ห้องหมอก CLOUD CHAMBER

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ในวัยเด็กทุกคนคงเคยมองดูเมฆบนท้องฟ้าแล้วจินตนาการเป็นรูปร่าง ๆ ต่าง ๆ นานา และนับแต่โบราณมาคงมีคนเป็นอันมากที่สงสัยว่าเมฆเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยมีบันทึกว่าในประเทศฝรั่งเศส กูลีเยและมาสการ์ (Coulier และ Mascart) ได้ทดลองทำให้เกิดเมฆ และต่อมาในปี ค.ศ. 1880 วิศวกรชาวสกอตชื่อว่าจอห์น เอตเกน (John Aitken) ได้นำเอาวิธีการที่ลองในฝรั่งเศสมาทดลองอย่างจริงจัง โดยการพ่นไอน้ำเข้าไปในโถแก้วขนาดใหญ่ เขาพบว่าถ้าอากาศในโถมีละอองฝุ่นจะทำให้เกิดเมฆได้ แต่ถ้ากรองฝุ่นออกจากอากาศก็จะไม่เกิดเมฆ

เอตเกนทดลองอีกครั้งด้วยวิธีของตนเอง โดยการใส่น้ำไว้ที่ก้นโถแก้วให้น้ำระเหยพักใหญ่จนไอน้ำอิ่มตัวในโถ จากนั้นก็ทำให้อุณหภูมิภายในโถเย็นลงโดยทำให้ปริมาตรของอากาศในโถขยายตัว วิธีนี้ทำให้ไอน้ำอยู่ในสถานะอิ่มตัวยวดยิ่ง (supersaturate) และเกิดเมฆได้เช่นกัน และเมื่อกรองฝุ่นออกจากอากาศก่อน วิธีนี้ไม่ทำให้เกิดเมฆ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าไอน้ำกลั่นตัวเกิดเป็นเมฆโดยอาศัยเกาะอยู่บนละอองฝุ่น และการเกิดเมฆบนท้องฟ้าก็อาศัยเกาะบนละอองอณูต่าง ๆ ในบรรยากาศเช่นกัน ซึ่งวงการอุตุนิยมวิทยาให้เกียรติเรียกละอองอณูเหล่านี้ว่า Aitken nuclei

ต่อมาเมื่อเดือนกันยายน ค.ศ. 1894 นักฟิสิกส์ชาวสกอตชื่อชาร์ลส์ ที. อาร์. วิลสัน (Charles T. R. Wilson) จากห้องปฏิบัติการคาเวนดิชแห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้ไปสังเกตการณ์ด้านอุตุนิยมวิทยาเป็นเวลา 2-3 สัปดาห์ที่บนยอดเขาเบนเนวิส (Ben Nevis) ในสกอตแลนด์ วิลสันเกิดความประทับใจกับสีรุ้งยามที่แสงแดดกระทบกับปุยเมฆบนยอดเขาเป็นอย่างมาก และอยากทดลองปรากฏการณ์ที่เห็นนั้นในห้องปฏิบัติการ โดยเขาได้พัฒนาอุปกรณ์ทดลองขึ้นมาเรียกว่าห้องหมอก (cloud chamber)

 
 
ชาร์ลส์ ทอมสัน รีส์ วิลสัน (www.nndb.com/)
 
 
The summit of Ben Nevis in cloud from Carn Dearg Meadhonach เมฆบนเบนเนวิส (ภาพจาก http://www.markhorrell.com/travel/britain/nevis/cloud.html)

ค.ศ. 1895 วิลสันเริ่มทดลองตามวิธีของเอตเกนแต่ทำได้ดีกว่า โดยพบว่าเมื่อเขาทำให้ปริมาตรของอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำในภาชนะเกิดการขยายตัวมากกว่าปริมาตรเดิม 25 เปอร์เซ็นต์ แม้แต่อากาศที่กรองฝุ่นออกแล้วก็ยังเกิดเมฆได้ และเมื่อทำให้ขยายตัวถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ขนาดของละอองเมฆโตพอเหมาะทำให้เกิดสีรุ้งเมื่อกระทบกับแสงแบบเดียวกับที่เห็นบนเขาเบนเนวิส

