आवेशित कण प्रकीर्णन के अध्ययन पर रदरफोर्ड। परमाणु स्पेक्ट्रा

अर्नेस्ट रदरफोर्ड परमाणु की आंतरिक संरचना के मौलिक सिद्धांत के संस्थापकों में से एक हैं। वैज्ञानिक का जन्म इंग्लैंड में स्कॉटलैंड के अप्रवासियों के एक परिवार में हुआ था। रदरफोर्ड अपने परिवार में चौथा बच्चा था, और सबसे प्रतिभाशाली निकला। वह परमाणु संरचना के सिद्धांत में विशेष योगदान देने में सफल रहे।

परमाणु की संरचना के बारे में प्रारंभिक विचार

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अल्फा कणों के प्रकीर्णन पर रदरफोर्ड के प्रसिद्ध प्रयोग से पहले, उस समय परमाणु की संरचना के बारे में प्रमुख विचार थॉम्पसन मॉडल था। इस वैज्ञानिक को यकीन था कि धनात्मक आवेश ने परमाणु के पूरे आयतन को समान रूप से भर दिया है। थॉम्पसन का मानना ​​था कि नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन इसके साथ जुड़े हुए थे।

वैज्ञानिक क्रांति के लिए आवश्यक शर्तें

स्कूल से स्नातक होने के बाद, सबसे प्रतिभाशाली छात्र के रूप में रदरफोर्ड को आगे की शिक्षा के लिए 50 पाउंड का अनुदान मिला। इसकी बदौलत वह न्यूजीलैंड में कॉलेज जाने में सक्षम हो सके। इसके बाद, युवा वैज्ञानिक कैंटरबरी विश्वविद्यालय में परीक्षा उत्तीर्ण करता है और भौतिकी और रसायन विज्ञान का गंभीरता से अध्ययन करना शुरू करता है। 1891 में रदरफोर्ड ने "तत्वों का विकास" विषय पर अपना पहला व्याख्यान दिया। इतिहास में पहली बार, इसने इस विचार को रेखांकित किया कि परमाणु जटिल संरचनाएँ हैं।

उस समय, डाल्टन का यह विचार कि परमाणु अविभाज्य थे, वैज्ञानिक हलकों में हावी था। रदरफोर्ड के आस-पास के सभी लोगों को उसका विचार पूरी तरह से पागलपन भरा लगा। युवा वैज्ञानिक को अपनी "बकवास" के लिए अपने सहकर्मियों से लगातार माफ़ी मांगनी पड़ी। लेकिन 12 साल बाद भी रदरफोर्ड यह साबित करने में कामयाब रहे कि वह सही थे। रदरफोर्ड को इंग्लैंड में कैवेंडिश प्रयोगशाला में अपना शोध जारी रखने का मौका मिला, जहां उन्होंने वायु आयनीकरण की प्रक्रियाओं का अध्ययन करना शुरू किया। रदरफोर्ड की पहली खोज अल्फा और बीटा किरणें थीं।

रदरफोर्ड का अनुभव

खोज को संक्षेप में इस प्रकार वर्णित किया जा सकता है: 1912 में, रदरफोर्ड ने अपने सहायकों के साथ मिलकर अपना प्रसिद्ध प्रयोग किया - अल्फा कणों को एक सीसा स्रोत से उत्सर्जित किया गया था। सीसे द्वारा अवशोषित कणों को छोड़कर सभी कण, स्थापित चैनल के साथ चले गए। उनकी संकीर्ण धारा पन्नी की एक पतली परत पर गिरी। यह रेखा शीट पर लंबवत थी। अल्फा कण बिखरने पर रदरफोर्ड के प्रयोग ने साबित कर दिया कि वे कण जो सीधे पन्नी की शीट से होकर गुजरे, स्क्रीन पर तथाकथित जगमगाहट का कारण बने।

यह स्क्रीन एक विशेष पदार्थ से लेपित थी जो अल्फा कणों के टकराने पर चमकने लगती थी। अल्फा कणों को हवा में बिखरने से रोकने के लिए परत और स्क्रीन के बीच की जगह को वैक्यूम से भर दिया गया था। इस तरह के उपकरण ने शोधकर्ताओं को लगभग 150° के कोण पर बिखरते कणों का निरीक्षण करने की अनुमति दी।

यदि पन्नी को अल्फा कणों की किरण के सामने बाधा के रूप में उपयोग नहीं किया जाता, तो स्क्रीन पर जगमगाहट का एक प्रकाश चक्र बन जाता। लेकिन जैसे ही उनकी किरण के सामने सोने की पन्नी का अवरोध रखा गया, तस्वीर बहुत बदल गई। चमकें न केवल इस घेरे के बाहर, बल्कि पन्नी के विपरीत दिशा में भी दिखाई दीं। अल्फा कण प्रकीर्णन पर रदरफोर्ड के प्रयोग से पता चला कि अधिकांश कण अपने प्रक्षेपवक्र में ध्यान देने योग्य परिवर्तन के बिना पन्नी से गुजर गए।

इस मामले में, कुछ कण काफी बड़े कोण पर विक्षेपित हो गए और वापस भी फेंक दिए गए। सोने की पन्नी की परत से स्वतंत्र रूप से गुजरने वाले प्रत्येक 10,000 कणों में से केवल एक को 10° से अधिक के कोण से विक्षेपित किया गया था - अपवाद के रूप में, कणों में से एक को ऐसे कोण से विक्षेपित किया गया था।

जिस कारण अल्फा कण विक्षेपित हो गए

रदरफोर्ड के प्रयोग ने जिस बात की विस्तार से जांच की और सिद्ध किया वह परमाणु की संरचना है। इस स्थिति ने संकेत दिया कि परमाणु एक सतत गठन नहीं है। अधिकांश कण एक-परमाणु-मोटी पन्नी के माध्यम से स्वतंत्र रूप से गुजर गए। और चूँकि एक अल्फा कण का द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान से लगभग 8,000 गुना अधिक होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन अल्फा कण के प्रक्षेप पथ को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं कर सकता है। यह केवल परमाणु नाभिक द्वारा ही किया जा सकता है - छोटे आकार का एक पिंड, जिसमें परमाणु का लगभग सारा द्रव्यमान और सारा विद्युत आवेश होता है। उस समय, यह अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी के लिए एक महत्वपूर्ण सफलता बन गई। रदरफोर्ड का अनुभव परमाणु की आंतरिक संरचना के विज्ञान के विकास में सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक माना जाता है।

परमाणु के अध्ययन की प्रक्रिया में की गई अन्य खोजें

इन अध्ययनों से प्रत्यक्ष प्रमाण मिला कि किसी परमाणु का धनात्मक आवेश उसके नाभिक के अंदर स्थित होता है। यह क्षेत्र अपने समग्र आयामों की तुलना में बहुत छोटी जगह घेरता है। इतनी कम मात्रा में, अल्फा कणों का प्रकीर्णन बहुत ही असंभव हो गया। और जो कण परमाणु नाभिक के क्षेत्र के पास से गुजरे, उन्होंने प्रक्षेप पथ से तीव्र विचलन का अनुभव किया, क्योंकि अल्फा कण और परमाणु नाभिक के बीच प्रतिकारक बल बहुत शक्तिशाली थे। रदरफोर्ड के अल्फा कण प्रकीर्णन प्रयोग ने अल्फा कण के सीधे नाभिक से टकराने की संभावना को साबित कर दिया। सच है, संभावना बहुत छोटी थी, लेकिन फिर भी शून्य नहीं थी।

यह एकमात्र तथ्य नहीं था जो रदरफोर्ड के अनुभव से सिद्ध हुआ। परमाणु की संरचना का उनके सहयोगियों द्वारा संक्षिप्त अध्ययन किया गया, जिन्होंने कई अन्य महत्वपूर्ण खोजें कीं। सिवाय इस शिक्षण के कि अल्फा कण तेजी से चलने वाले हीलियम नाभिक हैं।

वैज्ञानिक एक परमाणु की संरचना का वर्णन करने में सक्षम था जिसमें नाभिक कुल आयतन का एक छोटा सा हिस्सा रखता है। उनके प्रयोगों से सिद्ध हुआ कि परमाणु का लगभग संपूर्ण आवेश उसके नाभिक के अंदर केंद्रित होता है। इस मामले में, अल्फा कणों के विक्षेपण के मामले और नाभिक के साथ उनके टकराव के मामले दोनों होते हैं।

रदरफोर्ड के प्रयोग: परमाणु का परमाणु मॉडल

1911 में रदरफोर्ड ने कई अध्ययनों के बाद प्रस्ताव रखा जिसे उन्होंने ग्रहीय कहा। इस मॉडल के अनुसार, परमाणु के अंदर एक नाभिक होता है जिसमें कण का लगभग पूरा द्रव्यमान होता है। इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर उसी प्रकार घूमते हैं जैसे ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं। उनके संयोजन से एक तथाकथित इलेक्ट्रॉन बादल बनता है। जैसा कि रदरफोर्ड के प्रयोग से पता चला, परमाणु में तटस्थ आवेश होता है।

परमाणु की संरचना बाद में नील्स बोह्र नामक वैज्ञानिक के लिए रुचिकर बन गई। यह वह थे जिन्होंने रदरफोर्ड की शिक्षा को अंतिम रूप दिया, क्योंकि बोह्र से पहले परमाणु के ग्रहीय मॉडल को स्पष्टीकरण की कठिनाइयों का सामना करना पड़ा था। चूँकि इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर एक निश्चित कक्षा में त्वरण के साथ घूमता है, देर-सबेर उसे परमाणु के नाभिक पर गिरना ही चाहिए। हालाँकि, नील्स बोह्र यह साबित करने में सक्षम थे कि परमाणु के अंदर शास्त्रीय यांत्रिकी के नियम अब लागू नहीं होते हैं।

रदरफोर्ड का अल्फा कण प्रकीर्णन प्रयोग

परमाणु की संरचना के बारे में आधुनिक विचारों का आधार कणों के प्रकीर्णन पर रदरफोर्ड के प्रयोग थे। - कण रेडियोधर्मी क्षय की प्रक्रिया में उत्पन्न होते हैं, उनका आवेश धनात्मक होता है और इलेक्ट्रॉन के आवेश के दोगुने के बराबर होता है। कणों की गतिज ऊर्जा और गति अधिक होती है:

रदरफोर्ड के प्रयोगों में, एक छेद (चित्र 39) द्वारा उत्सर्जित रेडियोधर्मी पदार्थ पी द्वारा उत्सर्जित कणों की एक संकीर्ण किरण एक बहुत पतली धातु की पन्नी एफ पर गिरी। कणों का बिखराव पन्नी के परमाणुओं पर हुआ। पन्नी के चारों ओर जिंक सल्फाइड से बनी एक स्क्रीन ई रखी गई थी। जब कोई कण इस स्क्रीन से टकराता है, तो इससे प्रकाश की चमक पैदा होती है - जगमगाहट (यही कारण है कि ऐसी स्क्रीनों को जगमगाहट स्क्रीन कहा जाता है), जिसे टेलीस्कोप एम का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। स्क्रीन और टेलीस्कोप की स्थिति को किसी भी कोण पर सेट किया जा सकता है किरण-कणों के प्रसार की दिशा। इस प्रकार, विभिन्न कोणों पर फैलने वाले कणों की संख्या की गणना करना संभव था।

चावल। 39. रदरफोर्ड का प्रयोग

यह पता चला कि कण या तो एक सीधी रेखा में पन्नी से गुजर सकते हैं या उससे पूरी तरह से परावर्तित हो सकते हैं। बहुमत
- कण 1-2 डिग्री से अधिक के कोण पर सीधे पथ से विचलित नहीं होते हैं। लेकिन कणों का एक छोटा सा अंश काफी बड़े कोणों पर विचलित हो जाता है - इसलिए, 20,000 में से एक कण वापस लौट आता है ()।

सुविचारित प्रायोगिक परिणामों के आधार पर, 1911 में रदरफोर्ड ने परमाणु का अपना परमाणु (ग्रहीय) मॉडल प्रस्तावित किया। रदरफोर्ड के अनुसार, परमाणु के केंद्र में एक धनावेशित (+Ze) नाभिक (नाभिक त्रिज्या) होता है ~10 -13 सेमी), जिसके चारों ओर स्थित हैं Z इलेक्ट्रॉन. नाभिक का द्रव्यमान इलेक्ट्रॉनों के द्रव्यमान से बहुत अधिक होता है।

परमाणु के परमाणु मॉडल ने रदरफोर्ड के प्रयोग में देखे गए एक सीधे प्रक्षेपवक्र से कणों के विचलन की व्याख्या करना संभव बना दिया: कूलम्ब प्रतिकर्षण बल सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कणों और एक सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक के बीच उत्पन्न होते हैं .

