logo3.gif (702 bytes)

arrow7.gif (1098 bytes)


ක්‌වොන්ටාවේ කතාව 19
බැමුමක්‌ නො වන බැමුම

ක්‌වොන්ටම් බැමුම අප අත්දකින වස්‌තුවක තමා වටා වන භ්‍රමණය සමඟ සංසන්දනය කළ නොහැකි ය. එය අර ක්‌වොන්ටම් අංශුවල ඇති තරංග අංශු දෙබිඩි ගතිය සේ ම ය. අපේ අත්දැකීම් ඇසුරෙන් නිර්මාණය කොට ඇති අංශූව, තරංගය හෝ බැමුම යන සංකල්ප ක්‌වොන්ටම් ලෝකයට යෙදීමෙන් ඇති වන්නේ දිරවා ගත නොහැකි වියවුලකි.

1922 ජූනි මස නීල්ස්‌ බෝර් ගේ සුප්‍රසිද්ධ ගොටින්ගන් දේශන මාලාවට විසි දෙහැවිරිදි වුල්ෆ්ගන් පවුලි (Wolfgang Pauli) ද පැමිණියේ ය. ඔහු ගේ දක්‌ෂතා ගැන අසා තිබුණු බෝර් වසරක්‌ සඳහා කෝපන්හේගන් සරසවියට පැමිණෙන ලෙස පවුලිට අරාධනාවක්‌ කළේ ය. භාෂාව පිළිබඳ මුලින් දෙගිඩියාවක්‌ තිබුණත් පවුලි ආරාධනාව පිළිගත්තේ ය.

වුල්ෆ්ගන් පවුලි උපන්නේ 1900 වසරේ වියනාහි දී ය. දක්‌ෂ සිසුවකු වූ ඔහු අර්නස්‌ට්‌ මැක්‌ ගේ දර්ශනයට තරුණ වියේ ම ඇදී ගිය අතර, පාසල් වියේ සිට ම අයින්ස්‌ටයින් ගේ සාපේක්‌ෂතාවාදයෙන් ද මත් වී සිටියේ ය. ඔහු උසස්‌ අධ්‍යාපනය සඳහා තෝරාගත්තේ ජර්මනියේ මියුනිච් සරසවියයි. ඒ ආර්නෝල්ඩ් සමර්ෆීල්ඩ් යටතේ ය. සමර්ෆීල්ඩ් ගේ ඉල්ලීමකට අනුව වයස විසි එකේ දී ඔහු සාපේක්‌ෂතාවාදය ගැන ලියූ ලිපිය අයින්ස්‌ටයින් ගේ පවා පැසසුමට ලක්‌ වි ය.

සමර්ෆීල්ඩ් තවත් වැඩක්‌ ඔහුට පැවරුවේ ය. ඒ නම් අයනීකරණය වූ හයිඩ්‍රජන් අණුවක්‌ සඳහා බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් ක්‌වොන්ටම් පරමාණුක ආකෘතිය යොදන ලෙස ය. බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් සිද්ධාන්තයේ හයිඩ්‍රජන් පරමාණුවේ වර්ණාවලිය සාර්ථක ව පැහැදිලි කළ අයුරු අපි දුටුවෙමු. පවුලි එය අයනීකරණය වූ හයිඩ්‍රජන් අණුවට යෙදුවේ ය. මේ සාධනය පවුලි ගේ කනස්‌සල්ලට හේතු විය. ඔහු ගේ සෛද්ධාන්තික ගණනයන් පරීක්‌ෂණාත්මක දත්ත සමඟ ගැළපුණේ නැත. ඉක්‌මනින් ම ඔහුට පෙනී ගියේ බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් සිද්ධාන්තයේ සීමාව ය. මේ ආකෘතියට හයිඩ්‍රජන් නො වන අනෙක්‌ මූලද්‍රව්‍යය තබා හයිඩ්‍රජන් අණුව වත් පැහැදිලි කළ නොහැකි බව පවුලි දුටුවේ ය.

