डाल्टन का परमाणु सिद्धांत, थॉमसन मॉडल, बोर-बरी मॉडल, रदरफोर्ड

19वीं शताब्दी तक परमाणु को सबसे छोटा कण माना जाता था। परमाणु की संरचना को प्रकट करने के साथ-साथ इसके महत्वपूर्ण गुणों की व्याख्या करने के लिए कई प्रयोग किए गए।

इन प्रयोगों ने परमाणु की उप-परमाणु कणों में विभाज्यता का संकेत दिया और दिखाया कि परमाणुओं में एक निश्चित आंतरिक विन्यास और संरचना होती है।

आइये इस आर्टिकल के माध्यम से जाने परमाणु संरचना की व्याख्या करने वाले वैज्ञानिकों के परमाणु मॉडल के बारे में | आप इस आर्टिकल में जानेंगे डाल्टन का परमाणु सिद्धान्त,  थॉमसन मॉडल, बोर-बरी मॉडल, रदरफोर्ड का परमाणु मॉडल के बारे में |

डाल्टन का परमाणु सिद्धांत Dalton’s atomic theory:

1808 में, जॉन डाल्टन ने रासायनिक दर्शन की एक नई प्रणाली प्रकाशित की जिसमें उन्होंने निम्नलिखित सिद्धांत प्रस्तावित किया।

1) पदार्थ में अविभाज्य परमाणु होते हैं।

2 किसी दिए गए तत्व के सभी परमाणुओं में समान द्रव्यमान सहित समान गुण होते हैं। अलग अलग तत्वों के परमाणु द्रव्यमान में अलग होते हैं।

3) तत्वों के यौगिक तब बनते हैं जब विभिन्न तत्वों के परमाणु एक निश्चित अनुपात में संयोजित होते हैं।

4)  रासायनिक प्रतिक्रियाओं में केवल परमाणुओं को पुनर्व्यवस्थित कर पुनर्गठन किया जाता है। रासायनिक अभिक्रिया में परमाणु न तो बनते हैं और न ही नष्ट होते हैं।

5) डाल्टन का परमाणु सिद्धांत रासायनिक संयोजन के नियम की व्याख्या कर सकता है।

Drawback of Dalton’s theory डाल्टन के सिद्धांत के दोष:

डाल्टन के अनुसार तत्वों के निर्माण की सबसे छोटी इकाई एक परमाणु है,

जबकि यौगिक की सबसे छोटी इकाई एक संयुक्त परमाणु है, वास्तव में डाल्टन ने जो यौगिक परमाणु प्रस्तुत किया वह एक अणु था।

यह सिद्धांत बर्जेलियस परिकल्पना की व्याख्या नहीं करता है,

जिसमें कहा गया है कि समान मात्रा एवं सामान आयतन में गैसों में तापमान और दाब की समान परिस्थितियों में परमाणुओं की समान संख्या होती है।

यह सिद्धांत इस तथ्य की व्याख्या नहीं करता है कि अणु बनाने के लिए परमाणु एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया क्यों करते हैं।

ये सिद्धांत परमाणुओं और अणुओं की ठोस, द्रव और गैस की भौतिक अवस्थाओं में बलों की प्रकृति के बारे में कोई प्रकाश नहीं डालता है।

यह समस्थानिकों की उपस्थिति और गेलुसाक के गैसीय आयतन के नियम की व्याख्या नहीं करता है।

ये सिद्धांत इस तथ्य की भी व्याख्या नहीं करता है कि विभिन्न तत्वों के परमाणुओं का द्रव्यमान, आकार और संयोजकता भिन्न-भिन्न क्यों होती है।

उप परमाणु कण और उनके गुण:

डाल्टन का सिद्धांत अधिक समय तक टिक नहीं पाया और जे जे थॉमसन (1897) जैसे अनुसंधानकर्ताओं के प्रयोगों के माध्यम से इसे सिद्ध किया गया।

