MPSC 2021 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 51 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (3) — विधान (a) टिकते आणि विधान (b) टिकत नाही. विधान (a) हे अणुरचनेतले मूलभूत तथ्य आहे. अणूमध्ये प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांचे बनलेले केंद्रक असते आणि त्याच्या बाहेर इलेक्ट्रॉन असतात. प्रोटॉनवर +e एवढा आणि इलेक्ट्रॉनवर −e एवढा विद्युतभार असतो; इथे e हा मूलभूत विद्युतभार असून तो सुमारे 1.6 × 10⁻¹⁹ कूलंब आहे. न्यूट्रॉनवर विद्युतभार मुळीच नसतो. अणूमध्ये प्रोटॉनांची संख्या आणि इलेक्ट्रॉनांची संख्या समान असते — तीच संख्या म्हणजे अणुक्रमांक Z — त्यामुळे धन व ऋण भार अचूक एकमेकांना छेदतात आणि संपूर्ण अणू विद्युतभाराच्या दृष्टीने उदासीन राहतो. या दोन संख्या समान राहिल्या नाहीत की तो कण उदासीन अणू न राहता आयन होतो — इलेक्ट्रॉन गमावले तर धन आणि मिळवले तर ऋण. विधान (b) एका शब्दावर पडते, आणि नेमका तोच शब्द इथले भौतिकशास्त्र वाहून नेतो. छापलेले वाक्य असे आहे : केंद्रकाभोवती फिरणाऱ्या सर्व इलेक्ट्रॉनचा ऋण विद्युतभार व केंद्रकावरील ऋण भार समान असतो. केंद्रकावर ऋण भार नसतो. केंद्रकावर धन भार असतो, त्याचे परिमाण +Ze एवढे असते आणि तो त्याच्यातल्या Z प्रोटॉनांमुळे येतो; न्यूट्रॉन वस्तुमान देतात, भार नाही; आणि अणूचा संपूर्ण ऋण भार केंद्रकाबाहेर, फिरणाऱ्या Z इलेक्ट्रॉनांवर असून त्याची बेरीज −Ze एवढी होते. केंद्रक धन आहे ही व्याख्येने ठरवलेली संकेतबाब नसून प्रयोगातून निघालेला निष्कर्ष आहे. 1911 च्या रदरफोर्ड यांच्या सोन्याच्या पातळ पत्र्याच्या प्रयोगात धनभारित अल्फा कणांपैकी थोडेसे कण फार मोठ्या कोनांतून वळले आणि काही तर जवळजवळ मागे परतले. अणूचा धन भार आणि त्याचे जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान अणूभर पसरलेले नसून एका अतिशय लहान मध्यवर्ती भागात एकवटलेले असेल तरच असे घडू शकते — थॉमसन यांच्या प्रारूपात मानल्याप्रमाणे ते पसरलेले असते तर घडले नसते. म्हणजे छापलेले वाक्य अस्तित्वातच नसलेल्या अणूचे वर्णन करते : केंद्रक आणि इलेक्ट्रॉन हे दोन्ही ऋण असते तर अणूवर मोठा निव्वळ ऋण भार आला असता आणि विधान (a) त्याच्यासोबतच कोसळले असते; शिवाय दोन्ही ऋण भाग एकमेकांना दूर ढकलतील, बांधून ठेवणार नाहीत. हे वाक्य बरोबर करायचे तर काय म्हणावे लागेल तेही नेमके सांगण्याजोगे आहे : केंद्रकावरील धन भार हा फिरणाऱ्या सर्व इलेक्ट्रॉनांवरील एकूण ऋण भाराशी परिमाणाने समान आणि चिन्हाने विरुद्ध असतो — आणि परिमाणांची हीच समानता व चिन्हांचा हाच विरोध विधान (a) खरे ठरवतो. एक महत्त्वाची नोंद : 'ऋण' हा शब्द या पेपरातल्या दोन्ही भाषांच्या स्तंभांत आहे — मराठीत 'केंद्रकावरील ऋण भार' आणि इंग्रजीत 'negative charge on nucleus'. म्हणजे ही चूक अनुवादात झालेली घसरण नसून छापील पेपराचीच आहे. आणि आयोगाची उत्तरतालिका वाक्य जसे छापले आहे त्याच्याशी सुसंगत आहे : ती विधान (b) चुकीचे मानते, आणि छापलेले वाक्य तेच पात्र आहे. वाक्यात 'ऋण' ऐवजी 'धन' छापले असते तर दोन्ही विधाने बरोबर ठरली असती आणि उत्तर वेगळे झाले असते. हे कार्ड प्रश्न जसा छापला आहे तसाच देते आणि तो दुरुस्त करत नाही.

