শক্তি কোয়ান্টা হল সবচেয়ে ছোট শক্তির একক যা পদার্থিক প্রক্রিয়াগুলিতে স্থানান্তর বা বিনিময় করা যায়। এগুলি কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের ভিত্তি, যা উপ-পরমাণু স্তরে বস্তু ও শক্তির আচরণ বর্ণনা করে। শক্তি কোয়ান্টা কে কোয়ান্টা, কোয়ান্টাম, বা শক্তির প্যাকেটও বলা হয়।

কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞান ২০শ শতাব্দীর শুরুতে একটি নতুন পদার্থবিজ্ঞানের শাখা হিসেবে উদ্ভূত হয়েছিল, যা নিউটন ও ম্যাক্সওয়েলের শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞানের চ্যালেঞ্জ করেছিল। শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান কিছু ঘটনা, যেমন গরম বস্তু থেকে আলোর নির্গমন, পরমাণুর স্থিতিশীলতা, এবং বিকিরণের বিচ্ছিন্ন প্যাটার্ন ব্যাখ্যা করতে পারেনি। কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞান কোয়ান্টাইজেশনের ধারণা প্রবর্তন করেছিল, যার অর্থ হল কিছু পদার্থিক বৈশিষ্ট্য শুধুমাত্র বিচ্ছিন্ন মান গ্রহণ করতে পারে, একটি অবিচ্ছিন্ন মান নয়।

এই নিবন্ধে, আমরা শক্তি কোয়ান্টার উৎপত্তি এবং গুরুত্ব, এবং তারা আলো, পরমাণু এবং বিকিরণের সাথে কীভাবে সম্পর্কিত তা অনুসন্ধান করব।

শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞানের ব্যর্থতা

শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞানের মুখোমুখি হওয়া একটি সমস্যা ছিল পরমাণুর গঠন এবং আচরণ ব্যাখ্যা করা। শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান অনুযায়ী, একটি পরমাণু একটি ধনাত্মকভাবে আধানযুক্ত নিউক্লিয়াস দ্বারা বেষ্টিত হয়, যার চারপাশে ঋণাত্মকভাবে আধানযুক্ত ইলেকট্রন সূর্যের চারপাশে গ্রহের মতো ঘুরে বেড়ায়। ইলেকট্রনগুলিকে তাদের কক্ষপথে রাখার জন্য একটি বল হল কুলম্ব বল, যা তাদের নিউক্লিয়াসের দিকে টানে, এবং কেন্দ্রমুখী বল, যা তাদের দূরে ঠেলে দেয়।

তবে, এই মডেলে একটি বড় দোষ ছিল: শাস্ত্রীয় বৈদ্যুতচৌম্বক তত্ত্ব অনুযায়ী, একটি ত্বরিত আধানযুক্ত কণা বৈদ্যুতচৌম্বক বিকিরণ নিঃসরণ করে। এর অর্থ হল একটি ঘূর্ণায়মান ইলেকট্রন শক্তি হারাতে থাকবে এবং নিউক্লিয়াসের দিকে স্পাইরাল হয়ে যাবে, যা পরমাণুকে অস্থিতিশীল করে এবং সেটি ধ্বংস হয়ে যায়। এটি বাস্তবে ঘটে না, তাই শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান পরমাণুর স্থিতিশীলতা ব্যাখ্যা করতে পারেনি।

শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞানের মুখোমুখি হওয়া আরেকটি সমস্যা ছিল গরম বস্তু থেকে আলোর নির্গমন, যা ব্ল্যাক-বডি বিকিরণ নামে পরিচিত। শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান অনুযায়ী, একটি ব্ল্যাক বডি হল একটি আদর্শ বস্তু যা সমস্ত আগমনকারী বিকিরণ শোষণ করে এবং তার তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে সমস্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে বিকিরণ নিঃসরণ করে। নির্গত বিকিরণের তীব্রতা ফ্রিকোয়েন্সির সাথে সাথে বৃদ্ধি পায়, যা রেলিগ এবং জিন্স দ্বারা প্রাপ্ত একটি সূত্র অনুযায়ী।

তবে, এই সূত্র পূর্বানুমান করেছিল যে একটি ব্ল্যাক বডি উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে অসীম পরিমাণে শক্তি নিঃসরণ করবে, যা পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষণের বিরোধী ছিল। এই বিপর্যয় ছিল অতি-নীলাভ বিপর্যয়, কারণ এটি ব্যাখ্যা করেছিল যে একটি ব্ল্যাক বডি দৃশ্যমান আলোর চেয়ে বেশি অতি-নীলাভ বিকিরণ নিঃসরণ করবে।

শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান এই ঘটনাগুলি ব্যাখ্যা করতে ব্যর্থ হয়েছিল, কারণ এটি ধরে নিয়েছিল যে শক্তি যে কোনো পরিমাণে, তার ফ্রিকোয়েন্সি বা তরঙ্গদৈর্ঘ্য নির্বিশেষে স্থানান্তর বা বিনিময় করা যায়। তবে, যখন কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞান শক্তি কোয়ান্টার ধারণা প্রবর্তন করেছিল, তখন এই ধারণা ভুল প্রমাণিত হয়েছিল।

