“વિવિધ તત્વોની રાસાયણિક વર્તણૂંકની સમૃદ્ધ વૈવિધ્યતાને આ તત્વોના પરમાણુઓની આંતરિક રચનામાં તફાવતો સુધી શોધી શકાય છે.”

પરમાણુઓનું અસ્તિત્વ પ્રારંભિક ભારતીય અને ગ્રીક દાર્શનિકો (400 બી.સી.)ના સમયથી સૂચવવામાં આવ્યું હતું, જેમનો મત હતો કે પરમાણુઓ પદાર્થના મૂળભૂત બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ છે. તેમના મતે, પદાર્થના સતત વિભાજનો આખરે પરમાણુઓ ઉત્પન્ન કરશે જે વધુ વિભાજિત થઈ શકશે નહીં. ‘પરમાણુ’ શબ્દ ગ્રીક શબ્દ ‘એ-ટોમિઓ’ પરથી ઉતરી આવ્યો છે જેનો અર્થ ‘કાપી ન શકાય તેવું’ અથવા ‘અવિભાજ્ય’ થાય છે. આ પ્રારંભિક વિચારો માત્ર અટકળો હતા અને તેમની પ્રાયોગિક રીતે ચકાસણી કરવાનો કોઈ રસ્તો નહોતો. આ વિચારો ખૂબ લાંબા સમય સુધી નિષ્ક્રિય રહ્યા અને તેને ઓગણીસમી સદીમાં વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા ફરીથી પુનર્જીવિત કરવામાં આવ્યા.

પદાર્થનો પરમાણુ સિદ્ધાંત પ્રથમ વખત 1808માં એક બ્રિટિશ શાળા શિક્ષક જ્હોન ડાલ્ટન દ્વારા મજબૂત વૈજ્ઞાનિક આધાર પર રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. તેમનો સિદ્ધાંત, જેને ડાલ્ટનનો પરમાણુ સિદ્ધાંત કહેવામાં આવે છે, પરમાણુને પદાર્થનો અંતિમ કણ ગણતો હતો (એકમ 1). ડાલ્ટનનો પરમાણુ સિદ્ધાંત સમૂહના સંરક્ષણના નિયમ, સ્થિર રચના નિયમ અને ગુણોત્તરના નિયમને ખૂબ સફળતાપૂર્વક સમજાવવામાં સક્ષમ હતો. જો કે, તે ઘણા પ્રયોગોના પરિણામો સમજાવવામાં નિષ્ફળ રહ્યો, ઉદાહરણ તરીકે, તે જાણીતું હતું કે કાચ અથવા ઇબોનાઇટ જેવા પદાર્થો જ્યારે રેશમ અથવા ફર સાથે ઘસવામાં આવે છે ત્યારે વિદ્યુતભારિત થાય છે.

આ એકમમાં આપણે ઓગણીસમી સદીના અંત અને વીસમી સદીની શરૂઆતમાં વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા કરવામાં આવેલા પ્રાયોગિક અવલોકનોથી શરૂઆત કરીએ છીએ. આથી સ્થાપિત થયું કે પરમાણુઓ ઉપ-પરમાણુ કણોથી બનેલા છે, એટલે કે, ઇલેક્ટ્રોન, પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન - ડાલ્ટનના સિદ્ધાંતથી ખૂબ જ અલગ એવો ખ્યાલ.

2.1 ઉપ-પરમાણુ કણોની શોધ

પરમાણુની રચનાની સમજ વાયુઓમાં વિદ્યુત ડિસ્ચાર્જ પરના પ્રયોગોમાંથી મળી હતી. આપણે આ પરિણામોની ચર્ચા કરીએ તે પહેલાં, ચાર્જ કરેલા કણોની વર્તણૂંક વિશેનો મૂળભૂત નિયમ ધ્યાનમાં રાખવાની જરૂર છે: “સમાન ચાર્જ એકબીજાને અપાકર્ષે છે અને અસમાન ચાર્જ એકબીજાને આકર્ષે છે”.