हालाँकि, रदरफोर्ड द्वारा प्रस्तावित परमाणु के परमाणु मॉडल की प्रायोगिक पुष्टि ने शास्त्रीय यांत्रिकी और इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों के साथ इस मॉडल के विरोधाभासों को हल नहीं किया।

विरोधाभास 1: चूंकि स्थिर विद्युत आवेशों की प्रणाली अस्थिर है, रदरफोर्ड ने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रॉन स्थिर नहीं हैं, बल्कि नाभिक के चारों ओर घूमते हैं; जिसका अर्थ है कि उनमें अभिकेन्द्रीय त्वरण है। लेकिन साथ ही, शास्त्रीय भौतिकी की अवधारणाओं के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉन को, किसी भी त्वरित गतिमान आवेश की तरह, लगातार विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करना चाहिए। इस बीच सामान्य अवस्था में परमाणु उत्सर्जित नहीं होते।

विरोधाभास 2: विद्युत चुम्बकीय तरंगों को उत्सर्जित करने की प्रक्रिया में ऊर्जा खोते हुए, इलेक्ट्रॉन को अंततः नाभिक पर गिरना चाहिए (अनुमानित गिरावट का समय ~ 10 -8 सेकंड)। नतीजतन, रदरफोर्ड के मॉडल के अनुसार, परमाणु एक अस्थिर प्रणाली है, जो वास्तविकता का खंडन करती है।

विरोधाभास 3: रदरफोर्ड के अनुसार, नाभिक के चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन कूलम्ब बलों द्वारा धारण किए जाते हैं:

परमाणु प्रभार कहाँ है, एम – इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान, – इसकी गति, आर – कक्षा की त्रिज्या. त्रिज्या के बाद से आर कोई प्रतिबंध नहीं लगाया गया है; इलेक्ट्रॉन की गति, और इसलिए इसकी गतिज ऊर्जा, कुछ भी हो सकती है।

इसका मतलब यह है कि परमाणु का उत्सर्जन स्पेक्ट्रम निरंतर होना चाहिए। हालाँकि, वास्तविक परमाणु उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में अलग-अलग रेखाएँ होती हैं (जो रेखाओं की एक श्रृंखला में संयोजित होती हैं)।

वे। परमाणु का परमाणु मॉडल परमाणु की स्थिरता या परमाणु स्पेक्ट्रम की प्रकृति की व्याख्या करने में असमर्थ था. इस स्थिति से बाहर निकलने का एक रास्ता 1913 में बोह्र द्वारा खोजा गया, जिन्होंने परमाणु का एक नया मॉडल प्रस्तावित किया, जिसमें ऐसी धारणाएँ प्रस्तुत की गईं जो शास्त्रीय विचारों के विपरीत थीं। उन्होंने अपने सिद्धांत को दो अभिधारणाओं पर आधारित किया।

अब मुझे पता चला कि परमाणु कैसा दिखता है!

अर्नेस्ट रदरफोर्ड, 1911

एक दिन, खेती के अंदरूनी इलाके में, जिसे माओरी लोग एओटेरोआ कहते हैं, जिसे लंबे सफेद बादलों की भूमि कहा जाता है, एक युवा निवासी आलू खोद रहा था। गहरी दृढ़ता के साथ, उस व्यक्ति ने फावड़े से जमीन खोदी, और ऐसी फसल निकाली जिससे उसके परिवार को कठिन समय में जीवित रहने में मदद मिलेगी। यह संभावना नहीं है कि उन्हें वहां सोने की डली मिलने की उम्मीद थी - न्यूजीलैंड के अन्य हिस्सों के विपरीत, उनका क्षेत्र अपनी खदानों के लिए प्रसिद्ध नहीं था - लेकिन उनका भविष्य सुनहरा था।

अर्नेस्ट रदरफोर्ड, जिनका परमाणु की गहराई को देखने वाला पहला व्यक्ति बनना तय था, का जन्म न्यूजीलैंड में शुरुआती निवासियों के एक परिवार में हुआ था। उनके दादा जॉर्ज रदरफोर्ड, डंडी, स्कॉटलैंड के एक पहिया चालक, एक आराघर बनाने में मदद करने के लिए दक्षिण द्वीप के सिरे पर नेल्सन कॉलोनी में आए थे। जब यह तैयार हो गया, तो रदरफोर्ड सीनियर परिवार को वैरोआ नदी घाटी में नेल्सन के दक्षिण में ब्राइटवॉटर (अब स्प्रिंग ग्रोव) गांव में ले गए। वहां, जॉर्ज के बेटे जेम्स, जो सन उगाते थे और ऐसा करके अपनी आजीविका कमाते थे, ने अंग्रेजी प्रवासी मार्था से शादी की, जिसने 30 अगस्त, 1871 को अर्नेस्ट को जन्म दिया।

नेल्सन स्कूल में और बाद में साउथ आइलैंड के सबसे बड़े और सबसे अंग्रेजी शहर क्राइस्टचर्च में कैंटरबरी कॉलेज में, रदरफोर्ड ने खुद को एक मेहनती और सक्षम छात्र साबित किया। भविष्य के वैज्ञानिक के सहपाठियों में से एक ने उन्हें "एक सहज, ईमानदार, सरल और बहुत ही सुखद युवा व्यक्ति के रूप में याद किया, हालांकि वह कोई प्रतिभाशाली बच्चा नहीं था, अगर वह लक्ष्य देखता था, तो वह तुरंत मुख्य चीज़ को समझ लेता था" 11।

अर्नेस्ट रदरफोर्ड (1871-1937), परमाणु भौतिकी के जनक।

रदरफोर्ड के कुशल हाथों ने किसी भी यांत्रिक उपकरण के साथ अद्भुत काम किया। प्रयोगकर्ता के युवा शौक ने उसे परमाणुओं और परमाणु नाभिक के साथ सूक्ष्म हेरफेर के लिए अच्छी तरह से तैयार किया। एक सर्जन के योग्य कौशल के साथ, उन्होंने घड़ियों को अलग किया, जल मिलों के कार्यशील मॉडल बनाए और यहां तक ​​कि तस्वीरें लेने के लिए एक शौकिया कैमरा भी बनाया। कैंटरबरी में, यूरोप में खोजी गई विद्युत चुम्बकीय घटनाओं के बारे में जानने के बाद, उन्होंने अपना स्वयं का इंस्टॉलेशन बनाने का निर्णय लिया। हर्ट्ज़ के बाद, उन्होंने एक रेडियो ट्रांसमीटर और रिसीवर इकट्ठा किया, जिसने मार्कोनी के वायरलेस टेलीग्राफ के आविष्कार की आशा की। रदरफोर्ड ने प्रदर्शित किया कि रेडियो तरंगें लंबी दूरी तय कर सकती हैं, दीवारों से गुजर सकती हैं और लोहे को चुम्बकित कर सकती हैं। उनके मूल अनुभवों ने उन्हें कैंब्रिज, इंग्लैंड में एक स्थान के लिए आवेदन करने का अवसर दिया।

संयोगवश, जिस वर्ष रदरफोर्ड का जन्म हुआ, उसी वर्ष कैम्ब्रिज में एक नई भौतिकी प्रयोगशाला का आयोजन किया गया, जिसके पहले निदेशक मैक्सवेल बने। कैवेंडिश प्रयोगशाला, नाम दिया गया। इसलिए प्रतिभाशाली भौतिक विज्ञानी हेनरी कैवेंडिश के सम्मान में (वैसे, अन्य बातों के अलावा, वह रासायनिक तत्व के रूप में हाइड्रोजन को अलग करने वाले पहले व्यक्ति थे), यह परमाणु भौतिकी के विश्व केंद्र में बदल गया। यह प्रसिद्ध विश्वविद्यालय शहर के केंद्र के पास, फ्री स्कूल लेन पर स्थित है। मैक्सवेल ने स्वयं निर्माण की निगरानी की और दुनिया की पहली भौतिक अनुसंधान प्रयोगशाला के लिए उपकरणों का चयन किया। 1879 में मैक्सवेल की मृत्यु के बाद, निर्देशक की कुर्सी एक अन्य प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी, लॉर्ड रेले ने संभाली। और 1884 में, अद्वितीय जे.जे. (जोसेफ जॉन) थॉमसन ने सरकार की बागडोर संभाली।

लंबे काले बाल, घनी मूंछें और तार-किनारे वाले चश्मे वाला यह ऊर्जावान और बहुमुखी व्यक्ति विज्ञान शिक्षा में क्रांति के पीछे प्रेरक शक्तियों में से एक बन गया जिसने छात्रों के लिए अनुसंधान के विशाल अवसर खोले। पहले, भौतिकी के छात्रों के लिए प्रायोगिक कार्य केवल एक लंबे भोज के अंत में मिठाई के रूप में किया जाता था जहाँ गणितीय विषय परोसे जाते थे। हालाँकि, इस व्यवहार को भी शिक्षकों ने अनिच्छा से साझा किया। छात्र द्वारा यांत्रिकी, थर्मल घटना, प्रकाशिकी और अन्य सैद्धांतिक विषयों में सभी परीक्षाएं उत्तीर्ण करने के बाद, उसे कभी-कभी थोड़े समय के लिए कुछ उपकरणों को छूने की अनुमति दी जाती थी। कैवेंडिश में, अपने शीर्ष उपकरणों के साथ, ये छोटे स्वाद पूर्ण भोजन में बदल गए। थॉमसन ने नई प्रणाली का उत्साहपूर्वक स्वागत किया, जिसने दूसरे विश्वविद्यालय के एक छात्र को कैम्ब्रिज आने और एक स्थानीय वैज्ञानिक की देखरेख में शोध करने की अनुमति दी। अपने परिणामों के आधार पर, आमंत्रित व्यक्ति ने एक शोध प्रबंध लिखा और उच्च डिग्री प्राप्त की। आज हम पीएचडी धारकों को हल्के में लेते हैं क्योंकि वे ही अकादमिक जगत से जुड़ते हैं। लेकिन 19वीं सदी के अंत में. ऐसी प्रणाली नवोन्मेषी थी और भौतिकी में क्रांति आने में ज्यादा समय नहीं था।

1895 में नवाचार पूरी ताकत से लागू हुए और रदरफोर्ड आमंत्रित किए गए पहले छात्रों में से थे। उन्हें "1851 छात्रवृत्ति" प्राप्त हुई, जो ब्रिटिश डोमिनियन (अब एक राष्ट्रमंडल देश) के देशों के युवा प्रतिभाशाली लोगों को प्रदान की जाती थी। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के लिए प्रांतीय न्यूजीलैंड का आदान-प्रदान करने के बाद, रदरफोर्ड ने न केवल अपने करियर को, बल्कि संपूर्ण परमाणु भौतिकी को भी लाभ पहुंचाने के लिए काम किया।

रदरफोर्ड ने भाग्य के इस उपहार को कैसे स्वीकार किया, इसके बारे में एक किंवदंती है। वे कहते हैं कि उनकी माँ को खुशखबरी वाला एक तार मिला और वह उस खेत में गईं जहाँ वह आलू खोद रहे थे। जब उसने अपने बेटे को पढ़ा कि उसे कितना सम्मान मिला है, तो पहले तो उसे अपने कानों पर विश्वास नहीं हुआ, लेकिन, बमुश्किल अपनी खुशी का एहसास हुआ, उसने फावड़ा फेंक दिया और कहा: "आज मैंने आखिरी बार आलू खोदा!" 12

अपना घरेलू रेडियो लेकर रदरफोर्ड लंदन के लिए रवाना हुए। वहां वह तुरंत केले के छिलके पर फिसल गए और उनके घुटने में चोट लग गई, लेकिन, सौभाग्य से, धूमिल शहर की भूलभुलैया के माध्यम से बाद की पूरी यात्रा बिना किसी रोक-टोक के गुजर गई। जैसे-जैसे वह उत्तर की ओर बढ़ा, धुंध ने ताजी हवा का मार्ग प्रशस्त कर दिया और शहर की जगह अंग्रेजी परिदृश्य और कैम नदी पर विभिन्न कॉलेजों की पवित्र रूपरेखा ने ले ली। यहां रदरफोर्ड ट्रिनिटी कॉलेज में बस गये। 1546 में राजा हेनरी अष्टम द्वारा स्थापित कॉलेज के महान द्वार और न्यूटन के गौरवशाली कार्यों की किंवदंतियाँ आज भी यहाँ प्रवेश करते समय छात्रों के श्रद्धापूर्ण कदमों पर हावी रहती हैं। (कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय कई कॉलेजों में विभाजित है जहां छात्र पढ़ते हैं और रहते हैं, और ट्रिनिटी कॉलेज उनमें से सबसे बड़ा है।) ट्रिनिटी कॉलेज छोड़ने और थोड़ी पैदल दूरी का आनंद लेने के बाद, आप लगभग तुरंत खुद को कैवेंडिश प्रयोगशाला में पाते हैं।

