நம்மால் ஏன் எலெக்ட்ரானை பார்க்க முடியாது ?

மிக அதிகமாக யோசிக்கும் பழக்கம் எனக்கு உள்ளது, டாக்டர் ஸ்ட்ரேஞ் உடன் போட்டிபோடும் அளவுக்கு ஒரே பிரச்சினைக்கு பல்வேறு முடிவுகளை கற்பனை செய்து பார்க்கும் பழக்கம் உண்டு. அப்படி கடந்த வாரம் தூங்கிக் கொண்டிருக்கும் போது ஏன் இவ்வளவு தொழில்நுட்ப வளர்ச்சி ஏற்பட்டும் நம்மால் எலெக்ட்ரானையோ அல்லது புரோட்டானையோ பார்க்க முடியவில்லை ? என்ற எண்ணம் தோன்றிவிட்டது. தூங்க போகும் போது தான் இந்த எண்ணம் வர வேண்டுமா என்று கடுப்பாகி யோசிக்க ஆரம்பித்தேன், இருக்கவே இருக்கிறார் நம் அண்ணண் chatgpt, அண்ணனையும் அர்த்த ராத்திரியில் எழுப்பி கேள்வியை தட்டி விட்டேன், chatgpt அண்ணணோ Heisenberg uncertainty principle என்ற இடத்தில் வந்து நின்றார். Heisenberg uncertainty principle என்றால் என்ன என்பதை பார்பதற்கு முன்பு சில அடிப்படைகளை தெரிந்து கொள்வோம். இல்லையென்றால் இந்த கட்டுரையே புரியாமல் போகலாம்......

ஃபோட்டான் மகிமை

நாம் எப்படி பார்க்கிறோம் என்று கேட்டால் "கண்ணால்" என்று மொக்கை ஜோக்ஸ் அடிப்பவர்கள் தான் நிறைய பேர். ஆனால் உண்மையில் நாம் எப்படி பார்க்கிறோம் என்ற அறிவியலை யாரும் புரிந்துக் கொள்ள முற்படுவதில்லை. நாம் அனைவரும் ஒளியின் மூலமாக தான் எல்லாவற்றையும் பார்க்கிறோம், ஒளியில் இருக்கும் இந்த ஃபோட்டான் ஒரு பொருள் மீது விழுந்து அந்த பொருளில் இருந்து பிரதிபலித்து நம் கண்களுக்கு வரும், நம் கண்களில் கூம்புகளும் உருளைகளும் (cone and rods) இந்த ஃபோட்டானை மின் சமிக்ஞைகளாக மாற்றி மூளைக்கு அனுப்பும் மூளை அதை படமாக மாற்றி புரிந்துக்கொள்ளும், இதெல்லாம் வெறும் 13 மில்லி செகண்ட்குள் நடந்து முடிந்துவிடும், அம்புட்டு வேகம்.... ஆக ஃபோட்டான் இல்லாமல் நம்மால் எதையும் பார்க்க முடியாது. இதனால் தான் நமக்கு இருட்டில் ஒன்றும் தெரியவதில்லை. முதல் விஷயம் முடிந்தது, இப்போது அடுத்த விஷயம்.

