परमाणु

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ज्ञानसन्दूक

हीलियम परमाणु का एक चित्रण, जिसमें नाभिक (गुलाबी) और इलेक्ट्रॉन बादल वितरण (काला) को दर्शाया गया है। हीलियम-4 में नाभिक (ऊपरी दाएं) वास्तव में गोलाकार रूप से सममित है और इलेक्ट्रॉन बादल से काफी मिलता-जुलता है, हालांकि अधिक जटिल नाभिकों के लिए ऐसा हमेशा नहीं होता है। काली पट्टी एक एंगस्ट्रॉम (×10^-10 m या 100 pm) की है।
Above परमाणु
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Header1 वर्गीकरण
रासायनिक तत्व का सबसे छोटा पहचाना गया विभाजन
Header3 गुण
द्रव्यमान सीमा 1.67×10^-27 से 4.52×10^-25 kg
विद्युत आवेश शून्य (तटस्थ), या आयन आवेश
व्यास सीमा 62 pm (He) से 520 pm (Cs) (डेटा पृष्ठ)
घटक इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन तथा न्यूट्रॉन का एक सघन नाभिक

परमाणु (Atoms) रासायनिक तत्वों के मूल कण हैं और पदार्थ की मूलभूत निर्माण इकाइयाँ हैं। एक परमाणु में प्रोटॉन और आमतौर पर न्यूट्रॉन का एक नाभिक होता है, जो इलेक्ट्रॉनों के एक विद्युत-चुंबकीय रूप से बंधे झुंड से घिरा होता है। रासायनिक तत्वों को उनके परमाणुओं में मौजूद प्रोटॉन की संख्या से एक-दूसरे से अलग किया जाता है। उदाहरण के लिए, कोई भी परमाणु जिसमें 11 प्रोटॉन होते हैं, वह सोडियम है, और कोई भी परमाणु जिसमें 29 प्रोटॉन होते हैं, वह तांबा है। समान संख्या में प्रोटॉन लेकिन अलग संख्या में न्यूट्रॉन वाले परमाणुओं को एक ही तत्व का समस्थानिक (isotope) कहा जाता है।

परमाणु अत्यंत छोटे होते हैं, आमतौर पर लगभग 100 पिकोमीटर के। मानव बाल लगभग दस लाख कार्बन परमाणुओं के बराबर चौड़ा होता है। परमाणु दृश्य प्रकाश की सबसे छोटी तरंग दैर्ध्य से भी छोटे होते हैं, जिसका अर्थ है कि मनुष्य पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी से परमाणुओं को नहीं देख सकते हैं। वे इतने छोटे होते हैं कि क्वांटम प्रभावों के कारण शास्त्रीय भौतिकी का उपयोग करके उनके व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी करना संभव नहीं है।

परमाणु के द्रव्यमान का 99.94% से अधिक हिस्सा 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 इलेक्ट्रॉन की संख्या बराबर है, जैसा कि वे सामान्य रूप से होते हैं, तो परमाणु समग्र रूप से विद्युत रूप से तटस्थ होता है। एक आवेशित परमाणु को आयन कहा जाता है। यदि किसी परमाणु में प्रोटॉन की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं, तो उस पर कुल ऋणात्मक आवेश होता है और उसे ऋणात्मक आयन (या ऋणायन) कहा जाता है। इसके विपरीत, यदि इसमें इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक प्रोटॉन होते हैं, तो इसमें धनात्मक आवेश होता है और इसे धनात्मक आयन (या धनायन) कहा जाता है।

परमाणु के इलेक्ट्रॉन विद्युत-चुंबकीय बल द्वारा परमाणु नाभिक में प्रोटॉन की ओर आकर्षित होते हैं। नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिकीय बल द्वारा एक-दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं। यह बल आमतौर पर उस विद्युत-चुंबकीय बल से अधिक मजबूत होता है जो धनात्मक रूप से आवेशित प्रोटॉन को एक-दूसरे से दूर धकेलता है। कुछ परिस्थितियों में, प्रतिकारक विद्युत-चुंबकीय बल नाभिकीय बल से अधिक मजबूत हो जाता है। इस स्थिति में, नाभिक विभाजित हो जाता है और अलग-अलग तत्व छोड़ देता है। यह नाभिकीय क्षय का एक रूप है।

परमाणु रासायनिक बंधन द्वारा एक या अधिक अन्य परमाणुओं से जुड़कर रासायनिक यौगिक जैसे अणु या क्रिस्टल बना सकते हैं। परमाणुओं का 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

मुख्य लेख: History of atomic theory

'परमाणु' (Atom) शब्द प्राचीन ग्रीक 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 पुराने विचारों पर आधारित नहीं है।[2][3] 19वीं सदी की शुरुआत में, वैज्ञानिक जॉन डाल्टन ने सबूत पाया कि पदार्थ वास्तव में असतत इकाइयों से बना है, और इसलिए उन्होंने उन इकाइयों के लिए 'परमाणु' शब्द का प्रयोग किया।[4]

दर्शन

मुख्य लेख: Atomism

यह मूल विचार कि पदार्थ छोटे अविभाज्य कणों से बना है, एक ऐसा विचार है जो कई प्राचीन संस्कृतियों में दिखाई दिया। ये प्राचीन विचार वैज्ञानिक प्रमाणों के बजाय दार्शनिक तर्क पर आधारित थे, और आधुनिक परमाणु सिद्धांत इन पुराने विचारों पर आधारित नहीं है।[2] इसके बावजूद, 'परमाणु' शब्द ग्रीक दार्शनिकों ल्यूसिपस और उनके शिष्य डेमोक्रिटस द्वारा उपयोग किए गए शब्द 'एटमोस' ("अविभाज्य") 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 उनके और अन्य वैज्ञानिकों द्वारा एकत्र किए गए प्रयोगात्मक 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 के प्रति माप पर तत्व A की मात्रा इन यौगिकों में छोटी पूर्ण संख्याओं के अनुपात 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 अद्वितीय होता है। डाल्टन ने इन इकाइयों को "परमाणु" कहने का निर्णय लिया।[6]

उदाहरण के लिए, टिन ऑक्साइड के दो प्रकार 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 करने पर, भूरे पाउडर में प्रति 100 ग्राम टिन के लिए लगभग 13.5 ग्राम ऑक्सीजन होती है, और सफेद पाउडर में प्रति 100 ग्राम टिन के लिए लगभग 27 ग्राम ऑक्सीजन होती है। 13.5 और 27 का अनुपात 1:2 है। डाल्टन ने निष्कर्ष निकाला कि भूरे ऑक्साइड में प्रति टिन परमाणु के लिए एक ऑक्सीजन परमाणु होता है, और सफेद ऑक्साइड में प्रति टिन परमाणु के लिए दो ऑक्सीजन परमाणु होते हैं (SnO और SnO2)।[7][8]

डाल्टन ने आयरन ऑक्साइड का भी विश्लेषण किया। आयरन ऑक्साइड का एक प्रकार काला पाउडर है जो 78.1% लोहा और 21.9% ऑक्सीजन है; और दूसरा आयरन ऑक्साइड लाल पाउडर है जो 70.4% लोहा और 29.6% ऑक्सीजन है। इन आंकड़ों को समायोजित करने पर, काले पाउडर में प्रति 100 ग्राम लोहे के लिए लगभग 28 ग्राम ऑक्सीजन होती है, और लाल पाउडर में प्रति 100 ग्राम लोहे के लिए लगभग 42 ग्राम ऑक्सीजन होती है। 28 और 42 का अनुपात 2:3 है। डाल्टन ने निष्कर्ष निकाला कि इन ऑक्साइडों में, लोहे के प्रत्येक दो परमाणुओं के लिए, क्रमशः दो या तीन ऑक्सीजन 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 सामान्यतः FeO लिखा जाता है, लेकिन चूंकि यह एक क्रिस्टलीय पदार्थ है, हम इसे वैकल्पिक रूप से Fe2O2 लिख सकते हैं, और जब हम इसकी तुलना Fe2O3 से करते हैं, तो ऑक्सीजन के लिए 2:3 का अनुपात स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।[9][10]

