xs
xsm
sm
md
lg

ศึกชิงการค้นพบ “ธาตุ” ใหม่ งานนี้ของ “นักเคมี” หรือ “นักฟิสิกส์” ?

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน






ในโลกโบราณก่อนยุคเล่นแร่แปรธาตุ มนุษย์รู้จักธาตุเพียง 9 ธาตุ คือ ทองคำ เงิน ทองแดง เหล็ก ปรอท ตะกั่ว ดีบุก กำมะถัน และคาร์บอน จากนั้นนัก “เคมี” ได้พบธาตุเพิ่มขึ้นอีก 6 ชนิด คือ พลวง บิสมัท สังกะสี ฟอสฟอรัส โคบอลต์ และสารหนู

เมื่อถึงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 18 จำนวนธาตุที่พบใหม่ได้เพิ่มมากขึ้นอีก 11 ธาตุ คือ แพลทินัม นิกเกิล คลอรีน แมงกานีส ทังสเตน โครเมียม โมลิบดีนัม ไทเทเนียม เทลลูเรียม เซอร์โคเนียม และยูเรเนียม

ความก้าวหน้าทางวิทยาการสาขาเคมีได้ทำให้เราพบธาตุใหม่ๆ จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ดังที่ตำราเคมี ในปี 1869 ได้ระบุว่า โลกมีธาตุ 63 ธาตุ ตั้งแต่ไฮโดรเจนซึ่งเป็นธาตุเบาที่สุด เพราะมีมวลเชิงอะตอมเท่ากับหนึ่ง จนถึงยูเรเนียมซึ่งเป็นธาตุหนักที่สุด เพราะมีมวลเชิงอะตอมเท่ากับเก้าสิบสอง

บรรดาธาตุเหล่านี้อยู่ในสถานะต่างๆ กัน เช่น แก๊ส ของเหลว หรือของแข็ง และมีสีต่างๆ กัน มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน อีกทั้งมีสภาพนำไฟฟ้า และสภาพนำความร้อนที่มีค่าหลากหลาย ดังนั้น นักเคมีจึงมีความประสงค์จะจัดแบ่งธาตุเป็นกลุ่มๆ ตามสมบัติที่ใกล้เคียงกัน และที่แตกต่างกัน

Dmitri Mendeleev เป็นนักเคมีคนแรกของโลกที่ประสบความสำเร็จในการเสนอความคิดเรื่องตารางธาตุ (periodic table) เมื่อปี 1869 ต่อที่ประชุมของสมาคมเคมีแห่งรัสเซีย ภายใต้ชื่อเรื่องที่บรรยายในครั้งนั้นว่า “ความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของธาตุกับมวลเชิงอะตอม” นับตั้งแต่วันที่ตารางธาตุปรากฏ คำพยากรณ์ต่างๆ ของ Mendeleev ก็ได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง ตารางธาตุจึงได้ช่วยให้นักเคมีพบธาตุใหม่ๆ และแก้ไขและปรับปรุงสมบัติของบางธาตุให้ถูกต้องอย่างที่ควรจะเป็น ดังจะเห็นได้จากสถิติซึ่งแสดงว่า เมื่อ Mendeleev เสียชีวิตในปี 1907 โลกได้รู้จักธาตุถึง 86 ธาตุ

ปี 2019 ที่จะมาถึงนี้ เป็นวาระครบ 150 ปีของการที่โลกมีตารางธาตุใช้ ดังนั้น สมาคม International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) กับ International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) จึงได้เสนอให้ปี 2019 เป็นปีสากลแห่งตารางธาตุ ซึ่งเป็นเวลาที่บรรดานักเคมี และนักฟิสิกส์ทุกคนน่าจะยินดี แต่ก็ไม่เชิงนัก เพราะนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องเรื่องนี้จากทั้งสองกลุ่มคือ นักเคมี และนักฟิสิกส์กำลังมีปัญหาเรื่องการตั้งกฎเกณฑ์ในการตรวจสอบความถูกต้องอย่างสมบูรณ์แบบของการที่นักทดลองอ้างว่ามีการพบธาตุใหม่ๆ ซึ่งในระยะหลังๆ นี้ ปรากฏว่าไม่จริง

จากเหตุการณ์ที่บังเกิดขึ้นเมื่อเดือนพฤษภาคม ปี 2016 ที่ปราสาทเมือง Backaskog ในประเทศสวีเดนอันเป็นสถานที่ๆ มูลนิธิรางวัลโนเบลของสวีเดนได้จัดให้นักเคมีและนักฟิสิกส์จากนานาประเทศทั่วโลกมาร่วมประชุมกันเพื่อทบทวนกฎเกณฑ์ที่จะใช้ในการพิจารณายอมรับการพบธาตุใหม่ รวมถึงข้อจำกัดต่างๆ ของเทคโนโลยี และวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างธาตุซูเปอร์หนัก (superheavy element) ในอนาคต และมีจุดมุ่งหมายของการประชุมอีกประการหนึ่ง คือเพื่อเฉลิมฉลองการค้นพบธาตุใหม่อีก 4 ธาตุ โดยจะมีการประกาศรับรองชื่อของธาตุใหม่ที่พบด้วย เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้พบ สถาบันวิจัยที่พบ และประเทศที่พบ

ข่าวการจัดการประชุมได้จุดประกายให้คนทั่วโลกสนใจ แต่ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์หลายคนก็รู้สึกกังวลกับเกณฑ์การตรวจสอบเดิมที่อ้างว่าได้พบธาตุใหม่ เพราะนักวิทยาศาสตร์บางคนรู้สึกว่า ในกรณีของธาตุใหม่ 2 ธาตุ (ธาตุที่ 115 กับ 117) การตรวจสอบได้เป็นอย่าง “รีบร้อน” จนอาจทำให้การตัดสินใจผิดพลาดได้ และถ้าพลาดจริง ความน่าเชื่อถือขององค์การก็จะสลายสิ้นไปในทันที ดังนั้น ผู้เข้าร่วมประชุมหลายคนจึงร่างมติขอให้ที่ประชุมชะลอการประกาศชื่อธาตุใหม่ แต่การกระทำเช่นนั้นทำให้ผู้เข้าประชุมจากรัสเซียซึ่งมีบทบาทมากในการพบธาตุใหม่ 3 ธาตุได้เดินกระทืบเท้าออกจากที่ประชุมทันที นี่เป็นการประท้วงที่ไม่เคยเกิดขึ้นในที่ประชุมทางวิชาการใดๆ ในที่สุดผู้เข้าประชุมส่วนที่เหลือก็ได้ลงมติให้ประกาศชื่อธาตุที่พบใหม่ทั้ง 4 ดังนี้คือ nihonium (มวลเชิงอะตอม 113) moscovium (มวลเชิงอะตอม 115) tennesine (มวลเชิงอะตอม 117) และ organesson (มวลเชิงอะตอม 118) ซึ่งเมื่อรวมกับของเดิม 114 ธาตุ จำนวนทั้งหมดก็เป็น 118 ธาตุ

สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความขัดแย้งครั้งนั้น คือ ประเด็นว่า ใคร (นักเคมีหรือนักฟิสิกส์) เป็นเจ้าของและเป็นผู้พิทักษ์ปกป้องตารางธาตุกันแน่ เพราะในอดีตที่ผ่านมา ธาตุที่พบใหม่มักเป็นธาตุที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ ดังนั้น นักเคมีจึงอาศัยเทคนิคทางเคมีในการสกัดและวิเคราะห์สมบัติทางกายภาพของธาตุใหม่เหล่านั้นได้อย่างสบายๆ

แต่ในช่วง 70 ปีหลังนี้ นักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะนักฟิสิกส์ได้สร้างธาตุใหม่ขึ้นหลายธาตุ โดยอาศัยเทคนิคและเทคโนโลยีทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ ในการหลอมรวมอะตอมธาตุหนึ่งกับของอีกธาตุหนึ่งโดยการใช้เครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งเป็นวิธีที่ทำให้เกิดขึ้นได้ยากมาก เพราะในแทบทุกกรณี กว่าจะได้อะตอมของธาตุใหม่แม้เพียงอะตอมเดียว นักทดลองต้องใช้เวลานานเป็นเดือน

ดังนั้น ตั้งแต่ปี 1999 เป็นต้นมา องค์การ IUPAC และ IUPAP ซึ่งเป็นองค์การเจ้าภาพของเรื่องการสังเคราะห์ธาตุใหม่ จึงได้แต่งตั้งคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญขึ้นมาเพื่อทำงานร่วมกันในการพิจารณาเรื่องนี้ โดยมีนักเคมีนิวเคลียร์ชื่อ Paul Karol ในสังกัดมหาวิทยาลัย Carnegie Mellon เป็นหัวหน้า และมีกรรมการอีก 4 ท่านเป็นนักฟิสิกส์

ผลการทำงานของคณะกรรมการดังกล่าวในช่วงปี 2012-2016 ได้ยอมรับว่า ทีมวิจัยซึ่งค้นพบธาตุที่ 115, 117 และ 118 เกิดจากความร่วมมือในการวิจัยระหว่างอเมริกากับรัสเซีย โดยมีนักฟิสิกส์นิวเคลียร์ชื่อ Yuri Oganessian จากรัสเซียเป็นหัวหน้า สำหรับธาตุที่ 113 นั้นเป็นผลงานการสร้างของทีมวิจัยจากสถาบัน RIKEN Nishina Center for Accelerator – Based Science ในญี่ปุ่น

ทันทีที่คณะทำงานของ Karol ตัดสินใจว่า ธาตุใหม่ได้เกิดขึ้นจริง เมื่อวันที่ 30 ธันวาคม ปี 2015 ทาง IUPAC ก็ได้ออกมาแถลงข่าวนี้ทันที โดยที่ทาง IUPAP ยังไม่ทันได้ตัดสินใจว่า เห็นด้วยหรือไม่ เพราะยังไม่ได้รับข้อมูลที่สมบูรณ์ การก้าวข้าม (หัว) เช่นนี้ ทำให้องค์การ IUPAC และ IUPAP มีความขัดแย้งกันมากขึ้น และ IUPAP ได้กล่าวในที่ประชุมใหญ่ที่สวีเดนว่า IUPAC ต้องการจะเอาเครดิตเพียงคนเดียว ทั้งๆ ที่นักฟิสิกส์เป็นนักวิทยาศาสตร์ประเภทเดียวเท่านั้นที่สามารถตรวจสอบความใหม่แกะกล่องของธาตุใหม่ได้

แม้จะมีข้อสังเกตและมีความกังวลเกี่ยวกับความถูกต้องอย่างสมบูรณ์ในการสร้างธาตุใหม่สักปานใด แต่เมื่อถึงเดือนมิถุนายน ค.ศ.2016 ที่ประชุมร่วมกันของ IUPAC กับ IUPAP ก็ได้ลงมติ เดินหน้าแถลงข่าวการพบธาตุใหม่ 4 ธาตุ เพราะได้รับคำยืนยันจากคณะกรรมการที่ IUPAC และ IUPAP แต่งตั้งให้สรุปเรื่องนี้ซึ่งอ้างว่า คณะกรรมการได้ส่งผลการทดลองไปให้ห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลกตรวจสอบแล้ว ซึ่งล้วนเป็นห้องปฏิบัติการที่เชี่ยวชาญเรื่องการสร้างธาตุซูเปอร์หนัก เมื่อได้รับความเห็นพ้องว่า O.K คณะกรรมการจึงส่งผลไปให้ IUPAC เพื่อพิจารณาตั้งชื่อ และกำหนดสัญลักษณ์ของธาตุใหม่ ดังนั้น ความถูกต้องสมบูรณ์จึงเป็นเรื่องที่ห้องปฏิบัติการต่างๆ ต้องรับผิดชอบอยู่แล้ว คณะกรรมการมีหน้าที่ตรวจสอบเพียงขั้นตอน และถ้อยแถลงต่างๆ เท่านั้นเอง ด้าน IUPAC ก็ได้ชี้แจงเสริมว่า แต่ละองค์การที่ใช้ตรวจสอบต่างก็มีผู้เชี่ยวชาญในการให้ความเห็นเกี่ยวกับเรื่องนี้ถึง 15 คน


ตารางธาตุขนาดใหญ่บนอาคารมหาวิทยาลัยมูเรีย (University Muria)



ดังนั้น เพื่อจะได้ก้าวข้ามความขัดแย้งที่เกิดขึ้น เมื่อเดือนพฤษภาคมของปี 2018 นี้ ทาง IUPAC และ IUPAP จึงได้ตกลงปรับขั้นตอนการประเมินผลการสร้างธาตุใหม่ในอนาคต โดยให้ประธานของทั้ง IUPAC และ IUPAP ได้เห็นและศึกษาผลที่คณะกรรมการสรุป ก่อนจะออกแถลงการณ์ใดๆ ต่อสื่อมวลชน และต่อโลก โดยหวังว่า การเปลี่บนแปลงนี้จะทำให้เกิดผลดีต่อวงการ ทั้งเคมีและฟิสิกส์ในระยะยาว

ตามปกติ ในการตั้งชื่อของธาตุใหม่นั้น IUPAC และ IUPAP นิยมตั้งตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ที่เสียชีวิตไปแล้ว หรือไม่ก็ตามชื่อสถานที่ๆ สร้างธาตุนั้นเป็นครั้งแรก ดังนั้น เราจึงมีธาตุ americium (Am-95), curium (Cu-96), Berkelium (Bk-97), californium (Cf-98), einsteinium (Es-99), fermium (Fm-100), mendelevium (Md-101), nobelium (No-102) และ lawrencium (Lr-103) การมีส่วนในผลงานการสร้างธาตุเหล่านี้ทำให้ Glenn Seaborg ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1951 และทำให้ชื่อ Seaborg ได้เป็นชื่อของธาตุ seaborgium (Sg-106) เขาจึงเป็นบุคคลแรกที่มีชื่อเป็นชื่อของธาตุ ในขณะที่เขายังมีชีวิตอยู่

มาบัดนี้ Yuri Organessium ซึ่งยังมีชีวิตอยู่ก็ได้รับการตั้งเป็นชื่อของธาตุ organesson เขาจึงเป็นบุคคลที่สอง หลัง Seaborg ที่ได้รับเกียรติอันเป็นอมตะนี้

Y. Organessium เกิดที่เมือง Rostov-on-Don ในรัสเซีย เมื่อวันที่ 14 เมษายน ค.ศ.1933 บิดาเป็นวิศวกร และได้เข้าศึกษาระดับปริญญาตรีที่ Moscow Engineering Physics Institute ใน Moscow จากนั้นได้เริ่มทำงานที่ห้องปฏิบัติการ Flerov Laboratory of Nuclear Reactions ในปี 1956 ที่ Organessium เริ่มทำงาน โลกมีธาตุ 101 ธาตุ แต่เมื่อถึงปี 2018 โลกรู้จักธาตุรวมทั้งสิ้น 118 ธาตุ

ย้อนอดีตไปถึงปี 2009 ที่ทีมวิจัยของ Organessium ได้พบธาตุ-113 ในเวลาไล่เรี่ยกับทีมวิจัยของญี่ปุ่น โดยนักวิจัยญี่ปุ่นได้พบก่อนเล็กน้อย ดังนั้นธาตุจึงมีชื่อ nihonium แต่ในเวลาต่อมา ทีมของ Organessium ก็ได้พบ flerovium-114, moscovium-115, livermorium-116 และ organesson-118 โดยได้รับความร่วมมือจากนักวิจัยอเมริกัน ห้องปฏิบัติการของ Organessium นั้นต้องรับผิดชอบด้านการสร้างอะตอมที่ใช้เป็นกระสุน ส่วนอะตอมที่เป็นเป้านั้น ห้องปฏิบัติการในอเมริกา ซึ่งในที่นี้คือที่ Oak Ridge National Laboratory ที่รัฐ Tenessee กับที่ Livermore National Laboratory ในรัฐ California เป็นผู้รับผิดชอบ และ Organessium ได้บรรยายการสร้างธาตุ-117 ว่า เขาต้องใช้กระสุนซึ่งเป็นอะตอมของธาตุ calcium-20 ยิงอะตอมที่เป็นเป้า คือ berkelium-97 โดยต้องใช้เวลาถึง 250 วันจึงจะได้อะตอมของธาตุ tennessine-117 ในปริมาณ 0.222 กรัม จากนั้นทีมวิจัยต้องใช้เวลา 90 วันในการสกัดแยกอะตอมใหม่ออกมาให้บริสุทธิ์หมดจด เพราะธาตุใหม่เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตเพียง 0.03 วินาทีเท่านั้นเอง การศึกษาสมบัติจึงต้องดำเนินการอย่างเร่งรีบ

นี่คือความยุ่งยากสุดๆ เพราะนอกจากการสร้างธาตุใหม่จะทำได้ยากและได้น้อยแล้ว มันยังไม่เสถียรอีกด้วย เช่น ในกรณีของ moscovium-115 นั้น Organessium เล่าว่า ตลอดเวลา 1 สัปดาห์ที่ทดลอง เขาได้เห็น moscovium-115 เพียง 1 อะตอมเท่านั้นเอง

เป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้คือพยายามค้นหาธาตุใหม่ ที่มีสมบัติใหม่ๆ เพื่อใช้ทดสอบความรู้กลศาสตร์ควอนตัมของนิวเคลียส และถ้าโชคดี ธาตุที่พบใหม่อาจจะเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกของมนุษย์ในอนาคตก็ได้

อ่านเพิ่มเติมจาก “Heaviest nuclei from 48Ca- induced reactions” และ Synthesis of a new element with atomic number Z = 117 ใน Phys. Rev. Lett. 104, 142504-4 ปี 2010

สุทัศน์ ยกส้าน

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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...