வர்ணம்+ஜாலம் = வர்ண ஜாலம் 

பொருளை பார்ப்பது ஃபோட்டானால் என்றால் வண்ணங்களை நாம் எப்படி பார்க்கிறோம்? இங்கு தான் நம் ஃபோர் அணு மாதிரியை பற்றி கொஞ்சம் தெரிந்துக்கொள்வோம், ஃபோர் அணு மாதிரி கிட்டத்தட்ட நம் சூரிய குடும்பம் போன்றது,சூரியனை போல் அணுக்கரு மையத்தில் இருக்கும், அதை சுற்றி எலெக்ட்ரான்கள் கோள்களை போல் சுற்றி வரும் இது தான் அமைப்பு. எலெக்ட்ரான்களுக்கு ஆற்றலை கொடுக்கும்போது அவை தன்னுடைய இயல்பான ஆற்றல் தளத்தில் (Ground state) இருந்து உயர்மட்ட ஆற்றல் தளத்திற்கு போகும் (excited state). இப்படி ஒரு பொருளின் மீது விழும் ஒளியின் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு அலைநீளத்தை மட்டும் இந்த எலெக்ட்ரான் உறிஞ்சிக் கொள்ளும். மீதமுள்ள அலைநீளம் கொண்ட ஒளியை பிரதிபலித்துவிடும். இந்த பிரதிபலித்து வரும் ஒளியை தான் நாம் வண்ணமாக பார்க்கிறோம். உதாரணமாக ஆப்பிளானது கண்ணுக்கு புலப்படும் நிறமாலையில்(visible spectrum) உள்ள அத்தனை வண்ணங்களையும் உறிஞ்சிக்கொண்டு சிவப்பு வண்ணத்தை பிரதிபலிக்கும், இதைதான் ஆப்பிளின் நிறமாக நாம் பார்க்கிறோம். எவ்வளவு உயரம் சென்றாலும் நம் இயல்பை நாம் மறக்ககூடாது என்பது போல மேலே சென்ற எலெக்ட்ரான் மறுபடியும் தன் இயல்பு நிலைக்கு திரும்பும், திரும்பும் போது தான் பெற்ற ஆற்றலை கதிர்வீச்சாக வெளியிட்டுக்கொண்டே கீழ் வரும், இந்த ஆற்றல் பெருமளவு கண்ணுக்கு புலப்படாத அலைநீளத்தில் இருக்கும், ஒரு சில நேரங்களில் ஒரு சில பொருட்களின் எலெக்ட்ரான்கள் கண்ணுக்கு புலப்படும் அலைநீளத்தில், அதாவது ஒளியாக கதிர்வீச்சை  வெளியிடும், இந்த செயல்பாட்டை தான் உறிஞ்சியொளிவீசல்(Fluorescence) மற்றும் நின்றொளிர்தல்(Phosphorescence) என்று கூறுவார்கள்.

ஏன் பார்க்க முடியாது?

இப்போது நம்முடைய முதல் கேள்விக்கு வருவோம், ஒரு நுண்ணோக்கி (Microscope) மூலம் நான் ஒரு எலெக்ட்ரானை காண வேண்டும் என்றால் அதன் மீது நான் ஒரு ஃபோட்டானை விழ வைக்க வேண்டும், ஃபோட்டான் எலெக்ட்ரான் மீது விழுந்தால் எலெக்ட்ரான் தன்னுடைய இயல்பான ஆற்றல்(Ground state)  தளத்தில் இருந்து உயர்மட்ட ஆற்றல்(excited state) தளத்திற்கு போய்விடும், நான் பார்க்க வேண்டும் என்றிருந்த எலெக்ட்ரான் அங்கு இருக்காது. 

அதேபோல், காவல்துறையினர் வேகமாக செல்லும் வாகனங்களின் வேகத்தை அளப்பது போல ஒரு கருவிக்கொண்டு நீங்கள் வேகமாக சுழலும் எலெக்ட்ரானின் வேகத்தை அளக்க முடிவெடுத்து ஒரு ஃபோட்டானையோ அல்லது வேறு ஏதோ ஒரு ஆற்றலை, நீங்கள் எலெக்ட்ரான் மீது விழ வைத்தால், எலெக்ட்ரான் அந்த ஆற்றலை எடுத்துக் கொண்டு (Conservation of momentum), தன் இயல்பை விட மிக அதிகமான வேகத்தில் சுழல ஆரம்பிக்கும், இதனால் உங்களால் அந்த தருணத்தில் ஒரு எலெக்ட்ரானின் வேகம் என்ன என்பதை துள்ளியமாக கணிக்க இயலாது. இதை தான் Heisenberg uncertainty principle விளக்குகிறது. "ஒரே நேரத்தில் அணுவின் அளவுடைய எந்த ஒரு பொருளின் வேகத்தையோ அல்லது அதன் இடத்தையோ ஒரு குறிப்பிட்ட நேரத்தில் சரியாக கணிக்க இயலவே இயலாது". 

