3వ అధ్యాయంలో, పరమాణువులు మరియు అణువులు పదార్థం యొక్క ప్రాథమిక నిర్మాణాత్మక బ్లాక్లు అని మనం తెలుసుకున్నాము. వివిధ రకాల పదార్థాల ఉనికి వాటిని రూపొందించే విభిన్న పరమాణువుల కారణంగా ఉంటుంది. ఇప్పుడు ప్రశ్నలు ఉద్భవిస్తాయి: (i) ఒక మూలకం యొక్క పరమాణువును మరొక మూలకం యొక్క పరమాణువు నుండి భిన్నంగా చేసేది ఏమిటి? మరియు (ii) డాల్టన్ ప్రతిపాదించినట్లుగా పరమాణువులు నిజంగా విభజించలేనివా, లేదా పరమాణువు లోపల చిన్న భాగాలు ఉన్నాయా? ఈ అధ్యాయంలో ఈ ప్రశ్నలకు సమాధానాలు తెలుసుకుంటాము. ఉప-పరమాణు కణాలు మరియు ఈ కణాలు పరమాణువు లోపల ఎలా అమర్చబడి ఉంటాయో వివరించడానికి ప్రతిపాదించబడిన వివిధ నమూనాల గురించి మనం తెలుసుకుంటాము.

19వ శతాబ్దం చివరిలో శాస్త్రవేత్తల ముందున్న ప్రధాన సవాలు పరమాణువు యొక్క నిర్మాణాన్ని బహిర్గతం చేయడం మరియు దాని ముఖ్యమైన లక్షణాలను వివరించడం. పరమాణువుల నిర్మాణం యొక్క వివరణ అనేక ప్రయోగాల శ్రేణిపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

పరమాణువులు విభజించలేనివి కావు అనే మొదటి సూచనలలో ఒకటి, స్థిర విద్యుత్తు మరియు వివిధ పదార్థాల ద్వారా విద్యుత్ ఎప్పుడు ప్రవహిస్తుందో అధ్యయనం చేయడం నుండి వస్తుంది.

4.1 పదార్థంలోని ఆవేశిత కణాలు

పదార్థంలోని ఆవేశిత కణాల స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, ఈ క్రింది కార్యకలాపాలను చేద్దాం:

కార్యకలాపం 4.1

A. పొడి జుట్టును దువ్వెనతో దువ్వండి. అప్పుడు దువ్వెన చిన్న కాగితపు ముక్కలను ఆకర్షిస్తుందా?

B. గాజు రాడ్ను పట్టుతో రుద్దండి మరియు రాడ్ను ఊదిన బెలూన్ దగ్గరకు తీసుకురండి. ఏమి జరుగుతుందో గమనించండి. ఈ కార్యకలాపాల నుండి, రెండు వస్తువులను కలిసి రుద్దినప్పుడు, అవి విద్యుత్ ఆవేశాన్ని పొందుతాయని మనం నిర్ధారించగలమా? ఈ ఆవేశం ఎక్కడ నుండి వస్తుంది? పరమాణువు విభజించదగినది మరియు ఆవేశిత కణాలను కలిగి ఉంటుందని తెలుసుకోవడం ద్వారా ఈ ప్రశ్నకు సమాధానం ఇవ్వవచ్చు.

పరమాణువులో ఆవేశిత కణాల ఉనికిని బహిర్గతం చేయడంలో అనేక శాస్త్రవేత్తలు తమదైన కృషి చేశారు.

1900 నాటికి పరమాణువు విభజించలేని కణం అని తెలుసు కానీ కనీసం ఒక ఉప-పరమాణు కణాన్ని కలిగి ఉంటుందని తెలుసు - జె.జె. థామ్సన్ గుర్తించిన ఎలక్ట్రాన్. ఎలక్ట్రాన్ గుర్తించబడక ముందే, ఇ. గోల్డ్స్టెయిన్ 1886లో వాయు విసర్జనలో కొత్త రేడియేషన్ల ఉనికిని కనుగొన్నాడు మరియు వాటిని కెనాల్ కిరణాలు అని పిలిచాడు. ఈ కిరణాలు ధనాత్మక ఆవేశం కలిగిన రేడియేషన్లు, ఇవి చివరికి మరొక ఉప-పరమాణు కణం యొక్క ఆవిష్కరణకు దారితీశాయి. ఈ ఉప-పరమాణు కణానికి ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశంతో సమానమైన పరిమాణం కలిగిన ఆవేశం ఉంది, కానీ గుర్తు వ్యతిరేకం. దీని ద్రవ్యరాశి ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశికి సుమారు 2000 రెట్లు ఉండేది. దీనికి ప్రోటాన్ అని పేరు పెట్టారు. సాధారణంగా, ఎలక్ట్రాన్ను ’ $e$ ’ గా మరియు ప్రోటాన్ను ’ $p$ ’ గా సూచిస్తారు. ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిని ఒక యూనిట్గా మరియు దాని ఆవేశాన్ని ప్లస్ వన్గా తీసుకుంటారు. ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశిని నగణ్యంగా పరిగణిస్తారు మరియు దాని ఆవేశం మైనస్ వన్.

