પરમાણુનું બંધારણ : તત્ત્વના સ્વતંત્ર અસ્તિત્વ ધરાવી શકે તેવા અંતિમ કણ(પરમાણુ)ની સંરચના. વિશ્વમાં આવેલા પદાર્થોનું બંધારણ સમજવા માટે ઘણાં વર્ષોથી વૈજ્ઞાનિકોએ પ્રયત્નો કર્યા છે. પદાર્થ પોતે એક અખંડ અવિભક્ત વસ્તુ નથી, પરંતુ તે નાના કણોનો બનેલો છે. આ વિચાર સૌપ્રથમ ભારતીય અને ગ્રીક તત્ત્વજ્ઞાનીઓએ રજૂ કર્યો. તે અરસામાં અણુ અને પરમાણુ અંગેના વિચારો સ્પષ્ટ ન હતા.
લ્યુક્રેટિસ (Lucretius) (ઈ. સ. પૂ. પહેલી સદી), ડિમૉક્રિટસ (ઈ. સ. પૂ. 5મી સદી) અને લ્યુસિપસ (ઈ. સ. પૂ. 5મી સદી) વગેરે ગ્રીક વૈજ્ઞાનિકો અને ભારતીય કણાદ મુનિ પરમાણુવાદમાં માનતા હતા. વૈજ્ઞાનિક દૃષ્ટિએ પરમાણુવાદ રજૂ કરવાનું માન જ્હૉન ડાલ્ટન(ઈ. સ. 17661844)ના ફાળે જાય છે. ઈ. સ. 1803માં ડાલ્ટને રજૂ કરેલો પરમાણુ-સિદ્ધાંત તે સમય સુધીમાં શોધાયેલા દ્રવ્યસંચય અને નિશ્ચિત પ્રમાણના નિયમોને સંપૂર્ણ રીતે સમજાવી શક્તો હતો; એટલું જ નહિ, પણ આ સિદ્ધાંતને આધારે ડાલ્ટને ગુણક પ્રમાણના નિયમ વિશે અનુમાન કર્યું હતું. ગુણક પ્રમાણનો નિયમ ડાલ્ટનના પરમાણુ-સિદ્ધાંતની સફળતાનું અગત્યનું સીમાચિહ્ન છે.
ડાલ્ટનના નિયમ પ્રમાણે પરમાણુ અવિભાજ્ય ગણાતો; પરંતુ વિકિરણધર્મી તત્ત્વોનાં પરમાણુઓનું વિભાજન થઈ α કે β કણો ઉત્સર્જિત થાય છે. આથી એમ નક્કી થયું કે પરમાણુ પણ અન્ય કોઈ નાના નાના કણોનો બનેલો હોવો જોઈએ. પરમાણુનો નાશ થતો નથી અથવા તે નવા સર્જી શકાતા નથી. તે વિધાન પણ સ્વીકાર્ય ન રહ્યું; કારણ કે નાઇટ્રોજન પર ન્યૂટ્રૉનનો મારો ચલાવી નાભિકીય પ્રક્રિયા દ્વારા ઑક્સિજનનું સર્જન થઈ શકે છે. પરમાણુનું વિખંડન થવાથી પ્રચંડ શક્તિ ઉત્પન્ન થાય છે. તે આઇન્સ્ટાઇનના સમીકરણ E = mC2થી પ્રસ્થાપિત થયું. સમસ્થાનિકોની શોધ બાદ એક જ તત્ત્વના બધા પરમાણુઓ સરખા છે તે પણ સ્વીકાર્ય રહ્યું નહિ, કેમ કે હાઇડ્રોજન, ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિટિયમના પરમાણુની સંરચના તે એક જ તત્ત્વનાં હોવા છતાં ભૌતિક રીતે અલગ છે. વિદ્યુત-વિભાજન અને ખૂબ નીચા દબાણે વાયુઓમાંથી વિદ્યુત-પ્રવાહ પસાર કરવા જેવી ઘટનાઓ પરથી નિશ્ચિત થયું કે પરમાણુમાં ઋણ વીજભારવાળા ઇલેક્ટ્રૉન હોવા જોઈએ. આને તટસ્થ કરવા ધનભારવાળા કણો પણ હોવા જોઈએ, જે પ્રોટૉન તરીકે ઓળખાયા. જે. જે. થૉમ્સને 1877માં ઇલેક્ટ્રૉનનો e/m ગુણોત્તર નક્કી કર્યો. મિલિકને (1909) ઇલેક્ટ્રૉનનો વીજભાર નક્કી કર્યો.
