ห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ Flerov Laboratory เป็นศูนย์วิจัยหนึ่งในสี่ศูนย์ของโลกที่มีความสามารถในการสร้างธาตุซูเปอร์หนัก (superheavy element) (อีกสามแห่งเป็นของอเมริกา เยอรมนี และญี่ปุ่น) โดยมีนักฟิสิกส์ชื่อ Yuri Oganessian วัย 85 ปีเป็นผู้อำนวยการ ตลอดเวลากว่า 60 ปีที่ผ่านมานี้ ศูนย์วิจัยได้ประสบความสำเร็จในการสร้างธาตุซูเปอร์หนักได้ถึง 9 ธาตุแล้ว
ธาตุซูเปอร์หนักคือ ธาตุที่ 104 ขึ้นไป ซึ่งได้แก่
ธาตุ Rtrutherfordium 104ธาตุ Db dubnium 105
ธาตุ Sg seaborgium 106ธาตุ Bh bohrium 107
ธาตุ Hs hassium 108ธาตุ Mt meitnerium 109
ธาตุ Ds darmstadtium 110ธาตุ Rg roentgenium 111
ธาตุ Cn copernicium 112ธาตุ Nh nihonium 113
ธาตุ Fl flerovium 114ธาตุ Mc moscovium 115
ธาตุ Lv livermorium 116ธาตุ Ts tennessian 117
และธาตุ Og oganesson 118
ธาตุที่หนักที่สุดในปัจจุบัน คือ oganeson นั้นตั้งตามชื่อของท่านผู้อำนวยการ Oganessian ซึ่งในปลายปีนี้ศูนย์ปฏิบัติการมีกำหนดจะสร้างธาตุที่ 119 และ 120
ตารางธาตุ (periodic table) ที่นักเรียนและนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกใช้กัน ทุกวันนี้มีธาตุทั้งหมด 118 ธาตุ ซึ่งอยู่เรียงกันเป็นตาราง โดยมี 18 คอลัมน์ในแนวตั้ง และมี 7 แถวในแนวนอน คอลัมน์ขวาสุดมีธาตุที่เป็นแก๊สเฉื่อย คือ helium He, neon Ne, argon Ar, krypton Kr, xenon Xe, radon Rn และ oganesson Og ที่อยู่ปลายแถวนอนที่ 7 และปลายแถวตั้งที่ 18 พอดี
ดังนั้นธาตุที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการสร้างใหม่ก็จะเริ่มต้นอยู่ในแถวนอนที่ 8 และถ้าธาตุใหม่ที่ 119 มีสมบัติทางกายภาพแตกต่างไปจากธาตุที่อยู่ในคอลัมน์ 1 นั่นจะเป็นปัญหาใหญ่สำหรับทุกคน เพราะตารางธาตุจะต้องมีการจัดเรียงรูปแบบใหม่ในทันที แต่การทำลายตารางธาตุมิใช่จุดประสงค์สำคัญจุดมุ่งหมายที่สำคัญที่สุดของการสร้างธาตุใหม่ คือ นักวิทยาศาสตร์ต้องการจะรู้ว่าเอกภพสามารถมีธาตุได้ทั้งหมดกี่ธาตุ และตารางธาตุมีขนาดและขอบเขตที่จำกัดหรือไม่
ด้วยงบประมาณ 2,100 ล้านบาทที่ห้องปฏิบัติการ Flerov ได้รับเพื่อสร้างธาตุใหม่นี้ อาจทำให้คนทั่วไปคิดว่า นี่เป็นการลงทุนที่ไม่คุ้มค่าเลย เพราะจะมีธาตุใหม่เพียงไม่กี่อะตอม ในปริมาณที่น้อยนิด จนไม่มีใครสามารถนำไปทำประโยชน์อะไรได้เลย
แต่การตั้งคำถามนี้ก็เป็นประเด็นเดียวกับที่ผู้คนเมื่อ 100 ปีก่อนนี้ได้ถาม หลังจากที่ J.J. Thomson พบอิเล็กตรอน E. Rutherford พบโปรตอน และ J. Chadwick ได้พบนิวตรอนว่า อนุภาคที่พบใหม่มีประโยชน์อันใด คำตอบสั้นๆ คือ อนุภาคที่พบใหม่ได้ทำให้โลกมีเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์ โทรศัพท์มือถือ เลเซอร์ คอมพิวเตอร์ โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ และเทคโนโลยีอนุภาคบำบัดที่ใช้รักษามะเร็ง ฯลฯ
