પ્રકરણ 3 માં, આપણે શીખ્યા હતા કે પરમાણુઓ અને અણુઓ પદાર્થના મૂળભૂત બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ છે. વિવિધ પ્રકારના પદાર્થોનું અસ્તિત્વ તેમને બનાવતા વિવિધ પરમાણુઓને કારણે છે. હવે પ્રશ્નો ઊભા થાય છે: (i) એક તત્વના પરમાણુને બીજા તત્વના પરમાણુથી અલગ શું બનાવે છે? અને (ii) શું પરમાણુ ખરેખર અવિભાજ્ય છે, જેમ કે ડાલ્ટન દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યું હતું, અથવા પરમાણુની અંદર નાના ઘટકો છે? આપણે આ પ્રકરણમાં આ પ્રશ્નોના જવાબ શોધીશું. આપણે ઉપ-પરમાણ્વિક કણો અને વિવિધ મોડલ્સ વિશે શીખીશું જે આ કણો પરમાણુની અંદર કેવી રીતે ગોઠવાયેલા છે તે સમજાવવા માટે પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યા છે.

19મી સદીના અંતે વૈજ્ઞાનિકો પહેલાંનો એક મુખ્ય પડકાર પરમાણુની રચના જાહેર કરવાનો તેમજ તેના મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મો સમજાવવાનો હતો. પરમાણુઓની રચનાની સ્પષ્ટતા પ્રયોગોની શ્રેણી પર આધારિત છે.

પરમાણુઓ અવિભાજ્ય નથી તેના પ્રથમ સંકેતોમાંનો એક સ્થિર વિદ્યુત અને વિવિધ પદાર્થો દ્વારા વિદ્યુતની વહેચણી થતી હોય તે સ્થિતિનો અભ્યાસ કરવાથી મળે છે.

4.1 પદાર્થમાં વિદ્યુતભારિત કણો

પદાર્થમાં વિદ્યુતભારિત કણોની પ્રકૃતિ સમજવા માટે, ચાલો નીચેની પ્રવૃત્તિઓ કરીએ:

પ્રવૃત્તિ 4.1

A. સૂકા વાળને કાંસકી વડે ખરબચડા કરો. શું કાંસકી પછી કાગળના નાના ટુકડાઓને આકર્ષે છે?

B. રેશમના કાપડ સાથે કાચની લાકડી ઘસો અને લાકડીને ફુલાવેલા બલૂનની નજીક લાવો. શું થાય છે તે જુઓ. આ પ્રવૃત્તિઓ પરથી, શું આપણે એવું તારણ કાઢી શકીએ કે બે વસ્તુઓને એકસાથે ઘસવાથી, તેઓ વિદ્યુતભારિત બને છે? આ ચાર્જ ક્યાંથી આવે છે? આ પ્રશ્નનો જવાબ એ જાણીને આપી શકાય છે કે પરમાણુ વિભાજ્ય છે અને વિદ્યુતભારિત કણો ધરાવે છે.

પરમાણુમાં વિદ્યુતભારિત કણોની હાજરી જાહેર કરવામાં ઘણા વૈજ્ઞાનિકોએ ફાળો આપ્યો છે.

1900 સુધીમાં એવું જાણીતું હતું કે પરમાણુ અવિભાજ્ય કણ હતો પરંતુ તેમાં ઓછામાં ઓછો એક ઉપ-પરમાણ્વિક કણ હતો - જે.જે. થોમસન દ્વારા ઓળખાયેલ ઇલેક્ટ્રોન. ઇલેક્ટ્રોનની ઓળખ થયા પહેલાં પણ, ઇ. ગોલ્ડસ્ટેઇને 1886 માં ગેસ ડિસ્ચાર્જમાં નવા કિરણોની હાજરી શોધી અને તેમને કેનાલ કિરણો કહ્યા. આ કિરણો હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલા કિરણો હતા જે આખરે બીજા ઉપ-પરમાણ્વિક કણની શોધ તરફ દોરી ગયા. આ ઉપ-પરમાણ્વિક કણમાં ઇલેક્ટ્રોન જેટલો જ પરિમાણમાં ચાર્જ હતો પરંતુ ચિહ્નમાં વિરુદ્ધ હતો. તેનું દળ ઇલેક્ટ્રોનના દળથી લગભગ 2000 ગણું હતું. તેને પ્રોટોન નામ આપવામાં આવ્યું હતું. સામાન્ય રીતે, ઇલેક્ટ્રોનને ’ $e$ ’ તરીકે અને પ્રોટોનને ’ $p$ ’ તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. પ્રોટોનનું દળ એક એકમ તરીકે લેવામાં આવે છે અને તેનો ચાર્જ પ્લસ વન તરીકે લેવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોનનું દળ નગણ્ય ગણવામાં આવે છે અને તેનો ચાર્જ માઈનસ વન છે.

એવું લાગતું હતું કે પરમાણુ પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનથી બનેલો હતો, પરસ્પર તેમના ચાર્જને સંતુલિત કરતો હતો. એ પણ જણાયું કે પ્રોટોન પરમાણુની અંદર હતા, કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન સરળતાથી દૂર કરી શકાય છે પરંતુ પ્રોટોન નહીં. હવે મોટો પ્રશ્ન હતો: પરમાણુના આ કણોએ કેવા પ્રકારની રચના બનાવી? આપણે આ પ્રશ્નનો જવાબ નીચે શોધીશું.

4.2 પરમાણુની રચના

આપણે પ્રકરણ 3 માં ડાલ્ટનનો પરમાણ્વિક સિદ્ધાંત શીખ્યા હતા, જે સૂચવે છે કે પરમાણુ અવિભાજ્ય અને અવિનાશી હતો. પરંતુ પરમાણુની અંદર બે મૂળભૂત કણો (ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન) ની શોધથી ડાલ્ટનના પરમાણ્વિક સિદ્ધાંતના આ પાસાની નિષ્ફળતા થઈ. પછી પરમાણુની અંદર ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન કેવી રીતે ગોઠવાયેલા છે તે જાણવું જરૂરી ગણાતું હતું. આ સમજાવવા માટે, ઘણા વૈજ્ઞાનિકોએ વિવિધ પરમાણ્વિક મોડલોનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. પરમાણુની રચનાનું મોડલ પ્રસ્તાવિત કરનાર જે.જે. થોમસન પ્રથમ હતા.

4.2.1 પરમાણુનું થોમસન મોડલ

થોમસને પરમાણુનું મોડલ ક્રિસમસ પુડિંગ જેવું હોવાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો. હકારાત્મક ચાર્જના ગોળામાં ઇલેક્ટ્રોન, ગોળાકાર ક્રિસમસ પુડિંગમાં કરંટ (સૂકા ફળ) જેવા હતા. આપણે તરબૂચનો પણ વિચાર કરી શકીએ છીએ, પરમાણુમાં હકારાત્મક ચાર્જ તરબૂચના લાલ ખાવાલાયક ભાગની જેમ બધે ફેલાયેલો છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન હકારાત્મક ચાર્જ થયેલા ગોળામાં તરબૂચમાં બીજની જેમ જડેલા છે (ફિગ. 4.1).

ફિગ.4.1: પરમાણુનું થોમસન મોડલ

જે.જે. થોમસન (1856-1940), એક બ્રિટિશ ભૌતિકશાસ્ત્રી, 18 ડિસેમ્બર 1856 ના રોજ માન્ચેસ્ટરના ઉપનગર ચીથમ હિલમાં જન્મેલા હતા. ઇલેક્ટ્રોનની શોધ પરના કામ માટે તેમને 1906 માં ભૌતિકશાસ્ત્રનો નોબલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો. તેમણે કેમ્બ્રિજમાં કેવેન્ડિશ પ્રયોગશાળાનું 35 વર્ષ સુધી નિર્દેશન કર્યું અને તેમના સાત સંશોધન સહાયકોએ પછીથી નોબલ પુરસ્કારો જીત્યા.

થોમસને પ્રસ્તાવ મૂક્યો કે:

(i) પરમાણુ હકારાત્મક ચાર્જ થયેલા ગોળાથી બનેલો છે અને ઇલેક્ટ્રોન તેમાં જડિત છે.

(ii) નકારાત્મક અને હકારાત્મક ચાર્જ પરિમાણમાં સમાન છે. તેથી, પરમાણુ સમગ્ર રીતે વિદ્યુતભાર રહિત છે.

જોકે થોમસનના મોડલે સમજાવ્યું કે પરમાણુઓ વિદ્યુતભાર રહિત છે, પરંતુ અન્ય વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા કરવામાં આવેલા પ્રયોગોના પરિણામો આ મોડલ દ્વારા સમજાવી શકાયા નહીં, જેમ કે આપણે નીચે જોઈશું.

4.2.2 પરમાણુનું રધરફર્ડ મોડલ

એર્નેસ્ટ રધરફર્ડ જાણવા માંગતા હતા કે પરમાણુની અંદર ઇલેક્ટ્રોન કેવી રીતે ગોઠવાયેલા છે. રધરફર્ડે આ માટે એક પ્રયોગ ડિઝાઇન કર્યો. આ પ્રયોગમાં, ઝડપથી ફરતા આલ્ફા $(\alpha)$-કણોને પાતળી સોનાની પન્ની પર પડવા માટે બનાવવામાં આવ્યા હતા.

• તેમણે સોનાની પન્ની પસંદ કરી કારણ કે તે શક્ય તેટલી પાતળી સ્તર ઇચ્છતા હતા. આ સોનાની પન્ની લગભગ 1000 પરમાણુઓ જાડી હતી.
• $\alpha$-કણો ડબલ-ચાર્જ્ડ હિલિયમ આયનો છે. કારણ કે તેમનું દળ $4 u$ છે, ઝડપથી ફરતા $\alpha$-કણોમાં ઘણી માત્રામાં ઊર્જા હોય છે.
• અપેક્ષા હતી કે $\alpha$-કણો સોનાના પરમાણુઓમાંના ઉપ-પરમાણ્વિક કણો દ્વારા વળાંક લેશે. કારણ કે $\alpha$-કણો પ્રોટોન કરતા ઘણા ભારે હતા, તેથી તેમને મોટા વળાંકો જોવાની અપેક્ષા નહોતી.

ફિગ. 4.2: સોનાની પન્ની દ્વારા $\alpha$-કણોનું વિખેરવું

પરંતુ, $\alpha$-કણ સ્કેટરિંગ પ્રયોગએ સંપૂર્ણપણે અનપેક્ષિત પરિણામો આપ્યા (ફિગ. 4.2). નીચેની અવલોકનો કરવામાં આવી હતી:

(i) મોટાભાગના ઝડપથી ફરતા $\alpha$-કણો સીધા સોનાની પન્નીમાંથી પસાર થયા.

(ii) કેટલાક $\alpha$-કણો નાના ખૂણાઓ દ્વારા પન્ની દ્વારા વળાંક લીધા.

(iii) આશ્ચર્યજનક રીતે દર 12000 કણોમાંથી એક કણ પાછો ફેંકાયો હોય તેવું લાગ્યું.

રધરફર્ડના શબ્દોમાં, “આ પરિણામ લગભગ એટલું જ અવિશ્વસનીય હતું કે જો તમે ટિશ્યુ પેપરના ટુકડા પર 15-ઇંચનો શેલ ફાયર કરો અને તે પાછો આવીને તમને ફટકારે”.

ઇ. રધરફર્ડ (1871-1937) નો જન્મ 30 ઓગસ્ટ 1871 ના રોજ સ્પ્રિંગ ગ્રોવ ખાતે થયો હતો. તેમને ‘પરમાણ્વિક ભૌતિકશાસ્ત્રના પિતા’ તરીકે ઓળખવામાં આવતા હતા. તેઓ રેડિયોએક્ટિવિટી પરના કામ અને સોનાની પન્નીના પ્રયોગ સાથે પરમાણુના ન્યુક્લિયસની શોધ માટે પ્રખ્યાત છે. તેમને 1908 માં રસાયણશાસ્ત્રનો નોબલ પુરસ્કાર મળ્યો હતો.

ચાલો આ પ્રયોગના અર્થઘટનો સમજવા માટે ખુલ્લા મેદાનમાં એક પ્રવૃત્તિ વિશે વિચારીએ. એક બાળકને તેની આંખો બંધ કરીને દિવાલની સામે ઊભો રહેવા દો. તેને થોડા અંતર પરથી દિવાલ પર પથ્થરો ફેંકવા દો. દરેક પથ્થર દિવાલ પર અથડાય ત્યારે તે અવાજ સાંભળશે. જો તે આ દસ વખત પુનરાવર્તન કરે, તો તે અવાજ દસ વખત સાંભળશે. પરંતુ જો આંખો પર પટ્ટી બાંધેલા બાળકે કાંટાવાળી વાડ પર પથ્થરો ફેંકવા હોય, તો મોટાભાગના પથ્થરો વાડને અથડાશે નહીં અને કોઈ અવાજ સંભળાશે નહીં. આનું કારણ એ છે કે વાડમાં ઘણા ગાબડા છે જે પથ્થરને તેમાંથી પસાર થવા દે છે.

