สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ผู้ให้กำเนิดแก่วิชาฟิสิกส์อะตอมสมัยใหม่ (modern atomic physics) และเป็น “หัวขบวน” ของยุคนิวเคลียร์ เขาเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 20 โดยแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ยกย่องว่าเขาคือ “นิวตันคนที่สอง” บุรุษผู้ “มุดอุโมงค์เข้าไปถึงวัตถุตัวตนของพระเจ้าได้มากที่สุด” ผู้เป็นนักประดิษฐ์ นักทดลอง และลูกชาวนาจากเนลสัน แคว้น (province) ที่อยู่ไกลที่สุดของอังกฤษ

          รัทเทอร์ฟอร์ดได้บัญญัติคำหลายคำสำหรับใช้ในสาขาวิชาฟิสิกส์อะตอม เช่น รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา อนุภาคโปรตอนและนิวตรอน ครึ่งชีวิต (half-life) และอะตอมลูก (daughter atoms) เขามีลูกศิษย์ระดับยักษ์ใหญ่ ด้านฟิสิกส์แห่งศตวรรษอยู่หลายคน เช่น นีลส์ โบร์ (Niels Bohr) เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) และ รอเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ (Robert Oppenheimer)

          ที่แปลกและสำคัญที่สุดก็คือ เขาไม่เคยคิดว่ามนุษย์จะสามารถนำพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์มาใช้ ประโยชน์ได้ แต่เขากลับเป็นเสมือน “พ่อ” ผู้ให้กำเนิดแก่พลังงานนิวเคลียร์ เพราะเขาคือผู้ค้นพบ “นิวเคลียส” ของอะตอม

          ปู่และพ่อของรัทเทอร์ฟอร์ดแป็นชาวสกอต ได้อพยพครอบครัวทั้งหมดมายังนิวซีแลนด์ก่อนเขาจะเกิดตั้งแต่ปี 1842 โดยทำฟาร์มอยู่ที่ เมืองสปริงโกรฟ (Spring Grove ปัจจุบันคือ Brightawater) ใกล้ เมืองเนลสัน (เมืองเอก ของแคว้นเนลสัน) พ่อของรัทเทอร์ฟอร์ดมีชื่อว่าเจมส์ เป็นช่างทำล้อรถม้า ส่วนแม่ของเขามีชื่อว่า มาร์ทา ทอมป์สัน มีอาชีพครู ซึ่งก็อพยพมายังนิวซีแลนด์พร้อมกับแม่ที่เป็นม่าย เมื่อปี 1855 ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงเกิดที่นิวซีแลนด์ เขาเกิดเมื่อวันที่ 30 สิงหาคม 1871 และมีพี่น้องถึง 12 คน (ชาย 7 และหญิง 5) เขาชอบงานหนักงานฟาร์มกลางแจ้ง แต่ก็เป็นเด็กเรียนดี และในปี 1889 ก็ได้รับทุนการศึกษาเข้าเรียนในวิทยาลัย Canterbury College ที่มหาวิทยาลัย University of New Zealand เมืองเวลลิงตัน

          ผลงานวิจัยของเขาที่นี่คือการศึกษาเกี่ยวกับสมบัติของแม่เหล็ก และอุปกรณ์ที่สามารถวัดช่วงเวลาขนาด หนึ่งในแสนวินาที

          ในปี 1894 หลังเรียนจบ (ทั้งปริญญาตรีและปริญญาโทคือ BA. MA. และ BSc.) เขาได้รับทุนศึกษาวิจัย ระดับปริญญาโทที่ ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) ใน มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (Cambridge University) ประเทศอังกฤษ อันที่จริงเขาสอบได้ที่สอง แต่คนที่สอบได้ที่หนึ่งสละสิทธิ์เพราะมีแผนจะแต่งงาน มีครอบครัว จึงเกิดเป็นจุดเปลี่ยนในชีวิตเขา ที่นั่นเขาได้เรียนกับ เจ.เจ. ทอมสัน (J.J. Thomson ซึ่งไม่นานต่อมา จะเป็นผู้ค้นพบอิเล็กตรอน) และในเวลาไม่นาน ทอมสันก็เห็นแววและสนับสนุนให้เขาร่วมวิจัยเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ ซึ่งเพิ่งถูกค้นพบมาไม่นาน (ค.ศ. 1895) อันเป็นจุดเริ่มต้นของอาชีพด้านฟิสิกส์ของอะตอมที่รัทเทอร์ฟอร์ด ทำมาจนตลอดชีวิต และมีผลงานโดดเด่นเหนือกว่าใคร

          ปี 1897 รัทเทอร์ฟอร์ดจบการศึกษาและเป็นปีที่ทอมสันค้นพบอิเล็กตรอน (เป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบว่า ยังมีสิ่งที่เล็กกว่าอะตอม) และในปีถัดมาเขารายงานว่ารังสีที่ยูเรเนียมปล่อยออกมาว่ามีรังสีแอลฟาและบีตา รวมทั้งได้ศึกษาสมบัติบางประการของรังสีดังกล่าว คือพบว่ารังสีแอลฟาเป็นอนุภาคที่มีประจุวก และรังสีบีตาเป็นอนุภาค ที่มีประจุลบ ในระยะนั้น ประจวบว่าตำแหน่ง Macdonald Chair in Physics ในภาควิชาฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยแมกกิลล์ (McGill University) เมืองมอนทรีออล ประเทศแคนาดาว่างลง เขาจึงไปรับตำแหน่งนี้ที่แคนาดา งานวิจัยของเขาที่นี่ ประสบความสำเร็จสูงมาก และสร้างประเพณีนิยมความสำเร็จด้านฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแห่งนี้มาจนทุกวันนี้

          ที่ McGill ในตอนต้น ๆ เขาทำวิจัยต่อเนื่องเกี่ยวกับรังสีแอลฟาและบีตา ซึ่งเขาพบว่าธาตุกัมมันตรังสีทั้งหลาย ที่รู้จักในขณะนั้น ล้วนปลดปล่อยรังสี 2 ชนิดนี้ และจากการศึกษาการปล่อยรังสีของธาตุทอเรียมร่วมกับ โอเวน (R.W. Owen) ก็ได้ค้นพบ แก๊สมีสกุล (noble gas) ชนิดใหม่ซึ่งเป็นไอโซโทปหนึ่งของแก๊สเรดอน และต่อมารู้จักกันในชื่อว่า แก๊สทอรอน (thoron)

          ปี 1900 เฟรเดอริก ซอดดี (Frederick Soddy) จากมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดมาร่วมงานกับรัทเทอร์ฟอร์ด และในปี 1901-1902 ทั้งคู่ช่วยกันสร้าง ทฤษฎีการสลาย (disintegration theory) จาก ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) ว่ากระบวนการสลายเกิดในระดับอะตอมไม่ใช่ระดับโมเลกุล โดยมีหลักฐานมากมายจากการทดลอง การสลายของธาตุกัมมันตรังสีอาทิเช่น ธาตุเรเดียม อันทำให้ค้นพบธาตุกัมมันตรังสีใหม่ ๆ หลายธาตุซึ่งเกิดจาก การสลายอย่างต่อเนื่อง จากอะตอมของธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง แปรธาตุเป็นอะตอมของธาตุกัมมันมันตรังสี อีกชนิดหนึ่งได้เอง โดยการขับเอาชิ้นส่วนของอะตอมออกมาด้วยความเร็วสูง (เช่นรังสีแอลฟาและบีตา) ซึ่งเกิดขึ้น เป็นทอด ๆ (เช่น ธาตุ A สลายเป็นธาตุ B จากนั้นธาตุ B สลายต่อไปอีกเป็นธาตุ C และ...จนถึงธาตุสุดท้าย ซึ่งเป็นธาตุเสถียร เช่น ตะกั่ว) เรียกว่า อนุกรมกัมมันตรังสี (radioactive series) นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในยุคนั้น หยันแนวคิดนั้นว่าเป็นพวก เล่นแร่แปรธาตุ (alchemy) โดยยังยึดติดกับความเชื่อคร่ำครึที่ว่า อะตอมนั้นแบ่งแยกไม่ได้ และเปลี่ยนแปลงไม่ได้ แต่พอถึงปี 1904 ผลงานตีพิมพ์และความสำเร็จของรัทเทอร์ฟอร์ดก็เป็นที่ยอมรับ รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักวิจัยที่เปี่ยมด้วยพลัง เพียงในระยะเวลา 7 ปีที่ McGill เขาก็ตีพิมพ์ผลงานออกมาถึง 80 เรื่อง