শক্তি কোয়ান্টার আবিষ্কার

শক্তি কোয়ান্টার ধারণাটি প্রথম ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ১৯০০ সালে ব্ল্যাক-বডি বিকিরণ অধ্যয়ন করার সময় প্রস্তাব করেছিলেন। অতি-নীলাভ বিপর্যয় সমাধান করার জন্য, তিনি প্রস্তাব করেছিলেন যে শক্তি কেবল বিচ্ছিন্ন প্যাকেটে নিঃসরণ বা শোষণ করা যায়, একটি অবিচ্ছিন্ন প্রক্রিয়া নয়। তিনি এই প্যাকেটগুলিকে "কোয়ান্টা" বা "শক্তি উপাদান" বলে অভিহিত করেছিলেন, এবং তাদের শক্তি তাদের ফ্রিকোয়েন্সির সাথে একটি সরল সূত্র দ্বারা সম্পর্কিত করেছিলেন:

E = hf

যেখানে E হল একটি কোয়ান্টার শক্তি, f হল তার ফ্রিকোয়েন্সি, এবং h হল একটি ধ্রুবক যা এখন প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবক (6.626 x 10^-34 J s) হিসেবে পরিচিত।

প্ল্যাঙ্কের সূত্র অনুযায়ী, একটি ব্ল্যাক বডি তার তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সিতে শুধুমাত্র বিকিরণ নিঃসরণ করতে পারে এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি নিঃসরণ করতে উচ্চ পরিমাণে শক্তির প্রয়োজন হয়। এটি ব্যাখ্যা করে যে একটি ব্ল্যাক বডি অসীম পরিমাণে অতি-নীলাভ বিকিরণ নিঃসরণ করে না, কারণ তার জন্য অসীম পরিমাণে শক্তির প্রয়োজন হবে।

প্ল্যাঙ্কের ধারণা বিপ্লবী ছিল, কারণ এটি প্রস্তাব করেছিল যে শক্তি কোয়ান্টাইজড, অর্থাৎ এটি শুধুমাত্র প্ল্যাঙ্কের ধ্রুবকের গুণিতক মান গ্রহণ করতে পারে। এটি শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞানের বিরোধী ছিল, যা ধরে নিয়েছিল যে শক্তি যে কোনো মান গ্রহণ করতে পারে।

আলবার্ট আইনস্টাইন ১৯০৫ সালে আরেকটি ঘটনা ব্যাখ্যা করার মাধ্যমে প্ল্যাঙ্কের ধারণাটি আরও সমর্থন করেছিলেন, যা শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান ব্যাখ্যা করতে পারেনি: ফোটোইলেকট্রিক প্রভাব।

ফোটোইলেকট্রিক প্রভাব হল একটি ধাতু পৃষ্ঠ থেকে আলো দ্বারা ইলেকট্রন নির্গমন। শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান অনুযায়ী, নির্গত ইলেকট্রনের সংখ্যা এবং শক্তি যথাক্রমে আলোর তীব্রতা এবং তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উপর নির্ভর করে।

তবে, পরীক্ষামূলক প্রমাণ দেখায় যে এটি সত্য নয়: বরং, নির্গত ইলেকট্রনের সংখ্যা আলোর ফ্রিকোয়েন্সির উপর নির্ভর করে, এবং একটি ন্যূনতম ফ্রিকোয়েন্সির নিচে কোনো ইলেকট্রনই নির্গত হয় না। নির্গত ইলেকট্রনের শক্তি ফ্রিকোয়েন্সি এবং তীব্রতার উপর নির্ভর করে: উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি বেশি শক্তি, এবং উচ্চ তীব্রতা বেশি ইলেকট্রন।

আইনস্টাইন প্ল্যাঙ্কের ধারণাটি প্রসারিত করে এবং ধরে নিয়েছিলেন যে আলো নিজেই ফোটন নামক প্যাকেটে কোয়ান্টাইজড হয়।

তিনি প্রস্তাব করেছিলেন যে প্রতিটি ফোটনের শক্তি তার ফ্রিকোয়েন্সির সমানুপাতিক, যা প্ল্যাঙ্কের সূত্রের মতো:

E = hf

তিনি আরও প্রস্তাব করেছিলেন যে যখন একটি ফোটন একটি ধাতু পৃষ্ঠে আঘাত করে, তখন এটি তার শক্তি একটি ইলেকট্রনে স্থানান্তর করতে পারে। যদি ফোটনের শক্তি ধাতুর কাজের ফাংশন বা পৃষ্ঠ থেকে ইলেকট্রন নির্গমনের জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতম শক্তির সমান বা বেশি হয়, তখন ইলেকট্রন নির্গত হবে এবং তার গতিশক্তি হবে পার্থক্য: