12.1 परिचय

19वीं शताब्दी के दौरान, द्रव्य के परमाणु प्रतिकृति के प्रमाण के लिए पर्याप्त सबूत एकत्र हुए थे। 1897 में, अंग्रेजी भौतिक जे. जे. थोम्सन (1856–1940) द्वारा गैसों में विद्युत विच्छेद पर किए गए प्रयोगों ने प्रकाशित किया गया कि विभिन्न तत्वों के परमाणु में नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए घटक (इलेक्ट्रॉन) होते हैं जो सभी परमाणुओं के लिए समान हैं। हालाँकि, परमाणु पूर्ण रूप से विद्युतीय मध्यम हैं। इसलिए, इलेक्ट्रॉनों के नकारात्मक चार्ज को निश्चित करने के लिए परमाणु में कुछ सकारात्मक चार्ज का भी अवशोषण होना चाहिए। लेकिन परमाणु के अंदर सकारात्मक चार्ज और इलेक्ट्रॉनों का वितरण क्या है? अन्यथा इस प्रकार का प्रतिनिधित्व करना क्या है? अर्थात् परमाणु की संरचना क्या है?

परमाणु का पहला मॉडल 1898 में जे. जे. थोम्सन द्वारा प्रस्तुत किया गया था। इस मॉडल के अनुसार, परमाणु का सकारात्मक चार्ज परमाणु के आयतन के दरम्यान समानांतर रूप से वितरित होता है और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन इसमें जैसे तरबूजे के बीज अंकुरित होते हैं। इस मॉडल को प्लम पड़ीक्स मॉडल के रूप में प्रसिद्ध किया गया था। हालाँकि, इस अध्याय में वर्णित परमाणु पर आगे के अध्ययन दिए गए सबूत इस मॉडल में प्रस्तुत इलेक्ट्रॉनों और सकारात्मक चार्जों के वितरण से बहुत अलग थे।

हम जानते हैं कि सघन द्रव्य (ठोस और द्रव्यमान) और घनत्वग्रस्त गैसें सभी तापमानों पर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक विकिरण का उत्सर्जन करती हैं जिसमें कई लंबाई के वाहकों का निरंतर वितरण होता है, हालाँकि अलग-अलग तार्किकता के साथ। यह विकिरण अपने परमाणुओं और आणविक अंतराल के प्रति प्रत्येक परमाणु या आणविक अणु के साथ अपने पड़ोसियों के प्रति अंतर्विरोध के आधार पर नियंत्रित परमाणु और आणविक अणुओं के दोलन के कारण माना जाता है। विपरीत रूप से, फ्लैम में सूखी गैसों के उत्सर्जन या ग्लो ट्यूब जैसे परिचित नीटन साइन या बेर्यूमी धुएं के आणविक अणु के आयाम में केवल कुछ निश्चित लंबाई के वाहक होते हैं। यह प्रकाश का आवृत्ति एक शीर्ष रेखाओं की श्रृंखला के रूप में दिखाई दता है। इस तरह की गैसों में, परमाणुओं के औसत अंतर बड़ा होता है। इसलिए, उत्सर्जित विकिरण को परमाणुओं के बीच या आणविक अणुओं के बीच अंतर्विरोधों के कारण नहीं माना जा सकता है, बल्कि अलग-अलग परमाणुओं के कारण ही माना जा सकता है।

अग्रगण्य 19वीं शताब्दी में यह भी स्थापित किया गया था कि प्रत्येक तत्व एक विशिष्ट विकिरण आवृत्ति से संबंधित है, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन हमेशा रेखाओं के बीच के निश्चित सापेक्ष स्थान के साथ रेखाओं का सेट देता है। इस घटना ने परमाणु की आंतरिक संरचना और उसके द्वारा उत्सर्जित विकिरण के बीच गहन संबंध की सूचना दी। 1885 में, जोहान जैक्ब बाल्मर (1825–1898) ने आधारभूत परमाणु हाइड्रोजन द्वारा उत्सर्जित एक समूह रेखाओं की लंबाई देने वाली एक सरल अनुमानित सूत्र प्राप्त किया। चूँकि हाइड्रोजन ज्ञात तत्वों में से सरलतम है, इसलिए हम इस अध्याय में इसकी प्रकाश का विवरण देने की कोशिश करेंगे।

