মৌলিক পদার্থ থেকে তেজষ্ক্রিয়তা

পৃথিবীতে এখনো পর্যন্ত আবিষ্কৃত মোট মৌলের (Elements) সংখ্যা ১১৮। তন্মধ্যে প্রকৃতিতে উৎপন্ন হয় মাত্র ৯২টা মৌল, অর্থাৎ হাইড্রোজেন (H) থেকে ইউরেনিয়াম (U) পর্যন্ত; বাকিগুলো মানুষের তৈরি। কেন প্রকৃতি শুধু ৯২টা মৌল উৎপন্ন করতে পারে, এর বেশি নয়? এর উত্তর পেতে হলে আমাদের পরামাণুর গঠনের (Atomic Structure) দিকে নজর দিতে হবে। আমরা জানি প্রোটন (p) এবং নিউট্রন (n) নিয়ে পরামাণুর নিউক্লিয়াস গঠিত। মৌল ভেদে পরমাণুর নিউক্লিয়াসে প্রোটন ও নিউট্রনের সংখ্যা ভিন্ন হয় – যত ভারী মৌল তত বেশি প্রোটন, নিউট্রন। যেমন, হাইড্রোজেনে (H) থাকে ১টা প্রোটন ও ১টি নিউট্রন, হিলিয়ামে (He) ২টি করে আবার কার্বনে (C) ৬টি করে। বুঝার সুবিধার্থে আমরা যদি নিউট্রনের কথা ভুলে যাই; তাহলে নিউক্লিয়াসে থাকবে শুধু প্রোটন। এই প্রোটন গুলোর মধ্যে দুই ধরনের বল কাজ করে – প্রথমত সবল নিউক্লিয় বল (Strong Force) যা প্রোটনদের একত্রে ধরে রাখে; দ্বিতীয়ত তড়িৎ বল (Electromagnetic Force), অর্থাৎ প্রোটন ধনাত্মক চার্জযুক্ত হওয়ার কারনে এরা পরষ্পরকে বিকর্ষন করে। কিন্তু প্রোটনদের মধ্যকার বিকর্ষন বল থেকে সবল নিউক্লীয় বল শক্তিশালী (Strong Force>Electromagnetic Force) হওয়ার কারনে অনিচ্ছা স্বত্বেও প্রোটনগুলো একসাথে থাকে। এখন সমস্যা হলো, সবল বল শক্তিশালী বটে কিন্তু এই বল খুব কম দূরত্বের মধ্যে কাজ করে।

হাইড্রোজেনের নিউক্লিয়াস ১টা প্রোটন বিশিষ্ট তাই এখানে বলের ব্যাপারটা গুরুত্বপুর্ণ নয়; কিন্তু হিলিয়ামের নিউক্লিয়াসে আছে ২টা প্রোটন, এখন ২টা প্রোটনের জন্য যতটা জায়গা লাগে তার থেকেও বেশি জায়গা ব্যাপী সবল বল কাজ করতে পারে তাই দুইটা প্রোটন ধরে রাখা সবল বলের জন্য কোন ব্যাপার না। অত্যন্ত ভারী মৌলের ক্ষেত্রে প্রোটন সংখ্যা অনেক বেশি থাকে তাই তাদের জায়গাও বেশি প্রয়োজন হয়; স্বভাবগত কারনেই তাই বাইরের দিকের প্রোটনদের উপর সবল বলের প্রভাব কমে আসে; বলাবাহুল্য এক পর্যায়ে সবল বল বাইরের দিকের প্রোটন গুলোকে আর ধরে রাখতে পারবেনা। এমতাবস্তায়, সবল বলের প্রভাব মুক্ত ঐসকল প্রোটনের মধ্যে চার্জগত বিকর্ষন বলের প্রভাব পুরোদমে কাজ করবে; ফলে বাইরের দিকের কিছু প্রোটন নিউক্লিয়াস থেকে ছিটকে বেরিয়ে যাবে, এটাই তেজষ্ক্রিয়তা। এভাবে প্রোটন সংখ্যা কমে যাওয়ার ফলে একটি মৌল অন্য মৌলে রূপান্তরিত হয়; যেমন ইউরেনিয়াম-৯২ (U) তেজস্ক্রিয় বিকিরন করে রেডিয়ামে -৮৮ (Ra) পরিণত হয়।

