി തുടരെയുള്ള അണുകേന്ദ്രോര്‍ജസ്തരങ്ങളില്‍ ന്യൂക്ളിയോണുകളെ നിറച്ച് അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ ഓരോന്നായി ചെറുതുമുതല്‍ വലുതുവരെ നിര്‍മിച്ചെടുക്കാന്‍ കഴിയുമെന്നു മാത്രമല്ല, സംവൃതകവചങ്ങളെ സൂചിപ്പിക്കുന്ന എല്ലാ മാന്ത്രികസംഖ്യകളും കണ്ടെത്താന്‍ കഴിയുകയും ചെയ്യും. ഇലക്ട്രോണികകവചങ്ങള്‍കൊണ്ട് അണുവിന്റെ ഘടനയെ ആവിഷ്കരിച്ച് മൂലകങ്ങളുടെ ആവര്‍ത്തകവര്‍ഗീകരണത്തെ (Periodic classification of elements) ബന്ധപ്പെടുത്തിയതുപോലെ, ന്യൂക്ളിയോണുകള്‍ അടങ്ങിയ സംവൃതകവചങ്ങളാല്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ നിര്‍മിതമായിരിക്കുന്നു എന്നു സങ്കല്പിക്കാന്‍ കഴിയും.

കൃത്രിമ-അണുകേന്ദ്രവിഘടനം

Artificial nuclear disintegration

നൈട്രജന്‍ അണുക്കളെ ശീഘ്രഗതിയുള്ള α-കണങ്ങള്‍കൊണ്ട് ആഘാതമേല്പിക്കുമ്പോള്‍ പ്രോട്ടോണുകള്‍ വമിക്കപ്പെടുമെന്നും അതോടുകൂടി ഓക്സിജന്റെ ഐസോടോപ്പ് (isotope) ആയ ¹⁷O₈ അണുക്കള്‍ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുമെന്നും 1919-ല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് കണ്ടുപിടിച്ചു:

¹⁴N₇+⁴He₂→ (¹⁸H₉)→¹⁷O₈+ ¹H₁+Q

എന്ന സമീകരണംകൊണ്ട് ഈ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം വിശദമാക്കാം. ഇതില്‍ 18ഒ9 അസ്ഥിരമായ യൌഗികാണുകേന്ദ്രമാണ്. Q അണുകേന്ദ്ര-പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനോര്‍ജം (Nuclear reaction energy) ആണ്. ഇങ്ങനെയുള്ള പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ഉള്‍പ്പെടുന്ന അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെയും കണങ്ങളുടെയും ദ്രവ്യമാനവും ഗതികോര്‍ജവും കണക്കിലെടുത്താല്‍ M₀+M₁=M₂+M₃+ (E₁+E₂-E₃)=M₂+M₃+Q എന്ന സമീകരണം സിദ്ധിക്കും. ഇവിടെ M₀, M₁, M₂, M₃ എന്നിവ യഥാക്രമം ആഘാതം ചെയ്യപ്പെട്ട അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെയും ആഘാതം ഏല്പിച്ച കണത്തിന്റെയും ഉത്പന്ന-അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെയും വമിക്കപ്പെട്ട കണത്തിന്റെയും ദ്രവ്യമാനമാണ്; E₁, E₂, E₃ എന്നിവ യഥാക്രമം M₁, M₂, M₃ എന്നിവയുടെ ഗതികോര്‍ജവും. ആഘാതമേറ്റ അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ഗതികോര്‍ജം അവഗണിക്കാവുന്നതാണ്. Q ധനാത്മകമാണെങ്കില്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം താപോന്‍മോചകവും (exothermic), ഋണാത്മകമാണെങ്കില്‍ താപശോഷിതവും (endothermic), ആണ്. α-കണങ്ങളുടെ ആഘാതത്താല്‍ ബോറോണ്‍ (Boron) മുതല്‍ കാല്‍ഷ്യം (Calcium) വരെയുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ക്ക് (കാര്‍ബണും ഓക്സിജനും ഒഴികെ) മൂലകാന്തരണം (transmutation) സംഭവിക്കുന്നതാണ്. പുറത്തുപോകുന്ന കണം പ്രോട്ടോണ്‍ ആയിരിക്കും. ഈ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തെ -p എന്നു പറയുന്നു.

¹⁰B₅ +⁴He₂→ (¹⁴N₇)→¹³C₆+ Q;Q=+404 MeV

10⁵ മുതല്‍ 10⁷ വരെ α-കണങ്ങളുടെ ആഘാതമേല്ക്കുമ്പോഴാണ് ഒരു പ്രോട്ടോണ്‍കണം ഉണ്ടാകാന്‍ സാധ്യതയുള്ളത്.

ആല്‍ഫാ-ന്യൂട്ടോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ഒരു അണുകേന്ദ്രം ??കണത്തെ പിടിച്ചെടുക്കുമ്പോഴെല്ലാം പ്രോട്ടോണ്‍കണം ഉണ്ടാകണമെന്നില്ല; ഒരു ന്യൂട്രോണ്‍കണം ആകാനും സാധ്യതയുണ്ട്. ന്യൂട്രോണ്‍കണത്തെ ചാഡ്വിക് (chadwick) കണ്ടുപിടിച്ചതുതന്നെ, ?-കണങ്ങള്‍കൊണ്ട് ബെരീലിയത്തെ (Berylium) ആഘാതം ചെയ്തപ്പോഴാണ്.

⁹Be₄ + ⁴He₂ &rarr(¹³C₆)→¹²C₆ +¹n₀

പ്രോട്ടോണിന്റെ ആഘാതത്താല്‍ സംഭവിക്കാവുന്ന മൂലകാന്തരണം (Transmutation by protons). ലിഥിയത്തെ പ്രോട്ടോണ്‍കണംകൊണ്ട് ആഘാതം ഏല്പിച്ചപ്പോള്‍ ഹീലിയം കണങ്ങളുണ്ടായി. കോക്ക്രോഫ്ട്ടും വില്‍സണും ആണ് ഈ പരീക്ഷണം നടത്തിയത്. 0.1 മുതല്‍ 0.7 Mev വരെ ഊര്‍ജമുള്ള പ്രോട്ടോണ്‍കണം അവര്‍ ഉപയോഗിച്ചു.

¹¹B₅ + ¹H₁→ (¹²C₆)→⁸Be₄ +⁴He₂

പ്രോട്ടോണ്‍ കണങ്ങളുടെ ആഘാതത്താല്‍ ന്യൂട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളും ഉണ്ട്. p-n എന്നാണ് ഇവ അറിയപ്പെടുന്നത്.

പ്രോട്ടോണ്‍-ന്യൂട്രോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ഇത്തരം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ദ്രവ്യമാനത്തിനു വരുന്ന വ്യത്യാസം ഋണാത്മകമായതിനാല്‍ ഊര്‍ജശോഷിതം (endoergic) ആയിരിക്കും.

¹¹B₅ + ¹H₁→ (¹²C₆)→¹¹C₆ + ¹n₀

പ്രോട്രോണ്‍-ഗാമ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ചില സന്ദര്‍ഭങ്ങളില്‍ ആഘാതം ഏല്പിക്കുന്ന പ്രോട്ടോണിനെ ആഘാതം ഏല്ക്കുന്ന അണുകേന്ദ്രം പിടിച്ചെടുത്തുവെന്നു വരാം. അപ്പോള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന യൌഗിക-അണുകേന്ദ്രം അസ്ഥിരമാകയാല്‍ ?-രശ്മി വികിരണം ചെയ്ത് സുസ്ഥിരത ലഭിക്കുന്നു.

⁷Li₃ + ¹H₁→ (⁸Be₄)→⁸Be₄ +Y

പ്രോട്ടോണ്‍-ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം.

⁹Be₄+¹H₁→ (¹⁰B₅)→⁸Be₄+ ²H₁

ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ -α-കണം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ഈ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ഊര്‍ജമോചകമാണ്. ⁶Li₃+²H₁→ (⁸Al₄)→⁴He₂+ ⁴He₂

ഡ്യൂട്ടറോണ്‍-പ്രോട്ടോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ഇതും ഒരു ഊര്‍ജോന്‍മോചക പ്രക്രിയയാണ്. ¹²C₆+²H₁→ (¹⁴N₇)→¹³C₆ +¹H₁

ഡ്യൂട്ടറോണ്‍-ന്യൂട്രോണ്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം. ഉദാ.

¹²C₆+²H₁→ (¹⁴N₇)→¹³N₇ +¹n₀

തണുപ്പിച്ച് കട്ടയാക്കിയ ഘനജലത്തെ (heavy water) ഡ്യൂട്ടറോണ്‍കൊണ്ട് ആഘാതം ഏല്പിച്ചപ്പോള്‍ ശ്രദ്ധേയമായ ചില പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ ഉണ്ടായി.

²H₁+²H₁→ (⁴He₂)→³H₁ +¹H₁

3H₁ എന്നതും ഹൈഡ്രജന്റെ ഐസോടോപ് ആയ ട്രിഷ്യം (Tritium) ആണ്. 12 വര്‍ഷമാണ് ഇതിന്റെ അര്‍ധായുസ് (half_life).

ന്യൂട്രോണ്‍കൊണ്ടുള്ള മൂലകാന്തരണം. അണുകേന്ദ്രത്തെ തുളച്ചുകയറുന്നതിനുള്ള കഴിവ് ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്കുള്ളതുകൊണ്ട് n-α, n-p, n-2n, n- γ എന്നീ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ സംഭവിക്കാം.

ഫോട്ടോണ്‍കൊണ്ടുള്ള മൂലകാന്തരണം. കോസ്മിക രശ്മികളിലൂടെ വരുന്ന ഉന്നതോര്‍ജമുള്ള ഫോട്ടോണ്‍കൊണ്ടും അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ വിഘടനം ചെയ്യാന്‍ കഴിയും.

അണുകേന്ദ്രവിഘടനം

Nuclear fission

92-ല്‍ കവിഞ്ഞ അണുസംഖ്യയുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ കൃത്രിമമായി സൃഷ്ടിക്കാന്‍ പരിശ്രമിച്ചപ്പോള്‍ കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ട ഒരു പ്രതിഭാസമാണ് അണുകേന്ദ്ര വിഘടനം. ഈ പരീക്ഷണങ്ങളില്‍ ന്യൂട്രോണ്‍-γ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളും അവയെത്തുടര്‍ന്നുള്ള ഉത്പന്ന-അണുകേന്ദ്ര(product nucleus)ത്തിന്റെβ-ക്ഷയ ( β-decay)വും ആണ് സംഭവിച്ചത്. നേരത്തെ നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളില്‍ യുറേനിയത്തെ ന്യൂട്രോണുകള്‍കൊണ്ട് ആഘാതം ചെയ്യപ്പെടുകയാണുണ്ടായത്. ഈ പരീക്ഷണങ്ങളില്‍ പാരയുറേനിയം (Trans-Urenium) ലഭിച്ചതുകൂടാതെ റേഡിയത്തിന്റെ β-റേഡിയോ ആക്റ്റീവ് ഐസോടോപ്പുകളും β-radio active isotopes) കൂടി കാണപ്പെട്ടു. മേല്പറഞ്ഞ ന്യൂക്ളിയൈഡിനു ക്ഷയം സംഭവിച്ചപ്പോള്‍ ലഭിച്ച വ്യുത്പന്നങ്ങള്‍ ആക്റ്റിനിയ(Actinum)ത്തിന്റെ ഐസോടോപ്പുകളാണോ എന്നും സംശയിച്ചു. എന്നാല്‍ ഈ അനുമാനങ്ങള്‍ മറ്റു ചില വസ്തുതകള്‍ പരിഗണിച്ചപ്പോള്‍ ശരിയല്ലെന്നറിഞ്ഞു. റേഡിയത്തിന്റെ ഐസോടോപ്പുകളാണെന്നു സംശയിച്ചത് വാസ്തവത്തില്‍ ബേരിയത്തിന്റേതാണെന്നും ആക്റ്റിനിയത്തിന്റെ ഐസോടോപ്പുകളാണെന്ന് അനുമാനിച്ചതു യഥാര്‍ഥത്തില്‍ ലന്ഥാനത്തിന്റേതാണെന്നും ഹാന്‍ (Hahn), സ്റ്റ്രാസ്മാന്‍ (Straussman) എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാര്‍ പരീക്ഷണങ്ങള്‍വഴി തെളിയിച്ചു. യുറേനിയത്തില്‍നിന്നു ¹⁴⁰La₅₇, ¹³⁹Ba₅₆ എന്നീ ന്യൂക്ളിയൈഡുകള്‍ ലഭിച്ചതുകൊണ്ട് ഏതോ അജ്ഞാതമായ അണുകേന്ദ്രപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ആണ് അവിടെ നടന്നതെന്നും യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രം രണ്ടായി പിളര്‍ന്നിരിക്കാമെന്നും അനുമാനിച്ചു. തുടര്‍ന്നുണ്ടായ പരീക്ഷണങ്ങള്‍ സ്റ്റ്രോണ്‍ഷിയം (Strontium) (S = 31), യിട്രിയം (Yttrium) (Z = 39), ക്രിപ്ടോണ്‍ (Krypton) (Z = 36), ക്സിനോണ്‍ (Xenon) (Z = 54) എന്നീ മൂലകങ്ങളും ഐസോടോപ്പുകളും ഉത്പന്നങ്ങളില്‍ കണ്ടെത്തി. കൂടാതെ ബ്രോമിന്‍ (Bromine), മോളിബ്ഡനം (Molybdenum), റൂബീഡിയം (Rubedium), ആന്റിമണി (Antimony), അയഡിന്‍ (Iodine) എന്നിവയുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളും ഉള്ളതായി അറിഞ്ഞു. യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രം രണ്ടായി വിഭജിക്കപ്പെട്ടിരിക്കണമെന്നു മനസ്സിലാക്കാം. ഈ പ്രതിഭാസത്തെയാണ് അണുകേന്ദ്രവിഘടനമെന്നു പറയുന്നത്. യുറേനിയം-235 (²³⁵U)-അണുകേന്ദ്രത്തെ വിഘടനം ചെയ്യാന്‍ താപീയ ന്യൂട്രോണ്‍ (Thermal neutron) മതിയാകും. (²³⁸U)-നെ വിഘടനം ചെയ്യാന്‍ കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജമുള്ള ന്യൂട്രോണുകള്‍ വേണം. യുറേനിയം അണുകേന്ദ്രം മാത്രമല്ല, അണുസംഖ്യ 200-ല്‍ കൂടുതലുള്ള പല അണുകേന്ദ്രങ്ങളും വിഘടനത്തിനു വിധേയമാണ്. വിഘടനം നടക്കുന്നതിനു ന്യൂട്രോണ്‍ കണങ്ങള്‍ തന്നെ വേണമെന്നില്ല. ഫോട്ടോണുകള്‍, ഇലക്ട്രോണുകള്‍, മെസോണുകള്‍, പ്രോട്ടോണുകള്‍, ഡ്യൂട്ടറോണുകള്‍, α-കണങ്ങള്‍ എന്നിവയുടെ പ്രചോദനത്താല്‍ വിഘടനം സംഭവിക്കാം.

²³⁵U₉₂ + ¹n₀ →(²³⁶U₉₂)→ X + Y

ഇതു യുറേനിയം-235 അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ വിഘടനത്തെ കുറിക്കുന്നു. ഇതില്‍ n എന്നതു താപീയ ന്യൂട്രോണും, x,y എന്നിവ പ്രാഥമിക വിഘടനോത്പന്നങ്ങളും (primary fission products) ആണ്. ചിത്രത്തില്‍ വിഘടനോത്പന്നങ്ങളുടെ സാംഖ്യിക പ്രകൃതം (statistical nature) സൂചിപ്പിക്കുന്നു. അണുസംഖ്യയെ ആധാരമാക്കി വിഘടനോത്പന്നങ്ങളുടെ വിതരണം ഈ ചിത്രത്തില്‍നിന്നു മനസ്സിലാക്കാം. അണുസംഖ്യ 118 ആയാല്‍ സമമിത വിഘടനം (Symmetric fission) വളരെ അപൂര്‍വമാണെന്നും (0.01ശ.മാ.) ഇത് ഏറ്റവും സംഭാവ്യമാകുന്നത് 96,140 എന്നീ അണുസംഖ്യയുള്ള ഖണ്ഡങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വിഘടനമാണെന്നും ചിത്രം സൂചിപ്പിക്കുന്നു. മധ്യത്തിലുള്ള അല്പതമത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി ലേഖ (curve) സമമിതം (sym_metrical) ആണെന്നും കാണാം. ഓരോ ഘനഖണ്ഡത്തിനും അനുരൂപമായ ലഘുഖണ്ഡവും ഉണ്ടായിരിക്കണം. രണ്ടു ഖണ്ഡങ്ങളും അസ്ഥിരമാണ്. പ്രാഥമിക ഖണ്ഡങ്ങള്‍ ശൃംഖലാക്രമത്തില്‍ (chain like) ക്ഷയിച്ച് ഒടുവില്‍ സ്ഥിരമൂലകങ്ങളായി അവശേഷിക്കുന്നു. വിഘടനം കഴിഞ്ഞ ഉടനെ പ്രാഥമിക ഖണ്ഡങ്ങളില്‍നിന്നു ശ.ശ. 2.5 ന്യൂട്രോണുകള്‍ വമിക്കപ്പെടുന്നതാണ്. അവയില്‍ 99 ശ.മാ.വും 10_-13 സെക്കന്‍ഡിനകം പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നതിനാല്‍ അവയെ ക്ഷണിക ന്യൂട്രോണ്‍ (prompt neutron) എന്നു വിളിക്കുന്നു. ഏതാനും ന്യൂട്രോണുകള്‍ അല്പം താമസിച്ചു പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു.

