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

(N/A) एक निर्वातित कैथोड किरण विसर्जन नली में,जब इलेक्ट्रोड के बीच पर्याप्त उच्च वोल्टेज लागू किया जाता है,तो नली में ऋणात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) से धनात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) की ओर गति करने वाले कणों के प्रवाह के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित होने लगती है। इन्हें कैथोड किरणें या कैथोड किरण कण कहा गया।
कैथोड किरणों की विशेषताएं या कैथोड किरण विसर्जन नली प्रयोग के परिणाम:
$(i)$. कैथोड किरणें कैथोड से शुरू होती हैं और एनोड की ओर बढ़ती हैं।
$(ii)$. ये किरणें स्वयं दिखाई नहीं देती हैं,लेकिन उनके व्यवहार को कुछ प्रकार की सामग्रियों (फ्लोरोसेंट या फॉस्फोरसेंट) की मदद से देखा जा सकता है जो उनसे टकराने पर चमकती हैं।
$(iii)$. विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में,ये किरणें सीधी रेखाओं में यात्रा करती हैं।
$(iv)$. विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में,कैथोड किरणों का व्यवहार ऋणात्मक आवेशित कणों से अपेक्षित व्यवहार के समान होता है,जो यह दर्शाता है कि कैथोड किरणें ऋणात्मक आवेशित कणों से बनी होती हैं,जिन्हें इलेक्ट्रॉन कहा जाता है।
$(v)$. कैथोड किरणों (इलेक्ट्रॉनों) की विशेषताएं इलेक्ट्रोड की सामग्री और कैथोड किरण नली में मौजूद गैस की प्रकृति पर निर्भर नहीं करती हैं। इस प्रकार,हम निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि इलेक्ट्रॉन सभी परमाणुओं के मूल घटक हैं।

(N/A) $1897$ में,$J.J. Thomson$ ने कैथोड किरण नली का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन के विद्युत आवेश $(e)$ और द्रव्यमान $(m_e)$ का अनुपात निर्धारित किया।
इस अनुपात का मान है:
$e / m_e = 1.758820 \times 10^{11} \ C \ kg^{-1}$
जहाँ:
$m_e = \text{इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान } (kg \text{ में})$
$e = \text{इलेक्ट्रॉन पर आवेश का परिमाण } (C \text{ में})$
विधि:
$Thomson$ ने इलेक्ट्रॉन के पथ पर एक-दूसरे के लंबवत विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र लागू किए।
अवलोकन:
$1$. जब केवल विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है,तो इलेक्ट्रॉन अपने पथ से विचलित हो जाते हैं और प्रतिदीप्ति स्क्रीन पर बिंदु $A$ पर टकराते हैं।
$2$. जब केवल चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है,तो इलेक्ट्रॉन स्क्रीन पर बिंदु $C$ पर टकराते हैं।
$3$. विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को सावधानीपूर्वक संतुलित करके,इलेक्ट्रॉनों को उनके मूल पथ पर वापस लाना संभव है,जिससे वे स्क्रीन पर बिंदु $B$ पर टकराते हैं।
इन विक्षेपों के सटीक माप द्वारा,$Thomson$ $e / m_e$ का मान निर्धारित करने में सक्षम थे।

(D) $J.J. Thomson$ के अनुसार,कैथोड किरणों (इलेक्ट्रॉनों) का विक्षेपण निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करता है:
$1$. कण पर ऋणात्मक आवेश का परिमाण: कण पर आवेश का परिमाण जितना अधिक होगा,विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र के साथ अन्योन्यक्रिया उतनी ही अधिक होगी,और इस प्रकार विक्षेपण भी अधिक होगा।
$2$. कण का द्रव्यमान: कण जितना हल्का होगा,विक्षेपण उतना ही अधिक होगा।
$3$. विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता: इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज या चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता बढ़ने के साथ विक्षेपण बढ़ता है।

इलेक्ट्रॉन का आवेश $R. A. Millikan$ द्वारा तेल की बूंद (oil drop) प्रयोग का उपयोग करके निर्धारित किया गया था।
इलेक्ट्रॉन का आवेश लगभग $-1.6022 \times 10^{-19} \ C$ है।
इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान आवेश और द्रव्यमान के अनुपात $(e/m_e)$ का उपयोग करके गणना की जाती है:
$m_e = \frac{e}{e/m_e} = \frac{1.6022 \times 10^{-19} \ C}{1.758820 \times 10^{11} \ C \ kg^{-1}} = 9.1094 \times 10^{-31} \ kg$.

(N/A) परमाणु के मूलभूत कण इलेक्ट्रॉन,प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं। उनके गुण नीचे दी गई तालिका में दिए गए हैं:

गुण	इलेक्ट्रॉन	प्रोटॉन	न्यूट्रॉन
प्रतीक	$e$ या ${}_{-1}e^{0}$	$p$ या ${}_{1}^{1}p$	$n$ या ${}_{0}^{1}n$
निरपेक्ष आवेश $(C)$	$-1.6022 \times 10^{-19}$	$+1.6022 \times 10^{-19}$	$0$
सापेक्ष आवेश	$-1$	$+1$	$0$
द्रव्यमान $(kg)$	$9.10939 \times 10^{-31}$	$1.67262 \times 10^{-27}$	$1.67493 \times 10^{-27}$
द्रव्यमान $(u)$	$0.00054$	$1.00727$	$1.00867$
अनुमानित द्रव्यमान $(u)$	$0$	$1$	$1$

(N/A) संशोधित कैथोड रे ट्यूब में किए गए विद्युत विसर्जन के कारण धनात्मक आवेश वाले कणों की खोज हुई,जिन्हें कैनाल किरणें भी कहा जाता है।
कैनाल किरणों की विशेषताएं:
$(i)$ धनावेशित कण कैथोड रे ट्यूब में मौजूद गैस की प्रकृति पर निर्भर करते हैं। ये केवल धनावेशित गैसीय आयन होते हैं।
$(ii)$ कणों का आवेश-द्रव्यमान अनुपात $(e/m)$ उस गैस पर निर्भर करता है जिससे वे उत्पन्न होते हैं।
$(iii)$ कुछ धनावेशित कण विद्युत आवेश की मूल इकाई के गुणज में आवेश वहन करते हैं।
$(iv)$ चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र में इन कणों का व्यवहार इलेक्ट्रॉन या कैथोड किरणों के विपरीत होता है।
सबसे छोटा और हल्का धनात्मक आयन हाइड्रोजन से प्राप्त किया गया था और इसे प्रोटॉन $(H^{+})$ कहा गया।

(N/A) संशोधित कैथोड किरण नली में किए गए विद्युत विसर्जन से धनावेशित कणों की खोज हुई,जिन्हें कैनाल किरणें कहा जाता है।
कैनाल किरणों की विशेषताएँ:
$(i)$ धनावेशित कण कैथोड किरण नली में मौजूद गैस की प्रकृति पर निर्भर करते हैं। ये केवल धनावेशित गैसीय आयन होते हैं।
$(ii)$ कणों का आवेश-द्रव्यमान अनुपात उस गैस पर निर्भर करता है जिससे वे उत्पन्न होते हैं।
$(iii)$ कुछ धनावेशित कण विद्युत आवेश की मूल इकाई के गुणज के रूप में आवेश वहन करते हैं।
$(iv)$ चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र में इन कणों का व्यवहार इलेक्ट्रॉनों या कैथोड किरणों के विपरीत होता है।
सबसे छोटा और सबसे हल्का धनात्मक आयन हाइड्रोजन से प्राप्त हुआ था और इसे प्रोटॉन $(H^{+})$ कहा गया था।

(N/A) एक न्यूट्रॉन का द्रव्यमान $1.675 \times 10^{-27} \ kg$ दिया गया है।
$1$ मोल न्यूट्रॉन का द्रव्यमान ज्ञात करने के लिए,हम एक न्यूट्रॉन के द्रव्यमान को आवोगाद्रो संख्या $(N_A = 6.022 \times 10^{23} \ mol^{-1})$ से गुणा करेंगे।
$1$ मोल का द्रव्यमान = $1.675 \times 10^{-27} \ kg \times 6.022 \times 10^{23} \ mol^{-1} = 1.0088 \times 10^{-3} \ kg$.

(D) $Neutron$ एक उदासीन कण है जिस पर कोई शुद्ध विद्युत आवेश नहीं होता है।
आवेश न होने के कारण,यह विद्युत क्षेत्र से गुजरते समय कोई बल अनुभव नहीं करता है,और इसलिए,यह अपने पथ से कोई विक्षेपण नहीं दिखाएगा।
इसके विपरीत,$Protons$ (धनावेशित),$Cathode$ $rays$ (इलेक्ट्रॉन,ऋणावेशित) और $Electrons$ (ऋणावेशित) आवेशित कण हैं और वे विद्युत क्षेत्र से गुजरते समय बल का अनुभव करेंगे,जिसके परिणामस्वरूप उनके पथ में विक्षेपण होगा।

(B) $Atom$ (परमाणु) शब्द ग्रीक शब्द '$atomos$' से लिया गया है।
इसका अर्थ '$\text{अविभाज्य}$' या '$\text{जिसे काटा न जा सके}$' होता है।

(B) कैथोड किरणें $electrons$ नामक ऋणावेशित कणों की धारा होती हैं।
ये किरणें तब उत्पन्न होती हैं जब बहुत कम दबाव पर गैस युक्त विसर्जन नली में उच्च वोल्टेज लागू किया जाता है।
ये किरणें $cathode$ (ऋण इलेक्ट्रोड) से उत्पन्न होती हैं और $anode$ (धन इलेक्ट्रोड) की ओर गमन करती हैं।

(N/A) इलेक्ट्रॉन का आवेश $(e) = -1.6022 \times 10^{-19} \ C$ है।
इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $(m_{e}) = 9.10939 \times 10^{-31} \ kg$ है।
आवेश और द्रव्यमान का अनुपात $\frac{e}{m_{e}}$ के रूप में गणना की जाती है।
$\frac{e}{m_{e}} = 1.758820 \times 10^{11} \ C \ kg^{-1}$ होता है।

(N/A) $J.J. \text{ Thomson}$ ने कैथोड किरण नली प्रयोग में इलेक्ट्रॉन के पथ पर परस्पर लंबवत विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र लागू करके $e/m_e$ का मान ज्ञात किया।
$R.A. \text{ Millikan}$ ने तेल बूंद (oil drop) प्रयोग द्वारा इलेक्ट्रॉन का आवेश ज्ञात किया।

(A) प्रोटॉन की खोज $1886$ में $Goldstein$ द्वारा एनोड किरणों के प्रयोगों के माध्यम से की गई थी।
न्यूट्रॉन की खोज $1932$ में $James \ Chadwick$ द्वारा बेरिलियम पर अल्फा कणों की बौछार करके की गई थी।

(A) $1932$ में,जेम्स चैडविक ने बेरिलियम की एक पतली शीट पर $\alpha$-कणों की बौछार करके न्यूट्रॉन की खोज की।
इस अभिक्रिया से विद्युत रूप से उदासीन कण उत्पन्न हुए,जिन्हें उन्होंने न्यूट्रॉन नाम दिया।
नाभिकीय अभिक्रिया इस प्रकार है: $^9_4Be + ^4_2He \rightarrow ^{12}_6C + ^1_0n$.

(N/A) कूलम्ब बल का सूत्र $F_c = \frac{k q_1 q_2}{r^2}$ है,जहाँ $k$ कूलम्ब नियतांक है,$q_1$ और $q_2$ आवेश हैं,और $r$ उनके बीच की दूरी है।
गुरुत्वाकर्षण बल का सूत्र $F_g = \frac{G m_1 m_2}{r^2}$ है,जहाँ $G$ गुरुत्वाकर्षण नियतांक है,$m_1$ और $m_2$ द्रव्यमान हैं,और $r$ उनके बीच की दूरी है।

(N/A) नहीं,सभी परमाणु नाभिकों में न्यूट्रॉन उपस्थित नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए,हाइड्रोजन का सबसे सामान्य समस्थानिक $^1H$ (प्रोटियम) के नाभिक में केवल एक प्रोटॉन होता है और कोई न्यूट्रॉन नहीं होता है।

(A) नाभिक का व्यास लगभग $10^{-13} \ cm$ से $10^{-12} \ cm$ होता है।
परमाणु का व्यास लगभग $10^{-8} \ cm$ होता है।
अतः,परमाणु के व्यास और नाभिक के व्यास का अनुपात:
$\frac{\text{परमाणु का व्यास}}{\text{नाभिक का व्यास}} = \frac{10^{-8} \ cm}{10^{-13} \ cm} = 10^5$.
इस प्रकार,परमाणु अपने नाभिक से $10^5$ गुना बड़ा होता है।

(N/A) स्पेक्ट्रमी रेखाओं की तीव्रता ऊर्जा स्तरों के बीच इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण के दौरान उत्सर्जित या अवशोषित फोटॉनों की संख्या पर निर्भर करती है।

(B) $ZnS$ स्क्रीन पर इलेक्ट्रॉन के टकराने से उत्पन्न होने वाली चमक (scintillation) यह दर्शाती है कि इलेक्ट्रॉन एक कण के रूप में व्यवहार करता है। यह अवलोकन इलेक्ट्रॉन की कण प्रकृति के लिए एक प्रमुख प्रमाण है।

(N/A) $(i)$ विद्युत
$(ii)$ कैथोड किरणें
$(iii)$ जिंक सल्फाइड
$(iv)$ कैथोड किरण

(N/A) $(i)$ प्रतिदीप्त पदार्थ (Phosphorescent material)
$(ii)$ इलेक्ट्रॉन
$(iii)$ जे. जे. थॉमसन
$(iv)$ अधिक

(N/A) $(i)$ तेल-बिंदु विधि (Oil-drop method)
$(ii)$ कैनाल किरणें (Canal rays)
$(iii)$ प्रोटॉन (Proton)
$(iv)$ न्यूट्रॉन (Neutron)

(N/A) $(i)$ बेरिलियम
$(ii)$ $100 \ nm$
$(iii)$ $10^{-10} \ m, 10^{-15} \ m$
$(iv)$ नाभिक

(A) $(i)$ कक्षा (Orbit)
$(ii)$ स्थिरवैद्युत आकर्षण बल
$(iii)$ $Z$ और $A$
$(iv)$ न्यूक्लियॉन और $A$

(A) $(i)$ असत्य। फैराडे के प्रयोग और कैथोड किरण नलियाँ सीधे तौर पर यह सिद्ध नहीं करती हैं कि प्रोटॉन नाभिक में हैं; यह रदरफोर्ड के अल्फा-कण प्रकीर्णन प्रयोग द्वारा सिद्ध हुआ था।
$(ii)$ असत्य। गोल्डस्टीन ने $1886$ में एनोड किरणों (कैनाल किरणों) की खोज की थी,जिन्हें बाद में प्रोटॉन के रूप में पहचाना गया।
$(iii)$ सत्य। जेम्स चैडविक ने $1932$ में न्यूट्रॉन की खोज की थी।
$(iv)$ सत्य। जे.जे. थॉमसन ने $1898$ में पहला परमाणु मॉडल (प्लम पुडिंग मॉडल) प्रस्तावित किया था।