          ผลงานเด่นอีกเรื่องหนึ่งของเขาที่แคนาดาก็คือ เขาได้แสดงให้เห็นว่าธาตุกัมมันตรังสีทุกชนิด มีกัมมันตภาพรังสีลดลงในเวลาที่สม่ำเสมอและเฉพาะตัวหรือที่เรียกว่า ครึ่งชีวิต (half-life) จนท้ายที่สุด สลายกลายเป็นธาตุเสถียร ครึ่งชีวิตคือระยะเวลาที่สารกัมมันตรังสีใช้ในกระบวนการสลายกัมมันตรังสี เพื่อลดกัมมันตภาพเหลือครึ่งหนึ่งของกัมมันตภาพตั้งต้น เช่น ยูเรเนียม-238 มีครึ่งชีวิตประมาณ 4,500 ล้านปี หรือโคบอลต์-60 มีครึ่งชีวิตประมาณ 5.26 ปี

          ข้อสังเกตประการหนึ่งขณะรัทเทอร์ฟอร์ดอยู่ที่แคนาดาก็คือ ระหว่างปี 1905-1906 ออทโท ฮาน (Otto Hahn) ผู้ที่ต่อมาจะค้นพบ การแบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission) ก็เคยทำงานเป็นลูกมือของรัทเทอร์ฟอร์ด ในห้องปฏิบัติการที่มอนทรีออลด้วย

          ในปี 1907 รัทเทอร์ฟอร์ดก็กลับมายังประเทศอังกฤษ รับตำแหน่งศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์ (Langworthy Professor of Physics) ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ งานวิจัยแรก ๆ ที่นี่ของเขาคือการศึกษาต่อเนื่องเกี่ยวกับสมบัติ ของการสลายของธาตุเรเดียมรวมทั้งสมบัติของรังสีแอลฟา และร่วมกับลูกศิษย์ที่ชื่อว่า ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger: ผู้ประดิษฐ์เครื่องวัดรังสีไกเกอร์เคาน์เตอร์) ก่อตั้งศูนย์ศึกษาด้านรังสีขึ้นที่นั่น

          ปี 1908 รัทเทอร์ฟอร์ดก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากผลงานด้านกัมมันตภาพรังสีรังสี เขารู้สึกขัดใจบ้าง เพราะเขาเป็นนักฟิสิกส์และถือตัวว่าเหนือกว่านักเคมี ซึ่งครั้งหนึ่งเขาเคยกล่าวว่า “วิทยาศาสตร์ต้องฟิสิกส์เท่านั้น นอกนั้นเหมือนการเล่นสะสมแสตมป์” (“In science there is only physics; all the rest is stamp collecting.”) นอกจากนี้ ในการกล่าวสุนทรพจน์ในวันที่เขาไปรับรางวัล เขายังได้กล่าวติดตลกในทำนองว่า จากการวิจัย (ที่เขาได้รับรางวัลโนเบลนี้) ของเขานี้ เขาได้เห็นการแปรธาตุจากธาตุหนึ่งเป็นอีกธาตุหนึ่งมากมายหลายครั้ง แต่ไม่มีครั้งไหนที่เร็วกว่าครั้งนี้ของตัวเขาเอง ที่แปรจากนักฟิสิกส์เป็นนักเคมี (“I had seen many transformations in my studies, but never one more rapid than my own from physicist to chemist.”)

          ในปี 1909 เขากับไกเกอร์และได้นักเรียนมาเป็นผู้ช่วยอีกคนชื่อว่า เออร์เนสต์ มาร์สเดน (Eenest Marsden) ก็เริ่มการทดลองที่เปลี่ยนโฉมหน้าของวิชาฟิสิกส์ทีเดียว การทดลองนี้เริ่มเห็นผลในปี 1910 เริ่มต้นจากการทดลอง หาวิธีตรวจจับอนุภาคแอลฟาเดี่ยว ๆ ที่เรเดียมปล่อยออกมาขณะเกิดการสลายกัมมันตรังสีและนับจำนวนไว้ จากนั้นพวกเขาก็นำวิธีการนี้มาใช้ศึกษาโครงสร้างของอะตอม ซึ่งลูกพี่เก่าของเขาคือทอมสันที่เพิ่งค้นพบอิเล็กตรอน และจาก ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ที่อะตอมสามารถปล่อยอนุภาคอิเล็กตรอนออกมาได้ แต่การที่ประจุของอะตอมเป็นกลางก็แสดงว่าอะตอมประกอบด้วยประจุบวกและประจุลบจำนวนเท่า ๆ กัน ดังนั้นทอมสันจึงเสนอทฤษฎี “พุดดิงลูกพลัม” (plum pudding) โดยบอกว่าอะตอมเป็นเหมือนลูกกลม ๆ ประจุบวก ที่มีอิเล็กตรอนขนาดเล็กจิ๋วกระจายตัวอยู่แบบเดียวกับที่เนื้อลูกพลัมเล็ก ๆ กระจายตัวอยู่ในก้อนพุดดิง

