จากอะตอมไฮโดรเจนถึงโลหะไฮโดรเจน

แม้ไฮโดรเจนจะเป็นธาตุที่เบาที่สุด แต่ถ้าพิจารณาในแง่ของปริมาณ เอกภพมีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบมากที่สุด (ไม่นับสสารมืดที่ยังไม่มีใครรู้ว่าเป็นธาตุอะไร หรือไม่) โดยมีพบมากในดาวฤกษ์ เมฆอวกาศ และกาแล็กซีต่างๆ ที่สว่างไสว เพราะไฮโดรเจนที่มีในเทห์ฟ้าเหล่านั้นกำลังถูกทำลายไปในปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fusion

ในปี 1783 (รัชสมัยสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) Charles Blagden ซึ่งเป็นผู้ช่วยของ Henry Cavendish นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้เดินทางไปเยี่ยม Antoine Laurent Lavoisier นักเคมีชาวฝรั่งเศสที่ปารีส เพื่อแจ้งข่าวให้ทราบว่า เวลา Cavendish เผาแก๊สปริศนาชนิดหนึ่ง เขาได้เห็นไอน้ำ เพราะแก๊สนั้นเวลารวมกับออกซิเจนได้น้ำ Lavoisier จึงตั้งชื่อแก๊สว่า hydrogen ซึ่งแปลว่า ตัวทำให้เกิดน้ำ จากนั้นได้รายงานผลการทดลองนี้ต่อ Royal Academy of Sciences เมื่อวันที่ 24 มิถุนายน ปี 1783 วันนั้นจึงเป็นวันที่โลกรู้จัก hydrogen

แต่ชาวฝรั่งเศสทั้งหลายกลับไม่สนใจใยดีในการค้นพบนี้ เพราะเมื่อ 19 วันก่อนนั้น ชาวปารีสได้เห็นการทดลองของสองพี่น้องตระกูล Montgofier ซึ่งได้ประดิษฐ์บอลลูนที่มีอากาศร้อนบรรจุอยู่ภายในเพื่อให้ลอยขึ้นท้องฟ้า ตัวบอลลูนของ Montgofier ทำด้วยผ้าลินินที่เวลาโป่งจะเป็นรูปทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 30 เมตร สามารถลอยอยู่ในอากาศได้นาน 10 นาที อีกทั้งลอยไปได้ไกลเกือบ 2 กิโลเมตร

ความสำเร็จที่น่าตื่นเต้นนี้ได้ชักนำให้ Jacques Alexander Cesar Charles ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส (เจ้าของกฎของ Charles) คิดทดลองใช้ไฮโดรเจนแทนแก๊สร้อน เพราะไฮโดรเจนเบากว่าอากาศ และได้ประสบความสำเร็จเช่นกัน เพราะบอลลูนของ Charles ลอยได้สูงเกือบหนึ่งกิโลเมตร และขณะบอลลูนลอยขึ้น ฝนได้ตกลงมา แต่ฝูงชนก็ไม่กลัวฝน กลับยืนดูสิ่งประดิษฐ์ที่ลอยได้ด้วยความตื่นเต้น

ถึงวันที่ 19 กันยายนปีเดียวกัน Joseph Montgofier ได้แสดงสาธิตการลอยบอลลูนต่อพระพักตร์สมเด็จพระเจ้า Louis ที่ 16 พระนาง Marie Antoinette และฝูงชนที่ปารีส ในการบรรจุไฮโดรเจนเข้าในบอลลูนต้องใช้เวลานาน 11 นาที ตัวบอลลูนลอยขึ้นสูงประมาณ 500 เมตร และลอยไปตกไกลจากจุดเริ่มต้นประมาณ 3 กิโลเมตร ประเด็นที่น่าสนใจสำหรับการทดลองของ Montgofier ครั้งนั้น คือ ในการเหินฟ้าครั้งนี้เขาได้ใส่แกะ ไก่ และเป็ดไปด้วยในตะกร้าห้อยจากบอลลูน สัตว์ทั้งสามจึงเป็นสิ่งมีชีวิต 3 ชนิดแรกที่ได้เดินทางในอากาศ

ส่วนมนุษย์สองคนแรกที่ได้โดยสารไปกับบอลลูน คือ Jean Pilatre de Rozier และ Marquis d’ Arlandes ซึ่งได้ออกเดินทางจาก Bois de Boulogne ไปนาน 25 นาทีและไปไกล 3 กิโลเมตรจากจุดตั้งต้น

ทว่าสองพี่น้องตระกูล Montgofier ไม่ได้พัฒนาบอลลูนที่เขาประดิษฐ์ต่อ เพราะประเทศฝรั่งเศสกำลังวุ่นวายเพราะมีการปฏิวัติครั้งใหญ่ ที่มีการล้มเจ้า หลังการปฏิวัติ Etienne Montgofier ผู้พี่ตกกระป๋องจากตำแหน่งเป็นข้าราชการ และ Joseph ผู้น้องต้องกลับไปบริหารโรงงานทำกระดาษของครอบครัว กระนั้นคนทั้งสองก็ได้ทำให้โลกจดจำอย่างตราตรึงว่า เป็นนักเทคโนโลยีที่ได้สร้างยานให้คน “เหาะ” ได้เป็นครั้งแรก ภายในเวลา 3 เดือนหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์พบแก๊สไฮโดรเจน

