อะตอมเพื่อนของเรา (15)
บทที่ 14 อะตอมแบ่งแยก
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

คงยังพอจำกันได้ว่า หลังจากที่อนุภาคแอลฟาถูกค้นพบแล้ว รัทเทอร์ฟอร์ดใช้มันอย่างคลาสสิกเข้าไปตรวจสอบภายในอะตอมอย่างไร ในทำนองเดียวกัน หลังจากที่ค้นพบนิวตรอนไม่นาน มันก็ถูกนำไปใช้เช่นกันสำหรับไล่ล่าความลับของนิวเคลียสของอะตอมต่อไป และด้วยเครื่องมือใดละหรือ!

การที่นิวตรอนไม่มีประจุ มันจึงไม่ได้รับผลจากอิเล็กตรอนประจุลบที่อยู่กันอย่างมากมายภายในเชลล์ของอะตอม ยิ่งไปกว่านั้น มันยังไม่ถูกกระทบจากประจุผลักดันอันรุนแรงจากนิวเคลียสเลย ยกยูเรเนียมเป็นตัวอย่าง ซึ่งมีโปรตอนมากถึง 92 อนุภาคเบียดเสียดกันในเนื้อที่เล็ก ๆ ลูกกระสุนที่มีประจุอย่างเช่นโปรตอนหรืออนุภาคแอลฟาจะต้องมีความเร็วสูงอย่างที่สุด เพื่อให้มีกำลังเหนือกว่าแรงผลักอันรุนแรงของโปรตอน 92 อนุภาคที่ร่วมกันผลักออกมา ก่อนที่ลูกกระสุนจะเข้าไปใกล้นิวเคลียสได้สำเร็จ แรงนั้นก็จะดันลูกกระสุนไว้จนหยุดนิ่งสนิทและผลักมันกลับออกมา ดังนั้น ลูกกระสุนที่มีประจุจึงไม่มีโอกาสแม้แต่จะสัมผัสนิวเคลียสของยูเรเนียมได้ เว้นแต่มันจะมีความเร็วมหาศาล

แต่นิวตรอนนั้นต่างออกไป เพราะมันไม่มีประจุจึงไม่มีแรงใดมาหยุดมัน แต่ลอยลิ่วสบาย ๆ ทะลุผ่านเข้าไปภายในอะตอม และถ้ามันบังเอิญเข้าไปแตะกับนิวเคลียสที่มีประจุมากที่สุด มันก็จะถูกนิวเคลียสกลืนกินเข้าไปอย่างง่ายดายเหมือนกับปรอทหยดเล็ก ๆ ที่ถูกปรอทก้อนโตกว่าดูดเข้าไป

 
 
เอนรีโก แฟร์มี (www.atomicarchive.com)
ชาวอิตาลีผู้ชาญฉลาดชื่อเอนรีโก แฟร์มี พร้อมกับผู้ช่วยของเขา เป็นบุคคลแรกและคนกลุ่มแรกที่ใช้นิวตรอนมาโจมตีอะตอมอยู่นานหลายปี พวกเขาเอานิวตรอนยัดเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมกัมมันตรังสี จากนั้นในปี ค.ศ. 1935 นักวิจัยกลุ่มหนึ่งในเยอรมนีได้ก้าวเข้ามาร่วมวงด้วย พวกเขาทำงานภายใต้การกำกับของออทโท ฮาน ผู้อำนวยการสถาบันเคมีไกเซอร์วิลเฮล์มในนครเบอร์ลินโดยเน้นไปที่ยูเรเนียม ซึ่งในที่สุดในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1938 ฮานกับผู้ร่วมงานชื่อฟริทซ์ ชตราสส์มันน์ ก็ได้เป็นประจักษ์พยานในเหตุการณ์อันน่าตื่นตาตื่นใจที่สุด เพราะว่าพวกเขาได้ตัดแบ่งยูเรเนียมออกเป็นสองเสี่ยง!
 
