“పదార్థ విభజనకి పరమాణువు అంతిమ హద్దు కాదు.”

— థామ్సన్ 1906 నోబెల్ ప్రసంగం

మనం చిన్నప్పుడు బడిలో పరమాణు సిద్ధాంతం (Atomic Theory) గురించి ఎంతో ఆసక్తిగా చదువుకున్నాం. ఈ ప్రపంచంలోని ప్రతి వస్తువుకూ మూలం పరమాణువులేననీ, సూర్యుడి చుట్టూ గ్రహాలు తిరిగినట్లే పరమాణు కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్లు నిరంతరం తిరుగుతుంటాయనీ చదివాం. అయితే, అసలు ఈ కంటికి కనిపించని రహస్యాన్ని శాస్త్రవేత్తలు ఎలా ఛేదించారు? ఈ అద్భుతమైన సిద్ధాంతం వెనుక ఉన్న అసలు కథేంటి? పదార్థ నిర్మాణం గురించి మానవుని ఆలోచనలు కొన్ని వేల ఏళ్ల నాటివి. ప్రాచీన కాలం నుండి ఆధునిక యుగం దాకా అవి ఎలా మారాయో ఈ వ్యాసంలోనూ వచ్చే వాటిల్లోనూ వివరంగా తెలుసుకుందాం.

పదార్థ నిర్మాణం – ప్రాచీనుల అవగాహన

అంబరము వాయు వగ్ని దోయమ్ము ధరణి | భూతపంచక మిది; క్రమంబున మహాత్మ!
శబ్ద సంస్పర్శ రూప రసములు గంధ | సంయుతంబుగ భూతపంచక గుణములు.
– మహాభారతం, అరణ్యపర్వం, పంచమాశ్వాసము-83

ఈ విశ్వమంతా ఆకాశం, గాలి, నిప్పు, నీరు, నేల అనే ‘పంచభూతాల’ కలయికేనని మన పూర్వీకులు నమ్మారు. మన కంటి ముందు కనిపించే వస్తు జగత్తులో ఎంత వైవిధ్యం ఉన్నా, దానంతటికీ మూలం ఈ అయిదేనని వారి భావన. దీనికి ఒక కారణం పదార్థాలు మన కళ్ళ ముందే రూపాంతరం చెందడం. అనేక రకాల చెట్లు ఉండవచ్చు; కానీ వాటిలో దేనిని కొట్టి కాల్చినా మిగిలేది మాత్రం ఒకే రకమైన బూడిద. ఈ మార్పును చూసి, అన్నిటికీ మూలం ఈ అయిదేనని ప్రాచీనులు తీర్మానించారు.

భారతీయ వైశేషిక సంప్రదాయానికి చెందిన కణాదుడు (Kanada, క్రీ. పూ. ఆరో శతాబ్దమో, రెండో శతాబ్దమో తెలియదు) ఈ ఆలోచనను ఇంకా ముందుకు తీసుకెళ్ళాడు. ఏ వస్తువునైనా సరే విభజించుకుంటూ పోతే, చివరకు ఇక విడదీయలేని సూక్ష్మ స్థితికి చేరుకుంటామని, దాన్నే ‘పరమాణువు’ అని పిలిచాడు. ఒక్కో వస్తువు పరమాణువుకి ఒక్కో రకమైన గుణం ఉంటుందని అతడు ప్రతిపాదించాడు.

మనలాగే గ్రీకులు కూడా ఈ ప్రపంచం నాలుగు మూలకాలతో (ఆకాశాన్ని వదిలేసి—నేల, నీరు, నిప్పు, గాలి) తయారైందని భావించారు. వారిలో డెమోక్రిటస్‌ (Democritus, c. 460 – c. 370 BC) అనే తత్వవేత్త ఆలోచనలు చాలా విభిన్నంగా ఉండేవి. తీపి, చేదు, వేడి, చలి, రంగు, వాసన, ఇవి వస్తువుల నిజమైన గుణాలు కావని అతడు వాదించాడు. ఇవన్నీ మన అనుభవం ద్వారా, మన భాషా వ్యవహారంలో మనం ఏర్పరుచుకున్న అభిప్రాయాలు మాత్రమే; నిజానికి ఈ ప్రపంచంలో ఉన్నవి రెండే రెండు—పరమాణువులు, శూన్యం— అని అతడు స్పష్టం చేశాడు. (“By convention sweet is sweet, bitter is bitter, hot is hot, cold is cold, color is color; but in truth there are only atoms and the void.”) Atom అనే పదం గ్రీకు భాషలోని ‘Atomos’ నుండి పుట్టింది. ‘a-‘ (అ) అంటే ‘కాదు’ లేదా ‘వీలుకాని’ అని అర్థం. ‘tomos’ (టొమోస్) అంటే ‘కోయడం’ లేదా ‘విభజించడం’.

అయితే, వీటిని చూసి గ్రీకులు గానీ, భారతీయులు గానీ ఆధునిక పరమాణు సిద్ధాంతాన్ని పూర్వమే కనుగొన్నారని అనుకోకూడదు. వారు చేసిన అసలైన మేలు, ప్రకృతిలోని సంక్లిష్టమైన విషయాలను సరళీకరించి (Reductionism) విశ్వ రహస్యాలను తెలుసుకోవచ్చునని చూపడం. దీని గురించి జె.జె. థామ్సన్ 1914లో ఆక్స్‌ఫర్డ్ విశ్వవిద్యాలయంలో ‘పరమాణు సిద్ధాంతం‘ పై ఇచ్చిన తన ప్రసిద్ధ ‘రోమన్స్ ఉపన్యాసం’ (Romanes Lecture) లో చెప్పిన మాటలు గుర్తుంచుకోదగ్గవి.

రోమన్స్ ఉపన్యాస ప్రారంభం

“పదార్థం మన కంటికి ఎడతెగని ద్రవ్యరాశిలా కనిపించినా, నిజానికి అది అసంఖ్యాకమైన అతి సూక్ష్మ కణాలతో కూడి ఉందనే భావన భౌతికశాస్త్రానికి చాలా ప్రాచీనమైనది. ప్రకృతిలో కనిపించే విషయాల గురించి మనిషి ఆలోచించడం మొదలుపెట్టిన తొలినాళ్లలోనే ఈ ఆలోచన పుట్టింది.

అయితే, ఆధునిక అణు సిద్ధాంతాన్ని నేరుగా డెమోక్రిటస్, లుక్రేషియస్‌ల ఆలోచనల కొనసాగింపుగా భావించడం సరైంది కాదు. వారి అణువాదం ఆధునిక శాస్త్రానికి దగ్గరగా ఉన్న భౌతిక సిద్ధాంతం కన్నా, ఎక్కువగా తాత్త్వికమైనది, అధిభౌతిక స్వభావం గలది. రెండువేల ఏళ్ల క్రితం భౌతికశాస్త్ర జ్ఞానం అంత విస్తృతంగా లేదు; అంత స్పష్టంగా కూడా లేదు. అందువల్ల అటువంటి సిద్ధాంతాన్ని నిజమో కాదో పరీక్షించే స్థితి అప్పట్లో లేదు.

నిజం చెప్పాలంటే, పదార్థం ఖండిత స్వభావం కలిగి ఉందని డెమోక్రిటస్ చెప్పింది సరైందనీ, అది నిరంతరమైందని అరిస్టాటిల్ చెప్పింది తప్పనీ ఇప్పుడు నిరూపించాలనుకుంటే, వారి కాలంలో ఎవరికీ తెలియని వాస్తవాలనే ఆధారంగా తీసుకోవాలి.

అయినప్పటికీ, గ్రీకు అణువాదులు శాస్త్రానికి చేసిన సేవ చిన్నది కాదు. క్లిష్టమైన ప్రకృతి సంఘటనలను, మరింత సరళమైన ప్రక్రియల సమ్మేళనంగా అర్థం చేసుకోవాలనే సాహసోపిత ఆలోచన మొదట వారిదే. యాంత్రిక సూత్రాల ఆధారంగా ప్రకృతిని వివరించాలనే లక్ష్యాన్ని వారు ముందుకు తెచ్చారు. శాస్త్ర గమ్యానికి వారే తొలిసారి దిశానిర్దేశం చేశారు.

