อะตอมเพื่อนของเรา (12)
บทที่ 11 จ่อยิงอะตอม
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

สมมติว่าสามารถเอาอะตอมมาร้อยด้ายเป็นสร้อยได้แบบเดียวกับการร้อยสร้อยไข่มุก เด็กหญิงคนหนึ่งเริ่มต้นร้อยสายสร้อยอะตอมยาว 25 นิ้วให้ตัวเอง เธอชำนาญมากและอดทนยิ่ง เธอร้อยด้วยความเร็ว 1 อะตอมต่อวินาทีและไม่หยุดเลยไม่ว่ากลางวันหรือกลางคืน

เธอจะร้อยสายสร้อยของเธอเสร็จเมื่อใดกันหนอ?

ไม่น้อยกว่า 200 ปีขึ้นไป!

นี่เป็นเพียงวิธีหนึ่งที่จะแสดงให้รู้ว่าอะตอมมีขนาดเล็กเพียงใด เรื่องของเรามาถึงตรงนี้ตรงที่เราต้องพยายามให้เห็นภาพความเล็กอย่างที่สุดของอะตอมให้ได้ แม้ว่าสิ่งนี้แสดงให้สมจริงไม่ได้ แต่เราก็ต้องพยายามทำ เพราะว่าในขั้นต่อไปของเรา กำลังจะนำพวกเราเข้าไปข้างในของอะตอมทีเดียว

ความคิดของขั้นตอนเช่นนี้ช่างน่าอัศจรรย์ เพราะนี่คืออะตอมที่เล็กเกินกว่าตาเห็นและมือจะจับต้อง ด้วยวิธีการศึกษาธรรมดา ๆ ตัดสินได้เลยว่ามีแต่ทางล้มเหลว นี่คือปัญหาสำหรับวิทยาศาสตร์ของเราในตอนต้นศตวรรษที่ 20 ประสบ ก็คือการตรวจสอบโครงสร้างและแกะรอยสถาปัตยกรรมที่เล็กจิ๋วนี้เอง โชคยังดีที่เกิดการค้นพบวิธีหนึ่งสำหรับแกะรอยอะตอมเดี่ยว ๆ ได้ นี่เป็นวิธีการง่าย ๆ และไม่เพียงแกะรอยอะตอมเดี่ยว ๆ ได้ แต่ยังแกะรอยไปถึงพวกชิ้นส่วนเล็ก ๆ ที่ปลดปล่อยออกมาจากภายในอะตอมกัมมันตรังสีได้ด้วย โดยการใช้ความเร็วมหาศาลของอนุภาครังสีนั่นเองที่ทิ้งร่องรอยไว้ให้เห็นได้

วิธีนี้ใช้จอเรืองแสงหรือจอฟลูออเรสเซนซ์แบบเดียวกับที่กล่าวถึงมาแล้วในตอนที่กล่าวถึงรังสีอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์ ลองพิจารณาอนุภาค-แอลฟา 1 อนุภาคที่พุ่งออกมาจากข้างในอะตอมเรเดียมที่กำลังแตกสลาย ความเร็วของมันสูงถึงหลายพันไมล์ต่อวินาที การกระแทกจึงรุนแรงมากเมื่อพุ่งชนเข้าไปที่จอเรืองแสงนั้น คงจำได้ว่าอนุภาค-แอลฟาเป็นชิ้นส่วนเล็กมากของอะตอมก็จริง-แต่มันชนจอนั้นสนั่นก็เนื่องมาจากมันมีความเร็วมหาศาล เกิดเป็นการระเบิดเล็ก ๆ ที่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ โดยเห็นเป็นประกายวาบหนึ่งเล็ก ๆ

คุณสามารถสาธิตกิริยานี้ได้ด้วยนาฬิกาข้อมือที่มีพรายน้ำของคุณเอง พรายน้ำที่เคลือบบนหน้าปัดนาฬิกาเป็นวัสดุกัมมันตรังสีผสมกับสารเรืองแสง ในแต่ละวินาทีมีอนุภาค-แอลฟานับร้อยที่กระแทกเข้ากับสีเรืองแสงหลายร้อยครั้ง การกระแทกครั้งหนึ่งก็ทำให้เกิดประกายวับเล็ก ๆ ขึ้นครั้งหนึ่ง และประกายวับที่วาบอย่างต่อเนื่องก็ทำให้หน้าปัดสว่างเรืองได้ราง ๆ ในที่มืด เมื่อส่องดูหน้าปัดด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเห็นเหมือนการแสดงดอกไม้ไฟย่อส่วนอย่างต่อเนื่อง ประกายวับที่เกิดจากอนุภาคของอะตอมในวัสดุเรืองแสงนี้เรียกว่า “แสงวับ”

ข้อเท็จจริงนี้ ที่ว่าเราสามารถตามร่องรอยของอนุภาค-แอลฟาเดี่ยว ๆ ได้ เป็นเรื่องตื่นเต้นมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์ มันหมายถึงว่าสามารถใช้อนุภาคนี้เป็นเครื่องมือสำรวจได้ และก็เช่นกับที่ผ่านมาในทางวิทยาศาสตร์ เมื่อมีการค้นพบอะไรใหม่ ก็จะกลายเป็นเครื่องมือสำหรับค้นพบสิ่งอื่น ๆ ต่อ ๆ ไปอีก ยกตัวอย่างการพัฒนาจรวด ทำให้มนุษย์สามารถส่งเครื่องมือกลหลายอย่างขึ้นไปในชั้นบรรยากาศตอนบนสูงขึ้นไปนับร้อยไมล์ ซึ่งมันจะเป็นผู้สื่อข่าวที่รายงานกลับมายังพื้นโลกอย่างซื่อสัตย์ ว่ามันเห็น ได้ยิน และสัมผัสอะไรได้ เช่นกัน ตอนต้นศตวรรษที่ 20 พวกนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถยิงอนุภาค-แอลฟาของพวกเขาเข้าไปในอะตอม มันเล็กพอที่จะทำหน้าที่ผู้สื่อข่าว เพราะก็รู้อยู่แล้วว่ามันเป็นชิ้นส่วนของอะตอมเอง ดังนั้นเพื่อสำรวจอะตอม นักวิทยาศาสตร์ก็ใช้ลูกกระสุนปืนที่ได้มาจากอะตอมเสียเอง

นักวิทยาศาสตร์คนแรก ๆ ที่ทำเช่นว่า เป็นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันสองคนคือไกเกอร์กับมาร์สเดน พวกเขาสังเกตพบบางสิ่งที่แปลกประหลาดเป็นที่สุด และผลลัพธ์ของพวกเขากระตุ้นให้เซอร์เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดดำเนินแนวทางวิจัยนี้ต่อไปอย่างละเอียดลออยิ่งขึ้น รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักวิทยาศาสตร์นามอุโฆษชาวอังกฤษผู้สามารถให้อรรถาธิบายธรรมชาติของกัมมันตรังสีได้สำเร็จ โดยเขาแสดงให้เห็นว่าอะตอมมีการแตกสลาย และด้วยผลงานของเขาทำให้เกิดคำถามขึ้นว่า โครงสร้างหรือสถาปัตยกรรมของอะตอมนั้นมีหน้าตาเป็นอย่างไร เขาเริ่มต้นด้วยการทดลองระดมยิงอย่างขนานใหญ่ ซึ่งเขาหาวิธีจ่อยิงเข้าไปในอะตอม

ไกเกอร์
(www.hep.manchester.ac.uk)
มาร์สเดน
(http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/ webdocs/Gallery/Gallery0.html)
รัทเทอร์ฟอร์ด
(elements.vanderkrogt.net/ elem/rn.html)

ปืนกลอะตอมของเขาก็คือตัวอย่างเรเดียมที่ฝังไว้ในบล็อกตะกั่วที่มีช่องเปิดเล็ก ๆ สำหรับให้รังสีหลุดลอดออกมาได้เป็นลำตรง เขาบรรจุบล็อกนี้ไว้ในโถแก้วที่สูบเอาอากาศออกทำให้ค่อนข้างเป็นสุญญากาศ เพื่อไม่ให้มีหรือมีโมเลกุลของอากาศน้อยที่สุดที่จะมารบกวนกระสุนของเขา ลูกกระสุนจากอะตอมของเขาเคลื่อนไปเป็นเส้นตรงราวกับลูกระสุนปืนกลที่ยิงแบบจ่อ ๆ

