పరమాణు నిర్మాణం

విభజనకు వీలులేనంత.. విస్తరణలో విశ్వమంత!

  పదార్థాలన్నీ అణువులతో తయారవుతాయి. ఆ అణువులు పరమాణువులతో నిర్మితమై ఉంటాయి. విభజించడానికి వీలులేనంత అత్యంత సూక్ష్మకణమే పరమాణువు. కానీ అది విశ్వమంతా విస్తరించి ఉంటుంది. రకరకాల పదార్థాల వాటి స్వభావాలు, అవి ఏర్పరిచే బంధాలు, సమ్మేళనాల గురించి తెలియాలంటే పరమాణు నిర్మాణంపై అవగాహన అవసరం. ఆ పరమ రహస్యాల గుట్టు విప్పేందుకు శాస్త్రవేత్తలు శతాబ్దాలుగా కృషి చేస్తున్నారు. ఈ అంశాలను అభ్యర్థులు పరీక్షల కోణంలో తెలుసుకోవాలి.  

 

  మన పరిసరాల్లో ఉండే ప్రతి పదార్థం ప్రత్యేక ధర్మాలను కలిగి ఉంటుంది. అవి ఆ పదార్థానికి ఎలా వచ్చాయో తెలుసుకునే ప్రయత్నంలో ఆవిర్భవించిందే పరమాణు నిర్మాణం. పదార్థం అనేది అణువుల సముదాయం. ప్రతి అణువు పరమాణువుల కలయిక (సంయోగం) వల్ల ఏర్పడుతుంది. జాన్‌ డాల్టన్‌ ప్రకారం పదార్థంలో పరమాణువు (Atom) అనేది సూక్ష్మాతి సూక్ష్మ కణం. Atom అనే పదం a-tomio అనే గ్రీకు భాషా పదం నుంచి వచ్చింది. విభజించడానికి వీలు కానిది అని దీని అర్థం. తర్వాతి కాలంలో జరిగిన పరిశోధనలు ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్, న్యూట్రాన్‌ లాంటి 100కు పైగా ఉప పరమాణువు కణాలతో పరమాణువు  నిర్మితమైందని నిరూపించాయి. ప్రస్తుత సైన్స్‌ ప్రకారం పదార్థాల్లో అత్యంత సూక్ష్మకణాలు బోసాన్‌లు, క్వార్క్‌లు. అంటే విశ్వంలోని ప్రతి పదార్థం బోసాన్‌లు, క్వార్క్‌లతో నిర్మితమై ఉంటుంది. 

 

జాన్‌ డాల్టన్‌ పరమాణు సిద్ధాంతం 

దీని ప్రకారం పదార్థం అణువుల సముదాయం. పరమాణువుల సంయోగం వల్ల అణువులు ఏర్పడతాయి. జాన్‌ డాల్టన్‌ ప్రకారం పదార్థం తరఫున పరమాణువులు రసాయన చర్యలో పాల్గొంటాయి. ఒకే మూలకానికి చెందిన పరమాణువులన్నీ ఒకే విధంగా ఉంటాయి. భిన్న మూలకాలకు చెందిన పరమాణువులు ఒకదాంతో మరొకటి భిన్నంగా ఉంటాయి. డాల్టన్‌ పరమాణువులను గోళాలుగా భావించాడు.

* మైకేల్‌ ఫారడే, విలియం క్రూక్స్‌ అనే శాస్త్రవేత్తలు నిశబ్ద విద్యుత్‌ ఉత్సర్గనాళికా ప్రయోగాల్లో జింక్‌ సల్ఫైడ్‌ తెరపై ఆకుపచ్చని కాంతిని పరిశీలించారు. ఈ ప్రయోగాన్ని జె.జె.థాంప్సన్‌ వివిధ వాయువులతో (N₂, O_2, Cl₂ తదితరాలు) అనేకసార్లు పునరావృతం చేసి కనుక్కున్న రుణావేశిత ఉపపరమాణు కణానికి ఎలక్ట్రాన్‌ అని జి.జె.స్టోని నామకరణం చేశారు. 

* మిల్లికాన్‌ తన తైలబిందు ప్రయోగం ఆధారంగా ఎలక్ట్రాన్‌ అనే ఉప పరమాణు కణ ఆవేశ పరిమాణాన్ని -1.602 x 10^-19 కూలుంబ్‌లుగా నిర్ధారించాడు. దీని ద్రవ్యరాశి 0.00055 amu, సాపేక్ష ద్రవ్యరాశి 1 యూనిట్‌ లేదా ప్రోటాన్‌ ద్రవ్యరాశిలో 1837వ వంతు లేదా న్యూట్రాన్‌ ద్రవ్యరాశిలో 1840వ వంతు.

* రూథర్‌ఫర్డ్‌ తన బంగారు రేకు   కిరణ పరిక్షేపణ ప్రయోగం ఆధారంగా కేంద్రకం అనే భావనకు నాంది పలికి ధనావేశిత ఉప పరమాణు కణమైన ప్రోటాన్‌ను కనుక్కున్నాడు. దీని ఆవేశ పరిమాణం +1.602 x 10^-19 కూలుంబ్‌లు, ద్రవ్యరాశి 1.00727 amu, సాపేక్ష ద్రవ్యరాశి 1837.

