রাদারফোর্ড পরমাণু মডেল ও ইতিহাস - YMC
Thu. Jul 7th, 2022
YMC

১.

প্রাচীনকালের পরমাণুর ধারণা আর বর্তমান পরমানুর ধারনা আকাশ-পাতাল তফাৎ  । ডেমোক্রিটাস দেওয়া ‘ অ্যাটোম ‘ নাম বিজ্ঞানের ইতিহাসে থেকে যাবে যুগ – যুগ । বিজ্ঞানীরা কর্মে কর্মে পরমাণুর রহস্য ভেদ করে চলেছে । ডাল্টনের পরমাণু তত্ত্বের পর প্রশ্ন এসেছিল , পরমাণুর দেখতে কি রকম ? 

পরমাণুর গঠন কি রকম ? একটা পরমাণু এবং অন্য একটি পরমাণুর মধ্য পার্থক্যটা কি ? কিসের কারণে দুইটা পরমাণু ভিন্ন রকম আচরণ করে ? দুইটা চিরুনি হাতে নেন , একটা চিরুনি ঘষুন । এখন একটা চিরুনি চার্জ সৃষ্টি হবে । দুইটা চিরুনি একই রকম দেখতে কিন্তু ভিতরে এমন কী ঘটলো যার কারণে একটার ভিতরে চার্জ ধর্ম লাভ করলো । দুইটা পরমাণু একই রকম দেখতে তবুও তাদের ভিতর ভিন্ন ভিন্ন আচরণ দেখা যায় কেন ? তাহলে কি পরমাণুর ভিতরে কিছু আছে নাকি ? যার কারণে পরমাণু ভিন্ন রকম আচরণ করে ।  আসলে মূল কথাটা হলো যে পরমাণু কে না দেখা পর্যন্ত এগুলো বলা মুশকিল হয়ে গিয়েছিল । 

2

1803 সাল থেকে বিজ্ঞানীরা পরমাণু তত্ত্ব সম্পর্কে জানতো । আবার বস্তু ঘষার পর বস্তুতে আকর্ষণ বিকর্ষণ বৈশিষ্ট্য সৃষ্টি হয়। সেই প্রাচীনকাল থেকে বিজ্ঞানীরা জানতো একটা বস্তু এবং অন্য একটি বস্তুর সাথে ঘষার ফলে চার্জ উৎপন্ন হয় । বিজ্ঞানী থ্যালেস জানতো অ্যাম্বার পাথর ঘষার কারণে আকর্ষণ ধর্মক লাভ করে । 1763 সালে চার্লস দুফ্য দেখতে পান ঘষার কারণে শুধুমাত্র আকর্ষণ নয় ঘষার কারণে বিকর্ষণও সৃষ্টি হয় । 

আকর্ষণ বা বিকর্ষণ যাই হোক না কেন তার সাথে কি পরমাণুর কোনো সম্পর্ক আছে ? 

বিজ্ঞানীরা আস্তে আস্তে বুঝতে শিখেছে যে বস্তু আকর্ষণ বিকর্ষণ করে চার্জ পরিবর্তনের জন্য । অনেক ঘটনা ঘটে যায় ইলেকট্রিসিটি নিয়ে । তারপর 1897 সালে জে জে টমসন আবিষ্কার করে , পরমাণু বস্তুর ক্ষুদ্রতম কণা নয় । ইলেকট্রন হলো সবচেয়ে ক্ষুদ্রতম কণা । ইলেকট্রন পরমাণুর ভিতরে থাকে । তখন যারা খাটি পরমাণু বিজ্ঞানী তারা বিষয়টি সহজে মেনে নিতে পারেন নি , একদল বিজ্ঞানী । জে জে টমসন আবিষ্কার করে যে ইলেকট্রন একটি কণা এবং যা পরমাণুর অভ্যন্তরে থাকে । 

তারপর রীতিমতো প্রশ্ন আসে পরমাণুর  ভিতর ইলেকট্রন থাকে কিভাবে ? 

3

পরমাণুর ভিতরে ইলেকট্রন অবস্থানের  ভিত্তিতে 1903 সালে জে জে টমসন পরমাণুর একটি মডেল দেয় । ঠিক ডাল্টনের পরমাণু মডেলের 100 বছর পর পরমাণু সম্পর্কে আরেকটি মডেল দেন। জে জে টমসন এর পরমাণুর মডেল অনেকটা পুডিংয়ের মতো । তার মতে পরমাণু দেখতে গোলীয় এবং পুডিংয়ের উপর কিসমিস গুলো যেমন ভাবে  ছড়িয়ে থাকে ঠিক তেমনি  ঋণাত্মক চার্জিত কনা পরমাণুর ভিতরে ছড়িয়ে থাকে । শুধু  ঋণাত্মক কণা থাকলে তো আর হবে না । পরমাণু কে নিরপেক্ষ চার্জ ধরে রাখার জন্য সমান ধনাত্মক চার্জিত কণা থাকতে হবে ।  জে জে টমসনের মতে পরমাণু পুরোপুরি নিরেট এবং গোলীয় । টমসনের পরমাণু মডেল দেখতে অনেকটা তরমুজের মতো । পুরো তরমুজ গোলীয় নিরেট এবং বীজগুলো যেমন ভাবে ছড়িয়ে থাকে ঠিক তেমনি পরমাণুর ভিতরে ইলেকট্রন অবস্থান করে । পরমাণুর ভিতরে ইলেকট্রন সজ্জিত থাকে ঠিক যেমনটা দেখা যায় তরমুজের ভিতর বীজগুলো যেমনভাবে সাজানো থাকে ।

                                জে জে থমসন ইলেকট্রনকণা আবিষ্কার করেন

 জে জে টমসন  ইলেকট্রন আবিষ্কার করে পরমাণুতে এর অবস্থান দেখিয়েছে  । পরমাণু চার্জ নিরপেক্ষ সেটাও এই তত্ব থেকে  জানা গেছে । রেস্টুরেন্টের খাবার রেস্টুরেন্টে ভালো মানায় , বিজ্ঞানে সেটা অচল । থমসনের পরমাণু মডেলে ইলেক্ট্রনের অবস্থান সুনির্দিষ্টভাবে উল্লেখ্য করে নেই ।   জে জে টমসন এর পরমাণু মডেল থেকে পরমাণুর ভিতরে ইলেকট্রন কিভাবে অবস্থান করে তার কোনো সুনির্দিষ্ট ব্যাখ্যা নেই । পুডিং এর ভিতর কিসমিস গুলো বিভিন্নভাবে থাকতে পারে তাদের কোনো সুনির্দিষ্ট অবস্থান দরকার হবে না । কিন্তু পরমাণু মডেল কি সেরকম ইলেকট্রনের কোনো সুনির্দিষ্ট অবস্থান থাকবে না ? জে জে টমসন এর পরমাণু মডেলের ইলেকট্রন নিরবিচ্ছিন্নভাবে অবস্থান করে । 

জে জে টমসন পরমাণুর মডেল দেওয়ার কিছু দিন পর তিনি বুঝতে পারেন তার মডেল ঠিক নয় । পরমাণুর ভিতরে এক্স-রে ও বিটা কণা নিক্ষেপ করে বুঝতে পারেন পরমাণু  পুরোপুরি নিরেট নয় । তাহলে তার মডেলের মতে পরমাণু পুডিংয়ের মতো নয় । 

1904 সালে জাপানের এক বিজ্ঞানী যার নাম  নাগওকা । নাগওকা পরমাণু মডেলকে সৌরজগতের সাথে তুলনা করেন । তার মতে সূর্যের চারপাশে যেমন গ্রহ আবর্তন করে ঠিক পরমাণুতে ধনাত্মক কনার চারপাশে ইলেকট্রন আবর্তন করে । 

4

নাগওকা হোক বা জে জে টমসন এর পুডিং মডেল হোক না কেন কারো মডেল প্রমাণ নয় অনুমানকৃত মডেল । তাছাড়া বিজ্ঞান জগতে নাগওকা অনেকটা অপরিচিত মুখ ছিল । পরমাণুর সম্পর্কে সর্বপ্রথম পরীক্ষালব্ধ প্রমাণ হাজির করেন রাদারফোর্ড । আর্নেস্ট রাদারফোর্ড 30 ই আগস্ট 1871 সালে নিউজিল্যান্ডে জন্মগ্রহণ করেন । অত্যন্ত গরীব এবং মেধাবী ছিলেন এই বিজ্ঞানী । 24 বছর বয়সে রাদারফোর্ড জে জে টমসন এর অধীনে গবেষণার জন্য যান । রাদরফোর্ডের মতো গবেষণায় আগ্রহী সহজে কেউ হয় না । 

রেডিও বেতার নিয়ে তিনি গবেষণা করেন । রেডিও বেতার গবেষণার সময় তিনি উচ্চমানের বেতার গ্রাহক যন্ত্র আবিষ্কার করেন যা বাজারজাত করে প্রচুর মুনাফা উপার্জন করেন ।  কিন্তু অর্থের থেকে তিনি বিজ্ঞানের গবেষণায়কে বেশি ভালোবাসতেন  তাই তিনি রেডিও বেতার নিয়ে গবেষণা ছেড়ে দিয়ে তেজস্ক্রিয় নিয়ে গবেষণা শুরু করেন । রাদারফোর্ড পদার্থ বিজ্ঞানের গবেষণাকে ভালোবাসতো , তিনি খাঁটি পদার্থবিজ্ঞানী ছিলেন   । তিনি কেমিস্ট্রি বিজ্ঞানীদের খোঁচা মেরে বলতেন , ” science is either physicis or stamp collecting .” রসায়ন বিজ্ঞানীদেরকে উঠতে-বসতে ধুয়ে দিতেন । কিন্তু ভাগ্যের কি নির্মম পরিহাস রাদারফোর্ড নোবেল পেয়েছেন পদার্থবিজ্ঞানে নয় কেমিস্ট্রিতে । রাদারফোর্ড একমাত্র রসায়নে নোবেল বিজয়ী যে কিনা রসায়নের বিজ্ঞানীদের দেখতে পারতো না । তেজস্ক্রিয় ক্ষয়ের যে সূত্র সেটা তার আবিষ্কার । তেজস্ক্রিয় ভারী মৌল ভেঙ্গে অন্যমৌলে রূপান্তরিত হয় সেটা রাদারফোর্ডের ধারণা । তেজস্ক্রিয়া অর্ধ আয়ু সম্পর্কে যে সূত্র আছে সেটা তার ।

 তেজস্ক্রিয় সম্পর্কে গবেষণার জন্য 1908 সালে তিনি রসায়নে নোবেল পান । 

5

7 মার্চ 1911 সাল । দিনটা ছিল মঙ্গলবার । পরমাণুর সম্পর্কিত   প্রথম পরীক্ষামূলক  পরীক্ষা করেন রাদারফোর্ড । রাদারফোর্ড স্বর্ণপাতে আলফা কণা বিক্ষেপন করে দেখলেন , সামান্য কিছু আলফা কণা পরমাণুর ভেদ করে যেতে পারে না । সামান্য আলফা-কণা বেঁকে দিক পরিবর্তন করে চলে যাচ্ছে অথবা উল্টোদিকে প্রতিফলিত হয়ে ফিরে আসছে । এখন প্রশ্ন হলো , কিছু আলফা কণা কেন পরমাণুর কে ভেদ করে গেলো না কেন ? আলফা-কণা কিছু প্রতিফলিত হলো কেন ?

