पदार्थ की संरचना के भौतिकी का सबसे पहले गंभीरता से अध्ययन जोसेफ जे. थॉमसन ने किया था। हालांकि, कई सवाल अनुत्तरित रहे। कुछ समय बाद, ई. रदरफोर्ड परमाणु की संरचना का एक मॉडल तैयार करने में सक्षम थे। लेख में हम उस अनुभव पर विचार करेंगे जिसने उसे खोज के लिए प्रेरित किया। चूंकि पदार्थ की संरचना भौतिकी के पाठों में सबसे दिलचस्प विषयों में से एक है, इसलिए हम इसके प्रमुख पहलुओं का विश्लेषण करेंगे। हम सीखते हैं कि एक परमाणु में क्या होता है, इसमें इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन की संख्या का पता लगाना सीखें। आइए आइसोटोप और आयनों की अवधारणा से परिचित हों।
इलेक्ट्रॉन की खोज
1897 में, अंग्रेजी वैज्ञानिक जोसेफ जॉन थॉमसन (उनका चित्र नीचे देखा जा सकता है) ने विद्युत प्रवाह का अध्ययन किया, अर्थात गैसों में आवेशों की निर्देशित गति। उस समय, भौतिकी पहले से ही पदार्थ की आणविक संरचना के बारे में जानती थी। यह ज्ञात था कि सभी शरीर पदार्थ से बने होते हैं, जो अणुओं से बने होते हैं, और बाद वाले परमाणुओं से बने होते हैं।
थॉमसन ने पाया कि, कुछ शर्तों के तहत, गैस परमाणु ऋणात्मक आवेश वाले कणों का उत्सर्जन करते हैं (qel <0)। उन्हें इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। परमाणु तटस्थ है, जिसका अर्थ है कि यदि इलेक्ट्रॉन इससे बाहर निकलते हैं, तो सकारात्मक कण भी उसमें समाहित होने चाहिए। परमाणु का कौन सा भाग "+" चिन्ह के साथ है? यह ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन के साथ किस प्रकार परस्पर क्रिया करता है? परमाणु का द्रव्यमान क्या निर्धारित करता है? एक और वैज्ञानिक इन सभी सवालों का जवाब दे सकता था।
रदरफोर्ड का प्रयोग
1911 में, भौतिक विज्ञान के पास पहले से ही पदार्थ की संरचना के बारे में प्रारंभिक जानकारी थी। अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने खोजा जिसे आज हम परमाणु नाभिक कहते हैं।
ऐसे मामले हैं जिनमें एक अजीब संपत्ति है: वे स्वचालित रूप से सकारात्मक और नकारात्मक दोनों तरह के विभिन्न कणों का उत्सर्जन करते हैं। ऐसे पदार्थों को रेडियोधर्मी कहा जाता है। धनावेशित तत्व रदरफोर्ड को अल्फा कण (α-कण) कहते हैं।
उनके पास दो प्राथमिक शुल्क (qα=+2e) के बराबर "+" चार्ज है। तत्वों का भार हाइड्रोजन परमाणु के चार द्रव्यमानों के लगभग बराबर होता है। रदरफोर्ड ने एक रेडियोधर्मी तैयारी ली जो अल्फा कणों का उत्सर्जन करती है और उनकी धारा के साथ सोने की एक पतली फिल्म (पन्नी) पर बमबारी करती है।
उन्होंने पाया कि धातु के परमाणुओं से गुजरते समय अधिकांश α-तत्व मुश्किल से अपनी दिशा बदलते हैं। लेकिन बहुत कम होते हैं जो पीछे हट जाते हैं। ऐसा क्यों हो रहा है? पदार्थ की संरचना के भौतिकी को जानने के बाद, हम उत्तर दे सकते हैं: क्योंकि अंदरसोने के परमाणु, किसी भी अन्य की तरह, सकारात्मक तत्व होते हैं जो अल्फा कणों को पीछे हटाते हैं। लेकिन ऐसा बहुत कम तत्वों के साथ ही क्यों होता है? क्योंकि परमाणु के धनावेशित भाग का आकार स्वयं से बहुत छोटा होता है। रदरफोर्ड इस निष्कर्ष पर पहुंचे। उन्होंने परमाणु के धनावेशित भाग को नाभिक कहा।
परमाणु की युक्ति
पदार्थ की संरचना का भौतिकी: अणु परमाणुओं से बने होते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉनों से घिरा एक छोटा धनात्मक आवेशित भाग (नाभिक) होता है। परमाणु की तटस्थता को इस तथ्य से समझाया जाता है कि इलेक्ट्रॉनों का कुल ऋणात्मक आवेश धनात्मक - नाभिक के बराबर होता है। क्यूकोर + क्यूएल=0. इलेक्ट्रॉन नाभिक पर क्यों नहीं गिरते, क्योंकि वे आकर्षित होते हैं? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए रदरफोर्ड ने सुझाव दिया कि वे ऐसे घूमते हैं जैसे ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं और उससे टकराते नहीं हैं। यह आंदोलन है जो इस प्रणाली को स्थिर होने की अनुमति देता है। रदरफोर्ड के परमाणु के मॉडल को ग्रहीय कहा जाता है।
यदि परमाणु उदासीन है, और उसमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या पूर्णांक होनी चाहिए, तो नाभिक का आवेश धनात्मक चिह्न के साथ इस मान के बराबर होता है। क्यूकोर=+zई. z एक तटस्थ परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या है। इस मामले में, कुल शुल्क शून्य है। परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या कैसे ज्ञात करें? आपको तत्वों की आवर्त सारणी का उपयोग करने की आवश्यकता है। एक परमाणु की विमाएँ 10-10 m कोटि की होती हैं और नाभिक 100 हजार गुना छोटे होते हैं - 10-15 m.
