20वीं सदी की शुरुआत विज्ञान के लिए एक बहुत ही शुभ समय था। अर्नेस्ट रदरफोर्ड और नील्स बोहर ने कण भौतिकी के मानक मॉडल को जन्म देने के अलावा, यह क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र में सफलताओं का दौर भी था। इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार पर चल रहे अध्ययनों के लिए धन्यवाद, वैज्ञानिकों ने सिद्धांतों का प्रस्ताव देना शुरू कर दिया जिससे इन प्राथमिक कणों ने शास्त्रीय, न्यूटनियन भौतिकी को चुनौती देने वाले तरीकों से व्यवहार किया।
ऐसा ही एक उदाहरण इरविन श्रोडिंगर द्वारा प्रस्तावित इलेक्ट्रॉन क्लाउड मॉडल है। इस मॉडल के लिए धन्यवाद, इलेक्ट्रॉनों को अब एक निश्चित कक्षा में केंद्रीय नाभिक के चारों ओर घूमने वाले कणों के रूप में चित्रित नहीं किया गया था। इसके बजाय, श्रोडिंगर ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जिससे वैज्ञानिक केवल इलेक्ट्रॉनों की स्थिति के बारे में शिक्षित अनुमान लगा सकते थे। इसलिए, उनके स्थानों को केवल नाभिक के चारों ओर एक 'बादल' के हिस्से के रूप में वर्णित किया जा सकता है जहां इलेक्ट्रॉनों के मिलने की संभावना है।
20वीं शताब्दी तक परमाणु भौतिकी:
परमाणु सिद्धांत के सबसे पहले ज्ञात उदाहरण प्राचीन ग्रीस और भारत से आते हैं, जहां डेमोक्रिटस जैसे दार्शनिकों ने कहा कि सभी पदार्थ छोटे, अविभाज्य और अविनाशी इकाइयों से बना है। 'परमाणु' शब्द प्राचीन ग्रीस में गढ़ा गया था और इसने 'परमाणुवाद' के रूप में ज्ञात विचार के स्कूल को जन्म दिया। हालाँकि, यह सिद्धांत एक वैज्ञानिक की तुलना में एक दार्शनिक अवधारणा से अधिक था।
जॉन डाल्टन की ए न्यू सिस्टम ऑफ केमिकल फिलॉसफी (1808) में दर्शाए गए विभिन्न परमाणु और अणु। क्रेडिट: पब्लिक डोमेन
यह 19वीं शताब्दी तक नहीं था कि परमाणुओं के सिद्धांत को एक वैज्ञानिक मामले के रूप में व्यक्त किया गया था, जिसमें पहले साक्ष्य-आधारित प्रयोग किए गए थे। उदाहरण के लिए, 1800 के दशक की शुरुआत में, अंग्रेजी वैज्ञानिक जॉन डाल्टन ने परमाणु की अवधारणा का इस्तेमाल यह समझाने के लिए किया कि रासायनिक तत्वों ने कुछ अवलोकन योग्य और पूर्वानुमेय तरीकों से प्रतिक्रिया क्यों की। गैसों से जुड़े प्रयोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से, डाल्टन ने विकसित किया जिसे के रूप में जाना जाता है डाल्टन का परमाणु सिद्धांत .
