ভৌত বিজ্ঞান (পদার্থ ও রসায়ন)

পদার্থের অবস্থা (States of Matter)

যা স্থান দখল করে ও যার ভর আছে, তাকে পদার্থ বলে। অণু-পরমাণুর বিন্যাস ও তাদের মধ্যকার আকর্ষণ বলের ওপর ভিত্তি করে পদার্থ প্রধানত তিন অবস্থায় থাকে — কঠিন, তরল ও বায়বীয়। এছাড়া প্লাজমা ও বোস-আইনস্টাইন কনডেনসেটকে চতুর্থ ও পঞ্চম অবস্থা ধরা হয়।

তাপ প্রয়োগ বা অপসারণে পদার্থ এক অবস্থা থেকে অন্য অবস্থায় যায়। কঠিন→তরল হওয়া গলন, তরল→বায়বীয় হওয়া বাষ্পীভবন, বায়বীয়→তরল হওয়া ঘনীভবন এবং কঠিন→সরাসরি বায়বীয় হওয়াকে ঊর্ধ্বপাতন (sublimation) বলে। কর্পূর, ন্যাপথলিন ও শুষ্ক বরফ ঊর্ধ্বপাতিত হয়।

পরমাণুর গঠন ও মৌলিক কণা

মৌলের ক্ষুদ্রতম কণা, যা রাসায়নিক বিক্রিয়ায় অংশ নেয়, তাকে পরমাণু বলে। পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে নিউক্লিয়াস, যেখানে ধনাত্মক প্রোটন ও চার্জহীন নিউট্রন থাকে; আর নিউক্লিয়াসের চারপাশে বিভিন্ন কক্ষপথে ঘোরে ঋণাত্মক ইলেকট্রন।

পরমাণুর প্রোটন সংখ্যাই পারমাণবিক সংখ্যা (Z), আর প্রোটন ও নিউট্রনের সমষ্টি ভরসংখ্যা (A)। একই মৌলের ভিন্ন ভরসংখ্যার পরমাণুকে আইসোটোপ বলে (যেমন কার্বন-১২ ও কার্বন-১৪)।

পর্যায় সারণি ও মৌলসমূহ

মৌলগুলোকে তাদের পারমাণবিক সংখ্যা অনুসারে সাজিয়ে যে ছক তৈরি হয়, তাকে পর্যায় সারণি (Periodic Table) বলে। আধুনিক পর্যায় সারণিতে সাতটি পর্যায় (আনুভূমিক সারি) ও আঠারোটি গ্রুপ (উল্লম্ব কলাম) আছে। মেন্ডেলিফকে পর্যায় সারণির জনক বলা হয়।

একই গ্রুপের মৌলের রাসায়নিক ধর্ম প্রায় একই, কারণ তাদের সর্বশেষ কক্ষপথে সমান সংখ্যক ইলেকট্রন থাকে। বাম দিকে ধাতু, ডান দিকে অধাতু এবং মাঝে ধাতুকল্প (metalloid) অবস্থান করে।

রাসায়নিক বন্ধন ও যৌগ

স্থিতিশীল ইলেকট্রন বিন্যাস অর্জনের জন্য পরমাণুগুলো পরস্পরের সাথে যুক্ত হয়ে যৌগ গঠন করে; এই যুক্ত হওয়ার শক্তিই রাসায়নিক বন্ধন। ইলেকট্রন আদান-প্রদানে আয়নিক বন্ধন (যেমন NaCl) এবং ইলেকট্রন ভাগাভাগিতে সমযোজী বন্ধন (যেমন H₂O, CO₂) গঠিত হয়।

দুই বা ততোধিক ভিন্ন মৌল নির্দিষ্ট অনুপাতে যুক্ত হয়ে যৌগ তৈরি করে, যার ধর্ম উপাদান মৌল থেকে সম্পূর্ণ ভিন্ন। যেমন সোডিয়াম (বিস্ফোরক ধাতু) ও ক্লোরিন (বিষাক্ত গ্যাস) মিলে তৈরি হয় নিরাপদ খাদ্যলবণ।

এসিড, ক্ষার ও লবণ

যে যৌগ জলীয় দ্রবণে হাইড্রোজেন আয়ন (H⁺) দেয় তা এসিড, আর যে হাইড্রক্সিল আয়ন (OH⁻) দেয় তা ক্ষার (ক্ষারক)। এসিড স্বাদে টক, নীল লিটমাসকে লাল করে; ক্ষার স্বাদে কটু ও পিচ্ছিল, লাল লিটমাসকে নীল করে। এসিড ও ক্ষার বিক্রিয়ায় লবণ ও পানি উৎপন্ন হয় — একে প্রশমন বিক্রিয়া বলে।

দ্রবণের অম্লত্ব বা ক্ষারত্ব pH স্কেলে (০–১৪) মাপা হয়। pH ৭ নিরপেক্ষ (বিশুদ্ধ পানি), ৭-এর কম অম্লীয়, ৭-এর বেশি ক্ষারীয়।

ধাতু, অধাতু ও কার্বন

যেসব মৌল উজ্জ্বল, তাপ ও তড়িৎ পরিবাহী, আঘাতে প্রসারণশীল (আঘাত সহে পাত হয়) — সেগুলো ধাতু (লোহা, তামা, সোনা)। এর বিপরীত ধর্মের মৌল অধাতু (কার্বন, সালফার, অক্সিজেন)। ধাতুর মরিচা পড়া একটি ধীর জারণ প্রক্রিয়া, যার জন্য অক্সিজেন ও আর্দ্রতা দরকার।

কার্বন একটি ব্যতিক্রমী মৌল — এর বহুরূপতা (allotropy) আছে: হীরা (কঠিনতম প্রাকৃতিক পদার্থ), গ্রাফাইট (পরিবাহী, পিচ্ছিল) ও ফুলারিন সবই বিশুদ্ধ কার্বন। কার্বনভিত্তিক যৌগ নিয়ে জৈব রসায়ন গড়ে উঠেছে।

ভৌত রাশি, একক ও পরিমাপ

যা পরিমাপ করা যায় তাকে ভৌত রাশি বলে। যেসব রাশি অন্য কোনো রাশির ওপর নির্ভর করে না, সেগুলো মৌলিক রাশি (দৈর্ঘ্য, ভর, সময় ইত্যাদি ৭টি); আর মৌলিক রাশির সমন্বয়ে গঠিত রাশি লব্ধ রাশি (বেগ, বল, ক্ষেত্রফল)। আন্তর্জাতিকভাবে গৃহীত একক পদ্ধতিই SI একক।

বল ও গতি

যা স্থির বস্তুকে গতিশীল করে, গতিশীল বস্তুকে থামায় বা গতির দিক পরিবর্তন করে, তাকে বল বলে। বল ও গতি সম্পর্কে নিউটনের তিনটি সূত্র আধুনিক বলবিদ্যার ভিত্তি।

নিউটনের প্রথম সূত্র (জড়তার সূত্র): বাইরের বল না দিলে স্থির বস্তু স্থির ও গতিশীল বস্তু সমবেগে চলতে থাকে। দ্বিতীয় সূত্র: বল = ভর × ত্বরণ (F = ma)। তৃতীয় সূত্র: প্রতিটি ক্রিয়ার সমান ও বিপরীত প্রতিক্রিয়া আছে।

তাপ ও তাপগতিবিদ্যা

তাপ একধরনের শক্তি যা উষ্ণতর বস্তু থেকে শীতলতর বস্তুর দিকে প্রবাহিত হয়। তাপমাত্রা হলো বস্তুর উষ্ণতার পরিমাপ। তাপ তিন উপায়ে সঞ্চালিত হয় — পরিবহন (কঠিনে), পরিচলন (তরল-গ্যাসে) ও বিকিরণ (মাধ্যম ছাড়াই, যেমন সূর্যের তাপ)।

তরঙ্গ ও শব্দ

শক্তি স্থানান্তরের যে প্রক্রিয়ায় মাধ্যমের কণা কেবল কম্পিত হয় কিন্তু স্থান পরিবর্তন করে না, তাকে তরঙ্গ বলে। শব্দ একটি অনুদৈর্ঘ্য যান্ত্রিক তরঙ্গ — এর সঞ্চালনের জন্য মাধ্যম দরকার, তাই শূন্যস্থানে শব্দ চলে না।

শব্দের বেগ কঠিন মাধ্যমে সবচেয়ে বেশি, বায়বীয়তে সবচেয়ে কম (কঠিন > তরল > বায়বীয়)। শব্দের তীক্ষ্ণতা (pitch) কম্পাঙ্কের ওপর এবং প্রাবল্য (loudness) বিস্তারের ওপর নির্ভর করে।

আলো ও আলোকবিজ্ঞান

আলো একটি তড়িৎ-চৌম্বক তরঙ্গ, যার জন্য মাধ্যম লাগে না — তাই সূর্যের আলো শূন্য মহাকাশ পেরিয়ে পৃথিবীতে আসে। আলোর বেগ শূন্যস্থানে প্রায় ৩ লক্ষ কিলোমিটার/সেকেন্ড, যা প্রকৃতির দ্রুততম।

আলো এক মাধ্যম থেকে অন্য মাধ্যমে গেলে দিক পরিবর্তন করে — একে প্রতিসরণ বলে; আর মসৃণ তলে ফিরে আসাকে প্রতিফলন বলে। শ্বেত আলো প্রকৃতপক্ষে সাত রঙের মিশ্রণ, যা প্রিজমে বিশ্লিষ্ট হয় (বেনীআসহকলা)। রংধনু, মরীচিকা — সবই আলোর প্রতিসরণ/পূর্ণ অভ্যন্তরীণ প্রতিফলনের ফল।

স্থির ও চল তড়িৎ

পরিবাহীর মধ্য দিয়ে ইলেকট্রনের প্রবাহই তড়িৎ প্রবাহ। এর একক অ্যাম্পিয়ার। দুই বিন্দুর মধ্যে বিভব পার্থক্য (একক ভোল্ট) থাকলেই প্রবাহ চলে, আর প্রবাহে বাধাই রোধ (একক ওহম)।

ওহমের সূত্র অনুযায়ী V = IR (বিভব = প্রবাহ × রোধ)। তড়িৎ ক্ষমতা P = VI, একক ওয়াট। ঘরে ব্যবহৃত বিদ্যুৎ পরিবর্তী প্রবাহ (AC); ব্যাটারির বিদ্যুৎ একমুখী (DC)।

চৌম্বকত্ব, আধুনিক পদার্থবিজ্ঞান ও তেজস্ক্রিয়তা

যে বস্তু লোহাকে আকর্ষণ করে ও স্বাধীনভাবে ঝুলিয়ে দিলে উত্তর-দক্ষিণে দাঁড়ায়, তা চুম্বক। চুম্বকের দুই মেরু — উত্তর ও দক্ষিণ; সমমেরু বিকর্ষণ, বিপরীত মেরু আকর্ষণ করে। তড়িৎ প্রবাহ চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি করে (তড়িৎ-চুম্বক), আর চৌম্বকক্ষেত্রের পরিবর্তনে তড়িৎ তৈরি হয় (তড়িৎ আবেশ) — জেনারেটর ও ট্রান্সফরমার এই নীতিতে চলে।

তেজস্ক্রিয়তা হলো অস্থিতিশীল নিউক্লিয়াস থেকে স্বতঃস্ফূর্তভাবে আলফা, বিটা ও গামা রশ্মি নির্গমন। নিউক্লিয়াস ভেঙে শক্তি নির্গমনকে ফিশন (পারমাণবিক বোমা ও চুল্লি) এবং হালকা নিউক্লিয়াস জোড়া লাগাকে ফিউশন (সূর্যের শক্তি) বলে।

শক্তির উৎস, ব্যবহার ও রূপান্তর

কাজ করার সামর্থ্যই শক্তি। শক্তির নিত্যতা সূত্র অনুযায়ী শক্তি সৃষ্টি বা ধ্বংস হয় না, কেবল এক রূপ থেকে অন্য রূপে রূপান্তরিত হয়। শক্তির উৎস দুই প্রকার — নবায়নযোগ্য (সৌর, বায়ু, জলবিদ্যুৎ, জোয়ারভাটা) ও অনবায়নযোগ্য (কয়লা, তেল, গ্যাস, ইউরেনিয়াম)।

দ্রুত-তথ্য ও পরিভাষা

পরীক্ষার আগে একনজরে গুরুত্বপূর্ণ তথ্য ও পরিভাষা:

বিগত বিসিএসে আসা প্রশ্ন (সমাধানসহ)

পদার্থ ও রসায়ন থেকে আসা প্রতিনিধিত্বমূলক প্রশ্ন অপশনসহ সমাধান করা হলো।

অনুশীলনী (Practice)

নিচের প্রশ্নগুলো অনুশীলন করলে ভৌত বিজ্ঞানের সব গুরুত্বপূর্ণ তথ্য আয়ত্তে চলে আসবে।

পদার্থ ও পরমাণু

রসায়ন

বল, গতি ও শক্তি

তাপ, আলো ও শব্দ

বিদ্যুৎ, চুম্বক ও আধুনিক