పరమాణువు ప్రోటాన్లు మరియు ఎలక్ట్రాన్లతో రూపొందించబడింది, పరస్పరం వాటి ఆవేశాలను సమతుల్యం చేస్తాయి. ప్రోటాన్లు పరమాణువు లోపల ఉన్నాయని కూడా కనిపించింది, ఎందుకంటే ఎలక్ట్రాన్లను సులభంగా తొలగించవచ్చు కానీ ప్రోటాన్లను కాదు. ఇప్పుడు పెద్ద ప్రశ్న: ఈ పరమాణు కణాలు ఎలాంటి నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తాయి? ఈ ప్రశ్నకు సమాధానం క్రింద తెలుసుకుంటాము.

4.2 పరమాణువు యొక్క నిర్మాణం

మేము డాల్టన్ యొక్క పరమాణు సిద్ధాంతాన్ని 3వ అధ్యాయంలో నేర్చుకున్నాము, ఇది పరమాణువు విభజించలేనిది మరియు నాశనం చేయలేనిది అని సూచించింది. కానీ పరమాణువు లోపల రెండు ప్రాథమిక కణాలు (ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ప్రోటాన్లు) ఆవిష్కరణ, డాల్టన్ పరమాణు సిద్ధాంతం యొక్క ఈ అంశం వైఫల్యానికి దారితీసింది. అప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ప్రోటాన్లు పరమాణువు లోపల ఎలా అమర్చబడి ఉంటాయో తెలుసుకోవడం అవసరమని భావించారు. దీన్ని వివరించడానికి, అనేక శాస్త్రవేత్తలు వివిధ పరమాణు నమూనాలను ప్రతిపాదించారు. పరమాణువు యొక్క నిర్మాణానికి నమూనాను ప్రతిపాదించిన మొదటి వ్యక్తి జె.జె. థామ్సన్.

4.2.1 పరమాణువు యొక్క థామ్సన్ నమూనా

థామ్సన్ పరమాణువు యొక్క నమూనాను క్రిస్మస్ పుడ్డింగ్ లాగా ఉండేలా ప్రతిపాదించాడు. ధనాత్మక ఆవేశం గల గోళంలోని ఎలక్ట్రాన్లు, గోళాకార క్రిస్మస్ పుడ్డింగ్లోని ఎండిన పండ్లు (డ్రై ఫ్రూట్స్) లాగా ఉండేవి. మనం పుచ్చకాయను కూడా ఆలోచించవచ్చు, పరమాణువులోని ధనాత్మక ఆవేశం పుచ్చకాయ యొక్క ఎర్ర తినదగిన భాగం లాగా అన్ని చోట్లా వ్యాపించి ఉంటుంది, అయితే ఎలక్ట్రాన్లు ధనాత్మక ఆవేశిత గోళంలో పుచ్చకాయలోని గింజలు లాగా పొదుపుగా ఉంటాయి (Fig. 4.1).

Fig.4.1: పరమాణువు యొక్క థామ్సన్ నమూనా

జె.జె. థామ్సన్ (1856-1940), ఒక బ్రిటిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త, 1856 డిసెంబర్ 18న మాంచెస్టర్ ఉపనగరమైన చీతం హిల్లో జన్మించాడు. ఎలక్ట్రాన్ల ఆవిష్కరణపై చేసిన పనికి 1906లో భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి అందజేయబడింది. అతను 35 సంవత్సరాలు కేంబ్రిడ్జ్లోని కావెండిష్ ప్రయోగశాలకు నిర్దేశకుడిగా పనిచేశాడు మరియు అతని ఏడుగురు పరిశోధన సహాయకులు తరువాత నోబెల్ బహుమతులు పొందారు.

థామ్సన్ ప్రతిపాదించాడు:

(i) పరమాణువు ధనాత్మక ఆవేశిత గోళంతో కూడి ఉంటుంది మరియు ఎలక్ట్రాన్లు దానిలో ఇమిడి ఉంటాయి.

(ii) ఋణాత్మక మరియు ధనాత్మక ఆవేశాలు పరిమాణంలో సమానంగా ఉంటాయి. కాబట్టి, పరమాణువు మొత్తంగా విద్యుత్ తటస్థంగా ఉంటుంది.

