การค้นพบรังสีเอกซ์ |
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
|
รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดขึ้นเมื่ออะตอมถูกกระตุ้น ทำให้อิเล็กตรอนวงในหลุดออกไป และอิเล็กตรอนวงถัด ๆ ออกไปเข้ามาแทนที่ แล้วให้พลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีเอกซ์ หรืออาจเกิดจากการระดมยิงเป้าโลหะหนักบางชนิดด้วยอิเล็กตรอนความเร็วสูง ทำให้อิเล็กตรอนจะถูกหน่วงให้ช้าลงอย่างทันทีทันใดจึงสูญเสียพลังงานไปและแปลงเป็นรังสีเอกซ์ออกมา ความสำคัญของการค้นพบรังสีเอกซ์อยู่ที่เนื่องจากเป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบทางนิวเคลียร์อื่น ๆ ตามมาอีกมากมาย
ปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 เป็นช่วงเงียบเหงาสำหรับนักฟิสิกส์เพราะกฎฟิสิกส์ทุกกฎดูเหมือนจะถูกค้นพบไปหมดแล้ว จนมีคำพูดว่า อนาคตของฟิสิกส์อยู่ที่ทศนิยมตำแหน่งที่ห้า เพราะงานที่เหลือสำหรับนักฟิสิกส์ยุคนั้นคือการคำนวณหรือทดลองหาค่าคงตัวทางฟิสิกส์ (physical constant) ให้ละเอียดจนถึงทศนิยมตำแหน่งที่ห้า
สำหรับนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่ชื่อว่าวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Conrad Roentgen) ก็ไม่ใช่ข้อยกเว้น เพราะในห้วงเวลานั้นเขาก็กำลังง่วนอยู่กับการหาความร้อนจำเพาะของแก๊สต่าง ๆ บ้าง ศึกษาการนำความร้อนของผลึกทั้งหลายบ้าง พอดีช่วงนั้นเกิดกระแสนักฟิสิกส์พากันศึกษาสมบัติของรังสีชนิดหนึ่งที่เกิดภายในหลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube เรียกสั้น ๆ ว่า CRT) เรินต์เกนก็จึงเข้าร่วมวงศึกษาไปกับเขาด้วย |
| |
|
| |
วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน |
|
| CRT ก็คือหลอดสุญญากาศที่มีขั้วไฟฟ้าบวกและลบอยู่ห่าง ๆ กันข้างในหลอด เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ (แหล่งกระแสไฟฟ้าของยุคนั้น) เข้าไปจะเกิดประกายไฟ (spark) ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองมองเห็นได้เป็นลำรังสีสีเขียวเรือง และเนื่องจากลำรังสีพุ่งออกจากแคโทดไปยังแอโนด หลอดชนิดนี้จึงได้ชื่อว่า หลอดรังสีแคโทด ซึ่งปัจจุบันทราบแล้วว่าลำรังสีดังกล่าวก็คือลำอนุภาคอิเล็กตรอน |
| |
 |
| |
ลักษณะทั่วไปของหลอดรังสีแคโทด |
|
| หลอดสุญญากาศคุณภาพสูงพัฒนาขึ้นโดยช่างเป่าแก้วชาวเยอรมันชื่อไฮน์ริช ไกส์สเลอร์ (Heinrich Geissler) และผู้ที่พัฒนามาเป็นหลอดรังสีแคโทดที่มองเห็นได้เป็นลำรังสีสีเขียวเรือง ก็เป็นชาวเยอรมันเช่นกัน ชื่อว่า ยูลิอุส พลือเคอร์ (Julius Pluecker) และผู้ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด น่าจะได้แก่เซอร์วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) นักเคมีและฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ที่พิสูจน์ได้ว่า รังสีแคโทดเกิดและเคลื่อนออกมาจากแคโทดไปยังแอโนด และไปกระทบกับผนังหลอดด้านตรงข้าม โดยการใช้กกาบาทมอลทีสไปบังแคโทด ทำให้เกิดเงากากบาทที่ผนังหลอดด้านแอโนด นอกจากนี้ เขายังพบว่า แท้จริงแล้วรังสีแคโทดมีประจุลบ และทำให้เบนทิศทางได้ด้วยสนามแม่เหล็ก แต่ทว่าการพัฒนาหลอดรังสีแคโทดไปเป็นหลอดรังสีเอกซ์ คงต้องกล่าวถึงชาวเยอรมันอีกท่านหนึ่งก่อน เขามีชื่อว่าฟิลิปป์ เลนาร์ด (Philipp Lenard) เขาคือผู้ที่เข้าใกล้การค้นพบรังสีเอกซ์ที่สุดก่อนที่ชัยชนะจะตกเป็นของเรินต์เกน |