• (1)दोन्ही चूक — ही ओळ विधान (b) सोबत विधान (a) हेही नाकारते, पण विधान (a) नाकारण्याजोगे नाही. अणू रचनेनेच विद्युतभाराच्या दृष्टीने उदासीन असतो : त्याच्यात प्रोटॉन व इलेक्ट्रॉन समान संख्येने असतात, त्यांचे भार परिमाणाने समान व चिन्हाने विरुद्ध असतात, म्हणून एकूण भार शून्य होतो. इथवर पोहोचणारा उमेदवार सहसा दुसऱ्या विधानापासून उलट दिशेने विचार करत येतो — भाराच्या वर्णनात काहीतरी चुकते आहे एवढे त्याला जाणवते आणि मग तो संपूर्ण प्रश्नच संशयास्पद ठरवून दोन्ही विधाने पाडतो. एका विधानातली चूक दुसऱ्या विधानाला बाधा आणत नाही; प्रत्येक वाक्य स्वतंत्रपणे तपासावे लागते. शिवाय इथे तर उलटेच आहे : विधान (b) मधले वर्णन खरे मानले तर अणू उदासीन राहूच शकत नाही, म्हणजे विधान (a) आणि छापलेले विधान (b) एकत्र टिकणे शक्यच नाही.
• (2)दोन्ही बरोबर — हा प्रश्न ज्या उमेदवाराला पकडण्यासाठी आहे तो नेमका ही ओळ निवडतो — वाक्याचा आकार ओळखणारा पण त्यातले विशेषण न वाचणारा उमेदवार. परिचित असलेले खरे वाक्य असे आहे : केंद्रकावरील भार हा सर्व इलेक्ट्रॉनांवरील एकूण भाराशी परिमाणाने समान व चिन्हाने विरुद्ध असतो. छापलेल्या विधान (b) चा ताल नेमका त्याच वाक्यासारखा आहे — तीच उपवाक्यांची रचना, तीच तुलना, आतल्या समतोलाची तीच कल्पना. फरक एकच : त्यात केंद्रकावर ऋण भार ठेवला आहे. केंद्रकावर धन भार असतो, +Ze एवढा, आणि अणूचा संपूर्ण ऋण भार केंद्रकाबाहेर इलेक्ट्रॉनांवर असतो. दोन्ही भाग ऋण असते तर ते एकमेकांना दूर ढकलले असते आणि अणू बांधलाच गेला नसता. भौतिकशास्त्रातली विधाने विशेषणागणिक वाचण्याची सवय इथे कामी येते, कारण परीक्षक नामे बदलण्यापेक्षा चिन्हे, दिशा आणि तुलनावाचक शब्द कितीतरी अधिक वेळा बदलतात.
• (4)(a) चूक, (b) बरोबर — ही ओळ दोन्ही निर्णय उलटे करते, म्हणून ती दोनदा चुकते. ती अणू विद्युतभाराच्या दृष्टीने उदासीन असल्याचे नाकारते, तर प्रोटॉन व इलेक्ट्रॉन यांच्या समान संख्येमुळे ती उदासीनता हमखास येते; आणि ती केंद्रकावर ऋण भार ठेवणारे वाक्य स्वीकारते, जे केंद्रकाच्या घडणीमुळेच अशक्य आहे. इथवर पोहोचण्याचा मार्ग सहसा संकल्पनात्मक नसून यांत्रिक असतो : दोन विधानांच्या चार ओळींच्या प्रश्नात, पहिले विधान खरे आणि दुसरे खोटे असे ठरवल्यानंतर उमेदवार घाईत तशीच दिसणारी पण उलट क्रमाची ओळ निवडतो. या पेपरात अशा ओळींची भाषा जवळजवळ सारखी असते — '(a) बरोबर, (b) चूक' आणि '(a) चूक, (b) बरोबर' — म्हणून खुणा कागदावर लिहून मगच ओळीशी ताडून पाहाव्यात, नुसत्या नजरेने जुळवू नयेत.

