परमाणु

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header1	Classification
data2	Smallest recognized division of a chemical element
header3	Properties
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data4	1.67×10^-27 to 4.52×10^-25 kg
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परमाणु (Atoms) रासायनिक तत्वों के मूल कण और पदार्थ की बुनियादी निर्माण इकाइयाँ हैं। एक परमाणु में प्रोटॉन और आमतौर पर न्यूट्रॉन का एक नाभिक होता है, जो विद्युतचुंबकीय रूप से बंधे हुए इलेक्ट्रॉनों के झुंड से घिरा होता है। रासायनिक तत्वों को उनके परमाणुओं में मौजूद प्रोटॉन की संख्या से एक-दूसरे से अलग पहचाना जाता है। उदाहरण के लिए, कोई भी परमाणु जिसमें 11 प्रोटॉन हैं, वह सोडियम है, और कोई भी परमाणु जिसमें 29 प्रोटॉन हैं, वह कॉपर है। समान संख्या में प्रोटॉन लेकिन अलग-अलग संख्या में न्यूट्रॉन वाले परमाणुओं को एक ही तत्व के आइसोटोप कहा जाता है।

परमाणु अत्यधिक छोटे होते हैं, आमतौर पर इनका व्यास लगभग 100 पिकोमीटर होता है। मानव बाल की मोटाई लगभग दस लाख कार्बन परमाणु चौड़ी होती है। परमाणु दृश्य प्रकाश की सबसे छोटी तरंग दैर्ध्य से भी छोटे होते हैं, जिसका अर्थ है कि मनुष्य पारंपरिक सूक्ष्मदर्शियों से परमाणुओं को नहीं देख सकता है। वे इतने छोटे हैं कि क्वांटम प्रभावों के कारण क्लासिकीय भौतिकी का उपयोग करके उनके व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी करना संभव नहीं है।

किसी परमाणु के द्रव्यमान का 99.94% से अधिक हिस्सा उसके नाभिक में होता है।^[1] प्रोटॉन पर धनात्मक विद्युत आवेश होता है और न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता है, इसलिए नाभिक धनात्मक रूप से आवेशित होता है। इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं, और यही विपरीत आवेश उन्हें नाभिक से बांधे रखता है। यदि प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान है, जैसा कि आमतौर पर होता है, तो संपूर्ण परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ (उदासीन) होता है। एक आवेशित परमाणु को आयन कहा जाता है। यदि किसी परमाणु में प्रोटॉन की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन हैं, तो उस पर कुल मिलाकर ऋणात्मक आवेश होता है और उसे ऋणात्मक आयन (या एनायन) कहा जाता है। इसके विपरीत, यदि इसमें इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक प्रोटॉन हैं, तो इस पर धनात्मक आवेश होता है और इसे धनात्मक आयन (या कैटायन) कहा जाता है।

किसी परमाणु के इलेक्ट्रॉन विद्युतचुंबकीय बल द्वारा परमाणु नाभिक में मौजूद प्रोटॉन की ओर आकर्षित होते हैं। नाभिक में मौजूद प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिकीय बल द्वारा एक-दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं। यह बल आमतौर पर उस विद्युतचुंबकीय बल से अधिक मजबूत होता है जो धनात्मक रूप से आवेशित प्रोटॉन को एक-दूसरे से दूर धकेलता (प्रतिकर्षित करता) है। कुछ निश्चित परिस्थितियों में, प्रतिकर्षित करने वाला विद्युतचुंबकीय बल नाभिकीय बल से अधिक मजबूत हो जाता है। ऐसे में, नाभिक विभाजित हो जाता है और अलग-अलग तत्व पीछे छोड़ जाता है। यह नाभिकीय क्षय का एक रूप है।

परमाणु रासायनिक बंध द्वारा एक या एक से अधिक अन्य परमाणुओं से जुड़कर रासायनिक यौगिक जैसे अणु या क्रिस्टल बना सकते हैं। परमाणुओं की एक-दूसरे से जुड़ने और अलग होने की क्षमता प्रकृति में देखे जाने वाले अधिकांश भौतिक परिवर्तनों के लिए जिम्मेदार है। रसायन विज्ञान वह विज्ञान है जो इन परिवर्तनों का अध्ययन करता है।

परमाणु सिद्धांत का इतिहास

মূল নিবন্ধ: History of atomic theory "परमाणु" (atom) शब्द प्राचीन यूनानी शब्द "एटमोस" (Atomos) से लिया गया है,^{[note 1]} जिसका अर्थ है "जिसे काटा न जा सके"। हालाँकि, यह प्राचीन विचार वैज्ञानिक तर्क के बजाय दार्शनिक तर्क पर आधारित था। आधुनिक परमाणु सिद्धांत इन पुरानी अवधारणाओं पर आधारित नहीं है।^[2]^[3] 19वीं सदी की शुरुआत में, वैज्ञानिक जॉन डाल्टन ने ऐसे प्रमाण पाए कि पदार्थ वास्तव में अलग-अलग इकाइयों से मिलकर बना है, और इसलिए उन्होंने उन इकाइयों के लिए "परमाणु" शब्द का प्रयोग किया।^[4]

दर्शनशास्त्र

মূল নিবন্ধ: Atomism

यह बुनियादी विचार कि पदार्थ छोटे-छोटे अविभाज्य कणों से बना है, कई प्राचीन संस्कृतियों में दिखाई देता है। ये प्राचीन विचार वैज्ञानिक प्रमाणों के बजाय दार्शनिक तर्क पर आधारित थे, और आधुनिक परमाणु सिद्धांत इन पुरानी अवधारणाओं पर आधारित नहीं है।^[2] फिर भी, "परमाणु" (atom) शब्द यूनानी दार्शनिकों ल्युसिपस और उनके शिष्य डेमोक्रिटस द्वारा प्रयुक्त शब्द "एटमोस" ("जिसे काटा न जा सके") से लिया गया है, जिन्होंने 5वीं शताब्दी ईसा पूर्व में इस विचार को विकसित किया था।^[5]^[2]

डाल्टन का गुणित अनुपात का नियम

1800 के दशक की शुरुआत में, जॉन डाल्टन ने अपने और अन्य वैज्ञानिकों द्वारा जुटाए गए प्रायोगिक डेटा को संकलित किया और एक पैटर्न की खोज की जिसे अब "गुणित अनुपात का नियम" (law of multiple proportions) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने देखा कि रासायनिक यौगिकों के किसी भी समूह में जिसमें दो विशेष रासायनिक तत्व होते हैं, तत्व B की प्रत्येक मात्रा के लिए तत्व A की मात्रा इन यौगिकों में छोटे पूर्ण संख्याओं के अनुपातों से भिन्न होगी। इस पैटर्न ने सुझाव दिया कि प्रत्येक तत्व वजन की एक मूल इकाई के गुणकों में अन्य तत्वों के साथ जुड़ता है, और प्रत्येक तत्व का वजन एक अद्वितीय इकाई होता है। डाल्टन ने इन इकाइयों को "परमाणु" कहना तय किया।^[6]

उदाहरण के लिए, टिन ऑक्साइड दो प्रकार के होते हैं: एक भूरा पाउडर है जो 88.1% टिन और 11.9% ऑक्सीजन है, और दूसरा सफेद पाउडर है जो 78.7% टिन और 21.3% ऑक्सीजन है। इन आंकड़ों को समायोजित करते हुए, भूरे पाउडर में प्रत्येक 100 ग्राम टिन के लिए लगभग 13.5 ग्राम ऑक्सीजन होती है, और सफेद पाउडर में प्रत्येक 100 ग्राम टिन के लिए लगभग 27 ग्राम ऑक्सीजन होती है। 13.5 और 27 मिलकर 1:2 का अनुपात बनाते हैं। डाल्टन ने निष्कर्ष निकाला कि भूरे ऑक्साइड में प्रत्येक टिन परमाणु के लिए ऑक्सीजन का एक परमाणु होता है, और सफेद ऑक्साइड में प्रत्येक टिन परमाणु के लिए ऑक्सीजन के दो परमाणु होते हैं (SnO और SnO₂)।^[7]^[8]

डाल्टन ने लौह ऑक्साइड (आइसन ऑक्साइड) का भी विश्लेषण किया। आयरन ऑक्साइड का एक प्रकार काला पाउडर है जो 78.1% आयरन और 21.9% ऑक्सीजन है; और दूसरा आयरन ऑक्साइड लाल पाउडर है जो 70.4% आयरन और 29.6% ऑक्सीजन है। इन आंकड़ों को समायोजित करते हुए, काले पाउडर में प्रत्येक 100 ग्राम आयरन के लिए लगभग 28 ग्राम ऑक्सीजन होती है, और लाल पाउडर में प्रत्येक 100 ग्राम आयरन के लिए लगभग 42 ग्राम ऑक्सीजन होती है। 28 और 42 मिलकर 2:3 का अनुपात बनाते हैं। डाल्टन ने निष्कर्ष निकाला कि इन ऑक्साइडों में, आयरन के प्रत्येक दो परमाणुओं के लिए, क्रमशः ऑक्सीजन के दो या तीन परमाणु होते हैं। इन पदार्थों को आज आयरन(II) ऑक्साइड और आयरन(III) ऑक्साइड के रूप में जाना जाता है, और उनके सूत्र क्रमशः FeO और Fe₂O₃ हैं। आयरन(II) ऑक्साइड का सूत्र आमतौर पर FeO के रूप में लिखा जाता है, लेकिन चूंकि यह एक क्रिस्टलीय पदार्थ है, इसलिए हम वैकल्पिक रूप से इसे Fe₂O₂ के रूप में लिख सकते हैं, और जब हम इसकी तुलना Fe₂O₃ से करते हैं, तो ऑक्सीजन का 2:3 अनुपात स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।^[9]^[10]

अंतिम उदाहरण के रूप में: नाइट्रस ऑक्साइड 63.3% नाइट्रोजन और 36.7% ऑक्सीजन है, नाइट्रिक ऑक्साइड 44.05% नाइट्रोजन और 55.95% ऑक्सीजन है, और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड 29.5% नाइट्रोजन और 70.5% ऑक्सीजन है। इन आंकड़ों को समायोजित करते हुए, नाइट्रस ऑक्साइड में प्रत्येक 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए 80 ग्राम ऑक्सीजन है, नाइट्रिक ऑक्साइड में प्रत्येक 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए लगभग 160 ग्राम ऑक्सीजन है, और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड में प्रत्येक 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए 320 ग्राम ऑक्सीजन है। 80, 160 और 320 मिलकर 1:2:4 का अनुपात बनाते हैं। इन ऑक्साइडों के संबंधित सूत्र N₂O, NO, और NO₂ हैं।^[11]^[12]

