શું છે આ Quantum Physics? (ભાગ-૩)
ઇ.સ.૧૯૨૦માં પરમાણુને સ્થિરતા પ્રદાન કરવાનું કાર્ય નિલ્સ બોહરે કર્યું. પરમાણુ સ્થિર કેવી રીતે રહી શકે છે એનું બોહર મોડેલ ડેન્માર્કના ભૌતિકવિજ્ઞાની નિલ્સ બોહરે રજૂ કર્યું, જેના માટે તેમને ઇ.સ.૧૯૨૨નું પ્રતિષ્ઠિત નોબેલ પ્રાઇઝ એનાયત કરવામાં આવ્યું. પરમાણુ કેવો હતો એ વિશે આની પહેલાં બે મોડેલ અપાયા જે નિષ્ફળ નિવડ્યા.
ઇ.સ.૧૮૯૭માં ઇલેક્ટ્રોનની શોધ માટે ખ્યાતી મેળવનાર સર જે.જે.થોમ્સને ઇ.સ.૧૯૦૪માં પ્રમાણુની સ્થિરતા સમજાવતું plum pudding model આપ્યું. આ મોડેલને Watermelon model અર્થાત તડબુચ મોડેલ પણ કહેવાય છે. એની સંરચના તડબુચ જેવીજ હતી. તડબુચના ગર (અથવા ગર્ભ) નાં સ્થાને અહીં ધન વિદ્યુતભારો સમાન રીતે વહેંચાયેલા હતાં. જ્યારે ઋણ વિદ્યુતભારિત ઇલેક્ટ્રોન તડબુચના બીયા ની જેમ અહીં તહીં વિખેરાયેલા પડ્યાં હતાં, પણ તે સ્થિર હતાં. થોમ્સનના પરમાણુ મોડેલમાં એમનાજ શિષ્ય એવાં અર્નેસ્ટ રૂધરફોર્ડે ધરમૂળથી સુધારા કર્યાં. રૂધરફોર્ડ એ સૌપ્રથમ વ્યક્તિ હતાં જેમણે એ દર્શાવ્યું કે પરમાણુનું એક કેન્દ્ર હોય છે, જેને ન્યુક્લિયસ કહે છે. પરમાણુનાં કેન્દ્રમાં ધન વિદ્યુતભારિત પ્રોટોન આવેલાં હોય છે, જે મોટેભાગે સ્થિર રહે છે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની આસપાસ ગોળાકાર ભ્રમણકક્ષામાં ગરબે ઘુમે છે. રૂધરફોર્ડનો પ્રયત્ન કાબિલે-તારીફ હતો પણ એમાં એક સમસ્યા હતી. ગોળ ફરતાં એટલે કે વર્તુળગતિ કરતાં ઇલેક્ટ્રોન પ્રવેગિત ગતિ કરે છે તેમ કહેવાય. પ્રવેગ એટલે વેગના મૂલ્ય અથવા દિશામાં થતો વધારો કે ઘટાડો. વર્તુળગતિ કરતાં ઇલેક્ટ્રોનના વેગની દિશા સતત બદલાતી જતી હોવાથી તે પ્રવેગિત ગતિ કરશે. પરંતુ મેક્સવેલના સર્વવ્યાપ્ત સમીકરણો મુજબ પ્રવેગિત ગતિ કરતો પદાર્થ કે કણ ઉર્જાનું ઉત્સર્જન કરશે અને જો ઉર્જાનું ઉત્સર્જન સતત થતું રહે તો ઉર્જા ગુમાવતો ઇલેક્ટ્રોન ધીમે ધીમે ન્યુક્લિયસ તરફ પતન પામતો જાય છે. તે ક્રમશ: સ્પાઇરલ આકારમાં પ્રવાસ કરતો કરતો ન્યુક્લિયસમાં પડી જશે અને પરમાણુંનું સ્વાહા થઇ જશે. પરમાણુ ટકી શકશે નહી. પણ ખરેખરમાં તો પરમાણુ ટકે છે અને પરમાણુઓ ભેગા થઇ અણુ બનાવે છે અને અણુઓ ભેગા થઇ તમામ પદાર્થોને, તમને અને મને બનાવે છે. એટલે પરમાણુ સ્થિર કેવી રીતે રહે છે એ રહસ્ય તો ઉકેલવું જ રહ્યું. આખરે બોહર મોડેલ આવ્યાં પછી પરમાણુ સ્થિર કેવી રીતે રહે છે એ રહસ્ય ઉકેલાયું.
