ประวัติการค้นพบนิวเคลียสในอะตอม (จบ)

Rutherford จึงเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ว่า ตรงกลางอะตอมมีประจุบวก (ในตอนแรก Rutherford มิได้เรียกว่า nucleus) และมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ จากนั้น Rutherford ก็ได้ใช้วิชากลศาสตร์และวิชาแม่เหล็กไฟฟ้า คำนวณมุมเบี่ยงเบนของอนุภาค และพบว่า จำนวนอนุภาคที่กระดอนกลับขึ้นกับน้ำหนักเชิงอะตอมของเป้า ความหนาของแผ่นทองคำเปลว และประจุกลางอะตอม

การคำนวณของ Rutherford เรื่อง “The Scattering of Alpha and Beta Particles by Matter and the Structure of the Atom” นี้ได้รับการยืนยันว่าถูกต้องโดยลูกศิษย์ของ Rutherford ที่ชื่อ Ernest Marsden และ Hans Geiger ซึ่งทำให้ได้ข้อสรุปว่า อะตอมมีรัศมีประมาณ 10^-10 เมตร และแกนกลางของอะตอมมีรัศมีน้อยกว่า 3 x 10^-14 เมตร ทันทีที่ผลงานนี้ปรากฏวงการฟิสิกส์ไม่ตื่นตัวเลย เพราะ Rutherford ไม่ชอบชี้แจงหรือบรรยายการทดลองอะไรมาก จนอีก 2 ปีต่อมา ในหนังสือเรื่อง Radioactive Substances and Their Radiations ที่ตีพิมพ์ในปี 2456 Rutherford ได้เล่าเรื่องการทดลองที่ตนทำในปี 2454 เพียง 2 หน้า และใช้คำว่า nucleus เพียงครั้งเดียว โดยได้กล่าวถึงประจุตรงกลางแต่ไม่ระบุว่าเป็นบวกหรือลบ จนถึงตอนท้ายเขาจึงได้กล่าวว่า เป็นประจุบวกและบอกต่อว่า แกนกลางของอะตอมฮีเลียมมีประจุ +2 หน่วย การมีอิเล็กตรอน 2 ตัวโคจรอยู่โดยรอบ ทำให้อะตอมเป็นกลาง และ Rutherford ก็ได้กล่าวถึงโครงสร้างของนิวเคลียสเป็นครั้งแรกว่า จะต้องซับซ้อน เพราะเขาไม่รู้ว่า ประจุบวก 2 ตัว สามารถอยู่ใกล้กันได้อย่างไร ดังนั้น Rutherford จึงเป็นบุคคลแรกที่ครุ่นคิดเรื่องแรงนิวเคลียร์ ซึ่งขณะนั้นยังไม่มีใครรู้จักเลยจนอีก 40 ปีต่อมา ถึงกระนั้นโลกฟิสิกส์ก็รู้สึกเฉยๆ กับแบบจำลองอะตอมของ Rutherford

จนกระทั่งปี 2455 นักฟิสิกส์หนุ่มชาวเดนมาร์ก ชื่อ Niels Bohr จากมหาวิทยาลัย Copenhagen ซึ่งได้เดินทางมาฝึกงานที่มหาวิทยาลัย Manchester ได้รู้ข่าวการทดลองของ Rutherford เขารู้สึกตื่นเต้นมาก และตระหนักทันทีว่า นี่คือ แบบจำลองอะตอมที่ถูกต้อง ดังนั้น หลังจากทำงานที่ Manchester ได้ 3 เดือน Bohr ก็ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง อะตอมของไฮโดรเจน โดยย้ำว่า อะตอมมีนิวเคลียสที่ถูกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน

จากนั้น ในปี 2456 Bohr ก็ได้ตีพิมพ์งานวิจัยอีก 3 เรื่อง โดยได้เสนอทฤษฎีควอนตัมของไฮโดรเจน ซึ่งใช้อธิบายที่มาของสเปกตรัมของไฮโดรเจน ว่ามาจากการเปลี่ยนวงโคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส นี่คือ การพบความรู้ที่ทำให้ Bohr ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2465

ในปี 2475 James Chadwick ได้พบว่า นิวเคลียสยังมีอนุภาค neutron ที่เป็นกลางด้วย ดังนั้น นิวเคลียสของอะตอมจึงมีโปรตอน ซึ่งมีประจุบวก และนิวตรอนซึ่งไม่มีประจุ โดยนิวตรอนกับโปรตอนมีแรงดึงดูดกัน ซึ่งรู้จักในนามแรงนิวเคลียร์อย่างแข็ง และแรงนี้ยึดโปรตอน 2 ตัวกับนิวตรอน 2 ตัว ให้อยู่ร่วมกัน (นี่คืออนุภาคอัลฟา) ที่นักฟิสิกส์ได้พบว่า เวลานิวเคลียสสลายตัวจะปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา

ปัจจุบันนักฟิสิกส์ได้พบว่า นิวเคลียสมิได้มีลักษณะกลม แต่มีรูปทรงหลายแบบ เช่น แบบคัมเบลล์ แบบพีระมิด แบบโดนัท และแบบกุนเชียง ฯลฯ โดยจะมีลักษณะเช่นไรนั้น ขึ้นกับแรงผลักไฟฟ้าระหว่างโปรตอนกับโปรตอน และแรงดึงดูดนิวเคลียร์ระหว่างโปรตอนกับนิวตรอน ซึ่งถ้าจำนวนโปรตอนมีมากกว่าจำนวนนิวตรอน แรงไฟฟ้าจะชนะแรงนิวเคลียร์ และนิวเคลียสจะแตกสลาย และนี่ก็คือเหตุผลที่อธิบายว่า เหตุใดนิวเคลียสในธรรมชาติจึงมีจำนวนนิวตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอน

ณ วันนี้ การศึกษาโครงสร้างและรูปทรงของนิวเคลียสกำลังเป็นปัญหาวิจัยที่สำคัญ เพราะไม่มีใครสามารถเห็นนิวเคลียสได้ด้วยตาเปล่า แต่นักฟิสิกส์ก็สามารถจะรู้รูปทรงของนิวเคลียสได้โดยทางอ้อม คือ บังคับให้นิวเคลียสหมุนเพราะการหมุนจะกำหนดพลังงานของนิวเคลียส และเมื่อนิวเคลียสปล่อยอนุภาคออกมา การรู้พลังงานของอนุภาคทั้งหมดที่เกี่ยวข้องทำให้นักฟิสิกส์รู้สถานภาพเริ่มต้นของนิวเคลียส และนั่นก็หมายถึงการรู้โมเมนต์ความเฉื่อยหรือรูปทรงของนิวเคลียส

ในวารสาร Science ฉบับที่ 320 หน้า 1476 พ.ศ. 2551 R. Subedi และ คณะแห่ง Jefferson Lab ได้รายงานว่า สำหรับกรณี carbon-12 ที่มีโปรตอน 6 ตัว และนิวตรอน 6 ตัวในนิวเคลียส ขณะอยู่ในสถานะพื้นฐาน ซึ่งมีพลังงานต่ำสุด เขาได้พบว่า โปรตอนจะอยู่ใกล้นิวตรอนประมาณ 90% ของเวลาทั้งหมด ส่วน 10% ของเวลาที่เหลือ โปรตอนจะอยู่ใกล้โปรตอนและนิวตรอนและอยู่ใกล้นิวตรอน การที่อนุภาคโปรตอนอยู่ใกล้นิวตรอนเป็นส่วนใหญ่เพราะอนุภาคทั้งสองมีแรงแบบ tensor กระทำกันครับ

สุทัศน์ ยกส้าน เมธีวิจัยอาวุโส