इलेक्ट्रॉन की खोज

1897 में, जे. जे. थॉमसन ने खोज की कि कैथोड किरणों को विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित किया जा सकता है, जिसका अर्थ था कि कैथोड किरणें प्रकाश का कोई रूप नहीं हैं बल्कि विद्युत रूप से आवेशित कणों से बनी हैं, और जिस दिशा में कण विक्षेपित हुए थे, उसके आधार पर उनका आवेश ऋणात्मक था।^[13] उन्होंने मापा कि ये कण हाइड्रोजन (सबसे हल्के परमाणु) से 1,700 गुना हल्के थे।^[14] उन्होंने इन नए कणों को कॉर्पसकल (corpuscles) कहा, लेकिन बाद में इनका नाम बदलकर इलेक्ट्रॉन कर दिया गया क्योंकि ये वे कण हैं जो बिजली ले जाते हैं।^[15] थॉमसन ने यह भी दिखाया कि इलेक्ट्रॉन फोटोइलेक्ट्रिक और रेडियोएक्टिव पदार्थों द्वारा उत्सर्जित कणों के समान थे।^[16] थॉमसन ने समझाया कि विद्युत धारा एक परमाणु से दूसरे परमाणु में इलेक्ट्रॉनों का गुजरना है, और जब कोई धारा नहीं होती है तो इलेक्ट्रॉन खुद को परमाणुओं में एम्बेड कर लेते हैं। इसका मतलब यह था कि परमाणु उतने अविभाज्य नहीं थे जितना वैज्ञानिक सोचते थे। परमाणु इलेक्ट्रॉनों से बना था जिनके ऋणात्मक आवेश को विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु बनाने के लिए धनात्मक आवेश के कुछ स्रोत द्वारा संतुलित किया गया था। थॉमसन ने समझाया कि आयन, ऐसे परमाणु होने चाहिए जिनमें इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या कमी हो।^[17]

नाभिक की खोज

মূল নিবন্ধ: Rutherford scattering experiments

परमाणु में इलेक्ट्रॉनों को तार्किक रूप से एक समान मात्रा में धनात्मक आवेश द्वारा संतुलित किया जाना था, लेकिन थॉमसन को कोई अंदाजा नहीं था कि यह धनात्मक आवेश कहाँ से आया है, इसलिए उन्होंने अस्थायी रूप से प्रस्ताव दिया कि यह परमाणु में हर जगह है, और परमाणु एक गोले के आकार का है। उपलब्ध साक्ष्य, या उसकी कमी को फिट करने के लिए यह गणितीय रूप से सबसे सरल परिकल्पना थी। इसके बाद, थॉमसन ने कल्पना की कि इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों का संतुलन गोले में इलेक्ट्रॉनों को कमोबेश समान तरीके से वितरित करेगा।^[18] थॉमसन के मॉडल को लोकप्रिय रूप से प्लम पुडिंग मॉडल के रूप में जाना जाता है, हालांकि न तो थॉमसन और न ही उनके सहयोगियों ने इस सादृश्य का उपयोग किया था।^[19] थॉमसन का मॉडल अधूरा था, यह तत्वों के किसी अन्य गुणों जैसे उत्सर्जन स्पेक्ट्रा और संयोजकता की भविष्यवाणी करने में असमर्थ था। परमाणु नाभिक की खोज से यह जल्द ही पुराना हो गया।

1908 और 1913 के बीच, अर्नेस्ट रदरफोर्ड और उनके सहयोगियों हांस गाइगर और अर्नेस्ट मार्सडन ने कई प्रयोग किए जिनमें उन्होंने अल्फा कण की एक बीम से धातु की पतली पन्नी पर बमबारी की। उन्होंने अल्फा कणों के प्रकीर्णन पैटर्न को मापने के लिए ऐसा किया। उन्होंने देखा कि कम संख्या में अल्फा कण 90° से अधिक के कोणों से विक्षेपित हो रहे हैं। परमाणु के थॉमसन मॉडल के अनुसार यह संभव नहीं होना चाहिए था, जिसके आवेश एक मजबूत विद्युत क्षेत्र का उत्पादन करने के लिए बहुत विसरित (फैले हुए) थे। विक्षेपण नगण्य होना चाहिए था। रदरफोर्ड ने प्रस्ताव दिया कि परमाणु का धनात्मक आवेश परमाणु के केंद्र में एक छोटे से आयतन में संकेंद्रित है और इलेक्ट्रॉन इस नाभिक को एक विसरित बादल में घेरे हुए हैं। इस नाभिक में परमाणु का लगभग सारा द्रव्यमान था। उच्च द्रव्यमान द्वारा लंगर डाले गए आवेश की ऐसी तीव्र सांद्रता ही एक ऐसा विद्युत क्षेत्र उत्पन्न कर सकती थी जो अल्फा कणों को इतनी強く (मजबूती से) विक्षेपित कर सके।^[20]

बोहर मॉडल

মূল নিবন্ধ: Bohr model

चिरसम्मत भौतिकी (क्लासिकीय भौतिकी) में एक समस्या यह है कि एक त्वरित आवेशित कण विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करता है, जिससे कण अपनी गतिज ऊर्जा खो देता है। वृत्ताकार गति को त्वरण माना जाता है, जिसका अर्थ है कि केंद्रीय आवेश की परिक्रमा करने वाले एक इलेक्ट्रॉन को गति कम होने पर उस नाभिक में सर्पिल रूप से नीचे गिर जाना चाहिए। 1913 में, भौतिक विज्ञानी नील्स बोहर ने एक नया मॉडल प्रस्तावित किया जिसमें यह माना गया कि परमाणु के इलेक्ट्रॉन नाभिक की परिक्रमा करते हैं लेकिन केवल कक्षाओं के एक परिमित सेट में ऐसा कर सकते हैं, और फोटॉन के अवशोषण या विकिरण से मेल खाने वाले ऊर्जा के अलग-अलग परिवर्तनों में ही इन कक्षाओं के बीच कूद सकते हैं।^[21] इस मात्रा निर्धारण (क्वांटाइजेशन) का उपयोग यह समझाने के लिए किया गया था कि इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएं स्थिर क्यों हैं और तत्व अलग-अलग स्पेक्ट्रा में विद्युतचुंबकीय विकिरण को क्यों अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं।^[22] बोहर का मॉडल केवल हाइड्रोजन के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा की भविष्यवाणी कर सकता था, एक से अधिक इलेक्ट्रॉन वाले परमाणुओं की नहीं।

प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की खोज

মূল নিবন্ধ: Atomic nucleus, Discovery of the neutron

1815 में, विलियम प्राउट ने देखा कि कई तत्वों के परमाणु भार हाइड्रोजन के परमाणु भार के गुणक थे, जो वास्तव में यदि कोई आसमोटॉप्स को ध्यान में रखे तो सभी के लिए सही है। 1898 में, जे. जे. थॉमसन ने पाया कि हाइड्रोजन आयन का धनात्मक आवेश एक इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश के बराबर होता है, और ये तब सबसे छोटे ज्ञात आवेशित कण थे।^[23] थॉमसन ने बाद में पाया कि परमाणु में धनात्मक आवेश एक इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश का धनात्मक गुणक होता है।^[24] 1913 में, हेनरी मोसले ने खोज की कि उत्तेजित परमाणु से एक्स-रे उत्सर्जन की आवृत्तियाँ इसके परमाणु संख्या और हाइड्रोजन के नाभिकीय आवेश का एक गणितीय फलन थीं। 1919 में, रदरफोर्ड ने नाइट्रोजन गैस पर अल्फा कणों की बौछार की और गैस से हाइड्रोजन आयनों को उत्सर्जित होते हुए पाया, और निष्कर्ष निकाला कि वे नाइट्रोजन परमाणुओं के नाभिक से टकराने और विभाजित होने वाले अल्फा कणों द्वारा उत्पादित किए गए थे।^[25]

इन अवलोकनों ने रदरफोर्ड को यह निष्कर्ष निकालने के लिए प्रेरित किया कि हाइड्रोजन नाभिक एक एकल कण है जिसका धनात्मक आवेश इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश के बराबर है।^[26] उन्होंने 1920 में इस कण का नाम "प्रोटॉन" रखा।^[27] परमाणु में प्रोटॉन की संख्या (जिसे रदरफोर्ड ने "परमाणु संख्या"^[28]^[29] कहा था) आवर्त सारणी पर तत्व की क्रमिक संख्या के बराबर पाई गई और इसलिए तत्वों को एक-दूसरे से अलग करने का एक सरल और स्पष्ट तरीका प्रदान किया। प्रत्येक तत्व का परमाणु भार उसके प्रोटॉन संख्या से अधिक होता है, इसलिए रदरफोर्ड ने परिकल्पना की कि अतिरिक्त वजन बिना किसी विद्युत आवेश और प्रोटॉन के बराबर द्रव्यमान वाले अज्ञात कणों द्वारा ले जाया जाता है।

1928 में, वाल्टर बोथे ने देखा कि अल्फा कणों के साथ बमबारी किए जाने पर बेरिलियम ने एक अत्यधिक मर्मज्ञ, विद्युत रूप से तटस्थ विकिरण का उत्सर्जन किया। बाद में यह खोज की गई कि यह विकिरण पैराफिन मोम से हाइड्रोजन परमाणुओं को बाहर निकाल सकता है। शुरुआत में इसे उच्च-ऊर्जा गामा विकिरण माना गया था, क्योंकि गामा विकिरण का धातुओं में इलेक्ट्रॉनों पर समान प्रभाव पड़ता था, लेकिन जेम्स चैविक ने पाया कि आयनीकरण प्रभाव बहुत मजबूत था कि यह विद्युतचुंबकीय विकिरण के कारण हो सके, जब तक कि ऊर्जा और गति को परस्पर क्रिया में संरक्षित किया गया था। 1932 में, चैडविक ने हाइड्रोजन और नाइट्रोजन जैसे विभिन्न तत्वों को रहस्यमय "बेरिलियम विकिरण" के संपर्क में लाया, और पीछे हटने वाले आवेशित कणों की ऊर्जा को मापकर, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि विकिरण वास्तव में विद्युत रूप से तटस्थ कणों से बना है जो गामा किरण की तरह द्रव्यमानहीन नहीं हो सकते थे, बल्कि इसके बजाय प्रोटॉन के समान द्रव्यमान होना आवश्यक था। चैडविक ने अब इन कणों को रदरफोर्ड के न्यूट्रॉन के रूप में दावा किया।^[30]

वर्तमान सर्वसम्मत मॉडल

1925 में, वेर्नर हाइजेनबर्ग (Werner Heisenberg) ने क्वांटम यांत्रिकी (मैट्रिक्स मैकेनिक्स) का पहला सुसंगत गणितीय सूत्रीकरण प्रकाशित किया।^[31] इसके एक साल पहले, लुई द ब्रॉग्ली (Louis de Broglie) ने यह प्रस्ताव रखा था कि सभी कण कुछ हद तक तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं,^[32] और 1926 में इरविन श्रोडिंगर (Erwin Schrödinger) ने इस विचार का उपयोग करके श्रोडिंगर समीकरण (Schrödinger equation) विकसित किया, जो अंतरिक्ष में बिंदुओं के बजाय इलेक्ट्रॉनों का वर्णन त्रि-आयामी तरंग रूप (waveforms) के रूप में करता है।^[33] कणों का वर्णन करने के लिए तरंग रूपों का उपयोग करने का एक परिणाम यह है कि किसी दिए गए समय पर किसी कण की स्थिति (position) और संवेग (momentum) दोनों के लिए सटीक मान प्राप्त करना गणितीय रूप से असंभव है। इसे अनिश्चितता सिद्धांत (uncertainty principle) के रूप में जाना गया, जिसे 1927 में वेर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा तैयार किया गया था।^[31] इस अवधारणा में, स्थिति को मापने में एक निश्चित सटीकता के लिए संवेग के केवल संभावित मानों की एक सीमा (range) ही प्राप्त की जा सकती थी, और इसके विपरीत स्थिति में भी यही लागू होता था।^[34] इस प्रकार, परमाणु के ग्रहीय मॉडल को त्याग दिया गया और इसके स्थान पर उस मॉडल को अपनाया गया जिसने नाभिक के चारों ओर परमाणु कक्षक (atomic orbital) क्षेत्रों का वर्णन किया जहाँ किसी दिए गए इलेक्ट्रॉन के पाए जाने की सबसे अधिक संभावना होती है।^[35]^[36] यह मॉडल परमाणु व्यवहार के उन प्रेक्षणों को समझाने में सक्षम था जिन्हें पिछले मॉडल नहीं समझा सके थे, जैसे कि हाइड्रोजन से बड़े परमाणुओं की कुछ संरचनात्मक और वर्णक्रमीय (spectral) पैटर्न।