นักวิทยาศาสตร์จำแนกธาตุทั้ง 118 ธาตุที่มีปรากฏในตารางธาตุออกเป็นสองประเภท คือธาตุธรรมชาติ กับธาตุประดิษฐ์ (ซึ่งเป็นธาตุที่มนุษย์สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ) และพบว่าธาตุธรรมชาติซึ่งมีมวลมากที่สุด คือ uranium ซึ่งมีเลขเชิงอะตอม (atomic number) เท่ากับ 92 (เลขเชิงอะตอมเป็นค่าที่ใช้บอกจำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียสของอะตอมนั้น) ดังนั้น ธาตุประดิษฐ์ คือ ธาตุที่มีเลขเชิงอะตอมตั้งแต่ 93 ขึ้นไป
ตามปกติเวลานักวิทยาศาสตร์ต้องการสร้างธาตุที่มีมวลมากกว่า uranium (บรรดาธาตุที่มีเลขเชิงอะตอมตั้งแต่ 93 ขึ้นไป) เขาจำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคในการยิงนิวเคลียสของธาตุเบาให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุที่หนักกว่า และถ้าพลังงานที่ใช้ในการยิงมีค่าเหมาะสม การหลอมรวมระหว่างนิวเคลียสของธาตุทั้งสองก็จะเกิดขึ้น ทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่ เช่น เมื่อยิงนิวเคลียสของ neon (เลขเชิงอะตอม 10) ให้รวมกับนิวเคลียสของ uranium (เลขเชิงอะตอม 92) ก็จะได้นิวเคลียสของ nobelium (เลขเชิงอะตอม 102 จาก 10 + 92) เป็นต้น
แต่เทคนิคนี้ก็ยังมีขอบเขตที่จำกัดในการใช้ คือ ไม่สามารถใช้ได้กับทุกนิวเคลียสที่มีในธรรมชาติ เพราะนิวเคลียสยิ่งมีมวลมาก จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสนั้นก็ยิ่งมีมากด้วย ดังนั้นเวลานิวเคลียสเข้าใกล้กัน แรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างประจุบวกในนิวเคลียสทั้งสองจะมีค่ามาก จนนิวเคลียสเบาไม่สามารถรวมกับนิวเคลียสหนักได้
Oganessian จึงได้เสนอเทคนิคใหม่ให้นำนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขเชิงอะตอมใกล้เคียงกัน มาหลอมรวมกันอย่างช้าๆ แทนที่จะให้พุ่งชนกันอย่างรุนแรง การรวมตัว (fusion) เช่นนี้เป็นเทคนิคหลักที่ห้องปฏิบัติการ Helmholtz Centre for Heavy Ion Research ที่เมือง Darmstadt ในประเทศเยอรมนีใช้ และได้ประสบความสำเร็จในการสร้างธาตุที่ 107 ถึง 112 คือ bohrium, hessium, meitnerium, darmstadtium, roentgenium และ copernicium
แต่เมื่อนักทดลองพยายามสร้างธาตุที่ 113 เทคนิคนี้ก็ใช้ไม่ได้อีก
ในปี 2003 คณะวิจัยจากสถาบัน RIKEN Institute ที่เมือง Wako ในญี่ปุ่นได้ทดลองยิงนิวเคลียสของสังกะสี (เลขเชิงอะตอม 30) ให้หลอมรวมกับนิวเคลียสของ bismuth (เลขเชิงอะตอม 83) เพื่อสร้างธาตุ 113 (จาก 30 + 83) ผลปรากฏว่าได้นิวเคลียส 113 เพียง 1 อะตอมในปี 2004 และในปีต่อมาก็ได้อีก 1 อะตอม ซึ่งก็ไม่มากพอที่จะใช้สรุปว่าเป็นสมบัติของธาตุ 113 ในการทดลองเมื่อปี 2006, 2007, 2008 และ 2009 RIKEN ก็ไม่ได้ให้ผลอะไรเลย จนกระทั่งปี 2012 ก็ได้เห็นธาตุ 113 จึงตั้งชื่อว่า nihonium
แต่เมื่อถึงเวลาจะสร้างธาตุที่ 114 ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่สถาบัน Flerov ต้องหาวิธีใหม่ แบบ hot fusion เพราะต้องใช้ไอโซโทปของธาตุที่มีนิวตรอนมากเป็นพิเศษ ซึ่งได้แก่ calcium-48 ที่มีราคาแพงมาก (ราคากรัมละ 8.8 ล้านบาท) ให้หลอมรวมกับธาตุ dysprosium-66 นี่เป็นการลงทุนที่คุ้ม เพราะอีก 6 เดือนต่อมา ทีมนี้ก็พบธาตุ flerovium-114 (จาก 66 + 48)
การทำงานขั้นต่อไปคือ การสังเคราะห์ธาตุ 115 จากการหลอมรวม calcium-20 กับ americium 95 เพื่อจะได้ธาตุ moscovium-115 และหลอมรวม calcium-20 กับ curium-96 เพื่อจะได้ธาตุ livermorium-116 ซึ่งตั้งตามชื่อของห้องปฏิบัติการ Lawrence Livermore National Laboratory ที่ California ที่ทำวิจัยร่วมกัน ในส่วนของธาตุที่ 117 นั้น สถาบัน Flerov ได้ทำงานร่วมกับ Oak Ridge National Laboratory ในรัฐ Tennessee ของอเมริกา โดยการยิง calcium-20 ให้รวมกับ berkelium-97 จึงตั้งชื่อธาตุว่า tennessian
แต่เมื่อต้องการจะสร้างธาตุ 119 โดยการหลอมรวม einsteinium-99 กับ calcium-20 นักทดลองจำเป็นต้องใช้ธาตุ 99 หลายมิลลิกรัม ซึ่งมีไม่มากพอ และถ้าจะมีให้พอ ต้องใช้เวลาสร้างนานเป็นร้อยปี นักวิจัยจึงเสนอเทคนิคใหม่ โดยใช้ calcium-48 รวมกับ luthetium-71 เพื่อจะได้ธาตุที่ 119 หรือรวมกับ hafnium-72 เพื่อให้ได้ธาตุที่ 120
ขั้นตอนแรกที่ต้องทำในการสร้างธาตุหนักชนิดใหม่คือ ผลิตไอออน (ion เป็นอะตอมที่ไม่มีอิเล็กตรอน คือมีแต่นิวเคลียส) แล้วยิงไอออนประมาณวินาทีละ 6 ล้านล้านอนุภาคเข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคแบบ cyclotron ซึ่งมีแม่เหล็กที่หนัก 1,000 ตันซึ่งสามารถเบนไอออนให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมได้ cyclotron จะเร่งไอออนให้มีพลังงานสูงขึ้นๆ จนกระทั่งมีความเร็วประมาณ 1/10 ของความเร็วแสง จากนั้นก็ปล่อยให้พุ่งชนอะตอมที่เป็นเป้า ซึ่งแนบติดอยู่บนแผ่นฟิล์มที่หนาระดับไมโครเมตร (10-6 เมตร)
เมื่อนิวเคลียสเป้ากับนิวเคลียสกระสุนหลอมรวมกันเรียบร้อย นิวเคลียสของธาตุซูเปอร์หนักจะทะลุผ่านแผ่นฟิล์มไป แต่ไม่ได้ไปเพียงอนุภาคเดียว เพราะมีอนุภาคอื่นๆ ติดตามไปด้วย ดังนั้นนักทดลองจึงจำเป็นต้องแยกนิวเคลียสที่ต้องการออกจาก “ขยะ” โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง ซึ่งได้จากแม่เหล็กที่หนักถึง 64 ตัน เครื่องแยกนี้จะทำหน้าที่แยกนิวเคลียสของธาตุซูเปอร์หนักออกมา เพื่อวัดความเร็ว ประจุ และมวล
เมื่อนิวเคลียสของธาตุซูเปอร์หนักเดินทางถึงเครื่องตรวจจับที่ทำด้วย silicon-germanium เครื่องจะบันทึกตำแหน่งและเวลาที่มันเดินทางถึง เพราะนิวเคลียสที่เกิดใหม่เป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี ดังนั้นมันจะสลายตัว โดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาทีละขั้นตอน เพราะอนุภาคแอลฟาประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค ดังนั้นทุกครั้งที่มีการปล่อยอนุภาคแอลฟา เลขมวลของนิวเคลียสก็จะเปลี่ยน เช่น จากธาตุ 118 ก็จะได้ธาตุ 116 และเมื่อธาตุ-116 ปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาอีก มันก็จะกลายเป็นธาตุ 114 ต่อไปเรื่อยๆ
