પરમાણુ (atom)

દ્રવ્યનો પાયાનો એકમ. બધા જ ભૌતિક પદાર્થો પરમાણુના બનેલા છે. પરમાણુ માની ન શકાય તેટલો સૂક્ષ્મ છે. દશ લાખ જેટલા પરમાણુઓને અડોઅડ એક સીધી રેખામાં ગોઠવવામાં આવે તો તે માથાના વાળની જાડાઈ જેટલી જગ્યા રોકે છે. ટાંકણીના ટોપચામાં કરોડો-અબજો પરમાણુ હોય છે.

રાસાયણિક તત્ત્વો(elements)ના પાયાના કણો પરમાણુઓ છે. રાસાયણિક તત્ત્વોમાં હાઇડ્રોજન, કાર્બન, ઑક્સિજન, લોખંડ, સીસું, યુરેનિયમ વગેરે જાણીતાં તત્ત્વો છે. તત્ત્વ એક જ પ્રકારના પરમાણુઓ ધરાવે છે. કેટલીક વખત જુદા જુદા બે કે વધુ પ્રકારના પરમાણુઓ વડે મોટો કણ તૈયાર થાય છે. જેને અણુ (molecule) કહે છે. આવા જુદા જુદા અણુઓ સંયોજન (compound) બનાવે છે; જેમ કે, પાણી(H₂O)ના અણુમાં હાઇડ્રોજનના બે અને ઑક્સિજનનો એક પરમાણુ રાસાયણિક રીતે સંયોજાય છે. કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ(CO₂)ના અણુમાં કાર્બનનો એક અને ઑક્સિજનના બે પરમાણુઓ રાસાયણિક રીતે સંયોજાય છે. જુદા જુદા પ્રકારના પરમાણુઓ સંયોજાઈ અણુ રચે છે. ત્યારે તે નવા જ ગુણધર્મો ધરાવે છે. આ સાથે પરમાણુઓના વ્યક્તિગત ગુણધર્મો અણુમાં જોવા મળતા નથી.

પરમાણુઓ તેમના વજન(ભાર)ની દૃષ્ટિએ જુદા પડે છે, પણ તેમના કદમાં કોઈ ખાસ તફાવત પડતો નથી. જેમ કે કુદરતમાં મળી આવતા ભારેમાં ભારે તત્ત્વ યુરેનિયમનો પરમાણુ હાઇડ્રોજનના પરમાણુ કરતાં લગભગ 240ગણો વધારે ભારે હોવા છતાં, કદની દૃષ્ટિએ યુરેનિયમના પરમાણુનો વ્યાસ હાઇડ્રોજનના પરમાણુના વ્યાસ કરતાં માત્ર ત્રણગણો જ વધારે છે.

વિશ્વમાં પરમાણુ એક અતિ સૂક્ષ્મ પદાર્થ (entity) હોવા છતાં ખૂબ જ શક્તિશાળી છે. પરમાણુની અંદર પ્રચંડ ઊર્જા સંચિત થયેલી હોય છે. પરમાણુમાં આ ઊર્જા સ્થિતિ-ઊર્જા (potential energy) સ્વરૂપે રહેલી હોય છે અને તેને મુક્ત કરવા માટે વિજ્ઞાનીઓ છેલ્લાં કેટલાંક વર્ષોથી સફળ થયા છે. આવી મુક્ત ઊર્જા વડે વિદ્યુતશક્તિ ઉત્પન્ન કરી શકાય છે તો તે જ ઊર્જા વડે વિનાશક પરમાણુ-બૉંબ પણ બનાવી શકાય છે.

ઓગણીસમી સદીના અંતભાગમાં પરમાણુ અવિભાજ્ય (indivisible) કણ ગણાતો હતો. એટલે કે પરમાણુ દ્રવ્યનો નાનામાં નાનો કણ છે અને તેનાથી વધુ નાનો કણ શક્ય નથી એમ મનાતું હતું; પણ પ્રાયોગિક સુવિધાઓ ઉપલબ્ધ થતાં પરમાણુનું આંતરિક કલેવર જાણવાનું શક્ય બન્યું. પરમાણુની અંદર રહેલા પેટા-કણોની જાણકારી મળી. પ્રત્યેક પરમાણુ નિશ્ચિત સંખ્યામાં પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવે છે. પરમાણુના કેન્દ્ર ઉપર ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન એકત્રિત થયેલા હોય છે અને તે અતિઅલ્પ જગા રોકે છે. પરમાણુના કેન્દ્ર-ભાગને નાભિ કે ન્યૂક્લિયસ (nucleus) કહે છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુને 6 કિલોમીટર વ્યાસ ધરાવતો ધારી લેવામાં આવે તો તેની ન્યૂક્લિયસ ટેનિસના દડા કરતાં પણ નાની હોય છે. પરમાણુમાં ન્યૂક્લિયસની બહારનો વિસ્તાર ખાલી હોય છે. આ ખાલી અવકાશમાં ઇલેક્ટ્રૉન ભ્રમણ કરતાં હોય છે. (જુઓ આકૃતિ 1.) સેકન્ડના દસ લાખમા ભાગમાં આવા ઇલેક્ટ્રૉન ન્યૂક્લિયસની આસપાસ પરિભ્રમણ કરતા હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રચંડ વેગને કારણે તે તેની કક્ષાના દરેક બિંદુ આગળ હરહંમેશાં હાજર હોય તેમ જણાય છે. પરિણામે પરમાણુ ઘન પદાર્થ હોય તેવું લાગે છે. ઉદાહરણ : ટેબલના પંખાનાં પાંખિયાં એટલી ઝડપથી ફરતાં હોય છે કે તે પાતળી દીવાલ રચતાં હોય તેવું લાગે છે અને તેમાં પેન્સિલને ઘુસાડી શકાતી નથી.

પરમાણુના માળખાને સૂર્ય-મંડળ સાથે સરખાવી શકાય છે. સૂર્યપરિવારના કેન્દ્રમાં સૂર્ય હોય છે તેમ પરમાણુના કેન્દ્રમાં વિદ્યુત-ભારિત ન્યૂક્લિયસ હોય છે. સૂર્યની આસપાસ ગ્રહો જુદી જુદી કક્ષામાં ભ્રમણ કરતા હોય છે તેમ પરમાણુમાં ન્યૂક્લિયસની આસપાસ ઇલેક્ટ્રૉન જુદી જુદી કક્ષામાં ભ્રમણ કરતા હોય છે જોકે આ તુલના અક્ષરક્ષ: બંધબેસતી નથી. ગ્રહો નિશ્ચિત કક્ષાવાળા પથ ઉપર ભ્રમણ કરે છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રૉનની કક્ષા એટલી બધી નિશ્ચિતપણે વ્યવસ્થિત હોતી નથી. વળી ન્યૂક્લિયસની અંદર ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન યાદૃચ્છિક ગતિ કરતા હોય છે.

સમગ્ર પરમાણુનું દળ ન્યૂક્લિયસમાં કેન્દ્રિત થયેલું હોય છે. એટલે કે પરમાણુ અને ન્યૂક્લિયસનાં દળ લગભગ સરખાં હોય છે. પરમાણુની અંદર દળ એ દ્રવ્યનો જથ્થો છે. પ્રોટૉનનું દળ ઇલેક્ટ્રૉનના દળ કરતાં લગભગ 1836ગણું વધારે હોય છે એટલે કે 1836 ઇલેક્ટ્રૉનના દળ બરાબર એક પ્રોટૉનનું દળ થાય, તે રીતે લગભગ 1839 ઇલેક્ટ્રૉનના દળ બરાબર એક ન્યૂટ્રૉનનું દળ બને છે. પ્રત્યેક પ્રોટૉન એકમ ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રૉન એકમ ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. ન્યૂટ્રૉન વિદ્યુતભાર ધરાવતો નથી. સામાન્યત: પરમાણુની અંદર પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા સરખી હોય છે. આ કારણે વિદ્યુતની દૃષ્ટિએ પરમાણુ તટસ્થ હોય છે.

ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન ઘણા નાના હોવા છતાં તે અવિભાજ્ય નથી. તે પણ તેમના કરતાંય નાના કણો-કવાર્ક્સના બનેલા હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉન તો મૂળભૂત કણ છે. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનની જેમ તે અન્ય કણોનો બનેલો નથી. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનની સરખામણીમાં ઇલેક્ટ્રૉન નહિવત્ દળ ધરાવે છે. ઇલેક્ટ્રૉનનું દળ આશરે 9 x 10^-31 કિલોગ્રામ જેટલું હોય છે.

સજાતીય વિદ્યુતભારો વચ્ચે અપાકર્ષણ અને વિજાતીય વિદ્યુતભારો વચ્ચે આકર્ષણ થાય છે. ન્યૂક્લિયસમાં ધન વિદ્યુતભારિત પ્રોટૉન હોવાથી તે પોતે ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. આથી ન્યૂક્લિયસ અને ઇલેક્ટ્રૉન વચ્ચે આકર્ષણબળ લાગતાં ઇલેક્ટ્રૉન પરમાણુમાં જકડાયેલા રહે છે. ઇલેક્ટ્રૉન સતત ગતિ કરતા હોવાથી તે ગતિ-ઊર્જા (kinetic energy) ધરાવે છે. આ ગતિ-ઊર્જા આકર્ષણબળનો વિરોધ કરે છે. ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા જેમ વધુ તેમ તે ન્યૂક્લિયસથી દૂર. ઊર્જાને અનુલક્ષીને ઇલેક્ટ્રૉન ન્યૂક્લિયસની આસપાસ જુદા જુદા કવચ(shell)માં ગોઠવાયેલા હોય છે. ઓછી ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રૉન અંદરના કવચમાં અને વધુ ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રૉન બહારના કવચમાં હોય છે. ન્યૂક્લિયસની તદ્દન પાસે પ્રથમ કવચમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા ન્યૂનતમ હોય છે. આવા કવચને ધરાવસ્થા (ground state) કહે છે.

ન્યૂક્લિયસની તદ્દન નજીકના પ્રથમ કવચને નંબર 1 આપવામાં આવે છે. તે જ રીતે ન્યૂક્લિયસથી દૂરની તરફ જતાં મળતાં કવચોના નંબર અનુક્રમે 2, 3, 4, 5, 6, 7……. વગેરે આપવામાં આવે છે. કવચ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7……. ને અનુક્રમે K, L, M, N, O, P, Q……. સંજ્ઞાઓ વડે પણ દર્શાવવામાં આવે છે. (જુઓ આકૃતિ 2.) પ્રત્યેક કવચ નિયત સંખ્યાના ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવે છે. પ્રથમ કવચમાં માત્ર 2, બીજા કવચમાં વધુમાં વધુ 8, ત્રીજામાં 18, ચોથામાં 32, પાંચમામાં 50, છઠ્ઠામાં 72 અને સાતમામાં 98 ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે. બહારનાં કવચ કદાપિ પૂર્ણ રીતે ભરાયેલાં હોતાં નથી.

પરમાણુમાં પ્રોટૉનની સંખ્યાને પરમાણુક્રમાંક (atomic number – Z) કહે છે. એક જ તત્ત્વના બધા જ પરમાણુઓમાં પ્રોટૉનની સંખ્યા સરખી હોય છે. જેમ કે હાઇડ્રોજનનો કોઈ પણ પરમાણુ એક જ પ્રોટૉન ધરાવે છે. આથી તેનો પરમાણુક્રમાંક 1 છે. 92 પરમાણુક્રમાંક સુધીનાં તત્ત્વો કુદરતમાં મળી રહે છે. 94 પરમાણુક્રમાંકવાળું પ્લૂટોનિયમ તત્ત્વ પણ કુદરતમાંથી મળે છે. 12થી વધુ પરમાણુક્રમાંકવાળાં તત્ત્વો પ્રયોગશાળામાં કૃત્રિમ રીતે તૈયાર કરી શકાય છે. આવર્તન કોષ્ટક(periodic table)માં પરમાણુક્રમાંક પ્રમાણે તત્ત્વોને સ્થાન આપવામાં આવે છે. આ કોષ્ટકમાંથી સમાન રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવતાં જૂથ (group) પણ મળે છે.

પરમાણુમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યાને પરમાણુભારાંક (mass number – A) કહે છે. તત્ત્વના દરેક પરમાણુમાં પ્રોટૉનની સંખ્યા સરખી હોય છે પણ ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા જુદી જુદી હોઈ શકે છે. જે પરમાણુઓ પ્રોટૉનની સરખી સંખ્યા પણ ન્યૂટ્રૉનની જુદી જુદી સંખ્યા ધરાવે છે તેને સમસ્થાનિકો (isotopes) કહે છે.

કુદરતમાં મળી આવતાં લગભગ બધાં જ તત્ત્વો સમસ્થાનિકો ધરાવે છે. હાઇડ્રોજન તત્ત્વના પરમાણુઓ ત્રણ પ્રકારના મળી આવે છે : સાદો હાઇડ્રોજન, જેમાં માત્ર એક જ પ્રોટૉન હોય છે. તેને હાઇડ્રોજન 1 અથવા પ્રોટિયમ (protium) કહે છે. હાઇડ્રોજન 2ના પરમાણુની ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉન અને એક ન્યૂટ્રૉન હોય છે, જેને ડ્યૂટેરિયમ (deuterium) કહે છે. હાઇડ્રોજન 3, જેની ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉન અને બે ન્યૂટ્રૉન હોય છે તેને ટ્રિટિયમ (tritium) કહે છે. (જુઓ આકૃતિ 3.)

હલકી ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા લગભગ સરખી હોય છે, જ્યારે ભારે ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન કરતાં ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા વધુ હોય છે. કાર્બન 12ના પરમાણુમાં 6 પ્રોટૉન અને 6 ન્યૂટ્રૉન હોય છે જ્યારે યુરેનિયમ 238ના પરમાણુમાં પ્રોટૉનની સંખ્યા 92 અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા 146 હોય છે.

પરમાણુભારને પરમાણુ-દળ-એકમ (atomic mass unit – amu) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. એ.એમ.યુ.ને  ‘ડાલ્ટન’ પણ કહે છે. તટસ્થ કાર્બન -12 પરમાણુના 12મા ભાગના દળને એક એ.એમ.યુ. કહે છે. ઘણાખરા પરમાણુઓ માટે એ.એમ.યુ.માં દર્શાવેલ ભાર એ પરમાણુ-ભારાંકની નજીકની સંખ્યા હોય છે. એ.એમ.યુ. નાનો એકમ છે. 6.02 x 10²³ એ.એમ.યુ. = 1 ગ્રામ થાય છે. પરમાણુભાર નક્કી કરવા માટે તત્ત્વના સમસ્થાનિકો અને કુદરતમાં મળી આવતા તેમના પ્રમાણનો ખ્યાલ કરવામાં આવે છે. સમસ્થાનિકોની સંખ્યા અને તેમના પ્રમાણને આધારે સરેરાશ ભાર નક્કી થાય છે; જેમ કે, ક્લોરિનનો પરમાણુભાર 35.453 એ.એમ.યુ. છે. ક્લોરિન બે સમસ્થાનિકો ધરાવે છે. ક્લોરિન 35નો પરમાણુભાર 34.96885 એ.એમ.યુ. અને ક્લોરિન 37નો પરમાણુભાર 36.96590 એ.એમ.યુ. છે. કુદરતમાં મળી આવતા તેમના પ્રમાણ સાથે નક્કી કરેલ સરેરાશ પરમાણુભાર 35.453 એ.એમ.યુ. થાય છે.

સામાન્ય રીતે પરમાણુમાં પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા સરખી હોવાથી તે વિદ્યુતની દૃષ્ટિએ તટસ્થ હોય છે. રાસાયણિક પ્રક્રિયા, અથવા પરમાણુ કે ઇલેક્ટ્રૉન સાથે સંઘાત (collision) જેવી પ્રક્રિયા દ્વારા પરમાણુમાંથી થોડાક ઇલેક્ટ્રૉન દૂર કરી શકાય છે અથવા પરમાણુ સાથે જોડી શકાય છે. પરમાણુમાંથી ઇલેક્ટ્રૉન દૂર થતાં અથવા પરમાણુને ઇલેક્ટ્રૉન મળતાં, પરિણમતા પરમાણુને આયન (ion) કહે છે. પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવે તો તેને ધન આયન અને મેળવે તો તેને ઋણ આયન કહે છે. પરમાણુ વડે ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવવાની કે મેળવવાની પ્રક્રિયાને આયનીકરણ (ionization) કહે છે.

પરમાણુની રાસાયણિક વર્તણૂક તેના છેલ્લા કવચમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉન ઉપર આધારિત છે. બે પરમાણુ સંયોજાઈને અણુ બનાવે છે ત્યારે બંને પરમાણુના છેલ્લા કવચના ઇલેક્ટ્રૉન અંદરોઅંદર સ્થાનાંતરણ પામે છે અથવા બંને પરમાણુ વચ્ચે ઇલેક્ટ્રૉનની વહેંચણી થતી હોય છે. આવી પ્રક્રિયામાં સંકળાયેલા ઇલેક્ટ્રૉનને સંયોજક (valence) ઇલેક્ટ્રૉન કહે છે. ભિન્ન ભિન્ન પરમાણુઓને એક કે વધુ સંયોજક ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે. પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવે તો તેની સંયોજકતા ધન અને મેળવે તો ઋણ ગણાય છે; જેમ કે, સોડિયમ એક ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવવાનું વલણ ધરાવે છે માટે તેની સંયોજકતા +1 અને ક્લોરિન એક ઇલેક્ટ્રૉન મેળવવાનું વલણ ધરાવે છે માટે તેની સંયોજકતા 1 હોય છે. સામાન્ય મીઠાના અણુમાં એક સોડિયમ અને એક ક્લોરિન પરમાણુ હોય છે. સોડિયમ પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉનનું ધન કરે છે અને ક્લોરિન તે સ્વીકારવા તત્પર હોય છે.

ભારે તત્ત્વોની ન્યૂક્લિયસ અસ્થાયી હોય છે, જે વધારાની ઊર્જા મુક્ત કરીને સ્થાયી થવાનું વલણ ધરાવે છે. આવી અસ્થાયી ન્યૂક્લિયસ આપમેળે તૂટતી હોય છે, જેને વિભંજન (disintegration or decay) કહે છે. ન્યૂક્લિયસની આપમેળે વિભંજન પામવાની ક્રિયાને રેડિયો-ઍક્ટિવિટી કહે છે. ન્યૂક્લિયસમાં થતા આવા ફેરફારમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની ગોઠવણી બદલાતી હોય છે તેમજ તેમની સંખ્યામાં પણ ફેરફાર થતો હોય છે. ન્યૂક્લિયસનું વિભંજન થાય છે ત્યારે તેમાંથી વિકિરણ ઉત્સર્જિત થાય છે. આવા વિકિરણમાં આલ્ફા અને બીટા જેવા કણો અને ગૅમા કિરણોનો સમાવેશ થાય છે. યુરેનિયમ, રેડિયમ તથા બિસ્મથથી આગળનાં ભારે તત્ત્વો આ પ્રમાણે રેડિયો-ઍક્ટિવ વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે અને તે રીતે આ તત્ત્વો રેડિયો-ઍક્ટિવ છે. આ રીતે મળતાં તત્ત્વો રેડિયો-ઍક્ટિવ હોય છે જ્યારે યોગ્ય ભારે તત્ત્વ સાથે આલ્ફા કણ, પ્રોટૉન કે ન્યૂટ્રૉન જેવા કણોનો મારો (bombardment) કરવામાં આવે તો કૃત્રિમ રીતે રેડિયો-ઍક્ટિવ બનાવી શકાય છે. ન્યૂક્લિયસમાંથી નીકળતું વિકિરણ ન્યૂક્લિયસ કેવી રીતે રૂપાંતર પામે છે તેની ઉપર આધાર રાખે છે. ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની માત્ર ગોઠવણી જ બદલાય તો તેમાંથી અદૃશ્ય, આયનીકારક ગૅમા કિરણો નીકળે છે; પણ ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યામાં ફેરફાર થાય તો આલ્ફા અથવા બીટા કણોનું ઉત્સર્જન થાય છે. કણોના આવા ઉત્સર્જન બાદ નવાં જ તત્ત્વનો પરમાણુ બને છે. આ પ્રક્રિયાને તત્ત્વાંતરણ (transmutation) અથવા રૅડિયો-ઍક્ટિવ-ક્ષય (decay) કહે છે.

ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી ભૌતિકવિજ્ઞાનની એવી એક શાખા છે, જે પરમાણુની અંદરનાં બળો અને ઉપકણોની ગતિની સમજૂતી આપે છે. સૌપ્રથમ નીલ બૉહ્રે 1913માં પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ સમજાવવા માટે આ શાખાનો ઉપયોગ કર્યો. પી.એ.એમ. ડિરાક, વર્નર હાઇઝનબર્ગ તથા ઇરવિન શ્રોડિંજરે આ શાખાને વધુ વિકસાવી. પછી તેનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રૉન તેમજ ન્યૂક્લિયસના વધુ અભ્યાસ માટે થવા લાગ્યો. ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી મુજબ ઇલેક્ટ્રૉન ગમે તેટલી ઊર્જા ધારણ કરી શકતો નથી. ઇલેક્ટ્રૉન અમુક જ ગતિ ધારણ કરી શકે છે. તેથી તે નિશ્ચિત ઊર્જા ધારણ કરે છે. ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિના ગણ(set)ને ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિ (state) કહે છે. ગતિની તે સ્થિતિને અનુરૂપ સ્તરને ઊર્જા-સ્તર (energy level) કહે છે. ઇલેક્ટ્રૉન જ્યારે નિશ્ચિત ક્વૉન્ટમ-અવસ્થામાં હોય ત્યારે તે ઊર્જાનું શોષણ કે ઉત્સર્જન કરતો નથી. પરમાણુમાં એક કે વધુ ઇલેક્ટ્રૉન ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિ બદલે તો જ તે ઊર્જા ગુમાવે અથવા મેળવે છે. (જુઓ આકૃતિ 4.)

જેમ પાણી પોતાની નીચેમાં નીચેની સપાટી શોધી લે છે તેમ ઇલેક્ટ્રૉન પણ ન્યૂનતમ ઊર્જાની સ્થિતિમાં જવા પ્રેરાય છે. એક જ સમયે એક જ ઇલેક્ટ્રૉન એક જ ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિ રોકે છે. પ્રથમ ન્યૂનતમ ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિ ભરાય છે; તે ભરાયા પછી બીજા ઇલેક્ટ્રૉન વધુ ઊર્જાવાળી સ્થિતિમાં ધકેલાય છે. ઉચ્ચ ઊર્જાવાળી સ્થિતિમાં ઇલેક્ટ્રૉન જાય ત્યારે તેવી સ્થિતિને ઉત્તેજિત (excited) સ્થિતિ કહે છે. પરમાણુ, સામાન્ય રીતે, ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં અતિ અલ્પ સમય માટે રહેતો હોય છે. ઉત્તેજિત પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉન ક્રમશ: ઓછી ઊર્જાવાળી સ્થિતિઓ ધારણ કરતો જાય છે અને અંતે પરમાણુ ધરાવસ્થામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રૉન જેમ જેમ ઓછી ઊર્જાવાળી સ્થિતિમાં પડતો જાય છે તેમ તેમ તે ઊર્જાનાં પૅકેટ છોડતો જાય છે. ઊર્જાના આવા પૅકેટને ફોટૉન કહે છે. ફોટૉનની ઊર્જા, ઇલેક્ટ્રૉન જે બે સ્તરમાં રહેલા હોય તેમની વચ્ચેના ઊર્જાના તફાવત જેટલી હોય છે. આવા ફોટૉન દૃશ્ય પ્રકાશ અથવા અન્ય પ્રકારમાં વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણ તરીકે જોવા મળે છે.

શરૂ શરૂમાં બ્હોરે ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિઓને સૂર્યની આસપાસ ગ્રહોની કક્ષાઓ સાથે સરખાવી. આ ધારણા પાછળથી યથાર્થ ન નીકળી, કારણ કે ઇલેક્ટ્રૉન આપણે ધારીએ છીએ એવો સીધોસાદો માત્ર કણ નથી. આવો ઇલેક્ટ્રૉન તરંગનાં લક્ષણો પણ ધરાવે છે. ઇલેક્ટ્રૉન કણ હોય અને તરંગ પણ હોય તેવી કલ્પના ખરેખર અઘરી છે. વિજ્ઞાનીઓ તો ઇલેક્ટ્રૉનની દ્વૈત (dual) પ્રકૃતિને ગણિતને આધારે સમજી શકે, પરંતુ સામાન્ય માનવીને આ પરિસ્થિતિ સમજાવવાનો મોટો પ્રશ્ન હતો. જગત જેવું દેખાય છે તેવા જ્ઞાન ઉપર આધારિત ખ્યાલનો ઉપયોગ કરીને પરિસ્થિતિ સમજાવવી જોઈએ; પણ બહારની દુનિયામાં જે કંઈ ચાલે છે અને જે કંઈ દેખાય છે તેના કરતાં તદ્દન જુદું જ સૂક્ષ્મ પરમાણુની ભીતરમાં ચાલતું હોય છે. આથી જ ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ માત્ર ગણિતીય પદની મદદથી જાણી, સમજી તથા વ્યક્ત કરી શકાય છે.

ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકીના જે નિયમો ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિને લાગુ પડે છે તે નિયમો ન્યૂક્લિયસમાં રહેલા ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનની ગતિને પણ લાગુ પડે છે. પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનને જકડી રાખનાર આકર્ષણબળ અને ન્યૂક્લિયસમાં ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનને ચુસ્ત રીતે જકડી રાખનાર આકર્ષણ વચ્ચે જમીન-આસમાન જેટલું અંતર છે. ન્યૂક્લિયસની અંદર દરેક કણ તેના માત્ર પાડોશી કણને પ્રબળતાપૂર્વક આકર્ષે છે. આવા આકર્ષણબળને ન્યૂક્લિયર અથવા પ્રકૃષ્ટ બળ કહે છે. સજાતીય વિદ્યુતભાર એકબીજાને અપાકર્ષે છે. તે હિસાબે ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન પ્રોટૉન વચ્ચે અપાકર્ષણબળ પ્રવર્તે છે, પણ તેમની વચ્ચે પ્રવર્તતું ન્યૂક્લિયરબળ પ્રચંડ હોવાથી તે બધા કણો ન્યૂક્લિયસમાં જકડાયેલા રહે છે. ન્યૂક્લિયરબળ અતિ અલ્પ અંતર (10-15 મીટર) સુધી જ લાગુ પડે છે. ઇલેક્ટ્રૉન ન્યૂક્લિયસથી દૂર હોવાથી તે ન્યૂક્લિયર બળોથી મુક્ત હોય છે.

ન્યૂક્લિયર બળોની પ્રકૃતિ અતિ જટિલ હોય છે, તેથી આવા બળને ચોક્કસપણે સૂત્રબદ્ધ કરવું મુશ્કેલ છે. તે છતાં, ન્યૂક્લિયર-કવચ-પરિરૂપ(shell model)નો સિદ્ધાંત વાજબી રીતે ન્યૂક્લિયર ઊર્જા-સ્તરોનો અંદાજ આપે છે.

પ્રત્યેક ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિમાં ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન રોકાયેલા હોય છે. આ કારણથી હલકી ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા સરખી હોય છે. પણ એક જ ક્વૉન્ટમ-સ્થિતિમાં રહેલ પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન એકસરખી ઊર્જા ધરાવતા નથી ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉન બીજા પ્રોટૉનની હાજરીથી અપાકર્ષાય છે, પરિણામે તેની ઊર્જામાં વધારો થાય છે. વધુ પ્રોટૉન ધરાવતી ન્યૂક્લિયસમાં ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનના ઊર્જા-સ્તરોમાં સારો એવો તફાવત હોય છે. પ્રોટૉન કરતાં ન્યૂટ્રૉન માટે વધુ નિમ્ન ઊર્જા-સ્તરો મળી રહે છે. આ હકીકત ઉપરથી ખ્યાલ આવે છે કે ભારે ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન કરતાં ન્યૂટ્રૉનની સંખ્યા આ માટે વધુ હોય છે.

પરમાણુ પ્રત્યક્ષ જોઈ શકાતો નથી. આથી તેના અભ્યાસ માટે વિશિષ્ટ પ્રકારની ક્રિયાવિધિઓ આવશ્યક છે. પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉન, પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન તથા ક્વાર્ક જેવા ભિન્ન ભિન્ન કણોનાં દળ અને વિદ્યુતભાર જેવી અન્ય ભૌતિક રાશિઓનાં મૂલ્ય મેળવવા માટેના અભ્યાસ માટે જુદી જુદી પદ્ધતિઓ અપનાવવામાં આવે છે.

સ્ફટિકમાં નિયમિત રીતે ગોઠવાયેલા અણુ-પરમાણુઓના અભ્યાસ માટે સંશોધકો X-કિરણોનો ઉપયોગ કરે છે. X-કિરણો સ્ફટિકમાં થઈને પસાર થાય છે, ત્યારે તે ચોક્કસ રીતે વિવર્તન (diffraction) પામે છે. વિવર્તનની ભાત (pattern) ફોટોગ્રાફિક પ્લેટ ઉપર લેવામાં આવે છે. આવી ભાતને આધારે પરમાણુની ગોઠવણી અને તેમની વચ્ચેના અંતરનો અંદાજ મળે છે. સ્કૅનિંગ ઇલેક્ટ્રૉન માઇક્રોસ્કોપ, સ્કૅનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપ અને ફિલ્ડ-એમિશન માઇક્રોસ્કોપ વડે પરમાણુનાં સ્થાન જાણી શકાય છે, પણ આ પદ્ધતિથી પરમાણુની સંરચના વિશે કોઈ માહિતી મળતી નથી.

ગરમ કરેલા વાયુના પરમાણુઓ જે પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે તેને આધારે ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. સ્પેક્ટ્રૉમીટર એવું વૈજ્ઞાનિક ઉપકરણ છે જે પ્રકાશનું વિભાજન કરીને પ્રત્યેક તરંગલંબાઈને અનરૂપ રેખાઓવાળું વર્ણપટ આપે છે. પ્રત્યેક તરંગલંબાઈને પરમાણુના બે ઊર્જાસ્તરો વચ્ચેના ઊર્જા-તફાવત સાથે સાંકળી શકાય છે. એક વખત તરંગલંબાઈ નક્કી કર્યા પછી ઊર્જા-સ્તરોની યાદી તૈયાર કરી શકાય છે. ક્વૉન્ટમ-યાંત્રિકીની મદદથી પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિનું વર્ણન પણ મળી રહે છે.

કણ-પ્રવેગકો(particle accelerator)ની મદદથી ન્યૂક્લિયસની સંરચના જાણવા પ્રયાસો થયા છે. આવી પ્રયુક્તિ વડે ઇલેક્ટ્રૉન અથવા પ્રોટૉનને ખૂબ પ્રવેગિત કરીને ન્યૂક્લિયસ સાથે અથડાવવામાં આવે છે. આ રીતે ઝડપથી ગતિ કરતો ઇલેક્ટ્રૉન કે પ્રોટૉન ન્યૂક્લિયસ સાથે સંઘાત પામતાં, ન્યૂક્લિયસના કણોની ગતિમાં ભંગાણ સર્જાય છે. એવું પણ બને કે કણ ફેંકાઈ પણ જાય; અથવા આખી ને આખી ન્યૂક્લિયસ પ્રવેગિત બનીને બીજી સ્થિર ન્યૂક્લિયસ સાથે સંઘાત પામે. આવા સંઘાત દરમિયાન ઉત્સર્જિત થતા કણોના અભ્યાસ માટે સંસૂચકો (detectors) તૈયાર કરવામાં આવે છે. ઘણાખરા સંસૂચકો જ્યારે તેમની અંદર થઈને કણ પસાર થાય છે ત્યારે વિદ્યુત-સંકેત (signal) આપે છે.

