Rutherford: Atom-Molecule- Nucleus and Neutrons

Rutherford: Atom-Molecule- Nucleus and Neutrons

रदरफोर्ड :अणु-रेणू- अणूचा गाभा आणि न्यूट्रॉन्स

विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला अणूविषयी लोकांच्या मनात अविश्वास होता किंवा विचित्र कल्पना होत्या. अणूच्या गाभ्याची (न्यूक्लिअस) कल्पना कुणालाही सुचलेली नव्हती. 

1910 साली रदरफोर्डनं हॅन्स गेजरच्या मदतीनं अल्फा पार्टिकल्सचे प्रयोग केले आणि नंतर अणूच्या रचनेविषयी खूपच सुधारित मॉडेल मांडलं. 

19व्या शतकाच्या मध्यावर रदरफोर्डचे आईवडील इंग्लंडहून न्यूझीलंडला आले होते. त्याच्या वडिलांनी शेतीपासून ते रेल्वेचे स्लीपर कोचेस तयार करण्यापर्यंत सगळे उद्योग केले. 

रदरफोर्डला अकरा भावंडं आणि दहा काके-मामे होते. खरंतर त्याला लहानपणी विज्ञानाचीही फारशी आवड नव्हती. त्यानं चक्क शेती करायचं ठरवलं होतं. 

पण पुढे त्याला भौतिकशास्त्रात रस निर्माण झाला आणि मग त्यानं त्यात 1893 साली एम.ए. ही पदवीही मिळवली. स्वत:च्या तळघरात त्यानं अर्धा मैल अंतरापासूनच्या रेडिओ लहरी ओळखण्यासाठी एक 'मॅग्नेटोमीटर’ बनवला. 

X X

एके दिवशी पुढच्या संशोधनासाठी शिष्यवृत्ती मिळाल्याची बातमी त्याला कळली तेव्हा रदरफोर्ड शेतातून बटाटे गोळा करत होता. ती बातमी ऐकल्यावर तो उठला आणि त्या बटाट्यांकडे बघून म्हणाला, 'मी शेती करून काढलेले हे शेवटचेच बटाटे! आता सर्व लक्ष भौतिकशास्त्राकडे!' 

रदरफोर्डनं जे. जे. थॉम्प्सनशी लगेच संपर्क साधला! जेजेनं त्याला कॅव्हेंडिश लॅबमधे संशोधन करायचा सल्ला दिला. 

यानंतर रदरफोर्ड इंग्लंडमधे केंब्रिजमधल्या कॅव्हेंडिश लॅबोरेटरीमधे आला आणि त्यानं तो मॅग्नेटोमीटर जे. जे. थॉम्प्सनसकट सगळ्यांना दाखवला, तेव्हा सगळ्यांना कौतुकपूर्ण आचर्य वाटलं होतं.

  रदरफोर्डनं केंब्रिज सोडून कॅनडामधे मॅगिल विद्यापीठात प्राध्यापकी करायचं ठरवलं.

X X

कॅनडामधली प्रयोगशाळा सुंदरच होती. तिथे रदरफोर्डनं शिकवण्याबरोबरच रेडिओॲक्टिव्हिटीवर संशोधनही केलं. 

दोन वर्षांत थोडासा पैसा मिळवून पुन्हा न्यूझीलंडला येऊन मेरीशी लग्न केलं. 

1907 साली आर्थर शुस्टर यानं मँचेस्टर विद्यापीठातलं भौतिकशास्त्रातलं 'लँगवर्दी चेअर' हे एक प्रतिष्ठित पद स्वतः सोडून रदरफोर्डला देऊ केलं, रदरफोर्ड लगेच मॅगिल विद्यापीठ सोडून मँचेस्टरला आला. 

दुसऱ्याच वर्षी त्याला 'रेडिओॲक्टिव्हितटी  मूलद्रव्यांचा हास (डीके)' यातल्या संशोधनासाठी नोबेल पारितोषिकही मिळालं. त्याला पदार्थविज्ञानाऐवजी रसायनशास्त्रात मिळालं होतं. आणि त्याला स्वतःला रसायनशास्त्राबद्दल फारसा आदर नव्हता.

 भौतिकशास्त्राबद्दल त्याला एवढं प्रेम होतं की, एकदा तो म्हणाला होता, 'सगळे वैज्ञानिक हे एकतर भौतिकशास्त्रज्ञ तरी असतात किंवा तिकिटं गोळा करणारे (स्टॅप कलेक्टर्स) तरी असतात'.

