ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশন বা কৃষ্ণবস্তুর বিকিরণ – Black body radiation

কোন একটি বস্তুকে উত্তপ্ত করলে বস্তুটি গ্লো করতে থাকে। তাপমাত্রা বাড়ার সাথে সাথে বস্তুটি প্রথমে হালকা লাল, তারপর উজ্জ্বল লাল এবং তারপর হলুদ বা সাদা বর্ণ ধারণ করে। অর্থাৎ তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে বস্তু শুধুমাত্র গ্লোই করে না, সেই সাথে বর্ণ পরিবর্তন করে।

এখন তাপমাত্রা বৃদ্ধির ফলে কেন কোনো একটি বস্তু গ্লো করে এবং কেনই বা বর্ণ পরিবর্তন করে, এই প্রশ্নের উত্তর খুঁজতে গিয়ে প্ল্যাঙ্ক কনস্ট্যান্ট সামনে আসে এবং কোয়ান্টাম মেকানিক্স-এর মতো গভীর বিষয় উন্মোচিত হয়। তাপমাত্রার সাথে বস্তুর গ্লো করাকে বলে ব্ল্যাক বডির রেডিয়েশন, যার ফলে সূর্য থেকে আমরা আলো পাই।

সেই সাথে এর মাধ্যমে আমরা দূরবর্তী তারার তাপমাত্রা, তা থেকে নির্গত শক্তির পরিমাণ – এই বিষয়গুলো সম্পর্কেও ধারণা পাই। সেই সাথে কেন ফিলামেন্ট বাল্বে বিদ্যুৎ খরচ বেশি হয়, তাও বোঝা যায়। আজকের ভিডিওতে ব্ল্যাক বডির রেডিয়েশন এবং কিভাবে এর মাধ্যমে দূরবর্তী তারার তাপমাত্রা সম্পর্কে জানা যায়, এই বিষয়গুলো বলা হবে। আমি জুম্মান, আছি আপনাদের সাথে, আপনারা দেখছেন বিজ্ঞান ভাই সি।

সূর্যের সাদা আলোতে রংধনুর সবগুলো রঙের উপস্থিতি থাকে। এখন এই আলো যখন কোনো বস্তুতে পড়ে, তখন সেই আলো প্রতিফলিত হয়ে আমাদের চোখে আসলে ঐ বস্তু আমরা দেখতে পাই। এখন কোনো একটি বস্তুকে লাল দেখার অর্থ হচ্ছে, বস্তুটি লাল আলো ছাড়া বাকি আলোগুলো শোষণ করে এবং শুধুমাত্র লাল আলো প্রতিফলিত করে। ফলাফল, বস্তুটিকে লাল দেখায়।

একইভাবে কোনো বস্তু নীল দেখা মানে বস্তুটি শুধুমাত্র নীল আলো প্রতিফলিত করে এবং অন্য সকল আলো শোষণ করে। এখন এই বিষয়গুলো একটু গভীরভাবে ভাবলে একটি প্রশ্ন সামনে আসবে, যেমন – একটি লাল বর্ণের গোলক সূর্যের আলোতে রাখা মানে বস্তুটি শুধুমাত্র লাল আলো প্রতিফলিত করবে এবং অন্য সকল আলো শোষণ করবে।

এখন আলো শোষণ করা মানে শক্তি শোষণ করা, ফলাফল গোলকটির তাপমাত্রা বৃদ্ধি পাবে। এখন গোলকটি দীর্ঘক্ষণ সূর্যের আলোতে রাখা মানে, বস্তুটি ক্রমাগত শক্তি শোষণ করে উত্তপ্ত হবে এবং একসময় গ্লো করবে। কিন্তু বাস্তবে এমনটা দেখা যায় না। তাহলে এখন প্রশ্ন হচ্ছে, গোলকটির শোষণ করা শক্তি কোথায় যাচ্ছে?

ঠিক এই প্রশ্নটি করেছিলেন জার্মান পদার্থবিদ গুস্তাফ কির্‌খফ আঠারোশো উনষাট সালে। তিনি বলেন, বস্তুটি যে শুধুমাত্র আলো শোষণ করছে তা না, বস্তুটি আলো শোষণ করার সাথে সাথে আলো নির্গত করছে, যার ফলে বস্তুর তাপমাত্রা খুব বেশি বাড়ছে না।

তার মানে বস্তুটি লাল আলো প্রতিফলিত করার সাথে সাথে এমন আলো নির্গত করছে, যা আমরা দেখতে পাচ্ছি না। তিনি সেই আলোর নাম দেন থার্মাল রেডিয়েশন। যদিও তখন কেন এমনটা হবে, সে সম্পর্কে কোনো ধারণাই ছিল না, কির্‌খফ শুধু শক্তির সংরক্ষণশীলতার নীতি অনুযায়ী এমনটা বলেছিলেন।