પરમાણુ સિદ્ધાંતનો ઇતિહાસ જૂનો અને રસપ્રદ છે. 400 વર્ષ ઈ. સ. પૂ. પરમાણુવાદની ફિલસૂફીના અસ્તિત્વનો પ્રારંભ થયો. ગ્રીક ફિલસૂફ લ્યૂસિપસે (Leucippus) પરમાણુવાદની સ્થાપના કરી. તેના અનુયાયી ડિમૉક્રિટસે (Democritus) આ વાદનો વ્યાપ વધાર્યો અને તેને સુનિશ્ચિતતા તરફ લઈ જવામાં આવ્યો. ડિમૉક્રિટસે દ્રવ્યના પાયાના કણને ‘ઍટમ’ (યાને ‘a = not, tom = be cut, uncuttable) શબ્દથી નવાજ્યો. ‘પરમાણુ’નો અર્થ અવિભાજ્ય થાય છે. તેના મત મુજબ પરમાણુઓ નાના અને સખત કણ છે. બધા જ પરમાણુઓ એક જ દ્રવ્યના બનેલા હોય છે, એમ માનવામાં આવતું હતું; પણ તેમનાં આકાર અને કદ જુદાં જુદાં ખરાં. 300 વર્ષ ઈ. સ. પૂ. ગ્રીક ફિલસૂફ ઈપિક્યુરસે (Epicurus) ડિમૉક્રિટસના સૂરમાં સૂર પુરાવ્યો. આશરે 80 વર્ષ ઈ. સ. પૂ. રોમન ફિલસૂફ અને કવિ લ્યૂક્રિટસે (Lucretus) ‘ઑન ધ નેચર ઑવ્ થિંગ્ઝ’ નામનું લાંબું કાવ્ય લખ્યું. તેમાં તેણે પરમાણુનું સવિસ્તર વર્ણન કર્યું છે.

મધ્યયુગમાં પરમાણુનો ખ્યાલ ભૂલી જવાયો, કારણ કે એરિસ્ટોટલે પરમાણુવાદનો અસ્વીકાર કર્યો હતો. તેમ છતાં, પરમાણુ એ દ્રવ્યનો પાયાનો કણ છે તે માન્યતા તો ચાલુ જ રહી. પંદર, સોળ અને સતરમી સદીમાં પરમાણુનો અભ્યાસ પુન: શરૂ થયો. ઇંગ્લૅન્ડના ફ્રાંસિસ બેકન તથા આઇઝેક ન્યૂટન અને ઇટાલીના ગૅલિલિયોએ પરમાણુ સિદ્ધાંતને માન્યતા આપી હતી, પણ ડિમૉક્રિટસના પરમાણુવાદથી આગળ વધી કાંઈ જ વધારે કહ્યું કે કર્યું નથી.

તત્કાલીન યુગોસ્લાવિયાના વિજ્ઞાની રુજર બૉસ્કૉવિચે (Rudjer Boscovich) સૂચન કર્યું કે ડિમૉક્રિટસનો પરમાણુનો ખ્યાલ બરાબર નથી. તેના મત મુજબ પરમાણુમાં એથી પણ નાના કણો રહેલા છે અને નાના કણમાં તેથીય વધુ નાના કણ રહેલા છે. આ રીતે આ ખ્યાલને આગળ ધપાવી શકાય છે. દ્રવ્યનો પાયાનો કણ તો ભૌમિતિક બિંદુ જેવડો હોય છે, જેને બિલકુલ કદ હોતું નથી. આધુનિક ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ આ ખ્યાલને સ્વીકારે છે.

સત્તરમી સદીમાં રસાયણવિજ્ઞાનનો વિકાસ થતાં પરમાણુની વિશેષ જાણકારી ઉપલબ્ધ થઈ. રસાયણવિદોએ જોયું કે તત્ત્વો(elements)ને દળના સંદર્ભમાં નિશ્ચિત પ્રમાણમાં લેતાં તેમનું સંયોજન થાય છે. 1803માં ડાલ્ટને પરમાણુનો સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો. ડાલ્ટને સૂચવ્યું કે તત્ત્વમાં એક જ પ્રકારના પરમાણુ હોય છે. જુદાં જુદાં તત્ત્વોના પરમાણુઓ જુદા જુદા પ્રકારના હોય છે, આથી જુદાં જુદાં તત્ત્વોના ગુણધર્મો જુદા જુદા હોય છે. વધુમાં જણાવ્યું કે એક જ તત્ત્વના અણુઓ કદમાં, આકારમાં તથા દળમાં બધી રીતે એકસરખા હોય છે. ડાલ્ટનના સિદ્ધાંત મુજબ પરમાણુઓનું ચોક્કસ પ્રમાણમાં જ સંયોજન થાય છે.

બ્રિટિશ ભૌતિકવિજ્ઞાની જે. જે. થૉમ્સને 1897માં શોધી કાઢ્યું કે પરમાણુ વિભાજ્ય છે. શૂન્યાવકાશ કરેલી કાચની નળીમાં ધાતુની બે પ્લેટ વચ્ચે કિરણોની ગતિ દરમિયાન આ શોધનો ખ્યાલ આવ્યો. આ કિરણો ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવતા કણો હતા. આવા ઋણ કણને ઇલેક્ટ્રૉન તરીકે ઓળખાવવામાં આવ્યો. થૉમ્સનને ખ્યાલ આવ્યો કે ઇલેક્ટ્રૉન પરમાણુનો જ અંશ છે. ધન વિદ્યુતભારિત ગોળા જેવા પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉન વીખરાયેલા હોય છે. દાડમને મધ્યમાંથી છેદતાં તેના ફાડિયાના આડછેદ ઉપર ગોઠવાયેલા દાડમના દાણા જેવી રચના આ ગોળો ધરાવે છે. (જુઓ આકૃતિ 5.) થૉમ્સનનું આ પરમાણુ-મૉડલ ઘણી બાબતે અધૂરું પુરવાર થયું.

બ્રિટિશ ભૌતિકવિજ્ઞાની અર્નેસ્ટ રૂથરફૉર્ડે 1911માં પરમાણુ-મૉડલનું નવું ચિત્ર રજૂ કર્યું. રૂથરફોર્ડના મત મુજબ પરમાણુના કેન્દ્રમાં ન્યૂક્લિયસ હોય છે. પરમાણુનું લગભગ બધું જ વજન ન્યૂક્લિયસમાં કેન્દ્રિત થયેલ હોય છે અને તેની આસપાસ ઇલેક્ટ્રૉન પ્રચંડ વેગથી ભ્રમણ કરતા હોય છે. (જુઓ આકૃતિ 6.) ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી બાબતે રૂથરફૉર્ડના પરમાણુ-મૉડલમાં ઘણી અસ્પષ્ટતા પ્રવર્તતી હતી.

