পাঠ ২ / ১১অনুচ্ছেদ ২.২.৪–২.২.৯

মৌলিক কণা, আইসোটোপ ও তেজস্ক্রিয়তাFundamental particles, isotopes & radioactivity

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ১ — রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল

পৃথিবীর সব পদার্থ (matter) — পানি, সোনা, তোমার শরীর — মাত্র তিন রকম কণা (particle) দিয়ে তৈরি: প্রোটন (proton), নিউট্রন (neutron) আর ইলেকট্রন (electron)। নিচে নিজেই কণাগুলো জুড়ে পরমাণু (atom) বানাও:

প্রোটন (proton)0

নিউট্রন (neutron)0

ইলেকট্রন (electron)0

এখনো কিছু নেই

পারমাণবিক সংখ্যা (atomic number) Z: 0
ভর সংখ্যা (mass number) A: 0
আধান (charge): 0
আইসোটোপের নাম (isotope): —
ধরন (type): এখনো কিছু নেই

বোতাম চেপে প্রোটন (proton), নিউট্রন (neutron) আর ইলেকট্রন (electron) যোগ করো।

একটি সাধারণ হাইড্রোজেন (hydrogen) পরমাণু (atom) বানাও: 1টি প্রোটন (proton) + 1টি ইলেকট্রন (electron)।
এবার একটি নিউট্রন (neutron) যোগ করো। মৌলটি (element) কি বদলাল? (এটি ডিউটেরিয়াম, deuterium)
কার্বন-14 (carbon-14) পরমাণু (atom) বানাও (6টি প্রোটন, 8টি নিউট্রন, 6টি ইলেকট্রন)। এটি কি স্থায়ী (stable)?
ইলেকট্রন (electron) কমিয়ে বা বাড়িয়ে একটি আয়ন (ion) বানাও। মৌলের (element) নাম কি বদলায়?

হাইড্রোজেনে (hydrogen) একটি নিউট্রন যোগ করলেও সেটি হাইড্রোজেনই থাকে, অথচ একটি প্রোটন যোগ করলে হয়ে যায় সম্পূর্ণ নতুন মৌল (element) — হিলিয়াম (helium)! আর কার্বন-12 (carbon-12) চিরকাল টিকে থাকে, কিন্তু কার্বন-14 (carbon-14) কয়েক হাজার বছরে ভেঙে নাইট্রোজেন (nitrogen) হয়ে যায়। কেন?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:

পরমাণুর মৌলিক কণা (fundamental particles) — ইলেকট্রন, প্রোটন, নিউট্রন
পারমাণবিক সংখ্যা (atomic number, Z), ভর সংখ্যা (mass number, A) ও প্রতীক (symbol) লেখার নিয়ম
আইসোটোপ (isotope), আইসোবার (isobar) ও আইসোটোন (isotone)
আপেক্ষিক পারমাণবিক ভর (relative atomic mass) ও পারমাণবিক ভর একক (atomic mass unit, amu)
আইসোটোপের প্রাচুর্য (abundance) থেকে গড় পারমাণবিক ভর (average atomic mass)
নিজে করে দেখো — গড় ভর পরীক্ষাগার
তেজস্ক্রিয়তা (radioactivity) — আলফা (alpha), বিটা (beta) ও গামা রশ্মি (gamma rays)
নিউক্লীয় বিক্রিয়া (nuclear reaction), ফিশন (fission) ও ফিউশন (fusion)
নিজে করে দেখো — তেজস্ক্রিয় ক্ষয় শিকল (decay series)

ধাপ ১: পরমাণুর মৌলিক কণা

পরমাণু ভেঙে এ পর্যন্ত দুশোরও বেশি রকমের কণা পাওয়া গেছে। এদের বেশির ভাগ চোখের পলকের চেয়েও কম সময় টেকে — এরা অস্থায়ী মূল কণা (unstable particles), যেমন পজিট্রন (positron), নিউট্রিনো (neutrino), মেসন (meson)। কিন্তু সব পরমাণুর গঠনের একক মাত্র তিনটি স্থায়ী মূল কণা (stable fundamental particles):

কণা	প্রতীক	আপেক্ষিক আধান (relative charge)	প্রকৃত আধান (actual charge, C)	ভর (mass, kg)	ভর (u)	আবিষ্কার
ইলেকট্রন (electron)	$e^-$	−1	$-1.602 \times 10^{-19}$	$9.109 \times 10^{-31}$	0.000549	থমসন (Thomson), 1897
প্রোটন (proton)	$p$	+1	$+1.602 \times 10^{-19}$	$1.6726 \times 10^{-27}$	1.00728	রাদারফোর্ড (Rutherford), 1919
নিউট্রন (neutron)	$n$	0	0	$1.6749 \times 10^{-27}$	1.00866	চ্যাডউইক (Chadwick), 1932

তিনটি জিনিস মনে রাখো:

