“विविध मूलद्रव्यांच्या रासायनिक वर्तनाची समृद्ध विविधता या मूलद्र्रव्यांच्या अणूंच्या अंतर्गत रचनेतील फरकांमुळे आहे.”

अणूंचे अस्तित्व प्राचीन भारतीय आणि ग्रीक तत्त्ववेत्त्यांच्या काळापासून (इ.स.पू. ४००) सुचवले गेले आहे, ज्यांच्या मते अणू हे द्रव्याचे मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक्स आहेत. त्यांच्या मते, द्रव्याचे सतत विभाजन करत गेल्यास शेवटी अणू मिळतील जे पुढे विभाजित करता येणार नाहीत. ‘अणू’ हा शब्द ग्रीक शब्द ‘अ-टोमिओ’ यातून आला आहे ज्याचा अर्थ ‘कापता न येणारे’ किंवा ‘विभाजित न होणारे’ असा होतो. ही पूर्वीची कल्पना केवळ अटकळ होत्या आणि त्यांची प्रायोगिकरित्या चाचणी घेण्याचा कोणताही मार्ग नव्हता. ही कल्पना बराच काळ निष्क्रिय राहिली आणि एकोणिसाव्या शतकात शास्त्रज्ञांनी पुन्हा ती जागृत केली.

द्रव्याचे अणुसिद्धांत प्रथम १८०८ मध्ये ब्रिटिश शाळा शिक्षक जॉन डाल्टन यांनी एका दृढ वैज्ञानिक आधारावर मांडले. त्यांचा सिद्धांत, ज्याला डाल्टनचा अणुसिद्धांत म्हणतात, त्याने अणूला द्रव्याचा अंतिम कण मानले (युनिट १). डाल्टनचा अणुसिद्धांत वस्तुमानाच्या संवर्धनाचा नियम, स्थिर संघटनेचा नियम आणि गुणोत्तरांच्या बहुविधतेचा नियम यांचे यशस्वीरित्या स्पष्टीकरण देऊ शकला. तथापि, त्याने अनेक प्रयोगांच्या निकालांचे स्पष्टीकरण दिले नाही, उदाहरणार्थ, हे माहित होते की रेशीम किंवा फरसोटीने घासल्यावा काच किंवा एबोनाइटसारखे पदार्थ विद्युतभारित होतात.

या युनिटमध्ये आपण एकोणिसाव्या शतकाच्या शेवटी आणि विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला शास्त्रज्ञांनी केलेल्या प्रायोगिक निरीक्षणांपासून सुरुवात करतो. यामुळे हे स्थापित झाले की अणू उप-अणु कणांपासून बनलेले आहेत, म्हणजे इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन - ही संकल्पना डाल्टनच्या संकल्पनेपेक्षा अगदी वेगळी आहे.

२.१ उप-अणु कणांचा शोध

वायूंमधून विद्युत प्रवाहाच्या प्रयोगांमधून अणूच्या रचनेबद्दल अंतर्दृष्टी मिळाली. आपण या निकालांची चर्चा करण्यापूर्वी, आपल्याला भारित कणांच्या वर्तनाशी संबंधित एक मूलभूत नियम लक्षात ठेवणे आवश्यक आहे: “समान भार एकमेकांना प्रतिकर्षित करतात आणि भिन्न भार एकमेकांना आकर्षित करतात”.

२.१.१ इलेक्ट्रॉनचा शोध

१८३० मध्ये, मायकेल फॅरडेने दाखवून दिले की जर विद्युतप्रवाह इलेक्ट्रोलाइटच्या द्रावणातून पार केला तर इलेक्ट्रोडवर रासायनिक अभिक्रिया घडतात, ज्यामुळे इलेक्ट्रोडवर द्रव्याचे मुक्त होणे आणि जमा होणे होते. त्यांनी काही नियम तयार केले जे तुम्ही इयत्ता बारावीत अभ्यासाल. या निकालांनी विद्युतचे कणिक स्वरूप सुचवले.

