అణు భౌతిక శాస్త్రం
అణు భౌతిక శాస్త్రం (Molecular physics) అనేది భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక భాగం. ఇది అణువుల గురించి అధ్యయనం చేస్తుంది. అణువుల భౌతిక లక్షణాలు ఏమిటి మరియు అవి ఎలా కదులుతాయి అనే విషయాలను ఇది పరిశీలిస్తుంది. ఈ రంగం భౌతిక రసాయన శాస్త్రం మరియు క్వాంటం రసాయన శాస్త్రానికి చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది. చాలా మంది దీనిని పరమాణు, అణు మరియు దృశ్య భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక భాగంగా భావిస్తారు.ఈ రంగంలోని శాస్త్రవేత్తలు అణువులు ఎలా నిర్మించబడ్డాయి అనే దానిపై దృష్టి పెడతారు. ఒక అణువు లోపల ఉన్న విడివిడి పరమాణువులు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో కూడా వారు అధ్యయనం చేస్తారు. అణు భౌతిక శాస్త్రం క్లాసికల్ మెకానిక్స్ (సాధారణ యంత్రశాస్త్రం) మరియు క్వాంటం మెకానిక్స్ (క్వాంటం యంత్రశాస్త్రం) రెండింటినీ ఉపయోగిస్తుంది. వస్తువులు ఎలా కదులుతాయి మరియు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా స్పందిస్తాయి అని వివరించే నియమాలు ఇవి. కాంతి మరియు పదార్థం కలిసి ఎలా పనిచేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు ఈ నియమాలను ఉపయోగిస్తారు.అణు భౌతిక శాస్త్రం కేవలం సిద్ధాంతాలకు మాత్రమే పరిమితం కాదు; ఇది మన నిత్య జీవితంలో మనం చూసే అనేక రసాయన మార్పులను భౌతిక శాస్త్ర కోణంలో వివరిస్తుంది. అణువుల మధ్య ఉండే బలాలు, వాటి నిర్మాణం మరియు అవి శక్తిని ఎలా గ్రహిస్తాయి అనే అంశాలు ఇందులో చాలా ముఖ్యం.
అణువు అంటే ఏమిటి?
రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ పరమాణువులు కలిసి ఉన్న సమూహాన్ని అణువు (Molecule) అంటారు. ఈ పరమాణువులు రసాయన బంధాల ద్వారా కలిసి ఉంటాయి. అణు భౌతిక శాస్త్రంలో, ఈ పరమాణువులు ఎలా కలిసి ఉన్నాయి మరియు అవి ఎలా కదులుతున్నాయి అని శాస్త్రవేత్తలు తెలుసుకోవాలని అనుకుంటారు.అణువులు ఆక్సిజన్ అణువు ($O_2$) లాగా చాలా చిన్నవిగా ఉండవచ్చు. లేదా DNA లాగా చాలా పెద్దవిగా కూడా ఉండవచ్చు. పరిమాణం ఏదైనా సరే, వాటిపై పనిచేసే భౌతిక నియమాలు మాత్రం ఒకేలా ఉంటాయి. అణు భౌతిక శాస్త్రంలో ప్రతిదీ ఎలక్ట్రాన్ మరియు కేంద్రకం (Nucleus) తోనే మొదలవుతుంది.అణువులు ఎలా ఏర్పడతాయి అనే విషయం పరమాణువుల మధ్య ఉండే ఆకర్షణ బలాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ బలాలు పరమాణువులను ఒక నిర్దిష్ట దూరంలో ఉంచుతాయి, దీనివల్ల అణువుకు ఒక ప్రత్యేకమైన ఆకారం వస్తుంది.{| class="wikitable" style="float: left; margin-right: 1em;"|+ అణువుల సాధారణ రకాలు! రకం !! ఉదాహరణ !! పరమాణువుల సంఖ్య|-| ఏక పరమాణు (Monatomic) || హీలియం || 1|-| ద్వి పరమాణు (Diatomic) || హైడ్రోజన్ || 2|-| బహు పరమాణు (Polyatomic) || నీరు || 3 లేదా అంతకంటే ఎక్కువ|}
అణు నిర్మాణం
ఒక అణువులో రెండు ప్రధాన భాగాలు ఉంటాయి: కేంద్రకాలు మరియు ఎలక్ట్రాన్లు. కేంద్రకాలు పరమాణువుల మధ్యలో ఉంటాయి. ఇవి చాలా బరువుగా ఉంటాయి. ఎలక్ట్రాన్లు చాలా తేలికగా ఉంటాయి మరియు కేంద్రకాల చుట్టూ తిరుగుతుంటాయి.కేంద్రకాలు ఎలక్ట్రాన్ల కంటే చాలా బరువుగా ఉండటం వల్ల, అవి అంత వేగంగా కదలవు. ఎలక్ట్రాన్లు వేగంగా తిరుగుతున్నప్పుడు కేంద్రకాలు ఒకే చోట ఉన్నట్లు శాస్త్రవేత్తలు ఊహించుకుంటారు. అణు భౌతిక శాస్త్రంలో ఇది చాలా ముఖ్యమైన ఆలోచన. దీనిని నిజమని నిరూపించడానికి శాస్త్రవేత్తలు న్యూట్రాన్ స్కాటరింగ్ అనే పద్ధతిని ఉపయోగించారు.[1]అణువు ఆకారం మరియు దానిలోని పరమాణువుల మధ్య దూరం ఆ అణువు యొక్క రసాయన స్వభావాన్ని నిర్ణయిస్తాయి. ఉదాహరణకు, నీటి అణువు ఆకారం కారణంగానే అది భూమిపై జీవానికి అవసరమైన ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉంది.