अणूचे आजचे चित्र प्रयोगामागून प्रयोग करत उभे राहिले. 1897 मध्ये जे. जे. थॉमसन यांनी इलेक्ट्रॉन ओळखला आणि त्यातून अणूला भाग असतात व त्यांपैकी एक भाग ऋणभारित असतो हे स्पष्ट झाले; त्यांच्या प्रारूपात त्याला संतुलित करणारा धन भार संपूर्ण अणूभर पसरलेला मानला होता. 1911 मधल्या रदरफोर्ड यांच्या सोन्याच्या पत्र्याच्या प्रयोगाने — जो गायगर व मार्सडेन यांनी केला — ते चित्र मोडून काढले : बहुतेक अल्फा कण पत्र्यातून न वळता पलीकडे गेले, थोडे तीव्र कोनांत वळले आणि अगदी थोडे मागे परतले. हे तेव्हाच शक्य आहे जेव्हा धन भार आणि जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान एका सूक्ष्म मध्यवर्ती केंद्रकात एकवटलेले असेल. 1932 मध्ये चॅडविक यांनी न्यूट्रॉन शोधून त्या केंद्रकाची घडण पूर्ण केली. यानंतरचा हिशेब साधा आहे आणि तोच सतत विचारला जातो : अणुक्रमांक Z म्हणजे प्रोटॉनांची संख्या आणि तीच मूलद्रव्य ठरवते; वस्तुमान क्रमांक A म्हणजे प्रोटॉन अधिक न्यूट्रॉन; एकाच मूलद्रव्याचे वेगवेगळ्या न्यूट्रॉन संख्येचे अणू म्हणजे समस्थानिक; केंद्रकाचा भार +Ze; आणि उदासीन अणूत इलेक्ट्रॉनांची संख्या Z एवढीच असल्याने त्यांचा एकूण भार −Ze होतो. धन केंद्रक आणि ऋण इलेक्ट्रॉन यांच्यातले विद्युतस्थितिक आकर्षण हेच अणूला बांधून ठेवते, आणि केंद्रक ऋण असणे अशक्य असण्याचे सर्वांत खोल कारण हेच आहे : सारखे भार एकमेकांना दूर ढकलतात, आणि ज्याचे सर्व भाग ऋण आहेत असा अणू एकत्र राहूच शकणार नाही. पुढे 1913 मध्ये बोर यांच्या प्रारूपाने इलेक्ट्रॉनांच्या कक्षा क्वांटित करून हे स्पष्ट केले की फिरणारे इलेक्ट्रॉन केंद्रकात का कोसळत नाहीत आणि अणुवर्णपटात ठळक रेषाच का दिसतात.