এখন প্রশ্ন হচ্ছে, লাল বস্তুটি যদি নিজের থার্মাল এনার্জি নির্গত করে থাকে তবে বস্তুটিকে গ্লো করতে দেখা উচিত। তাহলে কেন বস্তুটিকে গ্লো করতে দেখা যায় না, এমন প্রশ্নই উৎসাহ দেয়। এই ক্ষেত্রে যে আলো নির্গত হবে তা আমাদের দৃষ্টিসীমার বাইরের আলো। তার মানে, যেসব বস্তুর সামান্যতম তাপমাত্রার উপস্থিতি আছে, এমন সকল বস্তু থেকেই থার্মাল রেডিয়েশন নির্গত হয়।

এখনই থার্মাল রেডিয়েশন ভালোভাবে বোঝার জন্য আমাদের এমন বস্তু প্রয়োজন যা তার উপর আপতিত সকল আলো শোষণ করবে। অর্থাৎ, এমন কোন বস্তু যদি পাওয়া যায় যা তার উপর আপতিত সকল আলো শোষণ করতে পারে, তাহলে ওই বস্তু থেকে কোন আলো প্রতিফলিত হবে না। তার মানে তখন ওই বস্তু থেকে শুধুমাত্র থার্মাল রেডিয়েশন নির্গত হবে, যাকে বলা হয় ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশন।

এখন ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশন স্টাডি করতে পারফেক্ট ব্ল্যাক বডি প্রয়োজন। কিন্তু বাস্তবে এমন ব্ল্যাক বডি তৈরি করা সম্ভব নয়, কারণ কোন বস্তুই তার উপর আপতিত সকল আলো শোষণ করতে পারে না। যার ফলে কিভাবে পারফেক্ট ব্ল্যাক বডি তৈরি করা যায় তার চেষ্টা চলতে থাকে। কারণ ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশন স্টাডির মাধ্যমে এটা জানা যাবে কেন কোনো একটি বস্তু তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে একসময় সেটি দৃশ্যমান আলো নির্গত করে এবং কেনই বা কম তাপমাত্রায় দৃষ্টিসীমার বাইরের আলো বা ইনফ্রারেড রেডিয়েশন নির্গত করে।

এখন পারফেক্ট ব্ল্যাক বডি একটি থিওরিটিকাল কনসেপ্ট। বাস্তবে পারফেক্ট ব্ল্যাক বডি তৈরি করা সম্ভব নয়। তবে পারফেক্ট ব্ল্যাক বডির কাছাকাছি বস্তু পাওয়া যায় অতি সহজ একটি ধারণা থেকে। এবং সেটি হচ্ছে—একটি বড় বক্সের ভেতরের সকল দেয়াল কালো পেইন্ট দিয়ে আবৃত করে একটি দেয়ালে ছোট ছিদ্র রাখলে, ছিদ্রটি ব্ল্যাক বডি হিসেবে কাজ করবে।

কারণ এই ছোট ছিদ্র দিয়ে প্রবেশ করা আলো বক্সের দেয়ালে প্রতিফলিত হতে থাকবে এবং শোষিত হবে। এর ফলে ছিদ্র দিয়ে প্রবেশ করা আলো আবার এই ছিদ্র দিয়ে বের হয়ে আসার সম্ভাবনা অতি সামান্য। তার মানে, বক্সের এই ছিদ্রটি ব্ল্যাক বডি হিসেবে কাজ করবে। পরবর্তীতে এই ধারণার উপর ভিত্তি করে যতটা সম্ভব পারফেক্টভাবে ব্ল্যাক বডি তৈরি করা হয়। বর্তমানে অবশ্য সিলিন্ডার শেপের কাঠামো ব্যবহার করা হয়।

যাইহোক, বক্সের মাধ্যমে ব্ল্যাক বডি তৈরি করে বক্সের বাইরের অংশ যদি মেটাল দিয়ে আবৃত করা হয় এবং এরপর উত্তপ্ত করা হয়, তবে তাপের ফলে বক্সের ভেতরের অংশটিও উত্তপ্ত হবে। এর ফলে ছিদ্র দিয়ে রেডিয়েশন নির্গত হবে এবং এই রেডিয়েশন হবে শুধুমাত্র থার্মাল রেডিয়েশন।

