സ്വർണത്തകിടും ആൽഫാ കണങ്ങളും : ആണവ അതികായൻ !

ന്യൂക്ലിയർ ഫിസിക്സിന് ശക്തമായ അടിത്തറയിട്ട ഏൺസ്റ്റ് റുഥർഫോഡിന്റെ 150-ാം ജന്മദിനമാണ് . അദ്ദേഹത്തിന്റെ ജീവിതവും സംഭാവനകളും അറിയാം.

നൊബേൽ സമ്മാന സമിതി എന്നെ രസതന്ത്രജ്ഞനാക്കി മാറ്റി– 1908ലെ രസതന്ത്ര നൊബേലിന് അർഹനായ ഏൺസ്റ്റ് റുഥർഫോഡിന്റെ വാക്കുകളാണിത്. എങ്ങനെ പറയാതിരിക്കും? ശാസ്ത്രം എന്നാൽ അതു ഭൗതികശാസ്ത്രമാണെന്ന് ആവർത്തിച്ചു പറഞ്ഞിരുന്ന ആളാണദ്ദേഹം. എന്നിട്ടൊടുവിൽ നൊബേൽ സമ്മാനം ലഭിച്ചതാവട്ടെ രസതന്ത്രത്തിലും.

ഏൺസ്റ്റ് റുഥർഫോഡ്

കർഷകനായ ജയിംസ് റുഥർഫോഡിന്റെയും മാർത്ത തോംസണിന്റെയും മകനായി 1871 ഓഗസ്റ്റ് 30നു ന്യൂസീലൻഡിൽ ജനിച്ച ഏൺസ്റ്റ് റുഥർഫോഡ് 1937 ഒക്റ്റോബർ 19നു കേംബ്രിജിൽ അന്തരിച്ചു. ഭാര്യ: മേരി ന്യൂട്ടൺ. മകൾ:എയ്‌ലീൻ. പ്രശസ്ത ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ആർ.എച്ച്.ഫൗളർ ആണ് എയിലീന്റെ ഭർത്താവ്.

അണു ഭൗതികത്തിന്റെ വിസ്മയ ലോകത്തിലേക്ക്

കേംബ്രിജിലെ കാവൻഡിഷ് ലബോറട്ടറിയിൽ റുഥർഫോഡിനെ കാത്തിരുന്നത് അണുഭൗതികത്തിന്റെ വിസ്മയ ലോകം തന്നെയായിരുന്നു. ഇലക്ട്രോൺ കണ്ടുപിടിച്ച ജെ.ജെ.തോംസന്റെ കീഴിൽ വാതക തന്മാത്രകളുടെ അയണീകരണം സംബന്ധിച്ചായിരുന്നു ആദ്യം ഗവേഷണം. 1896ൽ ഹെൻറി ബെക്വറൽ സ്വാഭാവിക റേഡിയോ ആക്ടിവിറ്റി കണ്ടുപിടിച്ചതോടെ റുഥർഫോഡിന്റെ ശ്രദ്ധ യുറേനിയത്തിന്റെ റേഡിയോ ആക്ടിവിറ്റിയിലേക്കു തിരിഞ്ഞു. അങ്ങനെ 1898ൽ യുറേനിയത്തിൽ നിന്നുള്ള റേഡിയോ ആക്ടീവ് വികിരണങ്ങളിൽ ആൽഫാ, ബീറ്റാ കിരണങ്ങളും ഏതാനും വർഷങ്ങൾക്കു ശേഷം ഗാമാ കിരണങ്ങളും തിരിച്ചറിയുകയും അവയുടെ ചില സവിശേഷതകൾ കണ്ടെത്തുകയും ചെയ്തു. തോറിയത്തിന്റെ ശോഷണത്തിലൂടെ രൂപം കൊള്ളുന്ന റഡോണിന്റെ ഒരു റേഡിയോ ആക്ടീവ് ഐസോടോപ്പ് പിന്നീട് കണ്ടുപിടിച്ചു. റേഡിയോ ആക്ടീവ് മൂലകങ്ങളുടെ ശോഷണത്തിലൂടെ പുതിയ മൂലകങ്ങളുടെ ഒരു നിര തന്നെ രൂപംകൊള്ളുമെന്നു റുഥർഫോഡ് തിരിച്ചറിഞ്ഞു. ന്യൂക്ലിയർ ഫിസിക്സിൽ അനന്തസാധ്യതകളിലേക്കു വിരൽ ചൂണ്ടിയ നേട്ടമായിരുന്നു അത്. റേഡിയോ ആക്ടീവ് മൂലകങ്ങളുടെ അർധായുസ്സ് സംബന്ധിച്ച പഠനങ്ങളും ഏറെ ശ്രദ്ധിക്കപ്പെട്ടു.

സ്വർണത്തകിടും ആൽഫാ കണങ്ങളും

1911ൽ റുഥർഫോഡ് നടത്തിയ ആൽഫാ സ്കാറ്ററിങ് പരീക്ഷണമാണ് ആറ്റം ചരിത്രത്തിലെ നിർണായകമായ ചില കണ്ടെത്തലുകൾക്ക് വഴിയൊരുക്കിയത്. റേഡിയത്തിൽ നിന്നുള്ള ഉന്നത ഊർജമുള്ള ആൽഫാ കണങ്ങൾ ഒരു നേർത്ത സ്വർണത്തകിടിൽ ഇടിപ്പിച്ചു. സ്വർണത്തകിടിലൂടെ കടന്നുവരുന്ന ആൽഫാ കണങ്ങൾ വൃത്താകൃതിയിൽ ക്രമീകരിച്ചിരിക്കുന്ന ഫ്ലൂറസന്റ് സിങ്ക് സൾഫൈഡ് സ്ക്രീനിൽ പതിപ്പിച്ചു. മിക്ക ആൽഫാ കണങ്ങളും സ്വർണത്തകിടിലൂടെ വ്യതിയാനമൊന്നും കൂടാതെ കടന്നു പോയി. ചില ആൽഫാ കണങ്ങളുടെ പാതയിൽ ചെറിയ വ്യതിയാനങ്ങൾ ഉണ്ടാവുന്നതും വളരെക്കുറച്ച് ആൽഫാ കണങ്ങൾ ഏതോ ഒരു ചെറിയ തടസ്സത്തിൽ തട്ടിയിട്ടെന്ന പോലെ തിരിച്ചുവരുന്നതും അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചു. ആറ്റത്തിന്റെ വ്യാപ്തത്തിൽ ഭൂരിഭാഗവും ശൂന്യമാണ്, ആറ്റത്തിലെ പോസിറ്റീവ് ചാർജും മാസ്സും മുഴുവൻ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നത് കേന്ദ്രഭാഗമായ ന്യൂക്ലിയസ്സിലാണ് എന്നീ നിഗമനങ്ങളിൽ അദ്ദേഹം എത്തിച്ചേർന്നു.

പ്രോട്ടോണിനെ തേടി

1886ൽ ഡിസ്ചാർജ് ട്യൂബ് പരീക്ഷണങ്ങളിൽ ഗോൾഡ്സ്റ്റീൻ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ നിരീക്ഷിച്ച പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള ആനോഡ് കിരണങ്ങൾ (കനാൽ കിരണങ്ങൾ) റുഥർഫോഡിന്റെ ശ്രദ്ധ കവർന്നിരുന്നു. അങ്ങനെ ഒരു ഡിസ്ചാർജ് ട്യൂബിൽ താഴ്ന്ന മർദത്തിലുള്ള വായു നിറച്ച് അതിലൂടെ ആൽഫാ കണങ്ങൾ പായിച്ചപ്പോൾ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സുകളുടെ സാന്നിധ്യം അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചു. ഇതു വായുവിലെ നൈട്രജൻ ആറ്റത്തിൽ നിന്നുള്ളതാണെന്നു തിരിച്ചറിഞ്ഞ അദ്ദേഹം നൈട്രജൻ വാതകത്തിലൂടെ ആൽഫാ കണങ്ങൾ പായിച്ചുകൊണ്ട് പരീക്ഷണം ആവർത്തിക്കുകയും കൂടുതൽ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സുകൾ രൂപംകൊള്ളുന്നതു നിരീക്ഷിക്കുകയും ചെയ്തു. ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ് എല്ലാ ആറ്റങ്ങളുടെയും ഭാഗമാണെന്ന് അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. ഈ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സിനെ പിന്നീടു പ്രോട്ടോൺ എന്നു വിളിച്ചു.

സ്വർണത്തകിടും ആൽഫാ കണങ്ങളും

1911ൽ റുഥർഫോഡ് നടത്തിയ ആൽഫാ സ്കാറ്ററിങ് പരീക്ഷണമാണ് ആറ്റം ചരിത്രത്തിലെ നിർണായകമായ ചില കണ്ടെത്തലുകൾക്ക് വഴിയൊരുക്കിയത്.

റേഡിയത്തിൽ നിന്നുള്ള ഉന്നത ഊർജമുള്ള ആൽഫാ കണങ്ങൾ ഒരു നേർത്ത സ്വർണത്തകിടിൽ ഇടിപ്പിച്ചു. സ്വർണത്തകിടിലൂടെ കടന്നുവരുന്ന ആൽഫാ കണങ്ങൾ വൃത്താകൃതിയിൽ ക്രമീകരിച്ചിരിക്കുന്ന ഫ്ലൂറസന്റ് സിങ്ക് സൾഫൈഡ് സ്ക്രീനിൽ പതിപ്പിച്ചു. മിക്ക ആൽഫാ കണങ്ങളും സ്വർണത്തകിടിലൂടെ വ്യതിയാനമൊന്നും കൂടാതെ കടന്നു പോയി. ചില ആൽഫാ കണങ്ങളുടെ പാതയിൽ ചെറിയ വ്യതിയാനങ്ങൾ ഉണ്ടാവുന്നതും വളരെക്കുറച്ച് ആൽഫാ കണങ്ങൾ ഏതോ ഒരു ചെറിയ തടസ്സത്തിൽ തട്ടിയിട്ടെന്ന പോലെ തിരിച്ചുവരുന്നതും അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചു. ആറ്റത്തിന്റെ വ്യാപ്തത്തിൽ ഭൂരിഭാഗവും ശൂന്യമാണ്, ആറ്റത്തിലെ പോസിറ്റീവ് ചാർജും മാസ്സും മുഴുവൻ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നത് കേന്ദ്രഭാഗമായ ന്യൂക്ലിയസ്സിലാണ് എന്നീ നിഗമനങ്ങളിൽ അദ്ദേഹം എത്തിച്ചേർന്നു.

പ്രോട്ടോണിനെ തേടി

1886ൽ ഡിസ്ചാർജ് ട്യൂബ് പരീക്ഷണങ്ങളിൽ ഗോൾഡ്സ്റ്റീൻ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ നിരീക്ഷിച്ച പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള ആനോഡ് കിരണങ്ങൾ (കനാൽ കിരണങ്ങൾ) റുഥർഫോഡിന്റെ ശ്രദ്ധ കവർന്നിരുന്നു. അങ്ങനെ ഒരു ഡിസ്ചാർജ് ട്യൂബിൽ താഴ്ന്ന മർദത്തിലുള്ള വായു നിറച്ച് അതിലൂടെ ആൽഫാ കണങ്ങൾ പായിച്ചപ്പോൾ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സുകളുടെ സാന്നിധ്യം അദ്ദേഹം നിരീക്ഷിച്ചു. ഇതു വായുവിലെ നൈട്രജൻ ആറ്റത്തിൽ നിന്നുള്ളതാണെന്നു തിരിച്ചറിഞ്ഞ അദ്ദേഹം നൈട്രജൻ വാതകത്തിലൂടെ ആൽഫാ കണങ്ങൾ പായിച്ചുകൊണ്ട് പരീക്ഷണം ആവർത്തിക്കുകയും കൂടുതൽ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സുകൾ രൂപംകൊള്ളുന്നതു നിരീക്ഷിക്കുകയും ചെയ്തു. ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ് എല്ലാ ആറ്റങ്ങളുടെയും ഭാഗമാണെന്ന് അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. ഈ ഹൈഡ്രജൻ ന്യൂക്ലിയസ്സിനെ പിന്നീടു പ്രോട്ടോൺ എന്നു വിളിച്ചു.റുഥർഫോഡ് തന്റെ പരീക്ഷണശാലയിൽ.

ആറ്റത്തിന്റെ സൗരയൂഥ മാതൃക

തന്റെ ഗുരുവായ ജെ.ജെ.തോംസൺ മുന്നോട്ടുവച്ച പ്ലം പുഡ്ഡിങ് മോഡൽ എന്ന ആറ്റം മാതൃക റുഥർഫോഡിന് ഒട്ടും സ്വീകാര്യമായിത്തോന്നിയില്ല. സ്വന്തം കണ്ടുപിടിത്തങ്ങളെ ആസ്പദമാക്കി സൗരയൂഥ മാതൃക എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഒരു ആറ്റം മാതൃക റുഥർഫോഡ് മുന്നോട്ടുവച്ചു. ഇതനുസരിച്ചു സൂര്യനു ചുറ്റും ഗ്രഹങ്ങൾ പരിക്രമണം ചെയ്യുന്നതുപോലെ ആറ്റത്തിൽ ന്യൂക്ലിയസ്സിനു ചുറ്റും ഓർബിറ്റ് എന്നു വിളിക്കുന്ന വൃത്താകാര പാതയിലൂടെ ഇലക്ട്രോണുകൾ സഞ്ചരിക്കുന്നു. എന്നാൽ ജയിംസ് ക്ലാർക്ക് മക്സ്‌വെല്ലിന്റെ വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗ സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് വക്രപാതയിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന ഒരു ചാർജിതകണം വികിരണോർജം ഉൽസർജിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കും. അങ്ങനെയെങ്കിൽ ന്യൂക്ലിയസ്സിനെ ചുറ്റി ഓർബിറ്റുകളിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ വികിരണോർജം ഉൽസർജിച്ചുകൊണ്ടേയിരിക്കുകയും അവയുടെ ഭ്രമണപഥം ചുരുങ്ങി അവസാനം അവ ന്യൂക്ലിയസ്സിൽ വന്നു പതിക്കുകയും ചെയ്യേണ്ടതാണല്ലോ. എന്നാൽ ആറ്റത്തിൽ ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നില്ല. ആറ്റത്തിന്റെ സ്ഥിരത വിശദീകരിക്കുന്നതിൽ റുഥർഫോഡ് മാതൃക പരാജയപ്പെട്ടു.

സാധ്യതകളുടെ വാതിൽ, അപൂർവ്വ നേട്ടങ്ങൾ

റുഥർഫോഡിന്റെ ഗവേഷണങ്ങൾ പലതും പ്രത്യക്ഷമായും പരോക്ഷമായും പുത്തൻ സാധ്യതകളിലേക്കുള്ള വാതിൽ തുറക്കുന്നവയായിരുന്നു. നീൽസ് ബോറിന്റെ ആറ്റം മാതൃകയെയും മൂലകങ്ങളുടെ വിരലടയാളം അറ്റോമിക് നമ്പർ ആണെന്നു തെളിയിച്ച മോസ്‌ലിയുടെ പരീക്ഷണത്തെയും ഓട്ടോഹാന്റെ ന്യൂക്ലിയാർ ഫിഷൻ പരീക്ഷണത്തെയും റുഥഫോഡിന്റെ ഗവേഷണങ്ങൾ സ്വാധീനിച്ചിരുന്നു.റുഥഫോഡിനോടുള്ള ബഹുമാനാർഥം ആവർത്തനപ്പട്ടികയിലെ 104–ാം മൂലകത്തിന് റുഥർഫോഡിയം എന്നാണു പേരിട്ടിരിക്കുന്നത്.

റേഡിയോ ആക്ടിവിറ്റി, റേഡിയോ ആക്ടീവ് ട്രാൻസ്ഫോമേഷൻസ്, റേഡിയേഷൻ ഫ്രം റേഡിയോ ആക്ടീവ് സബ്സ്റ്റൻസസ്, ദ് ന്യൂവർ ആൽക്കെമി, ദ് ഇലക്ട്രിക്കൽ സ്ട്രക്ചർ ഓഫ് മാറ്റർ, ദ് ആർട്ടിഫിഷ്യൽ ട്രാൻസ്മ്യൂട്ടേഷൻ ഓഫ് എലിമെന്റ്സ് എന്നിങ്ങനെയുള്ള പുസ്തകങ്ങളും അദ്ദേഹത്തിന്റേതാണ്.

English summary: Ernest Rutherford's contributions