อะตอมเพื่อนของเรา (9)
บทที่ 8 โลหะมีชีวิต!

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ลุถึงปี ค.ศ. 1890 มนุษย์ไม่เพียงกุมบังเหียนพลังของไอน้ำเท่านั้น ทุกชาติที่เจริญแล้วยังเดินไปบนเส้นทางที่จะนำไฟฟ้ามาเป็นผู้รับใช้อีกด้วย ก็โดยพลังไอน้ำนี่เองที่มนุษย์สามารถนำพลังไฟฟ้ามาใช้ได้เป็นครั้งแรก แม้จะยังไม่เข้าใจอย่างแท้จริงถึงธรรมชาติของไฟฟ้าก็ตาม

เมื่อกว่าร้อยปีก่อนนักฟิสิกส์เริ่มสงสัยเป็นครั้งแรกว่าไฟฟ้าก็ประกอบขึ้นจากอะตอมเช่นเดียวกับสสารทั่วไป พวกเขาคิดว่าอะตอมของไฟฟ้าเป็นชิ้นเล็ก ๆ ที่เหมือนกันทุกประการ โดยมีประจุไฟฟ้าลบเล็ก ๆ เหมือนกันทั้งหมด ถ้าสิ่งใดมีพาหะประจุเล็ก ๆ พวกนี้มาสะสมอยู่มาก ๆ ก็เรียกว่าการเกิดประจุ ทั้งนี้นับตั้งแต่ปีค.ศ. 1874 แล้วที่นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อว่าสโตนีย์ได้ตั้งชื่อให้กับอะตอมของไฟฟ้าพวกนี้ไว้แล้ว โดยเขาเรียกพวกมันว่า “อิเล็กตรอน”
 
 
จอร์จ จอห์นสโตน สโตนีย์ ผู้ตั้งชื่ออิเล็กตรอน (www.irishmidlandsancestry.com)

เช่นเดียวกับอะตอมที่อิเล็กตรอนมีชื่อเรียกก่อนที่จะมีผู้ค้นพบมันเสียอีก และในทำนองเดียวกับอะตอมที่การค้นพบอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับว่าจะค้นพบกันเมื่อไรเท่านั้น เพราะว่าอิเล็กตรอนมีอยู่จริงและก็มีผู้ค้นพบแล้วจริง ๆ

เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบอะไรใหม่ พวกนักข่าวชอบเสนอข่าวว่านักวิทยาศาสตร์ค้นพบสิ่งใหม่ใน “หลอดทดลอง” ของพวกเขา แล้วอิเล็กตรอนก็ถูกค้นพบจากในหลอดจริง ๆ เสียด้วย เพียงแต่ไม่ใช่หลอดอย่างที่นักเคมีใช้กัน แต่เป็นหลอดชนิดที่หลายชั่วคนต่อมาได้รับการพัฒนาเป็นหลอดวิทยุและหลอดโทรทัศน์ หลอดรุ่นหลังสุดพวกนี้ยังมีชื่อสกุลเดิม คือยังเรียกกันว่า “หลอดอิเล็กตรอน” แม้ว่าจอภาพของหลอดโทรทัศน์ดูอย่างไรก็ไม่เป็นหลอดอีกแล้ว
 