જે. જે. થૉમ્સને સૌપ્રથમ પરમાણુનો જે નમૂનો સૂચવ્યો તે મુજબ 10-8 સેમી. ત્રિજ્યાવાળા ગોળામાં પથરાયેલા ધનભારમાં ઋણભાર ધરાવતાં ઇલેક્ટ્રૉન તરતા હોવાનું કલ્પવામાં આવ્યું હતું. રૂધરફૉર્ડે 1911માં સોનાના પાતળા પતરા ઉપર કણોનો મારો ચલાવી કરેલા a કણ-પ્રકીર્ણન અંગેના પ્રયોગમાં માલૂમ પડ્યું કે મોટાભાગના કણો પતરામાંથી સીધા અથવા વિભિન્ન કોણે બહાર નીકળતા હતા; પણ કેટલાક કણો અથડાઈને પરત આવ્યા. આથી એમ પ્રસ્થાપિત થયું કે 10-8 સેમી. જેટલા વ્યાસવાળા પરમાણુમાં કોઈક જગ્યાએ ધનવીજભાર કેન્દ્રિત થયેલો હોવો જોઈએ, જ્યારે બાકીની જગ્યામાં ઋણભારવાળા ઇલેક્ટ્રૉન હોવા જોઈએ. જે ભાગમાં ધનવીજભાર કેન્દ્રિત થયેલો લાગ્યો તેનો વ્યાસ લગભગ 10-13 સેમી. જેટલો માલૂમ પડ્યો.
રૂધરફૉર્ડે મધ્યમાં રહેલા ધનભારવાળા ભાગને કેન્દ્ર (નાભિક) (nucleus) અને બહારના ફરતા ભાગને બાહ્યકેન્દ્ર કહ્યા. આમ રૂધરફૉર્ડના પ્રયોગથી નિશ્ચિત થયું કે પરમાણુ બીજા નાના કણોનો બનેલો છે. કેન્દ્રમાં રહેલા વીજભારિત કણોને આપણે પ્રોટૉન અને ફરતા ગોઠવાયેલા કણોને ઇલેક્ટ્રૉન કહીએ છીએે. આ બંનેની સંખ્યા તથા તેમના વીજભાર સરખાં હોવાથી પરમાણુ એકંદરે તટસ્થ જણાય છે. કેન્દ્રમાં રહેલા પ્રોટૉનની સંખ્યાને પરમાણુ-ક્રમાંક કહે છે અને તે પરમાણુભારમાં ફાળો આપે છે. 1932માં ચેડ્વીકે શોધ્યું કે કેન્દ્રમાં પ્રોટૉન ઉપરાંત તટસ્થ વીજભારવાળા અને પ્રોટૉન જેટલું દળ ધરાવતા ન્યૂટ્રૉન પણ રહેલા છે; દા. ત., ઑક્સિજનના કેન્દ્રમાં 8 પ્રોટૉન, 8 ન્યૂટ્રૉન છે. એટલે કે તેનો પરમાણુભાર 16 છે. જ્યારે તેના નાભિકની ફરતા 8 ઇલેક્ટ્રૉન ગોઠવાયેલા છે. રૂધરફૉર્ડનો આ નમૂનો ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી, પરમાણુની સ્થિરતા, પરમાણુ વર્ણપટ વગેરે સમજાવી શકતો ન હતો. જો તેવા નમૂના દ્વારા ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી અને આકર્ષણ તથા અપાકર્ષણ બળોની સ્પષ્ટતા ન થાય તો ફરતા ઇલેક્ટ્રૉન આકર્ષણને કારણે નાભિકમાં જતા રહે. 