ফোটন কী? - B@K@R_PHYSICS

মঙ্গলবার, ১০ জুন, ২০২৫

ফোটন কী?

IMG_5097


আলোর মৌলিক কণাটি সাধারণ এবং বিস্ময়ে পূর্ণ।


পদার্থবিদরা যাকে ফোটন বলে থাকেন, অন্যরা হয়তো তাকে আলোই বলবেন। আলোর পরিমাণ হিসেবে, ফোটন হলো তড়িৎ চৌম্বকীয় শক্তির ক্ষুদ্রতম প্যাকেট। আপনি যদি এই নিবন্ধটি কোনও স্ক্রিন বা পৃষ্ঠায় পড়ছেন, তাহলে ফোটনের ধারা শব্দের ছবি আপনার চোখে বহন করছে। 


বিজ্ঞানে, ফোটন কেবল আলোকসজ্জার জন্যই ব্যবহৃত হয় না।


লার্জ হ্যাড্রন কোলাইডারে নতুন পদার্থবিদ্যার সন্ধানে তাত্ত্বিক "কণা পদার্থবিদ্যায় ফোটন সর্বত্র রয়েছে।


ফোটন শতাব্দীর আবিষ্কারকে ইন্ধন জুগিয়েছে, এবং এটি আজও একটি গুরুত্বপূর্ণ হাতিয়ার হিসেবে রয়ে গেছে।


তরঙ্গ থেকে কণা, বোসনে


প্রাচীনকাল থেকেই মানুষ আলোর প্রকৃতি নিয়ে গবেষণা করে আসছে, যার প্রাথমিক অন্তর্দৃষ্টি মিশর, মেসোপটেমিয়া এবং গ্রিসের দার্শনিক এবং পণ্ডিতদের কাছ থেকে এসেছে। ১৭ শতকের শেষের দিক থেকে ২০ শতকের গোড়ার দিকে, বিজ্ঞানীরা বিশেষ করে একটি প্রশ্নের উত্তর খুঁজে বের করার জন্য বারবার চেষ্টা করেছেন: আলো কি কণা হিসেবে আচরণ করে নাকি তরঙ্গ হিসেবে?


১৬৯০ সালে, ক্রিশ্চিয়ান হাইগেনস আলোর উপর তার প্রবন্ধ "ট্রেইটে দে লা লুমিয়ের" প্রকাশ করেন। এতে তিনি আলোকে ইথারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত তরঙ্গ দিয়ে তৈরি বলে বর্ণনা করেন, যা মহাকাশে প্রবেশ করে বলে মনে করা হত।


আইজ্যাক নিউটন তার ১৭০৪ সালের বই অপটিক্সে ঘোষণা করেছিলেন যে তিনি এর সাথে দ্বিমত পোষণ করেন। যখন আলো কোনও পৃষ্ঠ থেকে প্রতিফলিত হয়, তখন এটি একটি লাফিয়ে ওঠা বলের মতো কাজ করে; যে কোণে এটি পৃষ্ঠের দিকে আসে তা সেই কোণের সমান যেখানে এটি লাফিয়ে পড়ে। নিউটন যুক্তি দিয়েছিলেন যে অন্যান্য বিষয়ের মধ্যে এই ঘটনাটি ব্যাখ্যা করা যেতে পারে যদি আলো কণা দিয়ে তৈরি হয়, যাকে তিনি "কর্পাস্কুল" বলেছিলেন।


একটি কাচের প্রিজম সাদা আলোর রশ্মিকে রঙের রংধনুতে প্রতিসৃত করে। নিউটন লক্ষ্য করলেন যে যখন আলোটি আবার প্রতিসৃত হয়, দ্বিতীয় প্রিজমের মাধ্যমে, তখন এটি আর বিভক্ত হয় না; রংধনুর রঙ একই থাকে।