සීමන් ආචරණය හමුවේ බෝර් ගේ පරමාණුව සමර්ෆීල්ඩ් විසින් බේරාගන්නා ලද අයුරු අපි දුටුවෙමු. (බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් පරමාණුව). එහි දී ඔහු බෝර් ගේ ස්‌ථාවර අවස්‌ථාවන් හෙවත් ශක්‌ති මට්‌ටම් ඒවායේ හැඩය හා දිශානතිය අනුව උපශක්‌ති මට්‌ටම්වලට බෙදූ සැටි ද අපි දුටුවෙමු. එහෙත් සියුම් ලෙස බැලූ විට පෙනී ගියේ සීමන් ආචරණයේ දී හයිඩ්‍රජන් වර්ණාවලියේ එක්‌ එක්‌ වර්ණය උප වර්ණ දෙක තුනක්‌ නො ව, ඇතැම් විට හතරකට හෝ ඊට වඩා ප්‍රමාණයකට බෙදී යන බවයි. මෙයට නම් බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් පරමාණුවෙන් පිළිතුරක්‌ නො වී ය. ගොටින්ගන්හි දී පවුලි මේ පිළිබඳව සොයන්නට විය. බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් පරමාණුවේ සීමා නැවත පැහැදිලි ය. බෝර් ගේ පරමාණුවේ අඩුව කුමක්‌ ද?

බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් සිද්ධාන්තය අනුව පරමාණුවේ යම් ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටමක්‌ (ස්‌ථාවර අවස්‌ථාවක්‌) ගත් විට එය එහි හැඩය හා දිශානතිය අනුව වෙන් වී ඇති උපශක්‌ති මට්‌ටම්වල එකතුවකි. මේ අනුව බ වැනි ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටම n2 ප්‍රමාණයක උපශක්‌ති මට්‌ටම්වලින් තැනේ (උද: හයිඩ්‍රජන් පරමාණුවේ 2 වැනි ශක්‌ති මට්‌ටම උපශක්‌ති මට්‌ටම් 22=4කින් ද, 3 වැනි ශක්‌ති මට්‌ටම උපශක්‌ති මට්‌ටම් 9කින් ද වන ලෙස සමන්විත ය). මෙහි ඕනෑ ම උපශක්‌ති මට්‌ටමක ඉලෙක්‌ට්‍රොaන පැවතිය හැකි ය. එනම් ඒවා කවොන්ටීකරණය වී ඇත.

1924 ඔක්‌තෝබර් මස එඩ්මන්ඩ් ස්‌ටෝනර් (Edmund Stoner) පෙන්වා දුන්නේ යම් ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටමක පැවතිය හැකි උපරිම ඉලෙක්‌ට්‍රොaන සංඛ්‍යාව ඒ ශක්‌ති මට්‌ටමට අදාළ උපශක්‌ති මට්‌ටම් ගණන මෙන් දෙගුණයක්‌ බව ය. එනම් ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටම n = 1,2,3,4 වන විට අනුරූප උපශක්‌ති මට්‌ටම් ගණන (n2) 1,4,9,16 වන අතර පැවතිය හැකි උපරිම ඉලෙක්‌ට්‍රොaන ප්‍රමාණය (2n2) 2, 8, 18, 32 ලෙස වේ. මූලද්‍රව්‍යවල රසායනය අනුව බෝර් විසින් ද මීට පෙර මේ අගයන් ම උපකල්පනය කරන ලදී.

මේ අනුව පෙනී යන්නේ යම් උපශක්‌ති මට්‌ටමක පැවතිය හැකි උපරිම ඉලෙක්‌ට්‍රොaන ප්‍රමාණය දෙකක්‌ බවයි. පවුලි එය එසේ යෑයි ගත්තේ ය. 'පවුලි බහිෂ්කාර මූලධර්මය' (Pauli exclusion principle) ලෙස එය නම් කෙරිණි. පවුලි කියන්නේ බෝර්-සමර්ෆීල්ඩ් පරමාණුවේ උපශක්‌ති මට්‌ටමක්‌ පවා ශක්‌ති අවස්‌ථා දෙකකට බෙදී ඇති බවත්, ඒ දෙකට ඉලෙක්‌ට්‍රොaනය බැගින් පැවතිය හැකි බවත් ය. දැඩි චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක දී (සීමන් ආචරණයේ දී) මේ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකේ ශක්‌ති වෙනස පෙනේ. මේ නව ශක්‌ති වෙනසත් සලකමින් පවුලි සීමන් ආචරණයේ ප්‍රශ්නය පැහැදිලි කළේ ය. පරමාණුවට පැලැස්‌තර පිට පැලැස්‌තර අලවමින් නිරීක්‌ෂණ පැහැදිලි කරන්න දරන උත්සාහයෘ