కదిలే భాగాలు
కేంద్రకాలు సాధారణంగా ఒకే చోట ఉన్నట్లు అనిపించినా, అవి పూర్తిగా నిశ్చలంగా ఉండవు. అవి కొన్ని రకాలుగా కదులుతాయి:స్థానాంతర చలనం (Translation): మొత్తం అణువు ఒక చోటు నుండి మరో చోటుకు కదలడం.భ్రమణ చలనం (Rotation): అణువు బొంగరం లాగా తన చుట్టూ తాను తిరగడం.కంపన చలనం (Vibration): అణువు లోపల ఉన్న పరమాణువులు ఒక స్ప్రింగ్కు కట్టినట్లుగా ఒకదానికొకటి దగ్గరకు, దూరంగా కదలడం.ఈ చలనాలు అణువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు శక్తిపై ఆధారపడి ఉంటాయి. ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ ఈ కదలికల వేగం కూడా పెరుగుతుంది.
శక్తి స్థాయిలు - వర్ణపటాలు
అణువులకు వేర్వేరు స్థాయిలలో శక్తి ఉంటుంది. క్వాంటం మెకానిక్స్ ప్రకారం, శక్తి అనేది "క్వాంటైజ్డ్" (Quantized) చేయబడింది. అంటే ఒక అణువుకు కొన్ని నిర్దిష్ట పరిమాణాలలో మాత్రమే శక్తి ఉంటుంది. ఆ స్థాయిల మధ్యలో అది ఉండలేదు. ఒక అణువు తన శక్తి స్థాయిని మార్చుకున్నప్పుడు, అది కాంతిని బయటకు వదలవచ్చు లేదా కాంతిని పీల్చుకోవచ్చు. ఈ కాంతిని వర్ణపటం అంటారు.
శాస్త్రవేత్తలు ఈ వర్ణపటాలను అధ్యయనం చేయడం ద్వారా అణువుల లోపల ఏం జరుగుతుందో తెలుసుకుంటారు. ఇది ఒక రకమైన వేలిముద్ర వంటిది; ప్రతి అణువుకు ఒక ప్రత్యేకమైన వర్ణపటం ఉంటుంది.
ఎలక్ట్రానిక్ శక్తి స్థాయిలు
పరమాణువులు కలిసి ఒక అణువుగా మారినప్పుడు, వాటి బయటి ఎలక్ట్రాన్లు మారుతాయి. వీటిని వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు అంటారు. ఇవి మొత్తం అణువు అంతటా విస్తరిస్తాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్లు విస్తరించే విధానం వల్ల "ఎలక్ట్రానిక్ శక్తి స్థాయిలు" ఏర్పడతాయి.దీనిని వివరించడానికి శాస్త్రవేత్తలు అణు ఆర్బిటాల్ సిద్ధాంతాన్ని ఉపయోగిస్తారు. ఈ స్థాయిల మధ్య ఉండే శక్తి గ్యాప్లు (తేడాలు) సాధారణంగా చాలా ఎక్కువగా ఉంటాయి. వీటిని ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్లలో కొలుస్తారు. ఈ గ్యాప్లు పెద్దవిగా ఉండటం వల్ల, ఇవి సాధారణంగా కంటికి కనిపించే కాంతి లేదా అతినీలలోహిత కాంతితో స్పందిస్తాయి.[1][2]
కంపన శక్తి స్థాయిలు (Vibrational energy levels)
అణువులోని పరమాణువులు నిరంతరం కంపనం చెందుతుంటాయి. ఒక స్ప్రింగ్తో కలిపిన రెండు బంతుల గురించి ఆలోచించండి. ఆ బంతులు ముందుకు వెనక్కు కదులుతుంటాయి. అణువులో, ఈ "స్ప్రింగ్" అనేది రసాయన బంధం.కంపనానికి అవసరమైన శక్తి ఎలక్ట్రాన్ల శక్తి కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. ఇది సుమారు 100 రెట్లు తక్కువ. ఈ కారణంగా, కంపన మార్పులు అధోలోహిత కాంతితో (Infrared light) జరుగుతాయి. దీనిని మనం వేడి రూపంలో అనుభవిస్తాము.[2]ఈ కంపనాలు అణువు యొక్క రసాయన బంధం ఎంత బలంగా ఉందో శాస్త్రవేత్తలకు తెలియజేస్తాయి. బంధం బలంగా ఉంటే కంపనం వేగంగా ఉంటుంది.