 
ฟริทซ์ ชตราสส์มันน์ ลิเซอ ไมท์เนอร์ และ ออทโท ฮาน (acs.lbl.gov)

อันที่จริงฮานและชตราสส์มันน์คาดหมายจะเจอสิ่งอื่น ทำให้หลังการค้นพบพวกเขาอธิบายอย่างผิด ๆ แม้แต่ในการตีพิมพ์การค้นพบในครั้งที่สอง พวกเขาก็ยังไม่กล้าพอจะยอมรับอย่างเต็มที่ว่าพวกเขาค้นพบอะไร หลังจากนั้นไม่นาน ออทโท อาร์. ฟริช กับลิเซอ ไมท์เนอร์ผู้ร่วมงานและเพื่อนสนิทอีกคนของฮาน ได้ให้อรรถาธิบายที่ถูกต้อง นั่นคือ การแบ่งแยกนิวเคลียส

ก่อนหน้านี้เรารู้มาแล้วว่าอะตอมกัมมันตรังสีแตกสะเก็ดออกมาเป็นชิ้น ๆ แต่ไม่ได้แตกเป็นสองเสี่ยง เรารู้ว่ามันแตกออกโดยการขจัดตัวของมันเองออกมาเป็นชิ้น ๆ ที่ไม่โตไปกว่าอนุภาคแอลฟา ซึ่งเป็นก้อนของโปรตอน 2อนุภาคกับนิวตรอน 2อนุภาค นี่เป็นชิ้นโตที่สุดที่แตกออกมา แต่นี่คือของใหม่ที่เมื่อนิวเคลียสของยูเรเนียมกลืนกินนิวตรอนแล้วก็ต้องแตกออกเป็นสองเสี่ยงในทันที เหมือนกับลูกแก้วที่ตกลงบนพื้นแล้วแตกออกเป็นสองเสี่ยง ในเสี้ยววินาทีที่ชิ้นของนิวเคลียส 2 ชิ้นอยู่เรียงเคียงกันนั้น ตอนนั้นเพราะว่าทั้งคู่ประกอบขึ้นจากโปรตอนหลายสิบอนุภาคที่ผลักกันเองด้วยแรงมหาศาล ชิ้นส่วนทั้งสองจึงถูกผลักแยกออกจากกันโดยดีดกระเด็นออกไปอย่างเร็วแรง ความเร็วอันมหาศาลนี้หมายถึงความร้อน ซึ่งเป็นความร้อนจากการแบ่งแยกนิวเคลียส!

ลูกแก้วที่แตกเป็นสองเสี่ยงอาจแบ่งแยกออกได้หลายแบบ ยากหน่อยที่สองเสี่ยงนั้นจะมีขนาดเท่ากัน นิวเคลียสของยูเรเนียมก็แตกออกในทำนองนี้ ชิ้นส่วนทั้งสองกลายเป็นนิวเคลียสได้ทุกชนิด ตัวอย่างเช่น อะตอมยูเรเนียมอาจแบ่งแยกโดยโปรตอน 56 อนุภาคจากทั้งหมด 92 อนุภาคของมันรวมกันอยู่ในชิ้นส่วนหนึ่ง ขณะที่โปรตอนที่เหลืออีก 36 อนุภาคไปอยู่ในอีกชิ้นหนึ่ง เราจึงได้นิวเคลียส 2 นิวเคลียสที่มีประจุดังนี้ นิวเคลียสแรกเป็นนิวเคลียสของธาตุแบเรียมซึ่งมีสมบัติคล้ายคลึงกับแคลเซียม อีกนิวเคลียสเป็นของธาตุคริปทอน แก๊สหายากในกลุ่มเดียวกับฮีเลียมและนีออน ยังมีแบบอื่น ๆ ได้อีก โดยยูเรเนียมสามารถแบ่งแยกและแบ่งปันโปรตอนกันเป็น 57 กับ 35 หรือ 55 กับ 37 หรือ 54 กับ 38 ฯลฯ แต่ส่วนใหญ่ชิ้นหนึ่งจะมีโปรตอนครึ่งหนึ่งของอีกชิ้นหนึ่ง แม้ว่าบางครั้งอาจจะแบ่งแยกเท่า ๆ กันก็ได้