संरचना

उपपरमाणु कण

মূল নিবন্ধ: Subatomic particle

यद्यपि 'परमाणु' (atom) शब्द मूल रूप से ऐसे कण को दर्शाता था जिसे छोटे कणों में काटा नहीं जा सके, आधुनिक वैज्ञानिक उपयोग में परमाणु विभिन्न उपपरमाणु कण (subatomic particles) से मिलकर बना होता है। परमाणु के घटक कण इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूटron (नट्रॉन) हैं।

इलेक्ट्रॉन इन सभी कणों में सबसे कम द्रव्यमान वाला होता है जो चार कोटि की परिमाण (four orders of magnitude) से 9.11×10^-31 kg है, जिस पर ऋणात्मक विद्युत आवेश होता है और जिसका आकार इतना छोटा होता है कि उपलब्ध तकनीकों का उपयोग करके इसे मापा नहीं जा सकता है।^[37] यह धनात्मक विश्राम द्रव्यमान (positive rest mass) वाला मापा गया सबसे हल्का कण था, जब तक कि न्यूट्रिनो द्रव्यमान की खोज नहीं हुई थी। सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन विपरीत विद्युत आवेशों द्वारा उत्पन्न आकर्षण बल के माध्यम से धनात्मक रूप से आवेशित नाभिक से बंधे होते हैं। इलेक्ट्रॉनों को 19वीं सदी के उत्तरार्ध से जाना जाता है, जिसका श्रेय मुख्य रूप से जे. जे. थॉमस (J. J. Thomson) को जाता है; विवरण के लिए उपपरमाणु भौतिकी का इतिहास (history of subatomic physics) देखें।

प्रोटॉन पर धनात्मक आवेश होता है और इसका द्रव्यमान 1.6726×10^-27 kg होता है। परमाणु में प्रोटॉन की संख्या को उसकी परमाणु क्रमांक (atomic number) कहा जाता है। अर्नेस्ट रदरफोर्ड (1919) ने देखा कि अल्फा-कणों की बमबारी के तहत नाइट्रोजन ऐसे कण उत्सर्जित करता है जो हाइड्रोजन के नाभिक जैसे प्रतीत होते हैं। 1920 तक, उन्होंने यह स्वीकार कर लिया था कि हाइड्रोजन नाभिक परमाणु के भीतर एक अलग कण है और इसका नाम प्रोटॉन रखा।

न्यूट्रॉन पर कोई विद्युत आवेश नहीं होता है और इसका द्रव्यमान 1.6749×10^-27 kg होता है।^[38]^[39] न्यूट्रॉन तीनों घटक कणों में सबसे भारी हैं, लेकिन नाभिकीय बंधन ऊर्जा (nuclear binding energy) द्वारा उनका द्रव्यमान कम किया जा सकता है। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन (जिन्हें सामूहिक रूप से नुक्य्लिऑन/न्यूक्लियॉन (nucleons) कहा जाता है) के आयाम तुलनीय हैं — 2.5×10^-15 m के क्रम के — हालाँकि इन कणों की 'सतह' को स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं किया गया है।^[40] न्यूट्रॉन की खोज 1932 में अंग्रेजी भौतिकবিদ जेम्स चैडविक द्वारा की गई थी।

भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) में, इलेक्ट्रॉन वास्तव में बिना किसी आंतरिक संरचना वाले प्राथमिक कण (elementary particles) हैं, जबकि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन संयुक्त कण (composite particles) हैं जो क्मार्क (quarks) नामक प्राथमिक कण (elementary particles) से बने हैं। परमाणुओं में दो प्रकार के क्वार्क होते हैं, जिनमें से प्रत्येक का भिन्नात्मक विद्युत आवेश (fractional electric charge) होता है। प्रोटॉन दो अप क्वार्क (प्रत्येक आवेश +2/3 के साथ) और एक डाउन क्वार्क (−1/3 के आवेश के साथ) से बने होते हैं। न्यूट्रॉन में एक अप क्वार्क और दो डाउन क्वार्क होते हैं। यह अंतर दोनों कणों के बीच द्रव्यमान और आवेश के अंतर को स्पष्ट करता है।^[41]^[42]

क्वा्र्क प्रबल अंतर्क्रिया (strong interaction या प्रबल बल) द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जो ग्लूऑन (gluons) द्वारा मध्यस्थता (mediated) होती है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, बदले में, नाभिक में नाभिकीय बल (nuclear force) द्वारा एक-दूसरे से बंधे होते हैं, जो प्रबल बल का एक अवशेष (residuum) है जिसकी सीमा-गुण कुछ अलग हैं (अधिक जानकारी के लिए नाभिकीय बल पर लेख देखें)। ग्लूऑन गेज बोसॉन (gauge boson) परिवार का सदस्य है, जो प्राथमिक कण हैं जो भौतिक बलों की मध्यस्थता करते हैं।^[41]^[42]

नाभिक

মূল নিবন্ধ: Atomic nucleus

एक परमाणु में सभी बंधे हुए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मिलकर एक छोटा परमाणु नाभिक (atomic nucleus) बनाते हैं, और सामूहिक रूप से न्यूक्लियॉन (nucleons) कहलाते हैं। हाइड्रोजन से शुरू होकर यूरेनियम पर समाप्त होने वाले नाभिक की त्रिज्या 2 से 7 फेमटोमीटर (femtometres) तक होती है। त्रिज्या $\sqrt[3]{A}$ के साथ मापी जाती है जहाँ $A$ न्यूक्लियनों की कुल संख्या है।^[43] यह परमाणु की त्रिज्या से बहुत छोटा है, जो 10⁵ fm के क्रम की होती है। न्यूक्लियॉन अल्प-परास वाले आकर्षक विभव (short-ranged attractive potential) द्वारा एक साथ बंधे होते हैं जिसे अवशिष्ट प्रबल बल (residual strong force) कहा जाता है। 2.5 fm से कम दूरियों पर यह बल स्थिरवैद्युत बल (electrostatic force) की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली होता है जो धनात्मक रूप से आवेशित प्रोटॉनों को एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करने का कारण बनता है।^[44]

एक ही तत्व (element) के परमाणुओं में प्रोटॉनों की संख्या समान होती है, जिसे परमाणु क्रमांक (atomic number) कहा जाता है। एक ही तत्व के भीतर, न्यूट्रॉन की संख्या भिन्न हो सकती है, जो उस तत्व के समस्थानिक (isotope) को निर्धारित करती है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की कुल संख्या न्यूट्रीड/नक्लाइड (nuclide) को निर्धारित करती है। प्रोटॉनों के सापेक्ष न्यूट्रॉन की संख्या नाभिक के स्थायित्व (stability) को निर्धारित करती है, जिसमें कुछ समस्थानिक रेडियोएक्टिव क्षय (radioactive decay) से गुजरते हैं।^[45]

प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रॉन को फर्मिऑन (fermions) के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। फर्मिऑन पावली अपवर्जन सिद्धांत (Pauli exclusion principle) का पालन करते हैं जो अभिन्न फर्मिऑन (जैसे कि कई प्रोटॉन) को एक ही समय में एक ही क्वांटम अवस्था पर कब्जा करने से रोकता है। इस प्रकार, नाभिक में प्रत्येक प्रोटॉन को अन्य सभी प्रोटॉनों से अलग क्वांटम अवस्था पर कब्जा करना चाहिए, और यही बात नाभिक के सभी न्यूट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन मेघ के सभी इलेक्ट्रॉनों पर भी लागू होती है।^[46]

एक नाभिक जिसमें प्रोटॉन की संख्या न्यूट्रॉन की संख्या से भिन्न होती है, रेडियोएक्टिव क्षय के माध्यम से संभावित रूप से निम्न ऊर्जा अवस्था में गिर सकता है जिससे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या अधिक निकटता से मेल खाती है। परिणामस्वरूप, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की मिलान संख्या वाले परमाणु क्षय के खिलाफ अधिक स्थिर होते हैं, लेकिन बढ़ते परमाणु क्रमांक के साथ, प्रोटॉन का पारस्परिक प्रतिकर्षणीय बल (mutual repulsion) नाभिक के स्थायित्व को बनाए रखने के लिए न्यूट्रॉन के बढ़ते अनुपात की मांग करता है।^[46]

परमाणु नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या को संशोधित किया जा सकता है, हालांकि प्रबल बल के कारण इसके लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता हो सकती है। नाभिकीय संलयन (Nuclear fusion) तब होता है जब कई परमाणु कण मिलकर एक भारी नाभिक बनाते हैं, जैसे कि दो नाभिकों की ऊर्जावान टक्कर के माध्यम से। उदाहरण के लिए, सूर्य के केंद्र में प्रोटॉन को अपने पारस्परिक प्रतिकर्षणीय बल—कूलॉम अवरोध (coulomb barrier)—को पार करने और एक ही नाभिक में संलयित होने के लिए 3 से 10 keV ऊर्जा की आवश्यकता होती है।^[47] नाभिकीय विखंडन (Nuclear fission) विपरीत प्रक्रिया है, जिसके कारण एक नाभिक दो छोटे नाभिकों में विभाजित हो जाता है—आमतौर पर रेडियोएक्टिव क्षय के माध्यम से। उच्च ऊर्जा वाले उपपरमाणु कणों या फोटॉनों द्वारा बमबारी के माध्यम से भी नाभिक को संशोधित किया जा सकता है। यदि यह नाभिक में प्रोटॉन की संख्या को संशोधित करता है, तो परमाणु एक अलग रासायनिक तत्व में बदल जाता है।^[48]^[49]

यदि संलयन प्रतिक्रिया के बाद नाभिक का द्रव्यमान अलग-अलग कणों के द्रव्यमान के योग से कम है, तो इन दो मूल्यों के बीच के अंतर को उपयोग योग्य ऊर्जा के एक प्रकार के रूप में उत्सर्जित किया जा सकता है (जैसे कि गामा किरण, या बीटा कण की गतिज ऊर्जा), जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता (mass–energy equivalence) सूत्र, E = mc² द्वारा वर्णित है, जहाँ m द्रव्यमान हानि है और c प्रकाश की गति है। यह घाटा नए नाभिक की बंधन ऊर्जा का हिस्सा है, और यह ऊर्जा का अप्राप्य नुकसान है जिसके कारण संलयित कण एक ऐसी स्थिति में एक साथ रहते हैं जिसके लिए अलग होने के लिए इस ऊर्जा की आवश्यकता होती है।^[50]

