นานานามของอะตอม

ชื่อว่า “อะตอม” เกิดจากปราชญ์ชาวกรีกโบราณเมื่อสองพันกว่าปีก่อนที่ชื่อว่าดีโมคริตุสเชื่อว่าอะตอม (มาจากภาษากรีกว่า atomos แปลว่า แบ่งแยกไม่ได้) เป็นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารซึ่งแบ่งแยกต่อไปไม่ได้แล้ว ชื่อนี้จึงเกิดจากสมบัติสำคัญของอะตอมที่คนโบราณท่านคิด

ต่อมาเมื่อวิทยาการเจริญขึ้นและเรียนรู้อะตอมมากขึ้น และได้รู้สมบัติอื่น ๆ ของอะตอมมากขึ้น สมบัติเหล่านี้ก็กลายมาเป็นชื่อเรียกของอะตอม อันได้แก่ ไอโซโทป นิวไคลด์ ไอโซโทน ไอโซบาร์ และไอโซเมอร์

ชื่อเหล่านี้เพิ่งเกิดขึ้นมาได้ไม่ถึงร้อยปีมานี้เอง จากการที่เมื่อปี ค.ศ. 1911 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่าแท้จริงแล้วอะตอมยังแบ่งแยกต่อไปได้อีก กล่าวคือ อะตอมประกอบขึ้นจากนิวเคลียสอันเป็นแกนกลางของอะตอมกับอิเล็กตรอน (มีประจุเป็นลบ คือ -1) จำนวนหนึ่งที่โคจรรอบนิวเคลียสนั้น และในระหว่างอีก 12 ปีต่อมาก็มีผู้พิสูจน์ได้ว่านิวเคลียสเองก็ยังประกอบขึ้นด้วยอนุภาค 2 ชนิดได้แก่ โปรตอน (มีประจุเป็นบวก คือ +1) และนิวตรอน (มีประจุเป็นกลาง คือ 0) โดยนิวตรอนมีมวลมากกว่าโปรตอนนิดเดียว หรืออาจเรียกได้ว่า มีมวลเท่า ๆ กัน

เมื่อเป็นดังนี้ ชื่อว่า อะตอม ก็ต้องพูดว่าไม่ถูกต้อง แต่อันที่จริงก็ยังมีส่วนถูกต้องอยู่ คือ มีการพิสูจน์ได้ว่าธาตุแท้ต่าง ๆ ที่คนสมัยนั้นรู้จัก เช่น ทองคำ เงิน ทองแดง แต่ละธาตุล้วนประกอบขึ้นจากส่วนที่เล็กที่สุดที่เรียกว่าอะตอม ซึ่งถ้าแบ่งต่อไปอีกเป็นโปรตอน นิวตรอน ก็หมดความเป็นธาตุ คือไม่เป็นทองคำ เงิน หรือทองแดงอีกต่อไป ดังนั้นแม้ว่า อะตอม ยังแบ่งแยกต่อไปได้อีก แต่การแบ่งแยกต่อไปก็ทำให้หมดความเป็นธาตุ ชื่อว่า อะตอม จึงยังมีส่วนถูกต้องอยู่

สำหรับชื่อว่า ไอโซโทป ที่เป็นอีกชื่อหนึ่งของอะตอมนั้น ก็มาจากการค้นคว้าตารางพีริออดิกหรือที่เรียกกันติดปากว่าตารางธาตุ ซึ่งเริ่มประสบผลสำเร็จเมื่อราวปี ค.ศ. 1868 โดยเมนเดเลเยฟได้จัดเรียงธาตุตามน้ำหนักเชิงอะตอมจากน้อยไปมากในแถวตามแนวนอน กับตามสมบัติทางเคมีของธาตุโดยธาตุที่มีสมบัติแบบเดียวกันจะเรียงอยู่ในคอลัมน์เดียวกันตามแนวตั้ง และพอผ่านมาประมาณ 30-40 ปี มีการศึกษาธาตุกันมากขึ้นโดยเฉพาะพวกธาตุกัมมันตรังสีเช่น ยูเรเนียมและทอเรียมที่เกิดการสลายเป็นทอด ๆ กลายเป็นธาตุอื่นนับสิบชนิดที่เมื่อบรรจุลงในตารางพีริออดิกแล้ว ก็ปรากฏว่าในช่องตารางธาตุเดียวกันมีธาตุได้หลายธาตุเนื่องจากธาตุเหล่านั้นมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน ซึ่งเฟรเดอริก ซ็อดดีเรียกธาตุพวกนี้ว่า ไอโซโทป ตามคำแนะนำของมากาเร็ต ทอดด์ผู้เป็นญาติห่าง ๆ ทางฝ่ายภรรยาของเขา โดยมาจากภาษากรีก isos แปลว่า เหมือนกัน รวมกับ topos ที่แปลว่า สถานที่ คือ ธาตุเหล่านี้อยู่ในสถานที่เดียวกัน คือในช่องตารางเดียวกันของตารางธาตุ หรือก็คือ เป็นธาตุเดียวกัน

