વરણનિયમ (selection rule)

January, 2005

વરણનિયમ (selection rule) : ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીના સંદર્ભમાં, એવો નિયમ જે કોઈ ક્વૉન્ટમ-પ્રણાલીમાં થતા સંક્રમણ(transition)નું નિયમન કરે. આ નિયમ જળવાતો હોય તે સંક્રમણ માન્ય અથવા અપ્રતિબંધિત ગણાય છે. જ્યારે એ ન જળવાતો હોય ત્યારે સંક્રમણ પ્રતિબંધિત (forbidden) ગણાય છે. માન્ય (allowed) સંક્રમણની સંભાવના, પ્રતિબંધિત સંક્રમણ કરતાં ઘણી વધુ હોય છે. ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી એ સૂક્ષ્મની સૃદૃષ્ટિનું ગતિવિજ્ઞાન છે. આ યાંત્રિકી મુજબ અણુ, પરમાણુ કે પરમાણુનાભિ જેવાં સૂક્ષ્મતંત્રો સતતપણે કોઈ પણ મૂલ્યની ઊર્જા ધરાવી શકે નહિ. તેમની ઊર્જા ભિન્ન-ભિન્ન સ્તરો (discrete levels) ધરાવે છે; પ્રત્યેક ઊર્જાસ્તરનો નિર્દેશ કરવા માટે ચોક્કસ (એક કે વધુ) ક્વૉન્ટમ અંક(quantum number)ની જરૂર પડે છે. સામાન્યપણે કોઈ પણ ક્વૉન્ટમ-તંત્ર તેની લઘુતમ ઊર્જાની સ્થિતિ એટલે કે ધરાવસ્થા(ground state)માં રહેલ હોય છે. પરંતુ તંત્રને બહારથી વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ અથવા અન્ય સ્વરૂપમાં ઊર્જા મળે તો તેની અવસ્થામાં ફેરફાર અથવા તો સંક્રમણ થાય છે અને અંતે તંત્ર કઈ અવસ્થા પ્રાપ્ત કરશે તેનો ઉત્તર તે અંગેના વરણનિયમ પરથી મળે છે. વરણનિયમનું એક ઉદાહરણ લઈએ તો હાઇડ્રોજન પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ક્વૉન્ટમ અવસ્થા અથવા ઊર્જાસ્તરો દર્શાવવા માટે સામાન્ય રીતે ત્રણ ક્વૉન્ટમ અંકો જરૂરી છે, જે n, l, m સંજ્ઞાઓથી ઓળખાય છે. અહીં n = 1, 2, 3, 4…… એ મુખ્ય (principal) ક્વૉન્ટમ અંક છે, l = 0, 1, 2, 3……… (n-1) એ કોણીય વેગમાન (orbital angular momentum) ક્વૉન્ટમ અંક છે, જ્યારે m = l, – l + 1 ….. 0, ……. + l, એ પ્રક્ષેપ (projection) ક્વૉન્ટમ અંક છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુની ધરાવસ્થા n = 1, l = m = 0 દ્વારા દર્શાવાય છે. ધરાવસ્થાનાં H-પરમાણુને યોગ્ય ઊર્જા મળતાં સંક્રમણ થાય છે. ધારો કે આ પરમાણુને યોગ્ય (પૂરતી) આવૃત્તિના વિકિરણમાં ઝબોળવામાં આવે તો તે ઊર્જાના ક્વૉન્ટમનું શોષણ કરીને કઈ અવસ્થાએ પહોંચશે ? તે બાબતનું નિયમન નીચેનો વરણનિયમ કરે છે.

Δl = (અન્તિમ l મૂલ્ય)  (પ્રારંભિક l મૂલ્ય) = +1 અથવા  1

ઉપર્યુક્ત મુખ્ય શરત ઉપરાંત Δm = 0, ± 1 અને Δn = યથેચ્છ એ પણ ગૌણ શરતો છે. હવે ધરાવસ્થામાં n = 1 અને l = m = 0 છે, જ્યારે પ્રથમ ઉત્તેજિત અવસ્થામાં n = 2 હોવાથી l = 0 અને 1 શક્ય છે. (mનું મૂલ્ય તે અનુસાર નક્કી થાય છે.) l = 0ને ‘s’ કક્ષક અને l = 1ને ‘p’ કક્ષક કહે છે. આમ, વરણનિયમ અનુસાર ધરાવસ્થાની 1s સ્થિતિમાંથી ઉત્તેજિત અવસ્થાના 2p સ્તરમાં (1s 2p) સંક્રમણ શક્ય છે. 1s  2s એ પ્રતિબંધિત સંક્રમણનું ઉદાહરણ છે. માન્ય સંક્રમણની સંભાવના વધુ હોવાથી તે દ્વારા ઉદભવતી વર્ણરેખા(spectral line)ની તીવ્રતા વધારે હોય છે. અણુઓના ભ્રમણ-વર્ણપટ (rotational spectra) અને સ્પંદન-વર્ણપટ (vibrational spectra) માટે પણ વરણનિયમો હોય છે, જે સંબંધિત ક્વૉન્ટમ અંકોમાં વ્યક્ત કરવામાં આવે છે. મૂળભૂત કણો(elementary particles)ની સૃદૃષ્ટિમાં પણ આગવા વરણનિયમો અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

સૂક્ષ્મ અથવા ક્વૉન્ટમ-તંત્રોમાં સંક્રમણનો ખ્યાલ વિશિષ્ટ છે, જે આપણા સામાન્ય અનુભવોથી પર છે. રોજના વ્યવહારની ઘટનાઓમાં થતા ફેરફારોમાં કંઈક સાતત્ય દેખાતું હોય છે, જેમ કે રેલવે-ટ્રેન કેવી સરળતાથી પાટા બદલે છે, તેનો અનુભવ ઘણાને છે. ક્વૉન્ટમ-તંત્રના ફેરફારો કૂદકા સમાન હોય છે. તેથી ‘ક્વૉન્ટમ-જમ્પ’ શબ્દ પ્રચલિત બન્યો છે.

કમલનયન જોશીપુરા