दो नाभिकों का संलयन जो लोहा और निकल की तुलना में कम परमाणु क्रमांक वाले बड़े नाभिक बनाते हैं—लगभग 60 की कुल न्यूक्लियॉन संख्या—आमतौर पर एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया (exothermic process) होती है जो उन्हें एक साथ लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा से अधिक ऊर्जा जारी करती है।^[51] यह ऊर्जा-विमोचन प्रक्रिया ही है जो तारों में नाभिकीय संलयन को एक स्व-संपोषित (self-sustaining) प्रतिक्रिया बनाती है। भारी नाभिकों के लिए, प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा कम होने लगती है। इसका मतलब यह है कि एक संलयन प्रक्रिया जो एक ऐसे नाभिक का उत्पादन करती है जिसका परमाणु क्रमांक लगभग 26 से अधिक है, और द्रव्यमान संख्या लगभग 60 से अधिक है, एक ऊष्माशोषी प्रक्रिया (endothermic process) है। इस प्रकार, अधिक भारी नाभिक ऊर्जा-उत्पादक संलयन प्रतिक्रिया से नहीं गुजर सकते हैं जो एक तारे के हाइड्रोस्टेटिक संतुलन (hydrostatic equilibrium) को बनाए रख सके।^[46]

इलेक्ट्रॉन मेघ (Electron cloud)

মূল নিবন্ধ: Electron configuration, Electron shell, Atomic orbital আরও দেখুন: Electronegativity परमाणु में इलेक्ट्रॉन विद्युतचुंबकीय बल द्वारा नाभिक में प्रोटॉनों की ओर आकर्षित होते हैं। यह बल छोटे नाभिक को घेरने वाले स्थिरवैद्युत (electrostatic) विभव कूप (potential well) के भीतर इलेक्ट्रॉनों को बांधता है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन को भागने के लिए ऊर्जा के बाहरी स्रोत की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉन नाभिक के जितना करीब होता है, आकर्षण बल उतना ही अधिक होता है। इसलिए विभव कूप के केंद्र के पास बंधे इलेक्ट्रॉनों को दूर के इलेक्ट्रॉनों की तुलना में भागने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रॉन, अन्य कणों की तरह, तरंग-कण द्वैत (wave–particle duality) दोनों के गुण रखते हैं। इलेक्ट्रॉन मेघ विभव कूप के अंदर का वह क्षेत्र है जहाँ प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक प्रकार की त्रि-आयामी स्थिर तरंग (standing wave)—एक तरंग रूप जो नाभिक के सापेक्ष नहीं चलती है—बनाता है। इस व्यवहार को परमाणु कक्षक (atomic orbital) द्वारा परिभाषित किया जाता है, जो एक गणितीय फलन है जो इस संभावना को चित्रित करता है कि जब इसकी स्थिति को मापा जाता है तो एक इलेक्ट्रॉन किसी विशेष स्थान पर दिखाई देता है।^[52] नाभिक के चारों ओर इन कक्षकों का केवल एक असतत (या क्वांटित) समूह मौजूद होता है, क्योंकि अन्य संभावित तरंग पैटर्न अधिक स्थिर रूप में तेज़ी से क्षय हो जाते हैं।^[53] कक्षकों में एक या एक से अधिक वलय या नोड संरचनाएँ हो सकती हैं, और आकार, आकृति तथा अभिविन्यास में एक-दूसरे से भिन्न होते हैं।^[54]

प्रत्येक परमाणु कक्षक इलेक्ट्रॉन के एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर (energy level) से मेल खाता है। इलेक्ट्रॉन नए क्वांटम अवस्था में इसे बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त ऊर्जा वाले फोटॉन को अवशोषित करके अपनी अवस्था को उच्च ऊर्जा स्तर में बदल सकता है। इसी तरह, स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन (spontaneous emission) के माध्यम से, उच्च ऊर्जा अवस्था में एक इलेक्ट्रॉन अतिरिक्त ऊर्जा को फोटॉन के रूप में विकीर्ण करते हुए निम्न ऊर्जा अवस्था में गिर सकता है। क्वांटम अवस्थाओं की ऊर्जाओं में अंतर द्वारा परिभाषित ये विशिष्ट ऊर्जा मान, परमाणु वर्णक्रमीय रेखाओं (atomic spectral lines) के लिए जिम्मेदार हैं।^[53]

इलेक्ट्रॉन को हटाने या जोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा—इलेक्ट्रॉन बंधन ऊर्जा—न्यूक्लियनों की बंधन ऊर्जा से बहुत कम है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन परमाणु से भू-अवस्था (ground-state) इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए केवल 13.6 eV की आवश्यकता होती है,^[55] जबकि ड्यूटेरियम नाभिक को विभाजित करने के लिए 2.23 मिलियन eV की आवश्यकता होती है।^[56] यदि परमाणुओं में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान हो तो वे विद्युत रूप से उदासीन होते हैं। जिन परमाणुओं में या तो कमी होती है या इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, उन्हें आयन (ions) कहा जाता है। नाभिक से सबसे दूर के इलेक्ट्रॉनों को अन्य निकटवर्ती परमाणुओं में स्थानांतरित किया जा सकता है या परमाणुओं के बीच साझा किया जा सकता है। इस तंत्र द्वारा, परमाणु अणु (molecules) और आयनिक तथा सहसंयोजक नेटवर्क क्रिस्टल जैसे अन्य प्रकार के रासायनिक यौगिकों में बंधने में सक्षम होते हैं।^[57]

गुणधर्म

नाभिकीय गुणधर्म

মূল নিবন্ধ: Isotope, Stable isotope, List of nuclides, List of elements by stability of isotopes

परिभाषा के अनुसार, उनके नाभिक में 'प्रोटॉन' की समान संख्या वाले कोई भी दो परमाणु एक ही रासायनिक तत्व से संबंधित हैं। समान संख्या में प्रोटॉन लेकिन 'न्यूट्रॉन' की अलग संख्या वाले परमाणु एक ही तत्व के अलग-अलग समस्थानिक होते हैं। उदाहरण के लिए, सभी हाइड्रोजन परमाणु ठीक एक प्रोटॉन स्वीकार करते हैं, लेकिन बिना न्यूट्रॉन (हाइड्रोजन-1, अब तक का सबसे सामान्य रूप,^[58] जिसे प्रोटियम भी कहा जाता है), एक न्यूट्रॉन (ड्यूटेरियम), दो न्यूट्रॉन (ट्रिटियम) और दो से अधिक न्यूट्रॉन वाले समस्थानिक मौजूद हैं। ज्ञात तत्व एकल-प्रोटॉन तत्व हाइड्रोजन से लेकर 118-प्रोटॉन तत्व ओगनेसन तक परमाणु क्रमांकों का एक सेट बनाते हैं।^[59] 82 से अधिक परमाणु क्रमांक वाले तत्वों के सभी ज्ञात समस्थानिक रेडियोएक्टिव हैं, हालांकि तत्व 83 (बिस्मथ) की रेडियोधर्मिता इतनी कम है कि इसे व्यावहारिक रूप से नगण्य माना जा सकता है।^[60]^[61]

पृथ्वी पर लगभग 339 न्यूक्लाइड प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं,^[62] जिनमें से 251 (लगभग 74%) क्षय होते हुए नहीं देखे गए हैं, और उन्हें "स्थिर समस्थानिक" (stable isotopes) कहा जाता है। केवल 90 न्यूक्लाइड सैद्धांतिक रूप से स्थिर हैं, जबकि अन्य 161 (कुल 251 लाते हुए) को क्षय होते हुए नहीं देखा गया है, भले ही सिद्धांत रूप में यह ऊर्जा की दृष्टि से संभव है। इन्हें औपचारिक रूप से "स्थिर" के रूप में भी वर्गीकृत किया गया है। अतिरिक्त 35 रेडियोएक्टिव न्यूक्लाइड की अर्द्ध-आयु (half-lives) 100 मिलियन वर्ष से अधिक है, और वे सौर मंडल के जन्म के समय से मौजूद रहने के लिए पर्याप्त लंबे समय तक जीवित हैं। न्यूक्लाइड के इस संग्रह को आदिम न्यूक्लाइड (primordial nuclides) के रूप में जाना जाता है। अंत में, अतिरिक्त 53 अल्पकालिक न्यूक्लाइड प्राकृतिक रूप से होने के लिए जाने जाते हैं, जो आदिम न्यूक्लाइड क्षय के पुत्री उत्पादों (जैसे यूरेनियम से रेडियम) के रूप में, या पृथ्वी पर प्राकृतिक ऊर्जावान प्रक्रियाओं के उत्पादों के रूप में, जैसे कि कॉस्मिक किरण बमबारी (उदाहरण के लिए, कार्बन-14)।^[63]^{[note 2]}

80 रासायनिक तत्वों के लिए, कम से कम एक स्थिर समस्थानिक मौजूद है। एक नियम के रूप में, इनमें से प्रत्येक तत्व के लिए केवल मुट्ठी भर स्थिर समस्थानिक हैं, औसत प्रति तत्व 3.1 स्थिर समस्थानिक हैं। छब्बीस "मोनोआइसोटोपिक तत्वों" (monoisotopic elements) में केवल एक ही स्थिर समस्थानिक होता है, जबकि किसी भी तत्व के लिए देखे गए स्थिर समस्थानिकों की सबसे बड़ी संख्या दस है, जो टिन तत्व के लिए है। तत्व 43, 61, और 83 या उससे अधिक संख्या वाले सभी तत्वों का कोई स्थिर समस्थानिक नहीं है।^[64]1–12

समस्थानिकों का स्थायित्व प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अनुपात से प्रभावित होता है, और न्यूट्रॉन या प्रोटॉन की कुछ "जादुई संख्याओं" (magic numbers) की उपस्थिति से भी प्रभावित होता है जो बंद और भरी हुई क्वांटम शेल (quantum shells) का प्रतिनिधित्व करती हैं। ये क्वांटम शेल नाभिक के नाभिकीय शेल मॉडल (shell model) के भीतर ऊर्जा स्तरों के एक सेट से मेल खाती हैं; भरी हुई शेल, जैसे टिन के लिए 50 प्रोटॉन की भरी हुई शेल, न्यूक्लाइड को असामान्य स्थायित्व प्रदान करती है। ज्ञात 251 स्थिर न्यूक्लाइडों में से, केवल चार में प्रोटॉन की विषम संख्या और न्यूट्रॉन की विषम संख्या दोनों हैं: हाइड्रोजन-2 (ड्यूटेरियम), लिथियम-6, बोरॉन-10, और नाइट्रोजन-14। (टैंटलम-180एम (Tantalum-180m) विषम-विषम और अवलोकनीय रूप से स्थिर है, लेकिन एक बहुत लंबी अर्द्ध-आयु के साथ क्षय होने का अनुमान है।) इसके अलावा, केवल चार स्वाभाविक रूप से होने वाले, रेडियोएक्टिव विषम-विषम न्यूक्लाइड की अर्द्ध-आयु एक अरब वर्ष से अधिक है: पोटैशियम-40, वेनेडियम-50, लैंथेनम-138, और लुटेटियम-176। अधिकांश विषम-विषम नाभिक बीटा क्षय के संबंध में अत्यधिक अस्थिर हैं, क्योंकि क्षय उत्पाद सम-सम हैं, और इसलिए नाभिकीय युग्मन प्रभावों (nuclear pairing effects) के कारण अधिक मजबूती से बंधे होते हैं।^[65]

द्रव्यमान

মূল নিবন্ধ: Atomic mass, mass number

परमाणु के द्रव्यमान का एक बड़ा बहुमत प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से आता है जो इसे बनाते हैं। किसी दिए गए परमाणु में इन कणों की कुल संख्या (जिन्हें "न्यूक्लियॉन" कहा जाता है) को द्रव्यमान संख्या (mass number) कहा जाता है। यह एक धनात्मक पूर्णांक और विरहित (dimensionless) है (द्रव्यमान की विमा होने के बजाय), क्योंकि यह एक गिनती को व्यक्त करता है। द्रव्यमान संख्या के उपयोग का एक उदाहरण "कार्बन-12" है, जिसमें 12 न्यूक्लियॉन (छह प्रोटॉन और छह न्यूट्रॉन) होते हैं।