अंतिम उदाहरण के रूप में, हालांकि डाल्टन के मूल डेटा के मूल्यों का उपयोग नहीं करते हुए: नाइट्रस ऑक्साइड (N2O) 63.3% नाइट्रोजन और 36.7% ऑक्सीजन है, नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) 44.05% नाइट्रोजन और 55.95% ऑक्सीजन है, और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड (NO2) 29.5% नाइट्रोजन और 70.5% ऑक्सीजन है। इन आंकड़ों को समायोजित करने पर, नाइट्रस ऑक्साइड में प्रति 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए 80 ग्राम ऑक्सीजन है, नाइट्रिक ऑक्साइड में प्रति 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए लगभग 160 ग्राम ऑक्सीजन है, और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड में प्रति 140 ग्राम नाइट्रोजन के लिए 320 ग्राम ऑक्सीजन है। 80, 160, और 320 का अनुपात 1:2:4 है।[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 एक रूप नहीं हैं बल्कि विद्युत आवेशित कणों से बनी हैं, और कणों के विक्षेपित होने की दिशा को देखते हुए उनका आवेश ऋणात्मक था।[13] उन्होंने मापा कि ये कण हाइड्रोजन (सबसे हल्का परमाणु) से 1,700 गुना हल्के थे।[14] उन्होंने इन नए कणों को 'कॉर्पसल्स' (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 रेडियोधर्मी पदार्थों द्वारा उत्सर्जित कणों के समान थे।[16] थॉमसन ने समझाया कि विद्युत धारा एक परमाणु से दूसरे परमाणु तक इलेक्ट्रॉनों का गुजरना है, और जब कोई धारा नहीं होती थी तो इलेक्ट्रॉन खुद को परमाणुओं में एम्बेड कर लेते थे। इसका मतलब यह हुआ कि परमाणु अविभाज्य नहीं थे जैसा कि वैज्ञानिक सोचते थे। परमाणु उन इलेक्ट्रॉनों से बना था जिनका ऋणात्मक आवेश एक विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु बनाने के लिए धनात्मक आवेश के किसी स्रोत द्वारा संतुलित किया गया था। थॉमसन ने समझाया कि आयन वे परमाणु होने चाहिए जिनमें इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या कमी हो।[17]

नाभिक की खोज

मुख्य लेख: Rutherford scattering experiments

परमाणु में इलेक्ट्रॉनों को तार्किक रूप से धनात्मक आवेश की एक समान मात्रा 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 प्रस्तावित किया कि यह परमाणु में हर जगह है, परमाणु एक गोले के आकार का है। उपलब्ध साक्ष्यों, या उनकी कमी को देखते हुए यह गणितीय रूप से सबसे सरल परिकल्पना थी। इसके बाद, थॉमसन ने कल्पना की कि इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों का संतुलन इलेक्ट्रॉनों को पूरे गोले में कमोबेश समान रूप 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।[19] थॉमसन का मॉडल अधूरा था, यह तत्वों के किसी अन्य गुण जैसे उत्सर्जन स्पेक्ट्रा और संयोजकता की भविष्यवाणी करने में असमर्थ था। परमाणु नाभिक की खोज से यह जल्द ही अप्रचलित हो गया।

1908 और 1913 के बीच, अर्नेस्ट रदरफोर्ड और उनके सहयोगियों हंस गीगर और अर्नेस्ट मार्सडेन ने प्रयोगों की एक श्रृंखला की जिसमें उन्होंने अल्फा कणों की एक किरण के साथ धातु की पतली पन्नी पर बमबारी की। उन्होंने अल्फा कणों के प्रकीर्णन पैटर्न को मापने के लिए ऐसा किया। उन्होंने देखा कि अल्फा कणों की एक छोटी संख्या 90° से अधिक के कोणों से विक्षेपित हो रही थी। परमाणु के थॉमसन मॉडल के अनुसार ऐसा नहीं होना चाहिए था, जिसके आवेश पर्याप्त रूप से मजबूत विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए बहुत विसरित थे। सभी विक्षेपण नगण्य होने चाहिए थे। रदरफोर्ड ने प्रस्तावित किया कि परमाणु का धनात्मक आवेश परमाणु के केंद्र में एक छोटे से आयतन में केंद्रित है और इलेक्ट्रॉन इस नाभिक को एक विसरित बादल में घेरते हैं। यह नाभिक परमाणु के लगभग सभी द्रव्यमान को वहन करता है। केवल आवेश का इतना तीव्र संकेंद्रण, जो अपने उच्च द्रव्यमान द्वारा लंगर डाले हुए हो, एक ऐसा विद्युत क्षेत्र उत्पन्न कर सकता है जो अल्फा कणों को इतनी मजबूती से विक्षेपित कर सके।[20]

बोहर मॉडल

मुख्य लेख: Bohr model

शास्त्रीय यांत्रिकी में एक समस्या यह है कि एक त्वरित आवेशित कण विद्युत-चुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करता है, जिससे कण अपनी गतिज ऊर्जा खो देता है। वृत्ताकार गति त्वरण की गिनती में आती है, जिसका अर्थ है कि एक केंद्रीय आवेश की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉन को गति खोने के साथ उस नाभिक में नीचे की ओर सर्पिल होना 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 सीमित सेट में ऐसा कर सकते हैं, और इन कक्षाओं के बीच केवल फोटॉन के अवशोषण या विकिरण के अनुरूप ऊर्जा के असतत परिवर्तनों में कूद सकते हैं।[21] इस परिमाणीकरण (quantization) का उपयोग यह समझाने के लिए किया गया था कि इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएं स्थिर क्यों हैं और तत्व असतत स्पेक्ट्रा में विद्युत-चुंबकीय 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

मुख्य लेख: 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 उन सभी के लिए सच है यदि कोई समस्थानिकों को ध्यान में रखे। 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 एक धनात्मक गुणक है।[24] 1913 में, हेनरी मोसले ने खोज की कि एक उत्तेजित परमाणु से एक्स-रे उत्सर्जन की आवृत्तियाँ उसकी परमाणु संख्या और हाइड्रोजन के परमाणु आवेश का एक गणितीय कार्य थीं। 1919 में, रदरफोर्ड ने नाइट्रोजन गैस पर अल्फा कणों की बमबारी की और गैस से उत्सर्जित हाइड्रोजन आयनों का पता लगाया, और निष्कर्ष निकाला कि वे नाइट्रोजन परमाणुओं के नाभिक से टकराने और विभाजित होने वाले अल्फा कणों द्वारा उत्पन्न हुए थे।[25]

इन अवलोकनों ने रदरफोर्ड को यह निष्कर्ष निकालने के लिए प्रेरित किया कि हाइड्रोजन नाभिक एक इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश के बराबर धनात्मक आवेश वाला एक विलक्षण कण है।[26] उन्होंने 1920 में इस कण का नाम "प्रोटॉन" रखा।[27] एक परमाणु में प्रोटॉन की संख्या (जिसे रदरफोर्ड ने "परमाणु संख्या" कहा[28][29]) आवर्त सारणी पर तत्व की क्रम 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 की संख्या से अधिक होता है, इसलिए रदरफोर्ड ने परिकल्पना की कि अतिरिक्त भार बिना किसी विद्युत आवेश वाले अज्ञात कणों द्वारा वहन किया जाता है और जिसका द्रव्यमान प्रोटॉन के बराबर होता है।

1928 में, वाल्टर बोथे ने देखा कि बेरिलियम अल्फा कणों के साथ बमबारी करने पर एक अत्यधिक मर्मज्ञ, विद्युत रूप से तटस्थ विकिरण उत्सर्जित करता है। बाद में यह पता चला कि यह विकिरण पैराफिन वैक्स से हाइड्रोजन परमाणुओं को बाहर निकाल सकता है। शुरू में इसे उच्च-ऊर्जा गामा विकिरण माना गया था, क्योंकि गामा विकिरण का धातुओं में इलेक्ट्रॉनों पर समान प्रभाव पड़ता था, लेकिन जेम्स चैडविक ने पाया कि आयनीकरण प्रभाव इतना मजबूत था कि यह विद्युत-चुंबकीय विकिरण के कारण नहीं हो सकता था, जब तक कि ऊर्जा और संवेग बातचीत में संरक्षित थे। 1932 में, चैडविक ने रहस्यमय "बेरिलियम विकिरण" के संपर्क में हाइड्रोजन और नाइट्रोजन जैसे विभिन्न तत्वों को रखा, और पीछे हटने वाले आवेशित कणों की ऊर्जा को मापकर, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि विकिरण वास्तव में विद्युत रूप से तटस्थ कणों से बना था जो गामा किरण की तरह द्रव्यमान रहित नहीं हो सकते थे, बल्कि इसके बजाय उनका द्रव्यमान प्रोटॉन के समान होना आवश्यक था। चैडविक ने अब इन कणों को रदरफोर्ड के न्यूट्रॉन के रूप में दावा किया।[30]

वर्तमान सर्वसम्मत मॉडल

1925 में, वर्नर हाइजेनबर्ग ने क्वांटम यांत्रिकी (मैट्रिक्स यांत्रिकी) का पहला सुसंगत गणितीय सूत्रीकरण प्रकाशित किया।[31] एक साल पहले, लुई डी ब्रोगली ने प्रस्तावित किया था कि सभी कण कुछ हद तक तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं,[32] और 1926 में इरविन श्रोडिंगर ने इस विचार का उपयोग श्रोडिंगर समीकरण विकसित करने के लिए किया, जो इलेक्ट्रॉनों को अंतरिक्ष में बिंदुओं के बजाय त्रि-आयामी तरंग रूप के रूप में वर्णित करता है।[33] कणों का वर्णन करने के लिए तरंग रूपों का उपयोग करने का एक परिणाम यह है कि समय के एक निश्चित बिंदु पर कण की स्थिति और संवेग दोनों के लिए सटीक मान प्राप्त करना गणितीय रूप से असंभव है। इसे अनिश्चितता का सिद्धांत (uncertainty principle) के रूप में जाना जाने लगा, जिसे 1927 में वर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा तैयार किया गया था।[31] इस अवधारणा में, स्थिति को मापने में एक निश्चित सटीकता के लिए कोई केवल संवेग के लिए संभावित मानों की एक सीमा प्राप्त कर सकता है, और इसके विपरीत।[34] इस प्रकार, परमाणु के ग्रहीय मॉडल को एक ऐसे मॉडल के पक्ष में त्याग दिया गया जिसने नाभिक के चारों ओर परमाणु कक्षक (atomic orbital) क्षेत्रों का वर्णन किया जहाँ एक दिए गए इलेक्ट्रॉन के पाए जाने की सबसे अधिक संभावना है।[35][36] यह मॉडल परमाणु व्यवहार के उन अवलोकनों की व्याख्या करने में सक्षम था जो पिछले मॉडल नहीं कर सकते थे, जैसे कि हाइड्रोजन से बड़े परमाणुओं के कुछ संरचनात्मक और स्पेक्ट्रल पैटर्न।

