अणुऊर्जेचा इतिहास DTP झाले

अणुऊर्जेचा इतिहास 
corrected on 23-05-2020

आपण बघतो की सर्व चराचर ऊर्जेने भरलेले आहे आणि आपल्याला प्रश्न पडतो की ही ऊर्जा कुठून येते. तसेच सर्व चराचर वस्तूंनी भरलेले आहे तर या वस्तूंचा उगम कोठे आहे? आपण आकांशात मोठी पोकळी पहातो, ही पोकळी कशी तयार होते व काय करते? आणि मुख्य म्हणजे आपण काळ म्हणजे वेळही सतत पुढे पुढे जातांना पहातो तर कोण या काळाला चालवतो? कोण वेळेचे नियोजन करतो?

या चारी गोष्टी, म्हणजे ऊर्जा, पदार्थ, पोकळी आणि काळ यांचा अभ्यास, व त्यांच्या आपसातील संबंधाचा अभ्यास म्हणजे भौतिक शास्त्र किंवा फिजिक्स. पण एकुण फिजिक्स या विषयामधील अणु ऊर्जेचा अभ्यास कसा कसा झाला हे आपण इथून पुढे बघणार आहोत.

अणु या शब्दाचा अर्थच मुळी लहान असा आहे. सूक्ष्म व अति सूक्ष्म वस्तूंना अणुची उपमा देतात. ढोबळपणे अणुचा अर्थ समजण्यासाठी आपण म्हणू शकतो की एखाद्या पदार्थाचे तुकडे तुकडे करत गेलो तर शेवटी आपण अति छोट्या कणापर्यत पोचू. हे कण म्हणजेच अणु. पण नेमकेपणाने अणुचा अर्थ कळायला हवा असेल तर एवढा ढोबळ विचार करून पुरणार नाही अणुचा नेमकेपणाने विचार करणारा करणारे भारतीय ऋषि होते कणाद -- पण त्यांनी अभ्यास नेमका कसा केला आणि काय केला ते आता काळाच्या ओघात कुठेतरी दडून वसले आहे आणि आपण भारतींयांना आपल्या जुन्या संस्कृत ग्रंथामधून ते पुन्हा शोधावे लागेल कारण कणाद ऋषिंचा काळ हजारो वर्षांपूर्वीचा होता.

पण सृष्टिचा नियम आहे कि ज्ञान हरवले तरी पुन्हा कोणीतरी ते शोधतेच. तसेच झाले. सोळाव्या शतकापासून मनुष्य पुन्हा विज्ञानाचा वेध घेऊ लागला आणि एकोणीसव्या शतकातील एक शास्त्रज्ञ डाल्टन याने अणुबाबत काही नेमकी व ठाम मते मांडली. पुढील भागात आपण त्याच्या अभ्यास करू.

साधारण त्याच काळात काही शास्त्रज्ञांनी हवा व इतर वायुरूप पदार्थांचा अभ्यास केला तेंव्हा त्यांच्या लक्षात आले की वायुरूपात रहाणारे सर्व पदार्थ कांही खास खास नियम पाळतात. या नियमामुळे आपल्याला त्यांचे आकारमान (volunie), तापमान (Temperture), दाब (Pressuie), आणि वस्तुमान (mass) यांचा संबंध समजतो. हे नियम म्हणजे चार्ल्स, बाँयल आणि अॅवोगाद्रो या वैज्ञानिकांनी शोधलेले नियम काय ते ही आपण बघू.

तिसरीकडे कांही वैज्ञानिक प्रगत वॅक्यूम पम्प तयार करण्यात गुतंले होते. त्यांच्या शोधकार्यामुळे खूप मोठ्या प्रमाणांवर निर्वात (वॅक्यूम) निर्माण करणारे पम्प बनवणे शक्य झाले. निर्वात पम्पामुळे हवेचा दाब कमी–कमी करता येतो.

चवथ्या बाजूला विजेच्या क्षेत्रात प्रयोग होत होते. त्यातून धाराप्रवाही विद्युत, बॅटरीत साठवली जाणारी वीज, मोठ्या प्रमाणावर विजेचा दाब निर्माण करणे, ट्रान्सफॉर्मर, डायनेमो, व विजेचे जेनेरेटर इत्यादी अविष्कार होत होते.

यापैकी प्रत्येक शोधाची खबर व दखल इतर वैज्ञानिक घेत होते. एकाने केलेले प्रयोग स्वतः पुन्हा पुन्हा करून पहात होते. संपूर्ण यूरोपभर वैज्ञानिक शोधांनी शैक्षणिक संस्था गजबजत होत्या. इतके, की नोबेल या प्रसिद्ध वैज्ञानिक व उद्योगपतिला कल्पना सुचली की या सर्व अविष्कारांना मोठा पुरस्कार दिला पाहिजे. अशा प्रकारे सन 1901 पासून फिजिक्स व केमेस्ट्री या विषयांसाठी नोबेल पुरस्कार दिले जातील अशी घोषणा झाली. हा पुरस्कार जगातला सर्वोच्च पुरस्कार असून आता त्यामध्ये औषधविज्ञान, साहित्य, अर्थशास्त्र, आणि शांति-सौहार्द या चार क्षेत्रांचाही समावेश केला आहे. 

काळ सुमारे १८९०. एका काचेच्या मोठ्या बंद नळीत खूप मोठा निर्वात करून खूप मोठा विजेचा दाब वापरला असतांना आतल्या वायूंचे कांय होते, हे प्रयोग कित्येक ठिकाणी चालू होते. ते करणारे वैज्ञानिक होते फॅरेडे, थॉमसन, ...... वगैरे. अशाच एका प्रयोगांत रोंजेन या वैज्ञानिकाला क्ष- किरणांचा शोध लागला. जगातला पहिला नोबेल सम्मान त्याला देण्यांत आला. त्याच्या अविष्काराबद्दल देखील आपण पुढील अंकांत वाचू. हा अविष्कार इतका अनोखा होता कि विज्ञान विषयावरील व्यंगचित्रांमधे संपूर्ण विसाव्या शतकात सर्वात जास्त व्यंगचित्रे क्ष- किरण आणि अॅण्टी -मॅटर या दोन विषयांवर आहेत.

रोंजेनच्या प्रयोगात त्याला सगळ्यांत आधी त्याच्याच हाताच्या हाडाची सावली पडद्यावर दिसली होती. लगेचच या पद्धतीने हाडांचे छायाचित्र घेऊन तुटलेली हाडे जोडणे किंवा हाडांचे रोग दुरूस्त करण्याची संधी निर्माण झाली. यामुळे रोंजेनचा प्रयोग ते हॉस्पिटल मधे या आविष्काराचा प्रत्यक्ष उपयोग याला फक्त एक महीना लागला. एखादा अविष्कार प्रत्यक्ष उपयोगात किती लौकर आला याबाबत हाही एक विश्वविक्रमच आहे. असो.

क्ष- किरणांच्या शोधातून पुढे जात मेरी क्यूरीने रेडियम व रेडियो अॅक्टिव्हिटीचा शोध लावला आणि वैज्ञानिक जगाला जाणीव करून दिली कि अणुच्या पोटात ऊर्जा आहे. असेल थोडी फार, असच सर्वांना वाटल. एव्हाना इलेक्ट्रॉनचा शोधही लागला होता. मेण्डीलिव्ह, आस्टन आणि मोसले यांच्या प्रयोगांमुळे अणुच्या पोटातील अतिसूक्ष्म कण म्हणजे इलेक्ट्रॉन, प्रोटोन व न्यूट्रॉन यांची कल्पना पुढे आली. थॉमसन, रूदरफोर्ड आणि नील्स बोर यांनी अणुच्या रचनेचे कोष्टक मांडले. ते ही आपण पुढील अंकांमधे वाचणार आहोत.

मधेच प्लांक, मॅक्सवेल आणि आइनस्टाइन या तीन वैज्ञानिकांनी त्यांच्या अनोख्या सिद्धांतांमधून जगाला धक्के दिले. पुढे ते सिद्धांत इतरांनी सिद्धही करून दाखवले हे विशेष. ऊर्जा कशी असते याबाबतच्या जुन्या कल्पनांना मागे सारत ऊर्जा देखील पदार्थासारखी घनीभूत होऊन वावरते आणि कधीकधी आपल्याला घनीभूत अवस्थेतील तिचे अस्तित्व जाणवून देते असे प्लांकने दाखवून दिले. बीज, चुम्बकत्व आणि प्रकाश यांचा घनिष्ठ संबंध आहे हे मॅक्सवेलने गणिताच्या मांडणीतून दाखवून दिले. आणि दोन वस्तूंमधे पोकळी असली तरी ती पोकळीही त्या वस्तूंवर आपला प्रभाव टाकत असते हा आइनस्टाइनचा शोध. तर हे तीन सिद्धान्तही आपण समजून घेऊ.

याच मालिकेत पुढे न्युट्रॉनचा प्रत्यक्ष शोध लागला. मग समजल की विशिष्ट ऊर्जा-अवस्थेतील युरेनियमच्या एका अणूतून एक न्यूट्रॉ़न बाहेर पडू शकतो. त्यासोबत थोडी ऊर्जा पण बाहेर निघते. पण महत्वाचे असे की हा एक न्यूट्रॉन दुसऱ्या दोन अणूंना धक्के मारून त्यांचे न्यूट्रॉ़न बाहेर काढू शकतो. असे एकाचे दोन, दोनाचे चार, चाराचे आठ......... न्यूट्रॉ़न निघू शकतात व त्यांच्यासोबत मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा निघू लागते. ती ऊर्जा आपल्याला वापराला मिळू शकते.

अशा सर्व सैद्धांतिक आणि प्रायोगिक आविष्कारांची एकत्रित मांडणी करून मोठ्या प्रमाणावर अणु-ऊर्जा निर्मिती करता येते आणि प्रसंगी अणुबॉम्बही बनवता येतात या टप्प्यापर्यंत पोचायला भौतिक वैज्ञानिकांना जेमतेम साठ-सत्तर वर्षेच लागली. विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात सर्वच प्रगत देशांनी आपापल्या अणुभट्ट्या स्थापित करून त्यातून वीजनिर्मिती आणि अन्य उपयोगी कामे सुरू केली.

आता कळले ना, नीट वैज्ञानिक अभ्यास केला तर काय होईल? आपला देश १९४७ मधे स्वतंत्र झाला आणि पंडित जवाहरलाल नेहरू देशाचे पंतप्रधान झाले. त्यांना विज्ञानाची गरज समजली होती. त्यावेळी देशाजवळ होमी भाभांसारखे अणू वैज्ञानिक होते. मग काय ? दोघांनी ठरवले की देशांत अणुऊर्जेचा शांतीपूर्ण वापर करण्यासाठी भली थोरली प्रयोगशाळा व अणुउर्जा निर्मिती केंद्र स्थापायचे. अशा प्रकारे आपल्या देशांत BARC (Bhabha Atomic Research Centre ) आणि न्यूक्लीयर पॉवर स्टेशन्सची स्थापना झाली.

तस पाहिल तर अणुऊर्जेचा वापर करुन अणुबॉम्ब बनवता येतो. पण असा बॉम्ब टाकला तर किती नुकसान होते ते जगाने १९४५ मधे हिरोशिमा व नागासाकी या दोन शहरांवर अमेरिकेने टाकलेल्या अणुबॉम्बच्या उदाहरणावरून पाहिले आणि पुन्हा असा वापर न व्हावा असे प्रयत्न जगभरात सुरू झाले. मात्र शांतिपूर्ण वापर केला तर ही ऊर्जा माणसाला खूप काळ पुरेल. तेव्हा या ऊर्जेइतकीच शांतीचीही 
गरज जगाला आहे. हे ही आपण अणुऊर्जेचा इतिहास वाचताना लक्षांत ठेवूया.

हा सर्व आविष्कारांचा इतिहास व त्यामागील सिद्धांत आता आपण शिकणार आहोत. पुन्हा आपली भेट पुढील भागात.

--------------------------------------------------------------------------

करणारे भारतीय ऋषि होते कणाद -- पण त्यांनी अभ्यास नेमका कसा केला आणि काय केला ते आता काळाच्या ओघात कुठेतरी दडून बसले आहे आणि भारतीयांना आपल्या जुन्या संस्कृत ग्रंथांमधून ते पुन्हा शोधावे लागेल कारण कणाद ऋषिंचा काळ हा हजारो वर्षांपूर्वीचा होता. 

पण सृष्टिचा नियम आहे कि ज्ञान हरवले तरी पुन्हा ते कोणीतरी शोधतेच. तसेच सोळाव्या शतकापासून मनुष्य पुन्हा विज्ञानाता वेध घेऊ लागला आणि सोळाव्या शतकातील एक शास्त्रज्ञ डाल्टन याने अणुबाबत काही ठाम मते मांडली. पुढील भागात    

Dalton

Avagadro

Mendelefe

Molecular weight

formula

vacuum pumps

Vaccum tube experiments

Maxwell

Roentgen – X Rays Nobel Prize

Atomic theory

In 1800, Dalton became a secretary of the Manchester Literary and Philosophical Society, and in the following year he orally presented an important series of papers, entitled "Experimental Essays" on the constitution of mixed gases; on the pressure of steam and other vapours at different temperatures, both in a vacuum and in air; on evaporation; and on the thermal expansion of gases. These four essays were published in the Memoirs of the Lit & Phil in 1802.

The second of these essays opens with the striking remark,

There can scarcely be a doubt entertained respecting the reducibility of all elastic fluids of whatever kind, into liquids; and we ought not to despair of affecting it in low temperatures and by strong pressures exerted upon the unmixed gases further.

After describing experiments to ascertain the pressure of steam at various points between 0 and 100 °C (32 and 212 °F), Dalton concluded from observations on the vapour pressure of six different liquids, that the variation of vapour pressure for all liquids is equivalent, for the same variation of temperature, reckoning from vapour of any given pressure.

In the fourth essay he remarks,

I see no sufficient reason why we may not conclude that all elastic fluids under the same pressure expand equally by heat and that for any given expansion of mercury, the corresponding expansion of air is proportionally something less, the higher the temperature. It seems, therefore, that general laws respecting the absolute quantity and the nature of heat are more likely to be derived from elastic fluids than from other substances.

Five main points of Dalton's atomic theory

1. The atoms of a given element are different from those of any other element; the atoms of different elements can be distinguished from one another by their respective relative atomic weights.
2. All atoms of a given element are identical.
3. Atoms of one element can combine with atoms of other elements to form chemical compounds; a given compound always has the same relative numbers of types of atoms.
4. Atoms cannot be created, divided into smaller particles, nor destroyed in the chemical process; a chemical reaction simply changes the way atoms are grouped together.
5. Elements are made of tiny particles called atoms.

Dalton proposed an additional "rule of greatest simplicity" that created controversy, since it could not be independently confirmed.

When atoms combine in only one ratio, "..it must be presumed to be a binary one, unless some cause appear to the contrary".

This was merely an assumption, derived from faith in the simplicity of nature. No evidence was then available to scientists to deduce how many atoms of each element combine to form compound molecules. But this or some other such rule was absolutely necessary to any incipient theory, since one needed an assumed molecular formula in order to calculate relative atomic weights. In any case, Dalton's "rule of greatest simplicity" caused him to assume that the formula for water was OH and ammonia was NH, quite different from our modern understanding.

Despite the uncertainty at the heart of Dalton's atomic theory, the principles of the theory survived. To be sure, the conviction that atoms cannot be subdivided, created, or destroyed into smaller particles when they are combined, separated, or rearranged in chemical reactions is inconsistent with the existence of nuclear fusion and nuclear fission, but such processes are nuclear reactions and not chemical reactions. In addition, the idea that all atoms of a given element are identical in their physical and chemical properties is not precisely true, as we now know that different isotopes of an element have slightly varying weights. However, Dalton had created a theory of immense power and importance. Indeed, Dalton's innovation was fully as important for the future of the science as Antoine Laurent Lavoisier's oxygen-based chemistry had been.

-----------------------------------------------------------------------------------------

It started with the french scientist Lavoisier (1743 –1794). Who recognized and named oxygen (1778) and hydrogen (1783)

Lavoisier's researches included some of the first truly quantitative chemical experiments. He carefully weighed the reactants and products in a chemical reaction, which was a crucial step in the advancement of chemistry. He showed that, although matter can change its state in a chemical reaction, the total mass of matter is the same at the end as at the beginning of every chemical change. Thus, for instance, if water is heated to steam, if salt is dissolved in water or if a piece of wood is burned to ashes, the total mass remains unchanged. His experiments supported the law of conservation of mass, which Lavoisier was the first to state.

Lavoisier investigated the composition of water and air, which at the time were considered elements. He determined that the components of water were oxygen and hydrogen, and that air was a mixture of gases, primarily nitrogen and oxygen. With the French chemists Claude-Louis Berthollet, Antoine Fourcroy and Guyton de Morveau, Lavoisier devised a systematic chemical nomenclature. He described it in Méthode de nomenclature chimique (Method of Chemical Nomenclature, 1787). This system facilitated communication of discoveries between chemists of different backgrounds and is still largely in use today, including names such as sulfuric acid, sulfates, and sulfites.

Lavoisier's Traité Élémentaire de Chimie (Elementary Treatise on Chemistry, 1789, translated into English by Scotsman Robert Kerr) is considered to be the first modern chemistry textbook. It contained a clear statement of the law of conservation of mass, and  clarified the concept of an element as a substance that could not be broken down by any known method of chemical analysis, and presented Lavoisier's theory of the formation of chemical compounds from elements.

Lavoisier also contributed to early ideas on composition and chemical changes by stating the radical theory, believing that radicals, which function as a single group in a chemical process, combine with oxygen in reactions. He also introduced the possibility of allotropy in chemical elements when he discovered that diamond is a crystalline form of carbon.

Avogadro's law (sometimes referred to as Avogadro's hypothesis or Avogadro's principle) is a gas law named after Amedeo Avogadro who, in 1811,[1] hypothesized that two given samples of an ideal gas, at the same temperature, pressure and volume, contain the same number of molecules. Thus, the number of molecules or atoms in a specific volume of gas is independent of their size or the molar mass of the gas.

As an example, equal volumes of molecular hydrogen and nitrogen contain the same number of molecules when they are at the same temperature and pressure, and observe ideal gas behavior. In practice, real gases show small deviations from the ideal behavior and the law holds only approximately, but is still a useful approximation.

--------------------------------------------------------------------------------------