এরকমভাবে ব্ল্যাক বডি তৈরি করে এর থেকে নির্গত রেডিয়েশন স্টাডি করে বিজ্ঞানীরা ফাইনালি এরকম একটি গ্রাফ পান, যার এক্স অক্ষ আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য নির্দেশ করে এবং ওয়াই অক্ষ আলোর তীব্রতা বা ইন্টেনসিটি নির্দেশ করে। এই গ্রাফ থেকে দেখা যায়, যেকোন তাপমাত্রাতেই বিবেচনা করা হোক না কেন, থার্মাল রেডিয়েশনে আলট্রাভায়োলেট রশ্মি থেকে শুরু করে এর চেয়ে বড় তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সকল আলোর উপস্থিতি থাকে।

তার মানে, আমি, আপনি সহ আমাদের চারপাশের সকল বস্তু এই রেডিয়েশন নির্গত করছে। এমনকি এই রেডিয়েশনের মধ্যে ভিজিবল লাইটও রয়েছে, অর্থাৎ রংধনুর সকল রং রয়েছে। তাহলে এখন প্রশ্ন হচ্ছে, সত্যিই যদি এমনটা হয়ে থাকে, তাহলে আমি যদি অন্ধকারে দাঁড়িয়ে থাকি, সেক্ষেত্রে আমার দেহ থেকে ভিজিবল লাইট নির্গত হচ্ছে তা দেখতে পাওয়া উচিত।

কিন্তু বাস্তবে তা হচ্ছে না। এমনকি সকল বস্তু যদি ভিজিবল লাইট নির্গত করে থাকে, তাহলে পৃথিবীতে অন্ধকার থাকত না। কিন্তু বাস্তবে এমনটা হচ্ছে না। আসলে এর কারণ হচ্ছে—

পক্ষে তাপমাত্রা বা আমাদের শরীরের যে তাপমাত্রা, এই তাপমাত্রায় যে থার্মাল রেডিয়েশন নিঃসৃত হয়, তার গ্রাফ হচ্ছে এমন, যেখানে আল্ট্রাভায়োলেট কিংবা ভিজিবল লাইটের পরিমাণ প্রায় শূন্যের কাছাকাছি এবং ম্যাক্সিমাম রেডিয়েশন মূলত হচ্ছে ইনফ্রারেড অংশের রেডিয়েশন।

যার ফলে কক্ষতাপমাত্রায় বস্তুকে আমরা গ্লো করতে বা উজ্জ্বলতা ছড়াতে দেখিনা। তবে বর্তমানে উন্নত টেকনোলজির মাধ্যমে তৈরি থার্মাল ক্যামেরার মাধ্যমে এই থার্মাল রেডিয়েশন দেখা যায়। তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে ব্ল্যাক বডির রেডিয়েশনের গ্রাফ খুব একটা পরিবর্তন হয় না, শুধুমাত্র ইনটেনসিটি বাড়ে এবং গ্রাফটি বামদিকে সরে যায়।

যেমন, কোনো একটি বস্তুর তাপমাত্রা বাড়িয়ে ২৫০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস করলে গ্রাফ বামে সরে গিয়ে পিক ইনটেনসিটি হবে লাল বর্ণের আলোর দিকে। যার ফলে কোনো মেটালকে তাপ দিয়ে ২৫০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস করলে ওই মেটাল থেকে লাল বর্ণের আলো নিঃসৃত হতে দেখা যায়, অর্থাৎ মেটালটি লাল বর্ণে জ্বলজ্বল করতে থাকে।

এখন একইভাবে তাপমাত্রা বাড়িয়ে ৩০০০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের উপরে করলে, গ্রাফ আরও একটু বামে সরে যায়। এতে হলুদা বর্ণের আলো নিঃসৃত হয়। ঠিক এজন্যই ফিলামেন্ট বাল্ব থেকে হলুদা বর্ণের আলো নিঃসৃত হয়। অর্থাৎ ফিলামেন্ট বাল্ব উত্তপ্ত হবার কারণে তা থেকে যে থার্মাল রেডিয়েশন নিঃসৃত হয়, তাতেই আমাদের ঘর আলোকিত হয়।

এখানে খেয়াল করুন, ফিলামেন্ট বাল্বের হলুদ আলোর ইনটেনসিটি বেশি থাকার ফলে বাল্ব থেকে নিঃসৃত আলোকে হলুদ দেখায়। কিন্তু এই হলুদ আলোর বাইরেও ইনফ্রারেড অঞ্চলের বিশাল রেডিয়েশন ফিলামেন্ট বাল্ব থেকে নিঃসৃত হয়।