संरचना

परमाणु-उप-कण

मुख्य लेख: Subatomic particle

हालाँकि 'परमाणु' शब्द मूल रूप से एक ऐसे कण को दर्शाता था जिसे छोटे कणों में नहीं काटा जा सकता है, आधुनिक वैज्ञानिक उपयोग में परमाणु विभिन्न परमाणु-उप-कणों से बना है। परमाणु के घटक कण इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं।

इलेक्ट्रॉन 9.11×10^-31 kg पर चार परिमाण के क्रम से इन कणों में सबसे कम द्रव्यमान वाला है, जिसमें एक ऋणात्मक विद्युत आवेश और एक ऐसा आकार है जो उपलब्ध तकनीकों का उपयोग करके मापने के लिए बहुत छोटा है।[37] न्यूट्रिनो द्रव्यमान की खोज तक, यह धनात्मक विराम द्रव्यमान वाला सबसे हल्का मापा गया कण था। सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन विपरीत विद्युत आवेशों से उत्पन्न आकर्षण द्वारा धनात्मक रूप से आवेशित नाभिक से बंधे होते हैं। इलेक्ट्रॉन 19वीं सदी के अंत से ज्ञात हैं, मुख्य रूप से जे.जे. थॉमसन के कारण; विवरण के लिए परमाणु-उप-कण भौतिकी का इतिहास देखें।

प्रोटॉन पर धनात्मक आवेश होता है और द्रव्यमान 1.6726×10^-27 kg होता है। परमाणु में प्रोटॉन की संख्या को उसकी परमाणु संख्या कहा जाता है। अर्नेस्ट रदरफोर्ड (1919) ने देखा कि अल्फा-कण बमबारी के तहत नाइट्रोजन हाइड्रोजन नाभिक जैसा कुछ उत्सर्जित करता है। 1920 तक, उन्होंने 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 द्रव्यमान 1.6749×10^-27 kg होता है।[38][39] न्यूट्रॉन तीन घटक कणों में सबसे भारी हैं, लेकिन उनके द्रव्यमान को नाभिकीय बंधन ऊर्जा द्वारा कम किया जा सकता है। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन (सामूहिक रूप से न्यूक्लियॉन के रूप में जाने जाते हैं) के आयाम तुलनीय हैं—2.5×10^-15 m के क्रम के—हालाँकि इन कणों की 'सतह' स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं है।[40] न्यूट्रॉन की खोज 1932 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जेम्स चैडविक ने की थी।

भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) में, इलेक्ट्रॉन वास्तव में प्राथमिक कण हैं जिनकी कोई आंतरिक संरचना नहीं होती, जबकि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन संयुक्त कण हैं जो प्राथमिक कण (elementary particle) से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क (quark) कहा जाता है। परमाणुओं में दो प्रकार के क्वार्क होते हैं, जिनमें से प्रत्येक का आंशिक विद्युत आवेश होता है। प्रोटॉन दो अप क्वार्क (प्रत्येक का आवेश +2/3) और एक डाउन क्वार्क (आवेश −1/3) से बने होते हैं। न्यूट्रॉन एक अप क्वार्क और दो डाउन क्वार्क से मिलकर बने होते हैं। यह अंतर दोनों कणों के द्रव्यमान और आवेश में भिन्नता का कारण बनता है।[41][42]

क्वार्क प्रबल अन्योन्यक्रिया (strong interaction) या प्रबल बल द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जो ग्लूऑन (gluon) द्वारा संचालित होता है। इसके बदले, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिक में नाभिकीय बल (nuclear force) द्वारा एक-दूसरे से बंधे होते हैं, जो प्रबल बल का ही एक अवशेष है जिसकी सीमा-गुणधर्म कुछ भिन्न होते हैं (अधिक जानकारी के लिए नाभिकीय बल पर लेख देखें)। ग्लूऑन गेज बोसॉन (gauge boson) परिवार का एक सदस्य है, जो ऐसे प्राथमिक कण हैं जो भौतिक बलों को संचालित करते हैं।[41][42]

नाभिक

मुख्य लेख: Atomic nucleus


एक परमाणु में सभी बंधे हुए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मिलकर एक छोटा परमाणु नाभिक (atomic nucleus) बनाते हैं, और सामूहिक रूप से इन्हें न्यूक्लियॉन (nucleon) कहा जाता है। नाभिक की त्रिज्या हाइड्रोजन से शुरू होकर यूरेनियम तक 2 से 7 फैम्टोमीटर (femtometres) तक होती है। त्रिज्या A3 के पैमाने पर होती है, जहाँ A न्यूक्लियॉन की कुल संख्या है।[43] यह परमाणु की त्रिज्या से बहुत छोटा है, जो 105 fm के क्रम की होती है। न्यूक्लियॉन एक लघु-परास वाले आकर्षक विभव द्वारा एक साथ बंधे होते हैं जिसे अवशिष्ट प्रबल बल (residual strong force) कहा जाता है। 2.5 fm से कम दूरी पर यह बल उस स्थिरवैद्युत बल (electrostatic force) से कहीं अधिक शक्तिशाली होता है जो धनावेशित प्रोटॉन को एक-दूसरे से दूर धकेलता है।[44]

एक ही रासायनिक तत्व के परमाणुओं में प्रोटॉन 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 न्यूक्लाइड (nuclide) को निर्धारित करती है। प्रोटॉन के सापेक्ष न्यूट्रॉन की संख्या नाभिक की स्थिरता निर्धारित करती है, जिसमें कुछ समस्थानिक रेडियोधर्मी क्षय (radioactive decay) से गुजरते हैं।[45]

प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रॉन को फर्मिऑन (fermion) के रूप में वर्गीकृत किया गया है। फर्मिऑन पाउली अपवर्जन सिद्धांत (Pauli exclusion principle) का पालन करते हैं, जो समान कण (identical particles) फर्मिऑन, जैसे कि कई प्रोटॉन, को एक ही समय में एक ही क्वांटम अवस्था में रहने से रोकता है। इस प्रकार, नाभिक में प्रत्येक प्रोटॉन को अन्य सभी प्रोटॉन से भिन्न क्वांटम अवस्था में होना चाहिए, और यही बात नाभिक के सभी न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन क्लाउड के सभी इलेक्ट्रॉनों पर लागू होती है।[46]

एक नाभिक जिसमें प्रोटॉन की संख्या न्यूट्रॉन से भिन्न होती है, वह रेडियोधर्मी क्षय के माध्यम से संभावित रूप से कम ऊर्जा अवस्था में आ सकता है, जिससे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या अधिक निकटता से मेल खाती है। परिणामस्वरूप, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की समान संख्या वाले परमाणु क्षय के प्रति अधिक स्थिर होते हैं, लेकिन परमाणु क्रमांक बढ़ने के साथ, प्रोटॉन का पारस्परिक प्रतिकर्षण नाभिक की स्थिरता 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 इसके लिए प्रबल बल के कारण बहुत उच्च 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 के ऊर्जावान टकराव के माध्यम से। उदाहरण के लिए, सूर्य के केंद्र में प्रोटॉन को अपने पारस्परिक प्रतिकर्षण—कूलम्ब अवरोध (coulomb barrier)—को दूर करने और एक एकल नाभिक में संलयित होने के लिए 3 से 10 keV की 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 रेडियोधर्मी क्षय के माध्यम से। नाभिक को उच्च ऊर्जा वाले उप-परमाणु कणों या फोटॉन द्वारा बमबारी के माध्यम से भी संशोधित किया जा सकता है। यदि यह एक 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 मानों के बीच का अंतर उपयोगी ऊर्जा के एक प्रकार (जैसे गामा किरण, या बीटा कण की गतिज ऊर्जा) के रूप में उत्सर्जित किया जा सकता है, जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता (mass–energy equivalence) सूत्र, E = mc2 द्वारा वर्णित है, जहाँ m द्रव्यमान की हानि है और c प्रकाश की गति है। यह कमी नए नाभिक की बंधन ऊर्जा का हिस्सा है, और यह ऊर्जा का वह अप्राप्य नुकसान है जो संलयित कणों को एक ऐसी अवस्था में एक साथ रहने का कारण बनता है जिसे अलग करने के लिए इस ऊर्जा की आवश्यकता होती है।[50]

