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नाभिक की संरचना

नाभिक की संरचना :- 1911 में अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा नाभिक की खोज के बाद, नाभिक की संरचना को समझाने के लिए कई परिकल्पनाएँ दी गईं। उनमें से सबसे प्रमुख थीं :-

प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना (Proton-Electron hypothesis)
प्रोटॉन-न्यूट्रॉन परिकल्पना (Proton-Neutron hypothesis)

प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना

(नाभिक की संरचना)

रेडियोधर्मी विघटन(radioactive disintegration) के अध्ययन से पता चला कि अल्फा कण, बीटा कण (तेज गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉन) और गामा किरणें नाभिक से उत्सर्जित होती हैं। इसलिए यह मानना काफी तर्कसंगत लगता है कि नाभिक में इलेक्ट्रॉन होते हैं।

नाभिक में दो प्रोटॉनों का विद्युत विभव…

$\displaystyle V=\frac{{{e}^{2}}}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}r}=\left[ 9\times {{10}^{9}}\times \frac{{{(1.6\times {{10}^{-19}})}^{2}}}{{{10}^{-15}}} \right]\times \frac{1}{1.6\times {{10}^{-19}}}eV$

$\displaystyle \Rightarrow V=1.4\times {{10}^{6}}eV=1.4MeV$

यह बहुत अधिक प्रतिकर्षक विभव है। अब एक नाभिक में कसकर भरे गए कई प्रोटॉनों के लिए प्रतिकर्षक विभव ऊर्जा की कल्पना करें। इस प्रकार से तो नाभिक स्थिर नहीं रह पाएगा।

तो नाभिक की स्थिरता के लिए एक तार्किक अनुमान यह है कि, नाभिक की संरचना में इलेक्ट्रॉनों की कुछ भूमिका होनी चाहिए, जो इतने अधिक कूलाम प्रतिकर्षण को कुछ कम करें।

उस समय तक न्यूट्रॉन की खोज नहीं की गई थी (चेडविक द्वारा 1932 में न्यूट्रॉन की खोज हुई थी) और चूंकि संपूर्ण परमाणु विद्युत रूप से उदासीन होता है, इसलिए यह माना गया कि परमाणु के लगभग आधे इलेक्ट्रॉन नाभिक के भीतर समाहित होते हैं और शेष इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर घूमते हैं।

इस प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना के अनुसार, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन को नाभिक के निर्माण खंड माना जाता था। यह माना गया कि एक परमाणु _ZX^A के लिए, नाभिक के भीतर A प्रोटॉन और (A-Z) इलेक्ट्रॉन होते हैं और चूंकि एक परमाणु, समग्र रूप से, उदासीन होता है, इसलिए Z इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर वृताकार कक्षाओं में घूमते हैं ।

प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना की विफलता

(नाभिक की संरचना)

कारण 1 :-नाभिक के अंदर इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा

मान लीजिए कि 5 × 10^-15 m त्रिज्या के नाभिक के अंदर एक इलेक्ट्रॉन स्थित है। अतः इलेक्ट्रॉन की स्थिति के मापन में अनिश्चितता, Δx = 2 × 5 × 10^-15 m = 10^-14 m होगी।

हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत का उपयोग करते हुए,

Δx × Δp ≈ h/4π

हम पाते हैं,

$\displaystyle \Delta p\approx \frac{h}{4\pi \times \Delta x}\approx \frac{6.63\times {{10}^{-34}}}{4\pi \times {{10}^{-14}}}\approx 5.28\times {{10}^{-21}}Kgm/s$

आइए अब हम उस इलेक्ट्रान की उर्जा का मान ज्ञात करें, जिसके संवेग के मापन में अनिश्चितता Δp ≈ 5.28 × 10-21 Kg m/s है।

तो E = p²/2m का उपयोग करने पर, हम पाते हैं…

$\displaystyle E=\frac{{{p}^{2}}}{2m}=\left[ \frac{{{(5.28\times {{10}^{-21}})}^{2}}}{2\times (9.1\times {{10}^{-31}})} \right]\times \frac{1}{1.6\times {{10}^{-19}}}eV$

$\displaystyle \Rightarrow E=95.7MeV$

किन्तु प्रयोगात्मक रूप से, β-क्षय के दौरान उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में केवल 2 से 3 MeV ऊर्जा पाई जाती है।

अत: नाभिक में इलेक्ट्रॉनों का होना उचित प्रतीत नहीं होता।

कारण 2 :-परमाणु चुंबकीय द्विध्रुवीय आघूर्ण

आइए हम इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण की तुलना करें।

इलेक्ट्रॉन के लिए (बोहर मैग्नेट्रॉन),

$\displaystyle {{\mu }_{B}}=\frac{eh}{4\pi {{m}_{e}}}$ …..(i)

प्रोटॉन के लिए (परमाणु मैग्नेट्रोन),

$\displaystyle {{\mu }_{N}}=\frac{eh}{4\pi {{m}_{p}}}$ …..(ii)

(i) को (ii) से विभाजित करने पर,

$\displaystyle \frac{{{\mu }_{B}}}{{{\mu }_{N}}}=\frac{{{m}_{p}}}{{{m}_{e}}}=\frac{1836{{m}_{e}}}{{{m}_{e}}}=1836$

⇒ μ_B = 1836μ_N

⇒ इलेक्ट्रॉनों का चुंबकीय आघूर्ण प्रोटॉनों से लगभग 2000 गुना अधिक होता है।

यदि नाभिक में इलेक्ट्रॉन स्थित हैं, तो परमाणु चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण, इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण की कोटी का होना चाहिए, लेकिन ऐसा नहीं है। अतः नाभिक में इलेक्ट्रॉन नहीं हो सकते।