यह सिद्धांत द्रव्यमान और निश्चित अनुपात की बातचीत के नियमों पर विस्तारित हुआ और पांच आधारों पर आ गया: तत्व, अपनी शुद्धतम अवस्था में, परमाणु नामक कणों से मिलकर बने होते हैं; एक विशिष्ट तत्व के परमाणु अंतिम परमाणु तक सभी समान होते हैं; विभिन्न तत्वों के परमाणुओं को उनके परमाणु भार से अलग बताया जा सकता है; तत्वों के परमाणु मिलकर रासायनिक यौगिक बनाते हैं; रासायनिक अभिक्रिया में परमाणु न तो उत्पन्न हो सकते हैं और न ही नष्ट हो सकते हैं, केवल समूह हमेशा बदलता रहता है।
इलेक्ट्रॉन की खोज:
19वीं सदी के अंत तक, वैज्ञानिकों ने भी यह सिद्धांत देना शुरू कर दिया था कि परमाणु एक से अधिक मूलभूत इकाइयों से बना होता है। हालांकि, अधिकांश वैज्ञानिकों ने यह उद्यम किया कि यह इकाई सबसे छोटे ज्ञात परमाणु - हाइड्रोजन के आकार की होगी। 19वीं शताब्दी के अंत तक, सर जोसेफ जॉन थॉमसन जैसे वैज्ञानिकों द्वारा किए गए शोध के लिए धन्यवाद, उनका काफी बदलाव आया।
कैथोड रे ट्यूब (जिसे के रूप में जाना जाता है) का उपयोग करते हुए प्रयोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से क्रुक्स ट्यूब ), थॉमसन ने देखा कि कैथोड किरणों को विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित किया जा सकता है। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि प्रकाश से बने होने के बजाय, वे नकारात्मक रूप से आवेशित कणों से बने होते हैं जो हाइड्रोजन से 1oo गुना छोटे और 1800 गुना हल्के होते हैं।
जॉन डाल्टन द्वारा प्रस्तावित परमाणु का प्लम पुडिंग मॉडल। क्रेडिट: britannica.com
इसने इस धारणा को प्रभावी ढंग से खारिज कर दिया कि हाइड्रोजन परमाणु पदार्थ की सबसे छोटी इकाई है, और थॉम्पसन ने यह सुझाव दिया कि परमाणु विभाज्य थे। परमाणु के समग्र आवेश की व्याख्या करने के लिए, जिसमें धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेश शामिल थे, थॉम्पसन ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जिसके द्वारा ऋणात्मक आवेशित 'कॉर्पस्कल्स' को धनात्मक आवेश के एक समान समुद्र में वितरित किया गया - जिसे कहा जाता है बेर का हलवा मॉडल .
1874 में एंग्लो-आयरिश भौतिक विज्ञानी जॉर्ज जॉनस्टोन स्टोनी द्वारा भविष्यवाणी किए गए सैद्धांतिक कण के आधार पर इन कणिकाओं को बाद में 'इलेक्ट्रॉन' नाम दिया गया था। और इसी से, प्लम पुडिंग मॉडल का जन्म हुआ, इसलिए इसका नाम इसलिए रखा गया क्योंकि यह अंग्रेजी रेगिस्तान से मिलता-जुलता था। बेर केक और किशमिश। इस अवधारणा को यूके के मार्च 1904 संस्करण में दुनिया के सामने पेश किया गया था दार्शनिक पत्रिका ,व्यापक प्रशंसा के लिए।
मानक मॉडल का विकास:
बाद के प्रयोगों ने प्लम पुडिंग मॉडल के साथ कई वैज्ञानिक समस्याओं का खुलासा किया। शुरुआत के लिए, यह प्रदर्शित करने में समस्या थी कि परमाणु में एक समान सकारात्मक पृष्ठभूमि चार्ज है, जिसे 'थॉमसन समस्या' के रूप में जाना जाता है। पांच साल बाद, हंस गीगर और अर्नेस्ट मार्सडेन द्वारा मॉडल को अस्वीकृत कर दिया जाएगा, जिन्होंने अल्फा कणों और सोने की पन्नी - उर्फ का उपयोग करके कई प्रयोग किए। NS ' सोने की पन्नी प्रयोग । '