रदरफोर्ड दुनिया भर से कैंब्रिज अनुसंधान प्रयोगशालाओं में आने वाले छात्रों में से एकमात्र नहीं थे। थॉमसन ने यहां व्याप्त भिन्नता की एकता की भावना को संजोया और हर दिन दोपहर के भोजन के बाद उन्होंने युवा कर्मचारियों को चाय पर आमंत्रित किया। बाद में उन्होंने याद किया: “हमने दुनिया की हर चीज़ के बारे में बात की, लेकिन भौतिकी के बारे में नहीं। मैंने भौतिकी के बारे में बात करने के लिए प्रोत्साहित नहीं किया क्योंकि हम आराम करने के लिए मिल रहे थे... और क्योंकि अपनी पक्षी भाषा बोलना सीखना आसान है, लेकिन सीखना कठिन है। और यदि आपको इसकी आदत नहीं है, तो सामान्य विषयों पर बातचीत बनाए रखने की क्षमता अनावश्यक के रूप में नष्ट हो जाएगी”13।

युवा शोधकर्ताओं को प्रोत्साहित करने के थॉमसन के प्रयासों के बावजूद, कैम्ब्रिज में दबाव स्पष्ट रूप से अपना असर डाल रहा था। रदरफोर्ड ने एक बार लिखा था, "जब मैं प्रयोगशाला से लौटता हूं, तो मैं खुद को बेचैन और आमतौर पर काफी घबराई हुई स्थिति में पाता हूं।" थोड़ा आराम करने के लिए, उन्होंने पाइप पीना शुरू कर दिया और इस आदत को जीवन भर बरकरार रखा। "कभी-कभी मैं एक कश लेता था," रदरफोर्ड आगे कहते हैं, "और मैं थोड़ा ध्यान केंद्रित करने में कामयाब रहा... विज्ञान के किसी भी व्यक्ति को पाइप पीना चाहिए, अन्यथा उसके पास धैर्य कहां हो सकता है? वैज्ञानिकों के पास इसे संयुक्त रूप से दस नौकरियों की तरह होना चाहिए”14।

स्थानीय छात्रों ने भी आने वाले लोगों के साथ अजनबी व्यवहार करके आग में घी डालने का काम किया। रदरफोर्ड के स्वर्णिम यौवन के सहपाठियों ने, उसे एंटीपोडिया के एक पहाड़ी व्यक्ति के रूप में चिढ़ाते हुए, उसके उत्साह को बढ़ाने के लिए कुछ नहीं किया। ऐसे ही एक बदमाश के बारे में, रदरफोर्ड ने कहा: "एक प्रयोगशाला सहायक है जिसकी छाती पर मुझे कोई आपत्ति नहीं होगी, एक सच्चे माओरी की तरह, युद्ध नृत्य कर रहा है" 15।

थॉमसन एक पांडित्यपूर्ण प्रयोगकर्ता थे और एक समय में बिजली के गुणों का उत्साहपूर्वक अध्ययन करते थे। मूल स्थापना को इकट्ठा करने के बाद, उन्होंने तथाकथित कैथोड किरणों पर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के संयुक्त प्रभाव का अध्ययन किया - एक नकारात्मक से सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड (बैटरी के संबंधित ध्रुव से जुड़ा एक संपर्क) से आने वाली बिजली की नकारात्मक चार्ज किरणें। . एक नकारात्मक चार्ज वाला इलेक्ट्रोड कैथोड किरणें उत्पन्न करता है, और एक सकारात्मक चार्ज वाला इलेक्ट्रोड उन्हें आकर्षित करता है।

विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र में आवेश अलग-अलग व्यवहार करते हैं। विद्युत क्षेत्र जिस बल से ऋणात्मक आवेश पर कार्य करता है वह क्षेत्र की दिशा के विपरीत दिशा में निर्देशित होता है। जहाँ तक चुंबकीय क्षेत्र की बात है, इसमें लगने वाला बल क्षेत्र के समकोण पर कार्य करता है। इसके अलावा, विद्युत बल के विपरीत, चुंबकीय बल आवेश की गति पर निर्भर करता है। थॉमसन ने यह पता लगाया कि इस गति को निर्धारित करने के लिए विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की भरपाई कैसे की जाए। और इसके लिए धन्यवाद, वह किरणों के आवेश और उनके द्रव्यमान का अनुपात निर्धारित कर सका। किरणों में कणों के आवेश को आयनित हाइड्रोजन के आवेश के बराबर रखकर, थॉमसन ने पाया कि उनका द्रव्यमान हाइड्रोजन की तुलना में कई हजार गुना कम था। सीधे शब्दों में कहें तो कैथोड किरणें प्राथमिक कणों से बनी होती हैं जो परमाणुओं की तुलना में बहुत हल्के होते हैं। परिस्थितियों को बदलने और प्रयोग को बार-बार दोहराने से थॉमसन को हमेशा एक ही परिणाम मिला। उन्होंने इन नकारात्मक आवेशित कणों को कणिकाएँ कहा, लेकिन बाद में उन्हें एक अलग नाम दिया गया: तब से यह वही हो गया - इलेक्ट्रॉन। वे परमाणु की समृद्ध दुनिया में एक छोटी सी खिड़की खोलने वाले पहले व्यक्ति थे।

थॉमसन की आश्चर्यजनक खोज को शुरू में वैज्ञानिक समुदाय द्वारा संदेह का सामना करना पड़ा। "पहले, कुछ लोगों का मानना ​​था कि ऐसी वस्तुएं थीं - एक परमाणु से भी छोटी," उन्होंने याद किया। - कई साल बाद, रॉयल सोसाइटी की एक बैठक में मेरे व्याख्यान में मौजूद एक उत्कृष्ट भौतिक विज्ञानी ने भी मुझे बताया कि उन्हें पूरा यकीन था कि मैं "हर किसी को बेवकूफ बना रहा हूं।" उनकी बातों से मुझे कोई आश्चर्य नहीं हुआ. मैंने स्वयं इस स्पष्टीकरण का विरोध किया, और केवल जब प्रयोगों ने मेरे पास कोई अन्य विकल्प नहीं छोड़ा, तब मैंने सार्वजनिक रूप से परमाणुओं से छोटे पिंडों के अस्तित्व की घोषणा की।

इस बीच, इंग्लिश चैनल के दूसरी ओर, रेडियोधर्मी क्षय की खोज ने परमाणु की अविभाज्यता के बारे में प्रचलित विचारों पर संदेह पैदा कर दिया। 1896 में, पेरिस के भौतिक विज्ञानी हेनरी बेकरेल ने काले कागज में लिपटी एक फोटोग्राफिक प्लेट पर यूरेनियम नमक छिड़का और जब उन्होंने देखा कि प्लेट समय के साथ काली पड़ गई, तो उन्हें काफी आश्चर्य हुआ, जिसका मतलब था कि नमक से कुछ रहस्यमय किरणें निकल रही थीं। एक्स-रे के विपरीत, बेकरेल के एक्स-रे बिना किसी विद्युत उपकरण के अपने आप प्रकट हुए। वैज्ञानिक ने पाया कि विकिरण किसी यूरेनियम युक्त यौगिक से आया था। इसके अलावा, परिसर में जितना अधिक यूरेनियम था, उतना ही अधिक इसका विकिरण हुआ। यह मानना ​​तर्कसंगत था कि यह यूरेनियम परमाणु ही थे जो इस विकिरण को उत्सर्जित करते थे।

पेरिस में काम करने वाली पोलिश मूल की भौतिक विज्ञानी मैरी स्कोलोडोव्स्का-क्यूरी ने बेकरेल के प्रयोगों को दोहराया, और अपने पति पियरे के साथ मिलकर उनके द्वारा खोजे गए दो तत्वों में रहस्यमय विकिरण पाया: रेडियम और पोलोनियम। उत्तरार्द्ध ने यूरेनियम की तुलना में और भी अधिक तीव्रता से उत्सर्जन किया, और समय के साथ उनकी मात्रा कम हो गई। मारिया ने "रेडियोधर्मिता" शब्द गढ़ा, जिसका उपयोग उन्होंने विशेष विकिरण जारी करने वाले परमाणुओं के सहज क्षय की घटना का वर्णन करने के लिए किया। रेडियोधर्मी प्रक्रियाओं में परमाणुओं की नाजुकता की उनकी ऐतिहासिक खोज के लिए, बेकरेल और क्यूरीज़ को 1903 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। डाल्टन के कालातीत तत्व, जिन्होंने एक सदी तक विज्ञान में सर्वोच्च स्थान हासिल किया था, गति में थे।

रदरफोर्ड ने इन घटनाओं का बड़ी दिलचस्पी से अनुसरण किया। जब उनके शिक्षक थॉमसन इलेक्ट्रॉन की खोज में व्यस्त थे, रदरफोर्ड ने इस तथ्य पर अपना ध्यान केंद्रित किया कि गैसों को रेडियोधर्मी पदार्थों के साथ आयनित किया जा सकता है। किसी कारण से, यूरेनियम और अन्य रेडियोधर्मी यौगिकों से आने वाली किरणों ने गैस को विद्युत जड़ता की स्थिति से हटा दिया और इसे विद्युत रूप से सक्रिय कंडक्टर में बदल दिया। रेडियोधर्मी विकिरण का व्यवहार ऐसा था जैसे चिंगारी पैदा करने के लिए दो छड़ियाँ आपस में रगड़ी जा रही हों।

लेकिन सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि रेडियोधर्मिता ने रदरफोर्ड में रुचि की चिंगारी जगाई और उसे इसके गुणों के व्यवस्थित अध्ययन में संलग्न होने के लिए मजबूर किया, जिसका उद्देश्य भौतिकी के बारे में हमारे विचारों में क्रांति लाना था। और नौसिखिया, जिसने रेडियो और अन्य विद्युत चुम्बकीय उपकरणों को असेंबल करना शुरू किया था, उसे अनुभव प्राप्त करना था और उच्चतम श्रेणी के प्रयोगकर्ता में बदलना था, जो रेडियोधर्मी विकिरण की मदद से परमाणु की दुनिया में यात्रा करने में सक्षम था। यह जानते हुए कि एक चुंबकीय क्षेत्र विभिन्न आवेशों को विभिन्न दिशाओं में विक्षेपित करता है, रदरफोर्ड ने महसूस किया कि रेडियोधर्मी किरणों में सकारात्मक और नकारात्मक घटक होते हैं। उन्होंने उन्हें क्रमशः अल्फा और बीटा विकिरण नाम दिए। (बीटा कण केवल इलेक्ट्रॉन बन गए, और जल्द ही रदरफोर्ड का वर्गीकरण विलार्ड द्वारा जारी रखा गया, जिन्होंने एक तीसरे, विद्युत रूप से तटस्थ घटक - गामा किरणों की खोज की।) एक चुंबकीय क्षेत्र में, अल्फा कण एक दिशा में मुड़ते हैं, और बीटा कण दूसरी दिशा में , जैसे सर्कस के मैदान के चारों ओर अलग-अलग दिशाओं में दौड़ने वाले घोड़े। रदरफोर्ड ने देखा कि प्रत्येक प्रकार के विकिरण को एक बाधा द्वारा कितना अवरुद्ध किया गया था और साबित किया कि बीटा किरणें अल्फा किरणों की तुलना में अधिक गहराई तक प्रवेश करती हैं। इसलिए, अल्फा कण बीटा कणों से बड़े होते हैं।

1898 में, रेडियोधर्मिता पर अपने शोध के बीच, रदरफोर्ड ने दिल के मामलों को सुलझाने के लिए एक ब्रेक लेने का फैसला किया। वह थोड़े समय के लिए न्यूजीलैंड गए, जहां उन्होंने अपनी हाई स्कूल प्रेमिका मैरी न्यूटन से शादी की। हालाँकि, वे इंग्लैंड नहीं लौटे। एक विवाहित व्यक्ति की आय अच्छी होनी चाहिए, रदरफोर्ड ने निष्कर्ष निकाला, और कनाडा के मॉन्ट्रियल में मैकगिल विश्वविद्यालय में एक प्रोफेसर के रूप में एक पद स्वीकार किया, जिसमें प्रति वर्ष £500 का वेतन था - उन दिनों अच्छा पैसा था, आज के बराबर $50,000। खुश जोड़ा ठंडे क्षेत्र में चला गया, जहां वैज्ञानिक ने जल्द ही अपना शोध जारी रखा।

मैकगिल में, रदरफोर्ड अल्फा कणों को उजागर करने और उनके असली रंग प्रकट करने के लिए पहले से कहीं अधिक उत्सुक थे। इलेक्ट्रॉनों के बजाय अल्फा किरणों के साथ चार्ज-टू-मास अनुपात निर्धारित करने के लिए थॉमसन के प्रयोगों को दोहराते हुए, उन्होंने अचानक देखा कि अल्फा कणों का चार्ज हीलियम आयनों के समान था। यह संदेह गहराता जा रहा था कि रेडियोधर्मी क्षय का सबसे भारी उत्पाद वास्तव में गुप्त रूप से यात्रा करने वाला हीलियम था।