প্রোটন একটি ইলেকট্রনের চেয়ে প্রায় 1836 গুণ ভারী। তাই পরমাণুর প্রায় সব ভর নিউক্লিয়াসে (nucleus), আর ইলেকট্রনের ভর প্রায় নগণ্য।
প্রোটন আর ইলেকট্রনের আধান সমান কিন্তু বিপরীত। এক ইলেকট্রনের আধানের মান $e = 1.602 \times 10^{-19}$ C — মিলিকানের (Millikan) তেল-বিন্দু পরীক্ষায় (oil-drop experiment, 1909) প্রথম মাপা হয়। এক মোল (mole) ইলেকট্রনের আধান $N_A e = 96485$ C — একে বলে ফ্যারাডে ধ্রুবক (Faraday constant)।
নিউট্রন প্রোটনের চেয়ে সামান্য ভারী এবং আধানহীন। নিউক্লিয়াসের ভেতরে নিউট্রন স্থায়ী, কিন্তু একা (মুক্ত অবস্থায়) একটি নিউট্রন গড়ে প্রায় 15 মিনিটে প্রোটন আর ইলেকট্রনে ভেঙে যায়।

প্রোটন আর নিউট্রন নিউক্লিয়াসে থাকে, তাই এদের একসঙ্গে বলে নিউক্লিয়ন (nucleon)। স্থায়ী কণা জুড়ে তৈরি ভারী কণাকে বলে যৌগিক কণা (composite particle), যেমন আলফা কণা (alpha particle, $\alpha$ , ${}^{4}_{2}\text{He}^{2+}$ ) আর ডিউটেরন (deuteron, ${}^{2}_{1}\text{H}^{+}$ )।

নিজে যাচাই করো

প্রায় কতগুলো ইলেকট্রনের মোট ভর একটি প্রোটনের ভরের সমান?

ধাপ ২: পারমাণবিক সংখ্যা ও ভর সংখ্যা

পারমাণবিক সংখ্যা (atomic number, $Z$ ) = নিউক্লিয়াসের প্রোটন সংখ্যা। এটিই মৌলের পরিচয়: Z = 1 মানেই হাইড্রোজেন, Z = 6 মানেই কার্বন, Z = 17 মানেই ক্লোরিন (chlorine)। রাসায়নিক বিক্রিয়ায় (chemical reaction) Z কখনো বদলায় না।
ভর সংখ্যা (mass number, $A$ ) = প্রোটন + নিউট্রন = নিউক্লিয়নের মোট সংখ্যা। তাই নিউট্রন সংখ্যা (neutron number) $N = A - Z$ ।
নিস্তড়িৎ (neutral) পরমাণুতে ইলেকট্রন সংখ্যা = প্রোটন সংখ্যা = $Z$ । ইলেকট্রন হারালে ধনাত্মক আয়ন (cation), পেলে ঋণাত্মক আয়ন (anion)।

যেকোনো নিউক্লাইড (nuclide) এভাবে লেখা হয়: বাম পাশে ওপরে $A$ , নিচে $Z$ , আর ডান পাশে ওপরে আধান।

³⁵₁₇Cl⁻ পড়লেই জানা যায়: প্রোটন (proton) 17টি, নিউট্রন (neutron) 35 − 17 = 18টি, আর ইলেকট্রন (electron) 17 + 1 = 18টি (ঋণাত্মক আধান, negative charge, মানে একটি বাড়তি ইলেকট্রন)।

নিজে যাচাই করো

²⁷₁₃Al³⁺ আয়নে প্রোটন, নিউট্রন ও ইলেকট্রন সংখ্যা কত?

ধাপ ৩: আইসোটোপ, আইসোবার ও আইসোটোন

ওপরের পরমাণু-নির্মাতায় তুমি দেখেছ: নিউট্রন বদলালে মৌল বদলায় না। নিউক্লিয়াসের প্রোটন (Z) ও নিউট্রন (N) সংখ্যার মিল-অমিল দেখে নিউক্লাইডগুলোকে তিন ভাগে ভাগ করা হয়:

নাম	কী সমান	কী ভিন্ন	উদাহরণ
আইসোটোপ (isotope)	প্রোটন সংখ্যা Z	নিউট্রন N, তাই ভর A	${}^{1}_{1}\text{H}$ , ${}^{2}_{1}\text{H}$ (D), ${}^{3}_{1}\text{H}$ (T); ${}^{12}_{6}\text{C}$ , ${}^{13}_{6}\text{C}$ , ${}^{14}_{6}\text{C}$
আইসোবার (isobar)	ভর সংখ্যা A	Z (তাই ভিন্ন মৌল)	${}^{14}_{6}\text{C}$ ও ${}^{14}_{7}\text{N}$ ; ${}^{40}_{18}\text{Ar}$ , ${}^{40}_{19}\text{K}$ ও ${}^{40}_{20}\text{Ca}$
আইসোটোন (isotone)	নিউট্রন সংখ্যা N	Z ও A	${}^{14}_{6}\text{C}$ ও ${}^{16}_{8}\text{O}$ (N = 8); ${}^{13}_{6}\text{C}$ ও ${}^{14}_{7}\text{N}$ (N = 7)

হাইড্রোজেনের তিন আইসোটোপের আলাদা নাম আছে: প্রোটিয়াম (protium, ¹H), ডিউটেরিয়াম (deuterium, D) ও ট্রিটিয়াম (tritium, T)। ডিউটেরিয়ামের অক্সাইড (oxide) $\text{D}_2\text{O}$ -কে বলে ভারী পানি (heavy water)।

নিচের চার্টে প্রতিটি ঘর একটি নিউক্লাইড — সারি (row) মানে একই Z, কলাম (column) মানে একই N। যেকোনো দুটি ঘরে চাপ দিয়ে দেখো তারা কী সম্পর্কে বাঁধা:

স্থায়ী (stable)তেজস্ক্রিয় (radioactive)তোমার বাছাই

চার্টের যেকোনো দুটি ঘরে (নিউক্লাইড, nuclide) একে একে চাপ দাও।

দুটি আইসোটোপ (isotope) খুঁজে বের করো
দুটি আইসোবার (isobar) খুঁজে বের করো
দুটি আইসোটোন (isotone) খুঁজে বের করো

লক্ষ করো: আইসোটোপ এক সারিতে, আইসোটোন এক কলামে, আর আইসোবার একটি আড়াআড়ি (diagonal) রেখায় থাকে।

আইসোটোপের ধর্ম: একই মৌলের আইসোটোপে ইলেকট্রন সংখ্যা ও বিন্যাস (arrangement) একই, তাই এদের রাসায়নিক ধর্ম (chemical properties) প্রায় হুবহু এক। কিন্তু ভর আলাদা, তাই ভরের ওপর নির্ভরশীল ভৌত ধর্ম (physical properties) আলাদা:

ধর্ম	সাধারণ পানি $\text{H}_2\text{O}$	ভারী পানি $\text{D}_2\text{O}$
স্ফুটনাঙ্ক (boiling point)	100.0 °C	101.4 °C
হিমাঙ্ক (freezing point)	0.0 °C	3.8 °C
ঘনত্ব (density), 25 °C	0.997 g/cm³	1.104 g/cm³

আর আইসোবারগুলো ভিন্ন মৌল, তাই তাদের রাসায়নিক ধর্ম সম্পূর্ণ আলাদা।

নিজে যাচাই করো

নিচের কোন জোড়াটি আইসোটোন?

ধাপ ৪: আপেক্ষিক পারমাণবিক ভর ও amu

একটি পরমাণুর ভর অবিশ্বাস্য রকম কম — যেমন একটি কার্বন-12 পরমাণুর ভর মাত্র $1.9926 \times 10^{-23}$ g। এত ছোট সংখ্যা নিয়ে হিসাব করা ঝামেলার, তাই একটি পরমাণুকে “মাপকাঠি” (standard) ধরে অন্যগুলোর ভর তুলনা করা হয়। 1961 সাল থেকে সেই মাপকাঠি কার্বন-12:

\text{relative atomic mass} = \frac{\text{mass of one atom}}{\frac{1}{12} \times \text{mass of one } {}^{12}\text{C} \text{ atom}}

এক্ষেত্রে একটি ¹²C পরমাণুর ভরের ১২ ভাগের এক ভাগকে বলে পারমাণবিক ভর একক (atomic mass unit, amu বা u; আরেক নাম dalton, Da):

1\ \text{u} = \frac{1}{12} \times 1.9926 \times 10^{-23}\ \text{g} = 1.66054 \times 10^{-24}\ \text{g} = 1.66054 \times 10^{-27}\ \text{kg}

এটি আসলে $\frac{1}{N_A}$ গ্রামের সমান ( $N_A = 6.022 \times 10^{23}$ , অ্যাভোগাড্রো সংখ্যা, Avogadro’s number)। আপেক্ষিক পারমাণবিক ভর একটি অনুপাত (ratio), তাই এর কোনো একক নেই।

উদাহরণ: একটি ¹⁶O পরমাণুর ভর $2.6560 \times 10^{-23}$ g। তাহলে এর আপেক্ষিক ভর $= \dfrac{2.6560 \times 10^{-23}}{1.66054 \times 10^{-24}} = 15.995$ — ঠিক 16 নয়!

নিজে যাচাই করো

একটি পরমাণুর ভর 3.8175 × 10⁻²⁶ kg। এর আপেক্ষিক পারমাণবিক ভর কত, এবং মৌলটি সম্ভবত কোনটি?

ধাপ ৫: আইসোটোপের প্রাচুর্য থেকে গড় পারমাণবিক ভর

প্রকৃতির ক্লোরিনে দুটি আইসোটোপ মিশে আছে: ³⁵Cl আর ³⁷Cl। তাহলে পর্যায় সারণিতে (periodic table) ক্লোরিনের ভর 35.45 কেন — 35 বা 37 নয়? কারণ সেটি দুই আইসোটোপের গড় (average), যেখানে যে আইসোটোপ বেশি আছে তার ওজন বেশি:

প্রকৃতির ক্লোরিনের (chlorine) প্রতি 4টি পরমাণুর (atom) প্রায় 3টি ³⁵Cl আর 1টি ³⁷Cl। তাই গড় ভর (average mass) 35 আর 37-এর মাঝখানে (36) নয়, বেশি থাকা ³⁵Cl-এর দিকে হেলে 35.45-এ।

কোনো মৌলের আইসোটোপগুলোর ভর $M_1, M_2, M_3 \ldots$ এবং প্রাচুর্য (শতকরা হার, abundance) $a_1, a_2, a_3 \ldots$ হলে:

\bar{A} = \frac{a_1 M_1 + a_2 M_2 + a_3 M_3 + \cdots}{100}

উদাহরণ (আসল তথ্য, IUPAC): ³⁵Cl-এর ভর 34.96885 u, প্রাচুর্য 75.76%; ³⁷Cl-এর ভর 36.96590 u, প্রাচুর্য 24.24%।

\bar{A} = \frac{(34.96885 \times 75.76) + (36.96590 \times 24.24)}{100} = \frac{2649.2 + 896.05}{100} = 35.45

এটিই পর্যায় সারণির মান। লক্ষ করো, হিসাবে আইসোটোপের আসল ভর (isotopic mass, 34.969) নেওয়া হয়েছে, ভর সংখ্যা (35) নয়। ভর সংখ্যা দিয়ে হিসাব করলে উত্তর সামান্য সরে যায়।

নিজে যাচাই করো

প্রকৃতির বোরনে (boron) 19.9% ¹⁰B (ভর 10.013 u) আর 80.1% ¹¹B (ভর 11.009 u)। বোরনের গড় পারমাণবিক ভর কত?

ধাপ ৬: এবার নিজে করে দেখো — গড় ভর পরীক্ষাগার

নিচের পরীক্ষাগারে প্রতিটি আইসোটোপকে একটি দণ্ডের (beam) ওপর বসানো ওজন হিসেবে দেখানো হয়েছে — ওজনের আকার তার প্রাচুর্যের সমানুপাতিক (proportional)। দণ্ডটি যে বিন্দুতে ভারসাম্যে (balance) থাকে, সেটিই গড় পারমাণবিক ভর:

একটি মৌল বেছে নাও, আর স্লাইডার টেনে প্রাচুর্য বদলাও। ভারসাম্য বিন্দু কোন দিকে সরে?
“ভর সংখ্যা” আর “আসল আইসোটোপ ভর” বদলে তুলনা করো। ক্লোরিন ও অক্সিজেনে (oxygen) “বইয়ের উদাহরণ” বোতামটিও চেপে দেখো।
প্রতিটি হিসাব খাতায় তুলে রাখো, আর চ্যালেঞ্জগুলো শেষ করো।

গড় পারমাণবিক ভর পরীক্ষাগার

Average atomic mass from isotope abundances

↗

¹²C — 6টি নিউট্রন (neutron) · ভর (mass) 12.00000 u · প্রাচুর্য (abundance) 98.93%¹³C — 7টি নিউট্রন (neutron) · ভর (mass) 13.00335 u · প্রাচুর্য (abundance) 1.07% (বাকিটুকু, remainder)

গড় পারমাণবিক ভর (average atomic mass)12.0107

পর্যায় সারণির মান (IUPAC standard)12.011

A ˉ = \frac{( 12.00000 \times 98.93 ) + ( 13.00335 \times 1.07 )}{100} = 12.0107

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/5

ক্লোরিন (chlorine, Cl) বেছে প্রকৃতির প্রাচুর্য (natural abundance) আর আসল আইসোটোপ ভর (isotopic mass) দিয়ে গড় ভর (average mass) দেখো। পর্যায় সারণির (periodic table) 35.45-এর সঙ্গে মেলে?
ক্লোরিনে (chlorine) "বইয়ের উদাহরণ" বোতাম চাপো (75.53% ও 24.47%, ভর সংখ্যা (mass number) 35 ও 37)। উত্তর কি সত্যিই 35.45?
রহস্য: তামার (copper, Cu) গড় পারমাণবিক ভর (average atomic mass) 63.546। স্লাইডার টেনে বের করো ⁶³Cu কত শতাংশ।
যেকোনো মৌলের (element) একটি আইসোটোপকে (isotope) 100% করে দেখো। গড় ভর (average mass) তখন কত হয়?
অক্সিজেন (oxygen, O) বেছে "আসল ভর" (isotopic mass) আর "ভর সংখ্যা" (mass number) — দুভাবেই হিসাব করে তুলনা করো।

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

প্রাচুর্য (abundance) বদলে "খাতায় তোলো" চাপো — প্রতিটি হিসাব এখানে জমা থাকবে।

ধাপ ৭: তেজস্ক্রিয়তা — আলফা, বিটা ও গামা

1896 সালে অঁরি বেকেরেল (Henri Becquerel) দেখেন, ইউরেনিয়ামের (uranium) লবণ (salt) অন্ধকারে রাখা ফটোগ্রাফিক প্লেটে দাগ ফেলে — কোনো আলো ছাড়াই। কিছু নিউক্লিয়াস অস্থিতিশীল (unstable): এরা নিজে থেকেই (spontaneously) রশ্মি বিকিরণ করে (emit radiation) অন্য নিউক্লিয়াসে পরিণত হয়। এই ধর্মকে বলে তেজস্ক্রিয়তা (radioactivity), আর এমন আইসোটোপকে বলে তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ (radioisotope)।

প্রাকৃতিক (natural) তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ প্রকৃতিতেই পাওয়া যায়: ²³⁸U, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ¹⁴C, ⁴⁰K ইত্যাদি।
কৃত্রিম (artificial) তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ নিউক্লীয় বিক্রিয়ায় পরীক্ষাগারে তৈরি করা হয়: ⁶⁰Co (ক্যান্সার চিকিৎসা), ⁹⁹ᵐTc (রোগ নির্ণয়), ¹³¹I ইত্যাদি। টেকনিশিয়াম (technetium, Tc) আর প্রমিথিয়ামের (promethium, Pm) কোনো স্থায়ী আইসোটোপই নেই।

তেজস্ক্রিয় নিউক্লিয়াস তিন রকম রশ্মি ছাড়ে:

	আলফা (α)	বিটা (β⁻)	গামা (γ)
প্রকৃতি (nature)	হিলিয়াম নিউক্লিয়াস ${}^{4}_{2}\text{He}^{2+}$	দ্রুতগামী ইলেকট্রন ${}^{\;\,0}_{-1}\text{e}$	তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গ (electromagnetic wave)
আধান (charge)	+2	−1	0
ভর (mass)	4 u	$\frac{1}{1836}$ u (প্রায় শূন্য)	0
জনক নিউক্লিয়াসে (parent nucleus) পরিবর্তন	Z কমে 2, A কমে 4	Z বাড়ে 1, A একই	Z ও A একই
ভেদন ক্ষমতা (penetrating power), আনুমানিক	1	100	10,000
আয়নায়ন ক্ষমতা (ionising power)	সবচেয়ে বেশি	মাঝারি	সবচেয়ে কম
কী দিয়ে থামে	এক টুকরো কাগজ, বা কয়েক cm বাতাস	কয়েক mm অ্যালুমিনিয়াম (aluminium)	পুরু সিসা (lead) বা কংক্রিট (কমে, পুরো থামে না)

{}^{226}_{88}\text{Ra} \rightarrow {}^{222}_{86}\text{Rn} + {}^{4}_{2}\text{He} \qquad\qquad {}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{\;\,0}_{-1}\text{e}

β⁻ ক্ষয়ে নিউক্লিয়াসের ভেতরে একটি নিউট্রন প্রোটনে পরিণত হয় ( $n \rightarrow p + e^-$ ), আর ইলেকট্রনটি ছিটকে বেরিয়ে যায় — তাই নিউক্লিয়াস থেকে ইলেকট্রন বের হয়, যদিও নিউক্লিয়াসে কোনো ইলেকট্রন থাকে না। তিন রশ্মিই গ্যাসকে আয়নিত (ionise) করে আর ফটোগ্রাফিক প্লেটে দাগ ফেলে।

নিচে নিজে উৎসের (source) সামনে কাগজ, অ্যালুমিনিয়াম আর সিসা বসিয়ে দেখো কোন রশ্মি কোথায় থামে:

সিসার পুরুত্ব (lead thickness): 2 cm

আলফা (alpha, α) ভেদ করে যায় (passes through)≈ 100%

বিটা (beta, β⁻) ভেদ করে যায় (passes through)≈ 100%

গামা (gamma, γ) ভেদ করে যায় (passes through)≈ 100%

আলফা কণা (alpha particle) ভারী ও দ্বিধনাত্মক (doubly positive) — পথে প্রচুর আয়ন (ion) তৈরি করে দ্রুত শক্তি (energy) হারায়, তাই এক টুকরো কাগজেই (paper) থেমে যায়। বিটা কণা (beta particle) হালকা, কয়েক মিলিমিটার অ্যালুমিনিয়ামে (aluminium) থামে। গামা রশ্মি (gamma ray) আধানহীন (uncharged) তড়িৎচুম্বকীয় তরঙ্গ (electromagnetic wave) — সিসা (lead) একে কমায় (1 MeV গামা প্রতি 0.86 cm সিসায় অর্ধেক হয়), কিন্তু কখনো পুরোপুরি শূন্য করে না।

তিন রকম রশ্মিই (radiation) চালু রাখো, কোনো বাধা (absorber) ছাড়া — সবগুলো কি সংসূচকে (detector) পৌঁছায়?
এক টুকরো কাগজ (paper) বসাও। কোনটি আটকে গেল?
এবার 5 mm অ্যালুমিনিয়াম (aluminium) বসাও।
সিসা (lead) বসিয়ে পুরুত্ব (thickness) বাড়াও। গামা (gamma) কি পুরোপুরি থামে?

নিজে যাচাই করো

একটি নিউক্লিয়াস প্রথমে একটি α কণা, তারপর পরপর দুটি β⁻ কণা ছাড়ল। শেষে পারমাণবিক সংখ্যা Z আর ভর সংখ্যা A-এর কী হলো?

ধাপ ৮: নিউক্লীয় বিক্রিয়া, ফিশন ও ফিউশন

রাসায়নিক বিক্রিয়ায় শুধু ইলেকট্রন অংশ নেয়, নিউক্লিয়াস অপরিবর্তিত থাকে। কিন্তু নিউক্লীয় বিক্রিয়ায় (nuclear reaction) নিউক্লিয়াস নিজেই বদলে যায় — সাধারণত কোনো দ্রুতগামী কণা (নিউট্রন, প্রোটন, আলফা কণা) আঘাত করলে। দুই পাশে মোট ভর সংখ্যা ও মোট পারমাণবিক সংখ্যা সমান থাকে — এভাবেই নিউক্লীয় সমীকরণ (nuclear equation) মেলাতে হয়।

১. ট্রান্সমিউটেশন (transmutation) — এক মৌল থেকে আরেক মৌল তৈরি। প্রথম কৃত্রিম ট্রান্সমিউটেশন (রাদারফোর্ড, 1919), যেখানে প্রোটন আবিষ্কৃত হয়:

{}^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \rightarrow {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H}

যাচাই: A: 14 + 4 = 17 + 1 ✓, Z: 7 + 2 = 8 + 1 ✓।

২. নিউক্লীয় ফিশন (nuclear fission) — একটি ভারী নিউক্লিয়াস ভেঙে দুটি মাঝারি নিউক্লিয়াস হয়। ²³⁵U একটি ধীরগতির নিউট্রন (slow / thermal neutron) শোষণ (absorb) করে ভেঙে যায়:

{}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n} + \text{about } 200\ \text{MeV}

নতুন 3টি নিউট্রন আরও ²³⁵U ভাঙতে পারে — এভাবে শিকল বিক্রিয়া (chain reaction) চলে। পারমাণবিক বিদ্যুৎকেন্দ্রে (nuclear power plant; যেমন পাবনার রূপপুর পারমাণবিক বিদ্যুৎকেন্দ্র) এই বিক্রিয়া নিয়ন্ত্রিতভাবে চালিয়ে তাপ থেকে বিদ্যুৎ তৈরি করা হয়।

৩. নিউক্লীয় ফিউশন (nuclear fusion) — দুটি হালকা নিউক্লিয়াস জুড়ে একটি ভারী নিউক্লিয়াস হয়। সূর্য ও নক্ষত্রের শক্তির (energy) উৎস হাইড্রোজেনের ফিউশন:

{}^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + 17.6\ \text{MeV}

দুটি নিউক্লিয়াসই ধনাত্মক, তাই কাছে আনতে প্রচণ্ড বিকর্ষণ (repulsion) কাটাতে হয় — এজন্য কয়েক কোটি ডিগ্রি তাপমাত্রা (temperature) লাগে (D–T বিক্রিয়ায় প্রায় $10^{8}$ K)।

উভয় ক্ষেত্রে শক্তি আসে ভর থেকে: বিক্রিয়ার পরে মোট ভর একটু কমে যায়, আর সেই হারানো ভর আইনস্টাইনের (Einstein) $E = mc^2$ অনুযায়ী শক্তি হয় (1 u ভর = 931.5 MeV)। নিচে নিজে নিউট্রন ছুড়ে আর তাপমাত্রা বদলে দেখো:

নিউট্রনের (neutron) গতি (speed) বেছে নিয়ে "নিউট্রন ছোড়ো" চাপো।

এ পর্যন্ত: 0টি ফিশন (fission), দ্রুত নিউট্রনে (fast neutron) 0বার ব্যর্থ।

নিজে যাচাই করো

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + X। X কী?

ধাপ ৯: এবার নিজে করে দেখো — তেজস্ক্রিয় ক্ষয় শিকল

প্রকৃতির ইউরেনিয়াম-238 একবারে স্থায়ী হয় না — একের পর এক 14টি ক্ষয়ের মধ্য দিয়ে শেষে স্থায়ী সিসায় (lead) পৌঁছায়। নিচের চার্টে আড়াআড়ি অক্ষে (x-axis) নিউট্রন সংখ্যা N, খাড়া অক্ষে (y-axis) প্রোটন সংখ্যা Z:

প্রতিটি ধাপে অনুমান করো: এই নিউক্লিয়াস α ছাড়বে, নাকি β⁻? ঠিক হলে শিকল এগোবে; ভুল হলে কারণসহ সংকেত পাবে।
চার্টে দেখো: α ক্ষয়ে নিউক্লিয়াস তির্যকভাবে নিচে-বাঁয়ে নামে, β⁻ ক্ষয়ে ওপরে-বাঁয়ে ওঠে।
রেডিয়াম-226 (radium-226) আর কার্বন-14 থেকেও শুরু করে দেখো।

তেজস্ক্রিয় ক্ষয় শিকল

Radioactive decay series on an N–Z chart

↗

α ক্ষয় (alpha decay): Z − 2, N − 2 (তির্যক নিচে-বাঁয়ে)β⁻ ক্ষয় (beta decay): Z + 1, N − 1 (তির্যক ওপরে-বাঁয়ে)এখনকার নিউক্লিয়াস (current nucleus)স্থায়ী (stable)

_{92}^{238} U

নিউক্লিয়াস (nucleus): ইউরেনিয়াম-238 (uranium-238)
প্রোটন (proton) Z / নিউট্রন (neutron) N: 92 / 146
অর্ধায়ু (half-life): 4.47 × 10⁹ y

α: 0β⁻: 0ধাপ: 0

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

ইউরেনিয়াম-238 (uranium-238) থেকে শুরু করে স্থায়ী নিউক্লিয়াসে (stable nucleus) পৌঁছাও। কয়টি α আর কয়টি β⁻ লাগল?
এমন একটি নিউক্লিয়াসে (nucleus) পৌঁছাও যা আবার ইউরেনিয়াম (uranium) — কিন্তু ভিন্ন ভরের (mass)।
রেডিয়াম-226 (radium-226) থেকে যে তেজস্ক্রিয় গ্যাসটি (radioactive gas) তৈরি হয়, সেই ধাপটি নিজে ঘটাও।
কার্বন-14 (carbon-14) বেছে তার ক্ষয় (decay) ঘটাও। কোন মৌল (element) তৈরি হলো?
একবার "γ" বোতাম চেপে দেখো, নিউক্লিয়াসের (nucleus) কী বদলায়।
"দেখিয়ে দাও" ছাড়া পরপর 5টি ধাপ নিজে ঠিক করো। (0/5)

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

α বা β⁻ বেছে প্রথম ক্ষয়টি (decay) ঘটাও — প্রতিটি ধাপ এখানে লেখা হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের কয়েকটি তথ্য ও হিসাব ভুল:

ক্লোরিনের উদাহরণ: বইয়ে $(35 \times 75.53 + 37 \times 24.47)/100 = 35.45$ লেখা। এই হিসাব আসলে দেয় 35.49। বর্তমান IUPAC প্রাচুর্য (75.76% ও 24.24%) আর আসল আইসোটোপ ভর (34.969 ও 36.966) নিলে তবেই 35.45 আসে। পরীক্ষায় প্রশ্নে যে সংখ্যা দেওয়া থাকবে, তা দিয়েই হিসাব করবে।
অক্সিজেনের উদাহরণ: বইয়ের সংখ্যায় (16 × 99.76 + 17 × 0.037 + 18 × 0.204) যোগফল 1599.9 নয়, 1600.46 — ফলে উত্তর 16.00, 15.999 নয়। আসল ভর (15.995, 16.999, 17.999) দিয়ে হিসাব করলে 15.999 আসে।
আইসোটোপের ভৌত ধর্ম: আইসোটোপের রাসায়নিক ধর্ম এক, কিন্তু ভৌত ধর্ম হুবহু এক নয় — ভরের ওপর নির্ভরশীল ধর্ম (ঘনত্ব, স্ফুটনাঙ্ক, হিমাঙ্ক, ব্যাপনের হার (rate of diffusion)) আলাদা। যেমন ভারী পানি 101.4 °C-এ ফোটে, 3.8 °C-এ জমে।
ভেদন ক্ষমতার অনুপাত: বইয়ে α : β : γ = 1 : 1000 : 10000। সাধারণত আনুমানিক 1 : 100 : 10,000 ধরা হয়। (এগুলো মোটামুটি তুলনা, রশ্মির শক্তি আর বাধার পদার্থভেদে বদলায়।)
ফিশনের নিউট্রন: বইয়ে বলা হয়েছে ²³⁵U ভাঙে উচ্চগতির (প্রায় 8 MeV) নিউট্রনে। আসলে ²³⁵U সবচেয়ে ভালো ভাঙে ধীরগতির (তাপীয়, thermal, প্রায় 0.025 eV) নিউট্রনে — এদের ফিশন ঘটানোর সম্ভাবনা দ্রুত নিউট্রনের চেয়ে প্রায় 500 গুণ বেশি। তাই চুল্লিতে (reactor) পানি বা গ্রাফাইট (graphite) দিয়ে নিউট্রনকে ধীর (moderate) করা হয়।
শক্তি ও তাপমাত্রা: বইয়ে “1 J ≡ 1.16 × 10¹⁰ K” ছাপা হয়েছে; সঠিক হলো 1 MeV ≡ 1.16 × 10¹⁰ K।
ইলেকট্রনের ভর: প্রোটনের $\frac{1}{1837}$ নয়, $\frac{1}{1836}$ (আরও সঠিকভাবে 1/1836.15)।
বিটা কণার ভর: সারণিতে “0” লেখা — আসলে একটি ইলেকট্রনের ভর, প্রায় 0.00055 u। খুব কম, কিন্তু শূন্য নয়।
আপেক্ষিক ভরের উদাহরণ: বইয়ে কার্বন-12 পরমাণুর ভর $1.9924 \times 10^{-23}$ g নিয়ে অক্সিজেনের ভর 15.9968 পাওয়া গেছে। সঠিক ভর $1.99265 \times 10^{-23}$ g নিলে উত্তর 15.995 (¹⁶O-এর আসল ভর)।

ঘরে বসে পরীক্ষা: ডাল দিয়ে “গড় পারমাণবিক ভর”

দুই রকম দানা — যেমন বড় ছোলা আর ছোট মসুর ডাল — হবে একই মৌলের দুটি “আইসোটোপ”।

এক মুঠো ছোলা আর মসুর ডাল একটি বাটিতে ভালো করে মেশাও। এটিই তোমার “প্রাকৃতিক মৌল”।
মিশ্রণ (mixture) থেকে 100টি দানা না দেখে তুলে নাও। কয়টি ছোলা আর কয়টি মসুর, গুনে শতকরা হার (প্রাচুর্য) বের করো।
রান্নাঘরের ডিজিটাল দাঁড়িপাল্লা (digital scale) থাকলে 20টি ছোলার ভর মেপে 20 দিয়ে ভাগ করো — এটি “ছোলা-আইসোটোপের ভর”। মসুরের জন্যও একই কাজ করো।
সূত্র (formula) দিয়ে গড় ভর বের করো: (ছোলার % × ছোলার ভর + মসুরের % × মসুরের ভর) ÷ 100।
যাচাই: তোলা 100টি দানার মোট ভর মেপে 100 দিয়ে ভাগ করো। দুটি উত্তর কাছাকাছি হলো কি? না মিললে কেন — ভেবে খাতায় লেখো।

দাঁড়িপাল্লা না থাকলে ধরে নাও ছোলা = 10 একক, মসুর = 2 একক, আর গোনা প্রাচুর্য দিয়ে হিসাব করো।

নিরাপত্তা: কাঁচা ডাল-ছোলা খেয়ো না, ছোট শিশুদের নাগালের বাইরে রাখো (নাক-গলায় আটকে যেতে পারে)। কাজ শেষে হাত ধুয়ে নাও।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. ²³⁵₉₂U ও ²³⁸₉₂U পরমাণুতে প্রোটন, নিউট্রন ও ইলেকট্রন সংখ্যা কত? এরা পরস্পরের কী?

	প্রোটন	নিউট্রন	ইলেকট্রন
²³⁵U	92	235 − 92 = 143	92
²³⁸U	92	238 − 92 = 146	92

প্রোটন সংখ্যা সমান কিন্তু নিউট্রন সংখ্যা ভিন্ন — তাই এরা পরস্পরের আইসোটোপ।

২. ম্যাগনেসিয়ামের (magnesium) তিনটি আইসোটোপ: ²⁴Mg (23.985 u, 78.99%), ²⁵Mg (24.986 u, 10.00%), ²⁶Mg (25.983 u, 11.01%)। গড় পারমাণবিক ভর নির্ণয় করো।

$\bar{A} = \dfrac{(23.985 \times 78.99) + (24.986 \times 10.00) + (25.983 \times 11.01)}{100}$

$= \dfrac{1894.58 + 249.86 + 286.07}{100} = \dfrac{2430.51}{100} = 24.305$

৩. কপারের (copper) গড় পারমাণবিক ভর 63.546। এর দুটি আইসোটোপ ⁶³Cu (62.930 u) ও ⁶⁵Cu (64.928 u)। প্রতিটির প্রাচুর্য কত?

ধরি ⁶³Cu-এর প্রাচুর্য $x$ %, তাহলে ⁶⁵Cu-এর $(100 - x)$ %।

$\dfrac{62.930x + 64.928(100 - x)}{100} = 63.546$

$6492.8 - 1.998x = 6354.6 \Rightarrow x = \dfrac{138.2}{1.998} = 69.2$

অর্থাৎ ⁶³Cu প্রায় 69.2% আর ⁶⁵Cu প্রায় 30.8%।

৪. ²³⁸₉₂U কয়েক ধাপে ক্ষয় হয়ে ²⁰⁶₈₂Pb হয়। এতে কয়টি α ও কয়টি β⁻ কণা নির্গত হয়?

শুধু α ক্ষয়েই ভর সংখ্যা কমে (প্রতিবার 4)। A কমেছে 238 − 206 = 32, তাই α কণা $= 32 \div 4 = 8$ টি।

8টি α-তে Z কমার কথা $8 \times 2 = 16$ , অর্থাৎ 92 − 16 = 76। কিন্তু শেষে Z = 82, তাই β⁻ ক্ষয় (প্রতিবার Z + 1) হয়েছে $82 - 76 = 6$ টি।

উত্তর: 8টি α ও 6টি β⁻।

৫. ²¹⁴₈₂Pb থেকে পরপর দুটি β⁻ কণা এবং তারপর একটি α কণা নির্গত হলো। শেষে কোন নিউক্লিয়াস পাওয়া যাবে?

²¹⁴₈₂Pb → (β⁻) ²¹⁴₈₃Bi → (β⁻) ²¹⁴₈₄Po → (α) ²¹⁰₈₂Pb

শেষে ²¹⁰₈₂Pb — শুরুর ²¹⁴Pb-এর আইসোটোপ (Z একই, A 4 কম)। এটি ইউরেনিয়াম-238 শিকলেরই অংশ।

৬. আইসোটোপ ও আইসোবারের রাসায়নিক ধর্মে পার্থক্য কেন? উদাহরণসহ ব্যাখ্যা করো।

রাসায়নিক ধর্ম নির্ভর করে ইলেকট্রন সংখ্যা ও বিন্যাসের ওপর, আর ইলেকট্রন সংখ্যা = প্রোটন সংখ্যা Z।

আইসোটোপে Z সমান (যেমন ¹²C, ¹⁴C — দুটিই 6টি ইলেকট্রন), তাই রাসায়নিক ধর্ম এক: দুটিই পুড়ে CO₂ হয়। তবে ভর আলাদা বলে ভৌত ধর্ম (ঘনত্ব, ব্যাপনের হার) কিছুটা আলাদা।
আইসোবারে Z ভিন্ন (যেমন ¹⁴C-এ 6টি, ¹⁴N-এ 7টি ইলেকট্রন), তাই এরা আলাদা মৌল — রাসায়নিক ধর্ম সম্পূর্ণ ভিন্ন: কার্বন কঠিন, নাইট্রোজেন নিষ্ক্রিয়প্রায় (nearly inert) গ্যাস।