         รัทเทอร์ฟอร์ดทดสอบทฤษฎีนี้โดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาที่ถูกปล่อยออกมาจากเรเดียมให้เข้าไปที่ แผ่นทองคำเปลว (gold foil) แล้วใช้วิธีตรวจจับและนับอนุภาคแอลฟา มาตรวจจับและนับอนุภาคแอลฟา ที่ทะลุเข้าไปในแผ่นทองคำเปลว ว่าทะลุหรือหลุดกระเด็นออกมาในทิศทางใดบ้างและมีจำนวนเท่าใด ผลปรากฏว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ทะลุผ่านไป และมีจำนวนเล็กน้อยที่กระดอนกลับหลัง แสดงว่าอะตอม มีเนื้อที่ส่วนใหญ่เป็นประจุลบ ล้อมรอบแก่นเล็ก ๆ ที่มีประจุบวกอยู่ตรงกลางที่ทำให้อนุภาคแอลฟา ซึ่งก็มีประจุบวก จึงผลักกันให้กระดอนกลับหลังออกมา

          ปี 1913 รัทเทอร์ฟอร์ด กับ เฮนรี โมสลีย์ (H.G. Moseley) ใช้ รังสีแคโทด (cathode rays) ซึ่งเป็นกระแสของ อนุภาคอิเล็กตรอน ระดมยิงอะตอมของธาตุต่าง ๆ ให้ปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งพบว่าสเปกตรัมของรังสีเอกซ์ ที่แต่ละธาตุปล่อยออกมามีลักษณะเฉพาะตัว ทำให้สามารถกำหนด เลขเชิงอะตอม (atomic number) ของธาตุได้ ที่สำคัญคือ เลขเชิงอะตอมนี้เป็นตัวบอกสมบัติของธาตุได้ด้วย

          ปี 1914 รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับพระราชทานเครื่องราชอิสริยาภรณ์ชั้นอัศวิน (Knight)

          ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 รัทเทอร์ฟอร์ดทิ้งงานวิจัยไปช่วยกองทัพเรืออังกฤษแก้ปัญหาการตรวจจับเรือดำน้ำ แต่สักพักเขาก็กลับไปที่ห้องปฏิบัติการของเขา โดยในปี 1919 ซึ่งเป็นปีสุดท้ายที่แมนเชสเตอร์ของเขา รัทเทอร์ฟอร์ด ทดลองระดมยิงอนุภาคแอลฟาเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมธาตุเบา อาทิ ธาตุไนโตรเจน สามารถทำให้อะตอม แตกสลายและปลดปล่อยอนุภาคเดี่ยวออกมา เนื่องจากอนุภาคนี้มีประจุบวก ดังนั้นมันต้องหลุดออกมาจากนิวเคลียส เขาเรียกอนุภาคชนิดใหม่นี้ว่า โปรตอน การทดลองนี้ภายหลังได้รับการพิสูจน์โดย แพทริก แบล็กเก็ตต์ (Patrick Blackett) ว่าอะตอมไนโตรเจนในกระบวนการนี้ได้แปรธาตุเป็นอะตอมออกซิเจน ดังนั้น รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้ชื่อว่า มนุษย์คนแรกที่ทำให้เกิด “ปฏิกิริยานิวเคลียร์”

          ในช่วงปี 1919 นี้เช่นกัน รัทเทอร์ฟอร์ดยังได้เสนอทฤษฎีว่า นิวเคลียสของอะตอมนอกจากมีประจุบวกจาก นิวตรอน แล้ว ยังประกอบด้วยอนุภาคที่ไม่มีประจุซึ่งเขาเรียกว่า “นิวตรอน” ซึ่งจะได้รับการพิสูจน์ความถูกต้องในอีก 13 ปีข้างหน้าโดยลูกศิษย์ของเขาเอง

          ในปี 1919 นั้นเอง รัทเทอร์ฟอร์ดก็อำลาแมนเชสเตอร์ มารับตำแหน่งผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการคาเวนดิช ต่อจากทอมสัน ด้วยบุคลิกภาพอันอบอุ่นและเปิดเผย รวมทั้งความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ของเขา ทำให้เขาเป็นพี่เลี้ยง ผู้มีชื่อเสียงแก่นักวิจัยทำให้แห่กันมาร่วมงานด้วย รัทเทอร์ฟอร์ดริเริ่มการทดลองส่วนใหญ่ที่คาเวนดิช และด้วยการ สอนแนะ และชี้นำ ของเขาที่นี่ ได้กรุยทางให้นักวิจัยรุ่นน้องประสบความสำเร็จยิ่งใหญ่และได้รับรางวัลโนเบล กันเป็นทิวแถว เช่น เจมส์ แชดวิก ผู้ค้นพบอนุภาคนิวตรอน แพทริก แบล็กเก็ตต์ ผู้ค้นพบโพซิตรอน (ชาวอเมริกัน เออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ ก็คนพบโพซิตรอนในเวลาไล่เลี่ยกัน) ค็อกครอฟต์ กับ วอลตัน ผู้ร่วมกันประดิษฐ์เครื่องเร่งอนุภาค และ แอสตัน ผู้ประดิษฐ์สเปกโทรมิเตอร์มวล

