प्राचीन काल से लेकर 18वीं शताब्दी के मध्य तक इस विचार पर विज्ञान हावी था कि परमाणु पदार्थ का एक कण है जिसे विभाजित नहीं किया जा सकता है। अंग्रेजी वैज्ञानिक, साथ ही प्रकृतिवादी डी. डाल्टन ने परमाणु को एक रासायनिक तत्व के सबसे छोटे घटक के रूप में परिभाषित किया। एम. वी. लोमोनोसोव अपने परमाणु और आणविक सिद्धांत में परमाणु और अणु को परिभाषित करने में सक्षम थे। वह आश्वस्त था कि अणु, जिसे उन्होंने "कॉर्पसक्ल्स" कहा था, "तत्वों" - परमाणुओं से बने थे और निरंतर गति में थे।
डी. I. मेंडेलीव का मानना था कि भौतिक दुनिया को बनाने वाले पदार्थों की यह उप-इकाई अपने सभी गुणों को तभी बरकरार रखती है जब इसे अलग नहीं किया जाता है। इस लेख में हम परमाणु को सूक्ष्म जगत की वस्तु के रूप में परिभाषित करेंगे और उसके गुणों का अध्ययन करेंगे।
परमाणु की संरचना के सिद्धांत के निर्माण के लिए आवश्यक शर्तें
19वीं शताब्दी में, परमाणु की अविभाज्यता के बारे में बयान आम तौर पर स्वीकार किया गया था। अधिकांश वैज्ञानिकों का मानना था कि एक रासायनिक तत्व के कण किसी भी परिस्थिति में दूसरे तत्व के परमाणु में नहीं बदल सकते। इन विचारों ने उस आधार के रूप में कार्य किया जिस पर 1932 तक परमाणु की परिभाषा आधारित थी। 19वीं सदी के अंत में, विज्ञान ने बनायामौलिक खोजों ने इस दृष्टिकोण को बदल दिया। सबसे पहले, 1897 में, अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जे जे थॉमसन ने इलेक्ट्रॉन की खोज की। इस तथ्य ने एक रासायनिक तत्व के घटक भाग की अविभाज्यता के बारे में वैज्ञानिकों के विचारों को मौलिक रूप से बदल दिया।
कैसे साबित करें कि परमाणु जटिल है
इलेक्ट्रॉन की खोज से पहले भी वैज्ञानिक एकमत से इस बात पर सहमत थे कि परमाणुओं पर कोई आवेश नहीं होता। तब यह पाया गया कि किसी भी रासायनिक तत्व से इलेक्ट्रॉन आसानी से निकल जाते हैं। वे एक लौ में पाए जा सकते हैं, वे विद्युत प्रवाह के वाहक हैं, वे एक्स-रे उत्सर्जन के दौरान पदार्थों द्वारा जारी किए जाते हैं।
लेकिन अगर इलेक्ट्रॉन बिना किसी अपवाद के सभी परमाणुओं का हिस्सा हैं और नकारात्मक रूप से चार्ज किए जाते हैं, तो परमाणु में कुछ अन्य कण भी होते हैं जिन पर सकारात्मक चार्ज होता है, अन्यथा परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ नहीं होंगे। परमाणु की संरचना को जानने में मदद करने के लिए, रेडियोधर्मिता जैसी भौतिक घटना ने मदद की। इसने भौतिकी और फिर रसायन विज्ञान में परमाणु की सही परिभाषा दी।
अदृश्य किरणें
फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी ए. बेकरेल कुछ रासायनिक तत्वों के परमाणुओं द्वारा उत्सर्जन की घटना का वर्णन करने वाले पहले व्यक्ति थे, दृष्टिहीन अदृश्य किरणें। वे हवा को आयनित करते हैं, पदार्थों से गुजरते हैं, फोटोग्राफिक प्लेटों के काले पड़ने का कारण बनते हैं। बाद में, क्यूरीज़ और ई. रदरफोर्ड ने पाया कि रेडियोधर्मी पदार्थ अन्य रासायनिक तत्वों के परमाणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं (उदाहरण के लिए, यूरेनियम नेप्च्यूनियम में)।
