परमाणु भौतिकी

परमाणु भौतिकी, परमाणु की संरचना का वैज्ञानिक अध्ययन, इसकी ऊर्जा बताती है, और अन्य कणों के साथ और विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ इसकी बातचीत। परमाणु भौतिकी क्वांटम यांत्रिकी का एक शानदार रूप से सफल अनुप्रयोग साबित हुआ है, जो आधुनिक भौतिकी के कोने में से एक है।

यह धारणा कि यह मामला प्राचीन यूनानियों के लिए मौलिक बिल्डिंग ब्लॉक्स की तारीखों से बना है, जिन्होंने अनुमान लगाया था कि पृथ्वी, वायु, अग्नि और पानी उन बुनियादी तत्वों का निर्माण कर सकते हैं जिनसे भौतिक दुनिया का निर्माण होता है। उन्होंने पदार्थ की परम प्रकृति के बारे में विचार के विभिन्न विद्यालयों को भी विकसित किया। शायद सबसे महत्वपूर्ण था एटोमिस्ट स्कूल जिसकी स्थापना मिलिशस के प्राचीन यूनानियों ल्यूकियस और थ्रेस के डेमोक्रिटस ने लगभग 440 ई.पू. विशुद्ध रूप से दार्शनिक कारणों के लिए, और प्रयोगात्मक सबूत के लाभ के बिना, उन्होंने इस धारणा को विकसित किया कि मामले में अविभाज्य और अविनाशी परमाणु होते हैं। परमाणु आसपास के शून्य के माध्यम से निरंतर गति में होते हैं और एक दूसरे से बिलियार्ड गेंदों की तरह टकराते हैं, बहुत कुछ गैसों के आधुनिक गतिज सिद्धांत की तरह। हालांकि, परमाणुओं के बीच एक शून्य (या वैक्यूम) की आवश्यकता ने नए प्रश्न खड़े किए जो आसानी से उत्तर नहीं दे सके। इस कारण से, परमाणु चित्र को अरस्तू और एथेनियन स्कूल ने इस धारणा के पक्ष में खारिज कर दिया कि मामला निरंतर है। यह विचार फिर भी कायम रहा, और यह 400 साल बाद रोमन कवि ल्यूक्रेटियस के लेखन में, उनके काम डे आरुम नटुरा (ऑन द नेचर ऑफ थिंग्स) में लिखा।

इस विचार को आगे बढ़ाने के लिए थोड़ा और किया गया कि मामला 17 वीं शताब्दी तक छोटे कणों से बना हो। अंग्रेजी भौतिकशास्त्री आइजैक न्यूटन ने अपने प्रिंसिपिया मैथेमेटिका (1687) में, बॉयल के नियम को प्रस्तावित किया, जिसमें कहा गया था कि दबाव और गैस का आयतन एक ही तापमान पर स्थिर रहता है, अगर किसी ने यह समझा कि गैस है कणों से बना है। 1808 में अंग्रेजी केमिस्ट जॉन डेल्टन ने सुझाव दिया कि प्रत्येक तत्व में समान परमाणु होते हैं, और 1811 में इतालवी भौतिक विज्ञानी एमेडियो अवोगाद्रो ने अनुमान लगाया कि तत्वों के कणों में दो या अधिक परमाणु एक साथ फंस सकते हैं। एवोगैड्रो ने ऐसे संयुग्मन अणुओं को बुलाया, और प्रयोगात्मक कार्य के आधार पर, उन्होंने अनुमान लगाया कि हाइड्रोजन या ऑक्सीजन की गैस में अणु परमाणुओं के जोड़े से बनते हैं।

19 वीं शताब्दी के दौरान सीमित संख्या में तत्वों का विचार विकसित हुआ, प्रत्येक में एक विशेष प्रकार के परमाणु शामिल थे, जो रासायनिक यौगिकों को बनाने के तरीकों की लगभग असीम संख्या में संयोजन कर सकते थे। मध्य शताब्दी में गैसों के गतिज सिद्धांत ने परमाणु और आणविक कणों की गतियों के लिए एक गैस के दबाव और चिपचिपाहट के रूप में ऐसी घटनाओं को सफलतापूर्वक जिम्मेदार ठहराया। 1895 तक रासायनिक सबूतों के बढ़ते वजन और गतिज सिद्धांत की सफलता ने थोड़ा संदेह छोड़ दिया कि परमाणु और अणु वास्तविक थे।

हालांकि, परमाणु की आंतरिक संरचना 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी अर्नेस्ट रदरफोर्ड और उनके छात्रों के काम के साथ ही स्पष्ट हो गई थी। रदरफोर्ड के प्रयासों के अनुसार, परमाणु का एक लोकप्रिय मॉडल तथाकथित "प्लम-पुडिंग" मॉडल था, जिसकी वकालत अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जोसेफ जॉन थॉमसन ने की थी, जिसमें कहा गया था कि प्रत्येक परमाणु में एक जेल में कई इलेक्ट्रॉन (प्लम) होते हैं। सकारात्मक प्रभार (हलवा); इलेक्ट्रॉनों का कुल ऋणात्मक आवेश कुल धनात्मक आवेश को संतुलित करता है, एक परमाणु को उत्पन्न करता है जो विद्युत रूप से तटस्थ होता है। रदरफोर्ड ने बिखरने वाले प्रयोगों की एक श्रृंखला का संचालन किया जिसने थॉमसन के मॉडल को चुनौती दी। रदरफोर्ड ने देखा कि जब अल्फा कणों का एक बीम (जिसे अब हीलियम नाभिक के रूप में जाना जाता है) ने एक पतली सोने की पन्नी को मारा, तो कुछ कणों को पीछे की ओर झुका दिया गया। इस तरह के बड़े विक्षेप प्लम-पुडिंग मॉडल के साथ असंगत थे।

इस कार्य ने रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल का नेतृत्व किया, जिसमें सकारात्मक चार्ज का भारी नाभिक प्रकाश इलेक्ट्रॉनों के एक बादल से घिरा हुआ है। नाभिक सकारात्मक चार्ज प्रोटॉन और विद्युत तटस्थ न्यूट्रॉन से बना है, जिनमें से प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के रूप में बड़े पैमाने पर लगभग 1,836 गुना है। चूँकि परमाणु इतने मिनट के होते हैं, उनके गुणों को अप्रत्यक्ष प्रायोगिक तकनीकों द्वारा अनुमानित किया जाना चाहिए। इनमें से मुख्य स्पेक्ट्रोस्कोपी है, जिसका उपयोग परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित या अवशोषित विद्युत चुम्बकीय विकिरण को मापने और व्याख्या करने के लिए किया जाता है क्योंकि वे एक ऊर्जा अवस्था से दूसरी में संक्रमण से गुजरते हैं। प्रत्येक रासायनिक तत्व विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर ऊर्जा का विकिरण करता है, जो उनकी परमाणु संरचना को दर्शाता है। तरंग यांत्रिकी की प्रक्रियाओं के माध्यम से, विभिन्न ऊर्जा राज्यों में परमाणुओं की ऊर्जा और उनके द्वारा उत्सर्जित विशेषता तरंग दैर्ध्य की गणना कुछ मूलभूत भौतिक स्थिरांक- अर्थात्, इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान और आवेश, प्रकाश की गति और प्लैंक के स्थिर से की जा सकती है। इन मूलभूत स्थिरांक के आधार पर, क्वांटम यांत्रिकी के संख्यात्मक भविष्यवाणियां विभिन्न परमाणुओं के अधिकांश देखे गए गुणों के लिए हो सकती हैं। विशेष रूप से, क्वांटम मैकेनिक्स आवर्त सारणी में तत्वों की व्यवस्था की गहरी समझ प्रदान करता है, उदाहरण के लिए, तालिका के एक ही स्तंभ के तत्वों में समान गुण होने चाहिए।

हाल के वर्षों में लेज़रों की शक्ति और सटीकता ने परमाणु भौतिकी के क्षेत्र में क्रांति ला दी है। एक ओर, लेज़रों ने नाटकीय रूप से सटीकता को बढ़ाया है जिसके साथ परमाणुओं की विशेषता तरंग दैर्ध्य को मापा जा सकता है। उदाहरण के लिए, समय और आवृत्ति के आधुनिक मानक परमाणु सीज़ियम (परमाणु घड़ी देखें) में संक्रमण आवृत्तियों के मापन पर आधारित हैं, और लंबाई की एक इकाई के रूप में मीटर की परिभाषा अब प्रकाश के वेग के माध्यम से आवृत्ति माप से संबंधित है। इसके अलावा, लेज़रों ने विद्युत चुम्बकीय जाल में अलग-अलग परमाणुओं को अलग करने और पूर्ण शून्य के करीब उन्हें ठंडा करने के लिए पूरी तरह से नई तकनीकों को संभव बनाया है। जब परमाणुओं को जाल में आराम करने के लिए अनिवार्य रूप से लाया जाता है, तो वे एक क्वांटम मैकेनिकल चरण के संक्रमण से गुजर सकते हैं, जिसमें एक बोस-आइंस्टीन संक्षेपण के रूप में जाना जाता है, जबकि एक पतला गैस के रूप में शेष है। पदार्थ की इस नई अवस्था में, सभी परमाणु समान सुसंगत क्वांटम अवस्था में होते हैं। नतीजतन, परमाणु अपनी व्यक्तिगत पहचान खो देते हैं, और उनकी क्वांटम मैकेनिकल वेवलिक गुण प्रमुख हो जाते हैं। संपूर्ण घनीभूत तब व्यक्तिगत परमाणुओं के संग्रह के बजाय एक सुसंगत इकाई (मछली के एक स्कूल की तरह) के रूप में बाहरी प्रभावों का जवाब देता है। हाल के काम से पता चला है कि एक पारंपरिक लेजर में फोटॉन के सुसंगत बीम के अनुरूप "परमाणु लेजर" बनाने के लिए जाल से परमाणुओं के एक सुसंगत बीम को जाल से निकाला जा सकता है। परमाणु लेजर अभी भी विकास के एक प्रारंभिक चरण में है, लेकिन इसमें माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और अन्य नैनोस्केल उपकरणों के निर्माण के लिए भविष्य की प्रौद्योगिकियों का एक प्रमुख तत्व बनने की क्षमता है।