కానీ ఆ ఆలోచన అక్కడి నుంచే శాస్త్రంగా మారిపోలేదు. తరువాత రెండు వేల ఏళ్ల పాటు అణు సిద్ధాంతం పెద్దగా ముందుకు సాగలేదు. ఎందుకంటే అది భౌతిక సిద్ధాంతంలా వినిపించినా, దాన్ని పరీక్షించడానికి కావలసిన ప్రయోగాలు, గమనింపులు, కొలతలు అప్పట్లో లేవు. అంతేకాదు, ప్రయోగంతో ధృవీకరించగల ఫలితాలను తానే స్పష్టంగా సూచించే స్థాయిలో అది రూపుదిద్దుకోలేదు. అనుభవంతో కూడని సిద్ధాంతం ఫలవంతం కాలేదు.

ఇది మనకు ఒక ముఖ్యమైన పాఠం చెబుతుంది: విజ్ఞానశాస్త్రంలో ఆలోచన కానీ, వాస్తవం కానీ ఒక్కటే సరిపోదు. రెండూ కలిసినప్పుడే సిద్ధాంతం ఎదుగుతుంది. నిజానికి, భౌతిక సిద్ధాంతంలోని ముఖ్య సారాంశ పరీక్ష అంతా భౌతిక దృగ్విషయాల అధ్యయనం నుండే వస్తుంది. ఆ అధ్యయనం సిద్ధాంతాన్ని కేవలం పరీక్షించడమే కాక చాలా సందర్భాలలో ఆ సిద్ధాంతానికి పునాది వేస్తుంది.

శాస్త్రీయ ఆవిష్కరణల్లో మనస్సు, భౌతిక వాస్తవాల పాత్రలు సామాన్య ప్రజలు ఊహించే దానికి భిన్నంగా ఉంటాయి. మనస్సు నానా రకాల ఊహలు చేస్తుందనీ, కేవలం భౌతిక వాస్తవాలు మాత్రమే ఆ ఊహలకు పగ్గాలు వేస్తాయనీ అందరూ నమ్ముతుంటారు. కానీ నిజ పరిస్థితి దీనికి విరుద్ధం. ఈ జోడీలో మనస్సు ఒక ‘బ్రేక్’ లాగా పనిచేస్తుంది. అసలైన వేగం పెంచేది, మనల్ని ఉసిగొల్పేది మన ముందున్న ‘వాస్తవాలే’. మనస్సు తనంతట తానుగా ఊహించడానికి వెనుకాడే వాటిని ప్రేరేపించేది ఈ వాస్తవాలే. ప్రకృతి మన ఊహలకన్నా ఎన్నో రెట్లు ఆశ్చర్యకరమైనది. మన తత్వశాస్త్రాన్ని మార్చగలిగే, భౌతికశాస్త్రాన్ని తలకిందులు చేయగలిగే విస్తృతమైన ఆలోచనలు కూడా, చాలా చిన్నదిగా కనిపించే ఒక ప్రయోగ ఫలితం నుంచే పుట్టొచ్చు.

ఉదాహరణకు, మూసివేసిన గాజు గొట్టాల నుండి గాలిని మరింత బాగా బయటకు తీయగలిగే పద్ధతి అభివృద్ధి చెందడంతో, శాస్త్రవేత్తలు ఇంతకుముందు సాధ్యంకాని విధంగా చాలా విరళమైన (Rarefied – చాలా తక్కువ ఒత్తిడి ఉన్న) వాయువులో విద్యుత్తుని ప్రసరింపజేశారు. అలా చేసినప్పుడు, ఆ గాజు గొట్టం ఒక విచిత్రమైన భాస్వర కాంతితో ((Fluorescence) మెరిసింది. ఆ కాంతిని పరిశీలిస్తూ కేథోడ్ కిరణాలను కనుగొన్నారు; వాటి నుండి ‘రోంట్‌జెన్ కిరణాలు’ (X-rays) వెలుగు చూశాయి. చివరికి అవే పదార్థం గురించి మన ఆలోచనలను పూర్తిగా మార్చేశాయి.”

థామ్సన్ ప్రస్తావించిన శూన్య గొట్టాలతో మొదలెడదాం.

శూన్య గొట్టాల పరిణామం

పందొమ్మిదవ శతాబ్దం ఆరంభంలో శాస్త్రవేత్తలకు విద్యుత్తు అనేది ఒక పెద్ద చిక్కుముడి. అది గాలిలో మెరుపులా మెరుస్తుంది, తీగల్లో ప్రవహిస్తుంది, కానీ అసలు అది దేనితో తయారైంది? అది ఒక ద్రవమా? పదార్థం లేని కేవలం ఒక శక్తినా? ఈ ప్రశ్నలకు సమాధానం వెతికే క్రమంలోనే ‘శూన్యం’ (Vacuum) ప్రాధాన్యతలోకి వచ్చింది.

1808లో డేవీ వేల సంఖ్యలో బ్యాటరీ సెల్‌లను ఉపయోగించి రెండు కార్బన్ కడ్డీల మధ్య అత్యంత ప్రకాశవంతమైన వెలుగును (Arc Light) సృష్టించాడు. అయితే ఇక్కడ అతనికి ఒక పెద్ద సమస్య ఎదురైంది. ఆ వెలుగు పుడుతున్న సమయంలో విపరీతమైన వేడి వల్ల కార్బన్ కడ్డీల కొనలు గాలిలోని ఆక్సిజన్‌ మూలంగా (Oxidation) కాలిపోయి, కొద్ది నిమిషాల్లోనే అరిగిపోయేవి. దీనికి పరిష్కారంగా ఆ కార్బన్ కడ్డీలను ఒక గాజు గొట్టంలో ఉంచి, అందులోని గాలిని తీసేస్తే కడ్డీలు కాలిపోవని డేవీ భావించాడు. కానీ అప్పట్లో ఉన్న పంపులు గాలిని పూర్తిగా తీసేటంత శక్తివంతమైనవి కావు. గొట్టంలో గాలి ఎక్కువగా మిగిలిపోవడం వల్ల ఆప్రయత్నం సఫలం కాలేదు.

డేవీ తర్వాత మైకేల్ ఫారడే ఈ పరిశోధనను 1838లో మరో స్థాయికి తీసుకెళ్ళాడు. అతడు గాలిని పాక్షికంగా తొలగించిన గొట్టాలలో విద్యుత్తును పంపినప్పుడు, ఆ గొట్టం లోపల వింతైన రంగు రంగుల వెలుగులు కనిపించాయి. (ఈ క్రమంలోనే ఫారడే రుణ ధ్రువానికి ‘కేథొడ్,’ ధన ధ్రువానికి ‘ఆనోడ్’ అని పేర్లు పెట్టాడు. గ్రీకు భాషలో ఆనోడ్ అంటే ఎగువ, కేథోడ్ అంటే దిగువ: విద్యుత్తు ఎగువ నుండి దిగువకి పారే ఓరకమైన ద్రవమని భావన.)

ఫారడే ఒక వింతను గమనించాడు—కేథోడ్ పక్కన వెలుగు ఉన్నా, దాని తర్వాత కొంచెం దూరం వరకు గొట్టం చీకటిగా ఉండి, ఆ తర్వాత మళ్ళీ వెలుగు మొదలవుతుంది. దీనినే ‘ఫారడే చీకటి స్థలం’ (Faraday Dark Space) అంటారు. ఈ చీకటి ఎందుకు ఏర్పడుతోంది? అక్కడ విద్యుత్తు ఏ రూపంలో ఉంది? అనేవి అప్పట్లో ఒక రహస్యంగా మిగిలిపోయాయి.