रेडियोधर्मी विकिरण संरचना में अमानवीय है: अल्फा कण, बीटा कण, गामा किरणें। इसलिएइस प्रकार, रेडियोधर्मिता की घटना ने पुष्टि की कि आवर्त सारणी के तत्वों के कणों की एक जटिल संरचना होती है। यह तथ्य परमाणु की परिभाषा में किए गए परिवर्तनों का कारण था। रदरफोर्ड द्वारा प्राप्त नए वैज्ञानिक तथ्यों को देखते हुए परमाणु में कौन से कण होते हैं? इस प्रश्न का उत्तर वैज्ञानिक द्वारा प्रस्तावित परमाणु का परमाणु मॉडल था, जिसके अनुसार इलेक्ट्रॉन एक धनात्मक आवेशित नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाते हैं।
रदरफोर्ड मॉडल के विरोधाभास
वैज्ञानिक का सिद्धांत, अपने उत्कृष्ट चरित्र के बावजूद, परमाणु को वस्तुनिष्ठ रूप से परिभाषित नहीं कर सका। उसका निष्कर्ष थर्मोडायनामिक्स के मूलभूत नियमों के खिलाफ गया, जिसके अनुसार नाभिक के चारों ओर घूमने वाले सभी इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा खो देते हैं और, जैसा भी हो, जल्दी या बाद में इसमें गिरना चाहिए। इस मामले में परमाणु नष्ट हो जाता है। वास्तव में ऐसा नहीं होता है, क्योंकि वे रासायनिक तत्व और कण जिनसे वे बने हैं, प्रकृति में बहुत लंबे समय से मौजूद हैं। रदरफोर्ड के सिद्धांत पर आधारित परमाणु की ऐसी परिभाषा अकथनीय है, साथ ही वह घटना जो तब होती है जब गर्म सरल पदार्थों को विवर्तन झंझरी से गुजारा जाता है। आखिरकार, परिणामी परमाणु स्पेक्ट्रा का एक रैखिक आकार होता है। यह परमाणु के रदरफोर्ड के मॉडल के विरोध में था, जिसके अनुसार स्पेक्ट्रा निरंतर होना चाहिए था। क्वांटम यांत्रिकी की अवधारणाओं के अनुसार, वर्तमान में, नाभिक में इलेक्ट्रॉनों को बिंदु वस्तुओं के रूप में नहीं, बल्कि एक इलेक्ट्रॉन बादल के रूप में चित्रित किया जाता है।
नाभिक के चारों ओर अंतरिक्ष के एक निश्चित स्थान में इसका उच्चतम घनत्व औरएक निश्चित समय में कण का स्थान माना जाता है। यह भी पाया गया कि परमाणु में इलेक्ट्रॉन परतों में व्यवस्थित होते हैं। परतों की संख्या को उस अवधि की संख्या जानकर निर्धारित किया जा सकता है जिसमें तत्व डी। आई। मेंडेलीव की आवधिक प्रणाली में स्थित है। उदाहरण के लिए, एक फास्फोरस परमाणु में 15 इलेक्ट्रॉन होते हैं और इसमें 3 ऊर्जा स्तर होते हैं। ऊर्जा स्तरों की संख्या निर्धारित करने वाले सूचक को मुख्य क्वांटम संख्या कहते हैं।
प्रयोग से यह पाया गया कि नाभिक के निकटतम ऊर्जा स्तर के इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा सबसे कम होती है। प्रत्येक ऊर्जा शेल को सबलेवल में विभाजित किया जाता है, और वे बदले में, ऑर्बिटल्स में। विभिन्न कक्षकों में स्थित इलेक्ट्रॉनों का बादल आकार (s, p, d, f) समान होता है।