วิลสันคิดต่อไปว่า การเกิดเมฆจำเป็นต้องมีอนุภาคเช่นฝุ่นให้ละอองน้ำเกาะจึงจะเกิดได้ ดังนั้นอากาศที่กรองเอาฝุ่นออกไปแล้วก็น่าจะยังมีอนุภาคอื่นที่มองไม่เห็น เช่น อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (ไอออน) อยู่ในอากาศ เพื่อพิสูจน์ความคิดนี้ เขาปล่อยรังสีเอกซ์ (เพิ่งค้นพบหมาด ๆ เมื่อปลายปี ค.ศ. 1895) ผ่านเข้าไปกระทบอากาศในโถแก้วทรงกระบอกพร้อมกับทำให้อากาศในโถแก้วขยายตัวก็พบว่า การเกิดเมฆเกิดเมื่อการขยายตัวของอากาศมากกว่า 25 เปอร์เซ็นต์เช่นเดิม แต่เกิดละอองเมฆมากกว่ากันมากและตกลงมาเป็นสายหมอก ไม่ใช่ละอองบาง ๆ เช่นเดิม แต่ถ้าปิดเครื่องเอกซเรย์ไปแล้ว 30 วินาทีแล้วลองขยายปริมาตรอากาศในโถแก้ว การเกิดเมฆก็น้อยตามปกติ ดังนั้นวิลสันจึงสรุปว่ารังสีเอกซ์ทำให้โมเลกุลอากาศในโถแตกตัวเป็นไอออนซึ่งเป็นนิวเคลียสเล็ก ๆ ที่มองไม่เห็นมากมายและกระจายอย่างรวดเร็วไปในอากาศและเป็นสื่อให้ไอน้ำมาเกาะจนเห็นเป็นละอองเมฆ

ถึงปี ค.ศ. 1897 วิลสันทดลองกับรังสีจากยูเรเนียมก็พบว่าการเกิดเมฆได้ผลคล้ายคลึงกับกรณีของรังสีเอกซ์ และเพื่อพิสูจน์ว่ารังสีทั้งสองชนิดนี้ทำให้เกิดประจุไอออนอิสระ เขาจึงผ่านสนามไฟฟ้าไว้ที่ด้านนอกรอบตัวโถ ซึ่งจะไปกวาดประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโถให้หายไปได้ ปรากฏว่าการเกิดเมฆก็เกิดน้อยตามปกติ แสดงว่าความคิดของเขาถูกต้อง

การที่อากาศที่ไม่มีฝุ่นเกิดเมฆได้เล็กน้อย ทำให้วิลสันคิดว่า ตามปกติในอากาศจะมีไอออนเกิดขึ้นอยู่เล็กน้อย อันเป็นสมบัติตามปกติของอากาศ และเริ่มให้ความสนใจกับไอออนในบรรยากาศ โดยได้ศึกษาเรื่องนี้ระหว่างปี ค.ศ. 1904 ถึง 1910 แต่ต่อมาในปี ค.ศ. 1912 เฮสส์ ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า ที่จริงแล้วไอออนเล็กน้อยในอากาศนั้น เกิดจากรังสีคอสมิกจากนอกโลกต่างหาก ที่ทำให้โมเลกุลของบรรยากาศเกิดการแตกตัวเป็นไอออน

ค.ศ. 1910 วิลสันคิดได้ว่าหากออกแบบอุปกรณ์ให้ดี ไม่ให้อากาศในโถไม่กระเพื่อมรุนแรงจนเมฆที่เกิดขึ้นกระจัดกระจายอย่างที่เป็นอยู่ อุปกรณ์ของเขาก็น่าจะใช้ดูรอยทางเคลื่อนที่ของอนุภาคมีประจุที่มีพลังงานสูงที่กำลังเคลื่อนที่ได้ เพราะมันจะทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไอออนไปตลอดทางที่มันเคลื่อนที่ไป และไอออนพวกนี้จะเป็นสื่อให้ไอน้ำมาเกาะเห็นเป็นรอยทางเมฆสีขาว

