Structure Of The atom

In Chapter 3, we have learnt that atoms and molecules are the fundamental building blocks of matter. The existence of different kinds of matter is due to different atoms constituting them. Now the questions arise: (i) What makes the atom of one element different from the atom of another element? and (ii) Are atoms really indivisible, as proposed by Dalton, or are there smaller constituents inside the atom? We shall find out the answers to these questions in this chapter. We will learn about sub-atomic particles and the various models that have been proposed to explain how these particles are arranged within the atom.

A major challenge before the scientists at the end of the 19th century was to reveal the structure of the atom as well as to explain its important properties. The elucidation of the structure of atoms is based on a series of experiments.

One of the first indications that atoms are not indivisible, comes from studying static electricity and the condition under which electricity is conducted by different substances.

4.1 Charged Particles in Matter

For understanding the nature of charged particles in matter, let us carry out the following activities:

Activity 4.1

A. Comb dry hair. Does the comb then attract small pieces of paper?

B. Rub a glass rod with a silk cloth and bring the rod near an inflated balloon. Observe what happens. From these activities, can we conclude that on rubbing two objects together, they become electrically charged? Where does this charge come from? This question can be answered by knowing that an atom is divisible and consists of charged particles.

Many scientists contributed in revealing the presence of charged particles in an atom.

It was known by 1900 that the atom was indivisible particle but contained at least one sub-atomic particle - the electron identified by J.J. Thomson. Even before the electron was identified, E. Goldstein in 1886 discovered the presence of new radiations in a gas discharge and called them canal rays. These rays were positively charged radiations which ultimately led to the discovery of another sub-atomic particle. This sub-atomic particle had a charge, equal in magnitude but opposite in sign to that of the electron. Its mass was approximately 2000 times as that of the electron. It was given the name of proton. In general, an electron is represented as ’ $e$ ’ and a proton as ’ $p$ ‘. The mass of a proton is taken as one unit and its charge as plus one. The mass of an electron is considered to be negligible and its charge is minus one.

It seemed that an atom was composed of protons and electrons, mutually balancing their charges. It also appeared that the protons were in the interior of the atom, for whereas electrons could easily be removed off but not protons. Now the big question was: what sort of structure did these particles of the atom form? We will find the answer to this question below.

Questions

1. What are canal rays?

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Answer

Canal rays are positively charged radiations that can pass through perforated cathode plate. These rays consist of positively charged particles known as protons.

2. If an atom contains one electron and one proton, will it carry any charge or not?

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Answer

An electron is a negatively charged particle, whereas a proton is a positively charged particle. The magnitude of their charges is equal. Therefore, an atom containing one electron and one proton will not carry any charge. Thus, it will be a neutral atom.

4.2 The Structure of an Atom

We have learnt Dalton’s atomic theory in Chapter 3, which suggested that the atom was indivisible and indestructible. But the discovery of two fundamental particles (electrons and protons) inside the atom, led to the failure of this aspect of Dalton’s atomic theory. It was then considered necessary to know how electrons and protons are arranged within an atom. For explaining this, many scientists proposed various atomic models. J.J. Thomson was the first one to propose a model for the structure of an atom.

4.2.1 THOMSON’S MODEL OF AN ATOM

Thomson proposed the model of an atom to be similar to that of a Christmas pudding. The electrons, in a sphere of positive charge, were like currants (dry fruits) in a spherical Christmas pudding. We can also think of a watermelon, the positive charge in the atom is spread all over like the red edible part of the watermelon, while the electrons are studded in the positively charged sphere, like the seeds in the watermelon (Fig. 4.1).

Fig.4.1: Thomson’s model of an atom

J.J. Thomson (1856-1940 ), a British physicist, was born in Cheetham Hill, a suburb of Manchester, on 18 December 1856. He was awarded the Nobel prize in Physics in 1906 for his work on the discovery of electrons. He directed the Cavendish Laboratory at Cambridge for 35 years and seven of his research assistants subsequently won Nobel prizes.

Thomson proposed that:

(i) An atom consists of a positively charged sphere and the electrons are embedded in it.

(ii) The negative and positive charges are equal in magnitude. So, the atom as a whole is electrically neutral.

Although Thomson’s model explained that atoms are electrically neutral, the results of experiments carried out by other scientists could not be explained by this model, as we will see below.

4.2.2 RUTHERFORD’S MODEL OF AN ATOM

Ernest Rutherford was interested in knowing how the electrons are arranged within an atom. Rutherford designed an experiment for this. In this experiment, fast moving alpha $(\alpha)$-particles were made to fall on a thin gold foil.

  • He selected a gold foil because he wanted as thin a layer as possible. This gold foil was about 1000 atoms thick.
  • $\alpha$-particles are doubly-charged helium ions. Since they have a mass of $4 u$, the fast-moving $\alpha$-particles have a considerable amount of energy.
  • It was expected that $\alpha$-particles would be deflected by the sub-atomic particles in the gold atoms. Since the $\alpha$-particles were much heavier than the protons, he did not expect to see large deflections.

Fig. 4.2: Scattering of $\alpha$-particles by a gold foil

But, the $\alpha$-particle scattering experiment gave totally unexpected results (Fig. 4.2). The following observations were made:

(i) Most of the fast moving $\alpha$-particles passed straight through the gold foil.

(ii) Some of the $\alpha$-particles were deflected by the foil by small angles.

(iii) Surprisingly one out of every 12000 particles appeared to rebound.

In the words of Rutherford, “This result was almost as incredible as if you fire a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it comes back and hits you”.

E. Rutherford (1871-1937) was born at Spring Grove on 30 August 1871 . He was known as the ‘Father’ of nuclear physics. He is famous for his work on radioactivity and the discovery of the nucleus of an atom with the gold foil experiment. He got the Nobel prize in chemistry in 1908.

Let us think of an activity in an open field to understand the implications of this experiment. Let a child stand in front of a wall with his eyes closed. Let him throw stones at the wall from a distance. He will hear a sound when each stone strikes the wall. If he repeats this ten times, he will hear the sound ten times. But if a blind-folded child were to throw stones at a barbed-wire fence, most of the stones would not hit the fencing and no sound would be heard. This is because there are lots of gaps in the fence which allow the stone to pass through them.

Following a similar reasoning, Rutherford concluded from the $\alpha$-particle scattering experiment that-

(i) Most of the space inside the atom is empty because most of the $\alpha$-particles passed through the gold foil without getting deflected.

(ii) Very few particles were deflected from their path, indicating that the positive charge of the atom occupies very little space.

(iii) A very small fraction of $\alpha$-particles were deflected by $180^{\circ}$, indicating that all the positive charge and mass of the gold atom were concentrated in a very small volume within the atom.

From the data he also calculated that the radius of the nucleus is about $10^{5}$ times less than the radius of the atom.

On the basis of his experiment, Rutherford put forward the nuclear model of an atom, which had the following features:

(i) There is a positively charged centre in an atom called the nucleus. Nearly all the mass of an atom resides in the nucleus.

(ii) The electrons revolve around the nucleus in circular paths.

(iii) The size of the nucleus is very small as compared to the size of the atom.

Drawbacks of Rutherford’s model of the atom

The revolution of the electron in a circular orbit is not expected to be stable. Any particle in a circular orbit would undergo acceleration. During acceleration, charged particles would radiate energy. Thus, the revolving electron would lose energy and finally fall into the nucleus. If this were so, the atom should be highly unstable and hence matter would not exist in the form that we know. We know that atoms are quite stable.

4.2.3 BOHR’S MODEL OF ATOM

In order to overcome the objections raised against Rutherford’s model of the atom, Neils Bohr put forward the following postulates about the model of an atom:

(i) Only certain special orbits known as discrete orbits of electrons, are allowed inside the atom.

(ii) While revolving in discrete orbits the electrons do not radiate energy.

Neils Bohr (1885-1962) was born in Copenhagen on 7 October 1885. He was appointed professor of physics at Copenhagen University in 1916. He got the Nobel prize for his work on the structure of atom in 1922. Among Professor Bohr’s numerous writings, three appearing as books are:

(i) The Theory of Spectra and Atomic Constitution, (ii) Atomic Theory and, (iii) The Description of Nature.

These orbits or shells are called energy levels. Energy levels in an atom are shown in Fig. 4.3.

Fig. 4.3: A few energy levels in an atom

These orbits or shells are represented by the letters K,L,M,N,… or the numbers, $n=1,2,3,4, \ldots$.

Questions

1. On the basis of Thomson’s model of an atom, explain how the atom is neutral as a whole.

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Answer

As per Thomson’s model of the atom, an atom consists both negative and positive charges which are equal in number and magnitude. So, they balance each other as a result of which atom as a whole is electrically neutral.

2. On the basis of Rutherford’s model of an atom, which subatomic particle is present in the nucleus of an atom?

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Answer

On the basis of Rutherford’s model of an atom, protons are present in the nucleus of an atom.

3. Draw a sketch of Bohr’s model of an atom with three shells.

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Answer

Bohr’s Model of an atom with three shells

4. What do you think would be the observation if the $\alpha$-particle scattering experiment is carried out using a foil of a metal other than gold?

