কোয়ান্টাম ফিজিক্স-১৩ : ক্যাথোড টিউব

[বইটির সূচীপত্র এবং সব খন্ডের লিংক একত্রে দেখুন এখানে]

পরমানুবাদ পুরোপুরি প্রতিষ্ঠিত হতে অপেক্ষা করতে হলো ১৯১৩ সাল পর্যন্ত। কিন্তু তার আগেই ঘটেছে আরেক মজার ঘটনা। পাওয়া গেছে ইলেক্ট্রন নামে আরেক ক্ষুদ্র কণা।

তৃতীয় পর্বে আমরা দেখেছিলাম, অ্যাম্বর পাথরকে ইলেকট্রন বলা হতো গ্রিসে। তার অর্থ আকর্ষণকারী পদার্থ। আমাদের আজকের ইলেক্ট্রন? পাথরের সাথে মিল দূরে থাক, চোখেও দেখা যায় না। মাইক্রোস্কোপ দিয়েও নয়। আসলে আকর্ষণ করার ক্ষমতার জন্য পরবর্তীকালে ইলেক্টিকন শব্দটি প্রচলন হয়। সেখান থেকেই প্রচলন হয় ইলেক্ট্রিসিটি তা বিদ্যুৎ শব্দটি। পরে আমরা জেনেছি বিদ্যুতের নানা ধর্ম সম্পর্কে। জেনেছি কুলম্বের বিন্দু চার্জের কথা। সেই বিন্দু চার্জ আসলে কী? চার্জ বা আধান বস্তুর ধর্ম তাই একে কণা হিসেবে তুলনা করা যায় না। কিন্তু চার্জের একটা একক আছে। সেই একক পরিমাণ চার্জ যে কণা ধারণ করে তাকেই বিন্দু চার্জ বললে সমস্যা কি? সমস্যা বা সমাধানের কথায় পরে আসি। তার আগে একটু পেছনে ফেরা যাক।

সেটা অষ্টাদশ শতাব্দীর কথা। ১৭৪৬ সালে ডাচ বিজ্ঞানী পিটার ভন মুশেনব্রক চার্জ সঞ্চয় করে রাখার একটা পাত্র যোগাড় করলেন। নিশ্চয়ই পাঠক ব্যাটারির কথা ভাবছেন? ভাবনাটা একেবারে ভুল নয়। তবে আজকালের ব্যাটারির মতো নয় সে জিনিসটা। সেটা আসলে কাচের বৈয়ামের মতো দেখতে এক ধরনের জার। সেই জারে চার্জ সংরক্ষণ করার পদ্ধতি আবিষ্কার করেন মুশেনব্রক। তিনি তখন লেইডেন বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষক। মুশানব্রকের সেই চার্জ সংরক্ষণের জারটার নাম হয়ে গেল লেইডেন জার। সাধারণত আবিষ্কারকের নামানুসারেই বৈজ্ঞানিক যন্ত্রপাতির নাম হয়। লেইডান জার তার উজ্জ্বল ব্যতিক্রম। লেইডেন জারে চার্জ সংরক্ষণ করা যেত ঠিকই। কিন্তু বেশিক্ষণ ধরে রাখা মুশকিল। চার্জিত লেইডেন জার কোনো কিছুর সংস্পর্শে এলেই খেল খতম! চার্জ জার থেকে পাচার হয়ে চলে যেত সেই বস্তুতে।

তারপর লেইডেন জার নিয়ে অনেক পরীক্ষা-নীরিক্ষা চলল। অনেক বেশি বেশি চার্জ ঢোকানো হলো লেইডেন জারে। চার্জের পরিমাণ বেশি হলে তার পরিণাম কি হয় তা জানতে চাইলেন বিজ্ঞানীরা। দেখা গেলো, জারে খুব বেশি চার্জ ঢোকালে তখন আর কোনো কিছুর সাথে স্পর্শ করাতে হয় না জারকে। জার থেকে বাতাসে প্রবাহীত হয় চার্জ। তারপর বায়ু মাধ্যমে পেরিয়ে চলে যায় কাছের কোন বস্তুতে। তখন আরেকটি ঘটনা দেখে অবাক হলেন বিজ্ঞানীরা। জার থেকে চার্জ বায়ু মাধ্যমে ঢোকার পর আলোর ঝলকানি দেখা যায়। তীক্ষ্ণ চচ্চড় শব্দ। চমক জাগানিয়া ঘটনাই বটে। এমন ঘটনা সে প্রকৃতিতেও ঘটে। আকাশে ঝড় বাদলের দিনে। আলোর ঝলকানি দেখা যায়, সাথে কান ফাটানো আওয়াজ। তাহলে আকাশেও কি চার্জের ব্যাপার-স্যাপার আছে। মানে বিদ্যুতের খেলা কিনা? কাজে লেগে পড়লেন ফ্রাঙ্কলিন। সেই বেজ্ঞানিক বেঞ্জামিন ফ্রাঙ্কলিন, যার কথা আমরা বলেছি তৃতীয় পর্বে ।

হাতে নাতে পরীক্ষা করতে চান ফ্রাঙ্কলিন। কীভাবে? আকাশের বজ্রকে টেনে নামাতে হবে মাটিতে। দেখতে হবে তাতে বিদ্যুৎ আছে কিনা? কীভাবে? ওপরে উঠে ধরে আনার প্রশ্নই ওঠে না। হেলিকপ্টার-উড়োজাহাজ দূরে থাক, সে যুগের মানুষ বেলুনে চেপে উড়তে পারত কিনা সন্দেহ।
১৭৫২ সাল। ফ্রাঙ্কলিন একটা ঘুড়ি ওড়ালেন। একেবারে মেঘ বরাবর তার ঠিকানা। তবে সাধারণ সুতোর বদলে তাতে ব্যবহার করলেন সুপারিবাহী পদার্থের সুতো। তবে সেটা কী পদার্থের তৈরি, তা জানা সম্ভব হয়নি। নিচেয় একটা লেইডেন জার রেখেছিলেন ফ্রাঙ্কলিন। সেই জারের সাথে জুড়ে দিয়েছিলেন ঘুড়ির সুতো। ঘটনাটা সাদামাটা মনে হচ্ছে। তবে কিন্তু ভীষণ ঝুঁকির। প্রাণও চলে যেত পারত ফ্রাঙ্কলিনের।

যে অনুমানের ওপর ভর করে ফ্রাঙ্কলিন ঘুড়িকে পাঠিয়েছিলেন মেঘ থেকে বিদ্যুৎ চুরি করতে, সেটাই যে সত্যি প্রমাণিত হলো! ঘুড়ির সুতো বেয়ে মেঘ থেকে লেইডেন জারে জমা হলো বিদ্যুৎ। ফ্রাঙ্কলিন সেই বিদ্যুৎ পরীক্ষা-নিরীক্ষা করে প্রমাণ করলেন অনুমানের সত্যতা। নিশ্চিত করলেন, লেইডেন জারের জমা চার্জ যখন বায়ু মাধ্যমে প্রবাহিত তখন দেখি আলোর ঝলকানি আর শুনি তীক্ষ্ণ শব্দ। তবে সেই ঝলকানি নিজে বিদ্যুৎ নয়। বায়ুমন্ডলের ভেতর দিয়ে প্রবাহিত হওয়ার সময় বিদ্যুৎ বাতাসকে উত্তপ্ত করে। তারই ফলে জন্ম হয় এই আলোর ঝলকানি আর তীক্ষ্ণ শব্দের। ফ্রাঙ্কলিন নিশ্চিত করলেন, আকাশেও তৈরি হয় এমন চার্জ। সেই চার্জ বায়ুমন্ডলকে উত্তপ্ত করে এবং তীব্র শব্দের জন্ম দেয়। সাথে চোখ ধাঁধানো ঝলকানি। অর্থাৎ পৃথিবীর বিদ্যুৎ আর আকাশের বিদ্যুতের মধ্যে কোনও পার্থক্য নেই।

সে তো না হয় বুঝলাম, কিন্তু বিদ্যুৎ বায়ুমন্ডলের ভেতর ঝলকানিই বা দেখাচ্ছে কেন? আর কোনও মাধ্যমে যদি না থাকে তবে কি বিদ্যুৎ চলতে পারে?

এ প্রশ্নের উত্তর অবশ্য প্রথম দিককার তৃতীয় পর্বে দিয়েছি। কিন্তু কীভাবে বায়ুশূন্য মাধ্যমে বিদ্যুৎ ক্রিয়া করে, যে বিষয়ে কিছু বলা হয়নি সেখানে।

কোনো এক বিজ্ঞানী নাকি অষ্টাদশ শতাব্দীর শুরুতে এটা পরীক্ষা করে দেখার চেষ্টা করেছিলেন কিন্তু সফল হননি। শূন্য মাধ্যমে চার্জের প্রবাহের কথা আপাতত তোলা থাক। কারণ সব কিছু পর্যায়ক্রমে জানার মাঝে বাড়তি একটা ছন্দ থাকে। সেটা নষ্ট করে কাজে নেই। আমরা বরং ব্যাটারি আবিষ্কার বিষয়ে চোখ বুলিয়ে আসি।

