धडा ५: अणूच्या अंतरंगात (अणूची रचना)

आकृतीत : डाल्टनच्या चित्रात (1803) एका मूलद्रव्याचे (X) अणू सारखे, अविभाज्य आणि अविनाशी ठोस गोळे असतात आणि ते दुसऱ्या मूलद्रव्याच्या (Y) अणूंपेक्षा वेगळे असतात.

नियम 1 : सुरुवातीच्या कल्पना — भारतीय तत्त्वज्ञ कणाद (इ.स.पू. 6 वे शतक) यांनी अविभाज्य कणांना परमाणू म्हटले. ग्रीक तत्त्वज्ञ डेमॉक्रिटस (इ.स.पू. 5 वे शतक) यांनी त्यांना अॅटम ('atomos' = न कापता येणारा) म्हटले.

• सोपे : कणादांचा शब्द परमाणू.
• मध्यम : डेमॉक्रिटसचा 'atomos' म्हणजे 'न कापता येणारा'.
• परीक्षेसाठी : कणाद इ.स.पू. 6 व्या शतकात आणि डेमॉक्रिटस इ.स.पू. 5 व्या शतकात होऊन गेले; म्हणजे कणाद सुमारे एक शतक आधीचे.

नियम 2 : डाल्टनचा अणुसिद्धांत (1803) — पदार्थ अणूंनी बनलेला असतो. अणू अविभाज्य आणि अविनाशी असतात. एका मूलद्रव्याचे सर्व अणू सारखे असतात. वस्तुमान एकसारखे वितरित असते, कठीण ठोस गोळ्यासारखे.

• सोपे : डाल्टनने अणूंची कल्पना लहान कठीण गोळ्यांसारखी केली.
• मध्यम : सर्व हायड्रोजन अणू सारखे, पण हायड्रोजन अणू ऑक्सिजन अणूपेक्षा वेगळा.
• परीक्षेसाठी : आज आपल्याला माहीत आहे की अणू प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉनमध्ये विभागता येतो, म्हणून 'अविभाज्य' हे पूर्णपणे बरोबर नाही.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत थॉमसन (1904) धनभाराच्या गोळ्यात इलेक्ट्रॉन रुतलेले (प्लम पुडिंग) दाखवतो. रदरफोर्ड (1911) मध्यभागी लहान धन अणुकेंद्रक आणि त्याभोवती फिरणारे इलेक्ट्रॉन व मध्ये रिकामी जागा दाखवतो.

नियम 1 : थॉमसनचे प्लम पुडिंग प्रारूप — थॉमसन (1904) : धनभार संपूर्ण अणूत पसरलेला आणि ऋण इलेक्ट्रॉन त्यात रुतलेले, जसे पुडिंगमध्ये मनुके. संपूर्ण अणू विद्युत तटस्थ असतो. इलेक्ट्रॉनचे वस्तुमान हायड्रोजन अणूपेक्षा सुमारे 1800 पट कमी.

• सोपे : लाल गरात टरबुजाच्या बिया हे धनभारात इलेक्ट्रॉनची कल्पना देतात.
• मध्यम : धन आणि ऋण भार समान असल्याने अणू तटस्थ असतो.
• परीक्षेसाठी : इलेक्ट्रॉन हायड्रोजन अणूपेक्षा सुमारे 1800 पट हलका; म्हणजे 1800 इलेक्ट्रॉनचे वस्तुमान सुमारे एका हायड्रोजन अणूइतके.

आकृतीत : सोन्याच्या पत्र्याच्या प्रयोगाच्या आकृतीत P सरळ गेला, Q थोडा विचलित झाला, R मोठ्या कोनातून विचलित झाला आणि S मागे परतला (सुमारे 20000 पैकी 1). लहान, जड, धन अणुकेंद्रकाने हे स्पष्ट होते.

नियम 2 : रदरफोर्डचा सोन्याच्या पत्र्याचा प्रयोग — 1911 मध्ये रदरफोर्ड यांनी पातळ सोन्याच्या पत्र्यावर आल्फा कणांचा मारा केला. बहुतेक सरळ गेले, काही विचलित झाले आणि सुमारे 20000 पैकी एक मागे परतला. त्यांनी केंद्रकीय प्रारूप मांडले : लहान, दाट, धन केंद्रक जवळजवळ सर्व वस्तुमान धारण करते, इलेक्ट्रॉन त्याभोवती फिरतात आणि मध्ये भरपूर रिकामी जागा आहे.

• सोपे : बहुतेक आल्फा कण सरळ गेले, म्हणजे अणूचा बहुतांश भाग रिकामा आहे.
• मध्यम : सुमारे 20000 पैकी 1 मागे परतला म्हणजे 100000 पैकी सुमारे 5 परततात (100000 ÷ 20000 = 5).
• परीक्षेसाठी : लहान जड केंद्रक वेगवान कणाला परतवू शकते, जसे जड दगडी भिंत रबरी चेंडूला परतवते पण उघड्या खिडकीतून वारा आरपार जातो.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत चार प्रारूपे क्रमाने : डाल्टन 1803 (ठोस गोळा), थॉमसन 1904 (प्लम पुडिंग), रदरफोर्ड 1911 (केंद्रक) आणि बोर 1913 (निश्चित कक्षा).

नियम 1 : बोरचे प्रारूप — बोर (1913) यांनी रदरफोर्डच्या प्रारूपातील अस्थिरता दूर केली. इलेक्ट्रॉन स्थिर, निश्चित कक्षांत स्थिर ऊर्जेसह फिरतात. बाहेरच्या कक्षेत उडी मारताना ऊर्जा शोषली जाते आणि आतल्या कक्षेत उडी मारताना उत्सर्जित होते.

• सोपे : बोरच्या प्रारूपात प्रत्येक कक्षेची ऊर्जा निश्चित असते.
• मध्यम : K पासून L कडे बाहेर उडी मारताना ऊर्जा शोषली जाते.
• परीक्षेसाठी : प्रारूपांचा क्रम : 1803, 1904, 1911, 1913. अंतरे : 101, 7 आणि 2 वर्षे.

आकृतीत : बोरच्या K, L, M कक्षांच्या आकृतीत बाहेर उडी मारणारा इलेक्ट्रॉन (P मध्ये K पासून L) ऊर्जा शोषतो आणि आत उडी मारणारा (Q मध्ये M पासून L) ऊर्जा उत्सर्जित करतो.

नियम 2 : कक्षेतील उड्या — वरच्या कक्षेत जाण्यासाठी ऊर्जा लागते (शोषली जाते). खालच्या कक्षेत येताना ऊर्जा बाहेर पडते (उत्सर्जित होते).

• सोपे : K पासून L : ऊर्जा शोषली.
• मध्यम : M पासून L : ऊर्जा उत्सर्जित.
• परीक्षेसाठी : जिना चढायला कष्ट लागतात आणि उतरताना काही ऊर्जा परत मिळते.

आकृतीत : आकृतीत केंद्रकात प्रोटॉन (लाल) आणि न्यूट्रॉन (राखाडी) असतात. कार्बनमध्ये Z = 6 प्रोटॉन आणि A = 12, म्हणजे 12 − 6 = 6 न्यूट्रॉन.

नियम 3 : अणुअंतर्गत कण — प्रोटॉन : भार +1e, वस्तुमान सुमारे 1 u. न्यूट्रॉन : तटस्थ, वस्तुमान सुमारे 1 u. इलेक्ट्रॉन : भार −1e, नगण्य वस्तुमान. न्यूट्रॉन = A − Z.

• सोपे : सोडियम : Z = 11, A = 23, म्हणून न्यूट्रॉन = 23 − 11 = 12.
• मध्यम : ऑक्सिजन : Z = 8, A = 16, म्हणून न्यूट्रॉन = 8 आणि इलेक्ट्रॉन (तटस्थ अणू) = 8.
• परीक्षेसाठी : ॲल्युमिनियम : Z = 13, A = 27 म्हणजे 27 − 13 = 14 न्यूट्रॉन आणि 13 इलेक्ट्रॉन.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत सोडियमचे (Z = 11) 11 इलेक्ट्रॉन K कवच (2) आणि L कवच (8) भरतात आणि शेवटचा M कवचात जातो; रचना 2, 8, 1.

नियम 1 : कवचाची क्षमता — n क्रमांकाचे कवच 2n² इलेक्ट्रॉन सामावते : K (n = 1) मध्ये 2, L मध्ये 8, M मध्ये 18 आणि N मध्ये 32. इलेक्ट्रॉन आधी आतली कवचे भरतात. हेलियमचे द्वयी; निऑन आणि आर्गॉनचे अष्टक.

• सोपे : K : 2 × 1² = 2; L : 2 × 2² = 8.
• मध्यम : तिसऱ्या कवचात 2 × 3² = 18 आणि चौथ्यात 2 × 4² = 32 इलेक्ट्रॉन मावतात.
• परीक्षेसाठी : मॅग्नेशियम (Z = 12) : 2, 8, 2. पोटॅशियम (Z = 19) : 2, 8, 8, 1.

आकृतीत : आकृतीत बाहेरच्या कवचावरून संयुजा : P ला 4 संयुजा इलेक्ट्रॉन म्हणून संयुजा 4, R ला 2 म्हणून संयुजा 2, आणि Q ला 7 (4 पेक्षा जास्त) म्हणून संयुजा = 8 − 7 = 1.

नियम 2 : संयुजेचा नियम — संयुजा इलेक्ट्रॉनांची संख्या x मानू. x 4 किंवा कमी असेल तर संयुजा = x. x 4 पेक्षा जास्त असेल तर संयुजा = 8 − x. उदा. क्लोरीन 2, 8, 7 : संयुजा = 8 − 7 = 1.

• सोपे : सोडियम 2, 8, 1 : x = 1, संयुजा 1.
• मध्यम : ऑक्सिजन 2, 6 : x = 6, संयुजा = 8 − 6 = 2. नायट्रोजन 2, 5 : संयुजा = 8 − 5 = 3.
• परीक्षेसाठी : सिलिकॉन (Z = 14) 2, 8, 4 : x = 4, संयुजा 4. गंधक (Z = 16) 2, 8, 6 : संयुजा = 8 − 6 = 2.

आकृतीत : आकृतीत निऑन (2, 8) आणि आर्गॉन (2, 8, 8) यांच्या बाहेरच्या कवचात अष्टक असल्याने त्यांची संयुजा शून्य असते. हेलियम (2) चे द्वयी असते.

नियम 3 : स्थिर अणू — बाहेरच्या कवचात 8 इलेक्ट्रॉन (अष्टक), किंवा हेलियममध्ये 2 (द्वयी), असले की ते पूर्ण असते, म्हणून अणू सहज अभिक्रिया करत नाही. त्याची संयुजा शून्य.

• सोपे : निऑन 2, 8 : संयुजा 0.
• मध्यम : आर्गॉन 2, 8, 8 : संयुजा 0.
• परीक्षेसाठी : अपूर्ण बाह्य कवचाचे अणू ते पूर्ण करण्यासाठी अभिक्रिया करतात.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत कार्बनच्या सर्व समस्थानिकांत 6 प्रोटॉन (लाल) पण 6, 7 आणि 8 न्यूट्रॉन (C-12, C-13, C-14). हायड्रोजनच्या समस्थानिकांत (हायड्रोजन, ड्युटेरियम, ट्रिटियम) 1 प्रोटॉन आणि 0, 1, 2 न्यूट्रॉन.

नियम 1 : समस्थानिके — C-12, C-13 आणि C-14 यांचा Z = 6 समान पण A वेगळा. न्यूट्रॉन : 12 − 6 = 6, 13 − 6 = 7, 14 − 6 = 8. हायड्रोजनची तीन समस्थानिके : हायड्रोजन (0 न्यूट्रॉन), ड्युटेरियम (1) आणि ट्रिटियम (2).

• सोपे : एका मूलद्रव्याच्या सर्व समस्थानिकांत प्रोटॉन संख्या समान असते.
• मध्यम : क्लोरीन-35 मध्ये 35 − 17 = 18 न्यूट्रॉन आणि क्लोरीन-37 मध्ये 37 − 17 = 20 न्यूट्रॉन.
• परीक्षेसाठी : एकाच मूलद्रव्याच्या समस्थानिकांचे रासायनिक गुणधर्म समान असतात कारण इलेक्ट्रॉन सारखे असतात.

आकृतीत : आकृतीत समस्थानिकांचे उपयोग : कर्करोग उपचारात Co-60, गलगंडात I-131, नळांतील गळती शोधण्यासाठी Na-24, जुन्या वस्तूंचे वय शोधण्यासाठी C-14 आणि अणुभट्टीचे इंधन म्हणून U-235.

नियम 2 : समस्थानिकांचे उपयोग — U-235 : वीजनिर्मितीसाठी विखंडन इंधन. Co-60 : कर्करोग उपचार. I-131 : गलगंड. Na-24 : नळांतील गळती. C-14 : वस्तूंचे वय.

• सोपे : जुन्या वस्तूंचे वय शोधण्यासाठी C-14 वापरतात.
• मध्यम : गलगंडाच्या उपचारात I-131 वापरतात.
• परीक्षेसाठी : किरणोत्सारी समस्थानिके फक्त तज्ज्ञांच्या नियंत्रणाखाली वापरतात कारण त्यांच्या किरणांनी सजीव पेशींना इजा होऊ शकते.

आकृतीत : अणुभट्टीच्या आकृतीत A नियंत्रक दांडे (बोरॉन किंवा कॅडमियम) न्यूट्रॉन शोषतात, B इंधन दांडे (U-235), C मंदक (ग्रॅफाइट किंवा जड पाणी) न्यूट्रॉन मंद करतो, D शीतक (पाणी) उष्णता काढून नेतो आणि E जाड बाहेरची भिंत.

नियम 3 : अणुभट्टी — मंद न्यूट्रॉन U-235 केंद्रकांचे विखंडन करतात. मंदक : ग्रॅफाइट किंवा जड पाणी न्यूट्रॉन मंद करते. नियंत्रक दांडे : बोरॉन किंवा कॅडमियम न्यूट्रॉन शोषतात. शीतक : पाणी उष्णता काढून नेते. मुंबईच्या BARC मधील अप्सरा (4 ऑगस्ट 1956) ही भारताची पहिली अणुभट्टी.

• सोपे : नियंत्रक दांडे अभिक्रिया स्थिर ठेवतात.
• मध्यम : अप्सरा 1956 मध्ये सुरू झाली, म्हणजे 2026 − 1956 = 70 वर्षांपूर्वी.
• परीक्षेसाठी : अणुभट्टीच्या उष्णतेने वाफ बनते जी टर्बाइन फिरवून वीज तयार करते.

आकृतीत : साखळी अभिक्रियेच्या आकृतीत मंद न्यूट्रॉन U-235 केंद्रकाचे विखंडन करतो आणि बाहेर पडणारे न्यूट्रॉन (प्रत्येक विखंडनात 2 किंवा 3, आकृतीत 3) आणखी केंद्रकांचे विखंडन करतात. नियंत्रक दांडे अभिक्रिया स्थिर ठेवतात.

नियम 4 : साखळी अभिक्रिया — एका विखंडनात 2 किंवा 3 न्यूट्रॉन बाहेर पडतात, जे आणखी केंद्रकांचे विखंडन करतात. नियंत्रणाशिवाय संख्या खूप वेगाने वाढते; नियंत्रक दांडे जास्तीचे न्यूट्रॉन शोषून अभिक्रिया स्थिर ठेवतात.

• सोपे : प्रत्येक विखंडनात 3 न्यूट्रॉन असतील तर क्रमाने वाढ 1, 3, 9, 27 अशी होते.
• मध्यम : आदर्श स्थितीत 5 टप्प्यांनंतर 3⁵ = 243 न्यूट्रॉन.
• परीक्षेसाठी : या जलद वाढीमुळे अणुभट्टीत नियंत्रक दांडे नेहमी कार्यरत असणे आवश्यक आहे.

फरक ओळखा