परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तर - भाग 2

एक परमाणु में इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉनों के वितरण की कल्पना इस प्रकार की जा सकती है। परमाणु एक छोटे मधुमक्खी के छत्ते जैसा है। मधुमक्खी का छत्ता स्वयं ही नाभिक है और इलेक्ट्रॉन मधुमक्खियों की तरह इसके चारों ओर उड़ते हैं। इसी प्रकार परमाणु में लगभग 90% रिक्त स्थान होता है। ऐसा क्यों?। क्या हमने कभी सोचा है कि इलेक्ट्रॉन एक बड़े स्थान पर क्यों वितरित होते हैं, जबकि प्रोटॉन एक बहुत छोटे स्थान तक ही सीमित होते हैं?।

प्रोटॉन के मामले में, उनके बीच एक नाभिकीय आकर्षण बल मौजूद होता है जो केवल कम दूरी पर कार्य करता है और प्रोटॉन को एक साथ बांधे रखता है। लेकिन इलेक्ट्रॉनों के मामले में ऐसा कोई नाभिकीय आकर्षण बल नहीं होता। उनके बीच केवल विद्युत-स्थैतिक प्रतिकर्षण बल होता है। यही कारण है कि इलेक्ट्रॉन नाभिक से काफी दूरियों तक वितरित होते हैं।

इस वितरण को ऊर्जा स्तर शब्द का प्रयोग करके सबसे अच्छी तरह समझा जा सकता है। चार मुख्य ऊर्जा स्तर हैं जिन्हें K शेल, L शेल, M शेल और N शेल नाम दिया गया है। K शेल की इलेक्ट्रॉन धारण क्षमता 2 है। एल शैल की धारण क्षमता 8 है। एम शेल की धारण क्षमता 18 और एन शेल की धारण क्षमता 32 है। इलेक्ट्रॉन नाभिक के जितना निकट होगा, उसकी ऊर्जा उतनी ही कम होगी। यह नाभिक से जितना दूर होगा इसकी ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी। प्रत्येक शैल को आगे उपशैलों में विभाजित किया जाता है। उपकोश कक्षकों से मिलकर बने होते हैं।

नीचे कोशों और उपकोशों का चित्रण दिया गया है। जैसा कि हम देख सकते हैं कि K कोश नाभिक के सबसे निकट है तथा केवल S उपकोश से बना है। दूसरा कोश, जो कि L कोश है, एक s उपकोश और एक ap उपकोश से मिलकर बना होता है। एम शैल में एस, पी और डी उपशैल होते हैं। N कोश में s, p, d और f उपकोश होते हैं। इलेक्ट्रॉन एक क्रम में पहले निम्न ऊर्जा स्तर पर और फिर उच्च ऊर्जा स्तर पर वितरित होते हैं।

s, p, d और f उपकोश आगे कक्षकों से मिलकर बने होते हैं। आइये हम कक्षीय शब्द को समझें। एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन इतने छोटे क्षेत्र में इतनी तीव्र गति से घूम रहे हैं कि इलेक्ट्रॉनों की सटीक स्थिति का पता लगाना संभव नहीं है। कक्षक परमाणु के चारों ओर का वह स्थान है जहां इलेक्ट्रॉन मिलने की संभावना अधिकतम होती है। उदाहरण के लिए, यहाँ दिए गए चित्रण से पता चलता है कि इलेक्ट्रॉन संभवतः नाभिक के चारों ओर के गोलाकार क्षेत्र में पाया जा सकता है। किसी विशिष्ट क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन की उपस्थिति की इस संभावना को इलेक्ट्रॉन घनत्व कहा जाता है। हम इसे इलेक्ट्रॉन घनत्व क्यों कहते हैं, इलेक्ट्रॉन क्यों नहीं?। क्योंकि हम किसी विशिष्ट क्षण पर इलेक्ट्रॉन की स्थिति के बारे में निश्चित नहीं हैं, इसलिए हम उस क्षेत्र को कक्षक कहते हैं, तथा उस क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन को इलेक्ट्रॉन घनत्व कहते हैं।

यहां कोशों, उपकोशों और कक्षकों का विभाजन दर्शाया गया है। K कोश का एक उपकोश होता है जिसे s कहते हैं। L कोश के दो उपकोश s और p होते हैं। M शैल के तीन उपशैल s, p और d हैं। N कोश में चार उपकोश हैं, s, p, d और f। प्रत्येक कक्षक अधिकतम 2 इलेक्ट्रॉन धारण कर सकता है।

अब हम कक्षकों के आकार पर चर्चा करेंगे। एस ऑर्बिटल गोलाकार आकार का होता है। इसका अर्थ यह है कि इस कक्षक में इलेक्ट्रॉन घनत्व नाभिक के चारों ओर एक गोले के रूप में होता है।

पी ऑर्बिटल्स डम्बल के आकार के होते हैं। इस कक्षक में इलेक्ट्रॉन घनत्व नाभिक के विपरीत दिशाओं में लोबों के जोड़े के रूप में होता है। P ऑर्बिटल्स में Px ऑर्बिटल होता है जो x-अक्ष पर संरेखित होता है, Pyकक्षक जो Y-अक्ष पर संरेखित है और Pz कक्षक जो Z-अक्ष पर संरेखित है।

d उपकोश में 5 कक्षक होते हैं। d उपकोश के कक्षकों को यहां चित्रित किया गया है। उनकी ज्यामिति जटिल है।

f उपकोश में 7 कक्षक होते हैं। इन्हें यहां चित्रित किया गया है। उनकी ज्यामिति बहुत जटिल है।

एक विशिष्ट कक्षक, एक विशिष्ट उपकोश, एक विशिष्ट शेल में एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉन की उपस्थिति का वर्णन करने के लिए संख्याओं का एक नया सेट प्रस्तुत किया गया। उदाहरण के लिए, संख्याएँ [2,1,-1,-1/2]। 2 का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन दूसरे शेल में है जो कि M शेल है। 1 का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन M कोश के p उपकोश में है। -1 का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन M कोश के P उपकोश के Px कक्षक में है। -1/2 इलेक्ट्रॉन के वामावर्त घूर्णन को दर्शाता है। थोड़ा भ्रमित करने वाला है ना?। आइये इन क्वांटम संख्याओं का अलग-अलग विस्तार से अध्ययन करें और देखें कि वे इलेक्ट्रॉन का वर्णन किस प्रकार करते हैं।

क्वांटम संख्याएँ 4 हैं। n द्वारा प्रदर्शित मुख्य क्वांटम संख्या परमाणु के मुख्य कोश का वर्णन करती है। यह नाभिक से इलेक्ट्रॉन की दूरी का वर्णन करता है। n 1,2,3 या 4 हो सकता है। n=1 K शैल को दर्शाता है। n=2 L शेल को दर्शाता है। n=3, M शेल को दर्शाता है। n=4, N शेल को दर्शाता है। हम किसी दिए गए कोश में कक्षकों की संख्या सूत्र n² द्वारा भी ज्ञात कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, दूसरे कोश के लिए n=2 और कक्षकों की संख्या 2² होगी, जो 4 है, जिन्हें s, px, py और pz नाम दिया गया है।

दूसरी क्वांटम संख्या अजीमुथल क्वांटम संख्या है जिसे l द्वारा दर्शाया जाता है। l 0,1,2,3 हो सकता है। वह है l=n-1। l सदैव n से 1 अंक कम होता है। अजीमुथल क्वांटम संख्या उपकोशों के आकार का वर्णन करती है। l=0 गोलाकार आकार के s उपकोश का वर्णन करता है। l=1 डम्बल आकार के p उपकोश का वर्णन करता है। l=2, d उपकोश का वर्णन करता है। l=3 f उपकोश का वर्णन करता है।

l सदैव n=l+1 शेल से प्रारंभ होता है। उदाहरण के लिए l=1, जो कि p कक्षक है, n=1 + 1 से प्रारंभ होता है जो कि 2 है। इस प्रकार, p उपकोश दूसरे कोश से प्रारंभ होता है। इसी प्रकार, d=2 जो कि d कक्षक है, n = 2 + 1 से प्रारंभ होता है जो कि 3 है। इस प्रकार, d उपकोश तीसरे कोश से प्रारंभ होता है। l को कक्षीय कोणीय क्वांटम संख्या के रूप में भी जाना जाता है।

तीसरी क्वांटम संख्या चुंबकीय क्वांटम संख्या है जिसे ml द्वारा दर्शाया जाता है। यह अंतरिक्ष में एक विशिष्ट ऊर्जा और आकार वाले कक्षक के अभिविन्यास को निर्दिष्ट करता है। यह हमें उपकोश में कक्षकों की संख्या के बारे में बताता है। l के दिए गए मान के लिए हम कक्षकों की संख्या ml= 2l + 1 के रूप में ज्ञात कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, d ऑर्बिटल के लिए l = 2, इसलिए ml = 2×2 + 1, जो कि 5 ऑर्बिटल है। अतः d उपकोश में 5 कक्षक हैं जो अंतरिक्ष में अलग-अलग उन्मुख हैं। कक्षक के अभिविन्यास के संबंध में, दिगंशीय क्वांटम संख्या l के दिए गए मान के लिए ml का मान -l से +l तक होता है, जिसमें 0 भी शामिल है। उदाहरण के लिए, p उपकोश के लिए l = 1 और ml का मान -1,0,+1 होगा। l के दिए गए मान के लिए ml के संभावित मान यहां दिए गए हैं।

यहां p ऑर्बिटल के लिए चुंबकीय क्वांटम संख्या का निरूपण दिया गया है। p उपकोश के लिए, l = 1, तथा ml का मान -1,0,+1 होगा।

चौथी क्वांटम संख्या स्पिन क्वांटम संख्या है, जिसे निम्न द्वारा दर्शाया जाता है ms। चूँकि कक्षक में इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेशित होते हैं तथा अपनी धुरी पर घूमते हैं, इसलिए चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। अतः, किसी कक्षक में यदि दो इलेक्ट्रॉन एक ही दिशा में घूमते हैं, तो उनके परिणामस्वरूप उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे को प्रतिकर्षित करेगा। इसलिए, परमाणु अस्थिर हो जाएगा। इस अस्थिरता से बचने के लिए, एक दूसरे के विपरीत दिशाओं में कक्षीय घूर्णन में इलेक्ट्रॉन और उनके परिणामस्वरूप उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। एक इलेक्ट्रॉन अपनी धुरी पर दक्षिणावर्त दिशा में घूमता है और दूसरा वामावर्त दिशा में घूमता है। इलेक्ट्रॉन के दक्षिणावर्त घूर्णन को -1/2 तथा वामावर्त घूर्णन को +1/2 मान दिया गया है।

अब यदि हम कुछ संख्याएँ जैसे [2,1,-1,-1/2] लिखें तो इन संख्याओं को समझना अधिक स्पष्ट हो जाएगा कि वे क्या दर्शाती हैं। पहला है मुख्य क्वांटम संख्या। दूसरा है दिगंशीय क्वांटम संख्या। तीसरा है चुंबकीय क्वांटम संख्या। चौथा है स्पिन क्वांटम संख्या।