එබැවින් දැන් පරමාණුවක ඇති ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයක ශක්‌තිය (පරමාණුව තුළ ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයේ අවකාශයේ පිහිටීම) තීරණය කරන්නේ සාධක සතරක්‌ මගිනි. එම සාධක හතර ම අසන්තතික හෙවත් ක්‌වොන්ටීකරණය වී ඇත. මේවා ක්‌වොන්ටම් අංක (Four Quantum Numbers) ලෙස හැඳින්වේ. එනම්( ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටම [1] එයට ගත හැකි හැඩයන් [2] (වෘත්තාකාර සහ ඉලිප්සාකාර), එයට පැවතිය හැකි දිශානතීන් [3] සහ පවුලි ගේ ශක්‌ති අගයන් දෙක [4]. මේ ක්‌වොන්ටම් අංක සතර හරියට පරමාණුව තුළ ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයක ලිපිනය මෙනි. එක ම ලිපිනය ඇති ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකක්‌ පරමාණුවක නැත. පවුලිට අවශ්‍ය වූයේ පරමාණුවක ඇති සියලු ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවලට අනන්‍ය නාමකරණයක්‌ මේ ක්‌වොන්ටම් අංක සතර යොදාගෙන ලබා දීමට ය. මෙලෙස පරමාණුවක ඉලෙක්‌ට්‍රොaන සියල්ල ශක්‌තිය අඩු ම, ස්‌ථායිතාවෙන් වැඩි ම පළමු ශක්‌ති මට්‌ටමට පමණක්‌ සීමා නො වන්නේ මන්ද යන්නත් පවුලි පැහැදිලි කළේ ය. කෙසේ වුවත් යම් උපශක්‌ති මට්‌ටමක උපරිමයෙන් ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකක්‌ පමණක්‌ පවතින්නේ ඇයි? සීමන් ආචරණයේ දී හෙවත් දැඩි චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක්‌ හමුවේ මේ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙක ඉතා කුඩා වුවත් ශක්‌ති වෙනසක්‌ පෙන්වන්නේ ඇයි? ඒ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකේ වෙනස කුමක්‌ ද?

1925 අවසානය වන විට ඕලන්ද ජාතික පශ්චාත් උපාධි සිසුන් දෙදෙනකු වූ සැමුවෙල් ගොඩ්ස්‌මිට්‌ (Samuel Goudsmit) හා ජෝර්ඡ් හෙලන්බෙක්‌ (George Uhlenbeck) මේ සඳහා විසඳුමක්‌ නිර්මාණය කළෝ ය. ඔවුන් ගේ අදහස නම් පවුලි කියන මේ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකේ වෙනස හටගන්නේ සැම උපශක්‌ති මට්‌ටමක්‌ ම තවත් ශක්‌ති මට්‌ටම් දෙකකට බෙදීම නිසා නො ව, හුදෙක්‌ ම ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයේ ම පවතින යම් ගුණයක්‌ නිසා බව ය. එනම්( ප්‍රධාන ශක්‌ති මට්‌ටම, හැඩය, දිශානතිය වැනි බාහිර සාධක නො ව ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයේ ම ඇති ලක්‌ෂණයක්‌ නිසා ය. මේ ගුණය ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයේ "බැමුම" (Spin) ලෙස ඔවුහු හැඳින්වූ හ.

එනම් ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයට අනෙක්‌ චලිතවලට අමතර ව තමා වටා යම් ආකාරයක භ්‍රමණයක්‌ පවතින්නේ ය යන්නයි. උපශක්‌ති මට්‌ටමක ඇති ඉලෙක්‌ට්‍රොaන යුගලයේ එකක බැමුම උඩු අතට නම් අනෙකේ බැමුම යටි අතට වේ. එනම්( ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙක ප්‍රතිවිරුද්ධ බැමුම්වලින් යුක්‌ත ය. මෙසේ විද්යුත් ක්‌ෂේත්‍රයක භ්‍රමණය නිසා චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක්‌ ගොඩනැෙග්. ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙකෙන් ඇති වන්නේ ප්‍රතිවිරුද්ධ චුම්බක ක්‌ෂේත්‍ර දෙකකි. මේ ප්‍රතිවිරුද්ධ චුම්බක ක්‌ෂේත්‍ර දෙකේ අන්තර්ක්‍රියාව නිසා ඉලෙක්‌ට්‍රොaන දෙක එක ම උපශක්‌ති මට්‌ටමේ නො පැවතී ඉතා කුඩා ප්‍රමාණයකින් වෙනස්‌ වේ. එනම්( සිහින් ශක්‌ති වෙනසකි. වර්ණාවලියේ සිහින් බෙදීම් හටගැනීම එසේ පැහැදිලි කළ හැකි ය.