নিউটন বলেছিলেন যে এটি ব্যাখ্যা করা যেতে পারে এই ধারণার মাধ্যমে যে সাদা আলো বিভিন্ন আকারের অনেকগুলি বিভিন্ন কর্পাস্কুল দিয়ে তৈরি। লাল আলো বৃহত্তম কর্পাস্কুল দিয়ে তৈরি; বেগুনি সবচেয়ে ছোট দিয়ে তৈরি। নিউটন বলেছিলেন যে তাদের বিভিন্ন আকারের কারণে কর্পাস্কুলগুলি কাচের মধ্য দিয়ে বিভিন্ন, ত্বরিত গতিতে টানা হয়েছিল। এটি তাদের ছড়িয়ে দেয়, রঙের রংধনু তৈরি করে যা দ্বিতীয় প্রিজম দ্বারা আর ভেঙে ফেলা যায় না।


যদিও নিউটনের কর্পাসকুলার মডেলের একটি উল্লেখযোগ্য ত্রুটি ছিল। 


যখন আলো একটি ছোট গর্তের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে, তখন এটি  পানির তরঙ্গের মতো ছড়িয়ে পড়ে। নিউটনের কর্পাসকুলার মডেল এই আচরণটি ব্যাখ্যা করতে পারেনি, এবং হাইগেনসের তরঙ্গ মডেল পারে। 


তবুও, বিজ্ঞানীরা হাইগেন্সকে বাদ দিয়ে নিউটনের কথা শুনতে আগ্রহী ছিলেন - তিনি প্রিন্সিপিয়া লিখেছিলেন, যা বিজ্ঞানের ইতিহাসের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বইগুলির মধ্যে একটি। 


কিন্তু ১৮০১ সালে থমাস ইয়ং দ্বি-স্লিট পরীক্ষা পরিচালনা করলে হাইগেন্সের মডেল কিছুটা সমর্থন পায়। পরীক্ষায়, ইয়ং দুটি ছোট  ছিদ্রের মধ্য দিয়ে আলোর একটি রশ্মি পাঠান এবং দেখেন যে তাদের মধ্য দিয়ে যাওয়া আলো একটি নির্দিষ্ট প্যাটার্ন তৈরি করে। নিয়মিত বিরতিতে দুটি ছিদ্রের থেকে নির্গত ছেদকারী তরঙ্গগুলি গঠনমূলকভাবে হস্তক্ষেপ করে - একত্রিত হয়ে উজ্জ্বল আলো তৈরি করে - অথবা ধ্বংসাত্মকভাবে - একে অপরকে বাতিল করে। ঠিক তরঙ্গের মতো।

IMG_5095


প্রায় পাঁচ দশক পর, আরেকটি পরীক্ষা হাইগেন্সের মডেলকে নিশ্চিতভাবে শীর্ষে রাখে।


১৮৫০ সালে, লিওন ফুকাল্ট বাতাসের মধ্য দিয়ে আলোর গতির সাথে জলের মধ্য দিয়ে আলোর গতির তুলনা করে দেখতে পান যে, নিউটনের দাবির বিপরীতে, ঘন মাধ্যমে আলো দ্রুত গতিতে চলে না। বরং, ঠিক যেমন একটি তরঙ্গের গতি কমে যায়, তেমনই এটি ধীর হয়ে যায়।


এগারো বছর পর, জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল "অন ফিজিক্যাল লাইনস অফ ফোর্স" প্রকাশ করেন, যেখানে তিনি তড়িৎ চৌম্বকীয় তরঙ্গের অস্তিত্বের ভবিষ্যদ্বাণী করেন। ম্যাক্সওয়েল আলোক তরঙ্গের সাথে তাদের মিল লক্ষ্য করেন এবং এই সিদ্ধান্তে পৌঁছান যে দুটি এক এবং অভিন্ন।


মনে হচ্ছিল হাইগেন্সের তরঙ্গ মডেল জয়ী হয়েছে। কিন্তু ১৯০০ সালে, ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক এমন একটি ধারণা নিয়ে এসেছিলেন যা আলোর এক নতুন ধারণার জন্ম দেবে।