เพื่อให้เห็นลูกปืนกระทบเป้า รัทเทอร์ฟอร์ดใช้จอเรืองแสงติดตั้งที่ด้านหน้าของกล้องจุลทรรศน์ ตอนแรกเขาตั้งกล้องจุลทรรศน์ที่ติดตั้งจอไว้นั้น ให้สายตามองผ่านกล้องตรงพอดีกับลำกล้อง “ปืน” ของเขา ซึ่งบนจอนั้นเขาเห็นประกายแวบวับอย่างต่อเนื่องตรงจุดที่กระสุนจากปืนยิงมากระทบ

จากนั้นเขาก็นำเอาแผ่นทองคำเปลวบางอย่างที่สุด-บางกว่า 1 ใน 100,000 ของ 1 นิ้ว-มาวางขวางไว้ข้างหน้าปืนนั้น แม้แผ่นทองคำเปลวจะบางถึงปานนั้น แต่เพราะว่าอะตอมเล็กมาก ซึ่งเมื่อมองด้วยตาอะตอม แผ่นทองคำเปลวนี้ก็เป็นเสมือนกับกำแพงหนามากกว่า 2,000 อะตอมซ้อนกัน และอะตอมทองคำหนักมากเท่ากับไฮโดรเจน 197 อะตอม ในธรรมชาติมีไม่กี่ธาตุที่มีอะตอมหนักกว่าอะตอมทองคำ ดังนั้น เมื่อกล่าวในระดับอะตอม กำแพงทองคำหนา 2,000 อะตอมก็เปรียบได้กับโล่โลหะ

อีกครั้งที่รัทเทอร์ฟอร์ดมองลอดผ่านกล้องจุลทรรศน์ของเขา แล้วเขาก็ต้องประหลาดใจที่เห็นประกายวับ ๆ อย่างต่อเนื่องบนจอเรืองแสงเหมือนเดิม โดยผ่านทะลุกำแพงของอะตอมทองคำเปลวไปได้ดังราวกับว่ามันไม่ได้ตั้งอยู่ตรงนั้นเลย!

เรื่องความหนาของกำแพงนั้น หากว่าอะตอมทองคำโตสักขนาดลูกเบสบอล กำแพงนี้ก็ต้องหนาประมาณ 400 ฟุต หนากว่ากำแพงทั้งหมดทั่วทั้งเมือง แต่ลูกกระสุนจากอะตอมกลับยิงผ่านทะลุกำแพงที่ว่านี้แล้วยังกระทบเข้าไปที่จอเรืองแสงอีก อย่างเดียวกับตอนแรกที่ยังไม่มีแผ่นทองคำเปลวมาวางขวางทางไว้ โดยจุดเป้าบนจอยังคงมีประกายแวบวับเจิดจ้าอย่างที่เคยเกิดขึ้น

ถึงตรงนี้ แนวคิดโบร่ำโบราณเกี่ยวกับอะตอมก็พลันสูญสลายกลายเป็นความว่างเปล่า ไม่มีทางที่อะตอมจะเป็นก้อนแข็ง ๆ ที่ไม่สามารถทะลุผ่านไปได้อย่างที่เคยคิดกัน ว่ามันเป็นลูกบอลเล็ก ๆ ที่แข็งแกร่งที่สุด ว่าแต่อะไรเล่าที่เกิดขึ้นจริง ๆ กับการจ่อยิงใส่อะตอม

รัทเทอร์ฟอร์ดสืบเสาะต่อไปไม่ลดละผ่านกล้องจุลทรรศน์ของเขา โดยยังวางแผ่นทองคำเปลวขวางไว้เช่นเดิม แล้วเขาก็เห็นบางสิ่งบางอย่าง คือมีแสงแวบเล็ก ๆ บนจอห่างออกไปด้านข้างของพื้นที่เป้าหมาย แล้วเขาก็เห็นมันอีกแวบหนึ่งซึ่งคราวนี้เกิดขึ้นทางอีกด้านหนึ่งตรงขอบนอกสุดเท่าที่เขามองเห็นได้... แล้วก็อีกแวบหนึ่งห่างออกไปอีกทางหนึ่ง

