පරමාණුක වාදය හා උප පරමාණුක අංශු
ඩෝල්ටන්ගේ පරමාණුක වාදය, ඉලෙක්ට්‍රෝනය, ප්‍රෝටෝනය, න්‍යෂ්ටිය හා නියුට්‍රෝනය සොයා ගැනීම, පරමාණුක හා ස්කන්ධ ක්‍රමාංක, සමස්ථානික හා සාපේක්ෂ පරමාණුක ස්කන්ධය.
ඩෝල්ටන්ගේ පරමාණුක වාදය (Dalton's Atomic Theory)
1808 දී ජෝන් ඩෝල්ටන් මෙසේ යෝජනා කළේ ය:
- සියලු පදාර්ථ පරමාණු (Atoms) නම් වූ ඉතා කුඩා, බෙදිය නොහැකි අංශුවලින් සෑදී ඇත;
- එකම මූලද්‍රව්‍යයේ පරමාණු ස්කන්ධයෙන් හා ගුණවලින් සර්වසම වන අතර විවිධ මූලද්‍රව්‍යවල පරමාණු එකිනෙකට වෙනස් ය;
- රසායනික ප්‍රතික්‍රියාවක දී පරමාණු නිර්මාණය කිරීමට හෝ විනාශ කිරීමට නොහැකි ය;
- පරමාණු සරල පූර්ණ සංඛ්‍යා අනුපාතවලින් සංයෝග වී සංයෝග සාදයි.
මෙම වාදය රසායනික සංයෝජන නියම පැහැදිලි කළ නමුත් එහි අදහස් දෙකක් පසුව වැරදි බව පෙන්වා දෙන ලදී: පරමාණු කුඩා අංශුවලට බෙදිය හැකි ය; එක් මූලද්‍රව්‍යයක පරමාණුවලට වෙනස් ස්කන්ධ තිබිය හැකි ය (සමස්ථානික).
ඉලෙක්ට්‍රෝනය: කැතෝඩ කිරණ (Cathode Rays)
විසර්ජන නළයක (Discharge Tube) ඉතා අඩු පීඩනයේ ඇති වායුවක් හරහා අධි වෝල්ටීයතාවක් (ආසන්න වශයෙන් $10,000\ \text{V}$) යෙදූ විට කැතෝඩයේ සිට කිරණ ගලා යයි. මෙම කැතෝඩ කිරණ:
- සරල රේඛීයව ගමන් කරයි (ඒවායේ මාර්ගයේ ඇති වස්තුවක් තියුණු සෙවණැල්ලක් හෙළයි);
- විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක ධන තහඩුව දෙසට හා චුම්බක ක්ෂේත්‍රයකින් අපගමනය වේ; එබැවින් ඒවා ඍණ ආරෝපිත ය;
- සැහැල්ලු පෙති රෝදයක් කරකැවිය හැකි බැවින් ඒවාට ස්කන්ධයක් හා ගම්‍යතාවක් ඇත;
- නළයේ ඇති වායුව කුමක් වුව ද, කැතෝඩය සාදා ඇති ලෝහය කුමක් වුව ද සමාන ය.
අවසාන කරුණෙන් පෙනෙන්නේ මෙම අංශු සියලු පරමාණුවල ඇති බව යි. ජේ. ජේ. තොම්සන් (1897) ඒවායේ ආරෝපණ-ස්කන්ධ අනුපාතය $e/m = 1.76 \times 10^{11}\ \text{C kg}^{-1}$ ලෙස මැන ඒවා ඉලෙක්ට්‍රෝන (Electrons) ලෙස නම් කළේ ය. ආර්. ඒ. මිලිකන්ගේ තෙල් බිංදු පරීක්ෂණයෙන් (1909) ආරෝපණය $e = 1.602 \times 10^{-19}\ \text{C}$ ලෙස ලැබිණි. මේ දෙක එක් කිරීමෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝනයේ ස්කන්ධය ලැබේ: $$m_e = \frac{e}{e/m} = \frac{1.602 \times 10^{-19}}{1.76 \times 10^{11}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$$
ප්‍රෝටෝනය: ධන කිරණ
පරමාණු උදාසීන බැවින් ඒවායේ ධන ආරෝපණ ද තිබිය යුතු ය. සිදුරු සහිත කැතෝඩයක් භාවිතයෙන් ගෝල්ඩ්ස්ටයින් (1886) කැතෝඩයට පිටුපසින් ප්‍රතිවිරුද්ධ දිශාවට ගමන් කරන කිරණ නිරීක්ෂණය කළේ ය (ඇනෝඩ කිරණ හෙවත් නාල කිරණ). ඉලෙක්ට්‍රෝන මගින් වායු පරමාණුවලින් ඉලෙක්ට්‍රෝන ඉවතට තල්ලු කිරීමෙන් සෑදෙන ධන අයන ඒවා ය. කැතෝඩ කිරණ මෙන් නොව ඒවායේ $e/m$ වායුව මත රඳා පවතී. විශාලතම $e/m$ ලැබෙන්නේ හයිඩ්‍රජන්වලින් ය; හයිඩ්‍රජන් අයනය $\text{H}^+$ ප්‍රෝටෝනය (Proton) යි.
