કવચ મૉડેલ પરમાણુ

કવચ મૉડેલ પરમાણુ (Atomic Shell Model) : તત્વોના રાસાયણિક ગુણધર્મોની આવર્તિતા (periodicity) તેમજ રાસાયણિક ગુણધર્મોની સમાનતા દર્શાવતી, પરમાણુક્રમાંક (atomic number) Z દ્વારા ઉદભવતી જાદુઈ સંખ્યા(magic numbers)નાં વિશિષ્ટ મૂલ્યો વિષેની સમજૂતી આપતું મૉડેલ. ઓગણીસમી સદીના આરંભે વૈજ્ઞાનિક ડૉલ્ટને સૂચવ્યું કે બધાં રાસાયણિક તત્વોના મૂળ ઘટકો સરળ એકમના બનેલા હોય છે, જેને તેમણે ‘પરમાણુ’ નામ આપ્યું. સમય જતાં આ રાસાયણિક તત્વો અને તેમના પરમાણુભાર (atomic weight) અંગે વધુ અને વધુ માહિતી પ્રાપ્ત થતી ગઈ. રશિયન રસાયણશાસ્ત્રી મેન્દેલિયેવે સૌપ્રથમ દર્શાવ્યું કે પરમાણુભાર જેમ વધે છે તેમ તત્વો, તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મો અંગે એક પ્રકારની આવર્તિતા એટલે કે ચક્રીય લક્ષણો (cyclic character) દાખવે છે. આ ઉપરથી સમાન રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવતાં જે તત્વોનો પરમાણુભાર પદ્ધતિસર બદલાતો હોય તેમનું વર્ગીકરણ થઈ શકે છે. ત્યારબાદ ઇલેક્ટ્રૉનની શોધ થઈ અને જણાયું કે તે બધા જ પરમાણુના ઘટક છે. પછી ન્યૂક્લિયસ શોધાયું જે પરમાણુસંરચના (atomic structure) માટે, સૂર્યમંડળ (solar system) જેવા મૉડેલ તરફ દોરી ગયું; જેમાં તત્વનો પરમાણુ ક્રમાંક (Z) તેના ન્યૂક્લિયસ ઉપરના ધન વિદ્યુતભાર જેટલો તેમજ પરમાણુમાંના ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા જેટલો છે. વળી એ પણ સ્પષ્ટ થયું કે આવર્તક કોષ્ટક(periodic table)માં દર્શાવ્યા પ્રમાણેની, તત્વોના રાસાયણિક ગુણધર્મોની આવર્તિતા, પરમાણુ-ભારાંક(A)ને બદલે પરમાણુ-ક્રમાંક (Z) સાથે સંકળાયેલી છે. ઉદાહરણ તરીકે H (Z = 1); Li (Z = 3); Na (Z = 11); Kl (Z = 19); Rb (Z = 37); Cs (Z = 55); અને Fr (Z = 87)ના રાસાયણિક ગુણધર્મો સમાન છે. ઉલ્લેખનીય છે કે આ શ્રેણી માટે પરમાણુ-ક્રમાંક (Z)નાં મૂલ્યો કરતાં 2, 8, 18, 32 વગેરે જેટલાં વધુ છે. વળી He (Z = 2); Ne (Z = 10); Ar (Z = 18); Kr (Z = 36); Xe (Z = 54) અને Ra (Z = 86) એ બધા નિષ્ક્રિય વાયુઓ (inert gases) છે અને તે સમાન ગુણ ધરાવે છે. આથી ઉપર દર્શાવેલ 2, 8, 18, 32 વગેરે વિશિષ્ટ (special) સંખ્યાઓ છે જેમાંથી નિષ્ક્રિય વાયુઓ માટેની 2, 10, 18, 36, 54, 86 વગેરે જેવી ‘જાદુઈ સંખ્યા’ મળે છે.

પરમાણુના કવચ મૉડેલની સૌપ્રથમ સમજૂતી નીલ બ્હોર નામના ડેનમાર્કના વિજ્ઞાનીએ તેમના પરમાણુસિદ્ધાંત, જે પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની પરમાણુમાં ગોઠવણી અંગે સમજૂતી આપે છે, તેના દ્વારા આપી હતી. પરમાણુમાંની ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ, મુખ્યત્વે તો તેમની અને ન્યૂક્લિયસ વચ્ચેના કુલંબીય આકર્ષણબળ પરથી નક્કી કરવામાં આવે છે. ઉપરાંત ઇલેક્ટ્રૉન ઉપર અન્યોન્ય બળો પણ લાગતાં હોય છે; પરંતુ તે બધાં પ્રમાણમાં ખૂબ જ નિર્બળ હોય છે અને પ્રથમ સન્નિકટનમાં તેમને અવગણી શકાય છે. કુલંબીય બળની અસર હેઠળ, ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ-અવસ્થાની ગણતરી કરવા માટે ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીના નિયમો લાગુ પાડવામાં આવે છે. તેનું પરિણામ એ આવ્યું કે ઇલેક્ટ્રૉન અમુક નિશ્ચિત કક્ષાઓના જૂથમાં જ ગતિ કરી શકે છે. આ કક્ષાઓની લાક્ષણિકતા ચાર ક્વૉન્ટમ અંકો વડે દર્શાવવામાં આવે છે : (i) મુખ્ય ક્વૉન્ટમ અંક n, જેનાં મૂલ્યો 1, 2, 3, ……… જેવી બધી જ પૂર્ણાંક સંખ્યા છે; (ii) કક્ષીય કોણીય વેગમાન જેનું પ્રત્યેક n માટે મૂલ્ય 0, 1, 2, ……..થી n-1 સુધી છે; (iii) સ્પિન સહિતનું કુલ કોણીય વેગમાન j જેનું પ્રત્યેક માટે મૂલ્ય + 1/2, l – 1/2 છે અને (iv) ચુંબકીય ક્વૉન્ટમ સંખ્યા (magnetic quantum number) m, જેના પ્રત્યેક j માટે j; j – 1/2; j – 3/2, ……. થી -j સુધી, 2 j + 1 જેટલાં મૂલ્યો છે. આ અવસ્થામાં ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા મહદંશે n ઉપર આધારિત છે જ્યારે અને j ઉપર તે અલ્પ પ્રમાણમાં આધાર રાખે છે અને બાહ્ય બળોની ગેરહાજરીમાં, m ઉપર આધારિત નથી. સ્પેક્ટ્રૉસ્કોપીની સંજ્ઞામાં = 0, 1, 2, 3, 4 વગેરે કક્ષા કે અવસ્થાને s, p, d, f, g, …….. વગેરે દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે.

જેમાંથી કવચ પરમાણુ મૉડેલનો ઉદભવ થયો, તેનું અગત્યનું લક્ષણ એ છે કે આ અવસ્થાઓનો વર્ણપટ (spectrum) લાક્ષણિક સમૂહન (bunching) દર્શાવે છે. અનેક ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા પરમાણુની અવસ્થાઓના વર્ણપટની વાસ્તવિક (actual) ગણતરી કરવી ખાસ્સી જટિલ છે કારણ કે કુલંબીય બળ ઉપરાંત, કક્ષીય ગતિને કારણે ઉદભવતા વિદ્યુતપ્રવાહ સાથે થતી સ્પિનની આંતરક્રિયા; ≠ O વાળી કક્ષાઓ વર્તુલાકાર ન હોય; વગેરે ઘણી બધી અસરો ધ્યાનમાં લેવી જોઈએ. તેમ છતાં સામાન્ય ક્રમ (order) સરળતાથી દર્શાવાતો હોય છે.

નિમ્નતમ ઊર્જાની અવસ્થા j = 1/2; m = + 1/2,  1/2; જેવાં મૂલ્યવાળી n = 1, = 0 (ls)ની અવસ્થા છે. બીજું અગત્યનું લક્ષણ જેમાંથી કવચ મૉડેલ ઉદભવ્યું તે, પાઉલીનો સિદ્ધાંત છે, જે દર્શાવે છે કે n-j-m – પ્રત્યેકઅવસ્થા – માત્ર એક જ ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવી શકે છે, વધુ નહિ. આમ s અથવા 2 ઇલેક્ટ્રૉનને જ સમાવી શકે, વધુ નહિ. ત્યારે એમ કહી શકાય કે 2 ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા પરમાણુ(એટલે કે હિલિયમ – He)માં પ્રથમ કવચ ભરાઈ ગયું છે અને પ્રથમ જાદુઈ સંખ્યા 2 છે. ત્યારપછીની અવસ્થાઓનું સમૂહન, અનુક્રમે j = 1/2; 1/2 અને 3/2 વાળી 2s અને 2p છે અને 8 ઇલેક્ટ્રૉન ઉમેરવાથી આ જૂથ સંપૂર્ણ ભરાઈ જશે – 2 ઇલેક્ટ્રૉન 2s કક્ષામાં અને 6 ઇલેક્ટ્રૉન 2p કક્ષામાં. આમ 10 ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતા પરમાણુ(એટલે કે નિયોન – Ne)માં બન્ને, n = 1 અને n = 2 કવચો સંપૂર્ણ ભરાઈ જાય છે અને આ અવસ્થામાં વધુ ઇલેક્ટ્રૉન સમાવી શકાતા નથી. બીજી જાદુઈ સંખ્યા 10 છે. અવસ્થાઓની ત્યારપછીની ગોઠવણી એ પ્રમાણેની હોય છે કે 3s અને 3p અવસ્થા ત્યારપછીનું સમૂહન રચે છે અને આર્ગોન (Ar) જેને 18 ઇલેક્ટ્રૉન છે તે ત્રીજા કવચને બંધ કરે છે. ત્યાર પછીનું કવચ બનાવતી અવસ્થાઓનું જૂથ 4s, 4p અને 3d છે અને આ કવચ વધુમાં વધુ 18 ઇલેક્ટ્રૉનને સમાવી શકે છે, જેથી ત્યારપછીની જાદુઈ સંખ્યા 36 છે. 5s, 5p અને 4d અવસ્થાઓ પછીનું કવચ રચે છે જે પછીની જાદુઈ સંખ્યા 36 + 18 = 54 આપે છે. તેની પછીના કવચમાં 6s, 4f, 5d અને 6p અવસ્થાઓને ભરવામાં આવે છે, જેથી ત્યારપછીની જાદુઈ સંખ્યા 86 ઉપર જવા માટે 32 ઇલેક્ટ્રૉન ઉમેરવા પડે છે.

આવું પરમાણુ કવચ મૉડેલ પરમાણુની સંયોજકતા (valency) વગેરે` જેવા રાસાયણિક ગુણધર્મો વિશે આગાહી કરવા તેમજ તેમની સમજૂતી આપવા માટે અત્યંત ઉપયોગી છે, એટલું જ નહિ, પરંતુ સ્પેક્ટ્રમી ગુણધર્મો (spectroscopic properties) તથા આયનન વિભવ (ionisation potential), ત્રિજ્યા, સ્પિન અને ચુંબકીય ચાકમાત્રા (magnetic moment) વગેરે જેવા બીજા ઘણા પારમાણ્વિક ગુણધર્મોને સમજવા માટે મદદરૂપ નીવડે છે.

સુધીર પ્ર. પંડ્યા

અનુ. એરચ મા. બલસારા

સુરેશ ર. શાહ