* બોહરનું પરમાણુ મોડેલ
બોહરે એવું કહ્યું કે પરમાણુઓ સ્થિર રહેવાનું એકમાત્ર કારણ એમની સ્થિર અને ચોક્કસ ભ્રમણકક્ષાઓ છે. રૂધરફોર્ડના મોડેલમાં પ્રવેગિત ગતિ કરતો ઇલેક્ટ્રોન સ્પાઇરલ બનાવી ન્યુક્લિયસમાં પતન પામતો હતો અને એટલે જ એ મોડેલ નિષ્ફળ ગયું હતું. જ્યારે બોહરના મત મુજબ આ રીતે ઇલેક્ટ્રોન પતન પામી શકે નહી. ઇલેક્ટ્રોન ચોક્કસ ભ્રમણકક્ષા સાથે બંધાયેલો રહે છે. તેને ચોક્કસ લિમિટથી વધારે ઉર્જા આપવામાં આવે તો એ ઉત્તેજિત થઇ તેનાથી ઉપરની ભ્રમણકક્ષામાં જઇ શકે છે (જેમકે ભ્રમણકક્ષા નં.૨ માંથી કુદકો મારી ભ્રમણકક્ષા નં.૩માં જવું) પણ બંને ભ્રમણકક્ષાઓ (નં.૨ અને ૩) ની વચ્ચેની જગ્યામાં રહી શકતો નથી. તમે ઇલેક્ટ્રોનને થોડી ઉર્જા આપો તો એ હલશે જ નહી અને વધુ ઉર્જા આપો તો એ ઉપરની ભ્રમણકક્ષામાં જતો રહેશે પણ બંનેની વચ્ચેની ખાલી જગ્યામાં એ અસ્તિત્વ ધરાવી શકતો નથી. બોહરે ગાણિતીક પ્રમાણો સાથે એની થિયરીને ફુલપ્રુફ રીતે સાબિત કરી દીધી. આમ, બે ભ્રમણકક્ષાની વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોનનું અસ્તિત્વ ન હોવું એ અફર કુદરતી સિધ્ધાંત હતો. જો તમને બે ભ્રમણકક્ષાની વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોનનું અસ્તિત્વ જ ન હોવું એ વાતમાં કોઇ ખાસ આશ્ચર્ય ન જણાતું હોય તો આ મહાઆશ્ચર્યજનક વાતને ઉદાહરણ વડે સમજીએ. બોહરે વિદ્યુતભારના ક્વોન્ટાઇઝેશન વડે આ વાત સમજાવી હતી, એને કંઇક આ રીતે સમજીએ.
માની લો કે આપણી પાસે ઘણા બધા ઇલેક્ટ્રોન છે અને આપણે એ બધાને ભેગા કરી એમને પીગાળી દઇ એમનો જ્યુસ બનાવી દઇએ છીએ. (પ્રેક્ટીકલી એ શક્ય નથી પણ ઉદાહરણ સમજવા એવું ધારી લઇએ.) હવે એક બીકર લઇએ જેના ઉપર ઇલેક્ટ્રોનનાં એક દશાંશ એકમમાં (જેમ કે ૧ મિ.લી., ૨ મિ.લી. ... એ રીતે) માર્કીંગ કરેલું છે. હવે આપણે ધીમે ધીમે જ્યુસને બીકરમાં રેડીએ છીએ. વધારે સેન્સીટીવ પ્રયોગ માટે એમ માની લો કે ડ્રોપર વડે ઇલેક્ટ્રોનના જ્યુસનું એક એક ટીંપુ ધીમે ધીમે બીકરમાં નાંખીએ છીએ. હવે થાય છે જાદુ... એક, બે, ત્રણ એમ ટીંપા પાડતા જઇએ તો પણ બીકરમાં કશું દેખાતું નથી. ડ્રોપરમાંથી ટીંપા તો પડે છે પણ બીકરમાં તે ગાયબ છે. હજી તેમનું અસ્તિત્વ જ નથી. ટીંપા પાડતા પાડતા આઠ, નવ અને દસમું ટીંપુ જેવું પડશે કે તરતજ બીકરમાં ૧ ઇલેક્ટ્રોન (જેમ કે ૧ મિ.લી.) જ્યુસ ભરાઇ જશે. ઇન્સ્ટન્ટ ઇફેક્ટ આવશે અને એટલું બીકર ભરાયેલું દેખાશે. હવે અગિયાર, બાર, તેર, ચૌદ, પંદર ..... ટીંપા પાડતાંજ જઇએ છીએ પણ બીકરમાં જ્યુસનું લેવલ સહેજ પણ વધતું નથી. જેવું વીસમું ટીંપુ પડે છે કે તરતજ અચાનક પ્રગટ થતો જ્યુસનો જથ્થો બીકરમાંના જ્યુસના લેવલને એકદમજ ૨ ઇલેક્ટ્રોન (જેમ કે ૨ મિ.લી.) સુધી પહોંચાડી દેશે અને એજ રીતે આગળ પણ ચાલતું રહેશે.