१८५० च्या मध्यात बऱ्याच शास्त्रज्ञांनी, प्रामुख्याने फॅरडेने, आंशिकरित्या रिकाम्या केलेल्या नलिकांमधील विद्युत प्रवाहाचा अभ्यास सुरू केला, ज्याला कॅथोड किरण विसर्जन नलिका म्हणतात. हे आकृती २.१ मध्ये दाखवले आहे. कॅथोड किरण नलिका काचेपासून बनवलेली असते ज्यामध्ये धातूचे दोन पातळ तुकडे, ज्यांना इलेक्ट्रोड म्हणतात, बंदिस्त केलेले असतात. वायूंमधून विद्युत प्रवाह फक्त अतिशय कमी दाब आणि अतिशय उच्च व्होल्टेजवरच पाहता येतो. वेगवेगळ्या वायूंचा दाब काचेच्या नलिका रिकाम्या करून समायोजित करता येतो. जेव्हा इलेक्ट्रोडवर पुरेसे उच्च व्होल्टेज लागू केले जाते, तेव्हा ऋण इलेक्ट्रोड (कॅथोड) पासून धन इलेक्ट्रोड (ॲनोड) पर्यंत नलिकेत फिरणाऱ्या कणांच्या प्रवाहातून विद्युतप्रवाह वाहू लागतो. यांना कॅथोड किरण किंवा कॅथोड किरण कण म्हणतात. कॅथोडपासून ॲनोडपर्यंतच्या विद्युतप्रवाहाची पुढील तपासणी ॲनोडमध्ये एक छिद्र करून आणि ॲनोडच्या मागे नलिकेवर फॉस्फोरेसेंट पदार्थ जिंक सल्फाइडचे लेपन करून केली गेली. जेव्हा हे किरण, ॲनोडमधून जाऊन, जिंक सल्फाइड लेपनावर आदळतात, तेव्हा लेपनावर एक तेजस्वी ठिपका तयार होतो [आकृती २.१(b)].

आकृती २.१(b) छिद्रित ॲनोड असलेली कॅथोड किरण विसर्जन नलिका

या प्रयोगांचे निकाल खालीलप्रमाणे सारांशित केले आहेत.

(i) कॅथोड किरण कॅथोडपासून सुरू होतात आणि ॲनोडकडे जातात.

(ii) हे किरण स्वतः दृश्यमान नसतात परंतु त्यांचे वर्तन काही प्रकारच्या पदार्थांच्या (फ्लोरोसेंट किंवा फॉस्फोरेसेंट) मदतीने पाहता येते जे त्यांच्यावर आदळल्यावर चमकतात. टेलिव्हिजन पिक्चर ट्यूब्स कॅथोड किरण नलिका असतात आणि टेलिव्हिजन स्क्रीनवर काही फ्लोरोसेंट किंवा फॉस्फोरेसेंट पदार्थांचे लेपन केलेले असल्यामुळे टेलिव्हिजन चित्रे फ्लोरोसेंसमुळे तयार होतात.

(iii) विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राच्या अनुपस्थितीत, हे किरण सरळ रेषांमध्ये प्रवास करतात (आकृती २.२).

(iv) विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत, कॅथोड किरणांचे वर्तन ऋणभारित कणांपासून अपेक्षित असलेल्या वर्तनासारखेच असते, यावरून असे सुचवले जाते की कॅथोड किरण ऋणभारित कणांनी बनलेले आहेत, ज्यांना इलेक्ट्रॉन म्हणतात.

(v) कॅथोड किरणांची (इलेक्ट्रॉनची) वैशिष्ट्ये इलेक्ट्रोडच्या सामग्रीवर आणि कॅथोड किरण नलिकेत उपस्थित वायूच्या स्वरूपावर अवलंबून नसतात.