การวัดพลังงานของอนุภาคแอลฟาที่เกิดจากการสลายตัวจะทำให้นักทดลองรู้ว่านิวเคลียสอะไรที่ปล่อยมันออกมา
ในปลายปีนี้ห้องปฏิบัติการ Flerov ของรัสเซียกับห้องปฏิบัติการ RIKEN ของญี่ปุ่นกำลังสร้างธาตุ 119 และธาตุ 120 แต่ที่ RIKEN นั้น ใช้วิธียิง vanadium-23 เข้าหา curium-96 ห้องปฏิบัติการทั้งสองคาดหวังจะเห็นธาตุ 119 ปรากฏตัวในอนาคตอีก 5 ปี ซึ่งนับว่าค่อนข้างนาน
ในความเป็นจริง การสร้างธาตุใหม่ยังไม่ยากเท่าการสังเกตเห็น เพราะบางธาตุสลายตัวเร็วมาก มันจึงสลายไปก่อนที่จะเดินทางถึงเครื่องรับ ซึ่งมีผลทำให้เราไม่เห็น ทั้งๆ ที่มันได้เกิดแล้ว
สำหรับความพยายามที่จะสร้างธาตุที่หนักมากยิ่งขึ้นไปอีก คือ ธาตุ 120 ขึ้นไป นักฟิสิกส์บางคนคิดจะยิง uranium-92 ให้พุ่งชน curium-96 ซึ่งจะได้ธาตุ 188 โดย “ยิง” นิวเคลียสทั้งสองเข้าหากันอย่างช้าๆ แต่การหลอมรวมอาจไม่สมบูรณ์ เพราะอาจจะมีนิวเคลียสขนาดเล็กเกิดขึ้นด้วยพร้อมกับนิวเคลียสที่ต้องการ ดังนั้น เป้าหมายที่จะทำต่อไปในอนาคต จะยากมากขึ้นตลอดเวลา เพราะไม่มีใครรู้ว่าธาตุใหม่ที่มีมวลขนาดนั้นจะมีครึ่งชีวิตนานเท่าไร และเวลามันสลายตัว จะให้ธาตุอะไรบ้าง
เพื่อที่จะก้าวข้ามอุปสรรคเหล่านี้ นักฟิสิกส์บางคนได้เสนอให้ใช้ระเบิดนิวเคลียร์ในการสร้างธาตุใหม่ ซึ่งจะเป็นการสร้างที่น่ากลัวมาก แต่เมื่อครั้งที่มีการพบธาตุ 99 (einsteinium) และธาตุ 100 (fermium) นั้น ได้มีการพบธาตุทั้งสองในละอองฝุ่นกัมมันตรังสีที่เกิดหลังการระเบิด
แต่มีนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่คาดหวังจะพบธาตุซูเปอร์หนักมากในอุกกาบาตจากนอกโลก หรือจากรังสีคอสมิกที่มาจากอวกาศ จากหินบนดวงจันทร์ จากการระเบิดของ supernova และจากดาวฤกษ์บางดวงเช่นดาว Przybylski ซึ่งแสงจากดาวดวงนี้แสดงให้เห็นว่าบนดาวมีธาตุ einsteinium ที่เราไม่พบในธรรมชาติ แต่พบเฉพาะในห้องปฏิบัติการเท่านั้น
เมื่อไม่มีใครรู้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถสร้างธาตุที่หนักมากได้เมื่อไร ความกังวลเรื่องนี้จึงเป็นเรื่องที่น่าคิด เพราะตั้งแต่ปี 2010 เป็นต้นมา เรายังไม่ได้พบธาตุที่มีมวลมากกว่าธาตุ 118 เลย
คำถามที่น่าสนใจต่อไปคือ ธาตุที่เราสังเคราะห์จะสามารถมีได้ทั้งหมดกี่ธาตุ คำถามนี้ไม่มีใครสามารถตอบได้เช่นกัน กระนั้น นักฟิสิกส์บางคนก็คิดว่า ธาตุสุดท้ายคงเป็นธาตุ 172 เพราะนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นจะดึงดูดอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบๆ ให้เข้าไปหลอมรวมกับโปรตอนในนิวเคลียส ทำให้ได้นิวตรอน จนในที่สุดนิวเคลียสจะมีโปรตอนเหลืออยู่เพียง 172 อนุภาค โดยจะไม่มีการมากเกินจำนวนนี้
