ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రం & అణుశక్తి (Modern Physics)

పరమాణువు నిర్మాణం గురించి శాస్త్రవేత్తలు ఒక్కొక్కరు ఒక్కో నమూనా ఇచ్చారు. ఎవరు ఏ కణాన్ని కనుగొన్నారు, ఏ ప్రయోగం చేశారు అనేది పరీక్షల్లో తరచూ అడుగుతారు.

• జె.జె. థామ్సన్ (1897): ఎలక్ట్రాన్‌ను కనుగొన్నారు. ఆయన నమూనాను 'ప్లమ్ పుడ్డింగ్ నమూనా' (Plum Pudding Model) అంటారు.
• రూథర్‌ఫర్డ్ (1911): బంగారు రేకు ప్రయోగం (Gold Foil Experiment) ద్వారా కేంద్రకాన్ని (Nucleus) కనుగొన్నారు.
• పరమాణువులో ఎక్కువ భాగం ఖాళీ స్థలం.
• ధనావేశం, ద్రవ్యరాశి కేంద్రకంలో కేంద్రీకృతమై ఉంటాయి.
• ఆయన నమూనాను గ్రహమండల (Planetary) నమూనా అంటారు. ప్రోటాన్‌ను 1919లో రూథర్‌ఫర్డ్ గుర్తించారు.
• నీల్స్ బోర్ (1913): ఎలక్ట్రాన్లు నిర్దిష్ట శక్తి కక్ష్యల్లో (Orbits) తిరుగుతాయని చెప్పారు.
• చాడ్విక్ (1932): న్యూట్రాన్‌ను కనుగొన్నారు. న్యూట్రాన్‌కు ఆవేశం ఉండదు.
• ఆవేశాలు: ఎలక్ట్రాన్ రుణావేశం, ప్రోటాన్ ధనావేశం, న్యూట్రాన్ తటస్థం.

కొన్ని మూలకాల కేంద్రకాలు స్థిరంగా ఉండక, వాటంతట అవే కిరణాలను విడుదల చేస్తాయి. ఈ లక్షణాన్ని రేడియోధార్మికత (Radioactivity) అంటారు.

• ఆవిష్కరణ: 1896లో హెన్రీ బెక్వరెల్ (Becquerel) యురేనియం లవణాల నుండి రేడియోధార్మికతను కనుగొన్నారు.
• మేరీ క్యూరీ, పియరీ క్యూరీ పోలోనియం, రేడియం మూలకాలను కనుగొన్నారు.
• మేరీ క్యూరీ రెండు వేర్వేరు శాస్త్ర విభాగాల్లో (భౌతిక, రసాయన) నోబెల్ గెలుచుకున్నారు.
• ఆల్ఫా (α) కిరణాలు:
  1. హీలియం కేంద్రకాలు (2 ప్రోటాన్లు + 2 న్యూట్రాన్లు)
  2. ధనావేశం
  3. అయనీకరణ శక్తి ఎక్కువ, చొచ్చుకుపోయే శక్తి తక్కువ (కాగితంతో ఆగిపోతాయి).
• బీటా (β) కిరణాలు:
  1. వేగంగా కదిలే ఎలక్ట్రాన్లు
  2. రుణావేశం
  3. చొచ్చుకుపోయే శక్తి మధ్యస్థం.
• గామా (γ) కిరణాలు:
  1. విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు
  2. ఆవేశం లేదు
  3. చొచ్చుకుపోయే శక్తి అత్యధికం, అయనీకరణ శక్తి అత్యల్పం.
• కొలత పరికరం: రేడియోధార్మికతను గీగర్–ముల్లర్ కౌంటర్ (Geiger-Muller Counter) తో కొలుస్తారు.
• ప్రమాణాలు:
  1. రేడియోధార్మికత SI ప్రమాణం బెక్వరెల్ (Bq)
  2. పాత ప్రమాణం క్యూరీ.
• అర్ధాయుష్షు (Half-life):
  1. రేడియోధార్మిక పదార్థంలో సగం క్షయం చెందడానికి పట్టే సమయం. ప్రతి ఐసోటోప్‌కు ఇది స్థిరం
  2. కార్బన్ డేటింగ్ ఈ సూత్రంపై ఆధారపడుతుంది.
• ఉపయోగాలు: క్యాన్సర్ చికిత్స (రేడియోథెరపీ), పారిశ్రామిక లోపాల గుర్తింపు, ఆహార నిల్వ (వికిరణం).
• ప్రమాదాలు: అధిక వికిరణం కణాలను, DNA ను దెబ్బతీస్తుంది.