2.1.1 ઇલેક્ટ્રોનની શોધ

1830માં, માઇકલ ફેરાડેએ બતાવ્યું કે જો વિદ્યુતધ્રુવીયના દ્રાવણમાંથી વિદ્યુત પસાર કરવામાં આવે છે, તો ઇલેક્ટ્રોડ પર રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ થાય છે, જેના પરિણામે ઇલેક્ટ્રોડ પર પદાર્થનું મુક્ત થવું અને જમા થવું થાય છે. તેમણે કેટલાક નિયમો ઘડ્યા જેનો તમે કક્ષા XIIમાં અભ્યાસ કરશો. આ પરિણામોએ વિદ્યુતની કણીય પ્રકૃતિ સૂચવી.

1850ના દાયકાની મધ્યમાં ઘણા વૈજ્ઞાનિકો, મુખ્યત્વે ફેરાડેએ, આંશિક રીતે ખાલી કરેલી નળીઓમાં વિદ્યુત ડિસ્ચાર્જનો અભ્યાસ કરવાનું શરૂ કર્યું, જેને કેથોડ કિરણ ડિસ્ચાર્જ નળીઓ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેને ફિગ. 2.1 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. કેથોડ કિરણ નળી કાચની બનેલી હોય છે જેમાં બે પાતળા ધાતુના ટુકડાઓ હોય છે, જેને ઇલેક્ટ્રોડ કહેવામાં આવે છે, તેમાં સીલ કરવામાં આવે છે. વાયુઓમાં વિદ્યુત ડિસ્ચાર્જ ફક્ત ખૂબ જ ઓછા દબાણે અને ખૂબ જ ઊંચા વોલ્ટેજે જોઈ શકાય છે. વિવિધ વાયુઓનું દબાણ કાચની નળીઓને ખાલી કરીને સમાયોજિત કરી શકાય છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોડ પર પૂરતું ઊંચું વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ (કેથોડ)થી સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ (એનોડ) તરફ નળીમાં ફરતા કણોના પ્રવાહ દ્વારા વિદ્યુત પ્રવાહ વહેવાનું શરૂ થાય છે. તેમને કેથોડ કિરણો અથવા કેથોડ કિરણ કણો કહેવામાં આવતા હતા. કેથોડથી એનોડ સુધીના વિદ્યુત પ્રવાહને એનોડમાં છિદ્ર બનાવીને અને એનોડની પાછળની નળીને ફોસ્ફોરસન્ટ પદાર્થ ઝિંક સલ્ફાઇડથી લેપીને વધુ તપાસવામાં આવ્યો હતો. જ્યારે આ કિરણો, એનોડમાંથી પસાર થયા પછી, ઝિંક સલ્ફાઇડના લેપને અથડાય છે, ત્યારે લેપ પર એક તેજસ્વી ચિહ્ન વિકસિત થાય છે [ફિગ. 2.1(બી)].

ફિગ. 2.1(બી) છિદ્રિત એનોડ સાથેની કેથોડ કિરણ ડિસ્ચાર્જ નળી

આ પ્રયોગોના પરિણામો નીચે સારાંશ આપેલ છે.

(i) કેથોડ કિરણો કેથોડથી શરૂ થાય છે અને એનોડ તરફ આગળ વધે છે.

(ii) આ કિરણો પોતે જોઈ શકાય તેવા નથી પરંતુ તેમની વર્તણૂંક ચોક્કસ પ્રકારના પદાર્થો (ફ્લોરોસેન્ટ અથવા ફોસ્ફોરસન્ટ)ની મદદથી જોઈ શકાય છે જે તેમના દ્વારા અથડાય ત્યારે ચમકે છે. ટેલિવિઝન પિક્ચર નળીઓ કેથોડ કિરણ નળીઓ છે અને ટેલિવિઝનની સ્ક્રીન પર ચોક્કસ ફ્લોરોસેન્ટ અથવા ફોસ્ફોરસન્ટ પદાર્થોથી લેપવામાં આવે ત્યારે ફ્લોરોસન્સના કારણે ટેલિવિઝનની છબીઓ પરિણમે છે.

(iii) વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં, આ કિરણો સીધી રેખાઓમાં ફરે છે (ફિગ. 2.2).