ปี ค.ศ. 1912 โจเซฟ ทอมสันประดิษฐ์อุปกรณ์ที่เรียกว่า สเปกโทรมิเตอร์มวล มาวิเคราะห์แก๊สของธาตุนีออนได้ว่าประกอบด้วยอะตอมที่น้ำหนักเชิงอะตอมต่างกัน คือ 20 และ 22 ซึ่งปัจจุบันเครื่องมือที่คุณภาพดีกว่ามากวิเคราะห์ได้ว่าอะตอมนีออนมีน้ำหนักเชิงอะตอมเท่ากับ 20 (มีมากถึง 90.9%) 21 (0.3%) และ 22 (8.8%) เป็นอันว่านีออนมี 3 ไอโซโทป ซึ่งมีวิธีเรียกคือ นีออน-20 นีออน-21 และนีออน-22 ตรงนี้ทำให้สรุปได้ว่า ไอโซโทปก็คืออะตอมของธาตุเดียวกันที่มีน้ำหนักเชิงอะตอมต่างกัน

ในช่วงเวลานั้นเอง (ช่วงปี ค.ศ. 1911-1913) การใช้น้ำหนักเชิงอะตอมมาเรียงธาตุในตารางพีริออดิกก็เสื่อมมนต์ขลังลง เมื่อเฮนรี โมสลีย์ค้นพบวิธีหาขนาดประจุบวกของธาตุ และได้เปลี่ยนการเรียงธาตุในตารางพีริออดิกตามน้ำหนักเชิงอะตอมมาใช้ขนาดของประจุบวกของอะตอมของธาตุแทน คือเริ่มเรียงจากอะตอมธาตุไฮโดรเจนที่มีประจุบวกเป็น +1 เป็นธาตุแรก ฮีเลียมที่มีประจุบวกเป็น +2 เป็นธาตุที่สอง ไปเรื่อย ๆ จนถึงยูเรเนียมที่มีประจุบวกเป็น +92 เป็นธาตุที่ 92 ในส่วนสมบัติที่คล้ายกันก็ยังเรียงไว้ในคอลัมน์เดียวกันเช่นเดิม และวิธีนี้ก็เป็นวิธีที่ใช้กันมาจนปัจจุบันนี้

ต่อมายังพบด้วยว่าขนาดของประจุบวกของอะตอมของธาตุก็คือ จำนวนของอนุภาคโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมนั้นเอง เช่น ในนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนก็มีโปรตอนอยู่ 1 อนุภาค และในนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมก็มีโปรตอนอยู่ 92 อนุภาค ส่วนในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุนีออนนั้นก็มีโปรตอนอยู่ 10 อนุภาค และการที่ธาตุนีออนมี 3 ไอโซโทปก็คือจำนวนของอนุภาคนิวตรอนในนิวเคลียสของแต่ละไอโซโทปมีจำนวนต่างกันเป็น 10 11 และ 12 อนุภาค ตามลำดับ

นิวไคลด์ เป็นอีกชื่อหนึ่งของอะตอม และเป็นชื่อที่ใช้กันทั่วไปในวงการนิวเคลียร์

การที่นิวเคลียสมีองค์ประกอบ 2 อย่างคืออนุภาคโปรตรอนและนิวตรอน ดังนั้น คงพอมองเห็นไร ๆ ได้ว่าชื่อ นิวไคลด์ ของอะตอมนั้น ก็มีเค้ามาจากคำว่า นิวเคลียส นั่นเอง โดยคำนี้มีรากศัพท์มาจากภาษาละตินว่า nux แปลว่า เมล็ดเล็ก ๆ อย่างกับเมล็ดของผลไม้ที่เป็นแก่นอยู่ตรงกลางของผลไม้ ซึ่งในทำนองเดียวกันก็นำมาใช้อธิบายอะตอมว่ามีนิวเคลียสเป็นแก่นเล็ก ๆ อยู่ตรงกลางของอะตอม และก็อย่างที่กล่าวไว้ข้างต้นคือ นิวเคลียสประกอบขึ้นจากอนุภาค 2 ชนิดคือ โปรตอนที่มีประจุบวกกับนิวตรอนที่ไม่มีประจุหรือประจุเป็นกลาง ดังนั้น ต่อมาเมื่อมีการค้นพบการทำให้นิวเคลียสของอะตอมเกิดปฏิกิริยาได้มากมายหลายแบบที่เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสได้มากมาย ทำให้เกิดไอโซโทปใหม่ ๆ ขึ้นมากมาย แม้ธาตุมีเพียงร้อยกว่าธาตุ แต่ทว่าแต่ละธาตุเกิดไอโซโทปได้นับสิบ ๆ ชนิด รวมแล้วมีมากกว่าสองพันชนิด จึงมีการประดิษฐ์คำว่านิวไคลด์ขึ้นมาเมื่อปี ค.ศ. 1947 โดย ทรูแมน พี. โคห์แมน ให้เป็นคำรวม ๆ สำหรับเรียกชนิดของอะตอมเมื่อระบุว่านิวเคลียสของอะตอมนั้น ๆ มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนอย่างละกี่อนุภาค และมีวิธีเขียนหรือที่เรียกว่าสัญกรณ์คือ หมายถึงนิวไคลด์ของธาตุ X ที่มีเลขเชิงอะตอมคือ Z (สันนิษฐานว่ามาจากภาษาเยอรมัน Zahl แปลเป็นภาษาอังกฤษว่า number) ซึ่งเป็นจำนวนอนุภาคโปรตอน และ A (สันนิษฐานว่าเพื่อให้แตกต่างจาก Z มากที่สุด จึงเลือกอักษร A ทำให้เป็นอักษรตัวแรกกับตัวสุดท้ายในภาษาอังกฤษ) คือเลขมวลหรือจำนวนอนุภาคโปรตอนรวมกับจำนวนอนุภาคนิวตรอน ดังนั้น จำนวนของอนุภาคนิวตรอนก็คือ เอา A หักออกด้วย Z (A-Z) ยกตัวอย่าง  หมายถึงนิวไคลด์หนึ่งของธาตุออกซิเจนซึ่งภายในนิวเคลียสมีโปรตอน 8 อนุภาคกับนิวตรอน 9 อนุภาค (17-8 = 9)

เมื่อเกิดมีคำว่านิวไคลด์ขึ้นมา ในวงการนิวเคลียร์และนักนิวเคลียร์ฟิสิกส์ก็นิยมใช้คำนี้มากกว่าคำว่าอะตอม เพราะกิจกรรมของวงการพวกนี้ง่วนอยู่กับปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของอะตอมเป็นส่วนใหญ่ และละทิ้งคำว่าอะตอมให้กับวงการเคมีที่ปฏิกิริยาเคมีเกิดอยู่ในระดับอะตอม ให้ใช้คำว่าอะตอมกันต่อไป

วิธีเขียนสัญกรณ์นิวไคลด์ดูจะสร้างปัญหาด้านการพิมพ์อยู่บ้าง ซึ่งการเขียนตัวเลขของ A และ Z ให้อยู่ซ้อนในแนวเดียวกันนั้นทำได้ค่อนข้างยาก และจำนวนโปรตอนคือตัว Z ก็ตายตัวอยู่แล้วว่าหมายถึงอะตอมของธาตุใด จึงดูจะซ้ำซ้อนกับสัญลักษณ์ของธาตุคือ X จึงพอจะละไม่เขียน Z ก็ได้ เช่นเขียนเพียง 16O นอกจากนี้การเขียนเลข 16 เป็นตัวยกก็ยังยุ่งยากอยู่อีก จึงมีการนำมาเขียนไว้บนบรรทัดเดียวกันต่อท้ายสัญลักษณ์ของธาตุ เป็น O-16 หรือเขียนด้วยชื่อธาตุเต็ม ๆ แทนสัญลักษณ์ธาตุเป็น oxygen-16 ก็ได้

คราวนี้มาดูชื่อของอะตอมอีก 2 ชื่อคือ ไอโซโทนและไอโซบาร์ มาดูกันซิว่าจะมีอะไรที่เหมือนกัน (อย่าลืมว่า ไอโซ- มาจาก isos ที่แปลว่า เหมือนกัน)