एर्न्स्ट रफरडल्फ (1871–1937), जे. जे. थोम्सन के पूर्व शोध विद्यार्थी, कुछ आपतकाशील तत्वों द्वारा उत्सर्जित $\alpha$-अणुओं पर प्रयोग में लगा रहा था। 1906 में, उन्होंने इन $\alpha$-अणुओं के परमाणु संरचना की जांच करने के लिए इनके झटकों का पाठ अध्ययन करने का एक क्लासिक प्रयोग प्रस्तुत किया। इस प्रयोग को 1911 के आसपास हान्स गाइजर (1882–1945) और एर्न्स्ट मार्सडेन (1889–1970, जो 20 वर्ष का एक विद्यार्थी था और अभी तक बैकलोर्स डिग्री प्राप्त नहीं की थी) ने किया। इसका विवरण 12.2 खंड में चर्चा की गई है। परिणामों की व्याख्या ने रफरडल्फ के परमाणु के ग्रहीय मॉडल (जिसे आधुनिक परमाणु मॉडल के रूप में भी जाना जाता है) की जन्मभूमि प्राप्त की। इसके अनुसार परमाणु का पूरा सकारात्मक चार्ज और परमाणु का अधिकांश द्रव्यमान एक छोटे आयतन में एकत्रित है जिसे परमाणु न्यूक्लियस कहा जाता है और इलेक्ट्रॉन न्यूक्लियस के चारों ओर चक्राकार गति में घूमते हैं जैसे ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं।

एर्न्स्ट रफरडल्फ (1871 – 1937)

एर्न्स्ट रफरडल्फ (1871 – 1937) न्यूजीलैंड के जन्मी, ब्रिटिश भौतिक विद्वान जिन्होंने आपतकाशील विकिरण पर प्रारंभिक काम किया। उन्होंने अल्फा-विकिरण और बीटा-विकिरण की खोज की। फेडरिक्स सॉड्डी के साथ, उन्होंने रेडियोधारक गतिविधि की आधुनिक सिद्धांत रची। उन्होंने थॉरियम के ‘एमानेशन’ का अध्ययन किया और रेडन के एक नए नववर्गीय गैस की खोज की, जिसे अब थॉरियन के रूप में जाना जाता है। धातु की छड़ से अल्फा-विकिरण के झटकों के माध्यम से, उन्होंने परमाणु न्यूक्लियस की खोज की और परमाणु के ग्रहीय मॉडल की प्रस्तावना की। उन्होंने न्यूक्लियस के आयाम का अनुमान लगाया।

रफरडल्फ का परमाणु का न्यूक्लियस मॉडल आज के परमाणु को कैसे देखना है के बारे में एक बड़ी कदम था। हालाँकि, यह मॉडल परमाणु के केवल निश्चित लंबाई के वाहक के कारण उत्सर्जित प्रकाश को स्पष्ट नहीं कर पाता था। एक ऐसे परमाणु के किस तरह से हाइड्रोजन, जिसमें एकल इलेक्ट्रॉन और एकल प्रोटॉन होते हैं, एक विशिष्ट लंबाई के प्रकाश का जटिल प्रकाश उत्सर्जन कर सकता है? परमाणु के ऐसे आदर्श चित्र में, इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन के चारों ओर घूमता है जैसे ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमता है। हालाँकि, हम देखेंगे कि ऐसे मॉडल को स्वीकार करने में कुछ गंभीर असर हो सकते हैं।

12.2 अल्फा-अणु झटका और रफरडल्फ का परमाणु का न्यूक्लियस मॉडल

एर्न्स्ट रफरडल्फ की सलाह पर, 1911 में, एच. गाइजर और ई. मार्सडेन ने कुछ प्रयोग किए। उनके एक प्रयोग में, जैसा कि

आकृति 12.1 में दिखाया गया है, उन्होंने $5.5 \mathrm{MeV} \alpha$-अणुओं की एक धारा को ${83}^{214} \mathrm{Bi}$ आपतकाशील स्रोत से एक पतली धातु की छड़ पर दिया। आकृति 12.2 इस प्रयोग का प्रारूपिक चित्र दर्शाता है। ${83}^{214} \mathrm{Bi}$ आपतकाशील स्रोत द्वारा उत्सर्जित अल्फा-अणु लेबल ब्रिज के माध्यम से अपने द्वारा एक सूक्ष्म धारा में संगठित किए गए थे। धारा को $2.1 \times 10^{-7} \mathrm{~m}$ की पतली सुनहरी छड़ पर छोड़ा गया। झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झटके द्वारा झट