দেখাগেছে সবল নিউক্লীয় বল মোটামুটি ৮২টা পর্যন্ত প্রোটন নিউক্লিয়াসে ভালোভাবে ধরে রাখতে পারে; এরবেশি সংখ্যক প্রোটন ঠিকমত ধরে রাখতে পারেনা। এভাবে প্রোটনের সংখ্যা যখন ৯২টার বেশি হয়ে যায় তখন আর সবল বল মেটেই তাদের ধরে রাখতে পারেনা এবং মৌলগুলো দ্রুত ক্ষয় হতে থাকে।  এজন্য ৯২ এর পরের মৌলগুলো প্রকৃতিতে তৈরি হয় ঠিকই কিন্তু প্রকৃতিতে স্থায়ী না হওয়ার কারণে আমরা পাইনা। তবে এধরনের মৌলে প্রোটন ক্ষয়ে যাওয়ার সাথেসাথে যদি নতুন প্রোটন/নিউট্রন যোগ করা যায় তাহলে নতুন মৌল তৈরি করা যেতে পারে। এভাবেই তৈরি করা হয় প্রায় ১১৮টি মৌল।

টিকাঃ মৌলের স্থিতিশীলতায় প্রোটন ছাড়াও নিউট্রনের অনেক ভুমিকা আছে। যেমন, টেকনেটিয়াম-৪৩ (Tc) এবং প্রোমেথিয়াম-৬১ (Pm), ইউরেনিয়ামের -৯২ (U) তুলনায় অনেকগুন অস্থিতিশীল; এদুটি প্রকৃতিতে পাওয়া যায়না বললেই চলে। সুতরাং, প্রকৃতিতে প্রাপ্ত মৌল সম্ভবত ৯০টি; অবশ্য প্রাচীন পৃথিবীতে হয়তো ১১৮ এর বেশি মৌল উৎপন্ন হয়েছিল কিন্তু বর্তমানে তার বেশির ভাগই ক্ষয়প্রাপ্ত হয়েছে।

তেজস্ক্রিয় গল্প


এতক্ষন ধরে মৌলিক পদার্থ নিয়ে অনেক বলা হলো, এখন ভয়ংকর কিছু মৌলিক পদার্থের গল্প শুনবো, যাদের বলে তেজস্ক্রিয় মৌল (Radioactive Elements)। তেজষ্ক্রিয়তা আসলে ভারী মৌলের এক বিশেষ বৈশিষ্ট, এক বিধ্বংসী বৈশিষ্ট। তাই আগেই সাবধান! 😀 এতো সুন্দর সুন্দর মৌলগুলোর বুক থেকে কিভাবে তেজষ্ক্রিয়তা বেরিয়ে আসে সেটা জানবো। ভারী মৌলের পরমাণুগুলো কিছুটা অস্থিতিশীল হয়ে থাকে; ফলে তারা স্থিতিশীল হওয়ার জন্য তাদের নিউক্লিয়াস থেকে তরঙ্গ বা কণা (Wave or Particle) আকারে উচ্চশক্তি নির্গত (High Energy Emission) করতে থাকে; শক্তির এই নির্গমন অবিরাম চলতে থাকে যতক্ষন পর্যন্ত পরমাণুটি স্থিতিশীলতা লাভ না করে। এই উচ্চশক্তির বিকিরনই তেজস্ক্রিয়তা (Radioactivity)। তেজস্ক্রিয় রশ্মি প্রধানত তিন প্রকারঃ আলফা রশ্মি (α-Ray), বিটা রশ্মি (β-Ray) ও গামা রশ্মি (γ-Ray)।

আলফা কণিকা ক্ষয়ঃ পরমাণুর নিউক্লিয়াসে প্রোটন এবং নিউট্রনকে একসাথে ধরে রাখে সবল নিউক্লীয় বল। ভারী মৌলের (High Molecular Mass) পরমাণুতে অধিক পরিমাণ প্রোটন ও নিউট্রন থাকে। সবল নিউক্লীয় বলের সামান্য দূরত্বে কাজ করতে পারে তাই একটা নির্দিষ্ট সংখ্যার অধিক পরিমাণ প্রোটন নিউট্রনকে ধরে রাখতে পারেনা। এখন প্রোটন ধনাত্মক চার্জযুক্ত হওয়ার কারণে পরষ্পরকে বিকর্ষন করে কিন্তু সবল বলের শক্তি এই বিকর্ষন বলের থেকে প্রবল হওয়ার কারণে অনিচ্ছা স্বত্বেও তারা একত্রে থাকে; ফলে সবল নিউক্লীয় বলের প্রভাবমুক্ত প্রোটনগুলো তড়িৎ বিকর্ষন বলের কারণে নিউক্লিয়াস থেকে ছুটে বেরিয়ে যাবে। নিউক্লিয়াসে প্রোটন এবং নিউট্রন জোড় (Pair) বেধে থাকে, তাই প্রোটন যখন ছুটে বেরিয়ে যায় সাথে একটা নিউট্রন নিয়ে যায়। এরকম ভারী মৌলের পরমাণু থেকে যখন ২টি প্রোটন এবং ২টি নিউট্রন (হিলিয়াম পরমাণুর সমতুল্য) নির্গত হয়; তখন একে আলফা কণিকা (α Particle) ক্ষয় বলা হয়। সুতরাং আলফা কণিকা হলো ইলেকট্রন বিহীন হিলিয়াম পরমাণু (ধনাত্মক চার্জযুক্ত)। এ প্রক্রিয়ায় একটা মৌল থেকে সম্পুর্ন ভিন্ন দুটি মৌলের সৃষ্টি হয়। নিচে ইউরেনিয়ামের (U) আলফা কণিকা ক্ষয় দেখানো হলো।

এখানে, ইউরেনিয়াম-২৩৮ পরমাণুতে আছে ৯২টা প্রোটন এবং ১৪৬টা নিউট্রন। আলফা কণিকা (২টি প্রোটন ও ২টি নিউট্রন) নির্গত হওয়ার কারণে ৯০টা প্রোটন বিশিষ্ট থোরিয়াম (Th) পরমাণুতে রূপান্তরিত হলো। নির্গত হওয়া ২টি প্রোটন ও ২টি নিউট্রন মিলে হিলিয়াম পরমাণু গঠন করে কিন্তু এতে কোন ইলেকট্রন নাই, অর্থাৎ ধনাত্মক চার্জযুক্ত হিলিয়াম পরমাণু। ওদিকে সদ্য রূপান্তরিত হওয়া থোরিয়াম (Th) পরমাণুতে প্রোটন সংখ্যা ৯০টা কিন্তু ইলেকট্রন সংখ্যা ৯২টা অর্থাৎ ঋনাত্মক চার্জযুক্ত থোরিয়াম পরমাণু। এখন আমরা জানি কোন পরমানুকে স্থিতিশীল হতে হলে তাতে প্রোটন ও ইলেকট্রন সংখ্যা সমান হতে হবে। এই কারণে থোরিয়াম পরমাণু তৎক্ষণাৎ দুটি ইলেকট্রন ছেড়ে দিবে এবং হিলিয়াম পরমাণু সেটা গ্রহন করবে কারন হিলিয়াম পরমাণুরও দুটি ইলেকট্রন দরকার স্থিতিশীল হওয়ার জন্য।

বিটা কণিকা ক্ষয়ঃ অস্থিতিশীল কোন পরমাণুর নিউক্লিয়াস থেকে যখন ইলেকট্রন বা পজিট্রন নির্গত হয় তখন তাকে বিটা ক্ষয় (β Decay) বলে। বিটা ক্ষয় দুই প্রকারঃ β ক্ষয় বা ইলেক্ট্রনের (e) নির্গমন এবং β+ ক্ষয় বা পজিট্রন (e) নির্গমন। দুর্বল নিউক্লীয় বলের (Weak Force) কারণে সাধারণত বিটা ক্ষয় হয়ে থাকে। এখন কথা হলো অস্থিতিশীল নিউক্লিয়াস কি? নিউক্লিয়াসে প্রোটন এবং নিউট্রনের অনুপাত ঠিক না থাকলে নিউক্লিয়াসটি অস্থিতিশীল (Unstable) হয়ে পড়ে। প্রকৃতি সবসময় সাম্যাবস্থায় যেতে চায়, ফলে স্বভাবতই নিউক্লিয়াসটিও স্থিতিশীল (Stable) হতে চাইবে। যদি নিউট্রন বেশি থাকে তাহলে সেটা প্রোটনে পরিণত হবে এবং ফলস্বরূপ নিউক্লিয়াস থেকে একটা ইলেকট্রন নির্গত (Electron Emission) হবে। আবার প্রোটন বেশি থাকলে সেটা নিউট্রনে পরিণত হবে এবং এই প্রক্রিয়ায় একটা পজিট্রন নির্গত (Positron Emission) হবে। নিচে কার্বন-১৪ এর বিটা ক্ষয় দেখানো হলো –

কার্বন-১৪ তে প্রোটনের সংখ্যা ৬টা এবং নিউট্রন আছে ৮টা। এখন ১টা নিউট্রন প্রোটনে রূপান্তরিত হলে, প্রোটন ও নিউট্রন উভয়ের সংখ্যা হয় ৭টা করে যা কিনা নাইট্রোজেন পরামানু নির্দেশ করে। এই প্রক্রিয়ায় একটা ইলেকট্রন তৈরি হয়। কিন্তু সমীকরনে বাড়তি ১টা ইলেকট্রন এন্টিনিউট্রিনো দেখা যাচ্ছে যেটার ব্যাপার পরে উল্লেখ করবো।

এখন প্রোটন-নিউট্রন রূপান্তর সম্পর্কে বুঝতে হবে আমাদের কোয়ার্ক (Quark) লেভেলে যেতে হবে। সেক্ষেত্রে আমরা জানি ২টা আপ কোয়ার্ক (u) ও ১টা ডাউন কোয়ার্ক (d) নিয়ে একটা প্রোটন (uud) তৈরি হয়; এবং ১টা আপ কোয়ার্ক (u) ও ২টা ডাউন কোয়ার্ক (d) মিলে একটা নিউট্রন (udd) গঠিত হয়। একটা শর্ত মেনে কোয়ার্ক গুলো একটা থেকে অন্যটাতে পরিবর্তিত হতে পারে। শর্তটি হলো যখন এক কোয়ার্ক (আপ/ডাউন) অন্য কোয়ার্কে (ডাউন/আপ) রূপান্তর ঘটবে তখন সাথে বাড়তি একটা W± বোসন তৈরি হবে। এখন বাকিটা নিচের সমীকরণ থেকে বুঝে নেই;

u → d + W± অথবা d → u + W±

এখন প্রোটন-নিউট্রন মামলার তো নিষ্পত্তি হলো কিন্তু W± বোসনের পরিণতি কি! অথবা ইলেকট্রন বা পজিট্রন কোথা থেকে নির্গত হবে! আসলে সকল কাজের কাজী হচ্ছে W± বোসন – এটাই পরবর্তিতে ইলেকট্রন বা পজিট্রন হয়ে নির্গত হয়ে যায়। তবে এর সাথে একটা নিউট্রিনো বা এন্টিনিউট্রিনো উৎপন্ন হয়, যেটা সাধারণত দেখানো হয়না কিন্তু W± বোসন থেকে ইলেকট্রন বা পজিট্রন তৈরি হওয়ার সময় যথাক্রমে ১টা ইলেকট্রন এন্টিনিউট্রিনো অথবা ইলেকট্রন নিউট্রিনো উৎপন্ন হওয়া আবশ্যিক। নিচের সমীকরন দেখি –

W →  e + v‾e   অথবা W+ →  e + ve  

টিকাঃ W± বোসনের W নিউট্রিনো এবং চার্জ (±) ইলেকট্রন বা পজিট্রনে রূপান্তর হয়। উৎপন্ন হওয়ার পরেই নিউট্রিনো ইলেকট্রনকে ধাক্কা দিয়ে কিছু ভরবেগ প্রদান করে এবং নিজে ছুটে বেরিয়ে যায়; এই প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রন করে Z বোসন। Z বোসন মুলত W± বোসনের সহকারী। এরা দুজনেই বিটা ক্ষয়ের প্রধান আসামী।

গামা কণিকা ক্ষয়ঃ সহজ কথায় উচ্চশক্তির তড়িৎচুম্বক তরঙ্গকে গামা রশ্মি (Gamma Ray) বলে। ফোটন, এক্সরে, অতিবেগুনী রশ্মি, ইনফ্রারেড রশ্মি, বেতার তরঙ্গ সবই তড়িৎচুম্বক তরঙ্গ তবে এরা গামা রশ্মির মত শক্তিশালী নয়। গামা রশ্মি হলো সবথেকে শক্তিশালী তড়িৎচুম্বক তরঙ্গ (Electromagnetic Wave)। সাধারণত আলফা ও বিটা রশ্মির সাথেই গামা রশ্মি নিঃসরণ ঘটে। প্রকৃতপক্ষে আলফা বা বিটা কণার ক্ষয়ের সময় নিউক্লিয়াস উত্তেজিত হয়ে অস্থিতিশীল হয়ে পড়ে। এই উত্তেজিত অবস্থা কাটাতে নিউক্লিয়াস থেকে উচ্চশক্তির ফোটন (High Energy Photon) কণা নির্গত হয়, যাকে আমরা গামা রশ্মি বলে অবিহিত করি। আসলে, উত্তেজনা কমাতে নিউক্লিয়াসের চারিদিকে ঘুরতে থাকা কোন ইলেকট্রন যখন উচ্চশক্তিস্তর (Upper Shell) থেকে নিম্নশক্তিস্তরে (Lower Shell) প্রবেশ করে তখন উচ্চশক্তির ফোটন কণা তৈরি হয়। এই ফোটন কণার নির্গমনই গামা রশ্মি। নিচে কোবাল্টের (Co) থেকে নিকেলের (Ni) বিটা ক্ষয়ের কারণে গামা রশ্মির নির্গমন দেখানো হলো।

প্রথমে বিটা ক্ষয়ের ফলে কোবাল্ট থেকে নিকেল রূপান্তর হলো; অতঃপর গামা রশ্মির নির্গমন করে নিকেল পরমাণু স্থিতিশীল হলো। উপোরক্ত প্রক্রিয়ায় উৎপন্ন শক্তির পরিমাণ ১.৩৩ মেগা ইলেকট্রন ভোল্ট (MeV)। গামা রশ্মির নিঃসরনে আসলে পরমাণুতে প্রোটন অথবা নিউট্রন সংখ্যার কোন পরিবর্তন হয়না, এমনকি ইলেকট্রন সংখ্যারও কোন হেরফের হয়না; তবে ইলেক্ট্রনের শক্তিস্তরের পরিবর্তন ঘটে। এক্সরেও (X-ray) কিন্তু গামা রশ্মির মতই কিন্তু কৃত্রিমভাবে সৃষ্ট।

কিছু আনাড়ি প্রশ্ন এবং উত্তর


কেন ভারী মৌলে প্রোটন থেকে নিউট্রন বেশি থাকে? পর্যায় সারণি থেকে দেখা যায়, ১ থেকে ২০ নাম্বার মৌল (Hydrogen to Calcium) পর্যন্ত পরমাণুর নিউক্লিয়াসে প্রোটন এবং নিউট্রনের সংখ্যা মোটামুটি সমান কিন্তু এর পরের মৌলগুলোর ক্ষেত্রে চিত্রটা ভিন্ন, যেমন, আয়রনে (Fe) প্রোটন ২৬টি এবং নিউট্রন ৩০টি; জিঙ্কে (Zn) প্রোটন ৩০টা এবং নিউট্রন ৩৫টা; আবার ইউরেনিয়ামে (U) প্রোটন ৯২টা এবং নিউট্রন ১৪৬টা। এর কারন কি! আসলে পরমাণুর নিউক্লিয়াসে নিউট্রন এবং প্রোটন একে অপরকে ধরে রাখে, এবং নিউট্রন গুলো শুধুমাত্র তার পার্শবর্তী প্রোটনকে ধরে রাখে; তাই অল্প সংখ্যক প্রোটনকে ধরে রাখার জন্য সম পরিমাণ নিউট্রন যথেষ্ট। কিন্তু প্রোটনের সংখ্যা যখন অনেক বেড়ে যায় তখন তাদের মধ্যে সবল বলের প্রভাব কমে যায়, অপরদিকে বিকর্ষন বলের প্রভাব বেড়ে যায়, ফলে সম-পরিমান নিউট্রন তাদের ধরে রাখতে পারেনা। এজন্য অধিক প্রোটন তথা ভারী মৌলকে শান্ত রাখতে অধিক পরিমাণ নিউট্রন দরকার হয়।

কেন ইউরেনিয়াম-২৩৮ থেকে ইউরেনিয়াম-২৩৫ কম স্থিতিশীল? পরমাণুর নিক্লিয়াস তখন স্থিতিশীল হয় যখন এর মধ্যকার প্রোটন ও নিউট্রন গুলো জোড় বাধতে (Pair) পারে। তাই জোড় সংখ্যক প্রোটন এবং নিউট্রন বিশিষ্ট পরমাণু বেশি স্থিতিশীল হয়ে থাকে।

কিভাবে নিউক্লিয়াসে বাড়তি নিউট্রন যোগ করে ভারী মৌল তৈরি করা হয়? এক্ষেত্রে ভারী মৌলের নিউক্লিয়াসে নিউট্রন ছোড়া হয়, দুর্বল বলের (Weak Force) কারণে বিটা ক্ষয়ের মাধ্যমে বাড়তি নিউট্রনটি প্রোটনে পরিণত হয়। আর আমরা জানি প্রোটনের সংখ্যা বেড়ে যাওয়া মানেই নতুন মৌল। যেমন, ইউরেনিয়াম-৯২ পরমাণুতে যদি নিউট্রন যোগ করা হয়। এরপর উত্তেজিত অবস্থা কাটাতে নিউক্লিয়াসে বিটা ক্ষয় (Beta Decay) শুরু হবে, ফলে বাড়তি নিউট্রনটি প্রোটনে পরিণত হবে ফলে প্রোটন সংখ্যা হবে ৯৩। অর্থাৎ নেপচুনিয়াম-৯৩ (Np) পরমাণু তৈরি হলো। এখন কথা হচ্ছে সব মৌলের নিউক্লিয়াস নিউট্রন গ্রহন করেনা কিন্তু ইউরেনিয়ামের মত ভারী মৌলদের প্রোটন সংখ্যা অত্যধিক বেশি হওয়ায় এদের ম্যানেজ করার জন্য অতিরিক্ত নিউট্রনের চাহিদা থাকে ফলে এরা সহজেই নিউট্রন গ্রহন করে। ও হ্যা, এভাবে তৈরিকৃত মৌলদের ট্রান্সইউরেনিয়াম মৌল (Transuranium Elements) বলে।

Advertisements

3 thoughts on “মৌলিক পদার্থ থেকে তেজষ্ক্রিয়তা

  1. অসাধারণ কিন্তু এটা বুঝলাম না co -> ni এ p28 হওয়ার পরও n60 থাকে কিভাবে আর n কিভাবে p কে ধরে রাখে? দুর্বল নিউক্লীয় বলের (Weak Force) কারণে সাধারণত বিটা ক্ষয় হয়ে থাকে।কিন্তু কিভাবে?দুর্বল নিউক্লীয় বলটাই কি এবং এর ব্যাখ্যা চাচ্ছি plz.

    Like

মন্তব্য করুন...

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s