युगों से एक परमाणु के साथ - भाग 3

रदरफोर्ड का परमाणु का ग्रहीय मॉडल थॉमसन के "किशमिश पुडिंग" की तुलना में वास्तविकता के अधिक करीब था। हालाँकि, इस अवधारणा का जीवन केवल दो साल तक चला, लेकिन उत्तराधिकारी के बारे में बात करने से पहले, अगले परमाणु रहस्यों को जानने का समय आ गया है।

1. हाइड्रोजन समस्थानिक: स्थिर प्रोट और ड्यूटेरियम और रेडियोधर्मी ट्रिटियम (फोटो: ब्रूसब्लॉस/विकिमीडिया कॉमन्स)।

परमाणु हिमस्खलन

रेडियोधर्मिता की घटना की खोज, जिसने परमाणु के रहस्यों को उजागर करने की शुरुआत को चिह्नित किया, ने शुरू में रसायन विज्ञान के आधार - आवधिकता के नियम - को खतरे में डाल दिया। कुछ ही समय में कई दर्जन रेडियोधर्मी पदार्थों की पहचान की गई। उनमें से कुछ के परमाणु द्रव्यमान भिन्न होने के बावजूद उनके रासायनिक गुण समान थे, जबकि समान द्रव्यमान वाले अन्य के गुण भिन्न थे। इसके अलावा, आवर्त सारणी के जिस क्षेत्र में उन्हें उनके वजन के कारण रखा जाना चाहिए था, वहां उन सभी को समायोजित करने के लिए पर्याप्त खाली जगह नहीं थी। खोजों की बाढ़ के कारण आवर्त सारणी लुप्त हो गई।

2. जे.जे. थॉम्पसन के 1911 मास स्पेक्ट्रोमीटर की प्रतिकृति (फोटो: जेफ डाहल/विकिमीडिया कॉमन्स)

परमाणु नाभिक

यह 10-100 हजार है. पूरे परमाणु से कई गुना छोटा। यदि हाइड्रोजन परमाणु के नाभिक को 1 सेमी व्यास वाली गेंद के आकार तक बढ़ाया जाए और फुटबॉल मैदान के केंद्र में रखा जाए, तो एक इलेक्ट्रॉन (पिनहेड से छोटा) एक गोल के आसपास होगा (50 मीटर से अधिक)।

परमाणु का लगभग पूरा द्रव्यमान नाभिक में केंद्रित होता है, उदाहरण के लिए, सोने के लिए यह लगभग 99,98% है। इस धातु के एक घन की कल्पना करें जिसका वजन 19,3 टन है। सभी परमाणुओं के नाभिक सोने की कुल मात्रा 1/1000 मिमी3 (0,1 मिमी से कम व्यास वाली एक गेंद) से कम है। अत: परमाणु अत्यंत रिक्त है। पाठकों को आधार सामग्री के घनत्व की गणना करनी चाहिए।

इस समस्या का समाधान 1910 में फ्रेडरिक सोड्डी ने खोजा था। उन्होंने आइसोटोप की अवधारणा पेश की, अर्थात। एक ही तत्व की किस्में जो उनके परमाणु द्रव्यमान में भिन्न होती हैं (1)। इस प्रकार, उन्होंने डाल्टन के एक और पद पर सवाल उठाया - उस क्षण से, एक रासायनिक तत्व में एक ही द्रव्यमान के परमाणु नहीं होने चाहिए। प्रायोगिक पुष्टि (मास स्पेक्ट्रोग्राफ, 1911) के बाद समस्थानिक परिकल्पना ने भी कुछ तत्वों के परमाणु द्रव्यमान के भिन्नात्मक मूल्यों की व्याख्या करना संभव बना दिया - उनमें से अधिकांश कई समस्थानिकों के मिश्रण हैं, और परमाणु भार उन सभी के द्रव्यमान का भारित औसत है (2)।

कर्नेल घटक

रदरफोर्ड के एक अन्य छात्र, हेनरी मोसले ने 1913 में ज्ञात तत्वों द्वारा उत्सर्जित एक्स-रे का अध्ययन किया। जटिल ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा के विपरीत, एक्स-रे स्पेक्ट्रम बहुत सरल है - प्रत्येक तत्व केवल दो तरंग दैर्ध्य उत्सर्जित करता है, जिनकी तरंग दैर्ध्य आसानी से उसके परमाणु नाभिक के चार्ज से संबंधित होती है।

3. मोसले द्वारा उपयोग की गई एक्स-रे मशीनों में से एक (फोटो: मैग्नस मैंस्के/विकिमीडिया कॉमन्स)

इससे पहली बार मौजूदा तत्वों की वास्तविक संख्या प्रस्तुत करना संभव हो गया, साथ ही यह निर्धारित करना भी संभव हो गया कि उनमें से कितने अभी भी आवर्त सारणी (3) में अंतराल को भरने के लिए पर्याप्त नहीं हैं।