આ બધું મજાક લાગે છે ને!! વિશ્વાસ રાખજો. એ મજાક નથી જ.. એટલેજ કોઇકે કહ્યું છે કે વાસ્તવિકતા કલ્પના કરતાં ક્યાંય વધુ રોમાંચક હોય છે. ઉપર વર્ણવેલું ઉદાહરણ શત પ્રતિશત વાસ્તવિકતા છે. એના પરથી એ વાતનો અંદાજો આવે છે કે બે ભ્રમણકક્ષા વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોનનું અસ્તિત્વ જ ન હોવું એનો મતલબ શું થાય. અહીં એવું નથી કહેવામાં આવતું કે બંને ભ્રમણકક્ષા વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોન રહી શકતો નથી, તો એને અવરોધતું કોઇ પરિબળ ત્યાં હશે. ના, એવું નથી. બંને ભ્રમણકક્ષા વચ્ચે એનું અસ્તિત્વ જ નથી. એ અસ્તિત્વ ધરાવી શકતો જ નથી. આમ, ચોક્કસ ભ્રમણકક્ષામાં રહેલો ઇલેક્ટ્રોન ઉર્જા ગુમાવતો નથી અને થોડી ઉર્જા ગુમાવવાથી એને કોઇ ખાસ ફરક પડતો નથી. કારણ કે થોડી ઉર્જા ગુમાવીને વચ્ચેની જગ્યાઓમાં તો ક્યાંય એના અસ્તિત્વની શક્યતાઓ જ રહેતી નથી. જો એ વધારે પડતી ઉર્જા ગુમાવે તો પણ એ ઉર્જા ગુમાવીને તેની નીચેની ભ્રમણકક્ષામાં ખરી પડે છે અને ત્યાર પછીની જીંદગી એ ઇલેક્ટ્રોન નીચેની ભ્રમણકક્ષામાં વિતાવે છે એટલે એ સાવ ન્યુક્લિયસમાં પતન પામતો નથી. પરમાણુની સૌથી નીચેની ભ્રમણકક્ષા સૌથી વધુ stable – સ્થિર હોય છે એટલે એનો ઇલેક્ટ્રોન એટલી આસાનીથી હાર માની ન્યુક્લિયસમાં પડતું મુકતો નથી. એ એની ભ્રમણકક્ષામાં ટકી રહે છે. આમ, સંપુર્ણ પરમાણુ સ્થિર રહી શકે છે અને તમારા, મારા સહિત આખા બ્રહ્માંડનું નિર્માણ કરી શકે છે.
પરમાણુને સ્થિરતા પ્રદાન કર્યાં પછી જ્યારે કણોના વેગને (અને એજ રીતે વેગમાનને) તથા કણોના સ્થાનને એકસાથે માપવાની વાત આવી એટલે જેમ કણ નાનો થતો ગયો તેમ તેમ એમાં માપનની અનિશ્ચિતતાઓ સામે આવી. આ અનિશ્ચિતતાઓને સમજાવવા ઇ.સ.૧૯૨૭માં ભેજાબાજ જર્મન વૈજ્ઞાનિક વર્નર હાઇઝનબર્ગે અનિશ્ચિતતાનો સિધ્ધાંત આપ્યો.
* હાઇઝનબર્ગનો અનિશ્ચિતતાનો સિધ્ધાંત
એનો મૂળ અર્થ છે કે સ્થાન અને વેગમાન (વેગમાન એટલે દળ × વેગ. અર્થાત વેગમાન p=mv, જ્યાં m=દળ અને v=વેગ) બંનેને એકસાથે માપી શકાય નહી. કાંતો તમે કણનું સ્થાન ચોકસાઇથી કહી શકો, કાંતો કણનું વેગમાન. બંને એકસાથે ચોકસાઇથી કહેવું શક્ય નથી. કહો કે બંને એકસાથે ચોકસાઇથી ‘માપવું’ શક્ય નથી.
