কোয়ান্টাম টানেলিং

কোয়ান্টাম কণাগুলোর অদ্ভুতুড়ে আচরণ মহাবিশ্বের রহস্যময় বিষয়গুলোর মধ্যে অন্যতম। অনেক সময়েই তাদের  আচরণ আমাদের দৈনন্দিন জীবনের অভিজ্ঞতার সাথে একেবারেই মিলে না। উদাহরণ হিসেবে সামনে আনা যেতে পারে কোন নির্দিষ্ট বিন্দুতে এদের অবস্থানের বিষয়টিকে। যে কোন মুহুর্তে এরা এক জায়গায় অবস্থান করে না। বরং তরঙ্গের মতন করে ছড়িয়ে থাকে। অর্থাৎ, ঠিক কোন বিন্দুতে এদের অবস্থান তা কখনই শতভাগ নিশ্চিত করে বলা যায় না। সর্বোচ্চ যেটা করা যায় সেটা হল যে, একটি এলাকা নির্ধারণ করা যায়। যার মধ্যে কণাগুলোর অবস্থানের সমূহ সম্ভাবনা রয়েছে। শুনতে অদ্ভুত মনে হলেও ঠিক এমনটাই ঘটে কোয়ান্টাম জগতে। 

সূচী

টেনিস বল বনাম কোয়ান্টাম কণা 

ফিউশন বিক্রিয়া এবং আলফা ক্ষয় প্রক্রিয়া

পরমাণু দর্শন 

যে রাশির সাহায্যে কোয়ান্টাম জগতে কণাগুলোর কোন জায়গায় অবস্থানের সম্ভাব্যতা পাওয়া যায় তার নাম ওয়েভ ফাংশন। কোন কণার ওয়েভ ফাংশন একটি বদ্ধ এলাকা নির্দেশ করে। সেখানেই কণাটির অস্তিত্ব থাকার সম্ভাবনা সবচেয়ে বেশি। তবে সম্ভাবনা সর্বোচ্চ হলেও শতভাগ কিন্তু নয়। অর্থাৎ, খুব সামান্য হলেও সেই বদ্ধ জায়গার বাইরে কণাটির অবস্থান হতে পারে। এই অদ্ভুত ধর্মের কারণে কোয়ান্টাম কণাগুলো পৌঁছে যেতে পারে এমন সব জায়গায় যার ব্যাখ্যা চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞান কোনভাবেই দিতে পারে না। 

টেনিস বল বনাম কোয়ান্টাম কণা 

প্রিয় পাঠক, ধরুন আপনার হাতে একটি টেনিস বল আছে। সেটিকে আপনার সামনে থাকা কোন দেয়ালের দিকে সোজা ছুঁড়ে মারলে কি ঘটবে? অবধারিতভাবেই সেটি দেয়ালে ধাক্কা খেয়ে আবার আপনার দিকেই ফিরে আসবে। কয়েক হাজার বার এই প্রক্রিয়ার পুনরাবৃত্তি করলেও ফলাফলে কোন ভিন্নতা আসবে না। অবশ্য সব সময় যে বলটি আপনার হাতেই আসবে এমনতা নয়। এদিক সেদিকেও চলে যেতে পারে। এবার আমরা যদি টেনিস বলের পরিবর্তে কোয়ান্টাম কণা (যেমনঃ ইলেকট্রন) নিয়ে একই পরীক্ষা করি তাহলে কেমন ফলাফল পাওয়া যাবে? প্রায় ৯৯.৯৯৯৯৯…% ক্ষেত্রেই ইলেকট্রনটি টেনিস বলের মতই দেয়ালে ধাক্কা খেয়ে প্রতিফলিত হবে। তবে বাকি ০.০০০০…১% সময়ে ঘটবে অদ্ভুত ঘটনা। ইলেকট্রনটি দেয়াল ভেদ করে অন্যপাশে চলে যাবে। পুরো ব্যাপারটি এমনভাবে ঘটবে যেন সেই সময়ে দেয়ালের কোন অস্তিত্বই নেই! কি ব্যাখ্যা এই অদ্ভুত ঘটনার? 

