ऊर्जेचे अंतरंग-१४: वीज, विजक आणि विजकविद्या

आकाशातून पडणारी वीज हा ऊर्जेचा एक लोळच असतो. या लोळातील ऊर्जा, असंख्य ऊर्जाकणांनी बनलेली असते. या प्रत्येक कणांवर किमान काही परिमाणात ऊर्जा असतेच असते. किमान ऊर्जेपेक्षा जास्त ऊर्जा धारण करणारे कण अतिरिक्त ऊर्जेच्या प्रमाणानुरूप गतीमान तरी असतात किंवा विद्युत भार तरी धारण करत असतात. अशा कणांतील ऊर्जा, त्यांना त्यांच्या वस्तुमानामुळे, विद्युत भारामुळे आणि गतीमुळे प्राप्त झालेली असते. वस्तुमानाने सर्वात लहान, किमान ऊर्जा धारण करणार्‍या, तसेच किमान विद्युत भार धारण करणार्‍या अशा कणाला "विजक" म्हणतात. वीज तयार करतो तो (वीज+ कण) "विजक". विजकांचा अभ्यास करणार्‍या शास्त्रास "विजकविद्या" म्हणतात.

सलग सारख्या गुणधर्मांच्या रासायनिक पदार्थास "मूलद्रव्य" म्हणतात. पृथ्वीवरील सर्वच पदार्थ, हे काही मूलद्रव्यांच्या मिश्रणांतून अथवा संयुगांपासून घडलेले दिसून येतात. पृथ्वीवर २००८ सालापर्यंत अशी एकूण ११७ मूलद्रव्ये आढळून आलेली आहेत. कुठल्याही मूलद्रव्याचे तुकडे तुकडे करत गेले, तर त्याच मूलद्रव्याचे गुणधर्म दाखवू शकणार्‍या सर्वात सूक्ष्म कणांना अणू म्हणतात. अणूंचेही विभाजन घडवता येते. मात्र त्यात निर्माण होणार्‍या तुकड्यांत, त्या अणूचे गुणधर्म आढळत नाहीत. तरीही, सार्‍याच ११७ मूलद्रव्यांच्या विभाजनात जे तुकडे मिळतात, ते मात्र एकसारखेच असतात. या तुकड्यांत फक्त तीनच प्रकारचे कण आढळून आले आहेत. सारेच ११७ अणू केवळ तीन मूलभूत कणांच्या संयोगाने बनलेले असतात.

तेच ते, तीन मूलभूत कण निरनिराळ्या संख्येत, निरनिराळ्या प्रकारे एकत्र येऊन, ११७ मूलद्रव्यांना जन्म देतात असे आढळून आले. या कणांचा जेव्हा अभ्यास केला गेला, तेव्हा तिघांनाही वस्तुमान असल्याचा निष्कर्ष निघाला. पुढे तर्‍हतर्‍हेचे प्रयोग करून या वस्तुमानांचे नेमके मूल्य शोधून काढण्यात शास्त्रज्ञांना यश आले.

या तिन्ही कणांच्या विद्युत भारांबाबत जेव्हा अभ्यास करण्यात आला तेव्हा असे लक्षात आले की त्यांपैकी सर्वात वजनदार कण उदासिन होता. त्यावर कुठलाही विद्युतभार आढळून आला नाही. तो विरक्त होता. त्याच्या असण्यामुळे पदार्थ उदासिन राहत असत. म्हणून तो ठरला पदार्थास विरक्त करणारा कण, "विरक्तक". इतर दोघांवर सारख्याच प्रमाणात विद्युतभार असल्याचे लक्षात आले. मात्र एकावर धन विद्युत भार होता तर दुसर्‍यावर ऋण. धन विद्युत भार असलेला सर्वात लहान कण, हा पदार्थास धन करणारा, या नात्याने "धनक" ठरला. याचे वजन उदासिन कणापेक्षा काहीसेच कमी होते. ऋण कण मात्र या दोहोंच्या मानाने वजनाने अगदीच तोळामासा निघाला. (नेमकेच सांगायचे तर धनकाच्या १८३६ पट कमी वजनाचा). पदार्थास ऋण करणारा, लहानात लहान ऋण कण, या नात्याने हा कण "ऋणक" ठरला.