భ్రమణ శక్తి స్థాయిలు (Rotational energy levels)
అణువులు కూడా తిరుగుతాయి. దీనినే భ్రమణం అంటారు. దీనికి అన్నిటికంటే తక్కువ శక్తి అవసరం. భ్రమణ శక్తి స్థాయిల మధ్య తేడాలు చాలా తక్కువగా ఉంటాయి. దీనికి సంబంధించిన కాంతి దూరాన ఉండే అధోలోహిత లేదా మైక్రోవేవ్ పరిధిలో ఉంటుంది. మైక్రోవేవ్ ఓవెన్లో ఆహారాన్ని వేడి చేయడానికి ఇదే శక్తిని ఉపయోగిస్తారు. నీటి అణువులను వేగంగా తిప్పడం ద్వారా అవి వేడిని పుట్టిస్తాయి.[1]
పరివర్తన రకాలు (Types of Transitions)
కొన్నిసార్లు ఒక అణువు ఒకేసారి అనేక మార్పులకు లోనవుతుంది. అది తన భ్రమణం మరియు కంపనాన్ని ఒకే సమయంలో మార్చుకోవచ్చు. వీటిని "మిశ్రమ పరివర్తనలు" అంటారు.రోవైబ్రేషనల్ (Rovibrational): భ్రమణం మరియు కంపనం రెండింటిలోనూ మార్పులు రావడం.వైబ్రోనిక్ (Vibronic): ఎలక్ట్రానిక్ స్థితి మరియు కంపనం రెండింటిలోనూ మార్పులు రావడం.రోవైబ్రోనిక్ (Rovibronic): ఎలక్ట్రానిక్, భ్రమణం మరియు కంపనం అనే మూడు అంశాలలోనూ మార్పులు రావడం.ఇవి వేర్వేరు రకాల శక్తులతో సంబంధం కలిగి ఉండటం వల్ల, వీటిని విద్యుదయస్కాంత వర్ణపటంలోని అనేక భాగాలలో చూడవచ్చు.[2]
శాస్త్రవేత్తలు ప్రయోగాలు ఎలా చేస్తారు?
అణువులను అధ్యయనం చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలు అనేక రకాల పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు. వారి ప్రధాన లక్ష్యాలు ఇవి:అణువు ఎంత పెద్దది?దాని ఆకారం ఏమిటి?దానికి ఎంత శక్తి ఉంది?అణువును విడగొట్టడానికి ఎంత శక్తి అవసరం?
స్పెక్ట్రోస్కోపీ (Spectroscopy)
అత్యంత సాధారణంగా వాడే సాధనం స్పెక్ట్రోస్కోపీ. శాస్త్రవేత్తలు ఒక అణువుపై కాంతిని ప్రసరింపజేసి ఏం జరుగుతుందో గమనిస్తారు. అణువు ఒక నిర్దిష్ట రంగు కాంతిని పీల్చుకుంటే, ఎంత శక్తి ఖర్చయిందో శాస్త్రవేత్తలకు కచ్చితంగా తెలుస్తుంది. ఇది అణువు లోపల ఉన్న శక్తి స్థాయిల గురించి వారికి సమాచారాన్ని ఇస్తుంది.ఈ పద్ధతి ద్వారా అంతరిక్షంలోని నక్షత్రాలు మరియు గ్రహాల వాతావరణంలో ఏ అణువులు ఉన్నాయో కూడా మనం తెలుసుకోవచ్చు.