धनात्मक आवेश वाले कण को ​​प्रोटॉन (ग्रीक प्रोटॉन = प्रथम) कहा जाता है। तुरंत एक और समस्या खड़ी हो गई. एक प्रोटॉन का द्रव्यमान लगभग 1 इकाई के बराबर होता है। जबकि परमाणु नाभिक 11 यूनिट के चार्ज वाले सोडियम का द्रव्यमान 23 यूनिट है? बेशक, अन्य तत्वों के मामले में भी ऐसा ही है। इसका मतलब है कि नाभिक में मौजूद अन्य कण होने चाहिए और उनमें कोई आवेश नहीं होना चाहिए। प्रारंभ में, भौतिकविदों ने माना कि ये इलेक्ट्रॉनों के साथ दृढ़ता से बंधे हुए प्रोटॉन थे, लेकिन अंत में यह साबित हो गया कि एक नया कण दिखाई दिया - न्यूट्रॉन (लैटिन न्यूटर = तटस्थ)। इस प्राथमिक कण की खोज (तथाकथित बुनियादी "ईंटें" जो सभी पदार्थ बनाती हैं) 1932 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जेम्स चाडविक द्वारा की गई थी।

प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक दूसरे में बदल सकते हैं। भौतिकविदों का अनुमान है कि वे न्यूक्लियॉन (लैटिन न्यूक्लियस = न्यूक्लियस) नामक कण के रूप हैं।

चूँकि हाइड्रोजन के सबसे सरल समस्थानिक का नाभिक एक प्रोटॉन है, यह देखा जा सकता है कि विलियम प्राउट ने अपनी "हाइड्रोजन" परिकल्पना में परमाणु की संरचना वह बहुत गलत नहीं था (देखें: "युगों के माध्यम से परमाणु के साथ - भाग 2"; "यंग तकनीशियन" संख्या 8/2015)। प्रारंभ में, प्रोटॉन और "प्रोटॉन" नामों के बीच भी उतार-चढ़ाव थे।

4. अंत में फोटोसेल - उनके काम का आधार फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव है (फोटो: आईईएस / विकिमीडिया कॉमन्स)

सभी को अनुमति नहीं है

अपनी उपस्थिति के समय रदरफोर्ड के मॉडल में "जन्मजात दोष" था। मैक्सवेल के इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार (उस समय पहले से ही कार्यरत रेडियो प्रसारण द्वारा पुष्टि की गई), एक सर्कल में घूमने वाले एक इलेक्ट्रॉन को एक विद्युत चुम्बकीय तरंग उत्सर्जित करनी चाहिए।

इस प्रकार, यह ऊर्जा खो देता है, जिसके परिणामस्वरूप यह नाभिक पर गिरता है। सामान्य परिस्थितियों में, परमाणु विकिरण नहीं करते हैं (उच्च तापमान पर गर्म होने पर स्पेक्ट्रा बनते हैं) और परमाणु आपदाएँ नहीं देखी जाती हैं (एक इलेक्ट्रॉन का अनुमानित जीवनकाल एक सेकंड के दस लाखवें हिस्से से कम होता है)।

रदरफोर्ड के मॉडल ने कण प्रकीर्णन प्रयोग के परिणाम की व्याख्या की, लेकिन फिर भी यह वास्तविकता के अनुरूप नहीं था।

1913 में, लोगों को इस तथ्य की "आदत हो गई" कि सूक्ष्म जगत में ऊर्जा किसी मात्रा में नहीं, बल्कि भागों में ली और भेजी जाती है, जिसे क्वांटा कहा जाता है। इस आधार पर, मैक्स प्लैंक ने गर्म पिंडों (1900) द्वारा उत्सर्जित विकिरण के स्पेक्ट्रा की प्रकृति को समझाया, और अल्बर्ट आइंस्टीन (1905) ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के रहस्यों को समझाया, यानी, प्रबुद्ध धातुओं द्वारा इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन (4)।

5. टैंटलम ऑक्साइड क्रिस्टल पर इलेक्ट्रॉनों की विवर्तन छवि इसकी सममित संरचना दिखाती है (फोटो: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 वर्षीय डेनिश भौतिक विज्ञानी नील्स बोह्र ने रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल में सुधार किया। उन्होंने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रॉन केवल उन कक्षाओं में चलते हैं जो कुछ निश्चित ऊर्जा स्थितियों को पूरा करते हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन चलते समय विकिरण उत्सर्जित नहीं करते हैं, और ऊर्जा केवल कक्षाओं के बीच शंट किए जाने पर ही अवशोषित और उत्सर्जित होती है। धारणाएँ शास्त्रीय भौतिकी के विपरीत थीं, लेकिन उनके आधार पर प्राप्त परिणाम (हाइड्रोजन परमाणु का आकार और उसके स्पेक्ट्रम की रेखाओं की लंबाई) प्रयोग के अनुरूप निकले। नवजात मॉडल परमाणु.