जब रदरफोर्ड परमाणु रहस्यों को सुलझाने में कुछ मदद कर सकता था, तभी शहर में एक और ट्रैकर दिखाई दिया। 1900 में, इंग्लैंड के ससेक्स के एक रसायनज्ञ फ्रेडरिक सोड्डी (1877-1956) को मैकगिल विश्वविद्यालय में एक पद प्राप्त हुआ। रदरफोर्ड के प्रयोगों के बारे में जानने के बाद, वह अपना योगदान देना चाहते थे और साथ में उन्होंने रेडियोधर्मिता की घटना का अध्ययन करना शुरू किया। उन्होंने परिकल्पना की कि यूरेनियम, रेडियम और थोरियम जैसे रेडियोधर्मी परमाणु अन्य रासायनिक तत्वों के सरल परमाणुओं में विघटित हो जाते हैं, जिससे इस प्रक्रिया में अल्फा कण निकलते हैं। सोड्डी, जो मध्य युग के इतिहास से रोमांचित थे, ने अनुमान लगाया कि रेडियोधर्मी परिवर्तन, एक अर्थ में, कीमियागरों के पोषित सपने का अवतार थे जो आधार धातुओं से सोना प्राप्त करने की कोशिश कर रहे थे।

1903 में, रदरफोर्ड द्वारा रेडियोधर्मी परिवर्तनों के अपने संयुक्त सिद्धांत को प्रकाशित करने के तुरंत बाद, सोड्डी ने यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के विलियम रामसे के साथ सेना में शामिल होने का फैसला किया, जो सामान्य रूप से हीलियम और नोबल गैसों (नियॉन और अन्य) पर एक मान्यता प्राप्त विशेषज्ञ थे। रामसे और सोड्डी ने सावधानीपूर्वक प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की जिसमें रेडियोधर्मी रेडियम से अल्फा कणों को एक विशेष ग्लास ट्यूब में एकत्र किया गया। फिर वैज्ञानिकों ने परिणामी पर्याप्त सघन गैस की वर्णक्रमीय रेखाओं की जांच की, जो बिल्कुल हीलियम के समान निकलीं। वर्णक्रमीय रेखाएँ कुछ आवृत्तियों के आसपास संकीर्ण धारियाँ होती हैं (स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में ये कुछ रंग होते हैं)। प्रत्येक तत्व, प्रकाश उत्सर्जित या अवशोषित करके, रेखाओं का अपना सेट बनाता है। हीलियम के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम में, कुछ बैंगनी, पीली, हरी, नीली-हरी और लाल रेखाएँ हमेशा दिखाई देती हैं, साथ ही दो विशिष्ट नीली धारियाँ भी होती हैं। ये "उंगलियों के निशान" रामसे और सोड्डी के प्रयोगों में अकाट्य प्रमाण के रूप में काम करते थे कि अल्फा कण और आयनित हीलियम एक ही हैं।

सोड्डी ने "आइसोटोप" शब्द भी गढ़ा, जिसका उपयोग उन्होंने एक ही रासायनिक तत्व की किस्मों का वर्णन करने के लिए किया, जिनके परमाणु भार अलग-अलग थे। उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम, या "भारी" हाइड्रोजन, रासायनिक रूप से सामान्य हाइड्रोजन से अलग नहीं है, लेकिन इसका परमाणु भार लगभग दोगुना है। हाइड्रोजन का रेडियोधर्मी आइसोटोप, ट्रिटियम, आम तौर पर सामान्य हाइड्रोजन से लगभग तीन गुना भारी होता है। जब इसका क्षय होता है, तो यह हीलियम-3 उत्पन्न करता है, जो परिचित हीलियम का एक हल्का आइसोटोप है। सोड्डी ने रेडियोधर्मी विस्थापन का नियम विकसित किया: अल्फा क्षय के परिणामस्वरूप, आवर्त सारणी में एक तत्व दो स्थान पीछे चला जाता है, जैसे कि बोर्ड गेम में उसकी चाल खराब हो। इसके विपरीत, बीटा क्षय, किसी को आगे बढ़ने का अधिकार देता है, और अगली कोशिका में बैठे तत्व के आइसोटोप में से एक प्राप्त होता है। इसका जीवंत उदाहरण ट्रिटियम का क्षय है, जो हीलियम-3 में परिवर्तित होकर एक कोशिका और आगे बढ़ जाता है।

आइए कल्पना करें कि आप गलती से गेंदों वाली एक समझ से बाहर मशीन पर आते हैं और आप इसकी सामग्री नहीं देखते हैं। कभी-कभी इसमें से नीली गेंदें उछलती हैं, और मशीन एक बार झपकती है, और कभी-कभी लाल गेंदें, जिनकी उपस्थिति दो चमक के साथ होती है। यहां से हम कैसे समझेंगे कि अंदर क्या हो रहा है? आप शायद यह मान सकते हैं कि मशीन में लाल और नीली गेंदों का एक सजातीय मिश्रण है, जो हलवे में किशमिश की तरह इधर-उधर बिखरा हुआ है।

1904 तक, भौतिकविदों को पता था कि रेडियोधर्मी प्रक्रियाओं में परमाणु एक-दूसरे में बदल जाते हैं, विभिन्न आवेशों और द्रव्यमान वाले कणों का उत्सर्जन करते हैं, लेकिन किसी को भी बड़ी तस्वीर के बारे में कोई जानकारी नहीं थी। थॉमसन ने इस विचार को आगे बढ़ाने का साहस किया कि सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज समान रूप से मिश्रित होते हैं, और चूंकि वे हल्के होते हैं, इसलिए उन्हें आंदोलन की अधिक स्वतंत्रता होती है। जब प्रयोगकर्ताओं ने इस हलवे को चखा, तो उन्हें उम्मीद थी, वे देखेंगे कि यह कितना अच्छा था। लेकिन अफ़सोस, पहला हलवा ढेलेदार निकला। और भाग्य ने तय किया कि यह फैसला थॉमसन के न्यूजीलैंड पसंदीदा द्वारा दिया जाएगा।

रदरफोर्ड के जीवन की अगली अवधि शायद सबसे अधिक फलदायी थी। 1907 में, मैनचेस्टर विश्वविद्यालय - डाल्टन का वैज्ञानिक पथ एक बार इन उत्तरी अंग्रेजी स्थानों से होकर गुजरता था - ने वैज्ञानिक को भौतिकी विभाग का प्रमुख बनने के लिए आमंत्रित किया। मैनचेस्टर को जो हासिल हुआ वह मैकगिल की हार थी। उस समय तक, रदरफोर्ड ने "अपनी किस्मत चमका ली थी", जैसा कि उन्होंने स्वयं, शेखी बघारते हुए, अपने जीवनी लेखक (और छात्र) आर्थर ईव 17 को टिप्पणी की थी, और पहले से ही विज्ञान में एक उल्लेखनीय व्यक्ति थे। एक सच्चे कर्णधार की तरह, उन्होंने अपने जहाज को दृढ़ हाथ से चलाया: उन्होंने सर्वश्रेष्ठ युवा शोधकर्ताओं को काम पर रखा, उन्हें दिलचस्प कार्य सौंपे और जो उम्मीदों पर खरे नहीं उतरे उन्हें निकाल दिया। तेज़-तर्रार, कभी-कभी तेज़-तर्रार और कभी-कभी हर कीमत पर वाद्ययंत्रों को कोसने वाले, अपने अचूक पाइप और मूंछों वाले प्रोफेसर ने वास्तव में अपने अधीनस्थों में डर पैदा कर दिया। लेकिन क्रोध का प्रकोप शीघ्र ही समाप्त हो गया, सूखते बादलों के पीछे से चमकीला सूरज प्रकट हो गया, और तब दुनिया में रदरफोर्ड से अधिक मित्रवत, अधिक अच्छे स्वभाव वाला और अधिक सहायक कोई नहीं था।

उस समय, मैनचेस्टर बायोकेमिस्ट और इज़राइल के भावी पहले राष्ट्रपति चैम वीज़मैन उनके करीबी बन गए। उन्होंने रदरफोर्ड को "जीवंत, ऊर्जावान और उत्साही" बताया। उन्हें सिर्फ विज्ञान ही नहीं, हर चीज़ की परवाह थी। उन्होंने स्वेच्छा से और ऊर्जावान ढंग से दुनिया की हर चीज़ पर चर्चा की, भले ही उन्हें किसी चीज़ के बारे में ज़रा भी अंदाज़ा न हो। रात के खाने के लिए भोजन कक्ष में जाते समय, मैंने पहले से ही गलियारे में उसकी दोस्ताना आवाज़ की गूंज सुनी... वह अच्छे स्वभाव का था, लेकिन वह मूर्खों को बर्दाश्त नहीं कर सकता था" 18।

वीज़मैन ने रदरफोर्ड की तुलना आइंस्टीन से करते हुए याद किया, जिन्हें वह भी अच्छी तरह से जानते थे: “वैज्ञानिकों के रूप में, ये दोनों व्यक्ति एक-दूसरे के विपरीत थे: आइंस्टीन पूरी तरह से गणना करने वाले थे, रदरफोर्ड पूरी तरह से प्रयोग करने वाले थे। लेकिन जीवन में वे एक जैसे नहीं थे। आइंस्टीन अप्राप्य लग रहे थे, और रदरफोर्ड एक बड़े, उत्साही न्यूज़ीलैंडवासी की तरह लग रहे थे। प्रयोग के क्षेत्र में, निस्संदेह, रदरफोर्ड एक प्रतिभाशाली व्यक्ति था, सर्वश्रेष्ठ में से एक। उनमें एक विशेष प्रतिभा थी और वह जो कुछ भी छूते थे, सब कुछ सोने में बदल जाता था” 19.

मैनचेस्टर में, रदरफोर्ड ने महत्वाकांक्षी योजनाएँ बनाईं: एक परमाणु को अल्फा कणों से विभाजित करना और देखना कि अंदर क्या था। उन्होंने अनुमान लगाया कि अपेक्षाकृत बड़े अल्फा कण एक आदर्श उपकरण थे के लिएपरमाणु की गहरी संरचना पर शोध। सबसे पहले, वह थॉमसन के पुडिंग मॉडल की ताकत का परीक्षण करना चाहते थे और समझना चाहते थे कि क्या यह सच है कि परमाणु प्रभावशाली सकारात्मक चार्ज वाले टुकड़ों और छोटे नकारात्मक चार्ज का एक समूह था। जीतने के लिए दृढ़ संकल्पित, रदरफोर्ड अपने प्रतिस्पर्धियों की नाक के नीचे से दो मूल्यवान पुरस्कार चुराने में कामयाब रहे: रेडियम की बहुप्रतीक्षित आपूर्ति (उन्होंने इसके लिए रामसे के साथ लड़ाई की) और जर्मन भौतिक विज्ञानी हंस गीगर का उज्ज्वल सिर, जिन्होंने पहले उनके अधीन काम किया था विभाग के पूर्व प्रमुख. रदरफोर्ड ने गीगर को अल्फा कणों का पता लगाने का एक विश्वसनीय तरीका विकसित करने का कार्य सौंपा।

गीगर द्वारा प्रस्तावित विधि - एक धातु ट्यूब के इलेक्ट्रोड के बीच कूदने वाली चिंगारी की गिनती जब अल्फा कण, अंदर बंद गैस को आयनित करते हुए, इसे एक कंडक्टर में बदल देते हैं - प्रसिद्ध काउंटर का आधार बना, जिसका नाम आविष्कार के लेखक के नाम पर रखा गया है। गीगर काउंटर। यह मीटर इसलिए काम करता है क्योंकि विद्युत धाराएं बंद सर्किट में प्रवाहित होती हैं। हर बार जब नमूना एक अल्फा कण उत्सर्जित करता है, तो इलेक्ट्रोड और संवाहक गैस के माध्यम से एक सर्किट पूरा हो जाता है और एक श्रव्य क्लिक सुनाई देता है। गीगर की उपयोगी खोज के बावजूद, रदरफोर्ड ने आमतौर पर एक अलग पंजीकरण पद्धति का इस्तेमाल किया। उन्होंने जिंक सल्फाइड से लेपित एक स्क्रीन ली, एक ऐसी सामग्री जिसमें अल्फा कणों की बमबारी से प्रकाश की छोटी चमक पैदा होती है, जिसे सिंटिलेशन कहा जाता है।

1908 में, रदरफोर्ड ने रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार प्राप्त करने के लिए अपने शोध को बाधित कर दिया, जो उन्हें अल्फा कणों के अध्ययन के लिए दिया गया था। लेकिन प्रयोगशाला काफी समय तक खाली थी. विश्वसनीय पता लगाने के तरीकों से लैस होकर, वह नए प्रयोगों की ओर बढ़े, जिसमें गीगर और प्रतिभाशाली, हालांकि अभी तक विश्वविद्यालय से स्नातक नहीं हुए, अर्नेस्ट मार्सडेन ने भी भाग लिया।

