রাডারফোর্ড ও বোর মডেল আমাদের আজকের আলোচনার বিষয়। এই পাঠটি “এইচএসসি রসায়ন ১ম পত্র” এর “পারমাণবিক গঠ” ইউনিট ১ এর অন্তর্ভুক্ত।
Table of Contents
রাডারফোর্ড ও বোর মডেল
রাদারফোর্ডের o কণা বিচ্ছুরণ পরীক্ষা (Rather Ford’s a-particles scattering experiment)
পরীক্ষা : রাদারফোর্ড এ পরীক্ষাটি একটি বায়ুশূন্য আবদ্ধ পাত্রের মধ্যে সম্পন্ন করেন। তিনি তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ Ra থেকে নির্গত উচ্চ গতিসম্পন্ন a. রশ্মিকে 4.0 x 10mm পুরুত্বের সোনার পাতের উপর নিক্ষেপ করেন। পাতটির পেছনে α একটি জিংক সালফাইডের প্রলেপ দেওয়া পর্দা স্থাপন করেন। a-রশ্মি এ পর্দার উপর পড়ে উজ্জ্বল আলোকবিন্দু সৃষ্টি করেছিল ।
পর্যবেক্ষণ :
(১) প্রায় 99% a কণা, সোনার পাত ভেদ করে সরল পথে জিংক সালফাইড পর্দার উপর পড়ে কিন্তু পাতের পৃষ্ঠে কোনো ধরনের ছিদ্র হয় না ।
(২) কিছু কণা সামান্য কোণে বেঁকে ধাতব পাত ভেদ করে ডানদিকে বা বামদিকে বেঁকে যায় ।
(৩) খুবই কমসংখ্যক a. কণা 90° বা তার চেয়ে অধিক কোণে বিক্ষিপ্ত হয় ।
(৪) প্রতি 20,000 এর মধ্যে প্রায় একটি o কণা 180° কোণে বিচ্যুত হয়ে যে পথে গমন করেছিল ঠিক সে পথেই আবার ফিরে α আসে।
সিদ্ধান্ত : পরীক্ষা সম্পন্ন করার পর পর্যবেক্ষণের আলোকে তিনি সিদ্ধান্তে আসেন যে- (১) যেহেতু 99% a কণা কোনো দিকে বিক্ষিপ্ত না হয়ে সোজা পথে বেরিয়ে আসে, সেহেতু পরমাণুর বেশির ভাগ স্থানই ফাঁকা। পরমাণু কোনো নিরেট বস্তু নয়।
মনে রাখবেন : পরমাণুর অধিকাংশ স্থান ফাঁকা কারণ— বিজ্ঞানী রাদারফোর্ড 4-0 × 104 mm পুরুত্বে একটি পাতলা সোনার পাতের উপর তেজষ্ক্রিয় পদার্থ হতে নিঃসৃত তীব্রগতিসম্পন্ন আলফা (a.) রশ্মি নিক্ষেপ করেন। প্রায় 99% a. কণা সোনার পাত ভেদ করে প্রায় সরল রেখায় পাতের পিছনের দিকে এসে ZnS পর্দার উপর উজ্জ্বল ক্ষুদ্র আলোক বিন্দু সৃষ্টি করে। অল্প সংখ্যক a. কণার মধ্যে একটি কণা তাদের মূলপথে সরাসরি বিপরীত দিকে ফিরে আসে।
o কণার ভর ইলেকট্রনের ভরের চেয়ে অনেক গুণ বেশি বলে সোনার পরমাণুর এ স্থানের মধ্য দিয়ে o কণা অতিক্রম করার সময় α কোনো রূপ বাধার সম্মুখীন হয় না, তাই সহজেই প্রায় সোজা পথে বাধাহীনভাবে চলে যায়। সুতরাং পরমাণুর অভ্যন্তরে এ স্থানটি বেশির ভাগই ফাঁকা ।
(২) যে a কণাগুলো তার গতিপথ থেকে সামান্য কোণে বিক্ষিপ্ত হয় সেগুলো পরমাণুর ভেতরের কোনো ধনাত্মক আধানের নিকট দিয়ে যায়। এর ফলে o কণার গতিপথের সামান্য বিচ্যুতি ঘটে।
(৩) ধনাত্মক আধান, ধনাত্মক আধানকে বিকর্ষণ করে। o রশ্মি ধনাত্মক আধানবিশিষ্ট কণা। সুতরাং দ্রুতগতির ভারী ও ধনাত্মক আধানযুক্ত o কণাকে তার গতির বিপরীত দিকে ফিরিয়ে দিতে পারে অপর একটি ভারী ধনাত্মক আধানযুক্ত কণা। প্রতি 20,000 এর মধ্যে একটি a. কণা পরমাণুতে আধানপ্রাপ্ত হয়ে বিপরীত দিকে ফিরে আসে। সুতরাং প্রমাণিত হয় যে পরমাণুর সমগ্র আয়তনের সাপেক্ষে অতিক্ষুদ্র এক স্থানে পরমাণুর ধনাত্মক আধান প্রোটন ও পরমাণুর সমগ্র ভর কেন্দ্রীভূত থাকে। এ অবস্থানকে পরমাণুর নিউক্লিয়াস বলা হয়।