థామ్సన్ నమూనా పరమాణువులు విద్యుత్ తటస్థంగా ఉంటాయని వివరించినప్పటికీ, ఇతర శాస్త్రవేత్తలు చేసిన ప్రయోగాల ఫలితాలు ఈ నమూనా ద్వారా వివరించబడలేదు, క్రింద చూడబోతున్నాం.

4.2.2 పరమాణువు యొక్క రూథర్ఫర్డ్ నమూనా

ఎలక్ట్రాన్లు పరమాణువు లోపల ఎలా అమర్చబడి ఉంటాయో తెలుసుకోవడంలో అర్నెస్ట్ రూథర్ఫర్డ్కు ఆసక్తి ఉంది. దీని కోసం రూథర్ఫర్డ్ ఒక ప్రయోగాన్ని రూపొందించాడు. ఈ ప్రయోగంలో, వేగంగా కదిలే ఆల్ఫా $(\alpha)$-కణాలు సన్నని బంగారు రేకుపై పడేలా చేయబడ్డాయి.

• అతను బంగారు రేకును ఎంచుకున్నాడు ఎందుకంటే అతను వీలైనంత సన్నని పొర కోరుకున్నాడు. ఈ బంగారు రేకు సుమారు 1000 పరమాణువుల మందంగా ఉండేది.
• $\alpha$-కణాలు రెండు రెట్లు ఆవేశం చేయబడిన హీలియం అయాన్లు. వాటికి $4 u$ ద్రవ్యరాశి ఉన్నందున, వేగంగా కదిలే $\alpha$-కణాలు గణనీయమైన శక్తిని కలిగి ఉంటాయి.
• $\alpha$-కణాలు బంగారు పరమాణువులలోని ఉప-పరమాణు కణాల ద్వారా విక్షేపణం చెందుతాయని అంచనా వేయబడింది. $\alpha$-కణాలు ప్రోటాన్ల కంటే చాలా భారంగా ఉన్నందున, అతను పెద్ద విక్షేపణలను చూడాలని ఆశించలేదు.

Fig. 4.2: బంగారు రేకు ద్వారా $\alpha$-కణాల చెదరగొట్టడం

కానీ, $\alpha$-కణ చెదరగొట్టడం ప్రయోగం పూర్తిగా అనూహ్య ఫలితాలను ఇచ్చింది (Fig. 4.2). ఈ క్రింది పరిశీలనలు చేయబడ్డాయి:

(i) చాలా వేగంగా కదిలే $\alpha$-కణాలు బంగారు రేకు గుండా నేరుగా వెళ్ళాయి.

(ii) కొన్ని $\alpha$-కణాలు రేకు ద్వారా చిన్న కోణాలతో విక్షేపణం చెందాయి.

(iii) ఆశ్చర్యకరంగా ప్రతి 12000 కణాలలో ఒకటి పుంజుకున్నట్లు కనిపించింది.

రూథర్ఫర్డ్ మాటలలో, “ఈ ఫలితం దాదాపు అవిశ్వసనీయమైనది, మీరు ఒక టిష్యూ పేపర్పై 15-ఇంచి షెల్ను కాల్చినట్లయితే అది తిరిగి వచ్చి మిమ్మల్ని తాకినట్లుగా ఉంటుంది”.

ఇ. రూథర్ఫర్డ్ (1871-1937) ఆగస్టు 30, 1871న స్ప్రింగ్ గ్రోవ్లో జన్మించాడు. అతను ‘న్యూక్లియర్ ఫిజిక్స్ తండ్రి’గా ప్రసిద్ధి చెందాడు. రేడియోధార్మికతపై మరియు బంగారు రేకు ప్రయోగంతో పరమాణువు యొక్క కేంద్రకం ఆవిష్కరణపై చేసిన పనికి అతను ప్రసిద్ధి చెందాడు. అతను 1908లో రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి పొందాడు.

ఈ ప్రయోగం యొక్క అంతరార్థాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఓపెన్ ఫీల్డ్లో ఒక కార్యకలాపం గురించి ఆలోచిద్దాం. ఒక పిల్లవాడు కళ్ళు మూసుకుని గోడ ముందు నిలబడనివ్వండి. అతను దూరం నుండి గోడపై రాళ్ళు విసరనివ్వండి. ప్రతి రాయి గోడను తాకినప్పుడు అతను శబ్దం వింటాడు. అతను దీన్ని పదిసార్లు పునరావృతం చేస్తే, అతను పదిసార్లు శబ్దం వింటాడు. కానీ కళ్ళు కట్టిన పిల్లవాడు ముళ్ల తీగ కంచెపై రాళ్ళు విసిర్తే, చాలా రాళ్ళు కంచెను తాకవు మరియు ఏ శబ్దం వినబడదు. ఎందుకంటే కంచెలో చాలా ఖాళీలు ఉంటాయి, అవి రాయిని దాటడానికి అనుమతిస్తాయి.

