వికిరణం (ద్రవ్యాల ద్వంద్వ స్వభావం)

ఆవిష్కరణలకు మూలం.. ఆ కాంతి తరంగం!

చుట్టూ ఉన్న వస్తువులు, ఆకారాలు, రంగులు సహా ప్రపంచమంతటినీ కళ్లు ఎలా చూడగలుగుతున్నాయి? మొబైల్స్, రేడియోలు, టెలివిజన్లు ఏవిధంగా పనిచేస్తున్నాయి? కింద పడిపోయినప్పుడు ఏదైనా ఎముక విరిగినట్లు స్కానింగ్‌లో ఎలా తెలుస్తుంది? వీటన్నింటికీ కారణం విద్యుదయస్కాంత వికిరణం. దీని వల్లే ప్రతి కంటికీ అన్నీ కనిపిస్తున్నాయి. కమ్యూనికేషన్‌ నడుస్తోంది. శరీరం లోపలి భాగాలను పరిశీలించగలుతున్నారు. నిత్య జీవితాలతో ముడిపడిన భౌతికశాస్త్రంలోని ఈ అధ్యాయంపై పోటీ పరీక్షల కోణంలో అభ్యర్థులు అవగాహన పెంచుకోవాలి.  

 విద్యుదయస్కాంతంపై మాక్స్‌వెల్‌ సమీకరణాలు, విద్యుదయస్కాంత తరంగాల ఉత్పత్తి, శోధనలపై 1887లో హెర్ట్జ్‌ చేసిన ప్రయోగాలు కాంతి తరంగ స్వభావాన్ని పటిష్ఠంగా స్థాపించాయి. అదే సమయంలో ఉత్సర్గ నాళంలో అల్పపీడన వాయువుల ద్వారా విద్యుత్తు ఉత్సర్గం చెందడం వల్ల జరిగిన ప్రయోగాత్మక పరిశోధనలు అనేక చారిత్రక ఆవిష్కరణలకు దారితీశాయి. 1895లో రాంట్‌జన్‌ X-కిరణాల ఆవిష్కరణ, 1897లో జె.జె.థామ్సన్‌ ద్వారా జరిగిన ఎలక్ట్రాన్‌ ఆవిష్కరణలు పరమాణు రచనను అవగాహన చేసుకోడానికి తోడ్పడిన ముఖ్యమైన మైలురాళ్లు.

ఫొటో విద్యుత్ఫలితం: హెన్రిచ్‌ హెర్ట్జ్‌ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలపై ప్రయోగాలు చేస్తున్నప్పుడు ఫొటో విద్యుద్గారం అనే దృగ్విషయాన్ని 1887లో కనుక్కున్నాడు. స్పార్క్‌ ఉత్సర్గం వల్ల ఉత్పత్తయ్యే విద్యుదయస్కాంత తరంగాలపై ఆయన చేసిన ప్రయోగాత్మక పరిశోధనలో ఆర్క్‌ దీపం నుంచి వెలువడే అతినీలలోహిత కాంతి ఉద్గారక ఫలకాన్ని ప్రదీప్తం చేసినప్పుడు శోధక టాఫ్‌కు అడ్డంగా అధిక ఓల్టేజీని ఏర్పరిచే విస్ఫులింగాలు అధికమవడాన్ని హెర్ట్జ్‌పరిశీలించాడు.

లోహ ఉపరితలాన్ని కాంతితో ప్రకాశింపజేసినప్పుడు దాని నుంచి స్వేచ్ఛా విద్యుదావేశ కణాలు అంటే ఇప్పుడు అందరికీ తెలిసిన ఎలక్ట్రాన్‌లు ఏదో ఒక రకంగా తప్పించుకోవడం సులువవుతుంది. ఒక లోహతలంపై కాంతి పడినప్పుడు ఉపరితలానికి దగ్గరలో ఉన్న కొన్ని ఎలక్ట్రాన్‌లు, పదార్థంలోని ధన అయాన్లు ఆకర్షణను అధిగమించడానికి సరిపడేంత శక్తిని ఆ పతన వికిరణం నుంచి శోషించుకుంటాయి. ఆ విధంగా లోహ ఉపరితలం నుంచి చుట్టూ ఉన్న ప్రదేశంలోకి ఆ ఎలక్ట్రాన్‌లు పలాయనం చెందడాన్ని ఫొటో విద్యుత్ఫలితం అంటారు.