लोहा और निकेल—लगभग 60 की कुल न्यूक्लियॉन संख्या—से कम परमाणु क्रमांक वाले बड़े नाभिक बनाने वाले दो नाभिकों का संलयन आमतौर पर एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया (exothermic process) है जो उन्हें एक साथ लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा से अधिक ऊर्जा छोड़ती है।[51] यह ऊर्जा-मुक्त करने वाली प्रक्रिया ही तारों में नाभिकीय संलयन को एक स्व-स्थायी प्रतिक्रिया बनाती है। भारी नाभिकों के लिए, प्रति न्यूक्लियॉन बंधन ऊर्जा कम होने लगती है। इसका मतलब यह है कि एक संलयन प्रक्रिया जो लगभग 26 से अधिक परमाणु क्रमांक और लगभग 60 से अधिक द्रव्यमान संख्या वाला नाभिक उत्पन्न करती है, वह एक ऊष्माशोषी प्रक्रिया (endothermic process) है। इस प्रकार, अधिक विशाल नाभिक ऊर्जा-उत्पादक संलयन प्रतिक्रिया से नहीं गुजर सकते जो एक तारे के जलीय स्थैतिक संतुलन (hydrostatic equilibrium) को बनाए रख सके।[46]

इलेक्ट्रॉन क्लाउड

यह भी देखें: Electronegativity

परमाणु में इलेक्ट्रॉन विद्युतचुंबकीय बल द्वारा नाभिक में प्रोटॉन की ओर आकर्षित होते हैं। यह बल इलेक्ट्रॉनों को छोटे नाभिक के चारों ओर एक स्थिरवैद्युत विभव कूप (potential well) के अंदर बांधता है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन के बचने के लिए ऊर्जा के एक 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 बचने के लिए अधिक दूरी वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रॉनों में, अन्य कणों की तरह, तरंग-कण द्वैत (wave–particle duality) के गुण होते हैं। इलेक्ट्रॉन क्लाउड विभव कूप के अंदर का एक क्षेत्र है जहाँ प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक प्रकार की त्रि-आयामी स्थिर तरंग (standing wave) बनाता है—एक तरंग रूप जो नाभिक के सापेक्ष गति नहीं करता है। यह व्यवहार एक परमाणु कक्षक (atomic orbital) द्वारा परिभाषित होता है, एक गणितीय फलन जो उस संभावना को दर्शाता है कि जब इलेक्ट्रॉन की स्थिति मापी जाती है तो वह किसी विशेष स्थान पर दिखाई देता है।[52] नाभिक के चारों ओर इन कक्षकों का केवल एक असतत (या क्वांटाइज्ड) सेट मौजूद होता है, क्योंकि अन्य संभावित तरंग पैटर्न तेजी से अधिक स्थिर रूप में क्षय हो जाते हैं।[53] कक्षकों में एक या अधिक वलय या नोड संरचनाएं हो सकती हैं, और वे आकार, आकृति और अभिविन्यास में एक-दूसरे से भिन्न होते हैं।[54]

प्रत्येक परमाणु कक्षक इलेक्ट्रॉन के एक विशेष ऊर्जा स्तर (energy level) के अनुरूप होता है। इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन को अवशोषित करके अपनी अवस्था को उच्च ऊर्जा स्तर पर बदल सकता है, जिसमें उसे नई क्वांटम अवस्था में ले जाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा हो। इसी तरह, स्वतः 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। ये विशिष्ट ऊर्जा मान, जो क्वांटम अवस्थाओं की ऊर्जाओं में अंतर द्वारा परिभाषित होते हैं, परमाणु वर्णक्रमीय रेखाओं (atomic spectral lines) के लिए जिम्मेदार होते हैं।[53]

एक इलेक्ट्रॉन को हटाने या जोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा—इलेक्ट्रॉन बंधन ऊर्जा—न्यूक्लियॉन की बंधन ऊर्जा से बहुत कम है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन परमाणु से एक मूल अवस्था (ground-state) इलेक्ट्रॉन को हटाने 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 तटस्थ होते हैं। जिन परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की कमी या अधिकता होती है, उन्हें आयन (ion) 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 अणुओं और अन्य प्रकार के रासायनिक यौगिकों जैसे आयनिक क्रिस्टल और सहसंयोजक बंधन नेटवर्क क्रिस्टल में रासायनिक बंधन बनाने में सक्षम होते हैं।[57]

गुण

नाभिकीय गुण

परिभाषा के अनुसार, किसी भी दो परमाणु जिनके नाभिक में प्रोटॉन की संख्या समान होती है, वे एक ही रासायनिक तत्व के होते 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 परमाणुओं में ठीक एक प्रोटॉन होता है, लेकिन ऐसे समस्थानिक मौजूद हैं जिनमें कोई न्यूट्रॉन नहीं है (हाइड्रोजन-1, जो अब तक का सबसे सामान्य रूप है,[58] जिसे प्रोटियम भी कहा जाता है), एक न्यूट्रॉन (ड्यूटेरियम), दो न्यूट्रॉन (ट्रिटियम) और दो से अधिक न्यूट्रॉन। ज्ञात तत्व परमाणु क्रमांकों का एक सेट बनाते हैं, एकल-प्रोटॉन तत्व हाइड्रोजन से लेकर 118-प्रोटॉन तत्व ओगानेसन तक।[59] 82 से अधिक परमाणु क्रमांक वाले तत्वों के सभी ज्ञात समस्थानिक रेडियोधर्मी हैं, हालांकि तत्व 83 (बिस्मथ) की रेडियोधर्मिता इतनी कम है कि व्यावहारिक रूप से नगण्य है।[60][61]

पृथ्वी पर लगभग 339 न्यूक्लाइड प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं,[62] जिनमें से 251 (लगभग 74%) को क्षय होते हुए नहीं देखा गया है, और उन्हें "स्थिर समस्थानिक" (stable isotopes) कहा जाता है। केवल 90 न्यूक्लाइड सैद्धांतिक रूप से स्थिर हैं, जबकि अन्य 161 (कुल 251 तक) को क्षय होते हुए नहीं देखा गया है, भले ही सिद्धांत रूप में यह ऊर्जावान रूप से संभव है। इन्हें भी औपचारिक रूप से "स्थिर" के रूप में वर्गीकृत किया गया है। अतिरिक्त 35 रेडियोधर्मी न्यूक्लाइड की अर्ध-आयु 100 मिलियन वर्षों से अधिक है, और वे इतने लंबे समय तक जीवित हैं कि सौर मंडल के जन्म के समय से ही मौजूद हैं। 286 न्यूक्लाइड का यह संग्रह आदिम न्यूक्लाइड (primordial nuclide) के रूप में जाना जाता है। अंत में, 53 अल्पकालिक न्यूक्लाइड प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं, जो आदिम न्यूक्लाइड क्षय के पुत्री उत्पादों के रूप में (जैसे यूरेनियम से रेडियम), या पृथ्वी पर प्राकृतिक ऊर्जावान प्रक्रियाओं के उत्पादों के रूप में, जैसे कि ब्रह्मांडीय किरण बमबारी (उदाहरण के लिए, कार्बन-14) के रूप में होते हैं।[63][note 2]

80 रासायनिक तत्वों के लिए, कम से कम एक स्थिर समस्थानिक मौजूद है। नियम के अनुसार, इनमें से प्रत्येक तत्व के लिए केवल कुछ ही स्थिर समस्थानिक होते हैं, औसत 3.1 स्थिर समस्थानिक प्रति तत्व है। छब्बीस "मोनोआइसोटोपिक तत्व" (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। 43, 61, और 83 या उससे अधिक क्रमांक वाले सभी तत्वों के कोई स्थिर समस्थानिक नहीं हैं।[64]:1–12

समस्थानिकों की स्थिरता प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अनुपात से प्रभावित होती है, और न्यूट्रॉन या प्रोटॉन की कुछ "जादुई संख्याओं" (magic numbers) की उपस्थिति से भी प्रभावित होती है जो बंद और भरे हुए क्वांटम कोशों का प्रतिनिधित्व करती हैं। ये क्वांटम कोश नाभिक के शेल मॉडल (shell model) के भीतर ऊर्जा स्तरों के एक सेट के अनुरूप होते हैं; भरे हुए कोश, जैसे टिन के लिए 50 प्रोटॉन का भरा हुआ कोश, न्यूक्लाइड को असामान्य स्थिरता प्रदान करता है। 251 ज्ञात स्थिर न्यूक्लाइड में से, केवल चार में प्रोटॉन की विषम संख्या और न्यूट्रॉन की विषम संख्या होती है: हाइड्रोजन-2 (ड्यूटेरियम), लिथियम-6, बोरोन-10, और नाइट्रोजन-14। (टैंटलम-180m विषम-विषम है और अवलोकन के अनुसार स्थिर है, लेकिन बहुत लंबी अर्ध-आयु के साथ क्षय होने का अनुमान है।) इसके अलावा, केवल चार प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले, रेडियोधर्मी विषम-विषम न्यूक्लाइड की अर्ध-आयु एक अरब वर्ष से अधिक है: पोटेशियम-40, वैनेडियम-50, लैंथेनम-138, और लुटेटियम-176। अधिकांश विषम-विषम नाभिक बीटा क्षय (beta decay) के संबंध में अत्यधिक अस्थिर होते हैं, क्योंकि क्षय उत्पाद सम-सम होते हैं, और इसलिए नाभिकीय युग्मन प्रभाव (nuclear pairing effects) के कारण अधिक मजबूती से बंधे होते हैं।[65]

