ตำนานจากยุคอะตอม
แฟร์มีระดมยิงทองคำ กับเฮเวชีคิดค้นการอาบรังสีนิวตรอน
โดย พอล เฟรม

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
ฝ่ายจัดการองค์ความรู้
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

เรื่องนี้ปรากฏอยู่ในจดหมายข่าวสมาคมฟิสิกส์สุขภาพ (Health Physics Society's Newsletter) ฉบับเดือนเมษายน 1997

          เมื่อปี 1914 เอช.จี. เวลลส์ (H.G. Wells) ได้ทำนายไว้ว่า การค้นพบ “กัมมันตภาพรังสีเทียม” หรือ “กัมมันตภาพรังสีทำขึ้น” (artificial radioactivity) น่าจะเกิดขึ้นได้ภายในปี 1933 ซึ่งเฟรเดริกและอีแรน โชลีโย กูรี (Frederic and Irene Joliot-Curie) ก็เกือบสำนองคำทำนายของเวลลส์ให้เป็นจริงได้ กล่าวคือ เมื่อล่วงเข้าสู่ปี 1934 ได้สองสัปดาห์ ทั้งคู่ก็สามารถผลิตฟอสฟอรัสกัมมันตรังสี (P-30) ได้ โดยการระดมยิงอะลูมิเนียมด้วยอนุภาคแอลฟา ความสำเร็จนี้ทำให้เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ที่กรุงโรม ตระหนักว่า น่าจะสามารถผลิต “นิวไคลด์กัมมันตรังสีเทียม” หรือ “นิวไคลด์กัมมันตรังสีทำขึ้น” (artificial radionuclide) ด้วยนิวตรอนได้ง่ายกว่าด้วยอนุภาคแอลฟา เนื่องจากนิวตรอนเข้าชนนิวเคลียสของอะตอมได้โดยไม่มีตัวกั้นคูลอมบ์ (coulombic barrier) ให้ต้องเอาชนะ (นิวตรอนไม่มีประจุ แต่นิวเคลียสมีประจุบวก จึงมีแรงคูลอมบ์คอยผลักอนุภาคแอลฟาที่มีประจุบวกเช่นกัน ไม่ให้เข้าชนนิวเคลียสได้โดยง่าย—ผู้แปล) ดังนั้นแฟร์มีจึงส่งผู้ช่วยของเขา คือ เอมีลีโอ เซแกระ (Emilio Segr?) ออกไปพร้อมกับเงิน 1000 ดอลลาร์อเมริกัน ด้วยคำสั่งว่า “ซื้อทุกธาตุที่มีในตารางของเมนเดเลเยฟ (Mendelyev’s table) มาให้หมด” (Latil 1966; Regato 1985) ต่อมาไม่นาน แฟร์มีก็มีธาตุมากกว่า 60 ธาตุ มาใช้ระดมยิงด้วยนิวตรอน จากนั้นก็พิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของกัมมันตภาพที่เกิดขึ้นจากการระดมยิงธาตุนั้น ๆ ยกตัวอย่าง เมื่อระดมยิงธาตุทองคำ พบว่าวัสดุกัมมันตรังสีที่ผลิตได้มีครึ่งชีวิต (half-life) หนึ่งถึงสองวัน ด้วยความประทับใจ รัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford) ส่งโทรเลขถึงแฟร์มี ความว่า “ผมขอแสดงความยินดีกับความสำเร็จของคุณ ที่สามารถหลีกหนีออกมาจากโลกของฟิสิกส์ทฤษฎีได้” (Regato 1985) คนอื่น ๆ ก็ประทับใจไม่แพ้กัน และแฟร์มีก็ได้รับรางวัลโนเบลปี 1938 ความที่แฟร์มีสงสัยว่าเหรียญรางวัลโนเบลที่เขาได้รับจะไม่ใช่ทองคำแท้ เขาจึงนำเหรียญไปวัดความหนาแน่น โดยการชั่งเหรียญในน้ำในอ่างอาบน้ำที่บ้าน เมื่อเขาพอใจแล้วที่พบว่ามันเป็นทองคำแท้ เขาคงจะเก็บเหรียญนี้ไว้รวมกับเงินทองทรัพย์สินอื่น ๆ ฝังไว้ในหลุมที่เขาขุดไว้ในห้องใต้ดิน (Marshall Libby 1979)

          ระหว่างการศึกษาดังกล่าวข้างต้น แฟร์มีมิได้ฝากการจัดซื้อจัดหาธาตุทั้งหลายนั้นไว้แก่เซแกระเพียงลำพัง ก็คือในเดือนตุลาคมปี 1934 เขาได้เขียนจดหมายถึงจอร์จ เดอเวเฮชี (George de Hevesy) ที่เมืองโคเปนเฮเกน ขอให้ช่วยเหลือหาตัวอย่างธาตุหายาก (rare earths—เป็นอนุกรมธาตุที่ประกอบด้วยธาตุต่าง ๆ 10 กว่าธาตุ เช่น แลนทานัม ซีเรียม—ผู้แปล) ให้ด้วย เฮเวชีตอบจดหมายโดยบอกชื่อหลาย ๆ คน ที่แฟร์มีน่าจะติดต่อ โดยไม่บอกให้รู้ว่าที่จริงเขามีสิ่งที่แฟร์มีต้องการ—ธาตุหายากธาตุต่าง ๆ จำนวนหนึ่ง ที่เขาได้มาจากคาร์ล เอาเออร์ ฟอน เวลส์บาค (Carl Auer von Welsbach) ปรมาจารย์นักเคมีผู้ก่อตั้งบริษัทเอาเออร์ เฮเวชีไม่เห็นความจำเป็นที่จะต้องเอาอกเอาใจแฟร์มี เพราะเขาตั้งใจจะเล่นกับธาตุหายากด้วยตัวเขาเอง

          หลังจากที่ผู้ช่วยของเฮเวชีที่มีชื่อว่า ฮิลเดอ เลวี (Hilde Levi) เพิ่งประกอบอุปกรณ์สำหรับนับรังสีของตัวอย่างที่ถูกกระตุ้นด้วยอนุภาคนิวตรอน เสร็จได้ไม่นาน เฮเวชีพอดีต้องเดินทางไปที่อื่น ดังนั้นเพื่อประกันว่าเลวีจะมีงานทำระหว่างที่เขาไม่อยู่ เขาจึงเอาตัวอย่างธาตุดิสโพรเซียม (dysprosium) ธาตุหายากชนิดหนึ่งที่เขาได้มาจากเอาเออร์ มอบให้กับเลวีและพูดกับเธอทำนองว่า “เอางี้ เอานี่ไปทดลองดู” ฝ่ายเลวีก็ลุยภารกิจที่รับมาอย่างเต็มที่โดยนำตัวอย่างมารับรังสีนิวตรอน แต่ทว่าเครื่องวัดรังสีจีเอ็ม (GM คือหัววัดรังสีทำจากผลึกธาตุเจอร์เมเนียม) ที่ต่อไว้กับโทรศัพท์สำหรับแปรเป็นสัญญาณเชิงกล (mechanical telephone) ไม่สามารถบันทึกจำนวนนับของรังสี (counts) ได้แต่อย่างใด ซึ่งแสดงว่าไม่มีกัมมันตภาพเลย ด้วยความผิดหวัง เธอจึงวางตัวอย่างไว้ในที่ใส่ตัวอย่างทิ้งไว้แล้วก็ลืมเรื่องนี้ไปเลย ต่อมา เมื่อเลวีต้องการใช้ที่ใส่ตัวอย่าง เธอก็เก็บที่ใส่ตัวอย่างกลับมาแล้วก็ทำความสะอาด จากนั้น “เหมือนกับนักเรียนที่ดีพึงทำ” เธอวัดที่ใส่ตัวอย่างเปล่า ๆ นั้นอีกครั้งก่อน ปรากฏว่าเสียงการนับรังสี “ดังรัวเร็ว” (rattled away) และอัตรานับรังสี (count rate) ก็ดูเหมือนจะเพิ่มขึ้น ! เลวีรีบวิ่งไปหาออทโท ฟริช (Otto Frisch) ถามว่า “ฟริช คุณเคยได้ยินไหมว่า กัมมันตภาพรังสีเพิ่มขึ้นตามเวลา ?” หลังจากพิศวงงงงวยกับสิ่งที่เกิดขึ้น ทั้งคู่ก็ตระหนักว่า ตัวอย่างเดิมมีกัมมันตภาพรังสีสูงเอามาก ๆ ทำให้เครื่องนับรังสีนั้นนับรังสีไม่ทันจนตายสนิท จากนั้น ด้วยปริมาณดิสโพรเซียมที่หลงเหลืออยู่จนแทบมองไม่เห็น ที่หลงเหลือบนที่ใส่ตัวอย่างที่นำไปทำความสะอาด และด้วยกัมมันตภาพที่สลายไปมากแล้ว ช่วงเวลาที่นับรังสีไม่ทัน หรือ เดดไทม์ (dead time) จึงลดลงและทำให้อัตรานับกลับสูงขึ้น (Levi 1986)

          “มหัศจรรย์” เฮเวชีตอบเมื่อได้ฟังรายงานของเลวี ตำนานเรื่องนี้จุดประกายให้ตระหนักว่า ทั้งครึ่งชีวิตและขนาด (magnitudes) กัมมันตภาพที่เหนี่ยวนำขึ้นมา สามารถนำมาใช้ระบุ (identify) และหาปริมาณ (quantify) ของธาตุปริมาณน้อย (trace element) ได้ !

          กรณีของเดดไทม์สูง ๆ สำหรับเครื่องวัดรังสีเชิงกล (mechanical counting register) นี้เอง ที่ในเวลาต่อมาทำให้ร็อบลีย์ เอแวนส์ (Robley Evans) นำมาประดิษฐ์ มาตรอัตรานับรังสี (count rate meter) แล้วยังทำให้เฮเวชีนำมาประดิษฐ์กรรมวิธีวิเคราะห์ที่ทรงประสิทธิภาพกว่าวิธีที่เคยมีมา (unparalleled power) นั่นคือ การวิเคราะห์เชิงก่อกัมมันตภาพรังสีด้วยนิวตรอน (neutron activation analysis ย่อว่า NAA) หรือที่นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า การอาบรังสีนิวตรอน

เอกสารอ้างอิง

• Latil, P. Enrico Fermi, the man and his theories. Paul S. Eriksson, Inc.; New York; 1966.
• Levi, H. George de Hevesy. Adam Hilger Ltd; Bristol; 1985.
• Levi, H. Semi centennial lecture. Modern trends in activation analysis, 7th International Conference; June 23, 1986.
• Marshall Libby, L. The uranium people. Crane Russak; New York; 1979.
• Regato, J.A. Radiological physicists. Am. Inst. Physics; New York; 1985.
• Wells, H.G. The world set free. New York: E. P. Dutton & Co.; 1914.