పరమాణు నిర్మాణం (Structure of the Atom)

పరమాణువులు, అణువులు పదార్థానికి మూల నిర్మాణ ఘటకాలని 6వ అధ్యాయంలో తెలుసుకున్నాం. ఒక మూలకం పరమాణువు మరో మూలకం పరమాణువు కంటే ఎందుకు భిన్నం? డాల్టన్ చెప్పినట్లు పరమాణువు నిజంగా విభజింపరానిదేనా, లేక లోపల చిన్న ఘటకాలు ఉన్నాయా?

ఈ ప్రశ్నలకు జవాబు ఈ అధ్యాయం (పరమాణు నిర్మాణం) ఇస్తుంది. 19వ శతాబ్దం చివర శాస్త్రవేత్తల ముందున్న పెద్ద సవాలు పరమాణు నిర్మాణాన్ని, దాని ముఖ్య ధర్మాలను వివరించడం; ఈ నిర్మాణం ఒక వరుస ప్రయోగాల ఆధారంగా తేలింది.

• స్థిర విద్యుత్ సూచన: పరమాణువులు విభజింపరానివి కావని తెలిపే మొదటి సూచనలు స్థిర విద్యుత్ (Static electricity) అధ్యయనం నుండి, వివిధ పదార్థాల్లో విద్యుత్ ప్రవహించే పరిస్థితుల అధ్యయనం నుండి వచ్చాయి.
• కృత్యం 8.1:
  1. పొడి వెంట్రుకలను దువ్విన దువ్వెన చిన్న కాగితం ముక్కలను ఆకర్షిస్తుంది
  2. సిల్క్ గుడ్డతో రుద్దిన గాజు కడ్డీని గాలితో నింపిన బెలూన్ దగ్గరకు తెస్తే అది బెలూన్‌ను ఆకర్షిస్తుంది. అంటే రెండు వస్తువులను రుద్దితే అవి విద్యుదావేశం పొందుతాయి. ఈ ఆవేశం పరమాణువులో ఆవేశిత కణాలు ఉండటం వల్లే సాధ్యం.
• ఎలక్ట్రాన్ (Electron):
  1. 1900 నాటికే పరమాణువులో కనీసం ఒక ఉప పరమాణు కణం ఉందని తెలిసింది
  2. అది J.J. థామ్సన్ గుర్తించిన ఎలక్ట్రాన్.
• కెనాల్ కిరణాలు (Canal rays):
  1. ఎలక్ట్రాన్‌ను గుర్తించకముందే, 1886లో E. గోల్డ్‌స్టీన్ వాయువు విసర్జన (gas discharge)లో కొత్త కిరణాలను కనుగొని వీటికి కెనాల్ కిరణాలని పేరు పెట్టాడు. ఇవి ధనావేశ కిరణాలు
  2. వీటి ద్వారానే మరో ఉప పరమాణు కణం బయటపడింది.
• ప్రోటాన్ (Proton):
  1. ఈ కణం ఆవేశం ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశానికి పరిమాణంలో సమానం, గుర్తులో వ్యతిరేకం
  2. ద్రవ్యరాశి ఎలక్ట్రాన్ కంటే సుమారు 2000 రెట్లు. గోల్డ్‌స్టీన్ కనుగొన్న ఈ కణానికి ప్రోటాన్ అని పేరు.
• సంకేతాలు:
  1. ఎలక్ట్రాన్ 'e⁻', ప్రోటాన్ 'p⁺'. ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిని ఒక యూనిట్‌గా, ఆవేశాన్ని +1గా తీసుకుంటారు
  2. ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి నగణ్యం, ఆవేశం −1.
• పరమాణువు ప్రోటాన్లు, ఎలక్ట్రాన్లతో నిర్మితమై ఆవేశాలు పరస్పరం సమతూకంలో ఉన్నట్లు కనిపించింది. ఎలక్ట్రాన్లను సులభంగా తొలగించవచ్చు కానీ ప్రోటాన్లను కాదు
• కాబట్టి ప్రోటాన్లు పరమాణువు లోపల (అంతర్భాగంలో) ఉన్నాయని అనిపించింది.
• పాఠ్య ప్రశ్నల జవాబులు: కెనాల్ కిరణాలు = ధనావేశ కిరణాలు (ప్రోటాన్ ఆవిష్కరణకు దారితీశాయి). ఒక ఎలక్ట్రాన్, ఒక ప్రోటాన్ ఉన్న పరమాణువు విద్యుత్ తటస్థం (ఆవేశం లేదు), ఎందుకంటే +1, −1 రద్దవుతాయి.
• [బయటి సమాచారం] ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిలో ఖచ్చితంగా సుమారు 1/1837 వంతు
• పాఠ్యపుస్తకం సుమారుగా 1/2000 అంటుంది.

డాల్టన్ పరమాణు సిద్ధాంతం ప్రకారం పరమాణువు విభజింపరానిది, నాశనం చేయరానిది. కానీ పరమాణువు లోపల ఎలక్ట్రాన్లు, ప్రోటాన్లు అనే రెండు మౌలిక కణాల ఆవిష్కరణతో డాల్టన్ సిద్ధాంతంలో ఈ అంశం విఫలమైంది.

అప్పుడు ఈ కణాలు పరమాణువులో ఏ విధంగా అమరి ఉన్నాయో తెలుసుకోవాల్సి వచ్చింది. దీని కోసం ఎందరో శాస్త్రవేత్తలు పరమాణు నమూనాలు ప్రతిపాదించారు; వాటిలో మొదటి నమూనా J.J. థామ్సన్‌ది.

థామ్సన్ నమూనా

• పోలిక: క్రిస్మస్ పుడ్డింగ్ (Christmas pudding)ను ఊహించాలి – గోళాకార పుడ్డింగ్‌లో ఎండు ద్రాక్ష లాంటి ఎండు పండ్లు కనిపిస్తాయి. ధనావేశ గోళంలో ఎలక్ట్రాన్లు అలా కూరుకుని ఉంటాయి. పుచ్చకాయ పోలికలో ఎరుపు తినే భాగం ధనావేశం (పరమాణువంతా విస్తరించి ఉంటుంది), గింజలు ఎలక్ట్రాన్లు.
• ప్రతిపాదనలు:
  1. (i) పరమాణువు ధనావేశం గల గోళం, ఎలక్ట్రాన్లు దానిలో పొదిగి ఉంటాయి. (ii) ఋణ, ధన ఆవేశాలు పరిమాణంలో సమానం
  2. కాబట్టి పరమాణువు మొత్తంగా విద్యుత్ తటస్థం (electrically neutral).
• పాఠ్య ప్రశ్న జవాబు: థామ్సన్ నమూనా ప్రకారం గోళంలోని ధనావేశం మొత్తం, ఎలక్ట్రాన్ల ఋణావేశం మొత్తం సమానం కావడంతో పరమాణువు తటస్థం.
• పరిమితి (వ్యాయామం 2): పరమాణువులు తటస్థమని ఈ నమూనా వివరించినా, ఇతర శాస్త్రవేత్తల ప్రయోగ ఫలితాలను (ముఖ్యంగా రూథర్‌ఫర్డ్ α-కణ పరిక్షేపణ ప్రయోగం) ఇది వివరించలేకపోయింది. ధనావేశం గోళమంతా సమానంగా ఉంటే α-కణాలు పెద్ద కోణాల్లో విక్షేపం చెందకూడదు.

J.J. థామ్సన్ జీవిత విశేషాలు

• బ్రిటిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త
• 18 డిసెంబర్ 1856న మాంచెస్టర్ శివారు ప్రాంతం చీతమ్ హిల్ (Cheetham Hill)లో జన్మించాడు (1856–1940).
• ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ కృషికి 1906లో భౌతికశాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి పొందాడు.
• కేంబ్రిడ్జ్‌లోని కావెండిష్ ప్రయోగశాల (Cavendish Laboratory)కు 35 సంవత్సరాలు డైరెక్టర్‌గా ఉన్నాడు
• అతని ఏడుగురు పరిశోధన సహాయకులు తర్వాత నోబెల్ బహుమతులు పొందారు.

ఎర్నెస్ట్ రూథర్‌ఫర్డ్ పరమాణువులో ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా అమరి ఉన్నాయో తెలుసుకోవాలనుకుని ఒక ప్రయోగం రూపొందించాడు. ఇందులో వేగంగా కదిలే α-కణాలను (alpha particles) పలుచని బంగారు రేకుపైకి పంపాడు.

ప్రయోగ ఏర్పాటు

• బంగారు రేకు ఎందుకు:
  1. వీలైనంత పలుచని పొర కావాలి
  2. ఈ రేకు మందం సుమారు 1000 పరమాణువులంత.
• α-కణాలు:
  1. ద్విగుణ ఆవేశిత హీలియం అయాన్లు (doubly-charged helium ions)
  2. ద్రవ్యరాశి 4 u. వేగంగా కదులుతుంటాయి కాబట్టి గణనీయమైన శక్తి ఉంటుంది.
• అంచనా: α-కణాలు ప్రోటాన్ల కంటే చాలా బరువైనవి కాబట్టి బంగారు పరమాణువుల ఉప కణాల వల్ల పెద్ద విక్షేపాలు ఉండవని ఊహించాడు.

పరిశీలనలు (ఫలితాలు ఊహించనివి)

• (i) చాలా వరకు α-కణాలు బంగారు రేకు గుండా నేరుగా దూసుకుపోయాయి.
• (ii) కొన్ని α-కణాలు స్వల్ప కోణాల్లో విక్షేపం చెందాయి.
• (iii) ఆశ్చర్యకరంగా ప్రతి 12000 కణాల్లో ఒకటి వెనక్కి తిరిగి వచ్చింది (rebound). రూథర్‌ఫర్డ్ మాటల్లో: 15 అంగుళాల షెల్‌ను టిష్యూ కాగితంపై కాలిస్తే అది తిరిగి వచ్చి తగిలినంత నమ్మశక్యం కాని ఫలితం ఇది.

నిర్ధారణలు

• (i) చాలా α-కణాలు విక్షేపం లేకుండా వెళ్లాయి కాబట్టి పరమాణువులోని చాలా భాగం ఖాళీ స్థలం.
• (ii) చాలా తక్కువ కణాలే విక్షేపం చెందాయి కాబట్టి ధనావేశం చాలా తక్కువ స్థలంలో ఉంది.
• (iii) చాలా కొద్ది భాగం కణాలు 180° కోణంతో వెనక్కి వచ్చాయి కాబట్టి పరమాణువు ధనావేశం, ద్రవ్యరాశి మొత్తం చాలా చిన్న ఘనపరిమాణంలో కేంద్రీకృతమై ఉంది.
• లెక్కల ప్రకారం కేంద్రకం వ్యాసార్ధం పరమాణు వ్యాసార్ధం కంటే సుమారు 10⁵ రెట్లు చిన్నది.

పోలిక కృత్యం: కళ్లకు గంతలు కట్టుకున్న బాలుడు గోడపై రాళ్లు విసిరితే ప్రతి రాయి తగిలి శబ్దం వస్తుంది. అదే ముళ్ల తీగ కంచెపై విసిరితే చాలా రాళ్లు ఖాళీల గుండా వెళ్లిపోతాయి, శబ్దం రాదు. అలాగే పరమాణువులో ఖాళీలు ఎక్కువ.

పాఠ్య ప్రశ్న (వ్యాయామం): బంగారు కాకుండా వేరే లోహపు రేకు వాడినా α-కణాల్లో ఎక్కువ భాగం నేరుగా వెళ్లడం, కొన్ని విక్షేపం చెందడం వంటి అదే రకం పరిశీలనలు రావచ్చు (పరమాణు నిర్మాణ సూత్రం అదే కాబట్టి; ఈ వివరణ తర్కం మేరకు).

రూథర్‌ఫర్డ్ జీవిత విశేషాలు: 30 ఆగస్టు 1871న స్ప్రింగ్ గ్రోవ్‌లో జన్మించాడు (1871–1937); 'అణు భౌతిక శాస్త్ర పితామహుడు' (Father of nuclear physics); రేడియోధార్మికతపై కృషికి, బంగారు రేకు ప్రయోగంతో కేంద్రకం ఆవిష్కరణకు ప్రసిద్ధి; 1908లో రసాయనశాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి పొందాడు. [బయటి సమాచారం] ఈ ప్రయోగాన్ని 1909లో రూథర్‌ఫర్డ్ ఆధ్వర్యంలో గీగర్, మార్స్‌డెన్ చేశారు.

α-కణ పరిక్షేపణ ప్రయోగం ఆధారంగా రూథర్‌ఫర్డ్ పరమాణువు కేంద్రక నమూనా (Nuclear model) ప్రతిపాదించాడు.

నమూనా లక్షణాలు

• (i) పరమాణువులో కేంద్రకం (Nucleus) అనే ధనావేశ కేంద్ర భాగం ఉంటుంది
• పరమాణువు ద్రవ్యరాశి దాదాపు మొత్తం కేంద్రకంలోనే ఉంటుంది.
• (ii) ఎలక్ట్రాన్లు కేంద్రకం చుట్టూ వృత్తాకార మార్గాల్లో తిరుగుతాయి.
• (iii) పరమాణువు పరిమాణంతో పోలిస్తే కేంద్రకం పరిమాణం చాలా చిన్నది.
• పాఠ్య ప్రశ్న జవాబు: కేంద్రకంలో ఉండే ఉప పరమాణు కణం ప్రోటాన్ (తరువాత న్యూట్రాన్ కూడా కనుగొనబడింది).

రూథర్‌ఫర్డ్ నమూనా లోపాలు (Drawbacks)

• వృత్తాకార కక్ష్యలో ఎలక్ట్రాన్ పరిభ్రమణం స్థిరంగా ఉండదు. వృత్తాకార మార్గంలో తిరిగే ఏ కణమైనా త్వరణం (acceleration) పొందుతుంది.
• త్వరణం చెందుతున్న ఆవేశిత కణాలు శక్తిని వికిరణంగా విడుదల చేస్తాయి. కాబట్టి తిరుగుతున్న ఎలక్ట్రాన్ శక్తి కోల్పోయి చివరకు కేంద్రకంలో పడిపోవాలి.
• అలా జరిగితే పరమాణువు అత్యంత అస్థిరమై, పదార్థం మనకు తెలిసిన రూపంలో ఉండేదే కాదు. కానీ పరమాణువులు నిజంగా స్థిరం. కాబట్టి ఈ నమూనా పరమాణు స్థిరత్వాన్ని వివరించలేకపోయింది.
• ఈ అభ్యంతరాలను అధిగమించడానికే నీల్స్ బోర్ తన నమూనా ప్రతిపాదించాడు (తరువాతి నోట్).

థామ్సన్తో పోలిక

• థామ్సన్:
  1. ధనావేశం పరమాణువంతా సమానంగా విస్తరించి ఉంటుంది
  2. ఎలక్ట్రాన్లు పొదిగి ఉంటాయి.
• రూథర్‌ఫర్డ్:
  1. ధనావేశం, ద్రవ్యరాశి చిన్న కేంద్రకంలో కేంద్రీకృతం
  2. ఎలక్ట్రాన్లు బయట తిరుగుతాయి
  3. పరమాణువులో చాలా భాగం ఖాళీ.

రూథర్‌ఫర్డ్ నమూనాపై వచ్చిన అభ్యంతరాలను అధిగమించేందుకు నీల్స్ బోర్ (Neils Bohr) పరమాణు నమూనా గురించి కొన్ని ప్రతిపాదనలు (postulates) చేశాడు.

బోర్ ప్రతిపాదనలు

• (i) పరమాణువులో ఎలక్ట్రాన్లు నిర్దిష్టమైన ప్రత్యేక కక్ష్యల్లో మాత్రమే ఉండగలవు
• వీటిని విచ్ఛిన్న కక్ష్యలు (discrete orbits) అంటారు.
• (ii) ఇలా విచ్ఛిన్న కక్ష్యల్లో తిరుగుతున్నప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు శక్తిని వికిరణం చేయవు.
• ఈ కక్ష్యలను, లేదా కర్పరాలను (shells), శక్తి స్థాయిలు (energy levels) అంటారు.
• కర్పరాలను K, L, M, N, ... అక్షరాలతో లేదా n = 1, 2, 3, 4, ... సంఖ్యలతో సూచిస్తారు.
• ఎలక్ట్రాన్లు శక్తి కోల్పోవు కాబట్టి కేంద్రకంలో పడిపోవు, పరమాణువు స్థిరంగా ఉంటుంది – ఇదే రూథర్‌ఫర్డ్ లోపానికి సమాధానం.
• పాఠ్య ప్రశ్న: మూడు కర్పరాలతో బోర్ నమూనా బొమ్మ గీయాలి – మధ్యలో కేంద్రకం, చుట్టూ K, L, M వృత్తాలు (కింది చిత్రం).

నీల్స్ బోర్ జీవిత విశేషాలు

• 7 అక్టోబర్ 1885న కోపెన్‌హాగన్‌లో జన్మించాడు (1885–1962).
• 1916లో కోపెన్‌హాగన్ విశ్వవిద్యాలయంలో భౌతికశాస్త్ర ప్రొఫెసర్‌గా నియమితుడయ్యాడు.
• పరమాణు నిర్మాణంపై చేసిన కృషికి 1922లో నోబెల్ బహుమతి పొందాడు.
• పుస్తకాలు: The Theory of Spectra and Atomic Constitution, Atomic Theory, The Description of Nature.
• [బయటి సమాచారం] బోర్ నమూనా 1913లో ప్రతిపాదించబడింది
• సరళమైన హైడ్రోజన్ వంటి పరమాణువులను బాగా వివరిస్తుంది, ఆధునిక క్వాంటం నమూనా దీని స్థానంలో వచ్చింది.

వ్యాయామం 5 ఈ అధ్యాయంలోని నమూనాలన్నింటినీ పోల్చమంటుంది; ఇదిగో వాటి సారాంశం. వీటిని సంఘటనల క్రమంలో గుర్తుంచుకోవాలి: ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణ → థామ్సన్ నమూనా → α-పరిక్షేపణ ప్రయోగం → రూథర్‌ఫర్డ్ నమూనా → బోర్ నమూనా → న్యూట్రాన్ ఆవిష్కరణ (1932).

థామ్సన్ నమూనా

• ఎలక్ట్రాన్లు ధనావేశ గోళంలో పొదిగి ఉంటాయి (క్రిస్మస్ పుడ్డింగ్/పుచ్చకాయ).
• ఋణ, ధన ఆవేశాలు సమానం → పరమాణువు తటస్థం.
• కేంద్రకం లేదు
• α-పరిక్షేపణ ఫలితాలను వివరించలేదు.

రూథర్‌ఫర్డ్ నమూనా

• ధనావేశం, ద్రవ్యరాశి చాలా చిన్న కేంద్రకంలో
• ఎలక్ట్రాన్లు వృత్తాకార మార్గాల్లో దాని చుట్టూ తిరుగుతాయి.
• కేంద్రకాన్ని, పరమాణువులోని ఖాళీ స్థలాన్ని మొదటిసారి సూచించింది.
• లోపం: తిరిగే ఎలక్ట్రాన్ శక్తి కోల్పోయి కేంద్రకంలో పడాలి → పరమాణువు స్థిరత్వాన్ని వివరించలేదు.

బోర్ నమూనా

• ఎలక్ట్రాన్లు కేంద్రకం చుట్టూ నిర్దిష్ట శక్తి ఉన్న ప్రత్యేక కక్ష్యల్లో (K, L, M, N...) ఉంటాయి.
• ఈ కక్ష్యల్లో ఉన్నంతసేపు శక్తి వెలువడదు → పరమాణువు స్థిరం.
• కర్పరాలు నిండి ఉంటే పరమాణువు స్థిరంగా, తక్కువ చర్యాశీలతతో ఉంటుంది.

ముఖ్య తేడాలు

• ధనావేశం ఎక్కడ:
  1. థామ్సన్ – పరమాణువంతా
  2. రూథర్‌ఫర్డ్, బోర్ – కేంద్రకంలో.
• ఎలక్ట్రాన్ స్థానం:
  1. థామ్సన్ – గోళంలో పొదిగి
  2. రూథర్‌ఫర్డ్ – కేంద్రకం చుట్టూ వృత్త మార్గంలో
  3. బోర్ – నిర్దిష్ట శక్తి స్థాయిల్లో.
• అభివృద్ధి: ప్రతి నమూనా ముందు నమూనా లోపాన్ని సరిచేసింది.

1932లో J. చాడ్విక్ (J. Chadwick) ఆవేశం లేని, ద్రవ్యరాశి దాదాపు ప్రోటాన్‌కు సమానమైన మరో ఉప పరమాణు కణాన్ని కనుగొన్నాడు. దీనికి న్యూట్రాన్ (Neutron) అని పేరు పెట్టారు; సంకేతం 'n'.

న్యూట్రాన్ గురించి

• న్యూట్రాన్లు హైడ్రోజన్ (ప్రోటియం) మినహా అన్ని పరమాణువుల కేంద్రకాల్లో ఉంటాయి. [సవరణ: పుస్తకం 'హైడ్రోజన్ మినహా' అంటుంది
• ఇది సాధారణ హైడ్రోజన్ (ప్రోటియం) కే వర్తిస్తుంది – అదే అధ్యాయంలో డ్యూటీరియం, ట్రిటియంలలో న్యూట్రాన్లు 1, 2 ఉంటాయని చెప్పారు.]
• పరమాణువు ద్రవ్యరాశి = కేంద్రకంలోని ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్ల ద్రవ్యరాశుల మొత్తం.
• పాఠ్య ప్రశ్న 2: హీలియం పరమాణు ద్రవ్యరాశి 4 u, ప్రోటాన్లు 2 అయితే న్యూట్రాన్లు 4 − 2 = 2.
• పాఠ్య ప్రశ్న 1: పరమాణువులోని మూడు ఉప పరమాణు కణాలు ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్, న్యూట్రాన్.

మూడు కణాల పోలిక (వ్యాయామం 1)

• ఎలక్ట్రాన్ (e⁻):
  1. ఆవేశం −1
  2. ద్రవ్యరాశి నగణ్యం (హైడ్రోజన్ పరమాణువు ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 1/2000)
  3. కేంద్రకం బయట కక్ష్యల్లో ఉంటుంది
  4. కనుగొన్నది J.J. థామ్సన్.
• ప్రోటాన్ (p⁺):
  1. ఆవేశం +1
  2. ద్రవ్యరాశి 1 యూనిట్
  3. కేంద్రకంలో ఉంటుంది
  4. ఆవిష్కరణ క్రెడిట్ E. గోల్డ్‌స్టీన్.
• న్యూట్రాన్ (n):
  1. ఆవేశం 0
  2. ద్రవ్యరాశి 1 యూనిట్ (ప్రోటాన్‌తో దాదాపు సమానం)
  3. కేంద్రకంలో ఉంటుంది
  4. కనుగొన్నది J. చాడ్విక్ (1932).
• ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లను కలిపి న్యూక్లియాన్లు (nucleons) అంటారు.
• ఉప పరమాణు కణాల్లో ద్రవ్యరాశి పరంగా ఎలక్ట్రాన్ అతి తేలిక
• ఆవేశం లేనిది న్యూట్రాన్ మాత్రమే.
• [బయటి సమాచారం] చాడ్విక్‌కు 1935లో భౌతికశాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

పుస్తకంలోని 'తప్పు/ఒప్పు' వ్యాయామం 14 ఆధారంగా: న్యూట్రాన్ ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్ కలిసి ఏర్పడటం వల్ల తటస్థమని చెప్పడం తప్పు (F). ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 1/2000 వంతు అనడం ఒప్పు (T) – 'ప్రోటాన్ కంటే 2000 రెట్లు ఎక్కువ' అంటే తప్పు.

వివిధ కక్ష్యల (కర్పరాల)లో ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా పంపిణీ అవుతాయో బోర్, బరీ (Bury) సూచించారు. ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యను వివిధ శక్తి స్థాయుల్లో రాసేందుకు మూడు నియమాలు ఉన్నాయి (వ్యాయామం 6).

నియమాలు

• (i) గరిష్ఠ సంఖ్య:
  1. ఒక కర్పరంలో ఉండగల గరిష్ఠ ఎలక్ట్రాన్లు 2n²
  2. ఇక్కడ n = కర్పర సంఖ్య (1, 2, 3, ...).

– మొదటి కక్ష్య (K) = 2 × 1² = 2 – రెండవ (L) = 2 × 2² = 8 – మూడవ (M) = 2 × 3² = 18 – నాల్గవ (N) = 2 × 4² = 32, ఇలా కొనసాగుతుంది.

• (ii) బయటి కక్ష్య (outermost orbit)లో ఉండగల గరిష్ఠ ఎలక్ట్రాన్లు 8.
• (iii) లోపలి కర్పరాలు పూర్తిగా నిండే వరకు తర్వాతి కర్పరంలో ఎలక్ట్రాన్లు చేరవు
• కర్పరాలు ఒక్కొక్కటిగా క్రమంగా నిండుతాయి.

ఉదాహరణలు (పాఠ్య ప్రశ్నలు)

• కార్బన్ (6 ఎలక్ట్రాన్లు): K = 2, L = 4 → 2, 4.
• సోడియం (11 ఎలక్ట్రాన్లు): K = 2, L = 8, M = 1 → 2, 8, 1.
• K, L కర్పరాలు నిండి ఉంటే మొత్తం ఎలక్ట్రాన్లు = 2 + 8 = 10 (నియాన్ లాంటి పరమాణువు).
• కృత్యం 8.2: మొదటి 18 మూలకాల ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసాన్ని చూపే స్థిర పరమాణు నమూనా తయారుచేయడం (బొమ్మ 8.4 – మొదటి 18 మూలకాల పథకరూప పరమాణు నిర్మాణం).

గమనిక: M కర్పరానికి 2n² ప్రకారం గరిష్ఠం 18 అయినా, అది బయటి (చివరి) కర్పరం అయినప్పుడు 8 ఎలక్ట్రాన్లే ఉంటాయి; అందుకే ఆర్గాన్ విన్యాసం 2, 8, 8.

పట్టిక 8.1 మొదటి 18 మూలకాల పరమాణువుల ఘటకాలను, ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసాన్ని, వేలెన్సీని ఇస్తుంది. పట్టికలో ప్రతి మూలకానికి పరమాణు సంఖ్య = ప్రోటాన్ల సంఖ్య = ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య.

క్రింది వరుసల్లో రూపం: మూలకం (సంకేతం): Z, న్యూట్రాన్లు, ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసం K, L, M, వేలెన్సీ.

పట్టిక వరుసలు

• హైడ్రోజన్ (H): Z = 1, న్యూట్రాన్లు 0, విన్యాసం 1, వేలెన్సీ 1.
• హీలియం (He): Z = 2, న్యూట్రాన్లు 2, విన్యాసం 2, వేలెన్సీ 0.
• లిథియం (Li): Z = 3, న్యూట్రాన్లు 4, విన్యాసం 2,1, వేలెన్సీ 1.
• బెరీలియం (Be): Z = 4, న్యూట్రాన్లు 5, విన్యాసం 2,2, వేలెన్సీ 2.
• బోరాన్ (B): Z = 5, న్యూట్రాన్లు 6, విన్యాసం 2,3, వేలెన్సీ 3.
• కార్బన్ (C): Z = 6, న్యూట్రాన్లు 6, విన్యాసం 2,4, వేలెన్సీ 4.
• నైట్రోజన్ (N): Z = 7, న్యూట్రాన్లు 7, విన్యాసం 2,5, వేలెన్సీ 3.
• ఆక్సిజన్ (O): Z = 8, న్యూట్రాన్లు 8, విన్యాసం 2,6, వేలెన్సీ 2.
• ఫ్లోరిన్ (F): Z = 9, న్యూట్రాన్లు 10, విన్యాసం 2,7, వేలెన్సీ 1.
• నియాన్ (Ne): Z = 10, న్యూట్రాన్లు 10, విన్యాసం 2,8, వేలెన్సీ 0.
• సోడియం (Na): Z = 11, న్యూట్రాన్లు 12, విన్యాసం 2,8,1, వేలెన్సీ 1.
• మెగ్నీషియం (Mg): Z = 12, న్యూట్రాన్లు 12, విన్యాసం 2,8,2, వేలెన్సీ 2.
• అల్యూమినియం (Al): Z = 13, న్యూట్రాన్లు 14, విన్యాసం 2,8,3, వేలెన్సీ 3.
• సిలికాన్ (Si): Z = 14, న్యూట్రాన్లు 14, విన్యాసం 2,8,4, వేలెన్సీ 4.
• ఫాస్ఫరస్ (P): Z = 15, న్యూట్రాన్లు 16, విన్యాసం 2,8,5, వేలెన్సీ 3 మరియు 5.
• సల్ఫర్ (S): Z = 16, న్యూట్రాన్లు 16, విన్యాసం 2,8,6, వేలెన్సీ 2.
• క్లోరిన్ (Cl): Z = 17, న్యూట్రాన్లు 18, విన్యాసం 2,8,7, వేలెన్సీ 1.
• ఆర్గాన్ (Ar): Z = 18, న్యూట్రాన్లు 22, విన్యాసం 2,8,8, వేలెన్సీ 0.

(పట్టికలో న్యూట్రాన్ల వరుస ముద్రణలో కొంత అస్పష్టం; ఇక్కడి విలువలు పుస్తకంలో కనిపించే సంఖ్యలతో, ద్రవ్యరాశి సంఖ్య − Z తో సరిపోతాయి.)

గమనించాల్సిన విషయాలు

• హీలియం (2), నియాన్ (2,8), ఆర్గాన్ (2,8,8) బయటి కర్పరం నిండి వేలెన్సీ 0.
• పరమాణు సంఖ్య పెరిగేకొద్దీ ఎలక్ట్రాన్లు K, L, M కర్పరాలను క్రమంగా నింపుతాయి.
• మొదటి 18 మూలకాల్లో కేవలం K, L, M కర్పరాలే వాడబడతాయి (N ఖాళీ).

బయటి కర్పరంలోని ఎలక్ట్రాన్లను వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు (valence electrons) అంటారు. బోర్–బరీ పథకం ప్రకారం బయటి కర్పరంలో గరిష్ఠంగా 8 ఎలక్ట్రాన్లు ఉండగలవు.

• బయటి కర్పరం పూర్తిగా 8 ఎలక్ట్రాన్లతో నిండిన పరమాణువులు చాలా తక్కువ రసాయన చర్యాశీలత చూపుతాయి
• వాటి సంయోజకత (combining capacity) లేదా వేలెన్సీ శూన్యం (0). ఈ జడ మూలకాల (inert elements)లో హీలియం పరమాణువు బయటి కర్పరంలో 2 ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి
• మిగతా అన్నింటిలో 8.
• పరమాణువులు ఇతర పరమాణువులతో చర్య జరిపి అణువులను ఏర్పరిచే ప్రవృత్తి (combining capacity) బయటి కర్పరాన్ని పూర్తిగా నింపుకోవడానికి ప్రయత్నించడం వల్లే.
• బయటి కర్పరంలో 8 ఎలక్ట్రాన్లు ఉన్న స్థితిని ఆక్టెట్ (octet) అంటారు. పరమాణువులు ఎలక్ట్రాన్లను పంచుకోవడం, పొందడం లేదా కోల్పోవడం ద్వారా ఆక్టెట్ సాధిస్తాయి.
• ఆక్టెట్ కోసం పొందిన, కోల్పోయిన లేదా పంచుకున్న ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య నేరుగా ఆ మూలకం సంయోజకత (వేలెన్సీ).

వేలెన్సీ లెక్కించడం

• బయటి కర్పరంలో ఎలక్ట్రాన్లు తక్కువ ఉంటే (1, 2, 3):
  1. వేలెన్సీ = కోల్పోయే ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య. హైడ్రోజన్, లిథియం, సోడియం – ఒక్కో ఎలక్ట్రాన్ ఉంటుంది కాబట్టి వేలెన్సీ 1. మెగ్నీషియం (2 బయటి ఎలక్ట్రాన్లు) వేలెన్సీ 2
  2. అల్యూమినియం (3) వేలెన్సీ 3.
• బయటి కర్పరం దాదాపు నిండి ఉంటే (పూర్తి సామర్థ్యానికి దగ్గరగా):
  1. వేలెన్సీ = 8 − బయటి ఎలక్ట్రాన్లు. ఫ్లోరిన్‌లో 7 బయటి ఎలక్ట్రాన్లు
  2. 7 కోల్పోవడం కంటే 1 ఎలక్ట్రాన్ పొందడం సులభం కాబట్టి వేలెన్సీ 8 − 7 = 1. ఆక్సిజన్ (2,6) వేలెన్సీ 8 − 6 = 2.
• పాఠ్య ప్రశ్న:
  1. క్లోరిన్ (2,8,7) వేలెన్సీ 8 − 7 = 1
  2. సల్ఫర్ (2,8,6) వేలెన్సీ 8 − 6 = 2
  3. మెగ్నీషియం (2,8,2) వేలెన్సీ 2 (2 ఎలక్ట్రాన్లు కోల్పోవడం).
• వ్యాయామం 7 – సిలికాన్ (2,8,4): బయటి కర్పరంలో 4 ఎలక్ట్రాన్లు, పంచుకోవడం ద్వారా ఆక్టెట్ సాధిస్తుంది, వేలెన్సీ 4. ఆక్సిజన్ వేలెన్సీ 2.
• Na⁺ (వ్యాయామం 9):
  1. సోడియం (2,8,1) ఒక ఎలక్ట్రాన్ కోల్పోయి Na⁺ (2,8) అవుతుంది
  2. K కర్పరంలో 2, L కర్పరంలో 8 – రెండు కర్పరాలు పూర్తిగా నిండి ఉంటాయి.
• Cl⁻ (వ్యాయామం 17):
  1. క్లోరిన్ (2,8,7) ఒక ఎలక్ట్రాన్ పొంది Cl⁻ (2,8,8) అవుతుంది
  2. వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు 8.

పరమాణు సంఖ్య (Atomic number, Z)

• కేంద్రకంలో ప్రోటాన్లు ఉంటాయి
• ప్రోటాన్ల సంఖ్యే పరమాణు సంఖ్యను నిర్ణయిస్తుంది. దీనిని 'Z' తో సూచిస్తారు.
• ఒక మూలకంలోని అన్ని పరమాణువులకు పరమాణు సంఖ్య సమానం. మూలకాలను అవి కలిగి ఉన్న ప్రోటాన్ల సంఖ్యతోనే నిర్వచిస్తారు.
• హైడ్రోజన్: కేంద్రకంలో ఒకే ఒక ప్రోటాన్ కాబట్టి Z = 1. కార్బన్: Z = 6.
• పాఠ్య ప్రశ్న 1:
  1. ఎలక్ట్రాన్లు 8, ప్రోటాన్లు 8 అయితే (i) పరమాణు సంఖ్య 8
  2. (ii) పరమాణువుపై ఆవేశం 0 (తటస్థం).

ద్రవ్యరాశి సంఖ్య (Mass number, A)

• పరమాణు ద్రవ్యరాశి ఆచరణలో ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్ల వల్లే ఉంటుంది
• ఇవి కేంద్రకంలో ఉన్నాయి కాబట్టి వీటిని న్యూక్లియాన్లు (nucleons) అంటారు. పరమాణు ద్రవ్యరాశి కేంద్రకంలోనే ఉంటుంది.
• ద్రవ్యరాశి సంఖ్య = కేంద్రకంలో ఉన్న ప్రోటాన్లు + న్యూట్రాన్ల మొత్తం సంఖ్య
• సంకేతం 'A'.
• ఉదాహరణ: కార్బన్ – 6 ప్రోటాన్లు + 6 న్యూట్రాన్లు → 6 u + 6 u = 12 u. అల్యూమినియం – 13 ప్రోటాన్లు + 14 న్యూట్రాన్లు → 27 u.
• పాఠ్య ప్రశ్న 2:
  1. ఆక్సిజన్ (8 ప్రోటాన్లు + 8 న్యూట్రాన్లు) ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 16
  2. సల్ఫర్ (16 + 16) ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 32.
• సూత్రం: న్యూట్రాన్ల సంఖ్య n = A − Z.

సంకేత రూపం

• మూలక సంకేతం X కి ఎడమవైపు పైన ద్రవ్యరాశి సంఖ్య A, కింద పరమాణు సంఖ్య Z రాస్తారు (ᴬ_Z X).
• ఉదాహరణ: నైట్రోజన్ను ¹⁴₇N గా రాస్తారు – A = 14, Z = 7, న్యూట్రాన్లు 7.

ప్రకృతిలో కొన్ని మూలకాల పరమాణువులు ఒకే పరమాణు సంఖ్య, కాని వేర్వేరు ద్రవ్యరాశి సంఖ్యలతో కనిపిస్తాయి.

నిర్వచనం

• సమస్థానీయాలు (Isotopes) = ఒకే మూలకానికి చెందిన, ఒకే పరమాణు సంఖ్య కాని వేర్వేరు ద్రవ్యరాశి సంఖ్యలు గల పరమాణువులు (న్యూట్రాన్ల సంఖ్య వేరు).

ఉదాహరణలు

• హైడ్రోజన్:
  1. మూడు పరమాణు రూపాలు – ప్రోటియం (¹₁H), డ్యూటీరియం (²₁H లేదా D), ట్రిటియం (³₁H లేదా T). అన్నింటికీ పరమాణు సంఖ్య 1
  2. ద్రవ్యరాశి సంఖ్యలు వరుసగా 1, 2, 3. (న్యూట్రాన్లు 0, 1, 2.)
• కార్బన్: ¹²₆C, ¹⁴₆C.
• క్లోరిన్: ³⁵₁₇Cl, ³⁷₁₇Cl.
• వ్యాయామం 1 (H, D, T):
  1. ప్రోటాన్లు 1, 1, 1
  2. న్యూట్రాన్లు 0, 1, 2
  3. ఎలక్ట్రాన్లు 1, 1, 1.
• వ్యాయామం 2:
  1. ఐసోటోప్ జంట ఉదా. H, D (ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసం రెండింటికీ 1)
  2. క్లోరిన్ ఐసోటోపులు రెండూ 2,8,7.

లక్షణాలు

• అనేక మూలకాలు ఐసోటోపుల మిశ్రమం
• ప్రతి ఐసోటోపు ఒక స్వచ్ఛ పదార్థం.
• ఐసోటోపుల రసాయన ధర్మాలు ఒకేలా ఉంటాయి (ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య సమానం కాబట్టి), భౌతిక ధర్మాలు వేరుగా ఉంటాయి (ద్రవ్యరాశి వేరు).
• వ్యాయామం 16 జవాబు: ఐసోటోపులు కలిగి ఉండేవి – వేర్వేరు న్యూట్రాన్ల సంఖ్య.

ఉపయోగాలు (Applications)

• యురేనియం ఐసోటోపు – అణు రియాక్టర్లలో ఇంధనం.
• కోబాల్ట్ ఐసోటోపు – క్యాన్సర్ చికిత్స.
• అయోడిన్ ఐసోటోపు – గాయిటర్ (గలగండ) చికిత్స.
• [బయటి సమాచారం] వీటిలో సాధారణంగా U-235, Co-60, I-131 వాడతారు. వ్యాయామం 14(d): టింక్చర్ అయోడిన్ తయారీకి అయోడిన్ ఐసోటోపు వాడతారనే ప్రకటన తప్పు (F).

సగటు పరమాణు ద్రవ్యరాశి

• క్లోరిన్ ప్రకృతిలో రెండు ఐసోటోపు రూపాల్లో ఉంటుంది:
  1. ద్రవ్యరాశులు 35 u, 37 u
  2. వాటి నిష్పత్తి 3 : 1 (అంటే 75% , 25%).
• సగటు పరమాణు ద్రవ్యరాశి = (35 × 75/100) + (37 × 25/100) = 26.25 + 9.25 = 35.5 u. అంటే క్లోరిన్ పరమాణు ద్రవ్యరాశి 35.5 u.
• ఏ మూలకపు పరమాణు ద్రవ్యరాశినైనా, ప్రకృతిలో దొరికే దాని అన్ని పరమాణువుల సగటు ద్రవ్యరాశిగా తీసుకుంటారు. ఐసోటోపులు లేని మూలకమైతే ప్రోటాన్లు + న్యూట్రాన్ల మొత్తమే పరమాణు ద్రవ్యరాశి. ఐసోటోపులుంటే ప్రతి ఐసోటోపు శాతాన్ని తెలుసుకుని సగటు లెక్కించాలి.
• దీని అర్థం ఏ ఒక్క క్లోరిన్ పరమాణువుకూ 35.5 u భిన్న ద్రవ్యరాశి ఉందని కాదు. కొంత పరిమాణం క్లోరిన్ తీసుకుంటే అందులో రెండు ఐసోటోపులూ ఉంటాయి
• వాటి సగటు 35.5 u.

ఐసోబార్లు (Isobars)

• కాల్షియం (పరమాణు సంఖ్య 20), ఆర్గాన్ (పరమాణు సంఖ్య 18): ప్రోటాన్ల సంఖ్య వేరు, కాని రెండింటి ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 40. అంటే న్యూక్లియాన్ల సంఖ్య సమానం.
• ఐసోబార్లు = వేర్వేరు పరమాణు సంఖ్యలు ఉండి, ఒకే ద్రవ్యరాశి సంఖ్య ఉండే వేర్వేరు మూలకాల పరమాణువులు.
• పోలిక:
  1. ఐసోటోపులు – ఒకే Z, వేరు A
  2. ఐసోబార్లు – వేరు Z, ఒకే A.

అధ్యాయం చివరి వ్యాయామాల్లోని లెక్కలు, వాటి సమాధానాలు (పుస్తకం చివరి జవాబుల పట్టిక ప్రకారం, తప్పులను సవరించి).

సగటు పరమాణు ద్రవ్యరాశి (వ్యాయామం 10)

• బ్రోమిన్ ఐసోటోపులు ⁷⁹₃₅Br (49.7%), ⁸¹₃₅Br (50.3%).
• సగటు = (79 × 49.7/100) + (81 × 50.3/100) = 39.263 + 40.743 = 80.006 u. పుస్తకం జవాబు 80.006.

ఐసోటోపుల శాతం (వ్యాయామం 11)

• X సగటు ద్రవ్యరాశి 16.2 u
• ఐసోటోపులు ¹⁶₈X, ¹⁸₈X. ¹⁶X శాతం = x అనుకుంటే 16x + 18(1 − x) = 16.2 → 18 − 2x = 16.2 → x = 0.9. కాబట్టి ¹⁶₈X = 90%, ¹⁸₈X = 10%.

Z = 3 (వ్యాయామం 12)

• Z = 3 అంటే 3 ఎలక్ట్రాన్లు, విన్యాసం 2,1
• బయటి కర్పరంలో ఒక ఎలక్ట్రాన్ → వేలెన్సీ 1
• మూలకం లిథియం (Li).

X, Y కేంద్రకాలు (వ్యాయామం 13)

• X: ప్రోటాన్లు 6, న్యూట్రాన్లు 6 → ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 12. Y: ప్రోటాన్లు 6, న్యూట్రాన్లు 8 → ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 14. పరమాణు సంఖ్య సమానం (6), ద్రవ్యరాశి సంఖ్యలు వేరు కాబట్టి X, Y సమస్థానీయాలు (isotopes) (కార్బన్ ¹²C, ¹⁴C).

తప్పు/ఒప్పు (వ్యాయామం 14)

• (a) థామ్సన్ కేంద్రకంలో న్యూక్లియాన్లు మాత్రమే ఉంటాయని చెప్పాడు – F (థామ్సన్ నమూనాకు కేంద్రకమే లేదు).
• (b) న్యూట్రాన్ ఎలక్ట్రాన్, ప్రోటాన్ కలిసి ఏర్పడుతుంది కాబట్టి తటస్థం – F.
• (c) ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 1/2000 వంతు – T.
• (d) టింక్చర్ అయోడిన్ కోసం అయోడిన్ ఐసోటోపు వాడతారు – F.

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (వ్యాయామాలు 15–18)

• 15: α-కణ పరిక్షేపణ ప్రయోగం కనుగొన్నది పరమాణు కేంద్రకం (Atomic Nucleus) – (a).
• 16: ఐసోటోపులు వేర్వేరు న్యూట్రాన్ల సంఖ్య కలిగి ఉంటాయి – (c).
• 17: Cl⁻ అయాన్‌లో వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు 8 – (b). (Cl⁻ విన్యాసం 2,8,8.)
• 18: సోడియం సరైన ఎలక్ట్రాన్ విన్యాసం 2,8,1 – (d).
• (పుస్తకం చివరి జవాబుల పట్టికలో ఈ టిక్ గుర్తులు ముద్రణలో కనిపించవు
• ఇవి సిద్ధాంతం ఆధారంగా వివరించిన సరైన జవాబులు.)

పట్టిక పూరించడం (వ్యాయామం 19)

• Z = 9, న్యూట్రాన్లు 10 → ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 19, ప్రోటాన్లు 9, ఎలక్ట్రాన్లు 9, ఫ్లోరిన్.
• Z = 16, A = 32 → న్యూట్రాన్లు 16, ప్రోటాన్లు 16, ఎలక్ట్రాన్లు 16, సల్ఫర్.
• A = 24, ప్రోటాన్లు 12 → Z = 12, న్యూట్రాన్లు 12, ఎలక్ట్రాన్లు 12, మెగ్నీషియం.
• A = 2, ప్రోటాన్లు 1 → Z = 1, న్యూట్రాన్లు 1, ఎలక్ట్రాన్లు 1, డ్యూటీరియం.
• A = 1, న్యూట్రాన్లు 0, ప్రోటాన్లు 1, ఎలక్ట్రాన్లు 0 → Z = 1, హైడ్రోజన్ అయాన్ (H⁺).

అధ్యాయ సారాంశం

• ఎలక్ట్రాన్ క్రెడిట్ థామ్సన్‌కు, ప్రోటాన్ క్రెడిట్ గోల్డ్‌స్టీన్‌కు
• α-పరిక్షేపణ ప్రయోగం కేంద్రక ఆవిష్కరణకు దారితీసింది
• బోర్ నమూనా కర్పరాలతో స్థిరత్వాన్ని వివరించింది
• కర్పరాలు నిండితే పరమాణువు స్థిరం, తక్కువ చర్యాశీలం
• చాడ్విక్ న్యూట్రాన్ను కనుగొన్నాడు.