विश्राम अवस्था में किसी परमाणु का वास्तविक द्रव्यमान अक्सर डाल्टन (Da) में व्यक्त किया जाता है, जिसे एकीकृत परमाणु द्रव्यमान इकाई (u) भी कहा जाता है। इस इकाई को कार्बन-12 के एक मुक्त उदासीन परमाणु के द्रव्यमान के बारहवें हिस्से के रूप में परिभाषित किया गया है, जो लगभग 1.66×10^-27 kg है।^[66] हाइड्रोजन-1 (हाइड्रोजन का सबसे हल्का समस्थानिक जो सबसे कम द्रव्यमान वाला न्यूक्लाइड भी है) का परमाणु भार 1.007825 Da होता है।^[67] इस संख्या के मान को परमाणु द्रव्यमान (atomic mass) कहा जाता है। किसी दिए गए परमाणु का परमाणु द्रव्यमान उसकी द्रव्यमान संख्या गुना डाल्टन के लगभग बराबर (1% के भीतर) होता है (उदाहरण के लिए नाइट्रोजन-14 का द्रव्यमान लगभग 14 Da है), लेकिन यह संख्या कार्बन-12 के मामले में (परिभाषा के अनुसार) को छोड़कर बिल्कुल पूर्णांक नहीं होगी।^[68] सबसे भारी स्थिर परमाणु लेड-208 है,^[60] जिसका द्रव्यमान 207.9766521 Da है।^[69]

चूँकि सबसे भारी परमाणु भी सीधे तौर पर काम करने के लिए बहुत हल्के होते हैं, इसलिए रसायनज्ञ इसके बजाय मोल (moles) की इकाई का उपयोग करते हैं। किसी भी तत्व के परमाणुओं के एक मोल में हमेशा परमाणुओं की समान संख्या होती है (लगभग 6.022×10^23)। इस संख्या को इसलिए चुना गया था ताकि यदि किसी तत्व का परमाणु द्रव्यमान 1 u है, तो उस तत्व के परमाणुओं के एक मोल का द्रव्यमान एक ग्राम के करीब हो। डाल्टन की परिभाषा के कारण, प्रत्येक कार्बन-12 परमाणु का परमाणु द्रव्यमान ठीक 12 Da होता है, और इसलिए कार्बन-12 परमाणुओं का एक मोल ठीक 0.012 kg वजन का होता है।^[66]

आकार और आकृति

মূল নিবন্ধ: Atomic radius

परमाणुओं की कोई निश्चित बाहरी सीमा नहीं होती है, इसलिए उनके आयामों का वर्णन आमतौर पर परमाणु त्रिज्या (atomic radius) के संदर्भ में किया जाता है। यह उस दूरी का माप है जहाँ तक इलेक्ट्रॉन अभ्र (electron cloud) नाभिक से बाहर की ओर फैला होता है।^[70] इसमें यह माना जाता है कि परमाणु गोलीय (spherical) आकार प्रदर्शित करता है, जो कि केवल निर्वात (vacuum) या मुक्त अंतरिक्ष में मौजूद परमाणुओं के लिए ही सही होता है। परमाणु त्रिज्या को दो नाभिकों के बीच की दूरियों से प्राप्त किया जा सकता है जब दो परमाणु किसी रासायनिक बंधन (chemical bond) में जुड़े होते हैं। यह त्रिज्या परमाणु चार्ट पर परमाणु की स्थिति, रासायनिक बंधन के प्रकार, पड़ोसी परमाणुओं की संख्या (coordination number) और एक क्वांटम यांत्रिक (quantum mechanical) गुण जिसे प्रचक्रण (spin) कहा जाता है, के साथ बदलती रहती है।^[71] तत्वों की आवर्त सारणी (periodic table) पर, जब कॉलम में नीचे की ओर बढ़ते हैं तो परमाणु का आकार बढ़ने की प्रवृत्ति होती है, लेकिन जब पंक्तियों में (बाएँ से दाएँ) पार करते हैं तो यह घटता है।^[72] परिणामस्वरूप, सबसे छोटा परमाणु हीलिियम (helium) है जिसकी त्रिज्या 32 pm है, जबकि सबसे बड़े परमाणुओं में से एक सीजियम (caesium) है जिसकी त्रिज्या 225 pm है।^[73]

जब बाहरी बलों, जैसे विद्युत क्षेत्र (electrical fields) के अधीन किया जाता है, तो परमाणु का आकार गोलीय समरूपता (spherical symmetry) से विचलित हो सकता है। समूह-सैद्धांतिक (group-theoretical) विचारों से यह पता चलता है कि यह विकृति क्षेत्र के परिमाण और बाहरी आवरण के इलेक्ट्रॉनों के कक्षक (orbital) प्रकार पर निर्भर करती है। असमान गोलीय विचलन (aspherical deviations) उदाहरण के लिए क्रिस्टल में उत्पन्न हो सकते हैं, जहाँ निम्न-समरूपता (low-symmetry) वाले जालक स्थलों (lattice sites) पर बड़े क्रिस्टल-विद्युत क्षेत्र उत्पन्न हो सकते हैं।^[74]^[75] यह दर्शाया गया है कि पाइराइट-प्रकार के यौगिकों में सल्फर आयनों^[76] और चैलकोजन आयनों^[77] के लिए महत्वपूर्ण अण्डाकार (ellipsoidal) विकृतियाँ होती हैं।

परमाणु के आयाम प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (400–700 nm) से हजारों गुना छोटे होते हैं इसलिए उन्हें प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी (optical microscope) का उपयोग करके नहीं देखा जा सकता है, हालांकि व्यक्तिगत परमाणुओं को स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (scanning tunneling microscope) का उपयोग करके देखा जा सकता है। परमाणु की सूक्ष्मता की कल्पना करने के लिए, विचार करें कि मानव का एक सामान्य बाल चौड़ाई में लगभग 10 लाख कार्बन परमाणुओं के बराबर होता है।^[78] पानी की एक बूंद में ऑक्सीजन के लगभग 2 सेक्सटिलियन (2×10^21) परमाणु होते हैं, और हाइड्रोजन के इससे दोगुने परमाणु होते हैं।^[79] 2×10^-4 kg द्रव्यमान वाला एक एकल कैरेट हीरा (diamond) लगभग 10 सेक्सटिलियन (10²²) कार्बन परमाणु रखता है।^{[note 3]} यदि किसी सेब को पृथ्वी के आकार तक बड़ा कर दिया जाए, तो उस सेब के भीतर के परमाणु लगभग मूल सेब के आकार के होंगे।^[80]

रेडियोधर्मी क्षय

মূল নিবন্ধ: Radioactive decay

प्रत्येक तत्व में एक या एक से अधिक ऐसे समस्थानिक (isotopes) होते हैं जिनके नाभिक अस्थिर होते हैं और जो रेडियोधर्मी क्षय के अधीन होते हैं, जिससे नाभिक कणों या विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन करता है। रेडियोधर्मिता तब हो सकती है जब किसी नाभिक की त्रिज्या प्रबल बल की त्रिज्या की तुलना में बड़ी होती है, जो केवल 1 fm की कोटि की दूरियों पर कार्य करता है।^[81]

रेडियोधर्मी क्षय के सबसे सामान्य रूप हैं:^[82]^[83]

अल्फा क्षय (Alpha decay): यह प्रक्रिया तब होती है जब नाभिक एक अल्फा कण उत्सर्जित करता है, जो दो प्रोटॉनों और दो न्यूट्रॉनों से मिलकर बना एक हीलियम नाभिक होता है। इस उत्सर्जन का परिणाम कम परमाणु क्रमांक (atomic number) वाला एक नया तत्व होता है।
बीटा क्षय (Beta decay) (और इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण (electron capture)): ये प्रक्रियाएँ दुर्बल बल (weak force) द्वारा नियंत्रित होती हैं, और एक न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में, या एक प्रोटॉन के न्यूट्रॉन में परिवर्तन का परिणाम होती हैं। न्यूट्रॉन से प्रोटॉन का संक्रमण एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो (antineutrino) के उत्सर्जन के साथ होता है, जबकि प्रोटॉन से न्यूट्रॉन का संक्रमण (इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण को छोड़कर) एक पॉज़िट्रॉन (positron) और एक न्यूट्रिनो (neutrino) के उत्सर्जन का कारण बनता है। इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन के उत्सर्जन को बीटा कण कहा जाता है। बीटा क्षय नाभिक के परमाणु क्रमांक को एक से बढ़ा या घटा देता है। पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन की तुलना में इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण अधिक सामान्य है, क्योंकि इसमें कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस प्रकार के क्षय में, नाभिक से पॉज़िट्रॉन उत्सर्जित होने के बजाय एक इलेक्ट्रॉन को नाभिक द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। इस प्रक्रिया में अभी भी एक न्यूट्रिनो उत्सर्जित होता है, और एक प्रोटॉन न्यूट्रॉन में बदल जाता है।
गामा क्षय (Gamma decay): यह प्रक्रिया निम्नतर अवस्था में नाभिक के ऊर्जा स्तर में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होती है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन होता है। नाभिक की वह उत्तेजित अवस्था जिसके परिणामस्वरूप गामा उत्सर्जन होता है, आमतौर पर अल्फा या बीटा कण के उत्सर्जन के बाद होती है। इस प्रकार, गामा क्षय आमतौर पर अल्फा या बीटा क्षय के बाद होता है।

रेडियोधर्मी क्षय के अन्य अधिक दुर्लभ प्रकारों में नाभिक से न्यूट्रॉन या प्रोटॉन या न्युक्लियॉन (nucleon) के समूहों का निष्कासन, या एक से अधिक बीटा कण शामिल हैं। गामा उत्सर्जन का एक एनालॉग जो उत्तेजित नाभिक को एक अलग तरीके से ऊर्जा खोने की अनुमति देता है, वह है आंतरिक रूपांतरण (internal conversion)—एक ऐसी प्रक्रिया जो उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करती है जो बीटा किरणें नहीं होती हैं, जिसके बाद उच्च ऊर्जा वाले फोटॉनों का उत्पादन होता है जो गामा किरणें नहीं होती हैं। कुछ बड़े नाभिक विभिन्न द्रव्यमानों के दो या दो से अधिक आवेशित टुकड़ों और कई न्यूट्रोंनों में विस्फोटित हो जाते हैं, इस क्षय को स्वतःस्फूर्त नाभिकीय विखंडन (spontaneous nuclear fission) कहा जाता है।

प्रत्येक रेडियोधर्मी समस्थानिक में क्षय की एक विशिष्ट समयावधि होती है—जिसे अर्द्ध आयु (half-life) कहा जाता है—जो किसी नमूने के आधे हिस्से को क्षय होने में लगने वाले समय की मात्रा से निर्धारित होती है। यह एक चरघातांकी क्षय (exponential decay) प्रक्रिया है जो प्रत्येक अर्द्ध आयु में शेष समस्थानिक के अनुपात को लगातार 50% तक कम कर देती है। इसलिए दो अर्द्ध आयु बीत जाने के बाद समस्थानिक का केवल 25% हिस्सा ही मौजूद रहता है, और इसी प्रकार आगे भी होता है।^[81]

चुंबकीय आघूर्ण

মূল নিবন্ধ: Electron magnetic moment, Nuclear magnetic moment

प्राथमिक कणों में एक आंतरिक क्वांटम यांत्रिक गुण होता है जिसे प्रचक्रण (spin) कहा जाता है। यह किसी वस्तु के अपने द्रव्यमान केंद्र (center of mass) के चारों ओर घूमने वाले कोणीय संवेग (angular momentum) के समान है, हालांकि सख्ती से कहा जाए तो इन कणों को बिंदु-तुल्य (point-like) माना जाता है और इन्हें घूमते हुए नहीं कहा जा सकता है। प्रचक्रण को घ घटी हुई प्लांक स्थिरांक (ħ) की इकाइयों में मापा जाता है, जिसमें इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों सभी का प्रचक्रण 2 ħ, या "प्रचक्रण-2" होता है। किसी परमाणु में, नाभिक के चारों ओर गति करने वाले इलेक्ट्रॉनों में उनके प्रचक्रण के अलावा कक्षीय कोणीय संवेग भी होता है, जबकि नाभिक में स्वयं अपने नाभिकीय प्रचक्रण के कारण कोणीय संवेग होता है।^[84]

किसी परमाणु द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र—इसका चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment)—कोणीय संवेग के इन विभिन्न रूपों द्वारा निर्धारित किया जाता है, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमती हुई आवेशित वस्तु पारंपरिक रूप से एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, लेकिन सबसे प्रमुख योगदान इलेक्ट्रॉन प्रचक्रण से आता है। इलेक्ट्रॉनों की पाउलू अपवर्जन नियम (Pauli exclusion principle) का पालन करने की प्रवृत्ति के कारण, जिसमें कोई भी दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम अवस्था में नहीं पाए जा सकते हैं, बद्ध इलेक्ट्रॉन (bound electrons) एक-दूसरे के साथ युग्मित हो जाते हैं, जिसमें प्रत्येक युग्म का एक सदस्य स्पिन-अप अवस्था में और दूसरा इसके विपरीत, स्पिन-डाउन अवस्था में होता है। इस प्रकार ये प्रचक्रण एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं, जिससे कुछ सम संख्या वाले इलेक्ट्रॉनों वाले परमाणुओं में कुल चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण शून्य हो जाता है।^[85]

लोहचुंबकीय तत्वों जैसे लोहा, कोबाल्ट और निकल में, इलेक्ट्रॉनों की एक विषम संख्या (odd number) एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन और एक नेट समग्र चुंबकीय आघूर्ण की ओर ले जाती है। पड़ोसी परमाणुओं के कक्षक अतिव्याप्त (overlap) होते हैं और एक निचली ऊर्जा अवस्था प्राप्त होती है जब अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों के प्रचक्रण एक-दूसरे के साथ संरेखित होते हैं, यह एक स्वतःस्फूर्त प्रक्रिया है जिसे विनिमय अन्योन्यक्रिया (exchange interaction) के रूप में जाना जाता है। जब लोहचुंबकीय परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण पंक्तिबद्ध होते हैं, तो सामग्री एक मापने योग्य मैक्रोस्कोपिक क्षेत्र उत्पन्न कर सकती है। अनुचुंबकीय सामग्रियों (Paramagnetic materials) में ऐसे परमाणु होते हैं जिनके चुंबकीय आघूर्ण चुंबकीय क्षेत्र न होने पर यादृच्छिक दिशाओं में संरेखित होते हैं, लेकिन क्षेत्र की उपस्थिति में व्यक्तिगत परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण संरेखित हो जाते हैं।^[85]^[86]

किसी परमाणु के नाभिक में कोई प्रचक्रण नहीं होगा जब उसमें न्यूट्रॉन और प्रोटॉन दोनों की सम संख्याएँ हों, लेकिन विषम संख्याओं के अन्य मामलों के लिए, नाभिक में प्रचक्रण हो सकता है। सामान्यतः प्रचक्रण वाले नाभिक ऊष्मीय साम्यावस्था (thermal equilibrium) के कारण यादृच्छिक दिशाओं में संरेखित होते हैं, लेकिन कुछ तत्वों के लिए (जैसे क्सीनन-129) नाभिकीय प्रचक्रण अवस्थाओं के एक महत्वपूर्ण अनुपात को ध्रुवीकृत (polarize) करना संभव है ताकि वे एक ही दिशा में संरेखित हो जाएं—इस स्थिति को अतिध्रुवीकरण (hyperpolarization) कहा जाता है। इसके चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (magnetic resonance imaging) में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं।^[87]^[88]

ऊर्जा स्तर

परमाणु में किसी इलेक्ट्रॉन की स्थितिज ऊर्जा (potential energy) नाभिक से दूरी के अनंत तक जाने के सापेक्ष ऋणात्मक होती है; स्थितिज ऊर्जा की इलेक्ट्रॉन की स्थिति पर निर्भरता नाभिक के अंदर न्यूनतम तक पहुँचती है, जो लगभग दूरी के व्युत्क्रम अनुपात (inverse proportion) में होती है। क्वांटम-यांत्रिक मॉडल में, एक बद्ध इलेक्ट्रॉन नाभिक पर केंद्रित अवस्थाओं के केवल एक सेट पर अधिकार कर सकता है, और प्रत्येक अवस्था एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर से मेल खाती है; सैद्धांतिक स्पष्टीकरण के लिए समय-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण देखें। किसी ऊर्जा स्तर को परमाणु से इलेक्ट्रॉन को अबद्ध करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा द्वारा मापा जाता है, और इसे आमतौर पर इलेक्ट्रॉनवोल्ट (eV) की इकाइयों में दिया जाता है। बद्ध इलेक्ट्रॉन की सबसे कम ऊर्जा अवस्था को मूल अवस्था (ground state) कहा जाता है, यानी स्थिर अवस्था (stationary state), जबकि उच्च स्तर पर इलेक्ट्रॉन का संक्रमण एक उत्तेजित अवस्था (excited state) में परिणामित होता है।^[89] n के साथ इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा बढ़ती है क्योंकि नाभिक की (औसत) दूरी बढ़ती है। ऊर्जा की दिग्मंशीय क्वांटम संख्या पर निर्भरता नाभिक की स्थिरवैद्युत विभव (electrostatic potential) के कारण नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉनों के बीच अन्योन्यक्रिया के कारण होती है।

किसी इलेक्ट्रॉन के दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच संक्रमण करने के लिए, उदा. मूल अवस्था से प्रथम उत्तेजित अवस्था तक, इसे नील्स बोर (Niels Bohr) मॉडल के अनुसार, उन स्तरों की स्थितिज ऊर्जा के अंतर से मेल खाने वाली ऊर्जा पर एक फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करना होगा, जिसकी सटीक गणना श्रोडिंगर समीकरण द्वारा की जा सकती है। इलेक्ट्रॉन कण-जैसी शैली में कक्षकों के बीच छलांग लगाते हैं। उदाहरण के लिए, यदि कोई एकल फोटॉन इलेक्ट्रॉनों से टकराता है, तो फोटॉन के जवाब में केवल एक एकल इलेक्ट्रॉन अपनी अवस्था बदलता है; इलेक्ट्रॉन गुण देखें।

उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा उसकी आवृत्ति के समानुपाती होती है, इसलिए ये विशिष्ट ऊर्जा स्तर विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में अलग-अलग बैंड के रूप में दिखाई देते हैं।^[90] प्रत्येक तत्व का एक विशिष्ट स्पेक्ट्रम होता है जो नाभिकीय आवेश, इलेक्ट्रॉनों द्वारा भरे गए उपकोषों, इलेक्ट्रॉनों के बीच विद्युत चुम्बकीय अन्योन्यक्रियाओं और अन्य कारकों पर निर्भर कर सकता है।^[91]

जब ऊर्जा के एक सतत स्पेक्ट्रम को किसी गैस या प्लाज्मा से गुजारा जाता है, तो कुछ फोटॉन परमाणुओं द्वारा अवशोषित कर लिए जाते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन अपना ऊर्जा स्तर बदल लेते हैं। वे उत्तेजित इलेक्ट्रॉन जो अपने परमाणु से बंधे रहते हैं, इस ऊर्जा को एक फोटॉन के रूप में सहजता से उत्सर्जित करते हैं, जो एक यादृच्छिक दिशा में यात्रा करता है, और इस प्रकार कम ऊर्जा स्तरों पर वापस आ जाते हैं। इस प्रकार परमाणु एक फिल्टर की तरह व्यवहार करते हैं जो ऊर्जा आउटपुट में गहरे अवशोषण बैंड (absorption bands) की एक श्रृंखला बनाता है। पृष्ठभूमि में सतत स्पेक्ट्रम को शामिल न करने वाले दृष्टिकोण से परमाणुओं को देखने वाला एक प्रेक्षक, इसके बजाय परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित फोटॉनों से उत्सर्जन रेखाओं (emission lines) की एक श्रृंखला देखता है। परमाणु वर्णक्रमीय रेखाओं (atomic spectral lines) की शक्ति और चौड़ाई के स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप से किसी पदार्थ की संरचना और भौतिक गुणों को निर्धारित किया जा सकता है।^[92]

वर्णक्रमीय रेखाओं के बारीकी से परीक्षण से पता चलता है कि कुछ में सूक्ष्म संरचना (fine structure) विभाजन प्रदर्शित होता है। यह प्रचक्रण-कक्षा युग्मन (spin–orbit coupling) के कारण होता है, जो सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन के प्रचक्रण और गति के बीच की अन्योन्यक्रिया है।^[93] जब कोई परमाणु बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में होता है, तो वर्णक्रमीय रेखाएँ तीन या अधिक घटकों में विभाजित हो जाती हैं; इस घटना को ज़ीमान प्रभाव (Zeeman effect) कहा जाता है। यह परमाणु और उसके इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय आघूर्ण के साथ चुंबकीय क्षेत्र की अन्योन्यक्रिया के कारण होता है। कुछ परमाणुओं में एक ही ऊर्जा स्तर के साथ कई इलेक्ट्रॉन विन्यास हो सकते हैं, जो इस प्रकार एक एकल वर्णक्रमीय रेखा के रूप में दिखाई देते हैं। परमाणु के साथ चुंबकीय क्षेत्र की अन्योन्यक्रिया इन इलेक्ट्रॉन विन्यासों को थोड़ा अलग ऊर्जा स्तरों पर स्थानांतरित कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप कई वर्णक्रमीय रेखाएँ बनती हैं।^[94] बाहरी विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों को संशोधित करके वर्णक्रमीय रेखाओं के तुलनीय विभाजन और विस्थापन का कारण बन सकती है, इस घटना को स्टार्क प्रभाव (Stark effect) कहा जाता है।^[95]

यदि कोई बद्ध इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्था में है, तो उचित ऊर्जा वाला एक अंतःक्रिया करने वाला फोटॉन मेल खाने वाले ऊर्जा स्तर वाले फोटॉन के उद्दीपित उत्सर्जन (stimulated emission) का कारण बन सकता है। ऐसा होने के लिए, इलेक्ट्रॉन को एक निचلی ऊर्जा अवस्था में गिरना चाहिए जिसमें अंतःक्रिया करने वाले फोटॉन की ऊर्जा से मेल खाने वाला ऊर्जा अंतर हो। उत्सर्जित फोटॉन और अंतःक्रिया करने वाला फोटॉन तब समानांतर रूप से और मेल खाने वाले चरणों (matching phases) के साथ आगे बढ़ते हैं। यानी, दोनों फोटॉनों के तरंग पैटर्न सिंक्रनाइज़ होते हैं। इस भौतिक गुण का उपयोग लेज़र (lasers) बनाने के लिए किया जाता है, जो एक संकीर्ण आवृत्ति बैंड में प्रकाश ऊर्जा की एक सुसंगत किरण (coherent beam) का उत्सर्जन कर सकते हैं।^[96]