প্ল্যাঙ্ক বিকিরণের কিছু বিভ্রান্তিকর আচরণ ব্যাখ্যা করেছেন, তড়িৎ চৌম্বকীয় তরঙ্গের শক্তিকে পৃথক প্যাকেটে বিভক্ত করে বর্ণনা করে। ১৯০৫ সালে, আলবার্ট আইনস্টাইন প্ল্যাঙ্কের শক্তি প্যাকেটের ধারণার উপর ভিত্তি করে তৈরি করেছিলেন এবং অবশেষে কর্পাস্কুল-বনাম-তরঙ্গ বিতর্কের নিষ্পত্তি করেছিলেন - এটিকে সমতা ঘোষণা করে। 

IMG_5088


আইনস্টাইন যেমন ব্যাখ্যা করেছেন, আলো একটি কণা এবং তরঙ্গ উভয়ের মতোই আচরণ করে, প্রতিটি আলোর কণার শক্তি তরঙ্গের ফ্রিকোয়েন্সির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ। 


তার প্রমাণ ছিল আলোক তড়িৎ প্রভাবের গবেষণা থেকে - আলো কীভাবে ধাতু থেকে ইলেকট্রনকে মুক্ত করে দেয়। যদি আলো কেবল একটি অবিচ্ছিন্ন তরঙ্গে ভ্রমণ করে, তাহলে ধাতুর উপর দীর্ঘ সময় ধরে আলো জ্বালালে সর্বদা একটি ইলেকট্রন বিচ্ছিন্ন হয়ে যেত, কারণ আলো ইলেকট্রনে স্থানান্তরিত শক্তি সময়ের সাথে সাথে জমা হত। 

IMG_5087




কিন্তু আলোক তড়িৎ প্রভাব সেভাবে কাজ করেনি। ১৯০২ সালে ফিলিপ লেনার্ড লক্ষ্য করেছিলেন যে কেবলমাত্র একটি নির্দিষ্ট শক্তির উপরে আলোঅথবা একটি নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সির উপরে আলোক তরঙ্গধাতু থেকে একটি ইলেকট্রনকে বের করে দিতে পারে। এবং এটি সংস্পর্শে আসার সাথে সাথেই তা করে বলে মনে হয়েছিল। 


এই ক্ষেত্রে, আলো অনেকটা একটি কণার মতো, শক্তির একটি পৃথক প্যাকেটের মতো কাজ করছিল। 



আলোর তরঙ্গ মডেল সম্পর্কে এখনও নিশ্চিত থাকা সত্ত্বেও, রবার্ট মিলিকান আইনস্টাইনের অনুমানকে মিথ্যা প্রমাণ করার জন্য বেরিয়ে পড়েন। মিলিকান আলোক তড়িৎ প্রভাবের সাথে জড়িত আলো এবং ইলেকট্রনের মধ্যে সম্পর্কের সতর্কতার সাথে পরিমাপ করেন। অবাক করার মতো বিষয় হল, তিনি আইনস্টাইনের প্রতিটি ভবিষ্যদ্বাণী নিশ্চিত করেন। 


আইনস্টাইনের আলোক তড়িৎ প্রভাবের গবেষণা তাকে ১৯২১ সালে একমাত্র নোবেল পুরষ্কার এনে দেয়।

IMG_5093



১৯২৩ সালে, আর্থার কম্পটন আইনস্টাইনের আলোর মডেলের জন্য অতিরিক্ত সহায়তা প্রদান করেন। কম্পটন পদার্থের উপর উচ্চ-শক্তির আলো লক্ষ্য করেন এবং সংঘর্ষের ফলে নির্গত ইলেকট্রনগুলি কোন কোণে ছড়িয়ে পড়বে তা তিনি সফলভাবে ভবিষ্যদ্বাণী করেন। তিনি আলো ক্ষুদ্র বিলিয়ার্ড বলের মতো কাজ করবে বলে ধরে নিয়ে এটি করেছিলেন। 


