ആറ്റത്തിന്റെ ഘടന പഠിക്കുമ്പോൾ

 ദീർഘകാലം കെമിസ്ട്രി അധ്യാപകനായി ജോലിചെയ്തിട്ടുണ്ടെങ്കിലും ആറ്റം എന്ന് കേൾക്കുമ്പോൾ പുസ്തകത്താളിൽ വരച്ച വൃത്തവും വൃത്ത പരിധിയിൽ ഒരു ഇലക്ട്രോണും കേന്ദ്രത്തിൽ ഒരു പ്രോട്ടോണുമുള്ള, ഇന്നത്തെ വിദ്യാർത്ഥികൾ എട്ടാംക്ലാസ്സിലും ഞങ്ങൾ 1960കളുടെ അവസാനപകുതിയിൽ പ്രീഡിഗ്രി ക്ലാസ്സിലും പഠിച്ച ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റമാണ് മനസ്സിൽ വരുന്നത്. പഠനം എളുപ്പവും ഒട്ടൊക്കെ ആസ്വാദ്യകരവുമാക്കാൻ ഉദാഹരണങ്ങൾ സഹായിക്കുമെന്നതു സത്യമാണ്. എന്നാൽ സൂക്ഷ്മ വസ്തുവായ ആറ്റത്തിന് സ്ഥൂലപ്രപഞ്ചത്തിലെ ഉദാഹരണം കൃത്യമാകണം എന്നില്ല. അതേസമയം, സ്ഥൂലപ്രപഞ്ചത്തിലെ ഉദാഹരണമേ നൽകാൻ പറ്റുകയുമുള്ളൂ. ആറ്റം ഘടനയെ സൗരയൂഥവുമായുള്ള താരതമ്യം  ചെയ്യൽ കൂടിയാകുമ്പോൾ  ഈ രൂപം പഠിതാക്കളുടെ മനസ്സിൽ ഉറച്ചുപോകും. പത്താം ക്ലാസ്സിനു ശേഷം സയൻസ് പഠനം തുടരാത്തവർക്കു ഈ ഘടനയിൽ തന്നെ തുടരേണ്ടി വരും. അതിനാൽ പ്രാഥമിക പഠനത്തിനായി ഈ മാതൃകകൾ ഉപയോഗിച്ചതാണെന്നും ആറ്റത്തിന് ത്രിമാന ഘടനയാണ് ഉള്ളതെന്നും ഈ വിഷയം ഉയർന്ന ക്ളാസ്‌കളിൽ പഠിക്കുന്നവർക്ക് അക്കാര്യം ബോധ്യമാകുമെന്നും വിദ്യാർത്ഥികളെ ഉണർത്തേണ്ടതാണ്.

മൂലകങ്ങളുടെ അറ്റോമിക് സ്പെക്ട്രമാണ്  ഒരു ആറ്റത്തിലെ ഇലക്ട്രോണുകൾ നിശ്ചിത ഊർജ്ജനിലകളിലാണ് വിന്യസിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളതെന്നതിന് തെളിവാകുന്നത്. ഈ ഊർജ്ജനിലകളിൽ അല്ലാതെ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കു നിലനിൽക്കാൻ കഴിയില്ല എന്നതിന് ഒരു ഉദാഹരണമായി 1980-കളിലെ  പുസ്തകങ്ങളിൽ കോണിപ്പടികളിലൂടെ താഴേക്ക് ഉരുളുകയോ കൈകൊണ്ടു മുകളിലേക്ക് ഉരുട്ടുകയോ ചെയ്യുന്ന ഒരു പന്തിനെയാണ് അവതരിപ്പിക്കുന്നത്. ഒരാൾ കോണിപ്പടികൾ കയറുമ്പോഴും ഇറങ്ങുമ്പോഴും പടികളിൽ മാത്രമേ നിൽക്കാനാകൂ, പടികൾക്കിടയിൽ സ്ഥിരതയോടെ നിൽക്കാനാകില്ലെന്ന് അറിയുന്ന വിദ്യാർത്ഥിക്ക് ഈ ഉദാഹരണം ആശയം മനസ്സിലാക്കാൻ വളരെ യോജിച്ചതാകും. 