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Answer

If $\alpha$-particle scattering experiment is carried out using a foil of any metal as thin as gold foil used by Rutherford, there would be no change in observations. But since other metals are not so malleable so, such a thin foil is difficult to obtain. If we use a thick foil, then more $\alpha$-particles would bounce back and no idea about the location of positive mass in the atom would be available with such a certainty.

4.2.4 NEUTRONS

In 1932, J. Chadwick discovered another subatomic particle which had no charge and a mass nearly equal to that of a proton. It was eventually named as neutron. Neutrons are present in the nucleus of all atoms, except hydrogen. In general, a neutron is represented as ’ $n$ ‘. The mass of an atom is therefore given by the sum of the masses of protons and neutrons present in the nucleus.

Questions

1. Name the three sub-atomic particles of an atom.

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Answer

The three sub-atomic particles of an atom are:

(i) Protons

(ii) Electrons, and

(iii) Neutrons

2. Helium atom has an atomic mass of $4 u$ and two protons in its nucleus. How many neutrons does it have?

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Answer

Number of neutrons $=$ Atomic mass - Number of protons Therefore, the number of neutrons in the atom $=4-2=2$

4.3 How are Electrons Distributed in Different Orbits (Shells)?

The distribution of electrons into different orbits of an atom was suggested by Bohr and Bury.

The following rules are followed for writing the number of electrons in different energy levels or shells:

(i) The maximum number of electrons present in a shell is given by the formula $2 n^{2}$, where ’ $n$ ’ is the orbit number or energy level index, $1,2,3, \ldots$. Hence the maximum number of electrons in different shells are as follows:

first orbit or K-shell will be $=2 \times 1^{2}=2$, second orbit or L-shell will be $=2 \times 2^{2}=8$, third orbit or M-shell will be $=2 \times 3^{2}=18$, fourth orbit or $N$-shell will be $=2 \times 4^{2}$ $=32$, and so on.

(ii) The maximum number of electrons that can be accommodated in the outermost orbit is 8.

(iii) Electrons are not accommodated in a given shell, unless the inner shells are filled. That is, the shells are filled in a step-wise manner.

Atomic structure of the first eighteen elements is shown schematically in Fig. 4.4. The composition of atoms of the first eighteen elements is given in Table 4.1.

Activity 4.2

  • Make a static atomic model displaying electronic configuration of the first eighteen elements.

  • The composition of atoms of the first eighteen elements is given in Table 4.1.

Questions

1. Write the distribution of electrons in carbon and sodium atoms.

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Answer

  • The total number of electrons in a carbon atom is 6 . The distribution of electrons in carbon atom is given by:

First orbit or K-shell $=2$ electrons

Second orbit or L-shell $=4$ electrons

Or, we can write the distribution of electrons in a carbon atom as 2, 4.

  • The total number of electrons in a sodium atom is 11 . The distribution of electrons in sodium atom is given by:

First orbit or K-shell $=2$ electrons

Second orbit or L-shell $=8$ electrons

Third orbit or M-shell $=1$ electron

Or, we can write distribution of electrons in a sodium atom as $2,8,1$.

2. If $K$ and $L$ shells of an atom are full, then what would be the total number of electrons in the atom?

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Answer

The maximum capacity of $K$ shell is 2 electrons and $L$ shell can accommodate maximum 8 electrons in it. Therefore, there will be ten electrons in the atom.

4.4 Valency

We have learnt how the electrons in an atom are arranged in different shells/orbits. The electrons present in the outermost shell of an atom are known as the valence electrons.

From the Bohr-Bury scheme, we also know that the outermost shell of an atom can

accommodate a maximum of 8 electrons. It was observed that the atoms of elements, completely filled with 8 electrons in the outermost shell show little chemical activity. In other words, their combining capacity or valency is zero. Of these inert elements, the

Name of
Element
Symbol Atomic
Number
Number
of
Protons
Number
of
Neutrons
Number
of
Electrons
trib
Elec
L
ion
ms
M
$\mathbf{N}$ Vale-
ncy
Hydrogen $H$ 1 1 - 1 1 - - - 1
Helium $He$ 2 2 2 2 2 - - - 0
Lithium $Li$ 3 3 4 3 2 1 - - 1
Beryllium $Be$ 4 4 5 4 2 2 - - 2
Boron B 5 5 6 5 2 3 - - 3
Carbon C 6 6 6 6 2 4 - - 4
Nitrogen $N$ 7 7 7 7 2 5 - - 3
Oxygen $O$ 8 8 8 8 2 6 - - 2
Fluorine F 9 9 10 9 2 7 - - 1
Neon $Ne$ 10 10 10 10 2 8 - - 0
Sodium $Na$ 11 11 12 11 2 8 1 - 1
Magnesium $M g$ 12 12 12 12 2 8 2 - 2
Aluminium $Al$ 13 13 14 13 2 8 3 - 3
Silicon $Si$ 14 14 14 14 2 8 4 - 4
Phosphorus $P$ 15 15 16 15 2 8 5 - 3,5
Sulphur $S$ 16 16 16 16 2 8 6 - 2
Chlorine $Cl$ 17 17 18 17 2 8 7 - 1
Argon $Ar$ 18 18 22 18 2 8 8 0

helium atom has two electrons in its outermost shell and all other elements have atoms with eight electrons in the outermost shell.

The combining capacity of the atoms of elements, that is, their tendency to react and form molecules with atoms of the same or different elements, was thus explained as an attempt to attain a fully-filled outermost shell. An outermost-shell, which had eight electrons was said to possess an octet. Atoms would thus react, so as to achieve an octet in the outermost shell. This was done by sharing, gaining or losing electrons. The number of electrons gained, lost or shared so as to make the octet of electrons in the outermost shell, gives us directly the combining capacity of the element, that is, the valency discussed in the previous chapter. For example, hydrogen/ lithium/sodium atoms contain one electron each in their outermost shell, therefore each one of them can lose one electron. So, they are said to have valency of one. Can you tell, what is valency of magnesium and aluminium? It is two and three, respectively, because magnesium has two electrons in its outermost shell and aluminium has three electrons in its outermost shell.

If the number of electrons in the outermost shell of an atom is close to its full capacity, then valency is determined in a different way. For example, the fluorine atom has 7 electrons in the outermost shell, and its valency could be 7 . But it is easier for fluorine to gain one electron instead of losing seven electrons. Hence, its valency is determined by subtracting seven electrons from the octet and this gives you a valency of one for fluorine. Valency can be calculated in a similar manner for oxygen. What is the valency of oxygen that you get from this calculation?

Therefore, an atom of each element has a definite combining capacity, called its valency. Valency of the first eighteen elements is given in the last column of Table 4.1.

Question

1. How will you find the valency of chlorine, sulphur and magnesium?

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Answer

If the number of electrons in the outermost shell of the atom of an element is less than or equal to 4, then the valency of the element is equal to the number of electrons in the outermost shell. On the other hand, if the number of electrons in the outermost shell of the atom of an element is greater than 4 , then the valency of that element is determined by subtracting the number of electrons in the outermost shell from 8.

The distribution of electrons in chlorine, sulphur, and magnesium atoms are $2,8,7 ; 2,8,6$ and $2,8,2$ respectively.

Therefore, the number of electrons in the outer most shell of chlorine, sulphur, and magnesium atoms are 7, 6, and 2 respectively.

Thus, the valency of chlorine $=8-7=1$

The valency of sulphur $=8-6=2$

The valency of magnesium $=2$

4.5 Atomic Number and Mass Number

4.5.1 ATOMIC NUMBER

We know that protons are present in the nucleus of an atom. It is the number of protons of an atom, which determines its atomic number. It is denoted by ’ $Z$ ‘. All atoms of an element have the same atomic number, $Z$. In fact, elements are defined by the number of protons they possess. For hydrogen, $Z=1$, because in hydrogen atom, only one proton is present in the nucleus. Similarly, for carbon, $Z=6$. Therefore, the atomic number is defined as the total number of protons present in the nucleus of an atom.

4.5.2 MASS NUMBER

After studying the properties of the subatomic particles of an atom, we can conclude that mass of an atom is practically due to protons and neutrons alone. These are present in the nucleus of an atom. Hence protons and neutrons are also called nucleons. Therefore, the mass of an atom resides in its nucleus. For example, mass of carbon is $12 u$ because it has 6 protons and 6 neutrons, $6 u+6 u=12 u$. Similarly, the mass of aluminium is $27 u$ (13 protons +14 neutrons). The mass number is defined as the sum of the total number of protons and neutrons present in the nucleus of an atom. It is denoted by ’ $A$ ‘. In the notation for an atom, the atomic number, mass number and symbol of the element are to be written as:

Atomic Number

For example, nitrogen is written as $ _7^{14} N$.

Questions

1. If number of electrons in an atom is 8 and number of protons is also 8 , then (i) what is the atomic number of the atom? and (ii) what is the charge on the atom?

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Answer

(i) The atomic number is equal to the number of protons. Therefore, the atomic number of the atom is 8.

(ii) Since the number of both electrons and protons is equal, therefore, the charge on the atom is 0.

2. With the help of Table 4.1, find out the mass number of oxygen and sulphur atom.

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Answer

Mass number of oxygen $=$ Number of protons + Number of neutrons

$=8+8$

$=16$

Mass number of sulphur $=$ Number of protons + Number of neutrons

$=16+16$

$=32$

4.6 Isotopes

In nature, a number of atoms of some elements have been identified, which have the same atomic number but different mass numbers. For example, take the case of hydrogen atom, it has three atomic species, namely protium $( _1^{1} H)$, deuterium $( _1^{2} H.$ or $.D)$ and tritium $( _1^{3} H.$ or $.T)$. The atomic number of each one is 1 , but the mass number is 1,2 and 3 , respectively. Other such examples are (i) carbon, $ _6^{12} C$ and $ _6^{14} C$, (ii) chlorine, $ _17^{35} Cl$ and $ _17^{37} Cl$, etc.

On the basis of these examples, isotopes are defined as the atoms of the same element, having the same atomic number but different mass numbers. Therefore, we can say that there are three isotopes of hydrogen atom, namely protium, deuterium and tritium.

Many elements consist of a mixture of isotopes. Each isotope of an element is a pure substance. The chemical properties of isotopes are similar but their physical properties are different.

Chlorine occurs in nature in two isotopic forms, with masses $35 u$ and $37 u$ in the ratio of 3:1. Obviously, the question arises: what should we take as the mass of chlorine atom? Let us find out.

The average atomic mass of chlorine atom, on the basis of above data, will be

$ \begin{aligned} & 35 \times \frac{75}{100}+37 \times \frac{25}{100} \\ = & \frac{105}{4}+\frac{37}{4}=\frac{142}{4}=35.5 u \end{aligned} $

The mass of an atom of any natural element is taken as the average mass of all the naturally occuring atoms of that element. If an element has no isotopes, then the mass of its atom would be the same as the sum of protons and neutrons in it. But if an element occurs in isotopic forms, then we have to know the percentage of each isotopic form and then the average mass is calculated.

This does not mean that any one atom of chlorine has a fractional mass of $35.5 u$. It means that if you take a certain amount of chlorine, it will contain both isotopes of chlorine and the average mass is $35.5 u$.

Applications

Since the chemical properties of all the isotopes of an element are the same, normally we are not concerned about taking a mixture. But some isotopes have special properties which find them useful in various fields. Some of them are :

(i) An isotope of uranium is used as a fuel in nuclear reactors.

(ii) An isotope of cobalt is used in the treatment of cancer.

(iii) An isotope of iodine is used in the treatment of goitre.

4.6.1 ISOBARS

Let us consider two elements - calcium, atomic number 20, and argon, atomic number 18. The number of protons in these atoms is different, but the mass number of both these elements is 40 . That is, the total number of nucleons is the same in the atoms of this pair of elements. Atoms of different elements with different atomic numbers, which have the same mass number, are known as isobars.

Questions

1. For the symbol $H, D$ and $T$ tabulate three sub-atomic particles found in each of them.

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Answer

Symbol Proton Neutron Electron
H 1 0 1
D 1 1 1
T 1 2 1

2. Write the electronic configuration of any one pair of isotopes and isobars.

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Answer

${ }^{12} C_6$ and ${ }^{14} C_6$ are isotopes, have the same electronic configuration as (2, 4) ${ }^{22} Ne_{10}$ and ${ }^{22} Ne_{11}$ are isobars. They have different electronic configuration as given below:

${ }^{22} Ne_{10}-2,8$

${ }^{22} Ne_{11}-2,8,1$

What have you learnt

  • Credit for the discovery of electron and proton goes to J.J. Thomson and E.Goldstein, respectively.

  • J.J. Thomson proposed that electrons are embedded in a positive sphere.

  • Rutherford’s alpha-particle scattering experiment led to the discovery of the atomic nucleus.

  • Rutherford’s model of the atom proposed that a very tiny nucleus is present inside the atom and electrons revolve around this nucleus. The stability of the atom could not be explained by this model.

  • Neils Bohr’s model of the atom was more successful. He proposed that electrons are distributed in different shells with discrete energy around the nucleus. If the atomic shells are complete, then the atom will be stable and less reactive.

  • J. Chadwick discovered presence of neutrons in the nucleus of an atom. So, the three sub-atomic particles of an atom are: (i) electrons, (ii) protons and (iii) neutrons. Electrons are negatively charged, protons are positively charged and neutrons

    have no charges. The mass of an electron is about $\frac{1}{2000}$ times the mass of an hydrogen atom. The mass of a proton and a neutron is taken as one unit each.

  • Shells of an atom are designated as K,L,M,N,….

  • Valency is the combining capacity of an atom.

  • The atomic number of an element is the same as the number of protons in the nucleus of its atom.

  • The mass number of an atom is equal to the number of nucleons in its nucleus.

  • Isotopes are atoms of the same element, which have different mass numbers.

  • Isobars are atoms having the same mass number but different atomic numbers.

  • Elements are defined by the number of protons they possess.

Exercises

1. Compare the properties of electrons, protons and neutrons.

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Answer

Particle Nature of Charge Mass Location
Electron Electrons are negatively charged. $9 \times 10^{-31} kg$ Extra nuclear part distributed in different shell or orbits.
Proton Protons are positively charged. $(1.672 \times 10^{-27} kg.$ $(\mathrm{ppprox.} 2000$ times that of the electron) Nucleus
Neutron Neutrons are neutral. Equal to mass of proton Nucleus

2. What are the limitations of J.J. Thomson’s model of the atom?

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Answer

The limitations of J.J. Thomson’s model of the atom are:

It could not explain the result of scattering experiment performed by rutherford.

It did not have any experiment support.

3. What are the limitations of Rutherford’s model of the atom?

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Answer

The limitations of Rutherford’s model of the atom are

It failed to explain the stability of an atom.

It doesn’t explain the spectrum of hydrogen and other atoms.

4. Describe Bohr’s model of the atom.

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Answer

The atom consists of a small positively charged nucleus at its center.

The whole mass of the atom is concentrated at the nucleus and the volume of the nucleus is much smaller than the volume of the atom.

All the protons and neutrons of the atom are contained in the nucleus.

Only certain orbits known as discrete orbits of electrons are allowed inside the atom.

While revolving in these discrete orbits electrons do not radiate energy. These orbits or cells are represented by the letters $K, L, M, N$ etc. or the numbers, $n=1,2,3,4, \ldots$ as shown in below figure.

Bohr’s Model of Atom

5. Compare all the proposed models of an atom given in this chapter.

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Answer

Thomson’s model Rutherford’s model Bohr’s model
An atom consists of a positively charged sphere and the electrons are embedded in it. An atom consists of a positively charged center in the atom The mass of the atom is contributed Bohr agreed with almost all points as said by Rutherford except regarding the revolution of electrons for which he added that there are only certain orbits known as discrete orbits inside the atom in which electrons nucleus.
The negative and positive charges are equal in magnitude. As a result the atom is electrically neutral. The size of the nucleus is very small as compared to the size of the atom. While revolving in its discrete orbits the electrons do not radiate energy.

6. Summarise the rules for writing of distribution of electrons in various shells for the first eighteen elements.

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Answer

The rules for writing of the distribution of electrons in various shells for the first eighteen elements are given below.

If $n$ gives the number of orbit or energy level, then $2 n^{2}$ gives the maximum number of electrons possible in a given orbit or energy level. Thus,

First orbit or K-shell will have 2 electrons, Second orbit or L-shell will have 8 electrons, Third orbit or M-shell will have 18 electrons.

If it is the outermost orbit, then it should have not more than 8 electrons.

There should be step-wise filling of electrons in different orbits, i.e., electrons are not accompanied in a given orbit if the earlier orbits or shells are incompletely filled.

7. Define valency by taking examples of silicon and oxygen.

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Answer

The valency of an element is the combining capacity of that element. The valency of an element is determined by the number of valence electrons present in the atom of that element.

Valency of Silicon: It has electronic configuration: $2,8,4$

Thus, the valency of silicon is 4 as these electrons can be shared with others to complete octet.

Valency of Oxygen: It has electronic configuration: 2,6

Thus, the valency of oxygen is 2 as it will gain 2 electrons to complete its octet.

8. Explain with examples (i) Atomic number, (ii) Mass number, (iii) Isotopes and (iv) Isobars. Give any two uses of isotopes.

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Answer

(i) Atomic number: The atomic number of an element is the total number of protons present in the atom of that element. For example, nitrogen has 7 protons in its atom. Thus, the atomic number of nitrogen is 7.

(ii) Mass number: The mass number of an element is the sum of the number of protons and neutrons present in the atom of that element. For example, the atom of boron has 5 protons and 6 neutrons. So, the mass number of boron is $5+6=11$.

(iii) Isotopes: These are atoms of the same element having the same atomic number, but different mass numbers. For example, chlorine has two isotopes with atomic number 17 but mass numbers 35 and 37 represented by

$ \frac{35}{17} Cl, \frac{37}{17} Cl $

(iv) Isobars: These are atoms having the same mass number, but different atomic numbers i.e., isobars are atoms of different elements having the same mass number. For example, Ne has atomic number 10 and sodium has atomic number 11 but both of them have mass numbers as 22 represented by -

$ \frac{22}{10} N e, \frac{22}{11} N e $

Two uses of isotopes:

One isotope of uranium is used as a fuel in nuclear reactors.

One isotope of cobalt is used in the treatment of cancer.

9. $Na^{+}$has completely filled $K$ and $L$ shells. Explain.

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Answer

The atomic number of sodium is 11 . So, neutral sodium atom has 11 electrons and its electronic configuration is 2, 8, 1. But Na+ has 10 electrons. Out of $10, K$-shell contains 2 and L-shell 8 electrons respectively. Thus, $Na^{+}$has completely filled $K$ and $L$ shells.

10. If bromine atom is available in the form of, say, two isotopes $ _35^{79} Br(49.7 \%)$ and $ _35^{81} Br(50.3 \%)$, calculate the average atomic mass of bromine atom.

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Answer

It is given that two isotopes of bromine are $79 / 35 Br$ (49.7%) and 81 / $35 Br(50.3 \%)$. Then, the average atomic mass of bromine atom is given by:

$ \begin{aligned} & 79 \times \frac{49.7}{100}+81 \times \frac{50.3}{100} \\ \\ & =\frac{3926.3}{100}+\frac{4074.3}{100} \\ \\ & =\frac{8000.6}{100} \\ \\ & =80.006 u \end{aligned} $

11. The average atomic mass of a sample of an element $X$ is $16.2 u$. What are the percentages of isotopes $ _8^{16} X$ and $ _8^{18} X$ in the sample?

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It is given that the average atomic mass of the sample of element $X$ is $16.2 u$.

Let the percentage of isotope $18 / 8 X$ be $y \%$. Thus, the percentage of isotope $16 / 8 X$ will be (100 - $y$ ) $\%$.

Therefore,

$18 \times \frac{y}{100}+16 \times \frac{(100-y)}{100}=16.2$

$\frac{18 y}{100}+\frac{16(100-y)}{100}=16.2$

$\frac{18 y+1600-16 y}{100}=16.2$

$18 y+1600-16 y=1620$

$2 y+1600=1620$

$2 y=1620-1600$

$y=10$

Therefore, the percentage of isotope 18 / 8 X is $10 \%$.

And, the percentage of isotope $16 / 8 X$ is $(100-10) \%=90 \%$.

12. If $Z=3$, what would be the valency of the element? Also, name the element.

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By $Z=3$, we mean that the atomic number of the element is 3 . Its electronic configuration is 2,1 . Hence, the valency of the element is 1 (since the outermost shell has only one electron). Therefore, the element with $Z=3$ is lithium.

13. Composition of the nuclei of two atomic species $X$ and $Y$ are given as under

X Y
Protons = 6 6
Neutrons = 6 8

Give the mass numbers of $X$ and $Y$. What is the relation between the two species?

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Mass number of $X=$ Number of protons + Number of neutrons $=6+6$ $=12$

Mass number of $Y=$ Number of protons + Number of neutrons

$=6+8$

$=14$

These two atomic species $X$ and $Y$ have the same atomic number, but different mass numbers. Hence, they are isotopes.

14. For the following statements, write $T$ for True and $F$ for False.

(a) J.J. Thomson proposed that the nucleus of an atom contains only nucleons.

(b) A neutron is formed by an electron and a proton combining together. Therefore, it is neutral.

(c) The mass of an electron is about $\frac{1}{2000}$ times that of proton.

(d) An isotope of iodine is used for making tincture iodine, which is used as a medicine.

Put tick $(\checkmark)$ against correct choice and cross (x) against wrong choice in questions 15,16 and 17

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(a) False

(b) False

(c) True

(d) False

15. Rutherford’s alpha-particle scattering experiment was responsible for the discovery of

(a) Atomic Nucleus

(b) Electron

(c) Proton

(d) Neutron

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(a) Atomic nucleus

16. Isotopes of an element have

(a) the same physical properties

(b) different chemical properties

(c) different number of neutrons

(d) different atomic numbers.

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(c) different number of neutrons

17. Number of valence electrons in $Cl^{-}$ion are:

(a) 16

(b) 8

(c) 17

(d) 18

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(b) 8

18. Which one of the following is a correct electronic configuration of sodium?

(a) 2,8

(b) $8,2,1$

(c) $2,1,8$

(d) $2,8,1$

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(d) 2, 8, 1

19. Complete the following table.

Atomic Number Mass Number Number of Neutrons Number of Protons Number of Electrons Name of the Atomic Species
9 - 10 - - -
16 32 - - - Sulphur
- 24 - 12 - -
- 2 - 1 - -
- 1 0 1 0 -
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Atomic number Mass number Number of Neutrons Number of protons Number of electrons Name of the Atomic species
9 19 10 9 9 Fluorine
16 32 16 16 16 Sulphur
12 24 12 12 12 Magnesium
1 2 1 1 1 Deuterium
1 1 0 1 0 Hydrogen ion

अध्याय 3 में हम पढ़ चुके हैं कि पदार्थ, परमाणुओं और अणुओं से मिलकर बने हैं। विभिन्न प्रकार के पदार्थों का अस्तित्व उन परमाणुओं के कारण होता है, जिनसे वे बने हैं। अब प्रश्न उठता है कि : (i) किसी एक तत्व का परमाणु दूसरे तत्व के परमाणुओं से भिन्न क्यों होता है? और (ii) क्या परमाणु वास्तव में अविभाज्य होते हैं, जैसा कि डाल्टन ने प्रतिपादित किया था या परमाणुओं के भीतर छोटे अन्य घटक भी विद्यमान होते हैं? इस अध्याय में हमें इस प्रश्न का उत्तर मिलेगा। हम अवपरमाणुक कणों और परमाणु के विभिन्न प्रकार के मॉडलों के बारे में पढ़ंगे, जिनसे यह पता चलता है कि ये कण परमाणु के भीतर किस प्रकार व्यवस्थित होते हैं।

19 वीं शताब्दी के अंत में वैज्ञानिकों के समक्ष सबसे बड़ी चुनौती थी, परमाणु की संरचना और उसके गुणों के बारे में पता लगाना। परमाणुओं की संरचना को अनेक प्रयोगों के आधार पर समझाया गया है।

परमाणुओं के अविभाज्य न होने के संकेतों में से एक संकेत स्थिर-विद्युत तथा विभिन्न पदार्थों द्वारा विद्युत चालन की परिस्थितियों के अध्ययन से मिला।

4.1 पदार्थो में आवेशित कण

पदार्थो में आवेशित कणों की प्रकृति को जानने के लिए, आइए हम निम्न क्रियाकलाप करें।

क्रियाकलाप 4.1

A. सूखे बालों पर कंघी कीजिए। क्या कंघी कागज़ के छोटे-छोटे टुकड़ों को आकर्षित करती है?

B. काँच की एक छड़ को सिल्क के कपड़े पर रगड़िए और इस छड़ को हवा से भरे गुब्बारे के पास लाइए। क्या होता है, ध्यान से देखिए।

इन क्रियाकलापों से क्या हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि दो वस्तुओं को आपस में रगड़ने से उनमें विद्युत आवेश आ जाता है? यह आवेश कहाँ से आता है? इसका उत्तर तब मिला जब यह पता चला कि परमाणु विभाज्य है और आवेशित कणों से बना है।

परमाणु में उपस्थित आवेशित कणों का पता लगाने में कई वैज्ञानिकों ने योगदान दिया।

19 वीं शताब्दी तक यह जान लिया गया था कि परमाणु साधारण और अविभाज्य कण नहीं है, बल्कि इसमें कम से कम एक अवपरमाणुक कण इलेक्ट्रॉन विद्यमान होता है, जिसका पता जे. जे. टॉमसन ने लगाया था। इलेक्ट्रॉन के संबंध में जानकारी प्राप्त होने के पहले, ई. गोल्डस्टीन ने 1886 में एक नए विकिरण की खोज की, जिसे उन्होंने ‘केनाल रे’ का नाम दिया। ये किरणें धनावेशित विकिरण थीं, जिसके द्वारा अंततः दूसरे अवपरमाणुक कणों की खोज हुई। इन कणों का आवेश इलेक्ट्रॉन के आवेश के बराबर, किंतु विपरीत था। इनका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉनों की अपेक्षा लगभग 2000 गुणा अधिक होता है। उनको प्रोटॉन नाम दिया गया। सामान्यतः इलेक्ट्रॉन को $\mathrm{e}^{-}$के द्वारा और प्रोटॉन को $\mathrm{p}^{+}$के द्वारा दर्शाया जाता है। प्रोटॉन का द्रव्यमान 1 इकाई और इसका आवेश +1 लिया जाता है। इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान नगण्य और आवेश -1 माना जाता है।

ऐसा माना गया कि परमाणु प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन से बने हैं, जो परस्पर आवेशों को संतुलित करते हैं। यह भी प्रतीत हुआ कि प्रोटॉन परमाणु के सबसे भीतरी भाग में होते हैं। इलेक्ट्रॉनों को आसानी से निकाला जा सकता है लेकिन प्रोटॉनों को नहीं। अब सबसे बड़ा प्रश्न यह था कि ये कण परमाणु की संरचना किस प्रकार करते हैं? हमें इस प्रश्न का उत्तर नीचे मिलेगा।

प्रशन

**1.**केनाल किरणें क्या हैं?

**2.**यदि किसी परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन है, तो इसमें कोई आवेश होगा या नहीं?

4.2 परमाणु की संरचना

हमने अध्याय 3 में डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के बारे में पढ़ा है, जिसके अनुसार परमाणु अविभाज्य और अविनाशी था। लेकिन परमाणु के भीतर दो मूल कणों, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन की खोज ने डाल्टन के परमाणु सिद्धांत की इस धारणा को गलत साबित कर दिया। अब यह जानना आवश्यक था कि इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन परमाणु के भीतर किस तरह व्यवस्थित हैं। इसको समझाने के लिए बहुत से वैज्ञानिकों ने भिन्न-भिन्न प्रकार के मॉडलों को प्रस्तुत किया। जे. जे. टॉमसन पहले वैज्ञानिक थे जिन्होंने परमाणुओं की संरचना से संबंधित पहला मॉडल प्रस्तुत किया।

4.2.1 टॉमसन का परमाणु मॉडल

टॉमसन ने परमाणुओं की संरचना से संबंधित एक मॉडल प्रस्तुत किया, जो क्रिसमस केक की तरह था। इनके अनुसार परमाणु एक धनावेशित गोला था, जिसमें इलेक्ट्रॉन क्रिसमस केक में लगे सूखे मेवों की तरह थे। तरबूज का उदाहरण भी ले सकते हैं, जिसके अनुसार परमाणु में धन आवेश तरबूज के खाने वाले परमाणु की संरचना लाल भाग की तरह बिखरा है, जबकि इलेक्ट्रॉन धनावेशित गोले में तरबूज के बीज की भांति धँसे हैं (चित्र 4.1)।

चित्र 4.1: टॉमसन का परमाणु मॉडल

ब्रिटिश भौतिकशास्त्री, जे. जे टॉमसन (1856-1940), का जन्म 18 दिसंबर, 1856 में मैनचेस्टर के कीचम हिल क्षेत्र में हुआ था। इलेक्ट्रॉन की खोज के कारण 1906 में उनको भौतिकशास्त्र में नोबेल पुरस्कार

मिला। 35 वर्ष तक वे कैम्ब्रिज में कैवेन्डिश प्रयोगशाला के निदेशक थे और उनके शोध के सात सहयोगियों को भी आगे चलकर नोबेल पुरस्कार मिला।

टॉमसन ने प्रस्तावित किया कि:

(i) परमाणु धन आवेशित गोले का बना होता है और इलेक्ट्रॉन उसमें धँसे होते हैं।

(ii) ॠणात्मक और धनात्मक आवेश परिमाण में समान होते हैं। इसलिए परमाणु वैद्युतीय रूप से उदासीन होते हैं।

यद्यपि टॉमसन के मॉडल से परमाणु के उदासीन होने की व्याख्या हो गई किंतु दूसरे वैज्ञानिकों द्वारा किए गए प्रयोगों के परिणामों को इस मॉडल के द्वारा समझाया नहीं जा सका, जैसा कि हम आगे देखेंगे।

4.2.2 रदरफोर्ड का परमाणु मॉडल

अरनेस्ट रदरफ़ोर्ड यह जानने के इच्छुक थे कि इलेक्ट्रॉन परमाणु के भीतर कैसे व्यवस्थित हैं। उन्होंने एक प्रयोग किया। इस प्रयोग में, तेज़ गति से चल रहे अल्फ़ा कणों को सोने की पन्नी पर टकराया गया।

  • इन्होंने सोने की पन्नी इसलिए चुनी क्योंकि वे बहुत पतली परत चाहते थे। सोने की यह पन्नी 1000 परमाणुओं के बराबर मोटी थी।
  • अल्फ़ा कण द्विआवेशित हिलीयम कण होते हैं अतः ये धनावेशित होते हैं। चूँकि इनका द्रव्यमान $4 \mathrm{u}$ होता है इसलिए तीव्र गति से चल रहे इन अल्फ़ा कणों में पर्याप्त ऊर्जा होती है।
  • यह अनुमान था कि अल्फ़ा कण सोने के परमाणुओं में विद्यमान अवपरमाणुक कणों के द्वारा विक्षेपित होंगे। चूँकि अल्फ़ा कण प्रोटॉन से बहुत अधिक भारी थे, इसलिए उन्होंने इनके अधिक विक्षेपण की आशा नहीं की थी।

चित्र 4.2: सोने की परत द्वारा अल्फ़ा कणों का प्रकीर्णन

लेकिन अल्फ़ा कण-प्रकीर्णन प्रयोग ने आशा के बिल्कुल विपरीत परिणाम दिया (चित्र 4.2)। इससे निम्नलिखित परिणाम मिले -

(i) तेज़ गति से चल रहे अधिकतर अल्फ़ा कण सोने की पन्नी से सीधे निकल गए। (ii) कुछ अल्फ़ा कण पन्नी के द्वारा बहुत छोटे कोण से विक्षेपित हुए।

(iii) आश्चर्यजनक रूप से प्रत्येक 12000 कणों में से एक कण वापस आ गया।

रदरर्फोड के अनुसार, “यह परिणाम उसी प्रकार अविश्वसनीय था, जैसे अगर आप एक 15 इंच के तोप के गोले को टिशू पेपर के टुकड़े पर मारते हैं और वह लौटकर आपको ही चोट पहुँचाता है।”

ई. रदरफ़ोर्ड (1871-1937) का जन्म 30 अगस्त, 1871 में स्प्रिंग ग्रोव में हुआ था। उनको नाभिकीय भौतिकी का जनक माना जाता था। रेडियोधर्मिता

पर अपने योगदान और सोने की पन्नी के द्वारा परमाणु के नाभिक की खोज के लिए वे बहुत प्रसिद्ध हुए। 1908 में उनको नोबेल पुरस्कार मिला।

इस प्रयोग के निष्कर्ष को समझने के लिए खुले मैदान में एक क्रियाकलाप करते हैं। मान लें कि एक बच्चा अपनी आँखों को बंद किए हुए एक दीवार के सामने खड़ा है। उसे दीवार पर कुछ दूरी से पत्थर फेंकने को कहें। प्रत्येक पत्थर के दीवार से टकराने के साथ ही वह एक आवाज़ सुनेगा। अगर वह इसे दस बार दोहराएगा तो वह दस बार आवाज़ सुनेगा। लेकिन जब आँख बंद किया हुआ बच्चा तार से घिरी हुई चारदिवारी पर पत्थर फेंकेगा तो अधिकतर पत्थर उस घेरे पर नहीं टकराएँगे और कोई आवाज़ सुनाई नहीं पड़ेगी। क्योंकि घेरे के बीच में बहुत सारे खाली स्थान हैं, जिनके बीच से पत्थर निकल जाता है।

इसी तर्क के अनुसार, अल्फ़ा कण-प्रकीर्णन प्रयोग के आधार पर रदरफ़ोर्ड ने निम्न परिणाम निकाले-

(i) परमाणु के भीतर का अधिकतर भाग खाली है क्योंकि अधिकतर अल्फ़ा कण बिना विक्षेपित हुए सोने की पन्नी से बाहर निकल जाते हैं। (ii) बहुत कम कण अपने मार्ग से विक्षेपित होते हैं जिससे यह ज्ञात होता है कि परमाणु में धनावेशित भाग बहुत कम है।

(iii) बहुत कम अल्फ़ा कण $180^{\circ}$ पर विक्षेपित हुए थे, जिससे यह संकेत मिलता है कि सोने के परमाणु का पूर्ण धनावेशित भाग और द्रव्यमान, परमाणु के भीतर बहुत कम आयतन में सीमित है। प्राप्त आँकड़ों के आधार पर उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि नाभिक की त्रिज्या परमाणु की त्रिज्या से $10^{5}$ गुणा छोटी है।

अपने प्रयोगों के आधार पर रदरफ़ोर्ड ने परमाणु का नाभिकीय-मॉडल प्रस्तुत किया, जिसके निम्नलिखित लक्षण थे:

(i) परमाणु का केंद्र धनावेशित होता है जिसे नाभिक कहा जाता है। एक परमाणु का लगभग संपूर्ण द्रव्यमान नाभिक में होता है।

(ii) इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर वर्तुलाकार मार्ग में चक्कर लगाते हैं।

(iii) नाभिक का आकार परमाणु के आकार की तुलना में काफ़ी कम होता है।

रदरफोर्ड के परमाणु मॉडल की कमियाँ

वर्तुलाकार मार्ग में चक्रण करते हुए इलेक्ट्रॉन का स्थायी हो पाना संभावित नहीं है। कोई भी आवेशित कण गोलाकार कक्ष में त्वरित होगा। त्वरण के दौरान आवेशित कणों से ऊर्जा का विकिरण होगा। इस प्रकार स्थायी कक्ष में घूमता हुआ इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा विकिरित करेगा और नाभिक से टकरा जाएगा। अगर ऐसा होता, तो परमाणु अस्थिर होता जबकि हम जानते हैं कि परमाणु स्थायी होते हैं।

4.2.3 बोर का परमाण्विक मॉडल

रदरफ़ोर्ड के मॉडल पर उठी आपत्तियों को दूर करने के लिए, नील्स बोर ने परमाणु की संरचना के बारे में निम्नलिखित अवधारणाएँ प्रस्तुत कीं-

(i) इलेक्ट्रॉन केवल कुछ निश्चित कक्षाओं में ही चक्कर लगा सकते हैं, जिन्हें इलेक्ट्रॉन की विविक्त कक्षा कहते हैं।

(ii) जब इलेक्ट्रॉन इस विविक्त कक्षा में चक्कर लगाते हैं, तो उनकी ऊर्जा का विकिरण नहीं होता है।

नील्स बोर (1885-1962) का जन्म 7 अक्टूबर, 1885 में कोपेनहेगन में हुआ था। 1916 में कोपेनहेगन विश्वविद्यालय में उनको भौतिकशास्त्र का प्रोफ़ेसर नियुक्त किया गया। 1922 में उनको परमाणु की संरचना पर अपने योगदान के लिए नोबेल पुरस्कार मिला। प्रोफ़ेसर बोर के विविध लेखों पर आधारित तीन पुस्तकें प्रकाशित हुई-

(i) दि थ्योरी ऑफ़ स्पेक्ट्रा एंड एटॉमिक कॉन्स्टीट्यूशन

(ii) एटॉमिक थ्योरी, और

(iii) दि डिस्क्रिप्शन ऑफ़ नेचर।

इन कक्षाओं (या कोशों) को ऊर्जा-स्तर कहते हैं। चित्र 4.3 में एक परमाणु के ऊर्जा स्तरों को दिखाया गया है।

चित्र 4.3: किसी परमाणु में कुछ ऊर्जा स्तर

ये कक्षाएँ (या कोश) K,L,M,N…… या संख्याओं, $1,2,3,4 \ldots \ldots .$. के द्वारा दिखाई जाती हैं।

प्रशन

1. परमाणु उदासीन है, इस तथ्य को टॉमसन के मॉडल के आधार पर स्पष्ट कीजिए।

2. रदरफ़ोर्ड के परमाणु मॉडल के अनुसार, परमाणु के नाभिक में कौन सा अवपरमाणुक कण विद्यमान है?

3. तीन कक्षाओं वाले बोर के परमाणु मॉडल का चित्र बनाइए।

4. क्या अल्फ़ा कणों का प्रकीर्णन प्रयोग सोने के अतिरिक्त दूसरी धातु की पन्नी से संभव होगा?

4.2.4 न्यूट्रॉन

1932 में जे. चैडविक ने एक और अवपरमाणुक कण को खोज निकाला, जो अनावेशित और द्रव्यमान में प्रोटॉन के बराबर था। अंततः इसका नाम न्यूट्रॉन पड़ा। हाइड्रोजन को छोड़कर ये सभी परमाणुओं के नाभिक में होते हैं। समान्यतः, न्यूट्रॉन को ’ $n$ ’ से दर्शाया जाता है। परमाणु का द्रव्यमान नाभिक में उपस्थित प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान के योग के द्वारा प्रकट किया जाता है।

प्रशन

1. परमाणु के तीन अवपरमाणुक कणों के नाम लिखें।

2. हीलियम परमाणु का परमाणु द्रव्यमान $4 \mathrm{u}$ है और उसके नाभिक में दो प्रोटॉन होते हैं। इसमें कितने न्यूट्रॉन होंगे?

4.3 विभिन्न कक्षाओं में इलेक्ट्रॉन कैसे वितरित होते हैं?

परमाणुओं की विभिन्न कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों के वितरण के लिए बोर और बरी ने कुछ नियम प्रस्तुत किए जिसे बोर बरी स्कीम के नाम से जाना जाता है।

(i) इन नियमों के अनुसार किसी कक्षा में उपस्थित अधिकतम इलेक्ट्रॉनों की संख्या को सूत्र $2 n^{2}$ से दर्शाया जाता है, जहाँ ’ $n$ ’ कक्षा की संख्या या ऊर्जा स्तर है। इसलिए इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या पहले कक्ष या $\mathrm{K}$ कोश में होगी $=2 \times 1^{2}=2$, दूसरे कक्ष या $\mathrm{L}$ कोश में होगी $=2 \times 2^{2}=8$, तीसरे कक्ष या $\mathrm{M}$ कोश में होगी $=2 \times 3^{2}=18$, चौथे कक्ष या $\mathrm{N}$ कोश में होगी $=2 \times 4^{2}=32$ ।

चित्र 4.4: पहले अठारह तत्वों की परमाण्विक संरचना का व्यवस्था चित्र (ii) सबसे बाहरी कोश में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या 8 हो सकती है।

(iii) किसी परमाणु के दिए गए कोश में इलेक्ट्रॉन तब तक स्थान नहीं लेते हैं जब तक कि उससे पहले वाले भीतरी कक्ष पूर्ण रूप से भर नहीं जाते। इससे स्पष्ट होता है कि कक्षाएँ क्रमानुसार भरती हैं।

पहले 18 तत्वों की परमाणु संरचना के व्यवस्था चित्र को चित्र 4.4 में दिखाया गया है।

क्रियाकलाप 4.2

  • स्थायी परमाण्विक मॉडल तैयार करें तथा पहले अठारह तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास को दिखाएँ।
  • पहले अठारह तत्वों के परमाणुओं की संयोजन सारणी 4.1 में दी गई है।

प्रशन

**1.**कार्बन और सोडियम के परमाणुओं के लिए इलेक्ट्रान-वितरण लिखिए।

**2.**अगर किसी परमाणु का $K$ और $L$ कोश भरा है, तो उस परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या क्या होगी?

4.4 संयोजकता

हम पढ़ चुके हैं कि परमाणुओं की विभिन्न कक्षाओं (या कोशों) में इलेक्ट्रॉन किस प्रकार व्यवस्थित होते हैं। किसी परमाणु की सबसे बाहरी कक्षा में उपस्थित इलेक्ट्रानों को संयोजकता-इलेक्ट्रॉन कहा जाता है।

बोर-बरी स्कीम से हम जानते हैं कि किसी परमाणु का बाह्यतम कक्ष अधिकतम 8 इलेक्ट्रॉन रख सकता है। यह देखा गया था कि जिन तत्वों के परमाणुओं के बाह्यतम कक्ष पूर्ण रूप से इलेक्ट्रॉनों (8) से भरे होते हैं वे रासायनिक रूप से सक्रिय नहीं होते हैं। दूसरे शब्दों में, ऐसे तत्वों की संयोजन-शक्ति या संयोजकता शून्य होती है। इन अक्रिय तत्वों में से हीलियम-परमाणु के बाह्यतम कक्ष में दो (2) इलेक्ट्रॉन होते हैं और अन्य में आठ (8) होते है। सक्रिय तत्वों के परमाणुओं की संयोजन-शक्ति अर्थात् अपने समान या अन्य किसी तत्व के परमाणुओं से मिलकर अणु बनाने की प्रवृत्ति, अपने बाह्यतम कक्ष को पूर्ण रूप से भरने का प्रयास माना जाता है। आठ इलेक्ट्रॉन वाले सबसे बाहरी (बाह्यतम) कक्ष को अष्टक माना जाता है। परमाणु अपने अंतिम कक्ष में अष्टक प्राप्त करने के लिए क्रिया करते हैं। यह आपस में इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी करने, उनको ग्रहण करने या उनका त्याग करने से होता है। परमाणु के बाहयतम कक्ष में इलेक्ट्रॉनों के अष्टक बनाने के लिए जितनी संख्या में इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी या स्थानांतरण होता है, वही उस तत्व की संयोजकता-शक्ति अर्थात् संयोजकता होती है, जिसकी चर्चा पिछले अध्याय में की गई है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन, लीथियम या सोडियम प्रत्येक के परमाणुओं के बाह्यतम कक्ष में एक-एक इलेक्ट्रॉन होता है। अतः यह एक इलेक्ट्रॉन का त्याग कर सकते हैं। इसलिए उनकी संयोजकता एक (1) कही जाती है। क्या आप बता सकते हैं कि मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की संयोजकता क्या है? यह क्रमशः 2 और 3 है क्योंकि मैग्नीशियम के बाह्यतम कक्ष में 2 तथा एलुमिनियम के 3 इलेक्ट्रॉन होते हैं।

यदि किसी परमाणु के बाह्यतम कक्ष में इलेक्ट्रॉनों की संख्या उसकी क्षमता के अनुसार लगभग पूरी है तो संयोजकता एक अन्य प्रकार से प्राप्त की जाती है। उदाहरण के लिए, फ़्लोरीन परमाणु के बाह्यतम कक्ष में सात (7) इलेक्ट्रॉन होते हैं और इसकी संयोजकता सात (7) हो सकती है किंतु बाह्यतम कक्ष में अष्टक बनाने के लिए फ़्लोरीन के लिए 7 इलेक्ट्रॉनों का त्याग करने की अपेक्षा एक (1) इलेक्ट्रॉन प्राप्त करना अधिक आसान है। अतः इसकी संयोजकता,

तत्व का नाम प्रतीक परमाणु
संख्या
प्रोटॉनों
की
संख्या
न्यूट्रॉनों
की
संख्या
इलेट्रॉनों
की
संख्या
इलेट्रॉनों का
वितरण
संयोज-
कता
$\mathbf{L}$ $\mathbf{M}$ $\mathbf{N}$
हाइड्रोजन $\mathrm{H}$ 1 1 - 1 1 - - - 1
हीलियम $\mathrm{He}$ 2 2 2 2 2 - - - 0
लीथियम $\mathrm{Li}$ 3 3 4 3 2 1 - - 1
बेरिलियम $\mathrm{Be}$ 4 4 5 4 2 2 - - 2
बोरान B 5 5 6 5 2 3 - - 3
कार्बन $\mathrm{C}$ 6 6 6 6 2 4 - - 4
नाइट्रोजन $\mathrm{N}$ 7 7 7 7 2 5 - - 3
ऑक्सीजन $\mathrm{O}$ 8 8 8 8 2 6 - - 2
फ्लोरीन F 9 9 10 9 2 7 - - 1
नियॉन $\mathrm{Ne}$ 10 10 10 10 2 8 - - 0
सोडियम $\mathrm{Na}$ 11 11 12 11 2 8 1 - 1
मैग्नीशियम $\mathrm{Mg}$ 12 12 12 12 2 8 2 - 2
ऐलुमिनियम $\mathrm{Al}$ 13 13 14 13 2 8 3 - 3
सिलिकॉन $\mathrm{Si}$ 14 14 14 14 2 8 4 - 4
फॉस्फोरस P 15 15 16 15 2 8 5 - 3,5
सल्फर $\mathrm{S}$ 16 16 16 16 2 8 6 - 2
क्लोरीन $\mathrm{Cl}$ 17 17 18 17 2 8 7 - 1
ऑर्गन $\mathrm{Ar}$ 18 18 22 18 2 8 8 0

अष्टक (8) में से सात (7) घटाकर प्राप्त की जाती पहले 18 तत्वों की संयोजकता सारणी 4.1 के अंतिम है और इस तरह फ़्लोरीन की संयोजकता एक (1) स्तंभ में दी गई है।

है। ऑक्सीजन की संयोजकता का परिकलन भी इसी प्रकार किया जा सकता है। इस परिकलन से ऑक्सीजन की संयोजकता कितनी होगी?

अतः प्रत्येक तत्व के परमाणु की एक निश्चित संयोजन-शक्ति होती है, जिसे संयोजकता कहते हैं।

प्रशन

**1.**क्लोरीन, सल्फ़र और मैग्नीशियम की परमाणु संख्या से आप इनकी संयोजकता कैसे प्राप्त करेंगे?

4.5 परमाणु संख्या तथा द्रव्यमान संख्या

4.5.1 परमाणु संख्या

हम जानते हैं कि परमाणु के नाभिक में प्रोटॉन विद्यमान होते हैं। एक परमाणु में उपस्थित प्रोटॉनों की संख्या उसकी परमाणु संख्या को बताती है। इसे $Z$ के द्वारा दर्शाया जाता है। किसी तत्व के सभी अणुओं की परमाणु संख्या (Z) समान होती है। वास्तव में तत्वों को उनके परमाणु में विद्यमान प्रोटॉनों की संख्या से परिभाषित किया जाता है। हाइड्रोजन के लिए $Z=1$, क्योंकि हाइड्रोजन परमाणु के नाभिक में केवल एक प्रोटॉन होता है। इसी प्रकार, कार्बन के लिए $Z=6$. इस प्रकार, एक परमाणु के नाभिक में उपस्थित प्रोटॉनों की कुल संख्या को परमाणु संख्या कहते हैं।

4.5.2 द्रव्यमान संख्या

एक परमाणु के अवपरमाणुक कणों के अध्ययन के बाद हम इस निष्कर्ष पर पहुँच सकते हैं कि व्यावहारिक रूप में परमाणु का द्रव्यमान उसमें विद्यमान प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों के द्रव्यमान के कारण होता है। ये परमाणु के नाभिक में विद्यमान होते हैं इसलिए इन्हें न्यूक्लियॉन भी कहते हैं। परमाणु का लगभग संपूर्ण द्रव्यमान उसके नाभिक में होता है। उदाहरण के लिए, कार्बन का द्रव्यमान $12 \mathrm{u}$ है क्योंकि इसमें 6 प्रोट्रॉन और 6 न्यूट्रॉन होते हैं, $6 \mathrm{u}+6 \mathrm{u}=121$ इसी प्रकार, ऐलुमिनियम का द्रव्यमान $27 \mathrm{u}$ है ( 13 प्रोटॉन +14 न्यूट्रॉन)। एक परमाणु के नाभिक में उपस्थित प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या के योग को द्रव्यमान संख्या कहा जाता है।

किसी परमाणु को दर्शाने के लिए परमाणुक संख्या, द्रव्यमान-संख्या और तत्व का प्रतीक इस प्रकार से लिखा जाता है।

द्रव्यमान संख्या

उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन को इस प्रकार लिखा जाता है, ${ } _{7}^{14} \mathrm{~N}$ ।

प्रशन

**1.**यदि किसी परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या 8 है और प्रोटॉनों की संख्या भी 8 है तब, (a) परमाणु की परमाणुक संख्या क्या है? (b) परमाणु का क्या आवेश है?

**2.**सारणी 4.1 की सहायता से ऑक्सीजन और सल्फ़र-परमाणु की द्रव्यमान संख्या ज्ञात कीजिए।

4.6 समस्थानिक

प्रकृति में, कुछ तत्वों के परमाणुओं की पहचान की गई है, जिनकी परमाणु संख्या समान लेकिन द्रव्यमान संख्या अलग-अलग होती है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन परमाणु को लें। इसके तीन परमाण्विक स्पीशीज़ होते हैं: प्रोटियम ${ } _{1}^{1} \mathrm{H}$, ड्यूटीरियम $\left({ } _{1}^{2} \mathrm{H}\right.$ या D), ट्राइटियम $\left({ } _{1}^{3} \mathrm{H}\right.$ या $\left.\mathrm{T}\right)$, प्रत्येक की परमाणु संख्या समान है। लेकिन द्रव्यमान संख्या क्रमशः 1,2 और 3 है। इस तरह के अन्य उदाहरण हैं: (1) कार्बन, ${ } _{6}^{12} \mathrm{C}$ और ${ } _{6}^{14} \mathrm{C}$; (2) क्लोरीन, ${ } _{17}^{35} \mathrm{Cl}$ और ${ } _{17}^{37} \mathrm{Cl}$ ।

इन उदाहरणों के आधार पर समस्थानिकों को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है, “एक ही तत्व के परमाणु जिनकी परमाणु संख्या समान लेकिन द्रव्यमान संख्या भिन्न होती है।” इस तरह हम कह सकते हैं कि हाइड्रोजन परमाणु के तीन समस्थानिक प्रोटियम, ड्यूटीरियम और ट्राइटियम होते हैं।

बहुत से तत्वों में समस्थानिक का मिश्रण भी होता है। किसी तत्व का प्रत्येक समस्थानिक शुद्ध पदार्थ होता है। समस्थानिकों के रासायनिक गुण समान लेकिन भौतिक गुण अलग-अलग होते हैं।

प्रकृति में क्लोरीन दो समस्थानिक रूपों में पाया जाता है, जिसका द्रव्यमान $35 \mathrm{u}$ और $37 \mathrm{u}$, जो $3: 1$ के अनुपात में होते हैं। अब यह प्रश्न उठता है कि

किस द्रव्यमान को क्लोरीन परमाणु का द्रव्यमान मानना चाहिए? आइए इसका पता लगाएँ।

क्लोरीन का औसत परमाणु द्रव्यमान होगा,

$$ \begin{aligned} & 35 \times \frac{75}{100}+37 \times \frac{25}{100} \\ = & \frac{105}{4}+\frac{37}{4}=\frac{142}{4}=35.5 \mathrm{u} \end{aligned} $$

किसी प्राकृतिक तत्व के एक परमाणु का द्रव्यमान उस तत्व में विद्यमान सभी प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले परमाणुओं के औसत द्रव्यमान के बराबर होता है। अगर किसी एक तत्व का कोई समस्थानिक नहीं है तो परमाणु का द्रव्यमान उसमें उपस्थित प्रोटॉन और न्यूट्रॉनों के द्रव्यमान का योग होता है लेकिन अगर एक तत्व समस्थानिक रूप में उपस्थित होता है तो हमें प्रत्येक समस्थानिक रूप का प्रतिशत जानना होगा और औसत द्रव्यमान की गणना करनी होगी।