दुर्भाग्य से, परिणाम केवल हाइड्रोजन परमाणु के लिए मान्य थे (लेकिन सभी वर्णक्रमीय अवलोकनों की व्याख्या नहीं करते थे)। अन्य तत्वों के लिए, गणना के परिणाम वास्तविकता के अनुरूप नहीं थे। इस प्रकार, भौतिकविदों के पास अभी तक परमाणु का कोई सैद्धांतिक मॉडल नहीं था।

ग्यारह साल बाद रहस्य खुलने लगे। फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी लुडविक डी ब्रोगली के डॉक्टरेट शोध प्रबंध ने भौतिक कणों के तरंग गुणों से निपटा। यह पहले ही सिद्ध हो चुका है कि प्रकाश, एक तरंग (विवर्तन, अपवर्तन) की विशिष्ट विशेषताओं के अलावा, कणों के संग्रह की तरह भी व्यवहार करता है - फोटॉन (उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनों के साथ लोचदार टकराव)। लेकिन सामूहिक वस्तुएं? यह सुझाव एक राजकुमार के लिए एक सपने की तरह लग रहा था जो एक भौतिक विज्ञानी बनना चाहता था। हालाँकि, 1927 में एक प्रयोग किया गया था जिसने डी ब्रोगली की परिकल्पना की पुष्टि की - इलेक्ट्रॉन बीम एक धातु क्रिस्टल (5) पर विवर्तित हुआ।

परमाणु कहाँ से आये?

हर किसी की तरह: बिग बैंग। भौतिकविदों का मानना ​​है कि वस्तुतः "शून्य बिंदु" से एक सेकंड के एक अंश में प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन, यानी घटक परमाणु, का निर्माण हुआ। कुछ मिनट बाद (जब ब्रह्मांड ठंडा हो गया और पदार्थ का घनत्व कम हो गया), न्यूक्लियॉन एक साथ विलीन हो गए, जिससे हाइड्रोजन के अलावा अन्य तत्वों के नाभिक बन गए। हीलियम की सबसे बड़ी मात्रा का निर्माण हुआ, साथ ही निम्नलिखित तीन तत्वों के अंश भी। 100 XNUMX के बाद ही कई वर्षों तक, स्थितियों ने इलेक्ट्रॉनों को नाभिक से जुड़ने की अनुमति दी - पहले परमाणुओं का निर्माण हुआ। मुझे अगले के लिए काफी समय तक इंतजार करना पड़ा। घनत्व में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के कारण घनत्व का निर्माण हुआ, जो प्रकट होते ही अधिक से अधिक पदार्थ को आकर्षित करने लगा। जल्द ही, ब्रह्मांड के अंधेरे में, पहले तारे चमक उठे।

लगभग एक अरब वर्षों के बाद, उनमें से कुछ मरने लगे। अपने पाठ्यक्रम में उन्होंने उत्पादन किया परमाणुओं के नाभिक लोहे के नीचे। अब जब वे मर गए, तो उन्होंने उन्हें सारे देश में फैला दिया, और राख से नए तारे उत्पन्न हुए। उनमें से सबसे बड़े पैमाने पर एक शानदार अंत हुआ। सुपरनोवा विस्फोटों के दौरान, नाभिकों पर इतने कणों की बमबारी की गई कि सबसे भारी तत्व भी बन गए। उन्होंने नए तारे, ग्रह और कुछ ग्लोब बनाए - जीवन।

पदार्थ तरंगों का अस्तित्व सिद्ध हो चुका है। दूसरी ओर, परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन को एक खड़ी तरंग माना जाता था, जिसके कारण यह ऊर्जा उत्सर्जित नहीं करता है। गतिमान इलेक्ट्रॉनों के तरंग गुणों का उपयोग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी बनाने के लिए किया गया, जिससे पहली बार परमाणुओं को देखना संभव हुआ (6)। बाद के वर्षों में, वर्नर हाइजेनबर्ग और इरविन श्रोडिंगर के काम (डी ब्रोगली परिकल्पना के आधार पर) ने परमाणु के इलेक्ट्रॉन कोश का एक नया मॉडल विकसित करना संभव बना दिया, जो पूरी तरह से अनुभव पर आधारित था। लेकिन ये लेख के दायरे से परे प्रश्न हैं।

