Thursday 30 September 2021

কীভাবে পাই এক্স-রে

 



১৮৯৬ সালের জানুয়ারি মাসের শেষের দিকে আমেরিকার বিখ্যাত পিয়ারসন্স ম্যাগাজিনে বিজ্ঞানী বিলহেল্‌ম রন্টগেনের একটি সাক্ষাৎকার প্রকাশিত হয়। সাক্ষাৎকারটির কিছু অংশ এরকম: 
“কত তারিখের ঘটনা?”
“নভেম্বরের ৮ তারিখ”
“কী আবিষ্কার করেছেন?”
“আমি একটি ক্রুক্‌স টিউব নিয়ে গবেষণা করছিলাম। টিউবটিকে আমি কালো কার্ডবোর্ড দিয়ে চারদিক থেকে ঢেকে দিয়েছিলাম। একটি বেরিয়াম প্লাটিনো-সায়ানাইড পেপার রাখা ছিল বেঞ্চের উপর। ক্রুক্‌স টিউবের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহ চালানোর সময় দেখলাম বেরিয়াম প্লাটিনো-সায়ানাইড পেপারে অদ্ভুত একটি কালো দাগ পড়েছে।“
“কিসের দাগ?”
“এরকম দাগ বেরিয়াম প্লাটিনো-সায়ানাইড পেপারে শুধুমাত্র  সরাসরি আলো প্রবেশ করলে পড়তে পারে। কিন্তু টিউব থেকে আলো আসার কোন উপায় ছিল না। কারণ আমি টিউবের চারদিক মোটা কার্ডবোর্ড দিয়ে ঢেকে দিয়েছিলাম। টিউবের ভেতর বিদ্যুৎ প্রবাহে স্ফূলিঙ্গ তৈরি হলেও তার কোন আলো বাইরে আসবে না।“
“তখন আপনি কী ভাবলেন?”
“আমি কিছু ভাবিনি। আমি অনুসন্ধান করেছি। আমি ধারণা করতে পেরেছিলাম যে টিউব থেকেই এটা এসেছে। আমি আরো পরীক্ষানিরীক্ষা করলাম। কিছুক্ষণের মধ্যেই আমার আর কোন সন্দেহ রইলো না। টিউবের ভেতর থেকে কোন রশ্মি বের হয়ে এসে বেরিয়াম প্লেটিনো-সায়ানাইড পেপারে মিথস্ক্রিয়ার মাধ্যমে কালো দাগ তৈরি করেছে। আমি টিউব থেকে পেপারের দূরত্ব অনেক বাড়ানোর পরেও, এমনকি দুই মিটার দূর থেকেও এই দাগ পাচ্ছিলাম। শুরুতে মনে হয়েছিল এটা একটি নতুন ধরনের অদৃশ্য আলো। এখন পরিষ্কার যে এটা সম্পূর্ণ নতুন একটা কিছু যা আগে কখনো দেখা যায়নি।“
“এটা কি আলো?”
“না”
“এটা কি বিদ্যুৎ?”
“না, আমাদের চেনা বিদ্যুৎ নয়।“
“তবে এটা কী?”
“আমি জানি না।“
প্রফেসর রন্টগেন সেদিন জানতেন না তিনি কী আবিষ্কার করেছেন। জানতেন না বলেই এই অজানা রশ্মির নাম তিনি দিয়েছিলেন – এক্স-রে। কেউ কেউ তাঁর নামে  রন্টগেন-রে রাখতে চেয়েছিলেন এই রশ্মির নাম। কিন্তু তা টেকেনি। এক্স-রে নামই রয়ে গেছে। [জার্মান প্রফেসর বিলহেল্‌ম রন্টগেন ইংরেজি উচ্চারণে হয়ে যান উইলহেল্‌ম রন্টজেন। সেখান থেকে আমাদের বাংলা উচ্চারণে রন্টজেন কীভাবে যেন হয়ে গিয়েছে রঞ্জন। বাংলায় লেখা অনেক বইতে এক্স-রে’কে রঞ্জন রশ্মি বলা হয়ে থাকে। কিন্তু এক্স-রে’র প্রতিশব্দ হিসেবে রঞ্জন-রশ্মি মোটেও গ্রহণযোগ্য নয়।]