इसका मतलब यह नहीं है कि क्लोरीन के परमाणु का द्रव्यमान एक भिन्नात्मक संख्या $35.5 \mathrm{u}$ है। इसका तात्पर्य यह हुआ कि अगर आप क्लोरीन की कुछ मात्रा लेते हैं तो इसमें क्लोरीन के समस्थनिक होंगे और औसत द्रव्यमान $35.5 \mathrm{u}$ होगा।

समस्थानिकों के अनुप्रयोग

कुछ समस्थानिकों के विशेष गुण होते हैं, जिनका उपयोग हम विभिन्न क्षेत्रों में करते हैं। उनमें से कुछ निम्नलिखित हैं:

(i) यूरेनियम के एक समस्थानिक का उपयोग परमाणु भट्टी (atomic reactor) में ईंधन के रूप में होता है।

(ii) कैंसर के उपचार में कोबाल्ट के समस्थानिक का उपयोग होता है।

(iii) घेंघा रोग के इलाज में आयोडीन के समस्थानिक का उपयोग होता है।

4.6.1 समभारिक

दो तत्वों- कैल्शियम, परमाणु संख्या 20 और आर्गन परमाणु संख्या 18 के बारे में विचार कीजिए। परमाणुओं में प्रोटॉनों की संख्या भिन्न-भिन्न है, दोनों तत्वों की द्रव्यमान संख्या 40 है। यानी, तत्वों के इस जोड़े के अणुओं में कुल न्यूक्लियॉनों की संख्या समान है। अलग-अलग परमाणु संख्या वाले तत्वों को जिनकी द्रव्यमान संख्या समान होती है, समभारिक कहा जाता है।

प्रशन

**1.**चिह्न $H, D$ और $T$ के लिए प्रत्येक में पाए जाने वाले तीन अवपरमाणुक कणों को सारणीबद्ध कीजिए।

**2.**समस्थानिक और समभारिक के किसी एक युग्म का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखिए।

आपने क्या सीखा

  • इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन की खोज क्रमशः जे. जे. टॉमसन और ई. गोल्डस्टीन ने की।

  • जे. जे. टॉमसन ने यह प्रस्तावित किया था कि इलेक्ट्रॉन धनात्मक गोले में धँसे होते हैं।

  • रदरफ़ोर्ड के अल्फ़ा कणों के प्रकीर्णन प्रयोग ने परमाणु केंद्रक की खोज की। रदऱ़र्ड के परमाणु मॉडल ने प्रस्तावित किया कि परमाणु के अंदर बहुत छोटा केंद्रक होता है और इलेक्ट्रॉन केंद्रक के चारों ओर घूमते हैं। परमाणु की स्थिरता की इस मॉडल से व्याख्या नहीं की जा सकी है।

  • नील बोर द्वारा दिया गया परमाणु का मॉडल अधिक सफल था। उन्होंने प्रस्तावित किया कि इलेक्ट्रॉन केंद्रक के चारों ओर निश्चित ऊर्जा के साथ अलग-अलग कक्षाओं में वितरित हैं। अगर परमाणु की सबसे बाहरी कक्षाएँ भर जाती हैं, तो परमाणु स्थिर होगा और कम क्रियाशील होगा।

  • जे. चैडविक ने परमाणु के अंदर न्यूट्रॉन की उपस्थिति को खोजा। इस प्रकार परमाणु के तीन अवपरमाणुक कण हैं- इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। इलेक्ट्रॉन ॠण आवेशित होते हैं, प्रॉटॉन धनावेशित होते हैं और न्यूट्रॉन अनावेशित होते हैं। इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान हाइड्रोजन परमाणु के द्रव्यमान के $1 / 2000$ गुणा होता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में प्रत्येक का द्रव्यमान एक इकाई लिया जाता है।

  • परमाणु के कक्षों को $\mathrm{K}, \mathrm{L}, \mathrm{M}, \mathrm{N} \ldots \ldots$. नाम दिया गया है।

  • संयोजकता परमाणु की संयोजन शक्ति है।

  • एक तत्व की परमाणु संख्या केंद्रक में विद्यमान प्रोटॉनों की संख्या के बराबर होती है।

  • परमाणु की द्रव्यमान संख्या केंद्रक में विद्यमान न्यूक्लियानों की संख्या के बराबर होती है।

  • समस्थानिक एक ही तत्व के परमाणु हैं जिनकी द्रव्यमान संख्या भिन्न-भिन्न होती है।

  • समभारिक वे परमाणु हैं जिनकी द्रव्यमान संख्या समान लेकिन परमाणु संख्या भिन्न-भिन्न होती है।

  • तत्वों को उनके प्रोटॉनों की संख्या के आधार पर परिभाषित किया जा सकता है।

अभ्यास

1. इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के गुणों की तुलना कीजिए।

2. जे. जे. टॉमसन के परमाणु मॉडल की क्या सीमाएँ हैं?

3. रदरफ़ोर्ड के परमाणु मॉडल की क्या सीमाएँ हैं?

4. बोर के परमाणु मॉडल की व्याख्या कीजिए।

5. इस अध्याय में दिए गए सभी परमाणु मॉडलों की तुलना कीजिए।

6. पहले अठारह तत्वों के विभिन्न कक्षों में इलेक्ट्रॉन वितरण के नियम को लिखिए।

7. सिलिकॉन और ऑक्सीजन का उदाहरण लेते हुए संयोजकता की परिभाषा दीजिए।

8. उदाहरण के साथ व्याख्या कीजिए- परमाणु संख्या, द्रव्यमान संख्या, समस्थानिक और समभारिक समस्थानिकों के कोई दो उपयोग लिखिए।

9. $\mathrm{Na}^{+}$के पूरी तरह से भरे हुए $\mathrm{K}$ व $\mathrm{L}$ कोश होते हैं- व्याख्या कीजिए।

10. अगर ब्रोमीन परमाणु दो समस्थानिकों $\left[{ } _{35}^{79} \mathrm{Br}\right.$ (49.7%) तथा ${ } _{35}^{81} \mathrm{Br}$ $(50.3 %)]$ के रूप में है, तो ब्रोमीन परमाणु के औसत परमाणु द्रव्यमान की गणना कीजिए।

11. एक तत्व $\mathrm{X}$ का परमाणु द्रव्यमान $16.2 \mathrm{u}$ है तो इसके किसी एक नमूनें में समस्थानिक ${ } _{8}^{16} \mathrm{X}$ और ${ } _{8}^{18} \mathrm{X}$ का प्रतिशत क्या होगा?

12. यदि तत्व का $Z=3$ हो तो तत्व की संयोजकता क्या होगी? तत्व का नाम भी लिखिए।

13. दो परमाणु स्पीशीज़ के केंद्रकों का संघटन नीचे दिया गया है

$\mathrm{X}$ $\mathrm{Y}$
प्रोटॉन 6 6
न्यूट्रॉन 6 8

$\mathrm{X}$ और $\mathrm{Y}$ की द्रव्यमान संख्या ज्ञात कीजिए। इन दोनों स्पीशीज़ में क्या संबंध है?

14. निम्नलिखित वक्तव्यों में गलत के लिए $\mathrm{F}$ और सही के लिए $\mathrm{T}$ लिखें।

(a) जे. जे. टॉमसन ने यह प्रस्तावित किया था कि परमाणु के केंद्रक में केवल न्यूक्लीयॉन्स होते हैं।

(b) एक इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन मिलकर न्यूट्रॉन का निर्माण करते हैं इसलिए यह अनावेशित होता है।

(c) इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान प्रोटॉन से लगभग $\frac{1}{2000}$ गुणा होता है।

(d) आयोडीन के समस्थानिक का इस्तेमाल टिंक्चर आयोडीन बनाने में होता है। इसका उपयोग दवा के रूप में होता है।

प्रश्न संख्या 15,16 और 17 में सही के सामने $(\sqrt{ })$ का चिह्न और गलत के सामने $(x)$ का चिह्न लगाइए।

15. रदरफ़ोर्ड का अल्फ़ा कण प्रकीर्णन प्रयोग किसकी खोज के लिए उत्तरदायी था-

(a) परमाणु केंद्रक

(b) इलेक्ट्रॉन

(c) प्रोटॉन

(d) न्यूट्रॉन

16. एक तत्व के समस्थानिक में होते हैं-

(a) समान भौतिक गुण

(b) भिन्न रासायनिक गुण

(c) न्यूट्रॉनों की अलग-अलग संख्या

(d) भिन्न परमाणु संख्या

17. $\mathrm{Cl}^{-}$आयन में संयोजकता-इलेक्ट्रॉनों की संख्या है-

(a) 16

(b) 8

(c) 17

(d) 18

18. सोडियम का सही इलेक्ट्रॉनिक विन्यास निम्न में कौन सा है?

(a) 2,8

(b) $8,2,1$

(c) $2,1,8$

(d) $2,8,1$

19. निम्नलिखित सारणी को पूरा कीजिए-

परमाणु
संख्या
द्रव्यमान
संख्या
न्यूट्रॉनों की
संख्या
प्रोटॉनों की
संख्या
इलेक्ट्रॉनों की
संख्या
परमाणु
स्पीशीज़
9 - 10 - - -
16 32 - - - सल्फ़र
- 24 - 12 - -
- 2 - 1 - -
- 1 0 1 0 -


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