संयोजकता और बंधन व्यवहार

মূল নিবন্ধ: Valence (chemistry), Chemical bond

संयोजकता (valency) किसी तत्व की संयोजन शक्ति होती है। यह अन्य परमाणुओं या समूहों के साथ जितने बंधन बना सकता है, उनकी संख्या से निर्धारित होती है।^[97] अपनी असंबद्ध अवस्था में किसी परमाणु के सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन आवरण को संयोजी आवरण (valence shell) के रूप में जाना जाता है, और उस आवरण में मौजूद इलेक्ट्रॉनों को संयोजी इलेक्ट्रॉन (valence electrons) कहा जाता है। संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या अन्य परमाणुओं के साथ बंधन व्यवहार को निर्धारित करती है। परमाणु इस तरह से एक-दूसरे के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं जो उनके बाहरी संयोजी आवरण को भरता (या खाली करता) है।^[98] उदाहरण के लिए, परमाणुओं के बीच एक एकल इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण उन परमाणुओं के बीच बनने वाले बंधनों के लिए एक उपयोगी अनुमान है जिनमें भरे हुए आवरण से एक-एक इलेक्ट्रॉन अधिक होता है, और अन्य जो एक पूर्ण आवरण से एक-एक इलेक्ट्रॉन कम होते हैं, जैसा कि सोडियम क्लोराइड यौगिक और अन्य रासायनिक आयनिक लवणों में होता है। कई तत्व बहु-संयोजकता, या विभिन्न यौगिकों में अलग-अलग संख्या में इलेक्ट्रॉनों को साझा करने की प्रवृत्तियों को प्रदर्शित करते हैं। इस प्रकार, इन तत्वों के बीच रासायनिक बंधन इलेक्ट्रॉन-साझाकरण के कई रूप लेता है जो सरल इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण से अधिक होते हैं। उदाहरणों में कार्बन तत्व और कार्बनिक यौगिक शामिल हैं।^[99]

रासायनिक तत्व अक्सर एक आवर्त सारणी में प्रदर्शित किए जाते हैं जिसे आवर्ती रासायनिक गुणों को प्रदर्शित करने के लिए तैयार किया जाता है, और समान संख्या में संयोजी इलेक्ट्रॉनों वाले तत्व एक समूह बनाते हैं जो सारणी के समान कॉलम में संरेखित होते हैं। (क्षैतिज पंक्तियाँ इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम आवरण के भरने से मेल खाती हैं।) सारणी के सुदूर दाईं ओर के तत्वों का बाहरी आवरण इलेक्ट्रॉनों से पूरी तरह से भरा होता है, जिसके परिणामस्वरूप रासायनिक रूप से अक्रिय तत्व होते हैं जिन्हें उत्कृष्ट गैसें (noble gases) कहा जाता है।^[100]^[101]

अवस्थाएँ

মূল নিবন্ধ: State of matter, Phase (matter)

परमाणुओं की मात्राएँ पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं में पाई जाती हैं जो भौतिक स्थितियों, जैसे तापमान और दाब पर निर्भर करती हैं। स्थितियों को बदलकर, सामग्रियाँ ठोस, द्रव, गैस, और प्लाज्मा के बीच संक्रमण कर सकती हैं।^[102] एक अवस्था के भीतर, कोई सामग्री विभिन्न अपरूप (allotropes) में भी मौजूद हो सकती है। इसका एक उदाहरण ठोस कार्बन है, जो ग्रेफाइट या हीरा के रूप में मौजूद हो सकता है।^[103] गैसीय अपरूप भी मौजूद हैं, जैसे डाइऑक्सीजन और ओजोन।

परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान पर, परमाणु एक बोस-आइंस्टीन संघनन (Bose–Einstein condensate) बना सकते हैं, जिस बिंदु पर क्वांटम यांत्रिक प्रभाव, जो सामान्यतः केवल परमाणु पैमाने पर देखे जाते हैं, एक मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर स्पष्ट हो जाते हैं।^[104]^[105] परमाणुओं का यह अति-शीतित संग्रह तब एक एकल सुपर परमाणु के रूप में व्यवहार करता है, जो क्वांटम यांत्रिक व्यवहार की मौलिक जाँच की अनुमति दे सकता है।^[106]

पहचान

यद्यपि परमाणु देखने के लिए बहुत छोटे होते हैं, लेकिन स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (STM) जैसे उपकरण ठोस पदार्थों की सतहों पर उनकी कल्पना (visualization) को सक्षम करते हैं। सूक्ष्मदर्शी क्वांटम टनलिंग घटना का उपयोग करता है, जो कणों को एक ऐसे अवरोध से गुजरने की अनुमति देता है जो शास्त्रीय परिप्रेक्ष्य में अजेय होगा। इलेक्ट्रॉन दो बायस्ड इलेक्ट्रोड के बीच निर्वात के माध्यम से टनल करते हैं, जो एक टनलिंग धारा प्रदान करते हैं जो उनके पृथक्करण पर चरघातांकी रूप से निर्भर करती है। एक इलेक्ट्रोड एक तीक्ष्ण सिरा होता है जो आदर्श रूप से एक एकल परमाणु पर समाप्त होता है। सतह के स्कैन के प्रत्येक बिंदु पर टनलिंग धारा को एक निर्धारित मान पर रखने के लिए सिरे की ऊंचाई को समायोजित किया जाता है। सिरा सतह से कितनी दूर और पास जाता है, इसे ऊंचाई प्रोफाइल के रूप में व्याख्यायित किया जाता है। कम बायस के लिए, सूक्ष्मदर्शी बारीकी से पैक किए गए ऊर्जा स्तरों पर औसत इलेक्ट्रॉन कक्षकों को छवियों में उतारता है—फर्मि स्तर के पास इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं का स्थानीय घनत्व (density of states)।^[107]^[108] शामिल दूरियों के कारण, दोनों इलेक्ट्रोडों का अत्यधिक स्थिर होना आवश्यक है; केवल तभी आवधिकताओं (periodicities) का अवलोकन किया जा सकता है जो व्यक्तिगत परमाणुओं से मेल खाती हैं। यह विधि अकेली रासायनिक रूप से विशिष्ट नहीं है, और सतह पर मौजूद परमाणु प्रजातियों की पहचान नहीं कर सकती है।

परमाणुओं की पहचान उनके द्रव्यमान द्वारा आसानी से की जा सकती है। यदि किसी परमाणु को उसके इलेक्ट्रॉनों में से एक को हटाकर आयनित किया जाता है, तो चुंबकीय क्षेत्र से गुजरने पर उसका प्रक्षेपवक्र (trajectory) झुक जाएगा। वह त्रिज्या जिसके द्वारा गतिमान आयन के प्रक्षेपवक्र को चुंबकीय क्षेत्र द्वारा मोड़ा जाता है, परमाणु के द्रव्यमान से निर्धारित होती है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर (mass spectrometer) आयनों के द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात को मापने के लिए इस सिद्धांत का उपयोग करता है। यदि किसी नमूने में कई समस्थानिक हैं, तो द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर आयनों की विभिन्न बीमों की तीव्रता को मापकर नमूने में प्रत्येक समस्थानिक के अनुपात को निर्धारित कर सकता है। परमाणुओं को वाष्पीकृत करने की तकनीकों में आगमनी युग्मित प्लाज्मा परमाणु उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी और आगमनी युग्मित प्लाज्मा द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री शामिल हैं, दोनों ही विश्लेषण के लिए नमूनों को वाष्पीकृत करने के लिए प्लाज्मा का उपयोग करती हैं।^[109]

परमाणु जांच टोमोग्राफ (atom-probe tomograph) में 3-D में उप-नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन होता है और यह उड़ान-समय द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (time-of-flight mass spectrometry) का उपयोग करके व्यक्तिगत परमाणुओं की रासायनिक रूप से पहचान कर सकता है।^[110]

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन तकनीकें जैसे एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) और ऑगर इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (AES), जो कोर इलेक्ट्रॉन की बंधन ऊर्जा को मापती हैं, का उपयोग गैर-विनाशकारी तरीके से नमूने में मौजूद परमाणु प्रजातियों की पहचान करने के लिए किया जाता है। उचित फ़ोकसिंग के साथ दोनों को क्षेत्र-विशिष्ट बनाया जा सकता है। ऐसी ही एक अन्य विधि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा ह्रास स्पेक्ट्रोस्कोपी (EELS) है, जो संदमन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (transmission electron microscope) के भीतर इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा हानि को मापती है जब यह नमूने के एक हिस्से के साथ अन्योन्यक्रिया करती है।

उत्तेजित अवस्था (excited states) के स्पेक्ट्रा का उपयोग दूरस्थ तारों की परमाण्विक संरचना का विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है। तारों से आने वाले प्रकाश में मौजूद विशिष्ट प्रकाश तरंगदैर्ध्य (wavelengths) को अलग किया जा सकता है और मुक्त गैस परमाणुओं में क्वांटीकृत संक्रमणों (quantized transitions) से जोड़ा जा सकता है। इन रंगों को उसी तत्व से युक्त एक गैस-डिस्चार्ज लैंप का उपयोग करके दोहराया जा सकता है।^[111] पृथ्वी पर हीलियम के मिलने से 23 वर्ष पहले सूर्य के स्पेक्ट्रम में इसी तरह हीलियम की खोज की गई थी।^[112]

उत्पत्ति और वर्तमान स्थिति

बेरिएनिक पदार्थ (Baryonic matter) दृश्यमान ब्रह्मांड के कुल ऊर्जा घनत्व का लगभग 4% हिस्सा बनाते हैं, जिनका औसत घनत्व लगभग 0.25 कण/मी³ (मुख्य रूप से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन) होता है।^[113] मिल्की वे जैसी आकाशगंगा के भीतर, कणों की सांद्रता बहुत अधिक होती है, जिसमें अंतरतारकीय माध्यम (ISM) में पदार्थ का घनत्व 10⁵ से 10⁹ परमाणु/मी³ तक होता है।^[114] ऐसा माना जाता है कि सूर्य स्थानीय बुलबुला (Local Bubble) के भीतर स्थित है, इसलिए सौर पड़ोस में घनत्व केवल लगभग 10³ परमाणु/मी³ है।^[115] तारे ISM में घने बादलों से बनते हैं, और तारों की विकास प्रक्रिया के परिणामस्वरूप ISM में हाइड्रोजन और हीलियम से अधिक भारी तत्वों की निरंतर वृद्धि होती है।

मिल्की वे के बेरिएनिक पदार्थ का 95% तक हिस्सा तारों के भीतर केंद्रित है, जहाँ की स्थितियाँ परमाण्विक पदार्थ के लिए अनुकूल नहीं होती हैं। कुल बेरिएनिक द्रव्यमान आकाशगंगा के द्रव्यमान का लगभग 10% है;^[116] शेष द्रव्यमान अज्ञात डार्क मैटर (Dark matter) है।^[117] तारों के भीतर उच्च तापमान अधिकांश "परमाणुओं" को पूरी तरह से आयनित कर देता है, यानी नाभिक से *सभी* इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देता है। ताराकीय अवशेष (Stellar remnants) में—उनकी सतही परतों को छोड़कर—एक अत्यधिक दाब (pressure) इलेक्ट्रॉन कोशों (electron shells) को असंभव बना देता है।

