পরীক্ষার বর্ণনা:

1911 খ্রিস্টাব্দে বিজ্ঞানী রাদারফোর্ড একটি শূন্য পাত্রের মধ্যে একটি অত্যন্ত পাতলা সোনার পাত (প্রায় $0.0004$ mm পুরু) রাখেন। এর পিছন দিকে একটি বৃত্তাকার জিঙ্ক সালফাইড (ZnS) প্রলেপযুক্ত পর্দা রাখেন। এরপর একটি তেজস্ক্রিয় মৌল (যেমন রেডিয়াম বা পোলোনিয়াম) থেকে নির্গত উচ্চগতিসম্পন্ন ধনাত্মক আলফা ($\alpha$) কণার স্রোতকে ওই সোনার পাতের ওপর চালনা করেন।

পর্যবেক্ষণ:

• অধিকাংশ কণা: প্রায় 99% আলফা কণা কোনো রকম দিক পরিবর্তন না করে সোনার পাত ভেদ করে সোজা বেরিয়ে গিয়ে পেছনের পর্দায় আঘাত করে প্রতিপ্রভা সৃষ্টি করে।
• কিছু কণা: খুব অল্প সংখ্যক আলফা কণা তাদের সরলরৈখিক পথ থেকে সামান্য কোণে (বিক্ষিপ্ত হয়ে) বেঁকে যায়।
• খুবই সামান্য কণা: প্রায় 20,000 এর মধ্যে 1টি কণা 90° এর বেশি কোণে, এমনকি 180° কোণে সম্পূর্ণ বিপরীত দিকে ফিরে আসে।

সিদ্ধান্তসমূহ:

• ১. যেহেতু বেশিরভাগ আলফা কণা সোনার পাত ভেদ করে সোজা বেরিয়ে যায়, তাই বলা যায় পরমাণুর বেশিরভাগ অংশই ফাঁপা বা শূন্যস্থান।
• ২. আলফা কণা ধনাত্মক আধানযুক্ত। সমজাতীয় আধান পরস্পরকে বিকর্ষণ করে। যেহেতু খুব কম সংখ্যক আলফা কণা বিক্ষিপ্ত হয়ে ফিরে আসে, তাই পরমাণুর কেন্দ্রে অত্যন্ত ক্ষুদ্র স্থানে সমস্ত ধনাত্মক আধান এবং প্রায় সম্পূর্ণ ভর পুঞ্জীভূত থাকে। রাদারফোর্ড পরমাণুর এই ভারী ও ধনাত্মক কেন্দ্রের নাম দেন নিউক্লিয়াস (Nucleus) বা কেন্দ্রক।
• ৩. পরমাণুর মোট আয়তনের তুলনায় নিউক্লিয়াসের আয়তন অতি নগণ্য (পরমাণুর ব্যাসার্ধ নিউক্লিয়াসের ব্যাসার্ধের প্রায় $10^5$ গুণ বড়)।
• ৪. নিউক্লিয়াসের বাইরে থাকা ফাঁকা স্থানে অতি হালকা ঋণাত্মক ইলেকট্রনগুলি অবস্থান করে, যারা ভারী আলফা কণার গতিপথে কোনো বাধা সৃষ্টি করতে পারে না।

রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল (Planetary Model):

আলফা কণা বিচ্ছুরণ পরীক্ষার ওপর ভিত্তি করে রাদারফোর্ড যে মডেল প্রস্তাব করেন তা হলো:

• ১. নিউক্লিয়াস: পরমাণুর কেন্দ্রে একটি অতি ক্ষুদ্র, ভারী ও ধনাত্মক আধানযুক্ত অংশ আছে, যাকে নিউক্লিয়াস বা কেন্দ্রক বলে। পরমাণুর প্রায় সমস্ত ভর এবং ধনাত্মক আধান এখানেই অবস্থান করে।
• ২. ইলেকট্রন মহল: নিউক্লিয়াসের বাইরে পরমাণুর বিশাল ফাঁকা স্থানে ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রনগুলি অবস্থান করে।
• ৩. নিস্তরিৎ পরমাণু: নিউক্লিয়াসে থাকা মোট ধনাত্মক আধানের পরিমাণ এবং বাইরে ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রনগুলির মোট ঋণাত্মক আধানের পরিমাণ সমান হয়, তাই পরমাণু নিস্তরিৎ হয়।
• ৪. ইলেকট্রনের ঘূর্ণন: সৌরজগতে সূর্যের চারদিকে গ্রহগুলি যেমন ঘোরে, তেমনি ইলেকট্রনগুলি নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে বিভিন্ন বৃত্তাকার কক্ষপথে প্রচণ্ড বেগে ঘোরে। এর ফলে সৃষ্ট অপকেন্দ্র বল এবং নিউক্লিয়াসের স্থির-তড়িৎ আকর্ষণ বল পরস্পর সমান হয়।

রাদারফোর্ড মডেলের ত্রুটিসমূহ:

• ১. পরমাণুর স্থায়িত্বের ব্যাখ্যায় ব্যর্থতা: ম্যাক্সওয়েলের তড়িৎচুম্বকীয় তত্ত্ব অনুযায়ী, কোনো আধানযুক্ত কণা (যেমন ইলেকট্রন) বৃত্তাকার পথে ত্বরণ নিয়ে ঘুরলে তা নিরবচ্ছিন্নভাবে শক্তি বিকিরণ করবে। ফলে ইলেকট্রনের শক্তি কমতে থাকবে এবং তার কক্ষপথের ব্যাসার্ধ ছোটো হতে হতে একসময় তা সর্পিলাকার পথে নিউক্লিয়াসে আছড়ে পড়বে। এর ফলে পরমাণুর ধ্বংস হওয়ার কথা, কিন্তু বাস্তবে পরমাণু অত্যন্ত স্থায়ী। রাদারফোর্ডের মডেল এর কোনো ব্যাখ্যা দিতে পারেনি।
• ২. বর্ণালির ব্যাখ্যায় ব্যর্থতা: ইলেকট্রন নিরবচ্ছিন্নভাবে শক্তি বিকিরণ করলে পরমাণুর বর্ণালি নিরবচ্ছিন্ন (Continuous spectrum) হওয়ার কথা। কিন্তু বাস্তবে মৌলের বর্ণালি রেখা-বর্ণালি (Line spectrum) বা বিচ্ছিন্ন হয়। রাদারফোর্ড মডেল এটি ব্যাখ্যা করতে ব্যর্থ হয়।
• ৩. কক্ষপথের সুনির্দিষ্ট ধারণা নেই: ইলেকট্রনগুলি ঠিক কোন্ কক্ষপথে ঘুরবে এবং তাদের বেগ বা শক্তি কেমন হবে, সে সম্পর্কে এই মডেলে কোনো স্পষ্ট ধারণা দেওয়া হয়নি।

বোরের পরমাণু মডেলের স্বীকার্য:

রাদারফোর্ড মডেলের ত্রুটি দূর করতে নীলস বোর প্ল্যাঙ্কের কোয়ান্টাম তত্ত্বের সাহায্যে নতুন মডেল প্রস্তাব করেন:

• ১. নির্দিষ্ট স্থায়ী কক্ষপথ (Stationary Orbits): ইলেকট্রনগুলি নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে যে-কোনো বৃত্তাকার কক্ষপথে ঘুরতে পারে না। তারা কেবল কয়েকটি নির্দিষ্ট ব্যাসার্ধের এবং নির্দিষ্ট শক্তিসম্পন্ন বৃত্তাকার কক্ষপথেই আবর্তন করে। এই কক্ষপথগুলিকে স্থায়ী কক্ষ বা শক্তিস্তর (K, L, M, N...) বলে।
• ২. শক্তির অবিকিরণ: একটি নির্দিষ্ট স্থায়ী কক্ষপথে আবর্তনের সময় ইলেকট্রন কোনো শক্তি বিকিরণ বা শোষণ করে না। অর্থাৎ প্রতিটি কক্ষপথের শক্তি নির্দিষ্ট থাকে।
• ৩. কৌণিক ভরবেগের কোয়ান্টাইজেশন: স্থায়ী কক্ষপথে ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রনের কৌণিক ভরবেগ (\(mvr\)) সর্বদা \(\frac{h}{2\pi}\) এর সরল গুণিতক হয়। অর্থাৎ, $mvr = \frac{nh}{2\pi}$ (যেখানে n=1, 2, 3... এবং h=প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক)।
• ৪. শক্তির বিকিরণ বা শোষণ: ইলেকট্রন যখন কোনো উচ্চ শক্তিস্তর থেকে নিম্ন শক্তিস্তরে লাফ দেয়, তখনই কেবল নির্দিষ্ট পরিমাণ শক্তি ফোটন আকারে বিকিরিত হয়। বিপরীতভাবে, শক্তি শোষণ করে ইলেকট্রন নিম্ন থেকে উচ্চ শক্তিস্তরে যেতে পারে।

১. আইসোটোপ (Isotopes):

একই মৌলের যেসব পরমাণুর পারমাণবিক সংখ্যা (প্রোটন সংখ্যা) সমান কিন্তু নিউট্রন সংখ্যা ভিন্ন হওয়ায় ভরসংখ্যা আলাদা হয়, তাদের আইসোটোপ বা সমস্থানিক বলে। এদের রাসায়নিক ধর্ম একই হয়।
উদাহরণ: সাধারণ হাইড্রোজেন (${}_{1}^{1}H$) এবং ডয়টেরিয়াম (${}_{1}^{2}H$)।

২. আইসোবার (Isobars):

ভিন্ন মৌলের যেসব পরমাণুর ভরসংখ্যা সমান কিন্তু পারমাণবিক সংখ্যা আলাদা, তাদের আইসোবার বলে। এদের ভৌত ও রাসায়নিক ধর্ম আলাদা হয়।
উদাহরণ: আর্গন (${}_{18}^{40}Ar$) এবং ক্যালসিয়াম (${}_{20}^{40}Ca$)।

৩. আইসোটোন (Isotones):

ভিন্ন মৌলের যেসব পরমাণুর নিউট্রন সংখ্যা সমান কিন্তু পারমাণবিক সংখ্যা ও ভরসংখ্যা আলাদা, তাদের আইসোটোন বলে।
উদাহরণ: সিলিকন (${}_{14}^{30}Si$) এবং ফসফরাস (${}_{15}^{31}P$)। (উভয়েরই নিউট্রন সংখ্যা 16)।

ইলেকট্রন বিন্যাসের নিয়মাবলী:

• ১. কোনো পরমাণুর বিভিন্ন কক্ষে (K, L, M...) সর্বোচ্চ ইলেকট্রন ধারণ ক্ষমতা $2n^2$ সূত্র মেনে চলে (যেখানে n হলো কক্ষের ক্রমিক সংখ্যা)।
  K কক্ষে (n=1) সর্বোচ্চ: $2(1)^2 = 2$ টি।
  L কক্ষে (n=2) সর্বোচ্চ: $2(2)^2 = 8$ টি।
  M কক্ষে (n=3) সর্বোচ্চ: $2(3)^2 = 18$ টি।
• ২. পরমাণুর সর্ববহিঃস্থ কক্ষে (যোজ্যতা কক্ষে) 8 টির বেশি ইলেকট্রন থাকতে পারে না (এমনকি $2n^2$ সূত্র অনুযায়ী তার ধারণ ক্ষমতা বেশি হলেও)। যদি সবচেয়ে বাইরের কক্ষটি K-কক্ষ হয়, তবে সেখানে 2 টির বেশি ইলেকট্রন থাকতে পারে না।
• ৩. পরমাণুর সর্বশেষ কক্ষের আগের কক্ষে (Penultimate shell) 18 টির বেশি ইলেকট্রন থাকতে পারে না।
• ৪. ভিতরের কক্ষগুলি ইলেকট্রন দ্বারা পূর্ণ না হওয়া পর্যন্ত বাইরের নতুন কোনো কক্ষে ইলেকট্রন প্রবেশ করতে পারে না।

নিউট্রন সংখ্যা নির্ণয়:

আমরা জানি, নিউট্রন সংখ্যা (N) = ভরসংখ্যা (A) - পরমাণু ক্রমাঙ্ক (Z)।

• প্রথম পরমাণু (ধরি X): A = 31, Z = 15। নিউট্রন (N) = 31 - 15 = 16। পরমাণুটি হলো ${}_{15}^{31}X$।
• দ্বিতীয় পরমাণু (ধরি Y): A = 32, Z = 16। নিউট্রন (N) = 32 - 16 = 16। পরমাণুটি হলো ${}_{16}^{32}Y$।
• তৃতীয় পরমাণু (ধরি Z'): A = 34, Z = 16। নিউট্রন (N) = 34 - 16 = 18। পরমাণুটি হলো ${}_{16}^{34}Z'$।

আইসোটোপ ও আইসোটোন চিহ্নিতকরণ:

আইসোটোপ: দ্বিতীয় (${}_{16}^{32}Y$) এবং তৃতীয় (${}_{16}^{34}Z'$) পরমাণু দুটির পরমাণু ক্রমাঙ্ক (16) সমান কিন্তু ভরসংখ্যা আলাদা। তাই দ্বিতীয় ও তৃতীয় পরমাণু দুটি হলো আইসোটোপ (এরা মূলত সালফারের আইসোটোপ)।

আইসোটোন: প্রথম (${}_{15}^{31}X$) এবং দ্বিতীয় (${}_{16}^{32}Y$) পরমাণু দুটির নিউট্রন সংখ্যা সমান (উভয়েরই 16)। তাই প্রথম ও দ্বিতীয় পরমাণু দুটি হলো আইসোটোন।

বৈশিষ্ট্যের তুলনা:

নিউক্লিয়াসের স্থায়িত্বের সমস্যা:

পরমাণুর কেন্দ্রে অতি ক্ষুদ্র আয়তনের নিউক্লিয়াসের মধ্যে একাধিক প্রোটন (ধনাত্মক আধান) এবং নিউট্রন (নিস্তরিৎ) গাদাগাদি করে অবস্থান করে। কুলম্বের স্থির-তড়িৎ সূত্র অনুযায়ী, সমজাতীয় আধানযুক্ত প্রোটনগুলির মধ্যে তীব্র বিকর্ষণ বল কাজ করার কথা, যার ফলে নিউক্লিয়াসটি ভেঙে যাওয়ার উপক্রম হয়। কিন্তু বাস্তবে নিউক্লিয়াস অত্যন্ত স্থায়ী।

নিউক্লীয় বল ও মেসন তত্ত্ব:

জাপানি বিজ্ঞানী হিদেকি ইউকাওয়া (Hideki Yukawa) মেসন তত্ত্বের সাহায্যে নিউক্লিয়াসের এই স্থায়িত্ব ব্যাখ্যা করেন। তাঁর মতে:

• ১. নিউক্লিয়াসের মধ্যে প্রোটন ও নিউট্রনগুলির মধ্যে অবিরাম পায়-মেসন ($\pi$-meson) নামক একপ্রকার অতিপারমাণবিক কণার আদান-প্রদান চলতে থাকে।
• ২. এই অবিরাম আদান-প্রদানের ফলে প্রোটনগুলি নিউট্রনে এবং নিউট্রনগুলি প্রোটনে খুব দ্রুত রূপান্তরিত হতে থাকে।
• ৩. এই দ্রুত রূপান্তরের ফলে নিউক্লিয়নগুলির (প্রোটন ও নিউট্রন) মধ্যে একটি অত্যন্ত শক্তিশালী আকর্ষণ বলের সৃষ্টি হয়, যাকে নিউক্লীয় বল (Nuclear force) বলে।
• ৪. এই নিউক্লীয় আকর্ষণ বল প্রোটনগুলির পারস্পরিক স্থির-তড়িৎ বিকর্ষণ বলের চেয়ে অনেক বেশি শক্তিশালী হয় (প্রায় 100 গুণ বেশি)। ফলে নিউক্লিয়নগুলি দৃঢ়ভাবে একসঙ্গে আবদ্ধ থাকে এবং নিউক্লিয়াস স্থায়িত্ব লাভ করে। এটি কেবল খুব কম দূরত্বেই (ফার্মি রেঞ্জ, $10^{-15}$ m) কার্যকর হয়।