Discovery and Properties of anode, cathode rays neutron and Nuclear structure Questions in Hindi

(D) एक उदासीन परमाणु में एक केंद्रीय नाभिक होता है जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं,और नाभिक के बाहर के क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन होते हैं। चूंकि परमाणु क्रमांक $Z > 1$ है,इसलिए परमाणु में कम से कम एक प्रोटॉन,एक न्यूट्रॉन (प्रोटियम को छोड़कर) और एक इलेक्ट्रॉन होता है।

(A) परमाणु का नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से बना होता है और इन कणों को सामूहिक रूप से न्यूक्लियॉन कहा जाता है।

(C) नाभिक की त्रिज्या लगभग $10^{-15} \ m$ (या $1 \ fm$) होती है।
अतः,सही विकल्प $(C)$ है।

(A) न्यूट्रॉन की खोज $James \ Chadwick$ द्वारा $1932$ में की गई थी। यह अभिक्रिया इस प्रकार है: $_4^9Be + _2^4He \rightarrow _6^{12}C + _0^1n$.

(B) विशिष्ट आवेश ($e/m$ अनुपात) की गणना इस प्रकार की जाती है:
$1$. इलेक्ट्रॉन $(e)$ के लिए: आवेश = $-1$,द्रव्यमान $\approx \frac{1}{1837} \ amu$. अनुपात $\approx 1837$.
$2$. प्रोटॉन $(p)$ के लिए: आवेश = $+1$,द्रव्यमान $\approx 1 \ amu$. अनुपात = $1$.
$3$. अल्फा कण $(\alpha)$ के लिए: आवेश = $+2$,द्रव्यमान $\approx 4 \ amu$. अनुपात = $0.5$.
$4$. न्यूट्रॉन $(n)$ के लिए: आवेश = $0$,द्रव्यमान $\approx 1 \ amu$. अनुपात = $0$.
इन मानों की तुलना करने पर,इलेक्ट्रॉन का $e/m$ अनुपात सबसे अधिक है।

(D) न्यूट्रॉन का घनत्व उसके द्रव्यमान को उसके आयतन से विभाजित करके ज्ञात किया जाता है।
न्यूट्रॉन का द्रव्यमान लगभग $1.67 \times 10^{-27} \ kg$ और उसकी त्रिज्या लगभग $10^{-15} \ m$ होती है।
गोले के आयतन के सूत्र $V = \frac{4}{3} \pi r^3$ का उपयोग करने पर,आयतन लगभग $4.18 \times 10^{-45} \ m^3$ प्राप्त होता है।
घनत्व $\rho = \frac{m}{V} \approx 4 \times 10^{17} \ kg/m^3$ होता है।
$m^3$ को $cc$ में बदलने पर $(1 \ m^3 = 10^6 \ cc)$,घनत्व $4 \times 10^{11} \ kg/cc$ हो जाता है।
अतः,घनत्व की कोटि $10^{11} \ kg/cc$ है।

(C) इसका कारण यह है कि आवेशहीन कण विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र में कोई विक्षेपण नहीं दर्शाते हैं।

(B) परमाणु के नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं,जिन्हें सामूहिक रूप से न्यूक्लियॉन कहा जाता है। इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर अतिरिक्त-नाभिकीय क्षेत्र में चक्कर लगाते हैं। अतः,सही विकल्प $(B)$ है।

(B) कैथोड किरणें ऋणात्मक रूप से आवेशित कणों (इलेक्ट्रॉन) से बनी होती हैं जो विद्युत और चुंबकीय दोनों क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित होती हैं।

(B) $Neutron$ का द्रव्यमान लगभग $1.675 \times 10^{-27} \ kg$ होता है।
$Proton$ का द्रव्यमान लगभग $1.673 \times 10^{-27} \ kg$ होता है।
$Electron$ का द्रव्यमान लगभग $9.109 \times 10^{-31} \ kg$ होता है।
$Mesons$ के द्रव्यमान अलग-अलग होते हैं,लेकिन सामान्यतः $Neutron$ को सूचीबद्ध मूलभूत उप-परमाणु कणों में सबसे भारी माना जाता है।
अतः,सही विकल्प $(B)$ है।