ขณะที่นิวเคลียสแบ่งแยก มันยังปล่อยรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูง แปลบออกมาด้วย รังสีนี้เป็นรังสีที่มีการทะลุทะลวงแบบเดียวกับรังสีเอกซ์ แล้วการแบ่งแยกอะตอมยังมีอะไรอื่นมากไปกว่านี้ เมื่อลูกแก้วแตกเป็นสองเสี่ยง คุณมักจะพบเศษชิ้นแก้วเล็ก ๆ ได้อีก 2-3 ชิ้นที่หลุดแตกออกมาจากขอบคมของรอยแตก ในทำนองเดียวกัน สิ่งเดียวกันนี้ก็เกิดขึ้นกับนิวเคลียสที่แตกออกเช่นกัน ที่ปล่อยสะเก็ดเล็ก ๆ ออกมาจากกระบวนการนี้ กล่าวคืออาจจะมีเศษขยะนิวเคลียสชิ้นสองชิ้นหรือมากกว่าที่หลุดออกมาเมื่อนิวเคลียสแบ่งแยก แท้จริงพวกมันก็คือนิวตรอนเดี่ยว ๆ ที่ปลิวกระเด็นออกจากศูนย์กลางของการระเบิดขนาดจิ๋วนี้

 
 
มีนิวตรอน 2-3 อนุภาคปล่อยออกมาจากการแบ่งแยกนิวเคลียสด้วย (www.oup.co.uk)

นักฟิสิกส์เสียเวลาไปเพียงเล็กน้อยเท่านั้นก็ฟื้นจากอาการช็อกในสิ่งที่การแบ่งแยกอะตอมให้ออกมาแก่พวกเขา แน่ละว่าพวกเขาให้ความสนใจเป็นอย่างยิ่งในการศึกษาอย่างละเอียดในหมู่ชิ้นส่วนทั้งหลายว่าพบนิวเคลียสชนิดใดบ้าง และพวกมันถูกผลักแยกออกจากกันรวดเร็วเพียงใด พวกเขาตรวจวัดความแรงของรังสีแกมมาซึ่งอะตอมที่แบ่งแยกปล่อยออกมา แต่สิ่งที่ดึงดูดใจพวกเขามากที่สุดก็คือชิ้นสะเก็ดนิวตรอนที่ถูกปล่อยออกมาแต่ละครั้งที่นิวเคลียสแบ่งแยกจากกัน นิวตรอนส่วนเกินเหล่านี้กุมความสำคัญอันเต็มไปด้วยความหวังอันแสนจะเหลือเชื่อ อันได้แก่โอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของอะตอม นี่คือรุ่งอรุณของยุคปรมาณู

คุณสามารถจำลองปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ด้วยกับดักหนูจำนวนหนึ่ง กับดักหนูที่ติดตั้งไว้แล้วและอะตอมยูเรเนียมนั้นมีสิ่งที่เหมือนกันอยู่อย่างหนึ่งก็คือ ทั้งสองอย่างนี้ถูกประจุเอาไว้ด้วยพลังงานที่กักเก็บเอาไว้ คุณให้พลังงานแก่กับดักเมื่อตอนที่คุณพับสปริงเข้ามาเกี่ยวไว้ ในทำนองเดียวกัน ธรรมชาติก็ให้พลังงานไว้ในอะตอมยูเรเนียมขณะสร้างมันขึ้นมา โดยการบีบบังคับเหล่าอนุภาคโปรตอนที่ผลักดันกันเองอย่างสุดฤทธิ์ อัดเข้าด้วยกันไว้ภายในนิวเคลียสของยูเรเนียม และกักขังพวกมันไว้อย่างแน่นหนา นี่เหมือนกับขดลวดสปริงของกับดักหนูที่นิวเคลียสอันเครียดขึงนอนนิ่งรอคอยที่จะหลุดออกมา และการที่กับดักหนูดีดตัวก็เหมือนกับการที่นิวเคลียสเกิดการแบ่งแยก คือพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาพร้อมกับสปริงดีดกับดักหนูฟาดฉับกลับมา ทำนองเดียวกับการแบ่งแยกนิวเคลียส ที่ชิ้นส่วนนิวเคลียสถูกเตะกระเด็นแยกออกจากกัน

