20 ตุลาคม 2569 ครบรอบ 135 ปีชาตกาลของ เจมส์ แชดวิก นักฟิสิกส์ผู้เปลี่ยนความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับอะตอม
หากพูดถึงแบบจำลองอะตอม หลายคนคงคุ้นเคยกับอนุภาคในอะตอม 3 ชนิด ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แต่รู้หรือไม่ว่า ในอดีตนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบว่า “นิวตรอน” มีอยู่จริง และต้องใช้เวลาหลายปีในการไขปริศนาว่า ภายในนิวเคลียสของอะตอมมีอะไรซ่อนอยู่อีกบ้าง
รูปที่ 1 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบนิวตรอน
โดยภาพนี้ได้รับการปรับแต่งสีจากภาพถ่ายต้นฉบับขาวดำ
ที่มา https://todayinsci.com/C/Chadwick_James/ChadwickJames-Quotations.htm
เนื่องในวันที่ 20 ตุลาคม 2569 ซึ่งเป็นวันครบรอบ 135 ปีชาตกาลของเจมส์ แชดวิก (James Chadwick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1935 IPST Thailand ชวนย้อนรอยการค้นพบครั้งสำคัญที่ช่วยเติมเต็มความเข้าใจเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม พร้อมทำความรู้จักเรื่องราวชีวิตและผลงานของนักวิทยาศาสตร์ผู้มีบทบาทสำคัญต่อความก้าวหน้าทางฟิสิกส์นิวเคลียร์
ปริศนาของอะตอมที่นักวิทยาศาสตร์ยังหาคำตอบไม่ได้
ย้อนกลับไปในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ทราบแล้วว่า อะตอมมีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบอยู่รอบนิวเคลียส ขณะเดียวกันก็มีหลักฐานว่า ภายในนิวเคลียสมีโปรตอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกเป็นองค์ประกอบสำคัญ
อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมในขณะนั้นยังมีปัญหาสำคัญ เพราะมวลของอะตอมหลายชนิดมากกว่าที่คาดการณ์จากจำนวนโปรตอนเพียงอย่างเดียว
ตัวอย่างเช่น
อะตอมของฮีเลียม-4 มีโปรตอน 2 อนุภาค แต่มีมวลประมาณ 4 หน่วยมวลอะตอม แล้วมวลส่วนที่เหลือมาจากไหน? (มวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับโปรตอน จึงสามารถละเลยได้ในการคำนวณมวลโดยประมาณ)
ในปี ค.ศ. 1920 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) นักฟิสิกส์ผู้มีบทบาทสำคัญในการศึกษาแบบจำลองอะตอม เสนอแนวคิดว่า อาจมีองค์ประกอบที่ไม่มีประจุไฟฟ้าและมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนอยู่ภายในนิวเคลียส แต่ในเวลานั้นยังไม่มีหลักฐานการทดลองที่ยืนยันได้อย่างชัดเจน ปริศนานี้จึงกลายเป็นหนึ่งในโจทย์สำคัญที่นักฟิสิกส์พยายามหาคำตอบ
เจมส์ แชดวิก กับการค้นพบอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า
แชดวิกเกิดและเติบโตในประเทศอังกฤษ เขาได้ศึกษาวิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ และได้ทำงานร่วมกับรัทเทอร์ฟอร์ด ก่อนจะย้ายไปทำวิจัยที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
จุดเปลี่ยนสำคัญเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1932 เมื่อแชดวิกศึกษาผลการทดลองเกี่ยวกับรังสีที่เกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟาเข้าใส่ธาตุเบริลเลียม (Be)
ก่อนหน้านั้น นักวิทยาศาสตร์อย่างวอลเทอร์ โบเทอ (Walther Bothe) และเฮอร์เบิร์ต เบกเกอร์ (Herbert Becker) พบว่า การทดลองลักษณะนี้ทำให้เกิดรังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงสูง ขณะที่อีแรน โฌลีโย-กูรี (Irène Joliot-Curie) และเฟรเดริก โฌลีโย (Frédéric Joliot) พบว่า เมื่อรังสีดังกล่าวกระทบวัสดุที่มีไฮโดรเจน เช่น พาราฟิน จะทำให้มีโปรตอนหลุดออกมาด้วยพลังงานสูง
ในเวลานั้นมีการอธิบายว่า รังสีดังกล่าวอาจเป็นรังสีแกมมาพลังงานสูง แต่แชดวิกตั้งข้อสงสัยว่า คำอธิบายนี้อาจไม่สอดคล้องกับพลังงานของโปรตอนที่ตรวจพบ
รูปที่ 2 แสดงแผนผังการทดลองที่ค้นพบนิวตรอนของ James Chadwick
ที่มา https://www.goodfellow.com/global/resources/james-chadwick–neutron-discovery/
เขาจึงทำการทดลองเพิ่มเติม โดยให้รังสีจากเบริลเลียมกระทบวัสดุต่าง ๆ แล้วศึกษาพลังงานของอนุภาคที่กระเด็นออกมา ผลการทดลองสนับสนุนว่า รังสีดังกล่าวประกอบด้วยอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน อนุภาคชนิดใหม่นี้ได้รับการเรียกว่า “นิวตรอน” (Neutron)
การค้นพบในปี ค.ศ. 1932 จึงเป็นหลักฐานสำคัญที่ช่วยยืนยันว่า ภายในนิวเคลียสของอะตอมมีทั้งโปรตอนและนิวตรอน ไม่ได้ประกอบด้วยโปรตอนเพียงอย่างเดียว
ทำไมการค้นพบนิวตรอนจึงเปลี่ยนโลกฟิสิกส์
นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าสุทธิ มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน และเป็นองค์ประกอบสำคัญของนิวเคลียสอะตอมเกือบทุกชนิด ยกเว้นไฮโดรเจน-1 ซึ่งนิวเคลียสมีโปรตอนเพียงอนุภาคเดียว การค้นพบนิวตรอนช่วยอธิบายปรากฏการณ์สำคัญหลายประการ ได้แก่
1. อธิบายมวลและโครงสร้างของนิวเคลียสได้ชัดเจนขึ้น
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่อาจมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน ทำให้มีมวลแตกต่างกัน เรียกว่า “ไอโซโทป” (Isotope)
ตัวอย่างเช่น
คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 และคาร์บอน-14 ต่างมีโปรตอน 6 อนุภาค แต่มีนิวตรอน 6 7 และ 8 อนุภาค ตามลำดับ การค้นพบนิวตรอนจึงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจโครงสร้างและความแตกต่างของไอโซโทปได้ดียิ่งขึ้น
2. เปิดทางสู่การศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์
เนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า จึงไม่ถูกผลักด้วยแรงไฟฟ้าจากนิวเคลียสที่มีประจุบวกเหมือนอนุภาคที่มีประจุบวก ทำให้นิวตรอนสามารถเข้าใกล้และเกิดปฏิกิริยากับนิวเคลียสได้ในหลายกรณี
คุณสมบัตินี้ทำให้นิวตรอนกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ และมีบทบาทในการพัฒนาความรู้เรื่องปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) หรือการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก ซึ่งเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีนิวเคลียร์ในเวลาต่อมา
3. เป็นรากฐานของเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์มาจนถึงปัจจุบัน
ความเข้าใจเกี่ยวกับนิวตรอนและปฏิกิริยานิวเคลียร์มีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีในหลากหลายด้าน เช่น การผลิตพลังงานนิวเคลียร์ การใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในทางการแพทย์ การวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ รวมถึงการศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติของสสาร
แม้เทคโนโลยีเหล่านี้จะเกิดจากการพัฒนาองค์ความรู้ของนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากในเวลาต่อมา แต่การค้นพบนิวตรอนของแชดวิกถือเป็นหนึ่งในจุดเริ่มต้นสำคัญของความก้าวหน้าเหล่านั้น
จากนักวิทยาศาสตร์ผู้เคยถูกกักตัว สู่เจ้าของรางวัลโนเบล
เส้นทางชีวิตของแชดวิกไม่ได้มีเพียงความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังมีเหตุการณ์สำคัญที่สะท้อนความมุ่งมั่นของเขาในการทำงานวิจัย
