পারমাণবিক গঠন ও আইসোটোপ: নিউক্লাইড প্রতীক থেকে পারমাণবিক ভর

মাপা এককে প্রোটন, নিউট্রন ও ইলেকট্রন

মৌলিক চার্জের এককে প্রোটনের চার্জ +1, যেখানে e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, এবং ইলেকট্রনের চার্জ −1। নিউট্রনের কোনো চার্জ নেই। ভর সাধারণত একীকৃত পারমাণবিক ভর এককে (u, যাকে ডাল্টনও বলা হয়, Da) দেওয়া হয়, যেখানে 1 u হলো একটি কার্বন-12 পরমাণুর ভরের বারো ভাগের এক ভাগ, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg।

NIST প্রকাশিত 2022 সালের CODATA মান অনুযায়ী প্রোটনের ভর 1.007276 u, নিউট্রনের 1.008665 u এবং ইলেকট্রনের 0.000549 u। প্রোটন ইলেকট্রনের চেয়ে প্রায় 1836 গুণ ভারী, তাই পরমাণুর প্রায় সব ভর নিউক্লিয়াসে থাকে। নিউক্লিয়াস অত্যন্ত ক্ষুদ্রও: এর ব্যাসার্ধ 10⁻¹⁵ m মাত্রার, যেখানে পরমাণুর ব্যাসার্ধ 10⁻¹⁰ m মাত্রার। তাই ইলেকট্রনগুলো পরমাণুর আকার ও তার রসায়ন নির্ধারণ করে, আর নিউক্লিয়াস নির্ধারণ করে তার ভর।

নিউক্লাইড প্রতীক পড়া এবং আয়নে কণা গোনা

পারমাণবিক সংখ্যা Z হলো প্রোটনের সংখ্যা। এটিই মৌলকে সংজ্ঞায়িত করে: 17টি প্রোটনযুক্ত প্রতিটি পরমাণু ক্লোরিন। ভরসংখ্যা A হলো প্রোটন ও নিউট্রনের মোট সংখ্যা, তাই নিউট্রনের সংখ্যা A − Z। নিউক্লাইড প্রতীকে মৌলের প্রতীকের বাঁ দিকে A লেখা হয় সুপারস্ক্রিপ্ট হিসেবে এবং Z সাবস্ক্রিপ্ট হিসেবে, যেমন ³⁵₁₇Cl। প্রতীকটি নিজেই Z নির্দিষ্ট করে দেয় বলে সাবস্ক্রিপ্টটি প্রায়ই বাদ দেওয়া হয়, ফলে লেখা হয় ³⁵Cl বা ক্লোরিন-35।

কেবল নিরপেক্ষ পরমাণুতেই ইলেকট্রনের সংখ্যা প্রোটনের সমান। q চার্জযুক্ত একটি আয়নে Z − q সংখ্যক ইলেকট্রন থাকে, তাই ধনাত্মক চার্জ মানে কম ইলেকট্রন এবং ঋণাত্মক চার্জ মানে বেশি ইলেকট্রন। চার্জ কখনো নিউক্লিয়াস বদলায় না।

সমাধান করা উদাহরণ 1। ⁵⁶Fe³⁺-এর জন্য: Z = 26, তাই 26টি প্রোটন; 56 − 26 = 30টি নিউট্রন; 26 − 3 = 23টি ইলেকট্রন। ¹²⁷I⁻-এর জন্য: 53টি প্রোটন, 127 − 53 = 74টি নিউট্রন এবং 53 + 1 = 54টি ইলেকট্রন। ³⁴S²⁻-এর জন্য: 16টি প্রোটন, 18টি নিউট্রন এবং 18টি ইলেকট্রন। লক্ষ করুন, ³⁴S²⁻-এর ইলেকট্রনের সংখ্যা একটি আর্গন পরমাণুর সমান; আয়নকে আইসোইলেকট্রনীয় করে ইলেকট্রনের সংখ্যার মিল, ভরসংখ্যার মিল নয়।

আইসোটোপগুলো কেন একই রকম বিক্রিয়া করে অথচ ভরে ভিন্ন

আইসোটোপ হলো এমন পরমাণু যাদের Z একই কিন্তু নিউট্রনের সংখ্যা ভিন্ন। ক্লোরিন-35 ও ক্লোরিন-37 দুটিরই 17টি প্রোটন এবং নিরপেক্ষ পরমাণু হিসেবে 17টি ইলেকট্রন আছে। রাসায়নিক আচরণ নিয়ন্ত্রণ করে ইলেকট্রন, তাই দুটি আইসোটোপ একই অনুপাতে একই যৌগ গঠন করে।