एमपीएससीच्या सामान्य विज्ञान विभागात अणुरचना नियमितपणे येते, कारण ती गणिताशिवाय व आकृतीशिवाय तपासता येते : केंद्रकाची घडण, भारांचे चिन्ह व परिमाण, अणुक्रमांक व वस्तुमान क्रमांक यांचा अर्थ, समस्थानिक, आणि प्रारूपांमागचे प्रयोग. हा प्रश्न भौतिकशास्त्राइतकाच वाचनाचा प्रश्न आहे. विधान (b) अणूच्या उदासीनतेविषयीच्या प्रमाण खऱ्या वाक्यासारखे दिसावे आणि त्यात फक्त एक विशेषण बदललेले असावे अशा रीतीने बांधले आहे; वाक्याच्या आशयाऐवजी त्याचा आकार वाचणारा उमेदवार ते स्वीकारतो. भौतिकशास्त्रातली वाक्ये विशेषणागणिक वाचण्याची सवय मुद्दाम लावून घेण्याजोगी आहे, कारण परीक्षक नामे बदलण्यापेक्षा चिन्हे, दिशा आणि तुलनावाचक शब्द कितीतरी अधिक वेळा बदलतात. आणि एक गोष्ट स्पष्ट नोंदवली पाहिजे : 'ऋण' हा शब्द विधान (b) मध्ये या पेपरातल्या दोन्ही भाषांच्या स्तंभांत आहे — इंग्रजीत 'negative charge on nucleus' आणि मराठीत 'केंद्रकावरील ऋण भार'. म्हणजे भौतिकशास्त्रातली ही चूक छापील पेपरातच आहे, दोन स्तंभांमधल्या अनुवादात नाही. आयोगाच्या अंतिम उत्तरतालिकेत विधान (b) चुकीचे मानले आहे, आणि छापलेले वाक्य वाचल्यावर तेच निघते — म्हणजे या प्रश्नापुरती तालिका वाक्याशी सुसंगत आहे. कार्ड प्रश्न जसा छापला आहे तसाच पुन्हा देते आणि तो दुरुस्त करत नाही.

• अणू विद्युतभाराच्या दृष्टीने उदासीन असतो, कारण त्याच्यात प्रोटॉन व इलेक्ट्रॉन समान संख्येने असतात : प्रोटॉनवर +e आणि इलेक्ट्रॉनवर −e भार असतो, जिथे e सुमारे 1.6 × 10⁻¹⁹ कूलंब आहे, त्यामुळे दोन्ही बेरजा अचूक छेदल्या जातात.
• केंद्रकावर धन भार असतो, त्याचे परिमाण +Ze एवढे असून तो त्यातल्या Z प्रोटॉनांमुळे येतो; न्यूट्रॉन वस्तुमान देतात पण भार देत नाहीत, आणि अणूचा संपूर्ण ऋण भार −Ze हा केंद्रकाबाहेरच्या इलेक्ट्रॉनांवर असतो.
• ज्या कणात इलेक्ट्रॉनांची संख्या प्रोटॉनांच्या संख्येपेक्षा वेगळी असते तो आयन असतो — इलेक्ट्रॉन गमावले तर धन आणि मिळवले तर ऋण — आणि तो उदासीन अणू राहत नाही.
• 1911 च्या रदरफोर्ड यांच्या सोन्याच्या पत्र्याच्या प्रयोगाने हे सिद्ध केले की अणूचा धन भार व जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान एका सूक्ष्म केंद्रकात एकवटलेले असते, कारण थोडेसे अल्फा कण फार मोठ्या कोनांतून वळले आणि काही जवळजवळ मागे परतले.
• धन केंद्रक व ऋण इलेक्ट्रॉन यांच्यातले विद्युतस्थितिक आकर्षण अणूला बांधून ठेवते; ज्याचे केंद्रक व इलेक्ट्रॉन दोन्ही ऋण आहेत असा अणू स्वतःच स्वतःला दूर ढकलेल आणि उदासीनही राहणार नाही.
• या प्रश्नातल्या विधान (b) मध्ये इंग्रजी स्तंभात 'negative charge on nucleus' आणि मराठी स्तंभात 'केंद्रकावरील ऋण भार' असे छापले आहे, म्हणजे ही चूक छापील पेपरातच आहे, दोन स्तंभांमधल्या अनुवादात नाही.

• वाक्याचा आकार ओळखून त्यातले विशेषण न वाचणे — इथे 'ऋण' आणि 'धन' या एका शब्दावर संपूर्ण विधान फिरते.
• एका विधानातली चूक दुसऱ्या विधानालाही बाधक मानून दोन्ही नाकारणे; प्रत्येक वाक्य स्वतंत्रपणे तपासावे लागते.
• केंद्रकात न्यूट्रॉन असतात म्हणून केंद्रकाचा भार कमी होतो असे मानणे — न्यूट्रॉन वस्तुमान देतात, भार मुळीच देत नाहीत.
• उदासीन अणू आणि आयन यांतला फरक विसरणे; इलेक्ट्रॉनांची संख्या प्रोटॉनांच्या संख्येपेक्षा वेगळी झाली की तो कण आयन होतो.
• '(a) बरोबर, (b) चूक' आणि '(a) चूक, (b) बरोबर' या जवळजवळ सारख्या दिसणाऱ्या ओळी घाईत उलट्या वाचणे — खुणा कागदावर लिहून मगच ओळीशी ताडाव्यात.