 
 
http://libraries.uta.edu/sel/exhibits/images/mousetrap.jpg

เพื่อทำให้กับดักหนูดูใกล้เคียงกับอะตอมยูเรเนียมยิ่งขึ้น เราอาจเกี่ยวลูกปิงปองไว้ที่กับดักหนูด้วย 2 ลูก เพื่อให้พวกมันหลุดกระเด็นออกมาด้วยตอนที่กับดักดีดตัว ให้เหมือนกับตอนที่อะตอมแตกออกจะปล่อยนิวตรอนออกมาด้วย

เมื่อใช้กับดักหนูสักสองร้อยอันพับสปริงเกี่ยวไว้ด้วยลูกปิงปองให้เสร็จสรรพ เราก็จะสาธิตปฏิกิริยาลูกโซ่ได้อย่างวิเศษ กับดักที่วางเรียงเคียงกันไว้เต็มเป็นพืดอยู่บนพื้นเป็นเหมือนกับยูเรเนียมก้อนเล็ก ๆ ก้อนหนึ่ง ทีนี้ทำนองเดียวกับอะตอมยูเรเนียม กับดักหนูก็ต้องมีการลั่นไกเพื่อปลดปล่อยพลังงานเช่นกัน ซึ่งใช้ลูกปิงปองลูกเดียวก็เพียงพอ โดยขว้างมันเข้าไปในกลุ่มกับดักหนู ลูกปิงปองนั้นก็จะไปลั่นไกกับดักหนูสักอันหนึ่งให้ดีดตัวกลับพร้อมกับปล่อยลูกปิงปองสองลูกกระเด็นออกมา ทีนี้ก็มีลูกปิงปองอีกสองลุกกระเด็นออกไปตามทางของพวกมันทำหน้าที่ไปลั่นไกกับดักหนูอื่นเพิ่มเติม ทำให้กับดักหนูอีกสองอันดีดตัวกลับและลูกปิงปองอีก 4 ลูกก็กระเด็นออกไปทำให้กับดักดีดตัวเพิ่มขึ้นอีก แล้วลูกปิงปองกระเด็นออกมาเพิ่มขึ้นอีก และภายในไม่กี่วินาทีทั้งห้องก็จะกลายเป็นเหมือนไม้ตีปิงปองทำด้วยกับดักหนูกับลูกปิงปองที่ปลิวว่อน นี่คงน่าดูมาก!

 
 
กับดักหนูก่อนดีดตัว (www.physics.lsa.umich.edu)
 
 
กับดักหนูที่ดีดตัวเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (www.physics.lsa.umich.edu)

เรื่องแบบนี้เป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์คิดอยู่ในใจ ในขณะที่พวกเขารู้ว่ามีนิวตรอนถูกปล่อยออกมาจากการแบ่งแยกนิวเคลียส หากนิวตรอนเหล่านี้สามารถดำดิ่งเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมข้างเคียงแล้วทำใพวกมันแตกออก และปล่อยนิวตรอนเพิ่มขึ้นไปผ่าอะตอมอื่น ๆ อีก...และ-ไปเรื่อย ๆ?

แล้วนิวตรอนพวกนี้ก็สามารถทำดังว่าได้จริง ๆ ด้วย

ผลลัพธ์ช่างน่าตื่นตาตื่นใจ ทั้งช่างน่ากลัว กว่าที่กับดักหนูจะดีดตัวหมดก็ใช้เวลาหลายวินาที แต่สำหรับอะตอมหลายล้านหลายพันล้านอะตอมแล้ว การแบ่งแยกอะตอมในแบบปฏิกิริยาลูกโซ่จะเกิดอย่างถล่มทะลายในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น ซึ่งสำหรับมาตรฐานเวลาของมนุษย์แล้ว ถือได้ว่าอะตอมเหล่านี้เกิดการแบ่งแยกในเวลาเดียวกัน จากนั้นชิ้นส่วนของอะตอมพันล้านกับพันล้านชิ้นก็โบยบินออกจากกันด้วยระดับความเร็วมหาศาล อนุภาคที่ฉีกฝ่าออกไปรอบ ๆ ด้วยความเร็วเหลือแสนก็จะเกิดเป็นก้อนแก๊สสว่างโร่ขาวใส ณ ตรงนั้น ความร้อนเกิดขึ้นหลายล้านองศาเซลเซียส นำไปสู่การระเบิดอันน่ากลัวที่ตามมาด้วยแสงแวบแปลบบาดตา อากาศหลายล้านตันถูกผลักออกไปข้าง ๆ คลื่นกระแทกอันกระหึ่มผลักออกไปในทุกทิศทาง พันล้านอะตอมที่แบ่งแยกยังรวมเอาการระเบิดของรังสีแกมมาให้ทะลุทะลวงลึกเข้าไปในมวลของอากาศ แล้วแสงสว่างโร่จากกลุ่มแก๊สที่ฉับพลันขยายตัวก็โจนทะยานขึ้นสู่ฟ้าสูงเบื้องบน และการพุ่งขึ้นอันบรรลัยล้างนี้ก็ก่อตัวเป็นเหมือนเมฆที่กระเพื่อมและหมุนวนแขวนอยู่บนท้องฟ้าดูราวกับดอกเห็ดยักษ์

 
 
http://msrb.files.wordpress.com/2007/12/mushroom-cloud-hb.jpg

เบื้องหลังเมฆอันน่าขนหัวลุกนี้ เราคงระลึกได้ถึงรูปลักษณ์อันน่ากลัวของจีนี่ในนิทานปรัมปราของเรา... ที่มีดวงตาลุกโพลงราวกับคบไฟ และกลุ่มควันไฟที่หมุนวนอยู่รอบตัวจีนี่ราวกับลมร้อนในทะเลทราย... กับเสียงดังราวฟ้าร้องของมันที่ประกันว่าเราต้องตายอย่างโหดร้ายที่สุดอย่างแน่นอน

เมื่อตอนที่ชาวประมงเห็นรูปลักษณ์อันน่ากลัวของจีนี่เป็นครั้งแรกนั้น เขาปรารถว่าตัวเองไม่ได้เป็นผู้ค้นพบภาชนะใบนั้น แต่นิทานปรัมปราของเราจบลงอย่างมีความสุข ชาวประมงพบวิธีผูกมิตรกับศัตรูของเขา ช่างโชคดีนักที่นักวิทยาศาสตร์ก็มีวิธีทำอย่างเดียวกันได้

การระเบิดของอะตอมเป็นยิ่งกว่าการข่มขู่ด้วยความตาย มันยังเป็นการหมดเปลืองพลังงานไปอย่างน่าเสียดาย ความร้อนและรังสีเป็นสิ่งมีคุณค่า เป็นสินทรัพย์ทรงค่าแก่อารยธรรมของเรา จึงควรใช้อย่างสร้างสรรค์มากกว่าทำลายล้าง สิ่งที่เกิดขึ้นในระหว่างวินาทีของการแบ่งแยกในการระเบิดของอะตอมนั้น ต้องทำให้เกิดขึ้นช้าลงเป็นหลายเดือนหรือแม้แต่หลายปี นั่นแหละจีนี่ในอะตอมจึงจะไม่ซัดขว้างพลังงานของเขาเราด้วยความร้อนและรังสีอันรุนแรง มิดีกว่าหรือหากเขาจะให้พลังงานแก่เราเหมือนกับน้ำพุที่พ่นน้ำแก่เราอย่างนุ่มนวล