 नोबेल पारितोषिक स्वीकारतानाही त्यानं 'माझा भौतिकशास्त्रज्ञापासून रसायनशास्त्रज्ञ कसा बनला हे माझं मलाच कळत नाहीये' असं आपल्या भाषणात म्हटलं होतं. 

जे.जे. थॉम्प्सननं जशी केंब्रिजमधे निर्माण केली होती तशीच मँचेस्टर विद्यापीठात रदरफोर्डनं भौतिकशास्त्राची मोठी परंपराच उभी केली. तिथेच हॅन्स गेजर हाही काम करायचा. रदरफोर्ड मँचेस्टरमधे चौदा वर्षं राहिला.

1921 साली कॅव्हेंडिशची प्राध्यापकी सोडून जे.जे. थॉम्प्सन जेव्हा 'ट्रिनिटी'ला गेला, तेव्हा त्या जागी रदरफोर्ड आला. 

रदरफोर्डचे प्रयोग आणि विचार सोपे आणि स्पष्ट असत.

 रदरफोर्ड दिसायलाही धिप्पाडच होता. त्यामुळे त्याचा कॅव्हेंडिशमधे खूपच दरारा असायचा. तो कायम पाईप ओढायचा. पेनऐवजी तो बऱ्याचदा पेन्सिलीनंच लिहायचा. रदरफोर्डला सगळेजण मगम (क्रोकोडाईल) म्हणत. ती न दमता जसं पुढेच जात असते आणि जाताना आवाज करते तसंच त्यांच्या मते रदरफोर्डचं असायचं. तो खरा प्रयोगशील शास्त्रज्ञ होता. नुसतं मनन किंवा चिंतन करून निरीक्षण न करता काहीतरी कल्पनेच्या भराऱ्यांच्या थिअरीज-मांडत बसण्यात त्याला फारसा रस नसे. आईनस्टाईनही त्याला एक सर्वश्रेष्ठ प्रयोगशील शास्त्रज्ञ म्हणे.

रशियातल्या कापित्झा नावाच्या शास्त्रज्ञाला रदरफोर्डच्या हाताखाली काम करायचं होतं. 'आता जागा नाही' असं रदरफोर्डनं कळवल्यावर न खचता कापित्झानं त्याला उलटटपाली विचारलं, ‘तुझ्या प्रयोगात साधारणपणे किती टक्के चूक होते?’ रदरफोर्डनं साळसूदपणे उत्तर दिलं, '10%' कापित्झानं कळवलं, 'मग मी त्या 10% पैकी आहे असं समज.' खूष होऊन रदरफोर्डनं लगेच कापित्झाला बोलावून घेतलं.

केंब्रिजच्या वास्तव्यात त्याची बायको मेरी हीच त्याची सेक्रेटरी म्हणून काम बघायची. न्यूट्रॉनचा शोध लावणारा सर जेम्स चॅडविक हा रदरफोर्ड कुटुंबाचा मित्रच झाला होता. 

त्यानं लिहून ठेवलंय,‘रदरफोर्डच्या घरी पुस्तकं अस्ताव्यस्त पडलेली असत. मेरी ही रदरफोर्डला खूपच सांभाळून घेई, आणि खाण्यापासून ते नीटनेटकेपणापर्यंत अनेक गोष्टींबद्दल त्याला बरंच काही लहान मुलाप्रमाणे समजावे आणि शिकवे.  

इलेक्ट्रॉन्स काढून घेतल्यावर पॉझिटिव्ह चार्ज असणाऱ्या हीलियमच्या अणूंनाच अल्फा पार्टिकल्स म्हणतात. रदरफोर्डनं अणूची रचना शोधण्यासाठी हे अल्फा पार्टिकल्स वेगानं सोन्याच्या पृष्ठभ आदळले. जर चेरी बन मॉडेलप्रमाणे सोन्यातला प्रत्येक अणू हा बनपावाप्रमाणे असेल, आणि त्यात जर पॉझिटिव्ह चार्ज सगळीकडे पसरलेला असेल, तर अल्फा पार्टिकल्सवरही पॉझिटिव्ह चार्ज असल्यामुळे आणि दोन पॉझिटिव्ह चार्ज असलेल्या गोष्टी एकमेकांपासून दूर जात असल्यामुळे ते सगळेच अल्फा पार्टिकल्स सोन्याच्या पृष्ठभागापासून परावृत्त व्हायला पाहिजे होते. पण तसं झालं नाही. अतिशय 10 पैकी 1) अल्फा पार्टिकल्स हे थोडे (दर 2000) परावृत्त झाले, पण बहुतांशी सगळे त्यात घुसून आरपारही गेले! असं का झालं असावं?

रदरफोर्ड यावर रात्रंदिवस विचार करायला लागला. 1911 सालच्या सुरुवातीला त्याच्या डोक्यात प्रकाश पडायला लागला. एके दिवशी गेजरला तो म्हणाला, 'मला अणूचं रहस्य कळलंय.' थॉम्प्सनच्या मॉडेलप्रमाणे हा पॉझिटिव्ह चार्ज एखाद्या द्रवपदार्थासारखा अणूभर पसरला होता. ते तसं नसून तो पॉझिटिव्ह चार्ज अणूमधे केंद्रस्थानी साठलेला आणि त्याभोवती असलेल्या पोकळीत इलेक्ट्रॉन्स फिरत असतील तरच हे असं होईल, हे त्याच्या लक्षात आलं होतं. पॉझिटिव्ह चार्ज असलेले जे अल्फा कण बरोबर त्या सोन्याच्या अणूच्या केंद्रस्थानातल्या पॉझिटिव्ह चार्जकडे जातील तेच परावृत्त होतील आणि जे त्याच्याभोवतीच्या पोकळीमधून इलेक्ट्रॉन्समधून जातील ते मात्र सरळ पुढे जातील. हे सोबतच्या आकृतीत दाखवलंय. आणि असं असेल तरच काही अल्फा पार्टिकल्स हे परावृत्त होतील आणि काही आरपार जातील. तसं नसेल तर असं होणंच शक्य नाही हे रदरफोर्डनं ताडलं. शिवाय परावृत्त होणारे अल्फा पार्टिकल्स खूपच कमी म्हणजे 20,000 पैकी 1 एवढेच 1 असल्यानं पॉझिटिव्ह चार्जच्या भोवती खूपच मोठी पोकळी असली पाहिजे आणि त्यात इलेक्ट्रॉन्स असले पाहिजेत, हेही त्याच्या लक्षात आलं. पण यामधे इलेक्ट्रॉन्स त्या पोकळीत स्थिर असतील, तर ते पॉझिटिव्ह चार्ज असणाऱ्या गाभ्याकडे आकर्षित होऊन त्यात कोसळायला पाहिजे होते. मग असं का होत नाही? याचा अर्थ, ते या गाभ्याभोवती फिरत असले पाहिजेत. जसं पृथ्वी सूर्याकडे आकर्षित होऊनही ती त्याच्याभोवती फिरत असल्यामुळे सूर्याकडे जाऊन कोसळत नाही तसंच हे असलं पाहिजे, हे रदरफोर्डनं ताडलं. यावरूनच मंग पॉझिटिव्ह चार्ज तयार असलेला न्यूक्लिअसचा गाभा आणि त्याभोवती फिरणारे इलेक्ट्रॉन्स असं मग अणूचं मॉडेल तथा झालं. हे ग्रहांच्या भ्रमणांप्रमाणेच होतं. पृथ्वी जशी सूर्याभोवती फिरते तसंच इथे इलेक्ट्रॉन्स हे अणूच्या न्यूक्लिअसभोवती फिरत होते. अणूंसाठी हे ग्रहांचं मॉडेल प्रथम हँटॅरो नागाओका (1865-1950) यानं सुचवलं होतं. या गाभ्यातल्या पॉझिटिक चार्जच्या कणांनाच मग ‘प्रोटॉन' असं म्हणायला लागले.

अणूचा न्यूक्लिअस अणूपेक्षा खूपच लहान असतो. म्हणजे अणूचा आकार न्यूक्लिअसच्या 1000000000000000 (1 वर 15 शून्य) एवढ्या पटीनं असतो. म्हणजे अणू हा एक मोठा हॉल समजला, तर न्यूक्लिअस म्हणजे फक्त एक मुंगी होईल! म्हणजे अणू हा बऱ्यापैकी पोकळ असतो. आपण जेव्हा खुर्चीवर बसतो तेव्हा आपल्या पृष्ठभागावरच्या अणूंमधले इलेक्ट्रॉन्स आणि खुर्चीवरच्या अणूंचे इलेक्ट्रॉन्स यांच्यातल्या प्रतिकर्षणामुळे आपण खरंतर किंचितसे हवेतच तरंगत असतो! प्रत्यक्ष आपण खूर्चीला खऱ्या अर्थानं स्पर्श करतच नसतो. तो केवळ एक आभासच असतो! ! त्यातून हायड्रोजन आणि नायट्रोजन यांच्याअणूमधले न्यूक्लिअस हे सतत गिरकी (स्पिन) घेत असतात, पण कार्बन आणि ऑक्सिजन यांच्यासारख्या अणूमधले न्यूक्लिअस मात्र तसं करत नाहीत अशा पुन्हा गमती आहेतच.

पण यात दोन प्रश्न शिल्लक होतेच. एक म्हणजे – न्यूक्लिअसमधेच असणारे प्रोटॉनचे अनेक पॉझिटिव्ह चार्ज असलेले अनेक कण एकमेकांना प्रतिकर्षित (रिपेल) करून एकमेकांपासून दूर होऊन त्या अणूच्या चिंधड्या का होत नाहीत? याचं उत्तर रदरफोर्डला सापडलं ते न्यूट्रॉनमधे! रदरफोर्डच्या मते अणूच्या गाभ्यात प्रोटॉनबरोबरच 'न्यूट्रॉन' नावाचाही कण असला पाहिजे. या न्यूट्रॉन्सना  कुठलाच चार्ज नसतो. या न्यूट्रॉन्समुळेच हे प्रोटॉन्स एकमेकांपासून दूर जात नाहीत. म्हणजे आता रदरफोर्डचं अणूचं मॉडेल पूर्ण झालं होतं. प्रत्येक अणूला एक गाभा असतो आणि त्यात पॉझिटिव्ह चार्ज असलेले प्रोटॉन्स आणि काहीच चार्ज नसलेले न्यूट्रॉन्स असतात आणि त्या गाभ्याभोवतीच्या पोकळीमधे निगेटिव्ह चार्ज असलेले इलेक्ट्रॉन्स फिरत असतात. हे थिअरी म्हणून सगळं ठीक होतं. पण या न्यूट्रॉन्सचं अस्तित्व सिद्ध करण्याची गरज होती. 

रदरफोर्डचा सहकारी जेम्स चॅडविक यानं या कामासाठी आयुष्याची चक्क अकरा वर्षं घालवून शेवटी 1932 साली न्यूट्रॉनचं अस्तित्व प्रयोगांती सिद्ध केलं. त्यालाही 1935 साली नोबेल पारितोषिक मिळालं. पण बूर्स आणि इतर काही इतिहासकारांच्या मते, न्यूट्रॉनचा हा शोध उशिरा लागला, हे खूपच बरं झालं. कारण अणुबॉब बनवण्यासाठी या शोधाची खूपच गरज होती. हा शोध जर लवकर लागला असता तर अणुबाँबही लवकरच बनला असता आणि तो नाझींनीच बनवला असता, हेही निश्चित. कदाचित आजही स्वस्तिक घेऊन आपण रस्त्यात परेड करत फिरलो असतो.

इलेक्ट्रॉन्स आणि प्रोटॉन्स हे आपण कुठल्याही अणूकडे जोरात वेगानं सोडले तर ते त्या अणूमधल्या अनुक्रमे इलेक्ट्रॉन्स आणि प्रोटॉन्समुळे प्रतिकर्षित (रिपेल) होऊन परत फिरू शकतात. (म्हणजे इलेक्ट्रॉन्स हे अणूमधल्या इलेक्ट्रॉन्समुळे आणि प्रोटॉन्स हे अणूमधल्या प्रोटॉन्समुळे). पण न्यूट्रॉन्सना कुठलंच आकर्षण किंवा प्रतिकर्षण नसल्यानं ते दुसऱ्या अणूच्या न्यूक्लिअसवर आदळून त्यात घुसून "ॲटोमिक फिशन’ची भयानक प्रक्रिया सुरू करू शकतात, ही या बाँबच्या मागची कल्पनाआणि म्हणूनच न्यूट्रॉनच्या शोधानंतर शास्त्रज्ञ अणूबॉब तयार करण्याच्या मागे लागले.

