Nuclear Science
STKC 2554

การค้นพบใดของรัทเทอร์ฟอร์ดที่ยอดเยี่ยมที่สุด ?

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
           เมื่อวันที่ 1 กันยายน 2554 นี้เอง James Dacey ได้โพสต์บนเว็บไซต์ของ Physics World ในประเด็นเกี่ยวกับ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) เจ้าของฉายา “บิดาแห่งวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์” (father of nuclear physics) เรื่องเป็นดังนี้...
           ปีนี้เป็นปีครบรอบหนึ่งศตวรรษที่ รัทเทอร์ฟอร์ด ตีพิมพ์บทความอธิบายการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมของเขา แต่นี่ไม่ใช่ผลงานเดียวของเขา รัทเทอร์ฟอร์ด ขึ้นชื่อว่าเป็นคนบ้างาน จึงสร้างผลงานอันเป็นคุณูปการแก่ วงการวิทยาศาสตร์ ไว้มากมาย และสำหรับเฉพาะผลงานยิ่งใหญ่ ที่ปฏิวัติแนวคิดเกี่ยวกับสสาร มีอย่างน้อยก็ 3 เรื่อง ดังต่อไปนี้
           ผลงานใหญ่ทางวิทยาศาสตร์ชิ้นแรกที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ได้แก่ การตรวจสอบการแตกสลายของธาตุและเคมีของสารกัมมันตรังสี เป็นการศึกษาเกี่ยวกับ ปรากฏารณ์กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) ที่ค้นพบโดย อองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) และศึกษาอย่างจริงจังก่อนโดย มาดามคูรี ผลการทดลองหนึ่งของเขาในด้านนี้ก็คือ การค้นพบว่าทอเรียมปลดปล่อยสิ่งที่มีรังสีออกมา กล่าวคือ รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ค้นพบ “แก๊สของทอเรียม” ที่ปัจจุบันเรียกว่า “แก๊สเรดอน”
อากาศหรือควันบุหรี่ ผ่านไปบน ทอเรียมออกไซด์ (A) ซึ่งวางอยู่ ภายในหลอดโลหะ (B) ที่ต่อเข้ากับ กระบอก ฉนวนไฟฟ้า (C) บรรจุ ด้วยขั้วไฟฟ้า (D) ที่มีความต่าง ศักย์ 100 โวลต์ระหว่าง C กับ D. ตัววัดไฟฟ้า (electrometer) จะแสดงสัญญาณเมื่ออากาศผ่าน เข้ามา ทำให้สามารถวัดอัตรา การสลายกัมมันตรังสีได้
ผังอุปกรณ์ของรัทเทอร์ฟอร์ดแสดงการสลายกัมมันตรังสีของทอเรียมเป็นแก๊สเรดอน (http://www.rsc.org/education/eic/issues/2008november/radioactivitydiscovered.asp)
           ผลงานโดยรวมด้านนี้ทำให้ รัทเทอร์ฟอร์ด ได้รับรางวัลโนเบลเมื่อ ค.ศ. 1911 ซึ่งถึงปีนั้นเขาได้ทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้ 4 ปีแล้ว โดยที่นั่นเขาเป็นหัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์อยู่นาน 12 ปี และในช่วงนี้ 12 ปีนี้เอง รัทเทอร์ฟอร์ด ได้มีลูกมือเก่ง ๆ อยู่หลายคน รวมถึง ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) กับ เออร์เนสต์ มาร์สเดน (Ernest Marsden) ที่เป็นลูกมือทำการทดลองอันเลื่องชื่อ คือ การเลี้ยวเบน (scattering) ที่เจาะเข้าไปดูโครงสร้างของอะตอม ผลลัพธ์นี้ทำให้เขาได้ร้องว่า “ตูรู้แล้ว” หรือ “eureka” เป็นครั้งที่ 2 เมื่อเขาพบความจริงว่า อะตอมมีมวลหนาแน่นเป็นปริมาตรค่อนข้างเล็กจิ๋วอยู่ตรงศูนย์กลางของอะตอม กล่าวคือ เขาได้ค้นพบ “นิวเคลียส” ของอะตอม
อนุภาคแอลฟา (อนุภาคที่มีประจุบวก ซึ่งถูกปลดปล่อยออกมา จากสารรังสี ในธรรมชาติ) ถูกชักนำให้พุ่งเข้าไปหา แผ่นทองคำเปลว ซึ่งอนุภาคส่วนใหญ่ ควรทะลุไป หรือเบี่ยงเบนเล็กน้อย แต่กลับพบว่า มีบางอนุภาค สะท้อนกลับหลัง แสดงว่า มีประจุบวกรวมกันเป็นกระจุกใหญ่ อยู่ตรงกลางของอะตอม จึงสามารถ "ผลัก" อนุภาคแอลฟา ที่มีประจุบวก เช่นกัน ให้สะท้อนกลับหลังได้
การทดลองการเลี้ยวเบน (scattering) อนุภาคแอลฟาของรัทเทอร์ฟอร์ด (http://www.wiredchemist.com/chemistry/instructional/an-introduction-to-chemistry/matter-at-the-atomic-level/atoms)
           การค้นพบที่สามอันเป็นคุณูปการของ รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำให้เขากลายเป็น “นักเล่นแร่แปรธาตุ”(alchemist) ตัวจริงคนแรกของโลก เมื่อเขาสามารถ แปรธาตุไนโตรเจนให้กลายเป็นธาตุออกซิเจน ได้สำเร็จ โดยการระดมยิงแก๊สไนโตรเจนด้วยอนุภาคแอลฟาจนทำให้อนุภาคโปรตอนพลังงานสูงกระเด็นออกมา
147N + 42He   178O + 11H (i)