(iv) વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં, કેથોડ કિરણોની વર્તણૂંક નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલા કણોમાંથી અપેક્ષિત જેવી જ હોય છે, જે સૂચવે છે કે કેથોડ કિરણોમાં નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલા કણો હોય છે, જેને ઇલેક્ટ્રોન કહેવામાં આવે છે.

(v) કેથોડ કિરણો (ઇલેક્ટ્રોન)ની લાક્ષણિકતાઓ ઇલેક્ટ્રોડના પદાર્થ અને કેથોડ કિરણ નળીમાં હાજર વાયુની પ્રકૃતિ પર આધારિત નથી.

આમ, આપણે નિષ્કર્ષ પર આવી શકીએ કે ઇલેક્ટ્રોન બધા પરમાણુઓના મૂળભૂત ઘટક છે.

2.1.2 ઇલેક્ટ્રોનનો ચાર્જ-થી-દળ ગુણોત્તર

1897માં, બ્રિટિશ ભૌતિકશાસ્ત્રી જે.જે. થોમસને કેથોડ કિરણ નળીનો ઉપયોગ કરીને અને વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્રને એકબીજાને અને ઇલેક્ટ્રોનના માર્ગને લંબરૂપે લાગુ કરીને ઇલેક્ટ્રિકલ ચાર્જ $(e)$ અને ઇલેક્ટ્રોનના દળ $\left(m_{e}\right)$ નો ગુણોત્તર માપ્યો (ફિગ. 2.2). જ્યારે ફક્ત વિદ્યુત ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન તેમના માર્ગથી વિચલિત થાય છે અને કેથોડ કિરણ નળીને બિંદુ A પર અથડાય છે (ફિગ. 2.2). તે જ રીતે જ્યારે ફક્ત ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન કેથોડ કિરણ નળીને બિંદુ $\mathrm{C}$ પર અથડાય છે. વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાતને કાળજીપૂર્વક સંતુલિત કરીને, ઇલેક્ટ્રોનને તે માર્ગ પર પાછા લાવવું શક્ય છે જે વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં અનુસરવામાં આવે છે અને તેઓ સ્ક્રીનને બિંદુ B પર અથડાય છે. થોમસનો દલીલ કર્યો હતો કે વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં કણોના માર્ગથી વિચલનની માત્રા આના પર આધારિત છે:

(i) કણ પરના નકારાત્મક ચાર્જની તીવ્રતા, કણ પરના ચાર્જની તીવ્રતા જેટલી વધારે હોય, તેટલી વધારે વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને આમ વધુ વળાંક.

(ii) કણનું દળ - કણ જેટલો હલકો હોય, વળાંક તેટલો વધારે.

(iii) વિદ્યુત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાત - ઇલેક્ટ્રોડ પરના વોલ્ટેજમાં વધારો, અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાતમાં વધારો સાથે ઇલેક્ટ્રોનનું તેના મૂળ માર્ગથી વિચલન વધે છે.

વિદ્યુત ક્ષેત્રની તાકાત અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રની તાકાત દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન પર જોવા મળેલા વિચલનોની માત્રા પર સચોટ માપન કરીને, થોમસન $e / m_{\mathrm{e}}$ ની કિંમત નક્કી કરવામાં સક્ષમ હતા:

$\frac{e}{m_{e}}=1.758820 \times 10^{11} \mathrm{C} \mathrm{kg}^{-1}$

જ્યાં $m_{\mathrm{e}}$ એ $\mathrm{kg}$ માં ઇલેક્ટ્રોનનું દળ છે અને $e$ એ કુલંબ (C) માં ઇલેક્ટ્રોન પરના ચાર્જની તીવ્રતા છે. ઇલેક્ટ્રોન નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલા હોવાથી, ઇલેક્ટ્રોન પરનો ચાર્જ $-e$ છે.