ভরের ওপর নির্ভরশীল ধর্মগুলো অবশ্য সামান্য ভিন্ন হয়। নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় হালকা অণু দ্রুততর চলে, এবং ভারী আইসোটোপের সঙ্গে গঠিত বন্ধন একটু ধীরে বিক্রিয়া করে। ভারী মৌলের ক্ষেত্রে এই প্রভাবগুলো ক্ষুদ্র। ইউরেনিয়াম সমৃদ্ধকরণ দেখায় কতটা ক্ষুদ্র। গ্রাহামের সূত্র অনুযায়ী ²³⁵UF₆ ও ²³⁸UF₆-এর নিঃসরণ হারের অনুপাত √(M₂/M₁)। NIST-এর আইসোটোপ ভর ব্যবহার করে M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol এবং M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, তাই অনুপাতটি √(352.041/349.034) = 1.0043। একটি প্রতিবন্ধকের মধ্য দিয়ে একবার যাওয়ায় হালকা আইসোটোপটি আধা শতাংশেরও কম সমৃদ্ধ হয়, আর এ কারণেই সমৃদ্ধকরণ কারখানায় পরপর সাজানো অনেক ধাপ লাগে।

ভারযুক্ত গড়: আইসোটোপ ভর থেকে পারমাণবিক ভর

পর্যায় সারণির পারমাণবিক ভর কোনো একটি পরমাণুর ভর নয়। এটি একটি সাধারণ নমুনায় মৌলটির পরমাণুগুলোর গড় ভর, যা প্রতিটি আইসোটোপ কতটা প্রচলিত তা দিয়ে ভারযুক্ত। প্রতিটি আইসোটোপের ভরকে তার ভগ্নাংশ প্রাচুর্য দিয়ে গুণ করুন এবং গুণফলগুলো যোগ করুন। ভগ্নাংশগুলোর যোগফল অবশ্যই 1 হতে হবে।

সমাধান করা উদাহরণ 2। ম্যাগনেসিয়ামের তিনটি স্থিতিশীল আইসোটোপ আছে। NIST-এর Atomic Weights and Isotopic Compositions সারণি থেকে: ²⁴Mg, 23.985042 u, প্রাচুর্য 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101। গুণফলগুলো 18.94578, 2.49858 ও 2.86068 u, এবং তাদের যোগফল 24.30505 u। চার অঙ্কের প্রাচুর্যে সার্থক অঙ্কের কঠোর নিয়ম প্রয়োগ করলে এটি রাউন্ড হয়ে 24.31 u হতো। তিন দশমিক স্থান পর্যন্ত রাখলে এটি 24.305 u, যা বেশিরভাগ পর্যায় সারণিতে ছাপা প্রচলিত মান।

ক্লোরিনের জন্য একই হিসাব করুন, 34.968853 u ভর ও 0.7576 প্রাচুর্যের ³⁵Cl এবং 36.965903 u ভর ও 0.2424 প্রাচুর্যের ³⁷Cl ব্যবহার করে: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u। একটি দ্রুত আন্দাজ ভুল ধরে ফেলে: গড়টি অবশ্যই আইসোটোপ ভরগুলোর মাঝখানে থাকবে এবং বেশি প্রাচুর্যের আইসোটোপটির কাছাকাছি থাকবে।

উল্টো দিক থেকে আইসোটোপের প্রাচুর্য নির্ণয়

কোনো মৌলের দুটি আইসোটোপ থাকলে এবং আপনি পারমাণবিক ভর জানলে প্রাচুর্যগুলো নির্ণয় করতে পারবেন। প্রথম আইসোটোপের ভগ্নাংশকে x ধরুন; তাহলে দ্বিতীয়টির ভগ্নাংশ 1 − x। ভারযুক্ত গড়টিকে একটি সমীকরণ হিসেবে লিখুন এবং x-এর মান বের করুন।

সমাধান করা উদাহরণ 3। কপারের আদর্শ পারমাণবিক ভর 63.546 এবং এর দুটি স্থিতিশীল আইসোটোপ আছে, 62.929598 u-এর ⁶³Cu এবং 64.927790 u-এর ⁶⁵Cu (NIST)। তাহলে 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546। সাজিয়ে নিলে পাওয়া যায় x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915। তাই কপার 69.15% ⁶³Cu এবং 30.85% ⁶⁵Cu, যা NIST-এর 0.6915 ও 0.3085 প্রাচুর্য পুনরুৎপাদন করে।

এই পদ্ধতি কেবল দুটি আইসোটোপের জন্য কাজ করে। তিনটি থাকলে একটি গড় দুটি অজানা রাশিতে একটি মাত্র সমীকরণ দেয়, এবং আপনার আরেকটি পরিমাপ লাগবে, যেমন একটি ভর বর্ণালি।

ভর বর্ণালিতে আইসোটোপের নকশা

ভর বর্ণালিমাপক যন্ত্র একটি নমুনাকে আয়নিত করে, আয়নগুলোকে ভর-চার্জ অনুপাত অনুযায়ী আলাদা করে এবং প্রতিটি মানে কতগুলো আয়ন পৌঁছায় তা লিপিবদ্ধ করে। একটি একক মৌলের ক্ষেত্রে শিখরগুলোর উচ্চতা সরাসরি আইসোটোপের প্রাচুর্য দেয়। অণুর ক্ষেত্রে আইসোটোপগুলো একত্র হয়ে চেনা যায় এমন নকশা তৈরি করে।