ఫొటో విద్యుత్తు ప్రవాహంపై కాంతి తీవ్రత ప్రభావం:  * ఫొటో లోహంపై పతనమయ్యే కాంతి తీవ్రతను పెంచితే ఫొటో ప్రవాహం కూడా అనులోమానుపాతంలో పెరుగుతుంది. * ఫొటో ప్రవాహం, కాంతి తీవ్రత మధ్య సంబంధం అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. * కాంతి తీవ్రత అధికమైతే ఫోటాన్‌ల సంఖ్య పెరుగుతుంది. అందుకే ఫొటో లోహం నుంచి వెలువడే ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య ఎక్కువవుతుంది. అందువల్ల ఫొటో ప్రవాహం పెరుగుతుంది. 

ఫొటో ప్రవాహంపై పొటెన్షియల్‌ ప్రభావం: ఫొటో లోహానికి ఎదురుగా ఉన్న సేకరిణి పలకపై ధన పొటెన్షియల్‌ను పెంచుతూపోతే ఫొటో ప్రవాహం ఒక సంతృప్త విలువ వరకు పెరుగుతుంది. కానీ సేకరిణిపై రుణ పొటెన్షియల్‌ను పెంచుతూ పోతే ఫొటో ప్రవాహం తగ్గి ఒక ప్రత్యేక రుణ పొటెన్షియల్‌ వద్ద ఫొటో ప్రవాహం సున్నా అవుతుంది. ఆ ప్రత్యేక రుణ పొటెన్షియల్‌ను నిరోధక పొటెన్షియల్‌ (^_-V₀) అంటారు. ఫొటో విద్యుత్తు ప్రవాహం కొన్ని అంశాలపై ఆధారపడుతుంది.అవి 1) పతన కాంతి తీవ్రత 2) ఎలక్ట్రోడులపై అనువర్తించిన పొటెన్షియల్‌ 3) ఫొటో విద్యుత్తు లోహం.

కాథోడ్‌ కిరణాలు: 0.001 మి.మీ. పాదరస పీడనం లాంటి అల్పపీడనం వద్ద ఉన్న వాయువును కలిగి ఉన్న ఉత్సర్గ నాళం అధిక విద్యుత్తు క్షేత్రానికి లోనైనప్పుడు ఆ నాళంలోని కాథోడ్‌ నుంచి వెలువడే కిరణాలను కాథోడ్‌ కిరణాలు అంటారు. వీటిని క్రూక్స్‌ కనుక్కున్నాడు. అవి ఎలక్ట్రాన్ల పుంజమని జె.జె.థామ్సన్‌ నిరూపించాడు.

పని ప్రమేయం: ఒక లోహపు ఉపరితలం నుంచి ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ తప్పించుకెళ్లడానికి కావాల్సిన కనిష్ఠ శక్తిని ఆ లోహ పని ప్రమేయం అంటారు.

ఐన్‌స్టీన్‌ ఫొటో విద్యుత్తు సమీకరణం: ఐన్‌స్టీన్‌ సమీకరణం ప్రకారం, ఫొటో ఎలక్ట్రాన్‌ గరిష్ఠ గతిజ శక్తి 

దీనిలో ఎలక్ట్రాన్‌ ఆవేశం e, ప్లాంక్‌ స్థిరాంకం h, పని ప్రమేయం లు స్థిరాంకాలు. కాబట్టి నిరోధక పొటెన్షియల్‌ V₀ పతన కాంతి పౌనఃపున్యం 

నకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుందని ఐన్‌స్టీన్‌ సమీకరణం తెలియజేస్తోంది.

మిల్లికాన్‌ ప్రయోగం: విద్యుదావేశం క్వాంటీకరణం చెంది ఉంటుందని మిల్లికాన్‌ ప్రయోగం నిరూపించింది. ప్రకృతిలో ప్రాథమిక ఆవేశం e = 1.602 X 10^-19c అని మిల్లికాన్‌ కనుగొన్నారు.

