অণু
অণু

আদি কণাদের প্রাথমিক পরিচিতি

  1. মহাবিশ্ব, এই যাত্রার শেষ কোথায়?
  2. মহাবিশ্ব মাপার ফিতে
  3. মিল্কিওয়ে: আমাদের নক্ষত্রবাড়ি
  4. অন্যান্য গ্যালাক্সিরা
  5. মহাবিশ্বের মহাবিন্যাস
  6. মহাবিশ্বের মহাপ্রসারণ এবং তরঙ্গ কথন
  7. রেড শিফট এবং ডপলার ইফেক্ট
  8. অলবার্সের প্যারাডক্স
  9. মহাবিশ্বের নানা মডেল
  10. মহাবিশ্বের গাণিতিক প্রকৃতি
  11. মহাজাগতিক পটভূমি বিকিরণ
  12. আদি কণাদের প্রাথমিক পরিচিতি

এবার আমরা কিছু আদি কণা বা অতি পারমানবিক কণাদের আদি রূপ-বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে জানব। পরবর্তীতে যখন আমরা প্রোটনের স্থায়িত্ব নিয়ে গুরুত্বপূর্ণ আলোচনা করব, তখন এই জ্ঞান কাজে দিবে।

তো, প্রথমে আলো এবং তরঙ্গের সাথে সম্পৃক্ত কণা দিয়েই শুরু করি।

বিকিরণের আরেক রূপ হচ্ছে ‘ফোটন’ কণা। বিংশ শতাব্দীর শুরুতে ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক এবং পরবর্তীতে অন্যান্য জ্যোতির্বিদরা উপলব্ধি করতে পারলেন যে–বিকিরণের মধ্যে শক্তিটা গুচ্ছ আকারে থাকে। তাঁরা শক্তির এই গুচ্ছের নাম দিলেন ফোটন, যার ফলশ্রুতিতে কোয়ান্টাম মেকানিক্সের উদ্ভব

ফোটনে আবার কণার বেশিরভাগ বৈশিষ্ট্যই বিদ্যমান, তাই ফোটনকে কণা বলতেও সমস্যা নেই। একটি সাধারণ আলোক তরঙ্গ বিলিয়ন বিলিয়ন ফোটন দিয়ে গঠিত।

আমরা যদি খুব নিখুঁতভাবে তরঙ্গটির শক্তি পর্যবেক্ষণ করি তবে নির্দিষ্ট শক্তির অনেকগুলো গুচ্ছকে দেখতে পাবো।  এই প্রতিটা গুচ্ছের শক্তিকে আমরা বলতে পারি একক ফোটন শক্তি। এই একক ফোটন শক্তির গুচ্ছ খুবই সুক্ষ্ম।  তাই কোনো সাধারণ বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গে অত্যন্ত কম করে হলেও এর একটা মান থাকবেই।

যাহোক, যখন আলো বা বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গের সাথে পরমাণু বা পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের মিথস্ক্রিয়া ঘটে তখন একেবারে একটি করে ফোটন নির্গত হয়। এই মিথস্ক্রিয়ায় ফোটনের স্বরূপ বোঝাটা গুরুত্বপূর্ণ। ফোটনকে এখানে কণারূপে বিবেচনা করলে, সাধারণত সে ভরহীন এবং চার্জহীন একটি কণা। কিন্তু যখন ফোটন এবং বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গ একসাথে থাকে, তখন ফোটনের শক্তি বিদ্যুচ্চৌম্বকীয় তরঙ্গের ফ্রিকোয়েন্সির ওপর নির্ভর করে।

স্পেশাল থিয়োরি অভ রিলেটিভিটি অনুযায়ী; ভরবিশিষ্ট কণা ব্যতীত শূন্য ভরের সমস্ত কণা আলোর গতিতে ভ্রমণ করে।

এবারে দরকারি কয়েকটি আদি কণাদের নিয়ে আলোচনা সারা যাক-

ইলেকট্রন

ইলেকট্রন হলো পরমাণুর একটি মূল কণা যার চার্জ ঋণাত্মক।

১৮৯৭ সালে স্যার জোসেফ জন থমসন (১৮৫৬-১৯৪০) সর্বপ্রথম ইলেকট্রনের অস্তিত্ব আবিষ্কার করেন।