| |
|
| |
หลอดของครูกส์มีการใส่กากบาทมอลทีสทำด้วยโลหะไว้ภายในหลอด |
|
เลนาร์ดเป็นผู้ช่วยของนักฟิสิกส์ชื่อดังชาวเยอรมันไฮน์ริช แฮร์ตซ์ (Heinrich Hertz) ซึ่งเชื่อว่ารังสีแคโทดน่าจะเหมือนกับรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งทะลุผ่านควอตซ์ได้ และเขาทำการทดลองไว้ครึ่ง ๆ กลาง ๆ ทิ้งไว้ให้เลนาร์ดสานต่อ ส่วนแฮตซ์ก็มุ่งไปศึกษาสมบัติของแม่เหล็กและไฟฟ้าต่อไป
ก่อนที่เลนาร์ดจะมาเป็นผู้ช่วยของแฮตซ์ เมื่อปี ค.ศ. 1888 เขาเคยทดลองให้รังสีแคโทดทะลุผ่านควอตซ์แต่ไม่สำเร็จ แสดงว่ารังสีแคโทดไม่เหมือนกับรังสีอัลตราไวโอเลต เมื่อมาอยู่กับแฮตซ์ในปี ค.ศ. 1892 เลนาร์ดจึงลองเปลี่ยนจากควอตซ์เป็นแผ่นอะลูมิเนียม และเขาทำการทดลองประสบผลสำเร็จในปี ค.ศ. 1894 โดยการเจาะหลอดรังสีแคโทดด้านที่เป็นแอโนดออกเป็นช่องหน้าต่าง (window) และปิดด้วยแผ่นอะลูมิเนียมที่มีความหนาต่าง ๆ กันแต่หนาพอไม่ให้อากาศภายนอกซึมผ่านเข้าไปในหลอดได้ ปรากฏว่าคราวนี้รังสีทะลุผ่านออกมาจากหลอดรังสีแคโทดได้ และก็ทำให้เกิดการเรืองแสงกับวัสดุที่เคลือบสารเรืองแสงได้ นอกจากนี้เลนาร์ดยังทดลองต่อไปว่า เขาสามารถทำให้รังสีแคโทดที่ผ่านออกมานอกหลอด และเคลื่อนออกไปในอากาศได้ราว 10 เซนติเมตรและเคลื่อนไปในสุญญากาศได้หลายเมตร ซึ่งเรื่องนี้เป็นไปไม่ได้ เพราะที่จริงรังสีนี้คือรังสีเอกซ์ที่มีการทะลุทะลวงสูงมาก ซึ่งเกิดจากรังสีแคโทดซึ่งก็คือกระแสของอนุภาคอิเล็กตรอน ที่ระดมยิงเข้าไปยังโลหะอลูมิเนียมที่ใช้ปิดช่องหน้าต่างและทำให้เกิดรังสีเอกซ์ได้ดังกล่าวแล้วข้างต้น อย่างไรก็ดี ช่องหน้าต่างที่ปิดไว้ด้วยแผ่นอะลูมิเนียมนี้ สร้างชื่อเสียงให้กับเลนาร์ดเป็นอย่างมาก และรู้จักกันดีในชื่อว่าหน้าต่างเลนาร์ด (Lenard window) ผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปี ค.ศ. 1905 |
|
|
รูปซ้าย ฟิลิปป์ เลนาร์ด (รูปจาก วิกิพีเดีย) รูปขวา หลอดรังสีแคโทดของเลนาร์ด ที่มีช่องหน้าต่างที่ปลายหลอดด้านแอโนด ปิดด้วยแผ่นอะลูมิเนียม มีความหนาเพียงพอรักษาสุญญากาศในหลอดไว้ (รูปจาก http://kr.cs.ait.ac.th/~radok/physics/k10.htm#K10) |
|
เนื่องจากในทศวรรษนั้นมีผู้ศึกษาหลอดรังสีแคโทดกันมาก คงมีหลายคนที่ได้เจอะเจอเข้ากับรังสีเอกซ์ที่ผ่านทะลุออกมาจากตัวหลอดอย่างที่เลนาร์ดประสบ ตัวอย่างที่ดีที่สุดคือกรณีของครูกส์ที่เขาพบว่าแผ่นไวแสงที่วางอยู่ใกล้ ๆ บริเวณที่เขาทดลองหลอดรังสีแคโทดอยู่นั้นเกิดฝ้าขึ้นได้เอง และครั้งหนึ่งเขาถึงกับส่งแผ่นไวแสงคืนผู้ผลิตทีเดียว ซึ่งสาเหตุคงเกิดจากรังสีเอกซ์ที่มีการทะลุทะลวงสูงไปทำให้เกิดรอยฝ้าขึ้น เพราะหลอดของครูกส์ได้ใส่กากบาทมอลทีสทำด้วยโลหะไว้ด้วย การศึกษากับหลอดแบบนี้ต้องระมัดระวังรังสีเอกซ์อ่อน ๆ ซึ่งเกิดขึ้นได้เสมอเมื่อใช้ความต่างศักย์ 5,000 โวลต์ขึ้นไป
อย่างไรก็ดี ผู้ที่เล่นกับหลอดรังสีแคโทดและสังเกตออกว่า เขากำลังเจอะเจอเข้ารังสีชนิดใหม่ที่ยังไม่เคยพบกันมาก่อนก็มีเพียงเรินต์เกนเท่านั้น