വിഘടനത്തില്‍നിന്നു മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം

വിഘടനപ്രക്രിയയില്‍ വളരെ അധികം ഊര്‍ജം ഉടന്‍തന്നെ മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. അല്പം ശേഷിക്കുന്നതുതന്നെ പ്രാഥമിക ഖണ്ഡങ്ങള്‍ ക്ഷയിക്കുമ്പോള്‍ മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. ആകാശത്തിലാണ് വിഘടനം സംഭവിക്കുന്നതെങ്കില്‍ ആകെ മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം വിഘടനഖണ്ഡങ്ങളുടെ ഗതികോര്‍ജമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു. ഒരു വലിയ അവശോഷക(absorber)ത്തിലാണ് വിഘടനം സംഭവിക്കുന്നതെങ്കില്‍ ആകെ മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജം അവശോഷകത്തില്‍ താപമായിത്തീരുന്നു. താപീയ ന്യൂട്രോണുകള്‍കൊണ്ടു നടക്കുന്ന വിഘടനത്തില്‍ 120 മുതല്‍ 180 വരെ ങലഢ ഊര്‍ജം മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നുണ്ട്. ഇതു ഘനഅണുകേന്ദ്രത്തിനുള്ള ദ്രവ്യമാനത്തിന്റെ 0.1 ശ.മാ. ഊര്‍ജത്തിനു തുല്യമാണ്.

വിഘടനത്തിന്റെ ശ്രദ്ധാര്‍ഹമായ ഗുണങ്ങള്‍ മനസ്സിലാക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞപ്പോള്‍ അതിനെക്കുറിച്ചുള്ള ശാസ്ത്രീയ പഠനത്തില്‍ താത്പര്യം വളരെ വര്‍ധിച്ചു. അണുകേന്ദ്രത്തിന്റെ ബിന്ദുമാതൃകയെ ആസ്പദമാക്കി ബോര്‍, വീലര്‍ (Bohr,Wheeler) എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാര്‍, വിഘടനത്തിന്റെ പല ഗുണങ്ങള്‍ക്കും തക്കതായ വിശദീകരണം നല്കി. പല അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ക്കും സമമിത വിഘടനത്തിനു വേണ്ടിവരുന്ന ഉത്തേജനോര്‍ജ(activation energy) ത്തിന്റെ അളവ് അവര്‍ നിര്‍ണയിച്ചു. ഘനഅണുകേന്ദ്രത്തിനു മന്ദഗതിയുള്ള ന്യൂട്രോണ്‍ കൊണ്ടു വിഘടനം സംഭവിക്കാനുള്ള സാധ്യതയെപ്പറ്റിയും അവര്‍ പഠനം നടത്തി. മൌലിക ദ്രവ്യമാനസൂത്രമുപയോഗിച്ചാണ് ഇവയെല്ലാം മനസ്സിലാക്കിയത്. താപീയ ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് ²³⁵U-നെ വിഘടനം ചെയ്യാന്‍ കഴിയുമെന്നും 238ഡ-നെ വിഘടനം ചെയ്യാന്‍ അവയ്ക്കു സാധിക്കുന്നതല്ലെന്നും അവര്‍ സ്പഷ്ടമാക്കി.

അണുകേന്ദ്രവിഘടനത്തിന്റെ അനുപ്രയോഗങ്ങള്‍

Applications of nuclear fission

യുറേനിയം-235 അണുകേന്ദ്രം ഒരു താപീയ ന്യൂട്രോണിനെ അവശോഷണം (absorb) ചെയ്യുമ്പോള്‍ ശ.ശ. 2.5 ന്യൂട്രോണുകള്‍ മോചിക്കപ്പെടുമെന്നതുകൊണ്ട് ഒരു സ്വയം പ്രവര്‍ത്തിത ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം സംഭവിക്കാന്‍ സാധ്യതയുണ്ടെന്നു തെളിയിക്കപ്പെട്ടു.

സാധാരണ യുറേനിയം ലോഹത്തില്‍ ²³⁵U 140-ല്‍ ഒരംശം മാത്രമാണുള്ളത്. ബാക്കിയുള്ളതില്‍ ഭൂരിഭാഗവും ²³⁸U ആണ്. ഒരു ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ വരണമെങ്കില്‍ അടുത്ത തലമുറയില്‍ ജനിക്കുന്ന ന്യൂട്രോണുകളുടെ എണ്ണം ഈ തലമുറയില്‍ ഉള്ളതിനേക്കാള്‍ കൂടുതലായിരിക്കണം. അതായത്, 100 ന്യൂട്രോണുകള്‍ പ്രാരംഭവിഘടനത്തെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നുവെങ്കില്‍ അടുത്ത തലമുറയില്‍ വിഘടനത്തിലേര്‍പ്പെടാന്‍ കഴിവുള്ള 100-ല്‍ കൂടുതല്‍ ന്യൂട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടാകണം. അങ്ങനെയുണ്ടാകണമെങ്കില്‍ വിഘടനപ്രക്രിയ അനുസ്യൂതമായി തുടരേണ്ടതാണ്.

സാധാരണ യുറേനിയം ഒരു മന്ദീകാരി(moderator)യില്‍ ചിതറിവച്ചിരിക്കുന്നുവെന്നു വിചാരിക്കുക. പുനരുത്പാദനഗുണകം k= ηepf എന്നെഴുതാം. ഇതില്‍ യുറേനിയം ²³⁵U അണുകേന്ദ്രം ഒരു താപീയ ന്യൂട്രോണിനെ അവശോഷണം ചെയ്യുമ്പോള്‍ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ന്യൂട്രോണുകളുടെ ശ.ശ. എണ്ണം ആണ് η. ശീഘ്രഗതിയുള്ള ഈ ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് ഉന്നത-ഊര്‍ജമുള്ളതുകൊണ്ട് ²³⁸U അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ വിഘടനം ചെയ്യാനുള്ള കഴിവുണ്ടാകുന്നു; c ശീഘ്രവിഘടനഗുണകം (e > 1) ആണ്. മന്ദീകാരി (സാധാരണ ഉപയോഗിക്കുന്നതു ഗ്രാഫൈറ്റ് ആണ്) ന്യൂട്രോണുകളെ മന്ദഗതിയിലാക്കുമ്പോള്‍ ²³⁸U അവയില്‍ ചിലതിനെ അനുനാദാവശോഷണം (resonance absorption) കൊണ്ട് അകറ്റിക്കളയുന്നു. ഒടുവില്‍ ലഭിക്കുന്ന താപീയന്യൂട്രോണുകളില്‍ ഏതാനും എണ്ണത്തെ മന്ദീകാരിതന്നെ അവശോഷണം ചെയ്യുന്നു. ശേഷിക്കുന്ന അംശം f ആണ്. ഇതിനെ താപീയ-ഉപയോഗ ഗുണകം (thermal utilisation factor) എന്നു പറയുന്നു. റിയാക്റ്ററിന്റെ വലുപ്പം അപരിമിതമല്ലാത്തതിനാല്‍ അതിന്റെ പ്രതലത്തില്‍നിന്നു ന്യൂട്രോണുകള്‍ ചോര്‍ന്നുപോകാനിടയുണ്ട്. ഈ കാരണത്താല്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം നടക്കണമെങ്കില്‍ റിയാക്റ്ററിന് ഒരു ക്രാന്തിക വലുപ്പമോ (critical size) അതില്‍ കൂടുതലോ ഉണ്ടായിരിക്കണം. അണു-ഊര്‍ജം അനുസ്യൂതമായി മോചിപ്പിക്കപ്പെടണമെങ്കില്‍ k( =ηepf)-യുടെ മൂല്യം 1-നേക്കാള്‍ വലുതായിരിക്കണം. സ-യുടെ മൂല്യം 1-നേക്കാള്‍ വലുതായിരിക്കുന്നവിധം റിയാക്റ്റര്‍ സംവിധാനം ചെയ്യുന്നു. കാഡ്മിയം നിയന്ത്രണദണ്ഡുകള്‍ (Cadmium control rods) ഉപയോഗിച്ച് ന്യൂട്രോണുകളെ അവശോഷണം ചെയ്ത് k-യുടെ മൂല്യം 1-ല്‍ കുറവാക്കി വിഘടനപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തെ നിയന്ത്രിക്കാവുന്നതാണ്. ഇതുപോലെ ഒരു റിയാക്റ്റര്‍ ഫെര്‍മി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനും സഹപ്രവര്‍ത്തകരും ആദ്യമായി സംവിധാനം ചെയ്തു. ഷിക്കാഗോ സര്‍വകലാശാലയില്‍ 1942 ഡി. 2-ന് ആണ് ഇതുണ്ടായത്.

ശീഘ്രതയുള്ള വിഘടനപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ആണ് അണുബോംബു സ്ഫോടനത്തില്‍ സംഭവിക്കുന്നത്. അണുബോംബ് സ്ഫോടനം ചെയ്യുമ്പോള്‍, താത്ത്വികവശത്ത് k എന്ന ഗുണാങ്കം വളരെ വലുതാകുന്നു. ക്രാന്തികവലുപ്പത്തില്‍ അല്പം കുറവുള്ളതും അകലെ സംവിധാനം ചെയ്തിട്ടുള്ളതുമായ രണ്ടു ശുദ്ധ യുറേനിയം-235 ലോഹക്കട്ടികള്‍ പെട്ടെന്ന് അടുപ്പിച്ച് ആകെയുള്ള വലുപ്പം ക്രാന്തിക വലുപ്പത്തെക്കാള്‍ കൂടുതലാക്കി വിഘടനപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം അതിവേഗത്തില്‍ നടത്തി അണു-ഊര്‍ജം ഭീമമായ തോതില്‍ മോചിപ്പിക്കുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. ഇതാണ് അണുബോംബ് പ്രവര്‍ത്തനത്തിലടങ്ങിയിരിക്കുന്ന തത്ത്വം.

അണുകേന്ദ്രസംയോജനം

Nuclear fusion

ലഘു അണുകേന്ദ്രങ്ങളെ സംയോജിപ്പിച്ച് ദ്രവ്യമാനസംഖ്യ കൂടുതലുള്ള അണുകേന്ദ്രം സൃഷ്ടിക്കാവുന്നതാണ്. ഉദാ. ഓക്സിജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിപ്പിച്ച് സള്‍ഫര്‍ അണുകേന്ദ്രം സൃഷ്ടിക്കാം.

¹⁶O₈ + ¹⁶O₈→ ³²S₁₆

ഈ സംയോജനപ്രക്രിയയില്‍ 32-31.982=0.018 amu ദ്രവ്യമാനം 18 MeV ഊര്‍ജമായി രൂപാന്തരപ്പെട്ട് മോചനം സംഭവിക്കുന്നതാണ്.

²³Na₁₁ + ²²Ne₁₀ →⁴⁵Se₂₁

എന്ന സമീകരണത്തിലടങ്ങിയ സംയോജനപ്രക്രിയ മറ്റൊരുദാഹരണമാണ്. മേല്പറഞ്ഞ അണുകേന്ദ്രങ്ങളെക്കാളും താരതമ്യേന ലഘുവായ ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ കൂടുതല്‍ സുഗമമായി സംയോജിപ്പിക്കാന്‍ കഴിയും:

²D₁ +²D₁→ ⁴He₂

ഇവിടെ ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം 24 MeV ആണ്. സോഡിയവും നിയോണും സംയോജിപ്പിച്ച് ഒരു മാൌന് ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജത്തിന്റെ 11 മടങ്ങാണ് ഒരു മാൌന് ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ സംയോജിപ്പിച്ചു ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം. ഒരു ഗ്രാം ²³⁵U വിഘടനം ചെയ്തു ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം 22,000 കി.വാ.മ. ആയിരിക്കെ ഡ്യൂട്ടറോണുകള്‍ സംയോജിപ്പിച്ച് ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രമാക്കുമ്പോള്‍ ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം 16,000 കി.വാ.മ. ആണ്. ഒരു ഗ്രാം ഹൈഡ്രജന്‍ സംയോജിപ്പിച്ച് ഹീലിയമായി രൂപാന്തരപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ ലഭിക്കുന്നത് 1,76,000 കി.വാ.മ. ഊര്‍ജമാണ്. ചില പരിതഃസ്ഥിതികളില്‍ വിഘടനപ്രക്രിയ ശൃംഖലാക്രമത്തില്‍ തുടര്‍ന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്നതുപോലെ ഹൈഡ്രജന്‍ സംയോജനപ്രക്രിയ (Hydrogen fusion process) അനുകൂലമായ ചില പരിതഃസ്ഥിതികളില്‍ തുടര്‍ന്നു നടക്കുന്നതാണ്. അണുകേന്ദ്രസംയോജനസാധ്യത അതില്‍ പങ്കെടുക്കുന്ന അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ഗതികോര്‍ജത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. ഗതികോര്‍ജം കൂടുംതോറും സാധ്യത വര്‍ധിക്കുന്നു. 10 ലക്ഷം ഡിഗ്രി താപനില (temperature) ഉള്ളപ്പോള്‍ ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ സംയോജനത്തിനുള്ള സംഭാവ്യത (probability) 10^-15 മുതല്‍10^-12 വരെയാണ്. 2 ഡ്യൂട്ടറോണുകള്‍ തമ്മില്‍ ഒരു സെക്കന്‍ഡില്‍ 10¹⁰ സംഘട്ടനങ്ങള്‍ (collisions) നടക്കുന്നുവെന്നു സങ്കല്പിക്കുകയാണെങ്കില്‍ ഒരു കി.ഗ്രാം ഘനഹൈഡ്രജനില്‍ 3x10²⁶ഡ്യൂട്ടറോണുകള്‍ ഉള്ളതിനാല്‍ വളരെ സംഘട്ടനങ്ങള്‍ നടക്കാന്‍ സാധ്യതയുണ്ട്. അതിനാല്‍ 1 കി.ഗ്രാം ഡ്യൂട്ടറോണില്‍നിന്നു 100 കി.വാ.മ. ഊര്‍ജം ലഭിക്കുമെന്നു കണക്കാക്കാം. 50 മുതല്‍ 60 വരെ ലക്ഷം ഡിഗ്രി താപനിലയുള്ളപ്പോള്‍ ഒരു കി.ഗ്രാം ഡ്യൂട്ടറോണ്‍ മുഴുവനും വെന്തുനീറി (burn out) 15 കോടി കി.വാ.മ. ഊര്‍ജം ഒരു സെക്കന്‍ഡിന്റെ ചെറിയൊരംശം സമയത്തില്‍ മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നതാണ്.

വേറൊരു ഫലപ്രദമായ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം ആണ്

¹H₁ + ⁷Le₃→ 2⁴He₂

എന്നത്; ഇതില്‍ ലഭിക്കുന്ന ഊര്‍ജം 17 Mev. ഇങ്ങനെ വളരെ ഉന്നതമായ താപനിലയുള്ളപ്പോള്‍ നടക്കുന്ന അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തെ താപ-അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം (thermo nuclear reaction) എന്നു പറയുന്നു.

ഒരു അണുബോംബ് സ്ഫോടനം ചെയ്യുമ്പോള്‍ ക്ഷണികസമയത്തിനകം താപനില ലക്ഷക്കണക്കിനു ഡിഗ്രി ഉയരുന്നു. അതോടെ മര്‍ദം ഒരു ച.സെ.മീ.-ല്‍ 10 കോടി ടണ്‍ ആയി വര്‍ധിക്കുകയും ചെയ്യും. ഈ പരിതഃസ്ഥിതികളില്‍ ചുവടെ ചേര്‍ക്കുന്ന താപ-അണുകേന്ദ്രപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ വിജയപ്രദമായി നടക്കുന്നതാണ്.

²D₁ + ¹H₁→ ³He₂ + വികിരണം

³T₁ + ²D₁→ ⁴He₂ + ¹n₀

³T₁ എന്നത് ഹൈഡ്രജന്റെ ഐസോടോപ് ആയ ട്രിഷ്യം മൂലകമാണ്. രണ്ടാമത് എഴുതിയിരിക്കുന്ന പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം അതിവേഗത്തില്‍ (10^-6 സെ.) നടക്കുന്നതുകൊണ്ട് അതുഹൈഡ്രജന്‍ ബോംബു നിര്‍മാണത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനതത്ത്വമായിത്തീരുന്നു.

മേല്‍ വിവരിച്ച താപ-അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ ഏതുവിധത്തില്‍ നിയന്ത്രിച്ച് അതില്‍നിന്നും ലഭിക്കുന്ന ഭീമമായ ഊര്‍ജം സമാധാനപരമായ ആവശ്യങ്ങള്‍ക്കു വിനിയോഗിക്കാമെന്ന പ്രശ്നത്തെക്കുറിച്ചു നിരന്തരമായ ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടന്നുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്. ഇതിനു വിജയകരമായ ഒരു നിവൃത്തിമാര്‍ഗം കണ്ടെത്തിയെന്ന് 1970 ആഗ.-ല്‍ സോവിയറ്റ് യൂണിയന്‍ പ്രഖ്യാപിക്കയുണ്ടായി. താപ-അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം തുടങ്ങത്തക്കവിധത്തില്‍ ഹൈഡ്രജന്റെ താപവും ഘനത്വവും ഉയര്‍ത്താനും അതേനിലയില്‍ തുടരാനും ആവശ്യമായ ഉപകരണങ്ങള്‍ നിര്‍മിക്കാന്‍ സാധിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഒരു നവീന അധികതമ ആവൃത്തി വൈദ്യുതീജനകം (high frequency current generator) ഉപയോഗിച്ച് ഹൈഡ്രജന്റെ താപനില 10 ലക്ഷം ഡിഗ്രിവരെ ഉയര്‍ത്തിയെന്നു പറയുന്നു. താപ-അണുകേന്ദ്ര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം നിയന്ത്രിതമായി നടത്തുന്നതിനുള്ള ഗവേഷണങ്ങള്‍ തുടരുകയാണ്. ഉയര്‍ന്ന താപനിലയിലുള്ള ഡ്യുറ്റീറിയം പ്ളാസ്മയെ ഒരു ചെറിയ വ്യാപ്തത്തിനകത്ത് ഒതുക്കി നിര്‍ത്തുന്നതിനുള്ള ഒരു സംവിധാനമാണ് ടോക്കമാക്ക് (Toramak). കാന്തികമണ്ഡലങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇത് സാധ്യമാക്കുന്നത്. അതിതീവ്രതയുള്ള ലേസര്‍ ഉപയോഗിച്ചും പരീക്ഷണങ്ങള്‍ നടക്കുകയാണ്. ഇങ്ങനെ പ്ളാസ്മയെ നിയന്ത്രിച്ച് നിര്‍ത്തിയാല്‍ അണുകേന്ദ്രസംയോജനം സാധ്യമാകും.