(৪) ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের বাইরে ফাঁকা স্থানে অবস্থান করে। অধিকাংশ a. কণা যখন ঐ ফাঁকা স্থানের ভেতর দিয়ে চলে যায়, তখন ইলেকট্রন দ্বারা a. কণা আকৃষ্ট হয়। a. কণার ভর ইলেকট্রনের ভরের তুলনায় যথেষ্ট বেশি বলে ইলেকট্রনের আকর্ষণ – কণার গতিপথকে প্রভাবিত করতে পারে না। এ কারণে 99% o কণা সোজা পথে বেরিয়ে যায়।
রাদারফোর্ড পরমাণু মডেল (Atomic Structure of Ruther Ford) :
বিজ্ঞানী রাদারফোর্ড 1911 সালে a. কণা বিচ্ছুরণ পরীক্ষা শেষে পরমাণুর গঠন সম্পর্কে একটি মডেল উপস্থাপন করেন। সেটি হলো-
i. পরমাণুর দুটি অংশ : একটি নিউক্লিয়াস এবং অপরটি নিউক্লিয়াসের বাইরের অংশ।
ii. পরমাণু প্রায় সমস্ত ভর পরমাণুর আয়তনের তুলনায় খুব সূক্ষ্ম স্থানে পরমাণুর কেন্দ্রে অবস্থান করে। পরমাণুর কেন্দ্রের এ সূক্ষ্ম অংশকে নিউক্লিয়াস বলে। নিউক্লিয়াসের আকার গোলাকার এবং ব্যাস 10-12 – 10-13 cm এর মধ্যে।
iii. ভারী ধনাত্মক আধান যুক্ত কণা প্রোটন পরমাণুর কেন্দ্রে অবস্থান করে। ইলেকট্রনের ভর অত্যন্ত নগণ্য। পরমাণুর প্রায় সমস্ত ভর নিউক্লিয়াসে কেন্দ্রীভূত থাকে ।
iv. পরমাণু আধান নিরপেক্ষ। পরমাণুতে ধনাত্মক আধান যুক্ত প্রোটনের সংখ্যা ও ঋণাত্মক আধান যুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা সমান থাকে। একটি প্রোটন যে পরিমাণ ধনাত্মক আধান বহন করে, একটি ইলেকট্রন ঠিক ঐ একই পরিমাণ ঋণাত্মক আধান বহন করে।
v. নিউক্লিয়াসের বাইরে ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে বিভিন্ন বৃত্তাকার পথে সমদ্রুতগতিতে আবর্তন করে ।
মনে রাখবেন : রাদার ফোর্ডের পরমাণু মডেল অনুসারে ইলেকট্রনের আবর্তন-
রাদার ফোর্ডের ধারণা মতে পরমাণুর নিউক্লিয়াসে ধনাত্মক আধানবিশিষ্ট প্রোটন কণা অবস্থান করে। আর পরমাণু সামগ্রিকভাবে আধান নিরপেক্ষ। তাই পরমাণুর নিউক্লিয়াসে যতগুলো ধনাত্মক কণা অবস্থান করবে ঠিক সমসংখ্যক ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রন কণাও নিউক্লিয়াসের চারপাশে বিভিন্ন অবস্থানে অবস্থান করবে। সূর্যকে কেন্দ্র করে নিজ নিজ কক্ষপথে গ্রহগুলো যেভাবে পরিভ্রমণ করে ঠিক একইভাবে ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে নিজ নিজ কক্ষপথে তীব্র বেগে পরিভ্রমণ করে থাকে ।
vi. ইলেকট্রনের উপর সবসময় দুটি বল কার্যকরী হয়।
(ক) নিউক্লিয়াসের ধনাত্মক আধান যুক্ত প্রোটন ও নিউক্লিয়াসের বাইরের ঋণাত্মক আধান যুক্ত ইলেকট্রনের মধ্যে একটি স্থির তড়িৎ আকর্ষণ বল । ইলেকট্রনের উপর এ স্থির তড়িৎ আকর্ষণ বলের অভিমুখ বৃত্তাকার পথে ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রনের ক্ষেত্রে নিউক্লিয়াসের অভিমুখে হয়, এটি কেন্দ্রমুখী বল।
