अध्याय 3 में, हमने सीखा कि परमाणु और अणु पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंड हैं। विभिन्न प्रकार के पदार्थों का अस्तित्व उन्हें बनाने वाले विभिन्न परमाणुओं के कारण है। अब प्रश्न उठते हैं: (i) कौन सी चीज़ एक तत्व के परमाणु को दूसरे तत्व के परमाणु से भिन्न बनाती है? और (ii) क्या परमाणु वास्तव में अविभाज्य हैं, जैसा कि डाल्टन ने प्रस्तावित किया था, या परमाणु के अंदर छोटे घटक होते हैं? हम इस अध्याय में इन प्रश्नों के उत्तर जानेंगे। हम उप-परमाणु कणों और उन विभिन्न मॉडलों के बारे में सीखेंगे जो यह बताने के लिए प्रस्तावित किए गए हैं कि ये कण परमाणु के भीतर कैसे व्यवस्थित हैं।

19वीं शताब्दी के अंत में वैज्ञानिकों के सामने एक बड़ी चुनौती परमाणु की संरचना को उजागर करने के साथ-साथ उसके महत्वपूर्ण गुणों की व्याख्या करना था। परमाणुओं की संरचना की व्याख्या प्रयोगों की एक श्रृंखला पर आधारित है।

परमाणुओं के अविभाज्य न होने का पहला संकेतों में से एक, स्थिर विद्युत और उन स्थितियों का अध्ययन करने से मिलता है जिनके तहत विभिन्न पदार्थों द्वारा विद्युत का चालन होता है।

4.1 पदार्थ में आवेशित कण

पदार्थ में आवेशित कणों की प्रकृति को समझने के लिए, आइए निम्नलिखित गतिविधियाँ करें:

गतिविधि 4.1

A. सूखे बालों में कंघी करें। क्या कंघी तब कागज के छोटे टुकड़ों को आकर्षित करती है?

B. रेशम के कपड़े से एक काँच की छड़ रगड़ें और फुलाए हुए गुब्बारे के पास छड़ ले जाएँ। देखें क्या होता है। इन गतिविधियों से, क्या हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि दो वस्तुओं को आपस में रगड़ने पर वे विद्युत आवेशित हो जाती हैं? यह आवेश कहाँ से आता है? इस प्रश्न का उत्तर यह जानकर दिया जा सकता है कि एक परमाणु विभाज्य है और इसमें आवेशित कण होते हैं।

कई वैज्ञानिकों ने एक परमाणु में आवेशित कणों की उपस्थिति को उजागर करने में योगदान दिया।

1900 तक यह ज्ञात हो चुका था कि परमाणु एक अविभाज्य कण है लेकिन इसमें कम से कम एक उप-परमाणु कण - इलेक्ट्रॉन होता है जिसकी पहचान जे.जे. थॉमसन ने की थी। इलेक्ट्रॉन की पहचान होने से पहले ही, ई. गोल्डस्टीन ने 1886 में गैस विसर्जन में नई किरणों की उपस्थिति की खोज की और उन्हें कैनाल किरणें नाम दिया। ये किरणें धनात्मक रूप से आवेशित विकिरण थीं जिनके कारण अंततः एक अन्य उप-परमाणु कण की खोज हुई। इस उप-परमाणु कण का आवेश, इलेक्ट्रॉन के आवेश के परिमाण में बराबर लेकिन चिह्न में विपरीत था। इसका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का लगभग 2000 गुना था। इसे प्रोटॉन का नाम दिया गया। सामान्यतः, एक इलेक्ट्रॉन को ’ $e$ ’ और एक प्रोटॉन को ’ $p$ ’ के रूप में दर्शाया जाता है। एक प्रोटॉन का द्रव्यमान एक इकाई और उसका आवेश धन एक माना जाता है। एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान नगण्य माना जाता है और उसका आवेश ऋण एक होता है।

ऐसा प्रतीत होता था कि एक परमाणु प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन से बना होता है, जो परस्पर अपने आवेशों को संतुलित करते हैं। यह भी प्रतीत होता था कि प्रोटॉन परमाणु के आंतरिक भाग में होते हैं, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को आसानी से हटाया जा सकता था लेकिन प्रोटॉनों को नहीं। अब बड़ा सवाल यह था: परमाणु के इन कणों ने किस प्रकार की संरचना बनाई? हम इस प्रश्न का उत्तर नीचे जानेंगे।

4.2 परमाणु की संरचना

हमने अध्याय 3 में डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के बारे में सीखा, जिसने सुझाव दिया था कि परमाणु अविभाज्य और अविनाशी है। लेकिन परमाणु के अंदर दो मौलिक कणों (इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन) की खोज के कारण डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के इस पहलू की विफलता हुई। तब यह जानना आवश्यक समझा गया कि इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन परमाणु के भीतर कैसे व्यवस्थित हैं। इसे समझाने के लिए, कई वैज्ञानिकों ने विभिन्न परमाणु मॉडल प्रस्तावित किए। जे.जे. थॉमसन परमाणु की संरचना के लिए एक मॉडल प्रस्तावित करने वाले पहले व्यक्ति थे।

4.2.1 परमाणु का थॉमसन मॉडल

थॉमसन ने परमाणु के मॉडल को क्रिसमस पुडिंग के समान प्रस्तावित किया। धनात्मक आवेश के एक गोले में इलेक्ट्रॉन, एक गोलाकार क्रिसमस पुडिंग में किशमिश (सूखे मेवे) की तरह थे। हम एक तरबूज के बारे में भी सोच सकते हैं, परमाणु में धनात्मक आवेश तरबूज के लाल खाने योग्य भाग की तरह चारों ओर फैला हुआ है, जबकि इलेक्ट्रॉन धनात्मक आवेशित गोले में जड़े हुए हैं, जैसे तरबूज के बीज (चित्र 4.1)।

चित्र 4.1: परमाणु का थॉमसन मॉडल

जे.जे. थॉमसन (1856-1940), एक ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी, का जन्म 18 दिसंबर 1856 को मैनचेस्टर के एक उपनगर चीथम हिल में हुआ था। इलेक्ट्रॉन की खोज पर उनके कार्य के लिए उन्हें 1906 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया। उन्होंने कैम्ब्रिज में कैवेंडिश प्रयोगशाला का निर्देशन 35 वर्षों तक किया और उनके सात शोध सहायकों ने बाद में नोबेल पुरस्कार जीते।

थॉमसन ने प्रस्तावित किया कि:

(i) एक परमाणु में एक धनात्मक आवेशित गोला होता है और इलेक्ट्रॉन उसमें सन्निहित होते हैं।

(ii) ऋणात्मक और धनात्मक आवेश परिमाण में बराबर होते हैं। इसलिए, परमाणु समग्र रूप से विद्युत रूप से उदासीन है।

हालाँकि थॉमसन के मॉडल ने यह समझाया कि परमाणु विद्युत रूप से उदासीन होते हैं, अन्य वैज्ञानिकों द्वारा किए गए प्रयोगों के परिणामों की व्याख्या इस मॉडल द्वारा नहीं की जा सकी, जैसा कि हम नीचे देखेंगे।

4.2.2 परमाणु का रदरफोर्ड मॉडल

अर्नेस्ट रदरफोर्ड यह जानने में रुचि रखते थे कि इलेक्ट्रॉन परमाणु के भीतर कैसे व्यवस्थित हैं। रदरफोर्ड ने इसके लिए एक प्रयोग तैयार किया। इस प्रयोग में, तेजी से चलने वाले अल्फा $(\alpha)$-कणों को एक पतली सोने की पन्नी पर गिराया गया।

• उन्होंने सोने की पन्नी का चयन किया क्योंकि वे जितना संभव हो उतना पतला परत चाहते थे। यह सोने की पन्नी लगभग 1000 परमाणु मोटी थी।
• $\alpha$-कण द्वि-आवेशित हीलियम आयन होते हैं। चूँकि इनका द्रव्यमान $4 u$ होता है, तेजी से चलने वाले $\alpha$-कणों में काफी मात्रा में ऊर्जा होती है।
• यह अपेक्षा की गई थी कि $\alpha$-कण सोने के परमाणुओं में उप-परमाणु कणों द्वारा विक्षेपित हो जाएंगे। चूँकि $\alpha$-कण प्रोटॉनों की तुलना में बहुत भारी थे, उन्हें बड़े विक्षेपण देखने की उम्मीद नहीं थी।

चित्र 4.2: सोने की पन्नी द्वारा $\alpha$-कणों का प्रकीर्णन

लेकिन, $\alpha$-कण प्रकीर्णन प्रयोग ने पूरी तरह से अप्रत्याशित परिणाम दिए (चित्र 4.2)। निम्नलिखित प्रेक्षण किए गए:

(i) अधिकांश तेजी से चलने वाले $\alpha$-कण सीधे सोने की पन्नी से होकर गुजरे।

(ii) कुछ $\alpha$-कण पन्नी द्वारा छोटे कोणों से विक्षेपित हुए।

(iii) आश्चर्यजनक रूप से प्रत्येक 12000 कणों में से एक कण वापस उछलता हुआ प्रतीत हुआ।

रदरफोर्ड के शब्दों में, “यह परिणाम लगभग उतना ही अविश्वसनीय था जैसे कि आप एक टिशू पेपर के टुकड़े पर 15-इंच का गोला दागें और वह वापस आकर आपसे टकरा जाए”।

ई. रदरफोर्ड (1871-1937) का जन्म 30 अगस्त 1871 को स्प्रिंग ग्रोव में हुआ था। उन्हें ‘नाभिकीय भौतिकी के पिता’ के रूप में जाना जाता था। वे रेडियोधर्मिता पर कार्य और सोने की पन्नी प्रयोग के साथ परमाणु के नाभिक की खोज के लिए प्रसिद्ध हैं। उन्हें 1908 में रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार मिला।

आइए इस प्रयोग के निहितार्थों को समझने के लिए एक खुले मैदान में एक गतिविधि के बारे में सोचें। एक बच्चे को आँखें बंद करके एक दीवार के सामने खड़ा होने दें। उसे दूरी से दीवार पर पत्थर फेंकने दें। जब प्रत्येक पत्थर दीवार से टकराएगा तो वह एक आवाज सुनेगा। यदि वह इसे दस बार दोहराता है, तो वह आवाज दस बार सुनेगा। लेकिन अगर एक आँखों पर पट्टी बंधे बच्चे को कंटीले तार की बाड़ पर पत्थर फेंकने होते, तो अधिकांश पत्थर बाड़ से नहीं टकराते और कोई आवाज नहीं सुनाई देती। ऐसा इसलिए है क्योंकि बाड़ में बहुत सारे अंतराल होते हैं जो पत्थर को उनसे गुजरने देते हैं।

इसी तरह के तर्क का पालन करते हुए, रदरफोर्ड ने $\alpha$-कण प्रकीर्णन प्रयोग से निष्कर्ष निकाला कि-

(i) परमाणु के अंदर का अधिकांश स्थान खाली है क्योंकि अधिकांश $\alpha$-कण विक्षेपित हुए बिना सोने की पन्नी से होकर गुजरे।

(ii) बहुत कम कण अपने पथ से विक्षेपित हुए, यह दर्शाता है कि परमाणु का धनात्मक आवेश बहुत कम स्थान घेरता है।

(iii) $\alpha$-कणों का एक बहुत छोटा अंश $180^{\circ}$ द्वारा विक्षेपित हुआ, यह दर्शाता है कि सोने के परमाणु का सारा धनात्मक आवेश और द्रव्यमान परमाणु के भीतर बहुत छोटे आयतन में केंद्रित था।

आँकड़ों से उन्होंने यह भी गणना की कि नाभिक की त्रिज्या परमाणु की त्रिज्या से लगभग $10^{5}$ गुना कम है।

अपने प्रयोग के आधार पर, रदरफोर्ड ने परमाणु का नाभिकीय मॉडल प्रस्तुत किया, जिसमें निम्नलिखित विशेषताएँ थीं:

(i) परमाणु में एक धनात्मक आवेशित केंद्र होता है जिसे नाभिक कहते हैं। परमाणु का लगभग सारा द्रव्यमान नाभिक में रहता है।

(ii) इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर वृत्ताकार पथों में चक्कर लगाते हैं।

(iii) नाभिक का आकार परमाणु के आकार की तुलना में बहुत छोटा होता है।

परमाणु के रदरफोर्ड मॉडल की कमियाँ

इलेक्ट्रॉन की वृत्ताकार कक्षा में परिक्रमा स्थिर होने की अपेक्षा नहीं की जाती है। वृत्ताकार कक्षा में कोई भी कण त्वरण से गुजरेगा। त्वरण के दौरान, आवेशित कण ऊर्जा विकिरित करेंगे। इस प्रकार, परिक्रमा करने वाला इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देगा और अंततः नाभिक में गिर जाएगा। यदि ऐसा होता, तो परमाणु अत्यधिक अस्थिर होना चाहिए और इसलिए पदार्थ उस रूप में मौजूद नहीं होता जिसे हम जानते हैं। हम जानते हैं कि परमाणु काफी स्थिर होते हैं।

4.2.3 परमाणु का बोर मॉडल

परमाणु के रदरफोर्ड मॉडल के खिलाफ उठाई गई आपत्तियों को दूर करने के लिए, नील्स बोर ने परमाणु के मॉडल के बारे में निम्नलिखित अभिधारणाएँ प्रस्तुत कीं:

(i) परमाणु के अंदर केवल कुछ विशेष कक्षाएँ जिन्हें इलेक्ट्रॉनों की विविक्त कक्षाएँ कहा जाता है, अनुमत हैं।

(ii) विविक्त कक्षाओं में परिक्रमा करते समय इलेक्ट्रॉन ऊर्जा विकिरित नहीं करते।

नील्स बोर (1885-1962) का जन्म 7 अक्टूबर 1885 को कोपेनहेगन में हुआ था। उन्हें 1916 में कोपेनहेगन विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर नियुक्त किया गया था। उन्हें 1922 में परमाणु की संरचना पर कार्य के लिए नोबेल पुरस्कार मिला। प्रोफेसर बोर की असंख्य रचनाओं में से, तीन पुस्तकों के रूप में प्रकट होने वाली हैं: (i) द थ्योरी ऑफ स्पेक्ट्रा एंड एटॉमिक कॉन्स्टिट्यूशन, (ii) एटॉमिक थ्योरी और, (iii) द डिस्क्रिप्शन ऑफ नेचर।

इन कक्षाओं या कोशों को ऊर्जा स्तर कहा जाता है। एक परमाणु में ऊर्जा स्तर चित्र 4.3 में दिखाए गए हैं।

चित्र 4.3: एक परमाणु में कुछ ऊर्जा स्तर

इन कक्षाओं या कोशों को अक्षरों K,L,M,N,… या संख्याओं, $n=1,2,3,4, \ldots$ द्वारा दर्शाया जाता है।

4.2.4 न्यूट्रॉन

1932 में, जे. चैडविक ने एक अन्य उप-परमाणु कण की खोज की जिसका कोई आवेश नहीं था और द्रव्यमान एक प्रोटॉन के लगभग बराबर था। इसे अंततः न्यूट्रॉन नाम दिया गया। न्यूट्रॉन हाइड्रोजन को छोड़कर सभी परमाणुओं के नाभिक में मौजूद होते हैं। सामान्यतः, एक न्यूट्रॉन को ’ $n$ ’ के रूप में दर्शाया जाता है। इसलिए एक परमाणु का द्रव्यमान नाभिक में मौजूद प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान के योग से दिया जाता है।

4.3 इलेक्ट्रॉन विभिन्न कक्षाओं (कोशों) में कैसे वितरित होते हैं?

किसी परमाणु की विभिन्न कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों के वितरण का सुझाव बोर और ब्यूरी ने दिया। विभिन्न ऊर्जा स्तरों या कोशों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या लिखने के लिए निम्नलिखित नियमों का पालन किया जाता है:

(i) एक कोश में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या सूत्र $2 n^{2}$ द्वारा दी जाती है, जहाँ ’ $n$ ’ कक्षा संख्या या ऊर्जा स्तर सूचकांक है, $1,2,3, \ldots$। इसलिए विभिन्न कोशों में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या इस प्रकार है:

पहली कक्षा या K-कोश में $=2 \times 1^{2}=2$, दूसरी कक्षा या L-कोश में $=2 \times 2^{2}=8$, तीसरी कक्षा या M-कोश में $=2 \times 3^{2}=18$, चौथी कक्षा या $N$-कोश में $=2 \times 4^{2}$ $=32$, और इसी तरह होगी।

(ii) सबसे बाहरी कक्षा में समायोजित किए जा सकने वाले इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या 8 है।

(iii) किसी दिए गए कोश में इलेक्ट्रॉनों को तब तक समायोजित नहीं किया जाता, जब तक कि आंतरिक कोश भरे न हों। अर्थात, कोशों को चरणबद्ध तरीके से भरा जाता है।