द्रव्यमान

मुख्य लेख: Atomic mass, mass number

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

विराम अवस्था में परमाणु का द्रव्यमान (mass of an atom at rest) अक्सर डाल्टन (Da) में व्यक्त किया जाता है, जिसे एकीकृत परमाणु द्रव्यमान इकाई (u) भी कहा जाता है। यह इकाई कार्बन-12 के एक मुक्त तटस्थ परमाणु के द्रव्यमान के बारहवें हिस्से के रूप में परिभाषित 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 है।[67] इस संख्या के मान को परमाणु द्रव्यमान (atomic mass) कहा जाता है। एक 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 को छोड़कर (परिभाषा के अनुसार) बिल्कुल पूर्णांक नहीं होगी।[68] सबसे भारी स्थिर परमाणु लेड-208 है,[60] जिसका द्रव्यमान 207.9766521 Da है।[69]

चूंकि सबसे विशाल परमाणु भी सीधे काम करने के लिए बहुत हल्के होते हैं, रसायनज्ञ इसके बजाय मोल (moles) की इकाई का उपयोग करते हैं। किसी भी तत्व के परमाणुओं के एक मोल में हमेशा परमाणुओं की संख्या समान होती है (लगभग एवोगैड्रो नियतांक 6.022×10^23)। यह संख्या इसलिए चुनी गई थी ताकि यदि किसी तत्व का परमाणु द्रव्यमान 1 u हो, 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 के एक मोल का वजन ठीक 0.012 kg होता है।[66]

आकार और आकृति

मुख्य लेख: Atomic radius

परमाणुओं की कोई स्पष्ट बाहरी सीमा नहीं होती है, इसलिए उनके आयामों को आमतौर पर परमाणु त्रिज्या (atomic radius) के संदर्भ में वर्णित किया जाता है। यह उस दूरी का माप है जहाँ तक इलेक्ट्रॉन क्लाउड नाभिक से फैलता है।[70] यह मानता है कि परमाणु एक गोलाकार आकृति प्रदर्शित करता है, जिसका पालन केवल निर्वात या मुक्त स्थान में परमाणुओं के लिए किया जाता है। परमाणु त्रिज्या को दो नाभिकों के बीच की दूरी से प्राप्त किया जा सकता है जब दो परमाणु रासायनिक बंधन में जुड़े होते हैं। त्रिज्या परमाणु चार्ट पर परमाणु के स्थान, रासायनिक बंधन के प्रकार, पड़ोसी परमाणुओं की संख्या (समन्वय संख्या) और क्वांटम यांत्रिकी के एक गुण जिसे प्रचक्रण (spin) कहा जाता है, के साथ बदलती है।[71] तत्वों की आवर्त सारणी पर, परमाणु का आकार कॉलम में नीचे जाने पर बढ़ने की प्रवृत्ति रखता है, लेकिन पंक्तियों में (बाएं से दाएं) जाने पर घटता है।[72] नतीजतन, सबसे छोटा परमाणु हीलियम है जिसकी त्रिज्या 32 पिकोमीटर (pm) है, जबकि सबसे बड़े परमाणुओं में से एक सीज़ियम है जो 225 pm है।[73]

बाहरी बलों, जैसे विद्युत क्षेत्र के अधीन होने पर, परमाणु की आकृति गोलाकार समरूपता (spherical symmetry) से विचलित हो सकती है। विरूपण क्षेत्र के परिमाण और बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉनों के कक्षक प्रकार पर निर्भर करता है, जैसा कि समूह सिद्धांत (group theory) के विचारों द्वारा दिखाया गया है। असममित विचलन उदाहरण के लिए क्रिस्टल में उत्पन्न हो सकते हैं, जहाँ कम-समरूपता (low-symmetry) जाली स्थलों पर बड़े क्रिस्टल-विद्युत क्षेत्र हो सकते हैं।[74][75] पाइराइट-प्रकार के यौगिकों में सल्फर आयनों[76] और चाल्कोजेन आयनों[77] के लिए महत्वपूर्ण दीर्घवृत्ताभ (ellipsoidal) विरूपण देखे गए हैं।

परमाणु आयाम प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (400–700 नैनोमीटर (nm)) से हजारों गुना छोटे होते हैं, इसलिए उन्हें ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके नहीं देखा जा सकता है, हालांकि व्यक्तिगत परमाणुओं को स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके देखा जा सकता है। परमाणु की सूक्ष्मता की कल्पना करने के लिए, विचार करें कि एक सामान्य मानव बाल चौड़ाई में लगभग 1 मिलियन कार्बन परमाणुओं के बराबर है।[78] पानी की एक बूंद में लगभग 2 सेक्स्टिलियन (2×10^21) ऑक्सीजन परमाणु होते हैं, और हाइड्रोजन परमाणुओं की संख्या इससे दोगुनी होती है।[79] 2×10^-4 kg द्रव्यमान वाले एक कैरेट हीरे में लगभग 10 सेक्स्टिलियन (1022) कार्बन परमाणु होते हैं।[note 3] यदि एक सेब को पृथ्वी के आकार का बड़ा किया जाए, तो सेब में मौजूद परमाणु लगभग मूल सेब के आकार के होंगे।[80]

रेडियोधर्मी क्षय

मुख्य लेख: Radioactive decay

प्रत्येक तत्व में एक या अधिक समस्थानिक होते हैं जिनके नाभिक अस्थिर होते हैं जो रेडियोधर्मी क्षय के अधीन होते हैं, जिससे नाभिक कणों या विद्युतचुंबकीय विकिरण का उत्सर्जन करता है। रेडियोधर्मिता तब हो सकती है जब नाभिक की त्रिज्या प्रबल बल की त्रिज्या की तुलना में बड़ी हो, जो केवल 1 fm के क्रम की दूरी पर कार्य करता है।[81]

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

  • अल्फा क्षय: यह प्रक्रिया तब होती है जब नाभिक एक अल्फा कण उत्सर्जित करता है, जो एक हीलियम नाभिक है जिसमें दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। उत्सर्जन का परिणाम कम परमाणु क्रमांक वाला एक नया तत्व होता है।
  • बीटा क्षय (और इलेक्ट्रॉन कैप्चर): ये प्रक्रियाएं दुर्बल बल (weak force) द्वारा विनियमित होती हैं, और एक न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में, या प्रोटॉन के न्यूट्रॉन में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होती हैं। न्यूट्रॉन से प्रोटॉन संक्रमण एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटिन्यूट्रिनो के उत्सर्जन के साथ होता है, जबकि प्रोटॉन से न्यूट्रॉन संक्रमण (इलेक्ट्रॉन कैप्चर को छोड़कर) एक पॉज़िट्रॉन और एक न्यूट्रिनो के उत्सर्जन का कारण बनता है। इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन को बीटा कण कहा जाता है। बीटा क्षय नाभिक के परमाणु क्रमांक को एक से बढ़ाता या घटाता है। इलेक्ट्रॉन कैप्चर पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन की तुलना में अधिक सामान्य है, क्योंकि इसके लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस प्रकार के क्षय में, नाभिक से पॉज़िट्रॉन उत्सर्जित होने के बजाय एक इलेक्ट्रॉन 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: यह प्रक्रिया नाभिक के ऊर्जा स्तर में निम्न अवस्था में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होती है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युतचुंबकीय विकिरण का उत्सर्जन होता है। नाभिक की 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 न्यूक्लियॉन के समूहों का निष्कासन, या एक से अधिक बीटा कण शामिल हैं। गामा उत्सर्जन का एक एनालॉग जो उत्तेजित नाभिकों को अलग तरीके से ऊर्जा खोने की अनुमति देता है, वह है आंतरिक रूपांतरण (internal conversion)—एक प्रक्रिया जो उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करती है जो बीटा किरणें नहीं हैं, जिसके बाद उच्च-ऊर्जा फोटॉन का उत्पादन होता है जो गामा किरणें नहीं हैं। कुछ बड़े नाभिक विभिन्न द्रव्यमानों के दो या अधिक आवेशित टुकड़ों और कई न्यूट्रॉन में विस्फोटित हो जाते हैं, जिसे स्वतः नाभिकीय विखंडन (spontaneous nuclear fission) कहा जाता है।

प्रत्येक रेडियोधर्मी समस्थानिक की एक विशिष्ट क्षय समय अवधि होती है—अर्ध-आयु (half-life)—जो नमूने के आधे हिस्से के क्षय होने के लिए आवश्यक समय की मात्रा द्वारा निर्धारित की जाती है। यह एक घातीय क्षय (exponential decay) प्रक्रिया है जो प्रत्येक अर्ध-आयु में शेष समस्थानिक के अनुपात को लगातार 50% तक कम कर देती है। इसलिए दो अर्ध-आयु बीत जाने के बाद केवल 25% समस्थानिक मौजूद होता है, और इसी तरह आगे भी।[81]