 
หลอดโทรทัศน์ในปัจจุบันมีปลายด้านหนึ่งเป็นจอภาพ (http://www.jegsworks.com/)
บรรพบุรุษของหลอดอิเล็กตรอนสมัยใหม่เมื่อก่อนนั้นเป็นหลอดจริง ๆ คือลักษณะเป็นท่อแก้วปลายปิดทั้งสองข้าง มีลวดโลหะขั้วไฟฟ้าผนึกสนิทที่ปลายหลอดทั้งสองข้างต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ในตอนแรกก็ไม่มีอะไรเกิดขึ้น เหมือนกับที่ไม่มีอะไรเกิดขึ้นระหว่างขั้วสัมผัสทั้งสองข้างที่อยู่ภายในเต้าเสียบไฟฟ้าบนผนังในห้องนั่งเล่นของคุณ สาเหตุที่ประจุไฟฟ้าไปถึงกันไม่ได้ก็เพราะว่าอากาศระหว่างขั้วสัมผัสเป็นฉนวนที่ดี เมื่อรู้ดังนี้ ว่าในหลอดมีอากาศกางกั้นศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสองเอาไว้เป็นอย่างดี พวกนักฟิสิกส์ก็จึงค่อย ๆ สูบเอาอากาศออกจากหลอดเพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น นี่เท่ากับว่าฉนวนไฟฟ้าระหว่างลวดไฟฟ้าถูกสูบออกมากขึ้น ๆ และเมื่ออากาศเบาบางลงทุกที ๆ บางสิ่งก็เริ่มเกิดขึ้นคือการปล่อยประจุเกิดขึ้นอย่างเงียบ ๆ โดยกระแสของแสงอ่อนนวลได้ยืดขยายออกจากลวดไฟฟ้าข้างหนึ่งไปยังลวดไฟฟ้าอีกข้างหนึ่ง เห็นเป็นแสงเรืองพลิ้วสีแดง ๆ ม่วง ๆ อันประหลาด และเมื่ออากาศถูกสูบออกมากขึ้น ๆ แสงเรืองก็จางลงและหายไปในที่สุด อย่างไรก็ดี ด้านตรงข้ามกับลวดไฟฟ้าที่เป็นขั้วลบที่เรียกว่า “แคโทด” ผนังหลอดแก้วกลับเรืองขึ้นด้วยแสงวูบวาบสีเขียวซีด นี่เป็นแสงเรืองชนิดหนึ่งแบบเดียวกับแสงเรืองจากไม้ผุที่เห็นในตอนกลางคืน
 
 
หลอดอิเล็กตรอนยุคแรก ๆ (http://www.astro.virginia.edu/)
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อว่าฮิททอร์ฟกับชูสเทอร์ และเซอร์วิลเลียม ครูกส์นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จัดอยู่ในแถวหน้าของหมู่นักวิจัยด้านหลอดปล่อยประจุอันดึงดูดใจนี้ ในเวลาไม่นานพวกเขาก็ค้นพบว่าแสงเรืองเกิดจากรังสีชนิดหนึ่งที่ถูกปล่อยออกมาจากเส้นลวดแคโทด รังสีนี้เคลื่อนข้ามหลอดแก้วอันว่างเปล่าไป และเมื่อไปกระทบกับผนังหลอดแก้วด้านตรงข้ามก็ทำให้แก้วปล่อยแสงเรืองประหลาดนั้นออกมา เมื่อวางวัตถุชิ้นเล็ก ๆ อย่างเช่นกากบาท ขวางเส้นทางของรังสีในหลอดแก้ว ก็จะเกิดเงากากบาทบนผนังหลอดแก้ว
ฮิททอร์ฟ
ชูสเทอร์
ครูกส์
 
 
เงากากบาทบนผนังหลอดแก้วด้านตรงข้ามแคโทด (www.digicamhistory.com/)
ต่อมาก็ค้นพบอีกว่ารังสีนี้เบนได้เมื่อถือแท่งแม่เหล็กเข้าไปใกล้ ๆ หลอดแก้ว นี่แสดงว่ารังสีนี้ไม่ใช่รังสีแสงธรรมดา ๆ เท่านั้น แต่ต้องเป็นกระแสของอนุภาคที่มีประจุที่เกิดออกมาจากเส้นลวดขั้วลบ และยังหมายถึงอีกว่าอนุภาคพวกนี้พกพาปะจุลบไว้ด้วย ครั้งแรกครูกส์เรียกอนุภาครังสีพวกนี้ว่า “สสารส่องแสง” แต่ต่อมาไม่นานพวกมันก็ถูกเรียกตามที่สโตนีย์เลือกไว้ให้ก่อนแล้ว คือ อิเล็กตรอน!
 
