ลำดับเหตุการณ์ฉบับสมบูรณ์เรื่องโครงสร้างของอะตอม
A Complete Timeline for Atomic Structure

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

• ยุคกรีก นักปรัชญาชาวกรีกชื่อ ดีโมคริตุส (Democritus) เป็นบุคคลแรกที่เสนอแนวคิดว่าในโลกมี “ช่องว่าง” (void) หรือ “ความว่างใหญ่” (great nothing) ด้วยคำที่เขาใช้นั้น เขาเขียนว่า “สิ่งที่เรียกว่าขม สิ่งที่เรียกว่าหวาน แท้จริงมีแต่ อะตอม กับ ช่องว่าง” (by convention bitter, by convention sweet, but in reality atoms and void.)
• 1704 ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) เป็นคนแรก ๆ ที่เสนอ “เอกภพเชิงกล” (mechanical universe) ความเชื่อ คือ เอกภพสร้างขึ้นจากมวลของของแข็งเล็ก ๆ ที่เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา
• 1803 จอห์น ดอลตัน (John Dalton) สร้างทฤษฎีอะตอม (Atomic Theory) โดยแถลงว่า อะตอมของธาตุหนึ่ง ย่อมแตกต่างกับอะตอมของธาตุอื่น อะตอมของธาตุเดียวกันย่อมเหมือนกัน อะตอมของธาตุต่างชนิดกันย่อม เข้ารวมกันได้ อะตอมไม่อาจแบ่งแยกได้ (indivisible) และธาตุย่อมสร้างขึ้นจากอนุภาคเล็ก ๆ เรียกว่าอะตอม
• 1832 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ผู้ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ได้ศึกษาผลของกระแสไฟฟ้า ต่อสรรพสิ่ง เขาทำการทดลองมากมายในการใช้ไฟฟ้าแยกสลายโมเลกุล และได้พัฒนาเป็นกฎขึ้นมา ซึ่งเขา บัญญัติคำเรียกหาว่า “การแยกสลายด้วยไฟฟ้า” (electrolysis)
• 1859 ยูลีอุส เพลอเคอร์ (Julius Pluecker) ศึกษารังสีแคโทด (cathode rays) ซึ่งคุ้นเคยกว่าในชื่อว่า ลำอิเล็กตรอน (electron beams) เขาประดิษฐ์หลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube หรือ CRT) ที่ช่วยให้มอง เห็นลำอิเล็กตรอนได้
• 1869 ดีมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) เป็นคนหนึ่งที่เสนอกฎพีริออดิก (Periodic Law) โดยจัดธาตุ ทั้งหมดเป็น 7 ประเภทตามสมบัติที่คล้ายคลึงกัน และเรียงกันตามน้ำหนักเชิงอะตอม (atomic weight)
• 1873 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) นักฟิสิกส์ชาวสกอต ทำการทดลองเกี่ยวกับ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฉบับ (classical electromagnetic theory) เขาเสนอว่า “ช่องว่าง” มีจริงและช่องว่าง นี้บรรจุไว้ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ผลงานด้านแม่เหล็กไฟฟ้าของเขาได้รับยกย่องว่าเป็น “การรวมเป็นหนึ่งที่ ยิ่งใหญ่เป็นอันดับสองของวิชาฟิสิกส์” (second great unification in physics)
• 1874 จี.เจ. สโตนีย์ (G.J. Stoney) เป็นนักฟิสิกส์คนแรกที่เสนอว่าไฟฟ้าประกอบขึ้นจาก อนุภาคย่อยกว่าอะตอม (subatomic particle) ที่มีประจุลบ อิเล็กตรอนคือสิ่งที่รวมเข้ากับโปรตอนและนิวตรอนกลายเป็นอะตอม อันเป็น หน่วยการสร้าง (building block) ของเอกภพ
• 1879 เซอร์วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) เป็นอีกคนหนึ่งที่ศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดโดยพบว่า รังสีแคโทดเคลื่อนเป็นเส้นตรงจากขั้วไฟฟ้าด้านแคโทด และถ่ายประจุลบให้กับวัตถุที่มันกระทบ พบว่าเมื่อกระทบ ผนังหลอดแก้วก็เกิดเรืองแสง (fluoresce) พบว่าทำให้ล้อใบพัดที่ตรึงไว้บังทางเคลื่อนที่ของมันก็จะหมุนติ้วซึ่ง แสดงว่ารังสีแคโทดมีมวล และพบว่าทำให้ลำรังสีแคโทดเบนได้ด้วยสนามไฟ้าหรือสนามแม่เหล็กซึ่งแสดงว่า รังสีแคโทดมีประจุไฟฟ้าลบ
• 1886 ออยเกิน โกลด์ชไตน์ (Euguen Goldstein) ค้นพบรังสีบวก (canal rays) จากการทดลองหลอดรังสี แคโทดพบว่า ยังมีรังสีอีกชนิดหนึ่งที่เคลื่อนผ่านไปในหลอดและปล่อยแสงเรืองที่ตอนปลาย โดยเป็นรังสีต่างหาก จากรังสีแคโทด เพราะพบว่าเคลื่อนจากขั้วแอโนดไปยังแคโทด
• 1895 วิลเฮล์ม เรินเกนต์ (Wilhelm Roentgen) ทดลองหลอดรังสีแคโทดเช่นกันและพบว่า สารเคมีที่เก็บไว้ใกล้ ๆ เกิดเรืองแสงได้ เขาจึงทดลองต่อไปจนพบว่ามีรังสีที่แตกต่างไปคือไม่เบนในสนามแม่เหล็ก ที่ออกมาจาก หลอดรังสีแคโทด เขาตั้งชื่อรังสีนี้ว่า “รังสีเอกซ์” (X-rays)
• 1896 อองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) เป็นผู้ค้นพบ ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) จาก การทดลองด้วยฟิล์มถ่ายรูป (photographic film) และพบว่าสารเคมีบางอย่างเกิดการสูญเสียพลังงาน หรือ สลาย แล้วปล่อยอนุภาคที่เกิดจากการแตกนัวเป็นไอออน (ionization particles) รวมทั้งรังสี (radiation) ออกมา การสลายนี้ผลิตอะตอมบางอย่างที่แผ่รังสีที่มีการทะลุทะลวงสูงออกมา
• 1897 เซอร์โจเซฟ จอห์น “เจ.เจ.” ทอมสัน (Sir Joseph John “J.J”. Thomson) บางทีอาจจะเป็นคนสำคัญ ที่สุดที่มีอิทธิพลทางวิทยาศาสตร์ต่อความเข้าใจเกี่ยวกับอิเล็กตรอน กล่าวคือ การทดลองของเขาทำให้ทราบ อัตราส่วนของประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน คือเท่ากับ 1.759 x 10⁸ คูลอมป์ต่อกรัม
• 1897 ทอมสัน ยังได้ศึกษารังสีบวกเช่นกัน และค้นพบว่ารังสีชนิดนี้เกี่ยวข้องกับอนุภาคโปรตอนหรือ H+ รวมทั้ง ค้นพบอื่น ๆ เกี่ยวกับอิเล็กตรอนและสิ่งที่เกี่ยวกับโปรตอน
• 1898 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ศึกษารังสีที่ทอเรียมและยูเรเนียมปลดปล่อยออกมา และ ตั้งชื่อให้กับรังสีเหล่านี้ว่า รังสีแอลฟา (alpha radiation) และรังสีบีตา (beta radiation) การทดลองของเขา สร้างชื่ออย่างไม่เป็นทางการแก่เขาว่า “บิดาแห่งวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์” (father of nuclear physics)
• 1898 มารี สคลอดอฟสกา กรี ที่รู้จักกันในอีกชื่อว่า มาดามคูรี (Marie Sklodowska Curie, aka Madame Curie) เป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกการศึกษายูเรเนียมและทอเรียม ด้วยการทดลองที่เป็นงานพื้นฐานแก่ความเข้าใจใน ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นกระบวนการสลายกัมมันตรังสี (decaying process) ของยูเรเนียมและ ทอเรียม โดยสามีของเธอคือ ปีแอร์ กูรี (Pierre Curie ) มีส่วนช่วยให้เธอค้นพบธาตุเรเดียม (radium) และ พอโลเนียม (polonium) ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ทั้งคู่บัญญัติคำว่า “กัมมันตภาพรังสี”
• 1900 เฟรเดอริก ซ็อดดี (Frederick Soddy) เพื่อนร่วมงานของเอร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด สังเกตพบ “การแปรธาตุ เกิดเอง” (spontaneous disintegration or transmutation) ของธาตุกัมมันตรังสี กลายเป็นธาตุใหม่ ซึ่งเขา บัญญัติคำเรียกหาว่า “ไอโซโทป” (isotope) เขายังค้นพบ “ครึ่ีงชีวิต” (half-life) กล่าวคือการสลายของธาตุจะมี “สัดส่วนตายตัว” (fixed fraction) ภายในระยะเวลาหนึ่ง ซอดดียังเป็นคนแรก ๆ ที่คำนวณพลังงานที่ปลดปล่อย ออกมาระหว่างการสลายกัมมันตรังสี
• 1900 มักซ์ พลังค์ (Max Planck) ริเริ่มพิสูจน์ว่ายังมีสิ่งใหม่ ๆ ทางฟิสิกส์ให้ค้นพบได้อีก และสามารถใช้แนวคิด “ควอนตัม” (quantum) ซึ่งได้แก่ “กลุ่มก้อนของรังสี” (packet of radiation) ที่มีพลังงาน สำหรับใช้อธิบาย การเรืองของวัตถุร้อนว่าเกิดขึ้นอย่างไร
• 1903 มะซะโตะ นะงะโอะกะ (Masato Nagaoka) เสนอว่าอะตอมแสดงอาการเสมือน “พวกดาวเสาร์” (Saturian) คือเสมือนมีวงแหวนแบนหลายวงที่ประกอบขึ้นจากอนุภาคอิเล็กตรอน และหมุนไปรอบ ๆ ศูนย์กลางที่เป็นอนุภาค ประจุบวก
• 1904 ริชาร์ด อะเบ็กก์ (Richard Abegg) ทำการทดลองและพบว่าการที่แก๊สเฉื่อยไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี (chemically inactive) เนื่องมาจากอิเล็กตรอนมีโครงแบบที่เสถียร (stable configuration)
• 1906 ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) ประดิษฐ์เครื่องวัดรังสี “ไกเกอร์เคาน์เตอร์” (Geiger Counter) อันเป็น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถตรวจหาและนับอนุภาคแอลฟาได้ โดยเมื่อมีอนุภาคดังกล่าวเข้ามากระทบ จะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าอ่านได้บนหน้าปัดและ/หรือส่งเสียง “คลิก” ได้ด้วย
• 1909 รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert Andrews Millikan) ศึกษาอนุภาคอิเล็กตรอนอยู่นานถึง 7 ปี จนค้นพบทั้งขนาดของประจุ (1.602 x 10^-19 คูลอมบ์) และมวล (9.11 x 10^-28 กรัม) ของอิเล็กตรอน การทดลองนี้มีชื่อเสียงโด่งดังว่า “การทดลองหยดน้ำมัน” (oil drop experiments)
• 1911 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ทำการทดลองหลายอย่าง โดยมีการทดลองหนึ่ง เขาใช้ อนุภาคแอลฟาเป็นกระสุนยิงเข้าไปในอะตอมของธาตุทองคำ กล่าวคือใช้ทองคำซึ่งตีเป็นแผ่นบางเป็นเป้ากระสุน จากการทดลองนี้เขาประกาศว่าตรงกลางอะตอมมีนิวเคลียสซึ่งหนาแน่นและมีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส
• 1914 เอช.จี.เจ. โมสลีย์ (H.G.J. Moseley) ใช้หลอดรังสีแคโทด (หลอดรังสีเอกซ์) ที่มีเป้าที่ทำจากโลหะชนิด ต่าง ๆ ซึ่งเป้าโลหะแต่ละชนิดจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่เฉพาะตัว เสมือนหนึ่งเป็น “ลายพิมพ์นิ้วมือ” (fingerprints) โดยธาตุที่มีมวลมากกว่าจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า ผลงานนี้นำไปใช้จัดเรียงธาตุในตารางธาตุ หรือตารางพีริออดิก (periodic table) โดยเรียงตาม “เลขเชิงอะตอม” (atomic number) ของธาตุ ซึ่งเท่ากับ จำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้น
• 1919 เอฟ.ดับเบิลยู. แอสตัน (F.W. Aston) ใช้เปกโทรกราฟมวล (mass spectrograph) มาแยกอนุภาคที่มี ประจุไฟฟ้า ทำให้ค้นพบว่าธาตุเดียวกันมีได้หลายไอโซโทป (isotopes) และอุปกรณ์นี้ใช้ตรวจหามวลของแต่ละ ไอโซโทปได้ด้วย
• 1922 นีลส์ โบร์ (Niels Bohr) เป็นอีกคนหนึ่งที่สามารถอธิบายโครงสร้างของอะตอมซึ่งรองรับความเป็นระเบียบ ของธาตุในตารางพีริออดิก แบบจำลองโครงสร้างอะตอมอันพิเศษของเขา ทำให้บรรจุอะตอมลงในตารางได้ตาม ลำดับที่เรียงกันตามจำนวนอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจร (orbital shells)
• 1923 ลุย เดอ เบรย (Louise de Broglie) ค้นพบว่าอิเล็กตรอนมีธรรมชาติคู่ (dual nature) คือเป็นทั้งอนุภาค (particle) และคลื่น (wave) ผลงานนี้และผลงานของไอน์สไตน์กับอีกหลาย ๆ คนรวมกันเกิดเป็นทฤษฎีภาวะคู่ อนุภาคกับคลื่น (Particle/wave duality theory) ซึ่งแถลงว่าพลังงานทั้งหมดแสดงสมบัติทั้งเสมือนคลื่นและ เสมือนอนุภาค
• 1927 แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก (Werner Heisenberg) เป็นคนแรกที่อธิบายอะตอมด้วยสูตรที่อะตอมสัมพันธ์กับ ตำแหน่งบนเส้นสเปกตรัม (spectral lines) เกิดเป็นหลักการไม่มีที่สิ้นสุด (Principle of Indeterminacy) หรือ หลักความไม่แน่นอน (uncertainty principle) ที่มีแนวคิดว่า ไม่สามารถจะหาทั้งตำแหน่งและความเร็วของ อนุภาคได้ในเวลาเดียวกัน
• 1929 จอห์น ดักลัส ค็อกครอฟต์ (John Douglas Cockroft) และ เออร์เนสต์ ซินตัน วอลตัน (Ernest Thomas Sinton Walton) ประดิษฐ์เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linear accelerator) สำหรับระดมยิงโปรตอนเข้าใส่ลิเทียม เพื่อผลิตอนุภาคแอลฟา
• 1930 แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger) เสนอแนะศัพท์ “กลศาสตร์คลื่น” (wave mechanics) ซึ่งเป็น แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอม เขาเห็นว่าอิเล็กตรอนภายในอะตอมเคลื่อนที่ต่อเนื่องดูเสมือนกับเมฆ
• 1930 พอล ดิแรก (Paul Dirac) เป็นผู้เสนอแนวคิด “ปฏิยานุภาค” (anti-particles) จากผลงานนี้ อีก 2 ปีต่อมา ในปี 1932 วิลเลียม เอช. แอนเดอร์สัน (William H. Anderson) ก็ค้นพบ โพซิตรอน (positron) ซึ่งก็คือ ปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอนที่เรียกว่า “แอนติอิเล็กตรอน” (anti-electron) จากนั้นในปี 1955 เซิร์จและ แชมเบอร์เลน (Serge and Chamberlain) ก็ค้นพบ “แอนติโปรตรอน” (anti-proton)
• 1932 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ใช้อนุภาคแอลฟาระดมยิงธาตุเบริลเลียม และค้นพบว่าอนุภาคที่ถูก ปล่อยออกมาไม่มีประจุ มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน กล่าวคือ เขาค้นพบอนุภาคนิวตรอน (neutron)
• 1938 ลิเซอ ไมท์เนอร์ (Lise Meitner) กับเพื่อนร่วมงานคือ ฮาน (Hahn) และ ชตราสส์มันน์ (Strassman) ทำการทดลองซึ่งวางรากฐานแก่การค้นพบ “การแบ่งแยกนิวเคลียส” (nuclear fission) การทดลองของพวกเขา แสดงว่าธาตุหนักสามารถจับยึด (capture) นิวตรอนและกลายเป็นผลผลิตที่ไม่เสถียรซึ่งจะเกิดการแบ่งแยก กล่าวอีกนัยหนึ่ง นิวเคลียสของอะตอมถูกแบ่งแยกเป็นส่วนที่เล็กลง พร้อมกับปล่อยนิวตรอนออกมาอีก ทำให้เกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสต่อไปอีกจนเป็น “ปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียส” (fission chain reaction)
• 1941 - 51 เกล็นน์ ซีบอร์ก (Glenn Seaborg) สามารถสังเคราะห์ธาตุหลังยูเรเนียม (transuranium element) ได้สำเร็จถึง 6 ธาตุ
• 1942 เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) สามารถทดลองควบคุมการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากนิวเคลียสของ อะตอมได้สำเร็จเป็นครั้งแรก นำไปสู่การสร้างประกอบ “อะตอมิกไพล์” (atomic pile) หรือที่ทุกวันนี้เรียกว่า “เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์” (nuclear reactor)
• หลังปี 1950 ภายหลังการทดลองอันสะเทือนเลื่อนลั่นข้างต้นนี้ มีการค้นพบใหม่ ๆ เกิดขึ้นมากมาย และทฤษฎีก็ต้องเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