20 वर्षीय (1909) मार्सडेन का भाग्य आश्चर्यजनक रूप से रदरफोर्ड के भाग्य के समान था। मार्सडेन भी एक साधारण पृष्ठभूमि से आये थे। उनके पिता इंग्लैंड के लंकाशायर में एक प्रांतीय कपड़ा कारखाने में सूती कपड़े बनाने का काम करते थे। रदरफोर्ड अपने मूल न्यूजीलैंड से इंग्लैंड चले गए - मार्सडेन के लिए, बाद में सब कुछ बिल्कुल विपरीत हो गया। जब वे विश्वविद्यालय में थे तभी उन दोनों ने दिलचस्प प्रयोग करना शुरू कर दिया। जहां तक ​​मार्सडेन का सवाल है, अपनी पढ़ाई पूरी करने से पहले ही उसे अपनी प्रतिभा का परीक्षण करने के लिए आमंत्रित किया गया था।

रदरफोर्ड ने बाद में उस वार्म-अप प्रश्न को याद किया, जिसके परिणामस्वरूप गीगर और मार्सडेन के बीच एक उपयोगी सहयोग हुआ। "एक दिन गीगर मेरे पास आए और बोले: "शायद युवा मार्सडेन के लिए थोड़ा शोध करने का समय आ गया है?" मैं पहले से ही इस बारे में सोच रहा था, इसलिए मैंने उत्तर दिया: "फिर उसे देखने दो कि क्या कोई अल्फा कण बड़े कोणों पर बिखरे हुए हैं।"20

रदरफोर्ड, जो सही समय पर सही प्रश्न पूछने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध थे, ने महसूस किया कि यदि अल्फा कण अचानक धातु से वापस उड़ते हुए दिखाई देते हैं, तो इससे पदार्थ की संरचना के बारे में पता चल जाएगा। निःसंदेह, वह यह देखने में रुचि रखते थे कि क्या होगा, लेकिन उन्हें प्रयोग के सकारात्मक परिणाम की अधिक आशा नहीं थी। लेकिन इस विकल्प को पूरी तरह से ख़ारिज नहीं किया जा सकता. तुम्हें पता ही नहीं चलता, अचानक भीतर कुछ छिपा है, जिससे कण उछल पड़ेंगे। अपनी किस्मत न आज़माना पाप होता.

कुछ विशेष रूप से संवेदनशील मापों में, कण भौतिकविदों को शिकार की तलाश में रहने वाले रात्रिचर जानवरों की तरह होना चाहिए। यदि आप केवल अंधेरे में अच्छी तरह से देख सकते हैं तो आप उसकी थोड़ी सी भी हरकत को पकड़ सकते हैं। इस गतिविधि में युवा शोधकर्ताओं को फायदा है। और बेहतर दृष्टि के कारण भी नहीं, बल्कि धैर्य के कारण। यह आश्चर्य की बात नहीं है कि रदरफोर्ड और गीगर ने अल्फा कणों के प्रकीर्णन की निगरानी के लिए बीस वर्षीय मार्सडेन को नियुक्त किया। उन्हें निर्देश दिया गया था कि जितना संभव हो सके खिड़कियों पर पर्दा डाला जाए, फिर बैठ जाएं और तब तक इंतजार करें जब तक पुतलियां इतनी फैल न जाएं कि चारों तरफ से रोशनी की हल्की सी झलक मिल सके। तभी अवलोकन शुरू करना संभव हो सका।

मार्सडेन ने अलग-अलग मोटाई और विभिन्न धातुओं (सीसा, प्लैटिनम और अन्य) की प्लेटों को रेडियम यौगिकों के साथ एक ग्लास एम्प्यूल के बगल में रखा और एम्पौल से निकलने वाले अल्फा कणों के प्लेट से टकराने और इसके माध्यम से गुजरने या उछलने का इंतजार किया। जिंक सल्फाइड वाली एक स्क्रीन एक सिंटिलेटर के रूप में काम करती है। इससे पता चला कि कितने कण परावर्तित हुए और किस कोण पर। अगली धातु के साथ समाप्त होने के बाद, मार्सडेन ने गीगर को उन सभी चमक के साथ डेटा दिखाया जो उसकी गहरी आँखों ने देखी थीं। साथ में उन्होंने पाया कि सोने की पतली चादरें सबसे अधिक प्रतिबिंब उत्पन्न करती हैं। लेकिन वे ज्यादातर अल्फा कणों को भी अंदर जाने देते हैं, जैसे कि पन्नी दूसरी दुनिया से आई हो। और जब कभी-कभी परावर्तन होता है, तो कण बहुत बड़े कोण (90 डिग्री या अधिक) पर उछलते हैं। नतीजतन, वे स्पष्ट रूप से सोने की गहराई में कुछ ठोस संघनन पर विघटित हो गए।

खुशी से झूमते हुए, गीगर रदरफोर्ड की ओर दौड़ा और रदरफोर्ड के अत्यंत प्रसन्न होते हुए उसने घोषणा की: "आखिरकार हमें उछलते हुए अल्फा कण मिल गए हैं!"

रदरफोर्ड ने याद करते हुए कहा, "यह मेरे जीवन की सबसे अविश्वसनीय घटना थी।" "यह लगभग उतना ही अविश्वसनीय है जैसे कि आपने टिशू पेपर स्क्रीन पर 15 इंच का ग्रेनेड फेंका हो और वह वापस आपकी ओर उछले।"21

यदि परमाणु, जैसा कि थॉमसन ने सोचा था, वास्तव में किशमिश के हलवे की तरह है, तो सोने के परमाणुओं के अंदर आवेशों के अनाकार मिश्रण को पन्नी में उड़ने वाले अल्फा कणों को दृढ़ता से विक्षेपित नहीं करना चाहिए, और फिर वे अक्सर छोटे कोणों पर बिखर जाएंगे। लेकिन गीगर और मार्सडेन ने कुछ अलग किया। यह ऐसा है जैसे एक अच्छा बेसबॉल खिलाड़ी एक परमाणु के अंदर बैठा है: जब प्रक्षेप्य स्ट्राइक ज़ोन में होता है, तो हिटर इसे अपनी पूरी ताकत से मारता है, और यदि प्रक्षेप्य इस क्षेत्र से आगे जाता है, तो यह स्वतंत्र रूप से आगे उड़ता है।

1911 में रदरफोर्ड ने थॉमसन के मॉडल के बजाय अपना मॉडल प्रस्तावित करने का निर्णय लिया। "मुझे लगता है कि मैं जयजय से कहीं बेहतर परमाणु लेकर आया हूं," उन्होंने एक सहकर्मी 22 के साथ साझा किया। लेख में, उन्होंने क्रांतिकारी विचार को रेखांकित किया कि प्रत्येक परमाणु के केंद्र में एक छोटा, सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया नाभिक होता है, जिसमें परमाणु के द्रव्यमान का बड़ा हिस्सा होता है। जब अल्फा कण सोने के परमाणुओं से टकराते थे, तो यह वह चमगादड़ था जिसने उन्हें वापस गिरा दिया था, और तब भी केवल सबसे सटीक कण ही ​​बैल की आंख पर वार करने में कामयाब रहे थे।

इससे पता चलता है कि परमाणु में मुख्यतः शून्यता होती है। कोर इसकी मात्रा का एक दयनीय अंश घेरता है, बाकी सब कुछ अथाह शून्यता है। यदि आप एक परमाणु को पृथ्वी के आकार तक बड़ा करें, तो नाभिक का व्यास एक फुटबॉल स्टेडियम के व्यास के बराबर होगा। रदरफोर्ड ने लंदन के एक विशाल कॉन्सर्ट हॉल, रॉयल अल्बर्ट हॉल में एक मच्छर का पता लगाने की कोशिश के साथ लक्ष्यित तोप के गोले पर फायरिंग की तुलना की।

अपने छोटे आकार के बावजूद, नाभिक परमाणु के गुणों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। रदरफोर्ड ने अनुमान लगाया कि आवर्त सारणी में एक परमाणु की स्थिति, या दूसरे शब्दों में, परमाणु क्रमांक, नाभिक के धनात्मक आवेश के परिमाण पर निर्भर करता है। हाइड्रोजन में, परमाणु आवेश इलेक्ट्रॉन आवेश के निरपेक्ष मान के बराबर होता है, और अन्य तत्वों के लिए आवेश की इस मात्रा को परमाणु संख्या से गुणा किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, सोना, 79वाँ तत्व, का सकारात्मक परमाणु आवेश उनहत्तर इलेक्ट्रॉन आवेशों के बराबर है। धनात्मक केंद्रीय आवेश ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉनों की संगत संख्या द्वारा संतुलित होता है। परिणामस्वरूप, परमाणु, यदि आयनित नहीं है, विद्युत रूप से तटस्थ है। जैसा कि रदरफोर्ड ने तर्क दिया, ये इलेक्ट्रॉन नाभिक पर केन्द्रित गोले पर समान रूप से वितरित होते हैं।

हालाँकि रदरफोर्ड का मॉडल भौतिकी को एक नए स्तर पर ले गया, फिर भी कुछ प्रश्न खुले रहे। इसने गीजर-मार्सडेन प्रकीर्णन प्रयोगों को पूरी तरह से समझाया, लेकिन उस समय ज्ञात परमाणु के कई प्रयोगात्मक गुण एक रहस्य बने रहे। उदाहरण के लिए, वर्णक्रमीय रेखाओं को लें - मॉडल के ढांचे के भीतर, यह स्पष्ट नहीं था कि हाइड्रोजन, हीलियम और अन्य तत्वों में वे एक विशिष्ट पैटर्न क्यों बनाते हैं। यदि किसी परमाणु में इलेक्ट्रॉन समान रूप से मिश्रित होते हैं, तो परमाणु स्पेक्ट्रा इतने विषम क्यों होते हैं? और समग्र चित्र में हम प्लैंक के क्वांटम विचार और आइंस्टीन के फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए जगह कहां पा सकते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉन सीमित भागों में ऊर्जा प्राप्त करता है और छोड़ता है?

एक सुखद संयोग से, 1912 के वसंत में, डेनमार्क से एक अतिथि रदरफोर्ड की प्रयोगशाला में आया, जिसका ज्ञान काम आया। नील्स बोह्र, बड़े नैन-नक्शों वाला एक मजबूत कद-काठी वाला युवक, ने हाल ही में कोपेनहेगन में अपने शोध प्रबंध का बचाव किया था और, कैम्ब्रिज में थॉमसन के साथ छह महीने बिताने के बाद, मैनचेस्टर के लिए रवाना हो गया। उन्होंने रदरफोर्ड को पहले ही एक पत्र लिखकर कहा था कि उन्हें रेडियोधर्मिता के क्षेत्र में काम करने में कोई आपत्ति नहीं होगी। थॉमसन से उन्हें रदरफोर्ड के नाभिक के विचार के बारे में पता चला और वे इसके परिणामों का अधिक विस्तार से अध्ययन करना चाहते थे। एक बार, जब बोह्र परमाणुओं के साथ अल्फा कणों के टकराव की प्रक्रिया की गणना कर रहे थे, तो उनके दिमाग में एक परिकल्पना आई: क्या होगा यदि नाभिक के पास दोलन करने वाले एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा सख्ती से परिभाषित मूल्यों, प्लैंक स्थिरांक के गुणकों पर ले ले? इस प्रकार, एक झटके में, बोह्र ने परमाणुओं को क्वांटम सिद्धांत के बहुरूपदर्शक में डाल दिया।

उस वर्ष की गर्मियों में कोपेनहेगन लौटकर, बोह्र ने परमाणु की संरचना के बारे में सोचना जारी रखा। उन्हें इस सवाल में दिलचस्पी थी कि परमाणु अपने आप क्यों नहीं ढहते। किसी चीज़ को नकारात्मक इलेक्ट्रॉनों को पकड़ना चाहिए ताकि वे पृथ्वी पर उल्कापिंड की तरह सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक से न टकराएं। न्यूटोनियन भौतिकी में एक विशेष संरक्षित मात्रा है, कोणीय संवेग (कोणीय संवेग)। सीधे शब्दों में कहें तो, जब कोई पिंड घूमता है, तो क्रांतियों की संख्या और अक्ष की दिशा दोनों अपरिवर्तित रहती हैं। अर्थात्, द्रव्यमान, गति और कक्षीय त्रिज्या का गुणनफल अक्सर एक स्थिर मान होता है। यह अकारण नहीं है कि एक स्केटर तेजी से घूमना शुरू कर देता है जब वह केवल एक निश्चित ऊर्जा के साथ अपनी कक्षाओं पर दबाव डालता है। अर्थात्, इलेक्ट्रॉन केवल परमाणु नाभिक से कुछ निश्चित दूरी पर स्थित हो सकते हैं, या, दूसरे शब्दों में, अलग-अलग स्तरों - क्वांटम अवस्थाओं पर कब्जा कर सकते हैं।

