“వివిధ మూలకాల రసాయన ప్రవర్తన యొక్క సంపన్న వైవిధ్యాన్ని ఆ మూలకాల పరమాణువుల అంతర్గత నిర్మాణంలోని తేడాలకు అనుసంధానించవచ్చు.”

పరమాణువుల ఉనికిని ప్రాచీన భారతీయ మరియు గ్రీకు తత్వవేత్తల (క్రీ.పూ. 400) కాలం నుండే ప్రతిపాదించారు, వారు పరమాణువులు పదార్థం యొక్క ప్రాథమిక నిర్మాణాత్మక బ్లాక్లు అనే దృష్టికోణాన్ని కలిగి ఉన్నారు. వారి ప్రకారం, పదార్థాన్ని నిరంతరం ఉపవిభజన చేస్తూ పోతే చివరికి పరమాణువులు లభిస్తాయి, అవి మరింత విభజించలేనివి. ‘అటమ్’ (పరమాణువు) అనే పదం గ్రీకు పదమైన ‘ఎ-టోమియో’ నుండి ఉద్భవించింది, దీని అర్థం ‘కత్తిరించలేనిది’ లేదా ‘విభజించలేనిది’. ఈ ప్రాచీన ఆలోచనలు కేవలం ఊహాగానాలు మాత్రమే మరియు వాటిని ప్రయోగాత్మకంగా పరీక్షించే మార్గం లేదు. ఈ ఆలోచనలు చాలా కాలం పాటు నిద్రాణస్థితిలో ఉండి, పండొమ్మిదవ శతాబ్దంలో శాస్త్రవేత్తలచే మళ్లీ పునరుజ్జీవింపబడ్డాయి.

పదార్థం యొక్క పరమాణు సిద్ధాంతాన్ని మొదటిసారిగా దృఢమైన శాస్త్రీయ ఆధారంపై 1808లో బ్రిటిష్ పాఠశా ఉపాధ్యాయుడు జాన్ డాల్టన్ ప్రతిపాదించారు. అతని సిద్ధాంతం, డాల్టన్ పరమాణు సిద్ధాంతం అని పిలువబడింది, పరమాణువును పదార్థం యొక్క అంతిమ కణంగా పరిగణించింది (యూనిట్ 1). డాల్టన్ పరమాణు సిద్ధాంతం ద్రవ్యరాశి నిత్యత్వ నియమం, స్థిరాంశ నియమం మరియు గుణకార నిష్పత్తి నియమాన్ని చాలా విజయవంతంగా వివరించగలిగింది. అయితే, ఇది అనేక ప్రయోగాల ఫలితాలను వివరించలేకపోయింది, ఉదాహరణకు, గాజు లేదా ఎబోనైట్ వంటి పదార్థాలు పట్టు లేదా ఫర్తో రుద్దినప్పుడు విద్యుత్ ఆవేశం పొందడం తెలిసింది.

ఈ యూనిట్లో మనం పండొమ్మిదవ శతాబ్దం చివర మరియు ఇరవయ్యవ శతాబ్దం ప్రారంభంలో శాస్త్రవేత్తలు చేసిన ప్రయోగాత్మక పరిశీలనలతో ప్రారంభిస్తాము. ఇవి పరమాణువులు ఉప-పరమాణు కణాలతో, అంటే ఎలక్ట్రాన్లు, ప్రోటాన్లు మరియు న్యూట్రాన్లతో తయారు చేయబడ్డాయని నిర్ధారించాయి - ఇది డాల్టన్ సిద్ధాంతం నుండి చాలా భిన్నమైన భావన.

2.1 ఉప-పరమాణు కణాల ఆవిష్కరణ

వాయువుల ద్వారా విద్యుత్ డిస్చార్జ్పై చేసిన ప్రయోగాల నుండి పరమాణు నిర్మాణం గురించి అంతర్దృష్టి లభించింది. ఈ ఫలితాలను చర్చించే ముందు, ఆవేశిత కణాల ప్రవర్తనకు సంబంధించిన ఒక ప్రాథమిక నియమాన్ని గుర్తుంచుకోవాలి: “సజాతి ఆవేశాలు ఒకదానికొకటి వికర్షిస్తాయి మరియు విజాతి ఆవేశాలు ఆకర్షిస్తాయి”.