(B) किसी कण की भेदन क्षमता उसके द्रव्यमान के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
चूंकि प्रोटॉन,इलेक्ट्रॉन से लगभग $1837$ गुना भारी होता है,इसलिए इसकी भेदन क्षमता इलेक्ट्रॉन की तुलना में काफी कम होती है।
$\text{भेदन क्षमता} \propto \frac{1}{\text{द्रव्यमान}}$
अतः,प्रोटॉन की भेदन क्षमता इलेक्ट्रॉन से कम होती है।

(C) प्राथमिक कण या मौलिक कण एक ऐसा उप-परमाण्विक कण है जो अन्य छोटे कणों से नहीं बना होता है,जिसका अर्थ है कि इसकी कोई आंतरिक संरचना (substructure) नहीं होती है।

(C) प्रोटॉन $H$-परमाणु का नाभिक है (जिससे इलेक्ट्रॉन निकल चुका है)। जब हाइड्रोजन परमाणु $(H)$ अपना एकमात्र इलेक्ट्रॉन खो देता है,तो यह हाइड्रोजन आयन $(H^+)$ बनाता है,जिसमें केवल एक प्रोटॉन होता है।

(B) कैथोड किरणें ऋणावेशित कणों (इलेक्ट्रॉन,$e^-$) से बनी होती हैं।

(A) एनोड किरणों,जिन्हें कैनाल किरणों के रूप में भी जाना जाता है,की खोज $E. Goldstein$ द्वारा $1886$ में छिद्रित कैथोड वाली डिस्चार्ज ट्यूब का उपयोग करके की गई थी।

(A) परमाणु की त्रिज्या सामान्यतः $10^{-10} \ m$ या $1 \ \mathring{A}$ की सीमा में होती है।
इसे सेंटीमीटर में बदलने पर,$10^{-10} \ m = 10^{-8} \ cm$ प्राप्त होता है।
अतः,परमाणु की त्रिज्या की कोटि $10^{-8} \ cm$ है।

(C) न्यूट्रॉन परमाणु के नाभिक में पाया जाने वाला एक उप-परमाणु कण है। इसका द्रव्यमान प्रोटॉन से थोड़ा अधिक होता है और इस पर कोई शुद्ध (net) विद्युत आवेश नहीं होता है। इसलिए,न्यूट्रॉन का शुद्ध आवेश $0$ होता है।

(B) प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन के विपरीत,जो विद्युत आवेशित होते हैं,न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता है और वे विद्युत रूप से उदासीन होते हैं।
न्यूट्रॉन का द्रव्यमान लगभग $1$ परमाणु द्रव्यमान इकाई $(amu)$ होता है,जो प्रोटॉन के द्रव्यमान से थोड़ा अधिक है।
एक परमाणु द्रव्यमान इकाई लगभग $1.67 \times 10^{-27} \ kg$ के बराबर होती है।

(D) कैथोड किरणों में द्रव्यमान और आवेश दोनों होते हैं।
कैथोड किरणें इलेक्ट्रॉनों की धारा हैं,जो ऋणावेशित कण होते हैं।
चूंकि इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान $9.109 \times 10^{-31} \ kg$ और आवेश $-1.602 \times 10^{-19} \ C$ होता है,इसलिए कैथोड किरणें भी इन गुणों को प्रदर्शित करती हैं।
कैथोड किरण के लिए $e / m$ का अनुपात $1.758820 \times 10^{11} \ C / kg$ पर स्थिर रहता है,जो यह पुष्टि करता है कि वे द्रव्यमान और आवेश वाले कणों से बनी हैं।

(C) सही विकल्प $C$ है। नाभिक का आकार Fermi में मापा जाता है,जहाँ $1 \ \text{Fermi} = 10^{-15} \ \text{m}$ होता है।

(D) $Proton$ की खोज का श्रेय $E. \text{ Rutherford}$ को जाता है।
$J.J. \text{ Thomson}$ ने $Electron$ की खोज की थी।
$J.H. \text{ Chadwick}$ ने $Neutron$ की खोज की थी।
$Isotopes$ की खोज $Frederick \text{ Soddy}$ द्वारा की गई थी,न कि $Bohr$ द्वारा। इसलिए,$Bohr-Isotope$ युग्म गलत तरीके से सुमेलित है।

(C) प्रोटॉन की खोज $E. Goldstein$ द्वारा $1886$ में विसर्जन नली (discharge tube) में एनोड किरणों (कैनाल किरणों) के साथ किए गए प्रयोगों द्वारा की गई थी।

(A) किसी भी स्वतंत्र कण पर मौजूद न्यूनतम वास्तविक आवेश प्राथमिक आवेश होता है,जो एक इलेक्ट्रॉन $(e^-)$ का आवेश है।
इसका मान $1.6 \times 10^{-19} \ C$ है।
कोई भी मुक्त कण इस मूलभूत आवेश की इकाई से कम आवेश नहीं रख सकता है।

(B) एनोड किरणों (जिन्हें कैनाल किरणें भी कहा जाता है) की प्रकृति डिस्चार्ज ट्यूब में मौजूद अवशिष्ट गैस की प्रकृति पर निर्भर करती है। कैथोड किरणों के विपरीत,जो इलेक्ट्रॉनों से बनी होती हैं और गैस पर निर्भर नहीं करती हैं,एनोड किरणें गैस के अणुओं के आयनीकरण से बनने वाले धनात्मक आयनों से बनी होती हैं।

(C) परमाणु का आकार लगभग $10^{-10} \ m$ (या $1 \ \mathring{A}$) होता है।
चूंकि इलेक्ट्रॉन परमाणु कक्षक के भीतर रहता है,इसलिए नाभिक से इसकी औसत दूरी परमाणु त्रिज्या की कोटि की होती है,जो $10^{-10} \ m$ है।

(A) विशिष्ट आवेश को आवेश $(q)$ और द्रव्यमान $(m)$ के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है,अर्थात $\frac{q}{m}$।
प्रोटॉन $(p)$ के लिए: आवेश $= 1e$,द्रव्यमान $= 1 \text{ amu}$। विशिष्ट आवेश $= \frac{1e}{1} = 1e$।
$\alpha$-कण $(\alpha)$ के लिए: आवेश $= 2e$,द्रव्यमान $= 4 \text{ amu}$। विशिष्ट आवेश $= \frac{2e}{4} = 0.5e$।
प्रोटॉन और $\alpha$-कण के विशिष्ट आवेश का अनुपात $\frac{1e}{0.5e} = \frac{2}{1}$ है,जो $2:1$ है।

(B) प्रोटॉन का द्रव्यमान $(m_p)$ लगभग $1.672 \times 10^{-27} \ kg$ होता है।
इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $(m_e)$ लगभग $9.109 \times 10^{-31} \ kg$ होता है।
अनुपात $m_p / m_e$ की गणना इस प्रकार है:
$m_p / m_e \approx (1.672 \times 10^{-27}) / (9.109 \times 10^{-31}) \approx 1836 \approx 1.8 \times 10^3$।
अतः,सही विकल्प $(B)$ है।

(C) सही विकल्प $(C)$ है।
पॉज़िट्रॉन $(+1e^0)$ इलेक्ट्रॉन $(-1e^0)$ का प्रतिकण (antiparticle) है।
दोनों कणों का द्रव्यमान समान होता है,जो लगभग $9.109 \times 10^{-31} \ kg$ है।

(C) इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान प्रोटॉन के द्रव्यमान का लगभग $\frac{1}{1837}$ गुना होता है।
अतः,इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के द्रव्यमान का अनुपात $1:1837$ होगा।

(C) परमाणु का द्रव्यमान मुख्य रूप से उसके नाभिक (न्यूक्लियस) में केंद्रित होता है।
नाभिक में $Neutron$ और $Proton$ होते हैं।
प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की तुलना में इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान नगण्य होता है।
इसलिए,परमाणु का द्रव्यमान मुख्य रूप से $Neutron$ और $Proton$ द्वारा गठित होता है।

(C) परमाणु के नाभिक में केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन उपस्थित होते हैं।
इलेक्ट्रॉन उप-परमाण्विक कण हैं जो नाभिक के चारों ओर विशिष्ट कक्षाओं में चक्कर लगाते हैं।
इसलिए,$^{12}C$ सहित किसी भी परमाणु के नाभिक के भीतर उपस्थित इलेक्ट्रॉनों की संख्या $0$ होती है।

(D) एक सामान्य हाइड्रोजन $(H)$ परमाणु में केवल एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होता है। इसके नाभिक में कोई न्यूट्रॉन नहीं होता है। इसलिए,यह एकमात्र तत्व है जिसमें न्यूट्रॉन नहीं होते हैं।

(C) रदरफोर्ड के $\alpha$-कणों के प्रकीर्णन प्रयोग ने पहली बार दिखाया कि परमाणु में एक नाभिक होता है।
उन्होंने देखा कि धनावेशित $\alpha$-कण परमाणु के केंद्र में स्थित धनावेश द्वारा प्रतिकर्षित और विक्षेपित हो रहे थे।
रदरफोर्ड ने परमाणु के इस धनावेशित केंद्रीय भाग को नाभिक नाम दिया।

(A) रदरफोर्ड का $\alpha$-कण प्रकीर्णन प्रयोग यह दर्शाता है कि परमाणु का धनात्मक आवेश और अधिकांश द्रव्यमान एक बहुत छोटे केंद्रीय भाग में केंद्रित होता है जिसे नाभिक कहा जाता है।
इस प्रकार,इस प्रयोग ने नाभिक के अस्तित्व और उसके आकार के लिए प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किया।

(C) नाभिकीय अभिक्रिया इस प्रकार है: $^9_4Be + ^4_2He \rightarrow ^{12}_6C + ^1_0n$.
न्यूट्रॉन एक आवेशहीन कण है,इसलिए यह विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपित नहीं होता है।
आवेश न होने के कारण इनकी भेदन क्षमता भी अत्यधिक होती है।

(D) परमाणु नाभिक के अस्तित्व के लिए प्रायोगिक प्रमाण रदरफोर्ड के $\alpha$-कण प्रकीर्णन प्रयोग द्वारा प्राप्त हुए थे।
इस प्रयोग में,$\alpha$-कणों की एक किरण पुंज को एक पतली सोने की पन्नी पर निर्देशित किया गया था।
यह अवलोकन कि कुछ $\alpha$-कण बड़े कोणों पर विक्षेपित हुए और कुछ वापस लौट आए,इस निष्कर्ष पर ले गया कि परमाणु का धनात्मक आवेश और अधिकांश द्रव्यमान नाभिक नामक एक बहुत छोटे केंद्रीय क्षेत्र में केंद्रित होता है।

(D) नाभिक की त्रिज्या $(R)$ प्रयोगात्मक रूप से उसकी द्रव्यमान संख्या $(A)$ के घनमूल के समानुपाती पाई जाती है।
यह संबंध $R = R_0 A^{1/3}$ सूत्र द्वारा दिया जाता है,जहाँ $R_0$ एक स्थिरांक है जिसका मान लगभग $1.4 \times 10^{-13} \ cm$ (या $1.4 \ fm$) है।

(C) रदरफोर्ड के अनुसार,परमाणु में एक नाभिक होता है जो आकार में छोटा होता है लेकिन परमाणु का संपूर्ण द्रव्यमान $(P + N)$ उसी में निहित होता है।

(C) परमाणु का धनात्मक आवेश प्रोटॉन की उपस्थिति के कारण होता है,जो नाभिक में स्थित होते हैं। इसलिए,धनात्मक आवेश नाभिक पर केंद्रित होता है।

(D) $e/m$ अनुपात (विशिष्ट आवेश) की गणना इस प्रकार की जाती है:
$(I)$ न्यूट्रॉन $(n)$ के लिए: आवेश = $0$,द्रव्यमान = $1$,अतः $e/m = 0/1 = 0$.
$(II)$ $\alpha$-कण $(\alpha)$ के लिए: आवेश = $ 2$,द्रव्यमान = $4$,अतः $e/m = 2/4 = 0.5$.
$(III)$ प्रोटॉन $(p)$ के लिए: आवेश = $ 1$,द्रव्यमान = $1$,अतः $e/m = 1/1 = 1$.
$(IV)$ इलेक्ट्रॉन $(e)$ के लिए: आवेश = $-1$,द्रव्यमान = $1/1837$,अतः $e/m = 1/(1/1837) = 1837$.
इन मानों की तुलना करने पर: $0 < 0.5 < 1 < 1837$.
अतः,बढ़ता हुआ क्रम $n < \alpha < p < e$ है.