এক্স-রে যখন আবিষ্কৃত হয় – ১৮৯৫ সালের নভেম্বরে – তখনো কিন্তু পদার্থবিজ্ঞানের অনেক মৌলিক ব্যাপারই আবিষ্কৃত হয়নি। কিন্তু এক্স-রে আবিষ্কারের পরপরই অনেক কিছু আবিষ্কৃত হয়েছে – যার উপর দাঁড়িয়ে গেছে পুরো বিংশ শতাব্দীর পদার্থবিজ্ঞান। ১৮৯৬ সালে ফরাসী পদার্থবিজ্ঞানী হেনরি বেকোয়ারেল আবিষ্কার করলেন রেডিও-অ্যাকটিভিটি বা তেজস্ক্রিয়তা। ১৮৯৭ সালে স্যার জোসেফ জন থমসন আবিষ্কার করলেন পদার্থের মৌলিক কণা ইলেকট্রন। পরীক্ষাগারে এক্স-রে আবিষ্কার করার কৌশল জানা হয়েছে ইলেকট্রন আবিষ্কারেরও আগে, অথচ পদার্থের পরমাণুর ইলেকট্রনের মিথস্ক্রিয়ার ফলেই যে এক্স-রে উৎপন্ন হয় তা জানা গেছে আরো অনেক বছর পর – যখন কোয়ান্টাম মেকানিক্স এবং পরমাণুর কোয়ান্টাম তত্ত্ব আস্তে আস্তে বিকাশ লাভ করতে শুরু করেছে। এক্স-রে আবিষ্কারের ১৬ বছর পর ১৯১১ সালে আর্নেস্ট রাদারফোর্ড প্রোটন আবিষ্কার করেন। তার দু’বছর পর নীল্‌স বোর পরমাণুর গ্রহণযোগ্য কোয়ান্টাম মডেল উপস্থাপন করেন। পরমাণুর গঠন এবং ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম ধর্ম থেকে আমরা এখন এক্স-রে কীভাবে উৎপন্ন হয় তা ব্যাখ্যা করতে পারি। 

এক্স-রে কী ধরনের রশ্মি তা সেদিন অজানা থাকলেও আজ আমরা এক্স-রে সম্পর্কে অনেক কিছুই জানি। এক্স-রে অতিউচ্চ কম্পাঙ্কের তড়িৎ-চুম্বক তরঙ্গ। এর তরঙ্গ-দৈর্ঘ্য অত্যন্ত কম এবং শক্তি অত্যন্ত বেশি। এক্স-রে’র কম্পাঙ্ক ৩০০ কোটি কোটি হার্টজ থেকে ৩ লক্ষ কোটি কোটি হার্টজ পর্যন্ত হতে পারে। অর্থাৎ এই রশ্মিগুলি ১ সেকেন্ডে ৩ লক্ষ কোটি কোটি তরঙ্গ তৈরি করতে পারে। এই তরঙ্গগুলির দৈর্ঘ্য অত্যন্ত কম – ১০ ন্যানোমিটারেরও কম (১ মিটারকে একশ কোটি ভাগ করলে এক ভাগের দৈর্ঘ্য হবে এক ন্যানোমিটার)। স্বাভাবিকভাবেই এত ছোট তরঙ্গ চোখে দেখা যায় না। এই এক্স-রে খুব সহজেই আমাদের শরীর ভেদ করে চলে যেতে পারে। যে কোন বস্তুর একদিকে ঢুকে অন্যদিকে বের হয়ে যেতে পারে। এক্স-রে কোন চার্জ বহন করে না। ফলে কোন ধরনের তড়িৎ-ক্ষেত্র বা চৌম্বক-ক্ষেত্রে বাধা পড়ে না। দৃশ্যমান আলো ও এক্স-রে একই তড়িৎ-চুম্বক তরঙ্গ পরিবারের সদস্য হলেও এক্স-রে আলোর মতো প্রতিফলিত বা প্রতিসৃত হয় না।এক্স-রে’র কোন ভর নেই, তাই এক্স-রে পদার্থ নয়। এক্স-রে দেখা যায় না, ছোঁয়া যায় না, কিংবা অনুভবও করা যায় না। এক্স-রে তৈরি করে কোথাও জমা করেও রাখা যায় না। এক্স-রে তৈরি করার সাথে সাথেই ব্যবহার করে ফেলতে হয়। 

প্রযুক্তির উন্নতির সাথে সাথে এক্স-রে’র ব্যবহার অনেক বাড়ছে। এখন এয়ারপোর্টের এক্স-রে চেকিং থেকে শুরু করে মহাশূন্যের এক্স-রে অবজারভেটরি পর্যন্ত এক্স-রে’র বহুবিধ ব্যবহারে আমরা অভ্যস্ত। চিকিৎসা-বিজ্ঞানে এক্স-রের ব্যবহার যে কত প্রয়োজনীয় তা আমরা সবাই জানি। চিকিৎসা-বিজ্ঞানে এক্স-রে’র সাহায্যে যে রেডিওগ্রাফ তৈরি করা হয়, সেটাকেই আমরা এক্স-রে বলতে অভ্যস্ত হয়ে গিয়েছি। পৃথিবীতে প্রতিবছর প্রায় চার-শ কোটি মেডিকেল এক্স-রে তৈরি করা হয় রোগ নির্ণয়ের জন্য। অর্থাৎ পৃথিবীতে গড়ে প্রতি দুইজন মানুষের মধ্যে একজনের শরীরে কমপক্ষে একবার মেডিকেল এক্স-রে প্রয়োগ করা হচ্ছে প্রতিবছর। [এক্স-রে’র ব্যবহার কম্পিউটার বা মোবাইল ফোনের ব্যবহারের চেয়েও অনেক বেশি। এই কম্পিউটার ও মোবাইল ফোনের আবিষ্কারকরা এখন পৃথিবীর সবচেয়ে ধনী মানুষের তালিকায় একদম শুরুর দিকে থাকেন। কিন্তু এক্স-রে আবিষ্কারক বিজ্ঞানী রন্টগেন এক্স-রে আবিষ্কারের মেধাস্বত্ব বিনামূল্যে দিয়ে দিয়েছেন পৃথিবীর মানুষের জন্য। শেষ বয়সে ভীষণ অর্থকষ্টে ভুগে হতদরিদ্র অবস্থায় ক্যান্সারে মৃত্যু হয়েছে এই বিজ্ঞানীর। সে যাই হোক, মহৎ হতে গেলে অনেক কষ্ট স্বীকার করতে হয়।]

একেক কাজের জন্য একেকভাবে এক্স-রে উৎপাদন করা হয়, যদিও এক্স-রে উৎপন্ন হওয়ার মূলনীতি সবক্ষেত্রে এক। দেখা যাক চিকিৎসাবিজ্ঞানে রোগ-নির্ণয় করার জন্য ডায়াগনস্টিক এক্স-রে কীভাবে উৎপাদন করা হয়। এক্স-রে উৎপাদনের জন্য কোন ধরনের কাঁচামাল লাগে না। এক্স-রে মেশিনের যেখানে এক্স-রে উৎপন্ন হয় সেটা একটি বায়ুশূন্য টিউব। সেই ১৮৯৫ সালে রন্টগেন যেরকম বায়ুশূন্য ক্রুক্‌স টিউবে প্রথম এক্স-রে তৈরি করেছিলেন নিজের অজান্তে, এখন এই ১২৫ বছর পরেও একইভাবে এক্স-রে তৈরি করা হয়। কম্পিউটার এবং অন্যান্য উন্নত প্রযুক্তির মাধ্যমে রেডিওগ্রাফ তৈরির পদ্ধতিটা বদলে গেছে। কিন্তু এক্স-রে উৎপাদনের পদ্ধতিতে কোন পরিবর্তন হয়নি। 