2.1.1 ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ

1830లో, మైకేల్ ఫెరడే విద్యుత్తును ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రావణం ద్వారా పంపినట్లయితే, ఎలక్ట్రోడ్ల వద్ద రసాయన ప్రతిచర్యలు జరుగుతాయని చూపించాడు, ఇది ఎలక్ట్రోడ్ల వద్ద పదార్థం విముక్తి మరియు నిక్షేపణకు దారితీసింది. అతను కొన్ని నియమాలను రూపొందించాడు, వాటిని మీరు క్లాస్ XIIలో చదువుతారు. ఈ ఫలితాలు విద్యుత్ యొక్క కణ స్వభావాన్ని సూచించాయి.

1850ల మధ్యకాలంలో అనేక శాస్త్రవేత్తలు ప్రధానంగా ఫెరడే పాక్షికంగా ఖాళీ చేయబడిన ట్యూబ్లలో విద్యుత్ డిస్చార్జ్ అధ్యయనం ప్రారంభించారు, వీటిని కాథోడ్ రే డిస్చార్జ్ ట్యూబ్లు అంటారు. ఇది Fig. 2.1లో చూపబడింది. కాథోడ్ రే ట్యూబ్ గాజుతో తయారు చేయబడింది, దానిలో రెండు సన్నని లోహపు ముక్కలు, ఎలక్ట్రోడ్లు అని పిలుస్తారు, సీలు చేయబడి ఉంటాయి. వాయువుల ద్వారా విద్యుత్ డిస్చార్జ్ చాలా తక్కువ పీడనాల వద్ద మరియు చాలా ఎక్కువ వోల్టేజ్ల వద్ద మాత్రమే గమనించవచ్చు. వివిధ వాయువుల పీడనాన్ని గాజు ట్యూబ్లను ఖాళీ చేయడం ద్వారా సర్దుబాటు చేయవచ్చు. ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య తగినంత ఎక్కువ వోల్టేజ్ ప్రయోగించినప్పుడు, ప్రతికూల ఎలక్ట్రోడ్ (కాథోడ్) నుండి ధనాత్మక ఎలక్ట్రోడ్ (యానోడ్) వరకు ట్యూబ్లో కదులుతున్న కణాల ప్రవాహం ద్వారా కరెంట్ ప్రవహించడం ప్రారంభమవుతుంది. వీటిని కాథోడ్ కిరణాలు లేదా కాథోడ్ రే కణాలు అని పిలిచారు. కాథోడ్ నుండి యానోడ్కు కరెంట్ ప్రవాహం యానోడ్లో రంధ్రం చేసి, యానోడ్ వెనుక ట్యూబ్ను ఫాస్ఫోరసెంట్ పదార్థం జింక్ సల్ఫైడ్తో పూత పూయడం ద్వారా మరింత తనిఖీ చేయబడింది. ఈ కిరణాలు, యానోడ్ గుండా వెళ్ళిన తర్వాత, జింక్ సల్ఫైడ్ పూతను తాకినప్పుడు, పూతపై ప్రకాశవంతమైన చుక్క అభివృద్ధి చెందుతుంది [Fig. 2.1(b)].

Fig. 2.1(b) రంధ్రాలు ఉన్న యానోడ్తో కూడిన కాథోడ్ రే డిస్చార్జ్ ట్యూబ్

ఈ ప్రయోగాల ఫలితాలు క్రింద సంగ్రహించబడ్డాయి.

(i) కాథోడ్ కిరణాలు కాథోడ్ నుండి ప్రారంభమై యానోడ్ వైపు కదులుతాయి.

(ii) ఈ కిరణాలు స్వయంగా కనిపించవు కానీ కొన్ని రకాల పదార్థాల (ఫ్లోరోసెంట్ లేదా ఫాస్ఫోరసెంట్) సహాయంతో వాటి ప్రవర్తనను గమనించవచ్చు, అవి వాటితో తాకినప్పుడు ప్రకాశిస్తాయి. టెలివిజన్ పిక్చర్ ట్యూబ్లు కాథోడ్ రే ట్యూబ్లు మరియు టెలివిజన్ తెరపై కొన్ని ఫ్లోరోసెంట్ లేదా ఫాస్ఫోరసెంట్ పదార్థాలతో పూత పూయడం వల్ల టెలివిజన్ చిత్రాలు ఫ్లోరోసెన్స్ కారణంగా ఏర్పడతాయి.

(iii) విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం లేనప్పుడు, ఈ కిరణాలు సరళ రేఖల్లో ప్రయాణిస్తాయి (Fig. 2.2).