चुंबकीय आघूर्ण

प्राथमिक कणों में प्रचक्रण (spin) नामक एक आंतरिक क्वांटम यांत्रिक गुण होता है। यह द्रव्यमान केंद्र के चारों ओर घूमने वाली वस्तु के कोणीय संवेग (angular momentum) के समान है, हालांकि सख्ती से कहें तो इन कणों को बिंदु-समान माना जाता है और यह नहीं कहा जा सकता कि वे घूम रहे हैं। प्रचक्रण को कम प्लांक नियतांक (ħ) की इकाइयों में मापा जाता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन सभी का प्रचक्रण 2 ħ, या "प्रचक्रण-2" होता है। एक परमाणु में, परमाणु नाभिक के चारों ओर गति करने वाले इलेक्ट्रॉनों में उनके प्रचक्रण के अलावा कक्षीय कोणीय संवेग होता है, जबकि नाभिक में स्वयं नाभिकीय प्रचक्रण के कारण कोणीय संवेग होता है।[84]

एक परमाणु द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र—इसका चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment)—इन विभिन्न प्रकार के कोणीय संवेग द्वारा निर्धारित होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमती हुई आवेशित वस्तु शास्त्रीय रूप से एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, लेकिन सबसे प्रमुख योगदान इलेक्ट्रॉन प्रचक्रण से आता है। इलेक्ट्रॉनों के पाउली अपवर्जन सिद्धांत का पालन करने की प्रकृति के कारण, जिसमें कोई भी दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम अवस्था में नहीं पाए जा सकते, बंधे हुए इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के साथ जोड़े बनाते हैं, जिसमें प्रत्येक जोड़े का एक सदस्य प्रचक्रण ऊपर (spin up) अवस्था में और दूसरा विपरीत, प्रचक्रण नीचे (spin down) अवस्था में होता है। इस प्रकार ये प्रचक्रण एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे सम संख्या में इलेक्ट्रॉनों वाले कुछ परमाणुओं में कुल चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण शून्य हो जाता है।[85]

लौहचुंबकत्व (ferromagnetism) तत्वों जैसे लोहा, कोबाल्ट और निकेल में, इलेक्ट्रॉनों की विषम संख्या एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन (unpaired electron) और एक शुद्ध समग्र चुंबकीय आघूर्ण की ओर ले जाती है। पड़ोसी परमाणुओं के कक्षक ओवरलैप होते हैं और एक निम्न ऊर्जा अवस्था तब प्राप्त होती है जब अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों के प्रचक्रण एक-दूसरे के साथ संरेखित होते हैं, एक स्वतः प्रक्रिया जिसे विनिमय अन्योन्यक्रिया (exchange interaction) कहा जाता है। जब लौहचुंबकीय परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण एक पंक्ति में होते हैं, तो सामग्री एक मापने योग्य मैक्रोस्कोपिक क्षेत्र उत्पन्न कर सकती है। अनुचुंबकीय पदार्थ (paramagnetic materials) में ऐसे परमाणु होते हैं जिनके चुंबकीय आघूर्ण तब यादृच्छिक दिशाओं में संरेखित होते हैं जब कोई चुंबकीय क्षेत्र मौजूद नहीं होता है, लेकिन क्षेत्र की उपस्थिति में व्यक्तिगत परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण एक पंक्ति में आ जाते हैं।[85][86]

जब किसी परमाणु के नाभिक में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन दोनों की संख्या सम होती है, तो उसका कोई चक्रण (spin) नहीं होता है, लेकिन विषम संख्या वाले अन्य मामलों में, नाभिक का चक्रण हो सकता है। सामान्यतः चक्रण वाले नाभिक तापीय साम्यावस्था (thermal equilibrium) के कारण यादृच्छिक दिशाओं में संरेखित होते हैं, लेकिन कुछ तत्वों (जैसे ज़ेनॉन-129) के लिए नाभिकीय चक्रण 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 एक इलेक्ट्रॉन की स्थितिज ऊर्जा (potential energy), नाभिक से दूरी के अनंत तक जाने की तुलना में ऋणात्मक होती है; इलेक्ट्रॉन की स्थिति पर इसकी निर्भरता नाभिक के भीतर न्यूनतम तक पहुँच जाती है, जो मोटे तौर पर दूरी के व्युत्क्रमानुपाती (inverse proportion) होती है। क्वांटम-यांत्रिक मॉडल में, एक बद्ध इलेक्ट्रॉन केवल नाभिक पर केंद्रित अवस्थाओं के एक सेट पर कब्जा कर सकता है, और प्रत्येक अवस्था एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर के अनुरूप होती है; सैद्धांतिक स्पष्टीकरण के लिए समय-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण देखें। एक ऊर्जा स्तर को परमाणु से इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा द्वारा मापा जा सकता है, और इसे आमतौर पर इलेक्ट्रॉनवोल्ट (eV) की इकाइयों में दिया जाता है। एक बद्ध इलेक्ट्रॉन की निम्नतम ऊर्जा अवस्था को मूल अवस्था (ground state) कहा जाता है, यानी स्थिर अवस्था (stationary state), जबकि उच्च स्तर पर इलेक्ट्रॉन संक्रमण के परिणामस्वरूप उत्तेजित अवस्था (excited state) प्राप्त होती है।[89] इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा n के साथ बढ़ती है क्योंकि नाभिक से (औसत) दूरी बढ़ती है। दिगंशीय क्वांटम संख्या पर ऊर्जा की निर्भरता नाभिक के स्थिरवैद्युत विभव (electrostatic potential) के कारण नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉनों के बीच परस्पर क्रिया के कारण होती है।

एक इलेक्ट्रॉन के लिए संक्रमण करने हेतु, उदाहरण के लिए मूल अवस्था से पहली उत्तेजित अवस्था तक, उसे नील्स बोर मॉडल के अनुसार उन स्तरों की स्थितिज ऊर्जा के अंतर से मेल खाने वाली ऊर्जा पर एक फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करना होगा, जिसे श्रोडिंगर समीकरण द्वारा सटीक रूप से गणना की जा सकती है। इलेक्ट्रॉन कण-जैसे तरीके से कक्षकों (orbitals) के बीच कूदते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक एकल फोटॉन इलेक्ट्रॉनों से टकराता है, तो फोटॉन के जवाब में केवल एक इलेक्ट्रॉन अवस्था बदलता है; इलेक्ट्रॉन गुण देखें।

उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा उसकी आवृत्ति के समानुपाती होती है, इसलिए ये विशिष्ट ऊर्जा स्तर विद्युतचुंबकीय 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 उपकोशों, इलेक्ट्रॉनों के बीच विद्युतचुंबकीय परस्पर क्रिया और अन्य कारकों पर निर्भर कर सकता है।[91]

जब ऊर्जा का विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम किसी गैस या प्लाज्मा से होकर गुजरता 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 बद्ध रहते हैं, वे स्वतः ही इस ऊर्जा को एक फोटॉन के रूप में उत्सर्जित करते हैं, जो एक यादृच्छिक दिशा में यात्रा करता है, और इस प्रकार वे निचले 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 बनाते हैं। एक पर्यवेक्षक जो परमाणुओं को ऐसे दृश्य से देखता है जिसमें पृष्ठभूमि में निरंतर स्पेक्ट्रम शामिल नहीं है, वह 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 किसी पदार्थ की संरचना और भौतिक गुणों को निर्धारित करने की अनुमति देते हैं।[92]

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

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

संयोजकता और बंधन व्यवहार

संयोजकता किसी तत्व की संयोजन शक्ति है। यह उन बंधनों की संख्या से निर्धारित होती है जो वह अन्य परमाणुओं या समूहों के साथ बना सकता है।[97] अपनी असंयुक्त अवस्था में एक परमाणु के सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन कोश को संयोजकता कोश (valence shell) के रूप में जाना जाता है, और उस कोश में मौजूद इलेक्ट्रॉनों को संयोजकता इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। संयोजकता इलेक्ट्रॉनों की संख्या अन्य परमाणुओं के साथ बंधन व्यवहार को निर्धारित करती है। परमाणु एक-दूसरे के साथ इस तरह से रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं कि उनके बाहरी संयोजकता कोश भर जाएं (या खाली हो जाएं)।[98] उदाहरण के लिए, परमाणुओं के बीच एक एकल इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण उन बंधनों के लिए एक उपयोगी सन्निकटन है जो एक भरे हुए कोश से एक-इलेक्ट्रॉन अधिक वाले परमाणुओं और एक पूर्ण कोश से एक-इलेक्ट्रॉन कम वाले परमाणुओं के बीच बनते हैं, जैसा कि सोडियम क्लोराइड और अन्य रासायनिक आयनिक लवणों के यौगिक में होता है। कई तत्व एकाधिक संयोजकता, या विभिन्न यौगिकों में इलेक्ट्रॉनों की अलग-अलग संख्या साझा करने की प्रवृत्ति प्रदर्शित करते हैं। इस प्रकार, इन तत्वों के बीच रासायनिक बंधन इलेक्ट्रॉन-साझाकरण के कई रूप लेते हैं जो सरल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से कहीं 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 गया है, और समान संख्या में संयोजकता इलेक्ट्रॉन वाले तत्व एक समूह बनाते हैं जो सारणी के एक ही कॉलम में संरेखित होते हैं। (क्षैतिज पंक्तियाँ इलेक्ट्रॉनों के एक क्वांटम कोश के भरने के अनुरूप होती हैं।) सारणी के सुदूर दाईं ओर के तत्वों का बाहरी कोश इलेक्ट्रॉनों से पूरी तरह भरा होता है, जिसके परिणामस्वरूप रासायनिक रूप से अक्रिय तत्व होते हैं जिन्हें उत्कृष्ट गैस (noble gases) कहा जाता है।[100][101]