බැමුම ගැන අදහස ඉක්‌මනින් ම පැතිර ගියේ ය. මුලින් මේ ගැන සැක කළත් අයින්ස්‌ටයින් ගේ හා ලේව්ලින් ගේ පැහැදිලි කිරීම්වලට පසු බෝර් ද මේ අදහස පිළිගත්තේ ය. ඇත්තෙන් ම මුලින් ම මේ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන බැමුම ගැන අදහස නිර්මාණය කරන ලද්දේ විසි එක්‌ හැවිරිදි රැල්ෆ් ක්‍රොනිග් (Ralph Kronig) විසිනි. එහෙත් පවුලි ගේ විරෝධතාව නිසා ඔහු එය පළ කළේ නැත. වසරකට පසු දුකට පත් ක්‍රොනිග් කීවේ "මා මින් පසු ව විශ්වාසය තබන්නේ මා ගැන පමණයි. වෙන අය කියන දේවල් ගැන නො වෙයි."

කෙසේ වුවත් මේ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන බැමුම අමුතු ම එකකි. එය පෘථිවිය තම අක්‌ෂය වටා භ්‍රමණය වනවා මෙන් වන භ්‍රමණයක්‌ නො වේ. නිරීක්‌ෂිත ප්‍රමාණයේ චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක්‌ ජනනය වීමට නම් ඉලෙක්‌ට්‍රොaනය මේ කියන ලෙස "භ්‍රමණය" වන විට ඒ මත ඇති යම් ලක්‌ෂ්‍යයක වේගය ආලෝකයේ වේගයට වඩා බොහෝ වැඩි විය යුතු යෑයි ගණනය කෙරිණි. මෙය සාපේක්‌ෂතාවාදයට පටහැනි ය. එමෙන් ම මේ චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයේ අගය කිසි විටක වත් වෙනස්‌ නො වේ. එනම් මේ බැමුම සියලු ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවලට සදාකල් ම එක ම වේගයකින් සිදු විය යුතු ය. බැමුම් වේගය අඩු වැඩි විය නොහැකි ය. එනම් මේ සාමාන්‍ය අප අත්දකින භ්‍රමණය නම් සංකල්පය නො වේ. මෙය අපි තවදුරටත් පැහැදිලි කරගනිමු.

අප ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල බැමුම හෙවත් චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයේ දිශාව නිර්ණය කිරීමට චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක්‌ සහිත උපකරණයක්‌ භාවිත කළ යුතු වේ. මේ උපකරණයෙන් ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයකට සිරස්‌ ව (ඉහළ ට හෝ පහළට) බැමුමක්‌ ඇති නම් එය මැනගත හැකි යෑයි සිතමු. කුමන ඉලෙක්‌ට්‍රොaනය මේ උපකරණයට හරහා ගියත් ඇතැම් ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවලට ඉහළටත් (↑) අනෙක්‌ ඒවාට පහළටත් (↓) බැමුමක්‌ ඇති ලෙස පෙන්වයි.