(iv) విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం ఉన్నప్పుడు, కాథోడ్ కిరణాల ప్రవర్తన ప్రతికూలంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాల నుండి ఆశించిన దానికి సమానంగా ఉంటుంది, ఇది కాథోడ్ కిరణాలు ప్రతికూలంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాలను కలిగి ఉంటాయని సూచిస్తుంది, వీటిని ఎలక్ట్రాన్లు అంటారు.

(v) కాథోడ్ కిరణాల (ఎలక్ట్రాన్ల) లక్షణాలు ఎలక్ట్రోడ్ల పదార్థం మరియు కాథోడ్ రే ట్యూబ్లో ఉన్న వాయువు స్వభావంపై ఆధారపడి ఉండవు.

అందువలన, ఎలక్ట్రాన్లు అన్ని పరమాణువుల ప్రాథమిక భాగమని మనం నిర్ధారించవచ్చు.

2.1.2 ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఆవేశం-ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తి

1897లో, బ్రిటిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త J.J. థామ్సన్ కాథోడ్ రే ట్యూబ్ను ఉపయోగించి మరియు విద్యుత్ మరియు అయస్కాంత క్షేత్రాలను ఒకదానికొకటి లంబంగా అలాగే ఎలక్ట్రాన్ల మార్గానికి లంబంగా ప్రయోగించడం ద్వారా ఎలక్ట్రాన్ యొక్క విద్యుత్ ఆవేశం $(e)$ నుండి ద్రవ్యరాశి $\left(m_{e}\right)$ నిష్పత్తిని కొలిచాడు (Fig. 2.2). విద్యుత్ క్షేత్రం మాత్రమే ప్రయోగించినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్లు వాటి మార్గం నుండి విచలనం చెంది కాథోడ్ రే ట్యూబ్ను పాయింట్ A వద్ద తాకుతాయి (Fig. 2.2). అదేవిధంగా అయస్కాంత క్షేత్రం మాత్రమే ప్రయోగించినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్ కాథోడ్ రే ట్యూబ్ను పాయింట్ $\mathrm{C}$ వద్ద తాకుతుంది. విద్యుత్ మరియు అయస్కాంత క్షేత్ర బలాన్ని జాగ్రత్తగా సమతుల్యం చేయడం ద్వారా, ఎలక్ట్రాన్ను విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం లేనప్పుడు అనుసరించే మార్గానికి తిరిగి తీసుకురావడం సాధ్యమవుతుంది మరియు అవి తెరపై పాయింట్ B వద్ద తాకుతాయి. థామ్సన్ విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం ఉన్నప్పుడు కణాలు వాటి మార్గం నుండి విచలనం పరిమాణం క్రింది వాటిపై ఆధారపడి ఉంటుందని వాదించాడు:

(i) కణంపై ఉన్న ప్రతికూల ఆవేశం యొక్క పరిమాణం, కణంపై ఉన్న ఆవేశం యొక్క పరిమాణం ఎక్కువగా ఉంటే, విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రంతో పరస్పర చర్య ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు అందువలన విచలనం ఎక్కువగా ఉంటుంది.

(ii) కణం యొక్క ద్రవ్యరాశి - కణం తేలికగా ఉంటే, విచలనం ఎక్కువగా ఉంటుంది.

(iii) విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క బలం - ఎలక్ట్రాన్ల యొక్క విచలనం దాని అసలు మార్గం నుండి ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య వోల్టేజ్ పెరగడం లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క బలం పెరగడంతో పెరుగుతుంది.

విద్యుత్ క్షేత్ర బలం లేదా అయస్కాంత క్షేత్ర బలంపై ఎలక్ట్రాన్లు గమనించిన విచలనాల పరిమాణంపై ఖచ్చితమైన కొలతలను చేపట్టడం ద్వారా, థామ్సన్ $e / m_{\mathrm{e}}$ విలువను ఈ క్రింది విధంగా నిర్ణయించగలిగాడు:

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

ఇక్కడ $m_{\mathrm{e}}$ అనేది $\mathrm{kg}$ లో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ద్రవ్యరాశి మరియు $e$ అనేది కూలంబ్ (C) లో ఎలక్ట్రాన్పై ఉన్న ఆవేశం యొక్క పరిమాణం. ఎలక్ట్రాన్లు ప్రతికూలంగా ఆవేశం చేయబడినందున, ఎలక్ట్రాన్పై ఆవేశం $-e$.