(খ) ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে বৃত্তাকার পথে সমদ্রুতিতে পরিভ্রমণের সময় ইলেকট্রনের উপর বৃত্তাকার পথের ব্যাসার্ধ বরাবর নিউক্লিয়াসের বহির্মুখী একটি কেন্দ্রাতিগ (Centrefugal force) বলের সৃষ্টি হয়। এটি কেন্দ্র বিমুখী বল ।
vii. ইলেকট্রনের ঘূর্ণনের সময় ক্রিয়ারত এ আকর্ষণ বল ও নিউক্লিয়াস বহির্মুখী কেন্দ্রাতিগ বল সমান ও বিপরীতমুখী হওয়ায় ইলেকট্রন নিউক্লিয়াস থেকে দূরে যেতে বা নিউক্লিয়াসের নিকটে আসে না। উপরন্তু সমদ্রুতিতে নির্দিষ্ট কক্ষপথে নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে সর্বদা আবর্তন করে।
মনে রাখবেন : রাদারফোর্ড পরমাণুর মডেলকে সৌর মডেলের সাথে তুলনা করা হয় কারণ—
রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল সাধারণ বলবিদ্যার উপর প্রতিষ্ঠিত। রাদারফোর্ড তাঁর পরমাণু মডেলকে সৌরজগতের সাথে তুলনা করেন। সূর্যকে কেন্দ্র করে নিজ নিজ কক্ষ পথে বিভিন্ন গ্রহগুলো যেভাবে পরিভ্রমণ করে ঠিক একইভাবে ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে নিজ নিজ কক্ষপথে তীব্র বেগে পরিভ্রমণ করে। তাঁর ধারণা মতে নিউক্লিয়াসের চারদিকে ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রনের মধ্যে বিদ্যমান স্থির বৈদ্যুতিক আকর্ষণজনিত কেন্দ্রমুখী বল এবং অপরটি ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রনের কেন্দ্রবিমুখী বল। এ দুই প্রকার বলের মান পরস্পর সমান কিন্তু বিপরীতমুখী। তাই বিজ্ঞানী রাদারফোর্ড পরমাণু মডেলকে সৌর মডেলের সাথে তুলনা করেন।
রাদারফোর্ড মডেলের সীমাবদ্ধতা :
রাদারফোর্ড মডেলের বেশ কিছু সীমাবদ্ধতা রয়েছে। যেমন-
১। সৌর জগতের তড়িৎ নিরপেক্ষ গ্রহগুলি মহাকর্ষীয় শক্তির জন্য সূর্যের চতুর্দিকে ঘুরে কিন্তু পরমাণুর বিভিন্ন কক্ষপথে আবর্তনকারী ইলেকট্রনসমূহ ঋণাত্নক চার্জ বিশিষ্ট এবং এরা পরস্পরকে বিকর্ষণ করে ।
২। ম্যাক্সওয়েলের তত্ত্বানুসারে, যখন কোন আধানযুক্ত কণার ত্বরণ থাকে তখন উহা শক্তি বিকিরণ করে। নিউক্লিয়াসের চারদিকে ঘূর্ণনরত ইলেকট্রন সমূহের কেন্দ্রমুখী ত্বরণ থাকে। সুতরাং কক্ষপথে আবর্তনকারী ইলেকট্রনসমূহের অবিচ্ছিন্নভাবে শক্তি বিকিরণ করার কথা। এভাবে ক্রমাগত শক্তি বিকিরণ করে ধনাত্নক নিউক্লিয়াসের আকর্ষণে ইলেকট্রনের কক্ষপথ সৰ্পিল আকারে কমতে কমতে অবশেষে নিউক্লিয়াসে এসে ইলেকট্রন পতিত হয়ে পরমাণু ধ্বংশ হওয়ার কথা। অথচ তা হয় না।
৩। রাদারফোর্ড মডেলে আবর্তনরত ইলেকট্রনের কক্ষ পথের কোন আকার ও আকৃতির ধারনা দেয়া হয়নি।
বোর পরমাণু মডেল (Bohr’s Atom Model):
রাদারফোর্ডের প্রস্তাবিত পরমাণু মডেলের সীমাবদ্ধতা দূরীকরণের জন্য 1913 খ্রিষ্টাব্দে ড্যানিশ পদার্থবিদ নিলস্ বোর (Niels Bohr) প্ল্যাঙ্কের কোয়ান্টাম তত্ত্বের উপর ভিত্তি করে হাইড্রোজেন পরমাণু মডেল প্রস্তাব করেন। এ মডেলে বোর একই সাথে পরমাণুর গঠন এবং পারমাণবিক বর্ণালি ব্যাখ্যা করেন। বোর মডেলের স্বীকার্যসমূহ হলো :
(১) ইলেকট্রনের শক্তিস্তর সম্পর্কিত প্রস্তাব : পরমাণুর নিউক্লিয়াসের চারদিকে কতকগুলো বৃত্তাকার কক্ষপথ রয়েছে । এ কক্ষপথসমূহ নির্দিষ্ট পরিমাণ শক্তির সাথে সম্পর্কিত। এসব কক্ষপথকে শক্তিস্তর (Energy levels) বলে। নিউক্লিয়াস হতে শুরু করে এ শক্তিস্তরসমূহকে যথাক্রমে 1, 2, 3, – অথবা ইংরেজি বড় হাতের অক্ষর K, L, M • দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। নিউক্লিয়াস হতে শক্তিস্তরসমূহের দূরত্ব যত বৃদ্ধি পায় ততই এদের শক্তিও বৃদ্ধি পায়। সুতরাং E1, E2 এবং E3 যথাক্রমে K, L এবং M শক্তিস্তরের শক্তি হলে তাদের শক্তির ক্রম হবে : E3 > E2 > E চিত্র-৩.৪ : বোর পরমাণু মডেল অর্থাৎ, বহিঃস্থ শক্তিস্তরের শক্তির পরিমাণ অন্তঃস্থ শক্তিস্তরের শক্তি অপেক্ষা বেশি। এসব শক্তিস্তরকে অনুমোদিত কক্ষপথ বা স্থির কক্ষপথ (Stationary orbits) বলে। এসব কক্ষপথে ইলেকট্রনের আবর্তনের সময় কোনো শক্তির বিকিরণ বা শোষণ ঘটে না ।
শক্তিস্তরের শক্তি হলে তাদের শক্তির ক্রম হবে : E3 > E2 > E1 বহিঃস্থ শক্তিস্তরের শক্তির পরিমাণ অন্তঃস্থ শক্তিস্তরের শক্তি অপেক্ষা বেশি। এসব শক্তিস্তরকে অনুমোদিত কক্ষপথ বা স্থির কক্ষপথ (Stationary orbits) বলে। এসব কক্ষপথে ইলেকট্রনের আবর্তনের সময় কোনো শক্তির বিকিরণ বা শোষণ ঘটে না ।
(৩) শক্তির শোষণ বা বিকিরণ সম্পর্কিত প্রস্তাব : পরমাণু কর্তৃক শক্তির বিকিরণ বা শোষণ ঘটে যখন কোনো ইলেকট্রন একটি শক্তিস্তর হতে অন্য কোনো শক্তিস্তরে লাফিয়ে গমন করে। এ বিকিরিত বা শোষিত শক্তির পরিমাণ প্ল্যাঙ্কের সমীকরণ দ্বারা নির্ণয় করা হয়। অর্থাৎ AE = hv এখানে, AE = ইলেকট্রন কর্তৃক বিকিরিত বা শোষিত শক্তির পরিমাণ, v = শোষিত বা বিকিরিত শক্তির ফ্রিকোয়েন্সি, h = প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক (6.624 × 10-34. Joules-second) একটি ইলেকট্রন উচ্চ শক্তিস্তর হতে নিম্ন শক্তিস্তরে পতিত হলে নির্দিষ্ট কোয়ান্টাম (hv) পরিমাণে শক্তি বিকিরিত হয় আবার নিম্ন শক্তিস্তর হতে উচ্চ শক্তিস্তরে লাফিয়ে উঠলে একই কোয়ান্টাম (hv) পরিমাণে শক্তির শোষণ ঘটে। পরমাণুর এই শোষিত বা বিকীর্ণ শক্তি বর্ণালি রূপে প্রদর্শিত হয় যা বিভিন্ন ক্ষেত্রে বিভিন্ন হয়।
বোর মডেলের সীমাবদ্ধতা
১। বোর মডেলের সাহায্যে এক ইলেকট্রন বিশিষ্ট (হাইড্রোজেন) পরমাণুর বর্ণালী সফলভাবে ব্যাখ্যা করা সম্ভব হলেও এর সাহায্যে একাধিক ইলেকট্রন বিশিষ্ট পরমাণুর বর্ণালী ব্যাখ্যা করা যায় না।
২। এক শক্তিস্তর থেকে অন্য শক্তিস্তরে ইলেকট্রনের অবস্থান পরিবর্তনের জন্য বোর মডেল অনুযায়ী বর্ণালীতে একটি মাত্র রেখা দেখা যাওয়ার কথা। কিন্তু সূক্ষ্ম বিশ্লেষণ ক্ষমতা বিশিষ্ট বর্ণালী বীক্ষণের সাহায্যে পরীক্ষা করে দেখা যায়, অনেক ক্ষেত্রেই একটি রেখা কতগুলো সূক্ষ্মতর রেখার সমষ্টি । বর্ণালী রেখার এই আধিক্য বোরের মডেল ব্যাখ্যা করতে পারে না ।
বোর এর পরমাণু মডেল নিয়ে বিস্তারিত ঃ
আরও পড়ুন…