मान लें कि हमने कोर का आकार बढ़ाकर 1 मीटर कर दिया है। एक ठोस में, परमाणुओं के बीच की दूरी लगभग स्वयं के आकार के बराबर होती है, जिसका अर्थ है कि आयामबढ़कर 105 हो जाएगा, जो कि 100 किमी है। अर्थात्, परमाणु व्यावहारिक रूप से खाली होता है, यही कारण है कि अल्फा कण ज्यादातर बिना किसी विक्षेप के पन्नी के माध्यम से उड़ते हैं।
नाभिक की संरचना
पदार्थ की संरचना का भौतिकी ऐसा है कि नाभिक में दो प्रकार के कण होते हैं। उनमें से कुछ सकारात्मक रूप से चार्ज किए जाते हैं। यदि हम एक ऐसे परमाणु पर विचार करें जिसमें तीन इलेक्ट्रॉन हों, तो उसके अंदर धनात्मक आवेश वाले तीन कण होते हैं। उन्हें प्रोटॉन कहा जाता है। अन्य तत्वों में विद्युत आवेश नहीं होता - न्यूट्रॉन।
प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का द्रव्यमान लगभग बराबर होता है। दोनों कणों का भार एक इलेक्ट्रॉन से बहुत अधिक होता है। एमप्रोटॉन ≈ 1837मीएल. यही बात न्यूट्रॉन के द्रव्यमान पर भी लागू होती है। इससे निष्कर्ष निकलता है: सकारात्मक और न्यूट्रल चार्ज कणों का वजन एक कारक है जो परमाणु के द्रव्यमान को निर्धारित करता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सामान्य नाम है - न्यूक्लियॉन। परमाणु का भार उनकी संख्या से निर्धारित होता है, जिसे नाभिक की द्रव्यमान संख्या कहते हैं। हमने एक परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या को अक्षर z से निरूपित किया, लेकिन चूंकि यह तटस्थ है, इसलिए सकारात्मक और नकारात्मक कणों की संख्या का मिलान होना चाहिए। इसलिए z को प्रोटॉन या आवेश संख्या भी कहते हैं।
यदि हम द्रव्यमान और आवेश संख्या जानते हैं, तो हम न्यूट्रॉन की संख्या N. N=A - z ज्ञात कर सकते हैं। कैसे पता करें कि नाभिक में कितने न्यूक्लियॉन और प्रोटॉन हैं? यह पता चला है कि आवर्त सारणी में, प्रत्येक तत्व के आगे, एक संख्या है जिसे रसायनज्ञ सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान कहते हैं।
अगर हम इसे गोल कर दें, तो हमें इससे ज्यादा कुछ नहीं मिलतानाभिक में द्रव्यमान संख्या या नाभिकों की संख्या (A)। किसी तत्व का परमाणु क्रमांक प्रोटॉनों की संख्या (z) होता है। ए और जेड को जानकर, एन को खोजना आसान है - न्यूट्रॉन की संख्या। यदि परमाणु उदासीन है, तो इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉनों की संख्या बराबर होती है।
आइसोटोप
नाभिक की ऐसी किस्में हैं जिनमें प्रोटॉन की संख्या समान होती है, लेकिन न्यूट्रॉन की संख्या भिन्न हो सकती है (अर्थात् एक ही रासायनिक तत्व)। उन्हें आइसोटोप कहा जाता है। प्रकृति में, विभिन्न प्रकार के परमाणु मिश्रित होते हैं, इसलिए रसायनज्ञ औसत द्रव्यमान को मापते हैं। इसलिए आवर्त सारणी में परमाणु का सापेक्ष भार सदैव भिन्नात्मक संख्या होता है। आइए जानें कि एक तटस्थ परमाणु का क्या होता है यदि उसमें से एक इलेक्ट्रॉन हटा दिया जाता है या, इसके विपरीत, एक अतिरिक्त रखा जाता है।
आयन
एक तटस्थ लिथियम परमाणु पर विचार करें। एक नाभिक होता है, दो इलेक्ट्रॉन एक कोश पर और तीन दूसरे पर स्थित होते हैं। यदि हम उनमें से एक को हटा दें, तो हमें एक धनावेशित नाभिक प्राप्त होता है। क्यूकोर =3. इलेक्ट्रॉन तीन प्राथमिक शुल्कों में से केवल दो की भरपाई करते हैं, और हमें एक सकारात्मक आयन मिलता है। इसे निम्नानुसार नामित किया गया है: ली+। आयन एक परमाणु है जिसमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या नाभिक में प्रोटॉन की संख्या से कम या अधिक होती है। पहले मामले में, यह एक सकारात्मक आयन है। यदि हम एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड़ते हैं, तो उनमें से चार होंगे, और हमें एक ऋणात्मक आयन (Li-) प्राप्त होगा। पदार्थ की संरचना की भौतिकी ऐसी है। तो, एक तटस्थ परमाणु एक आयन से इस मायने में भिन्न होता है कि इसमें मौजूद इलेक्ट्रॉन नाभिक के आवेश की पूरी तरह से क्षतिपूर्ति करते हैं।