ถึงปี 1817 เมื่อ Joseph Fraunhofer วิเคราะห์แสงอาทิตย์ที่พุ่งผ่านปริซึม และเห็นเส้นสีดำหลายเส้นปรากฏในแถบสเปกตรัม (ปัจจุบันเรียก Fraunhofer line) แต่เขาไม่สามารถอธิบายที่มา หรือแหล่งกำเนิดของเส้นเหล่านั้นได้ ในเวลาต่อมา Anders Jonas Angstrom ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวสวีเดนได้เสนอคำอธิบายว่า เส้นมืด Fraunhofer บังเกิดเวลาแสงที่อะตอมของธาตุต่างๆ ที่มีบนดวงอาทิตย์ปล่อยออกมา และแสงนั้นถูกอะตอมของไฮโดรเจนดูดกลืนไป

แต่ Angstrom ก็ไม่ได้อธิบายว่า อะตอมของธาตุต่างๆ ดูดกลืนและปล่อยแสงได้อย่างไร จนกระทั่งปี 1913 Niels Bohr ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กก็ได้อธิบายที่มาของสเปกตรัมไฮโดรเจนโดยใช้ทฤษฎีควอนตัม

อีก 15 ปีต่อมา Paul Adrian Dirac ได้พัฒนาทฤษฎีอะตอมไฮโดรเจนขึ้นไปอีกระดับหนึ่ง เมื่อเขานำทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาใช้กับอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนเป็นครั้งแรก และพบว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติพิเศษที่เรียกว่า spin

ในความเป็นจริงอะตอมไฮโดรเจนที่เราพบในธรรมชาติมักไม่อยู่โดดเดี่ยว แต่จะจับคู่เป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ซึ่งถ้ามีเป็นจำนวนมากจะทำให้ได้แก๊สไฮโดรเจน และถ้าอุณหภูมิของแก๊สถูกทำให้ลดต่ำถึง -253 องศาเซลเซียส แก๊สไฮโดรเจนก็จะกลายสภาพเป็นไฮโดรเจนเหลว และถ้าลดอุณหภูมิลงไปอีกถึง -259.14 องศาเซลเซียส ไฮโดรเจนเหลวก็จะแข็งตัวเป็นของแข็ง

คำถามที่นักฟิสิกส์สนใจใคร่รู้คำตอบคือ ถ้าไฮโดรเจนแข็งที่ได้ ถูกความดันมหาศาลกระทำ ไฮโดรเจนแข็งจะกลายสภาพเป็นโลหะไฮโดรเจนหรือไม่ และถ้าได้ที่ความดันมากเพียงใด โลหะไฮโดรเจนจึงจะกลายเป็นตัวนำยวดยิ่ง

ในปี 1965 N.W. Ashcroft แห่งมหาวิทยาลัย Cornell ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้ทฤษฎีควอนตัมของของแข็งคำนวณพบว่า โลหะไฮโดรเจนสามารถเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ที่ความดัน 250,000 ล้านบรรยากาศ (คือ 2 แสน 5 หมื่นเท่าของความดันบรรยากาศ) ความดันที่สูงมากเช่นนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนสิ้นหวังว่าจะนำไฮโดรเจนแข็งมาใช้ในชีวิตประจำวัน แต่บนดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีมวลมากกว่าโลกราว 400 เท่า และมีไฮโดรเจนเหลวเป็นองค์ประกอบหลัก ณ ที่ลึกใต้ผิวดาวลงไปประมาณ 7,000 กิโลเมตรจะมีความดันสูงประมาณ 3 แสนล้านบรรยากาศ ซึ่งนับว่ามากพอที่จะทำให้ไฮโดรเจนเหลวเปลี่ยนสภาพเป็นไฮโดรเจนแข็งที่เป็นตัวนำยวดยิ่งได้ เหตุการณ์ทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการไหลวนของไฮโดรเจนเหลวปริมาณมหาศาลเหนือแก่นกลางของดาว จะสามารถทำให้ดาวพฤหัสบดีมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงได้ นี่จึงเป็นเหตุผลที่อธิบายว่า เหตุใดดาวพฤหัสบดีจึงมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงกว่าโลก

เมื่อเดือนตุลาคมปีกลายนี้ Isaac Silvera แห่งมหาวิทยาลัย Harvard ได้ออกจดหมายเชิญเพื่อนๆ ที่มหาวิทยาลัยให้มาดูสิ่งประหลาดที่มีเพียงหนึ่งเดียวในเอกภพ นั่นคือ โลหะไฮโดรเจนที่เขาเชื่อว่านำไฟฟ้าได้ดี

ในรายงานที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Science ปรากฏว่า บทความของ Silvera ได้รับความสนใจมาก เพราะในอดีตที่ผ่านมา การแอบอ้างเรื่องนี้มักถูกนักวิชาการวิจารณ์จนผู้วิจัยต้องถอนการอวดอ้าง

การไม่ยอมรับผลงาน เกิดจากอุปสรรคความยากลำบากที่นักทดลองมักอ้างว่า ตนสามารถก้าวข้ามได้ เพราะถ้าพิจารณาหยดไฮโดรเจนเหลวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งมิลลิเมตร และลอยอยู่ระหว่างปลายเข็มแหลม 2 เข็มที่ทำด้วยเพชร หลังจากที่ Silvera ได้เลื่อนปลายเข็มเข้าหากัน เมื่อปลายเข็มสัมผัสหยดไฮโดรเจน ความดันที่ปลายเข็มจะสูงมาก จนอะตอมไฮโดรเจนบางอะตอมสามารถเล็ดรอดเข้าไปฝังตัวอยู่ที่ปลายเข็มได้ จนทำให้ปลายเข็มอาจจะแตก

ดังนั้น Silvera จึงเคลือบปลายเข็มด้วยวัสดุอื่น เป็นป้องกันเข็มมิให้แตก แต่การทำเช่นนั้นทำให้การแปลผล ความดัน และสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนเหลวไม่สมบูรณ์

การทดลองที่ความดัน 400 gigapascals (4 ล้านเท่าของบรรยากาศ) ซึ่งกระทำในอดีตได้ทำให้หยดไฮโดรเจนเปลี่ยนจากไม่มีสีเป็นสีดำ และมีผลทำให้แสงที่ส่องไปกระทบหยดไม่สามารถผ่านทะลุผ่านหยดได้ จึงสะท้อนกลับ

ความรู้เกี่ยวกับเฟสของไฮโดรเจนแสดงว่า ที่ความดันตั้งแต่ 0-2 ล้านบรรยากาศ ขึ้นไปและอุณหภูมิตั้งแต่ 0-1000 องศาเคลวิน ไฮโดรเจนจะสามารถอยู่ในสภาพของเหลวและของแข็งได้

ตั้งแต่อุณหภูมิ 1,000 -2,000 เคลวิน และที่ความดันตั้งแต่ 2.5 ล้านบรรยากาศขึ้นไป ไฮโดรเจนจะอยู่ในสภาพโลหะเหลว (liquid metal)

สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่จะทำให้ได้ไฮโดรเจนแข็งนั้น นักฟิสิกส์คาดว่าจะเกิดที่ความดันตั้งแต่ 5 ล้านบรรยากาศขึ้นไป โดยมีอุณหภูมิต่ำตั้งแต่ 0-500 เคลวินเท่านั้น

ในรายงานการทดลองของ Silvera เขาได้ชี้แจงว่า เมื่อฉายแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มน้อยไปกระทบหยดของเหลวไฮโดรเจน และใช้ความดัน 500 GPA (หรือ 5 ล้านเท่าบรรยากาศ) เขาได้เห็นว่า หยดเปลี่ยนสีอีกจากสีดำเป็นสีแดง และหยดสะท้อนแสงเลเซอร์ได้ดี (นี่คือสมบัติหนึ่งของโลหะ)

แต่ก็มีนักทดลองหลายคนที่ไม่เชื่อผลการทดลองนี้ โดยอ้างว่า Silvera มิได้สร้างความดัน 5 ล้านบรรยากาศจริง แต่ใช้วิธีประมาณค่าจากอุปกรณ์ นอกจากนี้ของเหลวไฮโดรเจนที่ Silvera ใช้ก็อาจไม่ใช่โลหะบริสุทธิ์ คือมีอะตอมของคาร์บอน (จากเพชร) ปน

แต่ Silvera ก็ยังยืนยันว่าวัสดุตัวอย่างของเขาบริสุทธิ์ 100% และความดันที่ใช้ก็เป็นความดันจริง โดยจะทดลองเรื่องนี้ซ้ำในอนาคตอันใกล้นี้

การทดลองนี้นับว่าสำคัญ เพราะ Eugene Wigner ได้เคยพยากรณ์ว่า โลหะไฮโดรเจนอาจจะอยู่ในสถานะ metastable คือ คงสภาพเป็นโลหะได้ ทั้งๆ ที่ไม่มีความดันใดๆ มากระทำ ในทำนองเดียวกับเพชรที่เกิดเวลาคาร์บอนถูกอัดด้วยแรงดันมหาศาลใต้โลก จนเกิดเพชร แต่เมื่อขุดเพชรขึ้นมา เพชรก็ไม่สลายตัว ทั้งๆ ที่ความดันเหลือเพียงหนึ่งบรรยากาศ

นั่นหมายความว่า ถ้าเราสร้างโลหะไฮโดรเจนได้ และมันอยู่ในสถานะ metastable เราก็สามารถใช้โลหะไฮโดรเจนแทนไฮโดรเจนเหลวและแทนออกซิเจนเหลวในฐานะเชื้อเพลิง และที่ประเสริฐยิ่งกว่านั้น คือ เราอาจจะได้ตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องได้

อ่านเพิ่มเติมจาก The properties of hydrogen and helium under extreme conditions โดย J.M. McMahon et al. ใน Review of Modern Physics Vol.84 ปี 2012






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์