कीमियागरों का सपना सच हो गया

प्राकृतिक रेडियोधर्मी परिवर्तन, जिसमें नए तत्व बनते हैं, 1919वीं शताब्दी के अंत से ज्ञात हैं। XNUMX में, कुछ ऐसा जो अब तक केवल प्रकृति ही करने में सक्षम है। इस अवधि के दौरान अर्नेस्ट रदरफोर्ड पदार्थ के साथ कणों की अंतःक्रिया में लगे हुए थे। परीक्षणों के दौरान, उन्होंने देखा कि प्रोटॉन नाइट्रोजन गैस के विकिरण के परिणामस्वरूप दिखाई दिए।

घटना के लिए एकमात्र स्पष्टीकरण हीलियम नाभिक (एक कण और इस तत्व के आइसोटोप का नाभिक) और नाइट्रोजन (7) के बीच प्रतिक्रिया थी। परिणामस्वरूप, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन बनते हैं (प्रोटॉन सबसे हल्के आइसोटोप का नाभिक है)। कीमियागरों का रूपांतरण का सपना सच हो गया है। अगले दशकों में ऐसे तत्वों का उत्पादन हुआ जो प्रकृति में नहीं पाए जाते।

ए-कणों का उत्सर्जन करने वाली प्राकृतिक रेडियोधर्मी तैयारी अब इस उद्देश्य के लिए उपयुक्त नहीं थी (एक हल्के कण के पास पहुंचने के लिए भारी नाभिक का कूलम्ब अवरोध बहुत बड़ा है)। त्वरक, भारी आइसोटोप के नाभिक को भारी ऊर्जा प्रदान करते हुए, "रासायनिक भट्टियां" बन गए, जिसमें आज के रसायनज्ञों के पूर्वजों ने "धातुओं के राजा" (8) को प्राप्त करने की कोशिश की।

दरअसल, सोने के बारे में क्या? कीमियागर अक्सर अपने उत्पादन के लिए कच्चे माल के रूप में पारे का उपयोग करते हैं। यह स्वीकार करना होगा कि इस मामले में उनके पास असली "नाक" थी। परमाणु रिएक्टर में न्यूट्रॉन के साथ उपचारित पारे से सबसे पहले कृत्रिम सोना प्राप्त किया गया था। धातु का टुकड़ा 1955 में जिनेवा परमाणु सम्मेलन में दिखाया गया था।

चित्र 6. सोने की सतह पर परमाणु, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप की छवि में दिखाई दे रहे हैं।

7. तत्वों के प्रथम मानव रूपांतरण की योजना

भौतिकविदों की उपलब्धि की खबर ने दुनिया के स्टॉक एक्सचेंजों में भी हलचल मचा दी, लेकिन इस तरह से खनन किए गए अयस्क की कीमत के बारे में जानकारी से सनसनीखेज प्रेस रिपोर्टों का खंडन किया गया - यह प्राकृतिक सोने की तुलना में कई गुना अधिक महंगा है। रिएक्टर कीमती धातु की खान की जगह नहीं लेंगे। लेकिन उनमें उत्पादित आइसोटोप और कृत्रिम तत्व (दवा, ऊर्जा, वैज्ञानिक अनुसंधान के प्रयोजनों के लिए) सोने की तुलना में बहुत अधिक मूल्यवान हैं।

8. आवर्त सारणी में यूरेनियम के बाद पहले कुछ तत्वों का संश्लेषण करने वाला ऐतिहासिक साइक्लोट्रॉन (लॉरेंस विकिरण प्रयोगशाला, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले, अगस्त 1939)

उन पाठकों के लिए जो पाठ में उठाए गए मुद्दों का पता लगाना चाहते हैं, मैं श्री टोमाज़ सोविन्स्की द्वारा लेखों की एक श्रृंखला की अनुशंसा करता हूं। 2006-2010 में "यंग टेक्निक्स" में दिखाई दिया ("उन्होंने कैसे खोजा" शीर्षक के तहत)। ग्रंथ लेखक की वेबसाइट पर भी उपलब्ध हैं: .

चक्र "सदी के एक परमाणु के साथ» उन्होंने एक अनुस्मारक के साथ शुरुआत की कि पिछली शताब्दी को अक्सर परमाणु का युग कहा जाता था। बेशक, कोई भी पदार्थ की संरचना में XNUMXवीं शताब्दी के भौतिकविदों और रसायनज्ञों की मौलिक उपलब्धियों को नोट करने में विफल नहीं हो सकता है। हालाँकि, हाल के वर्षों में, सूक्ष्म जगत के बारे में ज्ञान तेजी से बढ़ रहा है, ऐसी प्रौद्योगिकियाँ विकसित की जा रही हैं जो व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं में हेरफेर करने की अनुमति देती हैं। इससे हमें यह कहने का अधिकार मिलता है कि परमाणु की वास्तविक आयु अभी तक नहीं आई है।