นักฟิสิกส์อะตอมผลิตปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์อย่างช้า ๆ ด้วยอุปกรณ์ที่มีชื่อเสียงและมีความพิเศษด้านวิศวกรรมนิวเคลียร์ที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มันมีช่องว่างที่ห่อหุ้มไว้มิดชิดที่บรรจุเชื้อเพลิงอะตอมคือยูเรเนียมเอาไว้ ซึ่งอะตอมที่กำลังเกิดการแบ่งแยกจากปฏิกิริยาลูกโซ่ถูกควบคุมอย่างระมัดระวัง เครื่องปฏิกรณ์อะตอมหลากหลายแบบถูกสร้างขึ้นมาแตกต่างกันในด้านการออกแบบและการทำงาน แต่ทั้งหมดมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกันก็คือ อุปกรณ์สำหรับควบคุมอัตราเร็วการให้พลังงานของปฏิกิริยาลูกโซ่ ที่จริงหลักการควบคุมนี้ธรรมดามาก

ลองหันกลับมาดูปฏิกิริยาลูกโซ่กับดักหนูของเราอีกครั้งหนึ่ง เราทำให้มันช้าลงได้หากเราหาใครสักคนหนึ่งมาเอาลูกปิงปองออกไปจากเกม เมื่อมีลูกปิงปองไปกระตุ้นกับดักหนูน้อยลง จำนวนกับดักหนูที่ดีดตัวในแต่ละวินาทีก็ลดน้อยลง เพื่อที่จะทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่อะตอมช้าลง ดังนั้น เราก็ต้องมองหาผู้มาจับนิวตรอน โชคดีที่ผู้จับแบบนี้มีอยู่จริง ๆ

ธาตุทางเคมีนั้นมีอยู่มากมาย ในจำนวนนี้ธาตุโบรอนและแคดเมียมมีประสิทธิภาพมากสำหรับงานแบบนี้ นิวเคลียสของธาตุพวกนี้ซับเอานิวตรอนไว้ได้อย่างมากมายแบบเดียวกับฟองน้ำที่ดูดซับน้ำ ยกตัวอย่างถ้านำแท่งโลหะแคดเมียมมาติดตั้งไว้ในลักษณะที่จะสอดเข้าไปหรือดึงถอนออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ได้ นี่จะเป็นการควบคุมอย่างได้ผล ถ้าค่อย ๆ สอดแท่งควบคุมพวกนี้เข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จนเต็มที่ กรณีนี้นิวตรอนจำนวนมากก็จะถูกดูดซับเอาไว้จนทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ค่อย ๆ หยุดจนหยุดสนิท และเมื่อค่อย ๆ ดึงแท่งควบคุมนี้ออกมา ก็จะมีจำนวนนิวตรอนเหลือเล่นอยู่ในเกมค่อย ๆ มากขึ้น อัตราการแบ่งแยกนิวเคลียสก็เพิ่มขึ้น และเครื่องปฏิกรณ์ก็ร้อนขึ้นและร้อนขึ้น แท่งควบคุมพวกนี้ทำหน้าที่เหมือนกับคันเร่งของรถยนต์หรือเชือกบังเหียนม้า

 
 
www.daviddarling.info
ด้วยอุปกรณ์ของเครื่องปฏิกรณ์นี้ เราบังคับจีนี่ในอะตอมเอาไว้ภายใต้การควบคุมอย่างปลอดภัยได้สำเร็จ จี่นี่ได้ค้อมกายลงมาเบื้องหน้าวิทยาศาสตร์สมัยใหม่พร้อมด้วยรอยยิ้มในฐานะผู้รับใช้วิเศษแก่มนุษยชาติทั้งมวล เขาให้คำสัญญาว่าจะให้พรแก่เรา 3 ประการ การตัดสินใจเป็นของเรา เราควรจะอธิษฐานเอาสิ่งใด? อะไรที่เราต้องการมากที่สุด...?
 
แปลจาก CHAPTER FOURTEEN: THE ATOM SPLITS ของหนังสือ The WALT DISNEY story of OUR FRIEND THE ATOM by Heinz Haber, Published by DELL PUBLISHING CO., INC., N.Y., 1956