बोह्र के अनुमान ने तुरंत इस सवाल में बड़ी प्रगति करना संभव बना दिया कि परमाणुओं में वर्णक्रमीय रेखाओं के सेट बिल्कुल वैसे ही क्यों हैं जैसे वे हैं और अन्य नहीं। परमाणु के बोहर मॉडल में, इलेक्ट्रॉन, यदि वे किसी विशिष्ट क्वांटम अवस्था में हैं, तो ऊर्जा प्राप्त या जारी नहीं करते हैं - जैसे कि वे, एक ग्रह की तरह, बिल्कुल स्थिर, आदर्श कक्षा में उड़ते हैं। बोह्र के अनुसार, इलेक्ट्रॉन, मोटे तौर पर कहें तो, सूर्य-कोर के चारों ओर घूमने वाले छोटे बुध और शुक्र ग्रह की तरह हैं। लेकिन गुरुत्वाकर्षण बल के बजाय, वे सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक से कार्य करने वाले इलेक्ट्रोस्टैटिक बल द्वारा केंद्र की ओर खींचे जाते हैं। हालाँकि, यहीं पर सौर मंडल के साथ सादृश्य समाप्त होता है, और बोह्र का सिद्धांत फिर एक पूरी तरह से अलग मोड़ लेता है। ग्रहों के विपरीत, इलेक्ट्रॉन कभी-कभी एक क्वांटम अवस्था से दूसरे में, नाभिक में या, इसके विपरीत, नाभिक से छलांग लगाते हैं। छलांग अप्रत्याशित और तात्कालिक होती है, और इलेक्ट्रॉन उच्च या निम्न स्तर पर कूदता है या नहीं, इसके आधार पर ऊर्जा प्राप्त करता है या खो देता है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की तरह, परिणामी विकिरण की आवृत्ति की गणना स्थानांतरित ऊर्जा को प्लैंक स्थिरांक से विभाजित करके की जा सकती है। ऊर्जा के अंशों को ही बाद में फोटॉन या प्रकाश कण कहा गया। तो, हाइड्रोजन और अन्य तत्वों के उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में विशिष्ट रंग रेखाओं को इस तथ्य से समझाया जाता है कि इलेक्ट्रॉन, प्रकाश गिट्टी को फेंकते हुए, एक प्रकार का गोता लगाता है। वह जितना गहराई में जाता है, आवृत्ति उतनी ही अधिक होती है। बोह्र का मॉडल एक विजय था। उनकी भविष्यवाणियाँ आश्चर्यजनक रूप से उन ज्ञात सूत्रों से सटीक रूप से मेल खाती थीं जो हाइड्रोजन की वर्णक्रमीय रेखाओं के बीच की दूरी बताते हैं।

1913 की सर्दियों में, बोह्र ने रदरफोर्ड को परिणामों की सूचना दी और उनकी निराशा के कारण, उन्हें उनसे मिली-जुली प्रतिक्रिया मिली। व्यावहारिक रूप से सोचने पर रदरफोर्ड को मॉडल में एक बड़ी खामी नजर आई। उन्होंने बोह्र को लिखा: “मुझे आपकी परिकल्पना के संबंध में एक गंभीर कठिनाई का पता चला है, जिसके बारे में आप निस्संदेह पूरी तरह से अवगत हैं; यह इस प्रकार है: एक इलेक्ट्रॉन कैसे जान सकता है कि जब वह एक स्थिर अवस्था से दूसरी अवस्था में जाता है तो उसे किस आवृत्ति पर दोलन करना चाहिए? मुझे ऐसा लगता है कि आप यह मानने के लिए मजबूर हैं कि इलेक्ट्रॉन को पहले से पता होता है कि वह कहां रुकने वाला है।" 23

इस उपयुक्त टिप्पणी के साथ, रदरफोर्ड ने बोह्र के परमाणु मॉडल में मुख्य विसंगतियों में से एक की पहचान की। आपको कैसे पता चलेगा कि वास्तव में एक इलेक्ट्रॉन कब अपनी वर्तमान स्थिति की शांति को त्याग देगा और रोमांच की तलाश में निकल जाएगा? आपको कैसे पता चलेगा कि वह कौन सा राज्य चुनेगा? बोरोव का मॉडल यहां शक्तिहीन था। यह बिल्कुल वही है जो रदरफोर्ड को पसंद नहीं आया।

रदरफोर्ड की टिप्पणियों पर प्रतिक्रिया 1925 में ही मिल गई, लेकिन इससे कई लोगों में भ्रम भी पैदा हो गया। उस समय तक, बोह्र ने कोपेनहेगन (अब नील्स बोह्र इंस्टीट्यूट) में अपना खुद का सैद्धांतिक भौतिकी संस्थान हासिल कर लिया था, और युवा वैज्ञानिकों की एक पूरी आकाशगंगा उनके नेतृत्व में काम करती थी। उनमें से, जर्मन भौतिक विज्ञानी वर्नर हाइजेनबर्ग (1901-1976), जो म्यूनिख और गोटिंगेन में शिक्षित थे, बाहर खड़े थे। यह वह था जिसने एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं इसका एक वैकल्पिक विवरण प्रस्तावित किया था। उनके मॉडल ने भी नहीं बताया, क्योंइलेक्ट्रॉन उछलते हैं, लेकिन इससे सटीक गणना करना संभव हो गया कि उनके ऐसा करने की कितनी संभावना है।

हाइजेनबर्ग के "मैट्रिक्स मैकेनिक्स" ने भौतिकी में नई अमूर्त अवधारणाओं को पेश किया, जिसने पुराने स्कूल के वैज्ञानिकों को बहुत भ्रमित किया और कुछ प्रमुख भौतिकविदों द्वारा शत्रुता का सामना किया गया, जो समझते थे कि इन अवधारणाओं में क्या शामिल है। हड़ताली उदाहरणों में से एक आइंस्टीन हैं, जो मैट्रिक्स यांत्रिकी के कट्टर विरोधी थे। उसने परमाणु के ऊपर - और इन और छोटे पैमानों पर पूरी प्रकृति के ऊपर अनिश्चितता का एक कंबल फेंक दिया, यह घोषणा करते हुए: सभी भौतिक गुणों को एक बार में नहीं मापा जा सकता है।

युवाओं की विशेषता विद्रोह की भावना के साथ, हाइजेनबर्ग ने अपने बड़ों के बीच सर्वोच्च शासन करने वाले अधिकांश विचारों को खारिज करके अपना प्रदर्शन शुरू किया। उन्होंने इलेक्ट्रॉन को एक परिक्रमा करने वाले कण के रूप में मानने से इनकार कर दिया और इसे एक शुद्ध अमूर्त: एक गणितीय अवस्था से बदल दिया। स्थिति, संवेग (द्रव्यमान गुना वेग), और अन्य अवलोकनीय भौतिक गुणों की गणना करने के लिए, हाइजेनबर्ग ने इस अवस्था को विभिन्न मात्राओं से गुणा किया। उनके वैज्ञानिक पर्यवेक्षक, गौटिंगेन भौतिक विज्ञानी मैक्स बोर्न ने इन मात्राओं को तालिकाओं या मैट्रिक्स के रूप में लिखने का प्रस्ताव दिया। इसलिए शब्द "मैट्रिक्स यांत्रिकी" (क्वांटम यांत्रिकी का पर्यायवाची)। एक शक्तिशाली गणितीय उपकरण से लैस, हाइजेनबर्ग को अब परमाणु की गहराई तक अपने रास्ते में कोई बाधा नहीं दिख रही थी। फिर उन्होंने याद किया: "मुझे ऐसा महसूस हुआ कि परमाणु घटनाओं की सतह के माध्यम से कुछ आश्चर्यजनक रूप से सुंदर मेरे सामने प्रकट हो रहा था, और मुझे यह सोचकर लगभग चक्कर आ गया था कि मैं गणितीय संरचनाओं की इस समृद्ध दुनिया में उतरने वाला था, जिसे प्रकृति ने इतनी उदारता से देखा था।" मेरे सामने प्रस्तुत किया गया। फैल गया" 24।

शास्त्रीय न्यूटोनियन भौतिकी में, स्थिति और गति को एक साथ मापा जा सकता है। क्वांटम यांत्रिकी में, जैसा कि हाइजेनबर्ग ने सुंदर ढंग से दिखाया, यह बिल्कुल भी मामला नहीं है। यदि आप समन्वय और गति मैट्रिक्स के साथ राज्य पर कार्य करते हैं, तो इन परिचालनों का क्रम बहुत महत्वपूर्ण है। जब आप पहले निर्देशांक मैट्रिक्स और फिर संवेग मैट्रिक्स लागू करते हैं, तो उत्तर संभवतः तब से भिन्न होगा जब आप इसके विपरीत करते हैं: पहले संवेग, और बाद में निर्देशांक। वे ऑपरेशन जहां निष्पादन का क्रम मायने रखता है, उन्हें गैर-कम्यूटेटिव कहा जाता है। हम सभी क्रमविनिमेय विकल्पों से बहुत परिचित हैं: अंकगणित में ये गुणा और जोड़ हैं ("शब्दों के स्थान बदलने से...")। गैर-अनुक्रमणात्मकता के कारण, दोनों भौतिक राशियों को एक साथ पूर्ण सटीकता के साथ जानना असंभव हो जाता है। हाइजेनबर्ग ने इस तथ्य को अनिश्चितता सिद्धांत के रूप में प्रतिपादित किया।

उदाहरण के लिए, यदि आप एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति तय करते हैं, तो क्वांटम यांत्रिकी में हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत यह सुनिश्चित करता है कि गति जितना संभव हो उतना कम हो। लेकिन संवेग गति के समानुपाती होता है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन हमें उसी समय नहीं बता सकता कि वह कहाँ है और किस गति से उड़ रहा है। इलेक्ट्रॉन के सप्ताह में सात ही नहीं कितने शुक्रवार होते हैं यह कोई नहीं जानता। यदि ग्रह इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करते, तो प्राचीन ज्योतिषियों ने अपना काम शुरू करने से पहले ही छोड़ दिया होता।

हालाँकि, हाइजेनबर्ग के अनुसार, क्वांटम यांत्रिकी अपने स्वभाव से ही अनिश्चितता में निहित है, यह संभाव्यता की गणना करने के लिए एक नुस्खा प्रदान करता है। यानी, यह गारंटी नहीं देता कि आप शर्त जीतेंगे, लेकिन यह आपको बताता है कि आपकी संभावना क्या है। मान लीजिए, क्वांटम यांत्रिकी यह संभावना देती है कि एक इलेक्ट्रॉन किसी दिए गए स्थान से किसी अन्य स्थान पर कूद जाएगा। यदि यह संभावना शून्य है, तो आप निश्चित रूप से जानते हैं कि ऐसा संक्रमण निषिद्ध है। यदि नहीं, तो इसे हल कर दिया गया है, और संबंधित आवृत्ति वाली रेखाएं परमाणु स्पेक्ट्रम में देखी जा सकती हैं।

1926 में, भौतिक विज्ञानी इरविन श्रोडिंगर ने क्वांटम यांत्रिकी का एक आसान-से-समझने वाला संस्करण प्रस्तावित किया, जिसे तरंग यांत्रिकी कहा जाता है। फ्रांसीसी लुईस डी ब्रोगली द्वारा निर्मित सिद्धांत को विकसित करते हुए, श्रोडिंगर ने इलेक्ट्रॉनों की व्याख्या "पदार्थ की तरंगों" के रूप में करना शुरू किया। प्रकाश तरंगों जैसा कुछ, लेकिन विद्युत चुम्बकीय विकिरण द्वारा नहीं, बल्कि भौतिक कणों द्वारा दर्शाया जाता है। ये तरंग फ़ंक्शन भौतिक बलों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं इसका वर्णन श्रोडिंगर समीकरण द्वारा किया गया है। मान लीजिए, एक परमाणु में, नाभिक से इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण के प्रभाव में इलेक्ट्रॉनों की तरंगें अलग-अलग आकार, ऊर्जा और केंद्र से अलग-अलग औसत दूरी के "बादल" बनाती हैं। इन बादलों में कोई भौतिक सामग्री नहीं है। वे केवल यह दर्शाते हैं कि किसी इलेक्ट्रॉन के अंतरिक्ष में किसी विशेष बिंदु पर समाप्त होने की कितनी संभावना है।

इन तरंग संरचनाओं की तुलना गिटार के तार के कंपन से की जा सकती है। तोड़ने के बाद दोनों सिरों पर लगी डोरी पर एक खड़ी लहर दिखाई देती है। समुद्र तट पर लेटे हुए, हम तट पर लुढ़कती हुई लहरें देखते हैं। इसके विपरीत, एक खड़ी लहर को केवल ऊपर और नीचे जाना ही नियति है। लेकिन ऐसी सीमा के साथ भी, इसके कई शिखर (मैक्सिमा) हो सकते हैं: एक, दो या अधिक - मुख्य बात यह है कि यह संख्या पूर्णांक होनी चाहिए, अंश नहीं। तरंग यांत्रिकी एक इलेक्ट्रॉन की प्रमुख क्वांटम संख्या और मैक्सिमा की संख्या के बीच एक पत्राचार स्थापित करती है, जो स्वाभाविक रूप से बताती है कि ये विशेष अवस्थाएँ क्यों मौजूद हैं और अन्य क्यों नहीं।

