পাঠ ৪ / ১১অনুচ্ছেদ ২.২, ২.২.১–২.২.৩, ২.৩, ২.৩.১

কোয়ান্টাম সংখ্যা ও অরবিটালQuantum numbers & orbital shapes (3D)

বোরের মডেলে (Bohr model) ইলেকট্রন (electron) নিউক্লিয়াসের (nucleus) চারদিকে একটি নির্দিষ্ট বৃত্তাকার কক্ষপথে (orbit) ঘোরে। চলো পরীক্ষা করে দেখি। নিচের হাইড্রোজেন (hydrogen) পরমাণুটির (atom) ইলেকট্রনকে বারবার “খুঁজে” দেখো — প্রতিবার সে কোথায় ধরা পড়ে, তা একটি বিন্দু দিয়ে চিহ্নিত হবে।

নিউক্লিয়াস (nucleus) থেকে দূরত্ব (distance) কতবারa₀053106159212দূরত্ব (distance) r (pm)
মোট খোঁজা (measurements)
0
গড় দূরত্ব (average r)
—
সবচেয়ে বেশিবার (most often)
—

পরমাণুটির (atom) কেন্দ্রে নিউক্লিয়াস (nucleus)। ইলেকট্রন (electron) এখন কোথায়? খুঁজে দেখো।

  1. "ইলেকট্রন খোঁজো" (find electron) চাপো বা ছবিতে চাপ দাও — ইলেকট্রনকে (electron) কোথায় পাওয়া গেল?
  2. অন্তত 300 বার খোঁজো (0/300) — কী তৈরি হচ্ছে?
  3. বোরের কক্ষপথ (Bohr orbit) চালু করে মেঘের (cloud) সঙ্গে তুলনা করো।

এখানে প্রতিটি বিন্দু আসল কোয়ান্টাম বলবিদ্যার (quantum mechanics) সম্ভাবনা (probability) |ψ|² থেকে নেওয়া — বাস্তবে একটি পরমাণুকে বারবার মাপলে ঠিক এমনই পাওয়া যেত।

ইলেকট্রন যদি সত্যিই বোরের বৃত্তে ঘুরত, সব বিন্দু একটি রিংয়ের ওপর পড়ত। তা হলো না কেন? আর ইলেকট্রনের ঠিকানা যদি একটি “মেঘ” (cloud) হয়, তাহলে অরবিটাল (orbital) আসলে কী?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এর উত্তর খুঁজব:

  1. ইলেকট্রন কণা (particle), আবার তরঙ্গও (wave) — দ্য ব্রগলি সমীকরণ (de Broglie equation)
  2. হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতি (Heisenberg’s uncertainty principle)
  3. শ্রোডিঙ্গার সমীকরণ (Schrödinger equation): ψ আর ψ²
  4. অরবিট বনাম অরবিটাল (orbit vs orbital)
  5. চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা (quantum numbers)
  6. নোড (node) — যেখানে ইলেকট্রন কখনো থাকে না
  7. অরবিটালের আকৃতি (orbital shapes): s, p, d, f
  8. এবার নিজে করে দেখো — 3D সিমুলেশন (simulation)

ধাপ ১: ইলেকট্রন কণা, আবার তরঙ্গও

আলো একই সঙ্গে তরঙ্গ (wave) আর কণা (particle, ফোটন (photon)) — এটা আগের পাঠে দেখেছি। ১৯২৪ সালে লুই দ্য ব্রগলি (Louis de Broglie) উল্টো প্রশ্ন করলেন: চলমান কণাও কি তরঙ্গের মতো আচরণ করে? তাঁর উত্তর — হ্যাঁ। ফোটনের ভরবেগ (momentum) p=hλp = \dfrac{h}{\lambda}; একই সম্পর্ক যেকোনো কণার জন্য খাটে, যার ভর (mass) mm ও বেগ (velocity) vv:

λ=hmv=hp\lambda = \frac{h}{mv} = \frac{h}{p}

এটিই দ্য ব্রগলি সমীকরণ। এখানে h=6.626×10−34h = 6.626 \times 10^{-34} J s প্ল্যাংকের ধ্রুবক (Planck’s constant)। ভর যত বেশি, তরঙ্গদৈর্ঘ্য (wavelength) তত ছোট:

কণাভর (kg)বেগ (m/s)λ = h/mv
ইলেকট্রন (বোরের ১ম কক্ষপথে)9.11×10−319.11 \times 10^{-31}2.19×1062.19 \times 10^{6}3.32×10−103.32 \times 10^{-10} m = 332 pm
ক্রিকেট বল0.16401.0×10−341.0 \times 10^{-34} m

ইলেকট্রনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য পরমাণুর মাপের সমান — তাই পরমাণুর ভেতরে এর তরঙ্গ-ধর্ম (wave nature) খুবই গুরুত্বপূর্ণ। বলের তরঙ্গদৈর্ঘ্য এত ছোট যে কোনো যন্ত্রে কখনো ধরা পড়বে না। ইলেকট্রনের তরঙ্গ-ধর্ম কাজে লাগিয়েই তৈরি হয়েছে ইলেকট্রন অণুবীক্ষণ যন্ত্র (electron microscope)।

কক্ষপথে তরঙ্গ। ইলেকট্রন যদি তরঙ্গ হয়, তবে একটি বৃত্তাকার পথে টিকে থাকতে হলে এক পাক ঘুরে এসে তরঙ্গটিকে নিজের সঙ্গে হুবহু মিলতে হবে — অর্থাৎ পরিধিতে (circumference) পূর্ণসংখ্যক (whole number) তরঙ্গদৈর্ঘ্য থাকতে হবে। নিচে নিজে চেষ্টা করো:

2.50টি তরঙ্গ (waves)পরিধি (circumference) 2πr = nλ ?

তরঙ্গটি (wave) এক পাক ঘুরে এসে নিজের সঙ্গে মেলে না — প্রতি পাকে সরে যায়, আর একে অপরকে কাটাকাটি (destructive interference) করে মিলিয়ে যায়। এমন কক্ষপথ (orbit) টেকে না।

  1. স্লাইডার সরিয়ে এমন একটি অবস্থান খোঁজো যেখানে তরঙ্গটি (wave) নিজের সঙ্গে ঠিকঠাক জোড়া লাগে।
  2. আরও খোঁজো — মোট ৩টি অনুমোদিত কক্ষপথ (allowed orbits) (0/3)।

শর্তটি হলো 2πr=nλ2\pi r = n\lambda। এতে λ=hmv\lambda = \dfrac{h}{mv} বসালে পাই mvr=nh2πmvr = \dfrac{nh}{2\pi} — বোরের কৌণিক ভরবেগের শর্ত (angular momentum condition)! বোর যেটা ধরে নিয়েছিলেন, দ্য ব্রগলির তরঙ্গ সেটার কারণ ব্যাখ্যা করে। মজার ব্যাপার: ১ম কক্ষপথের পরিধি 2π×52.92\pi \times 52.9 pm = 332 pm — ঠিক একটি তরঙ্গদৈর্ঘ্য।

নিজে যাচাই করো

একটি ইলেকট্রন আর একটি প্রোটন (proton) একই বেগে চলছে। কোনটির দ্য ব্রগলি তরঙ্গদৈর্ঘ্য বেশি?

ধাপ ২: হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতি

একটি ইলেকট্রনকে “দেখতে” হলে তার ওপর আলো ফেলতে হয়। কিন্তু ফোটন ইলেকট্রনকে ধাক্কা দেয়, তার বেগ বদলে যায়। অবস্থান (position) যত নিখুঁতভাবে মাপতে চাও, তত ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের (বেশি শক্তির, higher energy) আলো লাগে, আর ধাক্কাও তত জোরালো হয়। ১৯২৭ সালে হাইজেনবার্গ (Werner Heisenberg) দেখান, এটা যন্ত্রের দুর্বলতা নয় — প্রকৃতির নিয়ম:

একই সময়ে কোনো কণার অবস্থান (position) আর ভরবেগ (momentum) দুটোই নিখুঁতভাবে জানা সম্ভব নয়।

Δx⋅Δp≥h4π,Δp=m Δv\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}, \qquad \Delta p = m\,\Delta v

এখানে Δx\Delta x অবস্থানের অনিশ্চয়তা (uncertainty), Δp\Delta p ভরবেগের অনিশ্চয়তা। একটি ছোট করলে অন্যটি বড় হতে বাধ্য। স্লাইডার সরিয়ে দেখো:

বোরের কক্ষপথ (Bohr orbit), r = 53 pm
অবস্থানের অনিশ্চয়তা (position uncertainty) Δx
53 pm
বেগের ন্যূনতম অনিশ্চয়তা (min. velocity uncertainty) Δv
1.09 × 10⁶ m/s
কক্ষপথে ইলেকট্রনের বেগ (electron speed in orbit)
2.19 × 10⁶ m/s
একই Δx-এ ক্রিকেট বল (160 g)
Δv ≥ 6.2 × 10⁻²⁴ m/s
1 pm (খুব নিখুঁত)1000 pm (অস্পষ্ট)

Δx পরমাণুর (atom) মাপের কাছাকাছি হলেও Δv কক্ষপথের বেগের (orbital speed) 50%। দুটিকে একসঙ্গে ছোট করা যায় না — তাই সূক্ষ্ম কক্ষপথ (orbit) নয়, শুধু সম্ভাবনা (probability) বলা যায়।

ইলেকট্রনের অবস্থান যদি শুধু পরমাণুর মাপে (Δx=52.9\Delta x = 52.9 pm) জানতে চাই, তবুও Δv≥1.09×106\Delta v \geq 1.09 \times 10^{6} m/s — ইলেকট্রনের নিজের বেগের অর্ধেক! বোরের কক্ষপথ মানে প্রতি মুহূর্তে ইলেকট্রনের অবস্থান (rr) আর বেগ (vv) দুটোই ঠিকঠাক জানা — অনিশ্চয়তা নীতি সেটা অসম্ভব বলে দেয়। তাই ইলেকট্রন সম্পর্কে আমরা শুধু বলতে পারি কোথায় তাকে পাওয়ার সম্ভাবনা (probability) কত — ঠিক যা শুরুর পরীক্ষায় দেখেছ। ক্রিকেট বলের ক্ষেত্রে অনিশ্চয়তা এত ছোট যে বড় বস্তুর বেলায় এই নীতি চোখে পড়ে না।

নিজে যাচাই করো

একটি ইলেকট্রনের অবস্থান আগের চেয়ে ১০ গুণ বেশি নিখুঁতভাবে (Δx দশ ভাগের এক ভাগ) মাপা হলো। তার বেগের ন্যূনতম অনিশ্চয়তা (Δv) কী হবে?

ধাপ ৩: শ্রোডিঙ্গার সমীকরণ — ψ আর ψ²

ইলেকট্রন যদি তরঙ্গ হয়, তবে তার একটি তরঙ্গ-সমীকরণ (wave equation) থাকা উচিত। ১৯২৬ সালে শ্রোডিঙ্গার (Erwin Schrödinger) সেটি লেখেন। আমাদের এটা সমাধান করতে হবে না, কিন্তু এর মানে জানতে হবে:

∂2ψ∂x2+∂2ψ∂y2+∂2ψ∂z2+8π2mh2 (E−V) ψ=0\frac{\partial^2\psi}{\partial x^2}+\frac{\partial^2\psi}{\partial y^2}+\frac{\partial^2\psi}{\partial z^2}+\frac{8\pi^2 m}{h^2}\,(E-V)\,\psi = 0

সমীকরণটির গ্রহণযোগ্য সমাধান পাওয়া যায় শুধু কিছু নির্দিষ্ট শক্তির জন্য — এদের বলে আইগেন মান (eigenvalue)। হাইড্রোজেনে এগুলো ঠিক বোরের মান En=−13.6n2E_n = -\dfrac{13.6}{n^2} eV। অর্থাৎ শক্তির কোয়ান্টায়ন (quantization) এখানে ধরে নিতে হয় না, গণিত থেকেই বেরিয়ে আসে। প্রতিটি সমাধান ψ\psi (আইগেন ফাংশন, eigenfunction) একটি অরবিটাল, আর তাকে চিহ্নিত করতে তিনটি সংখ্যা লাগে — n, l, m। এগুলোই কোয়ান্টাম সংখ্যা।

ψ আর ψ²-এর পার্থক্য। ψ\psi নিজে ধনাত্মক (positive) বা ঋণাত্মক হতে পারে; এর সরাসরি কোনো ভৌত অর্থ নেই। কিন্তু ψ2\psi^2 (সঠিকভাবে ∣ψ∣2|\psi|^2) হলো সম্ভাবনা ঘনত্ব (probability density) — কোনো বিন্দুর চারপাশে প্রতি একক আয়তনে (per unit volume) ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা। ψ2\psi^2 সবসময় ধনাত্মক।

শুরুর পরীক্ষায় একটি অদ্ভুত জিনিস দেখেছিলে: বিন্দুগুলো নিউক্লিয়াসের কাছেই সবচেয়ে ঘন, অথচ সবচেয়ে বেশিবার ইলেকট্রন পাওয়া গেছে 52.9 pm দূরত্বে। কেন? নিউক্লিয়াস থেকে rr দূরত্বে একটি পাতলা গোলকীয় খোলের (spherical shell) আয়তন 4πr2 dr4\pi r^2\,dr — নিউক্লিয়াসের কাছে খোলটি খুব ছোট, দূরে বড়। তাই কোনো দূরত্বে ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা 4πr2ψ24\pi r^2 \psi^2, যাকে বলে রেডিয়াল সম্ভাবনা (radial probability):

ψ² — প্রতি একক আয়তনে (per unit volume)053106159212r (pm)1s4πr²ψ² — প্রতি একক দূরত্বে (per distance)053106159212r (pm)53 pm1s
হাইড্রোজেনের (hydrogen) 1s অরবিটাল (orbital), আসল তরঙ্গ-অপেক্ষক (wave function) থেকে আঁকা। ψ² নিউক্লিয়াসে (nucleus) সর্বোচ্চ, কিন্তু 4πr²ψ² সর্বোচ্চ ঠিক r = a₀ = 52.9 pm-এ — বোরের ব্যাসার্ধ (Bohr radius)। বোরের কক্ষপথ (orbit) ভুল ছিল, কিন্তু তার ব্যাসার্ধটি ছিল 'সবচেয়ে সম্ভাব্য দূরত্ব (most probable distance)'।

ইলেকট্রন-মেঘের কোনো ধারালো সীমানা নেই — অনেক দূরেও খুব সামান্য সম্ভাবনা থাকে। তাই রসায়নে অরবিটাল বলতে বোঝানো হয় নিউক্লিয়াসের চারদিকে সেই ত্রিমাত্রিক অঞ্চল (three-dimensional region), যার ভেতরে নির্দিষ্ট শক্তির ইলেকট্রনকে পাওয়ার সম্ভাবনা প্রায় 90–95%। হাইড্রোজেনের 1s অরবিটালের ৯০% সীমানা (boundary) 141 pm ব্যাসার্ধের একটি গোলক (sphere) (শুরুর পরীক্ষায় “৯০% সীমানা” বোতামটি এটাই দেখায়)।

নিজে যাচাই করো

হাইড্রোজেনের 1s অরবিটালে প্রতি একক আয়তনে (per unit volume) ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা কোথায় সবচেয়ে বেশি?

ধাপ ৪: অরবিট বনাম অরবিটাল

বিষয়অরবিট (orbit)অরবিটাল (orbital)
ধারণার উৎসবোরের পরমাণু মডেল (১৯১৩)কোয়ান্টাম বলবিদ্যা, শ্রোডিঙ্গার সমীকরণ (১৯২৬)
কী বোঝায়নিউক্লিয়াসের চারদিকে একটি নির্দিষ্ট বৃত্তাকার পথযে ত্রিমাত্রিক অঞ্চলে ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা ~90–95%
আকৃতিসমতলে বৃত্ত (দ্বিমাত্রিক, 2D)ত্রিমাত্রিক (3D): s গোলক, p ডাম্বেল (dumbbell), d চার-লোব (four lobes) …
ইলেকট্রনের অবস্থান ও বেগপ্রতি মুহূর্তে নির্দিষ্ট — অনিশ্চয়তা নীতির বিরোধীশুধু সম্ভাবনা জানা যায় — অনিশ্চয়তা নীতি মানে
চিহ্নিত করেশুধু n (K, L, M …)n, l, m (1s, 2pₓ, 3d … )
সর্বোচ্চ ইলেকট্রন2n²2টি (বিপরীত স্পিনের, opposite spin)
নিজে যাচাই করো

নিচের কোন কথাটি সঠিক?

ধাপ ৫: চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা

প্রতিটি ইলেকট্রনের একটি “ঠিকানা” আছে, চারটি সংখ্যায় লেখা — ঠিক যেমন জেলা → উপজেলা → বাড়ি → ঘর। প্রথম তিনটি শ্রোডিঙ্গার সমীকরণের সমাধান থেকে আসে, চতুর্থটি ইলেকট্রনের নিজস্ব ঘূর্ণন (spin) থেকে।

১. প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা (principal quantum number), n

২. সহকারী বা অ্যাজিমুথাল কোয়ান্টাম সংখ্যা (azimuthal quantum number), l

l0123
উপস্তরs (sharp)p (principal)d (diffuse)f (fundamental)
আকৃতিগোলক (sphere)ডাম্বেল (dumbbell)বেশিরভাগ চার-লোব (clover-leaf)জটিল (complex)

৩. চৌম্বক কোয়ান্টাম সংখ্যা (magnetic quantum number), m বা mₗ

৪. স্পিন কোয়ান্টাম সংখ্যা (spin quantum number), s বা mₛ

সব মিলিয়ে গণনার নিয়ম:

সূত্রspdf
উপস্তরে অরবিটাল2l+12l+11357
উপস্তরে সর্বোচ্চ ইলেকট্রন2(2l+1)2(2l+1)261014
শেলn = 1 (K)n = 2 (L)n = 3 (M)n = 4 (N)
উপস্তর1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f
অরবিটাল n2n^214916
সর্বোচ্চ ইলেকট্রন 2n22n^2281832

নিজে n বদলে দেখো প্রতিটি শেলে কোন কোন l, m, s সম্ভব — আর নিচে যেকোনো সেট (n, l, m, s) যাচাই করো:

প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা (principal quantum number) n =
2s উপস্তর (subshell) · l = 01টি অরবিটাল (orbitals) · সর্বোচ্চ 2টি ইলেকট্রন (electrons)
m = 0↑↓
2p উপস্তর (subshell) · l = 13টি অরবিটাল (orbitals) · সর্বোচ্চ 6টি ইলেকট্রন (electrons)
m = −1↑↓
m = 0↑↓
m = +1↑↓
উপস্তর (subshell)lm-এর মান (values)অরবিটাল (orbitals, 2l+1)ইলেকট্রন (electrons) 2(2l+1)
2s0012
2p1−1 … +136
শেলে (shell) মোট (n = 2)n² = 42n² = 8

একটি সেট (set) যাচাই করো: (n, l, m, s) সম্ভব কি না?

n2
l1
m0
s+½

✓ অনুমোদিত! এটি 2p উপস্তরের (subshell) একটি অরবিটালে (orbital) ঊর্ধ্বমুখী ↑ (up) স্পিনের (spin) একটি ইলেকট্রন (electron)। (বোতাম চেপে মান বদলাও)

নিজে যাচাই করো

n = 3, l = 2, m = −3, s = +½ — এই সেটটি কি একটি ইলেকট্রনের জন্য সম্ভব?

ধাপ ৬: নোড — যেখানে ইলেকট্রন কখনো নেই

তরঙ্গের চূড়া (crest) ধনাত্মক, খাদ (trough) ঋণাত্মক — মাঝখানে কোথাও না কোথাও মান শূন্য। ইলেকট্রন-তরঙ্গ ψ\psi-ও যেখানে চিহ্ন (sign) বদলায় সেখানে ψ=0\psi = 0, তাই ψ2=0\psi^2 = 0 — সেখানে ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা শূন্য। এমন তল (plane) বা পৃষ্ঠকে (surface) বলে নোড (node)। দুই ধরনের নোড:

অরবিটাল1s2s2p3s3p3d4d4f
রেডিয়াল নোড01021010
কৌণিক নোড00101223
1s — কোনো নোড (node) নেই0106212318r (pm)53 pm1s2s — ১টি রেডিয়াল নোড (radial node)0265529r (pm)নোড (node)277 pm2s3s — ২টি রেডিয়াল নোড (radial nodes)026552979410581323r (pm)নোড (node)নোড692 pm3s
রেডিয়াল সম্ভাবনা (radial probability) 4πr²ψ²। 2s-এর নোড (node) ঠিক r = 2a₀ = 106 pm-এ; 3s-এর দুটি নোড 101 pm ও 376 pm-এ। নোডে সম্ভাবনা (probability) শূন্য, অথচ নোডের দুই পাশেই ইলেকট্রন (electron) থাকে — তরঙ্গ (wave) বলেই এটা সম্ভব।

নিচে কয়েকটি অরবিটালকে নিউক্লিয়াসের মধ্য দিয়ে কেটে (প্রস্থচ্ছেদ, cross-section) দেখানো হলো — আসল ψ\psi থেকে হিসাব করে। “ψ” আর “ψ²” বোতাম বদলে দেখো: ψ²-তে চিহ্ন হারিয়ে যায়, কিন্তু নোডগুলো (কালো রেখা/বলয়, ring) থেকেই যায়।

1sকোনো নোড (node) নেই · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 0 + কৌণিক (angular) 0
2s১টি গোলাকার নোড (spherical node) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 1 + কৌণিক (angular) 0
3s২টি গোলাকার নোড (spherical nodes) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 2 + কৌণিক (angular) 0
2pz১টি নোডাল তল (nodal plane, xy) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 0 + কৌণিক (angular) 1
3pz১টি তল (plane) + ১টি গোলাকার নোড (spherical node) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 1 + কৌণিক (angular) 1
3dxz২টি নোডাল তল (nodal planes) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 0 + কৌণিক (angular) 2
3dx²−y²২টি নোডাল তল (nodal planes, x = ±y) · xy তল (plane)রেডিয়াল (radial) 0 + কৌণিক (angular) 2
3dz²২টি নোডাল শঙ্কু (nodal cones) · xz তল (plane)রেডিয়াল (radial) 0 + কৌণিক (angular) 2
ψ ধনাত্মক (positive, +)ψ ঋণাত্মক (negative, −)কালো রেখা/বলয় (ring) = নোড (node), ψ = 0
নিজে যাচাই করো

একটি 3p অরবিটালে কয়টি রেডিয়াল ও কয়টি কৌণিক নোড আছে?

ধাপ ৭: অরবিটালের আকৃতি

s অরবিটাল (l = 0): m-এর একটিই মান (0), তাই প্রতি শেলে একটি s অরবিটাল। আকৃতি গোলক (spherical) — নিউক্লিয়াস থেকে সব দিকে সমান। n বাড়লে গোলক বড় হয়, আর ভেতরে রেডিয়াল নোড যোগ হয় (2s-এ ১টি, 3s-এ ২টি) — পেঁয়াজের স্তরের মতো।

p অরবিটাল (l = 1): m = −1, 0, +1 — তিনটি অরবিটাল, নাম px,py,pzp_x, p_y, p_z। প্রতিটিতে নিউক্লিয়াসের দুই পাশে দুটি লোব (lobe), একটি অক্ষ (axis) বরাবর; মাঝখানে একটি নোডাল তল (nodal plane)। দুই লোবে ψ\psi-এর চিহ্ন বিপরীত। একটি পরমাণুতে তিনটির শক্তি সমান — এদের বলে সমশক্তির (degenerate) অরবিটাল।

অরবিটাললোব কোন অক্ষ বরাবরনোডাল তল
pxp_xxyz তল
pyp_yyxz তল
pzp_zzxy তল

d অরবিটাল (l = 2): m = −2 … +2 — পাঁচটি অরবিটাল।

f অরবিটাল (l = 3): সাতটি অরবিটাল, প্রতিটিতে ৩টি কৌণিক নোড; আকৃতি জটিল। উচ্চমাধ্যমিকে এদের আকৃতি মুখস্থ করতে হয় না।

শক্তির ক্রম (energy order): হাইড্রোজেনে একই n-এর সব অরবিটালের শক্তি সমান (2s = 2p)। কিন্তু একাধিক ইলেকট্রনের পরমাণুতে (multi-electron atom) ইলেকট্রনগুলো পরস্পরকে বিকর্ষণ (repel) করে, তাই শক্তি n আর l দুটোর ওপর নির্ভর করে: 2s<2p2s < 2p, 3s<3p<3d3s < 3p < 3d, এমনকি 4s<3d4s < 3d। পরের পাঠ — ইলেকট্রন বিন্যাস (electron configuration) — এটা দিয়েই শুরু।

নিজে যাচাই করো

কোন d অরবিটালের চারটি লোব ঠিক x ও y অক্ষের ওপর থাকে?

ধাপ ৮: এবার নিজে করে দেখো

এবার আসল হাইড্রোজেন তরঙ্গ-অপেক্ষক থেকে তৈরি অরবিটালগুলো 3D-তে হাতে নিয়ে দেখো:

3D অরবিটাল দর্শক

3D orbital viewer — real hydrogen wavefunctions
↗
n = 1
n = 2
n = 3
3d
3D লোড হচ্ছে…
2pz
অক্ষের প্রান্ত (axis end) ≈ 796 pm

আঙুল দিয়ে ঘোরাও (drag to rotate), দুই আঙুলে জুম (pinch to zoom)।

2pz অরবিটাল (orbital)

n (প্রধান, principal)
2
l (সহকারী, azimuthal)
1 (p)
m (চৌম্বক, magnetic)
m = 0
রেডিয়াল নোড (radial nodes, n − l − 1)
0
কৌণিক নোড (angular nodes, l)
1
মোট নোড (total nodes, n − 1)
1
সবচেয়ে সম্ভাব্য দূরত্ব (most probable distance)
212 pm

z অক্ষ (axis) বরাবর দুটি লোব (lobe), মাঝে একটি নোডাল তল (nodal plane); দুই লোবে ψ-এর চিহ্ন (sign) বিপরীত।

রেডিয়াল সম্ভাবনা (radial probability) 4πr²ψ²0200400600r (pm)212 pm
ψ > 0ψ < 0রং = ψ-এর চিহ্ন (sign), আধান (charge) নয়

৯০% পৃষ্ঠের (surface) ভেতরে ইলেকট্রনকে (electron) ৯০% সময় পাওয়া যায়।

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6
  1. একটি গোলাকার নোড (radial node) নিজের চোখে দেখো: 2s বা 3s খোলো, তারপর "প্রস্থচ্ছেদ" (slice) বা "ভেতরে দেখো" (cut) চালু করো।
  2. এমন একটি p অরবিটাল (orbital) বের করো যার নোডাল তল (nodal plane) হলো xy তল। "নোড দেখাও" (nodes) চালু রাখো।
  3. পাঁচটি 3d অরবিটালের (orbitals) মধ্যে কোনটি "চার পাপড়ির" (four-leaf) নয়? খুঁজে বের করো আর তার নোড (nodes) দেখো।
  4. 1s আর একটি 3d অরবিটাল (orbital) দুটিই খুলে আকার (size) তুলনা করো — নিচের "সবচেয়ে সম্ভাব্য দূরত্ব" (most probable distance) দেখো।
  5. n = 3 শেলের (shell) সবগুলো অরবিটাল (orbitals) একবার করে দেখো। (0/9)
  6. "কোয়ান্টাম সংখ্যা" (quantum numbers) ট্যাবে n = 4 বেছে নাও, আর একটি অসম্ভব সেট (invalid set) বানিয়ে দেখো কেন তা অসম্ভব।

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

একটি অরবিটাল (orbital) খুললেই তার তথ্য এখানে জমা হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের কিছু কথা ভুল বা অসম্পূর্ণ:

  • বইয়ে লেখা “d-অরবিটালের আকৃতি চারটি লোববিশিষ্ট ডাবল-ডাম্বেলের মতো … দুটি নোডাল প্লেনই নিউক্লিয়াসকে ভেদ করে।” পাঁচটির মধ্যে চারটির জন্য ঠিক, কিন্তু dz2d_{z^2}-এর দুটি লোব আর একটি বলয় (torus), আর এর নোড দুটি শঙ্কু (cone), কোনো তল নয়। সিমুলেশনে নিজেই দেখে নাও।
  • বইয়ে কয়েক জায়গায় লেখা “‘অরবিটাল’ শব্দটি দ্বারা পরমাণুতে বিভিন্ন উপশক্তিস্তর (sub-energy level) বোঝানো হয়।” অরবিটাল আর উপস্তর (subshell) এক নয়। 2p একটি উপস্তর; এতে তিনটি অরবিটাল আছে (2px,2py,2pz2p_x, 2p_y, 2p_z)।
  • শ্রোডিঙ্গার সমীকরণের পাশে স্থিতিশক্তি VV ধনাত্মক (+Ze2r+\dfrac{Ze^2}{r}) ছাপা হয়েছে। আকর্ষণের স্থিতিশক্তি ঋণাত্মক: V=−Ze2rV = -\dfrac{Ze^2}{r}।
  • বইয়ে এবং কিছু বইয়ে pxp_x-কে m = +1, pyp_y-কে m = −1 (অথবা উল্টো) বলা হয়েছে। আসলে m = +1 ও m = −1-এর সমাধান দুটি জটিল সংখ্যার (complex) তরঙ্গ; pxp_x আর pyp_y এদের যোগফল ও বিয়োগফল (combinations) — কোনোটিই একক m-এর অরবিটাল নয়। শুধু pzp_z (আর dz2d_{z^2}) নির্দিষ্ট m = 0-এর সঙ্গে মেলে। পরীক্ষায় “m = −1, 0, +1, তাই তিনটি p অরবিটাল” লেখাই যথেষ্ট।
  • দ্য ব্রগলি সমীকরণের প্রমাণে বইয়ে “ইলেকট্রনের বেগ আলোর বেগের (speed of light) কাছাকাছি, তাই c = v ধরা হয়” লেখা হয়েছে, আর শেষে mvr=nh2λmvr = \dfrac{nh}{2\lambda} ছাপা হয়েছে। হাইড্রোজেনে ইলেকট্রনের বেগ আলোর বেগের মাত্র 1/137 ভাগ; λ=hmv\lambda = \dfrac{h}{mv} সরাসরি p=hλp = \dfrac{h}{\lambda} থেকে আসে। আর সঠিক শর্ত mvr=nh2πmvr = \dfrac{nh}{2\pi}।

ঘরে বসে পরীক্ষা: ডালের দানা দিয়ে “সম্ভাবনার মেঘ”

ψ² নিউক্লিয়াসে সর্বোচ্চ, অথচ সবচেয়ে সম্ভাব্য দূরত্ব শূন্য নয় — এই ধাঁধাটি ঘরেই নিজের হাতে দেখা যায়।

  1. একটি বড় কাগজের মাঝখানে একটি বিন্দু আঁকো (এটি “নিউক্লিয়াস”)। কম্পাস (compass) দিয়ে বিন্দুটিকে কেন্দ্র করে 2 cm, 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm ব্যাসার্ধের বৃত্ত আঁকো।
  2. কাগজটি মেঝেতে রাখো। কোমর সমান উচ্চতা থেকে একটি মসুর ডালের দানা বিন্দুটি লক্ষ করে ফেলো। দানা যেখানে থামে সেখানে পেনসিলে একটি ছোট দাগ দাও, দানাটি তুলে নাও। এভাবে অন্তত 100 বার।
  3. প্রতিটি বলয়ে (0–2, 2–4, 4–6 … cm) কয়টি দাগ পড়ল গুনে একটি সারণিতে লেখো। প্রতিটি বলয়ের ক্ষেত্রফল (area) দিয়ে ভাগ করে “প্রতি বর্গ সেমিতে ঘনত্ব”-ও বের করো।
  4. দেখবে: ঘনত্ব কেন্দ্রেই সবচেয়ে বেশি, কিন্তু সবচেয়ে বেশি দাগ পড়েছে মাঝের কোনো বলয়ে — কারণ বাইরের বলয়ের ক্ষেত্রফল বড়। 1s অরবিটালে ঠিক এ কারণেই ψ² নিউক্লিয়াসে সর্বোচ্চ, কিন্তু 4πr²ψ² সর্বোচ্চ a₀ দূরত্বে। (তোমার পরীক্ষাটি দ্বিমাত্রিক, তাই এখানে ক্ষেত্রফল r অনুপাতে বাড়ে; পরমাণুতে আয়তন বাড়ে r² অনুপাতে।)