इस प्रयोग में, गीजर और मार्सडेन ने फ्लोरोसेंट स्क्रीन के साथ अल्फा कणों के प्रकीर्णन पैटर्न को मापा। यदि थॉमसन का मॉडल सही होता, तो अल्फा कण बिना किसी बाधा के पन्नी की परमाणु संरचना से गुजरते। हालांकि, उन्होंने इसके बजाय यह नोट किया कि अधिकांश सीधे गोली मारते समय, उनमें से कुछ विभिन्न दिशाओं में बिखरे हुए थे, कुछ स्रोत की दिशा में वापस जा रहे थे।
हीलियम परमाणु की परमाणु संरचना का चित्रण। क्रेडिट: क्रिएटिव कॉमन्स
गीजर और मार्सडेन ने निष्कर्ष निकाला कि कणों ने थॉमसन के मॉडल की अनुमति से कहीं अधिक इलेक्ट्रोस्टैटिक बल का सामना किया था। चूँकि अल्फा कण केवल हीलियम नाभिक होते हैं (जो धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं) इसका तात्पर्य यह है कि परमाणु में धनात्मक आवेश व्यापक रूप से नहीं फैला था, बल्कि एक छोटे आयतन में केंद्रित था। इसके अलावा, तथ्य यह है कि जिन कणों को विक्षेपित नहीं किया गया था, उनका मतलब था कि ये सकारात्मक स्थान खाली स्थान की विशाल खाड़ी से अलग हो गए थे।
1911 तक, भौतिक विज्ञानी अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने गीजर-मार्सडेन प्रयोगों की व्याख्या की और थॉमसन के परमाणु मॉडल को खारिज कर दिया। इसके बजाय, उन्होंने एक ऐसे मॉडल का प्रस्ताव रखा, जहां परमाणु में ज्यादातर खाली जगह होती है, जिसके सभी सकारात्मक चार्ज इसके केंद्र में बहुत कम मात्रा में केंद्रित होते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों के एक बादल से घिरा होता है। इसे के रूप में जाना जाने लगा रदरफोर्ड मॉडल परमाणु का।
एंटोनियस वैन डेन ब्रोक और नील्स बोहर के बाद के प्रयोगों ने मॉडल को और परिष्कृत किया। जबकि वैन डेन ब्रोक ने सुझाव दिया कि किसी तत्व की परमाणु संख्या उसके परमाणु आवेश के समान होती है, बाद वाले ने परमाणु के सौर-प्रणाली जैसा मॉडल प्रस्तावित किया, जहाँ एक नाभिक में धनात्मक आवेश की परमाणु संख्या होती है और यह एक समान से घिरा होता है कक्षीय गोले में इलेक्ट्रॉनों की संख्या (उर्फ। the बोहर मॉडल )
इलेक्ट्रॉन क्लाउड मॉडल:
1920 के दशक के दौरान, ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी इरविन श्रोडिंगर मैक्स प्लैंक, अल्बर्ट आइंस्टीन, नील्स बोहर, अर्नोल्ड सोमरफेल्ड और अन्य भौतिकविदों के सिद्धांतों पर मोहित हो गए। इस समय के दौरान, वह परमाणु सिद्धांत और स्पेक्ट्रा के क्षेत्र में भी शामिल हो गए, ज्यूरिख विश्वविद्यालय और फिर बर्लिन में फ्रेडरिक विल्हेम विश्वविद्यालय (जहां उन्होंने 1927 में प्लैंक का स्थान लिया) में शोध किया।
इलेक्ट्रॉन क्लाउड मॉडल की कलाकार की अवधारणा, जिसने समय के साथ इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स के संभावित स्थान का वर्णन किया। क्रेडिट: पियर्सन अप्रेंटिस हॉल
1926 में, श्रोडिंगर ने कागजों की एक श्रृंखला में तरंग कार्यों और इलेक्ट्रॉनों के मुद्दे से निपटा। श्रोडिंगर समीकरण के रूप में जाना जाने वाला वर्णन करने के अलावा - एक आंशिक अंतर समीकरण जो बताता है कि क्वांटम सिस्टम की क्वांटम स्थिति समय के साथ कैसे बदलती है - उन्होंने एक निश्चित स्थिति में इलेक्ट्रॉन खोजने की संभावना का वर्णन करने के लिए गणितीय समीकरणों का भी उपयोग किया। .
