เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด “บิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์” ผู้ค้นพบนิวเคลียสของอะตอม

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) เป็นนักฟิสิกส์คนสำคัญผู้ทำให้วิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ก้าวหน้าอย่างมาก เขาเป็นผู้ค้นพบรังสีอัลฟา รังสีเบตา รวมทั้งดำเนินการทดลองสำคัญที่ทำให้ค้นพบนิวเคลียสของอะตอมและนำไปสู่การสร้างแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford’s atomic model) ที่เป็นต้นแบบของแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมในปัจจุบัน นอกจากนี้เขายังเป็นผู้ค้นพบโปรตอนและทำนายการมีอยู่ของนิวตรอนอีกด้วย รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับการยกย่องว่าเป็นฟิสิกส์ทดลองผู้ยิ่งใหญ่และเป็น “บิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์”

 
เก่งทั้งคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์

ernest-rutherford-02

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นชาวอังกฤษ เกิดเมื่อปี 1871 ที่เมืองเล็กๆชื่อ Brightwater ในเขตเมือง Nelson ประเทศนิวซีแลนด์ ทั้งพ่อและแม่ของเขาเป็นชาวอังกฤษที่อพยพไปตั้งรกรากอยู่ที่นั่นตั้งแต่ยังเด็กและได้แต่งงานมีลูกด้วยกัน 12 คน รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นเด็กฉลาดมีพรสวรรค์สูงเรียนดีเล่นกีฬาเก่งโดยเฉพาะรักบี้ฟุตบอล เขาสนใจในวิชาวิทยาศาสตร์ตั้งแต่เด็กชอบทำการทดลองตามหนังสือที่อ่านและรู้สึกทึ่งกับสิ่งที่ได้เรียนรู้เสมอ รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักเรียนทุนอย่างเหนียวแน่นเริ่มตั้งแต่ได้ทุนเรียนชั้นมัธยมที่ Nelson College พอเรียนจบก็ได้ทุนไปเรียนต่อระดับปริญญาตรีที่วิทยาลัย Canterbury College ในเมือง Christchurch ที่นี่เขามีผลการเรียนยอดเยี่ยมมากจบปริญญาโทด้วยเกียรตินิยมอันดับหนึ่งทั้งสาขาคณิตศาสตร์และสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพ

หลังเรียนจบรัทเทอร์ฟอร์ดทำงานวิจัยต่อที่วิทยาลัยอีกสองปี ระหว่างนั้นเขามีผลงานการประดิษฐ์เครื่องรับวิทยุรูปแบบใหม่ และในปี 1895 เขาได้รับทุนไปเป็นนักวิจัยที่ห้องทดลองคาเวนดิช มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นนักวิจัยนอกคอก (ไม่ได้จบจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์) คนแรกๆของห้องทดลองคาเวดิช เขาทำงานวิจัยภายใต้การดูแลของนักฟิสิกส์รางวัลโนเบล J. J. Thomson ผู้ค้นพบอิเล็กตรอน รัทเทอร์ฟอร์ดทำงานวิจัยพัฒนาเครื่องรับวิทยุต่อเนื่องจากเครื่องที่เขาประดิษฐ์ในนิวซีแลนด์จนสามารถตรวจจับคลื่นวิทยุได้ในระยะทางครึ่งไมล์ซึ่งเป็นการทำลายสถิติโลกในตอนนั้น แต่เขาได้หยุดงานวิจัยนี้ไปเพราะมีคนที่ทำได้ดีกว่าคือ Guglielmo Marconi แล้วหันไปทำวิจัยเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) ปี 1898 รัทเทอร์ฟอร์ดไปดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์ ประเทศแคนาดา และความสำเร็จในงานวิจัยครั้งสำคัญได้เกิดขึ้นที่นั่น

 
ค้นพบกัมมันตภาพรังสีและครึ่งชีวิต

ernest-rutherford-03

ที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์รัทเทอร์ฟอร์ดทำวิจัยต่อเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีหรือปรากฏการณ์ที่ธาตุบางชนิดแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง ปี 1899 เขาศึกษาการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียมและค้นพบรังสี 2 ชนิดแตกต่างกันซึ่งเขาตั้งชื่อว่ารังสีอัลฟา (Alpha ray) และรังสีเบตา (Beta ray) เขาพบว่ารังสีเบตามีอำนาจทะลุทะลวงมากกว่ารังสีอัลฟาและได้ทำการทดลองในสนามแม่เหล็กจนพบว่ารังสีอัลฟามีประจุบวก และในภายหลังเมื่อได้ทำการวัดอัตราส่วนของมวลต่อประจุเขายังตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคอัลฟาคือฮีเลียมไอออนที่มีประจุ 2+ ต่อมาหลังจากได้ตรวจสอบรังสีอีกชนิดหนึ่งซึ่งนักเคมีชาวฝรั่งเศส Paul Villard ค้นพบในปี 1900 แล้วพบว่ามีอำนาจทะลุทะลวงมากกว่ารังสีสองชนิดแรก เขาตั้งชื่อรังสีนี้ว่ารังสีแกมมา (Gamma ray)

ระหว่างปี 1900 -1903 มีนักเคมีชาวอังกฤษรุ่นน้อง Frederick Soddy มาร่วมทำวิจัยกับเขาที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์ ทั้งคู่ได้เสนอ “กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี” เพื่ออธิบายการทดลองทั้งหมดของพวกเขาที่แสดงให้เห็นว่ากัมมันตภาพรังสีเกี่ยวข้องกับการสลายตัวของอะตอมไปเป็นสสารอื่นซึ่งในปัจจุบันเรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลงานนี้ทำให้ความเข้าใจเกี่ยวกับธาตุกัมมันตรังสีก้าวหน้าไปอีกขั้นหนึ่ง ในปี 1904 รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่ากัมมันตภาพรังสีเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้ดวงอาทิตย์คงอยู่มาได้เป็นเวลาหลายพันล้านปีและสามารถใช้ผลิตภัณฑ์จากการสลายกัมมันตภาพรังสีคำนวณหาอายุที่แท้จริงของโลกได้ ในปี 1907 เขาค้นพบว่าธาตุกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิดไม่ว่ามีขนาดเท่าใดก็ตามจะสลายตัวเหลือครึ่งหนึ่งในเวลาที่เท่ากันเสมอเรียกว่า “ครึ่งชีวิต” (Half-life) ซึ่งเป็นคุณสมบัติหลักที่เป็นตัวกำหนดว่าธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวได้เร็วแค่ไหน

ผลงานของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีในช่วงหลายปีที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1908 ซึ่งสร้างความประหลาดใจให้กับเขาอย่างมาก รัทเทอร์ฟอร์ดภูมิใจกับการเป็นนักฟิสิกส์มากเพราะเขาคิดว่าฟิสิกส์คือสุดยอดของวิทยาศาสตร์ เขาสารภาพว่ามันเป็นเรื่องไม่คาดฝันและรู้สึกตกใจมากที่เขากลายเป็นนักเคมี และยังพูดแบบขำๆในงานเลี้ยงแสดงความยินดีว่า “ผมรับมือกับการเปลี่ยนแปลงต่างๆมากมายในหลายช่วงเวลา แต่ที่เร็วที่สุดเท่าที่ผมเคยเจอคือการแปรสภาพของตัวเองในช่วงเวลาหนึ่งจากนักฟิสิกส์ไปสู่นักเคมี” ไม่รู้ว่าความคิดแบบนี้ของเขาจะมีส่วนทำให้เขาแตกต่างจากผู้ชนะรางวัลโนเบลส่วนใหญ่ซึ่งมีผลงานที่สำคัญที่สุดคือผลงานที่ทำให้ได้รับรางวัลโนเบล แต่สำหรับรัทเทอร์ฟอร์ดความสำเร็จหลังจากได้รับรางวัลโนเบลแล้วกลับมีความสำคัญและยิ่งใหญ่กว่ามาก

 
ไขปริศนาโครงสร้างของอะตอม

ernest-rutherford-04

มีความเชื่อกันมาตั้งแต่สมัยโบราณว่าสสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ตามองไม่เห็นเรียกว่าอะตอม (Atom) อะตอมของสสารทุกชนิดเหมือนกันและไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก จนมาถึงช่วงต้นศตวรรษที่ 19 John Dalton ได้เสนอแนวคิดทฤษฎีอะตอมขึ้นเป็นครั้งแรกว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะเหมือนกันแต่แตกต่างจากอะตอมของธาตุชนิดอื่นและในปฏิกิริยาเคมีอะตอมสามารถรวมกัน, แยกออกจากกัน หรือจัดเรียงตัวใหม่ได้ ต่อมาหลังจากที่ J. J. Thomson ค้นพบอิเล็กตรอนในปี 1904 เขาได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมว่าอะตอมของธาตุประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) จำนวนหนึ่งล้อมรอบอยู่ในทรงกลมซึ่งมีอนุภาคที่มีประจุบวกกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ มีลักษณะคล้ายกับขนมพุดดิ้งลูกพลัมจึงถูกเรียกว่า Plum pudding model ดังรูปข้างล่าง