න්‍යෂ්ටිය: රදර්ෆර්ඩ්ගේ පරීක්ෂණය
තොම්සන් පරමාණුව සලකා බැලුවේ ඉලෙක්ට්‍රෝන තැන්පත් වූ ධන ආරෝපණ ගෝලයක් ලෙස ය ("ප්ලම් පුඩිං" ආකෘතිය). 1909 දී රදර්ෆර්ඩ් සමඟ වැඩ කළ ගයිගර් හා මාර්ස්ඩන් ඉතා තුනී රන් තීරුවකට α අංශු (He²⁺ අයන) යවා සින්ක් සල්ෆයිඩ් තිරයක ඇති වන දැල්වීම් නිරීක්ෂණය කළහ.
| නිරීක්ෂණය | නිගමනය |
|---|---|
| α අංශු බොහොමයක් කෙළින් ම ගමන් කළේ ය | පරමාණුවේ වැඩි කොටස හිස් අවකාශයකි |
| සමහරක් කුඩා කෝණවලින් අපගමනය විය | ඒවා විකර්ෂණය කරන සාන්ද්‍රගත ධන ආරෝපණයක් ඇත |
| ඉතා ස්වල්පයක් (8000 කින් 1 ක් පමණ) 90° ට වැඩි කෝණවලින් ආපසු පොළා පැන්නේ ය | ධන ආරෝපණය හා ස්කන්ධයෙන් වැඩි කොටස ඉතා කුඩා න්‍යෂ්ටියක (Nucleus) ඇත |
න්‍යෂ්ටියේ අරය ආසන්න වශයෙන් $10^{-15}\ \text{m}$ වන අතර පරමාණුවේ අරය ආසන්න වශයෙන් $10^{-10}\ \text{m}$ කි: පරමාණුව එහි න්‍යෂ්ටියට වඩා $100,000$ ගුණයක් පමණ පළල ය. රදර්ෆර්ඩ්ගේ න්‍යෂ්ටික ආකෘතියේ ඉලෙක්ට්‍රෝන න්‍යෂ්ටිය වටා චලනය වේ. එහි දුර්වලතාව: කක්ෂගත ආරෝපණයක් ශක්තිය විකිරණය කරමින් සර්පිලාකාරව න්‍යෂ්ටියට වැටිය යුතු බැවින් පරමාණු ස්ථායී වන්නේ ඇයි දැයි මෙම ආකෘතියට පැහැදිලි කළ නොහැකි විය. බෝර්ගේ ආකෘතිය (ඊළඟ පාඩම) මෙය විසඳුවේ ය.
නියුට්‍රෝනය (Neutron)
පරමාණුවල ස්කන්ධය ඒවායේ ප්‍රෝටෝනවල ස්කන්ධයේ එකතුවට වඩා වැඩි ය. 1932 දී ජේම්ස් චැඩ්වික් බෙරිලියම් α අංශුවලින් තාඩනය කර ප්‍රෝටෝනයට ආසන්න වශයෙන් සමාන ස්කන්ධයක් ඇති ආරෝපණ රහිත අංශු අනාවරණය කළේ ය: නියුට්‍රෝන.
| අංශුව | සංකේතය | සාපේක්ෂ ආරෝපණය | ස්කන්ධය / kg | සාපේක්ෂ ස්කන්ධය |
|---|---|---|---|---|
| ප්‍රෝටෝනය | $p$ | $+1$ | $1.673 \times 10^{-27}$ | 1 |
| නියුට්‍රෝනය | $n$ | 0 | $1.675 \times 10^{-27}$ | 1 |
| ඉලෙක්ට්‍රෝනය | $e$ | $-1$ | $9.109 \times 10^{-31}$ | $\frac{1}{1840}$ |
පරමාණුක ක්‍රමාංකය, ස්කන්ධ ක්‍රමාංකය හා සමස්ථානික
- පරමාණුක ක්‍රමාංකය (Atomic Number) $Z$: න්‍යෂ්ටියේ ඇති ප්‍රෝටෝන ගණන. එයින් මූලද්‍රව්‍යය හඳුනා ගැනේ. උදාසීන පරමාණුවක එය ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන ද වේ.
- ස්කන්ධ ක්‍රමාංකය (Mass Number) $A$: ප්‍රෝටෝන හා නියුට්‍රෝන (න්‍යෂ්ටියෝන) ගණනේ එකතුව. නියුට්‍රෝන ගණන $= A - Z$.
- න්‍යෂ්ටිකයක් $^{A}{Z}\text{X}$ ලෙස ලියනු ලැබේ; උදාහරණයක් ලෙස $^{23}{11}\text{Na}$ (ප්‍රෝටෝන 11, නියුට්‍රෝන 12, ඉලෙක්ට්‍රෝන 11).
