एनसीआरटी सारांश: जिस्ट ऑफ़ फ़िज़िक्स- 1 | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

परमाणु भौतिकी

परमाणु तत्व का सबसे छोटा कण है जो स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में रह सकता है और अपने सभी रासायनिक गुणों को बरकरार रख सकता है।

1. डाल्टन का परमाणु सिद्धांत: इसने सुझाव दिया कि परमाणु अविभाज्य और अविनाशी था। लेकिन परमाणु के अंदर दो मूलभूत कणों (इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन) की खोज से डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के इस पहलू की विफलता हुई।

2. थॉमसन का परमाणु सिद्धांत 

• थॉमसन ने प्रस्तावित किया कि:
  (i) एक परमाणु में एक धनावेशित गोला होता है और उसमें इलेक्ट्रॉन सन्निहित होते हैं।
  (ii) ऋणात्मक और धनात्मक आवेश परिमाण में बराबर होते हैं। तो, परमाणु समग्र रूप से विद्युत रूप से तटस्थ है।

3. रदरफोर्ड परमाणु के मॉडल: रदरफोर्ड के अल्फा-कण प्रकीर्णन प्रयोग ने परमाणु नाभिक की खोज की। रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल ने प्रस्तावित किया कि परमाणु के अंदर एक बहुत छोटा नाभिक मौजूद होता है और इलेक्ट्रॉन इस नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाते हैं। इस मॉडल द्वारा परमाणु की स्थिरता की व्याख्या नहीं की जा सकती है।

4. बोह्र का मॉडल: नील्स बोहर का परमाणु मॉडल अधिक सफल रहा। उन्होंने प्रस्तावित किया कि नाभिक के चारों ओर असतत ऊर्जा के साथ इलेक्ट्रॉनों को विभिन्न कोशों में वितरित किया जाता है। यदि परमाणु कोश पूरे हो जाएं तो परमाणु स्थिर और कम प्रतिक्रियाशील होगा।

5. जेम्स चैडविक डिस्कवरी: जे. चाडविक ने परमाणु के नाभिक में न्यूट्रॉन की उपस्थिति की खोज की।
एक परमाणु के तीन उप-परमाणु कण हैं:
(i) इलेक्ट्रॉन
(ii) प्रोटॉन
(iii) न्यूट्रॉन
इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेशित होते हैं, प्रोटॉन धनावेशित होते हैं और न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता है। एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान हाइड्रोजन परमाणु के द्रव्यमान का लगभग 1/2000 गुना होता है। एक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान को एक इकाई के रूप में लिया जाता है।

• हम जानते हैं कि प्रोटॉन परमाणु के नाभिक में मौजूद होते हैं। यह एक परमाणु के प्रोटॉन की संख्या है, जो इसकी परमाणु संख्या निर्धारित करती है। इसे 'Z' से दर्शाया जाता है। किसी तत्व के सभी परमाणुओं का परमाणु क्रमांक Z समान होता है। वास्तव में, तत्वों को उनके पास मौजूद प्रोटॉन की संख्या से परिभाषित किया जाता है।
• परमाणु का द्रव्यमान व्यावहारिक रूप से केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के कारण होता है। ये परमाणु के नाभिक में मौजूद होते हैं। इसलिए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को न्यूक्लियॉन भी कहा जाता है। अतः परमाणु का द्रव्यमान उसके नाभिक में रहता है।
• समस्थानिक एक ही तत्व के परमाणु होते हैं, जिनकी द्रव्यमान संख्या भिन्न होती है।
• आइसोबार ऐसे परमाणु होते हैं जिनकी द्रव्यमान संख्या समान होती है लेकिन परमाणु संख्या भिन्न होती है।

परमाणु बल

• एक नाभिक को आपस में जोड़ने के लिए पूरी तरह से अलग तरह की एक मजबूत आकर्षक शक्ति होनी चाहिए। यह (सकारात्मक रूप से चार्ज) प्रोटॉन के बीच प्रतिकर्षण को दूर करने और प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों को छोटे परमाणु मात्रा में बांधने के लिए पर्याप्त मजबूत होना चाहिए। इस बल को नाभिकीय बल कहते हैं।
• नाभिकीय बल आवेशों या द्रव्यमानों के बीच गुरुत्वाकर्षण बल के बीच कार्य करने वाले कूलम्ब बल की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली होता है। न्यूट्रॉन-न्यूट्रॉन, प्रोटॉन-न्यूट्रॉन और प्रोटॉन-प्रोटॉन के बीच परमाणु बल लगभग समान है। परमाणु बल विद्युत आवेश पर निर्भर नहीं करता है।

रेडियोधर्मिता

• रेडियोधर्मिता तब होती है जब एक परमाणु नाभिक छोटे कणों में टूट जाता है। परमाणु विकिरण तीन प्रकार के होते हैं: अल्फा, बीटा और गामा। अल्फा कण धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं, बीटा कण ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं और गामा कणों पर कोई आवेश नहीं होता है। विकिरणों ने ऊर्जा के स्तर में भी वृद्धि की है, पहले अल्फा, फिर बीटा, और अंत में, गामा, जो इन सभी में सबसे अधिक ऊर्जावान है। अल्फा और बीटा कण हैं, लेकिन गामा एक तरंग है।
• जब एक रेडियोधर्मी नाभिक बदलता है, तो शेष नाभिक (और परमाणु) पहले जैसा नहीं रहता। यह अपनी पहचान बदल लेता है। अर्ध-जीवन शब्द उस समय का वर्णन करता है जो एक नमूने के आधे परमाणुओं को बदलने में और आधे को समान रहने में लगता है।
• कार्बन का एक रेडियोधर्मी समस्थानिक भी है, कार्बन-14। सामान्य कार्बन कार्बन-12 है। C-14 में दो अतिरिक्त न्यूट्रॉन और 5730 वर्ष का आधा जीवन है। वैज्ञानिक कार्बन डेटिंग नामक प्रक्रिया में C-14 का उपयोग करते हैं। यह प्रक्रिया तब नहीं है जब एक रात में दो कार्बन परमाणु मॉल में जाते हैं। कार्बन डेटिंग तब होती है जब वैज्ञानिक बहुत पुराने पदार्थों की उम्र मापने की कोशिश करते हैं। वातावरण में सी-14 की मात्रा बहुत कम होती है। प्रत्येक जीवित वस्तु में कुछ न कुछ C-14 होता है। वैज्ञानिक सी-14 की संख्या को उन चीजों में मापते हैं जो वे खोदते हैं ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि वे कितने पुराने हैं। वे वस्तु तिथि करने के लिए 5730 वर्षों के आधे जीवन पर भरोसा करते हैं।
  

विखंडन और संलयन प्रतिक्रियाएं

• विखंडन एक परमाणु का विभाजन है। सभी परमाणु विखंडन से नहीं गुजरेंगे, वास्तव में, सामान्य परिस्थितियों में बहुत कम ही ऐसा करते हैं।
• परमाणु प्रतिक्रिया में, वैज्ञानिकों ने यूरेनियम- 235 परमाणुओं पर न्यूट्रॉन के एक पूरे समूह को गोली मार दी। जब एक न्यूट्रॉन नाभिक से टकराता है, तो यूरेनियम U-236 बन जाता है। जब यह 236 हो जाता है, तो यूरेनियम परमाणु अलग होना चाहता है। विभाजित होने के बाद, यह तीन न्यूट्रॉन और बहुत सारी ऊर्जा देता है। उन न्यूट्रॉन ने क्षेत्र में तीन अन्य यू परमाणुओं को मारा और उन्हें यू -236 बनने का कारण बना दिया। प्रत्येक चक्र, प्रतिक्रिया तीन गुना बड़ी हो जाती है। एक प्रतिक्रिया जो एक बार शुरू हो जाने के बाद अपने आप जारी रहती है, एक श्रृंखला प्रतिक्रिया कहलाती है।
• संलयन दो छोटे परमाणु नाभिकों के एक साथ आने की प्रक्रिया है जो एक बड़े नाभिक को स्थिर बनाता है। उपयोग करने के लिए सबसे सरल नाभिक ड्यूटेरियम और ट्रिटियम (हाइड्रोजन के समस्थानिक) हैं।

• तापमान एक सापेक्ष माप या गर्मी या शीतलता का संकेत है।
• ऊष्मा दो (या अधिक) प्रणालियों या एक प्रणाली और उसके परिवेश के बीच तापमान अंतर के आधार पर स्थानांतरित ऊर्जा का रूप है। हस्तांतरित ऊष्मा ऊर्जा की SI इकाई जूल (J) में व्यक्त की जाती है, जबकि S.I. तापमान की इकाई केल्विन (K) है, और °C तापमान की आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली इकाई है।
• थर्मामीटर एक उपकरण है जिसका उपयोग तापमान मापने के लिए किया जाता है। दो परिचित तापमान पैमाने फारेनहाइट तापमान पैमाने और सेल्सियस तापमान पैमाने हैं।
  सेल्सियस तापमान (T _c ) और फ़ारेनहाइट तापमान (T _f ) संबंधित हैं: 
  T _f = (9/5) T _c + 32
• सिद्धांत रूप में, तापमान की कोई ऊपरी सीमा नहीं है लेकिन एक निश्चित निचली सीमा है- पूर्ण शून्य। तापमान के सेल्सियस पैमाने पर यह सीमित तापमान शून्य से 273.16 डिग्री नीचे है।
• हमारे शरीर के तापमान को मापने के लिए क्लीनिकल थर्मामीटर का उपयोग किया जाता है। इस थर्मामीटर की रेंज 35°C से 42°C तक होती है। अन्य उद्देश्यों के लिए, हम प्रयोगशाला थर्मामीटर का उपयोग करते हैं। इन थर्मामीटरों की सीमा आमतौर पर – 10°C से 110°C तक होती है। मानव शरीर का सामान्य तापमान 37°C होता है।
• ऊष्मा उच्च तापमान वाले पिंड से कम तापमान वाले पिंड में प्रवाहित होती है। एक वस्तु से दूसरी वस्तु में ऊष्मा का प्रवाह तीन तरीकों से हो सकता है। ये चालन, संवहन और विकिरण हैं।(a) चालन: वह प्रक्रिया जिसके द्वारा किसी वस्तु के गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक ऊष्मा का स्थानांतरण होता है, चालन कहलाती है। ठोस पदार्थों में, सामान्यतः ऊष्मा चालन की प्रक्रिया द्वारा स्थानांतरित की जाती है। वे पदार्थ जो ऊष्मा को अपने में से आसानी से गुजरने देते हैं, ऊष्मा के सुचालक होते हैं। उदाहरण: एल्युमिनियम, आयरन और कॉपर। वे पदार्थ जो ऊष्मा को अपने में से आसानी से नहीं जाने देते, वे प्लास्टिक और लकड़ी जैसे ऊष्मा के कुचालक हैं। खराब कंडक्टरों को इंसुलेटर के रूप में जाना जाता है।
  (b) कन्वेंशन: तरल और गैसों की वास्तविक गति द्वारा गर्मी को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाया जाता है। तरल पदार्थ और गैसों में, गर्मी संवहन द्वारा स्थानांतरित की जाती है। तटीय क्षेत्रों में रहने वाले लोग एक दिलचस्प घटना का अनुभव करते हैं। दिन के समय, भूमि पानी की तुलना में तेजी से गर्म होती है। भूमि के ऊपर की हवा गर्म हो जाती है और ऊपर उठ जाती है। समुद्र से ठंडी हवा अपना स्थान लेने के लिए भूमि की ओर दौड़ती है। भूमि से गर्म हवा चक्र को पूरा करने के लिए समुद्र की ओर बढ़ती है। समुद्र से निकलने वाली हवा को समुद्री हवा कहा जाता है। रात में ठीक उल्टा होता है। पानी जमीन की तुलना में अधिक धीरे-धीरे ठंडा होता है। तो, भूमि से ठंडी हवा समुद्र की ओर बढ़ती है। इसे भूमि की हवा कहा जाता है।
  (c) विकिरण: विकिरण द्वारा गर्मी के हस्तांतरण के लिए किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती है। यह हो सकता है कि कोई माध्यम मौजूद है या नहीं। गहरे रंग की वस्तुएं हल्के रंग की वस्तुओं की तुलना में विकिरण को बेहतर तरीके से अवशोषित करती हैं। यही कारण है कि हम गर्मियों में हल्के रंग के कपड़ों में ज्यादा सहज महसूस करते हैं। सर्दियों में ऊनी कपड़े हमें गर्म रखते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि ऊन गर्मी का कुचालक है और इसमें रेशों के बीच हवा फंसी हुई है।
• किसी पिंड के तापमान में परिवर्तन से उसके आयामों में परिवर्तन होता है। किसी पिंड के तापमान में वृद्धि के कारण उसके आयामों में वृद्धि को थर्मल विस्तार कहा जाता है। लंबाई में विस्तार को रैखिक विस्तार कहा जाता है। क्षेत्रफल के विस्तार को क्षेत्रफल विस्तार कहते हैं। आयतन में होने वाले विस्तार को आयतन प्रसार कहते हैं।
• किसी पदार्थ के 1g के तापमान को 1° तक बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा को पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा धारिता कहते हैं। विशिष्ट ऊष्मा क्षमता की SI इकाई (J/kg) K है। पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता उच्चतम होती है जो 4200 (J/kg) K के बराबर होती है।
• विशिष्ट ऊष्मा क्षमता पदार्थ का वह गुण है जो पदार्थ के तापमान में परिवर्तन को निर्धारित करता है (बिना किसी चरण परिवर्तन के) जब दी गई मात्रा में ऊष्मा अवशोषित (या अस्वीकार) होती है। इसे एक इकाई द्वारा अपने तापमान को बदलने के लिए पदार्थ द्वारा अवशोषित या अस्वीकार किए गए प्रति इकाई द्रव्यमान में गर्मी की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जाता है। यह पदार्थ की प्रकृति और उसके तापमान पर निर्भर करता है।
• किसी दिए गए द्रव्यमान के तापमान को 1 डिग्री तक बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा को पदार्थ की ऊष्मा क्षमता या तापीय क्षमता कहा जाता है। इसकी एस.आई. इकाई (जे/के) है।
• कैलोरीमिति का अर्थ है ऊष्मा का मापन। जब उच्च तापमान पर एक शरीर को कम तापमान पर दूसरे शरीर के संपर्क में लाया जाता है, तो गर्म शरीर द्वारा खोई गई गर्मी ठंडे शरीर द्वारा प्राप्त गर्मी के बराबर होती है, बशर्ते कोई गर्मी आसपास के वातावरण में न जाने दे। वह उपकरण जिसमें ऊष्मा का मापन किया जा सकता है, कैलोरीमीटर कहलाता है।

राज्य का परिवर्तन

• पदार्थ आमतौर पर तीन अवस्थाओं में मौजूद होता है: ठोस, तरल और गैस। इन राज्यों में से एक से दूसरे राज्य में संक्रमण को राज्य परिवर्तन कहा जाता है। अवस्थाओं के दो सामान्य परिवर्तन ठोस से द्रव और द्रव से गैस (और इसके विपरीत) हैं। ये परिवर्तन तब हो सकते हैं जब पदार्थ और उसके परिवेश के बीच ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है।
• ठोस से द्रव में अवस्था परिवर्तन को गलनांक तथा द्रव से ठोस में परिवर्तन को संलयन कहते हैं। यह देखा गया है कि जब तक ठोस पदार्थ की पूरी मात्रा पिघल नहीं जाती तब तक तापमान स्थिर रहता है। अर्थात्, ठोस से तरल अवस्था में परिवर्तन के दौरान पदार्थ की ठोस और तरल दोनों अवस्थाएँ तापीय संतुलन में सह-अस्तित्व में होती हैं।
• वह तापमान जिस पर ठोस और तरल पदार्थ एक दूसरे के साथ तापीय संतुलन में रहते हैं, इसका गलनांक कहलाता है। यह पदार्थ की विशेषता है। यह दबाव पर भी निर्भर करता है। मानक वायुमंडलीय दबाव पर किसी पदार्थ का गलनांक उसका सामान्य गलनांक कहलाता है।
• द्रव से वाष्प (या गैस) में अवस्था परिवर्तन को वाष्पीकरण कहते हैं। यह देखा गया है कि तापमान तब तक स्थिर रहता है जब तक कि तरल की पूरी मात्रा वाष्प में परिवर्तित नहीं हो जाती। अर्थात्, द्रव से वाष्प की अवस्था में परिवर्तन के दौरान, पदार्थ की तरल और वाष्प दोनों अवस्थाएँ थर्मल संतुलन में सह-अस्तित्व में होती हैं।
• वह तापमान जिस पर पदार्थ का द्रव और वाष्प एक साथ रहते हैं, उसका क्वथनांक कहलाता है। उच्च ऊंचाई पर, वायुमंडलीय दबाव कम होता है, जिससे समुद्र के स्तर की तुलना में पानी का क्वथनांक कम हो जाता है। दूसरी ओर, प्रेशर कुकर के अंदर प्रेशर बढ़ाकर क्वथनांक बढ़ा दिया जाता है। इसलिए खाना बनाना तेज है।
• मानक वायुमंडलीय दबाव पर किसी पदार्थ का क्वथनांक उसका सामान्य क्वथनांक कहलाता है।
• हालांकि, सभी पदार्थ तीन अवस्थाओं से नहीं गुजरते हैं: ठोस-तरल-गैस। कुछ पदार्थ ऐसे होते हैं जो सामान्य रूप से ठोस से सीधे वाष्प अवस्था में जाते हैं और इसके विपरीत। तरल अवस्था से गुजरे बिना ठोस अवस्था से वाष्प अवस्था में परिवर्तन को ऊर्ध्वपातन कहा जाता है, और पदार्थ को उदात्त कहा जाता है। सूखी बर्फ (ठोस CO₂) उदात्त होती है, इसलिए आयोडीन भी। ऊर्ध्वपातन प्रक्रिया के दौरान किसी पदार्थ की ठोस और वाष्प दोनों अवस्थाएँ तापीय संतुलन में सह-अस्तित्व में होती हैं।
• एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा ऊर्जा किसी पदार्थ और उसके परिवेश के बीच तब स्थानांतरित होती है जब वह अवस्था परिवर्तन से गुजरता है। पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन के दौरान स्थानांतरित प्रति इकाई द्रव्यमान में ऊष्मा की मात्रा को प्रक्रिया के लिए पदार्थ की गुप्त ऊष्मा कहा जाता है।
• किसी ठोस को उसके गलनांक पर आपूर्ति की जाने वाली ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा, जैसे कि वह बिना तापमान में वृद्धि के तरल अवस्था में बदल जाती है, संलयन की गुप्त ऊष्मा कहलाती है और तरल-गैस अवस्था परिवर्तन के लिए वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा कहलाती है।
• न्यूटन के शीतलन का नियम कहता है कि किसी पिंड के ठंडा होने की दर परिवेश के ऊपर शरीर के अतिरिक्त तापमान के समानुपाती होती है।