ડેન્માર્કના ભૌતિકવિજ્ઞાની નીલ બૉહ્રે પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી બાબતે વધુ સ્પષ્ટતા કરી. બૉહ્રેના મત મુજબ ન્યૂક્લિયસની આસપાસ નિશ્ચિત કક્ષામાં જ ઇલેક્ટ્રૉન ભ્રમણ કરતા હોય છે. (જુઓ આકૃતિ 7.) અમુક બાબતે પરમાણુનો આ નમૂનો સંતોષકારક પરિણામો આપે છે; પણ પરમાણુ વર્ણપટ સમજાવવામાં તે નિષ્ફળ ગયો. આ સાથે વર્ણપટની સૂક્ષ્મ-સંરચના (fine structure) પણ સમજાવી શકાઈ નહિ.

લૂઈ બ્રોગ્લીએ 1924માં પ્રતિપાદિત કર્યું કે વિશિષ્ટ સંજોગોમાં ઇલેક્ટ્રૉન, તરંગના પણ ગુણધર્મો ધરાવે છે. 1928 સુધીમાં ઇરવિન શ્રોડિંજર, ઑસ્ટ્રિયાના વુલ્ફગૅંગ પાઉલી, મૅક્સ બૉર્ન અને જર્મનીના વર્નર હાઇઝનબર્ગના સંયુક્ત પ્રયત્નોથી પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણીને લગતો સંતોષકારક નમૂનો તૈયાર થયો. (જુઓ આકૃતિ 8.)

1928 સુધીમાં પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી અને ગતિને લગતું ચિત્ર સ્પષ્ટ થયું, પણ ન્યૂક્લિયસનું રહસ્ય તો અકબંધ રહ્યું. 1902માં પ્રોટૉનની જાણકારી મળી અને રૂથરફૉર્ડે 1914માં બતાવ્યું કે પ્રોટૉન ન્યૂક્લિયસનો અંશ છે. 1932માં ખ્યાલ આવ્યો કે એકલા પ્રોટૉન જ ન્યૂક્લિયસમાં રહી શકે નહિ, કારણ કે બધા પ્રોટૉન ધન વિદ્યુતભારિત હોઈ અપાકર્ષણને કારણે વિખૂટા પડી જાય છે. બરાબર આ સમયે 1932માં બ્રિટિશ ભૌતિકવિજ્ઞાની જેમ્સ ચેડ્વિકે વિદ્યુતભારવિહીન કણની શોધ કરી, જેને ન્યૂટ્રૉન નામ આપવામાં આવ્યું. 1930માં કણ-પ્રવેગ કે અસ્તિત્વમાં આવતાં ન્યૂક્લિયસનો વધુ વિગતવાર અભ્યાસ શક્ય બન્યો. તે સમયે ન્યૂક્લિયસના અભ્યાસનો કોઈ ફાયદો કે ઉપયોગ દેખાયો નહિ, પણ 1938માં જ્યારે યુરેનિયમ પરમાણુ ઉપર ન્યૂટ્રૉન જેવા શક્તિશાળી કણ વડે મારો કરવામાં આવ્યો ત્યારે તેના બે ટુકડા થયા અને તેમાંથી વિપુલ ઊર્જા મુક્ત થઈ. આ ઘટનાને ન્યૂક્લિયર વિખંડન (nuclear fission) કહે છે. 1939માં શરૂ થયેલ બીજા વિશ્વયુદ્ધ પહેલાં થોડાક જ સમય અગાઉ આ શોધ હાથ લાગી. તેના આધારે પરમાણુ-બૉંબ બનાવી અમેરિકાએ જાપાન ઉપર ઝીંક્યો અને તે રીતે 1945માં બીજા વિશ્વયુદ્ધનો અંત આવ્યો.

તે સમયની મહાસત્તાઓ યુ.એસ.એ. (અમેરિકા) અને યુ.એસ.એસ.આર.(રશિયા)નું ધ્યાન ન્યૂક્લિયર ઊર્જા પ્રત્યે ખેંચાયું, પરિણામે ન્યૂક્લિયર શસ્ત્રોના ઉત્પાદનની સ્પર્ધા શરૂ થઈ અને આર્થિક રીતે માતબર દેશો ન્યૂક્લિયર-વિજ્ઞાનના સંશોધન પાછળ પડ્યા. ન્યૂક્લિયર ઊર્જાના કલ્યાણકારી ઉપયોગો પરત્વે પણ ઘણા દેશોનું ધ્યાન કેન્દ્રિત થયું. 1950માં યુરેનિયમ-235ના ઉપયોગથી પ્રથમ ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર તૈયાર થયું અને તેના વડે વિદ્યુતનું ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું. ન્યૂક્લિયર ઊર્જા વડે વિદ્યુત અને યુદ્ધનાં શસ્ત્રોના ઉત્પાદન માટે મહાસત્તાઓ વચ્ચે ગળાકાપ હરીફાઈ જામી. યુ.એસ.એ. પરમાણુ-બૉંબથી આગળ વધીને હાઇડ્રોજન-બૉંબ ભણી સુકાન ફેરવ્યું. હાઇડ્રોજન-બૉંબમાં હાઇડ્રોજનની બે હલકી ન્યૂક્લિયસનું સંગલન (fusion) કરવાથી પ્રચંડ ઊર્જા પેદા કરી શકાય છે. સૂર્ય અને તારાઓમાં પેદા થતી પ્રચંડ ઉષ્મા અને પ્રકાશ-ઊર્જાનું  કારણ ન્યૂક્લિયર સંગલન છે. આ પ્રક્રિયાને નિયંત્રણમાં રાખી શકાય તો ન્યૂક્લિયર વિખંડન કરતાં અનેક ગણી વધારે ઊર્જા પ્રાપ્ત થાય છે. આ ઊર્જા સસ્તી પડે છે, કારણ કે હાઇડ્રોજનનું પ્રમાણ વિપુલ હોય છે. વળી સંગલનથી મળતી ઊર્જા શુદ્ધ પણ હોય છે.