उपरोक्त के आधार पर, यह इस प्रकार है कि इलेक्ट्रॉन बादल का आकार मनमाना नहीं हो सकता। इसे कक्षीय क्वांटम संख्या के अनुसार कड़ाई से परिभाषित किया गया है। हम यह भी जोड़ते हैं कि एक मैक्रोपार्टिकल में एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति दो और मूल्यों से निर्धारित होती है - चुंबकीय और स्पिन क्वांटम संख्या। पहला श्रोडिंगर समीकरण पर आधारित है और हमारी दुनिया की त्रि-आयामीता के आधार पर इलेक्ट्रॉन बादल के स्थानिक अभिविन्यास की विशेषता है। दूसरा संकेतक स्पिन संख्या है, इसका उपयोग इलेक्ट्रॉन के घूर्णन को उसकी धुरी के चारों ओर दक्षिणावर्त या वामावर्त निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
न्यूट्रॉन की खोज
1932 में उनके द्वारा किए गए डी. चाडविक के काम के लिए धन्यवाद, रसायन विज्ञान और भौतिकी में परमाणु की एक नई परिभाषा दी गई थी। अपने प्रयोगों में, वैज्ञानिक ने सिद्ध किया कि पोलोनियम के विभाजन के दौरान विकिरण होता है, किसके कारण होता है1.008665 के द्रव्यमान वाले कण जिनमें आवेश नहीं होता है। नए प्राथमिक कण को न्यूट्रॉन कहा जाता था। इसकी खोज और इसके गुणों के अध्ययन ने सोवियत वैज्ञानिकों वी। गैपोन और डी। इवानेंको को प्रोटॉन और न्यूट्रॉन युक्त परमाणु नाभिक की संरचना का एक नया सिद्धांत बनाने की अनुमति दी।
नए सिद्धांत के अनुसार, पदार्थ के परमाणु की परिभाषा इस प्रकार थी: यह एक रासायनिक तत्व की एक संरचनात्मक इकाई है, जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन युक्त एक नाभिक होता है और इसके चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन होते हैं। नाभिक में धनात्मक कणों की संख्या हमेशा आवर्त प्रणाली में रासायनिक तत्व की परमाणु संख्या के बराबर होती है।
बाद में, प्रोफेसर ए। ज़दानोव ने अपने प्रयोगों में पुष्टि की कि कठोर ब्रह्मांडीय विकिरण के प्रभाव में, परमाणु नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में विभाजित हो जाते हैं। इसके अलावा, यह साबित हो गया था कि इन प्राथमिक कणों को नाभिक में रखने वाले बल अत्यधिक ऊर्जा गहन होते हैं। वे बहुत कम दूरी (लगभग 10-23 सेमी) पर काम करते हैं और उन्हें परमाणु कहा जाता है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, एम. वी. लोमोनोसोव भी ज्ञात वैज्ञानिक तथ्यों के आधार पर एक परमाणु और एक अणु की परिभाषा देने में सक्षम थे।
वर्तमान में, निम्नलिखित मॉडल को आम तौर पर मान्यता प्राप्त है: एक परमाणु में एक नाभिक होता है और इलेक्ट्रॉन इसके चारों ओर सख्ती से परिभाषित प्रक्षेपवक्र - ऑर्बिटल्स के साथ घूमते हैं। इलेक्ट्रॉन एक साथ कणों और तरंगों दोनों के गुणों का प्रदर्शन करते हैं, अर्थात उनकी दोहरी प्रकृति होती है। इसका लगभग पूरा द्रव्यमान एक परमाणु के नाभिक में केंद्रित होता है। यह परमाणु बलों द्वारा बंधे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से बना है।
क्या किसी परमाणु का वजन किया जा सकता है