अशाप्रकारे, आपण असा निष्कर्ष काढू शकतो की इलेक्ट्रॉन सर्व अणूंचे मूलभूत घटक आहेत.

२.१.२ इलेक्ट्रॉनचे द्रव्यमानाचे गुणोत्तर

१८९७ मध्ये, ब्रिटिश भौतिकशास्त्रज्ञ जे.जे. थॉमसन यांनी कॅथोड किरण नलिका वापरून आणि विद्युत आणि चुंबकीय क्षेत्र एकमेकांना लंब तसेच इलेक्ट्रॉनच्या मार्गाला लंब लागू करून विद्युत भार आणि इलेक्ट्रॉनच्या द्रव्यमानाचे गुणोत्तर मोजले (आकृती २.२). जेव्हा फक्त विद्युत क्षेत्र लागू केले जाते, तेव्हा इलेक्ट्रॉन त्यांच्या मार्गातून विचलित होतात आणि कॅथोड किरण नलिकेवर बिंदू A वर आदळतात (आकृती २.२). त्याचप्रमाणे जेव्हा फक्त चुंबकीय क्षेत्र लागू केले जाते, तेव्हा इलेक्ट्रॉन कॅथोड किरण नलिकेवर बिंदू वर आदळतात. विद्युत आणि चुंबकीय क्षेत्र शक्ती काळजीपूर्वक संतुलित करून, इलेक्ट्रॉनला त्या मार्गावर परत आणणे शक्य आहे जो विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राच्या अनुपस्थितीत अनुसरण केला जातो आणि ते पडद्यावर बिंदू B वर आदळतात. थॉमसन यांनी युक्तिवाद केला की विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत कणांच्या मार्गातून होणारे विचलनाचे प्रमाण खालील गोष्टींवर अवलंबून असते:

(i) कणावरील ऋण भाराची तीव्रता, कणावरील भाराची तीव्रता जितकी जास्त तितकी विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राशी परस्परक्रिया जास्त आणि त्यामुळे विचलन जास्त.

(ii) कणाचे द्रव्यमान - कण जितका हलका तितके विचलन जास्त.

(iii) विद्युत किंवा चुंबकीय क्षेत्राची ताकद - इलेक्ट्रोडवरील व्होल्टेज वाढल्यास, किंवा चुंबकीय क्षेत्राची ताकद वाढल्यास, इलेक्ट्रॉनचे त्याच्या मूळ मार्गापासून विचलन वाढते.

विद्युत क्षेत्र शक्ती किंवा चुंबकीय क्षेत्र शक्तीवर इलेक्ट्रॉनद्वारे पाहिलेल्या विचलनाच्या प्रमाणावर अचूक मोजमाप करून, थॉमसन चे मूल्य खालीलप्रमाणे निश्चित करू शकले:

जेथे हे मधील इलेक्ट्रॉनचे द्रव्यमान आहे आणि हे कूलॉम्ब (C) मधील इलेक्ट्रॉनवरील भाराची तीव्रता आहे. इलेक्ट्रॉन ऋणभारित असल्यामुळे, इलेक्ट्रॉनवरील भार आहे.

२.१.३ इलेक्ट्रॉनवरील भार

आर.ए. मिलिकन (१८६८-१९५३) यांनी तेलाच्या थेंब प्रयोग (१९०६-१४) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या पद्धतीचा शोध लावला, इलेक्ट्रॉनवरील भार निश्चित करण्यासाठी. त्यांना इलेक्ट्रॉनवरील भार आढळला. विद्युत भाराचे सध्याचे स्वीकृत मूल्य आहे. इलेक्ट्रॉनचे द्रव्यमान हे थॉमसनच्या गुणोत्तराच्या मूल्यासह हे निकाल एकत्र करून निश्चित केले गेले.