সমাধান করা উদাহরণ 4। Cl₂-এর আণবিক আয়নের নকশা অনুমান করুন। ³⁵Cl-এর জন্য p = 0.7576 এবং ³⁷Cl-এর জন্য q = 0.2424 ধরুন। একটি অণু ³⁵Cl–³⁵Cl (ভর 70) হওয়ার সম্ভাবনা p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (ভর 72) হওয়ার সম্ভাবনা 2pq = 0.3673, এবং ³⁷Cl–³⁷Cl (ভর 74) হওয়ার সম্ভাবনা q² = 0.0588। 2 গুণকটি প্রতিটির একটি করে পাওয়ার দুটি উপায় গণনা করে। সবচেয়ে উঁচু শিখরকে 100 ধরে মাপ ঠিক করলে নকশাটি 100 : 64.0 : 10.2।

এ থেকে দুটি শর্টকাট আসে। একটি ক্লোরিন পরমাণুযুক্ত যৌগে দুই ভর একক দূরত্বে প্রায় 3 : 1 অনুপাতে শিখর দেখা যায়, কারণ p/q = 3.13। একটি ব্রোমিন পরমাণুযুক্ত যৌগে প্রায় সমান উচ্চতার দুটি শিখর দেখা যায়, কারণ NIST ⁷⁹Br-কে 0.5069 এবং ⁸¹Br-কে 0.4931 হিসেবে তালিকাভুক্ত করে।

পারমাণবিক গঠনের যে ভুলগুলোতে নম্বর কাটা যায়

বেশিরভাগ ভুল আসে তিনটি সংখ্যা গুলিয়ে ফেলা থেকে, অথবা পারমাণবিক ভরকে একটি একক পরমাণুর ধর্ম ধরে নেওয়া থেকে। কিছু গোনার আগে Z, A ও চার্জ লিখে নিন।

• আয়ন তৈরি করতে প্রোটনের সংখ্যা বদলানো। চার্জ কেবল ইলেকট্রন বদলায়; প্রোটন মৌল নির্দিষ্ট করে।
• ধনাত্মক আয়নের জন্য ইলেকট্রন যোগ করা। একটি 3+ আয়নে পরমাণুর চেয়ে তিনটি ইলেকট্রন কম থাকে।
• পারমাণবিক ভরকে ভরসংখ্যা হিসেবে পড়া। কোনো ক্লোরিন পরমাণুর ভর 35.45 u নয়; এটি প্রায় 35 u ও 37 u ভরের পরমাণুগুলোর একটি গড়।
• 100 দিয়ে ভাগ না করে শতাংশকে ভগ্নাংশ হিসেবে ব্যবহার করা, যা 100 গুণ বড় গড় দেয়।
• ভর বর্ণালি অনুমান করার সময় ³⁵Cl–³⁷Cl-এর মতো মিশ্র আইসোটোপ জোড়ের জন্য 2 গুণকটি ভুলে যাওয়া।
• একই ভরসংখ্যা থাকার কারণে দুটি নিউক্লাইডকে আইসোটোপ বলা। ¹⁴C ও ¹⁴N-এর A একই, কিন্তু এরা ভিন্ন মৌল।

ভর ত্রুটি ও ব্যবধানরূপে দেওয়া পারমাণবিক ভর

CODATA ভর ব্যবহার করে ছয়টি প্রোটন, ছয়টি নিউট্রন ও ছয়টি ইলেকট্রন যোগ করলে পাওয়া যায় 12.0989 u, অথচ একটি কার্বন-12 পরমাণুর ভর ঠিক 12 u। হারিয়ে যাওয়া 0.0989 u, যা মোটের প্রায় 0.82%, নিউক্লিয়াস গঠনের সময় নির্গত শক্তির সমতুল্য। এই ভর ত্রুটির কারণেই আইসোটোপ ভর পূর্ণসংখ্যা হয় না, এবং এটিই নিউক্লীয় বন্ধন শক্তির সূচনাবিন্দু।

কিছু মৌলের ক্ষেত্রে প্রাকৃতিক উৎসভেদে আইসোটোপের মিশ্রণ এতটা বদলায় যে IUPAC-এর Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights একটি একক সংখ্যার বদলে একটি ব্যবধান প্রকাশ করে। ক্লোরিনকে [35.446, 35.457] এবং ম্যাগনেসিয়ামকে [24.304, 24.307] হিসেবে তালিকাভুক্ত করা হয়। সাধারণ হিসাবের জন্য প্রচলিত একক মান 35.45 ও 24.305 ব্যবহার করুন, যদি না আপনার কোর্স অন্য কিছু বলে।