เรื่องนี้ต้องเริ่มที่ชื่อไอโซโทปเมื่อเขียนเป็นภาษาอังกฤษ คือ isotope ซึ่งคงเป็นความบังเอิญจนเหลือเชื่อที่คำนี้มีอักษร p อยู่ด้วย และ p ก็เป็นสัญลักษณ์หมายถึงอนุภาคโปรตอนด้วย นอกจากนี้ไอโซโทปก็คืออะตอมหรือนิวไคลด์ของธาตุเดียวกันซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อภายหลังที่มีการประดิษฐ์นิวไคลด์ขึ้นมานับพันชนิด ก็พบนิวไคลด์จำนวนมากที่ไม่ใช่ธาตุเดียวกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน เช่น C-14  N-15 และ O-16 นิวไคลด์เหล่านี้มีจำนวนโปรตอน 6  7  และ 8 อนุภาค ตามลำดับ แต่ทั้งหมดมีจำนวนนิวตรอน 8 อนุภาคเท่ากันทั้งสิ้น การประดิษฐ์คำสำหรับเรียกนิวไคลด์ประเภทนี้จึงใช้อักษร n ซึ่งเป็นสัญลักษณ์แทนอนุภาคนิวตรอน ไปใส่แทนอักษร p ในคำว่า isotope ได้เป็นคำว่า isotone ขึ้นมา ซึ่ง n สื่อถึงจำนวนนิวตรอนที่เท่ากัน ในทำนองเดียวกับที่ p สื่อถึงจำนวนโปรตอนที่เท่ากันของไอโซโทป

ชื่อว่าไอโซบาร์ก็ต้องดูที่ภาษาอังกฤษอีก คือ isobar โดยที่ชื่อนี้ใช้สำหรับกลุ่มนิวไคลด์ที่มีเลขมวลเท่ากัน เช่น K-40 Ca-40 และ Sc-40 ซึ่งนิวเคลียสของนิวไคลด์พวกนี้มีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากัน แต่จำนวนของโปรตอนรวมกับนิวตรอนแล้วได้ 40 อนุภาคเท่ากันหมด แล้วอักษรแทนเลขมวลดังที่ได้กล่าวไว้แล้วข้างต้นก็คือ A ที่ก็ปรากฏอยู่ในพยางค์ -bar ด้วย โดยใช้สื่อว่าสิ่งที่เท่ากันคือมวล นอกจากนี้ตามรากศัพท์ภาษากรีก bar มาจากคำว่า baros แปลว่า น้ำหนัก จึงหมายถึงว่านิวไคลด์ชนิดนี้มีน้ำหนักเท่ากัน คือมีมวลเท่ากัน ดังทั้ง 3 ตัวอย่างข้างต้นทั้งหมดมีมวลเท่ากับ 40 ทั้งสิ้น

สุดท้ายคือชื่อ ไอโซเมอร์ ซึ่งคำนี้นักเคมีบัญญัติขึ้นใช้กว่าร้อยปีมาแล้วสำหรับใช้กับสารอินทรีย์ กล่าวคือ สารอินทรีย์เช่นพวกโปรตีนมีนับพันชนิดแต่ธาตุองค์ประกอบมีเพียงหยิบมือคือ คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน เป็นหลัก ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่า จะมีสารอินทรีย์หลายชนิดที่มีจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุเหล่านี้เท่ากันพอดี แต่ถ้าศึกษาการเกาะกันของอะตอมเหล่านี้หรือจัดเรียงตัวแล้วจะพบว่าต่างกัน จึงเป็นสารคนละชนิดกันและมีสมบัติต่างกัน จึงมีคำนี้ขึ้นมาจากภาษากรีกว่า isos (เหมือนกัน) และ meros ตรงกับภาษาอังกฤษว่า part ตรงนี้หมายถึง องค์ประกอบ และได้เป็นชื่อภาษาอังกฤษ คือ isomer

สำหรับในทางนิวเคลียร์นั้น ไอโซเมอร์ใช้หมายถึงอะตอมชนิดเดียวกันร้อยเปอร์เซ็นต์ คือ ทั้งจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสมีจำนวนเท่ากัน คือเป็นธาตุเดียวกัน แต่ระดับหรือสถานะพลังงานของนิวเคลียสไม่เท่ากัน โดยถูกกระตุ้นจากพลังงานภายนอก เรียกว่าสถานะอุปเสถียร (metastable state) ใช้ m เป็นตัวย่อ เช่น technetium-99 กับ technetium-99m คู่นี้เรียกว่า ไอโซเมอร์ และก็คงเป็นความบังเอิญอีกเช่นเคยที่ในคำว่า isomer นี้ ก็ยังใช้การสื่อแบบเดิมด้วยอักษร e ที่มาจากคำว่า energy แปลว่า พลังงาน ก็คือ นิวไคลด์ชนิดนี้ให้ดูความแตกต่างกันที่ระดับพลังงานนั่นเอง