1850వ దశకంలో జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త హెన్రిచ్ గీస్లర్ (Heinrich Geissler, 1814 – 1879) గాజుగొట్టాలపై పనిచేస్తూ ఒక అద్భుతమైన మెర్క్యురీ వ్యాక్యూమ్ పంప్‌ను కనిపెట్టాడు. ఈ పంప్ ద్వారా గొట్టం లోపల ఉన్న గాలిని మునుపెన్నడూ లేనంతగా బయటకు తీయడం సాధ్యమైంది. అయితే ఇక్కడ గీస్లర్ ఒక వింతను గమనించాడు. గొట్టం లోపల గాలి పీడనం బాగా తగ్గిపోయి, శూన్యం ఏర్పడినప్పుడు లోపల వెలుగు పూర్తిగా మాయమైపోయింది. అంటే, విద్యుత్తు ప్రవహించి వెలుగు పుట్టాలన్నా అక్కడ ఏదో ఒక ‘పదార్థం’ ఉండాలని అతడికి అర్థమైంది.

అప్పుడు అతడు ఒక ఆసక్తికరమైన ప్రయోగం చేశాడు. గాలిని తీసేసిన ఆ గొట్టాలలో మళ్ళీ కొద్ది మొత్తంలో వేర్వేరు వాయువులను నింపి చూశాడు. అప్పుడు లోపల ఉన్న వాయువును బట్టి ఆ వెలుగు రంగులు మారడం మొదలైంది: హైడ్రోజన్‌తో‌ నింపినప్పుడు ఎరుపు వెలుగు రాగా, సోడియం ఆవిరితో నింపినప్పుడు అది పసుపు రంగులో మెరిసింది. అప్పట్లో ఇది ఎవరూ ఊహించని విషయం. విద్యుత్తు ఒకటే అయినా, అది ప్రవహించే వాయువును బట్టి వేర్వేరు రంగులను ఇవ్వడం శాస్త్రవేత్తలను ఆశ్చర్యపరిచింది. పరమాణువుల లోపల ఏదో ఒక రహస్యం దాగి ఉందని, ఒక్కో పదార్థం పరమాణువు విద్యుత్తుకు ఒక్కోలా స్పందిస్తుందని చెప్పడానికి ఇది తొలి నిదర్శనంగా నిలిచింది. ఈ ప్రయోగాల నుండే నేటి మన ‘నియాన్ లైట్లు’ పుట్టాయి.

మరో జర్మన్ శాస్త్రవేత్త జులియస్ ప్లూకర్‌ (Julius Plücker, 1801 – 1868) గొట్టంలో రెండు ఎలక్ట్రోడ్లు అమర్చి, గాలిని మరింతగా వెలికి తీసి, కేథోడ్ నుంచి ఏదో ప్రభావం బయలుదేరి ఎదురుగాజు గోడపై ఆకుపచ్చటి వెలుగును కలిగిస్తున్నదని గమనించాడు. అతని శిష్యుడైన యోహాన్ హిట్టార్ఫ్ (Johann Hittorf, 1824 – 1914) ఈ పరిశోధనను ఇంకా ముందుకు తీసుకెళ్ళాడు. గొట్టం లోపల చిన్న వస్తువులను అడ్డుగా ఉంచి, ఎదురుగా ఉన్న గాజుపై వాటి స్పష్టమైన నీడలు పడుతున్నాయని చూపించాడు. దీనివల్ల కేథోడ్ దగ్గర నుంచి బయలుదేరుతున్నది గొట్టమంతా వ్యాపించే వెలుగు కాదని, సూటిగా ప్రయాణించే ‘కిరణాలు’ అని స్పష్టమైంది. 1876లో బెర్లిన్ కి చెందిన యూజెన్ గోల్డ్‌స్టైన్ (Eugen Goldstein, 1850 – 1930) వీటికి ‘కేథోడ్ కిరణాలు’ అని పేరు పెట్టాడు.

కేథోడ్‌ కిరణాల గొట్టం

అదృశ్య కిరణాలకు ఆకృతి ఇచ్చిన క్రూక్స్‌ గొట్టం

కేథోడ్ కిరణాల స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి బ్రిటిష్ శాస్త్రవేత్త విలియం క్రూక్స్‌ (William Crookes, 1832 – 1919) రెండు ప్రసిద్ధమైన ప్రయోగాలు చేశాడు.

మొదటి ప్రయోగంలో, కేథోడ్‌కీ దాని ఎదురు గాజు గోడకీ మధ్యలో మాల్టీస్‌ శిలువ (Maltese Cross) ఆకారంలో ఉన్న ఒక చిన్న లోహపు రేకుని ఉంచాడు. గొట్టం పనిచేయగానే, గాజు గోడ సాధారణంగా ఫ్లోరెసెంట్‌గా మెరవాలి. కానీ శిలువ అడ్డుగా నిలిచిన చోట మాత్రం కాంతి పడలేదు; దాని బదులు గాజుపై ఒక స్పష్టమైన నీడ పడింది. కేథోడ్ నుంచి బయలుదేరుతున్నది గదంతా వ్యాపించే అస్పష్ట వెలుగు మాత్రమే అయితే, ఇంత కచ్చితమైన నీడ పడేది కాదు. నీడ స్పష్టంగా ఉండటం వల్ల, ఆ ప్రభావం సూటిగా, ఒక దిశలో ప్రయాణించే కిరణాల రూపంలో ఉందని అర్థమయింది.

శిలువ నీడతో క్రూక్స్ గొట్టం

రెండో ప్రయోగంలో క్రూక్స్‌ గొట్టం లోపల చిన్న సన్నని ఆకులున్న చక్రాన్ని పట్టాలమీద కదిలేలా అమర్చాడు. గొట్టం పనిచేయగానే, ఆ చక్రం తిరుగుతూ కేథోడ్‌కు దూరంగా ముందుకు కదిలింది. క్రూక్స్‌ దీన్ని చూసి, కేథోడ్‌ కిరణాలు గతి పరిమాణం కలిగిన పదార్థస్వభావం కలిగి ఉండాలి అనుకున్నాడు.

చక్రంతో క్రూక్స్ గొట్టం

క్రూక్స్‌ మరో ముఖ్యమైన విషయాన్ని గమనించాడు. మాల్టీస్‌ శిలువ వేసిన నీడ స్థిరంగా ఉండేది కాదు; కేథోడ్‌ కిరణాల దగ్గరికి ఒక అయస్కాంతాన్ని తీసుకెళితే, ఆ నీడ పక్కకు జరిగేది. దీని అర్థం స్పష్టమే: ఈ కిరణాలు అయస్కాంత క్షేత్రం వల్ల వంగుతున్నాయి. సాధారణ కాంతి కిరణాలు అలా ప్రవర్తించవు. కాబట్టి కేథోడ్‌ కిరణాలు కాంతితో పోల్చదగినవి అయినా, కాంతి మాత్రం కావని ఈ ప్రయోగం చూపించింది. ఇదే తరువాత థామ్సన్‌కి అత్యంత ముఖ్యమైన సంకేతంగా మారింది; ఎందుకంటే అయస్కాంత క్షేత్రంలో వంగే ప్రవర్తన, అవి విద్యుదావేశం కలిగిన కణాల ప్రవాహం అయి ఉండవచ్చన్న ఆలోచనకు బలమిచ్చింది.

క్రూక్స్‌ ప్రయోగాలు శాస్త్రచరిత్రలో ఒక కీలక మలుపు. ఒక కనిపించని కిరణం గాజుపై నీడ వేయగలదని, ఫాస్ఫోరెసెన్స్‌ కలిగించగలదని, అయస్కాంత క్షేత్రంలో వంగుతుందని, పదార్థంతో యాంత్రిక ప్రభావాలు కూడా చూపగలదని అవి చూపించాయి. అలా గాజు గొట్టాల లోపల కనిపించిన ఒక విచిత్ర ప్రకాశం, కొలవదగిన, పరీక్షించదగిన, శాస్త్రీయంగా పరిశీలించగల భౌతిక సమస్యగా మారింది.