अवस्थाएं

परमाणुओं की मात्रा पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं में पाई जाती है जो भौतिक स्थितियों, जैसे तापमान और दबाव पर निर्भर करती है। स्थितियों को बदलकर, पदार्थ ठोस, द्रव, गैस और प्लाज्मा के बीच संक्रमण कर सकते हैं।[102] एक अवस्था के भीतर, एक पदार्थ विभिन्न अपरूपों (allotropes) में भी मौजूद हो सकता 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 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 स्तर पर देखे जाते हैं, स्थूल स्तर पर स्पष्ट हो जाते हैं।[104][105] परमाणुओं का यह अति-शीतलीकृत संग्रह तब एक एकल सुपर परमाणु के रूप में व्यवहार करता है, जो क्वांटम यांत्रिक व्यवहार की मौलिक जांच की अनुमति दे सकता है।[106]

पहचान

हालाँकि परमाणु इतने छोटे होते हैं कि उन्हें देखा नहीं जा सकता, लेकिन स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (STM) जैसे उपकरण ठोस पदार्थों की सतह पर उनके दृश्यीकरण को सक्षम बनाते हैं। माइक्रोस्कोप क्वांटम टनलिंग घटना का उपयोग करता है, जो कणों को एक ऐसी बाधा से गुजरने की अनुमति देता है जो शास्त्रीय परिप्रेक्ष्य में दुर्गम होगी। इलेक्ट्रॉन दो बायस्ड इलेक्ट्रोड के बीच निर्वात के माध्यम से टनल करते हैं, जो एक टनलिंग करंट प्रदान करते हैं जो उनके पृथक्करण पर तेजी से निर्भर करता है। एक इलेक्ट्रोड एक तीक्ष्ण सिरा होता है जो आदर्श रूप से एक एकल परमाणु के साथ समाप्त होता है। सतह के स्कैन के प्रत्येक बिंदु पर सिरे की ऊंचाई को समायोजित किया जाता है ताकि टनलिंग करंट को एक निर्धारित मान पर रखा जा सके। सिरा सतह से कितना दूर और पास जाता है, इसे ऊंचाई प्रोफ़ाइल के रूप में व्याख्या किया जाता है। कम बायस के लिए, माइक्रोस्कोप बारीकी से पैक किए गए ऊर्जा स्तरों पर औसत इलेक्ट्रॉन कक्षकों को चित्रित करता है—फर्मी स्तर के पास इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं का घनत्व।[107][108] शामिल दूरियों के कारण, दोनों इलेक्ट्रोड को अत्यधिक स्थिर होने की आवश्यकता होती है; केवल तभी आवधिकता देखी जा सकती है जो व्यक्तिगत परमाणुओं के अनुरूप होती है। यह विधि अकेले रासायनिक रूप से विशिष्ट नहीं है, और सतह पर मौजूद परमाणु प्रजातियों की पहचान नहीं कर सकती है।

परमाणुओं को उनके द्रव्यमान द्वारा आसानी से पहचाना जा सकता है। यदि किसी परमाणु को उसके इलेक्ट्रॉनों में से एक को हटाकर आयनित किया जाता है, तो चुंबकीय क्षेत्र से गुजरते समय उसका प्रक्षेपवक्र मुड़ जाएगा। जिस त्रिज्या से एक गतिमान आयन का प्रक्षेपवक्र चुंबकीय क्षेत्र द्वारा मुड़ता है, वह परमाणु के द्रव्यमान द्वारा निर्धारित होता है। मास स्पेक्ट्रोमीटर इस सिद्धांत का उपयोग आयनों के द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात को मापने के लिए करता है। यदि किसी नमूने में कई समस्थानिक (isotopes) हैं, तो मास स्पेक्ट्रोमीटर आयनों की विभिन्न किरणों की तीव्रता को मापकर नमूने में प्रत्येक समस्थानिक के अनुपात को निर्धारित कर सकता है। परमाणुओं को वाष्पित करने की तकनीकों में इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा एटॉमिक एमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री शामिल हैं, जो दोनों विश्लेषण के लिए नमूनों को वाष्पित करने के लिए प्लाज्मा का उपयोग करते हैं।[109]

एटम प्रोब टोमोग्राफ में 3-D में उप-नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन है और यह टाइम-ऑफ-फ्लाइट मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके व्यक्तिगत परमाणुओं की रासायनिक 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 नमूने में मौजूद परमाणु प्रजातियों की पहचान गैर-विनाशकारी तरीके से करने के लिए किया जाता है। उचित फोकसिंग के साथ दोनों को क्षेत्र-विशिष्ट बनाया जा सकता है। एक अन्य ऐसी विधि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी (EELS) है, जो ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के भीतर एक इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा हानि को मापती है जब यह नमूने के एक हिस्से के साथ परस्पर क्रिया करती है।

उत्तेजित अवस्थाओं के स्पेक्ट्रा का उपयोग दूर के तारों की परमाणु संरचना का विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है। तारों से देखे गए प्रकाश में निहित विशिष्ट प्रकाश तरंग दैर्ध्य को अलग किया जा सकता है और मुक्त गैस परमाणुओं में क्वांटाइज्ड संक्रमणों से संबंधित किया जा सकता है। इन रंगों को उसी तत्व वाली गैस-डिस्चार्ज लैंप का उपयोग करके दोहराया जा सकता है।[111] हीलियम की खोज इसी तरह सूर्य के स्पेक्ट्रम में पृथ्वी पर पाए जाने से 23 साल पहले हुई थी।[112]

उत्पत्ति और वर्तमान स्थिति

बेरियोनिक पदार्थ अवलोकनीय ब्रह्मांड के कुल ऊर्जा घनत्व का लगभग 4% बनाता है, जिसका औसत घनत्व लगभग 0.25 कण/मी3 (मुख्य रूप से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन) है।[113] आकाशगंगा जैसी गैलेक्सी के भीतर, कणों की सांद्रता बहुत अधिक होती है, अंतरतारकीय माध्यम (ISM) में पदार्थ का घनत्व 105 से 109 परमाणु/मी3 तक होता है।[114] माना जाता है कि सूर्य लोकल बबल के अंदर है, इसलिए सौर पड़ोस में घनत्व केवल लगभग 103 परमाणु/मी3 है।[115] तारे ISM में घने बादलों से बनते हैं, और तारों की विकासवादी प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप ISM में हाइड्रोजन और हीलियम से अधिक भारी तत्वों का निरंतर संवर्धन होता है।

आकाशगंगा के 95% तक बेरियोनिक पदार्थ तारों के अंदर केंद्रित हैं, जहां स्थितियां परमाणु पदार्थ के लिए प्रतिकूल हैं। कुल बेरियोनिक द्रव्यमान गैलेक्सी के द्रव्यमान का लगभग 10% है;[116] शेष द्रव्यमान एक अज्ञात डार्क मैटर है।[117] तारों के अंदर उच्च तापमान अधिकांश "परमाणुओं" को पूरी तरह से आयनित कर देता है, यानी नाभिक से सभी इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देता है। तारकीय अवशेषों में—उनकी सतह की परतों को छोड़कर—अत्यधिक दबाव इलेक्ट्रॉन कोशों को असंभव बना देता है।

निर्माण

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

परमाणुओं की सर्वव्यापकता और स्थिरता उनकी बंधन ऊर्जा पर निर्भर करती है, जिसका अर्थ है कि एक परमाणु का नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की अबद्ध प्रणाली की तुलना में कम ऊर्जा होती है। जहां तापमान आयनन विभव से बहुत अधिक होता है, वहां पदार्थ प्लाज्मा के रूप में मौजूद होता है—धनात्मक रूप से आवेशित आयनों (संभवतः, नग्न नाभिक) और इलेक्ट्रॉनों की एक गैस। जब तापमान आयनन विभव से नीचे गिर जाता है, तो परमाणु सांख्यिकीय रूप से अनुकूल हो जाते हैं। बिग बैंग के 380,000 साल बाद परमाणु (बद्ध इलेक्ट्रॉनों के साथ पूर्ण) आवेशित कणों पर हावी हो गए—इस युग को पुनर्संयोजन कहा जाता है, जब विस्तार करते हुए ब्रह्मांड ने इलेक्ट्रॉनों को नाभिक से जुड़ने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त ठंडा कर लिया।[121]

बिग बैंग के बाद से, जिसने कोई कार्बन या भारी तत्व उत्पन्न नहीं किए, परमाणु नाभिक को तारों में नाभिकीय संलयन की प्रक्रिया के माध्यम से जोड़ा गया है ताकि हीलियम तत्व का अधिक उत्पादन हो सके, और (ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया के माध्यम से) कार्बन से लोहे तक के तत्वों की श्रृंखला का उत्पादन हो सके;[122] विवरण के लिए तारकीय नाभिकीय संश्लेषण देखें।

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

लोहे से भारी तत्व सुपरनोवा और टकराते हुए न्यूट्रॉन स्टार में r-प्रक्रिया के माध्यम से, और AGB तारों में s-प्रक्रिया के माध्यम से उत्पन्न हुए थे, जिनमें से दोनों में परमाणु नाभिक द्वारा न्यूट्रॉन का कैप्चर शामिल है।[124] सीसा जैसे तत्व काफी हद तक भारी तत्वों के रेडियोधर्मी क्षय के माध्यम से बने हैं।[125]

पृथ्वी

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

पृथ्वी पर कुछ ऐसे ट्रेस परमाणु हैं जो शुरुआत में मौजूद नहीं थे (यानी, "आदिम" नहीं थे), और न ही वे रेडियोधर्मी क्षय के परिणाम हैं। कार्बन-14 वायुमंडल में ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा लगातार उत्पन्न होता है।[129] पृथ्वी पर कुछ परमाणु कृत्रिम रूप से या तो जानबूझकर या परमाणु रिएक्टरों या विस्फोटों के उप-उत्पादों के रूप में उत्पन्न किए गए हैं।[130][131] ट्रांसयुरेनिक तत्वों में से—जिनकी परमाणु संख्या 92 से अधिक है—केवल प्लूटोनियम और नेप्च्यूनियम पृथ्वी पर प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं।[132][133] ट्रांसयुरेनिक तत्वों का रेडियोधर्मी जीवनकाल पृथ्वी की वर्तमान आयु से कम होता है[134] और इसलिए इन तत्वों की पहचान योग्य मात्रा बहुत पहले ही क्षय हो चुकी है, सिवाय प्लूटोनियम-244 के अंशों के जो संभवतः ब्रह्मांडीय धूल द्वारा जमा किए गए हैं।[126] प्लूटोनियम और नेप्च्यूनियम के प्राकृतिक भंडार यूरेनियम अयस्क में न्यूट्रॉन कैप्चर द्वारा निर्मित होते हैं।[135]

पृथ्वी में लगभग 1.33×10^50 परमाणु हैं।[136] हालाँकि उत्कृष्ट गैसों के स्वतंत्र परमाणुओं की छोटी संख्या मौजूद है, जैसे आर्गन, नियॉन और हीलियम, 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, परमाणुओं का एक भारी बहुमत पानी, नमक, सिलिकेट और ऑक्साइड सहित विभिन्न यौगिक बनाने के लिए जुड़ता है। परमाणु ऐसी सामग्री बनाने के लिए भी जुड़ सकते हैं जो अलग-अलग अणुओं से नहीं बनी होती है, जिसमें क्रिस्टल और तरल या ठोस धातु शामिल हैं।[137][138] यह परमाणु पदार्थ नेटवर्क व्यवस्था बनाता है जिसमें आणविक पदार्थ से जुड़े छोटे पैमाने के बाधित क्रम का अभाव होता है।[139]

दुर्लभ और सैद्धांतिक रूप

अतिभारी तत्व

मुख्य लेख: अतिभारी तत्व

82 (सीसा) से अधिक परमाणु संख्या वाले सभी न्यूक्लाइड रेडियोधर्मी माने जाते हैं। 92 (यूरेनियम) से अधिक परमाणु संख्या वाला कोई भी न्यूक्लाइड पृथ्वी पर आदिम न्यूक्लाइड के रूप में मौजूद नहीं है, और भारी तत्वों का अर्ध-आयु काल (half-lives) आमतौर पर छोटा होता है। फिर भी, एक "स्थिरता का द्वीप" (island of stability) जिसमें 110 से 114 तक परमाणु संख्या वाले अतिभारी तत्वों के अपेक्षाकृत लंबे समय तक जीवित रहने वाले समस्थानिक शामिल हो सकते हैं।[140] द्वीप पर सबसे स्थिर न्यूक्लाइड के अर्ध-आयु काल के लिए भविष्यवाणियां कुछ मिनटों से लेकर लाखों वर्षों तक की हैं।[141] किसी भी स्थिति में, अतिभारी तत्व (Z > 104) बढ़ते कूलम्ब प्रतिकर्षण (जिसके परिणामस्वरूप तेजी से छोटे अर्ध-आयु काल के साथ स्वतःस्फूर्त विखंडन होता है) के कारण किसी भी स्थिर प्रभाव की अनुपस्थिति में मौजूद नहीं होंगे।[142]

विदेशी पदार्थ

पदार्थ के प्रत्येक कण का एक संबंधित प्रतिपदार्थ (antimatter) कण होता है जिसका विद्युत आवेश विपरीत होता है। इस प्रकार, पॉज़िट्रॉन एक धनात्मक रूप से आवेशित प्रति-इलेक्ट्रॉन है और प्रति-प्रोटॉन एक प्रोटॉन का ऋणात्मक रूप से आवेशित समकक्ष है। जब एक पदार्थ और संबंधित प्रतिपदार्थ कण मिलते हैं, तो वे एक-दूसरे को नष्ट कर देते हैं। इस कारण से, पदार्थ और प्रतिपदार्थ कणों की संख्या के बीच असंतुलन के साथ, बाद वाले ब्रह्मांड में दुर्लभ हैं। इस असंतुलन के पहले कारण अभी तक पूरी तरह से समझे नहीं गए हैं, हालाँकि बेरियोजेनेसिस के सिद्धांत एक स्पष्टीकरण दे सकते हैं। परिणामस्वरूप, प्रकृति में कोई प्रतिपदार्थ परमाणु नहीं खोजा गया है।[143][144] 1996 में, जिनेवा में CERN प्रयोगशाला में हाइड्रोजन परमाणु (प्रति-हाइड्रोजन) का प्रतिपदार्थ समकक्ष संश्लेषित किया गया था।[145][146]

अन्य विदेशी परमाणु (exotic atoms) प्रोटॉन, न्यूट्रॉन या इलेक्ट्रॉनों में से एक को समान आवेश वाले अन्य कणों के साथ बदलकर बनाए गए हैं। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन को अधिक भारी म्यूऑन द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिससे एक म्यूओनिक 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]

यह भी देखें

नोट्स

  1. ↑ नकारात्मक शब्द "a-" और "τομή" (tomḗ), जो "काटने" के लिए प्रयुक्त शब्द है, का एक संयोजन।
  2. ↑ अधिक हालिया अपडेट के लिए ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी का Interactive Chart of Nuclides संग्रहीत संस्करण देखें।
  3. ↑ एक कैरेट 200 मिलीग्राम का होता है।

संदर्भ

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  6. ↑ Pullman (1998). The Atom in the History of Human Thought, p. 199: "The constant ratios, expressible in terms of integers, of the weights of the constituents in composite bodies could be construed as evidence on a macroscopic scale of interactions at the microscopic level between basic units with fixed weights. For Dalton, this agreement strongly suggested a corpuscular structure of matter, even though it did not constitute definite proof."
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  14. ↑ अपनी पुस्तक The Corpuscular Theory of Matter (1907) में, थॉमसन ने इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन के द्रव्यमान का 1/1700 होने का अनुमान लगाया है।
  15. ↑ "The Mechanism Of Conduction In Metals" संग्रहीत संस्करण, Think Quest.
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  18. ↑ J. J. Thomson (1907). The Corpuscular Theory of Matter, p. 103: "In default of exact knowledge of the nature of the way in which positive electricity occurs in the atom, we shall consider a case in which the positive electricity is distributed in the way most amenable to mathematical calculation, i.e., when it occurs as a sphere of uniform density, throughout which the corpuscles are distributed."
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  24. ↑ J. J. Thomson (1907). The Corpuscular Theory of Matter. p. 26–27: "In an unelectrified atom there are as many units of positive electricity as there are of negative; an atom with a unit of positive charge is a neutral atom which has lost one corpuscle, while an atom with a unit of negative charge is a neutral atom to which an additional corpuscle has been attached."
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    "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..."
  27. ↑ 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.
    Footnote by Ernest Rutherford: 'At the time of writing this paper in Australia, Professor Orme Masson was not aware that the name "proton" had already been suggested as a suitable name for the unit of mass nearly 1, in terms of oxygen 16, that appears to enter into the nuclear structure of atoms. The question of a suitable name for this unit was discussed at an informal meeting of a number of members of Section A of the British Association at Cardiff this year. The name "baron" suggested by Professor Masson was mentioned, but was considered unsuitable on account of the existing variety of meanings. Finally the name "proton" met with general approval, particularly as it suggests the original term "protyle " given by Prout in his well-known hypothesis that all atoms are built up of hydrogen. The need of a special name for the nuclear unit of mass 1 was drawn attention to by Sir Oliver Lodge at the Sectional meeting, and the writer then suggested the name "proton."'
  28. ↑ Eric Scerri (2020). The Periodic Table: Its Story and Its Significance, p. 185.
  29. ↑ Helge Kragh (2012). Niels Bohr and the Quantum Atom, p. 33
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बाहरी कड़ियाँ

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