मग "विजक" आणि "ऋणक" यांचे स्वतंत्र अभ्यास झाले. दोघांच्याही गुणधर्मांत कमालीचे साम्य आढळून आले. एवढेच काय पण त्यांची प्रत्यक्ष प्रयोगात मोजलेली वस्तुमाने आणि विद्युत भारही जेव्हा एकसारखेच भरले, तेव्हा मात्र विजक म्हणजेच ऋणक असल्याचे नक्की झाले.

जेव्हा अणुविभाजनाचा शोध लागला, तेव्हा अण्वंतर्गत "विरक्तक", "धनक" आणि "ऋणक" या कणांना अविभाज्य मानले जात असे. मग पुढे विरक्तकाचेही विभाजन होऊ शकते असा शोध लागला. या विभाजनात एक "धनक" आणि एक "ऋणक" निर्माण होतात. पण आश्चर्य असे की धनक व ऋणक यांच्या एकत्रित वजनापेक्षा विरक्तकाचे वजन काहीसे कमीच असते. असो. पण यामुळे मुळात तीन पायाभूत कण मानले जायचे, ते खरे तर दोनच आहेत हे स्पष्ट झाले. "धनक" आणि "ऋणक".

बहुतेक सर्व अणुंमधे तीन प्रकारचे मूलभूत कण आढळून आलेले असले, तरीही उद्‌जनाच्या अणूत मात्र फक्त एक धनक आणि एक ऋणक असतात असाही शोध लागला. इतर सर्व मूलद्रव्यांत मात्र एक वा अनेक विरक्तक सामील झालेले आढळून येतात. असे असूनही, ऋणकाचे वजन ढोबळपणे धनकाच्या १८३६ पट कमी असल्याचे निष्पन्न झाल्यामुळे, कुठल्याही अणुचे वजनात सिंहाचा वाटा धनकाचा (किंवा धनक व विरक्तक मिळून) असतो, हेही लक्षात आले. त्यामुळेच एखाद्या मूलद्रव्याच्या अणूत जेवढे एकूण धनक व विरक्तक असतील त्या संख्येस ढोबळमानाने त्या मूलद्रव्याचा "अणुभारांक" म्हटले जाऊ लागले.

सर्वच अणू, विद्युतभारविहीन असतात. म्हणून अणुंमधे जेवढे धनक असतील तेवढेच ऋणक असणेही गरजेचे ठरते. अणुमधील धनकांच्या संख्येस, त्या त्या मूलद्रव्याचा "अण्वांक" म्हटले जाऊ लागले, आणि मग ११७ मूलद्रव्ये त्यांच्या अण्वांकांनी ओळखली जाऊ लागली.

मूलद्रव्यांना व्यक्त करण्याकरता चिह्नांचा वापर प्रथमतः इंग्रजी भाषेत सुरू झाला. त्यामुळे जेव्हा शास्त्राचे भाषांकन जागतिक स्तरावर सुरू झाले, तेव्हा शास्त्र कोणत्याही भाषेत लिहीले जात असो त्यात मूलद्रव्यांची चिह्ने जी इंग्रजीत लिहीली जातात, तीच कायम ठेवावीत असा संकेत झाला. म्हणून आजही आपण उद्‌जनवायूस H, प्राणवायूस O आणि नत्रवायूस N अशा चिह्नांनी व्यक्त करतो. मूलद्रव्यास एक आणि एकच अण्वांक असतो. म्हणून ते चिह्नाने व्यक्त केल्यास अण्वांक वेगळ्याने लिहीण्याची गरज नसते. मात्र अणुमधे जर विरक्तकांची संख्या वाढली तर मूलद्रव्य तेच राहूनही त्याचा अणुभारांक वाढतो. अशा वाढत्या वजनाच्या मूलद्रव्यास मूळ मूलद्रव्याचा समस्थानिक म्हणतात. मूलद्रव्यांच्या चिह्नांसोबतच त्या मूलद्रव्यांचे भारांक लिहीण्याची प्रथा मग विकसित झाली. आणि मूलद्रव्ये, २३८U (म्हणजे २३८ भारांक असलेले मूलद्रव्य युरेनियम, अण्वांक ९२) या पद्धतीने व्यक्त केली जाऊ लागली.

सामान्यपणे दिसून येणारी पाण्यासारखी द्रव्ये मात्र मूलद्रव्ये नाहीत. पाणी हे उद्‌जन (उदक म्हणजे पाणी, पाण्यास जन्म देतो तो उदकाचा जनक, या नात्याने उद्‌जन) वायूचे दोन अणू आणि प्राणवायूचा एक अणू यांच्या संयोगाने तयार होते. म्हणून पाण्याला "संयुग" म्हणतात. पाण्याचे बोधचिह्न H२O असे लिहीले जाते. संयुगाचे सतत विभाजन करत गेल्यास ज्या सर्वात लहान तुकड्यास पाण्याचेच गुणधर्म असल्याचे आढळून येतात त्या त्याचा "रेणू" म्हणतात. मूलद्रव्याचा सर्वात लहान तुकडा जसा "अणू" असतो, तसाच संयुगाचा सर्वात लहान तुकडा असतो "रेणू". ज्या शास्त्रात मूलद्रव्ये व संयुगे यांच्या गुणधर्मांचे, परस्परांवरील अभिक्रियांचे आणि मानवास असणार्‍या त्यांच्या उपयोगाबाबतचे अभ्यास केले जातात त्या शास्त्रास "रसायनशास्त्र" असे म्हणतात.

आपल्या सभोवती जरी आपण नेहमीच उदासिन (विद्युतभारविहीन) मूलद्रव्ये, संयुगे अथवा त्यांची मिश्रणे असणारे पदार्थ पाहत असलो तरीही रसायनशास्त्राच्या अभ्यासानुसार ही मूलद्रव्ये व संयुगे ज्यावेळी परस्परांच्या सान्निध्यात येतात त्यावेळी शास्त्राच्या नियमाप्रमाणे ती परस्परांशी अभिक्रिया घडवून आणतात. निराळ्याच नव्या मूलद्रव्यांमधे वा संयुगांमधे परिणत होतात. अंतिमतः घडणारी मूलद्रव्ये वा संयुगेही उदासिनच असतात. मात्र, अभिक्रियांदरम्यानच्या तात्पुरत्या अभिक्रिया काळात, परस्परांच्या बाह्य विजकांना खेचून घेऊन काही मूलद्रव्ये वा संयुगे ऋण विद्युतभाराने सजतात. त्याच वेळी ज्यांचे विजक त्यांनी खेचून घेतलेले असतात अशी मूलद्रव्ये वा संयुगे धनभारित असल्याचे दिसून येते. अशाप्रकारे तात्पुरत्या विद्युतभारित होणार्‍या मूलद्रव्यांना वा संयुगांना, त्या तात्पुरत्या काळात विद्युतभारित मूल कण या नात्याने "मूलक (मूल कण)" असे म्हटले जाते. मूलके ही विजक निघून गेल्याने वा प्राप्त केल्याने अनुक्रमे धन वा ऋण भारित झालेली असली, तरी मुळात ती मूलद्रव्ये वा संयुगे असतात, म्हणूनच त्यांचे वस्तुमान विजकाहून प्रचंड प्रमाणात मोठे असते. मूलके तयार होण्याच्या प्रक्रियेला "मूलकीकरण" म्हणतात. मूलकीकरण एका तात्पुरत्या अवस्थेस जन्म देत असते, ज्यात अतिसक्रीय अशी विद्युतभारित मूलके उदासिनीकरणाच्या शोधात भटकत असतात. याकारणानेच मूलके हानीकारक समजली जातात.

ज्वलन ही एक रासायनिक प्रक्रिया आहे. लाकडावर लाकूड घासून ठिणग्या पाडता येतात हे कळल्यापासून माणसाला अग्नीचा शोध लागला. घर्षणादरम्यान मूलके जन्मास येतात. त्यांना उदासिनीकरणाची ओढ असते. ती विरुद्ध विद्युतभारित मूलकांचा शोध घेत असतात. जेव्हा विरुद्धभारित मूलके परस्परांशी भेटतात, तेव्हा ऊर्जानिर्मिती होते. ही निर्माण झालेली ऊर्जा म्हणजेच आग. विस्तव. या ऊर्जेचे परिमाण मूलके जन्मास घालतांना घर्षण घडवण्याकरता जेवढी ऊर्जा वापरात आलेली असेल तिच्याएवढेच असते.

मात्र, ढगांतून कोसणारी वीज (आगीचा लोळ या अर्थाने) आणि घर्षणातून निर्माण होणार्‍या ठिणगीचे नाते उमगण्यास भरपूर काळ जावा लागला. ढगांवर ढग आपटतात, परस्परांना घासत जातात. यामुळे त्यांच्या पृष्ठभागांवर विद्युतभार जमा होतो. परस्पर-विरोधी विद्युत भारांत परस्परांप्रती आकर्षण असते. जेवढा भार जास्त तेवढेच आकर्षणही जास्त. ढगांवरील विद्युतभार जसजसा वाढत जातो, तसतसे त्यामुळे पृथ्वीवरील विरुद्धविद्युतभाराप्रतीचे त्याचे आकर्षणही वाढत जाते. ढग आणि पृथ्वी यांमधील अंतराचा अडथळा पार करू शकेल एवढे आकर्षण निर्माण झाले की ढगांवरील विद्युतभार पृथ्वीवरील विद्युतभाराकडे झपाट्याने झेपावतो. म्हणजेच वीज पडते. परस्पर विरुद्ध भारांचे विनासायास मिलन झाले तर दोन्हीही भार नाहीसे होतात. परिसराचे कुठलेही नुकसान होत नाही. मात्र विरुद्ध भारांच्या परस्पर मिलनात जी वस्तू अडथळा करेल त्या वस्तूवर विद्युतभार रिता होऊन तिचे अ-निदानित नुकसान घडवून आणू शकतो. जेवढा भार जास्त तेवढेच जास्त नुकसान तो घडवू शकतो. ढगांची निर्मिती महासागरावर होते. त्यांना जमिनीवर वारा घेऊन येतो. वाराच त्यांचे परस्परांत अथवा डोंगरांसोबत घर्षण घडवून आणतो. मूलकीकरणास लागणारी ऊर्जा वाराच त्यांना पुरवतो. म्हणूनच वीज पडते तेव्हा प्रकट होणारी ऊर्जा कुठून येते हे आपल्या चटकन लक्षात येत नाही. 'वातावरणशास्त्रात' या वायूंच्या अभिसरणाचा अभ्यास केला जातो.

मात्र, या सर्व प्रक्रियांदरम्यान ऊर्जेच्या ज्या प्रचंड उलाढाली घडून येतात. त्यांच्या अभ्यासाचीही निकड निर्माण झाली. 'विद्युतऊर्जाशास्त्रात' या ऊर्जांतरणांचा अभ्यास केला जाऊ लागला.

तरीही एकदा या सार्‍या ऊर्जांतरणांचे मूळ, मूलकीकरणात आहे असे निष्पन्न झाल्यावर मूलकीकरणाचे, विजकांचे शास्त्र विस्ताराने अभ्यासण्याची गरज जाणवू लागली. विजकांच्या प्रवाहांवर नियंत्रण मिळवता येईल का याचा अभ्यासही केला जाऊ लागला. त्या अभ्यासाला नाव मिळाले 'विजकविद्या'.

घन पदार्थांना ऊर्जा पुरवल्यास ते द्रव होतात. द्रव पदार्थांना ऊर्जा पुरवल्यास ते वायूरूप प्राप्त करतात. वायूसही ऊर्जा पुरवत राहिल्यास मूलकीकरण प्रक्रियेस जोर चढतो. मूलकीकृत वायूच्या ऊर्जस्वल अवस्थेस 'प्राकल' अवस्था म्हणतात. घन, द्रव आणि वायू या सर्वसामान्यपणे ज्ञात असलेल्या पदार्थांच्या तीन अवस्थांमधे आता 'प्राकल' या अवस्थेचीही भर पडलेली आहे. पृथ्वीच्या वातावरणाच्या बाहेर, अवकाशात सगळीकडे भरपूर ऊर्जा वावरत असते. म्हणून अवकाशातले पदार्थ बहुतेकदा प्राकलावस्थेत असलेले सापडतात. म्हणूनच प्राकलावस्थेचा अभ्यास गरजेचा झाला. हा अभ्यास ज्या शास्त्रात केला जातो त्या शास्त्रास 'प्राकलविद्या' म्हणतात.