पहले अठारह तत्वों की परमाणु संरचना योजनाबद्ध रूप से चित्र 4.4 में दिखाई गई है। पहले अठारह तत्वों के परमाणुओं की संरचना तालिका 4.1 में दी गई है।

गतिविधि 4.2

• पहले अठारह तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास को प्रदर्शित करते हुए एक स्थैतिक परमाणु मॉडल बनाएँ।

• पहले अठारह तत्वों के परमाणुओं की संरचना तालिका 4.1 में दी गई है।

4.4 संयोजकता

हमने सीखा है कि किसी परमाणु में इलेक्ट्रॉन विभिन्न कोशों/कक्षाओं में कैसे व्यवस्थित होते हैं। किसी परमाणु के सबसे बाहरी कोश में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों को संयोजकता इलेक्ट्रॉन के रूप में जाना जाता है।

चित्र 4.4: पहले अठारह तत्वों की योजनाबद्ध परमाणु संरचना

बोर-ब्यूरी योजना से, हम यह भी जानते हैं कि किसी परमाणु का सबसे बाहरी कोश अधिकतम 8 इलेक्ट्रॉन समायोजित कर सकता है। यह देखा गया कि जिन तत्वों के परमाणुओं का सबसे बाहरी कोश 8 इलेक्ट्रॉनों से पूरी तरह भरा होता है, वे बहुत कम रासायनिक सक्रियता दर्शाते हैं। दूसरे शब्दों में, उनकी संयोजन क्षमता या संयोजकता शून्य होती है। इन निष्क्रिय तत्वों में से,

हीलियम परमाणु के सबसे बाहरी कोश में दो इलेक्ट्रॉन होते हैं और अन्य सभी तत्वों के परमाणुओं के सबसे बाहरी कोश में आठ इलेक्ट्रॉन होते हैं।

तत्वों के परमाणुओं की संयोजन क्षमता, अर्थात्, समान या भिन्न तत्वों के परमाणुओं के साथ अभिक्रिया करके अणु बनाने की उनकी प्रवृत्ति, इस प्रकार एक पूर्ण रूप से भरे हुए सबसे बाहरी कोश को प्राप्त करने के प्रयास के रूप में समझाई गई। एक सबसे बाहरी कोश, जिसमें आठ इलेक्ट्रॉन होते थे, कहा जाता था कि उसमें एक अष्टक होता है। इस प्रकार परमाणु अभिक्रिया करते हैं, ताकि सबसे बाहरी कोश में एक अष्टक प्राप्त हो सके। यह इलेक्ट्रॉनों को साझा करके, प्राप्त करके या खोकर किया गया था। सबसे बाहरी कोश में इलेक्ट्रॉनों का अष्टक बनाने के लिए प्राप्त, खोए या साझा किए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या, हमें सीधे तत्व की संयोजन क्षमता देती है, अर्थात्, पिछले अध्याय में चर्चा की गई संयोजकता। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन/लिथियम/सोडियम परमाणुओं में उनके सबसे बाहरी कोश में एक-एक इलेक्ट्रॉन होता है, इसलिए उनमें से प्रत्येक एक इलेक्ट्रॉन खो सकता है। इसलिए, कहा जाता है कि उनकी संयोजकता एक है। क्या आप बता सकते हैं, मैग्नीशियम और ऐलुमिनियम की संयोजकता क्या है? यह क्रमशः दो और तीन है, क्योंकि मैग्नीशियम के सबसे बाहरी कोश में दो इलेक्ट्रॉन होते हैं और ऐलुमिनियम के सबसे बाहरी कोश में तीन इलेक्ट्रॉन होते हैं।

यदि किसी परमाणु के सबसे बाहरी कोश में इलेक्ट्रॉनों की संख्या उसकी पूर्ण क्षमता के करीब है, तो संयोजकता एक अलग तरीके से निर्धारित की जाती है। उदाहरण के लिए, फ्लोरीन परमाणु के सबसे बाहरी कोश में 7 इलेक्ट्रॉन होते हैं, और इसकी संयोजकता 7 हो सकती है। लेकिन फ्लोरीन के लिए सात इलेक्ट्रॉन खोने के बजाय एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करना आसान है। इस