ఫొటో సూక్ష్మగ్రాహక పదార్థాలు: సోడియం, లిథియం, పొటాషియం, రుబీడియం, సీజియం లాంటి క్షార లోహాలు ఫొటో సూక్ష్మగ్రాహక పదార్థాలు. ఎందుకంటే వాటిపై తగిన పౌనఃపున్యం ఉన్న కాంతి పడినప్పుడు ఎలక్ట్రాన్‌లు వెలువడతాయి.

హైసన్‌బర్గ్‌ అనిశ్చితత్వ సూత్రం: ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ లేదా ఇతర కణం స్థానాన్ని, ద్రవ్యవేగాన్ని ఏకకాలంలో కచ్చితంగా కొలవడం అసాధ్యం. కణం స్థానంలోని అనిశ్చితత్వం , దాని ద్రవ్యవేగంలోని అనిశ్చితత్వం అయితే ల లబ్ధం h కు సమానం. అంటే
 

డిబ్రాయ్‌ సంబంధం: డిబ్రాయ్‌ సంబంధం ద్రవ్య కణాలకు ఉంటే తరంగ స్వభావాన్ని వివరిస్తుంది.

డేవిస్సన్, జెర్మర్‌ల ప్రయోగం:  ఈ ప్రయోగం ఎలక్ట్రాన్‌లకు తరంగ స్వభావం ఉంటుందని నిరూపించింది.

* ఒక పొటెన్షియల్‌తో త్వరణీకరించిన ఎలక్ట్రాన్‌ పుంజం ఒక నికెల్‌ టార్గెట్‌ను ఢీకొని వివర్తనం చెందుతుంది. నికెల్‌ స్ఫటికం నుంచి వివర్తనం చెందిన ఎలక్ట్రాన్‌లను లెక్కించడానికి చలించగలిగే సేకరిణి, గాల్వానా మీటర్‌లు అమర్చి ఉంటాయి.

* ఎలక్ట్రాన్‌ పరిక్షేపణం కొన్ని ప్రత్యేక కోణాల్లో మాత్రమే గరిష్ఠంగా ఉంటుందని డేవిస్సన్, జెర్మర్‌ కనుక్కున్నారు.

* ఒక ప్రత్యేక కోణంలో ఎలక్ట్రాన్‌ పుంజం సాంద్రత గరిష్ఠంగా ఉండటానికి కారణం స్ఫటికం వివిధ పొరల నుంచి పరిక్షేపణం చెందిన ఎలక్ట్రాన్‌ తరంగాల మధ్య వ్యతికరణం జరగడమే. కొలతల ద్వారా ఎలక్ట్రాన్‌ తరంగాల తరంగ దైర్ఘ్యం 0.165nm ఉంటుందని డేవిస్సన్, జెర్మర్‌లు గుర్తించారు.

* డిబ్రాయ్‌ ద్రవ్య తరంగ దైర్ఘ్య సమీకరణం

ప్రకారం వచ్చిన విలువ 0.167nm పై విలువకు దాదాపు సమానం కాబట్టి ఎలక్ట్రాన్‌కు తరంగ స్వభావం  ఉంటుందని నిరూపణ అయింది. ఎందుకంటే తరంగానికి మాత్రమే తరంగదైర్ఘ్యం ఉంటుంది.

కాంతికణ స్వభావం - ఫోటాన్‌: కాంతి క్వాంటంకు ద్రవ్య వేగాన్ని కూడా ఆపాదించవచ్చని ఐన్‌స్టీన్‌ గుర్తించాడు. శక్తితో పాటు ద్రవ్యవేగానికి ఒక నిర్దిష్టమైన విలువ ఉండటం అనేది ఒక క్వాంటంను ఒక కణంతో అనుబంధీకరించవచ్చని తెలియజేస్తుంది. ఈ కణానికి ఫోటాన్‌ అని తర్వాత పేరు పెట్టారు. ఎలక్ట్రాన్‌ల నుంచి జరిగే X - కిరణాల పరిక్షేపణపైన ఎ.హెచ్‌.కాంప్టన్‌ చేసిన ప్రయోగాలు కాంతికి ఉండే కణ రీతి ప్రవర్తనను 1924లో ధ్రువపరిచాయి. ఐన్‌స్టీన్‌ సైద్దాంతిక భౌతిక శాస్త్రానికి చేసిన సేవలతో పాటు ఫొటో విద్యుత్తు ఫలితానికి ఇచ్చిన వివరణకు 1921లో నోబెల్‌ బహుమతి వచ్చింది. విద్యుత్తు ప్రాథమిక ఆవేశం, విద్యుత్తు ఫలితంపై చేసిన ప్రయోగాలకుగాను 1923లో మిల్లికాన్‌కు నోబెల్‌ బహుమతి ఇచ్చారు.