কাঁটায় কাঁটায় ১৮০০ সাল। ইতালিতে একজন নামকরা পদার্থবিদ ছিলেন। অবশ্য নামটা তাঁর ছড়িয়েছিল আবিষ্কারের পর। নাম তাঁর আলেসান্দ্রো ভোল্টা। ‘ভোল্টা’ নামটা শুনেই প্রথম কোন জিনেসের ছবি আপনার মস্তিষ্কে ভেসে উঠল বলুন তো? নিশ্চয়ই ব্যাটারির? আসারই কথা। প্রতিটা ব্যাটারির গায়ে লেখা থাকে এত ভোল্ট। ভোল্ট হলো বিদ্যুৎ বিভবের একক। আর এই এককের নামকরণ করা হয়েছে ভোল্টার নামানুসারেই। বিদ্যুৎ বিভব নিয়ে আলোচনায় যেতে চাই না। ওটা তড়িৎ গতিবিদ্যার বিষয়, আমাদেরটা কোয়ান্টাম ফিজিক্স। বরং ফিরে যাই ভোল্টার গল্পে। ভোল্টা একটা পাত্রে লবণের দ্রবণ রাখলেন। তারপর তার ভেতর রাখলেন দুটি ধাতব দন্ড। একই ধাতুর নয় সে দ-ন্ড দুটি। আলাদা ধাতু। ভোল্টা ধাতব দন্ড দুটির সাথে তার সংযুক্ত করলেন। দেখলেন সেই তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয়। বিদ্যুৎ প্রবাহের কারণ লবণ দ্রবণের রাসায়নিক বিক্রিয়া। দ্রবণে যতক্ষণ পর্যন্ত রাসায়নিক বিক্রিয়া চলতে থাকে ততক্ষণ বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় তারের ভেতর দিয়ে।

এতদিন বিজ্ঞানীরা ছোট ছোট বৈদ্যুতিক চার্জের খেল দেখেছেন। কিন্তু এভাবে উচ্চমাত্রায় বিদ্যুৎ প্রবাহ দেখেননি। তাই সাড়া পড়ে গেল বিজ্ঞানী মহলে। এখন কথা হচ্ছে, দুই ধাতব দন্ডের আচরণ দুই রকম। একটা ধনাত্মক চার্জের মতো আচরণ করে। আরেকটা ঋণাত্মক চার্জের মতো। তার মানে দ্রবণ থেকে দন্ড দুটো চার্জ গ্রহণ করে। একটা দন্ড ধনাত্মক চার্জ গ্রহণ করে। সেটার নাম ক্যাথোড। আরেকটা দন্ড ঋনাত্মক চার্জ গ্রহণ করে সেটার নাম অ্যানোড।

ক্যাথোড আর অ্যানোডের নামকরণ কিন্তু ভোল্টা করেননি। ১৮৩৪ সালে ফ্যারাডে দুটি দন্ডের দুরকম নাম করেন। ফ্যারাডে লক্ষ করেন, দ্রবণের ভেতর রাসায়নিক বিক্রিয়ার ফলে দ্রবণের বস্তুগুলো ভেঙে দুভাগ হয়ে যায়। অর্থাৎ দুই ধরনের কণায় পরিণত হয়। এক ধরনের কণা ধনাত্মক চার্জ বহন করে। ফ্যারাডে এই কণাদের নাম দেন ক্যাটায়ন। আরেক ধরনের কণা ধনাত্মক চার্জ বহন করে। ফ্যারাডে সেই কণাদের নাম দেন অ্যানায়ন। লবণ দ্রবণে ধাতব দন্ড ডোবানোর পর দেখা যায় এক একটা দন্ড ক্যাটায়ন ও একটা দন্ড অ্যানায়ন আকর্ষণ করছে। যে দন্ডটা ক্যাটায়নকে আকর্ষণ করছে ফ্যারাডে তার নাম দিলেন ক্যাথোড। আর যেটা অ্যানায়ন বা যাদের আকর্ষণ করে তার নাম দিলেন অ্যানোড।

যাই হোক, ফিরে যাই ভোল্টার কাছে। ভোল্টা ভাবলেন, লবণ দ্রবণের পাত্রে দুটো ধাতব দন্ড রাখলে যদি এই অবস্থা হয়, তাহলে নিশ্চয়ই অনেক বড়ো পাত্রে অনেক জোড়া ধাতব দন্ড রেখে আরও বেশি পরিমাণ বিদ্যুৎ প্রবাহ উৎপন্ন করা যাবে। সত্যি সত্যি তিনি লবণ পাত্রের আকার বাড়ালেন। বাড়ালেন লবণ দ্রবণের পরিমাণও। বড় সেই পাত্রে ডোবালেন অনেকগুলো ধাতব দন্ড। বিশৃঙ্খল ভাবে ডোবালেন না। ডোবালেন জোড়ায় জোড়ায়। একটা অ্যানোডের পাশে আরেকটা ক্যাথোড। সাজ্জাটা ছিল এমন দুই প্রান্তে দুটো দন্ড। একটা অ্যানোড আরেকটা ক্যাথোড। সে দুটোয় লাগানো হলো দুটো লম্বা তার।  মাঝখানে সবগুলো ক্যাথোড ও অ্যানোড জুড়ে সিরিজ বর্তনীতে পরিণত করা হলো। নিচের ছবির মতো।

তৈরি হলো উচ্চ প্রবাহমাত্রার ব্যাটারি। এখনও কিন্তু এই ধরনের ব্যাটারি ব্যবহার করা হয়। ব্যাটারির ভেতরে লবণ দ্রবণের মধ্য দিয়ে চার্জ প্রবাহিত হয় অ্যানোড ও ক্যাথোডে। তাহলে এমন একটা ব্যবস্থা তৈরি করা সম্ভব, অ্যানোড-ক্যাথোডে চার্জ প্রবাহিত হবে শূন্য মাধ্যমে দিয়ে? লেইডেন জারে কিন্তু আমরা আগেই দেখেছি শূন্যস্থানের ভেতর দিয়ে চার্জ প্রবাহিত হতে। বিজ্ঞানীরা বায়ুশূন্য কাচের টিউবের কথা ভাবলেন। তার ভেতর থাকবে অ্যানোড ও ক্যাথোড দন্ড।

এই কাজটি জার্মান বিজ্ঞানী জুলিয়াস প্লাকারের। ১৮৫৫ সালে তার জন্য বায়ুশূন্য কাচের টিউব তৈরি করে দেন তাঁর সহকর্মী উইলহেম গিজলার। সেই টিউবের ভেতর দুটি ধাতব দন্ডও যুক্ত করা হয়। অ্যানোড এবং ক্যাথোড দন্ড। দন্ডের একটার প্রান্ত কাচের টিউবের ভেতরে, আরেক  প্রান্ত কাচের টিউবের ভেতরে থাকে। অন্য প্রান্ত থাকে টিউবের বাইরে।

প্লাকার একটা বিদ্যুৎ উৎসের দুই প্রান্ত যুক্ত করে দিলেন কাঁচের টিউবের সাথে আটকানো দুটি ধাতব দন্ডের সাথে। যে দন্ড বিদ্যুৎ উৎসের ধনাত্মক প্রান্তের সাথে যুক্ত করা হলো সেটা তখন ধনাত্মক দন্ডে পরিণত হলো। আর যে দন্ডটি ধনাত্মক প্রান্তের সাথে যুক্ত হলো সেটা হলো ক্যাথোড।

টিউব বায়ুশূন্য। ভেতরে অন্যকোনো গ্যাসের অস্তিত্বও নেই। তাছাড়া অ্যানোড ও ক্যাথোডের সাথে সরাসরি কোনো সংযোগও নেই। তাই সেকালের জ্ঞান অনুযায়ী ধাতব দন্ড দুটিতে বিদ্যুৎ সংযোগ দিলেও কাচের টিউবের ভেতর কোনো ঘটনা ঘটার কথা নয়। তবু ঘটল। প্লাকার দেখলেন, অনোডের কাছাকাছি এক ধরনের সবুজ আলোর আভা দেখা যাচ্ছে।
কেন?

নিশ্চয়ই বায়ু মাধ্যম ছাড়াই বিদ্যুৎ প্রবাহিত হতে পারে। তারচেয়েও বড় একটা সিদ্ধান্ত বেরিয়ে এলো। সংশোধন হলো বহুদিন আকড়ে থাকা একটা ভুলের। এই ভুলের কথা আমরা তৃতীয় পর্বেই আলোচনা করেছি। ভুলটা করেছিলেন ফ্রাঙ্কলিন।

ফ্রাঙ্কলিনের অনুমান ছিল, বিদ্যুৎ ধানাত্মক থেকে ঋনাত্মক বস্তুর দিকে প্রবাহিত হয়। সেই অনুমানকে পুঁজি করে পরবর্তীকালের বিজ্ঞানীরা ধরে নিয়েছিলেন বিদ্যুৎ ক্যাথোড থেকে অ্যানোডের দিকে প্রবাহিত হয়। কাচ নলের ভেতর ক্যাথোড দন্ডের কাছাকাছি সবুজ আভা প্লাকারকে নতুনভাবে বাধ্য করল। তিনি ভাবলেন, সবুজ আভাই বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক নির্দেশ করছে। অর্থাৎ বিদ্যুৎ ক্যাথোড থেকে অ্যানোডের দিকে প্রবাহিত হচ্ছে।

[বইটির সূচীপত্র এবং সব খন্ডের লিংক একত্রে দেখুন এখানে]

-আব্দুল গাফফার রনি
বিজ্ঞান লেখক
[লেখকের ফেসবুক প্রোফাইল]