സംയോജന പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തിന്റെ മേന്‍മകള്‍

റേഡിയോ ആക്റ്റിവ് ദ്രവ്യങ്ങള്‍ ഉപയോഗിക്കേണ്ടിവരുന്നില്ല; (2) ഇന്ധനമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ദ്രവ്യം സുലഭമായി ലഭിക്കുന്ന ഹൈഡ്രജന്‍ തന്നെയാണ്. പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തിന്റെ ഫലമായി അവശേഷിക്കുന്ന ദ്രവ്യം വളരെ ഉപയോഗപ്രദമായ ഹീലിയമാണ്; (3) അണുറിയാക്റ്ററിന്റെ പ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ നേരിടുന്ന പ്രശ്നങ്ങള്‍: (a) ഇന്ധനദ്രവ്യത്തിന്റെ ഭീമമായ വില; (b) ദ്രവ്യം തയ്യാറാക്കിയെടുക്കാനുള്ള വിഷമങ്ങളും ചെലവും; (c) റേഡിയോ ആക്റ്റീവ് അവശിഷ്ടങ്ങളെ മാറ്റിക്കളയാനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ടുകള്‍. ഈ പ്രശ്നങ്ങള്‍ അണുകേന്ദ്ര സംയോജന പദ്ധതിയെ അഭിമുഖീകരിക്കുന്നില്ല.

അണുകേന്ദ്രോപകരണങ്ങള്‍

Nuclear Instruments

അണുകേന്ദ്രങ്ങളില്‍നിന്നുണ്ടാകുന്ന വികിരണങ്ങളെ (radiations) അളക്കാന്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഭൌതികശാസ്ത്രോപകരണങ്ങള്‍. α,β,γ- രശ്മികള്‍, ന്യൂട്രോണുകള്‍ തുടങ്ങിയവയാണ് അണുകേന്ദ്രത്തില്‍നിന്നുള്ള വികിരണങ്ങള്‍. ഒരു നിശ്ചിത സ്ഥാനത്തുള്ള കിരണനം (irradiation), തീവ്രത (intensity), നിശ്ചിത റേഡിയോ ആക്റ്റീവ് സ്രോതസ്സിന്റെ ആക്റ്റിവത (activity), അപക്ഷയം (depletion) തുടങ്ങിയവയാണ് ഈ ഉപകരണങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ച് അളക്കുന്നത്. അണുകേന്ദ്രീയ കണങ്ങള്‍ സഞ്ചരിക്കുന്ന പ്രക്ഷേപപഥങ്ങളുടെ ഛായാചിത്രങ്ങള്‍ നല്കുന്ന ന്യൂക്ളിയര്‍ എമല്‍ഷന്‍, ക്ളൌഡ് ചേംബര്‍ പോലുള്ള ഉപകരണങ്ങളും ഇക്കൂട്ടത്തില്‍ ഉള്‍പ്പെടുന്നു.

അണുകേന്ദ്രോപകരണങ്ങളെ അണുകേന്ദ്രീയ സംസൂചകങ്ങള്‍ (nuclear detectors) എന്നും വിവരങ്ങള്‍ വിശ്ളേഷണം ചെയ്യുന്ന വിശ്ളേഷണോപകരണങ്ങള്‍ എന്നും രണ്ടായി തരംതിരിക്കാം.

അണുകേന്ദ്രീയകണങ്ങള്‍ ഒരു നിശ്ചിത സ്ഥാനത്തിലൂടെ കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ സംസൂചകങ്ങള്‍ സൂചന നല്കുകയും അവയുടെ ഏതെങ്കിലും ഗുണത്തെ (ഊര്‍ജം, വേഗം തുടങ്ങിയവയെ) അളക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇവയുടെ പ്രധാന രൂപങ്ങള്‍ പട്ടികയില്‍ നിന്നും വ്യക്തമാകും. ഒരു കണത്തെ സൂചിപ്പിച്ചു കഴിഞ്ഞാല്‍ പൊതുവേ, ഇവയ്ക്കെല്ലാം തന്നെ കുറച്ചുസമയത്തേക്ക് പ്രവര്‍ത്തനശേഷി ഇല്ലാതായിത്തീരുന്നു. ഇങ്ങനെ തുടരെ വരുന്ന രണ്ടു കണങ്ങളെ വേര്‍തിരിച്ചു സൂചിപ്പിക്കുന്നതിനു വേണ്ടിവരുന്ന അല്പതമകാലാന്തരാള(least interval of time)ത്തിനെ വിഭേദനകാലം (resolution time) എന്നു പറയുന്നു. അണുകേന്ദ്രോപകരണങ്ങളുടെ വിഭേദനകാലം കുറയുന്തോറും പ്രവര്‍ത്തനക്ഷമത കൂടുന്നതിനാല്‍ ഈ ഉപകരണങ്ങളെ വിലയിരുത്തുന്നതിന്, സംവേദകശീലത(sensitivity)യോടൊപ്പം വിഭേദനകാലവും ഒരു മാനദണ്ഡമായിത്തീരുന്നു.

സംസൂചകവര്‍ഗങ്ങള്‍

വാതകഗണിത്രങ്ങള്‍. വികിരണം (radiation) ഒരു വാതകത്തില്‍കൂടി കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ അതിന്റെ പഥത്തിനടുത്തുള്ള തന്‍മാത്രകളുമായുണ്ടാകുന്ന വിദ്യുത്കാന്തിക പരസ്പരക്രിയ (electro-magnetic interaction) മൂലം തന്‍മാത്രകളില്‍നിന്നും ഇലക്ട്രോണുകള്‍ സ്വതന്ത്രമാകുന്നു; തന്‍മൂലം വാതകത്തിന്റെ വൈദ്യുതചാലകത ക്രമാതീതമായി വര്‍ധിക്കുന്നു. ഇതാണ് വാതകഗണിത്രങ്ങളുടെ പ്രവര്‍ത്തനതത്ത്വം. ഇവയുടെയെല്ലാം അടിസ്ഥാനമാതൃക, അയോണന ചേംബര്‍ (Ionisation chamber) ആണ്. (ചിത്രം 1) വാതകം നിറച്ച ഒരു സ്ഫടികാന്തര്‍വേശിനി (B)യില്‍, ആനോഡും (A) കാഥോഡും (C) ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. സാധാരണ നിലയില്‍ വാതകത്തിന് വൈദ്യുതചാലകത ഇല്ലാത്തതിനാല്‍ പ്രതിരോധകത്തില്‍ (R) വോള്‍ട്ടത (voltage) കാണുകയില്ല.

എന്നാല്‍ വാതകത്തില്‍ക്കൂടി ഒരു വികീര്‍ണ കണം (radiation particle) കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ കണത്തിന്റെ ഊര്‍ജത്തെ ആശ്രയിച്ച് ഏതാനും ആവേശിതകണയുഗ്മങ്ങളെ മുന്‍പറഞ്ഞതുപോലെ ഉണ്ടാക്കുന്നു. അതിനാല്‍ A-യില്‍നിന്നും C-യിലേക്ക് വൈദ്യുതപ്രവാഹം ഉണ്ടാകുകയും ഈ ആവേശിതകണങ്ങള്‍ പുനഃസംയോജനം ചെയ്ത് അപ്രത്യക്ഷമാകുമ്പോള്‍ വൈദ്യുതപ്രവാഹം നിലയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെ ഒരു കണം B-യില്‍ കൂടി കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ R-ന്റെ അറ്റങ്ങള്‍ക്കിടയ്ക്ക് ഒരു വൈദ്യുതസ്പന്ദം (ചിത്രം 2) ഉണ്ടാകുന്നു. ഈ സ്പന്ദത്തിന്റെ സ്തരം (level) വികിരണ കണം ഉളവാക്കുന്ന ആവേശിതകണയുഗ്മങ്ങളുടെ എണ്ണത്തിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

ആനോഡിനും കാഥോഡിനും ഇടയ്ക്ക് കൊടുത്തിരിക്കുന്ന വോള്‍ട്ടത V (ചിത്രം 1) കൂടുമ്പോള്‍ സ്പന്ദത്തിന്റെ സ്തരവും ചേംബറിന്റെ സ്വേദനശീലതയും കൂടുന്നു. (ചിത്രം 3) ആനോഡിനും കാഥോഡിനും ഇടയ്ക്കുള്ള വിദ്യുന്‍മേഖലയില്‍നിന്നും ഊര്‍ജം സംഭരിച്ചുകൊണ്ട് ആദ്യം നിര്‍മിതമായ ആവേശിതകണങ്ങള്‍, കൂടുതല്‍ ആവേശിതകണങ്ങളെ ഉണ്ടാക്കുന്നു എന്നതാണ് ഇതിനു കാരണം. പലതരത്തിലുള്ള വാതകഗണിത്രങ്ങളുടെ വോള്‍ട്ടതാസീമകള്‍ ചിത്രം 3-ല്‍ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു.

സ്ഫുലിംഗ ചേംബറില്‍ ആനോഡുകളും കാഥോഡുകളും സമാന്തരമായി അടുക്കിവച്ചിരിക്കുന്നു. കണങ്ങളുടെ പ്രക്ഷേപ പഥത്തിലുണ്ടാകുന്ന സ്ഫുലിംഗങ്ങള്‍ മൂലം കണപഥം ഫോട്ടോഗ്രാഫ് ചെയ്യാവുന്നതാണ്

വാതകഗണിത്രങ്ങളുടെ പ്രധാന പരിമിതി ദീര്‍ഘമായ പ്രവര്‍ത്തനരഹിതകാലം (10^-4 സെ.) ഉണ്ടെന്നതാണ്.

ക്ളൌഡ് ചേംബര്‍ (Cloud Chamber). വാതകഗണിത്രങ്ങളുടേതില്‍നിന്നും തികച്ചും വിഭിന്നമാണ് ക്ളൌഡ് ചേംബറിന്റെ പ്രവര്‍ത്തനം. പേരിന് അന്വര്‍ഥമായി, കണങ്ങളുടെ പ്രക്ഷേപപഥങ്ങളില്‍ മേഘശകലങ്ങളെ സൃഷ്ടിച്ച് അവയെ ഛായാഗ്രഹണസമര്‍ഥമാക്കിത്തീര്‍ക്കുന്നു. വില്‍സണ്‍ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ കണ്ടുപിടിച്ച ക്ളൌഡ് ചേംബറില്‍ ഒരു അതിപൂരിത വാതകമിശ്രിതത്തെ ഒരു പിസ്റ്റണ്‍ മൂലം പെട്ടെന്നുള്ള വികാസംകൊണ്ട് തണുപ്പിച്ചാണ് ഇതു സാധിക്കുന്നത്. പ്രവര്‍ത്തനരഹിതകാലം ദീര്‍ഘമായതിനാല്‍ വിസരണം ഉപയോഗിച്ചുള്ള മറ്റൊരുതരം ക്ളൌഡ് ചേംബറും ഉപയോഗത്തിലുണ്ട്.

ഖര-ദ്രവ ഗണിത്രങ്ങള്‍ (Solid_Liquid counters).

പ്രസ്ഫുരണ ഗണിത്രം (Scintillation counter). വാതകഗണിത്രങ്ങളുടെ സ്ഥാനത്ത് ഇപ്പോള്‍ പ്രധാനമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത് പ്രസ്ഫുരണഗണിത്രം ആണ്. ചില ഖര, ദ്രവ-വസ്തുക്കളില്‍ക്കൂടി വികിരണം കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ അവയിലുള്ള തന്‍മാത്രകളിലെ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉത്തേജിപ്പിക്കപ്പെടുകയും തന്‍മൂലം പ്രകാശകണങ്ങള്‍ വികിരണം ചെയ്യപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു എന്നതാണ് ഇവയുടെ പ്രവര്‍ത്തനതത്ത്വം. ഈ പ്രകാശകണങ്ങളെ പ്രകാശ ഇലക്ട്രോണ്‍ സംവര്‍ധകം (Photo electric multiplier) ഉപയോഗിച്ച് വൈദ്യുതസ്പന്ദങ്ങളാക്കി മാറ്റി ഉപയോഗിക്കുന്നു. (ചിത്രം 3). പലതരത്തിലുള്ള ക്രിസ്റ്റലുകളും ഫോസ്ഫോറുകളും (ZnS,Kl,മുതലായവ), ആന്ത്രാസീന്‍, ചില പ്രത്യേക പ്ളാസ്റ്റിക്കുകള്‍ തുടങ്ങിയ ജൈവയൌഗികങ്ങളും ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നുണ്ട്. പ്രവര്‍ത്തനലാളിത്യവും വളരെ ചെറിയ വിഭേദനകാലവും (10^-9 സെ.) ഇവയുടെ മേന്‍മ വര്‍ധിപ്പിക്കുന്നു.

ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് എമല്‍ഷന്‍ (Photographic emulsion). ആദ്യകാലം മുതല്ക്കുതന്നെ പ്രചാരത്തിലുള്ളതാണ് ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് എമല്‍ഷന്‍. രജതഹാലൈഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളും ജെലാറ്റിനും മറ്റു ചില വസ്തുക്കളുമായുള്ള മിശ്രിതം, അതില്‍ക്കൂടി കടന്നുപോകുന്ന ആവേശിത കണങ്ങളുടെ സൂചന നല്കുകയും അതേസമയം അവയുടെ പ്രക്ഷേപപഥത്തിന്റെ സ്ഥിരമായ അഭിലേഖങ്ങള്‍ ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. സാധാരണ ഛായാഗ്രഹണത്തിലെന്നപോലെ വ്യക്തീകരണവും (developing) സ്ഥായീകരണവും (fixing) ആവശ്യമാണ്. ഡോസിമീറ്ററുകളിലും ഫിലിം എത്രമാത്രം കറുക്കുന്നു എന്നതില്‍നിന്നും വികിരണ തീവ്രത കണക്കാക്കാം. സാധാരണ ഫോട്ടോഗ്രാഫിക് ഏമല്‍ഷനെക്കാള്‍ കൂടുതല്‍ സ്ഥൂലതയും (25 മുതല്‍ 1000μ വരെ) സൂക്ഷ്മചൂര്‍ണിതമായ തരികളും ഉള്ള അണുകേന്ദ്രീയ എമല്‍ഷനുകളില്‍ ഓരോ കണങ്ങളുടെയും പ്രക്ഷേപപഥങ്ങള്‍ സൂക്ഷ്മദര്‍ശിനി ഉപയോഗിച്ച് പഠനവിധേയമാക്കാവുന്നതാണ്. ഈ പഥങ്ങളുടെ ജ്യാമിതീയ ഗുണങ്ങളില്‍നിന്നും കണങ്ങളുടെ ഊര്‍ജം, ചാര്‍ജ് മുതലായവ കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. എന്നാല്‍ ഇത്തരം അളവുകള്‍ എടുക്കാന്‍വേണ്ടി വ്യക്തീകരണം, സ്ഥായീകരണം മുതലായവ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ ഇവയുടെ താപനില, ആര്‍ദ്രത തുടങ്ങിയവയെ കര്‍ശനമായി നിയന്ത്രിക്കേണ്ടതുണ്ട്. അല്ലെങ്കില്‍ അളവുകള്‍ തെറ്റായിത്തീരുമെന്നതാണ് ഇവയുടെ പ്രധാന ന്യൂനത.

ചെരന്‍കോഫ് ഗണിത്രം (Cherenkov counter). ഒരു സുതാര്യ വസ്തുവിലൂടെയുള്ള നൈസര്‍ഗികമായ പ്രകാശവേഗത്തെക്കാള്‍ കൂടുതല്‍ വേഗത്തില്‍ ഒരു ആവേശിതകണം ആ വസ്തുവില്‍ക്കൂടി സഞ്ചരിക്കുന്നു എന്നിരിക്കട്ടെ. വെള്ളത്തില്‍ക്കൂടി വളരെവേഗത്തില്‍ പോകുന്ന ബോട്ട് ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന ആഘാതതരംഗങ്ങള്‍പോലെ ഈ കണം പ്രകാശതരംഗങ്ങളെ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ഈ പ്രകാശധാര, പഥത്തിനുചുറ്റും ഒരു കോണിന്റെ രൂപത്തില്‍ ഒതുങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഈ കോണിന്റെ ആകൃതി കണത്തിന്റെ വേഗത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നതിനാല്‍ ഈ തത്ത്വം ഉള്‍ക്കൊള്ളുന്ന ഗണിത്രങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ച് കണങ്ങളുടെ വേഗം അളക്കാവുന്നതാണ്. വേഗം കുറഞ്ഞ കണങ്ങള്‍ക്ക് ഖരദ്രവങ്ങളും വേഗം കൂടിയവയ്ക്ക് ദ്രാവകങ്ങളും ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.

അര്‍ധചാലക ഗണിത്രം (Semiconductor counter). അര്‍ധചാലക ക്രിസ്റ്റലുകളില്‍ക്കൂടി അണുകേന്ദ്രീയവികിരണങ്ങള്‍ കടന്നുപോകുമ്പോള്‍ അവയുടെ വൈദ്യുതചാലകത പെട്ടെന്ന് വര്‍ധിക്കുന്നു. അതിനാല്‍ അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ ഗൈഗര്‍ ഗണിത്രങ്ങളെപ്പോലെ ഉപയോഗിക്കാവുന്നതാണ്. എന്നാല്‍ കൂടുതല്‍ ഉപയോഗിക്കുന്തോറും ഇവയുടെ സംവേദനശീലത കുറയുന്നതിനാല്‍ ഇവ വിരളമായേ ഉപയോഗിക്കാറുള്ളു.

ബബിള്‍ ചേംബര്‍ (Bubble chamber). ഒരു അതിതപ്തദ്രാവകത്തിന്റെ മര്‍ദം പെട്ടെന്ന് കുറച്ചാല്‍ അതില്‍ ബാഷ്പീകരണം ആരംഭിക്കുകയും കുമിളകള്‍ ഉണ്ടാകുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ അവസരത്തില്‍ ഏതെങ്കിലും ആവേശിതകണം അതില്‍ക്കൂടി കടന്നുപോയിട്ടുണ്ടെങ്കില്‍ അതിന്റെ പ്രക്ഷേപപഥത്തില്‍ ഉടനീളം നേരിയ കുമിളകള്‍ ഉണ്ടാകുന്നതിനാല്‍ വ്യക്തമായി ഫോട്ടോഗ്രാഫ് ചെയ്യാവുന്നതാണ്. ദ്രവഹൈഡ്രജന്‍, ഫ്രിയോണ്‍ തുടങ്ങിയ ദ്രാവകങ്ങള്‍ ഇതിന് ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു. വളരെ വലിയ ബബിള്‍ ചേംബറുകള്‍ (1.83 മീ. വ്യാസം) ഇപ്പോള്‍ ഉപയോഗത്തിലുണ്ട്. ഒരു കാന്തികമണ്ഡലം കൂടി ഉപയോഗിച്ചാല്‍ കണങ്ങളുടെ ഊര്‍ജം, ദ്രവ്യമാനം, ചാര്‍ജ് തുടങ്ങിയ പല ഗുണങ്ങളും കൃത്യമായി അളക്കാവുന്നതാണ്.

ന്യൂട്രോണ്‍ ഗണിത്രം (Neutron counter). മേല്പറഞ്ഞ ഗണിത്രങ്ങളെല്ലാംതന്നെ, വിദ്യുത്കാന്തിക പരസ്പരക്രിയമൂലം പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നതിനാല്‍ അവയ്ക്ക് ന്യൂട്രോണ്‍ തുടങ്ങിയ അനാവേശിത (neutral) കണങ്ങളുടെ സൂചന നല്കുന്നതിന് പരോക്ഷമായി മാത്രമേ സാധിക്കുകയുള്ളു. തന്‍മാത്രകളുടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുമായുള്ള പരസ്പരക്രിയ മൂലം ന്യൂട്രോണുകള്‍ ജനിപ്പിക്കുന്ന പ്രോട്ടോണുകള്‍ പോലെയുള്ള ആവേശിതകണങ്ങളെ സൂചിപ്പിച്ചാണ് ഇതു സാധിക്കുന്നത്. ബോറോണ്‍ തുടങ്ങിയ ചില മൂലകങ്ങളുമായി ന്യൂട്രോണുകള്‍ കൂടുതല്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു. അതിനാല്‍ ബോറോണ്‍ പൂശിയതോ BF₃-വാതകം നിറച്ചതോ ആയ അയോണന ചേംബറുകള്‍, ആന്ത്രാസീന്‍ പോലുള്ള പ്രസ്ഫുരണഗണിത്രങ്ങള്‍, ചില പ്രത്യേക രാസവസ്തുക്കള്‍ ഉള്ള എമല്‍ഷനുകള്‍ തുടങ്ങിയവ ഉപയോഗപ്പെടുന്നു. കൂടാതെ ബബിള്‍ചേംബറുകള്‍, ക്ളൌഡ് ചേംബറുകള്‍ തുടങ്ങിയവയും അനാവേശിതകണങ്ങളുടെ പരോക്ഷമായ സൂചന നല്കുന്നവയാണ്.

വിശ്ളേഷണോപകരണങ്ങള്‍ (Analysing Instruments). മുമ്പു പ്രസ്താവിച്ച മിക്ക സംസൂചകങ്ങളും കണങ്ങളുടെ സൂചന നല്കുന്നത് വൈദ്യുതസ്പന്ദങ്ങളില്‍ക്കൂടിയാണ്. ഈ സ്പന്ദങ്ങളെ അവയുടെ സ്തരമനുസരിച്ച് തരം തിരിച്ചെണ്ണിയാണ് വികിരണതീവ്രത മുതലായവ അളക്കുന്നതും സ്രോതസ്സുകളുടെ സ്പെക്ട്രം മുതലായവ വരയ്ക്കുന്നതും. ഇതിന്നായി അനേകം ഇലക്ട്രോണികോപകരണങ്ങള്‍ ഉപയോഗത്തിലുണ്ട്. ഉദാഹരണമായി നിശ്ചിത സീമകള്‍ക്കുള്ളില്‍ സ്തരമുള്ള സ്പന്ദങ്ങളുടെ എണ്ണം കണക്കാക്കുന്ന ഉപകരണമാണ് ഏകവാഹിക-സ്പന്ദോച്ച-വിശ്ളേഷകം(Single channel pulse height analyser ). ഇത്തരം പലവിധത്തിലുള്ള ബഹുവാഹിക-സ്പന്ദോച്ച വിശ്ളേഷക(multi channel pulse height analyser)ങ്ങള്‍, സ്പെക്ട്രങ്ങള്‍ വരയ്ക്കുന്നതിന് ഉപയോഗപ്പെടുന്നു. പഠനവിധേയമാക്കപ്പെടുന്ന കണങ്ങളെ കോസ്മിക കിരണ പശ്ചാത്തലത്തില്‍നിന്നും വേര്‍തിരിച്ചറിയുന്നതിനും പല വിധത്തിലുള്ള ഇലക്ട്രോണിക പരിപഥങ്ങള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ആധുനിക ഇലക്ട്രോണിക ഗണിത്രങ്ങളുടെ വിഭേദനകാലം 10^-9 സെ. വരെ ആകാവുന്നതാണ്.

ബബിള്‍ ചേംബര്‍, ക്ളൌഡ് ചേംബര്‍, സ്ഫുലിംഗ ചേംബര്‍, ന്യൂക്ളിയര്‍ എമല്‍ഷന്‍ എന്നിവ നല്കുന്ന കണപഥചിത്രങ്ങളെ അപഗ്രഥിക്കുന്നതിനും മറ്റും ആധുനിക കംപ്യൂട്ടറുകള്‍ വളരെ അധികം ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു

അണുഗവേഷണം ഇന്ത്യയില്‍

അണുകേന്ദ്രത്തിലെ പ്രോട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍ തുടങ്ങിയ ഘടകങ്ങളെ തമ്മില്‍ കൂട്ടിയിണക്കുന്ന ശക്തികളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനമാണ് അണുഗവേഷണത്തില്‍ പ്രധാനമായും നടക്കുന്നത്. മറ്റു പല രാഷ്ട്രങ്ങളിലും എന്നപോലെ ഇന്ത്യയിലും അണുഗവേഷണവും ബന്ധപ്പെട്ട എല്ലാ വിഷയങ്ങളും കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നത് അണുശക്തി കമ്മീഷന്റെ (Atomatic Energy Commission) ചുമതലയിലാണ്.

ആമുഖം

ഇന്ത്യന്‍ അണുശക്തി കമ്മീഷന്‍ രൂപവത്കൃതമായത് 1948-ല്‍ ആണെങ്കിലും അതിനുമുമ്പുതന്നെ അണുഗവേഷണപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ ഇവിടെ തുടങ്ങിയിരുന്നു. വിദ്യുച്ഛക്തി ഉത്പാദനത്തിനും സമാധാനപരമായ ആവശ്യങ്ങള്‍ക്കും അണുശക്തി പ്രയോജനപ്പെടുത്തുകയെന്ന ലക്ഷ്യമാണ് ഭാരതത്തിലെ പ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ക്കുള്ളത്.

ഡൊറാബ് ടാറ്റാ ട്രസ്റ്റും അന്നത്തെ ബോംബേ ഗവണ്‍മെന്റും ചേര്‍ന്നാണ് മുംബൈയിലെ കൊളാബയില്‍, 1945-ല്‍ ടാറ്റാ മൌലിക ഗവേഷണാലയം (T.I.F.R: Tata Institute of Fundamental Research) സ്ഥാപിച്ചത്.

അണുശക്തി കമ്മീഷന്‍

1948 ഏ. 15-ന് എച്ച്. ജെ. ഭാഭാ അധ്യക്ഷനും എസ്.എസ്. ഭട്നഗര്‍ അംഗകാര്യദര്‍ശിയും കെ.എസ്.കൃഷ്ണന്‍ അംഗവും ആയിട്ടുള്ള ആദ്യത്തെ അണുശക്തി കമ്മീഷന്‍ ഇന്ത്യാഗവണ്‍മെന്റ് സംഘടിപ്പിച്ചു.

ഇന്ത്യന്‍ അണുശക്തി കമ്മീഷന്‍ ആദ്യകാലത്ത് ശാസ്ത്ര ഗവേഷണവകുപ്പിന്റെ ഒരു ഉപദേശകസമിതിയായിട്ടാണ് പ്രവര്‍ത്തിച്ചിരുന്നത്. 1954 ആഗ. 1-ന് അണുശക്തി വകുപ്പ് രൂപവത്കൃതമായി. ഈ വകുപ്പിന്റെ സെക്രട്ടറി കമ്മീഷന്റെ അധ്യക്ഷന്‍ തന്നെ ആണ്. ആരംഭം മുതല്‍ ഇതു പ്രധാനമന്ത്രിയുടെ കീഴിലാണ് പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്. അണുശക്തിവകുപ്പിന്റെ കീഴില്‍ ഇപ്പോള്‍ അണുഗവേഷണത്തില്‍ ഏര്‍പ്പെട്ടിരിക്കുന്നവയും ബന്ധപ്പെട്ട വിഷയങ്ങള്‍ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നവയുമായ നിരവധി സ്ഥാപനങ്ങളുണ്ട്.

ടാറ്റാ മൌലിക ഗവേഷണാലയം

സര്‍ ഡൊറാബ് ടാറ്റാ ട്രസ്റ്റും ബോംബെ ഗവണ്‍മെന്റും ചേര്‍ന്ന് 1945-ല്‍ സ്ഥാപിച്ചതാണ് ഈ സ്ഥാപനം. പിന്നീടാണ് ഇന്ത്യാ ഗവണ്‍മെന്റ് ഇതിന്റെ ഭരണത്തില്‍ പങ്കാളിയായത്. ഗണിതശാസ്ത്രം, ഭൌതികശാസ്ത്രം എന്നീ രണ്ടു വിഭാഗങ്ങളായിട്ടാണ് ഇവിടത്തെ പ്രവര്‍ത്തനം നടക്കുന്നത്. നോ: ടാറ്റാ ഇന്‍സ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഒഫ് ഫണ്ടമെന്റല്‍ റിസര്‍ച്ച്

ഭാഭാ അണുശക്തി ഗവേഷണാലയം

B.A.R.C.

ഇന്ത്യയിലെ അണുഗവേഷണപഠനങ്ങളുടെ സിരാകേന്ദ്രമാണ് ഈ സ്ഥാപനം. വികസിച്ചുവരുന്ന അണുശക്തി പരിപാടികളുടെ ആവശ്യാനുസരണം അനുദിനം വളരുന്ന ഒന്നാണിത്. 1954-ല്‍ ട്രോംബെ അണുശക്തികേന്ദ്രം എന്ന പേരിലാണ് ഈ സ്ഥാപനം ആരംഭിച്ചത്. മുംബൈ നഗരത്തിലെ ട്രോംബെ കടല്‍ത്തീരത്ത് സ്ഥിതിചെയ്യുന്ന ഈ സ്ഥാപനം, ഡോ. ഭാഭയുടെ മരണശേഷം അദ്ദേഹത്തിന്റെ സ്മരണയെ മാനിച്ചുകൊണ്ട് ഭാഭാ അണുശക്തി ഗവേഷണാലയം (Bhaba Atomic Research Center) എന്ന് പുനര്‍നാമകരണം ചെയ്യപ്പെട്ടു.

ഭൌതികം (Physics), രസതന്ത്രം, ഇലക്ട്രോണിക്സ് ആന്‍ഡ് ഇന്‍സ്ട്രുമെന്റേഷന്‍ (Electronics&Instrumentation), തേജോ രക്ഷാ ഡയറക്റ്ററേറ്റ് (Radiation Protection Directorate), എന്‍ജിനീയറിങ് (Engineering), മെറ്റലര്‍ജി (Metallurgy), ബയോ-മെഡിക്കല്‍ (Bio-medical), ഐസോടോപ്സ് (Isotopes), ഭക്ഷ്യ സാങ്കേതിക വിദ്യ (Food Technology), കെമിക്കല്‍ എഞ്ചിനീയറിങ് (Chemical Engineering), ആരോഗ്യവും സുരക്ഷിതത്ത്വവും (Health & Safety), മാലിന്യനിര്‍മാര്‍ജനം (Waste Management) എന്നിവയാണ്. ഇവിടത്തെ പ്രധാന വകുപ്പുകള്‍.

ഇവിടെ അപ്സര, സൈറസ്, സെര്‍ലീന, പൂര്‍ണിമ, ധ്രുവ എന്നീ റിയാക്റ്ററുകള്‍ ഉണ്ട്. (നോ: അപ്സര റിയാക്റ്റര്‍, സൈറസ് റിയാക്റ്റര്‍, സെര്‍ലീന റിയാക്റ്റര്‍, പൂര്‍ണിമ, ധ്രുവ)

ഒരു ഗവേഷണാലയം എന്ന നിലയില്‍ നിരവധി സര്‍വകലാശാലകളുടെ അംഗീകാരം ഈ സ്ഥാപനത്തിനുണ്ട്. അടുത്തകാലത്ത് ഈ സ്ഥാപനം ഒരു കല്പിതസര്‍വകലാശാലയായി പ്രഖ്യാപിക്കപ്പെട്ടു.

സാഹാ അണുകേന്ദ്ര ഭൌതികസ്ഥാപനം

കൊല്‍ക്കത്തയില്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന ഈ സ്ഥാപനം അണുശക്തിപഠനങ്ങള്‍ നടത്തുവാനുള്ള മികച്ച കേന്ദ്രമാണ്. അണു റിയാക്റ്റര്‍ ഒഴികെ അണുശക്തിഗവേഷണത്തിനാവശ്യമായ മിക്ക ഉപകരണങ്ങളും ഇവിടെയുണ്ട്. സൈക്ളോട്രോണ്‍ (Cyclotron), സ്ഥിര വൈദ്യുത ത്വരിത്രം (Static Electrical Accelerator), അണുകേന്ദ്രരസതന്ത്രം (Nuclear Chemistry), ഖരാവസ്ഥാഭൌതികം (Solid State Physics) തുടങ്ങിയ വ്യത്യസ്ത വകുപ്പുകളിലായിട്ടാണ് ഇവിടെയും പ്രവര്‍ത്തനം നടത്തുന്നത്. മൌലികപഠനങ്ങള്‍ക്ക് ഇവിടെ പ്രാധാന്യം കൊടുത്തിരിക്കുന്നു.

ടാറ്റാ സ്മാരക കേന്ദ്രം

മുംബൈയിലെ ടാറ്റാ സ്മാരക ആശുപത്രിയും ഇന്ത്യന്‍ ക്യാന്‍സര്‍ ഗവേഷണകേന്ദ്രവും യോജിപ്പിച്ച് (1967) രൂപം കൊടുത്തതാണ് ഈ സ്ഥാപനം. അര്‍ബുദരോഗത്തെയും ചികിത്സയെയും പറ്റി പഠനം നടത്തുന്നതിനും ഭിഷഗ്വരന്‍മാര്‍ക്കും സാങ്കേതികജോലിക്കാര്‍ക്കും പരിശീലനം നല്‍കുന്നതിനും വേണ്ടിയാണ് ഇതു സ്ഥാപിച്ചിരിക്കുന്നത്. റേഡിയേഷന്‍ ചികിത്സയുടെ (Radiation Treatment) പ്രാധാന്യം കണക്കാക്കിയാണ് ഈ കേന്ദ്രത്തെ അണുശക്തിവകുപ്പിന്റെ കീഴില്‍ സംഘടിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്.

സെന്റര്‍ ഫോര്‍ അഡ്വാന്‍സ്ഡ് ടെക്നോളജി

Center for Advanced Technology

ഗവേഷണത്തില്‍ മാത്രമല്ല, സാങ്കേതിക വിദ്യയിലും അണുശക്തി പ്രയോജനപ്പെടുത്താം. ഇതിനായി 1984-ല്‍ ഇന്‍ഡോറില്‍ ആരംഭിച്ച സ്ഥാപനമാണ് സെന്റര്‍ ഫോര്‍ അഡ്വാന്‍സ്ഡ് ടെക്നോളജി. ഇവിടെ സാങ്കേതിക മേന്മയുള്ള ത്വരിതങ്ങളും ഉന്നത ഊര്‍ജ്ജ ലേസറുകളും ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ലേസര്‍ എന്നത് തീവ്രതയേറിയ പ്രകാശരശ്മിയാണ്. ഇതിന് താപത്തെ ഉത്പാദിപ്പിക്കുവാന്‍ കഴിയും. ലേസറുപയോഗിച്ച് ശസ്ത്രക്രിയ കൂടാതെ തന്നെ ശരീരത്തിലെ അനാവശ്യ കലകളെ നശിപ്പിക്കുവാന്‍ കഴിയും. തിമിരരോഗ നിവാരണത്തിന് ലേസര്‍ ഉപയോഗിച്ചു വരുന്നു. സെന്റര്‍ ഫോര്‍ അഡ്വാന്‍സ്ഡ് ടെക്നോളജിയില്‍ NDYAG ലേസര്‍, കാര്‍ബണ്‍ ഡൈ ഓക്സൈഡ് ലേസര്‍ ഇവ നിര്‍മിച്ചിട്ടുണ്ട്. ലേസറുപയോഗിച്ച് ഫൈബറുകളെ തമ്മില്‍ യോജിപ്പിക്കാന്‍ കഴിയും. ഫൈബറുകള്‍ ദൂരവിക്ഷേപണത്തിന് ഉപയോഗിക്കുന്നു.

