MPSC सामान्य विज्ञान - भौतिकशास्त्र (आधुनिक भौतिकशास्त्र: अणु रचना, रेडिओऍक्टिव्हिटी, न्यूक्लियर फिजिक्स)

MPSC राज्यसेवा पूर्व परीक्षा
सामान्य विज्ञान - भौतिकशास्त्र
(आधुनिक भौतिकशास्त्र: अणु रचना, रेडिओऍक्टिव्हिटी, न्यूक्लियर फिजिक्सची मूलतत्त्वे)

१. अणु रचना (Atomic Structure)

अणु हा पदार्थाचा मूलभूत घटक आहे. त्यात केंद्रस्थानी नाभिक (protons + neutrons) आणि भोवती इलेक्ट्रॉन फिरतात.

प्रमुख अणु मॉडेल्स

थॉमसन मॉडेल (१९०४) : प्लम पुडिंग – धन भार पसरलेला, इलेक्ट्रॉन आत अडकलेले. (रदबातल झाले)
रदरफोर्ड मॉडेल (१९११) : अल्फा कण विच्छेदन प्रयोग → अणूत बहुतांश रिकामा अवकाश, केंद्रात धन भारित नाभिक.
बोर मॉडेल (१९१३) : हायड्रोजन अणूसाठी.
1. इलेक्ट्रॉन स्थिर कक्षेत फिरतात (कोणत्याही ऊर्जा विकिरणाशिवाय).
2. कोणीय संवेग क्वांटाईज्ड : $mvr = \frac{nh}{2\pi}$
3. ऊर्जा स्तर बदलताना विकिरण : $\Delta E = h\nu$

बोर त्रिज्या :

r_n = \frac{n^2 h^2 \epsilon_0}{\pi m e^2}

(n = मुख्य क्वांटम संख्या)

हायड्रोजनची ऊर्जा :

E_n = -\frac{13.6}{n^2} \, eV

क्वांटम संख्या

क्वांटम संख्या	नाव	मूल्ये	महत्त्व
n	मुख्य	१,२,३...	ऊर्जा स्तर, आकार
l	कोणीय	० ते n-१	उपकक्षा (s,p,d,f)
m_l	चुंबकीय	-l ते +l	अभिमुखता
m_s	स्पिन	+½, -½	इलेक्ट्रॉन स्पिन

पॉली वर्जन तत्त्व : एकाच ऑर्बिटलमध्ये दोन इलेक्ट्रॉन उलट स्पिनने. हूंड नियम : रिकाम्या ऑर्बिटलमध्ये प्रथम एकेक इलेक्ट्रॉन.

MPSC मध्ये बोअर मॉडेलचे मर्यादा : "बहु-इलेक्ट्रॉन अणू लागू नाही, झेमन प्रभाव स्पष्ट नाही."

२. रेडिओऍक्टिव्हिटी (Radioactivity)

काही मूलद्रव्यांचे नाभिक अस्थिर असतात आणि आपोआप α, β, γ विकिरण उत्सर्जित करतात (बेकरेल १८९६, क्यूरी दाम्पत्य).

विकिरणांचे प्रकार

प्रकार	स्वरूप	भार	विद्युत भार	भेदन क्षमता	विशेष
अल्फा (α)	हीलियम नाभिक	४	+२	कमी (कागद थांबवतो)	घातक जवळून
बीटा (β⁻)	इलेक्ट्रॉन	१/१८३६	-१	मध्यम (अॅल्युमिनियम)	न्यूट्रॉन → प्रोटॉन
गॅमा (γ)	विद्युतचुंबकीय	०	०	जास्त (सीसा थांबवतो)	ऊर्जा विकिरण

क्षय नियम (Radioactive Decay Law)

N = N_0 e^{-\lambda t}

(λ = क्षय स्थिरांक)

अर्धायुकाळ :

T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} \approx \frac{0.693}{\lambda}

सरासरी आयुकाळ :

\tau = \frac{1}{\lambda}

कार्बन डेटिंग : C-१४ (T_{1/2} = ५७३० वर्षे)
यूरेनियम डेटिंग : U-२३८ → Pb-२०६

प्रश्न : "अल्फा क्षयात अणुक्रमांक आणि द्रव्यमान क्रमांक कसे बदलतात?" → Z-२, A-४.

३. न्यूक्लियर फिजिक्सची मूलतत्त्वे (Nuclear Physics Basics)

नाभिक : प्रोटॉन (Z) + न्यूट्रॉन (N), A = Z + N.

द्रव्यमान-ऊर्जा समतुल्यता (Mass-Energy Equivalence)

E = \Delta m \, c^2

(आइनस्टाइन १९०५)

बाइंडिंग ऊर्जा (Binding Energy)

नाभिक स्थिर राहण्यासाठी आवश्यक ऊर्जा.

BE = [Z m_p + (A-Z) m_n - M] c^2

प्रति न्यूक्लिऑन BE : Fe-५६ सर्वाधिक (सर्वात स्थिर).
जास्त BE → अधिक स्थिर.

न्यूक्लियर फोर्स

अल्प परास (१०^{-१५} m), गुरुत्व/विद्युतपेक्षा प्रबल.
भार-स्वतंत्र (प्रोटॉन-प्रोटॉन = न्यूट्रॉन-न्यूट्रॉन).

न्यूक्लियर फिशन (Nuclear Fission)

जड नाभिक दोन मध्यम नाभिकांत विभाग → ऊर्जा मुक्त (U-२३५ + n → Ba + Kr + ३n + ऊर्जा).

चेन रिअॅक्शन : अनियंत्रित → अणुबॉम्ब, नियंत्रित → न्यूक्लियर रिअॅक्टर.
भारताचे रिअॅक्टर : तरापूर, कैगा, कुडनकुलम.

न्यूक्लियर फ्यूजन (Nuclear Fusion)

हलके नाभिक एकत्र → जड नाभिक + प्रचंड ऊर्जा (४H → He + ऊर्जा).

सूर्याची ऊर्जा, हायड्रोजन बॉम्ब.
अडचण : उच्च तापमान (१०^७ K).
प्रकल्प : ITER (आंतरराष्ट्रीय).

फिशन : जड → हलके (ऊर्जा), फ्यूजन : हलके → मध्यम (अधिक ऊर्जा प्रति न्यूक्लिऑन).

MPSC मध्ये वारंवार : "भारताचा पहिला अणुचाचणी?" → १९७४ स्माइलिंग बुद्धा (पोखरण).