.  

അപ്പോഴും ഇലക്ട്രോൺ ഒരു പന്തുപോലുള്ള സ്ഥൂല വസ്തുവായി തുടരും! എങ്കിലും താഴ്ന്ന ഊർജനിലയിലേക്കു ഒരു ഇലക്ട്രോണിന് സ്ഥാനമാറ്റം നടക്കുമ്പോൾ രണ്ടു ഊർജനിലകളിലുമുള്ള ഊർജവ്യത്യാസം  നഷ്ടപ്പെടേണ്ടതുണ്ടല്ലോ. ഇപ്രകാരം നഷ്ടപ്പെടുന്ന ഊർജമാണ് പ്രകാശരൂപത്തിൽ അറ്റോമിക് സ്പെക്ട്രത്തിൽ പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നത് എന്ന് ഈ ഉദാഹരണം കൊണ്ട് ഗ്രഹിക്കാനാകും.

ന്യൂക്ലിയസിന് ചുറ്റും സ്ഥിതിചെയ്യുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് തരംഗസ്വഭാവം ഉണ്ടെന്ന് ആദ്യമായി കേൾക്കുമ്പോൾ ഞെട്ടാത്തവർ ഉണ്ടാകില്ല! വേഗത്തിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന പദാർത്ഥത്തിനു  തരംഗസ്വഭാവം ഉണ്ടാകാമെന്ന് കണ്ടെത്തിയത് ദ ബ്രോളി  (Louis de Broglie) ആണല്ലോ. അതനുസരിച്ച് തരംഗദൈർഘ്യം

$$\lambda=\frac{h}{mv}$$

 ആണല്ലോ. എങ്കിൽ അതിവേഗതയിൽ സെർവ് ചെയ്യപ്പെട്ട ടെന്നീസ് പന്തിനും വെടിയുണ്ടയ്ക്കുമെല്ലാം തരംഗസ്വഭാവമാണോ എന്ന് പഠിതാക്കൾക്ക് തോന്നാം.  അധ്യാപകനോട് സംശയം ചോദിച്ചു വ്യക്തത വരുത്തുന്ന ശീലം  കുറവായതിനാൽ സംശയനിവാരണത്തിന് അധ്യാപകൻ തന്നെ മുൻകൈ എടുക്കേണ്ടതാണ്. പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കം വളരെ ചെറിയ മൂല്യമാണെന്നും പദാർത്ഥത്തിന്റെ മാസ്സ് ഛേദത്തിൽ ആയതുകൊണ്ട് മാസ്സ് നിസ്സാരമായ വസ്തുക്കൾക്കേ പ്രകടമായ തരംഗസ്വഭാവം സാധ്യമാകൂ എന്നും വിശദീകരിക്കാം.