ఎక్స్-రే డైఫ్రాక్షన్ (X-ray diffraction)
మరో సాధనం ఎక్స్-రే డైఫ్రాక్షన్. పరమాణువుల మధ్య కచ్చితమైన దూరాన్ని కనుగొనడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు. బరువైన మూలకాలు ఉన్న అణువులకు ఇది చాలా బాగా పనిచేస్తుంది.[2] ఈ పద్ధతి ద్వారానే DNA యొక్క డబుల్ హెలిక్స్ నిర్మాణాన్ని కనుగొన్నారు.
ప్రస్తుత పరిశోధనలు
అణు భౌతిక శాస్త్రం నేటికీ చాలా చురుకైన రంగం. నేడు, శాస్త్రవేత్తలు అణువులను అనేక కొత్త విషయాల కోసం ఉపయోగిస్తున్నారు.
భౌతిక శాస్త్ర నియమాలను పరీక్షించడం
కొందరు శాస్త్రవేత్తలు భౌతిక శాస్త్ర ప్రాథమిక నియమాలు సరైనవో కాదో పరీక్షించడానికి అణువులను ఉపయోగిస్తారు. "కొత్త భౌతిక శాస్త్రం" (New physics) సూచనలను ఇచ్చే చిన్న మార్పుల కోసం వారు వెతుకుతారు. ఉదాహరణకు, వారు పారిటీ ఉల్లంఘన మరియు సమయ-వ్యతిరేక ఉల్లంఘన వంటి వాటిని పరిశీలిస్తారు. ఇవి విశ్వం ఎలా సమతుల్యంగా ఉండాలి అనే దాని గురించి నియమాలు. అణువులు ఈ నియమాలను అతిక్రమిస్తే, విశ్వం గురించి మన అవగాహన మారిపోవచ్చు.[3][4]
క్వాంటం కంప్యూటర్లు
నేటి కంప్యూటర్లు "బిట్స్" (0 లేదా 1) ఉపయోగిస్తాయి. ఒక క్వాంటం కంప్యూటర్ "క్యూబిట్స్" (Qubits) ఉపయోగిస్తుంది. క్యూబిట్లను తయారు చేయడానికి అణువులు ఒక అద్భుతమైన మార్గం కావచ్చు. అణువులకు అనేక శక్తి స్థాయిలు (భ్రమణం, కంపనం మొదలైనవి) ఉండటం వల్ల, అవి ఒక పరమాణువు కంటే ఎక్కువ సమాచారాన్ని దాచుకోగలవు. ఇది క్వాంటం కంప్యూటర్లను మరింత వేగంగా మరియు మెరుగ్గా మార్చగలదు.[5]
శక్తి బదిలీ (Moving energy)
అణువు లోపల శక్తి ఎలా ప్రవహిస్తుందో కూడా శాస్త్రవేత్తలు అధ్యయనం చేస్తారు. ఒక అణువులోని ఒక భాగానికి శక్తి తగిలితే, ఆ శక్తి ఎక్కడికి వెళ్తుంది? అది ఒకే బంధంలో ఉంటుందా లేదా మరో బంధానికి మారుతుందా? దీనిని intramolecular vibrational energy redistribution (అంతర్గత కంపన శక్తి పునఃపంపిణీ) అంటారు. దీనిని అర్థం చేసుకోవడం వల్ల రసాయన శాస్త్రవేత్తలు రసాయన చర్యలను మెరుగ్గా నియంత్రించగలరు.[6]ఈ పరిశోధనల వల్ల భవిష్యత్తులో కొత్త రకమైన ఇంధనాలు మరియు మందులను తయారు చేయడం సాధ్యమవుతుంది
శక్తి అంతరాల సారాంశం
అణు భౌతిక శాస్త్రాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, శక్తి ప్రమాణాలను పోల్చి చూడటం సహాయపడుతుంది.{| class="wikitable"! చలన రకం !! శక్తి పరిమాణం !! కాంతి రకం|-| ఎలక్ట్రానిక్ (Electronic) || చాలా ఎక్కువ || కంటికి కనిపించే కాంతి / అతినీలలోహిత (UV)|-| కంపన (Vibrational) || మధ్యస్థం || సమీప అధోలోహిత (Near Infrared)|-| భ్రమణ (Rotational) || తక్కువ || దూర అధోలోహిత / మైక్రోవేవ్|}
ఈ రంగం యొక్క ప్రాముఖ్యత
అణు భౌతిక శాస్త్రం అనేది భౌతిక శాస్త్రానికి మరియు రసాయన శాస్త్రానికి మధ్య ఒక వంతెన లాంటిది. ఇది లేకపోతే, పరమాణువులు పదార్థంగా ఎలా మారుతాయో మనం అర్థం చేసుకోలేము. మనం పీల్చే గాలి, తాగే నీరు మరియు ఆకాశంలోని నక్షత్రాల గురించి అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది. అణువుల యొక్క చిన్న కదలికలను అధ్యయనం చేయడం ద్వారా, మన చుట్టూ ఉన్న ప్రపంచం యొక్క పెద్ద లక్షణాలను మనం తెలుసుకుంటాము.