কোয়ান্টাম কণাদের এক অদ্ভুত আচরণ হল কোয়ান্টাম টানেলিং।

আমরা জানি যে, কোয়ান্টাম জগতে দেখা মিলে অদ্ভুত সব নিয়মের। সেখানে তরঙ্গ প্রদর্শন করতে পারে কণা ধর্মের। আবার, কণা প্রদর্শন করতে পারে তরঙ্গের ধর্ম। সেখানে কণাগুলোর অবস্থান নির্দেশ করতে হয় ওয়েভ ফাংশনের মাধ্যমে। যখন কোন কণার ওয়েভ ফাংশন বাঁধার সম্মুখীন হয় তখন সেটি প্রতিফলিত হয়ে আবার আগের জায়গায় ফিরে চলে আসে। অর্থাৎ, কণাটিকে খুঁজে পাওয়ার সর্বোচ্চ সম্ভাবনা থাকবে বাঁধার এই পাশেই। তবে মাঝে মাঝে কণার ওয়েভ ফাংশনের লেজের কিছু অংশ প্রতিফলিত না হয়ে বাঁধাকে ভেদ করে অন্যপাশে চলে যেতে পারে। এর মানে হল যে, বাঁধার অন্যপাশে কণাটির অস্তিত্ব থাকার সামান্যতম হলেও সম্ভাবনা থাকবে। এই ঘটনার নাম দেয়া হয়েছে কোয়ান্টাম টানেলিং। শুনতে অদ্ভুত মনে হলেও এই ঘটনা গানিতিকভাবে সুপ্রতিষ্ঠিত। নিচের ছবিতে বিষয়টি সহজভাবে দেখানো হয়েছে। 

কোয়ান্টাম টানেলিং-এর প্রক্রিয়া

দৈনন্দিন জীবনের বস্তুগুলোর কোয়ান্টাম টানেলিং এর সম্ভাব্যতা কেমন? ধরুন একজন মানুষ যদি কোয়ান্টাম টানেলিং ব্যবহার করে দরজা ভেদ করে অন্যপাশে চলে যেতে চায়, তাহলে কি তিনি সফল হবেন? সাধারণ একজন মানুষের দেহে গড়ে ১০২৭ টি পরমাণুর অস্তিত্ব থাকে। যদি কেউ অক্ষত অবস্থায় দরজা ভেদ করে অন্যপাশে যেতে চায়, তাহলে অবশ্যই তার শরীরের সকল পরমাণুকে একসাথে অন্যপাশে যেতে হবে। এইজন্য ওই মানুষটি প্রতি সেকেন্ডে যদি একবার করেও চেষ্টা করে (দেয়াল ভেদ করার আশায় সেখানে গিয়ে ধাক্কা দেয়), তাহলে যে সময় লাগবে তা হলো আমাদের মহাবিশ্বের বর্তমান বয়সের চেয়েও বেশি সময়। অবশ্য তাতেও সফলতা নিশ্চিত নয়! তবে আরেকটি ভয়াবহ ঘটনা ঘটতে পারে (এটি ঘটার সম্ভাবনাই বেশি)। এমন হতে আরে যে, দেহের কিছু পরমাণু দরজা ভেদ করে অন্য পাশে চলে গেছে। আর বাকিগুলো রয়ে যাবে দরজার এই পাশে। কি ভয়ংকর অবস্থা!

তাহলে মূল কথা হলো যে, দৈনন্দিন জীবনের ম্যাক্রোস্কপিক বস্তুগুলোতে কোয়ান্টাম টানেলিং সংঘটনের সম্ভাবনা নেই বললেই চলে। আর যদি বাঁধার পুরোত্ত্ব বাড়তে থাকে, তাহলে মাইক্রোস্কপিক বস্তুদের বেলাতেও টানেলিং সংঘটনের সম্ভাব্যতা পাল্লা দিয়ে হ্রাস পায়। তবে মহাবিশ্বে টানেলিং হচ্ছে। শুধু হচ্ছে না, বেশ ভালোভাবেই হচ্ছে। এমনকি এটি না থাকলে পৃথিবীতে জীবনের অস্তিত্ব পর্যন্ত থাকতো না! 

ফিউশন বিক্রিয়া এবং আলফা ক্ষয় প্রক্রিয়া

প্রিয় পাঠক, নিউক্লিয়ার ফিউশন বিক্রিয়ার সাথে নিশ্চয়ই আপনি পরিচিত। মহাবিশ্বের সকল নক্ষত্রের মধ্যে এই বিক্রিয়ার মাধ্যমে উৎপন্ন হয় শক্তি। দুই বা ততোধিক ছোট পরমাণুর নিউক্লিয়াস একত্রিত হয়ে হয়ে তৈরি করে নতুন নিউক্লিয়াস। এই সময়ে পাওয়া যায় বিপুল পরিমাণ শক্তি। যার মাত্রা নিউক্লিয়ার ফিশন বিক্রিয়ার চেয়েও বেশি। আমাদের সূর্যের মধ্যে প্রতিনিয়ত ফিউশনের মাধ্যমে হাইড্রোজেন পরিণত হচ্ছে হিলিয়ামে এবং পাওয়া যাচ্ছে বিপুল শক্তি। অথচ মজার বিষয় হলো যে, চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞানের নিয়ম অনুসারে সূর্যের কোরে ফিউশন ঘটার কথা না! 

