द्रव्य आणि अणूची रचना (Matter & Atomic Structure)

१. द्रव्य आणि अणू संकल्पनेचा इतिहास (Matter & The Concept of Atom)

द्रव्य (Matter) म्हणजे ज्या वस्तूला विशिष्ट वस्तुमान (Mass) असते आणि जी वस्तू जागा व्यापते (Volume) ती होय. प्राचीन काळात भारतीय तत्त्वज्ञ महर्षी कणाद (महर्षी कणाद - इ.स.पूर्व ६ वे शतक) यांनी असे प्रतिपादन केले की द्रव्याचे विभाजन करत गेल्यास एक अत्यंत लहान अंतिम कण मिळतो, ज्याला पुढे विभाजन करता येत नाही; त्यांनी या कणाला 'परमाणू' असे नाव दिले. ग्रीक शास्त्रज्ञ डेमॉक्रिटस यांनी या कणाला 'ॲटम' (Atom - अविभाज्य कण) म्हटले.

आधुनिक विज्ञानात १८०८ मध्ये ब्रिटिश शास्त्रज्ञ जॉन डाल्टन यांनी पहिला अधिकृत अणू सिद्धांत मांडला. यानंतर जसा जसा विज्ञानाचा विकास झाला, तशी अणूची अंतर्गत रचना स्पष्ट करणारी विविधात तात्विक मॉडेल्स समोर आली, ज्यांचा अभ्यास रसायनशास्त्राचा मुख्य पाया मानला जातो.

२. चार मुख्य अणू प्रतिकृतींचे सखोल विश्लेषण (The Four Landmark Atomic Models)

MPSC पूर्व परीक्षेत या ४ मॉडेल्सचे मुख्य प्रयोग, त्यांच्या मर्यादा (Drawbacks) आणि विधानांवर थेट प्रश्न विचारले जातात:

A. जॉन डाल्टन यांचा अणू सिद्धांत (Dalton's Atomic Theory - 1808)

• सिद्धांत: अणू हा द्रव्याचा सर्वात लहान, अविभाज्य (Indivisible) आणि अनाशवंत कण आहे. एकाच मूलद्रव्याचे सर्व अणू वस्तुमानाने आणि गुणधर्माने हुबेहूब समान असतात. रासायनिक अभिक्रियेत अणूंची केवळ पुनर्रचना होते, ते निर्माण किंवा नष्ट करता येत नाहीत.
• मर्यादा: पुढे इलेक्ट्रॉन व प्रोटॉनचा शोध लागल्यामुळे अणू हा अविभाज्य नसून तो उप-अणू कणांचा बनलेला आहे हे सिद्ध झाले, ज्यामुळे डाल्टनचा सिद्धांत चुकीचा ठरला.

B. जे. जे. थॉमसन यांचे प्लम पुडिंग मॉडेल (Thomson's Plum Pudding Model - 1904)

• मुख्य प्रयोग: १८९७ मध्ये कॅथोड किरणांचा (Cathode rays) अभ्यास करून थॉमसन यांनी **इलेक्ट्रॉनचा (ऋण प्रभारित कण)** शोध लावला.
• सिद्धांत: अणू हा एक **धन प्रभारित (Positively charged) भरीव गोळा** आहे, ज्यामध्ये ऋण प्रभारित इलेक्ट्रॉन हे कलिंगडाच्या बियांसारखे किंवा प्लम पुडिंगमधील मनुक्यांसारखे सर्वत्र पसरलेले असतात. अणूवरील एकूण धन प्रभार आणि ऋण प्रभार समान असल्यामुळे अणू हा विद्युत दृष्ट्या उदासीन (Neutrally charged) असतो.

C. रुदरफोर्डचे केंद्रकीय मॉडेल (Rutherford's Nuclear Model - 1911)

• ऐतिहासिक प्रयोग (Gold Foil Experiment): अर्नेस्ट रूदरफोर्ड यांनी सोन्याच्या अत्यंत पातळ पापुद्र्यावर (Gold foil) तीव्र गतीच्या **अल्फा कणांचा ($\alpha$-particles - धनप्रभारित हेलियम केंद्रक)** मारा केला. त्यांना असे दिसले की बहुतेक अल्फा कण सोन्याच्या पापुद्र्यातून थेट सरळ रेषेत निघून गेले, मात्र मोजकेच कण (२०,००० पैकी १) ज्या दिशेने गेले त्याच दिशेने १८०° कोनातून पाठीमागे फिरले.
• सिद्धांत: या प्रयोगावरून रूदरफोर्ड यांनी खालील क्रांतिकारी निष्कर्ष काढले:
  1. अणूचा बहुतेक भाग आतून **पोकळ (Empty)** असतो.
  2. अणूच्या अगदी मध्यभागी अणूचे सर्व वस्तुमान आणि धन प्रभार केंद्रित झालेला असतो, या भागाला त्यांनी केंद्रक (Nucleus) असे नाव दिले. (अणू केंद्रकाचा शोध रुदरफोर्ड यांनी लावला).
  3. ऋण प्रभारित इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती सूर्यमालेतील ग्रहाप्रमाणे वर्तुळाकार कशेत फिरतात.
• मर्यादा (Drawback): मॅक्सवेलच्या विद्युत चुंबकीय सिद्धांतानुसार (Electromagnetic theory), एखादा प्रभारित कण वर्तुळाकार गतीत सतत फिरत राहिल्यास त्याची ऊर्जा सातत्याने कमी होईल. त्यामुळे इलेक्ट्रॉनची कक्षा लहान होत जाऊन तो शेवटी केंद्रकात कोसळेल आणि अणू नष्ट होईल. परंतु अणू स्थिर असतो, याचे स्पष्टीकरण रूदरफोर्ड देऊ शकले नाहीत.

D. नील्स बोहरची अणू प्रतिकृती (Bohr's Atomic Model - 1913)

• सिद्धांत: रूदरफोर्डच्या मॉडेलमधील त्रुटी दूर करण्यासाठी नील्स बोहर यांनी प्लँकच्या पुंजवादाचा (Quantum Theory) वापर करून स्थिर कक्षेचे मॉडेल मांडले.
• कोअर नियम: इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती कोणत्याही कशेत न फिरता केवळ विशिष्ट आणि स्थिर वर्तुळाकार कक्षांमध्येच (Discrete Stationary Orbits) परिभ्रमण करतात. जोपर्यंत इलेक्ट्रॉन या स्थिर कशेत फिरत असतो, तोपर्यंत तो ऊर्जा बाहेर टाकत नाही किंवा शोषून घेत नाही, त्यामुळे अणू स्थिर राहतो.
• ऊर्जा बदल: जेव्हा इलेक्ट्रॉन खालच्या कशेतून वरच्या कशेत उडी मारतो, तेव्हा तो ऊर्जा शोषून घेतो; आणि वरच्या कशेतून खाली येताना ऊर्जा बाहेर (Emission) टाकतो. या कक्षांना K, L, M, N असे नाव दिले गेले.

३. अणूचे मूलभूत कण आणि तांत्रिक सांख्यिकी कोष्टक (Sub-atomic Particles)

मूलभूत कणांचे नाव (Particle)	शोध लावणारे शास्त्रज्ञ	विद्युत प्रभार मूल्य (Charge in Coulomb)	प्रत्यक्ष वस्तुमान (Mass in kg)	अणूच्या आतील अचूक स्थान (Location)
१. इलेक्ट्रॉन (Electron - $e^-$)	जे. जे. थॉमसन (1897)	$-१.६ \times १०^{-१९} \text{ C}$ (ऋण प्रभार)	$९.१ \times १०^{-३१} \text{ kg}$ (नगण्य वस्तुमान)	केंद्रकाच्या बाहेरील **विशिष्ट कक्षांमध्ये** फिरतात.
२. प्रोटॉन (Proton - $p^+$)	गोल्डस्टाईन (शोध) / रूदरफोर्ड (नामकरण)	$+१.६ \times १०^{-१९} \text{ C}$ (धन प्रभार)	$१.६७२ \times १०^{-२७} \text{ kg}$ (इलेक्ट्रॉनपेक्षा १,८३७ पट जड)	अणूच्या **केंद्रकाच्या आत (Nucleus)** सुरक्षित असतात.
३. न्यूट्रॉन (Neutron - $n$)	जेम्स चॅडविक (1932)	० - शून्य प्रभार (विद्युत दृष्ट्या उदासीन)	$१.६७५ \times १०^{-२७} \text{ kg}$ (प्रोटॉनपेक्षा किंचित जास्त जड)	अणूच्या **केंद्रकाच्या आत**. (हायड्रोजनच्या अणूत हा नसतो).

४. अणू अंक, अणुवस्तुमानांक, समस्थानिके व समभार (Atomic Terminology)

MPSC परीक्षेत या तांत्रिक संज्ञांवर आधारित गणिते किंवा थेट विधाने नेहमी विचारली जातात:

• अणू अंक (Atomic Number - Z): अणूच्या केंद्रकात असणाऱ्या एकूण **प्रोटॉन्सची संख्या** (किंवा उदासीन अणूतील एकूण इलेक्ट्रॉन्सची संख्या) म्हणजे अणू अंक होय. मूलद्रव्याचे आवर्तसारणीतील स्थान यावरच ठरते.
• अणुवस्तुमानांक (Atomic Mass Number - A): अणूच्या केंद्रकात असणाऱ्या एकूण प्रोटॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स यांच्या संख्यांची बेरीज होय. **Formula: $A = Z + n$** (न्यूट्रॉन संख्या $n = A - Z$). केंद्रकातील प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांना संयुक्तपणे **'न्यूक्लिऑन्स' (Nucleons)** म्हणतात.
• समस्थानिके (Isotopes): ज्या अणूंचा अणू अंक (Z) समान असतो, परंतु अणुवस्तुमानांक (A) वेगवेगळा असतो, त्यांना समस्थानिके म्हणतात. यांच्यात न्यूट्रॉनची संख्या भिन्न असते. रासायनिक गुणधर्म समान असतात. उदा. हायड्रोजनची तीन समस्थानिके: हायड्रोजन ($^1_1\text{H}$), ड्युटेरियम ($^2_1\text{H}$ - जड पाणी बनवण्यासाठी), आणि ट्रिटियम ($^3_1\text{H}$ - किरणोत्सारी).
• समभार (Isobars): ज्या अणूंचा अणुवस्तुमानांक (A) समान असतो, परंतु अणू अंक (Z) वेगवेगळा असतो, त्यांना समभार म्हणतात. हे वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांचे अणू असतात, त्यामुळे यांचे रासायनिक गुणधर्म भिन्न असतात. उदा. अर्गॉन ($^{40}_{18}\text{Ar}$) आणि कॅल्शियम ($^{40}_{20}\text{Ca}$).