परमाणु और परमाणु भौतिकी दोनों ही बहुत छोटे के भौतिकी का वर्णन करते हैं। ऐसी छोटी वस्तुओं के साथ काम करते समय, शास्त्रीय यांत्रिकी की आपकी समझ से निर्मित आपका अंतर्ज्ञान अक्सर विफल हो जाता है। यह क्वांटम यांत्रिकी, छोटी दूरी के परमाणु बलों, विद्युत चुम्बकीय विकिरण और कण भौतिकी के मानक मॉडल का क्षेत्र है।
परमाणु भौतिकी क्या है?
परमाणु भौतिकी भौतिकी की वह शाखा है जो परमाणु की संरचना, संबंधित ऊर्जा अवस्थाओं और कणों और क्षेत्रों के साथ परमाणु की परस्पर क्रिया से संबंधित है। इसके विपरीत, परमाणु भौतिकी विशेष रूप से परमाणु नाभिक के अंदर की गतिविधियों पर ध्यान केंद्रित करती है, जिसे अगले भाग में और अधिक विस्तार से वर्णित किया गया है।
कण भौतिकी में अध्ययन के कई आइटम हैं। सबसे पहले और सबसे महत्वपूर्ण परमाणु की संरचना ही है। परमाणुओं में एक कसकर बंधे हुए नाभिक होते हैं, जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, और एक फैलाना इलेक्ट्रॉन बादल होता है।
यह देखते हुए कि नाभिक आमतौर पर 10. के क्रम पर होता है-15 10. तक-14 मी व्यास में है, और परमाणु स्वयं 10. के क्रम में हैं-10 मीटर व्यास में (और इलेक्ट्रॉनों का आकार नगण्य है), यह पता चला है कि परमाणु ज्यादातर खाली जगह हैं। बेशक वे ऐसे नहीं लगते जैसे वे हैं और परमाणुओं से बने सभी पदार्थ निश्चित रूप से पदार्थ की तरह लगते हैं।
परमाणु ऐसा नहीं लगता कि वे ज्यादातर खाली जगह हैं, क्योंकि आप भी परमाणुओं से बने हैं, और सभी परमाणु विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के साथ बातचीत करते हैं। भले ही आपका हाथ, जो ज्यादातर खाली जगह के परमाणुओं से बना होता है, एक मेज के खिलाफ दबाता है, वह भी ज्यादातर रिक्त स्थान, परमाणुओं के बीच विद्युत चुम्बकीय बलों के आने के कारण यह तालिका से नहीं गुजरता है संपर्क करें।
न्यूट्रिनो, एक कण जो विद्युत चुम्बकीय बल के साथ बातचीत नहीं करता है, हालांकि, अधिकांश परमाणु सामग्री से गुजरने में सक्षम है, जो वस्तुतः ज्ञात नहीं है। वास्तव में, प्रति सेकंड 100 ट्रिलियन न्यूट्रिनो आपके शरीर से गुजरते हैं!
परमाणु वर्गीकरण
परमाणुओं को आवर्त सारणी में परमाणु क्रमांक के अनुसार वर्गीकृत किया गया है। परमाणु क्रमांक परमाणु के नाभिक में उपस्थित प्रोटॉनों की संख्या है। यह संख्या तत्व को परिभाषित करती है।
जबकि किसी दिए गए तत्व में हमेशा समान संख्या में प्रोटॉन होंगे, इसमें विभिन्न संख्या में न्यूट्रॉन हो सकते हैं। एक तत्व के विभिन्न समस्थानिकों में अलग-अलग संख्या में न्यूट्रॉन होते हैं। कुछ समस्थानिक दूसरों की तुलना में अधिक स्थिर होते हैं (अर्थात किसी और चीज में अनायास क्षय होने की संभावना कम होती है), और यह स्थिरता आमतौर पर न्यूट्रॉन की संख्या पर निर्भर करता है, यही वजह है कि अधिकांश तत्वों के लिए, अधिकांश परमाणु एक विशिष्ट के होते हैं समस्थानिक
एक परमाणु में मौजूद इलेक्ट्रॉनों की संख्या यह निर्धारित करती है कि यह आयनित है, या आवेशित है। एक तटस्थ परमाणु में प्रोटॉन के समान इलेक्ट्रॉनों की संख्या होती है, लेकिन कभी-कभी परमाणु इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त कर सकते हैं या खो सकते हैं और चार्ज हो सकते हैं। एक परमाणु कितनी आसानी से इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त या खो देता है यह उसकी इलेक्ट्रॉन कक्षीय संरचना पर निर्भर करता है।
हाइड्रोजन परमाणु सबसे सरल परमाणु है, जिसके नाभिक में केवल एक प्रोटॉन होता है। हाइड्रोजन के तीन सबसे स्थिर समस्थानिक हैं प्रोटियम (जिसमें कोई न्यूट्रॉन नहीं है), ड्यूटेरियम (एक न्यूट्रॉन युक्त) और ट्रिटियम (दो न्यूट्रॉन युक्त) जिसमें प्रोटियम सबसे प्रचुर मात्रा में है।
वर्षों से परमाणु के विभिन्न मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, जिससे वर्तमान मॉडल का जन्म हुआ है। प्रारंभिक कार्य अर्नेस्ट रदरफोर्ड, नील्स बोहर और अन्य द्वारा किया गया था।
अवशोषण और उत्सर्जन स्पेक्ट्रा
जैसा कि उल्लेख किया गया है, परमाणु विद्युत चुम्बकीय बल के साथ बातचीत करते हैं। परमाणु में प्रोटॉन धनात्मक आवेश और इलेक्ट्रॉनों में ऋणात्मक आवेश होता है। परमाणु में इलेक्ट्रॉन विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित कर सकते हैं और परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा अवस्था प्राप्त कर सकते हैं, या विकिरण उत्सर्जित कर सकते हैं और निम्न ऊर्जा अवस्था में जा सकते हैं।
विकिरण के इस अवशोषण और उत्सर्जन का एक प्रमुख गुण यह है कि परमाणु बहुत विशिष्ट परिमाणित मूल्यों पर ही विकिरण को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं। और प्रत्येक भिन्न प्रकार के परमाणु के लिए, वे विशिष्ट मान भिन्न होते हैं।
परमाणु सामग्री की एक गर्म गैस बहुत विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर विकिरण उत्सर्जित करेगी। यदि इस गैस से आने वाले प्रकाश को एक स्पेक्ट्रोस्कोप से गुजारा जाता है, जो तरंग दैर्ध्य (इंद्रधनुष की तरह) द्वारा प्रकाश को एक स्पेक्ट्रम में फैलाता है, तो अलग-अलग उत्सर्जन रेखाएँ दिखाई देंगी। गैस से आने वाली उत्सर्जन लाइनों के सेट को लगभग एक बारकोड की तरह पढ़ा जा सकता है जो आपको बताता है कि गैस में परमाणु क्या हैं।
इसी प्रकार, यदि प्रकाश का एक सतत स्पेक्ट्रम एक ठंडी गैस पर आपतित होता है, और उस गैस से गुजरने वाला प्रकाश तब होता है एक स्पेक्ट्रोस्कोप के माध्यम से पारित, आप विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर अंधेरे अंतराल के साथ एक सतत स्पेक्ट्रम देखेंगे जो गैस को अवशोषित। यह अवशोषण स्पेक्ट्रम उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के व्युत्क्रम की तरह दिखेगा, जहां दिखाई देने वाली काली रेखाएं उसी गैस के लिए उज्ज्वल रेखाएं थीं। जैसे, इसे बारकोड की तरह भी पढ़ा जा सकता है जो आपको गैस की संरचना बताता है। अंतरिक्ष में सामग्री की संरचना का निर्धारण करने के लिए खगोलविद हर समय इसका उपयोग करते हैं।
परमाणु भौतिकी क्या है?
परमाणु भौतिकी परमाणु नाभिक, परमाणु प्रतिक्रियाओं और अन्य कणों के साथ नाभिक की बातचीत पर केंद्रित है। यह अन्य विषयों के बीच रेडियोधर्मी क्षय, परमाणु संलयन और परमाणु विखंडन, और बाध्यकारी ऊर्जा की पड़ताल करता है।
नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का कसकर बंधे हुए झुरमुट होते हैं। हालांकि, ये मौलिक कण नहीं हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन अभी भी छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें कहा जाता है क्वार्क.
क्वार्क भिन्नात्मक आवेश वाले कण होते हैं, और कुछ मूर्खतापूर्ण नाम होते हैं। वे छह तथाकथित स्वादों में आते हैं: ऊपर, नीचे, ऊपर, नीचे, अजीब और आकर्षण। एक न्यूट्रॉन दो डाउन क्वार्क और एक अप क्वार्क से बना होता है, और एक प्रोटॉन दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क से बना होता है। प्रत्येक न्यूक्लियॉन में क्वार्क मजबूत परमाणु बल द्वारा कसकर बंधे होते हैं।
मजबूत परमाणु बल की मध्यस्थता कणों द्वारा की जाती है ग्लुओन. क्या आप किसी विषय को महसूस कर रहे हैं? इन कणों के नामकरण में वैज्ञानिकों को बहुत मज़ा आया! ग्लून्स, निश्चित रूप से, क्वार्क को एक साथ "गोंद" करते हैं। मजबूत परमाणु बल केवल बहुत कम दूरी पर कार्य करता है - औसत आकार के नाभिक के व्यास के बराबर दूरी पर।
बंधन ऊर्जा
प्रत्येक पृथक न्यूट्रॉन का द्रव्यमान 1.6749275 × 10. होता है-27 किलो, और प्रत्येक पृथक प्रोटॉन का द्रव्यमान 1.6726219 × 10. है-27 किलोग्राम; हालाँकि, जब एक परमाणु नाभिक में एक साथ बंधे होते हैं, तो परमाणु द्रव्यमान बाध्यकारी ऊर्जा नामक किसी चीज के कारण उसके घटक भागों का योग नहीं होता है।
कसकर बंधे होने से, न्यूक्लियॉन कम ऊर्जा की स्थिति प्राप्त करते हैं, क्योंकि उनके पास कुल द्रव्यमान में से कुछ के रूप में अलग-अलग कणों को ऊर्जा में परिवर्तित किया जा रहा था। यह द्रव्यमान अंतर जो ऊर्जा में परिवर्तित होता है, नाभिक की बंधन ऊर्जा कहलाती है। वह संबंध जो यह बताता है कि दी गई मात्रा के द्रव्यमान से कितनी ऊर्जा मेल खाती है, आइंस्टीन का प्रसिद्ध है ई = एमसी2 समीकरण जहाँ म द्रव्यमान है, सी प्रकाश की गति है और इ ऊर्जा है।
एक संबंधित अवधारणा प्रति न्यूक्लियॉन बाध्यकारी ऊर्जा है, जो एक नाभिक की कुल बाध्यकारी ऊर्जा है जो इसके घटक भागों पर औसत होती है। प्रति न्यूक्लियॉन बाध्यकारी ऊर्जा इस बात का एक अच्छा संकेतक है कि एक नाभिक कितना स्थिर है। प्रति न्यूक्लियॉन कम बाध्यकारी ऊर्जा इंगित करता है कि उसके लिए कम कुल ऊर्जा की अधिक अनुकूल स्थिति मौजूद हो सकती है विशेष नाभिक, जिसका अर्थ है कि यह संभवतः या तो अलग होना चाहेगा या उचित के तहत किसी अन्य नाभिक के साथ फ्यूज हो जाएगा शर्तेँ।
सामान्य तौर पर, लोहे के नाभिक की तुलना में हल्का नाभिक कम ऊर्जा वाले राज्यों को प्राप्त करता है, और प्रति न्यूक्लियॉन उच्च बाध्यकारी ऊर्जा, फ्यूजिंग द्वारा अन्य नाभिकों के साथ, जबकि नाभिक जो लोहे से भारी होते हैं, वे लाइटर में टूटकर कम ऊर्जा वाले राज्यों को प्राप्त करते हैं नाभिक जिन प्रक्रियाओं से ये परिवर्तन होते हैं उनका वर्णन अगले भाग में किया गया है।
विखंडन, संलयन और रेडियोधर्मी क्षय
परमाणु भौतिकी का मुख्य फोकस परमाणु नाभिक के विखंडन, संलयन और क्षय का अध्ययन करना है। ये सभी प्रक्रियाएं एक मौलिक धारणा से प्रेरित हैं कि सभी कण कम ऊर्जा वाले राज्यों को पसंद करते हैं।
विखंडन तब होता है जब एक भारी नाभिक छोटे नाभिकों में टूट जाता है। बहुत भारी नाभिक ऐसा करने के लिए अधिक प्रवण होते हैं क्योंकि उनके पास प्रति न्यूक्लियॉन एक छोटी बाध्यकारी ऊर्जा होती है। जैसा कि आपको याद होगा, परमाणु नाभिक में क्या हो रहा है, इसे नियंत्रित करने वाली कुछ ताकतें हैं। प्रबल नाभिकीय बल नाभिकों को आपस में कसकर बांधता है, लेकिन यह बहुत कम दूरी का बल होता है। तो बहुत बड़े नाभिक के लिए, यह कम प्रभावी है।
नाभिक में धनावेशित प्रोटॉन भी विद्युत चुम्बकीय बल के माध्यम से एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। इस प्रतिकर्षण को मजबूत परमाणु बल द्वारा दूर किया जाना चाहिए और आसपास पर्याप्त न्यूट्रॉन होने से भी इसकी मध्यस्थता की जा सकती है। लेकिन नाभिक जितना बड़ा होगा, स्थिरता के लिए बल संतुलन उतना ही कम अनुकूल होगा।
इसलिए बड़े नाभिक या तो रेडियोधर्मी क्षय प्रक्रियाओं के माध्यम से, या परमाणु रिएक्टरों या विखंडन बमों में होने वाली विखंडन प्रतिक्रियाओं के माध्यम से अलग होना चाहते हैं।
संलयन तब होता है जब दो हल्के नाभिक एक भारी नाभिक में संयोजन करके अधिक अनुकूल ऊर्जा अवस्था प्राप्त करते हैं। हालांकि, विखंडन होने के लिए, विचाराधीन नाभिक को एक दूसरे के काफी करीब होना चाहिए ताकि मजबूत परमाणु बल ले सके। इसका मतलब यह है कि वे काफी तेजी से आगे बढ़ रहे होंगे ताकि वे विद्युत प्रतिकर्षण को दूर कर सकें।
अत्यधिक तापमान में नाभिक तेजी से घूमते हैं, इसलिए अक्सर इस स्थिति की आवश्यकता होती है। इस प्रकार सूर्य के अत्यंत गर्म क्रोड में नाभिकीय संलयन हो पाता है। आज तक, वैज्ञानिक अभी भी ठंडे संलयन को बनाने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं - यानी कम तापमान पर संलयन। चूंकि संलयन प्रक्रिया में ऊर्जा निकलती है और रेडियोधर्मी कचरे को नहीं छोड़ती है जैसे कि विखंडन रिएक्टर करते हैं, यह एक अविश्वसनीय ऊर्जा संसाधन होगा यदि इसे प्राप्त किया जाता है।
रेडियोधर्मी क्षय एक सामान्य साधन है जिसके द्वारा नाभिक अधिक स्थिर होने के लिए परिवर्तन से गुजरते हैं। क्षय के तीन मुख्य प्रकार हैं: अल्फा क्षय, बीटा क्षय और गामा क्षय।
अल्फा क्षय में, एक रेडियोधर्मी नाभिक एक अल्फा कण (एक हीलियम -4 नाभिक) छोड़ता है और परिणामस्वरूप अधिक स्थिर हो जाता है। बीटा क्षय कुछ किस्मों में आता है, लेकिन संक्षेप में या तो न्यूट्रॉन के प्रोटॉन बनने या प्रोटॉन के न्यूट्रॉन बनने और एक को छोड़ने के परिणामस्वरूप होता है β- या β+ कण (एक इलेक्ट्रॉन या एक पॉज़िट्रॉन)। गामा क्षय तब होता है जब एक उत्तेजित अवस्था में एक नाभिक गामा किरणों के रूप में ऊर्जा छोड़ता है, लेकिन न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की कुल संख्या को बनाए रखता है।
कण भौतिकी का मानक मॉडल
परमाणु भौतिकी का अध्ययन कण भौतिकी के बड़े क्षेत्र में फैला हुआ है, जिसका उद्देश्य सभी मूलभूत कणों के कामकाज को समझना है। मानक मॉडल कणों को फ़र्मियन और बोसॉन में वर्गीकृत करता है, और फिर फ़र्मियन को क्वार्क और लेप्टान में और बोसॉन को गेज और स्केलर बोसॉन में वर्गीकृत करता है।
बोसॉन संख्या संरक्षण नियमों का पालन नहीं करते हैं, लेकिन फर्मियन करते हैं। अन्य संरक्षित मात्राओं के अतिरिक्त लेप्टान और क्वार्क दोनों संख्याओं के लिए संरक्षण का नियम भी है। मौलिक कणों की परस्पर क्रिया ऊर्जा-वाहक बोसॉन द्वारा मध्यस्थता की जाती है।
परमाणु भौतिकी और परमाणु भौतिकी के अनुप्रयोग
परमाणु और परमाणु भौतिकी के अनुप्रयोग प्रचुर मात्रा में हैं। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में परमाणु रिएक्टर विखंडन प्रक्रियाओं के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग करके स्वच्छ ऊर्जा का निर्माण करते हैं। परमाणु चिकित्सा इमेजिंग के लिए रेडियोधर्मी समस्थानिकों का उपयोग करती है। दूर के नीहारिकाओं की संरचना का निर्धारण करने के लिए खगोल भौतिकीविद स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करते हैं। चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग डॉक्टरों को अपने मरीजों के अंदरूनी हिस्सों की विस्तृत छवियां बनाने की अनुमति देती है। यहां तक कि एक्स-रे तकनीक भी परमाणु भौतिकी का उपयोग करती है।