ఇదే విధమైన తార్కికాన్ని అనుసరించి, రూథర్ఫర్డ్ $\alpha$-కణ చెదరగొట్టడం ప్రయోగం నుండి ఈ క్రింది విధంగా నిర్ధారణకు వచ్చాడు-

(i) పరమాణువు లోపలి భాగంలో చాలా ఖాళీ ఉంటుంది ఎందుకంటే చాలా $\alpha$-కణాలు విక్షేపణం చెందకుండా బంగారు రేకు గుండా వెళ్ళాయి.

(ii) చాలా తక్కువ కణాలు వాటి మార్గం నుండి విక్షేపణం చెందాయి, ఇది పరమాణువు యొక్క ధనాత్మక ఆవేశం చాలా తక్కువ స్థలాన్ని ఆక్రమిస్తుందని సూచిస్తుంది.

(iii) చాలా చిన్న భాగం $\alpha$-కణాలు $180^{\circ}$ ద్వారా విక్షేపణం చెందాయి, ఇది బంగారు పరమాణువు యొక్క అన్ని ధనాత్మక ఆవేశం మరియు ద్రవ్యరాశి పరమాణువు లోపల చాలా చిన్న ఘనపరిమాణంలో కేంద్రీకృతమై ఉన్నాయని సూచిస్తుంది.

డేటా నుండి అతను కేంద్రకం యొక్క వ్యాసార్థం పరమాణువు యొక్క వ్యాసార్థం కంటే సుమారు $10^{5}$ రెట్లు తక్కువగా ఉంటుందని కూడా లెక్కించాడు.

తన ప్రయోగం ఆధారంగా, రూథర్ఫర్డ్ పరమాణువు యొక్క కేంద్రక నమూనాను ముందుకు తెచ్చాడు, దీనికి ఈ క్రింది లక్షణాలు ఉన్నాయి:

(i) పరమాణువులో కేంద్రకం అని పిలువబడే ధనాత్మక ఆవేశిత కేంద్రం ఉంటుంది. పరమాణువు యొక్క ద్రవ్యరాశి దాదాపు మొత్తం కేంద్రకంలో ఉంటుంది.

(ii) ఎలక్ట్రాన్లు కేంద్రకం చుట్టూ వృత్తాకార మార్గాల్లో పరిభ్రమిస్తాయి.

(iii) కేంద్రకం యొక్క పరిమాణం పరమాణువు పరిమాణంతో పోలిస్తే చాలా చిన్నది.

రూథర్ఫర్డ్ పరమాణు నమూనా యొక్క లోపాలు

వృత్తాకార కక్ష్యలో ఎలక్ట్రాన్ యొక్క పరిభ్రమణ స్థిరంగా ఉండదని భావించబడుతుంది. వృత్తాకార కక్ష్యలో ఉన్న ఏదైనా కణం త్వరణం చెందుతుంది. త్వరణ సమయంలో, ఆవేశిత కణాలు శక్తిని వికిరణం చేస్తాయి. అందువల్ల, పరిభ్రమించే ఎలక్ట్రాన్ శక్తిని కోల్పోయి చివరికి కేంద్రకంలోకి పడిపోతుంది. ఇది అలా ఉంటే, పరమాణువు చాలా అస్థిరంగా ఉండాలి మరియు అందువల్ల పదార్థం మనకు తెలిసిన రూపంలో ఉండదు. పరమాణువులు చాలా స్థిరంగా ఉంటాయని మనకు తెలుసు.

4.2.3 పరమాణువు యొక్క బోర్ నమూనా

పరమాణువు యొక్క రూథర్ఫర్డ్ నమూనాకు వ్యతిరేకంగా ఎత్తబడిన అభ్యంతరాలను అధిగమించడానికి, నీల్స్ బోర్ పరమాణువు యొక్క నమూనా గురించి ఈ క్రింది ప్రతిపాదనలను ముందుకు తెచ్చాడు:

(i) పరమాణువు లోపల వివిక్త కక్ష్యలు అని పిలువబడే కొన్ని ప్రత్యేక కక్ష్యలు మాత్రమే అనుమతించబడతాయి.

(ii) వివిక్త కక్ష్యల్లో పరిభ్రమించేటప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు శక్తిని వికిరణం చేయవు.