2.1.3 ઇલેક્ટ્રોન પરનો ચાર્જ

આર.એ. મિલિકન (1868-1953) ઇલેક્ટ્રોન પરના ચાર્જને નક્કી કરવા માટે તેલ બિંદુ પ્રયોગ (1906-14) તરીકે ઓળખાતી પદ્ધતિ શોધી. તેમણે ઇલેક્ટ્રોન પરનો ચાર્જ $-1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ જોવા મળ્યો. વિદ્યુત ચાર્જની હાલની સ્વીકૃત કિંમત $-1.602176 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ છે. ઇલેક્ટ્રોનનું દળ $\left(m_{\mathrm{e}}\right)$ આ પરિણામોને થોમસનના $e / m_{e}$ ગુણોત્તરના મૂલ્ય સાથે જોડીને નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું.

$$ \begin{aligned} \mathrm{m}_e & =\frac{e}{e / \mathrm{m}_e}=\frac{1.602176 \times 10^{-19} \mathrm{C}}{1.758820 \times 10^{11} \mathrm{C} \mathrm{~kg}^{-1}} \\ \end{aligned} $$

$$ \begin{align*} & =9.1094 \times 10^{-31} \mathrm{~kg} \tag{2.2} \end{align*} $$

ફિગ. 2.2 ઇલેક્ટ્રોનના ચાર્જ-થી-દળ ગુણોત્તર નક્કી કરવા માટેનું સાધન

2.1.4 પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનની શોધ

સુધારેલી કેથોડ કિરણ નળીમાં કરવામાં આવેલા વિદ્યુત ડિસ્ચાર્જથી સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા કણો લઈ જતા કેનાલ કિરણોની શોધ થઈ. આ સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા કણોની લાક્ષણિકતાઓ નીચે સૂચિબદ્ધ છે.

(i) કેથોડ કિરણોથી વિપરીત, સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા કણોનું દળ કેથોડ કિરણ નળીમાં હાજર વાયુની પ્રકૃતિ પર આધારિત છે. આ ફક્ત સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા વાયુઓના આયનો છે.

(ii) કણોનો ચાર્જ-થી-દળ ગુણોત્તર તે વાયુ પર આધારિત છે જેમાંથી આ ઉદ્ભવે છે.

(iii) કેટલાક સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા કણો વિદ્યુત ચાર્જના મૂળભૂત એકમના ગુણાંક ધરાવે છે.

(iv) ચુંબકીય અથવા વિદ્યુત ક્ષેત્રમાં આ કણોની વર્તણૂંક ઇલેક્ટ્રોન અથવા કેથોડ કિરણો માટે જોવા મળેલી વર્તણૂંકથી વિરુદ્ધ છે.

સૌથી નાનો અને હલકો સકારાત્મક આયન હાઇડ્રોજનમાંથી મળ્યો હતો અને તેને પ્રોટોન કહેવામાં આવતો હતો. આ સકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા કણને 1919માં વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યા હતા. પછીથી, પરમાણુના ઘટક તરીકે વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ કણની હાજરીની જરૂરિયાત અનુભવાઈ. આ કણો ચેડવિક (1932) દ્વારા બેરિલિયમની પાતળી શીટને $\alpha$-કણો દ્વારા બોમ્બાર્ડ કરીને શોધવામાં આવ્યા હતા. જ્યારે પ્રોટોન કરતાં સહેજ વધુ દળ ધરાવતા વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ કણો ઉત્સર્જિત થયા હતા. તેમણે આ કણોને ન્યુટ્રોન નામ આપ્યું. આ બધા મૂળભૂત કણોના મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મો કોષ્ટક 2.1 માં આપવામાં આવ્યા છે.