සමස්ථානික (Isotopes) යනු එකම මූලද්‍රව්‍යයේ (එකම $Z$) වෙනස් නියුට්‍රෝන සංඛ්‍යා (වෙනස් $A$) ඇති පරමාණු යි: $^{1}{1}\text{H}$, $^{2}{1}\text{H}$ (ඩියුටීරියම්) හා $^{3}{1}\text{H}$ (ට්‍රිටියම්); $^{12}{6}\text{C}$, $^{13}{6}\text{C}$ හා $^{14}{6}\text{C}$; $^{35}{17}\text{Cl}$ හා $^{37}{17}\text{Cl}$. සමස්ථානිකවලට එකම ඉලෙක්ට්‍රෝන වින්‍යාසය ඇති බැවින් ඒවායේ රසායනික ගුණ සමාන ය; ස්කන්ධය මත රඳා පවතින භෞතික ගුණ (ඝනත්වය, විසරණ ශීඝ්‍රතාව) මඳක් වෙනස් වේ.
උදාහරණය: $^{32}{16}\text{S}^{2-}$ හි ප්‍රෝටෝන, නියුට්‍රෝන හා ඉලෙක්ට්‍රෝන කීයක් තිබේ ද? ප්‍රෝටෝන $= 16$, නියුට්‍රෝන $= 32 - 16 = 16$, ඉලෙක්ට්‍රෝන $= 16 + 2 = 18$. $^{27}{13}\text{Al}^{3+}$ වැනි කැටායනයක් සඳහා: ප්‍රෝටෝන 13, නියුට්‍රෝන 14, ඉලෙක්ට්‍රෝන $13 - 3 = 10$.
සාපේක්ෂ පරමාණුක ස්කන්ධය (Relative Atomic Mass)
පරමාණු කිලෝග්‍රෑම්වලින් කිරා බැලීමට තරම් බර නැති බැවින් ඒවායේ ස්කන්ධ කාබන්-12 පරමාණුව සමඟ සසඳනු ලැබේ. ඒකීකෘත පරමාණුක ස්කන්ධ ඒකකය $1\ \text{u} = $ $^{12}\text{C}$ පරමාණුවක ස්කන්ධයෙන් $\tfrac{1}{12}$ $= 1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$. $$A_r = \frac{\text{මූලද්‍රව්‍යයේ පරමාණුවක සාමාන්‍ය ස්කන්ධය}}{\tfrac{1}{12} \times {}^{12}\text{C පරමාණුවක ස්කන්ධය}}$$ $A_r$ ට ඒකකයක් නැත. එය ස්වාභාවික බහුලතාවෙන් ඇති සමස්ථානිකවල සාමාන්‍යයකි; සුලබතා මනිනු ලබන්නේ ස්කන්ධ වර්ණාවලිමානයක් (Mass Spectrometer) මගිනි: වායුමය පරමාණු අයනීකරණය කර, ත්වරණය කර, චුම්බක ක්ෂේත්‍රයකින් අපගමනය කරනු ලැබේ; සැහැල්ලු අයන (කුඩා $m/z$) වැඩියෙන් අපගමනය වන අතර අනාවරකය එක් එක් $m/z$ අගයේ අයන කොපමණ ප්‍රමාණයක් පැමිණෙන්නේ දැයි වාර්තා කරයි.
උදාහරණය: ක්ලෝරීන්වල $^{35}\text{Cl}$ (ස්කන්ධය 34.97) 75.8% ක් හා $^{37}\text{Cl}$ (ස්කන්ධය 36.97) 24.2% ක් ඇත. $A_r = \dfrac{75.8 \times 34.97 + 24.2 \times 36.97}{100} = 35.45$.
උදාහරණය: බෝරෝන්වල ($A_r = 10.8$) $^{10}\text{B}$ හා $^{11}\text{B}$ සමස්ථානික ඇත. $^{10}\text{B}$ ප්‍රතිශතය $x$ යැයි ගනිමු: $10x + 11(100 - x) = 1080$, එබැවින් $x = 20$. බෝරෝන් 20% ක් $^{10}\text{B}$ හා 80% ක් $^{11}\text{B}$ වේ.
Exam tip: ස්කන්ධ ක්‍රමාංකය එක් න්‍යෂ්ටිකයක් සඳහා පූර්ණ සංඛ්‍යාවකි; සාපේක්ෂ පරමාණුක ස්කන්ධය මූලද්‍රව්‍යය සඳහා සාමාන්‍යයක් වන අතර සාමාන්‍යයෙන් පූර්ණ සංඛ්‍යාවක් නොවේ. මේ දෙක පටලවා නොගන්න. අයනයක ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන් කිරීමේ දී ඍණ ආරෝපණයකට ඉලෙක්ට්‍රෝන එකතු කර ධන ආරෝපණයකට අඩු කරන්න.