একটু ব্যাখ্যা করা যাক। ফিউশন সংঘটিত হতে হলে প্রথমে দুইটি পরমাণুকে কাছাকাছি আসতে হবে। তারপর তারা একীভূত হয়ে তৈরি করবে নতুন নিউক্লিয়াস। সূর্যের অভ্যন্তরে পরমাণুগুলো সাধারণ কঠিন, তরল বা গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে না। এরা থাকে প্লাজমা অবস্থায়। যা কিনা পদার্থের চতুর্থ অবস্থা নামে পরিচিত। সূর্যের কোরের অতি উচ্চ তাপমাত্রার প্রভাবে পরমাণুগুলোতে থাকা ইলেকট্রন বাইরে বের হয়ে যায়। ইলেকট্রন হারিয়ে পরমাণুগুলো ধনাত্মক আধান বিশিষ্ট হয়ে থাকে। সমধর্মী আধান বিশিষ্ট পরমাণুগুলো একে অন্যকে বিকর্ষণ করে। যা অতিক্রম করে পরমাণুগুলোর পক্ষে কাছাকাছি এসে ফিউশনে অংশ নেয়া অসম্ভব। সূর্যের কোরের প্রায় ১৫ মিলিয়ন ডিগ্রী সেলসিয়াস তাপমাত্রাও যথেষ্ট নয় বিকর্ষণ বল অতিক্রম করানোর জন্য। তবে যদি সুর্যের তাপমাত্রা ১০০ মিলিয়ন ডিগ্রী সেলসিয়াস হতো, তাহলে চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞানের নিয়মে ফিউশন হতে পারত। তাহলে কেন তাপমাত্রায় এত বিশাল পরিমাণ ঘাটতি থাকার পরেও সূর্যে ফিউশন হচ্ছে? কি রহস্য লুকিয়ে আছে সূর্যের বুকে? 

এক কথায় এই রহস্যের উত্তর কোয়ান্টাম টানেলিং। এই অদ্ভুত কোয়ান্টাম মেকানিক্যাল ইফেক্টের কারণে পরমাণুগুলো বিকর্ষণ বলকে ফাকি দিয়ে পরস্পরের কাছে এসে ফিউশন ঘটাতে পারে। এ যেন ক্লোজ আপ কাছে আসার গল্পকেও হার মানায়। গানিতিকভাবে টানেলিং হওয়ার সম্ভাবনা খুব কম হলেও, সূর্যের বুকে থাকা অগণিত সংখ্যক পরমাণুর ক্রমাগত প্রচেষ্টায় টানেলিং বেশ ভালোভাবেই হতে পারে। সূর্য থেকে আসা আলো এবং তাপ প্রতিনিয়ত এর প্রমাণ দিয়ে যাচ্ছে। 

আমাদের অতি পরিচিত আলফা ক্ষয় প্রক্রিয়া সংঘটনের পূর্বশর্তও টানেলিং। ২০০ ভর সংখ্যা বিশিষ্ট কোন পরমাণুর নিউক্লিয়াস থেকে আলফা কণা (দুইটি প্রোটন এবং দুইটি নিউট্রনের সমন্বয়) নির্গত হতে হলে যে বিভব বাঁধা অতিক্রম করতে হয়, তার মান প্রায় ২০-২৫ মেগাইলেকট্রন ভোল্ট। অন্যদিকে, আলফা কণার গতিশক্তি হতে মাত্র ৫ মেগাইলেকট্রন ভোল্ট। তাই এখানেও চিরায়ত পদার্থবিজ্ঞানের নিয়ম অনুসারে আলফা কণা নিঃসরণের কোন সুযোগ নেই। কিন্তু কোয়ান্টাম টানেলিং এই অসম্ভবকে সম্ভব করেছে।

আলফা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় কোয়ান্টাম টানেলিং

পরমাণু দর্শন 

কোয়ান্টাম টানেলিং এর একটি চমকপ্রদ বাস্তব ব্যবহার জানিয়ে আমি আজকের আলোচনা শেষ করব। এটি ব্যবহার করে একটি বিশেষ ধরণের মাইক্রোস্কোপ তৈরি করা হয়। যার নাম স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ (STM)। এরা গতানুগতিক অণুবীক্ষণ যন্ত্রের মতন নয়। এতে কোন লেন্স নেই এবং আলোর কোন ব্যবহারও নেই। আসলে আমরা যা দেখার জন্য একে ব্যবহার করব, সেটি এতটাই ক্ষুদ্র যে আলো (ফোটন) ব্যবহার করে তার দেখা পাওয়া সম্ভব নয়। স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ ব্যবহার করে আমরা একটি একক পরমাণুকে দৃশ্যমান করে তুলতে পারি!  