સમાન તર્કને અનુસરીને, રધરફર્ડે $\alpha$-કણ સ્કેટરિંગ પ્રયોગ પરથી નિષ્કર્ષ કાઢ્યો કે-

(i) પરમાણુની અંદરની મોટાભાગની જગ્યા ખાલી છે કારણ કે મોટાભાગના $\alpha$-કણો વળાંક લીધા વિના સોનાની પન્નીમાંથી પસાર થયા હતા.

(ii) ખૂબ ઓછા કણો તેમના માર્ગથી વળાંક લીધા હતા, જે સૂચવે છે કે પરમાણુનો હકારાત્મક ચાર્જ ખૂબ જ ઓછી જગ્યા ધરાવે છે.

(iii) $\alpha$-કણોનો ખૂબ જ નાનો અંશ $180^{\circ}$ દ્વારા વળાંક લીધો હતો, જે સૂચવે છે કે સોનાના પરમાણુનો બધો હકારાત્મક ચાર્જ અને દળ પરમાણુની અંદર ખૂબ જ નાના કદમાં કેન્દ્રિત હતું.

ડેટામાંથી તેમણે એ પણ ગણતરી કરી કે ન્યુક્લિયસની ત્રિજ્યા પરમાણુની ત્રિજ્યા કરતાં લગભગ $10^{5}$ ગણી ઓછી છે.

તેમના પ્રયોગના આધારે, રધરફર્ડે પરમાણુનું ન્યુક્લિયર મોડલ આગળ મૂક્યું, જેમાં નીચેની વિશેષતાઓ હતી:

(i) પરમાણુમાં ન્યુક્લિયસ નામનું હકારાત્મક ચાર્જ થયેલું કેન્દ્ર છે. પરમાણુનું લગભગ બધું દળ ન્યુક્લિયસમાં રહે છે.

(ii) ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની આસપાસ વર્તુળાકાર માર્ગોમાં ફરે છે.

(iii) ન્યુક્લિયસનું કદ પરમાણુના કદની તુલનામાં ખૂબ જ નાનું છે.

પરમાણુના રધરફર્ડ મોડલની ખામીઓ

વર્તુળાકાર કક્ષામાં ઇલેક્ટ્રોનનું પરિભ્રમણ સ્થિર રહેવાની અપેક્ષા નથી. વર્તુળાકાર કક્ષામાંનો કોઈ પણ કણ પ્રવેગિત થશે. પ્રવેગ દરમિયાન, ચાર્જ થયેલા કણો ઊર્જા વિકિરણ કરશે. આમ, પરિભ્રમણ કરતો ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા ગુમાવશે અને આખરે ન્યુક્લિયસમાં પડશે. જો આવું હોય, તો પરમાણુ ખૂબ જ અસ્થિર હોવો જોઈએ અને તેથી પદાર્થ આપણે જાણીએ છીએ તે સ્વરૂપમાં અસ્તિત્વમાં ન હોવો જોઈએ. આપણે જાણીએ છીએ કે પરમાણુઓ તદ્દન સ્થિર છે.

4.2.3 પરમાણુનું બોહ્ર મોડલ

પરમાણુના રધરફર્ડ મોડલ સામે ઉઠાવવામાં આવેલા વાંધાઓ દૂર કરવા માટે, નીલ્સ બોહ્રે પરમાણુના મોડલ વિશે નીચેના અભિગમો આગળ મૂક્યા:

(i) પરમાણુની અંદર ફક્ત કેટલીક ચોક્કસ વિશિષ્ટ કક્ષાઓ, જેને ઇલેક્ટ્રોનની અલગ કક્ષાઓ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તેની મંજૂરી છે.

(ii) અલગ કક્ષાઓમાં પરિભ્રમણ કરતી વખતે ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા વિકિરણ કરતા નથી.

નીલ્સ બોહ્ર (1885-1962) નો જન્મ 7 ઓક્ટોબર 1885 ના રોજ કોપનહેગન ખાતે થયો હતો. તેમને 1916 માં કોપનહેગન યુનિવર્સિટીમાં ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રોફેસર તરીકે નિયુક્ત કરવામાં આવ્યા હતા. પરમાણુની રચના પરના કામ માટે તેમને 1922 માં નોબલ પુરસ્કાર મળ્યો હતો. પ્રોફેસર બોહ્રની અસંખ્ય લેખનોમાંથી, પુસ્તકો તરીકે દેખાતા ત્રણ છે: (i) સ્પેક્ટ્રાનો સિદ્ધાંત અને પરમાણ્વિક બંધારણ, (ii) પરમાણ્વિક સિદ્ધાંત અને, (iii) પ્રકૃતિનું વર્ણન.

આ કક્ષાઓ અથવા કોષોને ઊર્જા સ્તરો કહેવામાં આવે છે. પરમાણુમાં ઊર્જા સ્તરો ફિગ. 4.3 માં બતાવેલ છે.

ફિગ. 4.3: પરમાણુમાં થોડા ઊર્જા સ્તરો

આ કક્ષાઓ અથવા કોષોને અક્ષરો K,L,M,N,… અથવા સંખ્યાઓ, $n=1,2,3,4, \ldots$ દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે.

4.2.4 ન્યુટ્રોન

1932 માં, જે. ચેડવિકે બીજા ઉપ-પરમાણ્વિક કણની શોધ કરી જેમાં કોઈ ચાર્જ નહોતો અને દળ પ્રોટોન જેટલું જ હતું. તેને આખરે ન્યુટ્રોન નામ આપવામાં આવ્યું હતું. હાઇડ્રોજન સિવાયના બધા પરમાણુઓના ન્યુક્લિયસમાં ન્યુટ્રોન હાજર છે. સામાન્ય રીતે, ન્યુટ્રોનને ’ $n$ ’ તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. તેથી પરમાણુનું દળ ન્યુક્લિયસમાં હાજર પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનના દળના સરવાળા દ્વારા આપવામાં આવે છે.

4.3 વિવિધ કક્ષાઓ (કોષો)માં ઇલેક્ટ્રોન કેવી રીતે વિતરિત થાય છે?

પરમાણુની વિવિધ કક્ષાઓમાં ઇલેક્ટ્રોનનું વિતરણ બોહ્ર અને બ્યુરી દ્વારા સૂચવવામાં આવ્યું હતું. વિવિધ ઊર્જા સ્તરો અથવા કોષોમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા લખવા માટે નીચેના નિયમોનું પાલન કરવામાં આવે છે:

(i) કોષમાં હાજર ઇલેક્ટ્રોનની મહત્તમ સંખ્યા સૂત્ર $2 n^{2}$ દ્વારા આપવામાં આવે છે, જ્યાં ’ $n$ ’ એ કક્ષા નંબર અથવા ઊર્જા સ્તર સૂચકાંક છે, $1,2,3, \ldots$. તેથી વિવિધ કોષોમાં ઇલેક્ટ્રોનની મહત્તમ સંખ્યા નીચે મુજબ છે:

પ્રથમ કક્ષા અથવા K-કોષ $=2 \times 1^{2}=2$ હશે, બીજી કક્ષા અથવા L-કોષ $=2 \times 2^{2}=8$ હશે, ત્રીજી કક્ષા અથવા M-કોષ $=2 \times 3^{2}=18$ હશે, ચોથી કક્ષા અથવા $N$-કોષ $=2 \times 4^{2}$ $=32$ હશે, અને તેથી આગળ.

(ii) સૌથી બહારની કક્ષામાં સમાવવામાં આવી શકે તેવા ઇલેક્ટ્રોનની મહત્તમ સંખ્યા 8 છે.

(iii) આંતરિક કોષો ભરાયા સિવાય આપેલા કોષમાં ઇલેક્ટ્રોન સમાવવામાં આવતા નથી. એટલે કે, કોષો એક પગલાંબદ્ધ રીતે ભરાય છે.

પ્રથમ અઢાર તત્વોનું પરમાણ્વિક બંધારણ યોજનાકીય રીતે ફિગ. 4.4 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. પ્રથમ અઢાર તત્વોના પરમાણુઓની રચના કોષ્ટક 4.1 માં આપવામાં આવી છે.

પ્રવૃત્તિ 4.2

• પ્રથમ અઢાર તત્વોનું ઇલેક