विद्युतऊर्जेच्या वहनाकरता सहज सोपे असे पदार्थ मग शोधले गेले. त्यांना विद्युतवाहक या अर्थाने 'सुवाहक' म्हटले गेले. काही पदार्थ विद्युतऊर्जेच्या वहनास कमालीचा अवरोध करतात असे लक्षात आले. सजीवांच्या पेशींच्या भिंती ह्या सर्वात जास्त अवरोध करतात असाही शोध लागला. अशा पदार्थांना मग 'दुर्वाहक' म्हणू लागले. काही पदार्थ मात्र ना सुवाहक होते ना दुर्वाहक. मुळात दुर्वाहक असत, मात्र काहीशी ऊर्जा बाहेरून मिळाली तरीही ते सुवाहक होऊ शकत. अशांना 'अर्धवाहक' म्हणू लागले. अर्धवाहकांचे अपरिमित उपयोग मग लक्षात आले. अर्धवाहकांच्या उपयोगाने संगणकशास्त्राचा जन्म झाला. संगणकशास्त्राची उपयोगिता वर्णन करून सांगण्याची मुळीच गरज आजच्या युगात राहिलेली नाही. अर्धवाहक पदार्थ काही निसर्गनिर्मित नाहीत. ते तयार करावे लागतात. त्यांची निर्मिती, प्रक्रिया आणि उपयोग यांच्या अभ्यासाचे काम 'विजकविद्ये'नेच साध्य करून दिले.

याच कारणाने आज आपण ज्याला विजकविद्या म्हणून ओळखतो, ते शास्त्र अर्धवाहकांच्या अभ्यासाचे शास्त्र बनून राहिलेले आहे.

या लेखात वापरलेले मूळ मराठी शब्द आणि त्यांचेकरता उपलब्ध असलेले पर्यायी इंग्रजी शब्द खाली अकारविल्हे रचलेल्या प्रतिशब्द सारणीत देत आहे.

अक्र मूळ मराठी शब्द पर्यायी इंग्रजी शब्द

१ अणुभारांक Atomic weight
२ अणू Atom
३ अण्वांक Atomic number
४ अर्धवाहक Semi-conductor
५ ऋणक, विजक Electron
६ दुर्वाहक Insulator
७ धनक Proton
८ प्राकल Plasma
९ प्राकलविद्या Plasma physics
१० मिश्रणे Mixtures
११ मूलक Ion
१२ मूलकीकरण Ionization
१३ मूलद्रव्ये Elements
१४ रसायनशास्त्र Chemistry
१५ रेणू Molecule
१६ विद्युतऊर्जाशास्त्र Electricity
१७ विद्युतशास्त्र Electrical Science
१९ विरक्तक Neutron
१८ विजकविद्या Electronics
२० संगणकशास्त्र Computer science
२१ संयुगे Compounds
२२ सुवाहक Conductor

या लेखात वापरलेल्या मूळ मराठी शब्दांचे पर्यायी इंग्रजी शब्द आणि संबंधित मूळ मराठी शब्द खाली अल्फाबेटिकली रचलेल्या प्रतिशब्द सारणीत देत आहे.

अक्र पर्यायी इंग्रजी शब्द मूळ मराठी शब्द

१ Atom अणू
२ Atomic weight अणुभारांक
३ Atomic number अण्वांक
४ Chemistry रसायनशास्त्र
५ Compounds संयुगे
६ Computer science संगणकशास्त्र
७ Conductor सुवाहक
८ Electrical Science विद्युतशास्त्र
९ Electricity विद्युतऊर्जाशास्त्र
१० Electron ऋणक, विजक
११ Electronics विजकविद्या
१२ Elements मूलद्रव्ये
१३ Insulator दुर्वाहक
१४ Ion मूलक
१५ Ionization मूलकीकरण
१६ Mixtures मिश्रणे
१७ Molecule रेणू
१८ Neutron विरक्तक
१९ Plasma प्राकल
२० Plasma physics प्राकलविद्या
२१ Proton धनक
२२ Semi-conductor अर्धवाहक

http://urjasval.blogspot.com/ या माझ्या अनुदिनीवरही आपले स्वागतच आहे.