 1914 मध्ये चॅडविकनं एक वर्ष बर्लिनमधे काढायचं ठरवलं. त्याचवेळी जर्मनी आणि इतर राष्ट्रांत पहिलं महायुद्ध पेटलं होतं. ट्रॅव्हल एजंटनं चॅडविकच्या सुरक्षिततेचा विचार न करता 'सगळं ठाकठीक आहे' असं चुकीचं आणि बेजबाबदारपणे सांगितल्यामुळे बिचारा चॅडविक जर्मनीत शत्रुराष्ट्राच्या तावडीत सापडला आणि चक्क पाच वर्षं जवळपास कैदेतच अडकून बसला. तुरुंगातच त्यानं 'सायन्स सर्कल' स्थापलं, बरेच प्रयोग केले. त्या तुरुंगात थंडी प्रचंडच होती, आणि तिथे वीजही नसायची. तिथे खायलाही व्यवस्थित मिळायचं नाही. तरीही तिथेच मग चॅडविकनं इलेक्ट्रोस्कोपी, रेडिओॲक्टिव्हिटी, इलेक्ट्रोमॅग्नेट्स वगैरेंवरही बरेच प्रयोग केले. यासाठी उपकरणं मिळवून देण्यासाठी मॅक्स प्लँकची मदत झाली होती. कालांतरानं चॅडविकनं परत येऊन न्यूट्रॉनचा शोध लावला होता.

रदरफोर्डच्या मॉडेलमधला दुसरा प्रश्न असा होता की, हे इलेक्ट्रॉन्स न्यूक्लिअस भोवती फिरत का राहतात? न्यूक्लिअसकडे जाऊन कोसळत कसे नाहीत? हा प्रश्न पडण्यामागेही एक कारण होतं.

X X

 19व्या शतकात मायकेल फॅरेडे आणि मॅक्स्वेल यांनी दाखवलं होतं की, इलेक्ट्रिकल चार्ज असलेला कण जर सरळ रेषेत जात असेल, तर ठीक आहे. पण त्यानं दिशा बदलली तर त्यातून उत्सर्जन बाहेर पडतं (सिंन्क्रोटॉन रेडिएशन) आणि तसं झालं तर त्यांच्यातली ऊर्जा (एनर्जी) कमी कमी होत जाते. या तत्त्वाप्रमाणे या न्यूक्लिअसभोवती गोल फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉनची दिशा सततच दर क्षणाला बदलत असल्यामुळे त्याची ऊर्जा कमी कमी व्हायला पाहिजे होती, आणि त्यानुसार तो इलेक्ट्रॉन हळूहळू लहान लहान वर्तुळात किंवा कक्षेत फिरायला लागून शेवटी न्यूक्लिअसमधे जाऊन आदळायला पाहिजे होता. मग असं का होत नव्हतं?

रदरफोर्डला याचं उत्तर काही मिळेना. रदरफोर्ड  प्रयोगात तरबेज होता. पण असले किचकट, 'तात्त्विक', 'काल्पनिक' प्रश्न सोडवायला त्याला मुळीच आवडत नसे. याच वेळी नील्स बोहरची  एन्ट्री झाली. आणि यातूनच रदरफोर्ड बोहर क्वांटम मॉडेल उभं राहिलं. रदरफोर्डनं अल्फा पार्टिकल्स नायट्रोजनवर आदळले तेव्हा नायट्रोजनच्या अणूंचं ऑक्सिजनच्या अणूंमधे रूपांतर झालं होतं. अशा तऱ्हेनं एका मूलद्रव्यापासून चक्क नवीन मूलद्रव्य निर्माण करणारा रदरफोर्ड हा पहिलाच शास्त्रज्ञ होता. 

पण या अणूतून उर्जा किंवा अणुबाँब तयार करता येईल असं मात्र त्याला कधीच वाटायचं नाही. आणि जरी E=mc2 हे समीकरण आईनस्टाईननं मांडलं असलं तरी अणूपासून ऊर्जा माणसाला तयार करता येईल असं मात्र आईनस्टाईनलाही कधी वाटत नसे. रदरफोर्डनं नील्स बोहरला खूपच प्रोत्साहन दिलं. त्या दोघांत खूपच चांगली मैत्री झाली. एका समारंभात बोहरनं रदरफोर्डचा उल्लेख ‘लॉर्ड रदरफोर्ड’ असा केला.

 रदरफोर्ड ऑक्टोबर 15, 1937 रोजी वयाच्या 66व्या वर्षी हार्नियाच्या शस्त्रक्रियेनंतर चारच दिवसांत मरण पावला. त्याला न्यूटनशेजारीच 'वेस्टमिन्स्टर  ॲबे' इथे पुरण्यात आलं. त्याला आयुष्यात प्रचंडच मानमरातब मिळाले. 

रदरफोर्डनं अणूचं नवीन मॉडेल मांडून विश्वाविषयीच्या आपल्या कल्पनेत/ज्ञानात एक मोठंच पाऊल उचललं होतं, यात शंकाच नाही.

Comment and share