అణువులోని కేంద్రకం నుండి అపారమైన శక్తి రెండు విధాలుగా లభిస్తుంది – భారీ కేంద్రకాన్ని విడగొట్టడం ద్వారా, లేదా తేలికైన కేంద్రకాలను కలపడం ద్వారా.

• కేంద్రక విచ్ఛిత్తి (Nuclear Fission): భారీ కేంద్రకం (యురేనియం-235) న్యూట్రాన్ తాకిడితో రెండు చిన్న కేంద్రకాలుగా విడిపోయి శక్తిని విడుదల చేస్తుంది.
• 1938లో ఒట్టో హాన్, స్ట్రాస్‌మన్ దీన్ని కనుగొన్నారు.
• అణుబాంబు, అణు రియాక్టర్లు ఈ సూత్రంపై పనిచేస్తాయి.
• గొలుసు చర్య (Chain Reaction) అదుపులో ఉంటే రియాక్టర్, అదుపు లేకపోతే బాంబు.
• రియాక్టర్ భాగాలు: ఇంధనం (యురేనియం), మోడరేటర్ (భారజలం, గ్రాఫైట్ – న్యూట్రాన్ల వేగం తగ్గిస్తుంది), నియంత్రణ కడ్డీలు (కాడ్మియం, బోరాన్ – న్యూట్రాన్లను గ్రహిస్తాయి).
• కేంద్రక సంలీనం (Nuclear Fusion): తేలికైన కేంద్రకాలు (హైడ్రోజన్) కలిసి భారీ కేంద్రకం (హీలియం) ఏర్పడటం.
• సూర్యుడు, నక్షత్రాల శక్తికి మూలం ఇదే.
• హైడ్రోజన్ బాంబు ఈ సూత్రంపై పనిచేస్తుంది. దీనికి అత్యంత అధిక ఉష్ణోగ్రత అవసరం.
• ద్రవ్యరాశి–శక్తి సమీకరణం: ఐన్‌స్టీన్ E = mc². కొద్ది ద్రవ్యరాశి నష్టం భారీ శక్తిగా మారుతుంది.
• మొదటి అణు రియాక్టర్: 1942లో ఎన్రికో ఫెర్మీ (చికాగో).

ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రంలో వైద్యం, సాంకేతికతల్లో ఎక్కువగా వాడే మూడు అంశాలు – X-కిరణాలు, కాంతివిద్యుత్ ఫలితం, లేజర్.

• X-కిరణాలు: 1895లో విల్హెల్మ్ రాంట్‌జెన్ (Roentgen) కనుగొన్నారు. భౌతిక శాస్త్రంలో మొదటి నోబెల్ బహుమతి (1901) ఈయనకే వచ్చింది.
• ఎముకల విరుపు గుర్తించడానికి, విమానాశ్రయాల్లో సామాను తనిఖీకి వాడతారు.
• ఇవి విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు
• విద్యుత్, అయస్కాంత క్షేత్రాల్లో విచలనం చెందవు.
• కాంతివిద్యుత్ ఫలితం (Photoelectric Effect): తగిన పౌనఃపున్యం గల కాంతి లోహంపై పడినప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు బయటకు వస్తాయి.
• 1887లో హెర్ట్జ్ గమనించారు
• 1905లో ఐన్‌స్టీన్ వివరించారు. ఇందుకు 1921లో ఐన్‌స్టీన్‌కు నోబెల్ లభించింది.
• సోలార్ సెల్స్, ఫోటోసెల్స్ (ఆటోమేటిక్ తలుపులు) దీని ఉపయోగాలు.
• క్వాంటం సిద్ధాంతం: 1900లో మాక్స్ ప్లాంక్ ప్రతిపాదించారు. శక్తి E = hν.
• లేజర్ (LASER): Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. మొదటి లేజర్‌ను 1960లో థియోడర్ మెయిమన్ తయారు చేశారు.
• లేజర్ కాంతి ఏకవర్ణం, ఏకదిశ, సంబద్ధం (Coherent).
• కంటి శస్త్రచికిత్స, బార్‌కోడ్ స్కానర్, కటింగ్, CD/DVD రీడర్లలో వాడతారు.

ఎలక్ట్రానిక్స్, కంప్యూటర్లు సెమీకండక్టర్ల వల్లే సాధ్యమయ్యాయి. అలాగే అతి శీతల ఉష్ణోగ్రత వద్ద కొన్ని పదార్థాలు విద్యుత్ నిరోధాన్ని పూర్తిగా కోల్పోతాయి.

