Science chapter 6: Structure of Atom

এক নজরে

আমাদের চারপাশের দৃশ্যমান ও অদৃশ্য সকল বস্তুজগৎ পদার্থ দ্বারা গঠিত। পদার্থকে ভাঙলে অতি ক্ষুদ্র কণা পাওয়া যায়—এ কণাগুলোই হলো পরমাণু। সৃষ্টির আদিকাল থেকেই পদার্থের গঠন নিয়ে মানবজাতির কৌতূহল ছিল অপরিসীম। খ্রিষ্টপূর্ব যুগে দার্শনিকদের ভাবনা থেকে শুরু করে আধুনিক পারমাণবিক গবেষণার মধ্য দিয়ে পরমাণু সম্পর্কে বিজ্ঞানীদের ধারণা সুস্পষ্ট রূপ লাভ করেছে।

পরমাণুর অভ্যন্তরীণ গঠন, পারমাণবিক বৈশিষ্ট্য, রাসায়নিক আচরণ এবং বন্ধন সৃষ্টির মূল রহস্য উন্মোচিত হয় ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রনের সমন্বিত বিন্যাসের মাধ্যমে। এ অধ্যায়ে পরমাণুর ঐতিহাসিক ক্রমবিকাশ থেকে শুরু করে আধুনিক ইলেকট্রন বিন্যাস ও আয়ন সৃষ্টির সামগ্রিক রসায়ন বিস্তারিতভাবে আলোচনা করা হয়েছে।

অধ্যায়ের মূল আলোচনার রূপরেখা

1. পরমাণুর ধারণার ঐতিহাসিক ক্রমবিকাশ: ডেমোক্রিটাসের 'এটোমোস' ধারণা, প্লেটো ও অ্যারিস্টটলের নিরবচ্ছিন্নতার মতবাদ, ১৮০৩ সালে জন ডাল্টনের পরমাণুবাদ এবং আধুনিক যুগের রাদারফোর্ড ও বোর পরমাণু মডেল।
2. পরমাণুর গঠন ও স্থায়ী মূল কণিকাসমূহ: পরমাণুর বিভাজ্যতা; ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রনের বৈশিষ্ট্য এবং পরমাণুর কেন্দ্র তথা ধনাত্মক নিউক্লিয়াসের স্বরূপ।
3. পারমাণবিক সংখ্যা ও ভরসংখ্যা: প্রোটন সংখ্যার গুরুত্ব, ভরসংখ্যার তাৎপর্য ($A = Z + N$), এবং নিউট্রন সংখ্যা নির্ণয়ের গাণিতিক পদ্ধতি।
4. আইসোটোপ: আইসোটোপের সংজ্ঞা ও কারণ, হাইড্রোজেনের তিনটি আইসোটোপ (প্রোটিয়াম, ডিউটেরিয়াম, ট্রিটিয়াম), কার্বনের আইসোটোপ এবং আইসোটোপের রাসায়নিক ধর্মের সমতার কারণ।
5. তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ ও মানবকল্যাণে এর বহুমুখী ব্যবহার: চিকিৎসা ক্ষেত্রে রোগ নির্ণয় ও ক্যান্সার নিরাময়, কৃষিক্ষেত্রে রোগবালাই নিয়ন্ত্রণ ও সারের ব্যবহার পর্যবেক্ষণ ($^{32}\text{P}$), খাদ্যদ্রব্য ও ফলমূল সংরক্ষণ এবং কার্বন ডেটিং ($^{14}\text{C}$) দ্বারা জীবাশ্মের বয়স নির্ধারণ।
6. পরমাণুতে ইলেকট্রন বিন্যাস: বোরের সুনির্দিষ্ট অনুমোদিত কক্ষপথ বা শক্তিস্তর, $2n^2$ সূত্রের প্রয়োগ এবং প্রথম ১৮টি মৌলের ইলেকট্রন বিন্যাস ছক।
7. ইলেকট্রন বিন্যাস ও মৌলের রাসায়নিক ধর্ম: নিষ্ক্রিয় গ্যাসের স্থিতিশীলতা (দ্বৈত ও অষ্টক পূর্ণতা), সক্রিয় মৌলের ইলেকট্রন আদান-প্রদানের মাধ্যমে স্থিতিশীলতা অর্জনের প্রবণতা।
8. আয়ন, ক্যাটায়ন ও অ্যানায়ন সৃষ্টি এবং যৌগ গঠন: ইলেকট্রন ত্যাগের মাধ্যমে ক্যাটায়ন এবং গ্রহণের মাধ্যমে অ্যানায়ন সৃষ্টি; বিপরীত আধানের আকর্ষণে রাসায়নিক বন্ধন ও আয়নিক যৌগ গঠন।

পাঠবিন্যাস

• পাঠ ১–৩: পরমাণুর ধারণার বিকাশ ও গঠন (পৃষ্ঠা ৫৫–৫৬)
• পাঠ ৪–৬: পারমাণবিক সংখ্যা, ভরসংখ্যা ও আইসোটোপ (পৃষ্ঠা ৫৬–৫৮)
• পাঠ ৭–৮: আইসোটোপের ধর্ম ও ব্যবহার (পৃষ্ঠা ৫৮–৬০)
• পাঠ ৯–১১: পরমাণুতে ইলেকট্রন কীভাবে বিন্যস্ত থাকে (পৃষ্ঠা ৬০–৬১)
• পাঠ ১২–১৩: ইলেকট্রন বিন্যাস ও মৌলের ধর্ম (পৃষ্ঠা ৬১–৬৩)

শিখনফল

(পৃষ্ঠা ৫৫ — "এ অধ্যায় শেষে আমরা–", হুবহু পাঠ্যবই অনুসারে)

• পরমাণুর গঠন ব্যাখ্যা করতে পারব;
• পারমাণবিক সংখ্যা ও ভর সংখ্যা ব্যাখ্যা করতে পারব;
• আইসোটোপ ব্যাখ্যা করতে পারব;
• ইলেকট্রন বিন্যাস ব্যাখ্যা করতে পারব;
• আয়ন কীভাবে সৃষ্টি হয় ব্যাখ্যা করতে পারব;
• ক্যাটায়ন ও অ্যানায়নের পার্থক্য করতে পারব;
• অ্যানায়ন ও ক্যাটায়ন ব্যবহার করে রাসায়নিক সংকেত প্রণয়ন করতে পারব;
• আইসোটোপের ব্যবহার বর্ণনা করতে পারব;
• আমাদের জীবনে আইসোটোপের অবদান উপলব্ধি করতে পারব।

মূল আলোচনা

পাঠ ১–৩: পরমাণুর ধারণার বিকাশ ও গঠন (পৃষ্ঠা ৫৫–৫৬)

পদার্থ ক্ষুদ্র কণা দ্বারা গঠিত। এই ক্ষুদ্র কণা দুই প্রকার—অণু (Molecule) ও পরমাণু (Atom)। একের অধিক পরমাণু রাসায়নিক বন্ধন দ্বারা পরস্পরের সাথে যুক্ত হয়ে অণু গঠন করে। তবে পদার্থের এই ক্ষুদ্রতম কণার স্বরূপ উদ্ঘাটনে দীর্ঘ সময় লেগেছে। বিভিন্ন যুগে বিজ্ঞানী ও দার্শনিকগণ বিভিন্ন মতবাদ প্রদান করেছেন।

১. পরমাণুবাদ সম্পর্কিত ঐতিহাসিক মতবাদ

ক. গ্রিক দার্শনিক ডেমোক্রিটাস (খ্রিষ্টপূর্ব ৪০০ অব্দ)

• ডেমোক্রিটাস সর্বপ্রথম পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা নিয়ে সুস্পষ্ট মতবাদ পোষণ করেন।
• তাঁর মতে, সকল পদার্থই ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র অবিভাজ্য (Indivisible) কণা দ্বারা গঠিত, যাকে আর কোনোভাবেই ভাঙা বা বিভক্ত করা যায় না।
• তিনি এই অবিভাজ্য ক্ষুদ্রতম কণার নাম দেন পরমাণু বা এটম (Atom)।
• 'Atom' শব্দটি এসেছে গ্রিক শব্দ 'এটোমোস' (Atomos) থেকে, যার আক্ষরিক অর্থ হলো 'অবিভাজ্য' বা যাকে আর কাটা বা বিভক্ত করা যায় না (Indivisible)।

খ. প্লেটো ও অ্যারিস্টটলের দ্বিমত

• ডেমোক্রিটাসের সমসাময়িক বিখ্যাত দার্শনিক প্লেটো (Plato) এবং পরবর্তীতে অ্যারিস্টটল (Aristotle) এ মতবাদের ঘোর বিরোধিতা করেন।
• অ্যারিস্টটলের মতে, পদার্থসমূহ অবিভাজ্য কণার সমষ্টি নয়; বরং পদার্থসমূহ নিরবচ্ছিন্ন (Continuous)।
• তাঁর যুক্তি ছিল—পদার্থকে যতই ভাঙা বা খণ্ড-বিখণ্ড করা হোক না কেন, পদার্থের কণাগুলো ক্ষুদ্র থেকে আরও ক্ষুদ্রতর হতে থাকবে, এর কোনো অবিভাজ্য শেষ সীমা নেই।
• তৎকালীন সমাজে অ্যারিস্টটলের গভীর প্রভাবের কারণে ডেমোক্রিটাসের পরমাণুবাদ প্রায় দুই সহস্রাব্দ কাল অবহেলিত থাকে।

গ. জন ডাল্টনের পরমাণুবাদ (১৮০৩ খ্রিষ্টাব্দ)

• ১৮০৩ সালে ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জন ডাল্টন (John Dalton) বিভিন্ন বৈজ্ঞানিক ও পরীক্ষালব্ধ তথ্যের ওপর ভিত্তি করে পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা সম্পর্কে একটি বৈজ্ঞানিক মতবাদ দেন, যা ডাল্টনের পরমাণুবাদ নামে সুপরিচিত।
• ডাল্টনের মূল প্রস্তাবনা ছিল:
  1. মৌলিক পদার্থসমূহ অত্যন্ত ক্ষুদ্র ও অবিভাজ্য কণা দ্বারা গঠিত, যার নাম পরমাণু।
  2. পরমাণু হলো মৌলিক পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা এবং একে আর কোনো উপায়ে ভাঙা যায় না।
  3. একই মৌলের সকল পরমাণু আকার, ভর ও রাসায়নিক ধর্মে অভিন্ন।
  4. রাসায়নিক বিক্রিয়ায় পরমাণুসমূহ অবিকৃত থাকে; কোনো পরমাণু ধ্বংস বা নতুন করে সৃষ্টি হয় না, কেবল তাদের পুনর্বিন্যাস ঘটে।
• ডাল্টনের এই পরীক্ষালব্ধ তত্ত্ব তৎকালীন বিজ্ঞানী সমাজ সানন্দে গ্রহণ করে এবং এর ফলে অ্যারিস্টটলের নিরবচ্ছিন্নতার বিভ্রান্তিকর মতবাদ চিরতরে পরিত্যক্ত হয়।

গুরুত্বপূর্ণ পর্যালোচনা: ডাল্টনের পরমাণুবাদ আধুনিক রসায়নের ভিত্তি গড়ে দিলেও পরবর্তী গবেষণায় প্রমাণিত হয় যে পরমাণু ডাল্টনের দাবি অনুযায়ী অবিভাজ্য নয়। পরমাণুকে ভেঙে মূলত তিনটি স্থায়ী মৌলিক কণিকায় বিভক্ত করা যায়—ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রন।

২. আধুনিক পরমাণু মডেলের বিকাশ

ডাল্টনের পরমাণুবাদের সীমাবদ্ধতা দূর করতে এবং পরমাণুর অভ্যন্তরে ইলেকট্রন, প্রোটন ও নিউট্রন কীভাবে সজ্জিত থাকে তা ব্যাখ্যা করতে একাধিক বিজ্ঞানী পরমাণু মডেল প্রস্তাব করেন। এদের মধ্যে রাদারফোর্ড ও বোরের মডেল বিজ্ঞানজগতে সর্বাধিক গ্রহণযোগ্যতা পায়।

ক. রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল (১৯১১ খ্রিষ্টাব্দ)

বিজ্ঞানী আর্নেস্ট রাদারফোর্ড ও তাঁর সহকর্মীবৃন্দ আলফা-কণা বিচ্ছুরণ পরীক্ষার মাধ্যমে পরমাণুর অভ্যন্তরীণ রূপরেখা উদ্ঘাটন করেন। এই পরীক্ষার ফলাফল থেকে রাদারফোর্ড নিম্নলিখিত সিদ্ধান্তগুলোতে উপনীত হন:

1. নিউক্লিয়াসের উপস্থিতি: পরমাণুর সমস্ত ধনাত্মক আধান এবং এর প্রায় সমগ্র ভর পরমাণুর কেন্দ্রে একটি অতি ক্ষুদ্র জায়গায় পুঞ্জীভূত থাকে। পরমাণুর কেন্দ্রের এই অতি ঘন ও ক্ষুদ্র ধনাত্মক অংশের নাম তিনি দেন নিউক্লিয়াস (Nucleus)।
2. ফাঁকা স্থান: নিউক্লিয়াসের আকারের তুলনায় সমগ্র পরমাণুর আকার অত্যন্ত বৃহৎ। ফলে পরমাণুর বেশিরভাগ জায়গাই মূলত ফাঁকা।
3. ইলেকট্রনের আবর্তন: পরমাণুর ঋণাত্মক আধানযুক্ত কণা তথা ইলেকট্রনগুলোর ভর নগণ্য এবং তারা সৌরজগতের সূর্যের চারদিকে ঘূর্ণায়মান গ্রহগুলোর মতো নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে সর্বদা বিভিন্ন পথে অবিরাম ঘুরছে।
4. সৌর মডেল: রাদারফোর্ডের এই মডেলটিকে সৌরজগতের সাথে তুলনা করায় এটিকে সৌর মডেল (Solar System Model) বলা হয়।

রাদারফোর্ড মডেলের সীমাবদ্ধতা: রাদারফোর্ড সৌরজগতের গ্রহের সাথে তুলনা করে ইলেকট্রনের আবর্তনের কথা বললেও, ইলেকট্রনগুলো ঠিক কী ধরনের কক্ষপথে ঘুরে এবং তাদের ব্যাসার্ধ বা শক্তির সুনির্দিষ্ট রূপ কী—সে সম্পর্কে কোনো সুনির্দিষ্ট কক্ষপথের ধারণা দিতে পারেননি।

খ. বোর পরমাণু মডেল (১৯১৩ খ্রিষ্টাব্দ)

বিজ্ঞানী নিলস বোর (Niels Bohr) রাদারফোর্ড মডেলের ত্রুটি সংশোধন করে একটি উন্নত মডেল প্রস্তাব করেন:

1. বোর ধারণা দেন যে, ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রনসমূহ নিউক্লিয়াসের চারদিকে যথেচ্ছভাবে ঘুরে না; বরং তারা কতগুলো সুনির্দিষ্ট অনুমোদিত বৃত্তাকার কক্ষপথে (Definite Circular Orbits) পরিভ্রমণ করে।
2. এই অনুমোদিত কক্ষপথগুলোকে শক্তিস্তর (Energy Levels) বা শেল (Shell) বলা হয়।
3. নির্দিষ্ট কক্ষপথে ঘূর্ণনের সময় ইলেকট্রন কোনো শক্তি শোষণ বা বিকিরণ করে না।

৩. পরমাণুর সামগ্রিক বাস্তব গঠন

উপরিউক্ত বৈজ্ঞানিক বিবর্তনের পর পরমাণুর প্রকৃত গঠন সম্পর্কে সুনির্দিষ্ট সিদ্ধান্ত গৃহীত হয়েছে:

সংজ্ঞা — পরমাণু (Atom): মৌলিক পদার্থের ক্ষুদ্রতম কণা, যা সাধারণত স্বাধীনভাবে থাকতে পারে না কিন্তু সরাসরি রাসায়নিক বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে এবং যার মধ্যে উক্ত মৌলিক পদার্থের সকল গুণাগুণ বিদ্যমান থাকে, তাকে পরমাণু বলে।

একটি পরমাণুর প্রধানত দুটি অংশ থাকে:

1. নিউক্লিয়াস (কেন্দ্রস্থ অঞ্চল): পরমাণুর কেন্দ্রে অবস্থিত অতি ক্ষুদ্র, ধনাত্মক আধানযুক্ত ও পরমাণুর মূল ভরবাহী অঞ্চল। এতে ধনাত্মক আধানবিশিষ্ট প্রোটন এবং আধানহীন বা নিরপেক্ষ নিউট্রন অবস্থান করে।
2. বহিঃস্থ অঞ্চল (কক্ষপথ বা শক্তিস্তর): নিউক্লিয়াসের বাইরে কতগুলো নির্দিষ্ট বৃত্তাকার কক্ষপথ থাকে, যেখানে ঋণাত্মক আধানবিশিষ্ট ইলেকট্রনসমূহ নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে চারদিকে নির্দিষ্ট নিয়মে ঘোরে।

পরমাণুর আধান নিরপেক্ষতা: পরমাণুর নিউক্লিয়াসে যতটি ধনাত্মক প্রোটন থাকে, নিউক্লিয়াসের বাইরে ঠিক ততটিই ঋণাত্মক ইলেকট্রন থাকে। প্রোটনের ধনাত্মক আধান ($+1$) এবং ইলেকট্রনের ঋণাত্মক আধান ($-1$) পরিমাণে সমান কিন্তু বিপরীতধর্মী হওয়ায় তারা একে অপরকে সম্পূর্ণ নিষ্ক্রিয় করে দেয়। এজন্য স্বাভাবিক অবস্থায় সমগ্র পরমাণুটি সামগ্রিকভাবে বৈদ্যুতিক আধান নিরপেক্ষ (Electrically Neutral) হয়।

ছক: পরমাণুর তিনটি স্থায়ী মূল কণিকার তুলনামূলক পরিচয়

Note সাধারণ হাইড্রোজেন পরমাণুর (প্রোটিয়াম) নিউক্লিয়াসে কোনো নিউট্রন থাকে না; এতে কেবল ১টি প্রোটন ও বাইরে ১টি ইলেকট্রন থাকে। হাইড্রোজেন ব্যতীত মহাবিশ্বের অন্যান্য সকল মৌলিক পদার্থের পরমাণুর নিউক্লিয়াসে প্রোটনের সাথে নিউট্রন উপস্থিত থাকে।