ถ้าอะตอมทำจากนิวเคลียส แล้วนิวเคลียสทำจากอะไร

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

คำว่า อะตอม (atom) มาจากภาษากรีกว่า atomos (แปลว่า แบ่งแยกไม่ได้) มีมาตั้งแต่ราว 450 ปีก่อนคริสต์ศักราช โดยนักปราชญ์ชาวกรีกชื่อว่าดีโมคริตุสเสนอแนวคิดว่าเมื่อตัดแบ่งสสารลงไปเรื่อย ๆ ในที่สุดจะตัดแบ่งไม่ได้ และชิ้นที่เล็กที่สุดที่ตัดแบ่งไม่ได้อีกแล้วนี้ก็คือ อะตอม แต่แนวคิดนี้ถูกลืมไปเกือบ 2,000 ปี เพราะไม่มีเครื่องมืออะไรพิสูจน์แนวคิดนี้ได้

ลุถึงปี ค.ศ. 1808 วิทยาศาสตร์เจริญขึ้นมาก และการทดลองของจอห์น ดอลตันชาวอังกฤษก็ทำให้เขากล้าสรุปว่าสสารประกอบด้วยชิ้นที่เล็กที่สุดที่ตัดแบ่งไม่ได้อีกแล้ว และนี่เป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่

ต่อมาในปี ค.ศ. 1897 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเซอร์โจเซฟ ทอมสัน ก็สามารถพิสูจน์ได้ว่ากระแสไฟฟ้าประกอบขึ้นจากอนุภาค (particle) เป็นภาษาละตินแปลว่า ส่วนเล็ก ๆ หรือ little part) ที่เรียกว่า อิเล็กตรอน และการศึกษาต่อ ๆ ก็สรุปได้ว่าอะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบ แต่การที่อะตอมเป็นกลาง จึงคาดคะเนต่อไปได้อีกว่าอะตอมก็จะต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย

ปี ค.ศ. 1911 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษซึ่งเกิดที่ประเทศนิวซีแลนด์ชื่อว่าเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด พิสูจน์ได้ว่าอะตอมมีแก่นเล็กนิดเดียวอยู่ตรงกลางของอะตอมและมีประจุเป็นบวก ล้อมรอบด้วยเนื้อที่แทบจะว่างเปล่าหากไม่มีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบโคจรอยู่รอบนอก แก่นนี้เขาเรียกว่านิวเคลียส (nucleus จากภาษาละตินแปลว่า little nut)

ถึงตรงนี้เราก็ได้อะตอมที่แบ่งแยกได้ ที่มีองค์ประกอบเป็นอนุภาคย่อยของอะตอม 2 ชนิดคือ อิเล็กตรอนและโปรตอน แต่พอถึงปี ค.ศ. 1932 เมื่อเซอร์เจมส์ แชดวิก ก็ค้นพบว่านิวเคลียสของอะตอมมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง มีมวลมากพอ ๆ กับโปรตอน แต่ไม่มีประจุ (neutral) จึงเรียกว่า นิวตรอน (neutron)

สรุปว่า อะตอมทำจากอนุภาคอย่างน้อย 3 ชนิดคือ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ดังนั้นชาวกรีกที่ชื่อดีโมคริตุสจึงพูดถูกครึ่งเดียวคือว่า อะตอมมีจริง แต่ยังตัดแบ่งต่อไปได้

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1895 นักฟิสิกส์ชาวสก็อตช์ชื่อชาร์ล ที.อาร์. วิลสัน เกิดความคิดเกี่ยวกับการเกิดเมฆ ว่าไอน้ำในอากาศกลั่นตัวเป็นหยดน้ำโดยอาศัยเกาะอยู่รอบ ๆ อนุภาคของฝุ่นละอองได้ ดังนั้น ในเมื่ออนุภาคที่มีพลังงานที่เคลื่อนไปชนอะตอมตลอดทาง ให้กลายเป็นอะตอมที่มีประจุได้ ก็น่าจะเห็นรอยทางเคลื่อนที่ของอนุภาคนั้นได้ หากสามารถทำให้สภาวะเหมาะสมที่จะเกิดละอองน้ำได้ พอถึงปี ค.ศ. 1911 เขาก็ประดิษฐ์อุปกรณ์ใช้สำหรับดูรอยทาง (tracks) ของอนุภาคเรียกว่า ห้องหมอก (cloud chamber) ได้สำเร็จ

 
 
ห้องหมอกของวิลสัน

นักฟิสิกส์ในยุคนั้นใช้ห้องหมอกตรวจหาอนุภาค โดยเฉพาะอนุภาคที่ตกลงมาจากสวรรค์ชั้นฟ้าที่เรียกว่ารังสีคอสมิก แล้วก็มีผู้ค้นพบอนุภาคมากมายหลายสิบชนิดล้วนแล้วแต่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมทั้งนั้น และเรียกรวม ๆ กันว่า อนุภาคย่อยกว่าอะตอม (subatomic particles)

ปี ค.ศ. 1928 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ พอล ดีแร็ก เสนอทฤษฎีประหลาดว่าอนุภาคย่อยของอะตอมทุกชนิดน่าจะมีอนุภาคคู่แฝดแต่มีสมบัติตรงข้ามกัน เช่น อิเล็กตรอนที่มีประจุลบก็จะมีคู่แฝดที่มีประจุเป็นบวก และที่แปลกยิ่งขึ้นก็คือในปี ค.ศ. 1932 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อคาร์ล ดี. แอนเดอร์สัน ก็ค้นพบอนุภาคที่มีสมบัติเช่นว่าจริง ๆ และได้ตั้งชื่อว่าโพซิตรอน (positron) ซึ่งประสมคำขึ้นจากคำว่า positive ที่แปลว่า บวก กับพยางค์ท้ายของคำว่า electron คือ –tron และต่อมาในปี ค.ศ. 1955 ก็มีผู้มีผู้ค้นพบอนุภาคคู่แฝดของโปรตอนที่มีประจุลบอีก เรียกว่าแอนติโปรตอน (antiproton) โดยเติมคำในภาษากรีกคือแอนติ (anti) แปลว่าตรงข้าม opposite to เข้าไปข้างหน้าคำว่าโปรตอน จากนั้นก็มีการค้นพบอนุภาคตรงกันข้ามเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แม้แต่นิวตรอนที่ไม่มีประจุก็มีคู่แฝดเรียกว่าแอนตินิวตรอน (antineutron) ซึ่งมีสนามแม่เหล็กชี้ในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็กของนิวตรอน อนุภาคคู่แฝดเหล่านี้มีคำเรียกรวมว่าปฏิยานุภาค (antiparticle)

เมอร์รี เกลล์-แมนน์ (ซ้าย) และ เจมส์ จอยซ์ (ขวา)
ปี ค.ศ. 1961 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อเมอร์รี เกลล์-แมนน์ พยายามหาระบบที่จะจัดอนุภาคที่ค้นพบกันมากมายให้เป็นกลุ่มตามสมบัติพื้นฐานง่าย ๆ โดยเสนอเป็นทฤษฎีว่าอนุภาคทั้งหลายเหล่านั้นประกอบขึ้นจากกลุ่มอนุภาคเหมือน ๆ กันที่เล็กกว่าในสัดส่วนแตกต่างกัน แล้วเกลล์-แมนน์ก็ได้อนุภาคออกมา 3 ชนิดกับปฏิยานุภาค อีก 3 ชนิดของอนุภาค 3 ชนิดแรกนั้น อนุภาคเหล่านี้ผิดไปจากอนุภาคที่รู้จักกันตรงที่มีขนาดประจุเป็นเศษส่วน (fraction) ซึ่งอนุภาคที่รู้จักกันหากมีประจุก็จะมีขนาดของประจุเท่ากับขนาดประจุอิเล็กตรอนคือ –1 หรือเท่ากับขนาดประจุของโปรตอนคือ +1 หรือไม่ก็เป็นจำนวนเท่าตัวของ –1 หรือ +1 ทั้งสิ้น กล่าวคือเกลล์-แมนเสนอว่าอนุภาคหนึ่งมีประจุ +2/3 และอีกสองชนิดมีประจุ –1/3 และปฏิยานุภาคของพวกมันก็มีประจุ –2/3 กับ +1/3 ตามลำดับ และโปรตอนก็เกิดจากอนุภาคที่มีประจุ +2/3 จำนวน 2 อนุภาคกับอนุภาคที่มีประจุ –1/3 อีก 1 อนุภาคมารวมกัน ทำให้มีประจุเป็น +1 พอดี [(+2/3)+(+2/3)+(-1/3) = 1)] ส่วนนิวตรอนก็น่าจะเกิดจากอนุภาคที่มีประจุ +2/3 จำนวน 1 อนุภาคกับอนุภาคที่มีประจุ –1/3 อีก 2 อนุภาคมารวมกัน ทำให้มีประจุเป็น 0 [(+2/3)+(-1/3)+(-1/3) = 0)] สำหรับชื่อของอนุภาคเหล่านี้มีที่มาค่อนข้างจะแปลกประหลาด คือตัวละครในนวนิยายเรื่อง Finnegans Wake ของนักเขียนชาวไอริชชื่อเจมส์ จอยซ์ ชอบเล่นคำพ้องเสียงและประดิษฐ์คำที่เพี้ยนไปจากคำเดิม และในเรื่องมีประโยคหนึ่งคือ Three quarks for Muster Mark. ซึ่งประโยคที่ถูกต้องน่าจะเป็น Three quarts for Mister Mark. (คุณมาร์ก(เบียร์)ต้อง 3 ควอร์ต) แล้วเกลล์-แมนน์ก็เลือกใช้คำว่า quark หรือ ควาร์ก (ควอร์กก็เรียก) มาใช้เรียกอนุภาคของเขา เพราะก็ต้องใช้ควาร์ก 3 อนุภาคมารวมกันเป็นอนุภาคโปรตอนหรือนิวตรอน และชื่อที่แปลกประหลาดนี้ก็ติดตลาดศัพท์วิทยาศาสตร์ในยุคนั้น
 
 
โปรตอนและนิวตรอนต่างประกอบขึ้นจากควาร์ก 3 ชนิด
มีการค้นพบควาร์กแล้ว 2 ชนิดในปี ค.ศ. 1977 และ 1996 จึงเชื่อกันแล้วว่า ควาร์กมีจริง สรุปว่า ถ้าอะตอมทำจากนิวเคลียส ดังนั้นนิวเคลียสก็ต้องทำจากควาร์กนั้นแล