Energy of Nuclear - nuclearscience101

Energy

Energy কাজ করার ক্ষমতা হিসাবে হয়।

Kinetic Energy & Potential Energy

যদি কোনও স্থানে s দূরত্বের স্থানান্তর করতে একটি constant force F প্রয়োগ করা হয়, তবে কাজ করা পরিমাণ হল Fs। উদাহরণস্বরূপ, আমরা মেঝে থেকে একটি বই তুলে টেবিলের উপরে রাখি। আমাদের পেশীগুলি বইতে মহাকর্ষ বলের বিরুদ্ধে উঠানোর উপায় সরবরাহ করে। আমরা সেই অবজেক্টে কাজ করেছি, যা এখন stored energy (potential energy) ধারণ করে, কারণ এটি যদি মূল স্তরে ফিরে যেতে দেয় তবে এটি কাজ করতে পারে।

বিশ্রাম থেকে শুরু করে, বস্তুটি একটি গতি v অর্জন করে এবং যে কোনও মুহুর্তে energy of motion (kinetic energy) পরিমাণ E_k = 1/2 mv²। মাধ্যাকর্ষণ শক্তির অধীনে থাকা বস্তুগুলির জন্য, আমরা দেখতে পেয়েছি যে kinetic energy বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে potential energy হ্রাস পেয়েছে তবে দু'ধরণের যোগফল constant থাকে। এটি শক্তি সংরক্ষণের (conservation of energy) নীতির উদাহরণ।

আমরা জানি, পতিত জল উত্পাদনের জন্য electrical energy একটি প্রাথমিক উত্স সরবরাহ করে । Hydroelectric plant-এ নদীর বাঁধ দিয়ে জল সংগ্রহ করা হয় এবং যথেষ্ট দূরত্বে পড়ার অনুমতি দেয়। জলের Potential energy এইভাবে kinetic energy-তে রূপান্তরিত হয়। বাঁধের শীর্ষে অবস্থিত একটি ভর m এর potential energy হল E_p = Fh, এটি সেখানে রাখার কাজ হচ্ছে। আমরা জানি, শক্তি ওজন হল F = mg, যেখানে g হল মাধ্যাকর্ষণ ত্বরণ। সুতরাং E_p = mgh।

* The standard acceleration of gravity, g is 9.80665 m/s².

Thermal Energy

Thermal energy (তাপ শক্তি), ফর্ম হিসাবে সবচেয়ে সহজেই সূর্য থেকে, সাধারণ জ্বালানী পোড়ানো থেকে এবং বিভাজন প্রক্রিয়া থেকে পাওয়া যায়। যদি energy সরবরাহ করা হয় তবে তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। উদাহরণস্বরূপ, সূর্য থেকে শক্তি দিনের বেলা বাতাসকে উষ্ণ করে তোলে। প্রতিটি উপাদান তার internal molecular or atomic structure অনুযায়ী শক্তির সরবরাহকে প্রতিক্রিয়া জানায়, specific heat c দ্বারা একটি ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলে (macroscopic scale)  বৈশিষ্ট্যযুক্ত। যদি এক গ্রাম পদার্থের পরিমাণে তাপীয় শক্তির (thermal energy) পরিমাণ Q  যুক্ত হয় তবে তাপমাত্রা বৃদ্ধি, T = Q/c  হয়। পানির জন্য নির্দিষ্ট তাপের (specific heat) মান c = 4.18 J/g-°C।

কোনও উপাদানে সরবরাহ করা শক্তি পদার্থের পৃথক কণার গতি বাড়ায়। তাপমাত্রা এইভাবে পরমাণুর গড় গতিশক্তির (average kinetic energy) সাথে সম্পর্কিত হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, বায়ুর মতো কোনও গ্যাসে, অণুগুলির অনুবাদিত গতির গড় শক্তি E', তাপমাত্রা T এর সাথে সরাসরি সমানুপাতিক, E' = 3/2 KT সম্পর্কের মাধ্যমে, যেখানে K বোল্টজম্যানের constant, 1.38×10^-23 J/K । 20°C or 293K কক্ষ তাপমাত্রায় অক্সিজেন অণুর সাধারণ গতি  (typical speed) সন্ধান করুন। আণবিক ওজন (molecular weight) 32, এবং যেহেতু পারমাণবিক ওজনের (atomic weight) এক ইউনিট 1.66*10^-27kg থেকে মিলছে, তাই অক্সিজেনের ভর (O₂) অণুর পরিমাণ 5.3*10^-26kg ।

এখন E' = 3/2 (1.38×10^-23) (293) = 6.1*10^-21J এবং এইভাবে গতি (speed), v = (2E' / m) ^1/2 = [2(6.14*10^-21) / (5.3*10^-26)] ^1/2 = 479 m/s