<img src=" width=“400px”>

आकृती २.२ इलेक्ट्रॉनचे द्रव्यमानाचे गुणोत्तर निश्चित करण्यासाठीचे उपकरण

२.१.४ प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनचा शोध

सुधारित कॅथोड किरण नलिकेत केलेल्या विद्युत प्रवाहामुळे धनभारित कण वाहून नेणाऱ्या कालवा किरणांचा शोध लागला. या धनभारित कणांची वैशिष्ट्ये खालीलप्रमाणे सूचीबद्ध केली आहेत.

(i) कॅथोड किरणांप्रमाणे नाही, धनभारित कणांचे द्रव्यमान कॅथोड किरण नलिकेत उपस्थित वायूच्या स्वरूपावर अवलंबून असते. हे फक्त धनभारित वायू आयन आहेत.

(ii) कणांचे द्रव्यमानाचे गुणोत्तर या कोणत्या वायूपासून उत्पन्न झाले आहेत यावर अवलंबून असते.

(iii) काही धनभारित कण विद्युत भाराच्या मूलभूत एककाचा गुणाकार वाहून नेतात.

(iv) चुंबकीय किंवा विद्युत क्षेत्रात या कणांचे वर्तन इलेक्ट्रॉन किंवा कॅथोड किरणांसाठी पाहिलेल्या वर्तनाच्या विरुद्ध असते.

हायड्रोजनपासून सर्वात लहान आणि हलका धन आयन मिळाला आणि त्याला प्रोटॉन म्हणतात. या धनभारित कणाचे वर्णन १९१९ मध्ये केले गेले. नंतर, अणूच्या घटकांपैकी एक म्हणून विद्युतदृष्ट्या तटस्थ कणाच्या उपस्थितीची गरज भासू लागली. हे कण चॅडविक (१९३२) यांनी बेरिलियमची पातळ पत्री -कणांनी बॉम्बार्ड करून शोधले. जेव्हा प्रोटॉनपेक्षा किंचित जास्त द्रव्यमान असलेले विद्युतदृष्ट्या तटस्थ कण उत्सर्जित केले गेले. त्यांनी या कणांना न्यूट्रॉन असे नाव दिले. या सर्व मूलभूत कणांची महत्त्वाची गुणधर्म सारणी २.१ मध्ये दिली आहेत.

मिलिकनची तेलाच्या थेंब पद्धत

या पद्धतीमध्ये, अणुसंचेरद्वारे तयार केलेले धुके स्वरूपातील तेलाचे थेंब, विद्युत कंडेन्सरच्या वरच्या प्लेटमधील एका लहान छिद्रातून प्रवेश करू दिले गेले. या थेंबांची खालच्या दिशेने हालचाल दुर्बिणीतून पाहण्यात आली, ज्यामध्ये मायक्रोमीटर आयपीस होता. या थेंबांच्या पडण्याचा दर मोजून, मिलिकन तेलाच्या थेंबांचे द्रव्यमान मोजू शकले. कक्षेतील हवा -किरणांचा किरण त्यातून पाठवून आयनीकृत केली गेली. या तेलाच्या थेंबांवरील विद्युत भार वायू आयनांशी टक्कर होऊन प्राप्त झाला. या भारित तेलाच्या थेंबांचे पडणे थेंबांवरील भार आणि प्लेटवर लागू केलेल्या व्होल्टेजची ध्रुवीयता आणि ताकद यावर अवलंबून मंद केले जाऊ शकते, गती वाढवली जाऊ शकते किंवा स्थिर केले जाऊ शकते. तेलाच्या थेंबांच्या हालचालीवर विद्युत क्षेत्र शक्तीचे प्रभाव काळजीपूर्वक मोजून, मिलिकन यांनी असा निष्कर्ष काढला की तेलाच्या थेंबांवरील विद्युत भाराची तीव्रता, , नेहमीच विद्युत भाराचा, , म्हणजेच, , जेथे , अविभाज्य गुणाकार असते.

<img src=" width=“400px”>

आकृती २.३ भार ’e’ मोजण्यासाठी मिलिकन तेलाच्या थेंब उपकरण. कक्षेत, तेलाच्या थेंबावर कार्य करणारी शक्ती आहेत: गुरुत्वाकर्षण, विद्युत क्षेत्रामुळे इलेक्ट्रोस्टॅटिक आणि तेलाचा थेंब हलत असताना एक चिकट ड्रॅग फोर्स.

२.२ अणु आकृतिबंध

मागील विभागांमध्ये नमूद केलेल्या प्रयोगांमधून मिळालेल्या निरीक्षणांनी असे सुचवले आहे की डाल्टनचा अविभाज्य अणू धन आणि ऋण भार वाहून नेणाऱ्या उप-अणु कणांपासून बनलेला आहे. उप-अणु कणांच्या शोधानंतर शास्त्रज्ञांसमोरील मुख्य समस्या होत्या:

• अणूची स्थिरता स्पष्ट करणे,

• भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म या दोन्ही बाबतीत मूलद्रव्यांच्या वर्तनाची तुलना करणे,

• वेगवेगळ्या अणूंच्या संयोगाने वेगवेगळ्या प्रकारचे रेणू तयार होणे स्पष्ट करणे आणि,

• अणूंद्वारे शोषली किंवा उत्सर्जित केलेल्या विद्युतचुंबकीय प्रारणांच्या वैशिष्ट्यांची उत्पत्ती आणि स्वरूप समजून घेणे.

सारणी २.१ मूलभूत कणांचे गुणधर्म

या भारित कणांचे अणूमध्ये वितरण स्पष्ट करण्यासाठी वेगवेगळे अणु आकृतिबंध सुचवले गेले. जरी यापैकी काही आकृतिबंध अणूंची स्थिरता स्पष्ट करू शकले नाहीत, तरी यापैकी दोन आकृतिबंध, एक जे.जे. थॉमसन यांनी सुचवलेला आणि दुसरा अर्नेस्ट रदरफोर्ड यांनी सुचवलेला, यांची खाली चर्चा केली आहे.

२.२.१ अणूचा थॉमसन आकृतिबंध

जे. जे. थॉमसन यांनी, १८९८ मध्ये, असे प्रस्तावित केले की अणूमध्ये गोलाकार आकार असतो (त्रिज्या अंदाजे ) ज्यामध्ये धन भार एकसमानपणे वितरित केला जातो. इलेक्ट्रॉन त्यात अशा प्रकारे बसवले जातात की सर्वात स्थिर इलेक्ट्रोस्टॅटिक व्यवस्था मिळते (आकृती २.४). या आकृतिबंधाला अनेक वेगवेगळी नावे दिली जातात, उदाहरणार्थ, प्लम पुडिंग, मनुका पुडिंग किंवा टरबूज.

<img src=" width=“400px”>

आकृती २.४ अणूचा थॉमसन आकृतिबंध

या आकृतिबंधाची कल्पना धन भाराचे पुडिंग किंवा टरबूज म्हणून केली जाऊ शकते ज्यामध्ये मनुके किंवा बिया (इलेक्ट्रॉन) बसवलेले आहेत. या आकृतिबंधाचे एक महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे अणूचे द्रव्यमान अणूवर एकसमानपणे वितरित केले गेले आहे असे गृहीत धरले जाते. जरी हा आकृतिबंध अणूची एकूण तटस्थता स्पष्ट करू शकला, परंतु तो नंतरच्या प्रयोगांच्या निकालांशी सुसंगत नव्हता. वायूंद्वारे विद्युत वहनावरील त्यांच्या सैद्धांतिक आणि प्रायोगिक तपासणीसाठी थॉमसन यांना १९०६ मध्ये भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक देण्यात आले.

एकोणिसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात, आधी नमूद केलेल्यांशिवाय वेगवेगळ्या प्रकारच्या किरणांचा शोध लागला. विल्हेम रॉन्टजेन (१८४५-१९२३) यांनी १८९५ मध्ये दाखवून दिले की जेव्हा इलेक्ट्रॉन कॅथोड किरण नलिकांमधील सामग्रीवर आदळतात, तेव्हा असे किरण तयार होतात जे कॅथोड किरण नलिकांच्या बाहेर ठेवलेल्या फ्लोरोसेंट पदार्थांमध्ये फ्लोरोसेंस निर्माण करू शकतात. रॉन्टजेनला प्रारणाचे स्वरूप माहित नसल्यामुळे, त्यांनी त्यांना -किरण असे नाव दिले आणि हे नाव अजूनही चालू आहे. हे लक्षात आले की जेव्हा इलेक्ट्रॉन दाट धातूच्या ॲनोडवर, ज्याला लक्ष्य म्हणतात, आदळतात तेव्हा एक्स-किरण प्रभावीपणे तयार होतात. हे विद्युत आणि चुंबकीय क्षेत्रांद्वारे विक्षेपित होत नाहीत आणि द्रव्यातून जाण्याची खूप जास्त भेदक शक्ती असते आणि त्यामुळेच वस्तूंच्या आतील भागाचा अभ्यास करण्यासाठी या किरणांचा वापर केला जातो. या किरणांची तरंगलांबी खूपच लहान असते आणि त्यांच्यात विद्युतचुंबकीय वैशिष्ट्य असते (विभाग २.३.१).

हेन्री बेकरेल (१८५२-१९०८) यांनी पाहिले की काही मूलद्रव्ये आहेत जी स्वतःच प्रारण उत्सर्जित करतात आणि या घटनेला किरणोत्सर्ग असे नाव दिले आणि मूलद्रव्यांना किरणोत्सर्गी मूलद्रव्ये म्हणून ओळखले जाते. हे क्षेत्र मेरी क्युरी, पियरे क्युरी, रदरफोर्ड आणि फ्रेडरिक सॉडी यांनी विकसित केले. हे पाहिले गेले की तीन प्रकारचे किरण म्हणजे आणि -किरण उत्सर्जित केले जातात. रदरफोर्ड यांना आढळले की -किरण दोन एकक धन भार आणि चार एकक अणु द्रव्यमान वाहून नेणाऱ्या उच्च ऊर्जा कणांपासून बनलेले आहेत. त्यांनी असा निष्कर्ष काढला की - कण हेलियम केंद्रक आहेत कारण जेव्हा कण दोन इलेक्ट्रॉनसह एकत्रित होतात तेव्हा हेलियम वायू तयार होतो. -किरण ऋणभारित आहेत इलेक्ट्रॉनसारखेच कण. -किरण हे एक्स-किरणांसारखे उच्च ऊर्जा प्रारण आहेत, स्वभावाने तटस्थ आहेत आणि कणांपासून बनलेले नाहीत. भेदक शक्तीच्या बाबतीत, -कण सर्वात कमी, त्यानंतर -किरण (-कणांच्या १०० पट) आणि -किरण (-कणांच्या १००० पट) असतात.

२.२.२ अणूचा रदरफोर्डचा केंद्रकीय आकृतिबंध

रदरफोर्ड आणि त्यांचे विद्यार्थी (हान्स गीगर आणि अर्नेस्ट मार्सडेन) यांनी अतिशय पातळ सोन्याच्या पत्र्यावर -कणांचा मुसळधार पाऊस केला. रदरफोर्डचा प्रसिद्ध -कण विकिरण प्रयोग आकृती २.५ मध्ये दर्शविला आहे. किरणोत्सर्गी स्रोतापासून उच्च ऊर्जेच्या -कणांचा प्रवाह सोन्याच्या धातूच्या पातळ पत्र्यावर (जाडी ) निर्देशित केला गेला. पातळ सोन्याच्या पत्र्याभोवती गोलाकार फ्लोरोसेंट जिंक सल्फाइड पडदा होता. जेव्हाही -कण पडद्यावर आ