คนที่รู้จักคลุกคลีกับรัทเทอร์ฟอร์ดยกย่องว่าเขาเป็นนักทำการทดลองวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในศตวรรษ และในคริสต์ทศวรรษ 1920 และ 1930 เขาได้ทำให้เคมบริดจ์กลายเป็นเมืองหลวงของการทดลองทางฟิสิกส์ของโลก และมีชาวอเมริกันมากมายที่มาร่ำเรียนกับเขา จากนั้นก็นำเอาวิธีการทำงานที่ผสมผสานการทดลองกับทฤษฎี กลับไปใช้ที่บ้านเกิด ก่อให้เกิดการปฏิวัติทางเทคโนโลยี ทำให้สหรัฐอเมริกากลายเป็นประเทศที่ก้าวหน้าที่สุดในโลก

         ในยุคของรัทเทอร์ฟอร์ด เครื่องไม้เครื่องมือทางวิทยาซาสตร์ยังไม่เจริญก้าวหน้า เขาค้นพบสิ่งต่าง ๆ มากมาย ได้ด้วยเครื่องมือง่าย ๆ ซึ่งครั้งหนึ่งเขาเคยกล่าวว่า “ต่อให้อยู่ที่ขั้วโลกเหนือ ผมก็ทำงานวิจัยได้” (?I could do research at the North Pole.?)

          ปี 1925 รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับ เครื่องราชอิสริยาภรณ์ชั้นเมริต (Order of Merit) และถึงปี 1931 เขาเป็นคนแรก ที่ได้รับบรรดาศักดิ์ บารอนแห่งเนลสัน (Baron of Nelson) ทำให้เขาสามารถเข้าร่วมประชุมใน สภาขุนนาง (House of Lords) ได้ เขาได้รับรางวัลเกียรติยศอื่น ๆ อีกมากมายรวมทั้งปริญญาดุษฎีบัณฑิตกิตติมศักดิ์จากมหาวิทยาลัยทั่วโลก ไม่น้อยกว่า 20 แห่ง

          เกียรติยศอีกประการหนึ่งของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ไม่อาจมองข้ามไปได้ก็คือ ระหว่างปี 1925-1930 เขาได้ ดำรงตำแหน่งเป็นนายกแห่ง ราชสมาคม (The Royal Society) ซึ่งเขาได้รับเลือกให้เป็นภาคีสมาชิกมาตั้งแต่ปี 1903

          รัทเทอร์ฟอร์ดมีวาทะอันคมคายหลายครั้งดังกล่าวมาบ้างแล้วข้างต้น และยังมีอีกหนึ่ง “วรรคทอง” ที่แม้จะผิดพลาด แต่กลับสร้างชื่อเสียงให้กับเขาเป็นอย่างมาก คือ “ความคิดที่จะเอาพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มาใช้ประโยชน์เป็น “เรื่องเหลวใหล”” (“The energy produced by the breaking down of the atom is a very poor kind of thing. Anyone who expects a source of power from the transformation of these atoms is talking moonshine.”) โดยทุกวันนี้เรามีไฟฟ้าที่ผลิตจากพลังงานนิวเคลียร์ใช้อยู่ทั่วโลก

          รัทเทอร์ฟอร์ดแต่งงานกับ แมรี นิวตัน เมื่อปี 1900 และมีบุตรสาวคนเดียวชื่อ ไอลีน (Eileen) การพักผ่อนหย่อนใจที่เขาโปรดปรานคือ กอล์ฟและรถยนต์

          รัทเทอร์ฟอร์ดถึงแก่กรรมที่เคมบริดจ์เมื่อวันที่ 19 ตุลาคม 1937 อัฐิธาตุของเขา ได้รับเกียรติยศอย่างสูง ให้ฝังในสุสานที่โบสถ์เวสต์มินสเตอร์ ทางด้านตะวันตก ของหลุมศพของนิวตัน และอยู่เคียงข้างกับหลุมศพของลอร์ดเคลวิน