यह पता चला है कि हर परमाणु में होता हैद्रव्यमान। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन के लिए यह 1.67x10-24g है। यह मूल्य कितना छोटा है, इसकी कल्पना करना भी कठिन है। ऐसी वस्तु का वजन ज्ञात करने के लिए वे तराजू का उपयोग नहीं करते, बल्कि एक थरथरानवाला, जो एक कार्बन नैनोट्यूब है। एक परमाणु और एक अणु के वजन की गणना करने के लिए, एक अधिक सुविधाजनक मूल्य सापेक्ष द्रव्यमान है। यह दर्शाता है कि किसी अणु या परमाणु का भार कार्बन परमाणु के 1/12 से कितनी गुना अधिक है, जो कि 1.66x10-27 किग्रा है। रासायनिक तत्वों की आवधिक प्रणाली में सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान दिए जाते हैं, और उनकी कोई इकाई नहीं होती है।
वैज्ञानिक अच्छी तरह जानते हैं कि किसी रासायनिक तत्व का परमाणु द्रव्यमान उसके सभी समस्थानिकों की द्रव्यमान संख्या का औसत होता है। यह पता चला है कि प्रकृति में, एक रासायनिक तत्व की इकाइयों में अलग-अलग द्रव्यमान हो सकते हैं। साथ ही, ऐसे संरचनात्मक कणों के नाभिक के आवेश समान होते हैं।
वैज्ञानिकों ने पाया है कि समस्थानिक नाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या में भिन्न होते हैं, और उनके नाभिक का आवेश समान होता है। उदाहरण के लिए, 35 के द्रव्यमान वाले क्लोरीन परमाणु में 18 न्यूट्रॉन और 17 प्रोटॉन होते हैं, और 37 - 20 न्यूट्रॉन और 17 प्रोटॉन के द्रव्यमान के साथ। कई रासायनिक तत्व समस्थानिकों के मिश्रण होते हैं। उदाहरण के लिए, पोटेशियम, आर्गन, ऑक्सीजन जैसे सरल पदार्थों में 3 अलग-अलग समस्थानिकों का प्रतिनिधित्व करने वाले परमाणु होते हैं।
परमाणुता को परिभाषित करना
इसकी कई व्याख्याएं हैं। विचार करें कि रसायन विज्ञान में इस शब्द का क्या अर्थ है। यदि किसी रासायनिक तत्व के परमाणु अधिक जटिल कण - एक अणु बनाने का प्रयास किए बिना, कम से कम थोड़े समय के लिए अलग-अलग अस्तित्व में रहने में सक्षम हैं, तो वे कहते हैं कि ऐसे पदार्थ हैंपरमाण्विक संरचना। उदाहरण के लिए, एक बहु-चरण मीथेन क्लोरीनीकरण प्रतिक्रिया। यह सबसे महत्वपूर्ण हलोजन युक्त डेरिवेटिव प्राप्त करने के लिए कार्बनिक संश्लेषण के रसायन शास्त्र में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है: डाइक्लोरोमेथेन, कार्बन टेट्राक्लोराइड। यह क्लोरीन अणुओं को अत्यधिक प्रतिक्रियाशील परमाणुओं में विभाजित करता है। वे मीथेन अणु में सिग्मा बांड को तोड़ते हैं, एक प्रतिस्थापन श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं।
उद्योग में अत्यधिक महत्व की रासायनिक प्रक्रिया का एक और उदाहरण एक कीटाणुनाशक और ब्लीच के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उपयोग है। हाइड्रोजन पेरोक्साइड के टूटने के उत्पाद के रूप में परमाणु ऑक्सीजन का निर्धारण, जीवित कोशिकाओं (उत्प्रेरक एंजाइम की कार्रवाई के तहत) और प्रयोगशाला स्थितियों में दोनों में होता है। परमाणु ऑक्सीजन गुणात्मक रूप से इसके उच्च एंटीऑक्सीडेंट गुणों के साथ-साथ रोगजनक एजेंटों को नष्ट करने की क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है: बैक्टीरिया, कवक और उनके बीजाणु।
