পদার্থবিদ্যার কিছু তথ্য এবং তত্ত্ব (জামাল নজরুল ইসলাম)

পদার্থ কী দিয়ে তৈরী এই সমস্যার সম্পূর্ণ সমাধান আজও হয়নি। মৌলিক বস্তুকণা কাকে বলে তা এখনও স্থির করা সম্ভব হয়নি। সাধারণত একটি পরমাণু একটি নিউক্লিয়াস ও ইলেকট্রন দিয়ে গঠিত। নিউক্লিয়াস বা কেন্দ্রীণের মধ্যে আছে প্রোটন ও নিউট্রন নামক বস্তুকণা। তাই পরমাণুকে আমরা মৌলিক বস্তুকণা বলতে পারি না। আবার প্রোটন বা নিউট্রনকেও মৌলিক কণা বলা যায় না। কেননা গত কয়েক বছরের গবেষণার মাধ্যমে জানা গেছে যে একটি প্রোটন বা নিউট্রন অন্য আরেক ধরনের বস্তুকণা দিয়ে গঠিত যাদেরকে বলা হয় কোয়ার্ক বস্তুকণা। কোয়ার্ক এখনো দেখা যায়নি। কিন্তু তত্ত্বের দাবী অনুসারে প্রোটন বা নিউট্রন তিনটি কোয়ার্ক দিয়ে তৈরী। অবশ্য কোয়ার্ক বস্তুকণাই যে সত্যিকারের মৌলিক কণা তারও কোনো নিশ্চয়তা নেই। এখানে আমারা ধরে নিব যে, ইলেকট্রন, প্রোটন, নিউট্রন ইত্যাদি কণাগুলো মৌলিক বস্তুকণা।

ইলেকট্রন আবিষ্কৃত হয়েছিল ১৮৯৭ সালে। আবিষ্কার করেছিলেন ইংরেজ বৈজ্ঞানিক জোসেফ জন টমসন। একটি ইলেকট্রনের ভর হলো ৯.১১১০^-২৮ গ্রাম। অর্থাৎ প্রায় ১০^-২৭ টি ইলেকট্রন মিলে ১ গ্রাম ভর হয়। প্রতিটি ইলেকট্রনের একটি বৈশিষ্ট্য আছে যাকে বৈদ্যুতিক চার্জ বা আধান বলা হয়। ইলেকট্রনের আধান ঋণাত্মক। পদার্থবিজ্ঞানে ইলেকট্রনের আধানকে একক হিসেবে ধরে নেয়া হয়। কোনো দুটি কণার যদি ঋণাত্মক বা ধনাত্নক আধান থাকে তবে তাদের মধ্যে বিকর্ষণ সৃষ্টি হবে। কিন্তু যদি দুটি কণার আধান যদি বিপরীত হয় অর্থাৎ একটির আধান ঋণাত্মক ও অন্যটির আধান ধনাত্মক হয় তবে তাদের মধ্যে আকর্ষণের সৃষ্টি হবে।

 

এই আকর্ষণ বা বিকর্ষণের পরিমাণ নির্ভর করে কণা দুটির আধানের পরিমাণ ও তাদের দূরত্বের উপর। দূরত্ব যদি দ্বিগুণ করা হয় তাহলে পরস্পরের আকর্ষণ বা বিকর্ষণ চার গুণ কমে যায়, যদি দূরত্ব তিন গুণ করা হয় তাহলে তা নয় গুণ কমে যায়। সুতরাং আকর্ষণ বা বিকর্ষণের পরিমাণ দূরত্বের ব্যস্ত বর্গ আইন মেনে চলে। আমরা দৈনন্দিন যে বৈদ্যুতিক কারেন্ট ব্যবহার করি তা আসলে ধাতব তারের মধ্য দিয়ে ইলেকট্রনের প্রবাহ ছাড়া আর কিছুই নয়। অনেকগুলো আধান সমন্বিত কণা যদি এক জায়গা থেকে অন্য জায়গায় যায় তাহলে বৈদ্যুতিক কারেন্ট বা প্রবাহ সৃষ্টি হয়। এই বৈদ্যুতিক প্রবাহ শক্তি বহন করে যা আমরা ব্যবহার করতে পারি। এমনভাবেই আমরা আলো জ্বালাতে পারি অথবা মেশিন চালাতে পারি। প্রকৃতপক্ষে এইসবের উৎস হলো বৈদ্যুতিক আধান সমন্বিত ইলেকট্রন নামক বস্তুকণার গতি।

প্রোটন আবিষ্কৃত হয়েছিল ১৯২০ সালে। আবিষ্কার করেছিলেন নিউজিল্যান্ডের পদার্থবিজ্ঞানী আর্নেস্ট রাদারফোর্ড। প্রোটনের বৈদ্যুতিক আধানের পরিমাণ হলো ইলেকট্রনের আধানের সমান কিন্তু বিপরীত চিহ্ন বিশিষ্ট অর্থাৎ প্রোটনের আধান হলো ধনাত্মক ১ একক। প্রোটনের ভর ইলেকট্রনের ভরের প্রায় ১৮৩৬ গুণ বেশি। যেহেতু প্রোটনের আধান ইলেকট্রনের আধানের বিপরীত তাই তাদর মধ্যে আকর্ষণের সৃষ্টি হয়। এভাবে একটি হাইড্রোজেন পমাণুতে একটি ইলেকট্রন একটি প্রোটনের চারদিকে ঘুরতে থাকে। ইলেকট্রন প্রোটনের তুলনায় অনেক  হালকা, তাই হাইড্রোজেন পরমাণুর ভর প্রায় প্রোটনের ভরের সমান।

 

পরমাণুর নিউক্লিয়াসে প্রোটন ছাড়াও আরো এক ধরনের কণা থাকে যার নাম নিউট্রন। এই কণাটি আধানহীন। একটি নিউট্রনের ভর ইলেকট্রনের ভরের প্রায় ১৮৩৮ গুণ বেশি অর্থাৎ নিউট্রন প্রোটনের চেয়ে সামান্য বেশি ভারী। নিউট্রন আবিষ্কৃত হয় ১৯৩২ সালে এবং আবিষ্কারক ছিল ইংরেজ পদার্থবৈজ্ঞানিক জেমস চেডউইক।

একটি প্রোটন অথবা নিউট্রনের আয়তন প্রায় ১০^-১৩ সেন্টিমিটার। অর্থাৎ ১০^১৩ টি প্রোটন অথবা নিউট্রন পাশাপাশি রাখা হলে সেগুলোর মোট দৈর্ঘ্য হবে ১ সেন্টিমিটার। কোনো একটি পরমাণুর কেন্দ্রীণ বা নিউক্লিয়াসে অনেকগুলো প্রোটন বা নিউট্রন একত্রে থাকে। কেন্দ্রীণের আয়তন ১০^-১৩ সেন্টিমিটারের গুণিতক। পরমাণুর কেন্দ্রের চারিদিকে কতগুলো ইলেকট্রন ঘুরতে থাকে যাদের উপর প্রোটনের আকর্ষণ সক্রিয়। ইলেকট্রনের সংখ্যা প্রোটনের সংখ্যার সমান তাই সমস্ত পরমাণুটি বৈদ্যুতিকভাবে নিষ্ক্রিয়, কারণ ঋণাত্মক আধানের পরিমাণ ধনাত্মক আধানের সমান। একটি পরমাণুর আয়তন প্রায় ১০^ সেন্টিমিটার অর্থাৎ পরমাণুটি কেন্দ্রীয় অংশের তুলনায় এক লক্ষ গুণ বড়, যদিও পরমাণুর ভর প্রায় সবটাই কেন্দ্রীণে অবস্থিত।

 

বস্তুকণার বৈদ্যুতিক আকর্ষণ বিকর্ষণ ছাড়াও তাদের পরস্পরের উপর অন্য এক ধরনের বল প্রয়োগ করার ক্ষমতা আছে যাকে চুম্বক বল বলে। ধারা যাক, দুটি বিপরীত আধানসম্পন্ন কণা ক ও খ স্থিতিশীল অবস্থায় আছে।

ক যে বল খ-এর উপর প্রয়োগ করে তা ক-এর দিকে। অর্থাৎ ঐ বল ক ও খ-এর যোগদানকারী সরলরেখা বরাবর। এই বলকে বৈদ্যুতিক বল বলা হয়। স্থিতিশীল অবস্থায় কণা দুটির মধ্যে কোন চুম্বক বল থাকে না। কিন্তু ক যদি গতিশীল হয় তবে খ-এর উপর বৈদ্যুতিক বল ছাড়াও চুম্বক বল প্রযুক্ত হবে। কিন্তু খ-এর উপর এই চুম্বক বলের দিক ভিন্ন অর্থাৎ তা ক-এর দিকে নয়। এই চুম্বক বলের দিক নির্ভর করে ক-এর গতিবেগের উপর। বৈদ্যুতিক বলকে কুলম্ব বল বলা হয়, কারণ তার আবিষ্কারক ছিলেন ফরাসী বিজ্ঞানী চার্লস অগাস্টিন দ্য কুলম্ব। সুতরাং আধানসম্পন্ন কণা স্থির অবস্থায় পরষ্পরের উপর বৈদ্যুতিক বা কুলম্ব বল প্রয়োগ করে এবং গতিশীল অবস্থায় বৈদ্যুতিক ও চুম্বক উভ্য় প্রকার বল প্রয়োগ করে। এই বলের দিক ভিন্ন। একটি প্রাকৃতিক চুম্বক যে বল একটি লোহার টুকরার উপর প্রয়োগ করে তাও আসলে চুম্বকের ভিতরকার আধানসম্পন্ন কণার গতি থেকেই সৃষ্টি। প্রকৃতপক্ষে বৈদ্যুতিক বল ও চুম্বক বল একই বলের দুটি অবস্থা। এই বলকে আমরা তড়িৎ-চুম্বক বল নামে অভিহিত করি। এই তড়িৎচুম্বক বল প্রকৃতির চারটি মৌলিক বলের মধ্যে একটি।

 

আমরা দৈনন্দিন জীবনে প্রকৃতির অন্য আরেকটি বল-এর সাক্ষাৎ পাই। তার নাম মাধ্যাকর্ষণ বল। কোন একটি বস্তু হাত থেকে ছেড়ে দিলে তা মাটিতে পড়ে যায়। এর কারণ হলো পৃথিবীর সেই বস্তুটির উপর মধ্যকর্ষণ বল প্রয়োগ করে যার ফলে বস্তুটি পৃথিবীর কেন্দ্রের দিকে আকৃষ্ট হয়। পৃথিবীর প্রতি সূর্যের আর চাঁদের প্রতি পৃথিবীর আকর্ষণের জন্যই পৃথিবী সূর্যের এবং চাঁদ পৃথিবীর চারিদিকে ঘোরে। বিশ্বের কোনো একটি বস্তু অন্য যে কোনো বস্তুর উপর এই যে অভিকর্ষ বল প্রয়োগ করে তা ব্যস্তবর্গের আইন মেনে চলে। অর্থাৎ বস্তু দুটির মধ্যে দূরত্ব দ্বিগুণ করলে বলের পরিমান চারগুণ কমে যায় ইত্যাদি।

অভিকর্ষ বল বস্তু দুটির ভরের গুণফলের উপর নির্ভর করে। অভিকর্ষ বল সর্বদাই আকর্ষণ প্রকৃতির। এই বৈশিষ্ট্য বৈদ্যুতিক বলের তুলনায় ভিন্ন, কেননা দুটি একজাতীয় আধান সম্পন্ন কণার মধ্যে বিকর্ষণ বল সক্রিয় হয়। আমাদের দৈনন্দিন জীবনের পদার্থ সমূহের গঠন নির্ভর করে তড়িৎচুম্বক বলের উপর। কিন্তু চাঁদ, পৃথিবী, সূর্য, গ্রহ,নক্ষত্রের গঠনে অভিকর্ষ বলের বিরাট ভূমিকা রয়েছে।

 

পরমাণুর কেন্দ্রে প্রোটন ও নিউট্রন থাকে একথা আগেই বলা হয়েছে। কিন্তু সব প্রোটনের আধান যেহেতু একই অর্থাৎ ধনাত্নক তাই তাদের মধ্যে বিকর্ষণ হওয়া উচিৎ ছিল। সুতরাং প্রশ্ন উঠতে পারে যে, পরমাণুর কেন্দ্রস্থলে প্রোটনরা কীভাবে একসঙ্গে থাকে। এর কারণ হলো যে, প্রোটনের মধ্যে বৈদ্যুতিক বল ছাড়াও একটি কেন্দ্রীণ বল সক্রিয়। দুটি প্রোটন যখন খুব কাছাকাছি থাকে তখন তাদের আধানজনিত বিকর্ষণ ছাড়াও কেন্দ্রীণ বলের জন্য পরস্পরের মধ্যে প্রবল আকর্ষণ অনুভব করে। এই কেন্দ্রীণ আকর্ষণের জন্যই পরমাণুর কেন্দ্রে নিউট্রন প্রোটন একত্রে থাকতে পারে। কেন্দ্রীণ বল শুধু যে প্রোটনের মধ্যেই আছে তা নয়। দুটি নিউট্রন অথবা একটি প্রোটন ও একটি নিউট্রনের মধ্যেও এই কেন্দ্রীণ বল কাজ করে। এই কেন্দ্রীণ বল ১০^-১৩ সেন্টিমিটারের মধ্যেই সীমাবদ্ধ। আরেকটি বৈশিষ্ট্য হলো যে, ইলেকট্রনের উপর কেন্দ্রীণ বলের কোন প্রভাব নেই।

সুতরাং দুটি প্রোটনের মধ্যে তড়িৎচুম্বক বল এবং কেন্দ্রীণ বল উভয়ই কাজ করে। কিন্তু একটি প্রোটন ও ইলেকট্রনের মধ্যে শুধুমাত্র তড়িৎচুম্বক বল কাজ করে। এই কেন্দ্রীণ বল প্রকৃতির চারটি মৌলিক বলের মধ্যে একটি। প্রকৃতিতে আরো এক ধরনের বল আছে যাকে ক্ষীণ বল বলে। এই বল তড়িৎচুম্বক এবং কেন্দ্রীণ বলের তুলনায় অত্যন্ত কম। এই ক্ষীণ বলের জন্যই একটি নিউট্রন ভেঙে একটি ইলেকট্রনের সৃষ্টি হয় যাকে নিউট্রনের বিটা ভাঙন প্রক্রিয়া বলে। পরমাণুর কেন্দ্রে একটি নিউট্রন স্থায়ীভাবে থাকতে পারে কিন্তু পরমাণুর বাইরে অর্থাৎ মুক্ত অবস্থায় তার জীবনকাল মাত্র ১২ মিনিট। অর্থাৎ একটি নিউট্রন ১২ মিনিটের মধ্যে একটি প্রোটন, একটি ইলেকট্রন এবং একটি বিপরীত নিউট্রিনো বস্তুকণায় রূপান্তরিত হয়। এই বিটা ভঙ্গন প্রক্রিয়াকে এইভাবে লেখা হয়ঃ

n -> p + e + v 

এখানে p অর্থ প্রোটন, n অর্থ নিউট্রন, e অর্থ ইলেকট্রন এবং v অর্থ বিপরীত নিউট্রিনো।

 

পরমাণু ইলেকট্রন, প্রোটন এবং নিউট্রন দিয়ে গঠিত বলা হয়েছে। ১৯২০ সালে ইংরেজ পদার্থবিজ্ঞানী পল ডিরাক দেখান যে, প্রতিটি কণার বিপরীত-কণার অস্তিত্ব দাবি করে। বিপরীত কণার আধান বিপরীত, কিন্তু ভর একই। একটি কণা তার বিপরীত কণার সংস্পর্শে এলে উভয় কণাই নিশ্চিহ্ন হয়ে যায় এবং তড়িৎচুম্বক বিকিরণের সৃষ্টি হয়। এই বিকিরণের শক্তির পরিমাণ আইনস্টাইনের বিখ্যাত সূত্র-২

শক্তি = ভর  আলোর গতিবেগের বর্গ (E=mc^2) দিয়ে নির্ধারণ করা যায়। এখানে m হলো কণার ভর এবং c হলো আলোর গতিবেগ।

 

ইলেকট্রনের বিপরীত-কণার নাম হলো পজিট্রন। ১৯৩২ সালে আমেরিকার পদার্থবৈজ্ঞানিক সি. ডি. এন্ডারসন এই পজিট্রন কণা আবিষ্কার করেছিলেন। পজিট্রনের ভর ইলেকট্রনের ভরের সমান কিন্তু তার আধান ইলেকট্রনের আধানের বিপরীত। প্রোটন এবং নিউট্রনের বিপরীত কণার নাম হলো এন্টিপ্রোটন এবং এন্টিনিউট্রন। এই কণাগুলোও পরীক্ষাগারে পাওয়া গেছে।

