Physics chapter 13: Radioactivity and Electronics

ত্রয়োদশ অধ্যায়

তেজস্ক্রিয়তা ও ইলেকট্রনিকস

(Rodioactivity and Electronics)

বিংশ শতাব্দীর শুরুতে আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের সূচনা হলে যে যে নতুন বিষয়গুলোর জন্ম হয়, তার একটি হচ্ছে তেজস্ক্রিয়তা। এই অধ্যায়ে তেজস্ক্রিয়তার বিষয়টি তোমাদের জন্য ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

আমাদের বর্তমান সভ্যতার মূল চালিকাশক্তি হচ্ছে ইলেকট্রনিকস—এই উক্তিটি মোটেই অতিরঞ্জিত নয়। বর্তমান ইলেকট্রনিকসের পেছনে পদার্থবিজ্ঞানের অবদানটুকু এই অধ্যায়ে আলোচনা করা হয়েছে। যেসব যন্ত্রপাতি আমাদের জীবনকে পুরোপুরি পাল্টে দিয়েছে এই অধ্যায়ে সেই সব যন্ত্রের সাথেও তোমাদের পরিচয় করিয়ে দেওয়া হয়েছে।

Printed page 347

এ অধ্যায় শেষে আমরা –

• তেজস্ক্রিয়তা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• আলফা, বিটা ও গামা রশ্মির বৈশিষ্ট্য ব্যাখ্যা করতে পারব।
• ইলেকট্রনিকসের ক্রমবিকাশ বর্ণনা করতে পারব।
• অ্যানালগ ও ডিজিটাল ইলেকট্রনিকসের পার্থক্য করতে পারব।
• অর্ধপরিবাহী ও সমন্বিত বর্তনী ব্যাখ্যা করতে পারব।

Printed page 348

১৩.১ তেজস্ক্রিয়তা (Radioactivity)

আমরা সবাই জানি, একটা পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে নিউক্লিয়াস, সেখানে থাকে প্রোটন এবং নিউট্রন। পরমাণুর নিউক্লিয়াসে যতগুলো প্রোটন থাকে ঠিক ততগুলো ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসকে ঘিরে বিচরণশীল থাকে। নিউক্লিয়াসের ব্যাসার্ধ পরমাণুর ব্যাসার্ধ থেকে প্রায় লক্ষ গুণ ছোট। নিউক্লিয়াসের আকার খুবই ছোট হলেও একটা পরমাণুর মূল ভরটি আসলে নিউক্লিয়াসের ভর, তার কারণ ইলেকট্রনের ভর প্রোটন কিংবা নিউট্রনের ভর থেকে $1836$ গুণ কম।

প্রোটন পজিটিভ চার্জযুক্ত (ধনাত্মক আধান) তাই শুধু প্রোটন দিয়ে নিউক্লিয়াস তৈরি হতে পারে না, তাহলে প্রবল বিকর্ষণে প্রোটনগুলো ছিটকে যাবে। সেজন্য নিউক্লিয়াসের ভেতরে প্রোটনের সাথে চার্জহীন নিউট্রনও থাকে এবং নিউট্রন আর প্রোটন মিলে প্রবল শক্তিশালী নিউক্লিয়ার বলের আকর্ষণে নিউক্লিয়াসগুলো স্থিতিশীল থাকতে পারে। সাধারণ হাইড্রোজেনের কেন্দ্রে একটি মাত্র প্রোটন থাকলেও বাড়তি একটি কিংবা দুটি নিউট্রনসহ হাইড্রোজেনের নিউক্লিয়াসও রয়েছে।

নিউক্লিয়াসের ভেতরে প্রোটনের সংখ্যা বাড়ার সাথে সাথে সেটাকে স্থিতিশীল রাখার জন্য নিউট্রনের সংখ্যাও বেড়ে যেতে থাকে, কিন্তু তারপরও নিউক্লিয়াসের ভেতরে প্রোটনের সংখ্যা $82$ অতিক্রম করার পর থেকে নিউক্লিয়াসগুলো অস্থিতিশীল হতে শুরু করে।(যদিও প্রোটনসংখ্যা $43$-Technetium এবং $61$-Promethium মৌলের কোনো স্থায়ীরূপ পাওয়া যায় না।) অস্থিতিশীল নিউক্লিয়াসগুলো কোনো এক ধরনের বিকিরণ করে স্থিতিশীল হওয়ার চেষ্টা করে এবং এই প্রক্রিয়াটাকে আমরা বলি তেজস্ক্রিয়তা। নিউক্লিয়াসের ভেতর থেকে যে বিকিরণ বের হয়ে আসে সেটাকে বলে তেজস্ক্রিয় রশ্মি।