এক্স-রে টিউবের একদিকে থাকে ক্যাথোড বা ফিলামেন্ট। তার দুই সেন্টিমিটার দূরে থাকে অ্যানোড বা টার্গেট। ক্যাথোড় এবং অ্যানোডের মধ্যে অত্যন্ত উচ্চ ভোল্টেজের বিদ্যুৎ-প্রবাহ চালনা করা হয়। এই ভোল্টেজ ৩০ হাজার ভোল্ট থেকে শুরু করে এক লক্ষ চল্লিশ হাজার ভোল্ট পর্যন্ত হতে পারে। এত উচ্চ ভোল্টেজ কোত্থেকে সাপ্লাই করা হয়? এক্স-রে মেশিনের সাথে হাই-ভোল্টেজ জেনারেটর থাকে। সেই জেনারেটর এই ভোল্টেজ সাপ্লাই দেয়। শুধুমাত্র এক্স-রে তৈরি হবার সময় জেনারেটর চালু হয়। এবং পুরো প্রক্রিয়ায় কয়েক সেকেন্ডের বেশি সময় লাগে না। ক্যাথোড ও অ্যানোডের মধ্যে তীব্র আকর্ষণের ফলে ক্যাথোডের ফিলামেন্ট থেকে কোটি কোটি ইলেকট্রন মুক্ত হয়ে অ্যানোডের দিকে ছুটে যায়। ভোল্টেজ যত বেশি হয়, ইলেকট্রনের গতিশক্তি তত বেশি হয়, ফলে তত বেশি জোরে গিয়ে অ্যানোডের গায়ে ধাক্কা দেয়। এই ইলেকট্রন এত জোরে এসে অ্যানোডের ইলেকট্রনের সাথে মিথস্ক্রিয়া করে। অ্যানোডের পদার্থের পরমাণুর ইলেকট্রন বিন্যাস অনুযায়ী ইলেকট্রনগুলি বিভিন্ন শক্তিস্তরে থাকে। সবচেয়ে ভেতরের শক্তিস্তর – K কক্ষপথের ইলেকট্রনের সাথে যদি ফিলামেন্ট থেকে আগত ইলেকট্রনের সংঘাত হয় – তবে K কক্ষপথের ইলেকট্রন কক্ষচ্যুত হয়। তখন সেখানে একটা খালি জায়গা তৈরি হয়। এই জায়গা পূরণ করার জন্য K কক্ষপথের বাইরের কক্ষপথ L বা M বা N কক্ষপথের ইলেকট্রন হুড়োহুড়ি করে ভেতরের দিকে যায়। বাইরের কক্ষপথের ইলেকট্রনের শক্তি ভেতরের কক্ষপথের ইলেকট্রনের শক্তির চেয়ে বেশি। তাই বাইরে থেকে ভেতরের কক্ষপথে গিয়ে জায়গা দখল করলে সেই ইলেকট্রন তার অতিরিক্ত শক্তি ত্যাগ করে। যে শক্তিটা ত্যাগ করে – সেটাই হলো এক্স-রে। এই শক্তি বহন করে কোয়ান্টাম কণা ফোটন। যাকে বলা হয় এক্স-রে ফোটন। এভাবে কোটি কোটি ইলেকট্রন মিথস্ক্রিয়া ঘটায় সেকেন্ডেরও কম সময়ের মধ্যে। এভাবে তৈরি হওয়া এক্স-রে কে বলা হয় ক্যারেক্টারিস্টিক এক্স-রে। এই ধরনের এক্স-রে’র শক্তি নির্দিষ্টমাত্রার থাকে। আরেক ধরনের এক্স-রেও তৈরি হয় একই সাথে – যার শক্তির পরিমাণ নির্দিষ্ট নয়। সেটা কীভাবে হয়? এই যে ঝাঁকে ঝাঁকে ইলেকট্রন ফিলামেন্ট থেকে বের হয়ে প্রচন্ড বেগে ঝাঁপিয়ে পড়ে অ্যানোডের গায়ে, সেখানে পরমাণুর শক্তিস্তরের কোন ইলেকট্রনের সাথে যদি সংঘর্ষ না ঘটে তাহলে কী হয়? ইলেকট্রনগুলি তখন সব শক্তিস্তর অতিক্রম করে পরমাণুর নিউক্লিয়াসের দিকে অগ্রসর হয়। নিউক্লিয়াস ধনাত্মক চার্জযুক্ত। ঋণাত্মক ইলেকট্রন স্বাভাবিকভাবেই তার দিকে আকৃষ্ট হবে। কিন্তু নিউক্লিয়াস তো ইলেকট্রনকে কিছুতেই ভেতরে ঢুকতে দেয় না প্রয়োজনীয় শক্তি নেই বলে। তখন ইলেকট্রনের গতি বাধাপ্রাপ্ত হয়ে প্রচুর শক্তি বের হয়ে যায়। এই বের হয়ে যাওয়া শক্তিগুলিও এক্স-রে। এগুলিকে বলা হয় ব্রামস্টারলাং (জার্মান শব্দ – যার অর্থ ভেঙে যাওয়া বিকিরণ) এক্স-রে। এই ধরনের এক্স-রে’র পরিমাণই মূলত বেশি থাকে। তাহলে দেখা যাচ্ছে ইলেকট্রনের সাথে ইলেকট্রনের মিথস্ক্রিয়াতেই এক্স-রে তৈরি হয়। যত বেশি ইলেকট্রন – যত বেশি জোরে গিয়ে ধাক্কা দিতে পারবে তত বেশি এক্স-রে তত বেশি শক্তি নিয়ে তৈরি হবে। 