একটি ইলেকট্রনের আসল ভর খুবই সামান্য, 9.1085×10⁻²⁸g।

ইলেকট্রনের চার্জ- 1.6×10⁻¹⁹ কুলম্ব।

ইলেকট্রনকে সাধারণত e প্রতীক দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

শিল্পীর কল্পনায় ইলেকট্রন
ছবি: শিল্পীর কল্পনায় ইলেকট্রন। © John Williamson


প্রোটন 


প্রোটন ধনাত্মক চার্জবিশিষ্ট কণা।

১৯২০ সালে বিজ্ঞানী আর্নেস্ট রাদারফোর্ড (১৮৭১-১৯৩৭) প্রোটনের অস্তিত্ব প্রমাণ করেন।

প্রোটনের ভর 1.673×10⁻²⁴g যা পারমাণবিক ভর স্কেল অনুসারে 1.007276 amu (এখানে amu হচ্ছে atomic mass unit)।

একটি হাইড্রোজেন পরমাণু থেকে একটি ইলেকট্রন সরিয়ে নিলেই প্রোটন পাওয়া যায়। তাই একে H+ ও বলা যেতে পারে।

একে সাধারণত p দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

নিউট্রন

ইলেকট্রন ও প্রোটনের মতো নিউট্রনও একটি মৌলিক কণা।  তবে এটি চার্জবিহীন।

চার্জবিহীন (neutral) হওয়ায় এর এই নাম দেওয়া হয়েছে।

১৯৩২ সালে জেমস চ্যাডউইক (১৮৯১-১৯৭৪) নিউট্রন আবিষ্কার করেন।

এর প্রকৃত ভর 1.675×10⁻²⁴g যা পারমাণবিক ভর স্কেল অনুসারে 1.008665 amu।

নিউট্রনের ভর ইলেকট্রনের ভরের প্রায় 1837 গুণ।

একে সাধারণত n দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

নিউক্লিয়াসে প্রোটন ও নিউট্রন প্রতীকী ছবি
নিউক্লিয়াসে প্রোটন ও নিউট্রন (প্রতীকী ছবি)

পরমাণু প্রোটন এবং নিউট্রনের সমন্বয়ে গঠিত। এটি 10⁻⁸ সে.মি দৈর্ঘ্যের একটি নিউক্লিয়াস দিয়ে গঠিত।

চার্জের বৈপরীত্যের কারণে নিউক্লিয়াসের ভেতর নিউট্রন প্রোটনের সাথে এঁটে থাকে। নিউট্রন ও প্রোটনের সম্মিলিত ভরকে পারমাণবিক ভর বলা হয়।

নিউক্লিয়াসের চারপাশে থাকে ইলেকট্রন।  ইলেকট্রনের সংখ্যা নিউক্লিয়াসে অবস্থিত প্রোটনের সংখ্যার সমান। ফলে পরমাণুর নিট চার্জ হয় শূন্য।

এভাবে আমাদের পরিচিত সব সাধারণ পদার্থ ইলেকট্রন, প্রোটন এবং নিউট্রন দিয়ে গঠিত।

ইংরেজ পদার্থবিদ পল অ্যাড্রিয়েন মরিস ডির‍াকের গবেষণার সূত্র ধরে ১৯২০ সালের শেষদিকে যায়  আরেকটি তথ্য। কণার বিপরীতে একই ভরের কিন্তু বিপরীত চার্জ ও অন্যান্য বিপরীত বৈশিষ্টসম্বলিত একটি করে প্রতিকণা (Anti Particle) রয়েছে।

যখন একটি কণা এবং প্রতিকণা একত্রিত হয় তখন তারা একে অপরকে ধ্বংস করে দেয়। বিপুল পরিমাণ রেডিয়েশন নির্গত হয়।

এই রেডিয়েশনে নির্গত শক্তি E এর পরিমাণ জানা যায় আইনস্টাইনের বিখ্যাত সূত্র E=mc² ব্যবহার করে।