2.1.3 ఎలక్ట్రాన్పై ఆవేశం

R.A. మిల్లికన్ (1868-1953) ఎలక్ట్రాన్లపై ఆవేశాన్ని నిర్ణయించడానికి ఆయిల్ డ్రాప్ ప్రయోగం (1906-14) అని పిలువబడే పద్ధతిని రూపొందించాడు. అతను ఎలక్ట్రాన్పై ఆవేశం $-1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ అని కనుగొన్నాడు. విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క ప్రస్తుత అంగీకరించబడిన విలువ $-1.602176 \times 10^{-19} \mathrm{C}$. ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ద్రవ్యరాశి $\left(m_{\mathrm{e}}\right)$ ఈ ఫలితాలను థామ్సన్ యొక్క $e / m_{e}$ నిష్పత్తి విలువతో కలపడం ద్వారా నిర్ణయించబడింది.

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

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

Fig. 2.2 ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఆవేశం-ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తిని నిర్ణయించడానికి ఉపకరణం

2.1.4 ప్రోటాన్లు మరియు న్యూట్రాన్ల ఆవిష్కరణ

సవరించిన కాథోడ్ రే ట్యూబ్లో నిర్వహించిన విద్యుత్ డిస్చార్జ్ ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాలను మోసుకెళ్లే కెనాల్ కిరణాల ఆవిష్కరణకు దారితీసింది. ఈ ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాల లక్షణాలు క్రింద పేర్కొనబడ్డాయి.

(i) కాథోడ్ కిరణాల కాకుండా, ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాల ద్రవ్యరాశి కాథోడ్ రే ట్యూబ్లో ఉన్న వాయువు స్వభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇవి కేవలం ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన వాయు అయాన్లు.

(ii) కణాల ఆవేశం-ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తి ఈ కణాలు ఉద్భవించే వాయువుపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

(iii) కొన్ని ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన కణాలు విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క ప్రాథమిక యూనిట్ యొక్క గుణకాన్ని మోసుకెళుతాయి.

(iv) అయస్కాంత లేదా విద్యుత్ క్షేత్రంలో ఈ కణాల ప్రవర్తన ఎలక్ట్రాన్ లేదా కాథోడ్ కిరణాల కోసం గమనించిన దానికి వ్యతిరేకం.

అతి చిన్న మరియు తేలికైన ధనాత్మక అయాన్ హైడ్రోజన్ నుండి లభించింది మరియు దీనిని ప్రోటాన్ అని పిలిచారు. ఈ ధనాత్మకంగా ఆవేశం చేయబడిన కణం 1919లో వర్గీకరించబడింది. తరువాత, పరమాణువు యొక్క భాగంగా విద్యుత్ తటస్థ కణం ఉనికి అవసరం అనిపించింది. ఈ కణాలు చాడ్విక్ (1932) బెరిలియం యొక్క సన్నని షీట్ను $\alpha$-కణాలతో బాంబర్డ్ చేయడం ద్వారా కనుగొన్నారు. విద్యుత్ తటస్థ కణాలు ప్రోటాన్ల కంటే కొంచెం ఎక్కువ ద్రవ్యరాశిని కలిగి ఉన్నప్పుడు విడుదలయ్యాయి. అతను ఈ కణాలను న్యూట్రాన్లు అని పేరు పెట్టాడు. ఈ అన్ని ప్రాథమిక కణాల యొక్క ముఖ్యమైన లక్షణాలు Table 2.1లో ఇవ్వబడ్డాయి.

మిల్లికన్ యొక్క ఆయిల్ డ్రాప్ పద్ధతి

ఈ పద్ధతిలో, అటామైజర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన పొగ మూడం రూపంలో ఉన్న ఆయిల్ చుక్కలు విద్యుత్ కండెన్సర్ యొక్క ఎగువ పలకలోని చిన్న రంధ్రం ద్వారా ప్రవేశించడానికి అనుమతించబడతాయి. ఈ చుక్కల కిందికి కదలికను మైక్రోమీటర్ కంటి ముక్కతో సజ్జీకరించబడిన టెలిస్కోప్ ద్వారా చూడవచ్చు. ఈ చుక్కల పతనం రేటును కొలవడం ద్వారా, మిల్లికన్ ఆయిల్ చుక్కల ద్రవ్యరాశిని కొలవగలిగాడు. చాంబర్ లోపల గాలిని $\mathrm{X}$-కిరణాల పుంజం ద్వారా పంపడం ద్వారా అయనీకరణం చేయబడింది. ఈ ఆయిల్ చుక్కలపై విద్యుత్ ఆవేశం వాయు అయాన్లతో ఢీకొనడం ద్వారా పొందబడింది. ఈ ఆవేశం చేయబడిన ఆయిల్ చుక్కల పతనం చుక్కలపై ఉన్న ఆవేశం మరియు పలకకు వర్తించే వోల్టేజ్ యొక్క ధ్రువణత మరియు బలం ఆధారంగా నిదానించబడవచ్చు, వేగవంతం చేయబడవచ్చు లేదా స్థిరంగా చేయబడవచ్చు. ఆయిల్ చుక్కల కదలికపై విద్యుత్ క్షేత్ర బలం యొక్క ప్రభావాలను జాగ్రత్తగా కొలవడం ద్వారా, మిల్లికన్ ఆయిల్ చుక్కలపై ఉన్న విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క పరిమాణం, $q$, ఎల్లప్పుడూ విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క పూర్ణాంక గుణకం అని, $\mathrm{e}$, అంటే, $q=n \mathrm{e}$, ఇక్కడ $\mathrm{n}=1,2,3 \ldots$ అని నిర్ధారించాడు.