లెనార్డ్ కిటికీ: కేథోడ్ కిరణాల విముక్తి

క్రూక్స్‌ ప్రయోగాలని ఇతరులు రకరకాలుగా విస్తృత పరిచారు. జర్మన్ శాస్త్రవేత్త హెన్రిచ్ హెర్ట్‌జ్ తన గొట్టంలో రెండు విద్యుత్ ప్లేట్లను అమర్చి, వాటి మధ్య ఈ కిరణాలను పంపాడు. ఆ కిరణాలు ఎటూ వంగకుండా నేరుగా వెళ్ళిపోయాయి. దానితో హెర్ట్‌జ్ ఇవి కణాలు కావని, ఒక రకమైన తరంగాలు అని తీర్మానించాడు.

కేథోడ్ కిరణాల స్వభావాన్ని సరిగ్గా అధ్యయనం చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలకు గొట్టం లోపల ఉండే వెలుగు, వేడి, వాయువుల ప్రభావం పెద్ద అడ్డంకులుగా మారాయి. ఈ కిరణాలను గొట్టం నుండి బయటకు తీసుకురాగలిగితేనే వాటిని ‘శుద్ధ రూపంలో’ పరీక్షించవచ్చని హెర్ట్‌జ్ దగ్గర పనిచేసిన ఫిలిప్ లెనార్డ్ (Philipp Lenard, 1862 – 1947) నమ్మాడు. మొదట అతడు క్వార్ట్జ్ పలకతో ప్రయత్నించి విఫలమైనప్పటికీ, 1892లో హెర్ట్‌జ్ ఇచ్చిన ఒక ఆచూకీ ఈ కథను మలుపు తిప్పింది. అత్యంత పల్చటి లోహపు రేకులను కేథోడ్ కిరణాలు దూసుకుపోగలవని హెర్ట్‌జ్ కనిపెట్టాడు.

హెర్ట్‌జ్ సూచనతో లెనార్డ్ తన గొట్టానికి ఒక చిన్న రంధ్రాన్ని చేసి, దాన్ని గాలి చొరబడని అల్యూమినియం రేకుతో మూశాడు. ఇదే ప్రసిద్ధ ‘లెనార్డ్ కిటికీ’. ఈ కిటికీ వెలుపల ఉన్న ఫాస్ఫోరెసెంట్ తెర ప్రకాశవంతంగా మెరవడంతో, కిరణాలు మొదటిసారి గొట్టం నుండి బయటకు వచ్చాయని నిరూపితమైంది. ఈ కిరణాలు సాధారణ గాలిలో సుమారు 8 సెంటీమీటర్ల వరకు ప్రయాణించగలవని, అంటే గాలి ఈ కిరణాలకు ఒక ‘మసక మాధ్యమం’ (Turbid Medium) లాగా పనిచేస్తుందని లెనార్డ్ గుర్తించాడు. ఈ ప్రయోగాలకే లెనార్డ్‌కి 1905 భౌతిక శాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి వచ్చింది.

మరో కొత్త రకం కిరణాలు – ఎక్స్-రే ఆవిష్కరణ

విల్హెల్మ్‌ కాన్రాడ్‌ రోంట్‌జెన్‌ (Wilhelm Conrad Röntgen, 1845 – 1923) ఒక నిశితమైన పరిశీలకుడు. జర్మనీలోని వూర్జ్‌బర్గ్‌ (Würzburg) విశ్వవిద్యాలయ అధ్యక్షుడిగా ఆయన బాధ్యతలు చేపట్టినప్పుడు, తనకి రెండు శతాబ్దాల ముందర అక్కడే పనిచేసిన ప్రొఫెసర్ అతనాసియస్ కిర్చర్ (Athanasius Kircher, 1602 – 1680) మాటలు గుర్తు చేసుకున్నాడు:

“ప్రకృతి తనలోని అనేక విస్మయకర అద్భుతాలని అత్యంత సామాన్యమైన పరిశీలనల ద్వారా వెల్లడి చేస్తుంది. అయితే వాటిని వివేకం, సూక్ష్మదృష్టి కలిగి, సర్వానికి గురువైన అనుభవాన్ని ఆశ్రయించే వారే గుర్తించగలరు.”

అప్పట్లో భౌతిక శాస్త్ర ప్రపంచంలో ఒక పెద్ద యుద్ధం జరుగుతోంది. క్రూక్స్ గొట్టం నుండి వచ్చే ‘కేథోడ్ కిరణాలు’ తరంగాలా (Waves) లేక కణాలా (Particles)? ఫిలిప్ లెనార్డ్ అవి లోహపు రేకులను చొచ్చుకుపోతాయని నిరూపించి, అవి కేవలం తరంగాలే అని నమ్మాడు. రోంట్‌జెన్ ఈ ప్రయోగాన్ని తనదైన శైలిలో మరింత లోతుగా పరీక్షించాలనుకున్నాడు.

విల్హెల్మ్‌ కాన్రాడ్‌ రోంట్‌జెన్‌

అదృశ్య కిరణం బయటపడిన రాత్రి

1895, నవంబర్ 8వ తేదీ సాయంత్రం. రోంట్‌జెన్‌ తన ప్రయోగశాలలో ఒక ముఖ్యమైన జాగ్రత్త తీసుకున్నాడు. సాధారణంగా కేథోడ్ గొట్టం పనిచేసేటప్పుడు లోపల వెలువడే కాంతి బయట పరిశీలనలను తప్పుదోవ పట్టించవచ్చు. అందుకే అతడు తన గదిని పూర్తిగా చీకటిమయం చేసి, క్రూక్స్ గొట్టాన్ని గాలి చొరబడని మందపాటి నల్లని కార్డుబోర్డుతో పూర్తిగా కప్పేశాడు.

గొట్టం నుండి కాంతి బయటకు వచ్చే అవకాశం లేదని నిర్ధారించుకున్నాక విద్యుత్ సరఫరా ఆన్ చేశాడు. అప్పుడు ఒక అద్భుతం జరిగింది. గొట్టానికి కొంత దూరంలో ఉన్న బేరియం ప్లాటినోసైనైడ్ (Barium platinocyanide) పూత పూసిన ఒక తెర చీకటిలో మసకగా మెరవడం ప్రారంభించింది. విద్యుత్ ఆపితే మెరుపు ఆగిపోతోంది. ఆన్ చేస్తే మళ్ళీ మెరుస్తోంది.

గొట్టం నల్లని కప్పులో ఉంది, అంటే సాధారణ కాంతి బయటకు రావడం లేదు. మరి ఆ తెరను మెరిపిస్తున్నది ఏది? అతడు తన ప్రయోగాన్ని మరింత జాగ్రత్తగా పరీక్షించాడు. రోంట్‌జెన్ గమనించింది సాధారణ కేథోడ్ కిరణాలు కావని నిరూపించడానికి అతడు మూడు కీలకమైన భౌతిక పరీక్షలు చేశాడు:

వ్యాప్తి: కేథోడ్ కిరణాలు గాలిలో కేవలం కొన్ని సెంటీమీటర్ల దూరమే ప్రయాణించగలవు. కానీ ఈ కొత్త కిరణాలు గదిలో కొన్ని మీటర్ల దూరం ప్రయాణించి తెరను మెరిపించాయి.

చొచ్చుకుపోయే స్వభావం: మందపాటి పుస్తకం, కార్డుబోర్డు, రబ్బరు వంటి పదార్థాలను కూడా ఈ కిరణాలు సులభంగా దాటుకుని వెళ్ళాయి. కానీ ఇవి సీసం (Lead) వంటి సాంద్రత గల పదార్థాల ద్వారా ప్రయాణించలేకపోయాయి.

అయస్కాంత ప్రభావం: కేథోడ్ కిరణాలు అయస్కాంత క్షేత్రంలో వంగుతాయి. కానీ ఈ కొత్త కిరణాలు ఎటూ వంగకుండా నేరుగా ప్రయాణించాయి.