নিউক্লিয়াসের ভেতরে প্রোটনের সংখ্যা $82$ অতিক্রম করলেই (পারমাণবিক সংখ্যা $82$ থেকে বেশি) যে নিউক্লিয়াসগুলো তেজস্ক্রিয় হয়ে থাকে তা নয়, অন্য পরমাণুর নিউক্লিয়াসও তেজস্ক্রিয় হতে পারে। আমরা পরমাণুর শ্রেণিবিন্যাস করেছি তার ইলেকট্রনের সংখ্যা দিয়ে, যেটা প্রোটনের সংখ্যার সমান। একটি মৌলের বাহ্যিক ধর্ম, প্রকৃতি, এবং রাসায়নিক গুণাগুণ নির্ভর করে বাইরের ইলেকট্রনের শ্রেণিবিন্যাসের ওপর। কাজেই কোনো একটি মৌলের পরমাণুতে তার ইলেকট্রন এবং প্রোটনের সংখ্যা সুনির্দিষ্ট হলেও নিউট্রনের সংখ্যা ভিন্ন হতে পারে। ভিন্ন নিউট্রন সংখ্যায় নিউট্রনযুক্ত একই প্রোটন সংখ্যা বিশিষ্ট নিউক্লিয়াসের পরমাণুকে বলা হয় সেই মৌলের আইসোটোপ। কাজেই কোনো একটি মৌলের একটি আইসোটোপ স্থিতিশীল হতে পারে আবার সেই মৌলের অন্য একটি আইসোটোপ অস্থিতিশীল বা তেজস্ক্রিয় হতে পারে। উদাহরণ দেওয়ার জন্য আমরা কার্বন মৌলটির কথা বলতে পারি যার নিউক্লিয়াসে ছয়টি প্রোটন এবং এর প্রধানত তিনটি আইসোটোপ:

Printed page 349

$C_{12}$ : $6$টি প্রোটন এবং $6$টি নিউট্রন

$C_{13}$ : $6$টি প্রোটন এবং $7$টি নিউট্রন

$C_{14}$ : $6$টি প্রোটন এবং $8$টি নিউট্রন

কার্বনের এই তিনটি আইসোটোপের মাঝে $C_{14}$ আইসোটোপটি অস্থিতিশীল বা তেজস্ক্রিয়।

$1896$ সালে হেনরি বেকেরেল (Henri Becquerel) প্রথম ইউরেনিয়াম থেকে তেজস্ক্রিয় রশ্মির অস্তিত্ব প্রমাণ করেন। পরবর্তীতে আরনেস্ট রাদারফোর্ড (Ernest Rutherford), পিয়ারে কুরি (Pierre Curie), মেরি কুরি (Marie Curie) এবং অন্যা বিজ্ঞানীরা অন্যান্য মৌলের তেজস্ক্রিয়তা আবিষ্কার করেন। এটি বাইরের চাপ, তাপ, বৈদ্যুতিক বা চৌম্বক ক্ষেত্র দিয়ে কোনোভাবে প্রভাবিত বা নিয়ন্ত্রণ করা যায় না, কাজেই এটি একটি নিউক্লিয় ঘটনা হিসেবে মেনে নেওয়া হয়। শুধু তাই নয়, তেজস্ক্রিয়তার কারণে তেজস্ক্রিয় রশ্মি নির্গত হয়ে নিউক্লিয়াসের গঠন পরিবর্তিত হয়ে সেটিও ভিন্ন একটি মৌলে রূপান্তরিত হয়ে যেতে পারে সেটাও লক্ষ্য করা হয়েছে।

নিউক্লিয়াস থেকে যে তিনটি প্রধান তেজস্ক্রিয় রশ্মি বের হয়, সেগুলো হচ্ছে আলফা, বিটা এবং গামা রশ্মি (চিত্র ১৩.০১)।

১৩.১.১ আলফা রশ্মি (Alpha Ray)

আলফা রশ্মি বা আলফা কণা আসলে একটি হিলিয়াম নিউক্লিয়াস। একটি হিলিয়াম নিউক্লিয়াসে থাকে দুটো প্রোটন এবং দুটো নিউট্রন, কাজেই এটি একটি চার্জযুক্ত কণা। সে কারণে বিদ্যুৎ এবং চৌম্বক ক্ষেত্র দিয়ে এর গতিপথকে প্রভাবিত করা যায়। একটা নিউক্লিয়াসের ভেতর থেকে যখন একটা আলফা কণা বের হয়ে আসে তখন তার শক্তি থাকে কয়েক $\text{MeV}$. কাজেই সেটি যখন বাতাসের ভেতর দিয়ে যায় তখন বাতাসের অণু-পরমাণুর সাথে সংঘর্ষ করে সেগুলোকে তীব্রভাবে আয়নিত করতে পারে। বাতাসে আলফা কণার গতিপথ হয় সরলরেখার মতো, এটা সোজা এগিয়ে যায়। তবে আলফা কণা যেহেতু হিলিয়ামের নিউক্লিয়াস তাই এটা পদার্থের ভেতর দিয়ে বেশি দূর যেতে পারে না। বাতাসের ভেতর দিয়ে $6\text{ cm}$ যেতে না যেতেই এটা বাতাসের অণু-পরমাণুকে তীব্রভাবে আয়নিত করে তার পুরো শক্তি ক্ষয় করে থেমে যায়। একটা কাগজ দিয়েই আলফা কণাকে থামিয়ে দেওয়া যায়। জিংক সালফাইড পর্দায় এটি অনুপ্রভা (phosphorescence) সৃষ্টি করে। আলফা কণা যাত্রাপথে অসংখ্য অণু-পরমাণুকে অনুপ্রভা করে মুক্ত ইলেকট্রন তৈরি করে সেগুলোকে সংগ্রহ করে সহজেই তার উপস্থিতি নির্ণয় করা যায় কিংবা তার শক্তি পরিমাপ করা যায়।

আলফা কণা যেহেতু দুটি প্রোটন এবং দুটি নিউট্রন দিয়ে তৈরি,তাই যখন একটি নিউক্লিয়াসের ভেতর থেকে বের হয়ে আসে, তখন সেই নিউক্লিয়াসের পারমাণবিক সংখ্যা কমে দুই ঘর এবং নিউক্লিওন

Printed page 350

সংখ্যা কমে চার ঘর। যেমন: ইউরেনিয়ামের একটি আইসোটোপ আলফা কণা বিকিরণ করে থোরিয়ামের একটি আইসোটোপে পরিণত হয়।

$U_{238} \rightarrow Th_{234} + He_4^{++}$

ইউরেনিয়ামের পারমাণবিক সংখ্যা $92$, থোরিয়ামের $90$। এখানে উল্লেখ্য, পরমাণুর ইলেকট্রন সংখ্যাটি এখানে ধর্তব্যের মাঝে নয়, তেজস্ক্রিয় নিউক্লিয়াসের পরমাণু সহজেই তার চারপাশের পরিবেশে বাড়তি ইলেকট্রন ছেড়ে দিতে পারে, কিংবা গ্রহণ করতে পারে।

Figure: চিত্র ১৩.০১: আলফা রশ্মি খুব বেশি আয়নিত করে শক্তি ক্ষয় করতে পারে বলে একটা কাগজের পৃষ্ঠা দিয়েই এটাকে থামানো সম্ভব। বিটা রশ্মি বা ইলেকট্রনকে থামাতে কয়েক মিলিমিটার পুরু অ্যালুমিনিয়াম দরকার হয়। গামা রশ্মির চার্জ নেই বলে এটিকে থামাতে পুরু সিসার পাতের দরকার হয়।

লেবেল: আলফা রশ্মি, বিটা রশ্মি, গামা রশ্মি, কাগজ, অ্যালুমিনিয়াম (3-5 mm), সিসা (3-5 cm) বর্ণনা: বাম থেকে ডানে তিনটি রশ্মি (আলফা, বিটা, গামা) একটি করে স্তরের দিকে যাচ্ছে। প্রথমে একটি গোলাপি কাগজের পাত, তারপর একটি নীল অ্যালুমিনিয়ামের পাত, এবং সবশেষে একটি ধূসর সিসার পাত। আলফা রশ্মি কাগজে থেমে যায়, বিটা রশ্মি অ্যালুমিনিয়ামে থেমে যায়, আর গামা রশ্মি সিসার পাত ভেদ করে বের হয়ে যায়।

১৩.১.২ বিটা রশ্মি (Beta Ray)

বিটা রশ্মি বা বিটা কণা আসলে ইলেকট্রন। এটি নিশ্চয়ই একটি বিস্ময়ের ব্যাপার যে নিউক্লিয়াসের ভেতরে থাকে শুধু প্রোটন এবং নিউট্রন কিন্তু সেখান থেকে ইলেকট্রন কেমন করে বের হয়ে আসে? সেটি ঘটার জন্য নিউক্লিয়াসের ভেতরের একটি নিউট্রনকে প্রোটনে পরিবর্তিত হতে হয়।

$n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}$

অর্থাৎ একটি চার্জহীন নিউট্রন পজিটিভ চার্জযুক্ত প্রোটন $(p^+)$ এবং নেগেটিভ চার্জযুক্ত ইলেকট্রনে $(e^-)$

Printed page 351

পরিবর্তিত হয়, কাজেই মোট চার্জের পরিমাণ অপরিবর্তিত থাকে। সমীকরণের ডান পাশে $\bar{\nu}$ দিয়ে নিউট্রিনোর প্রতিপদার্থকে (অ্যান্টি-নিউট্রিনো কণাকে) বোঝানো হয়েছে, এটি চার্জহীন, এর ভর খুব কম।

নিউক্লিয়াসের ভেতর থেকে যখন আলফা কণা বের হয় সেটা কতকগুলো বিছিন্ন নির্দিষ্ট শক্তি নিয়ে বের হয় কিন্তু বিটা কণার জন্য সেটি সত্যি নয়। নির্গত বিটা কণার শক্তি নির্দিষ্ট সীমার মধ্যে যেকোনো কিছু হতে পারে। বিকিরণের মোট শক্তির কতটুকু নিউট্রিনো নিয়ে নেবে তার ওপর বিটা কণার শক্তি নির্ভর করে।

বিটা কণা যেহেতু ইলেকট্রন তাই তার চার্জ নেগেটিভ (ঋণাত্মক আধান) এবং সে কারণে সেটি ইলেকট্রিক এবং চৌম্বকীয় ক্ষেত্র দিয়ে প্রভাবিত করা যায়। এটি যখন কোনো পদার্থের ভেতর দিয়ে যায় তখন সেই পদার্থের অণু-পরমাণুর সাথে সংঘর্ষের কারণে সেগুলোকে আয়নিত করতে পারে। আলফা কণার হিলিয়াম নিউক্লিয়াসের তুলনায় ইলেকট্রন খুবই ক্ষুদ্র তাই ইলেকট্রনের ভেদনক্ষমতা অনেক বেশি এবং সেটি পদার্থের অনেক ভেতর ঢুকে যেতে পারে। সাধারণত কয়েক মিলিমিটার পুরু অ্যালুমিনিয়ামের পাত দিয়ে বিটা কণাকে থামানো সম্ভব।

বিটা কণার বিকিরণ হলে নিউক্লিয়াসে একটি নিউট্রন কমে গিয়ে একটি প্রোটন বেড়ে যায়, তাই তার নিউক্লিওন সংখ্যা সমান থাকে। কিন্তু যেহেতু পারমাণবিক সংখ্যা প্রোটনের সংখ্যার ওপর নির্ভর করে তাই নিউক্লিয়াসের পারমাণবিক সংখ্যা বেড়ে ভিন্ন মৌলের নিউক্লিয়াসে পরিণত হয়। যেমন- তেজস্ক্রিয় $C_{14}$ বিটা বিকিরণে $N_{14}$ এ পরিবর্তিত হয়:

$C_{14} \rightarrow N_{14} + e + \bar{\nu} \text{ (এন্টি-নিউট্রিনো)}$

মজার ব্যাপার হচ্ছে, বিটা বিকিরণ বলতে আমরা যে শুধু নিউক্লিয়াসের ভেতর থেকে ইলেকট্রনের বিকিরণ বোঝাই তা নয়, ইলেকট্রনের প্রতিপদার্থ পজিট্রনের বিকিরণকেও বিটা বিকিরণ বলে। তার জন্য নিউক্লিয়াসের ভেতরে কোনো একটি প্রোটনকে নিউট্রনে পরিবর্তিত হতে হয়:

$p^+ \rightarrow n^0 + \bar{e}^+ + \nu \text{ (নিউট্রিনো)}$

এই প্রক্রিয়াতে নিউক্লিয়াসে প্রোটনের সংখ্যা এক কমে যায় বলে তার পারমাণবিক সংখ্যাও এক কমে ভিন্ন মৌলের নিউক্লিয়াসে পরিণত হয়। (এ বিক্রিয়াটি নিউক্লিয়াসের বাইরে হতে পারে না। কারণ নিউট্রনের ভর প্রোটনের চেয়ে বেশি।)

বিটা বিকিরণের সময় নিউট্রিনো কিংবা অ্যান্টি নিউট্রিনো বের হলেও আমরা সেগুলোকে তেজস্ক্রিয় রশ্মি হিসেবে বিবেচনা করিনি, কারণ এগুলো চার্জবিহীন এবং পদার্থের সাথে এদের বিক্রিয়া এত কম যে কয়েক আলোকবর্ষ দীর্ঘ সিসার পাত দিয়েও একটা নিউট্রিনোকে থামানো দুষ্কর।

নিউট্রন যদি বিটা কণা বের করে প্রোটনে পরিবর্তিত হতে পারে তাহলে নিউক্লিয়াসের ভেতর সব নিউট্রন ধীরে ধীরে প্রোটনে পরিবর্তিত হয়ে যায় না কেন?

Printed page 352