അസ്ഥിര ഊര്‍ജ്ജ ത്വരിത കേന്ദ്രം

Variable Energy Cyclotron Center

കൊല്‍ക്കത്തയില്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന ഈ സ്ഥാപനം അണുശക്തി പഠനങ്ങള്‍ നടത്തുവാനുള്ള മികച്ച കേന്ദ്രമാണ്. അണുറിയാക്ടര്‍ ഒഴികെ അണുഗവേഷണത്തിനാവശ്യമായ മിക്ക ഉപകരണങ്ങളും ഇവിടെയുണ്ട്. അസ്ഥിര ഊര്‍ജ്ജ ത്വരിതം (ഢമൃശമയഹല ഋിലൃഴ്യ ഇ്യരഹീൃീില), സ്ഥിര വൈദ്യുത ത്വരിതം (Variable Energy Cyclotrone) എന്നിവ ഇവിടെ സ്ഥാപിച്ചിട്ടുണ്ട്. അണുകേന്ദ്ര രസതന്ത്രം (Nuclear Chemistry), ഖരാവസ്ഥാ ഭൌതികം (Solid state physics) തുടങ്ങിയ മൌലിക പഠനങ്ങള്‍ക്ക് ഇവിടെ പ്രാധാന്യം നല്‍കിയിരിക്കുന്നു. ഈ സ്ഥാപനവും സാഹാ അണുകേന്ദ്ര ഭൌതികസ്ഥാപനവും ഒരേ പരിസരത്ത് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നു.

അണുഖനിജ വിഭാഗം

Atomatic Minerals Directorate

അണുശക്തി നിര്‍മാണത്തിനുതകുന്ന ഖനിജങ്ങള്‍ കണ്ടെത്തല്‍, ഖനികളുടെ വികസനം തുടങ്ങിയ എല്ലാ പ്രവര്‍ത്തനങ്ങളും ദേശീയതലത്തില്‍ നിര്‍വഹിക്കുന്ന സ്ഥാപനമാണിത്. യുറേനിയവും തോറിയവുമാണ്

അണുശക്തി ഉത്പാദനത്തിനാവശ്യമായ ഖനിജങ്ങള്‍. കേരളത്തിലെ മോണോസൈറ്റു മണലില്‍ തോറിയം ഉള്ളതായി നേരത്തെ അറിവുണ്ടായിരുന്നു. എന്നാല്‍ അണു ഖനിജ വകുപ്പിന്റെ ശ്രമഫലമായിട്ടാണ് ബീഹാറിന്റെയും ബംഗാളിന്റെയും അതിര്‍ത്തിയിലും ബീഹാറിലും തോറിയം ഉള്ളതായി കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടത്. കൂടാതെ ഒറീസ്സയിലും തമിഴ്നാട്ടിലും മോണോസൈറ്റ് നിക്ഷേപങ്ങള്‍ കണ്ടുപിടിച്ചു. ജാദുഗുഡ (ബീഹാര്‍), റാവാ (ജാര്‍ഘണ്ട്), മിര്‍സാപൂര്‍ (ഉത്തര്‍പ്രദേശ്), പാമീര്‍പൂര്‍, ഝാന്‍സി, പന്ന (മധ്യപ്രദേശ്), സര്‍ഗുജ (ഛത്തീസ്ഗഡ്), ഛത്രര്‍പൂര്‍ (ഒറീസ്സ), സേലം (തമിഴ്നാട്) തുടങ്ങിയ സ്ഥലങ്ങളില്‍ യുറേനിയത്തിനു വേണ്ടിയുള്ള അന്വേഷണങ്ങള്‍ നടത്തിയിട്ടുണ്ട്. ഈ അന്വേഷണങ്ങളുടെ ഫലമായി ഇന്ത്യയില്‍ യുറേനിയം നിക്ഷേപത്തിന്റെ അളവ് 86,000 ടണ്‍ ആയി കണക്കാക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. തോറിയം നിക്ഷേപത്തിന്റെ അളവ് 7.5 മില്യണ്‍ ടണ്‍ ആയി നിജപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു.

അണുശക്തി ഉത്പാദന പ്രക്രിയയില്‍ ആവശ്യമായി വരുന്ന സിര്‍കോണിയം, മോളിബ്ഡിനം, ബെറിലിയം, കൊളംബിയം, ടന്‍ടാലം തുടങ്ങിയ ലോഹങ്ങളുടെ ഖനിജങ്ങള്‍ കണ്ടെത്താന്‍ വേണ്ടിയും ഈ വിഭാഗം അന്വേഷണങ്ങള്‍ നടത്താറുണ്ട്.

വ്യവസായ സംഘടനകള്‍

Industrial Organisations

മര്‍ദിത ഘനജല റിയാക്ടറുകളില്‍ മന്ദീകാരിയായും ശീതീകാരിയായും ഘനജലം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഈ റിയാക്ടറുകളുടെ നിര്‍മാണത്തിനും പ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ നടത്തുന്നതിനുമുള്ള സംഘടനയാണ് ഘനജലവകുപ്പ്. ഈ സംഘടന ബറോഡ, തൂത്തുക്കുടി, കോട്ട, മണ്‍ഗുരു, ഹസീഡ, ഝാര്‍ഖണ്ഡ് എന്നീ സ്ഥലങ്ങളില്‍ ഘന ജലം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. അമോണിയ-അമോണിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് വ്യാപന പ്രക്രിയയില്‍ ഘനഹൈഡ്രജന്റെ ഗാഢത അമോണിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡില്‍ വര്‍ധിക്കുന്നു. ഈ അമോണിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡില്‍ നിന്നും ഘന ഹൈഡ്രജന്‍ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. അമോണിയ, അമോണിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് എന്നിവ വളനിര്‍മാണത്തിന് ഉപയോഗിക്കുന്നു. അതിനാല്‍ ഘനജല ഉത്പാദനശാലകളോടനുബന്ധിച്ച് രാസവളനിര്‍മാണശാലകളും സ്ഥാപിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇതില്‍ നിന്നു വ്യത്യസ്തമായി കോട്ടയില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ സള്‍ഫൈഡില്‍ നിന്നാണ് ഘനജലം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നത്.

ഇന്ത്യന്‍ റിയാക്ടറുകളുടെ പ്രവര്‍ത്തനിനാവശ്യമായ സിര്‍ക്കോണിയം, യുറേനിയംഓക്സൈഡ് ഇവ കൂടാതെ യുറേനിയം കോണ്‍സണ്‍ട്രേറ്റില്‍ നിന്നും യുറേനിയം ലോഹവും, യുറേനിയം ഓക്സൈഡ്, ന്യൂക്ളിയര്‍ ഫ്യൂവല്‍ എന്നിവയും നിര്‍മിക്കുന്നത് ന്യൂക്ളിയര്‍ ഫ്യൂവല്‍ കോര്‍പറേഷന്‍ (NFC) ആണ്.

ഗവേഷണം, കൃഷി, രോഗനിവാരണം ഇവയ്ക്കായി റേഡിയോ ഐസോടോപ്പുകള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇന്ത്യയില്‍ റേഡിയോ ഐസോടോപ്പുകളുടെ വിതരണം സാധ്യമാക്കുന്നത് മുംബൈയില്‍ സ്ഥാപിച്ചിട്ടുള്ള ബോര്‍ഡ് ഒഫ് റേഡിയേഷന്‍ ആന്‍ഡ് ഐസോടോപ്പ് ടെക്നോളജി എന്ന സ്ഥാപനമാണ്.

പൊതുമേഖലാ സ്ഥാപനങ്ങള്‍

Public Sector Undertaking

യുറേനിയം കോണ്‍സണ്‍ട്രേറ്റ് നിര്‍മാണത്തിനാവശ്യമായ യുറേനിയം അയിര് ഖനനം ചെയ്തെടുക്കുകയും ശുദ്ധീകരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നത് യുറേനിയം കോര്‍പറേഷന്‍ ഒഫ് ഇന്ത്യയാണ് (UCI). ഇതിന്റെ കീഴില്‍ നാല് ഖനികളുണ്ട്. ജാദുഗുഡ, ബാട്ടിന്‍, നോര്‍വാപഹാര്‍, തുറാംഗിഗ് എന്നിവയാണവ.

മോണസൈറ്റ്, ഇല്‍മനൈറ്റ്, റൂട്ടെയില്‍, സിര്‍കോണ്‍, സിലിമിനൈറ്റ്, ഗാര്‍നെറ്റ് എന്നിവയുടെ ഖനനം നടത്തുന്ന സ്ഥാപനമാണ് ഇന്ത്യന്‍ റെയര്‍ എര്‍ത്ത് ലിമിറ്റഡ് (IRE). കേരളത്തിലെ ചവറയും, തമിഴ്നാട്ടിലെ മണവാളക്കുറിച്ചിയും, ഒറീസ്സയിലെ ഛത്രപുരയുമാണ് പ്രധാന ഖനനപ്രദേശങ്ങള്‍. മോണസൈറ്റാണ് യുറേനിയത്തിന്റെയും തോറിയത്തിന്റെയും ഉറവിടം. 0.1-0.3 ശ.മാ. യുറേനിയം ഓക്സൈഡും, 8-10 ശ.മാ. തോറിയം ഓക്സൈഡും 60-70 ശ.മാ. റയര്‍ എര്‍ത്തു ഓക്സൈഡും ശേഷിച്ച ഭാഗം ഫോസ്ഫേറ്റും അടങ്ങിയതാണ് മോണസൈറ്റ്.

റിയാക്ടറുകളുടെ രൂപരേഖ വരയ്ക്കുക, നിര്‍മ്മാണ പ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ നടത്തുക എന്നിവ ചെയ്യുന്ന പൊതുമേഖലാ സ്ഥാപനമാണ് ന്യൂക്ളിയാര്‍ പവര്‍ കോര്‍പറേഷന്‍ ഒഫ് ഇന്ത്യ (NPCIL). ഇതിന്റെ കീഴില്‍ പതിനാല് റിയാക്ടറുകള്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു. ഇവയുടെ ആകെ ഉത്പാദനശേഷി 2770ാം ആണ്. പതിനാലു റിയാക്ടറുകളില്‍ രണ്ടെണ്ണം തിളജല റിയാക്ടറുകളും ശേഷിച്ചവ ദ്രുതമര്‍ദ ഘനജല റിയാക്ടറുമാണ്.

അണുശക്തി നിലയങ്ങള്‍

ഇന്ത്യയില്‍ വിദ്യുച്ഛക്തി ഉത്പാദനത്തിന് ജലവൈദ്യുത പദ്ധതികളെയും കല്ക്കരികൊണ്ടു പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന മറ്റു പദ്ധതികളെയും ആണ് പ്രധാനമായും ആശ്രയിച്ചിരുന്നത്. പല കാരണങ്ങളാലും അണുശക്തിയില്‍നിന്നുള്ള വിദ്യുച്ഛക്ത്യുത്പാദനം ഇന്ത്യയ്ക്കു യോജിച്ചതാണെന്നു കണ്ടതിനാല്‍ വിപുലമായ ഒരു അണുശക്തി പരിപാടി ആസൂത്രണം ചെയ്യപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ഇതിനുള്ള ഉത്പ്രേരകങ്ങള്‍ ഇവയാണ്:

1. ഭൂഗര്‍ഭത്തില്‍ കല്ക്കരിശേഖരത്തിന്റെ വിതരണത്തിലും അതിനാല്‍ എല്ലായിടത്തും യഥാസമയമുള്ള ലഭ്യതയിലും പരിമിതികളുണ്ട്;

2. കല്ക്കരിയുടെ കയറ്റിറക്കങ്ങള്‍ക്ക് റെയില്‍വേയില്‍ വരുത്തേണ്ട വികസനത്തിനാവശ്യമായിവരുന്ന ചെലവുകൂടി കണക്കാക്കിയാല്‍ അണുശക്തി ലാഭകരമാണ്.

3. ബീഹാറിലെ ഖനികളില്‍ യുറേനിയവും കേരളത്തിലെ മോണോസൈറ്റുമണലില്‍ തോറിയവും ഗണ്യമായ തോതില്‍ ലഭ്യമാണ്;

4. ഇന്ത്യയില്‍ പരിശീലനം സിദ്ധിച്ച ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാരും സാങ്കേതികവിദഗ്ധന്‍മാരും ഉണ്ട്. അപ്സര, സെര്‍ലീന, സൈറസ്, ധ്രുവ എന്നീ റിയാക്റ്ററുകളുടെ നിര്‍മാണം കൊണ്ട് വേണ്ടത്ര പരിചയവും പരിശീലനവും ഇവര്‍ക്കു ലഭിച്ചിട്ടുണ്ട്;

താരാപൂര്‍

ഇന്ത്യയിലെ ആദ്യത്തെ അണുശക്തി നിലയമായ താരാപൂര്‍ അണുശക്തി നിലയം അമേരിക്കയിലെ ജനറല്‍ ഇലക്ട്രിക് കമ്പനി(G.C.E)യുടെ ചുമതലയില്‍ സ്ഥാപിതമായി. ഇവിടെ ഒരു പരീക്ഷണം എന്ന നിലയില്‍ 1969 ഏ. 1-നു വിദ്യച്ഛക്ത്യുത്പാദനം ആരംഭിച്ചു. ഇവിടെ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന വിദ്യുച്ഛക്തി മഹാരാഷ്ട്രയിലെയും ഗുജറാത്തിലെയും ആവശ്യത്തിനായി വിനിയോഗിക്കുന്നു. 380 മെഗാവാട്ട് ശക്തി ഉത്പാദിപ്പിക്കാന്‍ ഈ സ്റ്റേഷനു കഴിയുന്നു.

1969 ഒ. 2-ന് ആണ് ഇത് പൂര്‍ണമായി പ്രവര്‍ത്തനം തുടങ്ങിയത്. സംപുഷ്ട യുറേനിയം ഉപയോഗിക്കുന്ന ഇവിടത്തെ റിയാക്റ്ററുകളുടെ ആവശ്യത്തിനുവേണ്ട ഇന്ധനം ഇവിടെ ലഭ്യമല്ലാത്തതിനാല്‍ വിദേശാശ്രയം വേണ്ടിവരുന്നു. രണ്ടു റിയാക്റ്ററുള്ളതില്‍ 1969 ഫെ. 1-ന് ഒന്നാമത്തേതും ഫെ. 27-ന് രണ്ടാമത്തേതും ശൃംഖലാപ്രവര്‍ത്തനം ആരംഭിച്ചു. 1969 ഏ. 1-ന് മഹാരാഷ്ട്രയിലേക്കും ഗുജറാത്തിലേക്കും വിദ്യുച്ഛക്തി നല്‍കാന്‍ തുടങ്ങി. എന്നാല്‍ 1969 ഒ. 3 മുതലാണ് വ്യാവസായികാടിസ്ഥാനത്തില്‍ ഉത്പാദനം ആരംഭിച്ചത്. പണിതീര്‍ന്ന നിലയം ഇന്ത്യന്‍ അണുശക്തി വകുപ്പ് ജനറല്‍ ഇലക്ട്രിക് കമ്പനിയില്‍ നിന്ന് 1969 ഒ. 28-ന് ഏറ്റുവാങ്ങി. ആണ്. അന്നു മുതല്‍ ഇന്ത്യന്‍വിദഗ്ധന്‍മാരാണ് ഇവിടെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്. ഔപചാരികമായ ഉദ്ഘാടനം 1970 ജനു. 19-ന് ആയിരുന്നു.

റാണാപ്രതാപ്സാഗര്‍ (രാജസ്ഥാന്‍ അറ്റോമിക് പവര്‍ സ്റ്റേഷന്‍).