• సెమీకండక్టర్లు (Semiconductors): వాహకాలు, నిరోధకాల మధ్య విద్యుత్ వాహకత ఉన్న పదార్థాలు. ఉదా: సిలికాన్, జెర్మేనియం.
• స్వచ్ఛమైన పదార్థంలో మలినాలు కలిపితే వాహకత పెరుగుతుంది – దీన్ని డోపింగ్ (Doping) అంటారు.
• ఫాస్ఫరస్ కలిపితే n-రకం, బోరాన్ కలిపితే p-రకం సెమీకండక్టర్.
• ట్రాన్సిస్టర్ (1947): బార్డీన్, బ్రాటెయిన్, షాక్లీ కనుగొన్నారు (బెల్ ల్యాబ్స్). ఆధునిక కంప్యూటర్లకు ఇదే పునాది.
• డయోడ్:
  1. విద్యుత్‌ను ఒకే దిశలో పంపుతుంది
  2. AC ని DC గా మార్చడానికి (రెక్టిఫయర్) వాడతారు. LED కూడా డయోడ్ రకమే.
• సూపర్ కండక్టివిటీ: 1911లో హెయిక్ కామర్లింగ్ ఒన్నెస్ పాదరసంలో కనుగొన్నారు. అతి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద నిరోధం సున్నా అవుతుంది. MRI యంత్రాల్లో సూపర్ కండక్టింగ్ అయస్కాంతాలు వాడతారు.
• హిగ్స్ బోసాన్: 'దైవ కణం' అని పిలుస్తారు. 2012లో CERN లోని లార్జ్ హాడ్రాన్ కొలైడర్ (LHC) లో ఉనికి నిర్ధారణ అయింది. LHC స్విట్జర్లాండ్–ఫ్రాన్స్ సరిహద్దులో ఉంది.
• బోసాన్ పేరు: భారతీయ శాస్త్రవేత్త సత్యేంద్రనాథ్ బోస్ పేరు మీదుగా 'బోసాన్' అని పేరు వచ్చింది.

భారతీయ శాస్త్రవేత్తల పేర్లు, వారి ఆవిష్కరణలు, నోబెల్ బహుమతులు పరీక్షల్లో తప్పనిసరిగా వచ్చే అంశం.

• సి.వి. రామన్ (C.V. Raman): రామన్ ఫలితం (Raman Effect) కనుగొన్నారు – కాంతి పదార్థం గుండా వెళ్ళినప్పుడు పరిక్షేపణ చెంది తరంగదైర్ఘ్యం మారడం.
• ఈ ఆవిష్కరణ 28 ఫిబ్రవరి 1928. అందుకే ఫిబ్రవరి 28 'జాతీయ విజ్ఞాన దినోత్సవం'.
• 1930లో భౌతిక శాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి – ఈ బహుమతి పొందిన తొలి ఆసియా వ్యక్తి.
• ఎస్.ఎన్. బోస్:
  1. ఐన్‌స్టీన్‌తో కలిసి బోస్–ఐన్‌స్టీన్ గణాంకాలు
  2. బోసాన్ కణాలకు ఆయన పేరు.
• సుబ్రహ్మణ్యన్ చంద్రశేఖర్: 'చంద్రశేఖర్ పరిమితి' (సుమారు 1.4 సౌర ద్రవ్యరాశులు) – తెల్ల మరుగుజ్జు నక్షత్రం గరిష్ఠ ద్రవ్యరాశి. 1983లో భౌతిక నోబెల్ (సి.వి. రామన్ మేనల్లుడు).
• హోమీ జె. భాభా:
  1. భారత అణు కార్యక్రమ పితామహుడు
  2. టాటా ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ ఫండమెంటల్ రీసెర్చ్ (TIFR), అణుశక్తి సంస్థ స్థాపకుడు. ట్రాంబేలోని పరిశోధనా కేంద్రానికి ఆయన పేరు (BARC).
• విక్రమ్ సారాభాయ్: భారత అంతరిక్ష కార్యక్రమ పితామహుడు.
• జగదీష్ చంద్రబోస్:
  1. రేడియో తరంగాలు, మొక్కల్లో స్పందనపై పరిశోధన
  2. క్రెస్కోగ్రాఫ్ పరికర ఆవిష్కర్త.
• మేఘనాథ్ సాహా: నక్షత్రాల్లో అయనీకరణ సమీకరణం (Saha Ionization Equation).