यह इलेक्ट्रॉन क्लाउड (या क्वांटम मैकेनिकल) मॉडल के साथ-साथ श्रोडिंगर समीकरण के रूप में जाना जाने वाला आधार बन गया। क्वांटम सिद्धांत के आधार पर, जिसमें कहा गया है कि सभी पदार्थों में एक तरंग फ़ंक्शन से जुड़े गुण होते हैं, इलेक्ट्रॉन क्लाउड मॉडल बोहर मॉडल से अलग होता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉन के सटीक पथ को परिभाषित नहीं करता है।
इसके बजाय, यह संभाव्यता के एक कार्य के आधार पर इलेक्ट्रॉन के स्थान की संभावित स्थिति की भविष्यवाणी करता है। संभाव्यता फ़ंक्शन मूल रूप से एक बादल जैसे क्षेत्र का वर्णन करता है जहां इलेक्ट्रॉन के मिलने की संभावना है, इसलिए नाम। जहां बादल सबसे अधिक घना होता है, वहां इलेक्ट्रॉन मिलने की संभावना सबसे अधिक होती है; और जहां इलेक्ट्रॉन होने की संभावना कम होती है, वहां बादल कम घना होता है।
इन घने क्षेत्रों को 'इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स' के रूप में जाना जाता है, क्योंकि वे सबसे संभावित स्थान हैं जहां एक परिक्रमा करने वाला इलेक्ट्रॉन मिलेगा। इस 'क्लाउड' मॉडल को 3-आयामी अंतरिक्ष में विस्तारित करते हुए, हम एक लोहे का दंड या फूल के आकार का परमाणु देखते हैं (जैसा कि शीर्ष पर छवि में है)। यहां, शाखाओं से बाहर निकलने वाले क्षेत्र वे हैं जहां हमें इलेक्ट्रॉनों को खोजने की सबसे अधिक संभावना है।
श्रोडिंगर के काम के लिए धन्यवाद, वैज्ञानिकों ने यह समझना शुरू कर दिया कि क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र में, एक ही समय में एक इलेक्ट्रॉन की सटीक स्थिति और गति को जानना असंभव था। भले ही प्रेक्षक एक कण के बारे में शुरू में क्या जानता हो, वे केवल संभावनाओं के संदर्भ में इसके सफल स्थान या गति का अनुमान लगा सकते हैं।
किसी भी समय वे दोनों में से किसी एक का पता नहीं लगा पाएंगे। वास्तव में, जितना अधिक वे एक कण की गति के बारे में जानते हैं, उतना ही कम वे इसके स्थान के बारे में जानेंगे, और इसके विपरीत। यही वह है जिसे आज 'अनिश्चितता सिद्धांत' के रूप में जाना जाता है।
ध्यान दें कि पिछले पैराग्राफ में उल्लिखित ऑर्बिटल्स एक हाइड्रोजन परमाणु (यानी सिर्फ एक इलेक्ट्रॉन के साथ) द्वारा बनते हैं। अधिक इलेक्ट्रॉनों वाले परमाणुओं के साथ व्यवहार करते समय, इलेक्ट्रॉन कक्षीय क्षेत्र समान रूप से एक गोलाकार फजी गेंद में फैल जाते हैं। यहीं पर 'इलेक्ट्रॉन क्लाउड' शब्द सबसे उपयुक्त है।
इस योगदान को सार्वभौमिक रूप से 20वीं शताब्दी के महत्वपूर्ण योगदानों में से एक के रूप में मान्यता दी गई थी, और जिसने भौतिकी, क्वांटम यांत्रिकी और वास्तव में सभी विज्ञानों के क्षेत्र में एक क्रांति को जन्म दिया। इसके बाद, वैज्ञानिक अब समय और स्थान की निरपेक्षता वाले ब्रह्मांड में काम नहीं कर रहे थे, बल्कि क्वांटम अनिश्चितताओं और समय-स्थान सापेक्षता में काम कर रहे थे!
हमने यहां यूनिवर्स टुडे में परमाणुओं और परमाणु मॉडलों के बारे में कई दिलचस्प लेख लिखे हैं। यहाँ है जॉन डाल्टन का परमाणु मॉडल क्या है? , प्लम पुडिंग मॉडल क्या है? , बोहर का परमाणु मॉडल क्या है? , डेमोक्रिटस कौन था? , तथा एक परमाणु के भाग क्या हैं?
अधिक जानकारी के लिए, जांचना सुनिश्चित करें क्वांटम यांत्रिकी क्या है? लाइव साइंस से।
एस्ट्रोनॉमी कास्ट में भी इस विषय पर एपिसोड है, जैसे एपिसोड 130: रेडियो खगोल विज्ञान , एपिसोड 138: क्वांटम यांत्रिकी , तथा एपिसोड 252: हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत