การค้นพบรังสีแกมมา
การค้นพบอันแสนอาภัพ

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ฟิสิกส์และเคมีการแผ่รังสีเฟื่องฟูมากระหว่างปี ค.ศ. 1900 สาเหตุเริ่มมาจากการค้นพบรังสีเอกซ์ของวิลเฮล์ม เรินต์เกน (Wilhelm Roentgen) ในปี ค.ศ.1895 ตามมาด้วยลูกโซ่การค้นพบที่ตามมาติด ๆ ได้แก่ ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) ค้นพบโดยอองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) การพิสูจน์ว่าอะไรคืออิเล็กตรอนของโจเซฟ ทอมสัน (Joseph Thomson) และคู่สามีภรรยามารีและปีแอร์ กูรี (Marie and Pierre Curie) ค้นพบธาตุกัมมันตรังสีพอโลเนียมและเรเดียม ทั้งหมดนี้เป็นอานิสงส์แก่การค้นพบรังสีแกมมาของปอล วียาร์ (Paul Villard) ที่แทบไม่มีใครพูดถึง ว่ากันว่าเพราะเขายืนอยู่ใต้เงายิ่งใหญ่ของแบ็กเกอแรลและสามีภรรยากูรี

 
 
ปอล วียาร์ (ภาพ: www.if.pw.edu.pl)

วียาร์เริ่มต้นชีวิตด้วยการเป็นครูในโรงเรียนหลายแห่ง จากนั้นจึงตัดสินใจอุทิศชีวิตให้กับการค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์ จึงได้เดินทางเข้ามายังกรุงปารีส โดยครั้งแรกได้รับงานวิจัยด้านเคมี ก่อนที่จะหันเหไปจับงานด้านฟิสิกส์ วียาร์ชอบทำงานวิจัยแบบศิลปินเดี่ยว แม้ไม่ใส่ใจกับชื่อเสียง แต่ก็ได้รับรางวัลจากบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์ของประเทศฝรั่งเศสถึงสองครั้ง และได้รับเกียรติเข้าเป็นสมาชิกของบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์ เมื่อปี ค.ศ. 1908

เมื่อปี ค.ศ. 1897 วียาร์ได้รับโอกาสให้ทำงานวิจัยด้วยหลอดรังสีแคโทด ในช่วงปี ค.ศ. 1898-99 เขาจึงได้มีผลงานวิจัยตีพิมพ์เกี่ยวกับรังสีแคโทดและรังสีเอกซ์อย่างมากมายออกมาเป็นตอน ๆ ปีละไม่ต่ำกว่า 10 เรื่อง ซึ่งรวมเรื่องการแผ่รังสีของธาตุเรเดียมด้วยจำนวน 2 ตอน นับได้ว่าวียาร์เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านรังสีเอกซ์อย่างแท้จริง

ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี เป็นกระแสใหญ่ในยุคของวียาร์ ซึ่งนอกจากแบ็กเกอแรลและสามีภรรยากูรีแล้ว ก็ยังมีเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ด้วยอีกคนหนึ่ง ที่แข่งกันศึกษาและพบว่า รังสีที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตรังสี ไม่ใช่รังสีชนิดเดียว โดยรัทเทอร์ฟอร์ดตั้งชื่อให้ว่า รังสีแอลฟา และรังสีบีตา ส่วนแบ็กเกอแรลเองก็ยังศึกษาพบอีกว่า รังสีบีตาตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก และในที่สุดก็สรุปได้ว่า รังสีบีตาก็คือรังสีชนิดเดียวกับรังสีแคโทด ซึ่งก็คืออนุภาคอิเล็กตรอน ส่วนพวกกูรีก็พบว่ารังสีแอลฟามีพลังงานทะลุทะลวงต่ำกว่ารังสีบีตา นอกจากนี้ก็ยังพบว่า รังสีจากเกลือแบเรียมที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง สามารถเปลี่ยนออกซิเจนให้เป็นโอโซน และยังพบผลของรังสีต่อของสีของแบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์ซึ่งเป็นสารเรืองแสง โดยสองประการหลังนี้สร้างความสนใจแก่วียาร์ เพราะผลทำนองนี้เกิดได้เช่นกัน จากรังสีเอกซ์ที่เขาเคยศึกษามาก่อนจากหลอดรังสีแคโทด

วียาร์ตั้งใจว่าจะศึกษาสมบัติการสะท้อน (reflection) และการหักเห (refraction) ของรังสีบีตาที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตรังสีเรเดียม แต่เขากลับค้นพบรังสีชนิดใหม่อย่างคาดไม่ถึง

ในที่ประชุมวันจันทร์ของบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์เมื่อวันที่ 9 เมษายน ค.ศ. 1900 วียาร์ได้รายงานการค้นพบของเขาทำนองว่า ในขณะศึกษาการหักเหของรังสีบีตา ก็ได้ค้นพบรังสีอีกชนิดหนึ่งที่แผ่ไปเป็นเส้นตรงซ้อนไปกับรังสีบีตา และรังสีนี้ไม่เบนในสนามแม่เหล็กต่างกับรังสีบีตาที่ทราบกันดีว่าเบนได้ในสนามแม่เหล็ก ยิ่งไปกว่านั้น แม้ห่อแผ่นฟิล์มด้วยกระดาษดำหลายชั้นหรือด้วยแผ่นอะลูมิเนียมบางและแม้แต่หุ้มด้วยแผ่นตะกั่วหนา 0.2 มิลลิเมตร รังสีชนิดนี้ก็ยังทะลุผ่านและทำให้แผ่นฟิล์มเกิดรอยฝ้าดำได้ แต่เนื่องจากวียาร์อธิบายด้วยปากเปล่าต่อที่ประชุม ซึ่งนอกจากผู้ที่คุ้นเคยกับการวิจัยด้านนี้แล้ว ผู้ฟังส่วนมากจึงไม่ค่อยเข้าใจและไม่ให้ความสนใจ

ด้วยความใจกว้างของสามีภรรยากูรี จึงได้มอบแร่เรเดียมที่มีรังสีแรงขึ้นมากให้กับวียาร์ สามสัปดาห์ต่อมาในที่ประชุมบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์วันจันทร์ที่ 30 เมษายน ค.ศ. 1900 วียาร์ได้รายงานต่อที่ประชุมว่า เขาใช้แท่งตะกั่วเจาะเป็นท่อยาว สำหรับบังคับทิศทางของรังสีจากแร่เรเดียม ให้พุ่งผ่านสนามแม่เหล็กตรงไปยังแผ่นฟิล์ม 2 ชุดที่วางซ้อนกัน ผลคือ บนแผ่นฟิล์มแผ่นแรกพบร่องรอยของรังสี 2 ชนิด ชนิดแรกมีรอยที่ขยายกว้างขึ้นและการเบนออกจากแนวตรงซึ่งก็คือรังสีบีตา นอกจากนี้ก็ยังเห็นร่องรอยของของรังสีชนิดที่ 2 ที่ทั้งคมชัดและพุ่งไปเป็นเส้นตรง

สำหรับบนแผ่นฟิล์มแผ่นที่ 2 วียาร์พบเพียงรอยที่คมชัดเพียงรอยเดียวในตำแหน่งตรงกับรังสีชนิดที่ 2 ทั้งที่ฟิล์มนี้ทำด้วยกระจกหนาถึง 1 เซนติเมตร และเมื่อทดลองบังด้วยแผ่นตะกั่วหนาหนา 0.3 มิลลิเมตร ความคมชัดก็ลดลงเพียงเล็กน้อย เขาสรุปว่ามี “รังสีเอกซ์” ปล่อยออกมาจากแร่เรเดียมด้วย

 
 
รังสี 3 ชนิดจากสารกัมมันตรังสี (ภาพ: 200.55.210.205)

อีก 3 สัปดาห์ต่อมา วียาร์สาธิตการทดลองของเขาในที่ประชุมวันศุกร์ของสมาคมฟิสิกส์แห่งประเทศฝรั่งเศส คราวนี้เขาสรุปว่า รังสีชนิดใหม่ที่เขาค้นพบนี้ เป็นรังสีชนิดเดียวกับรังสีเอกซ์ที่เรินต์เกนค้นพบ ดังนั้น แร่เรเดียมจึงปล่อยรังสีออกมาถึง 3 ชนิด อย่างไรก็ดี การค้นพบของเขาถูกผู้คนส่วนใหญ่มองข้าม รวมทั้งเบ็กเคอแรลเองก็เคยแถลงคัดค้านในที่ประชุมราชบัณฑิตวิทยาศาสตร์แล้วเมื่อวันที่ 30 เมษายน ว่าได้ทดลองตามที่วียาร์บอกไว้ก็ไม่ได้ผลตามนั้นและยังอ้างว่าถ้ามีรังสีที่ว่าจริงก็คง “ไม่พ้นการสังเกตอันถี่ถ้วยของตนหรือพวกกูรีไปได้” อย่างไรก็ดี ในที่สุดเบ็กเคอแรลก็จำนนต่อข้อเท็จจริง ในขณะที่สามีภรรยากูรีสนับสนุนการค้นพบของวียาร์เป็นอย่างดี

น่าเสียดายว่าวียาร์ไม่ได้ตั้งชื่อให้กับรังสีที่เขาค้นพบนี้ เกียรตินี้กลับตกอยู่กับรัทเทอร์ฟอร์ด โดยในวารสาร the Philosophycal Magazine ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 1903 เขาเรียกชื่อรังสีทั้ง 3 ชนิดนี้เรียงตามลำดับว่า รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมา และยังปรากฏหลักฐานในวิทยานิพนธ์ดุษฎีบัณฑิตของมารี กูรี ที่ใช้สัญลักษณ์ ? ? และ ? แทนรังสีทั้งสามชนิดตามลำดับตามที่รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งชื่อไว้

เบ็กเคอแรลสนใจศึกษารังสีบีตาจากแร่เรเดียมโดยศึกษาสมบัติต่าง ๆ และสามารถหาอัตราส่วนประจุต่อมวลของรังสีบีตาว่าก็คืออนุภาคอิเล็กตรอน ส่วนรัทเทอร์ฟอร์ดก็ให้ความสนใจเป็นอย่างมากกับรังสีแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากแร่เรเดียม เขาศึกษาสมบัติของมันอย่างละเอียด จนกระทั่งสามารถนำไปใช้ค้นหานิวเคลียสของอะตอมได้สำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1911 ในวิทยานิพนธ์ของมารี กูรีแม้ยอมรับว่ามีรังสีแกมมา แต่รังสีที่ได้ไม่แรงเท่ารังสีเอกซ์อย่างที่เรินต์เกนค้นพบ การณ์จึงกลายเป็นว่า รังสีแกมมาของวียาร์เป็นเรื่องน่ากังขาอยู่นานหลายปี

ค.ศ. 1912 เมื่อวิทยาการก้าวหน้าขึ้นจนสามารศึกษาธรรมชาติของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างถ่องแท้ รัทเทอร์ฟอร์ดจึงนำวิทยาการใหม่นี้มาศึกษารังสีแกมมาของวียาร์อีกครั้งหนึ่ง โดยพบว่าเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอกซ์ แต่ที่ต่างกันคือมีต้นกำเนิดต่างกันคือ รังสีเอกซ์มีกำเนิดจากชั้นอิเล็กตรอนของอะตอม แต่รังสีแกมมาเกิดมาจากภายในนิวเคลียสของอะตอม

หลังจากตีพิมพ์บทความการค้นพบรังสีแกมมาไป 2 ฉบับเมื่อปี ค.ศ. 1900 แล้ว วียาร์ก็หันไปศึกษาด้านอื่นต่อไป เขาเฉยชาต่อการแข่งขันด้านชื่อเสียงแต่ก็ยังค้นพบเรื่องเด่น ๆ อยู่เสมอ รวมทั้งแนวความคิดการวัดความแรงของรังสีเอกซ์ที่ผลิตได้โดยวัดการแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ของอากาศที่เขาเสนอเมื่อปี ค.ศ. 1908 อันเป็นที่มาของหน่วยวัดทางรังสี “เรินต์เกน” ในอีก 20 ปีต่อมา

ทุกวันนี้ชื่อ “ปอล วียาร์” เลือนหายจนแทบไม่เหลือร่องรอย คนจำนวนมากยังเข้าใจว่ารัทเทอร์ฟอร์ดเป็นผู้ค้นพบรังสีแกมมา และแม้ต่อมาเมื่อการค้นพบรังสีแกมมาของเขา ได้รับการยืนยันอย่างมั่นคงแล้ว แต่นั่นก็ไม่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลเช่นกับการค้นพบของบุคคลอื่น ๆ เลย

เรียบเรียงจาก The Discovery of Gamma Rays โดย Lief Gerward (http://www.canbera.edu.au/irps/archives/vol14no1/Gerward.html)