ในปี ค.ศ. 1913 แชดวิกเดินทางไปศึกษาวิจัยกับฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่กรุงเบอร์ลิน แต่เมื่อสงครามโลกครั้งที่ 1 เริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ. 1914 เขากลับถูกทางการเยอรมนีกักตัวในฐานะพลเมืองของประเทศคู่สงคราม และต้องใช้ชีวิตอยู่ในค่ายกักกันรูห์เลเบิน (Ruhleben) จนกระทั่งสงครามสิ้นสุดลง แม้อยู่ภายใต้ข้อจำกัด แชดวิกและผู้ถูกกักตัวที่มีความรู้ทางวิทยาศาสตร์บางส่วนยังพยายามจัดหาอุปกรณ์เพื่อทำการทดลองอย่างง่ายต่อไป
หลังสงคราม เขากลับประเทศอังกฤษและทำงานวิจัยร่วมกับรัทเทอร์ฟอร์ดอีกครั้ง ก่อนจะประสบความสำเร็จในการค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 และเพียง 3 ปีหลังจากการค้นพบครั้งสำคัญนี้ แชดวิกก็ได้รับ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี ค.ศ. 1935 จากผลงานการค้นพบนิวตรอน
เมื่อการค้นพบทางวิทยาศาสตร์นำไปสู่คำถามที่ใหญ่กว่าเดิม
เรื่องราวของแชดวิกยังเชื่อมโยงกับประวัติศาสตร์โลกในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อองค์ความรู้ด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ถูกนำไปพัฒนาเทคโนโลยีทางการทหาร แชดวิกมีบทบาทสำคัญในโครงการวิจัยนิวเคลียร์ของสหราชอาณาจักร และเป็นหัวหน้าคณะนักวิทยาศาสตร์อังกฤษที่เข้าร่วมโครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) ซึ่งเป็นโครงการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ของฝ่ายสัมพันธมิตร
บทบาทดังกล่าวสะท้อนให้เห็นว่า การค้นพบทางวิทยาศาสตร์สามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ได้หลากหลาย ทั้งการใช้ประโยชน์เพื่อพัฒนาคุณภาพชีวิตและการนำไปใช้ในทางที่ก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมหาศาล เรื่องราวของแชดวิกจึงไม่ได้มีความสำคัญเฉพาะในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังชวนให้ตั้งคำถามถึงความสัมพันธ์ระหว่างความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ การตัดสินใจของมนุษย์ และความรับผิดชอบต่อสังคม
การค้นพบเล็ก ๆ ที่ทำให้มนุษย์เข้าใจโลกได้มากขึ้น
เจมส์ แชดวิก เสียชีวิตเมื่อวันที่ 24 กรกฎาคม ค.ศ. 1974 ในวัย 82 ปี แต่การค้นพบนิวตรอนของเขายังคงเป็นหนึ่งในหมุดหมายสำคัญของประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ จากคำถามที่ว่า “มวลส่วนที่เหลือในอะตอมมาจากไหน?” นำไปสู่การทดลอง การตรวจสอบหลักฐาน และการค้นพบอนุภาคที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่กลับมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจธรรมชาติของสสาร
ในวาระครบรอบ 135 ปีชาตกาลของ เจมส์ แชดวิก เรื่องราวของเขาจึงเป็นอีกหนึ่งตัวอย่างที่แสดงให้เห็นว่า ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อาจเริ่มต้นจากการตั้งคำถามกับสิ่งที่เราคิดว่าเข้าใจแล้ว และการไม่หยุดค้นหาหลักฐานเพื่อพิสูจน์คำตอบนั้น
แหล่งข้อมูลอ้างอิง :
1. EBSCO Research Starters. James Chadwick.
https://www.ebsco.com/research-starters/history/james-chadwick/
2. Encyclopaedia Britannica. James Chadwick.
https://www.britannica.com/biography/James-Chadwick
3. Encyclopaedia Britannica. Neutron.
https://www.britannica.com/science/neutron
4. National Museum of Nuclear Science & History. James Chadwick.
https://ahf.nuclearmuseum.org/ahf/profile/james-chadwick/
5. The Nobel Prize. James Chadwick – Biographical.
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1935/chadwick/biographical/
6. The Nobel Prize. James Chadwick – Facts.
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1935/chadwick/facts/