దీనిని బట్టి, ఇది కేథోడ్ కిరణాల మరో రూపం కాదని, అవి గొట్టపు గోడను ఢీకొన్నప్పుడు పుట్టే ఒక సరికొత్త కిరణాలు అని రోంట్‌జెన్ నిర్ధారించాడు. వాటి స్వభావం అప్పట్లో ఎవరికీ తెలియదు కాబట్టి, అతడు వాటికి “X-rays” అని పేరు పెట్టాడు (గణితంలో మనకు తెలియని విలువను ‘X’ అంటాం).

క్రూక్స్ గొట్టం నుండి ఎక్స్-రేలు

తన మరణాన్ని తనే చూసిన క్షణం

1895, నవంబర్ 8న ఎక్స్‌-రేలను కనుగొన్న తర్వాత, రోంట్‌జెన్‌ మరికొన్ని వారాల పాటు ఏకాంతంగా ప్రయోగాలు చేశాడు. 1895, డిసెంబర్ 22న, తన భార్య అన్నా బెర్తాను పిలిచి, ఆమె చేతిని ఫోటోగ్రాఫిక్ ప్లేట్‌కు, ఎక్స్‌-రే గొట్టానికి మధ్యలో ఉంచి ఆ అదృశ్య కిరణాలను ప్రసరింపజేశాడు. ఆ ఫోటో డెవలప్ చేయగా, ఆమె చేతి మాంసం మసకగా, ఎముకలు, వేలికి ఉన్న ఉంగరం అత్యంత స్పష్టంగా కనిపించాయి. ఆ ఫోటో చూసి ఆవిడ భయంతో, “అమ్మో దేవుడా! నా చావును నా కళ్లతోనే చూశాను!” అని అరచింది.

అన్నా బెర్తా లుడ్విగ్ చెయ్యు ఎక్స్-రే

ఈ ప్రయోగం జరిగిన ఆరు రోజుల తర్వాత, డిసెంబర్ 28న, రోంట్‌జెన్‌ “On a New Kind of Rays” అనే పేరుతో తన పరిశోధనా పత్రాన్ని అధికారికంగా సమర్పించాడు. శరీర కోత లేకుండానే లోపల విరిగిన ఎముక ఎక్కడుందో, బుల్లెట్‌ ఎక్కడ ఇరుక్కుందో తెలుసుకోవడం అప్పటి నుండి సాధ్యమైంది. కేథోడ్‌ కిరణాలపై జరిగిన ఒక ప్రాథమిక భౌతిక పరిశోధన, ఒక్కసారిగా వైద్యశాస్త్రానికి అపూర్వమైన వరంగా మారింది. ఈకిరణాలు నాటి ప్రజలలో రేకెత్తిన ఉత్సుకతను, తలెత్తిన ఆందోళనను తెలిపే ఓ కవిత:

She is so tall, so slender; and her bones –

Those frail phosphates, those carbonates of lime –

Are well produced by cathode rays sublime,

By oscillations, ampères and by ohms.

Her dorsal vertebrae are not concealed

By epidermis, but are well revealed.

Around her ribs, those beauteous twenty-four,

Her flesh a halo makes, misty in line,

Her noseless, eyeless face looks into mine.

And I but whisper, “Sweetheart, Je t’adore.”

Her white and gleaming teeth at me do laugh.

Ah! lovely, cruel, sweet cathodograph!

– Lawrence Russell in 1896 Life Magazine

1901లో రోంట్‌జెన్ భౌతిక శాస్త్రంలో మొట్టమొదటి నోబెల్ బహుమతిని అందుకున్నాడు. ఎక్స్‌-రేల ద్వారా అపారమైన సంపదను ఆర్జించే అవకాశం ఉన్నప్పటికీ, మానవాళి శ్రేయస్సు దృష్ట్యా ఆయన తన ఆవిష్కరణపై ఎటువంటి పేటెంట్లు తీసుకోలేదు. “ఒక ప్రొఫెసర్ జీవితం, పరిశోధనలు, సమాజ శ్రేయస్సుకే అంకితం కావాలి,” అనే ఆశయాన్ని పాటించాడు. నోబెల్ బహుమతి ద్వారా వచ్చిన నగదును కూడా తాను పరిశోధనలు చేసిన వూర్జ్‌బర్గ్‌ విశ్వవిద్యాలయానికే విరాళంగా ఇచ్చాడు.

ఎక్స్‌-రేల ఆవిష్కరణతో కేథోడ్‌ కిరణాల సమస్య పరిష్కారమవలేదు. వాటిని జర్మన్ శాస్త్రవేత్తలు తరంగాలనీ, బ్రిటిష్ శాస్త్రజ్ఞులు కణాలనీ ఇంకా వాదిస్తూనే ఉన్నారు. ఈవివాదాన్ని తన సృజనాత్మకమైన ప్రయోగాలతో ఓ కొలిక్కి తీసుకొచ్చి అవి కణాలనే చూపెట్టింది బ్రిటిష్ శాస్త్రవేత్త జె. జె. థామ్సన్‌.

థామ్సన్‌ బాల్యం: ఇంజనీర్ కావాల్సిన శాస్త్రవేత్త

జోసెఫ్‌ జాన్‌ థామ్సన్‌ (J. J. Thomson, 1856 – 1940) 1856 డిసెంబరు 18న మాంచెస్టర్‌ సమీపంలోని చీతమ్‌ హిల్‌ అన్న చిన్న పట్టణంలో పుట్టాడు. పెద్దయింతర్వాత అతడిని అందరూ జె. జె. అనే పిలిచేవారు. తండ్రిది వంశ పారంపర్యంగా వచ్చిన పుస్తకాల వ్యాపారం. పది పన్నేండేళ్ళ వయసులో థామ్సన్‌, “నేను పెద్దయాక మౌలికమైన పరిశోధన (original research) చేస్తాను,” అంటే, బంధువొకరు, ” “జో! మరీ ప్రగల్భాలు పలుకకురా భడవా!” అని మందలించాడు.

1936లో థామ్సన్‌ రాసిన ఆత్మకథ ఇలా మొదలవుతుంది:

“నేను పుట్టిన కాలం, ప్రదేశం రెండూ చాలా అదృష్టకరమైనవి. ఎందుకంటే ఆ కాలం నుండి ఇప్పటి వరకు ప్రపంచ చరిత్రలో ఎన్నో కీలకమైన మార్పులు జరిగాయి. రాచరికం పోయి, దాని స్థానంలో గణతంత్ర దేశాలు, నియంతృత్వాలు వచ్చాయి. కానీ నేను ఇక్కడ రాజకీయాల గురించి మాట్లాడను; సమాజంలో విప్లవాత్మక మార్పులు తెచ్చిన ఆవిష్కరణల గురించి చెప్పాలి.

నేను చిన్న పిల్లవాడిగా ఉన్నప్పుడు బైసికిళ్లు లేవు, మోటార్ కార్లు లేవు, విమానాలు లేవు. విద్యుద్దీపాలు, టెలిఫోన్లు, రేడియోలు, గ్రామఫోన్లు, సినిమా హాల్స్, ఎక్స్‌-రే ఫోటోలు, క్రిములు – వైద్యులకి తెలిసినవి – ఇవేవీ లేవు.

నేను భౌతిక శాస్త్రవేత్తను అవ్వడం ఒక విశేషమే. నేను ఒక ఇంజనీర్ అవ్వాల్సింది. ఆ రోజుల్లో ఇంజనీరింగ్‌లోకి వెళ్లాలంటే ఏదైనా పేరున్న సంస్థలో అప్రెంటిస్‌గా చేరాలి. మా నాన్న నన్ను ‘షార్ప్-స్టీవర్ట్’ అనే రైలు ఇంజిన్ల తయారీ సంస్థలో చేర్చాలనుకున్నాడు. కానీ అక్కడ పెద్ద వెయిటింగ్ లిస్ట్ ఉండటంతో, నేను వెంటనే పని మొదలుపెట్టే అవకాశం లేకపోయింది. మా నాన్న ఈ విషయాన్ని తన స్నేహితుడితో చెబితే, ఆయన ఒక సలహా ఇచ్చాడు: “పిల్లాడిని ఖాళీగా ఉంచడం ఎందుకు, ఇక్కడ ఉన్న ‘ఓవెన్స్ కాలేజీ’కి పంపించవచ్చు కదా! అది చాలా మంచి కాలేజీ అని విన్నాను” అన్నాడు. అలా నా జీవితాన్ని మలుపు తిప్పిన ఆ సంఘటన జరిగింది. నేను ఓవెన్స్ కాలేజీకి వెళ్ళినప్పుడు నా వయసు కేవలం పద్నాలుగేళ్లే.”