કણ-પ્રવેગકોની સુવિધા પ્રાપ્ત થતાં ન્યૂક્લિયસનો વિગતવાર અભ્યાસ સરળ બન્યો. શ્રેણીબદ્ધ પ્રાયોગિક અભ્યાસના ફળસ્વરૂપે જાણી શકાયું કે પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન મૂળભૂત કણો હોઈ શકે નહિ, આ સાથે ન્યૂટ્રૉન બિલકુલ વિદ્યુતભારવિહીન હોય તે શક્ય નથી. બીજી રીતે એમ કહી શકાય કે ન્યૂટ્રૉનમાં ધન અને ઋણ વિદ્યુતભાર સરખા પ્રમાણમાં હોવા જોઈએ. આ સાથે વિજ્ઞાનીઓએ કેટલાક મેસૉન-કણો (મ્યુ, પાઈ, ઓમેગા, ટાઓ, સિગ્મા, કેપા મેસૉન) અને અન્ય કણો શોધી કાઢ્યા છે. આ કણો એકબીજાને તેમજ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનને પણ મળતા આવે છે. ટૂંકમાં, મૂળભૂત કણોની વિવિધ ગોઠવણીને કારણે જુદા જુદા કણો અસ્તિત્વમાં આવે છે.

1964માં ખ્યાલ આવ્યો કે ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન અને અન્ય કણોનું આંતરિક કલેવર એકસરખા મૂળભૂત કણોથી ઘડાયેલું હોય છે. અમેરિકન ભૌતિકવિજ્ઞાની મરે ગેલ-માન અને જ્યૉર્જ ઝ્વીગે (Zweig) આ ઉપકણોનું વર્ણન કર્યું છે. ગેલ-માને આ કણોને ક્વાર્ક (quark) નામ આપ્યું. 1971માં જાણવા મળ્યું કે ક્વાર્ક ન્યૂટ્રૉન તથા પ્રોટૉન કરતાં ઘણા નાના છે. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનના આંતરિક માળખાને સમજવા માટે ક્વાર્ક-સિદ્ધાંત સફળ રહ્યો છે. પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન ક્વાર્કના બનેલા હોય છે. પ્રત્યેક પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની અંદર ત્રણ ક્વાર્ક હોય છે. પ્રબળ આંતરક્રિયા કરતા કણોને હૅડ્રૉન્સ કહે છે. આવા હૅડ્રૉન-કણો ક્વાર્કના બનેલા હોય છે. ક્વાર્ક અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવે છે ક્વાર્કનો વિદ્યુતભાર ઇલેક્ટ્રૉન વિદ્યુતભાર કરતાં અથવા − હોય છે. વિદ્યુતભારવાળા બે ક્વાર્ક અને − વિદ્યુતભારવાળો એક ક્વાર્ક ભેગા મળીને પ્રોટૉન રચે છે. એટલે કે પ્રોટૉનનો વિદ્યુતભાર = + − = 1 એટલે કે એકમ ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. જ્યારે ન્યૂટ્રૉન −વિદ્યુતભારવાળા બે ક્વાર્ક અને વિદ્યુતભાર ધરાવતા વિદ્યુતભારનો બનેલો હોય છે એટલે કે ન્યૂટ્રૉનનો વિદ્યુતભાર = − + = 0 હોય છે. આથી ન્યૂટ્રૉન વિદ્યુતભાર ધરાવતો નથી. ભિન્ન ભિન્ન ક્વાર્કના સંયોજનથી ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન જેવા પેટા-પારમાણ્વિક કણો તૈયાર કરી શકાય છે. આવા કણોમાં તરત જ ભંગાણ સર્જાય છે અને સેકન્ડના લાખમા ભાગમાં સામાન્ય કણોમાં પરિવર્તન પામે છે. આ કારણે સામાન્ય પરમાણુઓમાં ક્વાર્ક જોવા મળતા નથી.

ક્વાર્ક કણોને કારણે ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન આકર્ષણબળની જટિલતા સમજી શકાઈ નથી. અદ્યતન પ્રાયોગિક સુવિધાઓને આધારે ક્વાર્ક વચ્ચે પ્રવર્તતાં બળોની જાણકારી મળવા લાગી છે. ક્વાર્ક-બળો સંપૂર્ણપણે સમજાશે ત્યારે ન્યૂક્લિયર બળોનું ચિત્ર વધુ સ્પષ્ટ થશે. પ્રશ્ન એ ઉદ્ભવે છે કે ક્વાર્ક કણો મૂળભૂત અને અંતિમ કણો છે કે પછી ક્વાર્ક પણ તેથીય નાના ઉપ-કણોનો બનેલો છે. આવા સૂચિત ઉપકણો અંતિમ હશે ? સૈદ્ધાંતિક રીતે ઉપ-કણો સૂક્ષ્મ બિંદુવત્ કણોના બનેલા હોઈ શકે છે. સૂક્ષ્મ કણો વિશે આજે જેટલું જાણીએ છીએ તેથીયે વધારે જાણવાનું હજુ બાકી છે.

પ્રોટૉન કે ન્યૂટ્રૉનમાં ગોઠવાયેલા ક્વાર્ક વચ્ચે બળ પ્રવર્તે છે. ક્વાર્ક કણો વચ્ચેના બળને ગ્લૂઑન (gluon) બળ કહે છે. અતિ પ્રચંડ ગ્લૂઑન બળને આધારે ન્યૂટ્રૉન કે પ્રોટૉનમાં ક્વાર્ક જકડાયેલા રહે છે. ગ્લૂઑન બળની અવધિ (range) ખૂબ જ નાની હોય છે. કેટલા પ્રકારના ક્વાર્ક છે તે હજુ ચોક્કસપણે જાણી શકાયું નથી. સામાન્ય દ્રવ્યમાં u (up) અને d (down) પ્રકારના ક્વાર્ક-કણો હોય છે. કણ-પ્રવેગકની મદદથી બીજા કણનું સર્જન કરી શકાય છે. કણ-પ્રવેગકો વડે પેટા-પરમાણુઓને જોરદાર રીતે સંઘાત થતાં u અને d ક્વાર્ક કરતાં ભારે ક્વાર્ક કણો પેદા કરી શકાય છે. આ કણો અસ્થાયી હોય છે. તેથી તે 10^-9 સેકન્ડમાં ક્ષય પામી u અને d માં પરિવર્તન પામે છે. ભારે ક્વાર્કમાં ‘ચાર્મ’, ‘સ્ટ્રેન્જ’ અને ‘બાટેમ’ જેવા ક્વાર્ક કણોનો સમાવેશ થાય છે.

1971માં ક્વાર્ક કણોની સૌપ્રથમ વાર પ્રતીતિ થઈ હતી.

પ્રહલાદ છ. પટેલ