বোর মডেল
পারমাণবিক পদার্থবিদ্যায় সর্বপ্রথম, নীলস বোর, ১৯১৩ সালে পরমাণুর “বোর মডেল” বা রাদারফোর্ড-বোর মডেল উপস্থাপন করেন। তিনি দেখান পরমাণু একটি ধনাত্বক আধানযুক্ত নিউক্লিয়াস এবং তাকে কেন্দ্র করে প্রদক্ষিণরত ইলেকট্রন দ্বারা তৈরি ক্ষুদ্র কণিকা যেখানে ইলেকট্রনগুলো কতগুলি কক্ষপথে নিউক্লিয়াসের চারপাশে সৌরজগতের মতই ঘুর্নায়মান; কিন্তু মহাকর্ষ বলের পরিবর্তে এখানে ক্রিয়াশীল থাকে স্থিরবৈদ্যুতিক বল। ১৯০২ সালে কিউবিক মডেল, ১৯০৪ সালে প্লাম-পুডিং মডেল এবং স্যাটার্নিয়ান মডেল আর ১৯১১ সালে রাদারফোর্ড মডেল এর পরবর্তিতে ১৯১৩ সালে বোর তার এ মডেল উপস্থাপন করেন। রাদারফোর্ড মডেলের উন্নতি সাধনের মাধ্যমে এবং কোয়ান্টাম পদার্থবিদ্যা সমন্বয়ে তিনি এ তত্ব দেন। পরবর্তিতে বোর মডেল বাতিল করা হলেও কোয়ান্টাম থিওরি টিকে থাকে।
এই মডেলের সার্থকতা হল এটি হাইড্রোজেন পরমাণুর বর্নালী, রাইডবার্গ সুত্র দ্বারা প্রমান করতে সক্ষম হয়। রাইডবার্গ সুত্র পরিক্ষামুলকভাবে পরিচিত থাকলেও তাত্বিকভাবে এটি বোর মডেল প্রকাশের পুর্বে সফলতা অর্জন করে নি। বোর মডেল শুধুমাত্র রাইডবার্গ সুত্রের গঠনের-ই ব্যখ্যা করে না, বিভিন্ন ধ্রুবকের সাপেক্ষে এর পরিবর্তনের ও ব্যাখ্যা করে।
বিংশ শতাব্দির প্রথমভাগে আর্নেস্ট রাদারফোর্ড এর পরীক্ষার মাধ্যমে এটি পরীক্ষিত যে পরমাণু মূলত ঋণাত্বক আধানযুক্ত ইলেক্ট্রন পরিবেষ্টিত ক্ষুদ্রাকার, ঘন, ধনাত্বক আধানযুক্ত একটি নিউক্লিয়াস। এ পরীক্ষিত উপাত্তের উপর ভিত্তি করে রাদারফোর্ড ১৯১১ সালে ইলেকট্রনের কক্ষপথে ঘুর্নায়মান পরমাণু মডেল উপস্থাপন করেন। তিনি এ মডেল কে সৌরজগতের সাথে তুলনা করেন, কিন্তু এ তুলনার কিছু ত্রুটি থেকে যায়। শাস্ত্রীয় বলবিজ্ঞানের সূত্রমতে (লার্মর সুত্র), নিউক্লিয়াসকে প্রদক্ষিনকালে ইলেকট্রন তড়িৎচুম্বকীয় বিকিরণ করতে থাকবে আর ক্রমাগত শক্তি হারানোর কারণে ইলেকট্রন একটি সর্পিল পথে ১৬ পিকোসেকেন্ডে নিউক্লিয়াসে পতিত হবে। এটি একটি বিপ্লবী মডেল কারণ এটি দেখায় যে প্রত্যেক পরমাণুই পরিবর্তনশীল।
এছাড়া, যেহেতু সর্পিল পথে কেন্দ্রমুখী গমনের কারণে ভ্রমনের কক্ষপথ প্রতিনিয়ত ছোট হতে থাকে, বিকিরনের কম্পাঙ্ক প্রতিনিয়ত বাড়তে থাকবে । অর্থাৎ এটি তড়িৎচুম্বকীয় বিকিরণের কম্পাঙ্কে পরিবর্তন আনে। ১৯ শতকের শেষভাগে ইলেকট্রিক ডিসচার্জ নিয়ে আরও গবেষনায় দেখা যায় যে পরমাণু একটি নির্দিষ্ট কম্পাঙ্কের আলো বিকিরন করে (যা তড়িৎচুম্বকীয় বিকিরন)।
এ সকল সমস্যার সমধানের জন্য ১৯১৩ সালে নীল্‌স বোর তার বোর-মডেল উপস্থাপন করেন। তিনি বলেন যে, ইলেকট্রনের পরিভ্রমনের কতগুলো নির্দিষ্ট নিয়ম থাকবেঃ
formula_1 যেখানে "h" হল প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক।
কোন নির্দিষ্ট সময় “T” এর মাঝে তড়িতবিকিরনের কম্পাঙ্কের পরিবর্তন হবে শাস্ত্রীয় বলবিদ্যা আনুসারে formula_2
বোর-মডেলের তাৎপর্য এই যে, এখানে ইলেকট্রন কতগুলো কোয়ান্টাম সূত্রমতে শাস্ত্রীয় বলবিদ্যা অনুসারে নিউক্লিয়াসের চারপাশে ঘুরতে থাকে। যদিও ৩ নং সুত্র উপশক্তিস্তরের সঠিক ধারণা দিতে সক্ষম নয়, বোর ৩ নং সুত্রের সাহায্যে দুই শক্তিস্তরের শক্তির পার্থক্য ব্যখ্যা করেন এবং একটি কোয়ান্টাম সুত্রের অবতারনা করেন যে, কৌণিক ভরবেগ “L” হবে কোন নির্দিষ্ট সংখ্যার পুর্নগুনিতক।
যেখানে "n" = 1, 2, 3, ... হচ্ছে প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা, এবং "ħ" = "h"/2π। "n" এর সর্বনিম্ন মান ১;ফলে সবচে ছোট কক্ষপথের ব্যাসার্ধ হয় ০.০৫২৯ ন্যানোমিটার যা বোর ব্যাসার্ধ নামে পরিচিত। যখন একটি ইলেকট্রন এই সর্বনিম্ন কক্ষপথে অবস্থান করে, এটি নিউক্লিয়াসের কাছাকাছি আর যেতে পারে না। কৌণিক ভরবেগের কোয়ান্টাম নীতি থেকে বোর Bohr হাইড্রোজেন পরমাণু ও অন্যান্য হাইড্রোজেন-সম পরমাণু ও আয়নের নির্দিষ্ট কক্ষপথের শক্তি নির্নয় করতে সক্ষম হন।
১৯২৪ সালে দে ব্রগলির স্থিরতরঙ্গ তত্ব মূলত, বোর প্রদত্ত সুত্র, কৌণিক ভরবেগ, "ħ" এর পুর্নগুনিতক এর পুনরায় প্রতিফলন ঘটায়ঃ ইলেক্ট্রনকে দেখানো হয় একটি তরঙ্গ হিসেবে যার সম্পুর্ন তরঙ্গদৈরঘ্য তার কক্ষপথের পরিধির অভ্যন্তরে থাকবে
দে ব্রগলির তরঙ্গদৈর্ঘ্য, "λ" = "h"/"p" কে পরিবর্তন করলে বোরের নীতি পাওয়া যায়। ১৯১৩ সালে বোর তার নীতি কে ততকালীন নিয়মের সাহায্যে প্রমান করলেও এর তরঙ্গের ব্যাপারে কোন ধারণা দেন নি। ১৯১৩ সালে ইলেকট্রন বা এরকম বস্তুর তরঙ্গধর্ম উত্থাপিত হয় নি।
১৯২৫ সালে কোয়ান্টাম বলবিদ্যা উপস্থাপিত হউ যেখানে কোয়ান্টাইজ্‌ড কক্ষপথে ইলেকট্রনের বিচরনের বোর-মডেল কে ইলেকট্রনের গতিপথের আরও সঠিক মডেলে রুপান্তর করা হয়। এই নতুন তত্ব উত্থাপন করেন ওয়ার্নার হাইজেনবার্গ। আস্ট্রেলিয়ান পদার্থবিদ আরউইন শ্রুডিঙ্গার একই তত্বের ভিন্ন রুপ, তরঙ্গ তত্ব স্বাধীনভাবে এবং ভিন্ন যুক্তি দিয়ে উত্থাপন করেন। তিনি দে ব্রগলির পদার্থের তরঙ্গকে ব্যবহার করে একটি ত্রি-মাত্রিক সমীকরনের সমাধান খুজছিলেন যা হাইড্রোজেন-সম পরমাণুর নিউক্লিয়াসের ধনাত্বক আধানের প্রভাবে ঘুর্নায়মান ইলেকট্রন সমুহ কে ব্যখ্যা করে।
আলো থেকে অনেক কম গতিসম্পন্ন এবং পরস্পরকে প্রদক্ষিনরত দুটি চার্জিত কনার ক্ষেত্রে বোর-মডেল প্রায় সঠিক ফলাফল দিতে পারে। শুধুমাত্র হাইড্রোজেন পরমাণুর মত একক-ইলেক্ট্রন বিশিষ্ট পরমাণু কিংবা একক আয়নযুক্ত হিলিয়াম বা দ্বিত্ব-আয়নযুক্ত লিথিয়াম ছাড়াও পসিট্রনিয়াম ও যেকোনো পরমাণুর রাইডবার্গ অবস্থার ক্ষেত্রেও এটি প্রযোজ্য যেখানে একটি ইলেক্ট্রন অন্য যে কোন কিছুর থেকে অনেক দূরে অবস্থিত। কে-লাইন হতে এক্স-রে রুপান্তরের গননায় একে ব্যবহার করা যায় যদি অন্যান্য ধারনাগুলো সংযোগ করা হয়(দেখুন, মোসলের নীতি)। উচ্চ শক্তি পদার্থবিদ্যায় হেভি কোয়ার্ক মেসন এর ভর নির্নয়ে একে ব্যবহার করা যায়।
কক্ষপথের গননায় দুইটি অনুমানের প্রয়োজন।
এখানে ধারনা করা হয় যে, নিউক্লিয়াসের ভর ইলেক্ট্রনের ভর অপেক্ষা অনেক বেশি। এই সমীকরন যেকোন ব্যসার্ধ্যে ইলেকট্রনের গতি নির্নয় করেঃ
• কোয়ান্টাম নীতি
হাইড্রোজেন পরমাণুর সর্বনিম্ন কক্ষপথে () অবস্থিত ইলেকট্রনের শক্তি নিউক্লিয়াস হতে অসীম দূরত্বে অবস্থিত নিশ্চল ইলেকট্রনের তুলনায় প্রায় ১৩.৬ eV কম। পরবর্তি শক্তিস্তরের () ক্ষেত্রে এর মান -৩.৪ eV, এবং এর পরের শক্তিস্তরের ("n" = 3) ক্ষেত্রে এর মান হয় -১.৫১ eV। “n” এর বৃহত্তর মানের জন্য এটি হচ্ছে, বড় কক্ষপথে ঘুর্নায়মান একটি ইলেকট্রন সম্পন্ন উত্তেজিত পরমাণু সমূহের বন্ধন শক্তি।
শক্তির এ সূত্রে ব্যবহৃত সাধারণ ধ্রুবকগুলোর এ সমাহার কে বলা হয় রাইডবার্গ এনার্জি ("R"):
এই অভিব্যক্তি যাচাইকৃত হয় আরও সমন্বয়ের মাধ্যমে যা আরও সাধারন একক গঠন করেঃ
যেহেতু নিক্লিয়াসের চারপাশে একটি ইলেকট্রন ঘুর্নায়মান (এই তত্বের ক্ষেত্রে), সেহেতু ইলেকট্রনের চার্জ "q" = "Z e" (যেখানে, “Z” হচ্ছে পারমাণবিক সংখ্যা)হলে আমরা হাইড্রোজেন-সম পরমাণুর শক্তিস্তরের আসল মাত্রার একটি গড়পড়তা ধারনা পাওয়া যায়। তাই “Z” প্রোটন সমৃদ্ধ নিউক্লিয়াসের ক্ষেত্রে শক্তিস্তর হবে (গড়পড়তা হিসাব) :
একটির অধিক ইলেকট্রনের ক্ষেত্রে শক্তিস্তরগুলোকে সঠিকভাবে বিশ্লেষন করা সম্ভব নয় কারণ এক্ষেত্রে ইলেকট্রনগুলো শুধুমাত্র নিউক্লিয়াস দ্বারাই আকৃষ্ট হয় না, কুলম্ব বল এর কারণে পরস্পর পরস্পরের উপর প্রভাব ফেলে।
বোর নীতি ইলেকট্রনের ভরের পরিবর্তে এর হ্রাসকৃত ভর কে সঠিক ভাবে ব্যবহার করেঃ formula_18। এ সংখ্যাগুলো প্রায় সমান কারণ ইলেকট্রনের তুলনার প্রোটনের ভর প্রায় ১৮৩৬.১ গুন বেশি। এই ব্যাপারটি ঐতিহাসিক ভাবে গুত্বপূর্ন কারণ এটি রাদারফোর্ড কে বওর মডেলের গুরুত্ব বুঝতে সাহায্য করে। এটি ব্যখ্যা করে যে একক-আয়নিত হিলিয়ামের স্পেক্ট্রামে উৎপন্য রেখা হাইড্রোজেনের ৪ নং ফ্যাক্টরের স্পেক্ট্রামে উৎপন্য রেখা মুলত একই রকম।
পজিট্রনিয়ামের জন্যও সূত্রটি হ্রাসকৃত ভর ব্যবহার করে, কিন্তু এক্ষেত্রে এটি হয় ইলেকট্রনের ভরের দ্বি-গুন। এই ব্যাসার্ধের যেকোনো মানের জন্য ইলেকট্রন এবং পজিট্রন উভয়েই তাদের সাধারণ গতির অর্ধেক গতিতে তাদের সাধারণ ভরকেন্দ্রকে প্রদক্ষিন করতে থাকে। এ সময় গতিশক্তি থাকে সাধারন গতিশক্তির এক-চতুর্থাংশ। মোট গতিশক্তি হবে একটি ভারী নিউক্লিয়াসকে কেন্দ্র করে ঘুর্নায়মান একটি ইলেকট্রনের গতিশক্তির অর্ধেক।
বোরের তত্ত্বে, ইলেকট্রনের এক শক্তিস্তর থেকে অন্য স্তরে অবস্থান্তর বা কোয়ান্টাম লাফ এর ফলে উদ্ভূত শক্তির পরিবর্তন কে ব্যখ্যা করতে রাইডবার্গ সূত্র ব্যবহার করা হয়। এ সূত্র এর আগেও পরিচিত ছিল। বোরের সূত্র, ইলেকট্রনের চার্জ ও প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক এর মতো আরও কয়টি মৌলিক ধ্রুবকের সাহায্যে, ইতোমধ্যেই জানা এবং পরিমাপকৃত রাইডবার্গ ধ্রুবক এর সংখ্যাতত্ত্বীয় মান দেয়।
যখন ইলেকট্রনকে তার অবস্থান থেকে উচ্চতর স্তরে নিয়ে যাওয়া হয়, এটি তার নিজের স্তরে ফিরে আসার আগ পর্যন্ত সকল স্তরে লাফ দিয়ে যায়, যার ফলে একটি ফোটন নিঃসরন হয়। হাইড্রোজেনের বিভিন্ন শক্তিস্তরের সূত্র থেকে হাইড্রোজেনের বিকির্ন আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য পাওয়া যায়।
হাইড্রোজেনের দুইটি শক্তিস্তরের শক্তির পার্থক্য থেকে হাইড্রোজেন পরমাণু হতে নিঃসৃত ফোটন কনার শক্তি নির্নয় করা যায়ঃ
যেখানে "n" হল সর্বশেষ শক্তিস্তর, এবং "n" হল সর্বপ্রথম শক্তিস্তর.
যেহেতু ফোটন এর শক্তি হল,
নিঃসৃত ফোটনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য হবে,
এটি রাইডবার্গ সূত্র নামে পরিচিত, এবং রাইডবার্গ ধ্রুবক "R" হল সাধারন একক এ formula_23, বা formula_24। এই তত্ত্ব ১৯ শতকের স্পেক্ট্রোস্কোপি নিয়ে গবেষনারত বিজ্ঞানীদের কাছে পরিচিত ছিল, কিন্তু বোরের পূর্বে এর কোন তাত্ত্বিক ব্যখ্যা কিংবা R এর মান সংক্রান্ত কোন তাত্ত্বিক ধারণা কেউ দেন নি। বিভিন্ন স্পেক্ট্রাল রেখা যেমন লাইম্যান (formula_25), বামার (formula_26), পাশ্চেন (formula_27) এর উপর পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষনের উপর ভিত্তি করে বোর সূত্র গঠিত হয়। তখনও পর্যন্ত অন্য রেখাগুলো পর্যবেক্ষন করা হয় নি বলে বোরের মডেল সাথে সাথে গ্রহন করা হয়।
একের অধিক ইলেক্ট্রন সম্পন্ন পরমাণুর ক্ষেত্রে, রাইডবার্গ সূত্রের পরিবর্তন করা যায় "Z" এর স্থানে "Z − b" অথবা "n" এর স্থানে "n − b" বসিয়ে, যেখানে b একটি ধ্রুবক যা অন্তর্গত-শেল ও অন্যান্য ইলেকট্রনের প্রভাবে স্ক্রীনিং ইফেক্ট কে প্রদর্শন করে। বোর তার মডেল উপস্থাপনের পুর্বে এটি প্রায়োগিকভাবে প্রতিষ্ঠিত ছিল।