নিরাপত্তা: দানা সবসময় নিচের দিকে ফেলো, কারও মুখ বা চোখের দিকে নয়। ছোট বাচ্চার কাছে দানা ফেলে রেখো না, আর শেষে মেঝে থেকে সব দানা তুলে নাও যেন কেউ পিছলে না পড়ে।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. 1.0 × 10⁶ m/s বেগে চলমান একটি ইলেকট্রনের দ্য ব্রগলি তরঙ্গদৈর্ঘ্য কত? (mₑ = 9.11 × 10⁻³¹ kg)

λ=hmv=6.626×10−349.11×10−31×1.0×106=7.27×10−10 m=727 pm\lambda = \dfrac{h}{mv} = \dfrac{6.626\times10^{-34}}{9.11\times10^{-31}\times1.0\times10^{6}} = 7.27\times10^{-10}\ \text{m} = 727\ \text{pm} — একটি পরমাণুর কয়েক গুণ মাপের, তাই এই ইলেকট্রনের তরঙ্গ-ধর্ম স্পষ্ট বোঝা যাবে (যেমন স্ফটিকে (crystal) অপবর্তন, diffraction)।

২. একটি ইলেকট্রনের অবস্থানের অনিশ্চয়তা 1.0 × 10⁻¹⁰ m হলে তার বেগের ন্যূনতম অনিশ্চয়তা কত?

Δx⋅m Δv≥h4π\Delta x \cdot m\,\Delta v \geq \dfrac{h}{4\pi}, তাই

Δv≥h4πm Δx=6.626×10−344×3.1416×9.11×10−31×1.0×10−10=5.79×105 m/s\Delta v \geq \dfrac{h}{4\pi m\,\Delta x} = \dfrac{6.626\times10^{-34}}{4\times3.1416\times9.11\times10^{-31}\times1.0\times10^{-10}} = 5.79\times10^{5}\ \text{m/s}

এটি হাইড্রোজেনে ইলেকট্রনের বেগের (2.19 × 10⁶ m/s) প্রায় এক-চতুর্থাংশ — তাই নির্দিষ্ট কক্ষপথ বলা অর্থহীন।

৩. N-শেলে (n = 4) কোন কোন উপস্তর, মোট কয়টি অরবিটাল ও সর্বোচ্চ কয়টি ইলেকট্রন থাকতে পারে? কোয়ান্টাম সংখ্যা দিয়ে ব্যাখ্যা করো।

n = 4 হলে l = 0, 1, 2, 3 → 4s, 4p, 4d, 4f। প্রতিটি l-এর জন্য m-এর মান (2l + 1)টি: 1 + 3 + 5 + 7 = 16টি অরবিটাল = n²। প্রতিটি অরবিটালে s = +½ ও −½ দুটি ইলেকট্রন, তাই সর্বোচ্চ 2 × 16 = 32টি = 2n²।

৪. নিচের কোন সেটগুলো অনুমোদিত? (ক) n = 2, l = 2, m = 0, s = +½ (খ) n = 3, l = 1, m = −1, s = −½ (গ) n = 1, l = 0, m = +1, s = +½ (ঘ) n = 4, l = 3, m = −3, s = +½
  • (ক) অনুমোদিত নয় — n = 2 হলে l সর্বোচ্চ 1।
  • (খ) অনুমোদিত — একটি 3p ইলেকট্রন।
  • (গ) অনুমোদিত নয় — l = 0 হলে m শুধু 0।
  • (ঘ) অনুমোদিত — একটি 4f ইলেকট্রন।
৫. 4d এবং 3p অরবিটালে কয়টি রেডিয়াল ও কয়টি কৌণিক নোড আছে?

রেডিয়াল নোড = n − l − 1, কৌণিক নোড = l।

  • 4d (n = 4, l = 2): রেডিয়াল 4 − 2 − 1 = 1, কৌণিক 2, মোট 3 (= n − 1)।
  • 3p (n = 3, l = 1): রেডিয়াল 1, কৌণিক 1, মোট 2।
৬. 1p ও 2d অরবিটাল কেন সম্ভব নয়? কোনো নতুন মৌলে (element) 5g উপস্তর থাকলে তাতে সর্বোচ্চ কয়টি ইলেকট্রন থাকবে?

l-এর মান 0 থেকে n − 1। n = 1 হলে শুধু l = 0 (s), তাই 1p (l = 1) অসম্ভব। n = 2 হলে l = 0, 1 (s, p), তাই 2d (l = 2) অসম্ভব।

g মানে l = 4। অরবিটাল = 2l + 1 = 9টি, সর্বোচ্চ ইলেকট্রন = 2 × 9 = 18টি। (n = 5 হলে l = 4 অনুমোদিত, তাই 5g সম্ভব।)