(B) परमाणु संरचना में,$ \text{kernel} $ शब्द का अर्थ परमाणु के नाभिक और उसकी आंतरिक कक्षाओं में मौजूद सभी इलेक्ट्रॉनों से है,जिसमें संयोजकता इलेक्ट्रॉन शामिल नहीं होते हैं।
मूल रूप से,$ \text{Kernel} = \text{Nucleus} + \text{Inner shell electrons} $।
यह परमाणु का वह हिस्सा है जो रासायनिक बंधन के दौरान अपेक्षाकृत स्थिर रहता है।

(C) $\alpha$ प्रतीक एक अल्फा कण को दर्शाता है।
एक अल्फा कण $2$ प्रोटॉन और $2$ न्यूट्रॉन से बना होता है,जो हीलियम परमाणु के नाभिक $(^4_2He^{2+})$ के समान होता है।
इसलिए,इसे हीलियम नाभिक कहा जाता है।

(B) .
कैथोड किरणें केवल कम दबाव और उच्च वोल्टेज पर देखी जाती हैं।
बाह्य विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में,वे सीधी रेखा में यात्रा करती हैं।
कैथोड किरणों की विशेषताएं इलेक्ट्रोड की सामग्री या नली में मौजूद गैस से स्वतंत्र होती हैं।

(A) डी-ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य की गणना: $\lambda = \frac{h}{mv} = \frac{6 \times 10^{-34} \, Js}{(9 \times 10^{-31} \, kg) \times (1000 \, m \, s^{-1})} = 6.6667 \times 10^{-7} \, m = 666.67 \, nm$. अतः,कथन $(A)$ सत्य है।
$(B)$ कैथोड किरणों (इलेक्ट्रॉनों) की विशेषताएं इलेक्ट्रोड की सामग्री से स्वतंत्र होती हैं। अतः,कथन $(B)$ असत्य है।
$(C)$ कैथोड किरणें कैथोड से उत्पन्न होती हैं और एनोड की ओर चलती हैं। अतः,कथन $(C)$ सत्य है।
$(D)$ कैथोड किरणों की प्रकृति ट्यूब में मौजूद गैस की प्रकृति से स्वतंत्र होती है। अतः,कथन $(D)$ असत्य है।
इसलिए,कुल $2$ कथन ($A$ और $C$) सत्य हैं।

(D) $e/m$ अनुपात को कण के आवेश और द्रव्यमान के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।
न्यूट्रॉन $(n)$ के लिए,आवेश $0$ है,इसलिए $e/m = 0$ है।
अल्फा कण $(\alpha)$ के लिए,आवेश $+2$ है और द्रव्यमान $4 \ amu$ है,इसलिए $e/m = 2/4 = 0.5$ है।
प्रोटॉन $(p)$ के लिए,आवेश $+1$ है और द्रव्यमान $1 \ amu$ है,इसलिए $e/m = 1/1 = 1$ है।
इलेक्ट्रॉन $(e^-)$ के लिए,आवेश $-1$ है और द्रव्यमान $1/1837 \ amu$ है,इसलिए $e/m = 1 / (1/1837) = 1837$ है।
इन मानों की तुलना करने पर: $0 < 0.5 < 1 < 1837$ प्राप्त होता है।
अतः,बढ़ता हुआ क्रम $n < \alpha < p < e$ है।

(D) कैथोड किरणों की विशेषताएं इस प्रकार हैं:
$(1)$ कैथोड किरणें कैथोड से शुरू होती हैं और एनोड की ओर बढ़ती हैं। अतः,कथन $(1)$ गलत है।
$(2)$ ये किरणें स्वयं दिखाई नहीं देती हैं,लेकिन $ZnS$ जैसे प्रतिदीप्त (fluorescent) पदार्थों की मदद से उनके व्यवहार को देखा जा सकता है। अतः,कथन $(2)$ गलत है।
$(3)$ विद्युत या चुंबकीय क्षेत्रों की उपस्थिति में,कैथोड किरणें ऋणावेशित कणों की तरह व्यवहार करती हैं,जो यह दर्शाता है कि इनमें इलेक्ट्रॉन होते हैं। अतः,कथन $(3)$ गलत है।
$(4)$ कैथोड किरणों (इलेक्ट्रॉनों) की विशेषताएं इलेक्ट्रोड के पदार्थ या कैथोड रे ट्यूब में मौजूद गैस की प्रकृति पर निर्भर नहीं करती हैं। अतः,कथन $(4)$ सही है।

(A) इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $m_e = 9.109 \times 10^{-31} \ kg$ है।
प्रोटॉन का द्रव्यमान $m_p = 1.672 \times 10^{-27} \ kg$ है।
न्यूट्रॉन का द्रव्यमान $m_n = 1.674 \times 10^{-27} \ kg$ है।
अनुपात $m_e : m_p : m_n$ ज्ञात करने के लिए,प्रत्येक द्रव्यमान को इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान $(m_e)$ से विभाजित करने पर:
अनुपात $= 1 : \frac{1.672 \times 10^{-27}}{9.109 \times 10^{-31}} : \frac{1.674 \times 10^{-27}}{9.109 \times 10^{-31}}$
अनुपात $\approx 1 : 1836.15 : 1838.68$.

(C) सही मिलान इस प्रकार है:
$A$. चैडविक ने न्यूट्रॉन की खोज की $(A-3)$.
$B$. रदरफोर्ड ने परमाणु का नाभिकीय मॉडल प्रस्तावित किया $(B-4)$.
$C$. मोजले ने परमाणु क्रमांक और $X$-रे स्पेक्ट्रा के बीच संबंध स्थापित किया $(C-2)$.
$D$. जे. जे. थॉमसन ने कैथोड किरण प्रयोग किया $(D-1)$.
अतः,सही क्रम $A-3, B-4, C-2, D-1$ है।

(C) यह कथन कि विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में कैथोड किरणें सीधी रेखा में यात्रा करती हैं,गलत है।
कैथोड किरणें विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपित (deflected) होती हैं।
जब किरणों को दो विद्युत आवेशित प्लेटों के बीच से गुजारा जाता है,तो वे धनात्मक आवेशित प्लेट की ओर मुड़ जाती हैं।
चुंबकीय क्षेत्र में,वे क्षेत्र और कण की गति की दिशा दोनों के लंबवत विक्षेपित होती हैं।

(C) मिलिकन के तेल की बूंद प्रयोग में,तेल की एक विद्युत आवेशित बूंद को दो समानांतर धातु की प्लेटों के बीच रखा जाता है।
$1$. गुरुत्वाकर्षण बल $(F_g = mg)$ नीचे की ओर कार्य करता है।
$2$. श्यान बल $(F_v = 6 \pi \eta r v)$ बूंद की गति की दिशा के विपरीत कार्य करता है।
$3$. जब विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है,तो आवेशित बूंद पर स्थिर वैद्युत बल $(F_e = qE)$ कार्य करता है।
इस प्रयोग में चुंबकीय क्षेत्र मौजूद नहीं होता है,इसलिए चुंबकीय बल कार्य नहीं करता है।
अतः,सही विकल्प $(C)$ है।

(A) $e/m$ अनुपात (विशिष्ट आवेश) की गणना आवेश $(e)$ और द्रव्यमान $(m)$ के अनुपात के रूप में की जाती है।
प्रोटॉन $(H^+)$ के लिए,$e/m = 1/1 = 1$ है।
ड्यूटेरियम आयन $(D^+)$ के लिए,आवेश $1$ है और द्रव्यमान $2$ है,इसलिए $e/m = 1/2 = 0.5$ है।
$\alpha$-कण $(He^{2+})$ के लिए,आवेश $2$ है और द्रव्यमान $4$ है,इसलिए $e/m = 2/4 = 0.5$ है।
चूंकि ड्यूटेरियम आयन और $\alpha$-कण दोनों का $e/m$ अनुपात $0.5$ है,इसलिए उनके $e/m$ मान समान हैं।