রাদারফোর্ডের পরমাণু মডেল

আমরা সবাই প্যাডিংয়ে বেরি দেখেছি। আগে মনে করা হতো যে, পরমাণুতে ইলেকট্রনগুলো একটি পুডিংয়ে বেরির মতো ধনাত্মক চার্জের উপর ছড়িয়ে থাকে। অন্য কথায়, পরমাণুর সারা অংশে ধনাত্মক চার্জ রয়েছে এবং ঋণাত্মক ইলেকট্রনগুলো এটির উপর অসমভাবে ছড়িয়ে থাকে, যেমন পুডিংয়ে বেরি। এই পরমাণুর মডেলের ধারণাটি প্লাম ইন পুডিং মডেল নামে পরিচিত। এই ধারণাটি J.J. Thomson দ্বারা প্রবর্তিত হয়েছিল, যিনি ইলেকট্রনের আবিষ্কারকও ছিলেন। প্লাম ইন পুডিং মডেল অনুযায়ী, পরমাণুর ধনাত্মক এবং ঋণাত্মক চার্জগুলো পরমাণুর শরীরের সারা অংশে ছড়িয়ে থাকে এবং পরমাণুতে কোনো গুচ্ছিত ভর থাকা উচিত নয়।
১৮৯৯ সালে, ম্যানচেস্টার বিশ্ববিদ্যালয়ের Ernest Rutherford ধনাত্মক চার্জযুক্ত হেলিয়াম আয়ন, যা যৌরেনিয়াম জাতীয় রেডিওঅ্যাক্টিভ পদার্থ থেকে নিঃসৃত হয়, আবিষ্কার করেন। এই আলফা কণাগুলো যখন জিঙ্ক সালফাইড দ্বারা আবৃত স্ক্রিনে প্রহর করে, তখন উজ্জ্বল স্পট তৈরি করে। যেহেতু পরমাণুতে কোনো গুচ্ছিত ভর নেই, তাই পূর্বানুমান করা হয়েছিল যে, যদি একটি পাতলা ধাতব ফোইলকে ধনাত্মক চার্জযুক্ত আলফা কণার দ্বারা বোম্বার্ড করা হয়, তাহলে সব আলফা কণাগুলো তাদের পথে বেশি বিক্ষেপণ ছাড়াই ফোইল পার হবে।

পরমাণুতে উৎপন্ন হওয়া ছোট বিদ্যুৎ ক্ষেত্র কণার গতিতে খুব বেশি প্রভাব ফেলতে পারে না। তাই পূর্বানুমান করা হয়েছিল যে, আলফা কণাগুলোর গতির পথে ১ ডিগ্রির কম বিক্ষেপণ হতে পারে। এই পূর্বানুমান দ্বারা Ernest Rutherford প্লাম ইন পুডিং মডেল যাচাই করার জন্য পরীক্ষা করার অনুপ্রাণিত হয়েছিলেন। তিনি তার সহকর্মী বিজ্ঞানী Ernest Marsden এবং Hans Geiger কে আদেশ দিয়েছিলেন যে, আলফা কণার দ্বারা একটি পাতলা ধাতব ফোইলকে বোম্বার্ড করে এই পূর্বানুমান যাচাই করতে। অনুসারে, Ernest Marsden এবং Hans Geiger একটি পরীক্ষা চালান এবং একটি ইতিহাস তৈরি করেন। তারা একটি পাতলা সোনার ফিল্মকে আলফা রশ্মি গানের সামনে রাখেন। তারা সোনার ফিল্মের চারপাশে একটি জিঙ্ক সালফাইড স্ক্রিন রাখেন যাতে আলফা কণাগুলো ফিল্মে প্রহর করলে উজ্জ্বল স্পট দেখা যায়। তারা একটি অন্ধকার ঘরে পরীক্ষা চালান। তারা পরীক্ষার সময় দেখেন যে, পূর্বানুমান অনুযায়ী, আলফা কণাগুলো ফিল্ম পার হয়ে পিছনের জিঙ্ক সালফাইড স্ক্রিনে প্রহর করছে।