แต่นักวิจัยอื่นๆ กลับคิดว่า ธาตุใหม่ไม่มีวันจะมีโปรตอนมากถึง 172 อนุภาค เพราะในนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่เช่นนี้ แรงผลักระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสจะมีมาก จนนิวเคลียสแยกตัว
ตามเกณฑ์ของคนในวงการถ้านิวเคลียสใหม่จะเกิด มันจะต้องมีชีวิตอยู่นานเกิน 10-14 วินาที และถ้าจะอยู่นานได้นิวเคลียสอาจจะเปลี่ยนรูปทรงเป็นรูปบาสเก็ตบอลหรือโดนัท หรืออะไรอื่นที่จะทำให้มันมีสถานภาพเสถียร แต่ก็ไม่มีใครรู้อีกว่ารูปทรงใดจะทำให้มันเสถียรได้มากที่สุด
สมบัติของธาตุซูเปอร์หนักจึงเป็นประเด็นที่ทุกคนสนใจ ธาตุ 114 (flerovium) ขณะมีอุณหภูมิห้องจะมีสมบัติเหมือนแก๊สทั่วไป แต่ธาตุ 118 (organesson) แม้จะมีสมบัติของแก๊สเฉื่อย แต่มันก็สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนเข้ามาได้ ซึ่งแก๊สเฉื่อยอื่นๆ ทำไม่ได้ ความผิดปกตินี้เกิดจากอิทธิพลของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ อันเกิดจากประจุบวกที่มีอยู่มากในนิวเคลียสของธาตุ 118 สามารถทำให้วงโคจรของเหล่าอิเล็กตรอนที่โคจรโดยรอบเสียรูปทรง จนมีผลทำให้มันมีพฤติกรรมที่ไม่เหมือนแก๊สเฉื่อยทั่วไป
อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์ทฤษฎีได้คำนวณสมบัติของธาตุตั้งแต่ 119 ถึง 172 เรียบร้อยแล้ว และได้จัดธาตุเหล่านั้นลงในตารางธาตุ ทั้งๆ ที่ยังไม่มีการพบในห้องปฏิบัติการเลย
ในส่วนที่เกี่ยวกับประโยชน์ของธาตุใหม่ ก็เป็นเรื่องที่ยังมีข้อถกเถียง หลายคนคิดว่า “น่าสนใจ” แต่ก็มีหลายคนที่คิดว่า “เสียเงินและเสียเวลา” คนที่คิดว่ามีประโยชน์ให้เหตุผลว่า มีประชาชนจำนวนมากที่สนใจเรื่องนี้ และความสนใจทำให้โครงการได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาล เมื่อครั้งที่ RIKEN พบธาตุที่ 113 nihonium หลังที่ได้พยายามสร้างมา 9 ปี ผลจากการค้นพบ ทำให้ได้ชื่อว่า nihonnium เป็นธาตุแรกที่สร้างโดยคนญี่ปุ่น สังคมญี่ปุ่นได้ตื่นเต้นกันมาก ถึงระดับที่ยกย่องผู้สร้างเป็นวีรบุรุษของชาติ และมีหนังสือการ์ตูนที่จัดพิมพ์ขึ้น เนื่องจากการค้นพบนี้ด้วย
ด้านนักวิทยาศาสตร์รัสเซียที่ Flerov ก็รู้สึกดีเช่นกัน หลังจากที่ได้พบ dubnium-105, flerovium-114, moscovium-115 และ organesson-118 ว่า แต่ตอบว่าไม่ได้หวังรางวัลอะไรเลย (อาจจะหวังรางวัลโนเบล) แต่ที่คาดหวังจริงๆ คือ การพบธาตุใหม่ที่เสถียร อาจจะเป็นประโยชน์ในการใช้รักษามะเร็งก็ได้
อ่านเพิ่มเติมจาก The Periodic Table: Its Story and Its Significance โดย E. Scerri จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 2007
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