গিলবার্ট লুইস এই বিলিয়ার্ড বলের একটি নাম দিয়েছিলেন। ১৯২৬ সালে নেচার জার্নালে লেখা একটি চিঠিতে তিনি এগুলোকে "ফোটন" বলে অভিহিত করেছিলেন।


বিজ্ঞানীরা সাম্প্রতিক বছরগুলিতে ফোটন সম্পর্কে যেভাবে চিন্তাভাবনা করেন তা ক্রমাগত বিকশিত হয়েছে। প্রথমত, ফোটন এখন "গেজ বোসন" নামে পরিচিত। 


গেজ বোসন হলো বল বহনকারী কণা যা পদার্থের কণাগুলিকে মৌলিক বলের মাধ্যমে মিথস্ক্রিয়া করতে সক্ষম করে। উদাহরণস্বরূপ, পরমাণুগুলি একসাথে লেগে থাকে কারণ তাদের নিউক্লিয়াসে থাকা ধনাত্মক চার্জযুক্ত প্রোটনগুলি তাদের কক্ষপথে ঘুরতে থাকা ঋণাত্মক চার্জযুক্ত ইলেকট্রনের সাথে ফোটন বিনিময় করে - এটি তড়িৎচুম্বকীয় বলের মাধ্যমে মিথস্ক্রিয়া।


দ্বিতীয়ত, ফোটনকে এখন একটি কণা, একটি তরঙ্গ এবং একটি উত্তেজনা হিসেবে ভাবা হয়একরকম তরঙ্গের মতোএকটি কোয়ান্টাম ক্ষেত্রে। 


একটি কোয়ান্টাম ক্ষেত্র, যেমন তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্র, হল এক ধরণের শক্তি এবং বিভব যা মহাকাশে ছড়িয়ে থাকে। পদার্থবিদরা প্রতিটি কণাকে একটি কোয়ান্টাম ক্ষেত্রের উত্তেজনা হিসাবে মনে করেন। 


"আমি কোয়ান্টাম ফিল্ডকে একটি শান্ত পুকুরের পৃষ্ঠ হিসেবে ভাবতে পছন্দ করি যেখানে আপনি কিছুই দেখতে পান না," রুইজ বলেন। "তারপর আপনি পৃষ্ঠের উপর একটি নুড়ি রাখেন, এবং পানি কিছুটা উপরে উঠে আসে। এটি একটি কণা।"


স্যান্ডবক্স স্টুডিও, শিকাগোর চিত্রণ



একটি হাতিয়ার হিসেবে ফোটন


রেডিও তরঙ্গ এবং মাইক্রোওয়েভ; ইনফ্রারেড এবং অতিবেগুনী রশ্মি; এক্স-রে এবং গামা রশ্মি: এগুলি সবই আলোক, এবং এগুলি সবই ফোটন দিয়ে তৈরি।


ফোটন আপনার চারপাশে কাজ করছে। তারা ইন্টারনেট, কেবল এবং সেল ফোনের সিগন্যাল সরবরাহ করার জন্য সংযুক্ত ফাইবারের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে। প্লাস্টিকের আপসাইক্লিংয়ে, বস্তুগুলিকে ছোট ছোট বিল্ডিং ব্লকে ভেঙে নতুন উপকরণ তৈরিতে ব্যবহার করা যেতে পারে। এগুলি হাসপাতালে, ক্যান্সারজনিত টিস্যুগুলিকে লক্ষ্য করে ধ্বংস করে এমন বিমে ব্যবহৃত হয়। 