কিন্তু স্ক্রিনে উজ্জ্বল স্পটগুলো গণনা করার পর তারা অপ্রত্যাশিত ফলাফল পেয়েছিলেন। সব আলফা কণাগুলো প্রত্যাশিত মতো সোনার ফোইল পার হয়নি। খুব কম শতাংশের আলফা কণাগুলো সোনার ফোইল পার হওয়ার সময় তাদের পথ পরিবর্তন করেছিল। কেবল তাদের পথ পরিবর্তন করার পাশাপাশি, খুব কম সংখ্যক কণা সোর্স বা আলফা গানের দিকে প্রত্যাবর্তন করেছিল। পর্যবেক্ষণের বিস্তারিত অধ্যয়নের পর, Ernest Marsden এবং Hans Geiger একটি প্রতিবেদন Ernest Rutherford কে জমা দেন। প্রতিবেদন পর্যবেক্ষণ এবং অধ্যয়নের পর, Rutherford পরমাণুর একটি ভিন্ন মডেল পূর্বানুমান করেন, যা Rutherford পরমাণুর মডেল নামে পরিচিত।

তিনি পূর্বানুমান করেন যে, যে আলফা কণাগুলো সরাসরি প্রত্যাবর্তন করেছিল, তারা কোনো বড় ভরের সাথে সংঘর্ষ করেছিল এবং সেই ভর ধনাত্মক চার্জযুক্ত হওয়া উচিত। এটি খুঁজে পাওয়া গেছে যে, কিছু প্রতিস্থাপিত আলফা কণাগুলো প্রত্যাবর্তন করেনি, তবে তারা একটি খুব বড় কোণে পরিচালিত হয়েছিল। বিভিন্ন কোণে পরিচালনা এবং এই কোণগুলোতে পরিচালিত হওয়া কণার সংখ্যা পর্যবেক্ষণ করে, তিনি পূর্বানুমান করেন যে, ধনাত্মক আলফা কণাগুলো তুলনামূলকভাবে বড় গুচ্ছিত ধনাত্মক চার্জ দ্বারা প্রভাবিত হয়েছিল। তিনি বলেছিলেন যে, ভর এবং ধনাত্মক চার্জের গুচ্ছন পরমাণুর একই স্থানে এবং এটি পরমাণুর কেন্দ্রে এবং তিনি এটিকে পরমাণুর নিউক্লিয়াস বলেছিলেন। তিনি আরও বলেছিলেন যে, কেন্দ্রীয় নিউক্লিয়াস বাদে, পরমাণুর সমস্ত স্থান খালি।

এই সোনার ফোইল পরীক্ষার পর, Rutherford পরমাণুর একটি আরও বাস্তব মডেল দিয়েছিলেন। এই মডেলটি Nuclear Atomic Model বা Planetary Model of Atom নামেও পরিচিত। এই মডেলটি ১৯১১ সালে দেওয়া হয়েছিল। Rutherford’s Atomic Model অনুযায়ী, পরমাণুর প্রায় সমস্ত ভর এই নিউক্লিয়াসে গুচ্ছিত হয়। এই নিউক্লিয়াস ধনাত্মক চার্জযুক্ত এবং এটি ছোট, হালকা ঋণাত্মক চার্জযুক্ত কণাগুলো দ্বারা ঘেরা, যারা ইলেকট্রন নামে পরিচিত। এই ইলেকট্রনগুলো প্লানেটারি সিস্টেমে গ্রহগুলো সূর্যের চারপাশে ঘুরে যেমন, নিউক্লিয়াসের চারপাশে ঘুরে। তাই এই মডেলটি Planetary Model of Atom নামেও পরিচিত।