ഇന്ത്യയിലെ രണ്ടാമത്തെ അണുശക്തിനിലയമാണ് റാണാപ്രതാപ്സാഗര്‍. രാജസ്ഥാനിലെ കോട്ട എന്ന സ്ഥലത്താണ് ഇത് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. റാണാപ്രതാപ് എന്ന തടാകത്തില്‍ നിന്നും ഈ നിലയങ്ങള്‍ക്കാവശ്യമായ ജലം എടുക്കുന്നതുകൊണ്ടാണ് ഇവയ്ക്ക് റാണാ പ്രതാപ് സാഗര്‍ എന്ന പേര് ലഭിച്ചത്. കാനഡയുടെ സഹായത്തോടെയാണ് നിര്‍മാണ പ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ നടന്നത്. കാനഡയിലെ ഡഗ്ളസ്സിന്റെ മാതൃകയിലാണ് ഈ റിയാക്ടര്‍ രൂപകല്പന ചെയ്തിട്ടുള്ളത്. കാനഡയുടെ സഹായത്തോടെ നിര്‍മിച്ച, ഘനജലം (Devtero water) മന്ദീകാരിയും, യുറേനിയം (Uranium) ഇന്ധനമായും ഉപയോഗിക്കുന്ന നിലയമായതുകൊണ്ട് ഇതിനെ കാന്‍ഡും (Candu) എന്നു പറയുന്നു. ആദ്യത്തെ റിയാക്ടര്‍ 1972 ന.-ലും രണ്ടാമത്തേത് 1980 ന.-ലും നിലവില്‍ വന്നു. മൊത്തം ഉത്പാദനശേഷി 380mw ആണ്. പ്രകൃതിദത്ത യുറേനിയമാണ് ഇന്ധനമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. മര്‍ദിത ഘനജല(pressurised heavy water reactor) റിയാക്ടറുകളാണിവ (PHWR). ഈ അടുത്തകാലത്ത് രണ്ടു റിയാക്ടറുകള്‍ കൂടി ഇവിടെ പ്രവര്‍ത്തനം ആരംഭിച്ചിരിക്കുന്നു. ഈ റിയാക്ടറുകളുടെ നിര്‍മാണ പ്രവര്‍ത്തന സംരംഭങ്ങളില്‍ പല പ്രയാസങ്ങളും നേരിടേണ്ടി വന്നിട്ടുണ്ട്. എന്നാല്‍ ഇതെല്ലാം തരണം ചെയ്ത നമ്മുടെ ശാസ്ത്ര സാങ്കേതിക വിദഗ്ധര്‍ക്ക് അണുഗവേഷണ മേഖലയില്‍ വളരെയേറെ പ്രാവീണ്യം നേടാന്‍ ഇതുവഴി കഴിഞ്ഞു.

കല്‍പ്പാക്കം

മൂന്നാമത്തെ അണുശക്തി നിലയമാണ് തമിഴ്നാട്ടിലെ മഹാബലിപുരത്തിനടുത്തുള്ള കല്‍പ്പാക്കം എന്ന സ്ഥലത്ത് നിലവില്‍ വന്നത്. ഇന്ത്യ അണുറിയാക്ടറുകളുടെ നിര്‍മാണത്തില്‍ സ്വയം പര്യാപ്തത നേടിയതിന്റെ തെളിവാണിത്. കല്‍പ്പാക്കത്തെ രണ്ടു റിയാക്ടറുകളില്‍നിന്നു മൊത്തമായി ഏകദേശം 350mw വിദ്യുച്ഛക്തി ലഭ്യമാകുന്നു. 1983 ജൂല.യില്‍ പ്രവര്‍ത്തനമാരംഭിച്ച ഇത് രാജസ്ഥാന്‍ മാതൃകയിലുള്ള മര്‍ദിത ജലറിയാക്ടര്‍ (PHWR) ആസ്പദമാക്കി പണികഴിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. പക്ഷേ പല നൂതന മാര്‍ഗങ്ങളും ഇതില്‍ അവലംബിച്ചിട്ടുണ്ട്. റിയാക്ടറുകളുടെ ശീതീകരണത്തിനായി ഘന ജലവും തുടര്‍ന്ന് കടല്‍ ജലവും ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇതിനായി സമുദ്രാന്തര്‍ഭാഗത്ത് ഏകദേശം 500 മീ. ഉള്ളിലായി ഒരു തുരങ്കം നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നു. പൂര്‍ണമായും മൂടപ്പെട്ട നിലയിലാണ് ഇതിന്റെ വൈദ്യുതനിയന്ത്രണ സംവിധാനങ്ങള്‍. കടല്‍ക്കാറ്റിലൂടെ എത്തുന്ന ലവണങ്ങളില്‍ നിന്നും വൈദ്യുത നിയന്ത്രണ സംവിധാനത്തെ സംരക്ഷിക്കാനാണ് ഈ മുന്‍കരുതല്‍. 1984-ല്‍ ഈ നിലയം ഇന്ദിരാഗാന്ധി അണുഗവേഷണകേന്ദ്രം (Indhira Gandhi Centre for Atomic Research -IGCAR) എന്നു പുനര്‍നാമകരണം ചെയ്യപ്പെട്ടു.

നറോറ അറ്റോമിക് പവര്‍ സ്റ്റേഷന്‍

നറോറ അറ്റോമിക് പവര്‍ സ്റ്റേഷന്‍ ഉത്തര്‍പ്രദേശിലെ ബുലാന്ത്ഷഹര്‍ ജില്ലയില്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നു. ഗംഗാനദിയുടെ വലതു ഭാഗത്താണ് ഈ അണുശക്തി നിലയം. പ്രകൃതിദത്ത യുറേനിയം ഇന്ധനമായും, ഘനജലം മന്ദീകാരിയായും ഇവിടെ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഗംഗാജലമാണ് ശീതീകാരിയായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഉപയോഗശേഷം ജലം തിരികെ ഗംഗാനദിയില്‍ ചേരുന്നത് ഉണ്ടാകാതിരിക്കാന്‍ ശീതീകരണ ഗോപുരങ്ങളിലൂടെ കടത്തിവിടുന്നു. ഭൂചലന സാധ്യതാ പ്രദേശമായതിനാല്‍ ഭൂചലനം ബാധിക്കാതിരിക്കാനുള്ള മുന്‍കരുതലുകള്‍ സ്വീകരിച്ചിരിക്കുന്നു. പൂള്‍ മാതൃകയിലുള്ളതാണ് ഈ റിയാക്ടര്‍. ആദ്യത്തെ റിയാക്ടര്‍ 1989-ലും രണ്ടാമത്തേത് 1991-ലും നിലവില്‍ വന്നു. ഈ രണ്ടു റിയാക്ടറില്‍ നിന്നുമായി 350mv വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു.

റേഡിയോആക്റ്റീവ് പദാര്‍ഥങ്ങള്‍ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്ന ലെഡ് കവചിത ചേംബര്‍

കക്രപൂര്‍

താപ്തി നദിയുടെ ഇടതുപാര്‍ശ്വത്തിലായി ഈ അണുശക്തി നിലയം സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു. ഇവിടത്തെ റിയാക്ടര്‍ മര്‍ദിത ഘനജല റിയാക്ടറാണ്. മൊത്തം ഉത്പാദനശേഷി 360 mv ആണ്. 1993-ല്‍ ആദ്യത്തേതും 1995-ല്‍ രണ്ടാമത്തെയും റിയാക്ടര്‍ നിലവില്‍ വന്നു.

കൈഗ

കര്‍ണാടകത്തിലെ കര്‍വാറിലാണ് ഈ റിയാക്ടര്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്. കൈഗ നദിയുടെ ഇടതുവശത്തായി സ്ഥാപിച്ചിരിക്കുന്നു. ഇതും മര്‍ദിത ഘനജല റിയാക്ടറാണ്. മൊത്തം ഉത്പാദനശേഷി 360mv ആണ്.

കൂടംകുളം

തിരുനെല്‍വേലിയിലെ കൂടംകുളത്താണ് ഈ റിയാക്ടര്‍. ഇന്ത്യയിലെ ആദ്യത്തെ 1000 mv പദ്ധതിയാണിത്. സോവിയറ്റ് റഷ്യയുടെ സഹായത്തോടെ ആരംഭിച്ച ഈ റിയാക്ടര്‍ പൂര്‍ത്തിയായിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു.

അണുഘടികാരം

അണുക്കളുടെയും തന്‍മാത്രകളുടെയും സ്വാഭാവികമായ കമ്പനങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി നിര്‍മിച്ചിട്ടുള്ളതും സമയനിര്‍ണയത്തിന് ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ ഉപകരണം. ഒരു ക്വാര്‍ട്സ് ക്രിസ്റ്റലിന്റെ മര്‍ദവൈദ്യുതീ (പീസോ-ഇലക്ട്രിക്) കമ്പനങ്ങളാണ് ക്വാര്‍ട്സ് ഘടികാരത്തെ പ്രവര്‍ത്തിപ്പിക്കുന്നത്. ഈ തത്ത്വമാണ് അണുഘടികാരത്തിലും ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ക്രിസ്റ്റല്‍ കമ്പനങ്ങളുടെ ആവൃത്തിയെ വിഭജിച്ച് ഘടികാരസൂചി തിരിക്കുന്നു. ഘടികാരത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനുവേണ്ടിയാണ് അണുകമ്പനങ്ങളെ ആശ്രയിക്കുന്നത്. 1948-ല്‍ നിര്‍മിച്ച ആദ്യത്തെ അണുഘടികാരത്തില്‍ അമോണിയാ (NH₃) തന്‍മാത്രയിലെ നൈട്രജന്‍ അണു ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കളുടെ തലത്തില്‍ ലംബമായി നടത്തുന്ന കമ്പനമാണ് മാനകം (standard) ആയി സ്വീകരിച്ചിരുന്നത്. പ്രതിലോമകമ്പനം എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഈ കമ്പനത്തിന്റെ ആവൃത്തി 23870 മെ. സൈ. സെ. ആണ് (ഒരു മെഗാ സൈക്കിള്‍ = 10⁶ ദശലക്ഷം സൈക്കിള്‍). അമോണിയാഘടികാരത്തിന്റെ കൃത്യത 10⁹-ല്‍ 3 ഭാഗമാണ്. മേസര്‍തത്ത്വത്തെ (Maser Principle) ആസ്പദമാക്കിയുള്ള അണുഘടികാരങ്ങള്‍ക്ക് ഇതിനേക്കാള്‍ മെച്ചപ്പെട്ട പ്രവര്‍ത്തനസ്ഥിരത നേടാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല.

അണുഘടികാരത്തിന്റെ അത്യാധുനിക രൂപങ്ങളില്‍ അണുപുഞ്ജാനുനാദം (atomic beam resonance) എന്ന തത്ത്വമാണ് പ്രയോജനപ്പെടുത്തിയിട്ടുള്ളത്. സീഷിയം (Caesium) അണുവിന് അണുകേന്ദ്രചക്രണം (nuclear spin) മൂലം രണ്ടു വിഭിന്ന കാന്തികാവസ്ഥകളുണ്ട്. ഒരു അവസ്ഥയില്‍നിന്നു, മറ്റേതിലേക്കുള്ള സംക്രമണത്തിന്റെ ആവൃത്തി 9,192,631,830 സൈ/സെ. 10¹⁰-ല്‍ 1 എന്ന പരിധിക്കുള്ളില്‍ സുസ്ഥിരമാണ്. രന്ധ്രാനുനാദകങ്ങളില്‍വച്ച് (cavity resonator) ഉച്ചാവൃത്തിയിലുള്ള കാന്തികമണ്ഡലങ്ങളില്‍നിന്നും ഊര്‍ജാവശോഷണം നടത്തിയാണ് പ്രസ്തുത സംക്രമണം സാധിക്കുന്നത്. കാന്തികമണ്ഡലം, താപമാനം തുടങ്ങിയവയിലുണ്ടാകാവുന്ന ചിട്ടയില്ലാത്ത മാറ്റങ്ങളൊന്നും ആവൃത്തിയെ ബാധിക്കുകയില്ല. ആവര്‍ത്തിച്ചുള്ള മാപനങ്ങള്‍ മൂലം ഘടികാരത്തിന്റെ കൃത്യത 10₁₁-ല്‍ 3 ഭാഗംവരെ വര്‍ധിക്കാവുന്നതാണ്. വാഷിങ്ടണിലുള്ള നാവികഗവേഷണ ലാബറട്ടറിയില്‍ ഒരു സീഷിയം ഘടികാരം ഉണ്ട്. സീഷിയം ഉപയോഗിച്ചുള്ള അണുഘടികാരത്തിന് 20 ബില്യണ്‍ വര്‍ഷം കൃത്യതയോടെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുവാന്‍ കഴിയും. റുബീഡിയം ഉപയോഗിച്ചുള്ള അണുഘടികാരവും വികസിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ട്. പക്ഷേ ഇതിന് സീഷിയത്തിന്റെ അത്ര കൃത്യത ലഭ്യമല്ല.

അണുബോംബ്

അണുക്കളുടെ വിഘടനത്തെയോ വിഘടനസംയോജന പ്രക്രിയകളെയോ ആസ്പദമാക്കി പ്രവര്‍ത്തിപ്പിക്കാവുന്ന വിനാശകശക്തിയുള്ള സ്ഫോടനായുധം. അണുബോംബിന്റെ ശക്തി സൂചിപ്പിക്കുന്നത് തത്തുല്യമായ ടി.എന്‍.ടി.യുടെ (TNT) മാത്രയിലാണ്. 1945 ആഗ. 6-ന് ഹിരോഷിമയില്‍ വര്‍ഷിച്ച അണുബോംബ് 20,000 ടണ്‍ ടി.എന്‍.ടി.യുടെ സ്ഫോടനശക്തി ഉള്ളതായിരുന്നു. ഇന്നത്തെ ബോംബുകളോരോന്നിനും അനേകം ദശലക്ഷം ടണ്‍ ടി.എന്‍.ടി.ക്കു തുല്യമായ സ്ഫോടനശക്തി ഉണ്ട്.

1939-ല്‍ ഹാനും (Hahn) സ്ട്രാസ്സ്മാനും (Strassman) ചേര്‍ന്നു കണ്ടുപിടിച്ച യുറേനിയം വിഘടനത്തില്‍ അടങ്ങിയിട്ടുള്ളത് ഐന്‍സ്റ്റൈന്റെ ദ്രവ്യ-ഊര്‍ജരൂപാന്തരണതത്ത്വം (mass-energy transformation) ആണ്. ഒരു വസ്തുവിന്റെ ദ്രവ്യമാനം m ആണെങ്കില്‍ അതിലടങ്ങിയിട്ടുള്ള ഊര്‍ജം E =mc² ആകുന്നു (c-പ്രകാശവേഗം). യുറേനിയം മൂലകം പ്രധാനമായും ²³⁸U, 235^U എന്നീ ഐസോടോപ്പുകളുടെ രൂപത്തില്‍ പ്രകൃതിയില്‍ കണ്ടുവരുന്നു. (നോ: ഐസോടോപ്പുകള്‍). പ്രകൃതിജന്യ യുറേനിയത്തിന്റെ 99.3 ശ.മാ.വും <238U ആണ്. അതിനാല്‍ 0.7 ശ.മാ. മാത്രമേ ²³⁵U കാണുന്നുള്ളു. ²³⁸U₉₂ ന്യൂക്ളിയസുകളെ ഭേദിക്കാന്‍ ശീഘ്രഗാമി ന്യൂട്രോണുകള്‍ തന്നെവേണം. എന്നാല്‍ വേഗം കുറഞ്ഞ താപീയ ന്യൂട്രോണുകള്‍ക്ക് ²³⁵U-ല്‍ വിഘടനം നടത്താന്‍ കഴിയുന്നു. ആദ്യകാലങ്ങളില്‍ അണുബോംബു നിര്‍മാണത്തിന് ²³⁵U ഏറിയ തോതില്‍ വര്‍ധിപ്പിച്ച സമ്പുഷ്ട യുറേനിയം മാത്രമാണ് ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത്. പിന്നീട് പ്ളുട്ടോണിയവും (²³⁹pu) പ്രചാരത്തില്‍ വന്നു. യുറേനിയം വിഘടനത്തില്‍ ക്രിപ്റ്റോണ്‍, സ്റ്റ്രോണ്‍ഷിയം തുടങ്ങി നാല്പതിലേറെ മൂലകങ്ങളുടെ അണുക്കള്‍ ഉണ്ടാകുന്നു. ഉദാ.

²³⁵U₉₂ + ¹n₀ →¹⁴⁸La₅₇ + ⁸⁵Br₃₅ + 3 ¹n₀

ഈ വിഘടനമാതൃകയില്‍ ലന്‍ഥാനം, ബ്രോമിന്‍ എന്നിവയുടെ ഓരോ അണുവും മൂന്നു സ്വതന്ത്ര ന്യൂട്രോണുകളും ഉണ്ടാകുന്നു. വിഘടനോത്പന്നങ്ങളുടെ (fission products) ദ്രവ്യമാനം, വിഘടനത്തിനുമുമ്പുള്ള മൊത്തം ദ്രവ്യമാനത്തെക്കാള്‍ കുറവായിരിക്കും. ഈ കുറവ് ഊര്‍ജമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു. ഒരു വിഘടനത്തിന് 20 കോടി ഇലക്ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് എന്ന നിരക്കില്‍ ഊര്‍ജം മോചിക്കപ്പെടുന്നു. ഒരൌണ്‍സ് യുറേനിയത്തിലെ എല്ലാ അണുക്കളും വിഘടനം നടത്തിയാല്‍ 70 കോടി കി.വാ. ഊര്‍ജം വിമുക്തമാകും. 1000 ടണ്‍ ടി.എന്‍.ടി.യുടെ ശക്തി ഉത്പാദിപ്പിക്കാന്‍ 56 ഗ്രാം യുറേനിയം മതി.

വിഘടനത്തില്‍ പിറക്കുന്ന ന്യൂട്രോണുകള്‍ മറ്റു ന്യൂക്ളിയസുകളെ വിഘടിപ്പിക്കുന്നു. ഇങ്ങനെ ഒരു വിഘടനത്തില്‍ ആരംഭിച്ച് പടിപടിയായി വളരുന്ന പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തെ ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം എന്നു പറയുന്നു. ഇതുണ്ടാകണമെങ്കില്‍ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ ഒരളവ് ദ്രവ്യമാനം ആവശ്യമാണ്. ഈ പരിമാണത്തിന് ക്രാന്തികദ്രവ്യമാനം (critical mass) എന്നു പറയുന്നു. പലവിധത്തില്‍ സംഭവിക്കുന്ന ന്യൂട്രോണ്‍ നഷ്ടം പരിഹരിക്കത്തക്ക നിരക്കില്‍ ന്യൂട്രോണ്‍ ഉത്പാദനം തുടര്‍ന്നെങ്കിലേ ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം നിലനിര്‍ത്താന്‍ സാധിക്കുകയുള്ളു.