* వివిధ పరమాణువుల ప్రయోగాత్మక ద్రవ్యరాశులను వివరించే ప్రయత్నంలో పరమాణువులోని తటస్థ ఆవేశం ఉన్న న్యూట్రాన్‌ అనే ఉపపరమాణు కణాన్ని జేమ్స్‌ ఛాడ్విక్‌ కనుక్కున్నారు. న్యూట్రాన్‌ ద్రవ్యరాశి 1.008665 amu, సాపేక్ష ద్రవ్యరాశి 1840.  

 

నమూనాలు 

పరమాణువులో ఉన్న ఉప పరమాణు కణాల అమరికను కింది నమూనాలు వివరిస్తాయి. 

 

జె.జె.థాంప్సన్‌ పుచ్చకాయ పరమాణు నమూనా: పరమాణు నమూనాల్లో ఇది మొదటిది. థాంప్సన్‌ ప్రకారం రుణావేశిత ఎలక్ట్రాన్‌లు ధనావేశిత ప్రోటాన్‌ అనే ఉప పరమాణు కణాల మధ్యలో ఇమిడి ఉంటాయి. ఈ అమరికలోని ప్రోటాన్‌లను పుచ్చకాయలోని ఎర్రని గుజ్జుతో, ఎలక్ట్రాన్‌లను నల్లని గింజలతో పోల్చాడు. 

 

రూథర్‌ఫర్డ్‌ గ్రహ మండల నమూనా: ఈయన పరమాణువుల్లో ధనావేశిత కేంద్రకం చుట్టూ రుణావేశిత ఎలక్ట్రాన్‌లు కక్ష్యల్లో తిరుగుతూ ఉంటాయని వివరించాడు. తన వివరణను సౌర వ్యవస్థతో పోల్చాడు.

లోపాలు: * ఒక కక్ష్యలో నింపగలిగిన ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య గురించి సమాచారాన్ని ఇవ్వలేదు.

* ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం ప్రకారం గమనంలో ఉన్న ఏ వస్తువైనా నిశ్చల స్థితిలోకి రావాలి. కారణం దాని గమనానికి అంతర్గత శక్తి ఖర్చవుతుంది. కానీ ఎలక్ట్రాన్‌లు శక్తిని కోల్పోకుండా కేంద్రకం చుట్టూ ఎలా తిరుగుతున్నాయో రూథర్‌ఫర్డ్‌ నమూనా సరైన వివరణ ఇవ్వలేదు.

 

నీల్స్‌బోర్‌ పరమాణు నమూనా: ఇది ప్రస్తుతం వినియోగిస్తున్న పరమాణు నమూనా. నీల్స్‌బోర్‌ ప్రకారం రుణావేశిత ఎలక్ట్రాన్‌లు కేంద్రకం చుట్టూ స్థిర కక్ష్యల్లో అత్యధిక వేగాలతో వృత్తాకార మార్గాల్లో తిరుగుతూ ఉంటాయి. ఎలక్ట్రాన్‌లు స్థిర కక్ష్యల్లో తిరుగుతున్నంత కాలం శక్తిని కోల్పోవు, గ్రహించవు. కోణీయ ద్రవ్యవేగం క్వాంటీకరణం చెంది ఉన్న కక్ష్యలకే స్థిర కక్ష్యలు అని నామకరణం చేశారు. 

* nవ కక్ష్యలో గరిష్ఠంగా నింపగలిగిన ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య 2n². n విలువ పెరిగేకొద్దీ కక్ష్య సైజు, శక్తి పెరుగుతాయి. కక్ష్యలను n = 1, 2, 3, 4, ...... లేదా K, L, M, N... లతో సూచించాడు.

లోపాలు: ఒకే ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ కలిగి ఉన్న ప్రాతిపదికలకు మాత్రమే ఈ నమూనా అనువర్తించవచ్చు. ఉదా: హైడ్రోజన్‌ పరమాణువు

* ఒకటి కంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉన్న హీలియం, లిథియం లాంటి పరమాణువులకు నీల్స్‌బోర్‌ పరమాణు నమూనా అనువర్తించడం కుదరదు. 

* స్థిర కక్ష్యలకు కోణీయ ద్రవ్యవేగం ఎందుకు క్వాంటీకరణం చెందాలో వివరించలేదు.

* జీమన్, స్టార్క్‌ ఫలితాలను వివరించలేదు.

 

జీమన్‌ ఫలితం: పరమాణు వర్ణ పటరేఖలు బాహ్య అయస్కాంత క్షేత్ర సమక్షంలో చిన్న ఉపరేఖలుగా విడిపోవడాన్ని జీమన్‌ ఫలితం అంటారు.