ক্যাথোড থেকে বেশি ইলেকট্রন তৈরি করার জন্য সেখানে টাংস্টেন ফিলামেন্ট ব্যবহার করা হয়। কারণ এই ফিলামেন্ট প্রায় আড়াই হাজার ডিগ্রি তাপমাত্রাতেও গলে না। আবার তার পারমাণবিক ভরও তুলনামূলক ভাবে বেশি (৭৪)। এক পরমাণু টাংস্টেনে ৭৪টি ইলেকট্রন থাকে। তাহলে এক ইঞ্চি ব্যাসের ফিলামেন্টে কোটি কোটি কোটি ইলেকট্রন থাকে। আবার অন্যদিকে অ্যানোডে টার্গেট হিসেবেও ব্যবহার করা হয় টাংস্টেন। এই অ্যানোড খুবই শক্ত এবং প্রায় ১৫ সেন্টিমিটার ব্যাসের ধাতব চাকতি যা মেশিন চালু অবস্থায় মিনিটে প্রায় কয়েক হাজারবার ঘুরতে পারে। এখানেও প্রচুর ইলেকট্রন। ফলে ফিলামেন্ট থেকে আসা ইলেকট্রনের সাথে অ্যানোডের ইলেকট্রনের ধাক্কা লাগার সম্ভাবনা অনেক বেড়ে যায়। এরকম প্রচন্ড সংঘর্ষের ফলে প্রচুর তাপ উৎপন্ন হয় এখানে। টাংস্টেন সেই তাপ সহ্য করতে পারে। 

এক্স-রে থেকে তেজস্ক্রিয় বিকিরণ ঘটে। এই বিকিরণ যেন ছড়িয়ে না পড়ে সেজন্য অনেক নিয়মকানুন মেনে চলতে হয়। এক্স-রে টিউব থেকে উৎপন্ন এক্স-রে রোগীর শরীরে একদিকে প্রবেশ করে অন্যদিকে বের হয়ে যায়। বের হয়ে যাবার সময় এক্স-রে গুলিকে ইলেকট্রনিক ডিটেক্টরে ধারণ করা হয়। সেখান থেকেই মূলত রেডিওগ্রাফ তৈরি করা হয়। এক্স-রে রোগীর শরীরের ভেতর দিয়ে আসার সময় কিছু অংশ শরীরের হাড় ও মাংসে শোষিত হয়। কী পরিমাণ শোষিত হয়েছে তার হিসেব থেকেই মানুষের ভেতরের চিত্র তৈরি হয়। এই প্রক্রিয়াগুলি এখন কম্পিউটার প্রযুক্তির মাধ্যমে মাত্র কয়েক সেকেন্ডের মধ্যেই হয়ে যায়। 

2 comments:

Latest Post

Hendrik Lorentz: Einstein's Mentor

  Speaking about Professor Hendrik Lorentz, Einstein unhesitatingly said, "He meant more to me personally than anybody else I have met ...

Popular Posts