ปี ค.ศ.1910 เป็นช่วงเวลาที่ Ernest Rutherford พบนิวเคลียสโดยการใช้อนุภาคแอลฟาระดมยิงแผ่นทองคำเปลว แล้วสังเกตมุมเบี่ยงเบนต่างๆ ของเหล่าอนุภาคแอลฟานั้น การค้นพบนี้ได้ชักนำให้นักฟิสิกส์หันมาให้ความสนใจในโครงสร้างของนิวเคลียส และทดลองจนได้พบว่าจำเป็นต้องใช้อนุภาคที่มีพลังงานสูงยิ่งกว่าอนุภาคแอลฟาที่รัทเทอร์ฟอร์ดเคยใช้ ซึ่งได้จากการสลายตัวของเรเดียม ดังนั้นในปี 1932 นักฟิสิกส์คนหนึ่งจึงคิดสร้างเครื่องเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงพอที่จะพุ่งชนนิวเคลียสให้แตกกระจัดกระจาย แล้ววิเคราะห์ชิ้นส่วนของนิวเคลียสที่กระเจิดกระเจิงเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างภายในของนิวเคลียสที่เป็นเป้านั้น
นักฟิสิกส์คนที่มีบทบาทมากในการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงคนนั้น คือ เออร์เนสต์ ออร์แลนโด ลอว์เรนซ์ (Ernest Orlando Lawrence) ซึ่งถือกำเนิดเมื่อวันที่ 8 สิงหาคม ค.ศ.1901 ที่เมือง Canton รัฐ South Dakota ประเทศสหรัฐอเมริกา ปู่ชื่อ Ole Lawrensen มีอาชีพเป็นครู และมีเชื้อชาตินอร์เวย์ บรรพบุรุษของตระกูลได้อพยพมาตั้งรกรากที่เมือง Madison ในรัฐ Wisconsin แล้วได้เปลี่ยนนามสกุลเป็น Lawrence เพื่อให้ออกเสียงใกล้เคียงกับคำในภาษาอังกฤษ ส่วนตาชื่อ Erik Jacobson ก็เป็นชาวนอร์เวย์ที่ได้มาตั้งถิ่นฐานอยู่ที่เมือง Canton ในรัฐ South Dakota เช่นกัน บิดาของ Lawrence สำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัย Wisconsin และเป็นอธิการของวิทยาลัยครูที่เมือง Aberdeen รัฐ South Dakota ซึ่งได้แต่งงานกับ Gunda Jacobson ผู้เป็นมารดาของ Lawrence
ในวัยเด็ก Lawrence เข้าเรียนระดับมัธยมศึกษาที่โรงเรียนในเมือง Canton จนจบแล้วไปศึกษาต่อวิทยาลัย St. Olaf ในรัฐ Minnesota หลังจากนั้นหนึ่งปีก็ย้ายไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย South Dakota นิสิต Lawrence เริ่มสนใจวิทยาศาสตร์หลังจากที่ได้ประสบความสำเร็จในการส่งคลื่นวิทยุได้ด้วยตนเอง ในขณะเดียวกันก็สนใจจะเรียนแพทย์ด้วย แต่ในที่สุดก็ตัดสินใจเรียนฟิสิกส์ และสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีเมื่ออายุ 21 ปี หลังจากที่สำเร็จปริญญาโทจากมหาวิทยาลัย Minnesota หนึ่งปี Lawrence ได้ไปศึกษาต่อระดับดุษฎีบัณฑิตที่มหาวิทยาลัย Yale และทำวิทยานิพนธ์เรื่องปรากฏการณ์ Photoelectric โดยมี W.F.G. Swann เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา และได้รับปริญญาเอกเมื่อมีอายุเพียง 24 ปี เป็นที่น่าสังเกตว่าการที่ Lawrence ได้รับปริญญาตรี-โท-เอก ในอเมริกาโดยตลอดนั้น นับเป็นเรื่องไม่ธรรมดา เพราะในสมัยนั้นวงการฟิสิกส์เชื่อกันว่าใครที่อยากเก่งฟิสิกส์ต้องไปเรียนที่ยุโรป
หลังสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก Lawrence ได้ทำงานเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ลุถึงฤดูใบไม้ผลิของปี 1929 เมื่อเขาได้อ่านวิทยานิพนธ์ของ Rolf Wideroe นักฟิสิกส์ชาวนอร์เวย์เข้าโดยบังเอิญ Lawrence เริ่มสนใจเครื่องเร่งอนุภาคที่ Wideroe ประดิษฐ์ เพราะมันสามารถทำให้อนุภาคมีพลังงานสูงมากได้ ถ้าอนุภาคถูกแรงกระทำเป็นจังหวะๆ ขณะพุ่งไปตามท่อซึ่งวางเรียงกันในแนวเส้นตรง เพราะอนุภาคมีความเร็วมากขึ้นๆ ดังนั้น แต่ละส่วนของท่อจึงมีความยาวเพิ่มขึ้น การให้แรงกระทำต่ออนุภาคเป็นจังหวะๆ ณ ที่ตำแหน่งระหว่างท่อจะทำให้อนุภาคมีความเร็วสูงขึ้นๆ ซึ่งอธิบายได้ด้วยเหตุผลเดียวกับหลักการไกวชิงช้า ซึ่งคนผลักต้องออกแรงดันชิงช้าเป็นจังหวะๆ ชิงช้าก็จะแกว่งสูงขึ้นๆ ทั้งๆ ที่คนผลักออกแรงเพียงเล็กน้อยในการผลักแต่ละครั้ง
หลังจากที่ได้เห็นแนวคิดและแผนภาพของอุปกรณ์ที่ Wideroe ออกแบบ Lawrence ก็คิดจะสร้างอุปกรณ์เร่งอนุภาคบ้าง แต่ไม่คิดจะใช้ท่อตรงเพราะท่อจะมีความยาวมากเกินไป กว่าอนุภาคจะมีพลังงานจลน์สูงตามที่ต้องการ Lawrence คิดใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงเพื่อบังคับเส้นทางเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าและมีความเร็วให้พุ่งโค้งเป็นวงกลม ภายในภาชนะรูปตัว D 2 ตัวที่วางโดยให้ขอบตรงของตัว D อยู่ใกล้กัน และเมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ถึงบริเวณขอบตรงของตัว D แรกเขาก็จะเพิ่มความเข้มของสนามไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้อนุภาคมีความเร็วมากขึ้น และเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่มีรัศมียาวมากขึ้น และเมื่ออนุภาคเคลื่อนที่กลับถึงที่เดิม ก็จะได้รับแรงกระตุ้นอีกไปเรื่อยๆ จนในที่สุดอนุภาคจะถูกบังคับให้พุ่งออกจากท่อ D ไปชนนิวเคลียสเป้า
เครื่องเร่งอนุภาคเครื่องแรกของ Lawrence ทำด้วยทองแดง ตัว D มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาวเพียง 4 นิ้ว ใช้ไฟ 2,000 โวลต์ เพื่อทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์สุดท้าย 80,000 อิเล็กตรอนโวลต์ หรือมีความเร็วประมาณร้อยละ 0.01 ของความเร็วแสง เมื่ออุปกรณ์ทำงานได้ดี ในเดือนกันยายน ค.ศ.1930 Lawrence ได้นำอุปกรณ์นี้ออกแสดงที่ National Academy of Sciences ที่ Berkeley
ข่าวการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ Lawrence ตั้งชื่อว่า cyclotron นี้ได้ปรากฎเป็นข่าวหน้าหนึ่งของหนังสือพิมพ์ The New York Times ในงานแสดงนักข่าวได้ถามเรื่องประโยชน์ของ cyclotron ในเชิงพาณิชย์ Lawrence ก็ตอบว่า เขาสร้างอุปกรณ์นี้เพื่อวิจัยวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ ในทำนองเดียวกับอุปกรณ์ที่ฟาราเดย์ (Michael Faraday), เฮริทซ์ (Gustav Hertz) และ เฮล์มโฮลต์ซ (Hermann von Helmholtz) เคยสร้าง และเขาเองมิได้เป็นนักประดิษฐ์เพื่อธุรกิจเช่น เบลล์ (Alexander Graham Bell), เอดิสัน (Thomas Alva Edison) และมาร์โกนี (Guglielmo Marconi) ที่มุ่งหาความร่ำรวยจากสิ่งประดิษฐ์ของตน
จากนั้น Lawrence กับ M. Stanley Livingston ผู้เป็นศิษย์ก็ได้พัฒนาอุปกรณ์ cyclotron ให้สามารถเร่งโปรตอนด้วยสนามไฟฟ้าที่มีความเข้ม 80,000 โวลต์/เซนติเมตร อุปกรณ์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 11 นิ้วใช้งบประมาณสร้างเพียง 1,000 เหรียญ และสามารถทำให้โปรตอนมีพลังงานจลน์สูงถึง 1.2 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (1.92x10-13จูล)
ในฤดูร้อนของปี 1932 Lawrence ได้ประสบความสำเร็จในการยิงนิวเคลียสของ lithium-7 ด้วยโปรตอน ทำให้ได้อนุภาคแอลฟา 2 ตัว ตามสมการ
1 1 H + 7 3Li → 24 2 He
ในเวลาต่อมา Lawrence ได้พัฒนา cyclotron ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นๆ และมีพลังงานจลน์มากขึ้นๆ โดยใช้นิวเคลียสชนิดต่างๆ เป็นกระสุน เช่นใช้
electron (0 -1e), อนุภาคแอลฟา (4 2He) รวมถึง proton (1 1H)
อุปกรณ์ cyclotron นี้ได้ช่วยให้ Harold C. Urey พบ deuteron ที่ Rutherford เคยพยากรณ์ไว้ว่ามีในธรรมชาติ เพราะ deuteron มีโปรตอน และนิวตรอนอย่างละตัว ดังนั้นเลขเชิงอะตอมจึงเท่ากับ 1 และมวลเชิงอะตอมจึงเท่ากับ 2 ในเบื้องต้น Lawrence คิดตั้งชื่อธาตุชนิดใหม่นี้ว่า deuton แต่ Rutherford ต้องการเรียก diplon ในที่สุดก็ตกลงเรียก deuteron
ความสำเร็จในการพบ deuteron ทำให้ Urey ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1934
(สัญลักษณ์นิวเคลียร์ของ deuteron คือ2 1 H)
เนื่องจากการค้นพบนี้มีความสำคัญในการประยุกต์ใช้มาก และธรรมชาติมี deuteron อยู่ 1 ส่วน ในแก๊สไฮโดรเจน 4,000 ส่วน
ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าไฮโดรเจน มี isotope 3 รูปแบบ คือ
1 1H, 2 1H
และ 3 1 H เพราะ 3 1H
มีโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว ในนิวเคลียส tritium จึงมีมวลเชิงอะตอมเท่ากับ 3 แต่มีเลขเชิงอะตอมเท่ากับ 1 การมีออกซิเจน 3 isotope และไฮโดรเจน 3 isotope ทำให้นักเคมีสามารถสังเคราะห์น้ำได้ 9 รูปแบบที่แตกต่างกัน โดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่มีมวลเชิงอะตอมแตกต่างกัน และนี่ก็คือโจทย์วิจัยที่ George von Hevesy ใช้ในการศึกษาการทำงานของเซลล์ในร่างกาย โดย Hevesy เล่าว่า ขณะกำลังดื่มชากับ Rutherford และ Rutherford ถาม von Hevesy ี่ากับเดียวกับในการว่า ร่างกายคนต้องใช้เวลานานเพียงใด ในการขับน้ำที่ดื่มออกเป็นน้ำปัสสาวะ เพื่อตอบคำถามนี้ Hevesy ได้ใช้ D2 O เจือในน้ำชา แล้วตรวจปัสสาวะที่ร่างกายขับออกมาว่ามี D2 O เมื่อไร ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ร่างกายต้องใช้เวลาตั้งแต่ 8-14 วัน จึงขับน้ำออกจากร่างกายเป็นน้ำปัสสาวะ
ในเวลาต่อมา Hevesy ได้พัฒนาเทคนิคนี้เพื่อตรวจวัดปริมาณธาตุแปลกปลอมในร่างกาย โดยใช้ตะกั่ว -212 เพื่อศึกษาระบบทำงานของอวัยวะต่างๆ ในร่างกาย ผลงานนี้ทำให้ von Hevesy ได้รับรางวัลโนเบลสาขาแพทย์ศาสตร์ประจำปี 1943
ในปี 1933 Lawrence ได้รับเลือกเป็นสมาชิกของ National Academy of Sciences และมีชื่อเสียงมาก จนทำให้ศูนย์วิจัยนิวเคลียสของโลกย้ายจากอังกฤษมาอยู่ที่มหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ในอเมริกาตั้งแต่นั้นมา
ในวันที่ 29 กุมภาพันธ์ ค.ศ.1940 Lawrence ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ที่หอประชุม Wheeler Hall ในมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley โดยมี Carl Wallerstadt กงสุลสวีเดนประจำสหรัฐอเมริกาเป็นผู้มอบ เพราะขณะนั้นกองทัพของ Hitler กำลังรุกรานยุโรป พิธีมอบรางวัลโนเบลจึงไม่สามารถจัดที่กรุง Stockholm เหมือนดังที่เคยทำกันมาได้
ในปี 1942 เมื่อสถาบัน Academy of Sciences แห่งรัสเซียคัดเลือกสมาชิกต่างชาติ Lawrence ผู้ประดิษฐ์ cyclotron เป็น 1 ใน 3 ของนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่ได้รับการคัดเลือก (อีก 2 คน คือ นักเคมี G.N. Lewis และนักสรีรวิทยา W.B. Cannon)
แม้ได้รับรางวัลโนเบลแล้ว แต่ Lawrence ก็ยังเดินหน้าทำงานวิจัยฟิสิกส์ต่อไป โดยใช้อะตอมหลายชนิดเป็นกระสุนและเป้า เช่น
10 5B + 4 2He → 13 7 N + 1 0n
แล้ว 13 7N → 13 6 C + 0 1e
สำหรับผลงานด้านการสร้างธาตุกัมมันตรังสีประดิษฐ์อีกชิ้นหนึ่งที่โด่งดังคือปฏิกิริยา
23 11Na + 2 1H → 24 11 Na + 1 1H
ซึ่งใช้กระสุน 2 1H ที่มีพลังงาน 1.75 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์และ ให้ 24 11Na ซึ่งเป็นโซเดียมกัมมันตรังสี ที่ปล่อยรังสีแกมมาพลังงาน 5.5 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ออกมา (ซึ่งสูงเป็น 3 เท่าของพลังงานที่ได้จากรังสีแกมมาทั่วไป) แพทย์จึงนำรังสีแกมมานี้ใช้รักษามะเร็ง เพราะเรเดียม (Ra) มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 1,700 ปี ส่วน 24 11Na มีครึ่งชีวิตเพียง 15 ชั่วโมง ดังนั้นภัยเผาไหม้โดยรังสีแกมมาจาก24 11Na จะลดลงเร็วจนร่างกายปลอดภัยในเวลาไม่นาน นอกจากเหตุผลนี้แล้ว ตามปกตินอกจากรังสีแกมมาแล้ว เรเดียมยังปล่อยอนุภาคแอลฟาและอิเล็กตรอนออกมาด้วย ดังนั้น เวลาแพทย์จะนำเรเดียมกัมมันตรังสีไปใช้รักษาคนไข้ แพทย์จำต้องกรองอนุภาคแปลกปลอมเช่น แอลฟา และอิเล็กตรอนออกให้หมดก่อน การใช้เรเดียมจึงยุ่งยากและต้องระวังมาก ด้วยเหตุนี้ 24 11 Na จึงเป็นที่นิยมกว่า
ตามปกติเวลาธาตุกัมมันตรังสีประดิษฐ์เข้าสู่ร่างกาย ถ้าแพทย์ใช้อุปกรณ์ตรวจวัดรังสีติดแนบตามผิวหนัง เขาก็จะรู้ทันทีว่า ธาตุกัมมันตรังสีอยู่ที่ใดโดยไม่ต้องเจาะเลือดหรือผ่าตัดคนไข้ เทคนิค radioautography นี้จึงช่วยให้แพทย์รู้เส้นทางและความเข้มข้นของไอโดดีนกัมมันตรังสีและฟอสฟอรัสกัมมันตรังสีในกระดูก และต่อมฮอร์โมนของคนด้วย
ในพิธีเลี้ยงฉลองการรับรางวัลโนเบล Lawrence ได้ปรารภให้ที่ประชุมฟังว่า ข้อจำกัดของการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงมิได้อยู่ที่ความสามารถของนักฟิสิกส์ แต่อยู่ที่ท่านอธิการบดีของมหาวิทยาลัยซึ่งต้องเห็นด้วยในการอนุมัติเงินสร้าง ทันทีที่ Lawrence บรรยายจบ อธิการบดีมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ก็อนุมัติให้มีการสร้าง cyclotron ขนาดใหญ่ที่สุดในโลกที่ Berkeley เมื่อถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1942 cyclotron ที่มีแม่เหล็กหนัก 3,700 ตันก็เริ่มทำงาน
ผลงานของ Lawrence ได้ช่วยให้นักฟิสิกส์พบอนุภาคมูลฐานอีกเป็นจำนวนมาก เช่น นิวทริโน (neutrino), โพซิตรอน (positron), แอนติโปรตอน (antiproton) ฯลฯ อนุภาคเหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์รู้และเข้าใจธรรมชาติของนิวเคลียสดีขึ้น cyclotron จึงเปรียบเทียบได้กับกล้องโทรทรรศน์ Hubble ของนักดาราศาสตร์ แต่ cyclotron ใช้ศึกษานิวเคลียสในอะตอม
Lawrence เชื่อว่า มหาวิทยาลัยทุกแห่งในโลก น่าจะมี cyclotron ที่เป็นของตนเอง เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สร้างธาตุกัมมันตรังสีประดิษฐ์ที่สามารถรักษาโรคได้ ในมุมมองนี้ Lawrence จึงคิดว่า cyclotron มีความสำคัญยิ่งกว่า supernova ในอวกาศ
เมื่ออายุ 51 ปี Lawrence ได้รับเหรียญ Faraday ของ Institution of Electrical Engineers แห่งอังกฤษ และอีก 5 ปีต่อมา ก็ได้รับรางวัล Enrico Fermi Award ของสหรัฐอเมริกา
Lawrence เสียชีวิตที่เมือง Palo Alto ใน California ด้วยโรคกระเพาะอาหารอักเสบอย่างรุนแรง เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม ค.ศ.1958 สิริอายุ 57 ปี
หลังจากที่เสียชีวิต 23 วัน สภามหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ได้เปลี่ยนชื่อห้องทดลองนิวเคลียร์ของมหาวิทยาลัยเป็น Lawrence Livermore National Laboratory และ Lawrence Berkeley National Laboratory
ในปี 1959 รัฐบาลอเมริกันจัดตั้งรางวัล Ernest Orlando Lawrence Award สำหรับผู้มีผลงานโดดเด่นด้านเครื่องเร่งอนุภาค
ณ วันนี้ ธาตุที่ 103 ในตารางธาตุมีชื่อว่า lawrencium ตามชื่อของ Lawrence เพราะห้องปฏิบัติการ Lawrence Berkeley National Laboratory พบธาตุนี้เป็นครั้งแรกในปี 1961
อ่านประวัติ และผลงานของ Lawrence เพิ่มเติมได้จากหนังสือ Lawrence and His Laboratory: A History of Lawrence Berkeley Laboratory โดย John L. Heilbron และ Robert W. Seidel ที่จัดพิมพ์โดย University of California Press ในปี 1989
*********************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