परमाणु खोल कैसे काम करता है
हम पहले ही पता लगा चुके हैं कि रासायनिक तत्व की संरचनात्मक इकाई की एक जटिल संरचना होती है। इलेक्ट्रॉन एक धनात्मक आवेशित नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाते हैं। प्रकाश के क्वांटम सिद्धांत के आधार पर नोबेल पुरस्कार विजेता नील्स बोहर ने अपना सिद्धांत बनाया, जिसमें एक परमाणु की विशेषताएं और परिभाषा इस प्रकार है: इलेक्ट्रॉन केवल कुछ निश्चित प्रक्षेपवक्र के साथ नाभिक के चारों ओर घूमते हैं, जबकि वे ऊर्जा का विकिरण नहीं करते हैं। बोहर के सिद्धांत ने साबित कर दिया कि सूक्ष्म जगत के कण, जिनमें परमाणु और अणु शामिल हैं, निष्पक्ष कानूनों का पालन नहीं करते हैंबड़े पिंडों के लिए - स्थूल ब्रह्मांडीय वस्तुएं।
मैक्रोपार्टिकल्स के इलेक्ट्रॉन गोले की संरचना का अध्ययन क्वांटम भौतिकी पर हुंड, पाउली, क्लेचकोवस्की जैसे वैज्ञानिकों द्वारा किया गया था। तो यह ज्ञात हो गया कि इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर घूर्णी गति करते हैं, यादृच्छिक रूप से नहीं, बल्कि कुछ स्थिर प्रक्षेपवक्र के साथ। पाउली ने पाया कि इसके प्रत्येक s, p, d, f ऑर्बिटल्स पर एक ऊर्जा स्तर के भीतर, इलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं में विपरीत स्पिन + ½ और - ½ वाले दो से अधिक ऋणात्मक आवेशित कण नहीं पाए जा सकते हैं।
हुंड के नियम ने समझाया कि कैसे समान ऊर्जा स्तर वाले ऑर्बिटल्स इलेक्ट्रॉनों से सही ढंग से भरे हुए हैं।
क्लेचकोवस्की का नियम, जिसे n+l नियम भी कहा जाता है, ने बताया कि कैसे मल्टीइलेक्ट्रॉन परमाणुओं (5, 6, 7 अवधियों के तत्व) के कक्षक भरे जाते हैं। उपरोक्त सभी पैटर्न दिमित्री मेंडेलीव द्वारा बनाए गए रासायनिक तत्वों की प्रणाली के सैद्धांतिक औचित्य के रूप में कार्य करते हैं।
ऑक्सीकरण अवस्था
यह रसायन विज्ञान में एक मौलिक अवधारणा है और एक अणु में एक परमाणु की स्थिति की विशेषता है। परमाणुओं की ऑक्सीकरण अवस्था की आधुनिक परिभाषा इस प्रकार है: यह एक अणु में एक परमाणु का सशर्त आवेश है, जिसकी गणना इस धारणा के आधार पर की जाती है कि अणु में केवल एक आयनिक संरचना होती है।
ऑक्सीकरण की डिग्री को धनात्मक, ऋणात्मक या शून्य मानों के साथ पूर्णांक या भिन्नात्मक संख्या के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। अक्सर, रासायनिक तत्वों के परमाणुओं में कई ऑक्सीकरण अवस्थाएँ होती हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन में -3, -2, 0, +1, +2, +3, +4, +5 है। लेकिन फ्लोरीन जैसा एक रासायनिक तत्व, इसके सभी मेंयौगिकों में केवल एक ऑक्सीकरण अवस्था होती है, जो -1 के बराबर होती है। यदि इसे एक साधारण पदार्थ द्वारा निरूपित किया जाता है, तो इसकी ऑक्सीकरण अवस्था शून्य होती है। यह रासायनिक मात्रा पदार्थों के वर्गीकरण और उनके गुणों का वर्णन करने के लिए उपयोग करने के लिए सुविधाजनक है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए समीकरण संकलित करते समय अक्सर, एक परमाणु के ऑक्सीकरण राज्य का उपयोग रसायन शास्त्र में किया जाता है।
परमाणुओं के गुण
क्वांटम भौतिकी की खोजों के लिए धन्यवाद, डी. इवानेंको और ई. गैपॉन के सिद्धांत पर आधारित परमाणु की आधुनिक परिभाषा निम्नलिखित वैज्ञानिक तथ्यों द्वारा पूरक है। रासायनिक अभिक्रियाओं के दौरान परमाणु के नाभिक की संरचना में कोई परिवर्तन नहीं होता है। केवल स्थिर इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स परिवर्तन के अधीन हैं। उनकी संरचना पदार्थों के बहुत से भौतिक और रासायनिक गुणों की व्याख्या कर सकती है। यदि कोई इलेक्ट्रॉन एक स्थिर कक्षा को छोड़कर उच्च ऊर्जा सूचकांक वाली कक्षा में जाता है, तो ऐसे परमाणु को उत्तेजित कहा जाता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इलेक्ट्रॉन ऐसे असामान्य कक्षकों में लंबे समय तक नहीं रह सकते हैं। अपनी स्थिर कक्षा में लौटने पर, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा की एक मात्रा का उत्सर्जन करता है। इलेक्ट्रॉन आत्मीयता, इलेक्ट्रोनगेटिविटी, आयनीकरण ऊर्जा जैसे रासायनिक तत्वों की संरचनात्मक इकाइयों की ऐसी विशेषताओं के अध्ययन ने वैज्ञानिकों को न केवल परमाणु को सूक्ष्म जगत के सबसे महत्वपूर्ण कण के रूप में परिभाषित करने की अनुमति दी, बल्कि उन्हें परमाणुओं की क्षमता की व्याख्या करने की भी अनुमति दी। एक स्थिर और ऊर्जावान रूप से अधिक अनुकूल आणविक अवस्था, विभिन्न प्रकार के स्थिर रासायनिक बंधों के निर्माण के कारण संभव है: आयनिक, सहसंयोजकध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय, दाता-स्वीकर्ता (एक प्रकार के सहसंयोजक बंधन के रूप में) और धातु। उत्तरार्द्ध सभी धातुओं के सबसे महत्वपूर्ण भौतिक और रासायनिक गुणों को निर्धारित करता है।
यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि एक परमाणु का आकार बदल सकता है। सब कुछ इस बात पर निर्भर करेगा कि यह किस अणु में शामिल है। एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण के लिए धन्यवाद, एक रासायनिक यौगिक में परमाणुओं के बीच की दूरी की गणना करना संभव है, साथ ही साथ तत्व की संरचनात्मक इकाई की त्रिज्या का पता लगाना संभव है। किसी अवधि या रासायनिक तत्वों के समूह में शामिल परमाणुओं की त्रिज्या में परिवर्तन के पैटर्न को जानकर, उनके भौतिक और रासायनिक गुणों की भविष्यवाणी करना संभव है। उदाहरण के लिए, परमाणुओं के नाभिक के आवेश में वृद्धि के साथ, उनकी त्रिज्या कम हो जाती है ("परमाणु का संपीड़न"), इसलिए यौगिकों के धात्विक गुण कमजोर हो जाते हैं, और गैर-धातु वाले बढ़ जाते हैं।
इस प्रकार, परमाणु की संरचना का ज्ञान हमें मेंडेलीव की आवधिक प्रणाली में शामिल सभी तत्वों के भौतिक और रासायनिक गुणों को सटीक रूप से निर्धारित करने की अनुमति देता है।