ఓవెన్స్ కాలేజీలో చేరాక అతడు గణితం, భౌతిక శాస్త్రాల్లో తన అసాధారణ ప్రతిభను చాటాడు. అక్కడ అతడికి ఇద్దరు గొప్ప గురువులు దొరికారు. ఒకరు అప్పట్లో భౌతిక శాస్త్రంలో దిగ్గజమైన బాల్‌ఫర్ స్టీవర్ట్ (Balfour Stewart), మరొకరు గణిత శాస్త్రజ్ఞుడు థామస్ బార్కర్ (Thomas Barker). స్టీవర్ట్ అతడికి ప్రయోగాల పట్ల ఆసక్తిని కలిగిస్తే, బార్కర్ అతడి గణిత పునాదిని పటిష్టం చేశాడు. వీరిద్దరి శిక్షణే థామ్సన్ ఒక గొప్ప ప్రయోగశీల శాస్త్రవేత్తగా ఎదగడానికి మార్గం సుగమం చేసింది. తర్వాత ప్రతిష్టాత్మకమైన కేంబ్రిడ్జ్ విశ్వవిద్యాలయంలోని ట్రినిటీ కాలేజీలో స్కాలర్‌షిప్ సాధించాడు. అక్కడ గణితశాస్త్రంలో అత్యంత కఠినమైన ‘ట్రిపోస్’ (Tripos) పరీక్షలో రెండో స్థానంలో (Second Wrangler) నిలిచాడు.

కేవెండిష్ ప్రయోగశాల: వయసుకి మించిన బాధ్యత

థామ్సన్ కేంబ్రిడ్జ్‌లోని ప్రసిద్ధ కేవెండిష్ ప్రయోగశాలలో 1880 నుండి పనిచెయ్యడం మొదలెట్టాడు. 1884లో, కేవలం 28 ఏళ్ల వయసులో థామ్సన్ జీవితంలో ఒక గొప్ప మలుపు తిరిగింది. కేవెండిష్ ప్రయోగశాలకు ప్రొఫెసర్‌గా ఎంపికయ్యాడు. ఆ సంస్థ స్థాపకుడైన మాక్స్‌వెల్, ఆయన తరువాత కొద్దికాలమే పనిచేసిన లార్డ్ రేలీ, ఆ ఇద్దరి మహామహుల తర్వాత థామ్సన్. అంత పిన్న వయసులో ఉన్నవాడికి ఆ బాధ్యతను ఇవ్వడం అప్పట్లో చాలా మందిని ఆశ్చర్యపరిచింది. కాని అధికారుల ముందుచూపుని మెచ్చుకోవాలి. థామ్సన్ ఆధ్వర్యంలో కేవెండిష్ ప్రయోగశాల అత్యున్నత స్థాయికి చేరుకుంది.

ప్రయోగశాలలో జె. జె. థామ్సన్‌

థామ్సన్ అప్పటి వరకు ఒక ‘గణిత మేధావి’గానే అందరికీ తెలుసు. క్రమేణా అతనికున్న ఒక ప్రతిభ తనతో పనిచేసే వారందరినీ ఆకట్టుకుంది. ఒక ప్రయోగం ద్వారా ప్రకృతిలోని లోతైన నిజాలను ఎలా వెలికితీయవచ్చో అతడు చాలా అద్భుతంగా ప్లాన్ చేసేవాడు. వేరే వాళ్లు చేసిన ప్రయోగాలు ఎందుకు సరిగ్గా రావట్లేదో కూడా అతడు ఇట్టే చెప్పేసేవాడు. కానీ ఇక్కడే ఒక చిన్న హాస్యాస్పదమైన విషయం ఉంది—థామ్సన్‌కు సున్నితమైన ప్రయోగ పరికరాలను వాడటం చాతకాదు. అతడు ఏదైనా పరికరాన్ని ముట్టుకుంటే ఎక్కడ పాడు చేస్తాడో అని, తన సహచర శాస్త్రవేత్తలు అతడిని లాబ్‌లోకి రానివ్వడానికి కూడా భయపడేవారట. అతడు ఒక సిద్ధాంత ప్రయోగకారుడు.

థామ్సన్ కేవలం ఒక శాస్త్రవేత్త మాత్రమే కాదు, గొప్ప గురువు, సమర్థుడైన పరిపాలకుడు కూడా. కేవెండిష్ ప్రయోగశాల వైపు ప్రపంచంలోని గొప్ప భౌతిక శాస్త్రవేత్తలను ఆకర్షించడంలో అతడు కీలక పాత్ర పోషించాడు. అతడి వద్ద సహాయకులుగా పనిచేసిన ఏడుగురు శాస్త్రవేత్తలు ఆ తర్వాత నోబెల్ బహుమతులు గెలుచుకోవడం అతడి మార్గదర్శకత్వానికి నిదర్శనం.

ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ

కేథోడ్‌ కిరణాలపై 19వ శతాబ్దం చివర్లో ఒక గొప్ప వాదం నడిచింది: అవి పదార్థ కణాల ప్రవాహమా, లేక ఈథర్‌లో ప్రయాణించే తరంగాలా? ఆంగ్ల శాస్త్రవేత్తలు వీటిని కేథోడ్ నుంచి దూసుకొచ్చే రుణవిద్యుత్ కణాలుగా భావిస్తుంటే, జర్మన్ శాస్త్రవేత్తలు వీటిని తరంగం వంటి వికిరణంగా చూశారు. లండన్‍లోని రాయల్ ఇన్‌స్టిట్యూషన్ వేదికగా 1897, ఏప్రిల్ 30న ఇచ్చిన తన చారిత్రక ఉపన్యాసంలో థామ్సన్‌ ఈ చర్చకు ఒక ముగింపు పలికాడు.

అప్పటికే క్రూక్స్‌ మాల్టీస్‌ శిలువ ప్రయోగం వల్ల ఈ కిరణాలు నిటారుగా ప్రయాణిస్తాయని తెలిసింది. అలాగే ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త జీన్ పెర్రిన్ (Jean Perrin, 1870 – 1942) ఈ కిరణాలను ఒక లోహ పాత్రలో (Faraday cylinder) పట్టుకుని, వీటికి రుణవిద్యుత్తు ఉంటుందని 1895లోనే నిరూపించాడు.

థామ్సన్‌ ముందు ఒక పెద్ద సవాలు ఉంది. ఇవి నిజంగానే విద్యుదావేశం (Charge) ఉన్న కణాలైతే, అయస్కాంత క్షేత్రంలోనే కాదు, విద్యుత్ క్షేత్రంలో కూడా వంగాలి. కానీ అంతకుముందు హెర్ట్‌జ్ చేసిన ప్రయోగాల్లో అలాంటి విద్యుత్ వంపు కనిపించలేదు. థామ్సన్‌ దీనికి కారణాన్ని సరిగ్గా కనిపెట్టాడు: గొట్టంలో గాలి ఉంటే, కిరణాలు దాని గుండా వెళ్తూ ఆ వాయువును విద్యుత్ వాహకంగా (Ionized gas) మారుస్తాయి; అప్పుడు ఆ వాయువు ఒక కవచంలా మారి, బయట నుంచి మనం ఇచ్చే విద్యుత్ క్షేత్ర ప్రభావాన్ని కిరణాల వరకు చేరనివ్వదు.