మాదిరి ప్రశ్నలు

1. కిందివాటిలో ఎవరి ప్రయోగాలు కాంతి తరంగ స్వభావాన్ని పటిష్ఠంగా స్థాపించాయి?

1) మాక్స్‌వెల్, హెర్ట్జ్‌     2) మాక్స్‌వెల్, రాంట్‌జెన్‌

3) హెర్ట్జ్, జె.జె.థామ్సన్‌    4) మాక్స్‌వెల్, జె.జె.థామ్సన్‌

2. పోటో విద్యుత్‌ ఫలితాన్ని కనుగొన్న శాస్త్రవేత్తను గుర్తించండి.

1) జె.జె.థామ్సన్‌     2) హెన్రిచ్‌ హెర్ట్జ్‌     3) ఐన్‌స్టీన్‌    4) లెనార్డ్‌
 

3. కాంతితీవ్రత పెరిగితే ఫోటాన్‌ల సంఖ్య పెరుగుతుంది. కాబట్టి లోహం నుంచి వెలువడే ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య?

1) తగ్గును    2) పెరుగును    3) అనంతం    4) శూన్యం

4. ఒక ప్రత్యేక రుణ పొటన్షియల్‌ వద్ద పోటో ప్రవాహం ఏమవుతుంది?

1) పెరుగుతుంది     2) తగ్గుతుంది     3) శూన్యం     4) అనంతం

 

5. కాథోడ్‌ కిరణాలను కనుగొన్న శాస్త్రవేత్త?

1) ఐన్‌స్టీన్‌     2) జె.జె. థామ్సన్‌     3) లెనార్డ్‌     4) క్రూక్స్‌

6. విద్యుదావేశం క్వాంటీకరణం చెంది ఉంటుందని వీరి ప్రయోగం నిరూపించింది?

1) డేవిస్సన్‌     2) జెర్మర్‌     3) మిల్లికాన్‌    4) హాల్వాక్స్‌

7. ద్రవ్య కణాలకు ఉండే తరంగ స్వభావాన్ని వివరించినవారు?

1) హాల్వాక్స్‌   2) జెర్మర్‌   3) ఐన్‌స్టీన్‌   4) డీబ్రాయ్‌

8. కిందివాటిలో ఎలక్ట్రాన్‌ తరంగస్వభావం ఉంటుందని నిరూపించిన ప్రయోగాన్ని గుర్తించండి.

1) మిల్లికాన్‌ ప్రయోగం   2) డేలిస్సన్, జర్మర్‌ ప్రయోగం  

3) డీబ్రాయ్‌ సంబంధం   4) హైసన్‌బర్గ్‌ అనిశ్చితత్వ నియమం

9. విద్యుత్‌ ప్రాథమిక ఆవేశం, విద్యుత్‌ ఫలితంపై జరిపిన ప్రయోగాలకు నోబెల్‌ బహుమతి పొందినవారు?

1) మిల్లికాన్‌   2) ఐన్‌స్టీన్‌   3) హాల్వాక్స్‌   4) జెర్మర్‌

10. ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ లేదా ఇతర కణం స్థానాన్ని, ద్రవ్యవేగాన్ని ఏకకాలంలో కచ్చితంగా కొలవడం అసాధ్యమని తెలిపినవారు?

1) మిల్లికాన్‌    2) హైసన్‌బర్గ్‌ నియమం 

3) డీబ్రాయ్‌ సంబంధం    4) హాల్వాక్స్, లెనార్డ్‌ ప్రయోగం

సమాధానాలు: 1-1; 2-2; 3-2; 4-3; 5-4; 6-3; 7-4; 8-2; 9-1; 10-2.

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం