अध्याय 3 मध्ये, आपण शिकलो की अणू आणि रेणू हे द्रव्याचे मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक्स आहेत. विविध प्रकारच्या द्रव्याचे अस्तित्व त्यांचे बनवणारे वेगवेगळे अणू यामुळे आहे. आता प्रश्न उद्भवतात: (i) एका मूलद्रव्याचा अणू दुसऱ्या मूलद्रव्याच्या अणूपेक्षा वेगळा कशामुळे होतो? आणि (ii) डॉल्टनने म्हटल्याप्रमाणे अणू खरोखरच अविभाज्य आहेत का किंवा अणूच्या आत लहान घटक आहेत का? या प्रश्नांची उत्तरे आपण या अध्यायात शोधून काढू. आपण उप-अणुकण आणि हे कण अणूच्या आत कसे मांडलेले आहेत हे स्पष्ट करण्यासाठी सुचवलेल्या विविध आकृतिबंधांबद्दल शिकू.

19व्या शतकाच्या अखेरीस शास्त्रज्ञांसमोरील एक मोठे आव्हान होते अणूची रचना प्रकट करणे तसेच त्याचे महत्त्वाचे गुणधर्म स्पष्ट करणे. अणूंच्या रचनेचे स्पष्टीकरण हे प्रयोगांच्या मालिकेवर आधारित आहे.

अणू अविभाज्य नाहीत याचा पहिला संकेतांपैकी एक, स्थिर विद्युत आणि विविध पदार्थांद्वारे विद्युत वाहकत्व कोणत्या परिस्थितीत होते याचा अभ्यास करून मिळतो.

4.1 द्रव्यातील प्रभारित कण

द्रव्यातील प्रभारित कणांचे स्वरूप समजून घेण्यासाठी, आपण खालील क्रिया करूया:

क्रियाकलाप 4.1

A. कोरडे केस सुरवाटीने सवरा. मग सुरवाट कागदाच्या लहान तुकड्यांना आकर्षित करते का?

B. रेशमी कापडाने काचेची काठी घासा आणि फुगवलेल्या फुग्याजवळ ती काठी आणा. काय होते ते पहा. या क्रियाकलापांवरून, आपण असा निष्कर्ष काढू शकतो की दोन वस्तू एकमेकांवर घासल्यावर त्या विद्युतभारित होतात का? हा प्रभार कोठून येतो? अणू विभाज्य आहे आणि प्रभारित कणांचा बनलेला आहे हे जाणून हा प्रश्न सोडवता येतो.

अणूमध्ये प्रभारित कणांची उपस्थिती प्रकट करण्यात अनेक शास्त्रज्ञांनी योगदान दिले.

1900 पर्यंत हे माहित होते की अणू हा अविभाज्य कण आहे परंतु त्यात किमान एक उप-अणुकण असतो - जे.जे. थॉमसन यांनी ओळखलेला इलेक्ट्रॉन. इलेक्ट्रॉनची ओळख होण्यापूर्वीच, इ. गोल्डस्टीन यांनी 1886 मध्ये वायू विसर्जनामध्ये नवीन किरणांची उपस्थिती शोधून काढली आणि त्यांना कॅनाल किरण म्हटले. हे किरण धनभारित किरण होते ज्यामुळे शेवटी दुसऱ्या उप-अणुकणाचा शोध लागला. या उप-अणुकणाचा प्रभार, इलेक्ट्रॉनच्या प्रभाराच्या परिमाणात समान परंतु चिन्हात विरुद्ध होता. त्याचे वस्तुमान इलेक्ट्रॉनच्या वस्तुमानाच्या अंदाजे 2000 पट होते. त्याला प्रोटॉन हे नाव देण्यात आले. साधारणपणे, इलेक्ट्रॉनचे प्रतिनिधित्व ’ $e$ ’ असे आणि प्रोटॉनचे ’ $p$ ’ असे केले जाते. प्रोटॉनचे वस्तुमान एक एकक म्हणून घेतले जाते आणि त्याचा प्रभार प्लस एक म्हणून घेतला जातो. इलेक्ट्रॉनचे वस्तुमान नगण्य मानले जाते आणि त्याचा प्रभार मायनस एक असतो.

असे दिसून आले की अणू प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन यांचा बनलेला आहे, जे परस्पर त्यांचे प्रभार संतुलित करतात. हे देखील दिसून आले की प्रोटॉन अणूच्या आतील भागात आहेत, कारण इलेक्ट्रॉन सहज काढता येतात परंतु प्रोटॉन काढता येत नाहीत. आता मोठा प्रश्न होता: अणूचे हे कण कोणत्या प्रकारची रचना तयार करतात? या प्रश्नाचे उत्तर आपण खाली शोधू.

4.2 अणूची रचना

आपण अध्याय 3 मध्ये डॉल्टनचा अणुसिद्धांत शिकलो, ज्यानुसार अणू अविभाज्य आणि अविनाशी आहे. परंतु अणूच्या आत दोन मूलभूत कण (इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन) यांच्या शोधामुळे डॉल्टनच्या अणुसिद्धांताचा हा पैलू अयशस्वी ठरला. त्यानंतर इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन अणूच्या आत कसे मांडलेले आहेत हे जाणून घेणे आवश्यक वाटले. हे स्पष्ट करण्यासाठी, अनेक शास्त्रज्ञांनी विविध अणू आकृतिबंध सुचवले. अणूची रचना सुचवणारे जे.जे. थॉमसन हे पहिले होते.

4.2.1 अणूचा थॉमसनचा आकृतिबंध

थॉमसन यांनी अणूचा आकृतिबंध ख्रिसमस पुडिंगसारखा असावा असे सुचवले. धनभाराच्या गोलातील इलेक्ट्रॉन, गोलाकार ख्रिसमस पुडिंगमधील द्राक्षांसारखे (कोरडी फळे) होते. आपण टरबूजाचाही विचार करू शकतो, अणूमधील धनभार टरबूजाच्या लाल खाण्यायोग्य भागाप्रमाणे सर्वत्र पसरलेला असतो, तर इलेक्ट्रॉन धनभारित गोलात टरबूजातील बियांप्रमाणे बसवलेले असतात (आकृती 4.1).

आकृती 4.1: अणूचा थॉमसनचा आकृतिबंध

जे.जे. थॉमसन (1856-1940), एक ब्रिटिश भौतिकशास्त्रज्ञ, 18 डिसेंबर 1856 रोजी मँचेस्टरच्या उपनगरातील चीथम हिल येथे जन्मले. इलेक्ट्रॉनच्या शोधावरील कार्यासाठी त्यांना 1906 मध्ये भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक देण्यात आले. त्यांनी केंब्रिज येथील कॅव्हेंडिश प्रयोगशाळेचे 35 वर्षे निर्देशन केले आणि त्यांचे सात संशोधन सहाय्यक नंतर नोबेल पारितोषिके जिंकले.

थॉमसन यांनी असे सुचवले:

(i) अणूमध्ये एक धनभारित गोल असतो आणि इलेक्ट्रॉन त्यात बसवलेले असतात.

(ii) ऋणभार आणि धनभार परिमाणात समान असतात. म्हणून, अणू संपूर्णपणे विद्युतभाररहित असतो.

थॉमसनच्या आकृतिबंधाने अणू विद्युतभाररहित आहेत हे स्पष्ट केले असले तरी, इतर शास्त्रज्ञांनी केलेल्या प्रयोगांचे निकाल या आकृतिबंधाने स्पष्ट करता आले नाहीत, जसे आपण खाली पाहू.

4.2.2 अणूचा रदरफोर्डचा आकृतिबंध

अर्नेस्ट रदरफोर्ड यांना इलेक्ट्रॉन अणूच्या आत कसे मांडलेले आहेत हे जाणून घेण्यात रस होता. यासाठी रदरफोर्ड यांनी एक प्रयोग रचला. या प्रयोगात, वेगवान गतिमान अल्फा $(\alpha)$-कण पातळ सोन्याच्या पत्र्यावर पाडण्यात आले.

• त्यांनी सोन्याचा पत्रा निवडला कारण त्यांना शक्य तितका पातळ थर हवा होता. हा सोन्याचा पत्रा अंदाजे 1000 अणू जाडीचा होता.
• $\alpha$-कण हे दुहेरी-भारित हेलियम आयन आहेत. त्यांचे वस्तुमान $4 u$ असल्यामुळे, वेगवान गतिमान $\alpha$-कणांमध्ये लक्षणीय प्रमाणात ऊर्जा असते.
• अपेक्षा होती की $\alpha$-कण सोन्याच्या अणूंमधील उप-अणुकणांद्वारे वळवले जातील. $\alpha$-कण प्रोटॉनपेक्षा खूप जड असल्यामुळे, त्यांना मोठे वळण पाहण्याची अपेक्षा नव्हती.

आकृती 4.2: सोन्याच्या पत्र्याद्वारे $\alpha$-कणांचे विखुरणे

परंतु, $\alpha$-कण विखुरणे प्रयोगाने पूर्णपणे अनपेक्षित परिणाम दिले (आकृती 4.2). खालील निरीक्षणे करण्यात आली:

(i) बहुतेक वेगवान गतिमान $\alpha$-कण सोन्याच्या पत्र्यातून सरळ पार झाले.

(ii) काही $\alpha$-कण पत्र्याद्वारे लहान कोनांनी वळवले गेले.

(iii) आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे दर 12000 पैकी एक कण परत उसळला असे दिसले.

रदरफोर्ड यांच्या शब्दात, “हा निकाल जवळपास तितकाच अविश्वसनीय होता की जर तुम्ही टिश्यू पेपरच्या तुकड्यावर 15-इंचाचा गोळा माराल आणि तो परत येऊन तुम्हाला लागला तर”.

ई. रदरफोर्ड (1871-1937) यांचा जन्म 30 ऑगस्ट 1871 रोजी स्प्रिंग ग्रोव्ह येथे झाला. त्यांना ‘आण्विक भौतिकशास्त्राचे जनक’ म्हणून ओळखले जात असे. किरणोत्सर्गावरील कार्य आणि सोन्याच्या पत्र्याच्या प्रयोगाद्वारे अणूच्या केंद्रकाच्या शोधासाठी ते प्रसिद्ध आहेत. त्यांना 1908 मध्ये रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळाले.

या प्रयोगाचे परिणाण समजून घेण्यासाठी मोकळ्या मैदानातील एका क्रियाकलापाचा विचार करूया. एक मूल डोळे मिटून भिंतीसमोर उभे राहू द्या. त्याला अंतरावरून भिंतीवर दगड फेकू द्या. प्रत्येक दगड भिंतीवर आदळल्यावर त्याला आवाज ऐकू येईल. जर त्याने हे दहा वेळा केले तर त्याला दहा वेळा आवाज ऐकू येईल. पण जर डोळ्यावर पट्टी बांधलेल्या मुलाने काटेरी तारेच्या कुंपणावर दगड फेकले, तर बहुतेक दगड कुंपणावर आदळणार नाहीत आणि आवाज ऐकू येणार नाही. याचे कारण असे की कुंपणात अनेक अंतर आहेत ज्यामुळे दगड त्यातून पार होतात.

तत्सम तर्काचे अनुसरण करून, रदरफोर्ड यांनी $\alpha$-कण विखुरणे प्रयोगावरून असा निष्कर्ष काढला की-

(i) अणूच्या आतली बहुतेक जागा रिकामी आहे कारण बहुतेक $\alpha$-कण वळण न घेता सोन्याच्या पत्र्यातून पार झाले.

(ii) फारच कमी कण त्यांच्या मार्गातून वळवले गेले, यावरून अणूचा धनभार खूपच कमी जागा व्यापतो हे दिसून येते.

(iii) $\alpha$-कणांचा खूप लहान अंश $180^{\circ}$ ने वळवला गेला, यावरून सोन्याच्या अणूचा सर्व धनभार आणि वस्तुमान अणूच्या आत खूपच लहान आकारमानात केंद्रित आहे हे दिसून येते.

दत्तांकावरून त्यांनी हे देखील काढले की केंद्रकाची त्रिज्या अणूच्या त्रिज्येपेक्षा सुमारे $10^{5}$ पट कमी आहे.

त्यांच्या प्रयोगाच्या आधारे, रदरफोर्ड यांनी अणूचा केंद्रकीय आकृतिबंध मांडला, ज्यात खालील वैशिष्ट्ये होती:

(i) अणूमध्ये एक धनभारित केंद्र असते त्याला केंद्रक म्हणतात. अणूचे जवळपास सर्व वस्तुमान केंद्रकात असते.

(ii) इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती वर्तुळाकार मार्गांनी भ्रमण करतात.

(iii) अणूच्या आकाराच्या तुलनेत केंद्रकाचा आकार खूपच लहान असतो.

अणूच्या रदरफोर्डच्या आकृतिबंधाचे दोष

वर्तुळाकार कक्षेत इलेक्ट्रॉनचे भ्रमण स्थिर राहण्याची अपेक्षा नाही. वर्तुळाकार कक्षेत असलेला कोणताही कण त्वरण अनुभवेल. त्वरण दरम्यान, प्रभारित कण ऊर्जा प्रसारित करतील. अशाप्रकारे, भ्रमण करणारा इलेक्ट्रॉन ऊर्जा गमावेल आणि शेवटी केंद्रकात पडेल. जर असे झाले तर, अणू अत्यंत अस्थिर असावा आणि म्हणून द्रव्य आपल्याला माहीत असलेल्या स्वरूपात अस्तित्वात राहिले नसते. आपल्याला माहीत आहे की अणू अगदी स्थिर असतात.

4.2.3 अणूचा बोहरचा आकृतिबंध

अणूच्या रदरफोर्डच्या आकृतिबंधावर उपस्थित केलेल्या आक्षेपांवर मात करण्यासाठी, नील्स बोहर यांनी अणूच्या आकृतिबंधाबद्दल खालील अभिगृहीते मांडली:

(i) अणूच्या आत केवळ काही विशिष्ट कक्षा, ज्यांना इलेक्ट्रॉनच्या स्वतंत्र कक्षा म्हणतात, त्या परवानगी असतात.

(ii) स्वतंत्र कक्षांमध्ये भ्रमण करताना इलेक्ट्रॉन ऊर्जा प्रसारित करत नाहीत.

नील्स बोहर (1885-1962) यांचा जन्म 7 ऑक्टोबर 1885 रोजी कोपनहेगन येथे झाला. 1916 मध्ये त्यांची कोपनहेगन विद्यापीठात भौतिकशास्त्राचे प्राध्यापक म्हणून नियुक्ती करण्यात आली. अणूच्या रचनेवरील कार्यासाठी त्यांना 1922 मध्ये नोबेल पारितोषिक मिळाले. प्राध्यापक बोहर यांच्या असंख्य लेखनांपैकी, पुस्तक म्हणून प्रकाशित झालेले तीन आहेत: (i) स्पेक्ट्राचा सिद्धांत आणि अणू रचना, (ii) अणुसिद्धांत आणि, (iii) निसर्गाचे वर्णन.

या कक्षा किंवा कवच यांना ऊर्जा पातळी म्हणतात. अणूमधील ऊर्जा पातळी आकृती 4.3 मध्ये दाखवल्या आहेत.

आकृती 4.3: अणूमधील काही ऊर्जा पातळी

या कक्षा किंवा कवच यांचे प्रतिनिधित्व K,L,M,N,… अक्षरांद्वारे किंवा संख्या, $n=1,2,3,4, \ldots$ द्वारे केले जाते.

4.2.4 न्यूट्रॉन

1932 मध्ये, जे. चॅडविक यांनी दुसरा उप-अणुकण शोधून काढला ज्याला कोणताही प्रभार नव्हता आणि वस्तुमान प्रोटॉनच्या वस्तुमानाच्या जवळपास समान होते. त्याला शेवटी न्यूट्रॉन असे नाव देण्यात आले. हायड्रोजन वगळता सर्व अणूंच्या केंद्रकात न्यूट्रॉन असतात. साधारणपणे, न्यूट्रॉनचे प्रतिनिधित्व ’ $n$ ’ असे केले जाते. म्हणून अणूचे वस्तुमान केंद्रकात असलेल्या प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनच्या वस्तुमानांच्या बेरजेइतके असते.

4.3 इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या कक्षा (कवच) मध्ये कसे वितरित केले जातात?

अणूच्या वेगवेगळ्या कक्षांमध्ये इलेक्ट्रॉनचे वितरण बोहर आणि ब्युरी यांनी सुचवले होते. वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळी किंवा कवचांमध्ये इलेक्ट्रॉनची संख्या लिहिण्यासाठी खालील नियमांचे पालन केले जाते:

(i) एका कवचात असलेल्या इलेक्ट्रॉनची कमाल संख्या सूत्र $2 n^{2}$ द्वारे दिली जाते, जिथे ’ $n$ ’ ही कक्षा क्रमांक किंवा ऊर्जा पातळी निर्देशांक आहे, $1,2,3, \ldots$. म्हणून वेगवेगळ्या कवचांमधील इलेक्ट्रॉनची कमाल संख्या खालीलप्रमाणे आहे:

पहिली कक्षा किंवा K-कवच $=2 \times 1^{2}=2$ असेल, दुसरी कक्षा किंवा L-कवच $=2 \times 2^{2}=8$ असेल, तिसरी कक्षा किंवा M-कवच $=2 \times 3^{2}=18$ असेल, चौथी कक्षा किंवा $N$-कवच $=2 \times 4^{2}$ $=32$ असेल, आणि असेच.

(ii) सर्वात बाहेरील कक्षेत बसू शकणाऱ्या इलेक्ट्रॉनची कमाल संख्या 8 आहे.