এখানে m হচ্ছে কণা এবং প্রতিকণার সম্মিলিত ভর, আর c হচ্ছে আলোর বেগ।

ইলেকট্রনের প্রতিকণা হচ্ছে পজিট্রন। যা আমেরিকান পদার্থবিদ সিডি. অ্যান্ডারসন ১৯৩২ সালে আবিষ্কার করেন।

প্রোটন এবং নিউট্রনের প্রতিকণা হচ্ছে যথাক্রমে অ্যান্টিপ্রোটন এবং অ্যান্টিনিউট্রন।

ফোটনকে আদি কণা হিসেবে ধরলে এটি নিজেই নিজের প্রতিকণা।

কণা এবং প্রতিকণা
কণা এবং প্রতিকণা। © National Institute of Standards and Technology/emiT Team


আদিকণাদের একটি স্বকীয় বৈশিষ্ট্য থাকে, যেটাকে ‘স্পিন’ বলে।

এই ‘স্পিন’ এর কারণেই কণাগুলো কৌণিক ভরবেগ লাভ করে।

সাধারণত আমরা স্পিন বলতে যা বুঝি এটা সেরকম নয়! কণার ‘স্পিন’ বলতে কণার নিজ অক্ষের ওপর আবর্তন বোঝায় না।

সাধারণ ভরবেগের ক্ষেত্রে বস্তু এক বিন্দু থেকে অন্য বিন্দুতে গতিশীল হলে ভরবেগ প্রাপ্ত হয়। একইভাবে আদিকণারাও এই ‘স্পিন’ এর মাধ্যমে কৌণিক ভরবেগ লাভ করে।

অর্থাৎ কণার ক্ষেত্রে এমন কিছু একটা ঘটে যার কারণে কণার কৌণিক ভরবেগ সংরক্ষিত থাকে, কিন্তু কী ঘটে সেটা আমরা জানি না।

কোয়ান্টাম তত্ত্ব মতে, কৌণিক ভরবেগ নিরবিচ্ছিন্ন থাকে না। এটাকে প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক থেকে আসা একটি মৌলিক একক ħ দ্বারা পরিমাপ করা হয়। ( এটার উচ্চারণ হচ্ছে- ‘এইচ স্ল্যাশ’, প্ল্যাঙ্কের মূল ধ্রুবক h কে 2π দিয়ে ভাগ দিলে এই ħ পাওয়া যায়)।

তো, এই একক অনুযায়ী কৌণিক ভরবেগ বা স্পিন হয় কেবলমাত্র পূর্ণসাংখ্যিক আর অর্ধ-পূর্ণসাংখ্যিক, (যেমন 0ħ, ½ħ, 1ħ, 1½ħ, 2ħ ইত্যাদি)।

আমাদের প্রাত্যহিক জীবনে আমরা স্পিনের এই অসামঞ্জস্যতা লক্ষ্য করি না। কারণ, কৌণিক ভরবেগের এই ħ এককটি কল্পনাতীত ক্ষুদ্র একটি একক।

উদাহরণস্বরূপ, একটি খেলনা লাটিমকে যখন স্বাভাবিকভাবে ঘোরানো হয়, তখন এর কৌণিক ভরবেগ থাকে প্রায় 10³⁰ħ একক।

কণার স্পিন খুবই দুর্বোধ্য জিনিস
কণার স্পিন খুবই দুর্বোধ্য জিনিস। © Richard Kali/Science Photo Library



আচ্ছা, কোয়ান্টাম মেকানিক্স কণাকে নিজ অক্ষের ওপর ঘুর্ণনশীল গোলক হিসেবে ধরে না কেন? কারণ এরকম ঘুর্ণনশীল গোলকের কৌণিক ভরবেগ হচ্ছে শুধুমাত্র ‘কক্ষীয়’ কৌণিক ভরবেগ। 

কোয়ান্টাম মেকানিক্স অনুযায়ী এর স্পিনের মান সবসময়ই পূর্ণসাংখ্যিক হবে। আর যেহেতু এক্সপেরিমেন্টে দেখা গেছে কোয়ান্টাম জগতে অনেক কণাদের স্পিন পূর্ণসাংখ্যিক না হয়ে অর্ধ-পূর্ণসাংখ্যিকও হয়। তাই কণাদেরকে নিজ অক্ষের ওপর ঘুর্ণনশীল কোনো গোলক হিসেবে কল্পনা করা হয় না।

যেমন, ইলেকট্রনের স্পিন হচ্ছে ½ħ (হাফ এইচ স্ল্যাশ) যা পূর্ণসাংখ্যিক নয়। ইলেকট্রনের এই অদ্ভুত ‘স্পিন’ আমাদের পরিচিত জগতে নিজ অক্ষের ওপর ঘুর্ণায়মান কোনো গোলকের ঘুর্ণনের সাথে মিলে না।

এভাবে প্রোটন এবং নিউট্রনেরও স্পিন হচ্ছে ½ħ। যদিও ফোটনের স্পিন 1ħ, অর্থাৎ পূর্ণসাংখ্যিক, কিন্তু তারপরও এটাকে ‘কক্ষীয়’ কৌণিক ভরবেগের কনসেপ্টের সাথে গুলিয়ে ফেলা যাবে না।

যাহোক, এবার ‘নিউট্রিনো’ (যার অর্থ–একটু বেশিই নিরপেক্ষ) নামের অধরা কণাটাকে নিয়ে আলোচনায় আসি। ভরযুক্ত কণাদের মধ্যে সবচেয়ে হালকা হচ্ছে এই নিউট্রিনো। একটি নিউট্রিনোর ভর একটি ইলেকট্রনের ভরের ৫ লক্ষ ভাগের ১ ভাগ মাত্র!

এবং এর কোনো বৈদ্যুতিক চার্জ নেই।  তবে এর স্পিন ফোটনের স্পিনের উলটো, অর্থাৎ ½ħ.. নিউট্রিনো সাধারণ পদার্থের সাথে একেবারেই কম মিথস্ক্রিয়া করে। এমনকি এটি কোনোপ্রকার বাধাবিঘ্ন ছাড়াই কয়েক আলোকবর্ষ পুরু সীসার স্তর ভেদ করে যেতে পারে!

১৯৩১ সালে অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ উলফগ্যাং পাউলি (১৯০০-১৯৫৮) সর্বপ্রথম নিউট্রিনোর অস্তিত্বের ব্যাপারে বলেন।  শেষ পর্যন্ত ১৯৫৬ সালে এফ. রেইনস এবং সি. কোয়ান পরীক্ষামূলকভাবে একে শনাক্ত করেন।

মুক্ত নিউট্রনকে (অর্থাৎ যে নিউট্রন নিউক্লিয়াসের বাইরে অবস্থান করে) একপ্রকার অস্থিতিশীল কণা বলা যায়।

সে প্রায় ১৪ মিনিটের মধ্যেই প্রোটন, ইলেকট্রন এবং অ্যান্টিনিউট্রিনোতে (নিউট্রিনোর প্রতিকণা, প্রতিবিম্বের মতো, ছবিতে দেখুন) পরিণত হয়। আর এই পুরো প্রক্রিয়াটিকে “বিটা ক্ষয়” বলা হয়। এই ‘বিটা ক্ষয়’ এর ইতিহাস বেশ চমৎকার।

বিটা ক্ষয়’ হচ্ছে এরকম নতুন ধরনের মিথস্ক্রিয়ার প্রথম পরিচিত উদাহরণগুলির মধ্যে অন্যতম, যাকে দুর্বল মিথস্ক্রিয়া নামে অভিহিত করা হয়।

এটা নিয়ে পরবর্তীতে বিস্তারিত আলোচনার ইচ্ছা আছে।

নিউট্রিনো (a) ঘড়ির কাঁটার উলটোদিকে ঘুরছে, অ্যান্টিনিউট্রিনো (b) যেন ঠিক তার প্রতিবিম্ব
নিউট্রিনো (a) ঘড়ির কাঁটার উলটোদিকে ঘুরছে, অ্যান্টিনিউট্রিনো (b) যেন ঠিক তার প্রতিবিম্ব


তো যেটা বলছিলাম; নিউট্রিনো কয়েক কিসিমের হয়। ইলেকট্রনের সাথে সংশ্লিষ্ট এক ধরনের নিউট্রিনোকে বলা হয় ‘ইলেকট্রন-নিউট্রিনো’।

মিউয়ন নামে আরেক ধরনের কণা আছে। এদের সবকিছুই ইলেকট্রনের মতো। শুধু ভরটা ইলেকট্রনের চাইতে ২০৭ গুণ ভারী। মিউয়ন ঋণাত্মক চার্জবিশিষ্ট। আবার এর প্রতিকণা (পজিট্রনের মতোই) ধণাত্মক চার্জবিশিষ্ট! তো এই মিউয়নের সাথেও একধরনের নিউট্রিনো সংশ্লিষ্ট রয়েছে যাদেরকে বলা হয় ‘মিউয়ন-নিউট্রিনো’।

আর যেহেতু বিটা ক্ষয়ের সাথে ইলেকট্রনও জড়িত, তাই বিটা ক্ষয় থেকে যে নিউট্রিনো উৎপন্ন হয় তাকে বলা হয় ‘ইলেকট্রন-অ্যান্টিনিউট্রিনো’। এই ইলেকট্রন, মিউয়ন, নিউট্রিনো (এবং তাদের প্রতিকণারা) হচ্ছে লেপ্টন গ্রুপের সদস্য।

এরকম গ্রুপিং করার তাৎপর্যটি হচ্ছে–এই গ্রুপের প্রতিটি কণার মধ্যে লেপ্টনগুলোকে এমনভাবে নির্দিষ্ট করে দেওয়া সম্ভব যাতে করে কোনো বিক্রিয়া ঘটার আগে ও পরে কণাগুলোর মধ্যে মোট লেপ্টনের পরিমাণ একই থাকে।

আরেকটি ভিন্ন ধরনের লেপ্টন রয়েছে, এদেরকে τ-লেপ্টন বলে (τ একটি গ্রিক বর্ণ, যার উচ্চারণ–টাউ)। এই τ-লেপ্টনের সাথে একটি নিউট্রিনোও সংশ্লিষ্ট আছে যাকে τ-নিউট্রিনো বলা হয়।

বিটা ক্ষয়
বিটা ক্ষয়


আদিকণাদের ভর সাধারণত গ্রাম (Gram) এককে প্রকাশ করা হয় না। কারণ কণার ভর প্রকাশ করার জন্য এটি খুবই বড়ো একটি একক।

তাই এর বদলে কণার ভর প্রকাশ করা হয় শক্তির এককে! অর্থাৎ একটি কণার ভরকে আইনস্টাইনের E=mc² ফর্মুলা ব্যবহার করে সম্পূর্ণ শক্তিতে পরিণত করা হলে যেটুকু শক্তি পাওয়া যাবে সেই শক্তির পরিমাণ দিয়েই কণার ভর প্রকাশ করা হয়।

আর এই শক্তির একক হচ্ছে ইলেকট্রন ভোল্ট।  যাকে সংক্ষেপে eV বলা হয়। একটি ইলেকট্রন ভোল্ট মানে হচ্ছে 1.602×10⁻¹² ergs. এবং প্রতি সেকেন্ডে ১ সেন্টিমিটার গতিতে ভ্রমণ করা ১ গ্রাম ভরের গতিশক্তি (গতির কারণে প্রাপ্ত শক্তি) হচ্ছে অর্ধেক erg.

তো দেখাই যাচ্ছে ইলেকট্রন ভোল্ট হলো আমাদের প্রাত্যহিক জীবনে ব্যবহার করা শক্তির এককগুলোর তুলনায় খুবই ক্ষুদ্র একটি একক। এই একক অনুসারে একটি ইলেকট্রনের ভর হচ্ছে ০.৫১ মিলিয়ন ইলেকট্রন ভোল্ট (MeV)। এবং প্রোটন আর নিউট্রনের ভর হচ্ছে যথাক্রমে ৯৩৮.৩ ও ৯৩৯.৬ MeV.