కాబట్టి ముందుగా చేయాల్సింది గొట్టాన్ని మరింత ఖాళీ చేయడం. వాయువు పరిమాణం అత్యల్పంగా మిగిలేంత వరకు శూన్యపోటు పెంచిన తర్వాత కేథోడ్‌ కిరణాలు విద్యుత్‌ క్షేత్ర ప్రభావానికి లోనయి వంగుతాయని థామ్సన్‌ చూపెట్టాడు. ఆ వంపు దిశ వాటిపై ఉన్న విద్యుదావేశం రుణవిద్యుత్‌ అని చూపించింది.

తరువాత థామ్సన్‌ ఓ తెలివైన ప్రయోగంతో కణాలని, విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాల ప్రభావానికి లోను చేసి, కణాల వేగం కనిపెట్టాడు. ఇది చాలా ఆసక్తికరమైనది; ఫార్ములాలు చూసి భయపడనవసరం లేదు; పదో తరగతి గణిత పరిజ్ఞానం చాలు. విద్యుత్‌ క్షేత్రాన్ని \(X\), అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని \(H\), కణ విద్యుదావేశాన్ని \(e\), వేగాన్ని \(v\) తో సూచించాడు. కణం \(v\) వేగంతో అయస్కాంత క్షేత్రానికి లంబంగా కదిలితే దానిపై పనిచేసే అయస్కాంత బలం \(Hev\). అలాగే విద్యుత్‌ క్షేత్రం వల్ల పనిచేసే బలం \(Xe\).

ఈ రెండు క్షేత్రాలను పరస్పర విరుద్ధ దిశల్లో పనిచేసేలా అమర్చి, కిరణాలను గాజు గోడపై ఏ వంపూ లేకుండా నేరుగా పడేలా \(H\) నీ \(X\) నీ సర్దాడు. అప్పుడు ఆ రెండు బలాలు సమంగా ఉండాలి:

$$Hev = Xe$$

$$v = \frac{X}{H} $$

విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాల బలాలు తెలుసు కనుక కుడి వైపు ఫార్ములా విలువ కట్టవచ్చు. అత్యధికంగా ఖాళీ చేసిన గొట్టాల్లో ఈ వేగం సుమారు సెకనుకి 60,000 మైళ్ళు, అంతగా ఖాళీ చేయని గొట్టాల్లో సెకనుకి 5,000 మైళ్ళు ఉందని లెక్క కట్టాడు. ఈ వేగం అప్పుడు తెలిసిన సాధారణ పదార్థకణాల వేగాల కంటే అనేక రెట్లు ఎక్కువ. కాంతి వేగంలో మూడొంతులు మాత్రమే ఉండటాన, కేథోడ్ కిరణాలు ఓరకమైన విద్యుదయస్కాంత తరంగ ప్రసరణ అన్న జర్మన్ శాస్త్రవేత్తల భావనకి దెబ్బపడింది (తరంగాల వేగం కాంతి వేగమే కనుక).

వేగం తెలిసిన తర్వాత, థామ్సన్‌ కేవలం విద్యుత్‌ క్షేత్రాన్ని మాత్రమే ఉంచి, కిరణాల వంపు కొలిచాడు. అప్పుడు ఈ కిరణాలపై ఒక స్థిరమైన బలం పనిచేస్తుంది. ఈ సమస్య, సమతల దిశలో \(v\) వేగంతో సంధించబడిన తుపాకీ గుండు, గురుత్వాకర్షణ వల్ల కిందికి పడే సమస్యతో సమానం. \(t\) సమయంలో ఆ గుండు $$\frac{1}{2}gt^2$$ అంత లోతు కిందికి పడుతుంది; \(g\) అంటే గురుత్వ త్వరణం (Acceleration).

విద్యుత్ క్షేత్ర ప్రభావానికి వంగిన కిరణాలు

మన సందర్భంలో, విద్యుత్‌ క్షేత్రం వల్ల కలిగే త్వరణం:

$$a = \frac{eX}{m}$$

క్షేత్రం పనిచేసే పొడవు \(l\) అయితే, ఆ ప్రాంతంలో కిరణాలు గడిపే సమయం:

$$t = \frac{l}{v}$$

గొట్టం చివర కిరణం వంపు ( \(g\) కి బదులు \(a\) ఫార్ములా వాడుదాం):

$$d = \frac{1}{2}at^2$$

$$d = \frac{1}{2}\cdot\frac{eX}{m}\cdot\frac{l^2}{v^2}$$

అంటే,

$$\frac{e}{m} = \frac{2dv^2}{Xl^2}$$

కుడివైపు ఉన్న సంకేతాల విలువలన్నీ తెలుసు కనుక

$$\frac{e}{m} \approx 1.7 \times 10^7$$

ఈ కొలతలలో అత్యంత విప్లవాత్మకమైన విషయం ఆనిష్పత్తి యొక్క స్థిరత్వం. గొట్టం ఆకారాన్ని మార్చినా, ఎలక్ట్రోడ్ల పదార్థాన్ని మార్చినా, లోపలి వాయువు పీడనాన్ని మార్చినా, గొట్టంలో నింపిన వాయువును మార్చినా, $$e/m$$ విలువ మారలేదు. దానితో కిరణాలు ఒక ప్రత్యేక వాయువుకు చెందినవి కావు; ఒక ప్రత్యేక లోహానికి చెందినవి కావు; అవి ఎక్కడి నుంచొచ్చినా, వాటి మౌలిక స్వభావం ఒకటే, అని తేల్చాడు.

పోలిక కోసం, ద్రవాల విద్యుత్‌ విశ్లేషణ ద్వారా తెలిసిన హైడ్రోజన్‌ అయాన్‌ యొక్క అదే నిష్పత్తి విలువ:

$$\frac{e}{m} \approx 10^4$$

మాత్రమే. కేథోడ్‌ కిరణ కణానికి ఉన్న $$e/m$$ విలువ, హైడ్రోజన్‌ అయాన్‌ కి ఉన్న విలువ కంటే దాదాపు 1700 రెట్లు ఎక్కువ. విద్యుదావేశం రెండిటికీ సమానమని భావిస్తే, ఈ కణం పరమాణువు కంటే 1700 రెట్లు తేలికైనది అని తేలింది.

\(e/m\) ఎందుకు ఇంత పెద్దది? కణం యొక్క విద్యుదావేశం \(e\) చాలా పెద్దది కావచ్చు; లేదా దాని ద్రవ్యరాశి \(m\) చాలా చిన్నది కావచ్చు. ఈ సందేహాన్ని తీర్చడానికి థామ్సన్‌ మేఘగది-విధానాన్ని వివరించాడు.

1897లో థామ్సన్‌ కేథోడ్‌ కిరణాల $$e/m$$ నిష్పత్తిని కొలిచి, అవి పరమాణువుకన్నా చిన్న రుణవిద్యుత్‌ వాహకాలు కావచ్చని బలంగా సూచించాడు. కానీ అప్పటికి ఇంకా ఆ కణం యొక్క విద్యుదావేశం, ద్రవ్యరాశి విలువలను విడిగా తేల్చలేదు. ఆ దిశగా 1899లో మరో కేవిండిష్ శాస్త్రవేత్త విల్సన్ (C. T. R. Wilson, 1869 – 1959) సహాయంతో నిర్ణాయకమైన బిందీకరణ (Condensation) ప్రయోగం చేశాడు. ఎక్స్‌-కిరణాలతో గాలిని అయానీకరించి, తడి గాలిని ఆకస్మికంగా చల్లబరిచినప్పుడు, అందులోని నీటి ఆవిరి ఒక్కో విద్యుదావేశ వాహకం చుట్టూ సూక్ష్మ బిందువులుగా ఘనీభవిస్తుంది. అలా కనిపించని విద్యుత్‌ వాహకాలు చిన్న మేఘంలా కంటికి కనిపించే రూపం దాల్చాయి. ఆ మేఘంలోని బిందువుల సంఖ్యను, మేఘం మోసుకెళ్తున్న మొత్తం విద్యుత్‌ పరిమాణాన్ని కలిపి, ఒక్కో వాహకంపై ఉన్న ఆవేశాన్ని అతడు అంచనా వేశాడు. ఆ విలువ హైడ్రోజన్‌ అయాన్‌ యొక్క ఏకైక విద్యుత్‌ ఆవేశంతో దాదాపు సమానమని తేలినప్పుడు, 1897లో లభించిన పెద్ద $$e/m$$ నిష్పత్తికి ఒకే అర్థం మిగిలింది: కేథోడ్‌ కిరణాల కణం ద్రవ్యరాశి అత్యంత చిన్నది. ఈ లెక్కల ఆధారంగా థామ్సన్‌ ఆ కణం హైడ్రోజన్‌ పరమాణువుకన్నా 1700 – 1800 రెట్లు తేలికైనదని నిర్ధారించాడు. అలా పదార్థ విభజనకి పరమాణువు అంతం కాదని శాస్త్రపరంగా రుజువయింది.