(iii) आतील कवच भरले जात नाहीत तोपर्यंत दिलेल्या कवचात इलेक्ट्रॉन बसवले जात नाहीत. म्हणजेच, कवचे चरणबद्ध पद्धतीने भरली जातात.

पहिल्या अठरा मूलद्रव्यांची अणुरचना आकृती 4.4 मध्ये योजनाबद्ध रीतीने दाखवली आहे. पहिल्या अठरा मूलद्रव्यांच्या अणूंची रचना तक्ता 4.1 मध्ये दिली आहे.

क्रियाकलाप 4.2

• पहिल्या अठरा मूलद्रव्यांची इलेक्ट्रॉनिक संरूपण दर्शविणारा एक स्थिर अणु आकृतिबंध तयार करा.

• पहिल्या अठरा मूलद्रव्यांच्या अणूंची रचना तक्ता 4.1 मध्ये दिली आहे.

4.4 संयुजा

अणूमधील इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या कवच/कक्षांमध्ये कसे मांडलेले असतात हे आपण शिकलो. अणूच्या सर्वात बाहेरील कवचात असलेल्या इलेक्ट्रॉनांना संयुजा इलेक्ट्रॉन म्हणतात.

आकृती 4.4: पहिल्या अठरा मूलद्रव्यांची योजनाबद्ध अणुरचना

बोहर-ब्युरी योजनेवरून, आपल्याला हे देखील माहीत आहे की अणूच्या सर्वात बाहेरील कवचात कमाल 8 इलेक्ट्रॉन बसू शकतात. हे निरीक्षणात आले की ज्या मूलद्रव्यांच्या अणूंच्या सर्वात बाहेरील कवचात 8 इलेक्ट्रॉन पूर्णपणे भरलेले असतात ते कमी रासायनिक क्रियाशीलता दर्शवतात. दुसऱ्या शब्दांत, त्यांची संयोगक्षमता किंवा संयुजा शून्य असते. या निष्क्रिय मूलद्रव्यांपैकी,

हेलियम अणूच्या सर्वात बाहेरील कवचात दोन इलेक्ट्रॉन असतात आणि इतर सर्व मूलद्रव्यांच्या अणूंच्या सर्वात बाहेरील कवचात आठ इलेक्ट्रॉन असतात.

म्हणून, मूलद्रव्यांच्या अणूंची संयोगक्षमता, म्हणजेच त्यांची समान किंवा भिन्न मूलद्रव्यांच्या अणूंसह अभिक्रिया करून रेणू तयार करण्याची प्रवृत्ती, ही पूर्णपणे भरलेले सर्वात बाहेरील कवच प्राप्त करण्याचा प्रयत्न म्हणून स्पष्ट करण्यात आली. ज्या सर्वात बाहेरील कवचात आठ इलेक्ट्रॉन असतात त्याला अष्टक असलेले म्हटले जात असे. अणू अशाप्रकारे अभिक्रिया करतील, जेणेकरून सर्वात बाहेरील कवचात अष्टक प्राप्त होईल. हे इलेक्ट्रॉन सामायिक करून, मिळवून किंवा गमावून केले जात असे. सर्वात बाहेरील कवचातील इलेक्ट्रॉनचे अष्टक बनवण्यासाठी मिळवलेल्या, गमावलेल्या किंवा सामायिक केलेल्या इलेक्ट्रॉनची संख्या, आपल्याला थेट मूलद्रव्याची संयोगक्षमता देते, म्हणजेच मागील अध्यायात चर्चा केलेली संयुजा. उदाहरणार्थ, हायड्रोजन/लिथियम/सोडियम अणूंच्या सर्वात बाहेरील कवचात प्रत्येकी एक इलेक्ट्रॉन असतो, म्हणून त्यापैकी प्रत्येक एक इलेक्ट्रॉन गमावू शकतो. म्हणून, त्यांची संयुजा एक आहे असे म्हटले जाते. तुम्ही सांगू शकता, मॅग्नेशियम आणि अॅल्युमिनियमची संयुजा किती आहे? ती अनुक्रमे दोन आणि तीन आहे, कारण मॅग्नेशियमच्या सर्वात बाहेरील कवचात दोन इलेक्ट्रॉन आहेत आणि अॅल्युमिनियमच्या सर्वात बाहेरील कवचात तीन इलेक्ट्रॉन आहेत.

जर अणूच्या सर्वात बाहेरील कवचातील इलेक्ट्रॉनची संख्या त्याच