അണുബോംബിന്റെ പ്രയോഗത്തില്‍ പല ശാസ്ത്രീയ പ്രശ്നങ്ങളും ഉദ്ഭവിച്ചിട്ടുണ്ട്. ശൃംഖലാപ്രതിപ്രവര്‍ത്തനം വളരെ വേഗത്തില്‍ നടന്നെങ്കില്‍ മാത്രമേ ഇന്ധനത്തിന്റെ സിംഹഭാഗവും ഒരുമിച്ച് വിഘടനവിധേയമായി, വമ്പിച്ച തോതിലുള്ള ഊര്‍ജവിമോചനത്തിനു വഴിതെളിക്കുകയുള്ളു. 'ടാമ്പര്‍' എന്നു പറയുന്ന ഭാരംകൂടിയ കവചം ബോംബിനെ അണിയിച്ച് അതിന്റെ സ്ഫോടനത്തിനുള്ള സമയം ദീര്‍ഘിപ്പിക്കുന്നു. വേണ്ടത്ര വിഘടനങ്ങള്‍ നടന്നുകിട്ടാനാണ് ഇങ്ങനെ സ്ഫോടനം വൈകിക്കുന്നത്. ഇന്ധനഭാഗത്തിലേക്ക് ന്യൂട്രോണുകളെ തിരിച്ചുവിടാനുള്ള പ്രതിഫലനശക്തി ടാമ്പറിനുണ്ട്. ആവശ്യമുള്ളപ്പോള്‍ മാത്രമേ ബോംബ് പൊട്ടാവൂ. സ്ഫോടനം ആവശ്യമില്ലാത്തപ്പോള്‍ ബോംബിന്റെ വിവിധഘടകങ്ങളെ വേര്‍തിരിച്ചുവച്ചിരിക്കും. ഓരോ ഘടകത്തിന്റെയും ദ്രവ്യമാനം ക്രാന്തികമൂല്യത്തെക്കാള്‍ താഴെയായിരിക്കും. സ്ഫോടനം ആവശ്യമാകുമ്പോള്‍ എല്ലാ ഘടകങ്ങളെയും വളരെ വേഗത്തില്‍ ഒരുമിച്ചു ചേര്‍ക്കണം. ഇനിയും വെളിപ്പെടുത്തിയിട്ടില്ലാത്ത സാങ്കേതിക രഹസ്യങ്ങള്‍ ഇതിലടങ്ങിയിട്ടുണ്ട്.

അണുസംയോജനതത്ത്വത്തില്‍ അധിഷ്ഠിതമായ ഹൈഡ്രജന്‍ബോംബ് വിഘടന-സംയോജനതത്ത്വത്തെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് നിര്‍മിക്കുന്നത്. അടുത്തകാലത്ത് നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ള സൂപ്പര്‍ബോംബുകളില്‍ വിഘടന-സംയോജന-വിഘടനതത്ത്വമാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

അണുബോംബ് പൊട്ടുമ്പോള്‍ വിമുക്തമാകുന്ന ഊര്‍ജം ചുറ്റുമുള്ള വസ്തുക്കളെ ആവിയാക്കി മാറ്റുന്നു. ഈ ആവി ചേര്‍ന്ന് ഒരു അഗ്നിഗോളമുണ്ടാകും. ബോംബുപൊട്ടിയാല്‍ ഒരു മൈക്രോസെ.നുള്ളില്‍ (10^-6 സെ.) ഈ ഗോളം ആവിര്‍ഭവിക്കുന്നു. അഗ്നിഗോളത്തിന്റെ വ്യാസം അനുനിമിഷം വര്‍ധിച്ചുവരുന്നു. അഗ്നിഗോളം ആകാശത്തിലേക്ക് ഉയരുകയും ചെയ്യും. പത്ത് സെ.കൊണ്ട് ഒരു മെഗാടണ്‍ബോംബിന്റെ അഗ്നിഗോളവ്യാസം 2.5 കി.മീ. ആയിത്തീരുന്നു.

ആല്‍ഫാ, ബീറ്റാ, ഗാമാ-രശ്മികളും ന്യൂട്രോണുകളും സ്ഫോടനത്തില്‍ വിമുക്തമാകുന്നു. ഗാമാരശ്മികളും ന്യൂട്രോണുകളും വളരെ അപകടകാരികളാണ്. ഈ വികിരണങ്ങള്‍ സ്ഫോടനസ്ഥാനത്തുനിന്നും അനേകം കി.മീ. ദൂരത്തേക്കു വ്യാപിക്കുന്നു. ഇതിന് അണുകേന്ദ്ര തേജോദ്ഗിരണങ്ങള്‍ എന്നു പറയുന്നു. സ്ഫോടനംകൊണ്ടുണ്ടാകുന്ന ചൂടാണ് ക്ഷണികാപായത്തിനു കാരണം. പല തരത്തിലുള്ള കഷ്ടപ്പാടുകള്‍ക്കും അന്തിമമായി മരണത്തിനും ഇടയാക്കുന്നത് പ്രസ്തുത തേജോദ്ഗിരണങ്ങളാണ്. അണുബോംബുമൂലം ഉണ്ടാകുന്ന തേജോദ്ഗിരണങ്ങളുടെ ശക്തിയനുസരിച്ച് ശുദ്ധം, അശുദ്ധം എന്ന് ബോംബുകളെ തരംതിരിക്കാം. ശുദ്ധബോംബുകളുടെ ശക്തി മലകള്‍ നിരത്താനും തോടുകള്‍ നിര്‍മിക്കാനും പ്രയോജനപ്പെടുത്താം.

അണുഭൌതികം

Atomic Physics

അണുവിന്റെ പ്രകൃതിയേയും ഘടനയേയും കുറിച്ചു പ്രതിപാദിക്കുന്ന ശാസ്ത്രശാഖ. അണു എന്ന സങ്കല്പത്തിന് നൂറ്റാണ്ടുകളുടെ പഴക്കം ഉണ്ട്. ഭാരതീയാചാര്യനായ കണാദന്‍ തന്റെ വൈശ്ളേഷികദര്‍ശനത്തില്‍ ദ്രവ്യത്തിന്റെ സൂക്ഷ്മരൂപമായി അണുവിനെ ചിത്രീകരിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഭാരതീയദര്‍ശനത്തിലെ 'ആത്മ' സങ്കല്പവും 'ബ്രഹ്മ' സങ്കല്പവും ആറ്റം എന്ന ഒരസ്തിത്വത്തെയാണ് കുറിക്കുന്നത്. സ്ഥൂലരൂപത്തിലുള്ള പദാര്‍ഥം അതിസൂക്ഷ്മവും അവിഭക്തവുമായ പദാര്‍ഥകണങ്ങളില്‍ നിര്‍മിതമാണെന്ന് പ്രാചീന ഗ്രീക്കുകാരും വിശ്വസിച്ചിരുന്നു.

ചരിത്രം. ആധുനിക അണുസിദ്ധാന്തത്തിന്റെ ഉപജ്ഞാതാവ് രസതന്ത്രാധ്യാപകനായിരുന്ന ജോണ്‍ ഡാള്‍ട്ടന്‍ (1766-1844) ആണ്. ഏതു മൂലകവും വിഭജിക്കാനാവത്ത ചെറിയ ഘടകങ്ങള്‍ (atoms) കൂടിച്ചേര്‍ന്നുണ്ടായതാണെന്നും, രണ്ടു വസ്തുക്കള്‍ രാസപ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ഏര്‍പ്പെടുമ്പോള്‍ ഓരോന്നിന്റെയും ഒന്നോ അതിലധികമോ ഇത്തരം ഘടകങ്ങള്‍ചേര്‍ന്ന് സംയുക്ത ഘടകങ്ങളായ തന്‍മാത്രകള്‍ (molecules) രൂപം കൊള്ളുമെന്നും ആയിരുന്നു ഡാള്‍ട്ടന്റെ തത്ത്വം. പ്രസ്തുത സിദ്ധാന്തം വളരെക്കാലത്തേക്ക് രസതന്ത്രത്തിലും ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിലും സ്വാധീനത ചെലുത്തിയിരുന്നു. 19-ാം ശ.-ത്തിന്റെ ഉത്തരാര്‍ധത്തില്‍ വാതകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം വിവരിക്കുന്നതിനുവേണ്ടി ആവിഷ്കരിക്കപ്പെട്ട 'ഗതിക സിദ്ധാന്തം' (Kinetic Theory), ആറ്റം, തന്മാത്ര എന്ന സങ്കല്പങ്ങള്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുകയുണ്ടായി. ചുരുക്കത്തില്‍ 19-ാം ശ.-ത്തിന്റെ അവസാനമായപ്പോഴേക്കും ആറ്റത്തിന്റെ അസ്തിത്വം ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാരുടെയും, രസതന്ത്രജ്ഞന്‍മാരുടെയും ഇടയില്‍ പരക്കെ അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടു.

അണുവിനെക്കുറിച്ചുള്ള ആധുനികസങ്കല്പം ഡാള്‍ട്ടന്റേതില്‍നിന്നു വ്യത്യസ്തമാണ്. അണുവിന് ഒരു സൂക്ഷ്മഘടനയുണ്ടെന്നും അതിനെ ഉപഘടകങ്ങളായി വിഭജിക്കുക സാധ്യമാണെന്നും തെളിഞ്ഞുകഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. ഈ വഴിക്കുള്ള ഗവേഷണങ്ങള്‍ക്കാവശ്യമായ ഉപകരണങ്ങള്‍ നിര്‍മിക്കുന്നതിനും ഫലപ്രദമായ പരീക്ഷണനിരീക്ഷണങ്ങള്‍ നടത്തുന്നതിനും നേതൃത്വം നല്കിയത് ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാരാകയാല്‍ ഈ വിജ്ഞാനശാഖ 'അണുഭൌതികം' എന്ന പേരില്‍ അറിയപ്പെടാനിടയായി.

ദ്രവ്യത്തിന്റെ അണുഘടനയിലേക്ക് വെളിച്ചം വീശുന്ന ആദ്യകാലപരീക്ഷണങ്ങളുടെ കൂട്ടത്തില്‍ വൈദ്യുതവിശ്ളേഷണവും (electrolysis), വാതകങ്ങളിലൂടെയുള്ള വൈദ്യുതപ്രവാഹവും എടുത്തുപറയേണ്ടവയാണ്. വൈദ്യുതവിശ്ളേഷണത്തെ സംബന്ധിച്ച പഠനങ്ങളില്‍നിന്നാണ് വൈദ്യുതിയുടെ അണുസ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ച് ബോധമുണ്ടായത്. അതുപോലെതന്നെ താഴ്ന്ന മര്‍ദത്തില്‍ വാതകങ്ങളിലൂടെയുള്ള വൈദ്യുതപ്രവാഹത്തെപ്പറ്റിയുള്ള പഠനങ്ങളില്‍നിന്നാണ് പ്രത്യക്ഷമായോ പരോക്ഷമായോ അണുഭൌതികത്തിലെ പല കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളും ഉണ്ടായത്.

19-ാം ശ.-ത്തിന്റെ അവസാനദശകത്തിലെ കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളാണ് എക്സ്റേയും റേഡിയോ ആക്റ്റിവതയും ഇലക്ട്രോണും. 1895-ല്‍, റോണ്‍ജന്‍ എന്ന ജര്‍മന്‍ ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ എക്സ്റേ (X-ray) കണ്ടുപിടിച്ചു. അലൂമിനിയം തകിടില്‍ കാഥോഡ് കിരണങ്ങള്‍ (cathode rays) പതിയുമ്പോള്‍ അതില്‍നിന്നും അദൃശ്യമായ എക്സ്റേകള്‍ പുറപ്പെടുമെന്ന് അദ്ദേഹം കണ്ടുപിടിച്ചു. തുടര്‍ന്ന് നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ, തരംഗദൈര്‍ഘ്യം (wave length) കുറഞ്ഞ വൈദ്യുതകാന്തികതരംഗങ്ങള്‍ (electromagnetic waves ഴിലശേര ംമ്ല) ആണ് എക്സറേ എന്നും അവയ്ക്ക് പദാര്‍ഥങ്ങളെ തുളച്ചു കടക്കാന്‍ കഴിവുണ്ടെന്നും അവ പ്രതിദീപ്തിയും (fluorescence) സ്ഫുരദീപ്തിയും (phosphorescence) സൃഷ്ടിക്കുമെന്നും സ്ഥാപിക്കപ്പെട്ടു. 1896-ല്‍ ഹെന്റി ബെക്വറല്‍ എന്ന ഫ്രഞ്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ റേഡിയോ ആക്റ്റിവത കണ്ടുപിടിച്ചു. റോണ്‍ജന്റെ എക്സ്റേ ട്യൂബില്‍ കാഥോഡ് കിരണങ്ങള്‍ വന്നിടിക്കുമ്പോള്‍ ട്യൂബിന്റെ ഭിത്തികളില്‍നിന്നുമാണ് എക്സ്റേ കൂടുതലും പുറപ്പെടുന്നത്. ഇതേത്തുടര്‍ന്ന് സ്ഫടികഭിത്തികളില്‍ പ്രതിദീപ്തിയും ദൃശ്യമായിരുന്നു. പ്രതിദീപ്തിയെപ്പറ്റി ബെക്വറല്‍ പഠനങ്ങള്‍ നടത്തിയിരുന്നു. എക്സ്റേയുടെ ഉത്പാദനവും പ്രതിദീപ്തിയും തമ്മില്‍ ബന്ധമുണ്ടായിരിക്കണമെന്ന അനുമാനത്തോടെ നടത്തിയ നിരീക്ഷണങ്ങളാണ് യുറേനിയത്തിന്റെ റേഡിയോ ആക്റ്റിവത കണ്ടുപിടിക്കുന്നതിന് അദ്ദേഹത്തെ സഹായിച്ചത്. യുറേനിയത്തിന്റെ ഒരു ലവണം (Uranium salt) പൊതിഞ്ഞുവച്ചിരുന്ന ഫൊട്ടോഗ്രാഫിക് പ്ളേറ്റ് ഡെവലപ് ചെയ്തുനോക്കിയപ്പോള്‍, അതില്‍ യുറേനിയ ലവണത്തില്‍നിന്ന് പുറപ്പെടുന്ന അദൃശ്യകിരണങ്ങളുടെ അടയാളങ്ങള്‍ (radioactive rays) കണ്ടെത്തി. റേഡിയോ ആക്റ്റിവത യുറേനിയത്തിന്റെ മാത്രം സവിശേഷതയല്ലെന്നും മറ്റു പല വസ്തുക്കളും റേഡിയോ ആക്റ്റിവങ്ങളാണെന്നും പിന്നീട് കണ്ടു. തുടര്‍ന്നു നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളില്‍നിന്നും റേഡിയോ ആക്റ്റിവകിരണങ്ങളില്‍ വ്യത്യസ്ത സ്വഭാവങ്ങളോടുകൂടിയ α,β,γ എന്നീ മൂന്നുതരം വികിരണങ്ങള്‍ (radiations) അടങ്ങിയിട്ടുണ്ടെന്നു ബോധ്യമായി.

ഗവേഷണങ്ങള്‍. 1897-ല്‍ ജെ.ജെ. തോംസണ്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ കണ്ടുപിടിച്ചതായി പ്രസ്താവിക്കപ്പെടാറുണ്ടെങ്കിലും, യഥാര്‍ഥത്തില്‍ ഏതാണ്ട് 50 വര്‍ഷക്കാലത്തെ - മൈക്കേല്‍ ഫാരഡെ വൈദ്യുതവിശ്ളേഷണ നിയമങ്ങള്‍ കണ്ടുപിടിച്ചതു മുതല്‍ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാര്‍ജ് കൃത്യമായി മില്ലിക്കന്‍ തിട്ടപ്പെടുത്തിയതുവരെ - നിരവധി പേരുടെ നിരീക്ഷണഫലമാണ് ഇലക്ട്രോണ്‍ കണ്ടുപിടിത്തം. ജെ.ജെ. തോംസന്റേയും സഹപ്രവര്‍ത്തകരുടെയും പരീക്ഷണങ്ങള്‍ ഋണ(negative)ചാര്‍ജും ഹൈഡ്രജന്‍ ആറ്റത്തിന്റെ ഏതാണ്ട് 1/2000 അംശം ഭാരമുള്ള ഇലക്ട്രോണ്‍ കണങ്ങളുടെ അസ്തിത്വവും ദ്രവ്യത്തിന്റെ ഘടനയില്‍ അവയ്ക്കുള്ള സ്ഥാനവും സ്ഥാപിക്കുന്നതിന് സഹായകമായി. ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആപേക്ഷിക ചാര്‍ജ് (specific charge)- അതായത് ചാര്‍ജും ദ്രവ്യമാനവും തമ്മിലുള്ള അംശബന്ധം-കണ്ടുപിടിക്കുന്നതിനുള്ള തോംസന്റെ പരീക്ഷണത്തെയും അതിന്റെ ചാര്‍ജ് കൃത്യമായി നിര്‍ണയിക്കുന്നതിന് മില്ലിക്കന്‍ നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളെയും തുടര്‍ന്ന് എച്ച്.എ.ലോറന്‍സ് തന്റെ ഇലക്ട്രോണ്‍സിദ്ധാന്തം (electron theory) ആവിഷ്കരിക്കുകയുണ്ടായി. ലോറന്‍സ് സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ നേട്ടം, അതിന് 'സീമാന്‍പ്രഭാവ' (Zeeman Effect)ത്തെ തൃപ്തികരമായി വിശദീകരിക്കുവാന്‍ കഴിഞ്ഞു എന്നുള്ളതാണ്. 1896-ലാണ് സീമാന്‍പ്രഭാവം കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടത്. ഒരു കാന്തികമണ്ഡലത്തിനു സമാന്തരമായി വീക്ഷിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു സ്പെക്ട്രരേഖ (spectral line) രണ്ടായി വേര്‍തിരിഞ്ഞും കുറുകെ വീക്ഷിക്കപ്പെടുന്നപക്ഷം മൂന്നായി വേര്‍തിരിഞ്ഞും നിശ്ചിത ധ്രുവണ(polarisation) സ്വഭാവത്തോടുകൂടിയും കാണപ്പെടുന്നതിനെയാണ് 'നോര്‍മല്‍ സീമാന്‍ പ്രഭാവം' (Normal Zeeman Effect) എന്നു പറയുന്നത്. ലോറന്‍സിന്റെ സിദ്ധാന്തം നോര്‍മല്‍ സീമാന്‍ പ്രഭാവത്തെ വിശദീകരിക്കാന്‍ പര്യാപ്തമായെങ്കിലും കൂടുതല്‍ വിശദമായ നിരീക്ഷണങ്ങളുടെ ഫലമായി പിന്നീട് കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ട 'അനോമലസ് സീമാന്‍ പ്രഭാവ' (Anomalous Zeeman Effect)ത്തിന്റെ കാര്യത്തില്‍ അതു പരാജയപ്പെട്ടു. എങ്കിലും സീമാന്റെ കണ്ടുപിടിത്തവും, ലോറന്‍സിന്റെ വിശദീകരണവും അണുഭൌതികവിജ്ഞാനീയത്തിന്റെ പ്രായോഗിക-സൈദ്ധാന്തിക മണ്ഡലങ്ങളില്‍ തുടര്‍ന്നുള്ള ഗവേഷണങ്ങള്‍ക്ക് പ്രചോദനം നല്കുകയുണ്ടായി.