నీల్స్ బోర్ (1885-1962) అక్టోబర్ 7, 1885న కోపెన్హేగన్లో జన్మించాడు. అతను 1916లో కోపెన్హేగన్ విశ్వవిద్యాలయంలో భౌతిక శాస్త్రం ప్రొఫెసర్గా నియమితుడయ్యాడు. పరమాణు నిర్మాణంపై చేసిన పనికి 1922లో నోబెల్ బహుమతి అందుకున్నాడు. ప్రొఫెసర్ బోర్ యొక్క అనేక రచనలలో, పుస్తకాలుగా కనిపించే మూడు: (i) ది థియరీ ఆఫ్ స్పెక్ట్రా అండ్ అటామిక్ కాన్స్టిట్యూషన్, (ii) అటామిక్ థియరీ అండ్, (iii) ది డిస్క్రిప్షన్ ఆఫ్ నేచర్.

ఈ కక్ష్యలు లేదా కర్పరాలను శక్తి స్థాయిలు అంటారు. పరమాణువులోని శక్తి స్థాయిలు Fig. 4.3లో చూపబడ్డాయి.

Fig. 4.3: పరమాణువులో కొన్ని శక్తి స్థాయిలు

ఈ కక్ష్యలు లేదా కర్పరాలను K,L,M,N,… అక్షరాలు లేదా సంఖ్యలు, $n=1,2,3,4, \ldots$ ద్వారా సూచిస్తారు.

4.2.4 న్యూట్రాన్లు

1932లో, జె. చాడ్విక్ మరొక ఉప-పరమాణు కణాన్ని కనుగొన్నాడు, దీనికి ఆవేశం లేదు మరియు ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశికి దాదాపు సమానమైన ద్రవ్యరాశి ఉంది. ఇది చివరికి న్యూట్రాన్ అని పేరు పెట్టబడింది. హైడ్రోజన్ మినహా అన్ని పరమాణువుల కేంద్రకంలో న్యూట్రాన్లు ఉంటాయి. సాధారణంగా, న్యూట్రాన్ను ’ $n$ ’ గా సూచిస్తారు. కాబట్టి పరమాణువు యొక్క ద్రవ్యరాశి కేంద్రకంలో ఉన్న ప్రోటాన్లు మరియు న్యూట్రాన్ల ద్రవ్యరాశుల మొత్తం ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది.

4.3 వివిధ కక్ష్యల్లో (కర్పరాల్లో) ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా పంపిణీ చేయబడతాయి?

పరమాణువు యొక్క వివిధ కక్ష్యల్లోకి ఎలక్ట్రాన్ల పంపిణీ బోర్ మరియు బ్యూరీ సూచించారు. వివిధ శక్తి స్థాయిలు లేదా కర్పరాల్లో ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యను వ్రాయడానికి ఈ క్రింది నియమాలు పాటించబడతాయి:

(i) ఒక కర్పరంలో ఉండే గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య సూత్రం $2 n^{2}$ ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది, ఇక్కడ ’ $n$ ’ అనేది కక్ష్య సంఖ్య లేదా శక్తి స్థాయి సూచిక, $1,2,3, \ldots$. అందువల్ల వివిధ కర్పరాల్లో గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:

మొదటి కక్ష్య లేదా K-కర్పరం $=2 \times 1^{2}=2$, రెండవ కక్ష్య లేదా L-కర్పరం $=2 \times 2^{2}=8$, మూడవ కక్ష్య లేదా M-కర్పరం $=2 \times 3^{2}=18$, నాల్గవ కక్ష్య లేదా $N$-కర్పరం $=2 \times 4^{2}$ $=32$, మరియు మొదలైనవి.

(ii) బాహ్య కక్ష్యలో అమర్చగల గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య 8.

(iii) లోపలి కర్పరాలు నిండినంత వరకు ఇచ్చిన కర్పరంలో ఎలక్ట్రాన్లు అమర్చబడవు. అంటే, కర్పరాలు దశలవారీగా నింపబడతాయి.

మొదటి పద్దెనిమిది మూలకాల పరమాణు నిర్మాణం Fig. 4.4లో స్కీమాటిక్గా చూపబడింది. మొదటి పద్దెనిమిది మూలకాల పరమాణువుల కూర్పు Table 4.1లో ఇవ్వబడింది.

కార్యకలాపం 4.2

• మొదటి పద్దెనిమిది మూలకాల ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసాన్ని ప్రదర్శించే స్థిర పరమాణు నమూనాను తయారు చేయండి.

• మొదటి పద్దెనిమిది మూలకాల పరమాణువుల