নিউক্লিয়াসের ব্যাসার্ধ প্রায় ১০-১৩ সেমি। ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের চারপাশে ঘুরে যাওয়া বৃত্তাকার পথের ব্যাসার্ধ প্রায় ১০-১২ সেমি, যা ইলেকট্রনের ব্যাসার্ধের চেয়ে বড়। পরমাণুর ব্যাসার্ধ প্রায় ১০-৮ সেমি। তাই, প্লানেটারি সিস্টেমের মতো, পরমাণুও অত্যন্ত খোলা প্রকৃতির, যার ফলে এটি বিভিন্ন প্রকারের উচ্চ-গতির কণাগুলো দ্বারা বিদ্ধ হতে পারে। Rutherford’s Planetary Atomic Model নিম্নলিখিত চিত্রে দেখানো হল-

ধনাত্মক চার্জযুক্ত নিউক্লিয়াস এবং নিউক্লিয়াসের চারপাশে ঘুরে যাওয়া ঋণাত্মক চার্জযুক্ত ইলেকট্রনগুলোর মধ্যে একটি আকর্ষণ শক্তি রয়েছে। ধনাত্মক চার্জযুক্ত নিউক্লিয়াস এবং ঋণাত্মক চার্জযুক্ত ইলেকট্রনগুলোর মধ্যে এই বিদ্যুৎ-স্থানিক শক্তি সূর্য এবং সূর্যের চারপাশে ঘুরে যাওয়া গ্রহগুলোর মধ্যে মহাকর্ষ শক্তির মতো। এই প্লানেটারি পরমাণুর বেশিরভাগ অংশ খালি স্থান, যা ধনাত্মক চার্জযুক্ত ছোট কণাগুলো, যেমন আলফা কণাগুলোর পথে কোনো প্রতিরোধ প্রদান করে না।
পরমাণুর নিউক্লিয়াস খুব ছোট, ঘন এবং ধনাত্মক চার্জযুক্ত, যা ধনাত্মক চার্জযুক্ত কণাগুলোর বিক্ষেপণ ঘটায়। ধনাত্মক চার্জযুক্ত নিউক্লিয়াস দ্বারা ধনাত্মক চার্জযুক্ত আলফা কণাগুলোর বিক্ষেপণের এই ঘটনা, Ernest Rutherford দ্বারা পর্যবেক্ষিত সোনার ফোইল দ্বারা ধনাত্মক চার্জযুক্ত আলফা কণাগুলোর বিক্ষেপণকে ব্যাখ্যা করে। Ernest Rutherford Atomic Model ইংরেজ পদার্থবিদ Sir J.J. Thomson দ্বারা দেওয়া Thomson’s Plum Pudding model পরিবর্তন করেছিল।

Ernest Rutherford এর পরমাণুর মডেল অনুযায়ী, ইলেকট্রনগুলো পরমাণুর ভরের সাথে সংযুক্ত নয়। ইলেকট্রনগুলো স্থির থাকতে পারে বা নিউক্লিয়াসের চারপাশে বৃত্তাকার পথে ঘুরতে পারে। কিন্তু যদি ইলেকট্রনগুলো স্থির থাকে, তাহলে ইলেকট্রন এবং নিউক্লিয়াসের মধ্যে আকর্ষণ শক্তির কারণে তারা নিউক্লিয়াসে পড়ে যেতে হবে। অন্যদিকে, যদি ইলেকট্রনগুলো বৃত্তাকার পথে ঘুরে, তাহলে বৈদ্যুত-চৌম্বক তত্ত্ব অনুযায়ী, ইলেকট্রনের ত্বরিত চার্জ তার শক্তি স্থায়ীভাবে হারাতে থাকবে এবং নিউক্লিয়াসে পড়ে যাবে, যা নিম্নলিখিত চিত্রে দেখানো হয়েছে Rutherford Atomic Model fails to explain why electrons are not fallen into positively charge nucleus.