স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপের মূল উপকরণ একটি সুঁইয়ের মতন দেখতে অতি মাত্রায় সূক্ষ্ম ধাতব পদার্থের তৈরি বিশেষ ধরণের তার। যে পৃষ্ঠকে এই যন্ত্রের সাহায্যে স্ক্যান করা হবে, সেটির খুব কাছে নিয়ে আসা হয় তারটিকে। তবে উভয়ের মাঝে খুব সচেতনভাবে অতি নগণ্য পরিমাণ ফাঁক রাখা হয়। এখন যদি আমরা ব্যাটারির মাধ্যমে তারের মধ্যে বিদ্যুৎ সংযোগ দেই, তাহলে কিন্তু তারের মধ্যে দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হওয়ার কথা নয়। কারণ পৃষ্ঠ এবং তারের মধ্যে ফাঁকা জায়গা থাকার দরুন বর্তনী সম্পূর্ণ হয় না। অর্থাৎ, এটির এক ধরণের খোলা বর্তনীর মতন কাজ করার কথা। কিন্তু আশ্চর্যজনক বিষয় হচ্ছে যে, ফাঁকা জায়গা থাকা সত্ত্বেও এই সময়ে তড়িৎ পরিবাহিত হয়। কোয়ান্টাম টানেলিং এর মাধ্যমে তারের অগ্র প্রান্ত থেকে ইলেকট্রন লাফ দিয়ে চলে যায় সারফেসে। তারপর সেখান থেকে ঘুরে গিয়ে পৌঁছায় ব্যাটারিতে। ফলে বর্তনী সম্পূর্ণ হয়। নিচের ছবিতে বিষয়টি দেখানো হয়েছে। 

স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপের মূলনীতি

এখন প্রশ্ন হল যে, স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ ব্যবহার করে পরমাণু কিভাবে পরমাণু দেখা সম্ভব? আমরা আগেই বলেছিলাম যে, কোয়ান্টাম টানেলিং এর সম্ভাব্যতার মাত্রা নির্ভর করে বাঁধার পুরুত্ত্বের উপরে। মাইক্রোস্কোপের টিপ এবং পৃষ্ঠের মধ্যে দূরত্ব যত কম থাকার অর্থ হলো যে, বাঁধার পরিমাণ কম। তাই সে সময়ে বেশি ইলেকট্রন টানেলিংয়ে অংশ নেয়। এতে করে বর্তনীতে কারেন্টের পরিমাণ বেশি থাকে। অন্যদিকে, দূরত্ব বেশি হলে ঘটে বিপরীত ঘটনা। এভাবে কারেন্টের তারতম্য পরিমাপের মাধ্যমে দৃশ্যমান করে তোলা সম্ভব পরমাণুকে। 

স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ দিয়ে কোন পৃষ্ঠকে স্ক্যান করার সময়ে তীক্ষ্ণ নজর রাখা হয় মনিটরের দিকে। যদি তারটি পৃষ্ঠের উপর দিয়ে ঘুরানোর সময়ে কারেন্টে কোন পরিবর্তন না আসে, তাহলে সেটি নির্দেশ করবে পৃষ্ঠের মসৃণতা। কারণ সে সময়ে তার ও পৃষ্ঠের দূরত্বে কোন পরিবর্তন আসে না। অন্যদিকে, তড়িৎ প্রবাহের ক্ষুদ্র পরিবর্তন হলেও সেটি নির্দেশ করবে পৃষ্ঠের অমসৃণতা তথা পৃষ্ঠ ও তারের মধ্যকার ফাঁকা স্থানের হ্রাস বৃদ্ধিকে। স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ এতটাই সূক্ষ্মভাবে কাজ করতে পারে যে, একটি পরমাণুর উপস্থিতি বা ঘাটতি জনিত পৃষ্ঠের অমসৃণতাকেও নিখুঁতভাবে শনাক্ত করতে পারে। মূলত মনিটরে দৃশ্যমান তড়িৎ প্রবাহের তারতম্যকে বিশ্লেষণ করে এটি করা হয়। এভাবে আমরা স্ক্যান করার মাধ্যমে একটি একক পরমাণুর আকৃতি নির্ধারন করতে পারি। যা কিনা একে দেখতে পাবারই নামান্তর। আর এই সব সম্ভব হয়েছে কোয়ান্টাম কণাগুলোর অদ্ভুত খেয়ালি আচরণের কারণে।

তথ্যসূত্র:

• থিওরী অফ আলফা ডিকে, নিউক্লিয়ার-পাওয়ার ডট কম
• নো কোয়ান্টাম টানেলিং, নো সান, আনান্দ ওয়াগমার, ২১ জুন ২০২০ 
• স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ, ন্যানো সায়েন্স ডট কম
• এ কার্টুন গাইড টু দ্য ফ্যাসিনেটিং রেলম অফ ফিজিক্স