เมื่อปี ค.ศ. 1888 เรินต์เกนมารับตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ และผู้อำนวยการสถาบันฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยเวือร์ซบูร์ก และเริ่มศึกษาหลอดรังสีแคโทดตามกระแสนิยมในขณะนั้น อันที่จริง สิ่งที่เรินต์เกนต้องการศึกษาก็เพียง สมบัติของรังสีแคโทดที่เกิดขึ้น ซึ่งอาจทำให้ทราบได้ว่า รังสีชนิดนี้คืออะไร แต่แล้วสิ่งที่เขาค้นพบ กลับเป็นอีกสิ่งหนึ่ง และนั่นเป็นเหตุการณ์เมื่อวันที่ 8 พฤศจิกายน ค.ศ. 1895 ซึ่งเรินต์เกนบันทึกการค้นพบไว้ว่า ในขณะที่เขาปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอด ปรากฏว่าแผ่นกระดาษเคลือบด้วยแบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์ ที่วางอยู่ห่างไปกว่า 2 เมตรเกิดเรืองแสงขึ้นมาได้ เพราะเขารู้ว่ารังสีแคโทดออกมาภายนอกหลอดไม่ได้ สิ่งที่ทำให้เกิดการเรืองแสงนี้ จึงต้องเป็นรังสีอื่นที่ยังไม่มีใครรู้จักที่ผ่านออกมาจากหลอดนั้น และเขาตั้งชื่อว่ารังสีเอกซ์ เพราะยังไม่รู้ว่าธรรมชาติของรังสีชนิดนี้เป็นอย่างไร |
|
 |
เปรียบเทียบการเกิดรังสีเอกซ์ของหลอดแบบครูกส์ กับหลอดมาตรฐานในปัจจุบัน |
|
| เรินต์เกนง่วนอยู่ในห้องทดลองนั้นตลอดทั้งคืน และยังทั้งกินและนอนขลุกอยู่ในห้องทดลองนั้นอีกช่วงเวลาหนึ่ง จนพบว่า รังสีนี้เกิดขึ้นเมื่อรังสีแคโทดไปกระทบเข้ากับผนังหลอด หรือเมื่อใส่แผ่นอะลูมิเนียมบังไว้ที่ผนังหลอดก็ทำให้เกิดรังสีนี้ได้เช่นกัน และยังพบว่า รังสีเอกซ์ของเขาทะลุผ่านของที่มีความหนาแน่นต่ำ ๆ ได้มากว่าทะลุผ่านของที่มีความหนาแน่นสูงกว่า เช่น สามารถทุลุผ่านเนื้อเยื่อของมือ แต่ไม่ทะลุผ่านกระดูกได้น้อยกว่า จึงปรากฏเงาของกระดูกอยู่บนแผ่นฟิล์มที่วางไว้ด้านหลังได้ เพียงไม่กี่วันเรินต์เกนก็ค้นคว้าสมบัติต่าง ๆ ของรังสีเอกซ์ได้มากมาย เช่น เขาสรุปได้ว่า รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และมีพลังงานสูงกว่ารังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงสุดในขณะนั้น หรือไม่เกิดการหักเหเมื่อผ่านจากอากาศลงไปในน้ำ รวมทั้งไม่เกิดการเบนในสนามแม่เหล็ก (แสดงว่าไม่มีประจุไฟฟ้า) อีกด้วย |
|
|
รูปซ้าย เครื่องเอกซเรย์ของเรินต์เกน รูปขวา ภาพถ่ายเอกซเรย์มือที่สวมแหวนของภรรยาเรินต์เกน |
|
| เรินต์เกนได้นำเสนอผลงานนี้ที่สมาคมฟิสิกส์และแพทย์เวือร์ซบูร์ก (W?rzburg Physical and Medical Society) เมื่อวันที่ 28 ธันวาคม ค.ศ. 1895 และมีการแปลเป็นภาษาอังกฤษตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 23 มกราคม ค.ศ. 1896 และเพียงไม่กี่สัปดาห์ข่าวการค้นพบนี้ก็กระจายไปทั่วโลก |
| |
 |
| |
หลอดรังสีเอกซ์แบบต่าง ๆ (ภาพ: http://www.emory.edu/X-RAYS/century.htm) |
|
ภายในเวลาไม่กี่เดือนต่อมา ผลการทดลองนี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจวินิจฉัยทางการแพทย์ สำหรับตรวจดูความเสียหายภายในร่างกาย โดยไม่ต้องผ่าตัดออกดู ช่วยให้การแพทย์รุดหน้าและช่วยชีวิตคนไว้ได้มากมหาศาล เรินต์เกนไม่ยอมจดสิทธิบัตรการค้นพบรังสีเอกซ์ โดยเขายกให้เป็นสมบัติของมนุษยชาติ และผลงานนี้ ทำให้เรินต์เกนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1901 ซึ่งเป็นปีแรกที่มีการแจกรางวัลนี้
แหล่งข้อมูล |
- Moulton F.R and Schifferes J.J. (editors), The Autobiography of Science, Doubleday & company, INC, pp. 484 (1960).
- http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1905/index.html
- http://homepage.mac.com/dtrapp/people/Roentgenium.html
- http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page7.html
- http://e-radiography.net/history/general.htm
|
| |
