ห้องฟอง BUBBLE CHAMBER

จนถึงหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 วิธีที่ดีที่สุดในการตามดูรอยทางของอนุภาคย่อยกว่าอะตอม (subatomic particles) ก็โดยการใช้ห้องหมอกที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยชาร์ลส์ ที. อาร์. วิลสัน เมื่อปี ค.ศ. 1911 ห้องหมอกของวิลสันบรรจุไว้ด้วยอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำ อนุภาคที่พุ่งผ่านทะลุมา ทำให้ทุกอะตอมที่ถูกมันชนแตกตัวเป็นไอออนเพราะอิเล็กตรอนของอะตอมพวกนั้นถูกกระแทกกระเด็นไป และรายรอบไอออนเหล่านี้นี่เองที่เป็นสื่อให้หยดน้ำเล็ก ๆ ก่อตัวขึ้นได้ จนเป็นรอยทางที่มองเห็นได้ และลักษณะของรอยทางนี้ช่วยในการศึกษาเกี่ยวกับชนิดและสมบัติของอนุภาคเหล่านั้นได้

แต่ทว่าอากาศมีอะตอมอยู่ค่อนข้างน้อย การถูกอนุภาคชนจึงน้อยด้วย และดังนั้นรอยทางในห้องหมอกจึงเกิดอย่างบางเบา ทำให้พลาดเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ๆ ได้ง่าย ๆ และรายละเอียดเล็ก ๆ ของเหตุการณ์ที่โดยเปรียบเทียบแล้วเกิดขึ้นไม่รวดเร็วแต่ก็จะเห็นได้ไม่ชัดเจน

ของเหลวหนาแน่นกว่าแก๊สมาก ดังนั้น อนุภาคที่พุ่งเข้าไปในของเหลวก็ย่อมกระแทกกับอะตอมมีจำนวนมากกว่าที่กระแทกในแก๊ส แต่จะใช้ของเหลวมาดูรอยทางของอนุภาคได้อย่างไร?

ในปี ค.ศ. 1952 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อว่าโดนัลด์ เอ. เกลเซอร์ (Donald A. Glaser) ขณะนั่งดื่มเบียร์พูดคุยกัน ได้สังเกตเห็นการเกิดฟองภายในแก้วเบียร์ จึงเกิดความคิดว่าแทนที่จะตามดูหยดน้ำที่เกิดในอากาศ การตามดูฟองแก๊สในของเหลวน่าจะง่ายดายกว่า เรื่องของเบียร์นี้พูดกันทั่วไปและมีเขียนไว้หลายที่ แต่เมื่อปี ค.ศ. 2006 นี้เอง เกลเซอร์ปฏิเสธว่าพูดกันไปเอง

เมื่อท่านให้ความร้อนแก่ของเหลวจนถึงจุดที่มันกำลังจะเดือดเป็นฟองปุด ๆ ขึ้นมาอยู่รอมร่อ จากนั้นก็เพิ่มความดันเข้าไปเพื่อกดไว้ไม่ให้ของเหลวนั้นเดือด เรียกว่าอยู่ในสภาวะร้อนยวดยิ่ง (superheated) ซึ่งพร้อมที่จะเดือดปุด ๆ ได้ทันทีที่ถูกกระทบกระเทือน ดังนั้นเมื่อมีอนุภาคย่อยกว่าอะตอมพุ่งผ่านของเหลวนั้น ก็จะทำให้เกิดไอออน และที่รอบ ๆ แต่ละไอออนจะเกิดการเดือดเห็นเป็นฟองเล็ก ๆ ในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งสามารถบันทึกภาพไว้ได้ ก่อนสิ้นปี ค.ศ. 1952 นั้นเอง เกลเซอร์ก็ประดิษฐ์ “ห้องฟอง” เครื่องแรกได้สำเร็จ

ตอนแรกของเหลวที่เขาเลือกใช้คือ อีเธอร์ จากนั้นก็เปลี่ยนไปใช้ไฮโดรเจนเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งอุณหภูมิต่ำทำให้ประสิทธิภาพสูงกว่าและเห็นรอยทางได้ชัดเจนกว่า ด้วยห้องฟองนี้ แม้แต่อันตรกิริยาของอนุภาคที่เร็วมาก ๆ ก็ยังสังเกตเห็นได้โดยละเอียด ผลงานนี้ทำให้เกลเซอร์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1960

หลักการทำงานของห้องฟองก็คือ บรรจุไฮโดรเจนเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด (-252.87 องศาเซลเซียส) ไว้ในห้องฟองภายใต้ความดันประมาณ 10 บรรยากาศโดยใช้กระบอกสูบกดดันไว้ ความดันที่สูงเช่นนี้ทำให้ไม่เกิดการเดือด เมื่อมีอนุภาคผ่านเข้าไปก็ดึงลูกสูบออกให้ความดันลดลง ทำให้ฟองก่อตัวตามรอยทางของอนุภาค และติดกล้องถ่ายรูปไว้บันทึกภาพรอยทางไว้ จากนั้นเมื่อดันลูกสูบอัดกลับเข้าไป ฟองก็จะหายไป เตรียมพร้อมที่จะทำงานรอบใหม่

1. Cloud Chamber โดย Isaac Asimov
2. http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy411/bubble.html