ఉదాహరణకు, కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ ($CO_2$) వంటి అణువులు అధోలోహిత కాంతిని పీల్చుకోవడం వల్లే గ్రీన్ హౌస్ ప్రభావం (Greenhouse effect) కలుగుతుంది. ఇది అణు భౌతిక శాస్త్రంలోని ఒక అంశం. $CO_2$ ఎలా కంపిస్తుంది మరియు ఎలా తిరుగుతుంది అని అర్థం చేసుకోవడం ద్వారానే, మనం గ్లోబల్ వార్మింగ్ గురించి తెలుసుకోగలుగుతున్నాము.అలాగే, వైద్య రంగంలో వాడే MRI స్కాన్లు మరియు కొత్త రకమైన ఔషధాల తయారీలో కూడా అణు భౌతిక శాస్త్ర సూత్రాలు ఎంతో కీలకమైనవి. ఇది విశ్వం యొక్క అతి చిన్న రహస్యాలను విప్పి, మానవజాతి అభివృద్ధికి తోడ్పడుతోంది.
ఇవి కూడా చూడండి
Born–Oppenheimer approximation - అణు గణితాన్ని సులభతరం చేసే ఒక పద్ధతి.Molecular energy state - ఒక అణువు కలిగి ఉండే వేర్వేరు శక్తి స్థాయిలు.Molecular modelling - కంప్యూటర్లను ఉపయోగించి అణువులను అనుకరించడం.Spectroscopy - కాంతిని ఉపయోగించి పదార్థాన్ని అధ్యయనం చేయడం.Physical chemistry - భౌతిక మరియు రసాయన శాస్త్రాలు కలిసే విభాగం.Quantum Chemistry - రసాయన శాస్త్రం కోసం క్వాంటం మెకానిక్స్ వాడటం.
ఆధారాలు
ATOMIC, MOLECULAR AND OPTICAL PHYSICS: NEW RESEARCH by L.T. Chen; Nova Science Publishers, Inc. New York.Physics of Atoms and Molecules by B.H. Bransden and C.J. Joachain.Methods of Experimental Physics, Volume 3: Molecular Physics by Dudley Williams.
మూలాలు
- ↑ 1.0 1.1 1.2 Bransden, B.H.; Joachain, C.J. (1990). Physics of Atoms and Molecules. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-470-20424-9.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 Williams, Dudley, ed. (1962). Methods of Experimental Physics, Volume 3: Molecular Physics. New York and London: Academic Press. doi:10.1021/ed040pA324.
- ↑ D. DeMille; S. B. Cahn; D. Murphree; D. A. Rahmlow; M. G. Kozlov (2008). "Using Molecules to Measure Nuclear Spin-Dependent Parity Violation". Physical Review Letters. 100 (2) 023003. arXiv:0708.2925. Bibcode:2008PhRvL.100b3003D. doi:10.1103/PhysRevLett.100.023003. PMID 18232864. S2CID 40747565.
- ↑ Ivan Kozyryev; Nicholas R. Hutzler (2017). "Precision Measurement of Time-Reversal Symmetry Violation with Laser-Cooled Polyatomic Molecules". Physical Review Letters. 119 (13) 133002. arXiv:1705.11020. Bibcode:2017PhRvL.119m3002K. doi:10.1103/PhysRevLett.119.133002. PMID 29341669. S2CID 33254969.
- ↑ S. F. Yelin; K. Kirby; Robin Côté (1978). "Schemes for robust quantum computation with polar molecules". Physical Review Letters. 74 (5) 050301. arXiv:quant-ph/0602030. doi:10.1103/PhysRevA.74.050301. S2CID 115982983.
- ↑ T.F.Deutsch; S.R.J.Brueck (1978). "Collisionless intramolecular energy transfer in vibrationally excited SF6". Chemical Physics Letters. 54 (2): 258–264. doi:10.1016/0009-2614(78)80096-7.