रदरफोर्ड (1911), नील बोह्र (1912), वेक्टर, चाडविक, मोसले आदि ने मॉडल प्रस्तुत किया कि परमाणु छोटे कणों से बने होते हैं,

जिन्हें इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, पॉज़िट्रॉन, न्यूट्रिनो, मेसन आदि जैसे उप परमाणु कण कहा जाता है।

हालाँकि, पूर्व तीन को मूलभूत कण माना जाता है

और बाद में सूक्ष्म कण विनिमय तंत्र के दौरान केवल एक संक्षिप्त उदाहरण के लिए प्रकट होते हैं। इस प्रकार, ये मूलभूत कण नहीं हैं

मौलिक कण:

इलेक्ट्रॉनिक्स, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन परमाणु के मूलभूत कण हैं, जिनकी खोज और गुण इस प्रकार हैं।

इलेक्ट्रॉनों की खोज (_-1e⁰) :

1897 में जे जे थॉमसन द्वारा कैथोड किरणों के प्रयोग में इलेक्ट्रॉन की खोज की गई थी।

इस प्रयोग में, जब उच्च क्षमता पर बनी एक डिस्चार्ज ट्यूब का दबाव 10-6 एटीएम तक कम हो जाता है,

तो ऋणावेशित कणों की एक धारा, जिसे इलेक्ट्रॉन कहा जाता है, कैथोड से उत्पन्न होती है।

इन किरणों को कैथोड किरणें कहा गया।

कैथोड किरणों और उनके कणों की विशेषताएं हैं:

• ये किरणें स्वयं दिखाई नहीं देती हैं लेकिन इनके व्यवहार को फ्लोरोसेंट या फॉस्फोरसेंट सामग्री की मदद से देखा जा सकता है।
• ध्यान दें कि टेलीविज़न पिक्चर ट्यूब कैथोड रे ट्यूब हैं |
• एक विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, कैथोड किरणें वैसा व्यवहार करती हैं जैसा कि इलेक्ट्रॉन नामक ऋणात्मक आवेशित कणों से उम्मीद की जाती है।
• एक इलेक्ट्रॉन पर आवेश, यानी -1.602×10-19 C मुल्लिकेन द्वारा तेल बूंद प्रयोग के माध्यम से निर्धारित किया गया था
• किसी एक इलेक्ट्रॉन का वास्तविक द्रव्यमान, यानी 9.11×10-31 किलोग्राम, जेजे थॉमसन द्वारा गणना की गई थी। इलेक्ट्रॉन एक परमाणु के तीन मूलभूत कणों में सबसे हल्का होता है।
• इलेक्ट्रॉनों का E/M अनुपात (विशिष्ट आवेश) थॉमसन द्वारा 1.76×108 सी/जी के रूप में निर्धारित किया गया था
• तत्वों के इलेक्ट्रॉन का E/M अनुपात गैस और इलेक्ट्रोड की प्रकृति से स्वतंत्र पाया गया। इसलिए, इलेक्ट्रॉन सभी प्रकार के पदार्थ के मूलभूत कण हैं।

प्रोटॉन की खोज (₁H¹):

1886 में इलेक्ट्रॉन की पहचान से पहले ही ई गोल्डस्टीन ने गैस डिस्चार्ज में नए विकिरणों की उपस्थिति की खोज की और उन्हें कैनाल किरणें कहा।

ये किरणें सकारात्मक रूप से आवेशित विकिरण थीं जो अंततः एक अन्य उप परमाणु कण की खोज का कारण बनीं।

इस उप-परमाणु कण में एक आवेश था, जो परिमाण में बराबर लेकिन इलेक्ट्रॉन के संकेत के विपरीत था।

इसे 1919 में रदरफोर्ड द्वारा प्रोटॉन नाम दिया गया था।

प्रोटॉन का द्रव्यमान 1.67×10-27 किग्रा है जबकि इसका आवेश +1.6×10-19 C है।

न्यूट्रॉन की खोज (₀n¹) :

