การค้นพบนิวเคลียส
ความนิยมของผู้ชม: / 7
แย่มากดีมาก 

 

การค้นพบนิวเคลียส

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
 

ตอนปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ต่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ต่างยอมรับกันแล้วว่า อะตอมไม่ใช่เพียงลูกกลม ๆ เนื่องจากการค้นพบที่ผ่านมา บ่งชี้ว่าอะตอมคงต้องประกอบด้วยอนุภาคอย่างน้อย 2 ชนิด เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ที่เมื่อโลหะบางชนิดได้รับแสงยูวีแล้ว สามารถปล่อยอนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุลบออกมาได้ แสดงว่าอะตอม น่าจะมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่ง และการที่อะตอมไม่มีประจุ อีกองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม ก็ต้องเป็นอนุภาคชนิดที่มีประจุบวก จึงเกิดทฤษฎีโครงสร้างของอะตอมขึ้นมาหลายแบบ เช่น ทฤษฎีขนมพุดดิงลูกพลัม (plum pudding) ของโจเซฟ ทอมสัน (Joseph Thomson) ซึ่งเป็นผู้ค้นพบอิเล็กตรอนเมื่อปี ค.ศ. 1897 โดยทอมสันเสนอว่า อะตอมเหมือนกับเนื้อเค้กพุดดิง ที่มีประจุเป็นบวก และมีอิเล็กตรอนเป็นประจุลบกระจายอยู่ทั่ว เหมือนกับเนื้อลูกพลัมชิ้นเล็ก ๆ ที่กระจายอยู่ทั่วเนื้อเค้กพุดดิง แต่ในปัจจุบันเรายอมรับกันแล้วว่า โครงสร้างของอะตอมนั้น ส่วนใหญ่เป็นที่ว่าง ที่มีนิวเคลียสเล็กนิดเดียวอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส ซึ่งผลงานที่สำคัญเป็นของ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford)

ปรากฏารณ์โฟโตอิเล็กทริกของโลหะโซเดียม

โครงสร้างอะตอมตามทฤษฎีขนมพุดดิงลูกพลัม

การค้นพบนิวเคลียสของรัทเทอร์ฟอร์ดเมื่อปี ค.ศ. 1911 นั้น เสมือนกับว่า นิวเคลียสถูกธรรมชาตินำมาแอบซ่อนไว้ ด้วยล็อกที่ซ้อนกันอยู่ถึง 3 ชั้น และต้องรอให้ผู้อื่นใช้เวลารวมกันเกือบ 10 ปี ช่วยกันใช้กุญแจ 3 ดอกไขล็อกทั้ง 3 ชั้นนั้นเสียก่อน

กุญแจดอกแรกก็คือ การค้นพบรังสีเอกซ์ (x-rays) ของวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Konrad Roentgen) เมื่อวันที่ 8 พฤศจิกายน ค.ศ. 1895 โดยขณะกำลังศึกษารังสีแคโทด (cathode rays) ด้วยหลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube) แต่เขากลับพบรังสีประหลาด ออกมาจากหลอดรังสีแคโทด ทำให้จอวาวแสง (fluorescent screen เป็นจอที่ฉาบด้วยวัสดุวาวแสง หรือ fluorescence material ซึ่งเมื่อได้รับแสงแดดแล้ว จะเปล่งแสงที่ตามองเห็นออกมาได้) ที่ตั้งอยู่ด้านข้าง เกิดการวาวแสงขึ้นมาได้ เขาไม่ทราบว่ารังสีนี้คือรังสีอะไร จึงตั้งชื่อว่ารังสีเอกซ์ การค้นพบนี้ได้สร้างกระแสตื่นตัว ในการค้นหารังสีเอกซ์จากแหล่งอื่น ๆ กันขนานใหญ่ ผลงานนี้ทำให้เรินต์เกนได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1901

วิลเฮล์ม เรินต์เกน

ภาพเอกซเรย์มือของภรรยาเรินต์เกน

กุญแจดอกที่สอง ซึ่งเป็นดอกที่สำคัญมากก็คือ อองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) ค้นพบการแผ่รังสีของธาตุยูเรเนียม เมื่อปี ค.ศ. 1896 แบ็กเกอแรลก็เป็นอีกคนหนึ่ง ที่ไม่ตกกระแส และเข้าร่วมวงค้นหารังสีเอกซ์กับเขาด้วย โดยเขาเริ่มจากสารที่เป็นวัสดุวาวแสง ที่มีธาตุยูเรเนียมเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ โพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต ซึ่งเขากลับพบว่า แม้ไม่ได้รับแสงแดด แต่ก็สารนี้ก็ปล่อยรังสีที่ตามองไม่เห็น ออกมาตลอดเวลา โดยตรวจพบได้ด้วยฟิล์มกระจก (photographic plate) และแบ็กเกอแรลไม่ได้เอาจริงเอาจังศึกษาเรื่องนี้ต่อไป แต่ก็เป็นที่ทราบกัน นับแต่นั้นมาว่า ยูเรเนียมเป็นธาตุที่มีการปล่อยรังสีออกมาได้

อองรี แบ็กเกอแรล

ภาพจากฟิล์มกระจก

สำหรับกุญแจดอกที่สาม ก็ได้แก่ การค้นพบธาตุเรเดียม ของมาดามคูรี (Madame Curie) กับสามีชื่อปีแอร์ คูรี (Pierre Curie) เมื่อปี ค.ศ. 1898 โดยมาดามคูรี ได้เลือกศึกษาสมบัติการปล่อยรังสีของยูเรเนียม มาเป็นหัวข้อในการศึกษาระดับปริญญาเอก และมาดามคูรี ได้ตั้งชื่อให้กับปรากฏการณ์นี้ว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) และต่อมา มาดามคูรียังพบว่า นอกจากยูเรเนียมแล้ว ธาตุทอเรียมก็ปล่อยรังสีด้วยเช่นกัน จากนั้น เมื่อค้นคว้ากันต่อไป ปีแอร์กับมาดามคูรี ก็ค้นพบธาตุใหม่ ที่ปล่อยรังสีได้อีก 2 ธาตุ คือ พอโลเนียมและเรเดียม ผลงานเรื่องปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี ทำให้แบ็กเกอแรล และมาดามคูรีกับปีแอร์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกัน เมื่อปี ค.ศ. 1903 และการค้นพบธาตุใหม่ 2 ธาตุ ก็ทำให้มาดามคูรี ได้รับรางวัลโนเบลเป็นครั้งที่ 2 (คราวนี้ในสาขาเคมี) เมื่อปี ค.ศ. 1911

มาดามคูรีกับปีแอร์

การแยกเรเดียม

มีนักวิทยาศาสตร์อีกมากมาย ที่ศึกษาสมบัติของรังสี ที่แผ่ออกมาจากอะตอม ตามปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี แต่รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นผู้ที่มีสายตาเฉียบคมที่สุด โดยในปี ค.ศ. 1899 เขาเป็นผู้สรุปได้ว่า รังสีที่อะตอมแผ่ออกมา มีอนุภาค 2 ชนิด ชนิดแรก มีประจุบวก และอีกชนิดหนึ่งมีประจุลบ ซึ่งเขาตั้งชื่อว่า อนุภาคแอลฟา และอนุภาคบีตาตามลำดับ จากนั้นในปีถัดมา ปีแอร์ คูรี ก็พิสูจน์ได้ว่า รังสีที่อะตอมแผ่ออกมา ยังมีอีกชนิดหนึ่งด้วย ที่ไม่มีประจุ และได้ชื่อว่า รังสีแกมมา และธาตุเรเดียม ที่ปีแอร์และมาดามคูรีค้นพบนี่เอง ที่รัทเทอร์ฟอร์ดนำไปใช้ เป็นต้นกำเนิดรังสี หรืออนุภาคแอลฟา สำหรับค้นหานิวเคลียสของอะตอมได้สำเร็จ

ภายใต้สนามแม่เหล็ก รังสีแอลฟาและบีตา ซึ่งมีประจุ จะเคลื่อนเบี่ยงออกไปหาขั้วลบ และขั้วบวกตามลำดับ ส่วนรังสีแกมมา ซึ่งไม่มีประจุ จะเคลื่อนตรงออกไปจากต้นกำเนิดรังสี

เมื่อปี ค.ศ. 1909 ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) กับ เออร์เนสต์ มาร์สเดน (Ernest Marsden) ภายใต้การกำกับของรัทเทอร์ฟอร์ด ทดลองใช้อนุภาคแอลฟา จากแก๊สเรเดียมโบรไมด์ ระดมยิง (bombard) แผ่นโลหะบาง (metal foil) หลายชนิด เช่น อะลูมิเนียม เหล็ก ทองคำ ตะกั่ว และใช้ความหนาต่าง ๆ กัน โดยใช้วิธีซ้อนแผ่นโลหะหลาย ๆ ชั้น จากนั้น นับจำนวนการเกิดการกระเจิง (scattering) ของอนุภาคแอลฟาเหล่านี้ ที่กระดอนออกมา และไปกระทบกับจอแสงวับ (scintillant screen) ที่ฉาบด้วยสารสังกะสีซัลไฟด์ แล้วจะเกิดประกายแสงเล็ก ๆ แวบออกมา ซึ่งการนับ ต้องส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังต่ำ และต้องใช้เวลานานหลายชั่วโมง ภายในห้องมืด ๆ


ผังแสดงการระดมยิงแผ่นทองคำบาง ๆ ด้วยอนุภาคแอลฟาจากสารประกอบเรเดียม

ผลการทดลอง สามารถสังเกตได้ดีจากการระดมยิงแผ่นทองคำบาง ๆ (gold foil) โดยเมื่อเชื่อตามทฤษฎีขนมพุดดิงลูกพลัม ก็คาดว่าอนุภาคแอลฟาส่วนหนึ่ง จะถูกดูดกลืนเอาไว้ อีกส่วนหนึ่งจะผ่านทะลุไป และหากจะมีบางอนุภาคเกิดการเบนออกบ้าง ก็น่าจะเบนทำมุมต่ำ ๆ เท่านั้น แต่จากการทดลองขยับจอแสงวับไปเรื่อย ๆ ทั้ง 360 องศา กลับปรากฏผลที่ทำให้ต้องประหลาดใจว่า แม้อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะมีผลตามที่คาด แต่กลับมีอนุภาคแอลฟาจำนวนน้อย 1 ใน 20,000 อนุภาคที่กระดอนกลับออกมาด้วยมุมมากกว่า 90 องศา ซึ่งรัทเทอร์ฟอร์ดถึงกับกล่าวว่า

“เรื่องนี้แทบเป็นไปไม่ได้ เหมือนกับว่า คุณยิงกระดาษทิชชู ด้วยกระสุนขนาด 15 นิ้ว แล้วกระสุนย้อนกลับมาหาตัวคุณเอง”

ด้วยสมองอันเฉียบคม เขาสามารถสรุปผลการทดลองนี้ได้ว่า การที่อนุภาคแอลฟา ซึ่งมีประจุเป็นบวก และมีขนาดใหญ่ กระดอนออกมาเช่นนี้ แสดงว่า อนุภาคนี้ต้องพุ่งเข้าไป “เจอของแข็ง” คือเข้าชนอย่างจัง กับอนุภาคบวกขนาดใหญ่กว่ามาก ภายในอะตอม และจากสัดส่วนของอนุภาคแอลฟา ที่กระดอนออกมา ต่ออนุภาคที่ทะลุผ่านไป ทำให้เขาคำนวณได้ว่า “ของแข็ง” ที่ว่านี้มีขนาดประมาณ 1 ใน 10,000 ของเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอม จากนั้นเมื่อทดลองซ้ำจนมั่นใจเขาก็สรุปว่า อะตอมมีแก่นอยู่ตรงกลาง ซึ่งเล็กมาก เมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม โดยเป็นประจุบวกทั้งหมด รวมกันอยู่ตรงนั้น ส่วนอิเล็กตรอน ที่มีประจุลบ ก็โคจรอยู่ในที่ว่างรอบ ๆ แก่นตรงกลางนั้น รัทเทอร์ฟอร์ด ตีพิมพ์บทความทฤษฎีโครงสร้างของอะตอม อย่างใหม่นี้ ตอนต้นปี ค.ศ. 1911 และรู้จักกันในชื่อของ อะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford atom) โดยตั้งชื่อแก่นประจุบวกของอะตอมนี้ว่า นิวเคลียส (nucleus) จากรากศัพท์ภาษาละตินคือ nux ตรงกับภาษาอังกฤษว่า nut ที่หมายถึงผลไม้เปลือกแข็งลูกเล็ก ๆ

รูปด้านซ้ายหากโครงสร้างอะตอมเป็นแบบขนมพุดดิงลูกพลัม อนุภาคแอลฟาจะเบนออกได้บ้าง แต่การที่อนุภาคแอลฟากระดอนออกเป็นมุมโต ๆ ได้รัทเทอร์ฟอร์ดจึงสรุปโครงสร้างอะตอมตามรูปด้านขวา

ผลงานเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม ของรัทเทอร์ฟอร์ด ทำให้เขาได้รับการขนานนามว่า สถาปนิกแห่งอะตอม (The Architect of Atom) และวิธีระดมยิงนิวเคลียสของอะตอม ด้วยอนุภาคแอลฟา ที่เขาริเริ่มขึ้นนี้ ยังเป็นวิธีที่ใช้ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส มาจนปัจจุบันนี้นานกว่า 1 ศตวรรษแล้ว รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้ชื่อว่า บิดาแห่งนิวเคลียร์ฟิสิกส์ (Father of Nuclear Physics)

ต่อมาในปี ค.ศ. 1914 รัทเทอร์ฟอร์ด ตั้งชื่อให้กับอนุภาคประจุบวกในนิวเคลียสว่า โปรตอน (proton) และหลังจากการค้นพบนิวเคลียสกว่า 20 ปี ในปี ค.ศ. 1932 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ก็พิสูจน์ได้ว่า นอกจากโปรตอนแล้ว ในนิวเคลียสของอะตอม ยังประกอบด้วยอนุภาคอยู่อีกชนิดหนึ่ง ซึ่งไม่มีประจุ และเขาเรียกอนุภาคนี้ว่า นิวตรอน (neutron)

เป็นอันว่า ภาพอันสมบูรณ์ของนิวเคลียส ที่ธรรมชาติซ่อนเร้นเอาไว้อย่างลึกล้ำ ก็ถูกเผยออกมาด้วยประการฉะนี้


Views: 8714

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

 

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 43005947

Who's Online

ขณะนี้มี 8 บุคคลทั่วไป ออนไลน์