ernest-rutherford-05

หลังจากทำงานที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์นาน 9 ปีรัทเทอร์ฟอร์ดย้ายกลับมารับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษในปี 1907 เขายังคงทำงานวิจัยกับรังสีอัลฟาต่อไปโดยได้ร่วมกับนักวิจัยลูกศิษย์ Hans Geiger พัฒนาเครื่องวัดจำนวนรังสีอัลฟาขึ้นโดยอาศัยหลักการที่ว่าอนุภาคแอลฟาทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไอออน และหากอากาศอยู่ภายในสนามไฟฟ้า ไอออนจะผลิตกระแสไฟฟ้า เขาใช้อุปกรณ์นี้ในการทดลองที่นำไปสู่ข้อสรุปที่ว่ารังสีแอลฟาคือฮีเลียมไอออนที่มีประจุ 2+ ในการทดลองตรวจวัดรังสีอัลฟาหลายครั้งเขาพบว่าจำนวนรังสีอัลฟาที่เดินทางไปถึงเครื่องวัดน้อยกว่าที่คาดไว้ทั้งที่เป็นการเดินทางผ่านตัวกลางที่เป็นแค่อากาศเท่านั้น ความสงสัยในเรื่องนี้ได้นำไปสู่การทดลองครั้งสำคัญทางวิทยาศาสตร์และผลสรุปจากการทดลองได้เปิดเผยโครงสร้างของอะตอมอันเป็นก้าวย่างที่สำคัญของการพัฒนาฟิสิกส์นิวเคลียร์

 
การทดลอง Gold foil experiment

ernest-rutherford-06

ปี 1909 รัทเทอร์ฟอร์ดมอบหมายให้ Hans Geiger กับ Ernest Marsden นักวิจัยในการดูแลของเขาช่วยกันทำการทดลองปล่อยรังสีอัลฟาจากธาตุเรเดียมให้วิ่งผ่านแผ่นทองบางๆ (Gold foil) แล้วตรวจวัดจำนวนและตำแหน่งของรังสีอัลฟาหลังจากวิ่งผ่านแผ่นทอง ผลลัพธ์ที่ได้ก็น่าทึ่งมากมันไม่เป็นไปอย่างที่คิด หากโครงสร้างของอะตอมเป็นไปตามแบบจำลองของ J. J. Thomson ซึ่งอนุภาคประจุบวกและอนุภาคประจุลบกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอนั้น รังสีอัลฟาจะต้องวิ่งพุ่งตรงทะลุผ่านแผ่นทองโดยไม่มีการเบี่ยงเบน แต่จากการทดลองจริงกลับพบว่ารังสีอัลฟาส่วนใหญ่วิ่งทะลุผ่านแผ่นทองโดยตรงแต่มีบางส่วนที่มีทิศทางเบี่ยงเบนไป และยังมีอีกบางส่วนที่สะท้อนเด้งกลับมาทางด้านหน้าแผ่นทอง ดังรูปข้างล่าง

ernest-rutherford-07

รัทเทอร์ฟอร์ดนำข้อมูลการกระเจิงของรังสีอัลฟาที่ตรวจวัดได้จากการทดลองหลายๆครั้งไปวิเคราะห์และคำนวณด้วยหลักคณิตศาสตร์นำไปสู่ข้อสรุปในปี 1911 ว่าโครงสร้างอะตอมประกอบด้วยส่วนที่เขาเรียกว่านิวเคลียสซึ่งเป็นที่รวมตัวของอนุภาคประจุบวกอยู่ที่จุดศูนย์กลาง ล้อมรอบด้วยอนุภาคประจุลบ (อิเล็กตรอน) ที่อยู่ห่างออกไปจากนิวเคลียส แบบจำลองโครงสร้างอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดสามารถอธิบายผลการทดลอง Gold foil ได้เป็นอย่างดี เนื่องจากโครงสร้างอะตอมส่วนใหญ่เป็นที่ว่างกับอิเล็กตรอนที่มีมวลน้อยมากดังนั้นรังสีอัลฟาส่วนใหญ่จึงสามารถทะลุผ่านแผ่นทองได้โดยตรง แต่เมื่อรังสีอัลฟาวิ่งไปชนนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กแต่มีมวลมากเพราะอนุภาคประจุบวกมารวมตัวกันอยู่จึงเกิดการเบี่ยงเบนทิศทางหรือบางครั้งเกิดสะท้อนเด้งกลับหลังได้ แบบจำลองของอะตอมที่มีนิวเคลียสอยู่ตรงจุดศูนย์กลางและมีอิเล็กตรอนล้อมรอบจึงเข้ามาทดแทนแบบจำลองเดิมของ J. J. Thomson และเป็นต้นแบบของแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมในปัจจุบัน

ernest-rutherford-08

 
ค้นพบโปรตอนและทำนายว่ามีนิวตรอน

ernest-rutherford-09

ปี 1919 รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับการแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทดลองที่ห้องทดลองคาเวนดิชแทนที่ J. J. Thomson ที่ดำรงตำแหน่งนี้มานานกว่า 30 ปี ที่ห้องทดลองคาเวนดิชเขายังคงทำวิจัยเกี่ยวกับอะตอมต่อไป รัทเทอร์ฟอร์ดสังเกตว่าเมื่ออนุภาคแอลฟาถูกยิงขึ้นไปในอากาศซึ่งประกอบด้วยก๊าซไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่เครื่องมือของเขาจะตรวจพบว่ามีนิวเคลียสของไฮโดรเจนเกิดขึ้นเสมอ ตอนแรกเขาสันนิษฐานว่าอนุภาคแอลฟาเพียงแค่ทำให้นิวเคลียสของไฮโดรเจนหลุดออกจากไนโตรเจน แต่เมื่อไปสังเกตในอุปกรณ์ Cloud chamber ที่นักวิจัยในการดูแลของเขา Patrick Blackett เป็นผู้ดำเนินการเขาจึงพบว่าอนุภาคแอลฟาถูกดูดซับไปทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนได้เป็นออกซิเจนกับนิวเคลียสของไฮโดรเจนตามปฏิกิริยา 14N + α → 17O + 1H และนี่คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกพบและรายงานเป็นครั้งแรก และต่อมาในปี 1920 เขาได้ข้อสรุปว่า 1H ที่ได้จากปฏิกิริยานี้เป็นอนุภาคพื้นฐานของอะตอมและตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่าโปรตอน (Proton)

ปี 1920 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการคำนวณความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอม เขาพบว่าจะต้องมีอนุภาคเป็นกลางอยู่ในนิวเคลียสด้วยมิฉะนั้นแรงผลักของโปรตอนที่มีประจุบวกจะทำให้นิวเคลียสแยกตัวออกจากกัน เขาตั้งชื่ออนุภาคสมมุตินี้ว่านิวตรอน (Neutron) และต่อมาในปี 1932 James Chadwick ลูกศิษย์ของรัทเทอร์ฟอร์ดตั้งแต่เรียนอยู่ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้ค้นพบและพิสูจน์ว่ามีนิวตรอนอยู่จริงซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล เกือบ 20 ปีในตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทดลองที่ห้องทดลองคาเวนดิชรัทเทอร์ฟอร์ดมีผลงานวิจัยที่สำคัญมากมาย และมีส่วนทำให้นักวิจัยภายใต้การนำและการดูแลของเขาได้รับรางวัลโนเบลอีกหลายคน รวมทั้ง James Chadwick, John Cockcroft และ Ernest Walton รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับการยอมรับและให้การยกย่องว่าเป็นฟิสิกส์ทดลองผู้ยิ่งใหญ่เทียบเท่ากับ Michael Faraday ที่ได้รับการยกย่องเป็น “บิดาแห่งไฟฟ้า”

 
อัศวินอังกฤษบิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์

ernest-rutherford-10

ด้วยผลงานที่สำคัญยิ่งใหญ่อันนำมาซึ่งความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์หลายอย่างทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับรางวัลเกียรติยศมากมาย นอกจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีและเหรียญรางวัลอื่นๆอีกจำนวนมากแล้วเขายังได้รับการแต่งตั้งเป็นอัศวินของอังกฤษในปี 1914 และได้รับการยกฐานะเป็นบารอนในปี 1931 นอกจากนี้เขายังดำรงตำแหน่งนายกราชสมาคมแห่งลอนดอน (Royal Society) ระหว่างปี 1925 – 1930 รวมทั้งตำแหน่งสำคัญอื่นอีกหลายตำแหน่ง เมื่อเขาเสียชีวิตในปี 1937 ขณะมีอายุ 66 ปี จึงได้รับเกียรติอย่างสูงในฐานะนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ที่ได้รับการยกย่องเป็น “บิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์” ร่างของเขาถูกฝังที่มหาวิหารเวสต์มินสเตอร์ใกล้กับร่างของ Isaac Newton ชื่อของเขาถูกนำไปตั้งเป็นชื่อสถาบัน รางวัลเกียรติยศ และอื่นๆอีกจำนวนมาก รวมทั้งชื่อของธาตุรัทเทอร์ฟอร์เดียม (Rutherfordium) ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีหมายเลขอะตอม 104 และ​สัญลักษณ์คือ Rf

ernest-rutherford-11

 

ข้อมูลและภาพจาก wikipedia, famousscientists, nobelprize.org


Leave a Reply

Your email address will not be published.