1913માં નીલ બૉહ્રે સૂર્યની આજુબાજુ પૃથ્વીના ભ્રમણની જેમ ધનભારવાળા કેન્દ્રની આજુબાજુ ઇલેક્ટ્રૉન ઘૂમે છે તેમ જણાવ્યું. બૉહ્રે આપેલા નમૂના પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રૉન કેન્દ્રની આસપાસ ચોક્કસ માર્ગમાં ફરે છે, જેને કક્ષા કહે છે. ઇલેક્ટ્રૉન જુદી જુદી કક્ષામાં ગોઠવાયેલા હોય છે અને જો તે ઊર્જા શોષે તો નીચી ઊર્જા-સપાટીમાંથી ઊંચી ઊર્જા-સપાટીમાં જાય છે. જો તે ઊંચી ઊર્જા-સપાટીમાંથી નીચી ઊર્જા-સપાટીમાં આવે તો ઊર્જાનું ઉત્સર્જન થાય છે. ઊર્જામાં થતો આ ફેરફાર ΔE = hυ વડે દર્શાવી શકાય છે. (h = પ્લાન્કનો અચળાંક; υ = પ્રકાશની આવૃત્તિ.)
કક્ષામાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા નીચેના સમીકરણથી દર્શાવી શકાય :
જ્યાં m = ઇલેક્ટ્રૉનનું દળ
e = ઇલેક્ટ્રૉનનો વીજભાર
n = કક્ષાનો ક્રમાંક
h = પ્લાન્કનો અચળાંક
બોરના પરિરૂપમાં પરમાણુ-કક્ષકો ગોળાકાર છે તેમ કલ્પવામાં આવેલું જે ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકી પ્રમાણે સ્વીકાર્ય ન હતું. આથી સોમરફિલ્ડે અંડાકાર કક્ષાઓનો ખ્યાલ આપ્યો. બોહ્રેનો નમૂનો હાઇડ્રોજન સિવાયના બીજા પરમાણુઓને લાગુ પાડી શકાતો ન હતો. તેથી પરમાણુ-બંધારણ સમજાવવા માટે તે સ્વીકાર્ય બન્યો નહિ.
લૂઇસ દ બ્રોગ્લી(1923)ના સિદ્ધાંત પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રૉન જેવા કણો તરંગ અને કણ બંને તરીકે વર્તે છે. આમ બૉરે ઇલેક્ટ્રૉનને માત્ર કણ કહ્યો હતો તે ખોટું ઠરતું હતું. હાઇઝનબર્ગના (1921) અનિશ્ચિતતાના સિદ્ધાંત પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રૉન જેવા કણનાં વેગમાન અને સ્થાન ચોકસાઈપૂર્વક એકસાથે નક્કી કરી શકાય નહિ. આમ ચિરપ્રતિષ્ઠિત યાંત્રિકીમાંથી ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકી અને તેમાંથી તરંગયંત્રશાસ્ત્રનો વિકાસ થયો. અને ઇલેક્ટ્રૉનનાં સ્થાન દર્શાવવા માટે ક્વૉન્ટમ-અંક વપરાવા શરૂ થયા. શ્રોડિન્જર નામના વૈજ્ઞાનિકે ઇલેક્ટ્રૉન માટે તરંગ-સમીકરણ આપ્યુ, જેના પરથી પણ ક્વૉન્ટમ-અંક દર્શાવી શકાય. આમ રસાયણશાસ્ત્રના અભ્યાસમાં પરમાણુ-બંધારણમાં કેન્દ્રમાં રહેલા પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનનો નિર્દેશ કર્યા સિવાય જુદી જુદી કક્ષકોમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી સમજાવવામાં આવી. પરમાણુમાં કોઈ પણ ઇલેક્ટ્રૉનનું સ્થાન દર્શાવવા માટે (1) મુખ્ય ક્વૉન્ટમ-અંક (n), (2) ગૌણ ક્વૉન્ટમ-અંક (l), (3) ચુંબકીય ક્વૉન્ટમ-અંક (m) અને (4) ભ્રમણ (પ્રચક્રણ, spin) ક્વૉન્ટમ-અંક(s)નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો. આ રીતના બંધારણને પરમાણુનું ઇલેક્ટ્રૉનીય બંધારણ કહે છે. પરમાણુમાં રહેલી કક્ષકોને તેમના ગૌણ ક્વૉન્ટમ-અંક પ્રમાણે આકાર આપવામાં આવ્યા. આ આકાર દર્શાવવા માટે ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકીનો તથા શ્રોડિન્જર-સમીકરણનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો. તે નીચે સારણી 1 પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :
સારણી 1
| મુખ્ય ક્વૉન્ટમ અંક (n) | ગૌણ ક્વૉન્ટમ અંક (n) | કક્ષકની સંજ્ઞા | કક્ષકની સંખ્યા | કક્ષકનો આકાર | કુલ ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા |
| 1 | 0 | s | 1 | ગોળાકાર | 2 |
| 2 | 1 | p | 3 | ડંબેલ આકાર | 6 |
| 3 | 2 | d | 5 | ડબલ ડંબેલ આકાર | 10 |
| 4 | 3 | f | 7 | (વધુ જટિલ) | 14 |
આમ આધુનિક સમયમાં રસાયણશાસ્ત્રમાં કોઈ પણ પરમાણુનું બંધારણ ઇલેક્ટ્રૉન રચનાના આધારે સમજાવવામાં ઉપરની કક્ષકોનો ઉપયોગ થાય છે. કક્ષકોની ગોઠવણી, તેમનો ઊર્જાક્રમ, કક્ષકોમાં ઇલેક્ટ્રૉન ભરાવાનો ક્રમ, મહત્તમ ઇલેક્ટ્રૉન સમાવવાની સંખ્યા વગેરે નિશ્ચિત છે. આઉફ બાઉ સિદ્ધાંત, હુન્ડનો નિયમ, પૌલીનો બાકાતીનો નિયમ વગેરે આની સાથે સંકળાયેલા છે.
આધુનિક આવર્ત કોષ્ટક પરમાણુ-ક્રમાંક પ્રમાણે ગોઠવાયેલ છે, જે તત્ત્વના કેન્દ્રમાં રહેલા પ્રોટૉનની એટલે બાહ્યકેન્દ્રીય ઇલેક્ટ્રૉનીય સંખ્યારૂપ છે.
પરમાણુના કેન્દ્રમાં રહેલા પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન તથા ફરતા ઇલેક્ટ્રૉનને પ્રાથમિક કણો કહે છે. આ ઉપરાંત શોધાયેલા બીજા કણોમાં ન્યૂટ્રિનો, મેસૉન વગેરે છે. આ બધા કણોની સંખ્યા લગભગ 120 હોવાનો અંદાજ છે. આવા કણોની વિગત સારણી 2 પ્રમાણે છે :
સારણી 2
| કણનું નામ | સંજ્ઞા | વજન (amu) | વિદ્યુતભાર (સાપેક્ષ) |
| ઇલેક્ટ્રૉન | 1e | 0.0005486 | −1 |
| પોઝિટ્રૉન | +1e | 0.0005486 | +1 |
| પ્રોટૉન | 11H | 1.007825 | +1 |
| ન્યૂટ્રૉન | 10n | 1.008605 | 0 |
| ન્યૂટ્રિનો | υ– | અતિ અલ્પ | 0 |
| π – મેસૉન | π | અતિ અલ્પ | ±1 |
| μ – મેસૉન | μ | અતિ અલ્પ | ±1 |
અન્ય પ્રકારના મેસૉન પણ હોય છે.
ઈન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