(C) परमाणु के नाभिक की खोज $Ernest \ Rutherford$ द्वारा $1911$ में उनके प्रसिद्ध $\alpha$-कण प्रकीर्णन प्रयोग द्वारा की गई थी, जिसे $Geiger-Marsden$ प्रयोग के रूप में भी जाना जाता है।
इस प्रयोग में, सोने की एक पतली पन्नी पर $\alpha$-कणों की बौछार की गई थी, और यह अवलोकन कि कुछ कण बड़े कोणों पर विक्षेपित हुए, इस निष्कर्ष की ओर ले गया कि परमाणु का धनात्मक आवेश और अधिकांश द्रव्यमान एक बहुत छोटे क्षेत्र में केंद्रित होता है जिसे नाभिक कहा जाता है।

(D) नाभिक की त्रिज्या $r_n = 1.25 \times 10^{-13} \times A^{1/3} \ cm$.
दिया गया है $A = 64$,$r_n = 1.25 \times 10^{-13} \times (64)^{1/3} = 1.25 \times 10^{-13} \times 4 = 5 \times 10^{-13} \ cm$.
परमाणु की त्रिज्या $r_a = 1 \ \mathring{A} = 10^{-8} \ cm$.
नाभिक का आयतन $V_n = \frac{4}{3} \pi (r_n)^3$.
परमाणु का आयतन $V_a = \frac{4}{3} \pi (r_a)^3$.
घेरे गए आयतन का अंश $= \frac{V_n}{V_a} = \frac{(r_n)^3}{(r_a)^3} = \left( \frac{5 \times 10^{-13}}{10^{-8}} \right)^3 = (5 \times 10^{-5})^3 = 125 \times 10^{-15} = 1.25 \times 10^{-13}$.

(D) पॉज़िट्रॉन,इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण (antiparticle) है। पॉज़िट्रॉन और इलेक्ट्रॉन दोनों का द्रव्यमान समान होता है,जो लगभग $9.11 \times 10^{-31} \ kg$ है।

(D) पॉजिट्रोनियम एक अल्पकालिक विदेशी परमाणु है जो एक इलेक्ट्रॉन $(e^-)$ और उसके प्रतिकण,पॉजिट्रॉन $(e^+)$ से बना होता है,जो एक परमाणु-जैसे तंत्र में एक साथ बंधे होते हैं।
यह हाइड्रोजन परमाणु के समान है,जहाँ प्रोटॉन को पॉजिट्रॉन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।

(A) पॉजिट्रॉन इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण (antiparticle) है,जिसका द्रव्यमान समान होता है लेकिन आवेश धनात्मक होता है।
पॉजिट्रॉन का आवेश $+1.602 \times 10^{-19} \ C$ होता है।
प्रोटॉन का आवेश भी $+1.602 \times 10^{-19} \ C$ होता है।
अतः,पॉजिट्रॉन पर आवेश प्रोटॉन के आवेश के बराबर होता है।

(B) न्यूट्रिनो एक प्राथमिक कण है जो केवल कमजोर उप-परमाणु बल और गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से परस्पर क्रिया करता है।
इसका आवेश $0$ होता है और इसका द्रव्यमान अत्यंत कम होता है,जिसे कई संदर्भों में $0$ माना जाता है,इसीलिए इन्हें अक्सर घोस्ट पार्टिकल्स (भूत कण) कहा जाता है।

(D) सही उत्तर $(D)$ है।
मेसॉन्स (विशेष रूप से म्यूऑन्स,$\mu$) का द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का लगभग $200-300$ गुना होता है और इन पर धनात्मक $(+ve)$ या ऋणात्मक $(-ve)$ आवेश होता है।

(B) सही उत्तर है।
कार्ल डेविड एंडरसन ने $1932$ में कॉस्मिक किरणों का अध्ययन करते समय पॉज़िट्रॉन की खोज की थी।

(D) एक मानक परमाणु तीन मूलभूत उप-परमाणु कणों से बना होता है: $Protons$,$Neutrons$ और $Electrons$।
हालाँकि $Positron$ (इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण) कुछ प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय (जैसे $\beta^+$-क्षय) के दौरान उत्पन्न हो सकता है,लेकिन यह एक स्थिर परमाणु का स्थायी या मूलभूत घटक नहीं है।

(B) न्यूट्रॉन की खोज बेरिलियम पर अल्फा कणों की बमबारी द्वारा की गई थी।
नाभिकीय अभिक्रिया इस प्रकार है:
$_4Be^9 + _2He^4 \to _6C^{12} + _0n^1$
अतः,सही विकल्प $B$ है.