เขาขยับกล้องจุลทรรศน์ของเขาออกไปด้านข้างไม่ให้กล้องส่องตรงเข้าไปตามแนวกระบอกปืน คราวนี้ที่จอดำมืดไม่มีประกายวับ ๆ อย่างเคย แต่ตรงนั้น—มีประกายเล็ก ๆ ขึ้นแวบหนึ่ง ตรงที่มีกระสุนนัดเดียวมากระทบจอ

เขาเอากล้องจุลทรรศน์กับจอเคลื่อนรอบไปยังจุดที่ตั้งฉากกับแผ่นทองคำเปลว

คราวนี้แนวสายตาของเขาตัดขวางพอดิบพอดีกับห่ากระสุนที่ระดมยิงออกมา แล้วก็อีกครั้งที่มีประกายวับเกิดขึ้นแวบหนึ่งบนจอ! กระสุนจากอะตอมลูกนี้ต้องกระดอนออกมาจากอะไรบางอย่าง แล้วมาโดนฉากโดยการกระดอนออกมาเป็นมุมฉาก

จากนั้นเขาก็ขยับกล้องจุลทรรศน์กับฉากไปไว้ที่ด้านหลังของห่ากระสุน ทำให้แนวสายตาอยู่แนวเดียวกับกระสุนของเขา แบบเดียวกับที่คนยิงปืนกลอยู่ด้านหลังอาวุธของเขา แล้วประกายอีกวับหนึ่งก็ยังเกิดขึ้นบนจอได้อีก แสดงว่ากระสุนลูกนี้ต้องกระดอนกลับหลังมาหาเขาเหมือนกับลูกกระสุนกระดอนกลับหลังมาจากแผ่นโล่

 
 
http://wps.prenhall.com/

รัทเทอร์ฟอร์ดทำการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีก เขานับจำนวนลูกกระสุนที่พุ่งตรงทะลุผ่านกำแพงอะตอมของเข และนับจำนวนลูกกระสุนที่กระดอนออกไปในทิศทางอื่น ๆ ผลลัพธ์น่าทึ่งมาก ในจำนวนกระสุน 8,000 นัดจะมีอยู่ 1 นัดที่กระดอนออกไปทางอื่น!

นั่นเป็นสถานการณ์คร่าว ๆ ที่รัทเทอร์ฟอร์ดเผชิญ เขาให้เหตุผลว่ากำแพงหนักที่ทำด้วยอะตอมทองคำนั้น แท้จริงเปรียบได้กับเปลือกหอยที่แทบจะเป็นว่างเปล่ามาเรียงกันเป็นชั้น ๆ แต่ต้องมีอะไรสักอย่างอยู่ข้างในเปลือกหอยพวกนั้นเป็นจุดเล็ก ๆ อยู่ตรงกลาง โดยเป็นแก่นแข็งที่ทำให้เกิดการกระดอนออกมาได้ แม้เกิดไม่บ่อยก็ตาม แก่นนี้ต้องเล็กจนเหลือเชื่อ—เล็กกว่าตัวอะตอมเองเป็นอันมาก การที่แก่นนี้ต้องเล็กมากก็เพราะว่าโอกาสที่จะยิงไปโดนมันมีน้อยนั่นเอง

รัทเทอร์ฟอร์ดเรียกแก่นเล็ก ๆ นี้ว่า “นิวเคลียส” ของอะตอม จากบันทึกของเขา การยิงโดนกับไม่โดนทำให้รู้ว่านิวเคลียสนั้นมีขนาดเล็กเพียงใดเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของอะตอม นั่นคือเล็กกว่ากัน 10 ต่อ 50,000 เท่าตัว!

ที่จริงอะตอมก็เพียงเสมือนเปลือกหอยที่ว่างเปล่า—แทบว่างเปล่า ในทางปฏิบัติแล้ว น้ำหนักทั้งหมดของอะตอมกระจุกแน่นอยู่ในนิวเคลียสเล็ก ๆ ที่เหลือนอกนั้นเป็นเนื้อที่อันว่างเปล่า

 
 
อะตอมฮีเลียมซึ่งตรงกลางคือนิวเคลียสขนาดราว 1 เฟมโตเมตร (www.answers.com/)

นี่มิใช่เพียงการค้นพบที่ผู้สื่อข่าวตัวน้อยของรัทเทอร์ฟอร์ดนำออกมาจากข้างในอะตอม นิวเคลียสไม่เพียงแต่เล็กอย่างที่สุดและชวนพิศวงเท่านั้น มันยังหนักมากสำหรับกับขนาดของมัน แล้วมันยังมีประจุไฟฟ้าอีกด้วย สิ่งนี้พิสูจน์ได้จากวิธีที่อนุภาค-แอลฟากระดอนออกมาจากนิวเคลียสของอะตอม—หรือน่าจะพูดให้ดูเป็นภาษาวิทยาศาสตร์ว่า มันเบนออกจากแนวเส้นตรง

ก่อนหน้านี้เรารู้กันแล้วว่าอนุภาค-แอลฟามีประจุไฟฟ้าบวกอยู่ 2 หน่วย นิวเคลียสก็เช่นกันที่มีประจุบวก นิวเคลียสของอะตอมทองคำแต่ละอะตอมมีประจุไฟฟ้าบวกที่แรงมา—79 หน่วย! และอย่างที่รู้กันว่ามีแรงกระทำระหว่างประจุ 2 ประจุที่มีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน เป็นแรงที่เข้มแข็งมากที่ผลักพวกมันออกจากกัน ในทางกลับกัน ประจุบวกกับประจุลบดึงดูดกันและกันเช่นเดียวกับที่แม่เหล็กดึงดูดชิ้นเหล็ก ทีนี้ในเมื่ออนุภาค-แอลฟาและนิวเคลียสต่างก็เป็นประจุบวกทั้งคู่ พวกมันจึงผลักกัน ดังนั้น ขณะเมื่อกระสุน-แอลฟากำลังเคลื่อนเข้าไปที่เป้านิวเคลียส ยิ่งใกล้เข้าไป แรงกระทำที่ผลักให้ทั้งคู่ออกจากกันก็ยิ่งเพิ่มขึ้นและเพิ่มขึ้น ราวกับว่ามีมือน้อย ๆ ที่มองไม่เห็นที่ทำให้นิวเคลียสผลักอนุภาค-แอลฟาออกไปด้านข้าง ดังนั้นมันจึงเคลื่อนต่อไปในทิศทางต่างไปจากเดิม หากกระสุน-แอลฟาเข้าใกล้นิวเคลียสแถว ๆ ตรงศูนย์กลาง มันก็จะถูกผลักออกมาเป็นมุมที่แคบ และในกรณีน้อยครั้งที่การยิงไปตรงตรงกับศูนย์กลางของนิวเคลียสพอดี อนุภาค-แอลฟาก็จะค่อยช้าลงและหยุดลงตรงที่อีกเล็กน้อยจะถึงนิวเคลียส แล้วก็จะถูกผลักด้วยแรงมหาศาลเหวี่ยงให้ถอยหลังกลับมาทิศทางเดิม ราวกับว่ากระดอนออกมาจากขดลวดสปริงที่ถูกกดอย่างแรง

ดั่งนี้เซอร์เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดทำการทดลองของเขาได้อย่างยอดเยี่ยมเกี่ยวกับการจ่อยิงใส่อะตอม เขาค้นพบนิวเคลียสของอะตอม วัดขนาดอันเล็กเหลือเชื่อของมันได้ และพิสูจน์ว่ามันมีประจุไฟฟ้า

นิวเคลียสของอะตอมก็คือภาชนะใบน้อยที่จีนี่ในเรื่องของเราถูกกักขังอยู่ในนั้น และปีที่ค้นพบนิวเคลียสคือ ค.ศ. 1911

 
แปลจาก CHAPTER ELEVEN: THE ATOMIC SHOOTING RANGE ของหนังสือ The WALT DISNEY story of OUR FRIEND THE ATOM by Heinz Haber, Published by DELL PUBLISHING CO., INC., N.Y., 1956