हाइजेनबर्ग की नाराजगी के कारण, उनके कई सहयोगियों ने श्रोडिंगर की पेंटिंग को प्राथमिकता दी। शायद इसलिए कि तरंग प्रक्रियाएं किसी तरह उनके करीब थीं - ध्वनि और प्रकाश दोनों के साथ एक समानता थी... मैट्रिक्स बहुत अमूर्त दिखते थे। हालाँकि, अंतर्दृष्टिपूर्ण विनीज़ भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग पाउली ने साबित किया कि हाइजेनबर्ग और श्रोडिंगर मॉडल पूरी तरह से समकक्ष हैं। यह डिजिटल और एनालॉग डिस्प्ले की तरह है - उनमें से कोई भी दूसरे से कमतर नहीं है, और किसे चुनना है यह स्वाद का मामला है।

पाउली ने स्वयं क्वांटम यांत्रिकी के लिए एक विरासत छोड़ी: यह विचार कि दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम स्थिति पर कब्जा नहीं कर सकते। पाउली अपवर्जन सिद्धांत ने दो डच वैज्ञानिकों, सैमुअल गौडस्मिट और जॉर्ज उहलेनबेक को इस विचार के लिए प्रेरित किया कि इलेक्ट्रॉन दो दिशाओं में संरेखित हो सकता है, यानी इसमें स्पिन है। जैसा कि नाम सुझाव देता है घुमाना -"तेज घूर्णन"), स्पिन इलेक्ट्रॉन के आंतरिक कोणीय गति की विशेषता बताता है। लेकिन, सबसे बढ़कर, चुंबकीय क्षेत्र के संबंध में स्पिन के गुण दिलचस्प हैं। यदि आप एक इलेक्ट्रॉन को ऊर्ध्वाधर चुंबकीय क्षेत्र में रखते हैं (मान लीजिए, एक चुंबकीय कुंडल के अंदर), तो इलेक्ट्रॉन, एक मिनी-चुंबक की तरह, या तो क्षेत्र की दिशा ("स्पिन अप") या इसके विपरीत ("स्पिन डाउन") का सामना करेगा ”)।

इलेक्ट्रॉन दो स्वामियों का सेवक है: यह आमतौर पर मिश्रित अवस्था में मौजूद होता है, जहां "स्पिन अप" और "स्पिन डाउन" स्थिति समान शेयरों में दर्शायी जाती है। रुको, एक ही कण में दो परस्पर अनन्य गुण कैसे हो सकते हैं? रोजमर्रा की जिंदगी में, एक कम्पास सुई एक ही समय में उत्तर और दक्षिण दोनों को इंगित नहीं कर सकती है, लेकिन क्वांटम दुनिया में खेल के अलग-अलग नियम हैं। जब तक हम स्पिन को मापते हैं, अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, इसका स्पष्ट रूप से परिभाषित मूल्य नहीं होता है। लेकिन फिर प्रयोगकर्ता बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को चालू करता है, और फिर इलेक्ट्रॉन अपनी स्पिन को ऊपर या नीचे घुमाता है - तरंग फ़ंक्शन का पतन होता है, जैसा कि वे कहते हैं।

मान लीजिए कि दो इलेक्ट्रॉन एक बंडल में हैं। फिर, यदि एक के पास एक चक्कर है जो चिपक जाता है, तो दूसरा तुरंत नीचे गिर जाता है। यह फ्लिप तब भी होता है जब इलेक्ट्रॉन बहुत दूर हों। इस प्रति-सहज ज्ञान युक्त घटना में, आइंस्टीन ने "लंबी दूरी की कार्रवाई के भूत" की चालें देखीं। इन अजीब संबंधों के कारण, आइंस्टीन को विश्वास था कि क्वांटम यांत्रिकी को एक दिन एक गहरे और स्पष्ट सिद्धांत द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा।

जहां तक ​​बोह्र की बात है, उन्होंने विरोधाभासों का त्याग नहीं किया; इसके विपरीत, उन्हें असंगत अवधारणाओं के बीच पानी में मछली की तरह महसूस हुआ। उदाहरण के लिए, उन्होंने ही संपूरकता का सिद्धांत प्रतिपादित किया, जो बताता है कि एक इलेक्ट्रॉन एक तरंग और एक कण दोनों है। समय-समय पर बोह्र को एक और सूत्र वाक्य बोलने से भी गुरेज नहीं था। उन्होंने एक बार कहा था: "गहरा सत्य वह सत्य होता है जिसका विपरीत भी गहरा सत्य होता है।" विरोधियों की एकता के ताओवादी प्रतीक - यिन-यांग - को अपने हथियारों के कोट के बिल्कुल केंद्र में रखना पूरी तरह से उनकी भावना में था।

अपनी अड़ियल दार्शनिक स्थिति के बावजूद, आइंस्टीन बोह्र से सहमत थे कि क्वांटम यांत्रिकी प्रयोगात्मक डेटा की एक उत्कृष्ट व्याख्या थी। उनकी योग्यता की पहचान के संकेतों में से एक आइंस्टीन द्वारा भौतिकी में नोबेल पुरस्कार के लिए हाइजेनबर्ग और श्रोडिंगर का नामांकन था। हाइजेनबर्ग को 1932 में यह पुरस्कार दिया गया था और श्रोडिंगर ने 1933 में ब्रिटिश क्वांटम यांत्रिकी पॉल डिराक के साथ यह सम्मान साझा किया था। (आइंस्टीन और बोह्र क्रमशः 1921 और 1922 में पुरस्कार विजेता थे)

हालाँकि, रदरफोर्ड ने क्वांटम सिद्धांत पर सावधानी बरतना जारी रखा और अपना मुख्य ध्यान परमाणु नाभिक के प्रायोगिक अध्ययन पर केंद्रित किया। 1919 में, थॉमसन ने कैवेंडिश प्रोफेसर के पद से इस्तीफा दे दिया और कैवेंडिश प्रयोगशाला के निदेशक का पद छोड़ दिया और रदरफोर्ड ने इस मानद पद को संभाला। मैनचेस्टर में अपने अंतिम वर्ष के दौरान और कैम्ब्रिज जाने के बाद के पहले वर्षों में, उन्होंने तेज़ अल्फा कणों के साथ विभिन्न नाभिकों पर बमबारी की। मार्सडेन ने एक बार देखा कि जिस स्थान पर अल्फा कण हाइड्रोजन गैस से टकराते हैं, वहां से अधिक वेधन क्षमता वाले और भी तेज कण उड़ने लगते हैं। ये हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिक निकले। रदरफोर्ड ने मार्सडेन के प्रयोगों को दोहराया, लेकिन हाइड्रोजन को नाइट्रोजन से बदल दिया। उसके आश्चर्य की कल्पना कीजिए जब हाइड्रोजन नाभिक भी नाइट्रोजन से बाहर निकलने लगे। सच है, फ्लोरोसेंट स्क्रीन में प्रवेश करने वाले हाइड्रोजन नाभिक से जगमगाहट बहुत उज्ज्वल नहीं थी, और उन्हें केवल माइक्रोस्कोप के माध्यम से देखा जा सकता था। लेकिन उन्होंने इस बात के निर्विवाद सबूत दिए कि नाइट्रोजन परमाणु अपनी गहराई से कण उत्सर्जित कर सकते हैं। रेडियोधर्मिता की खोज ने प्रदर्शित किया कि परमाणु स्वतः ही एक-दूसरे में परिवर्तित हो सकते हैं (परिवर्तन से गुजर सकते हैं), और रदरफोर्ड के बमबारी प्रयोगों से परमाणुओं की उपस्थिति को कृत्रिम रूप से बदलना संभव था।

रदरफोर्ड ने सकारात्मक रूप से आवेशित कणों को कॉल करना शुरू किया जो सभी नाभिक प्रोटॉन का हिस्सा हैं। अन्य वैज्ञानिक उन्हें "सकारात्मक इलेक्ट्रॉन" कहना चाहते थे, लेकिन रदरफोर्ड ने इसका कड़ा विरोध किया। उन्होंने उत्तर दिया कि प्रोटॉन इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत भारी होते हैं और सामान्य तौर पर उनमें बहुत कम समानता होती है। जब डिराक की भविष्यवाणी सच हुई और एक वास्तविक धनात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन की खोज हुई, तो इसे "पॉज़िट्रॉन" नाम दिया गया। पॉज़िट्रॉन तथाकथित एंटीमैटर का पहला ज्ञात प्रतिनिधि बन गया, जो हर तरह से सामान्य पदार्थ के समान है, लेकिन इसमें विपरीत संकेत का चार्ज होता है। बदले में, प्रोटॉन पदार्थ का एक अभिन्न अंग हैं जिससे हम परिचित हैं।

एक नया कण डिटेक्टर, एक क्लाउड चैम्बर, रदरफोर्ड और उनके सहयोगियों की सहायता के लिए आया। इससे लक्ष्य नाभिक से उड़ने वाले कणों (उदाहरण के लिए, प्रोटॉन) के निशान का निरीक्षण करना संभव हो गया। जबकि जगमगाहट और गीजर काउंटर केवल उत्सर्जित कणों की एक धारा प्रदान करते हैं, एक क्लाउड चैंबर दिखा सकता है कि ये कण अंतरिक्ष में कैसे चले गए, जिससे उनके गुणों को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिली।

इसका आविष्कार स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी चार्ल्स विल्सन ने किया था। माउंट बेन नेविस पर चढ़ते समय, उन्होंने देखा कि नम हवा में, पानी की बूंदें आयनों, यानी चार्ज कणों की उपस्थिति में अधिक आसानी से संघनित होती हैं। आवेश अणुओं को आकर्षित करते हैं, और वे हवा से अवक्षेपित होते हैं, जिससे बिजली से संतृप्त क्षेत्र में संघनन का निशान निकल जाता है। विल्सन को एहसास हुआ कि इस तरह से आंखों के लिए अदृश्य कणों को पंजीकृत करना संभव है। उन्होंने कक्ष लिया, इसे ठंडी, नम हवा से भर दिया और अतीत में उड़ने वाले आवेशित कणों से संघनित भाप की श्रृंखला का निरीक्षण करना शुरू कर दिया। जेट विमान आसमान में यही निशान छोड़ते हैं। तस्वीरों में कैद ये ट्रैक प्रयोग की प्रगति के बारे में बहुमूल्य जानकारी प्रदान करते हैं।

हालाँकि विल्सन ने अपने कक्ष का पहला प्रोटोटाइप 1911 में इकट्ठा किया था, लेकिन उनका उपयोग परमाणु भौतिकी में 1924 में ही शुरू हुआ था। यह तब था जब रदरफोर्ड के समूह में स्नातक छात्र पैट्रिक ब्लैकेट ने नाइट्रोजन के रेडियोधर्मी क्षय से प्रोटॉन का पता लगाने के लिए इस उपकरण का उपयोग किया था। . उनका डेटा रदरफोर्ड के जगमगाहट प्रयोगों के साथ उत्कृष्ट समझौते में था, जिससे कृत्रिम परमाणु क्षय के अकाट्य सबूत उपलब्ध हुए।

नाभिक में न केवल प्रोटॉन रहते हैं। 1920 में, अपनी प्रसिद्ध छठी इंद्रिय से, रदरफोर्ड ने अनुमान लगाया कि प्रोटॉन के अलावा, नाभिक कुछ तटस्थ कणों के लिए आश्रय के रूप में भी काम करता है। बीस साल बाद, रदरफोर्ड के छात्र जेम्स चैडविक ने एक न्यूट्रॉन की खोज की - एक प्रोटॉन के समान द्रव्यमान, लेकिन बिना किसी चार्ज के, और इसके तुरंत बाद हाइजेनबर्ग ने एक ऐतिहासिक लेख "परमाणु नाभिक की संरचना पर" लिखा, जहां उन्होंने अब स्वीकृत मॉडल की रूपरेखा तैयार की। एक नाभिक जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं।

यह चित्र विभिन्न प्रकार की रेडियोधर्मिता को समझा सकता है। अल्फा क्षय तब होता है जब एक नाभिक एक ही समय में दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है - एक असाधारण स्थिर संयोजन। बीटा क्षय तब होता है जब एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है। बीटा विकिरण में इन्हीं इलेक्ट्रॉनों का समावेश होता है। लेकिन, जैसा कि पाउली ने दिखाया, कहानी यहीं समाप्त नहीं होती है: न्यूट्रॉन के क्षय में, गति और ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा कहीं गायब हो जाती है। पाउली ने इनका श्रेय लगभग एक मायावी कण को ​​देने का निर्णय लिया, जिसे बाद में खोजा गया और न्यूट्रिनो नाम दिया गया। अंत में, गामा घटक तब होता है जब एक नाभिक उच्च-ऊर्जा क्वांटम अवस्था से निम्न-ऊर्जा अवस्था में परिवर्तित होता है। अल्फा और बीटा क्षय से नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या बदल जाती है, और एक नया रासायनिक तत्व बनता है, जबकि गामा किरणें नाभिक की संरचना को अपरिवर्तित छोड़ देती हैं।

रदरफोर्ड की शानदार खोजों और तरीकों ने हमें एक सबक सिखाया: कम दूरी पर प्राकृतिक दुनिया में झाँकने के लिए, हमें प्राथमिक कणों की ओर मुड़ना होगा। परमाणु भौतिकी की शुरुआत में, उनका स्रोत अल्फा कणों के साथ निकलने वाले रेडियोधर्मी पदार्थ थे। वे प्रकीर्णन प्रयोगों के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त थे, जिससे गीगर और मार्सडेन ने देखा कि परमाणु में एक लघु नाभिक था। लेकिन रदरफोर्ड पहले ही समझ गए थे: अधिक ऊर्जावान उपकरणों के बिना नाभिक की प्रकृति में अधिक गंभीरता से और गहराई से प्रवेश करने के बारे में सोचने के लिए कुछ भी नहीं है। एक परमाणु किले के लिए, आपको एक विशेष रूप से मजबूत राम, या बल्कि, मेढ़े - कणों की आवश्यकता होगी जो कृत्रिम परिस्थितियों में असाधारण रूप से उच्च गति तक त्वरित होते हैं। रदरफोर्ड ने, बिना किसी कारण के, निर्णय लिया कि कैवेंडिश प्रयोगशाला एक कण त्वरक बनाने में सक्षम होगी, हालांकि इसके कार्यान्वयन के लिए, वैज्ञानिक ने स्वीकार किया, कुछ सैद्धांतिक प्रयासों की आवश्यकता होगी। सौभाग्य से, एक चतुर युवक स्टालिन के किले से बाहर निकलने में कामयाब रहा और क्वांटम ज्ञान का एक बैग अपने साथ फ्री स्कूल लेन ले गया।

अल्फा कणों के प्रकीर्णन पर रदरफोर्ड के प्रयोग। परमाणु का परमाणु मॉडल।

यह ज्ञात है कि ग्रीक से अनुवादित "परमाणु" शब्द का अर्थ "अविभाज्य" है। अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जे. थॉमसन ने (19वीं शताब्दी के अंत में) पहला "परमाणु का मॉडल" विकसित किया, जिसके अनुसार परमाणु एक सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया क्षेत्र है जिसके भीतर इलेक्ट्रॉन तैरते हैं। थॉमसन द्वारा प्रस्तावित मॉडल को प्रायोगिक सत्यापन की आवश्यकता थी, क्योंकि रेडियोधर्मिता और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की घटना को थॉमसन के परमाणु मॉडल का उपयोग करके समझाया नहीं जा सकता था। इसलिए, 1911 में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड ने परमाणुओं की संरचना और संरचना का अध्ययन करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। इन प्रयोगों में, एक संकीर्ण किरण ए -एक रेडियोधर्मी पदार्थ द्वारा उत्सर्जित कणों को पतली सोने की पन्नी पर निर्देशित किया गया था। इसके पीछे एक स्क्रीन थी जो तेज़ कणों के प्रभाव में चमकने में सक्षम थी। यह पाया गया कि बहुमत हैं ए -कण पन्नी से गुजरने के बाद रैखिक प्रसार से विचलित हो जाते हैं, यानी बिखर जाते हैं, और कुछ ए -कण 1800 वापस फेंके जाते हैं।

ट्रेजेकटोरीज़ ए-कण नाभिक से अलग-अलग दूरी पर उड़ते हैं

लेजर

विकिरण के क्वांटम सिद्धांत के आधार पर, रेडियो तरंगों के क्वांटम जनरेटर और दृश्य प्रकाश के क्वांटम जनरेटर - लेजर - बनाए गए। लेज़र बहुत उच्च शक्ति का सुसंगत विकिरण उत्पन्न करते हैं। लेजर विकिरण का उपयोग विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों में बहुत व्यापक रूप से किया जाता है, उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष में संचार के लिए, रिकॉर्डिंग और भंडारण जानकारी (लेजर डिस्क) और वेल्डिंग के लिए, चिकित्सा में।

परमाणुओं द्वारा प्रकाश का उत्सर्जन और अवशोषण

बोहर की अभिधारणाओं के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉन कई विशिष्ट कक्षाओं में हो सकता है। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन कक्षा एक निश्चित ऊर्जा से मेल खाती है। जब एक इलेक्ट्रॉन निकट से दूर की कक्षा में जाता है, तो एक परमाणु प्रणाली ऊर्जा की एक मात्रा को अवशोषित करती है। जब एक इलेक्ट्रॉन नाभिक के सापेक्ष अधिक दूर की कक्षा से निकटतम कक्षा की ओर बढ़ता है, तो परमाणु प्रणाली एक ऊर्जा क्वांटम उत्सर्जित करती है।

स्पेक्ट्रा

बोह्र के सिद्धांत ने रेखा स्पेक्ट्रा के अस्तित्व की व्याख्या करना संभव बना दिया।
सूत्र (1) इस बात का गुणात्मक विचार देता है कि परमाणु उत्सर्जन और अवशोषण स्पेक्ट्रा क्यों पंक्तिबद्ध हैं। वास्तव में, एक परमाणु केवल उन्हीं आवृत्तियों की तरंगें उत्सर्जित कर सकता है जो ऊर्जा मूल्यों में अंतर के अनुरूप होती हैं ई 1 , ई 2 , . . . , ई एन ,. . इसीलिए परमाणुओं के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम में अलग-अलग स्थित तेज चमकीली रेखाएँ होती हैं। उसी समय, एक परमाणु किसी फोटॉन को नहीं, बल्कि केवल ऊर्जा वाले फोटॉन को अवशोषित कर सकता है hνजो बिल्कुल अंतर के बराबर है ई एन − इककुछ दो अनुमत ऊर्जा मान ई एनऔर इक. उच्च ऊर्जा अवस्था की ओर बढ़ना ई एन, परमाणु ठीक उसी फोटॉन को अवशोषित करते हैं जो वे मूल स्थिति में विपरीत संक्रमण के दौरान उत्सर्जित करने में सक्षम होते हैं इक. सीधे शब्दों में कहें तो, परमाणु निरंतर स्पेक्ट्रम से उन रेखाओं को लेते हैं जिन्हें वे स्वयं उत्सर्जित करते हैं; यही कारण है कि ठंडी परमाणु गैस के अवशोषण स्पेक्ट्रम की अंधेरी रेखाएँ ठीक उन्हीं स्थानों पर स्थित होती हैं जहाँ गर्म अवस्था में उसी गैस के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम की चमकीली रेखाएँ स्थित होती हैं।

सतत स्पेक्ट्रम

कंप्यूटर प्रोग्राम अल्फा कणों के साथ परमाणु की जांच करने पर रदरफोर्ड के शास्त्रीय प्रयोग का अनुकरण करता है, जिसके परिणामों के आधार पर इसे प्रस्तावित किया गया था परमाणु संरचना का ग्रहीय मॉडल .

परमाणुओं की आंतरिक संरचना का अध्ययन करने के लिए पहला प्रत्यक्ष प्रयोग 1909-1911 में ई. रदरफोर्ड और उनके सहयोगियों ई. मार्सडेन और एच. गीगर द्वारा किया गया था।

रदरफोर्ड ने α-कणों का उपयोग करके परमाणु जांच का प्रस्ताव रखा, जो रेडियम और कुछ अन्य तत्वों के रेडियोधर्मी क्षय के दौरान उत्पन्न होते हैं। अल्फा कणों का द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का लगभग 7300 गुना है, और सकारात्मक चार्ज प्राथमिक चार्ज के दोगुने के बराबर है। अपने प्रयोगों में, रदरफोर्ड ने लगभग 5 MeV की गतिज ऊर्जा वाले α-कणों का उपयोग किया (ऐसे कणों की गति बहुत अधिक है - लगभग 107 m/s, लेकिन फिर भी प्रकाश की गति से काफी कम)।

α कण पूर्णतः आयनित हीलियम परमाणु होते हैं। इनकी खोज रदरफोर्ड ने 1899 में रेडियोधर्मिता की घटना का अध्ययन करते समय की थी। रदरफोर्ड ने इन कणों से भारी तत्वों (सोना, चांदी, तांबा, आदि) के परमाणुओं पर बमबारी की। परमाणुओं को बनाने वाले इलेक्ट्रॉन, अपने कम द्रव्यमान के कारण, α कण के प्रक्षेप पथ को उल्लेखनीय रूप से नहीं बदल सकते हैं। प्रकीर्णन, अर्थात् α-कणों की गति की दिशा में परिवर्तन, केवल परमाणु के भारी, धनात्मक आवेशित भाग के कारण ही हो सकता है। रदरफोर्ड के प्रयोग का आरेख चित्र में दिखाया गया है। 1.

एक सीसे के कंटेनर में बंद रेडियोधर्मी स्रोत से, अल्फा कणों को एक पतली धातु की पन्नी पर निर्देशित किया गया था। बिखरे हुए कण जिंक सल्फाइड क्रिस्टल की एक परत से ढकी स्क्रीन पर गिरे, जो तेज़ चार्ज कणों से टकराने पर चमकने में सक्षम थे। माइक्रोस्कोप का उपयोग करके स्क्रीन पर जगमगाहट (चमक) को आंखों से देखा गया। रदरफोर्ड के प्रयोग में बिखरे हुए α कणों का अवलोकन किरण की मूल दिशा के विभिन्न कोणों φ पर किया जा सकता है। यह पाया गया कि अधिकांश α कण धातु की एक पतली परत से बहुत कम या बिना किसी विक्षेपण के गुजरते हैं। हालाँकि, कणों का एक छोटा हिस्सा 30° से अधिक महत्वपूर्ण कोणों पर विक्षेपित होता है। बहुत ही दुर्लभ अल्फा कण (लगभग दस हजार में से एक) 180° के करीब कोण पर विक्षेपित हुए थे।

रदरफोर्ड और उनके सहयोगियों के प्रयोगों से यह निष्कर्ष निकला कि परमाणु के केंद्र में एक घना, धनावेशित नाभिक होता है, जिसका व्यास 10 -14 -10 -15 मीटर से अधिक नहीं होता है। यह नाभिक केवल 10 -12 मीटर घेरता है परमाणु के कुल आयतन का, लेकिन इसमें शामिल है सभीधनात्मक आवेश और उसके द्रव्यमान का कम से कम 99.95%। नाभिक का आवेश परमाणु को बनाने वाले सभी इलेक्ट्रॉनों के कुल आवेश के बराबर होना चाहिए।

माइक्रोपार्टिकल्स की गति के बारे में शास्त्रीय विचारों के आधार पर, रदरफोर्ड ने प्रस्तावित किया परमाणु का ग्रहीय मॉडल . इस मॉडल के अनुसार, परमाणु के केंद्र में एक धनावेशित नाभिक होता है, जिसमें परमाणु का लगभग पूरा द्रव्यमान केंद्रित होता है। समग्र रूप से परमाणु तटस्थ है। नाभिक से कूलम्ब बलों के प्रभाव में, इलेक्ट्रॉन ग्रहों की तरह नाभिक के चारों ओर घूमते हैं। इलेक्ट्रॉन आराम की स्थिति में नहीं हो सकते, क्योंकि वे नाभिक पर गिरेंगे।

रदरफोर्ड का परमाणु का ग्रहीय मॉडल परमाणु की संरचना के बारे में ज्ञान के विकास में एक बड़ा कदम था। α-कणों के प्रकीर्णन पर प्रयोगों को समझाना नितांत आवश्यक था, लेकिन यह परमाणु के लंबे अस्तित्व के तथ्य, यानी इसकी स्थिरता को समझाने में असमर्थ साबित हुआ। शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार, त्वरण के साथ चलने वाले चार्ज को विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्सर्जित करनी चाहिए जो ऊर्जा को दूर ले जाती हैं। थोड़े ही समय (लगभग 10-8 सेकंड) में, रदरफोर्ड परमाणु के सभी इलेक्ट्रॉनों को अपनी सारी ऊर्जा बर्बाद कर देनी चाहिए और नाभिक पर गिरना चाहिए। तथ्य यह है कि परमाणु की स्थिर अवस्था में ऐसा नहीं होता है, यह दर्शाता है कि परमाणु में आंतरिक प्रक्रियाएं शास्त्रीय नियमों का पालन नहीं करती हैं।

उपयोगकर्ता के पास अवसर है:

• एक स्थिर सोने के कोर पर कणों के बिखरने का निरीक्षण करें;
• कण की प्रभाव दूरी और प्रारंभिक वेग बदलें;
• कण प्रकीर्णन कोण को मापें;
• स्वचालित मोड में दी गई ऊर्जा के साथ कणों की एक धारा के साथ सोने के नाभिक पर बमबारी करते समय बिखरने वाले वक्र का अध्ययन करें।