 
 
หยดน้ำก่อตัวบนไอออนที่เกิดขึ้นตลอดทางที่อนุภาคพลังงานสูงเคลื่อนผ่านไปเห็นเป็นรอยทางเมฆ (http://bizarrelabs.com/cloud.htm)
ฤดูใบไม้ผลิปี ค.ศ. 1911 วิลสันเริ่มปรับปรุงอุปกรณ์ของเขาให้ดีขึ้นและได้ผลการทดลองที่ดี โดยได้เสนอผลงานพร้อมกับภาพถ่ายภาพแรกไปยังราชสมาคม (Royal Society) ของอังกฤษ
 
 
ห้องหมอกของวิลสัน (http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/)
 
 
แผนภาพห้องหมอกของวิลสัน (http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/)
ห้องหมอกของวิลสันเป็นแก้วทรงกระบอกเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 16 เซนติเมตรและลึกเพียง 3 เซนติเมตรเศษ (ดังในรูปที่เห็นเป็นแก้วอยู่ตอนบนหรือคือส่วน A ในแผนภาพ) พื้นของทรงกระบอกต่อกับลูกสูบและกระบอกสูบทำด้วยทองเหลือง ทั้งหมดนี้วางอยู่ในน้ำตื้น ๆ ที่จะทำให้ห้องหมอกอิ่มตัวด้วยโมเลกุลน้ำอยู่ตลอดเวลา ส่วนกระเปาะแก้วทรงกลมขนาดใหญ่ (C) นั้นเป็นห้องสุญญากาศซึ่งเมื่อเปิดลิ้น (B) ก็จะดึงอากาศข้างใต้ลูกสูบเข้าไปในห้องสุญญากาศนี้ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนตัวลงและทำให้อากาศภายในห้องหมอกขยายตัวและเย็นลงจนควบแน่นเป็นเมฆ
 
 
ภาพในรายงานของวิลสันแสดงรอยทางสีขาวของอนุภาคแอลฟาพุ่งออกมาจากวัสดุกัมมันตรังสี (www.physics.ubc.ca/.../p420_97/chris/p4.htm)
เมื่อประดิษฐ์ห้องหมอกเสร็จแล้ววิลสันก็เริ่มการทดลอง เขาสังเกตว่าในสภาพปกติการเกิดเมฆจะกระจายอยู่ทั่วไป จากนั้นเมื่อใช้เรเดียมซึ่งปล่อยรังสีแอลฟาออกมาทุกทิศทาง ก็จะเห็นเมฆรอยทางจำนวนมากออกมาเป็นเส้นตรงหนา ในขณะที่เมื่อใช้ต้นกำเนิดรังสีบีตาก็จะเห็นเมฆรอยทางพุ่งออกมาเหมือนเส้นด้ายบาง ๆ ไม่กี่เส้น ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะรังสีแอลฟามีทั้งขนาดอนุภาคและขนาดประจุโตกว่ารังสีบีตา (รังสีบีตาก็คืออนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูง)
 
 
ด้านซ้ายเป็นภาพถ่ายของรอยทางของอนุภาคแอลฟาจากวัสดุกัมมันตรังสีเรเดียม และด้านขวารอยทางของรังสีแอลฟาจะเป็นเส้นโตกว่ารอยทางเส้นบาง ๆ ของรังสีบีตา (hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/.../cloud.html)
วิลสันทดลองใช้เรเดียมโบรไมด์ที่ให้รังสีแกมมา ซึ่งได้ผลลัพธ์รอยทางแบบเดียวกับรังสีบีตาแต่เกิดออกมาจากทุกทิศทาง เพราะว่าผนังห้องหมอกดูดกลืนรังสีแกมมาไว้แล้วปล่อยรังสีบีตาออกมาแทน สำหรับรังสีเอกซ์รอยทางจะเป็นเหมือนเส้นด้ายเล็ก ๆ เป็นเส้นตรงบ้าง ม้วนเป็นวงบ้าง กระจายออกเป็นปื้นและเป็นทางยาวตลอดแนวที่รังสีเอกซ์เคลื่อนผ่านไป ซึ่งวิลสันสรุปว่ารังสีเอกซ์ทำให้โมเลกุลอากาศเกิดอิเล็กตรอนพลังงานสูงตลอดเส้นทางที่มันผ่านไป
 