ഇലക്ട്രോണിന്റെ അസ്തിത്വം അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടതോടെ ആറ്റത്തിന് ഒരു സൂക്ഷ്മഘടന ഉണ്ടെന്നും ഇലക്ട്രോണ്‍, ആറ്റത്തിന്റെ ഒരു ഘടകമാണെന്നും ഉള്ള വിശ്വാസം ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ക്കിടയില്‍ പ്രബലമായി. ആറ്റം, വൈദ്യുതിയുടെ കാര്യത്തില്‍ 'ന്യൂട്രല്‍' (neutral) ആയതിനാല്‍ അതിലെ ഇലക്ട്രോണ്‍ ചാര്‍ജിനു തുല്യം ധന (positive) ചാര്‍ജും ആറ്റത്തില്‍ ഉണ്ടായിരിക്കണമെന്ന തത്ത്വത്തെ ആദരിച്ച് പല അണുമാതൃകകളും (atom ic models) നിര്‍ദേശിക്കപ്പെട്ടു. ജെ.ജെ. തോംസന്റെ മാതൃകയില്‍, ധനവൈദ്യുതി നിറച്ച ഒരു ഗോളവും അതില്‍ അങ്ങിങ്ങുസ്ഥാനംപിടിച്ചിട്ടുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളും ഒരു ആറ്റത്തില്‍ ചേര്‍ന്നിരിക്കുന്നു. പെറിന്‍ ആകട്ടെ, ആറ്റത്തിന് സൌരയൂഥത്തിന്റെ മാതൃകയിലുള്ളൊരു ഘടന നിര്‍ദേശിച്ചു-ധനചാര്‍ജ് വഹിക്കുന്ന ഒരു കേന്ദ്രവും ചുറ്റും ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളും. ഈ മാതൃകകളെല്ലാംതന്നെ പരിചിതമായ സ്ഥൂലവസ്തുക്കളുടെ ചലനങ്ങളെ ഭരിക്കുന്ന യാന്ത്രിക നിയമങ്ങളും (mechanical laws) വിദ്യുത് കാന്തിക നിയമങ്ങളും അനുസരിച്ചു പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നവയായിട്ടാണ് അവതരിപ്പിക്കപ്പെട്ടത്. ഈ സമീപനം തെറ്റായിരുന്നുവെന്ന് പിന്നീടു ബോധ്യമായി.

ന്യൂക്ളിയര്‍ ആറ്റം മോഡല്‍. റഥര്‍ഫോര്‍ഡും അനുയായികളും ദ്രവ്യത്തിലൂടെ x-കണങ്ങളെ കടത്തിവിട്ട് അവയുടെ പഥത്തിനുണ്ടാകുന്ന വ്യതിചലനം (deflection) സംബന്ധിച്ച് നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളില്‍നിന്നും ആറ്റത്തിന്റെ കേന്ദ്രത്തില്‍ ഏറ്റവും ചുരുങ്ങിയൊരു സ്ഥാനത്തായി അതിന്റെ മിക്കവാറും മുഴുവന്‍ ദ്രവ്യമാന(mass)വും ധനചാര്‍ജും കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നതായി വ്യക്തമായി. പെറിന്‍ ആവിഷ്കരിച്ച ആശയംകൂടി സ്വീകരിച്ചുകൊണ്ട് 1910-ല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് തന്റെ പ്രസിദ്ധമായ 'ന്യൂക്ളിയര്‍ ആറ്റം മാതൃക' (nuclear atom model) അവതരിപ്പിച്ചു. ഇതനുസരിച്ച് ആറ്റത്തിന്റെ കേന്ദ്രത്തില്‍ ധനചാര്‍ജ് വഹിക്കുന്ന അത്യധികം ഭാരമേറിയ ന്യൂക്ളിയസ്സും അതിനുചുറ്റും ഭ്രമണംചെയ്യുന്ന ഭാരംകുറഞ്ഞ ഇലക്ട്രോണുകളുമാണ്. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണത്തില്‍ ഒരു മൂലകത്തിന്റെ ആറ്റം മറ്റൊന്നിന്റേതില്‍നിന്നു വ്യത്യസ്തമായിരിക്കുന്നു. ക്ളാസ്സിക്കല്‍ ഭൌതികസിദ്ധാന്തങ്ങളില്‍ അധിഷ്ഠിതമായ റഥര്‍ഫോര്‍ഡിന്റെ മാതൃക തൃപ്തികരമായ ഒരു അണുസിദ്ധാന്തത്തിന് രൂപംകൊടുക്കാന്‍ പര്യാപ്തമായിരുന്നില്ല. വിശേഷിച്ചും ആറ്റത്തിന്റെ സ്ഥായിയായ നിലനില്പിനെയും (stable existence) സ്പെക്ട്ര സ്വഭാവങ്ങളെയും വിശദീകരിക്കുന്ന കാര്യത്തില്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡ് പരാജയപ്പെട്ടു. എന്നാല്‍ റഥര്‍ഫോര്‍ഡിന്റെ ന്യൂക്ളിയര്‍ ആറ്റംമാതൃകയെ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്ത(Quantum theory)ത്തിലെ നിയമങ്ങളുടെ ചട്ടക്കൂട്ടില്‍ കൊണ്ടുവന്ന നീല്‍സ് ബോര്‍ സ്വീകാര്യമായ ഒരു അണുസിദ്ധാന്തത്തിന് ഇദംപ്രഥമമായി ജന്‍മം കൊടുത്തു.

ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം. പ്രകൃതിയില്‍ ഊര്‍ജത്തിന്റെ വിനിമയം h γ (h-പ്ളാങ്ക്സ്ഥിരസംഖ്യ, γ-ഊര്‍ജം വികിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തുവിന്റെ ആവൃത്തി) എന്ന ക്വാണ്ടത്തിന്റെ പൂര്‍ണഗുണിതങ്ങളായ അളവുകളില്‍ മാത്രമേ സംഭവിക്കുകയുള്ളു എന്ന മാക്സ്പ്ളാങ്കിന്റെ ക്വാണ്ടംതത്ത്വത്തെ ആറ്റത്തിലെ ഇലക്ട്രോണ്‍ ചലനവുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തുകയാണ് ബോര്‍ ചെയ്തത്. ബോര്‍ സിദ്ധാന്തത്തിലെ അടിസ്ഥാനസങ്കല്പങ്ങള്‍ താഴെ പറയുന്നവയാണ്: ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ന്യൂക്ളിയസ്സിനുചുറ്റും ചില പ്രത്യേക പഥങ്ങളിലൂടെ മാത്രമേ ചലിക്കുകയുള്ളു; ഒരു പ്രത്യേക പഥത്തിലൂടെ ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ഇലക്ട്രോണ്‍, ഊര്‍ജം വികിരണം ചെയ്യുകയില്ല; എന്നാല്‍ അത് ഒരു പഥത്തില്‍നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് ചാടുമ്പോള്‍ ഒരു നിശ്ചിത ക്വാണ്ടം ഊര്‍ജം അവശോഷണം ചെയ്യുകയോ, വികിരണം ചെയ്യുകയോ ചെയ്യുന്നു. ഇത്തരം സംക്രമങ്ങളാണ് (transition) സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ ഉദ്ഭവത്തിനു കാരണം. അന്നുവരെ അറിയപ്പെട്ടിരുന്ന മിക്കവാറും എല്ലാ അണുപ്രതിഭാസങ്ങളെയും വിശദീകരിക്കാന്‍ ബോറിനു കഴിഞ്ഞു. സ്പെക്ട്രരേഖകളുടെ സൂക്ഷ്മസംരചന(fine structure)വിശദീകരിക്കുന്നതില്‍ മാത്രമാണ് ബോര്‍ സിദ്ധാന്തം പരാജയപ്പെട്ടത്. ഈ പോരായ്മ പരിഹരിക്കുന്നതിനുവേണ്ടി ആപേക്ഷികതാസിദ്ധാന്തത്തെ പ്രയോജനപ്പെടുത്തിക്കൊണ്ട്, ബോര്‍ ആറ്റംമാതൃകയെ പരിഷ്കരിക്കാന്‍ സോമര്‍ഫെല്‍ഡ് നടത്തിയ ശ്രമവും പൂര്‍ണമായി വിജയിച്ചില്ല.

ബോറിന്റെ സിദ്ധാന്തം അണുപ്രതിഭാസങ്ങളെ വിശദീകരിക്കുന്നതില്‍ വിജയിച്ചുവെങ്കിലും ഈ സിദ്ധാന്തത്തിനെതിരായി ഒരു വാദമുഖം പൊന്തിവന്നു: തെളിയിക്കപ്പെടാനാവാത്ത ഏതാനും പരികല്പനകളാണ് ബോര്‍ സിദ്ധാന്തത്തിനടിസ്ഥാനം; ശക്തമായ ഒരു ഗണിതതത്ത്വത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിലല്ല അതു പടുത്തുയര്‍ത്തപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത്. പ്രത്യക്ഷത്തില്‍ പരസ്പരവിരുദ്ധങ്ങളായ രണ്ടു സിദ്ധാന്തങ്ങളെ (ക്ളാസ്സിക്കല്‍ ക്വാണ്ടം സിദ്ധാന്തങ്ങള്‍) ആശ്രയിക്കാതെ ബോറിന് ഗത്യന്തരമില്ലായിരുന്നു. അണുഭൌതികത്തിന്റെ മണ്ഡലങ്ങളില്‍ പ്രയോഗക്ഷമമായ പുതിയൊരു ഗണിതസിദ്ധാന്തത്തിന്റെ ആവശ്യകത ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞന്‍മാര്‍ക്കു ബോധ്യമായി. ഈ വഴിക്കുള്ള പരിശ്രമങ്ങളുടെ ഫലമായി 1925-നോടടുത്ത്, ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് (Quantum Mechanics) എന്ന പേരില്‍ പുതിയൊരു വിജ്ഞാനശാഖ രൂപംകൊണ്ടു. ഷ്റോഡിംഗര്‍, ഹൈസന്‍ബെര്‍ഗ്, ഡിറാക് എന്നിവരാണ് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിന്റെ വ്യാഖ്യാതാക്കള്‍. ഷ്റോഡിംഗറിന്റെ തരംഗബലതന്ത്ര(Wave Mechanics)വും ഹൈസന്‍ബെര്‍ഗിന്റെ 'മാട്രിക്സ് മെക്കാനിക്സും' (Matrix Mechanics) വ്യത്യസ്തമായ സമീപനങ്ങളാണെന്ന് ആദ്യകാലത്ത് കരുതപ്പെട്ടിരുന്നുവെങ്കിലും പിന്നീട് അവ രണ്ടും അഭിന്നമാണെന്നു മനസ്സിലായി. ദ്രവ്യതരംഗങ്ങളെ (matter waves)പ്പറ്റിയുള്ള ദെബ്രോയെയുടെ സങ്കല്പത്തില്‍നിന്നുമാണ് ഷ്രോഡിംഗര്‍ തന്റെ സിദ്ധാന്തം പടുത്തുയര്‍ത്തിയത്. തന്‍മൂലം ക്വാണ്ടംഭൌതികം, ദ്രവ്യവസ്തുക്കളില്‍ കണികാസ്വഭാവവും തരംഗസ്വഭാവവും ഒരേ സമയം ആരോപിക്കുന്നു. മുന്‍ അണുസിദ്ധാന്തങ്ങളില്‍നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി ആറ്റത്തിന്റെ ഗുണധര്‍മങ്ങളെ വിവരിക്കുന്നതിന് പുതിയ സിദ്ധാന്തം, ഒരു യാന്ത്രിക മാതൃകയെ ആശ്രയിക്കുന്നില്ല. സ്ഥൂലവസ്തുക്കളുടെ നിയമങ്ങള്‍ പദാര്‍ഥത്തിന്റെ സൂക്ഷ്മകണങ്ങളിലേക്ക് വ്യാപിപ്പിക്കുന്നത് ശരിയല്ലെന്ന് ക്വാണ്ടംമെക്കാനിക്സിന്റെ പ്രണേതാക്കള്‍ വാദിച്ചു. ആറ്റത്തിന് ഒരു മാതൃക കല്പിക്കുന്നത് നിരര്‍ഥകമാണ്, ഇവയുടെ കൃത്യമായ നിര്‍ണയത്തിലുള്ള പരിമിതിയെ 'അനിശ്ചിതത്വ തത്ത്വം' (Uncertainty principles) വഴി ഹൈസന്‍ബര്‍ഗ് വ്യക്തമാക്കി.

പുതിയ ആശയങ്ങള്‍. 1925-27-നും ഇടയ്ക്കുള്ള കാലഘട്ടത്തിലുണ്ടായ ഭൌതികവിജ്ഞാനത്തിന്റെ സൈദ്ധാന്തികപരമായ വികാസങ്ങളാണ് മുകളില്‍ വിവരിച്ചത്. ഇതോടൊപ്പം അണുഭൌതികത്തിലും അതിലുപരി അണുകേന്ദ്രഭൌതികത്തിലും പരമപ്രധാനമായ ഇലക്ട്രോണ്‍ ചക്രണം (electron spin), പൌളിയുടെ അപവര്‍ജനനിയമം (Pauli's exclusion principle) തുടങ്ങിയ പുതിയ ആശയങ്ങള്‍ രൂപം കൊണ്ടു. ഇലക്ട്രോണിന് സഹജമായ ഒരു 'ചക്രണഗതി' (spin motion) ഉണ്ടായിരിക്കണമെന്ന ആശയം കൊണ്ടുവന്നത് ഉള്ളന്‍ബെക്, ഗുഡ്സ്മിത്ത് എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞരാണ് (1925). സ്പെക്ട്രരേഖകളുടെ സൂക്ഷ്മഘടന തുടങ്ങി, അണുഭൌതികത്തിലെയും അണുകേന്ദ്രഭൌതികത്തിലെയും നിരവധി വിഷമപ്രശ്നങ്ങള്‍ക്ക് പരിഹാരം നിര്‍ദേശിക്കാന്‍ സമര്‍ഥമായ ഈ പുതിയ സങ്കല്പത്തിന് സൈദ്ധാന്തികമായ ഒരടിസ്ഥാനം നല്കുന്നതിനുള്ള ശ്രമങ്ങളുടെ ഫലമാണ് ഡിറാക്കിന്റെ 'ആപേക്ഷികീയ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ്' (Relativistic Quantum Mechanics). ഈ വിജ്ഞാനശാഖ, അടിസ്ഥാനകണങ്ങളെപ്പറ്റി ക്രമബദ്ധമായ പഠനങ്ങള്‍ നടത്തുന്നതിന് സഹായകമായ ഒരു ഗണിതോപകരണായിത്തീര്‍ന്നിരിക്കുന്നു.

ആറ്റത്തിന്റെ ഇലക്ട്രോണിക ഘടനയെ സംബന്ധിക്കുന്ന അടിസ്ഥാനനിയമങ്ങളും ആറ്റത്തിന്റെ ഘടനയും രാസസ്വഭാവവും സംബന്ധിച്ച തത്ത്വങ്ങളും 1927-നോടടുത്ത് ഏറെക്കുറെ വ്യക്തമാക്കപ്പെട്ടു. തുടര്‍ന്ന് ഏതാനും വര്‍ഷങ്ങള്‍ക്കുള്ളില്‍, അറിയപ്പെട്ട മൂലകങ്ങളില്‍ ഈ തത്ത്വങ്ങള്‍ പ്രയോഗിക്കുന്നതിനുള്ള ശ്രമങ്ങള്‍ വളരെയധികം പുരോഗമിക്കുകയുണ്ടായി. 20-ാം ശ.-ത്തിന്റെ പൂര്‍വാര്‍ധത്തില്‍ തന്നെ അണുഭൌതികം ശാഖകളായി പിരിഞ്ഞു. അണുഭൌതികത്തില്‍നിന്നുടലെടുത്ത്, വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ന്യൂക്ളിയര്‍ ഫിസിക്സ് (Nuclear Physics), സോളിഡ് സ്റ്റേറ്റ് ഫിസിക്സ് (Solid state Physics), ഇലക്ട്രോണിക്സ് (Electronics) എന്നീ ആധുനികശാസ്ത്ര-സാങ്കേതിക വിഷയങ്ങളിലാണ് ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ സവിശേഷ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നത്.