เฟร์มีกับนิวเคลียร์

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ผู้ที่พอจะประสีประสากับเรื่องราวทางนิวเคลียร์อยู่บ้าง น่าจะเคยได้ยินชื่อเสียงเรียงนามของนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ชื่อ เอนรีโค เฟร์มี (Enrico Fermi) กันมาทุกคน เพราะเฟร์มีเรื่องให้เล่าขานมากมาย และคงเคยได้ยินเรื่องร่ำลือที่เกี่ยวข้องกับเขากันมาบ้าง ไม่ในเรื่องใดก็เรื่องหนึ่ง อาทิเช่น
  • เฟร์มีเป็นคนเก่งมาก และได้รับรางวัลโนเบลจากการวิจัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ เพื่อที่จะแปลงอะตอมยูเรเนียม ให้เป็นอะตอมธาตุอื่นที่หนักกว่ายูเรเนียม โดยการระดมยิงนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมด้วยนิวตรอน การวิจัยนี้ทำให้เฟร์มีค้นพบว่านิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้า สามารถเกิดปฏิกิริยากับนิวเคลียสได้ดีกว่านิวตรอนที่เคลื่อนที่เร็วกว่า
  • หนังสือประวัติศาสตร์ทั่วไปบอกแต่เพียงว่า เมื่อเฟร์มีไปรับรางวัลโนเบลที่สวีเดนในปี ค.ศ. 1938 นั้น เฟร์มีและครอบครัวก็ไม่ได้กลับประเทศอิตาลี และได้อพยพไปอยู่สหรัฐอเมริกา แต่ประวัติศาสตร์กระซิบบอกว่า สหรัฐอเมริกาไปฉกตัวเขาที่สวีเดน
  • เฟร์มีฉายาว่าเดอะโป๊ปเพราะเป็นหัวโจกของนักวิทยาศาสตร์ 5 คนที่ริเริ่มเสนอให้รัฐบาลสหรัฐอเมริกาสร้างลูกระเบิดนิวเคลียร์
  • เฟร์มีเป็นหัวหน้าทีมนักวิทยาศาสตร์ ที่สร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกของโลก ชื่อว่า ชิคาโกไพล์-1 ได้สำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1942
  • เฟร์มีเป็นนักวิทยาศาสตร์แถวหน้า ในโครงการแมนแฮตตันของสหรัฐอเมริกา ที่ผลิตลูกระเบิดนิวเคลียร์ได้สำเร็จ

จากตัวอย่างเหล่านี้จึงไม่น่าแปลกใจที่เฟร์มีจะเป็นความภาคภูมิใจของนักนิวเคลียร์ฟิสิกส์เป็นอย่างมาก ต่อไปนี้เป็นเรื่องในวงแคบที่เกี่ยวพันมาถึงเฟร์มี ที่เชื่อว่าคงไม่ค่อยมีใครได้ยินกัน.....
คงพอทราบกันแล้วว่าอะตอมมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร ซึ่งหมายถึงว่า หากนำอะตอมจำนวน 1 หมื่นล้านอะตอมมาวางเรียงกันก็จะได้ความยาวราว 1 เมตร

ภายในอะตอมมีนิวเคลียสซึ่งเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมแต่กลับมีขนาดเล็กมาก กล่าวคือถ้านำนิวเคลียสมาเรียงต่อกันจำนวน 100,000 นิวเคลียสจึงจะทอดขวางได้ตลอดอะตอม นั่นคือ นิวเคลียสมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10-15 เมตร หรือต้องใช้นิวเคลียสจำนวน 1 พันล้านล้านนิวเคลียสมาต่อเรียงกันก็จะได้ความยาวราว 1 เมตรนั่นเอง

หน่วยความยาวเล็กๆ ขนาด 10-15 เมตร อย่างนี้ เหมาะสมสำหรับการวัดเส้นผ่าศูนย์กลาง ของอนุภาคย่อยของอะตอม (subatomic particles) เป็นอย่างมาก

นอกจากนี้ ยังมีความเหมาะสมในอีกแง่หนึ่งด้วย กล่าวคือ ในขณะที่อนุภาคย่อยของอะตอมเป็นอิสระ ออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ที่มีแรงดึงดูดต่อกันสูงมากนั้น พวกมันจะมีการเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วเกือบเท่ากับความเร็วของแสง (3 ? 108 เมตรต่อวินาที) แต่เนื่องจากพวกมันคงตัวอยู่ได้ ในระยะเวลาที่สั้นมากในช่วง 10-23 วินาทีเท่านั้น ดังนั้น ระยะทางที่พวกมันเคลื่อนที่ไปได้ ก่อนที่จะสลายไปจึงอยู่ในช่วง 10-15 เมตรนั่นเอง ทำให้ในการทำงาน นักนิวเคลียร์ฟิสิกส์นิยมใช้ความยาวขนาดนี้กัน

การที่เฟร์มีเป็นคนแรกที่ศึกษาผลของการระดมยิงนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมด้วยนิวตรอน และมีคุณูปการด้านนิวเคลียร์อีกมากมายตลอดชีวิตของเขา (น่าเสียดายว่าเฟมีร์ตายด้วยโรคมะเร็งเมื่อปี ค.ศ. 1954 ในวัยเพียง 53 ปี) เพื่อเป็นเกียรติแก่เขา หน่วย 10-15 เมตรจึงได้รับการขนานนามว่า เฟร์มี หรือ เฟอร์มี (fermi) ดังนั้นนักนิวเคลียร์ฟิสิกส์จึงพูดกันว่า อนุภาคย่อยของอะตอมชนิดนั้นชนิดนี้ โตเท่านั้นเท่านี้เฟร์มี และพูดถึงพวกอนุภาคที่ไม่ค่อยคงตัวว่าเคลื่อนที่ไปได้เท่านั้นเท่านี้เฟมีร์ก่อนที่พวกมันจะสลายไป

ต่อมาในปี ค.ศ. 1962 หน่วย 10-15 เมตร ก็ได้ชื่ออย่างเป็นทางการว่า เฟมโตเมตร (femtometer หรือ fm) ทำนองเดียวกับที่ 10-3 เมตรก็มีชื่อเป็นทางการว่ามิลลิเมตร (millimeter หรือ mm)

คำว่า เฟมโต (femto) อาจจะดูคล้ายกับว่ามาจากชื่อของเฟมีร์ แต่อันที่จริงคำนี้มีรากศัพท์มาจากภาษาโบราณของเดนมาร์กที่แปลว่า 15 ซึ่งตรงกับคำว่า fifteen ในภาษาอังกฤษ

 

เค้าโครงเรื่องจาก Fermi โดย  Isaac Asimov