 
รังสีเบนเมื่อถือแท่งแม่เหล็กเข้าไปใกล้ ๆ หลอดแก้ว (http://www.chem.uiuc.edu/)
ค.ศ. 1895 ปีนั้นในห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยเวือร์ซบูร์ก ประเทศเยอรมนี วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน ทำการทดลองเกี่ยวกับแสงฟลูออเรสเซนซ์ที่เกิดจากรังสีอิเล็กตรอน โดยเขาทำสิ่งที่เรียกว่าจอฟลูออเรสเซนซ์ขึ้นมา เป็นกระดาษแข็งฉาบด้วยสารเรืองแสงคุณภาพสูง อันเป็นผู้เบิกทางของจอโทรทัศน์และจอเรดาร์สมัยใหม่ของเรา ซึ่งก็สว่างขึ้นเมื่อมีอิเล็กตรอนมากระทบที่ผิวของมัน วันหนึ่งเขาวางจอนี้ไว้ห่างออกมาสองสามฟุตจากหลอดอิเล็กตรอนที่ทดลองด้วยศักย์ไฟฟ้าค่อนข้างสูง ทันใดนั้นเรินต์เกนก็พบว่าจอนั้นสว่างเรืองขึ้นมาได้เองในความมืด แต่เพราะว่ารังสีอิเล็กตรอนในหลอดของเขาไม่มีทางออกไปถึงจอนั้นได้ แต่จอก็ยังสว่างเรืองอยู่อย่างนั้น ด้วยความตื่นเต้น เรินต์เกนวิ่งออกไปที่โรงซ่อมสร้างคว้าได้แผ่นโลหะเอามาวางกั้นไว้ระหว่างหลอดกับจอนั้น แสงเรืองอ่อนลง แต่ก็ยังคงเรืองอยู่อย่างนั้น
เรินต์เกนและห้องทดลองของเขา (www.mwaltsgott.de/martin/wuerzburg_e.htm)

เรินต์เกนสรุปได้พลันทันใด ว่าหลอดแก้วนี้ต้องเป็นต้นกำเนิดของรังสีชนิดใหม่ซ ึ่งทะลุผ่านแผ่นกระดาษแข็งและแผ่นโลหะได้ ดังราวกับว่าเป็นแผ่นที่ทำด้วยแก้วใส

ต่อจากนั้นเขาก็กางฝ่ามือของเขาออกไปกางกั้นระหว่างหลอดกับจอ สิ่งที่เขาได้เห็นทำให้เขาถึงกับสะดุ้ง เพราะบนจอปรากฏภาพโครงกระดูกผีของฝ่ามือ เขาสามารถเห็นกระดูกนิ้วที่เหมือนใยแมงมุมและเล็กเรียว เขาลองขยับมือ ภาพกระดูกฝ่ามือก็เคลื่อนด้วยดังราวกับว่าเป็นภาพผีในกระจก เรินต์เกนกำลังมองดูโครงกระดูกของมือที่มีชีวิตของเขาเอง!
 

รังสีจากหลอดนี้ผ่านทะลุทั้งเลือดเนื้อและกระดูกของคนเป็น ๆ ได้ เพราะว่ากระดูกอย่างไรก็หนักกว่าและหนาแน่นกว่าเนื้อเยื่อนุ่ม ๆ ของเลือดเนื้อ เงาของกระดูกจึงปรากฏขึ้นมา เรินต์เกนรู้ว่าเขาได้ค้นพบรังสีประหลาดที่ไม่เคยรู้จักกันมาก่อน เพราะเขาไม่รู้ว่าเป็นรังสีอะไร เขาจึงเรียกว่า “รังสีเอกซ์” แต่ต่อมาไม่นานในประเทศที่ใช้ภาษาเยอรมันก็เรียกรังสีนี้ว่า “รังสีเรินต์เกน”

รังสีของเขาน่าตื่นเต้นและเรินต์เกนก็ได้รู้ว่าเขาได้กลายเป็นคนดังเพียงชั่วข้ามคืน ส่วนพวกหมอรู้กันทันทีว่า รังสีเอกซ์ทำให้แพทย์อย่างพวกเขามองทะลุเข้าไปในร่างกายของมนุษย์ได้ โดยไม่ต้องผ่าตัดเปิดออกมาดู พวกเขาสมามารถมองเห็นกระดูกหักกับอวัยวะที่กำลังทำงานได้ ถึงวันนี้รังสีเอกซ์ยังคงเป็นเครื่องมือสำคัญที่สุดในการวินิจฉัยความผิดปกติของร่างกายมนุษย์ รังสีนี้ได้กลายเป็นประโยชน์มหาศาลแก่มนุษยชาติที่กำลังทนทุกข์ด้วยโรคร้าย

นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาเกือบทศวรรษสำรวจธรรมชาติที่แท้ของรังสีเอกซ์ ที่แน่ ๆ คืออิเล็กตรอนที่เคลื่อนผ่านไปในหลอดแก้วต้องเป็นตัวการให้เกิดรังสีนี้ ปัจจุบันพบว่ารังสีเอกซ์แรงขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนพุ่งชนกับแท่งโลหะ การทำให้อิเล็กตรอนหยุดกึกในโลหะทำให้อิเล็กตรอนปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาได้ สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อประจุไฟฟ้าถูกอัดรวมกันแน่นในขวดโหลก็คือเกิดเป็นรังสีคล้ายกับแสงที่เรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ภายในหลอดเรินต์เกนลำอิเล็กตรอนความเร็วสูงเมื่อชนเข้ากับแท่งโลหะก็เหมือนกับถูกอัดอย่างแรงในขวดโหล และเป็นเหมือนขวดโหลที่ผลิตรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังสูงที่เรารู้จักกัน คือ รังสีเอกซ์ที่มีอำนาจทะลุทะลวง
 
 
หลอดรังสีเอกซ์ใช้แท่งโลหะทังสเตน (www.nurseslearning.com/)

หลอดอิเล็กตรอนที่นำไปสู่การค้นพบรังสีเอกซ์ดูเหมือนจะไม่เกี่ยวข้องกับหนังสือที่บอกเล่าเรื่องของอะตอม ที่จริงพวกนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาทั้งหลอดอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์ ไม่ได้ตั้งใจศึกษาเกี่ยวกับอะตอมเป็นหลัก เหมือนกับคนจำนวนมากที่กำลังเดินไปตามทางที่ไม่รู้ว่าเส้นทางนั้นจะไปสิ้นสุดที่ไหน

หากไม่มีหลอดอิเล็กตรอนก็จะไม่มีรังสีเอกซ์ หากปราศจากรังสีเอกซ์ก็จะไม่มีเหล่านักวิทยาศาสตร์มาศึกษาเพื่อค้นหาว่ารังสีเอกซ์คืออะไร การศึกษาเฉพาะทางนี้ไม่ได้เผยอรรถาธิบายเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นเป้าหมายก็ตาม พวกเขาไม่สามารถหาคำอธิบายที่ถูกต้องได้ก็เพราะว่าเขาตั้งสมมุติฐานไม่ถูกต้อง และด้วยข้อผิดพลาดนี้ ตอนนั้นทุกคนก็ยังคิดกันอยู่ว่าอะตอมเป็นเหมือนลูกบอลเล็ก ๆ แข็ง ๆ ที่ทำลายไม่ได้!

ปีถัดมาหลังการค้นพบรังสีเอกซ์ อองรี แบ็กเกอแรล ชาวฝรั่งเศส เกิดสนใจในโลหะราคาถูกที่เรียกว่ายูเรเนียม ในพจนานุกรมที่ประมวลขึ้นในยุคนั้น ได้นิยามยูเรเนียมไว้ว่า “โลหะหนัก ไร้ค่า ใช้ทำอะไรไม่ได้” แบ็กเกอแรลและแม้ในอีก 50 ปีต่อจากนั้น ยังรู้น้อยมากว่าโลหะไร้ค่านี้ จะกลายเป็นดาราดังของเหตุการณ์ทางวิทยาศาสตร์ขึ้นมาในตอนนั้น เขาสนใจมันเพราะเป็นที่รู้กันว่ายูเรเนียมทำให้วัตถุเกิดเรืองแสงได้ เมื่อเติมยูเรเนียมในรูปของเกลือยูเรเนียมเข้าไปในวัตถุ เขาคิดว่ารังสีเอกซ์น่าจะสัมพันธ์ในทางใดทางหนึ่ง กับแสงเรืองประหลาด ซึ่งอิเล็กตรอนหรือแสงแดดทำให้เกิดขึ้นในวัตถุเรืองแสง เป็นที่ทราบกันดีว่าเกลือยูเรเนียมให้แสงเรืองได้ชั่วขณะหลังจากนำไปรับแสงแดด
 
 
อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (www.digicamhistory.com/)
ดังนั้นแบ็กเกอแรลจึงลงมือทำการทดลองขึ้นชุดหนึ่ง โดยในตอนแรกเขาตากแดดตัวอย่างเกลือยูเรเนียมจำนวนหนึ่ง จากนั้นก็เอาตัวอย่างที่โดนแดดแล้วเรืองแสงจาง ๆ ได้ เอามาวางบนฟิล์มกระจกที่ห่อมิดชิดด้วยกระดาษดำ เมื่อเขาล้างฟิล์มกระจกก็พบว่าเกลือยูเรเนียมสามารถให้แสงกับฟิล์มกระจกได้จริง ๆ โดยเกิดเป็นจุด ๆ เหมือนหมอกมัวทั่วบริเวณที่เขาวางตัวอย่างเอาไว้ นั่นคือเกลือพวกนี้ให้แสงกับฟิล์มกระจกโดยผ่านทะลุกระดาษที่ห่อไว้หนาเตอะเข้าไปได้ ราวกับว่าพวกมันเป็นต้นกำเนิดรังสีเอกซ์ที่มีอำนาจทะลุทะลวง แบ็กเกอแรลคาดว่าเขาเจออะไรเข้าแล้ว
 
 
แบ็กเกอแรลในห้องทดลองของเขา (mips.stanford.edu/)
วันหนึ่งในนครปารีสฝนก็เริ่มตกและตกไม่หยุดไปตลอดสัปดาห์ ทำให้ไม่มีแสงแดดสำหรับตากตัวอย่างเกลือยูเรเนียมของแบ็กเกอแรล เขาจำต้องพักการทดลอง แต่พอวันที่ไม่มีแดดผ่านไปได้เพียง 3 วัน เขาก็หมดความอดทน เขาทำการทดลองต่อไปโดยไม่อาศัยแสงแดด เขาวางตัวอย่างเกลือยูเรเนียมอันหนึ่งลงบนฟิล์มกระจกที่ห่อไว้แล้ว โดยที่ตัวอย่างนั้น ไม่ได้เคยนำไปตากแดดมาก่อนและไม่ได้มีแสงเรืองเสียด้วย ทว่าตัวอย่างนี้ก็ให้แสงกับฟิล์มกระจกได้อยู่ดี! รังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงจากเกลือยูเรเนียม ไม่มีความเกี่ยวข้องใดเลยกับแสงแดดหรือแสงเรือง รังสีนี้ไม่เกี่ยวข้องอะไรเลยกับความจริงที่ว่าเขาใช้เกลือยูเรเนียม ไม่ใช่ยูเรเนียมบริสุทธิ์
 
 
ฟิล์มกระจกของแบ็กเกอแรล (commons.wikimedia.org/)
ตอนนั้นยูเรเนียมดังราวกับว่ามัน “มีชีวิต” ที่ปล่อยรังสีประหลาดชนิดใหม่ออกมาอยู่ตลอดเวลา อันทำให้ฟิล์มกระจกเกิดหมอกมัวได้แม้รังสีนี้ต้องทะลุผ่านสิ่งที่ห่อหุ้มไว้ มันคือกัมมันตรังสี แบ็กเกอแรลได้ค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ซึ่งสำหรับเราที่อยู่ในยุคอะตอมแล้ว คงพอจะพอคุ้นเคยกับ “ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี” การค้นพบครั้งนี้เป็นจุดเริ่มต้นของสิ่งใหม่เอี่ยม เป็นเพียงจุดเล็ก ๆ ที่นำไปสู่สิ่งยิ่งใหญ่ของการค้นพบอะตอมที่กำลังรออยู่เบื้องหน้า สิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไปก็เหมือนกับสโนว์บอลที่ค่อย ๆ โตขึ้นจนทำให้เกิดหิมะถล่มได้
หิมะถล่มอาจเกิดจากสโนว์บอลลูกเล็ก ๆ ที่โตขึ้นเรื่อย ๆ
 
แปลจาก CHAPTER EIGHT: METALS ALIVE! ของหนังสือ The WALT DISNEY story of OUR FRIEND THE ATOM by Heinz Haber, Published by DELL PUBLISHING CO., INC., N.Y., 1956