রাদারফোর্ডের আগে থেকেই জানতো আলফা কণার চার্জ ধনাত্মক । আলফা-কণা যেহেতু ধনাত্মক সেহেতু আলফা-কণা বেঁকে চলে যাচ্ছে অথবা উল্টোদিকে প্রতিফলিত হয়ে ফিরে আসছে সুতরাং পরমাণুর কেন্দ্রে ধনাত্মক চার্জ বিদ্যমান যার ফলে আলফা কণা বিকর্ষিত হচ্ছে । এবং যেহেতু বাকি কনাগুলো পরমাণুকে ভেদ করে চলে যায় সেহেতু পরমাণু পুরোটা ফাঁকা । পরমাণুর প্রায় সমস্ত ভর কেন্দ্রে অবস্থান করে যার নাম নিউক্লিয়াস এবং পরমানুর আভ্যন্তরে ইলেকট্রন স্থির থাকতে পারবে না।  । পরমাণুর চারপাশে ইলেকট্রন অবস্থান করে । ইলেকট্রন তো আর বসে থাকলে পারবে না কারণ ইলেকট্রন কে ধনাত্মক চার্জ আকর্ষণ করবে । তাই ইলেকট্রনের উচিত উল্টো রাস্তায় দৌড় দিতে কিন্তু উল্টো রাস্তায় দৌড় দিলে পরমাণুর ভিতরে তো আর ইলেকট্রন অবস্থান করবে না । তাই ইলেকট্রন ধনাত্মক কনার চারপাশে ঘুরতে থাকবে । বৈদ্যুতিক বলের কারণে ইলেকট্রন এবং ধনাত্মক চার্জ এর মধ্যে আকর্ষণ কাজ করে এবং সমান পরিমাণ কেন্দ্রমুখী বলের জন্য ইলেকট্রন আবর্তন করে । 

রাদারফোর্ডের মডেলকে সৌরজগতের সাথে তুলনা করা হয়েছে । গ্রহ গুলো এবং সূর্যের মধ্যে যেমন মহাকর্ষের বল ক্রিয়া করে ঠিক তেমনি ইলেকট্রন ও নিউক্লিয়াসের মধ্যে আকর্ষণ বল ক্রিয়া করে । তাই রাদারফোর্ডের মডেলকে সোলার মডেল বলা হয় ।  রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেলে চিরায়ত পদার্থ বিজ্ঞানের বাইরে কিছুই নেই তবুও তার মডেল থেকে ইলেকট্রনের মোট শক্তি ও পরমাণুর ব্যাসার্ধ বের করা যায় । রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল থেকে পরমাণুর ব্যাসার্ধ ও ইলেকট্রনের মোট শক্তি দেখে নেওয়া যাক । 

6

ইলেকট্রন ও  নিউক্লিয়াসের ধনাত্মক কনার মধ্যে আকর্ষণ বল ,

এখানে ধনাত্মক ও ঋণাত্মক চার্জের মান সমান কিন্তু চার্জ ভিন্ন । তাই আমরা লিখতে পারি

ইলেকট্রনের কেন্দ্রমুখী বল ,

                       রাদরফোর্ড মহান শিক্ষক যিনি পরমাণুর  মডেল দেন

ইলেকট্রন আবর্তন করার জন্য বৈদ্যুতিক ও কেন্দ্রমুখী বল সমান হবে । 

এখন ইলেকট্রনের মোট শক্তি ,

ইলেকট্রনের মোট শক্তি = ইলেকট্রনের গতিশক্তি + ইলেকট্রনের বিভব শক্তি ।

এখন আমরা ইলেকট্রনের গতি শক্তি এবং ইলেকট্রনের বিভব শক্তি বের করে 

মান বসিয়ে ইলেকট্রনের মোট শক্তি নির্ণয় করবো । 

ইলেকট্রনের গতিশক্তি ,

আবার  ইলেকট্রনের বিভব শক্তি ,

ইলেকট্রনের মোট শক্তি 

সুতরাং ইলেকট্রনের মোট শক্তি 

3 নং সমীকরণে ইলেকট্রনের মোট শক্তি অর্থাৎ (- ) চিহ্ন দ্বারা ইলেকট্রন ও প্রোটন এর আকর্ষণ নির্দেশ করে

হাইড্রোজেন পরমাণুতে ইলেকট্রনকে মুক্ত করার জন্য 13.6 eV শক্তি দিতে হয় । সুতরাং ইলেকট্রনের  মোট শক্তি E=-13.6eV । 

সমীকরণ 3 নং থেকে “r” এর মান বের করে পাই ,

ইলেকট্রনের মোট শক্তি 

অদ্ভুত ! চিরায়ত পদার্থ বিজ্ঞানের সাহায্যে রাদারফোর্ড পরমাণুর ব্যাসার্ধ  নির্ণয় করতে সক্ষম হলেন । পরীক্ষালব্ধ মানের সাথে এই মান মিলে যায় ।  

ইলেকট্রনের বেগ আছে । তাই সম্ভবত আপেক্ষিক তত্ত্ব অনুযায়ী বেগের সাথে ভরের  সম্পর্ক থাকতে পারে । এখন আপেক্ষিক নীতি বজায় রাখা জরুরি ।

ইলেকট্রনের বেগ নির্ণয় করি 

যা আলোর থেকে কম ।

 তাই  রাদারফোর্ডের মডেলে আপেক্ষিক তত্ত্ব ঝামেলা করবে না। শেষে ঝামেলা শুরু করলো  ম্যাক্সওয়েলের তড়িৎ চুম্বক তত্ত্ব । মোটামুটি সব বিজ্ঞানী তত্ত্বটি কে গ্রহণ করলো । এমন মডেল 1904 সালে নাগ‌ওকা উপস্থাপন করেছিলেন । রাদারফোর্ড  ও নাগওকা মডেলে পার্থক্য বিদ্যমান । নাগ‌ওকার  মতে পরমাণু ভারি এবং পুরো জায়গা জুড়ে বিস্তৃত । আর রাদারফোর্ডের  মতে পরমাণুর পুরোটা ফাঁকা । কেন্দ্রে ধনাত্মক কনা  থাকে যা পরমাণু আয়তনের তুলনায় অত্যন্ত নগণ্য ।

রাদারফোর্ডের মডেলের ত্রুটি ছিল । তড়িৎ চুম্বক তত্ত্বের মতে কোনো  চার্জিত কণা ত্বরণ প্রাপ্ত হলে শক্তি বিকিরণ করবে । ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের চারপাশে আবর্তন করার সময় শক্তি বিকিরণ করবে এবং প্রতিনিয়ত শক্তি হারিয়ে 1 সেকেন্ডের কম সময়ে নিউক্লিয়াসে পতিত হবে । যদি তাই হয় তাহলে রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেলের অস্তিত্ব কোথায় ? একই সাথে পরমাণুর স্থায়িত্ব  প্রশ্নের মুখে পড়ে যায় ।   বস্তুত পরমাণুর স্থায়িত্ব আছে । সমস্যাটি ছিল গাণিতিক ।বাস্তবে ইলেকট্রন অনবরত শক্তি বিকিরণ  করে নিউক্লিয়াসে হুমড়ি খেয়ে পড়ে না । 

এক নজর দেখে আসা যাক তড়িৎ চুম্বক তত্ত্ব অনুযায়ী ইলেকট্রন কিভাবে শক্তি হারিয়ে নিউক্লিয়াসে  পড়ে । 

৮.

যখন ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের চারপাশে আবর্তন করে তখন ইলেকট্রনের ত্বরণ , 

আবার তড়িৎ চুম্বক তত্ত্বের মতে  চার্জিত কণার শক্তি হারানোর হার ,

উপরোক্ত সমীকরণে দেখা যায় শক্তি হারানোর হার  ত্বরণের বর্গের সমানুপাতিক । 

ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের চারপাশে আবর্তন করে । যার ফলে ইলেকট্রন t সময় পর শক্তি হারিয়ে নিউক্লিয়াসে হুমড়ি খেয়ে পড়বে । 

 5  নং সমীকরণে  E ও p এর মান বসিয়ে পাই , 

অর্থাৎ ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসে 4.53×10^-11 s পর হুমড়ি খেয়ে পড়বে । একই সাথে রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল স্থায়িত্ব সংকটে পড়ে গেল । যার সমাধান পরবর্তীতে বোর এসে দিলেন ।

তথ্যসূত্র :

**নিশ্চয়তা নীতি কোয়ান্টাম বলবিদ্যা- মোহাম্মদ ইয়াছিন
**কোয়ান্টাম ফিজিক্স – আব্দুল গাফফার রনি
**চা কফি কোয়ান্টাম – নাঈম হোসেন ফারুকী
** কণা কোয়ান্টাম – রেজা এলিয়ান
** কোয়ান্টাম মেকানিক্স ১ ও 2 – এস . চৌধুরী
**বিজ্ঞানসমগ্র – এ.এম.হারুন অর রশীদ
**Rutherford model – Wikipedia
**https://byjus.com/chemistry/rutherfords-model-of-atoms-and-its-limitations/
*Plum pudding model – Wikipedia

Leave a Reply

Your email address will not be published.