મિલિકનની તેલ બિંદુ પદ્ધતિ

આ પદ્ધતિમાં, એટોમાઇઝર દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલા ધુમ્મસના રૂપમાં તેલના બિંદુઓને વિદ્યુત કંડેન્સરની ઉપરની પ્લેટમાં નાના છિદ્ર દ્વારા પ્રવેશવાની મંજૂરી આપવામાં આવી હતી. આ બિંદુઓની નીચેની ગતિને માઇક્રોમીટર આંખના ટુકડા સાથે સજ્જ દૂરબીન દ્વારા જોઈ શકાય છે. આ બિંદુઓના પડવાના દરને માપીને, મિલિકન તેલના બિંદુઓના દળને માપવામાં સક્ષમ હતા. ચેમ્બરની અંદરની હવા $\mathrm{X}$-કિરણોનો કિરણ પસાર કરીને આયનિત કરવામાં આવી હતી. આ તેલના બિંદુઓ પરનો વિદ્યુત ચાર્જ વાયુઓના આયનો સાથે અથડામણ દ્વારા પ્રાપ્ત થયો હતો. આ ચાર્જ થયેલા તેલના બિંદુઓનો પડવો બિંદુઓ પરના ચાર્જ અને પ્લેટ પર લાગુ કરવામાં આવેલા વોલ્ટેજની ધ્રુવીયતા અને તાકાત પર આધારિત રીતે મંદ, પ્રવેગિત અથવા સ્થિર બનાવી શકાય છે. તેલના બિંદુઓની ગતિ પર વિદ્યુત ક્ષેત્રની તાકાતના અસરોને કાળજીપૂર્વક માપીને, મિલિકન એ નિષ્કર્ષ પર આવ્યા કે વિદ્યુત ચાર્જની તીવ્રતા, $q$, બિંદુઓ પર હંમેશા વિદ્યુત ચાર્જ, $\mathrm{e}$ નો અભિન્ન ગુણાંક હોય છે, એટલે કે, $q=n \mathrm{e}$, જ્યાં $\mathrm{n}=1,2,3 \ldots$.

ફિગ. 2.3 ચાર્જ ’e’ માપવા માટે મિલિકન તેલ બિંદુ સાધન. ચેમ્બરમાં, તેલ બિંદુ પર કાર્ય કરતા બળો છે: ગુરુત્વાકર્ષણ, વિદ્યુત ક્ષેત્રને કારણે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક અને જ્યારે તેલ બિંદુ ફરે છે ત્યારે શ્યાન ખેંચ બળ.

2.2 પરમાણુ મોડલ

પાછલા વિભાગોમાં ઉલ્લેખિત પ્રયોગોમાંથી મળેલા અવલોકનોએ સૂચવ્યું છે કે ડાલ્ટનનો અવિભાજ્ય પરમાણુ સકારાત્મક અને નકારાત્મક ચાર્જ ધરાવતા ઉપ-પરમાણુ કણોથી બનેલો છે. ઉપ-પરમાણુ કણોની શોધ પછી વૈજ્ઞાનિકો પહેલાંના મુખ્ય સમસ્યાઓ હતી:

• પરમાણુની સ્થિરતા માટે જવાબદાર,

• ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો બંનેની દ્રષ્ટિએ તત્વોની વર્તણૂંકની તુલના કરવા,

• વિવિધ પરમાણુઓના સંયોજન દ્વારા વિવિધ પ્રકારના અણુઓની રચના સમજાવવા અને,

• પરમાણુઓ દ્વારા શોષાયેલા અથવા ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનની લાક્ષણિકતાઓની ઉત્પત્તિ અને પ્રકૃતિ સમજવા.

કોષ્ટક 2.1 મૂળભૂત કણોના ગુણધર્મો

આ ચાર્જ થયેલા કણોનું વિતરણ પરમાણુમાં સમજાવવા માટે વિવિધ પરમાણુ મોડલોનો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો હતો. જોકે આમાંના કેટલાક મોડલો પરમાણુઓની સ્થિરતા સમજાવવામાં સક્ષમ ન હતા, આમાંના બે મોડલો, એક જે.જે. થોમસન દ્વારા અને બીજા અર્નેસ્ટ રધરફોર્ડ દ્વારા પ્રસ્તાવિત, નીચે ચર્ચા કરવામાં આવ્યા છે.

2.2.1 પરમાણુનો થોમસન મોડલ

જે. જે. થોમસને, 1898માં, પ્રસ્તાવ મૂક્યો કે પરમાણુ ગોળાકાર આકાર ધરાવે છે (ત્રિજ્યા અંદાજે $10^{-10} \mathrm{~m}$) જેમાં સકારાત્મક ચાર્જ સમાનરૂપે વિતરિત થયેલ છે. ઇલેક્ટ્રોન તે