           แน่นอนว่าการค้นพบทั้งสามประการนี้ ทำให้ทัศนะของเราเกี่ยวกับ ฟิสิกส์ของอะตอม (atomic physics) แปรเปลี่ยนไปหลายประการ แต่ท่านผู้อ่านเคยคิดหรือไม่ว่า การค้นพบใดของรัทเทอร์ฟอร์ดในสามประการนี้ การค้นพบใด “ยอดเยี่ยมที่สุด” ระหว่าง

  1. อะตอมไม่ได้เสถียรเสมอไป (ผลงานรางวัลโนเบลเกี่ยวกับปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี)
  2. อะตอมมีมวลส่วนใหญ่รวมกันอยู่ในนิวเคลียส
  3. นักเล่นแร่แปรธาตุตัวจริงคนแรกของโลก (เขาสามารถแปรธาตุไนโตรเจนเป็นธาตุออกซิเจน)

           ท่านผู้อ่านคิดเห็นอย่างไรแล้ว สามารถโหวตความเห็นของท่านได้ที่เฟซบุ๊กของเว็บไซต์ ฟิสิกส์เวิลด์ (http://www.facebook.com/physicsworld) และจะให้เหตุผลของท่านด้วยก็ได้ คำถามและผลโพล ตั้งแต่วันที่ 1 ถึง 8 กันยายน 2554 เป็นดังข้างล่างนี้ (จากจำนวนผู้โหวต 148 คน) ซึ่งการค้นพบนิวเคลียส “นำลิ่ว”ด้วย 113 คะแนน
Physics World asked: This year is the 100 year anniversary since Ernest Rutherford published his seminal paper on the structure of atom. But, just for a bit of fun, if you had to single out one of these three discoveries, which do you think is the greatest?

That atoms are not always stable (his Nobel-Prize-winning work on radioactivity)

25

That atoms have the majority of their mass concentrated in a nucleus

113      

The world's first alchemy (converting nitrogen into oxygen)

10
เรียบเรียงจาก : What was Rutherford’s greatest discovery? โดย James Dacey

โพสต์เมื่อ : 9 กันยายน 2554