ബോർ ആറ്റം ഘടന മനസ്സിൽ ഉറച്ചവർക്കു ഓർബിറ്റ് – ഓർബിറ്റൽ  തമ്മിൽ ആശയക്കുഴപ്പം ഉണ്ടാകാറുണ്ട്.  ബോർ മോഡൽ അനുസരിച്ചു് ഒരു നിശ്ചിത പഥത്തിൽ-ഓർബിറ്റിൽ – ന്യൂക്ലിയസ്സിന്‌ ചുറ്റും ഇലക്ട്രോൺ സഞ്ചരിക്കുകയാണല്ലോ. എന്നാൽ വേവ് മെക്കാനിക്സ് അനുസരിച്ചു ഒരു ആറ്റത്തിലെ  ഇലക്ട്രോണിന്റെ കൃത്യമായ സ്ഥാനം കണക്കാക്കുക സാധ്യമല്ല. പകരം ആറ്റത്തിൽ ന്യൂക്ലിയസ്സിന്‌ പുറത്തു ഇലക്ട്രോണുകൾ നിലകൊള്ളാൻ കൂടുതൽ സാധ്യതയുള്ള ത്രിമാന പ്രദേശങ്ങളെ നിർണയിക്കാനാകും. ഈ പ്രദേശങ്ങളെയാണ് ഓർബിറ്റലുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. ഏതൊരു ഓർബിറ്റലിലും പരമാവധി രണ്ട് ഇലക്ട്രോണുകൾക്കേ സ്ഥിതിചെയ്യാനാകൂ. ഈ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കാകട്ടെ വിപരീത സ്പിൻ ഉണ്ടായിരിക്കുകയും വേണം. സ്പിൻ എന്നത് ഒരു സ്ഥൂലവസ്‌തുവിന്റെ ഭ്രമണമായേ വിദ്യാർത്ഥികൾക്ക് അനുഭവപ്പെടൂ. എന്നാൽ തരംഗസ്വഭാവമുള്ള ഇലക്ട്രോണിന് എങ്ങനെ സ്വയം ഭ്രമണം ചെയ്യാനാകും എന്ന സംശയം ദൂരീകരിക്കപ്പെടണം. ആംഗുലർ മൊമെന്റം പ്രകടിപ്പിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോൺ ഒരു സൂക്ഷ്മ കാന്തവുമാണ്. ഇക്കാരണത്താലാണ് ഇലക്ട്രോണിന് സ്പിൻ ഉള്ളതായി  കണക്കാക്കുന്നത്.

ഹയർ സെക്കണ്ടറി ക്ലാസ്സുകളിൽ ഹൈബ്രിഡൈസേഷൻ പഠിക്കാനുണ്ട്. കാർബണും ഹൈഡ്രജനും സംയോജിച്ച് മീഥേൻ ഉണ്ടാകുന്നതാണ് ഒരു ഉദാഹരണമായി എടുക്കാറുള്ളത്. അതിനായി കാർബൺ ആറ്റത്തിലെ  2s ഓർബിറ്റലിലെ ഒരു ഇലക്ട്രോൺ 2p ഓർബിറ്റലിലേക്കു സ്ഥാനമാറ്റം നടത്തി ഓരോ ഇലക്ട്രോൺവീതമുള്ള 2s ഓർബിറ്റലും മൂന്ന് 2p ഓർബിറ്റലുകളും ചേർന്ന് ഒരു ടെട്രാഹെഡന്റെ നാല് മൂലകളിലേക്കും ചൂണ്ടി നിൽക്കുന്ന  നാല് sp3 ഓർബിറ്റലുകൾ ഉണ്ടായി അവയുമായി നാല് ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റങ്ങൾ രാസബന്ധനത്തിൽ ഏർപ്പെടുന്നതായിട്ടാണ് വിശദീകരിക്കാറുള്ളത്.  മീഥേൻ തന്മാത്രയുടെ ത്രിമാനഘടന ഓർമ്മിക്കാൻ ഇത് സഹായിച്ചേക്കും. എന്നാൽ മുകളിൽ വിശദീകരിച്ച പോലെ കാർബൺ ആറ്റത്തിൽ മാറ്റങ്ങൾ വന്ന ശേഷം ഹൈഡ്രജൻ സംയോജിക്കുന്നതിന് തെളിവൊന്നും ഇല്ല. എന്നാൽ ഒരു കാർബൺ ആറ്റവുമായി നാല് ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റങ്ങൾ സംയോജിച്ചാൽ കാർബൺ ആറ്റത്തിലെ  വാലെൻസ് ഷെല്ലിലെ ഓർബിറ്റലുകളുടെ ദിശ  ഒരു ടെട്രാഹെഡ്റന്റെ  നാല് മൂലകളിലേക്കു ആയിരിക്കും എന്നേ പറയാനാകൂ.

---

Reference:-

1. Chemistry – Matter and its Change, Brady, Russel and Holum, John Wiley and Sons, Inc., 2000.
2. Quantum Chemistry- A unified approach, David B Cook, Imperial College Press, 2008.

---