 

* কেলভিন স্কেল ডিগ্রির একই ব্যবধান সেলসিয়াস স্কেলের মতো, তবে এর শূন্য -273 ° C ।

Figure: Effect of Added Energy 

Radiant Energy (তেজস্ক্রিয় শক্তি)

শক্তির অন্য রূপ হল radiant energy (electromagnetic energy) । এই শক্তি সলিউড গরম করে, যেমন একটি লাইটব্লাবের (lightbulb) তারে বা বৈদ্যুতিক দোলন (oscillations) দ্বারা, যেমন রেডিও বা টেলিভিশন ট্রান্সমিটারগুলিতে বা সূর্যের মতো পারমাণবিক মিথস্ক্রিয়া (atomic interactions) দ্বারা নির্গত হতে পারে। বিকিরণটি দুটি উপায়েই দেখা যায়- তরঙ্গ (wave) হিসাবে বা প্রক্রিয়াটির উপর নির্ভর করে একটি কণা হিসাবে অধ্যয়নের অধীনে। তরঙ্গ দৃশ্যে এটি স্থানের মধ্য দিয়ে চলমান বৈদ্যুতিক এবং চৌম্বকীয় কম্পনগুলির (electric and magnetic vibrations) সংমিশ্রণ। পার্টিক লে ভিউতে এটি একটি কমপ্যাক্ট মুভিং আনচার্জড অবজেক্ট (compact moving uncharged object), ফোটন যা খাঁটি শক্তির একটি বান্ডিল, কেবল তার গতির কারণেই ভর করে। এর উত্স নির্বিশেষে, সমস্ত বিকিরণগুলি এর ফ্রিকোয়েন্সি (frequency) দ্বারা চিহ্নিত করা যেতে পারে যা গতি এবং তরঙ্গদৈর্ঘ্যের (wavelength) সাথে সম্পর্কিত। আলোর গতি c হতে দেওয়া, এর তরঙ্গদৈর্ঘ্য l এবং n এর ফ্রিকোয়েন্সি, সুতরাং c = ln। উদাহরণস্বরূপ, যদি একটি শূন্যস্থানে c 3* 10⁸ m/s, তরঙ্গদৈর্ঘ্যের (wavelength) হলুদ আলো 5.89* 10^-7 m এর ফ্রিকোয়েন্সি (frequency) 5.1* 10¹⁴ s^-1 হয়। এক্সরে এবং গামা রশ্মি যথাক্রমে পরমাণু এবং পারমাণবিক কণার মিথস্ক্রিয়া থেকে উদ্ভূত বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় বিকিরণ (electromagnetic radiation) । এগুলিতে দৃশ্যমান আলোর (visible light) চেয়ে শক্তি এবং ফ্রিকোয়েন্সি অনেক বেশি।

 

The Equivalence of Matter and Energy (জড় এবং শক্তির সমতা)

শক্তি ও পদার্থের মধ্যে সংযোগ আইনস্টাইনের বিশেষ আপেক্ষিকতার তত্ত্ব (Einstein’s theory of special relativity) দ্বারা সরবরাহ করা হয়।এটি ভবিষ্যদ্বাণী করে যে কোনও বস্তুর ভর তার গতিতে বৃদ্ধি পায়। বস্তুটি বিশ্রামের সময় ভরকে m₀ হিসাবে দেওয়া, "বিশ্রামের ভর" এবং যখন ইহার গতিবেগ থাকে তখন m-কে ভর দেই এবং লক্ষ্য করে যে শূন্যে আলোর গতি c = 3* 10⁸ m/ s, তারপরে m [(1-v²/c²)^-1/2] = m₀।

স্বল্প গতি তে (যেমন, 500 m/s) গতির জন্য ভরগুলি প্রায় ভরগুলির সাথে প্রায় একই রকম, যেহেতু v/c এবং এর বর্গক্ষেত্র খুব ছোট। যদিও তত্ত্বটি প্রাকৃতিক আইনের মর্যাদা পেয়েছে তবে উচ্চ গতিতে কণা গতি ছাড়া অন্য কথায় যখন ইহার কমপক্ষে কয়েক শতাংশ (several percent) c থাকে তখন এর কঠোরতার প্রয়োজন হয় না। সম্পর্কটি দেখায় যে কোনও বস্তুগত বস্তুর গতির গতির চেয়ে বেশি গতি থাকতে পারে না।

আইনস্টাইনের (Einstein) মতে বল প্রয়োগের ফলে গতিশক্তি একটি কণায় প্রবাহিত হয়েছিল, E_k = (m-m₀) c²।

নিম্ন গতির জন্য, v<<c, এটি প্রায় (approximately) ½ mv₀², শাস্ত্রীয় সম্পর্ক (classical relation) । আইনস্টাইনের সূত্রের অন্তর্নিহিততা হল যে কোনও বস্তুর শক্তি E₀ = m₀c² থাকে যখন বিশ্রামে থাকে (এর ‘‘ rest energy ’’), এবং মোট শক্তি E = mc², পার্থক্যটি এক গতিশক্তি (kinetic energy) 9.1* 10^-31 kg ভর ইলেক্ট্রনের জন্য বাকী শক্তি গণনা- E₀ = m₀c² = (9.1 * 10^-31) (3.0 * 10⁸) 2 = 8.2* 10 ^-12 J = (8.2* 10^-14 J/1.6* 10^-19 J/MeV) = 0.51 MeV ।

পারমাণবিক ভরগুলির এক ইউনিটের জন্য, 1.66* 10^-27 kg, যা হাইড্রোজেন পরমাণুর ভরের কাছাকাছি, সংশ্লিষ্ট শক্তি 931 MeV । 1 kg পারমাণবিক জ্বালানীর (nuclear fuel) থেকে জ্বালানি ফলন রাসায়নিক জ্বালানীর (chemical fuel) চেয়ে এক মিলিয়ন গুণ বেশি। এই চমকপ্রদ বক্তব্যটি প্রমাণ করার জন্য, আমরা প্রথমে 1 kg পদার্থকে শক্তিতে রূপান্তরিত করার ফলস্বরূপ দেখতে পাই, (1 kg) (3* 10⁸ m/s) 2 = 9* 10¹⁶ J ।

পারমাণবিক বিচ্ছেদ প্রক্রিয়া, ভরকে শক্তিতে রূপান্তর করার একটি পদ্ধতি হিসাবে তুলনামূলকভাবে অযোগ্য, যেহেতু 1 kg ইউরেনিয়ামের (uranium) "বার্নিং (burning)" এর মধ্যে কেবল 0.87 gm পদার্থকে শক্তিতে রূপান্তর করা জড়িত। এটি প্রায় 7.8 * 10¹³ J/kg ইউরেনিয়াম (uranium) গ্রহণের সাথে মিলে যায়। এই শক্তি প্রকাশের প্রচুর পরিমাণে কেবলমাত্র পেট্রোল, 5 * 10⁷ J/kg হিসাবে পরিচিত জ্বালানের জ্বলনের শক্তির সাথে তুলনা করলেই প্রশংসা করা যেতে পারে। এই সংখ্যাগুলির অনুপাত, 1.5 * 10⁶, পারমাণবিক এবং রাসায়নিক শক্তির মধ্যে দুর্দান্ত পার্থক্য প্রকাশ করে। রাসায়নিক জ্বালানী থেকে এক মিলিয়নেরও বেশি বার। এই চমকপ্রদ বক্তব্যটি প্রমাণ করার জন্য, আমরা প্রথমে 1 kg পদার্থকে শক্তিতে রূপান্তরিত করার ফলস্বরূপ দেখতে পাই, (1 kg) (3.0 * 10⁸ m/s) 2 = 9* 10¹⁶ J ।

Energy and the World (শক্তি এবং বিশ্ব)

মানুষের সমস্ত ক্রিয়াকলাপ শক্তির উপর নির্ভর করে, আমরা যখন উপলব্ধি করি তখন  আমরা বিশ্বের শক্তি সমস্যার মাত্রা বিবেচনা করি। খাদ্যের দক্ষ উত্পাদনের জন্য মেশিন, সার এবং জল প্রয়োজন, প্রতিটি প্রত্যেকে আলাদাভাবে শক্তি ব্যবহার করে। যানবাহন পরিবহন, আবহাওয়ার বিরুদ্ধে সুরক্ষা এবং সমস্ত পণ্য তৈরির জন্য শক্তি জরুরী। মানুষের বেঁচে থাকার জন্য পর্যাপ্ত দীর্ঘমেয়াদী শক্তির সরবরাহ অত্যাবশ্যক। বিশ্ব জ্বালানী সমস্যার অনেক মাত্রা রয়েছে: জ্বালানীগুলি আরও দুষ্প্রাপ্য হওয়ার সাথে সাথে বাড়তি খরচ; জীবাশ্ম জ্বালানি জ্বলনের ফলে বিশ্বব্যাপী জলবায়ু পরিবর্তনের সম্ভাবনা; শক্তি ব্যবহারের উপ-উত্পাদনগুলির সুরক্ষা এবং স্বাস্থ্যের উপর প্রভাব; অঞ্চল ও দেশগুলির মধ্যে জ্বালানী সংস্থানগুলির অযোগ্য বিতরণ; এবং বর্তমান শক্তি ব্যবহার এবং বিশ্বজুড়ে মানুষের প্রত্যাশা মধ্যে পার্থক্য।