আলোকরশ্মি এবং তড়িৎচুম্বক তরঙ্গের বর্ণনা করা যায় এক ধরনের কণা দিয়ে যাকে বলা হয় ফোটন বা আলোক কণা। এই শতাব্দীর গোড়াতে ম্যাক্স প্ল্যাংক আবিষ্কার করেন যে, তড়িৎচুম্বক বিকিরণ আসলে ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র শক্তির খণ্ড দিয়ে তৈরী। এই শক্তি খণ্ডগুলোকেই ফোটন বলে। কোনো একটি সাধারণ রশ্মিতে অসংখ্য ফোটন একত্রে মিলিত থাকে তাই তাদের স্বাতন্ত্র্য আমাদের চোখে পড়ে না। কিন্তু আমরা যদি একই রশ্মির শক্তির পরিমাণ অতি সূক্ষ্মভাবে নির্ণয় করি তাহলে দেখি যে, শক্তি অবিভাজ্য নয় বরং তা একটি ক্ষুদ্র পরিমাণের গুণিতক। এই বিচ্ছিন্ন, ক্ষুদ্র শক্তির অংশটিকেই আমরা ফোটন বলে থাকি।
আলোক রশ্মি এবং তড়িৎ-চুম্বক বিকিরণের সঙ্গে পরমাণুর কেদ্রের যে বিক্রিয়া হয় সেটা আসলে ফোটনের মাধ্যমেই হয়। ফোটন কণার কোনো ভর নেই এবং কোনো আধানও নেই। কিন্তু তার শক্তি আছে এবং সে শক্তির পরিমাণ নির্ভর করে তরঙ্গের স্পন্দন সংখ্যার উপর। বিশেষ আপেক্ষিক তত্ত্ব অনুসারে ভরহীন কণা মাত্রই আলোর গতিবেগে ভ্রমণ করে। এই ধরনের আর একটি ভরহীন কণা হলো নিউট্রিনো। নিউট্রিনোর অস্তিত্ব সম্বন্ধে ১৯৩১ সালে ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন অস্ট্রিয়ার পদার্থ বিজ্ঞানী উলফগাংগ পাউলি। ১৯৫৬ সালে নিউট্রিনো আবিষ্কার করেছিলেন এফ. রাইমেস এবং সি. কাউয়ান। নিউট্রিনো কোনো বস্তুর সঙ্গে বিক্রিয়া করে না তাই তা পৃথিবীর ভিতর দিয়ে অনায়েসে চলে যেতে পারে। সূর্য থেকে উৎপন্ন অসংখ্য নিউট্রিনো প্রতি সেকেন্ডে পৃথিবীর ভিতর দিয়ে চলে যাচ্ছে।

আলোক রশ্মি আসলে তড়িৎ-চুম্বক বিকিরণ। দুটি পাশাপাশি শীর্ষের মধ্যে দূরত্বকে তরঙ্গদৈর্ঘ্য বলে।

 

তরঙ্গদৈর্ঘ্য ০.০০০০২ থেকে ০.০০০১ সেন্টিমিটার হলে বিকিরণকে আলো বলা হয়, কারণ আমাদের চোখে এই তরঙ্গগুলো ধরা পড়ে। যে বিকিরণের তরঙ্গদৈর্ঘ্য আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য থেকে বেশি তাকে যথাক্রমে অবলোহিত বা ইনফ্রারেড বিকিরণ, মাইক্রো তরঙ্গ ও রেডিও তরঙ্গ বলে। যে বিকিরণের তরঙ্গদৈর্ঘ্য আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য থেকে কম তাকে যথাক্রমে অতি-বেগুনী বা আলট্রাভায়োলেট বিকিরণ, এক্স রশ্মি এবং গামা রশ্মি বলে। তড়িৎচুম্বক তরঙ্গ মাত্রই একই গতিবেগে চলে এবং তা হলো আলোক রশ্মির গতিবেগ। বিকিরণের স্পন্দন সংখ্যা হলো প্রতি সেকেন্ডে কোনো একটি নির্দিষ্ট বিন্দুতে যতগুলো তরঙ্গ পার হয়ে যায় তার সংখ্যা। স্পন্দন সংখ্যা এবং তরঙ্গদৈর্ঘ্য গুণ করলে আলোর গতিবেগ পাওয়া যায়। তাই তরঙ্গদৈর্ঘ্য যত বেশি, স্পন্দন সংখ্যা তত কম।

[বিঃ দ্রঃ এই লেখাটি বাংলা একাডেমি থেকে প্রকাশিত বিজ্ঞানী জামাল নজরুল ইসলামের “কৃষ্ণবিবর” বইয়ের প্রথম অধ্যায়ের টাইপকৃত রূপ। এই অধ্যায়টি টাইপ করে দিয়েছেন চট্টগ্রাম বিশ্ববিদ্যালয়ের ছাত্রী ‘ফাতেমা-তুজ-জহুরা’। এই অংশটির কাগুজে রূপ দেখতে পারবেন এখান থেকে। জামাল নজরুল ইসলামের বইটি সহজলভ্য করতে ধীরে ধীরে সম্পূর্ণ  বই-ই পোস্ট করা হবে।]  

২য় অধ্যায় পড়ুন এখান থেকে।

২ thoughts on “পদার্থবিদ্যার কিছু তথ্য এবং তত্ত্ব (জামাল নজরুল ইসলাম)

আপনার মতামত

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.