 

స్టార్క్‌ ఫలితం: పరమాణు వర్ణపట రేఖలు బాహ్య విద్యుత్‌ క్షేత్ర సమక్షంలో చిన్న ఉప రేఖలుగా విడిపోవడాన్ని స్టార్క్‌ ఫలితం అంటారు.

 

సోమర్‌ఫెల్డ్‌ సిద్ధాంతం: ఈయన ఎలక్ట్రాన్‌లు కేంద్రకం చుట్టూ దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్యల్లో తిరుగుతాయని వివరించాడు.

 

పరమాణు సంఖ్య 

దీన్ని Z తో సూచిస్తారు. ఇది 'Zahl' అనే జర్మనీ భాషా పదం నుంచి వచ్చింది. దీనికి సంఖ్య అని అర్థం.పరమాణు కేంద్రకంలోని ప్రోటాన్‌ల సంఖ్య లేదా కక్ష్యలోని ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్యనే ఆ పరమాణువు యొక్క పరమాణు సంఖ్య అంటారు. Z అనేది కేంద్రకంలోని న్యూట్రాన్‌ల సంఖ్య గురించి తెలియజేయదు.
పరమాణువు = కేంద్రకం + కక్ష్యలు      

* కేంద్రకాన్ని న్యూక్లియస్‌ అంటారు. దానిలో ఉండే ఉప పరమాణు కణాలకు న్యూక్లియాన్‌లు అని పేరు. న్యూక్లియాన్‌ కాని ఉప పరమాణు కణం ఎలక్ట్రాన్‌.

ఉప పరమాణు కణాలు = ప్రధాన ఉప పరమాణు కణాలు + అప్రధాన ఉప పరమాణు కణాలు
                           (ప్రోటాన్, ఎలక్ట్రాన్, న్యూట్రాన్‌)      (మీసాన్, న్యూట్రినో, పాసిట్రాన్‌)

* పరమాణువులోని ఎలక్ట్రాన్‌ యొక్క వ్యతిరేక ఉప పరమాణు కణం పాసిట్రాన్‌ .

 

క్వాంటం సంఖ్యలు 

పరమాణువులో కేంద్రకం చుట్టూ తిరిగే ఎలక్ట్రాన్‌ల శక్తి, స్థానాన్ని వివరించే సంఖ్యలను క్వాంటం సంఖ్యలు అంటారు. 

 

ప్రధాన క్వాంటం సంఖ్య: దీన్ని నీల్స్‌బోర్‌ ప్రతిపాదించాడు. ప్రధాన క్వాంటం సంఖ్యలను n తో సూచిస్తారు. ఇది కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉండే ప్రధాన కక్ష్యల గురించి వివరిస్తుంది. n విలువలు 1, 2, 3, 4, .... 

 

అజిముతల్‌ క్వాంటం సంఖ్య: దీన్ని సోమర్‌ ఫెల్డ్‌ ప్రతిపాదించాడు. ఒక ప్రధాన కక్ష్యలో ఉండే ఉప కక్ష్యల సంఖ్య లేదా ఆర్బిటాల్‌ల సంఖ్య గురించి వివరిస్తుంది. దీన్ని l తో సూచిస్తారు.  l విలువలు 0, 1, 2, 3, .... 

 

అయస్కాంత క్వాంటం సంఖ్య: దీన్ని లాండే ప్రతిపాదించాడు.m తో సూచిస్తారు. m విలువలు = -l,....,0,.....+l . ఇది ఆర్బిటాల్‌ల దృగ్విన్యాసాన్ని x, y, z  అక్షాల పరంగా వర్ణిస్తుంది.

 

స్పిన్‌ క్వాంటం సంఖ్య: దీన్ని ఉలెన్‌ బెక్, గౌడ్‌ స్మిత్‌ ప్రతిపాదించారు. s తో సూచిస్తారు. s విలువ సవ్యదిశలో   అపసవ్యదిశలో    . ఇది ఎలక్ట్రాన్‌ల ఆత్మ భ్రమణాన్ని వివరిస్తుంది.

 

ఆర్బిట్‌ లేదా కక్ష్య: ఎలక్ట్రాన్‌ తిరిగే మార్గాన్ని కక్ష్య అంటారు.

 

ఆర్బిటాల్‌: పరమాణవులో కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్‌ను కనుక్కునే సంభావ్యత గరిష్ఠంగా ఉండే ప్రదేశానికి ఆర్బిటాల్‌ అని పేరు.

 

నోడ్‌: పరమాణువులో కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్‌ను కనుక్కునే సంభావ్యత శూన్యంగా ఉండే ప్రదేశాన్ని నోడ్‌ అంటారు.

* ఒక ఆర్బిటాల్‌ కోణీయ ద్రవ్యవేగం విలువ =  

* ఒక ఆర్బిటాల్‌ కోణీయ నోడ్‌ల సంఖ్య =  l

* ఒక ఆర్బిటాల్‌ రేఖీయ నోడ్‌ల సంఖ్య = n - l - 1

* ఒక ఆర్బిటాల్‌ మొత్తం నోడ్‌ల సంఖ్య = n - 1

 

రచయిత: దామ ధర్మరాజు