এখন এই ইনফ্রারেড রেডিয়েশন আমাদের কাজে না লাগলেও, এই রেডিয়েশনের জন্য বিদ্যুৎ ঠিকই খরচ হয় এবং এই জন্যই ফিলামেন্ট বাল্বে বেশি বিদ্যুৎ খরচ হয়ে থাকে। ফিলামেন্ট বাল্বে অন্য কোনো মেকানিজম নেই—জাস্ট তাপমাত্রার ফলে নিঃসৃত রেডিয়েশনই হচ্ছে ফিলামেন্ট বাল্বের উজ্জ্বলতা।

বর্তমানে অবশ্য ফিলামেন্ট বাল্বের ব্যবহার খুব একটা নেই। ফিলামেন্ট বাল্বের বিপরীতে বর্তমানে এলইডি বাল্ব ব্যবহার করা হয়ে থাকে, যা ভিন্ন মেকানিজমে কাজ করে এবং এর ফলে এলইডি থেকে সাদা আলো পাওয়া যায়। সেই সাথে বিদ্যুৎ খরচও কম হয়ে থাকে।

ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশনের সবচেয়ে বড় উদাহরণ হচ্ছে সূর্য। ফিলামেন্ট বাল্বের মতোই সূর্যের তাপমাত্রার ফলে যে রেডিয়েশন নিঃসৃত হয়, এর মাধ্যমেই আমাদের পৃথিবী আলোকিত হয়। সূর্যের পৃষ্ঠের তাপমাত্রা প্রায় ৫৬০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রায় ব্ল্যাক বডি রেডিয়েশনের গ্রাফ হচ্ছে এমন।

এখানে খেয়াল করুন, পিক ইনটেনসিটিতে রংধনুর সবগুলো রঙ রয়েছে। যার ফলে এই সবগুলো আলোর সম্মিলিত রূপ হিসেবে সূর্য থেকে আমরা সাদা আলো পেয়ে থাকি। যদিও পৃথিবী থেকে সূর্যকে হলুদ আবছা দেখায়, এর কারণ হচ্ছে পৃথিবীর বায়ুমণ্ডল।

পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলের বাইরে, অর্থাৎ স্পেস থেকেই কিন্তু সূর্যকে ঠিকই সাদা দেখা যায়। এখন সূর্যের তাপমাত্রার ক্ষেত্রে খেয়াল করুন, আল্ট্রাভায়োলেট লাইটের কিছু অংশ নিঃসৃত হয়। এজন্যই আমরা বলে থাকি সূর্যের আলোতে ইউভি লাইট বা অতিবেগুনি রশ্মি রয়েছে, যদিও এই আলো আমাদের চোখ দেখতে সক্ষম নয়।

এখন তাপমাত্রা যদি আরও বাড়ানো হয়, তবে গ্রাফ আরও বাম দিকে সরে যাবে। অর্থাৎ সেক্ষেত্রে অধিক পরিমাণ আল্ট্রাভায়োলেট রশ্মি নিঃসৃত হবে। এখন প্রশ্ন হতে পারে—বস্তুর তাপমাত্রার ফলে কেন রেডিয়েশন নিঃসৃত হয়?

আসলে তাপমাত্রা বৃদ্ধি মানে বস্তুর মধ্যে থাকা অ্যাটমের গতিশক্তি বৃদ্ধি পায়। এর ফলে ইলেকট্রনের গতিশক্তিও বৃদ্ধি পাবে।

এখন যেকোন গতিশীল চার্জ ইলেকট্রোম্যাগনেটিক তরঙ্গ নির্গত করে এবং ইলেকট্রোম্যাগনেটিক তরঙ্গ হচ্ছে আলো বা রেডিয়েশন। এবং এই জন্যই তাপমাত্রার ফলে রেডিয়েশন নির্গত হয়। এখন এই বিষয়গুলো আরও বিস্তারিত জানতে আমার এই ভিডিওটি দেখতে পারেন।

ব্ল্যাকবডি রেডিয়েশন স্টাডি করে বিজ্ঞানীরা আরও কিছু বিষয় আবিষ্কার করেন, যেমন স্টিফেন-বল্টজম্যান সূত্র। এই সূত্র অনুযায়ী, ব্ল্যাকবডির একক ক্ষেত্রফল থেকে একক সময়ে নির্গত থার্মাল রেডিয়েশন বা এনার্জি ব্ল্যাকবডির তাপমাত্রার চতুর্থ ঘাতের সমানুপাতিক। অর্থাৎ, E ∝ T⁴।

এখানে E হচ্ছে ব্ল্যাকবডি থেকে নির্গত এনার্জি এবং T হচ্ছে ব্ল্যাকবডির তাপমাত্রা। এক্ষেত্রে আমরা লিখতে পারি, E = σT⁴। এখানে σ হচ্ছে স্টিফেন-বল্টজম্যান ধ্রুবক।

এর বাইরে আরেকটি সূত্র হচ্ছে উইনস ডিসপ্লেসমেন্ট ল। এই সূত্র অনুযায়ী, ব্ল্যাকবডি থেকে নির্গত রেডিয়েশনের সর্বোচ্চ তীব্রতার আলোর যেই তরঙ্গদৈর্ঘ্য থাকবে তা তাপমাত্রার বিপরীতানুপাতিক হবে। অর্থাৎ, λₘₐₓ ∝ 1/T বা λₘₐₓ = b/T।

এখানে λₘₐₓ হচ্ছে সর্বোচ্চ তরঙ্গদৈর্ঘ্য, b হচ্ছে উইনস ডিসপ্লেসমেন্ট ধ্রুবক এবং T হচ্ছে ব্ল্যাকবডির তাপমাত্রা। এখন এই দুইটি সূত্রের মাধ্যমে আমরা পৃথিবীতে বসেই সূর্যসহ অন্যান্য দূরবর্তী তারার তাপমাত্রা এবং তারা প্রতি সেকেন্ডে কী পরিমাণ থার্মাল এনার্জি নির্গত করছে তা হিসাব করতে পারি।

যেমন সূর্য থেকে আসা থার্মাল রেডিয়েশনে কোন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো সবচেয়ে বেশি তীব্র তা নির্ণয় করে উইনস ডিসপ্লেসমেন্ট সূত্রের মাধ্যমে সূর্য পৃষ্ঠের তাপমাত্রা নির্ণয় করা যায়। এরপর স্টিফেন-বল্টজম্যান সূত্রের মাধ্যমে সূর্য প্রতি সেকেন্ডে কত পরিমাণ এনার্জি নির্গত করছে তা জানা যায়।

এই একই পদ্ধতিতে অন্যান্য তারার তাপমাত্রাসহ আরও বিভিন্ন তথ্য পৃথিবীতে বসেই জানা যায়। এমনকি এই পদ্ধতিতে আমাদের মহাবিশ্বের সবচেয়ে পুরনো আলো অর্থাৎ কসমিক মাইক্রোওয়েভ ব্যাকগ্রাউন্ড সম্পর্কেও অনেক কিছু জানা যায়।

এখন হাবল টেলিস্কোপের তোলা এই ছবিটি দেখে বলুন তো, কোন তারা গুলোর তাপমাত্রা বেশি এবং কোনগুলোর কম? এখানে যেসব তারা লালচে কিংবা কমলা বর্ণের, এদের তাপমাত্রা সবচেয়ে কম হবে। সাদা তারা গুলোর তাপমাত্রা আমাদের সূর্যের তাপমাত্রার কাছাকাছি হবে এবং যেগুলো নীল রঙের, তাদের তাপমাত্রা সবচেয়ে বেশি হবে।

কারণ আমরা আগে দেখেছি, তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে বস্তুর নির্গত থার্মাল রেডিয়েশন ইনফ্রারেড থেকে ইউভি-র দিকে যায়। সে অনুযায়ী, তাপমাত্রার সাথে বর্ণের ক্রম হবে ইনফ্রারেড → লাল → নীল → আল্ট্রাভায়োলেট, যা খালি চোখে দেখা যায় না।

এখন ব্ল্যাকবডি রেডিয়েশন কী তা তো বোঝা গেল। এরপর প্রশ্ন হচ্ছে, এর মাধ্যমে কিভাবে প্ল্যাঙ্ক কনস্ট্যান্ট আবিষ্কার হয়েছিল? এবং প্ল্যাঙ্ক কনস্ট্যান্ট কিভাবে কোয়ান্টাম ফিজিক্সের মত বিশাল বিষয় সামনে এনেছিল?

এই বিষয়গুলো জানতে হলে পরবর্তী ভিডিও, অর্থাৎ এপিসোড ১৫৬ পর্যন্ত অপেক্ষা করতে হবে। তবে সেই সময়ের মধ্যে অন্যান্য দেশের ইলেকট্রনিক বর্জ্য বা E-Waste কিভাবে গরিব দেশগুলোকে ক্ষতিগ্রস্ত করছে, সেই বিষয়গুলো বিস্তারিত জানতে এই ভিডিওটি দেখতে পারেন।

ভিডিও ভালো লাগলে ‘বিজ্ঞান পাইসি’ পরিবারে যুক্ত হয়ে সাথে থাকতে পারেন।