இப்போது உங்களுக்குள்  ஒரு கேள்வி எழுந்திருக்க வேண்டும், எப்படி எலெக்ட்ரானின் இருப்பிடத்தை கணிக்காமல் எலெக்ட்ரான் இங்கு இருக்கிறது என்று விஞ்ஞானிகள் கூறுகின்றனர்கள் ? யாராலும் துள்ளியமாக இதுதான் எலெக்ட்ரான் சுழலும் இடம் இது என்று கூற முடியாது, அதனால் தான் Electron Cloud என்ற விளக்கம் உருவானது. ஒரு அணுக்கருவை சுற்றி பூசினார் போல் இருக்கும் வளையத்தை தான் "Orbital" என்று குறிப்பிடுகிறார்கள், இந்த குறிப்பிட்ட வளையத்திற்குள் எங்கு வேண்டுமானாலும் எலெக்ட்ரான் இருக்கலாம், ஆனால் அதை தாண்டி செல்ல முடியாது, இதை தான் ஆங்கிலத்தில் “Quantization of orbits” என்று குறிப்பிடுவார்கள். அதேபோல் ஒரு ஆற்றலை கொடுத்தவுடன் வேகமாக செல்லகிறாதா இல்லையா என்பதை கணிக்க இயலும். ஆனால் துள்ளியமாக இந்த தருணத்தில் எவ்வளவு வேகம் சென்றது என்பதை சொல்ல இயலாது.

Orbitals of an atom

இங்கு முக்கியமாக ஒரு விஷயத்தை நீங்கள் புரிந்துகொள்ள வேண்டும், ஒரே நேரத்தில் தான் இடத்தையும் வேகத்தையும் அளக்க முடியாதே தவிர, தனித்தனியாக அளக்க முடியும். உங்களுக்கு ஒரு எலெக்ட்ரானின் இருப்பிடத்தை துள்ளியமாக கணிக்கமுடியும் பட்சத்தில் அங்கு உங்களால் அதன் வேகத்தை சொல்ல இயலாது. ஒருவேளை நீங்கள் துள்ளியமாக வேகத்தை கணிக்க முடிந்தால், உங்களால் அதன் இருப்பிடத்தை கூற இயலாது.

எலெக்ட்ரானின் இருப்பிடத்தை கணிக்க சில வழிமுறைகள் உண்டு, அவை 

1. Electron Microscopy (EM) ~1-10 nm accuracy

2. Scanning Tunnelling Microscopy (STM): ~0.1-1 nm accuracy

3. Atomic Force Microscopy (AFM): ~1-10 nm accuracy

4. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS): ~1-10 nm accuracy

5.Quantum Tomography: ~10-100 pm accuracy

அதே போல் எலெக்ட்ரானின் வேகத்தை கணிக்க சில வழிமுறைகள் உண்டு, அவை: 

1. Electron Spectroscopy

2. Momentum-Resolved Electron Energy Loss Spectroscopy (M-EELS)

3. Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES)

4. Low-Energy Electron Diffraction (LEED)

5. Time-of-Flight (TOF) Spectrometry

இந்த விஷயத்தை நீங்கள் ஒரு சமன்பாடுகளாக பார்க்க விரும்பினால்: 

Change in position is inversely proportional to change in momentum. So Higher the accurate value of position lower accuracy in the measurement of the momentum,(position)

Vice versa, (for momentum)

இப்போது நம்முடைய கேள்விக்கு விடை புரிந்திருக்கும். அடுத்த பகுதியில் சந்திக்கிறேன்.