अणुरचना एमपीएससीच्या सामान्य विज्ञान विभागात चार आकारांत येते. पहिला आकार घडणीचा — केंद्रकात काय असते, कोणत्या कणावर कोणता भार, अणुक्रमांक व वस्तुमान क्रमांक यांचा अर्थ. दुसरा आकार प्रारूपांचा व प्रयोगांचा — कोणत्या प्रयोगातून काय निघाले आणि कोणते प्रारूप कोणी मांडले; इथे शास्त्रज्ञ, वर्ष आणि निष्कर्ष अशी त्रयी लक्षात ठेवावी लागते. तिसरा आकार समस्थानिकांचा व त्यांच्या उपयोगांचा असतो. चौथा आकार म्हणजे इथे विचारला गेला तसा विधान-पडताळणीचा प्रश्न, ज्यात एक वाक्य खरे आणि दुसरे एका शब्दाने बदलून खोटे केलेले असते. या चौथ्या आकारासाठी वेगळी तयारी लागत नाही; लागते ती वेगळी वाचनाची सवय — विधान वाचताना त्यातली नामे नव्हे तर विशेषणे, चिन्हे आणि तुलनावाचक शब्द तपासणे.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  अणूच्या केंद्रकावर कोणता विद्युतभार असतो आणि तो कशामुळे येतो ?

  • (a)ऋण भार, त्यातल्या इलेक्ट्रॉनांमुळे
  • (b)धन भार, त्यातल्या प्रोटॉनांमुळे
  • (c)धन भार, त्यातल्या न्यूट्रॉनांमुळे
  • (d)केंद्रकावर कोणताही भार नसतो

  उत्तर(b) धन भार, त्यातल्या प्रोटॉनांमुळे — केंद्रकात Z प्रोटॉन असल्याने त्याचा भार +Ze एवढा होतो; न्यूट्रॉन वस्तुमान देतात पण भार देत नाहीत, आणि इलेक्ट्रॉन केंद्रकात नसून त्याच्या बाहेर असतात व त्यांचा एकूण भार −Ze एवढा असतो. धन केंद्रक व ऋण इलेक्ट्रॉन यांच्यातले विद्युतस्थितिक आकर्षणच अणूला बांधून ठेवते.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  रदरफोर्ड यांच्या सोन्याच्या पातळ पत्र्याच्या प्रयोगातून कोणता निष्कर्ष निघाला ?

  • (a)अणूचा धन भार संपूर्ण अणूभर समानपणे पसरलेला असतो
  • (b)अणूचा धन भार व जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान एका सूक्ष्म मध्यवर्ती केंद्रकात एकवटलेले असते
  • (c)इलेक्ट्रॉन ठरावीक क्वांटित कक्षांतच फिरतात
  • (d)केंद्रकात विद्युतभार नसलेला न्यूट्रॉन नावाचा कण असतो

  उत्तर(b) अणूचा धन भार व जवळजवळ संपूर्ण वस्तुमान एका सूक्ष्म मध्यवर्ती केंद्रकात एकवटलेले असते — 1911 च्या या प्रयोगात बहुतेक अल्फा कण न वळता पलीकडे गेले, थोडे तीव्र कोनांत वळले आणि अगदी थोडे मागे परतले, आणि हे केंद्रीकरण गृहीत धरल्याशिवाय स्पष्ट होत नाही. धन भार पसरलेला असणे हे थॉमसन यांचे आधीचे प्रारूप होते, क्वांटित कक्षा बोर यांच्या 1913 च्या प्रारूपातून आल्या, आणि न्यूट्रॉन चॅडविक यांनी 1932 मध्ये शोधला.