এগুলি সকল ধরণের বৈজ্ঞানিক গবেষণার মূল চাবিকাঠি।


মহাবিশ্বতত্ত্বে ফোটন অপরিহার্য: মহাবিশ্বের অতীত, বর্তমান এবং ভবিষ্যতের অধ্যয়ন। বিজ্ঞানীরা তারা নির্গত তড়িৎ চৌম্বকীয় বিকিরণ, যেমন রেডিও তরঙ্গ এবং দৃশ্যমান আলো পরীক্ষা করে তাদের অধ্যয়ন করেন। জ্যোতির্বিজ্ঞানীরা মাইক্রোওয়েভ আকাশের ছবি তুলে আমাদের ছায়াপথ এবং এর প্রতিবেশীদের মানচিত্র তৈরি করেন। তারা মহাকাশের ধুলো সনাক্ত করেন যা দূরবর্তী নক্ষত্রগুলির তাদের দৃষ্টিভঙ্গিকে বাধা দেয়, এর ইনফ্রারেড আলো সনাক্ত করে। 


বিজ্ঞানীরা আমাদের ছায়াপথ এবং তার বাইরের শক্তিমান বস্তু থেকে নির্গত অতিবেগুনী বিকিরণ, এক্স-রে এবং গামা রশ্মির আকারে শক্তিশালী সংকেত সংগ্রহ করেন। এবং তারা দুর্বল সংকেত সনাক্ত করেন, যেমন মহাজাগতিক মাইক্রোওয়েভ পটভূমি নামে পরিচিত আলোর ক্ষীণ প্যাটার্ন, যা বিগ ব্যাংয়ের কয়েক সেকেন্ড পরে মহাবিশ্বের অবস্থার রেকর্ড হিসেবে কাজ করে।


পদার্থবিদ্যায় ফোটন গুরুত্বপূর্ণ :


২০১২ সালে, লার্জ হ্যাড্রন কোলাইডারের বিজ্ঞানীরা হিগস বোসনের ক্ষয়কে ফোটনের জোড়ায় জোড়ায় অধ্যয়ন করে আবিষ্কার করেন।


পদার্থবিদ ডোনা স্ট্রিকল্যান্ড ২০১৮ সালে পদার্থবিদ্যায় নোবেল পুরস্কার জিতেছেন, অত্যন্ত ঘনীভূত উচ্চ-শক্তির আলো থেকে তৈরি অতি-সংক্ষিপ্ত, উচ্চ-তীব্রতা লেজার পালস তৈরির কাজের জন্য।


আলোক উৎস নামক যন্ত্রগুলি এক্স-রে, অতিবেগুনী রশ্মি এবং ইনফ্রারেড আলোর তীব্র রশ্মি তৈরি করে যা বিজ্ঞানীদের দ্রুততম রাসায়নিক প্রক্রিয়াগুলির ধাপগুলি ভেঙে ফেলতে এবং আণবিক বিশদে উপাদানগুলি পরীক্ষা করতে সহায়তা করে। 


"ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক স্পেকট্রাম জুড়ে, ফোটনগুলি আমাদের বিশ্ব সম্পর্কে অনেক তথ্য সরবরাহ করতে পারে," স্ট্যানফোর্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থ বিজ্ঞান এবং প্রকৌশল বিভাগের সহযোগী অধ্যাপক জেনিফার ডিওন বলেন।


ডিওন ন্যানোফোটোনিক্সের ক্ষেত্রে গবেষণা পরিচালনা করেন, যা পদার্থবিদ্যার একটি উপক্ষেত্র যেখানে বিজ্ঞানীরা আলো নিয়ন্ত্রণ করেন এবং অণু এবং ন্যানো-আকারের কাঠামোর সাথে এর মিথস্ক্রিয়া অধ্যয়ন করেন। অন্যান্য প্রকল্পের মধ্যে, তার ল্যাব অনুঘটকগুলির কার্যকারিতা বাড়ানোর জন্য ফোটন ব্যবহার করেন।


কিছু পদার্থবিদ এমনকি নতুন ধরণের ফোটনের সন্ধান করছেন। তাত্ত্বিক "অন্ধকার ফোটন" এক নতুন ধরণের গেজ বোসন হিসেবে কাজ করবে, যা অন্ধকার পদার্থের কণার মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার মধ্যস্থতা করবে।


ফোটন সবসময় বিস্ময়ে পূর্ণ

কোন মন্তব্য নেই:

একটি মন্তব্য পোস্ট করুন