পরমাণুর ধারণার বিকাশ ও গঠন

পরমাণু খুব ক্ষুদ্র কণা। তাই এর গঠন সম্পর্কে ধারণা পাওয়া সহজ নয়। তবে বিজ্ঞানীদের বিভিন্ন পরীক্ষা-নিরীক্ষার পর পরমাণুর গঠন সম্পর্কে পরিষ্কার ধারণা পাওয়া গেছে। পরমাণুতে ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রনের সংখ্যার ভিন্নতার কারণে পরমাণুর ধর্মে পার্থক্য দেখা যায়।

ক্ষুদ্রতম কণার খোঁজে#

তোমরা জেনেছো যে, পদার্থ ক্ষুদ্র কণা দ্বারা গঠিত। এ ক্ষুদ্র কণা দুই রকমের: অণু ও পরমাণু। একের অধিক পরমাণু পরস্পরের সাথে যুক্ত হয়ে অণু গঠন করে। পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণার বিষয়ে বিভিন্ন সময়ে বিজ্ঞানী ও দার্শনিকগণ নানা সময় নানা রকম মতবাদ ব্যক্ত করেছেন।

গ্রিক দার্শনিক ডেমোক্রিটাস খ্রিষ্টপূর্ব ৪০০ অব্দে সর্বপ্রথম পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা নিয়ে মতবাদ পোষণ করেন। তার মতে, সকল পদার্থই ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র অবিভাজ্য (যা আর ভাঙা যায় না) কণা দ্বারা গঠিত। তিনি এই ক্ষুদ্রতম কণার নাম দেন পরমাণু বা এটম (Atom)। এটম কথাটি তিনি নিয়েছিলেন গ্রিক শব্দ এটোমোস (Atomos) থেকে, যার অর্থ হলো অবিভাজ্য। তার সমসাময়িক সময়ের আরও দুজন দার্শনিক প্লেটো (Plato) এবং অ্যারিস্টটল (Aristotle) তার মতবাদের সাথে দ্বিমত পোষণ করেন। অ্যারিস্টটলের মতে, পদার্থসমূহ নিরবচ্ছিন্ন (Continuous); একে যতই ভাঙা হোক না কেন, পদার্থের কণাগুলো ক্ষুদ্র হতে ক্ষুদ্রতর হতে থাকবে।

১৮০৩ সালে ইংরেজ বিজ্ঞানী জন ডাল্টন (John Dalton) পরীক্ষালব্ধ তথ্যের উপর ভিত্তি করে পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা সম্পর্কে বলেন: পরমাণু হলো মৌলিক পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা এবং একে আর ভাঙা যায় না। ডাল্টনের এ মতবাদ সকলে গ্রহণ করে। ফলে অ্যারিস্টটলের মতবাদটি পরিত্যক্ত হয়। আসলে পরমাণু অবিভাজ্য নয় বা ক্ষুদ্রতম কণিকাও নয়, পরমাণু বিভাজ্য। এরা ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রন দ্বারা গঠিত। ডাল্টনের পরমাণুবাদের এই সীমাবদ্ধতা দূর করার জন্য পরবর্তীতে আরও অনেকে পরমাণু মডেলের প্রস্তাব করেন। এদের মধ্যে রাদারফোর্ড ও বোরের পরমাণু মডেল গ্রহণযোগ্যতা পায়।

দুই হাজার বছরেরও বেশি সময় ধরে পরমাণুর ছবিটি কীভাবে বদলেছে, নিচের সময়রেখায় একেকটি সাল বেছে নিয়ে দেখো।

খ্রি.পূ. ৪০০ ডেমোক্রিটাস ১৮০৩ ডাল্টন ১৮৯৭ টমসন ১৯১১ রাদারফোর্ড ১৯১৩ বোর ১৯৩২ চ্যাডউইক

• অবিভাজ্য কণা

• নিরেট, অবিভাজ্য পরমাণু

• ধনাত্মক আধানের গোলক
• ইলেকট্রন

• নিউক্লিয়াস (ধনাত্মক)
• ইলেকট্রন

ছবিতে নিউক্লিয়াস অনেক বড় করে আঁকা। আসলে এটি পুরো পরমাণুর চেয়ে হাজার হাজার গুণ ছোট।

• নিউক্লিয়াস
• ইলেকট্রন
• নির্দিষ্ট কক্ষপথ

• প্রোটন
• নিউট্রন
• ইলেকট্রন

ডেমোক্রিটাস·খ্রিষ্টপূর্ব ৪০০ অব্দ

সব পদার্থ অবিভাজ্য কণায় গড়া

গ্রিক দার্শনিক ডেমোক্রিটাস সর্বপ্রথম বলেন, সকল পদার্থই ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র অবিভাজ্য (যা আর ভাঙা যায় না) কণা দিয়ে গঠিত। তিনি এর নাম দেন এটম (Atom), গ্রিক শব্দ এটোমোস (Atomos) থেকে, যার অর্থ অবিভাজ্য।

প্লেটো ও অ্যারিস্টটল তাঁর সাথে দ্বিমত করেন। অ্যারিস্টটলের মতে পদার্থ নিরবচ্ছিন্ন: যত ভাঙো, কণাগুলো ক্ষুদ্র থেকে ক্ষুদ্রতর হতেই থাকবে।

এই মডেলের সমস্যা: ধারণাটি ছিল শুধু চিন্তার ফল, কোনো পরীক্ষা করে যাচাই করা হয়নি।

জন ডাল্টন·১৮০৩ সাল

নিরেট বলের মতো পরমাণু

ইংরেজ বিজ্ঞানী জন ডাল্টন পরীক্ষালব্ধ তথ্যের ভিত্তিতে বলেন: পরমাণু হলো মৌলিক পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা এবং একে আর ভাঙা যায় না।

তাঁর মতে একই মৌলের সব পরমাণু একই রকম। ডাল্টনের এ মতবাদ সকলে গ্রহণ করে, ফলে অ্যারিস্টটলের মতবাদ পরিত্যক্ত হয়।

এই মডেলের সমস্যা: পরে জানা গেল পরমাণু ভাঙা যায়, এর ভেতরে আরও ক্ষুদ্র কণা আছে। আর একই মৌলের সব পরমাণুর ভরও এক নয় (আইসোটোপের পাঠে দেখবে)।

জে. জে. টমসন·১৮৯৭ ও ১৯০৪ সাল

ইলেকট্রন আবিষ্কার, প্লাম পুডিং মডেল

ইংরেজ বিজ্ঞানী জে. জে. টমসন ১৮৯৭ সালে ঋণাত্মক আধানযুক্ত অতি হালকা কণা ইলেকট্রন আবিষ্কার করেন। বোঝা গেল, পরমাণু অবিভাজ্য নয়।

১৯০৪ সালে তিনি প্রস্তাব করেন: পরমাণু ধনাত্মক আধানের একটি গোলক, যার ভেতরে ইলেকট্রনগুলো গেঁথে আছে, তরমুজের ভেতরে বিচির মতো।

এই মডেলের সমস্যা: এ মডেল ঠিক হলে পাতলা সোনার পাতে ছোড়া আলফা কণা প্রায় সোজা বেরিয়ে যেত, কোনোটিই ফিরে আসত না।

আর্নেস্ট রাদারফোর্ড·১৯১১ সাল

ক্ষুদ্র নিউক্লিয়াস, বাকিটা ফাঁকা

রাদারফোর্ডের তত্ত্বাবধানে গাইগার ও মার্সডেন (১৯০৯) পাতলা সোনার পাতে আলফা কণা ছোড়েন। বেশিরভাগ কণা সোজা চলে যায়, কিন্তু খুব অল্প কয়েকটি উল্টো দিকে ফিরে আসে।

রাদারফোর্ড বলেন, পরমাণুর ধনাত্মক আধান ও প্রায় সবটুকু ভর কেন্দ্রের একটি ক্ষুদ্র জায়গায় আবদ্ধ: এর নাম নিউক্লিয়াস। পরমাণুর বেশিরভাগ জায়গা ফাঁকা, আর ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে ঘুরছে, অনেকটা সৌরজগতের মতো।

এই মডেলের সমস্যা: ইলেকট্রন ঠিক কোন পথে ঘোরে? রাদারফোর্ড নির্দিষ্ট কোনো কক্ষপথের কথা বলেননি।

নীলস বোর·১৯১৩ সাল

নির্দিষ্ট কক্ষপথে ইলেকট্রন

ডেনমার্কের বিজ্ঞানী নীলস বোর ধারণা দেন, ইলেকট্রন কিছু নির্দিষ্ট কক্ষপথে ঘুরে। প্রতিটি কক্ষপথের শক্তি নির্দিষ্ট, তাই কক্ষপথকে শক্তিস্তরও বলা হয়।

রাদারফোর্ড ও বোরের পরমাণু মডেল গ্রহণযোগ্যতা পায়। এ অধ্যায়ে ইলেকট্রন বিন্যাস তুমি এই মডেল দিয়েই শিখবে।

তখনও প্রশ্ন ছিল: নিউক্লিয়াসের ভর তার প্রোটনগুলোর মোট ভরের চেয়ে অনেক বেশি কেন?

জেমস চ্যাডউইক·১৯৩২ সাল

নিউট্রন আবিষ্কার

ইংরেজ বিজ্ঞানী জেমস চ্যাডউইক ১৯৩২ সালে নিউক্লিয়াসে আধান নিরপেক্ষ কণা নিউট্রন আবিষ্কার করেন। এর ভর প্রায় প্রোটনের ভরের সমান। (প্রোটন শনাক্ত করেছিলেন রাদারফোর্ড, ১৯১৯ সালের দিকে।)

এভাবে পরমাণুর ছবিটি পূর্ণ হলো: কেন্দ্রে প্রোটন ও নিউট্রন নিয়ে নিউক্লিয়াস, চারপাশের নির্দিষ্ট কক্ষপথে ইলেকট্রন।

নতুন কী জানা গেল: পরমাণু ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রনের সমন্বয়ে গঠিত। প্রোটন আর নিউট্রন মিলেই নিউক্লিয়াসের প্রায় সব ভর।

আগের মডেল ১/৬ পরের মডেল

রাদারফোর্ডের পরীক্ষা#

একসময় বিজ্ঞানী রাদারফোর্ড ও তাঁর সহকর্মীরা একটি পরীক্ষা করেন, যা পরমাণুর গঠন সম্পর্কে ভালো ধারণা দেয়।

পরীক্ষাটি হয়েছিল ১৯০৯ সালে, রাদারফোর্ডের তত্ত্বাবধানে গাইগার ও মার্সডেনের হাতে। একটি তেজস্ক্রিয় উৎস থেকে ধনাত্মক আধানযুক্ত আলফা কণা ছোড়া হয় খুব পাতলা একটি সোনার পাতের দিকে। পাতের চারদিকে থাকে একটি পর্দা, যাতে কোনো আলফা কণা এসে পড়লেই আলোর ঝলক দেখা যায়। ঝলক গুনে বোঝা যায় কোন কণা কোন দিকে গেল। নিচের সিমুলেশনটি চালিয়ে নিজেই গুনে দেখো।

রাদারফোর্ডের সোনার পাতের পরীক্ষার সিমুলেশন: উৎস থেকে আলফা কণা সোনার পাতের দিকে ছোড়া হচ্ছে, পর্দায় দেখা যায় কোন কণা কতটা বেঁকেছে।

চালাও আবার শুরু টমসনের মডেল হলে কী হতো?

ছোড়া আলফা কণা: ০

• সোজা চলে গেছে (১০°-এর কম) ০
• বেঁকে গেছে (১০°-৯০°) ০
• ফিরে এসেছে (৯০°-এর বেশি) ০

টমসনের মডেল: ধনাত্মক আধান পুরো পরমাণুজুড়ে ছড়ানো, তার ভেতরে ইলেকট্রন গাঁথা। এমন ছড়ানো আধান আলফা কণাকে খুব সামান্যই ঠেলতে পারে, তাই প্রায় কোনো কণাই বাঁকে না, ফিরে আসা তো দূরের কথা। কিন্তু আসল পরীক্ষায় কিছু কণা বেঁকে গিয়েছিল, কয়েকটি ফিরেও এসেছিল। তাই টমসনের মডেল দিয়ে পরীক্ষার ফল ব্যাখ্যা করা যায়নি।

রাদারফোর্ডের মডেল: ধনাত্মক আধান আর প্রায় সব ভর ছোট্ট নিউক্লিয়াসে। বেশিরভাগ কণা ফাঁকা জায়গা দিয়ে সোজা চলে যায়, নিউক্লিয়াসের কাছ দিয়ে গেলে বিকর্ষণে বেঁকে যায়, আর প্রায় মুখোমুখি ধাক্কা লাগলে ফিরে আসে। বোঝার সুবিধার জন্য নিউক্লিয়াস অনেক বড় করে দেখানো হয়েছে; বাস্তবে এটি পরমাণুর চেয়ে কয়েক হাজার গুণেরও বেশি ছোট, আর ফিরে আসা কণা ছিল আরও অনেক কম, কয়েক হাজারে মাত্র একটি।

তিনটি পর্যবেক্ষণ থেকে তিনটি সিদ্ধান্ত:

পরীক্ষালব্ধ ফল থেকে রাদারফোর্ড বলেন যে, পরমাণুতে ধনাত্মক আধান ও ভর একটি ক্ষুদ্র জায়গায় আবদ্ধ। এই জায়গাটি পরমাণুর কেন্দ্রে অবস্থিত। তাই তিনি এর নাম দেন নিউক্লিয়াস (Nucleus)। তিনি আরও ব্যাখ্যা দেন যে, পরমাণুর বেশিরভাগ জায়গা ফাঁকা, আর ঋণাত্মক আধানযুক্ত কণার তেমন কোনো ভর নেই এবং তারা নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে ঘুরছে। রাদারফোর্ডের মডেল সৌরজগতের মতো। কিন্তু রাদারফোর্ড নির্দিষ্ট কোনো কক্ষপথের কথা বলেননি। বিজ্ঞানী বোর পরবর্তীকালে ধারণা দেন যে, ঋণাত্মক আধানযুক্ত কণা কিছু নির্দিষ্ট কক্ষপথে ঘুরে।

পরমাণুর গঠন#

উপরিউক্ত আলোচনা থেকে বলা যায় যে, পরমাণু অবিভাজ্য নয়। পরমাণু ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রনের সমন্বয়ে গঠিত। পরমাণুর কেন্দ্রে রয়েছে নিউক্লিয়াস। নিউক্লিয়াসে ধনাত্মক আধানযুক্ত প্রোটন ও আধান নিরপেক্ষ নিউট্রন রয়েছে। পরমাণুর ভরের প্রায় পুরোটাই নিউক্লিয়াসে থাকে। ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে নির্দিষ্ট কক্ষপথে ঘুরে। ইলেকট্রন ও নিউক্লিয়াসের মধ্যবর্তী জায়গা ফাঁকা। ফলে প্রকৃতপক্ষে পরমাণুর বেশিরভাগ জায়গা ফাঁকা।

চিত্রে লাল কণাগুলো প্রোটন (+), ধূসরগুলো নিউট্রন, আর নীলগুলো ইলেকট্রন (−)। তিন রকম কণার তুলনা:

পরমাণু কতটা ফাঁকা?#

“বেশিরভাগ জায়গা ফাঁকা” কথাটা আসলে কতটা সত্যি? পরমাণুর ব্যাস মোটামুটি $10^{-10}$ মিটার, আর নিউক্লিয়াসের ব্যাস মাত্র $10^{-14}$ থেকে $10^{-15}$ মিটার। যেমন একটি হাইড্রোজেন পরমাণুর ব্যাস প্রায় $1.06 \times 10^{-10}$ মিটার, অথচ এর নিউক্লিয়াসের (একটি প্রোটন) ব্যাস প্রায় $1.7 \times 10^{-15}$ মিটার। অর্থাৎ পরমাণুটি তার নিউক্লিয়াসের চেয়ে প্রায় ৬০ হাজার গুণ চওড়া। নিচে জুম করে নিজেই দেখো।

পরমাণু একটা ফুটবল মাঠের সমান হলে নিউক্লিয়াস হতো মাঝমাঠে পড়ে থাকা একটি সরিষা দানা।

পুরো পরমাণু নিউক্লিয়াসে যাও

জুম

×১

পর্দার প্রস্থ ১.৮ × ১০⁻¹⁰ মিটার মাঠের মাপে (পরমাণু = ১০০ মিটার) ১৬৮ মিটার

১

রাদারফোর্ডের পরীক্ষায় বেশিরভাগ আলফা কণা সোজা বেরিয়ে গেল কেন?

হিন্টস দেখো

সমাধান

২

ডাল্টনের পরমাণুবাদের কোন কথাটি পরে ভুল প্রমাণিত হলো? কোন আবিষ্কার তা দেখাল?

সমাধান