निर्माण

মূল নিবন্ধ: Nucleosynthesis

माना जाता है कि बिग बैंग के शुरुआती चरणों से ही ब्रह्मांड में इलेक्ट्रॉन मौजूद रहे हैं। नाभिकीय संश्लेषण (nucleosynthesis) अभिक्रियाओं में परमाणु नाभिक बनते हैं। लगभग तीन मिनट में बिग बैंग नाभिकीय संश्लेषण ने ब्रह्मांड में अधिकांश हीलियम, लिथियम और ड्यूटीरियम, तथा शायद कुछ बेरिलियम और बोरोन का उत्पादन किया।^[118]^[119]^[120]

परमाणुओं की सर्वव्यापकता और स्थिरता उनकी बंधन ऊर्जा (binding energy) पर निर्भर करती है, जिसका अर्थ है कि एक परमाणु की ऊर्जा, नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की एक स्वतंत्र प्रणाली की तुलना में कम होती है। जहाँ तापमान आयनन विभव (ionization potential) से बहुत अधिक होता है, वहाँ पदार्थ प्लाज्मा के रूप में मौजूद होता है—यह धनावेशित आयनों (संभवतः, नग्न नाभिक) और इलेक्ट्रॉनों की एक गैस है। जब तापमान आयनन विभव से नीचे गिर जाता है, तो परमाणु सांख्यकीय रूप से अनुकूल हो जाते हैं। बिग बैंग के 380,000 वर्ष बाद परमाणु (बद्ध इलेक्ट्रॉनों के साथ पूर्ण रूप से) आवेशित कणों पर हावी होने लगे—इस युग को पुनर्संयोजन (recombination) कहा जाता है, जब विस्तार कर रहा ब्रह्मांड इलेक्ट्रॉनों को नाभिक से बंधने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त रूप से ठंडा हो गया था।^[121]

बिग बैंग के बाद से, जिसने किसी भी कार्बन या भारी तत्वों का उत्पादन नहीं किया था, अधिक मात्रा में हीलियम तत्व और (ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया के माध्यम से) कार्बन से लेकर आयरन तक के तत्वों की श्रृंखला का उत्पादन करने के लिए तारों में नाभिकीय संलयन (nuclear fusion) की प्रक्रिया के माध्यम से परमाणु नाभिकों को संयोजित किया गया है;^[122] विवरण के लिए ताराकीय नाभिकीय संश्लेषण देखें।

लिथियम-6 जैसे समस्थानिक, साथ ही कुछ बेरिलियम और बोरोन अंतरिक्ष में कॉस्मिक किरण विखंडन (cosmic ray spallation) के माध्यम से उत्पन्न होते हैं।^[123] यह तब होता है जब एक उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन किसी परमाणु नाभिक से टकराता है, जिससे बड़ी संख्या में न्यूक्लियॉन बाहर निकल जाते हैं।

आयरन से भारी तत्व सुपरनोवा और टकराते हुए न्यूट्रॉन तारों में r-प्रक्रिया (r-process) के माध्यम से, और एजीबी तारों (AGB stars) में s-प्रक्रिया (s-process) के माध्यम से उत्पन्न हुए थे, इन दोनों में परमाणु नाभिकों द्वारा न्यूट्रॉन का अधिग्रहण (capture) शामिल है।^[124] लेड (सीसा) जैसे तत्व बड़े पैमाने पर भारी तत्वों के रेडियोएक्टिव क्षय के माध्यम से बने हैं।^[125]

पृथ्वी

पृथ्वी और उसके निवासियों को बनाने वाले अधिकांश परमाणु अपने वर्तमान रूप में उस नीहारिका (nebula) में मौजूद थे जो आणविक बादल से ढहकर सौर मंडल का निर्माण करने के लिए संकुचित हुई थी। बाकी परमाणु रेडियोएक्टिव क्षय का परिणाम हैं, और रेडियोमीट्रिक डेटिंग के माध्यम से पृथ्वी की आयु निर्धारित करने के लिए उनके सापेक्ष अनुपात का उपयोग किया जा सकता है।^[126]^[127] पृथ्वी की पपड़ी में अधिकांश हीलियम (गैस कुओं से मिलने वाली हीलियम का लगभग 99%, जैसा कि इसके हीलियम-3 की कम प्रचुरता से पता चलता है) अल्फा क्षय का एक उत्पाद है।^[128]

पृथ्वी पर कुछ ऐसे अति सूक्ष्म (trace) परमाणु भी मौजूद हैं जो शुरुआत में मौजूद नहीं थे (यानी, "आदिम" नहीं हैं), और न ही वे रेडियोएक्टिव क्षय के परिणाम हैं। कार्बन-14 लगातार वायुमंडल में कॉस्मिक किरणों द्वारा उत्पन्न होता है।^[129] पृथ्वी पर कुछ परमाणुओं को या तो जानबूझकर कृत्रिम रूप से उत्पन्न किया गया है या वे परमाणु रिएक्टरों या विस्फोटों के उप-उत्पादों के रूप में बने हैं।^[130]^[131] 92 से अधिक परमाणु क्रमांक वाले परायूरेनियम तत्वों (transuranic elements) में से केवल प्लूटोनियम और नेप्टूनियम पृथ्वी पर प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं।^[132]^[133] परायूरेनियम तत्वों का रेडियोएक्टिव जीवनकाल पृथ्वी की वर्तमान आयु से कम होता है^[134] और इस प्रकार इन तत्वों की पहचानी जाने वाली मात्रा बहुत पहले ही क्षय हो चुकी है, सिवाय प्लूटोनियम-244 के अंशों के जो संभवतः कॉस्मिक धूल द्वारा जमा किए गए हैं।^[126] प्लूटोनियम और नेप्टूनियम के प्राकृतिक भंडार यूरेनियम अयस्क में न्यूट्रॉन कैप्चर द्वारा उत्पन्न होते हैं।^[135]

पृथ्वी में लगभग 1.33×10^50 परमाणु शामिल हैं।^[136] हालांकि नोबल गैसों (जैसे आर्गन, नियॉन और हीलियम) के स्वतंत्र परमाणुओं की बहुत कम संख्या मौजूद है, वायुमंडल का 99% हिस्सा अणुओं के रूप में बंधा हुआ है, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड और द्विपरमाणुक ऑक्सीजन और नाइट्रोजन शामिल हैं। पृथ्वी की सतह पर, एक बड़ी बहुसंख्यक संख्या में परमाणु मिलकर विभिन्न यौगिक बनाते हैं, जिनमें पानी, नमक, सिलिकेट और ऑक्साइड शामिल हैं। परमाणु ऐसे पदार्थ बनाने के लिए भी संयोजित हो सकते हैं जिनमें विविक्त (discrete) अणु नहीं होते हैं, जिनमें क्रिस्टल और तरल या ठोस धातु शामिल हैं।^[137]^[138] यह परमाण्विक पदार्थ ऐसे नेटवर्कित विन्यासों का निर्माण करता है जिनमें आणविक पदार्थ से जुड़े छोटे पैमाने के बाधित क्रम (interrupted order) की विशेष प्रकार की कमी होती है।^[139]

दुर्लभ और सैद्धांतिक रूप

सुपरहेवी तत्व

মূল নিবন্ধ: Superheavy element

82 (लेड) से अधिक परमाणु क्रमांक वाले सभी न्यूक्लाइड रेडियोएक्टिव रूप से जाने जाते हैं। 92 (यूरेनियम) से अधिक परमाणु क्रमांक वाला कोई भी न्यूक्लाइड पृथ्वी पर आदिम न्यूक्लाइड (primordial nuclide) के रूप में मौजूद नहीं है, और भारी तत्वों का आधा-जीवन (half-lives) आमतौर पर कम होता है। फिर भी, परमाणु क्रमांक 110 से 114 वाले सुपरहेवी तत्वों के अपेक्षाकृत लंबे समय तक जीवित रहने वाले समस्थानिकों को समाहित करने वाला एक "स्थिरता का द्वीप" (island of stability) मौजूद हो सकता है।^[140] द्वीप पर सबसे स्थिर न्यूक्लाइड के आधे-जीवन (half-life) के लिए भविष्यवाणियाँ कुछ मिनटों से लेकर लाखों वर्षों तक की हैं।^[141] किसी भी स्थिति में, किसी भी स्थिरीकरण प्रभाव की अनुपस्थिति में बढ़ते कूलॉम प्रतिकर्षक बल (Coulomb repulsion) (जिसके परिणामस्वरूप तेजी से छोटे आधे-जीवन के साथ स्वतः विखंडन होता है) के कारण सुपरहेवी तत्व (Z > 104 के साथ) अस्तित्व में नहीं होंगे।^[142]

विदेशी पदार्थ

মূল নিবন্ধ: 1 = Exotic matter

पदार्थ के प्रत्येक कण का एक संबंधित प्रतिकण (एंटीमैटर) कण होता है जिसका विद्युत आवेश विपरीत होता है। इस प्रकार, पॉज़िट्रॉन एक धनावेशित एंटीइलेक्ट्रॉन है और एंटीप्रोटॉन एक प्रोटॉन के ऋणावेशित समतुल्य है। जब पदार्थ और संबंधित प्रतिकण (एंटीमैटर) कण मिलते हैं, तो वे एक-दूसरे को नष्ट (annihilate) कर देते हैं। इस वजह से, पदार्थ और एंटीमैटर कणों की संख्या के बीच असंतुलन के साथ, ब्रह्मांड में बाद वाले (एंटीमैटर) दुर्लभ हैं। इस असंतुलन के शुरुआती कारण अभी पूरी तरह से समझे नहीं गए हैं, हालांकि बैरीजेनेसिस (baryogenesis) के सिद्धांत एक स्पष्टीकरण दे सकते हैं। परिणामस्वरूप, प्रकृति में कोई भी एंटीमैटर परमाणु नहीं खोजा गया है।^[143]^[144] 1996 में, जिनेवा में सर्न (CERN) प्रयोगशाला में हाइड्रोजन परमाणु के एंटीमैटर समकक्ष (एंटीहाइड्रोजन) को संश्लेषित किया गया था।^[145]^[146]

अन्य विदेशी परमाणु (exotic atoms) प्रोटॉन, न्यूट्रॉन या इलेक्ट्रॉनों में से किसी एक को समान आवेश वाले अन्य कणों के साथ प्रतिस्थापित करके बनाए गए हैं। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन को अधिक भारी म्यूऑन द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिससे एक म्यूऑनिक परमाणु बनता है। इस प्रकार के परमाणुओं का उपयोग भौतिकी की मौलिक भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है।^[147]^[148]^[149]

इन्हें भी देखें

नोट्स

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[8] Dalton (1817). A New System of Chemical Philosophy vol. 2, p. 36.

[9] Melsen (1952). From Atomos to Atom, p. 137.

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[27] The Development of the Theory of Atomic Structure (Rutherford 1936). Reprinted in Background to Modern Science: Ten Lectures at Cambridge arranged by the History of Science Committee 1936:
"In 1919 I showed that when light atoms were bombarded by α-particles they could be broken up with the emission of a proton, or hydrogen nucleus. We therefore presumed that a proton must be one of the units of which the nuclei of other atoms were composed..."

[28] Orme Masson. (1921). The Constitution of Atoms. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 41 (242) 281–285. doi:10.1080/14786442108636219.
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