දැන් අපි මෙසේ කරමු. උපකරණයට යෑවීමට ප්‍රථම ප්‍රබල චුම්බක ක්‌ෂේත්‍රයක්‌ යොදාගෙන සියලු ම ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල බැමුමේ දිශාව ඉහළට (↑) වන ලෙස සකසමු. එසේ සැකසූ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන අප ගේ උපකරණයට යෑවූ විට සියලු ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල (100%ක්‌ ම) උඩු අතට බැමුම (↑) ඇති ලෙස පෙන්වයි. පහළ දිශාවට (↓) සකස්‌ කළ හොත් 100%ක්‌ ම පහළ දිශාවට බැමුම (↓) ඇති ලෙස පෙන්වයි (රූපය බලන්න). එහි පුදුම වීමට දෙයක්‌ නොමැත. එහෙත් දැන් අප ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල බැමුම තිරස්‌ ව දකුණු දිශාවට (→) සකස්‌ කරමු (වම් දිශාවට වුවත් වෙනසක්‌ නැත. විය යුත්තේ සියලු ඉලෙක්‌ට්‍රොaන එක්‌ තිරස්‌ දිශාවකට වීමයි). මේ තිරස්‌ ව දකුණු දිශාවට (→) සකස්‌ කළ ඉලෙක්‌ට්‍රොaන සිරස්‌ බැමුම (↑,↓) මනින අප ගේ උපකරණයට යවමු. මෙවිට සම්භාව්‍ය භෞතික විද්‍යාවට අනුව සිරස්‌ දිශාවට කිසිදු බැමුමක්‌ තිබිය නොහැකි ය. එහෙත් ක්‌වොන්ටම් ප්‍රතිඵලය පුදුමසහගත ය. ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවලින් 50%ක බැමුම ඉහළටත් (↑), අනෙක්‌ 50% බැමුම පහළටත් (↓) ලෙස ප්‍රතිඵලය ලැබේ (පහළ රූපය බලන්න). තිරස්‌ ව දකුණු දිශාවට (→) බැමුම ඇති එක්‌ ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයක්‌ සැලකූ විට එහි සිරස්‌ අතට බැමුම ඉහළට වේ ද පහළට වේ දැයි නිශ්චිත ව කිව නොහැකි ය. ඇත්තේ 50%ක සම්භාවිතාවකි. තිරස්‌ නො වන අනෙක්‌ කෝණයන් සඳහා සම්භාවිතා අගයන් වෙනස්‌ වේ (පහළ රූපය බලන්න). මෙසේ සර්වසම ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල (සියල්ලේ බැමුම එක ලෙස දකුණු දිශාවට) සිරස්‌ බැමුමට සම්භාවිතාවක්‌ ඇත්තේ ඇයි?

"ක්‌වොන්ටම් බැමුම" අප අත්දකින වස්‌තුවක තමා වටා වන භ්‍රමණය සමඟ සංසන්දනය කළ නොහැකි බව දැන් පැහැදිලි ය. එය ක්‌වොන්ටම් අංශුවල ඇති තරංග අංශු දෙබිඩි ගතිය සේ ම ය. අපේ අත්දැකීම් ඇසුරෙන් නිර්මාණය කොට ඇති අංශුව, තරංගය, හෝ බැමුම යන සංකල්ප ක්‌වොන්ටම් ලෝකයට යෙදීමෙන් ඇති වන්නේ දිරවාගත නොහැකි වියවුලකි. මෙසේ සම්භාව්‍ය භෞතික විද්‍යාවේ සංකල්ප නිරපේක්‌ෂ යථාර්ථයන් ලෙස සලකා ක්‌වොන්ටම් ලෝකයට යෙදවීමෙන් ඇති වන විසංවාදයන්ට විසදුම කුමක්‌ ද? විසංවාද අනිවාර්ය ප්‍රතිඵලයක්‌ ද? සම්භාව්‍ය භෞතිකයෙන් ස්‌වායත්ත ව හුදෙක්‌ ම ක්‌වොන්ටම් නිරීක්‌ෂණ මත ම පදනම් වූ පැහැදිලි කිරීම් පද්ධතියක්‌ නිර්මාණය කරන්නේ ද?

ඉලෙක්‌ට්‍රොaනවල බැමුම නිරීක්‌ෂණයේ දී අප දුටු ලෙස ම පරමාණුවේ ශක්‌ති මට්‌ටම් අතර ඉලෙක්‌ට්‍රොaන පැනීමේ දී සහ විකිරණශීල පරමාණු විකිරණ පිට කිරීමේ දී, සියලූ ම මූලික අවස්‌ථා එක ම වුවත් (සර්වසම) නිරීක්‌ෂණයෙන් එක ම ප්‍රතිඵල නො ලැබෙන බවයි. උදා( මුලින් E1 ශක්‌ති මට්‌ටමේ ඇති ඉලෙක්‌ට්‍රොaනයක්‌ නැවත නිරීක්‌ෂණය කිරීමේ දී E2 හෝ E3 හෝ වෙනත් ශක්‌ති මට්‌ටමක තිබිය හැකි ය. එක ම ආකාරයේ යුරේනියම් පරමාණු දෙකක්‌ ගත් විට එකක්‌ මේ මොහොතේ ද, අනෙක තව වසර බිලියනයකින් ද විකිරණ පිට කිරීමට පුළුවන. මූලික අවස්‌ථා එක ම නම් එක ම ප්‍රතිඵල ගෙන දිය යුතු නො වේ ද? දේව භාෂිතයක්‌ මෙන් වූ යාන්ත්‍රික නියතිවාදය අවසාන ද?

ලබන සතියේ : 20 කොටස : නො පෙනෙන දේ ගැන මාදිලි තැනීම තමයි ගැටලූව

සමිත ප්‍රසන්න හේවගේ