कारण 3 :- परमाणु स्पिन

Electrons and protons both have spins of 1/2. Deuteron ₁H² (an isotope of hydrogen) is known to have a mass roughly equal to two protons. If the deuteron nucleus contains two protons and one electron (whose mass is small enough to not worry about here), then the possible chances of spins of electrons and protons are…

इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन दोनों का चक्रण 1/2 होता है। ड्यूटेरॉन ₁H² (हाइड्रोजन का एक समस्थानिक) का द्रव्यमान लगभग दो प्रोटॉन के बराबर होता है। यदि ड्यूटेरॉन नाभिक में दो प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होते हैं (जिसका द्रव्यमान इतना छोटा है कि यहां चिंता करने की कोई आवश्यकता नहीं है), तो इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन के चक्रण की संभावित संभावनाएं हैं…

क्रमांक	प्रोटोन	प्रोटोन	इलेक्ट्रान	कुल स्पिन
(a)	↑ (+1/2)	↑ (+1/2)	↑ (+1/2)	+3/2
(b)	↑ (+1/2)	↑ (+1/2)	↓ (-1/2)	+1/2
(c)	↑ (+1/2)	↓ (-1/2)	↓ (-1/2)	-1/2
(d)	↓ (-1/2)	↓ (-1/2)	↓ (-1/2)	-3/2

तो यहाँ सैद्धांतिक कुल स्पिन -1/2 से +3/2 तक निकलती है।

लेकिन ड्यूटेरियम का प्रायोगिक परमाणु स्पिन +1 है

अतः इसके नाभिक में इलेक्ट्रॉन नहीं हो सकता।

कारण 4 :- परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की दोहरी भूमिका

कुछ इलेक्ट्रॉनों का नाभिक में होना और शेष एलेक्ट्रोनों का नाभिक के चारों चक्कर लगाना, परमाणु संरचना में इलेक्ट्रॉनों की दोहरी भूमिका को दर्शाते हैं जिसकी कल्पना करना बहुत मुश्किल है। अतः नाभिक की संरचना में इलेक्ट्रॉन की कोई भूमिका नहीं होती।

कारण 5 :- इलेक्ट्रॉन का परिमित आकार

यदि भारी परमाणुओं की बात की जाए, तो परमाणु को पूरी तरह से उदासीन बनाने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनों की संख्या बहुत बड़ी होगी। यदि इलेक्ट्रॉन को परिमित आयाम का एक गोलाकार कण माना जाए, तो नाभिक में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों का होना, नाभिक के आयामों को प्रयोगात्मक रूप से मापे गए मान से बड़ा बना देगा, जो प्रायोगिक तथ्यों के विपरीत है।

प्रोटॉन-न्यूट्रॉन परिकल्पना

(नाभिक की संरचना)

चैडविक (1932 में) द्वारा न्यूट्रॉन की खोज के बाद नाभिक की संरचना के लिए हाइजेनबर्ग द्वारा प्रोटॉन-न्यूट्रॉन परिकल्पना को सामने रखा गया था।

इस परिकल्पना के अनुसार, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिक की संरचना में मुख्य निर्माण खंड हैं।

प्रोटॉन-न्यूट्रॉन परिकल्पना के अनुसार द्रव्यमान संख्या A और परमाणु क्रमांक Z के नाभिक में Z प्रोटॉन और (A-Z) न्यूट्रॉन होते हैं। चूँकि एक परमाणु विद्युत रूप से उदासीन होता है, इसलिए, परिधीय इलेक्ट्रॉनों की संख्या, नाभिक के अंदर प्रोटॉनों की संख्या Z के बराबर होनी चाहिए।

इस परिकल्पना ने प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना की सभी विसंगतियों को दूर कर दिया।

न्यूट्रॉन एक उदासीन कण है जिसमें कोई विद्युत आवेश नहीं होता है। प्रोटॉन न्यूट्रॉन की तुलना में थोड़ा हल्का होता है व प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों को समग्र रूप से “न्यूक्लियॉन”(nucleons) कहा जाता है।

प्रोटोन का द्रव्यमान, m_p = 1.6726 × 10^-27 Kg = 1.007825 amu

न्यूट्रॉन का द्रव्यमान, m_n = 1.6749 × 10^-27 Kg = 1.008665 amu

किसी तत्व का परमाणु क्रमांक उसके नाभिक में स्थित प्रोटॉनों की कुल संख्या है। चूंकि परमाणु विद्युत रूप से उदासीन है, इसलिए परमाणु संख्या भी परमाणु के नाभिक के चारों ओर कक्षाओं में घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होती है। इसे Z द्वारा दर्शाया गया है।

किसी तत्व की द्रव्यमान संख्या किसी परमाणु के नाभिक में स्थित प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की कुल संख्या है। इसे A द्वारा प्रदर्शित किया जाता है।

अतः एक तत्व _ZX^A के लिए, नाभिक/परमाणु की संरचना

प्रोटॉनों की संख्या = Z

इलेक्ट्रॉनों की संख्या = Z

न्यूक्लियॉन की संख्या = A

न्यूट्रॉन की संख्या = (A – Z)

नाभिक की संरचना

प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना

(नाभिक की संरचना)

प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन परिकल्पना की विफलता

(नाभिक की संरचना)

प्रोटॉन-न्यूट्रॉन परिकल्पना

(नाभिक की संरचना)

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