 
รอยทางจากรังสีเอกซ์เห็นเป็นสีขาว (http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/)

วิลสันพัฒนาห้องหมอกเสร็จสมบูรณ์จริง ๆ เมื่อปี ค.ศ. 1912 สามารถถ่ายภาพอันน่าอัศจรรย์ของรังสีแอลฟา บีตา และรังสีเอกซ์ไว้มากมาย และยังผลิตห้องหมอกออกจำหน่ายเชิงพาณิชย์โดยร่วมกับบริษัท Cambridge Scientific Instruments Company ห้องหมอกนับเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับตรวจหาและศึกษารอยทางของอนุภาคอยู่นานจนถึงทศวรรษ ค.ศ. 1950 จึงมีการประดิษฐ์ห้องฟอง (bubble chamber) ซึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่ามาแทนที่

ห้องหมอกมีประโยชน์ในการศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคเป็นอย่างมาก อาทิเช่น เนื่องจากอนุภาคอาจมีประจุเป็นกลางหรือมีประจุบวกหรือลบก็ได้ ดังนั้นเมื่อนำแม่เหล็ก (ซึ่งมีผลผลักหรือดูดประจุไฟฟ้าได้) เข้ามาใกล้ รอยทางก็จะเหเข้าหาหรือเหออกจากแม่เหล็กแล้วแต่จะเป็นประจุชนิดใด หรือหากไม่มีประจุก็จะไม่มีผลกับแรงแม่เหล็กและเคลื่อนไปตรง ๆ นอกจากนี้อนุภาคที่มีมวลต่างกันก็จะเหเข้าหาหรือออกจากแม่เหล็กมากน้อยไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อดูจนชำนาญแล้วก็จะสามารถจำแนกชนิดของอนุภาคได้ ห้องหมอกที่ในตอนแรกเริ่มเป็นเพียงการศึกษาการเกิดเมฆ ได้กลายเป็นอุปกรณ์ตรวจหาอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม เช่น รังสีคอสมิกจากอวกาศ อนุภาครังสีจากสารกัมมันตรังสี โดยทำให้สามารถมองเห็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ตามปกติตามองไม่เห็นให้เห็นได้ในทางอ้อม

ห้องหมอกของวิลสันนี้ใช้หลักการการขยายตัวของอากาศภายในห้องหมอกจึงมีผู้เรียกว่า ห้องหมอกแบบการขยายตัว (expansion cloud chamber) บ้าง และก็มีเรียกว่า ห้องแบบวิลสัน (Wilson chamber) ตามชื่อของวิลสันบ้าง หรือเรียกว่า ห้องแบบพัลส์ (pulsed chamber) ก็มี เพราะอุปกรณ์นี้มีการทำงานเป็นช่วง ๆ ทำนองกับการเต้นของชีพจร (pulse) เฉพาะตอนที่ทำให้อากาศภายในห้องหมอกเกิดการขยายตัวจึงจะมองเห็นรอยทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้ การทำงานแบบไม่ต่อเนื่องนี้เป็นข้อด้อยของอุปกรณ์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1936 อะเล็กซานเดอร์ แลงส์ดอร์ฟ (Alexander Langsdorf) ได้พัฒนาและประดิษฐ์เป็นห้องหมอกแบบที่ทำงานได้ต่อเนื่องขึ้นเรียกว่า ห้องหมอกแบบการแพร่ (diffusion cloud chamber)

ผลงานการประดิษฐ์ห้องหมอกของวิลสันทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1927

อ้างอิง

  1. http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/
  2. http://bizarrelabs.com/cloud.htm
  3. Cloud Chamber โดย Isacc Asimov