Fig. 2.3 ఆవేశం ’e’ని కొలవడానికి మిల్లికన్ ఆయిల్ డ్రాప్ ఉపకరణం. చాంబర్లో, ఆయిల్ డ్రాప్పై పనిచేసే శక్తులు: గురుత్వాకర్షణ, విద్యుత్ క్షేత్రం కారణంగా ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ మరియు ఆయిల్ డ్రాప్ కదులుతున్నప్పుడు ఒక స్నిగ్ధత డ్రాగ్ ఫోర్స్.

2.2 పరమాణు నమూనాలు

మునుపటి విభాగాలలో పేర్కొన్న ప్రయోగాల నుండి పొందిన పరిశీలనలు డాల్టన్ యొక్క విభజించలేని పరమాణువు ధనాత్మక మరియు ప్రతికూల ఆవేశాలను మోసుకెళ్లే ఉప-పరమాణు కణాలతో రూపొందించబడిందని సూచించాయి. ఉప-పరమాణు కణాల ఆవిష్కరణ తర్వాత శాస్త్రవేత్తల ముందు ఉన్న ప్రధాన సమస్యలు:

• పరమాణువు యొక్క స్థిరత్వానికి కారణం చెప్పడం,

• భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాల పరంగా మూలకాల ప్రవర్తనను పోల్చడం,

• వివిధ పరమాణువుల కలయిక ద్వారా వివిధ రకాల అణువుల ఏర్పాటును వివరించడం మరియు,

• పరమాణువులచే గ్రహించబడిన లేదా విడుదల చేయబడిన విద్యుదయస్కాంత వికిరణం యొక్క లక్షణాల మూలం మరియు స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడం.

Table 2.1 ప్రాథమిక కణాల లక్షణాలు

ఈ ఆవేశిత కణాల పంపిణీని పరమాణువులో వివరించడానికి వివిధ పరమాణు నమూనాలు ప్రతిపాదించబడ్డాయి. ఈ నమూనాలలో కొన్ని పరమాణువుల స్థిరత్వాన్ని వివరించలేకపోయినప్పటికీ, వాటిలో రెండు, ఒకటి J.J. థామ్సన్ మరియు మరొకటి అర్నెస్ట్ రూథర్ఫోర్డ్ ప్రతిపాదించినవి క్రింద చర్చించబడ్డాయి.

2.2.1 పరమాణువు యొక్క థామ్సన్ నమూనా

J. J. థామ్సన్, 1898లో, ఒక పరమాణువు గోళాకార ఆకారాన్ని కలిగి ఉంటుందని ప్రతిపాదించాడు (వ్యాసార్థం సుమారు $10^{-10} \mathrm{~m}$ ) దీనిలో ధనాత్మక ఆవేశం సమానంగా పంపిణీ చేయబడుతుంది. ఎలక్ట్రాన్లు అత్యంత స్థిరమైన ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ అమరికను ఇవ్వడానికి అందులో ఎంబెడ్ చేయబడ్డాయి (Fig. 2.4). ఈ నమూనాకు అనేక విభిన్న పేర్లు ఇవ్వబడ్డాయి, ఉదాహరణకు, ప్లమ్ పుడింగ్, రైసిన్ పుడింగ్ లేదా వాటర్మెలన్.

Fig.2.4 పరమాణువు యొక్క థామ్సన్ నమూనా

ఈ నమూనాను ధనాత్మక ఆవేశం యొక్క పుడింగ్ లేదా వాటర్మెలన్గా దానిలో ఎ