एक नाभिक का धनात्मक आवेश धनात्मक रूप से आवेशित कणों के कारण होता है जिन्हें प्रोटॉन कहा जाता है।

लेकिन नाभिक का द्रव्यमान केवल प्रोटॉन के कारण नहीं होता है।

चाडविक (1932) द्वारा α-कणों द्वारा बेरिलियम की एक पतली शीट पर बमबारी करके न्यूट्रॉन नामक एक अन्य उप-परमाणु कण की पहचान की गई।

इसमें कोई आवेश नहीं होता है, न्यूट्रॉन विद्युत रूप से उदासीन कण होते हैं, जिनका द्रव्यमान प्रोटॉन की तुलना में थोड़ा अधिक होता है।

न्यूट्रॉन का द्रव्यमान 1.67×10-27 किग्रा (अर्थात् प्रोटॉन के लगभग बराबर) होता है।

नोट:-

1) इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान नगण्य माना जाता है और इसका आवेश ऋणात्मक होता है।

2)प्रोटोन के द्रव्यमान को एक इकाई के रूप में लिया जाता है और इसके चार्ज को +1 के रूप में लिया जाता है।

3) हाइड्रोजन या प्रोटियम ही एकमात्र ऐसा परमाणु है जिसमें न्यूट्रॉन नहीं होते हैं।

4) जॉन डाल्टन को आधुनिक परमाणु सिद्धांत का जनक माना जाता है।

5) परमाणुओं को केवल स्कैनिंग, टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके देखा जा सकता है।

6) उत्कृष्ट गैसों के परमाणुओं को छोड़कर सभी परमाणु प्रतिक्रियाशील होते हैं।

7) हीलियम सबसे छोटा परमाणु है और इसकी त्रिज्या 32×10-12 मीटर है, जबकि सीज़ियम (Cs) 225×10-12 मीटर की त्रिज्या वाला सबसे बड़ा परमाणु है।

8) परमाणुओं के अस्तित्व को भारतीय और यूनानी दार्शनिकों (400BC) द्वारा प्रस्तावित किया गया था।

गैर-मौलिक कण Non-Fundamental Particles:

इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अलावा अन्य कण गैर मौलिक कण कहलाते हैं।

1) पॉज़िट्रॉन Positron :

इसकी खोज एंडरसन ने 1932 में की थी।

यह इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण है (अर्थात् इसका आवेश धनात्मक है और इसका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के उस द्रव्यमान के बराबर है)।

इसका प्रतीक ई+ है।

2) एंटीप्रोटोन Antiproton:

यह प्रोटॉन का प्रतिकण है। इसकी खोज 1955 में हुई थी।

इसका आवेश -e है और इसका द्रव्यमान प्रोटॉन के द्रव्यमान के बराबर है। इसका प्रतीक p है।

प्रत्येक मूलभूत कण के लिए, किसी गुण में एक समान बिल्कुल विपरीत मौजूद होता है।

यह उस मूल कण का प्रतिकण कहलाता है।

उदाहरण- इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन सभी मामलों में समान हैं, सिवाय इसके कि उन पर विपरीत आवेश होते हैं। तो, पॉज़िट्रॉन इलेक्ट्रॉन का एक एंटीपार्टिकल है।

3) न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो Neutrino and Antineutrino:

इन कणों के अस्तित्व की भविष्यवाणी 1930 में पाउली ने रेडियोधर्मी नाभिकों से β-कणों के उत्सर्जन का वर्णन करते हुए की थी,

लेकिन इन कणों को वास्तव में 1956 में प्रयोगात्मक रूप से देखा गया था।

उनका विराम द्रव्यमान और आवेश दोनों शून्य होते हैं, लेकिन उनमें ऊर्जा और संवेग होता है।

वे एक दूसरे के प्रतिकण हैं। इन दोनों का प्रतीक v या v_ है।

4) पाई-मेसन Pie-Mason:

1935 में युकावा द्वारा π मेसॉन के अस्तित्व की भविष्यवाणी की गई थी, लेकिन वे वास्तव में 1947 में कॉस्मिक किरणों में खोजे गए थे।

नाभिकीय बलों को न्यूक्लियॉन्स के बीच π-मेसन के आदान-प्रदान द्वारा समझाया गया है।

π- मेसॉन तीन प्रकार के होते हैं:

1)धनात्मक π-मेसन positive π-mesons (π+)

2)ऋणात्मक π-मेसन Negative π-Meson (π-)

3) उदासीन π-मेसन Neutral π-meson (π0)

• π+ का द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का 274 गुना है और π0 का द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का लगभग 264 गुना है।

5) क्वार्क्स और बोसोन Quarks and Bosons:

प्राथमिक कण जिनसे अन्य भारी उप परमाणु कण जैसे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आदि बनते हैं, क्वार्क कहलाते हैं।

इन कणों में आंशिक आवेश होता है। बोसॉन वे कण हैं जिनके लिए घूर्णनों की संख्या पूर्ण संख्या होती है।

बोसोन -> मेसन + फोटॉन।

1)π-मेसन, बोसोन और क्वार्क किसी भी मूल कण के प्रतिकण नहीं हैं।

2) परमाणु में उनका वर्गीकरण उनके द्रव्यमान के आधार पर किया जाता है।

3) विशेष रूप से, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों 3 क्वार्क से बने होते हैं।

परमाणु के नाभिक में पाए जाने वाले प्रोटॉन और न्यूट्रॉन भी क्वार्क नामक छोटे कणों से बने होते हैं।

इलेक्ट्रॉन और क्वार्क का आकार लगभग समान होता है। ये दोनों पदार्थ के सबसे छोटे कण हैं।

पहले के समय का परमाणु मॉडल Earlier Atomic Model:

एक परमाणु में आवेशित कणों यानी इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन के विभाजन और फैलाव की व्याख्या करने के लिए विभिन्न परमाणु मॉडल प्रस्तावित किए गए थे।

थॉमसन का परमाणु मॉडल Thomson’s Atomic Model:

जे. जे. थॉमसन ने परमाणु के मॉडल को क्रिसमस पुडिंग के समान होने का प्रस्ताव दिया।

थॉमसन के परमाणु मॉडल के अनुसार परमाणु एक धनावेशित क्षेत्र होता है, जो प्रोटॉन से बना है,

और ऋणावेश युक्त इलेक्ट्रान इस धनात्मक क्षेत्र में बिना किसी विशिष्ट विन्यास के अस्त-व्यस्त रूप से बिखरे होते हैं।

थॉमसन का परमाणु मॉडल, परमाणु के उदासीन व्यवहार की व्याख्या करने में सक्षम था।

परमाणु का थॉमसन का मॉडल एक तरबूज की संरचना जैसा दिखता है, प्रोटॉन की तुलना एक तरबूज के लाल खाद्य भाग से और इलेक्ट्रॉन की तुलना तरबूज के बीज से करता है।

इस थॉमसन का परमाणु मॉडल को प्लम पुडिंग मॉडल के नाम से भी हम जानते हैं।

थॉमसन ने परमाणु मॉडल में प्रस्तावित किया था कि

1) एक परमाणु में एक धनात्मक रूप से आवेशित क्षेत्र होता है और इसमें इलेक्ट्रॉनों समाहित किया जाता है |

2) परमाणु में ऋणात्मक और धनात्मक आवेश जो परमाणु में मौजूद होते हैं | वे आपस में उनके  परिमाण में बराबर होते हैं। तो, संपूर्ण रूप में परमाणु विद्युत रूप से उदासीन होते है।

थॉमपरमाणु में सन मॉडल दोष Drawback of Thomson Model:

• यद्यपि थॉमसन मॉडल ने समझाया कि परमाणु विद्युत रूप से उदासीन हैं,
• अन्य वैज्ञानिकों के प्रयोगों के परिणाम, जैसे α-कण प्रकीर्णन प्रयोग, को इस मॉडल द्वारा नहीं समझाया जा सकता है।
• रदरफोर्ड के α (अल्फा) प्रकीर्णन प्रयोग और हाइड्रोजन स्पेक्ट्रम को थॉमसन के परमाणु मॉडल द्वारा नहीं समझाया जा सकता है।
• इस परमाणु मॉडल के आधार पर यह स्पष्ट नहीं किया जा सकता है कि धनात्मक आवेश (प्रोटोन) और ऋणात्मक आवेश (इलेक्ट्रॉन) कैसे जुड़े हैं।
• थॉमसन का परमाणु मॉडल, परमाणु की स्थिरता और परमाणु के नाभिक के बारे में की व्याख्या करने में असफल रहा।

Rutherford’s atomic model रदरफोर्ड का परमाणु मॉडल:

रदरफोर्ड और उनके छात्र (हंस गीगर और अर्नेस्ट मार्सडेन) ने 1911 में α-कण प्रकीर्णन प्रयोग किया

जिसमें उन्होंने α-कणों के साथ बहुत पतली स्वर्ण (गोल्ड) की पन्नी पर बमबारी की।

जिस मे उन्होंने देखा कि स्वर्ण की पन्नी में से गुजरते हुए α- कण विचलित हो कर अलग अलग दिशाओं में विक्षेपित हो जाते हैं |

रदरफोर्ड के इस प्रयोग को रदरफोर्ड का परमाणु मॉडल कहा जाता है |

प्रेक्षणों और निष्कर्षों के आधार पर रदरफोर्ड ने परमाणु का नाभिकीय मॉडल प्रस्तावित किया।

इस मॉडल के अनुसार,

1) परमाणु में एक सकारात्मक रूप से आवेशित गोलाकार केंद्र होता है, जिसे नाभिक कहा जाता है।

परमाणु का लगभग संपूर्ण द्रव्यमान नाभिक में रहता है। यानी इसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पैक होते हैं।

2) इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर अच्छी तरह से परिभाषित कक्षाओं में घूमते हैं।

अतः, परमाणु के नाभिक के अंदर का अधिकांश भाग खाली ही होता है |

3) परमाणु के आकार की तुलना में नाभिक का आकार बहुत छोटा होता है।

रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल के दोष Drawback of Rutherford’s Atomic Model:

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के शास्त्रीय सिद्धांत के अनुसार, एक गोलाकार कक्षा में कोई भी आवेशित कण त्वरण से गुजरेगा।

केन्द्रापसारक त्वरण के दौरान आवेश के कण ऊर्जा विकीर्ण करेंगे।

इस प्रकार, घूमता हुआ इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देगा और नाभिक के और करीब आ जाएगा और अंत में नाभिक में गिर जाएगा।

यदि इलेक्ट्रान का नाभिक में गिरना  ऐसा होता, तो परमाणु अत्यधिक बहुत अधिक अस्थिर होना चाहिए।

लेकिन हम यह जानते हैं कि किसी भी तत्व के परमाणु काफी स्थिर होते हैं, इसलिए इस मॉडल को खारिज कर दिया गया।

नील्स बोर का परमाणु का मॉडल Niels Bohr’s model of the atom:

बोर के अनुसार,  बोह्र के अनुसार, उप-परमाणु कणों के मामले में पुराने शास्त्रीय नियम सही नहीं रह सकते हैं।

नील्स बोर ने परमाणु के स्थायित्व की व्याख्या करने के लिए परमाणु का एक मॉडल प्रस्तुत किया।

जिसके अनुसार इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर अपनी निश्चित कक्षाओं में चक्कर लगाते हैं।

वे विकिरण द्वारा ऊर्जा का उत्सर्जन नहीं करते हैं ताकि वे नाभिक में न गिरें। इसलिए परमाणु स्थिर होते हैं

रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल के दोषों को दूर करने के लिए, नील बोर ने (1913) ने परिमाणीकरण (मैक्स प्लैंक) की अवधारणा का उपयोग किया |

और प्लैंक के क्वांटम सिद्धांत के आधार पर परमाणु के मॉडल के बारे में निम्नलिखित अभिधारणाएं प्रस्तुत कीं।

नील्स बोर परमाणु के मॉडल की अभिधारणाएं Postulates of Niels Bohr model of atom :

नील बोर परमाणु के मॉडल के बारे में निम्नलिखित अभिधारणाएं हैं |

1) इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खोए बिना नाभिक के चारो ओर अपनी गोलाकार निश्चित कक्षाओं में घूमते रहते हैं | इस प्रकार प्रत्येक कक्षा एक निश्चित ऊर्जा से जुड़ी होती है, इसलिए इसे ऊर्जा स्तर भी कहा जाता है।

एक परमाणु में ऊर्जा का स्तर चित्र में दिखाया गया है।

इन कक्षाओं को K, L, M, N,..  अक्षरों द्वारा या नंबर 1, 2, 3, 4,.. नंबर द्वारा दर्शाया गया है।

2) नाभिक और इलेक्ट्रॉन के बीच आकर्षण के इलेक्ट्रोस्टैटिक कूलम्बिक बल ने इलेक्ट्रॉन को स्पिन या परिक्रमण करने के लिए आवश्यक अभिकेन्द्रीय बल को असंतुलित कर दिया।

3) इलेक्ट्रॉन केवल उन्हीं वृत्ताकार कक्षा में गति कर सकते हैं, जहाँ कोणीय संवेग (mvr), h/2π का पूर्णांक गुणक है।

अर्थात् यह परिमाणित है।

mvr = nh/2π

जहाँ n = 1,2,3,4…

4) एक परमाणु द्वारा ऊर्जा तभी उत्सर्जित या अवशोषित की जाती है जब एक इलेक्ट्रॉन एक स्तर से दूसरे स्तर पर जाता है।

जब एक इलेक्ट्रॉन उच्च कक्षा से निचली कक्षा में जाता है, तो वह विकिरण के रूप में ऊर्जा का उत्सर्जन करता है।

और जब इलेक्ट्रॉन निचली कक्षा से उच्च कक्षा में जाता है, तो वह विकिरण के रूप में ऊर्जा को अवशोषित करता है।

∆E = E2-E1 = hc/ʎ

जहाँ,

h = प्लांक स्थिरांक है इसका यूनिट जूल – सेकंड है |

h = 6.6 × 10^-34 Js

E2, n=2 स्तर की ऊर्जा है।

और E1, n=1 स्तर की ऊर्जा है।

-> किसी कक्षीय की त्रिज्या जितनी अधिक होती है, उसकी ऊर्जा उतनी ही अधिक होती है।

यह केवल एक परमाणु की स्थिरता और हाइड्रोजन परमाणु के लाइन स्पेक्ट्रम की व्याख्या करता है |

बोर के परमाणु मॉडल की कमियां / दोष Drawbacks of Bohr’s Atomic Model:

1) बोर का यह मॉडल हाइड्रोजन के अलावा अन्य परमाणुओं के स्पेक्ट्रम की व्याख्या करने में असमर्थ है।

उदाहरण –  हीलियम परमाणु जिसमें केवल दो इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसकी व्याख्या करने में असफल हुआ |

2) यह सिद्धांत एक चुंबकीय क्षेत्र (ज़ीमैन प्रभाव) या एक विद्युत क्षेत्र (स्टार्क प्रभाव) की उपस्थिति में वर्णक्रमीय रेखाओं के विभाजन की व्याख्या करने में भी असमर्थ था।

3) यह अणु बनाने के लिए परमाणुओं की रासायनिक रूप से बंधन बनाने की क्षमता की व्याख्या नहीं कर सका।

निष्कर्ष :

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