ఎలక్ట్రాన్ నామకరణ

థామ్సన్‌ 1897లో కేథోడ్‌ కిరణాల్లో కనిపించిన కొత్త రుణవిద్యుత్‌ కణాలను మొదట “కార్పజల్స్‌” (corpuscles) అని పిలిచాడు. 1906 నోబెల్‌ ఉపన్యాసంలో కూడా తను అదే పదం వాడాడు. జార్జ్ స్టోనీ (George Stoney, 1826 – 1911) అన్న ఐరిష్ శాస్త్రవేత్త, విద్యుత్ విశ్లేషణ (Electrolysis) నియమాలను ఆధారం చేసుకుని, విద్యుత్తు అనేది పరమాణువుల లాగే విడదీయలేని చిన్న చిన్న “ప్రమాణ రాశుల” (Units of charge) రూపంలో ఉంటుందని, 1891లో ఈ ప్రాథమిక విద్యుత్ పరిమాణానికి “ఎలక్ట్రాన్” అని పేరు పెట్టాడు. అయితే అతని దృష్టిలో అది ఒక కొలత (Unit) మాత్రమే తప్ప స్వతంత్రంగా ఉండే కణం కాదు. స్టోనీ మేనల్లుడైన జార్జ్ ఫ్రాన్సిస్ ఫిట్జ్‌గెరాల్డ్ (George FitzGerald, 1851 – 1901) థామ్సన్ కనుగొన్న ఆ భౌతిక కణాలే స్టోనీ ఊహించిన విద్యుత్ ప్రమాణాన్ని మోసుకెళ్లే వాహకాలు అని గుర్తించి, ఆపేరు ఈ కొత్త కణాలకు మరింత సరిపోతుందని భావించాడు. ఇతర శాస్త్రజ్ఞులు కూడా ఆమోదించడంతో ఆపేరు స్థిరపడింది.

ప్లమ్ పుడ్డింగ్ నమూనా: పరమాణువు లోపల ఏముంది?

ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ తర్వాత, పరమాణువు లోపల ఈ కణాలు ఎలా అమరి ఉంటాయో వివరించడానికి థామ్సన్‌ ఒక నమూనాను ప్రతిపాదించాడు. ఎలక్ట్రాన్లకు రుణ విద్యుదావేశం ఉంది. కానీ పరమాణువు ఎటువంటి ఆవేశం లేకుండా తటస్థంగా ఉంటుంది. అంటే, ఆ రుణ విద్యుదావేశానికి సమానంగా పరమాణువులో సమానమైన ధన విద్యుదావేశం ఉండాలి.

దీనిని వివరించడానికి థామ్సన్‌ ఒక అందమైన పోలికను చెప్పాడు. పరమాణువు అనేది ధన విద్యుదావేశం నిండిన ఒక గోళం, అందులో ఎలక్ట్రాన్లు పుడ్డింగ్‌లో ఎండిన ద్రాక్ష (కిస్‎మిస్) లా అక్కడక్కడా పొదిగి ఉంటాయని వివరించాడు. అందుకే దీనిని ‘ప్లమ్ పుడ్డింగ్ నమూనా’ అంటారు. మనకు సులభంగా అర్థం కావాలంటే, దీనిని ఒక పుచ్చకాయతో పోల్చుకోవచ్చు: పుచ్చకాయలోని ఎర్రటి భాగం అంతా ధన విద్యుదావేశం అనుకుంటే, అందులో ఉండే నల్లని గింజలే ఎలక్ట్రాన్లు. తర్వాతి కాలంలో ఈ నమూనా తప్పని నిరూపితమైనప్పటికీ, పరమాణువు లోపల ఇంకా చిన్న కణాలు ఉంటాయని, వాటి అమరిక ఎలా ఉంటుందో చెప్పే మొట్టమొదటి శాస్త్రీయ ప్రయత్నం ఇదే.

ప్లమ్ పుడ్డింగ్ నమూనా

ప్రతిష్ఠ కెక్కిన థామ్సన్‌

ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ ఆధునిక భౌతిక శాస్త్ర గమనాన్ని మార్చి, ఎలక్ట్రానిక్స్ యుగానికి నాంది పలికింది. ఈ అద్భుత పరిశోధనకు గుర్తింపుగా థామ్సన్‌కి 1906లో భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి లభించింది. అంతకుముందే రాయల్‌ సొసైటీకి అధ్యక్షుడిగా సేవలందించాడు. థామ్సన్ 1940లో తన ఎనభై మూడో ఏట మరణించాడు. విజ్ఞాన శాస్త్రానికి ఆయన చేసిన అసమాన సేవలకు నివాళిగా, ఆయనను వెస్ట్మినిస్టర్‌ ఆబ్బేలో, న్యూటన్‌ సమాధి సమీపంలో సమాధి చేశారు. కేవిండిష్ విందులో థామ్సన్‌ని కొనియాడే ఓ సహోద్యోగి కవిత:

All preconceived notions he sets at defiance

By means of some neat and ingenious appliance,

By which he discovers a new law of science

Which no one had ever suspected before.

All the chemists went off into fits;

Some of them thought they were losing their wits,

When quite without warning

(Their theories scorning)

The atom one morning

He broke into bits.

– “The Don of the Day,” by A. A. Robb

థామ్సన్‌ కథకు మరొక అందమైన ముగింపు: తండ్రి ఎలక్ట్రాన్‌ను కణంగా ప్రపంచానికి చూపితే, కొడుకు జార్జ్ పేజెట్ థామ్సన్ (George Paget Thomson, 1892 – 1975) దాని తరంగ స్వభావాన్ని నిరూపించి 1937లో నోబెల్‌ బహుమతి అందుకున్నాడు.

ఈ వ్యాస పరంపరని “మసకబారిన ఎడిసన్ విద్యుద్దీపం,” తో మొదలెట్టాను. ఆ ‘ఎడిసన్‌ ఎఫెక్ట్‌’ అంతరార్థం గ్రహించాలంటే విద్యుత్ కథ పూర్వాపరాలు తెలియాలని పదహారో శతాబ్దపు గిల్బర్ట్‎తో మొదలెట్టి పందొమ్మిదో శతాబ్దపు చివరికి థామ్సన్‌ వరకూ కొనసాగించాను. ఎలక్ట్రాన్‎ని కనుగొన్న తర్వాత ‘ఎడిసన్‌ ఎఫెక్ట్‌’కి మూల కారణమేమిటో శాస్త్రవేత్తలకి అర్థమయింది. దానితో ఆధునిక ఎలక్ట్రానిక్ యుగం మొదలయింది. ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహానికి గేట్లు వేసి, వాటిని మనకు కావలసినట్టు నియంత్రించిన ‘శూన్యపు గొట్టం (Vacuum Tube)’ కథ వచ్చే వ్యాసంలో.

‌

మూలాలు:

1. Joseph J. Thomson. Carriers of negative electricity. Nobel Lecture. 1906.
2. Sir J. J. Thomson. Recollections and Reflections. London. 1936.
3. Lord Rayleigh. The Life of Sir J.J. Thomson. Cambridge University Press. 1942.
4. Rom Harré. Great Scientific Experiments: Twenty Experiments That Changed Our View of the World. Phaidon, Oxford. 1981.