ประวัติและประโยชน์ของแก๊สมีตระกูล

นับตั้งแต่ Isaac Newton ใช้แท่งแก้วปริซึมแยกแสงอาทิตย์ออกเป็นแถบสีต่างๆ (spectrum) แล้วในปี 1802 William Hyde Wollaston ผู้พบธาตุ palladium และ rhodium ก็ได้ดัดแปลงการทดลองของ Newton เล็กน้อย โดยใช้ slit ซึ่งเป็นรูแคบที่ยาว รับแสงอาทิตย์แทนรูกลม ทำให้เห็นเส้นสีดำจำนวนมากเรียงรายในสเปกตรัม ซึ่งปัจจุบันเส้นเหล่านี้เป็นที่รู้จักในนามเส้น Fraunhofer แต่ไม่มีใครรู้ที่มา หรือสาเหตุที่ทำให้เกิดเส้นเหล่านี้

ในเวลาต่อมา Gustav Kirchhoff และ Robert Bunsen ได้ทดลองพบว่า เวลานำธาตุเผาไฟ เปลวไฟจะให้แสงสีต่างๆ ซึ่งถ้าให้แสงผ่านปริซึม ก็จะได้เส้นแสงสีต่างๆ ที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของธาตุแต่ละธาตุ เช่น ในกรณีเกลือ sodium เมื่อนำไปเผาไฟจะให้เส้นแสงสีเหลืองเข้มที่สว่างจ้า 2 เส้น ปรากฏอยู่ในแถบสเปกตรัม และถ้าให้แสงอาทิตย์เคลื่อนที่ผ่านเกลือโซเดียมร้อน แล้วผ่านปริซึม เส้นแสงสีเหลืองจ้าเดิมจะมืดสลัวมาก จนดูเป็นสีดำ

การเห็นปรากฏการณ์คายแสง (emission) และดูดกลืนแสง (absorption) ของธาตุเป็นเทคนิคสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการค้นหาธาตุใหม่ๆ จนทำให้ได้พบธาตุ caesium (Cs) ซึ่งเป็นคำในภาษาละตินที่แปลว่า สีฟ้าของท้องฟ้า และธาตุ rubidium (Rb) ซึ่งมาจากคำในภาษาละตินว่า robidus ที่แปลว่าสีแดงเข้ม ด้าน William Crookes ก็ได้พบธาตุ thallium (Th) ซึ่งให้เส้นแสงสีเขียวและ indium ซึ่งให้เส้นแสงสีฟ้า-ม่วง

การเผาธาตุมิได้เป็นวิธีเดียวที่นักเคมีใช้ในการทำให้ธาตุเปล่งแสง Paul Emile Lecoq ได้ริเริ่มการทำให้สารเปล่งแสงโดยวิธีกระตุ้นด้วย spark ไฟฟ้า ทำให้ได้พบธาตุ gallium (Ga) ซึ่งตรงกับคำในภาษาละตินว่า gallus ที่แปลว่า ไก่ และใกล้เคียงคำ Cog ซึ่งเป็นชื่อของผู้พบธาตุ

ในปี 1868 Pierre Jules Cesar Janssen ได้เดินทางไปสังเกตปรากฏการณ์สุริยุปราคาเต็มดวงที่อ่าว Bengal การวิเคราะห์แสงอาทิตย์ที่มาจาก corona รอบดวงอาทิตย์ทำให้เห็นเส้นสีเหลือง 1 เส้น ปรากฏอยู่ใกล้เส้นสีเหลือง 2 เส้น ซึ่งมาจากธาตุโซเดียม ในเวลาเดียวกันนั้น Norman Lockyer ก็ยืนยันว่าได้เห็นเส้นสีเหลืองที่มิได้มาจากโซเดียมเช่นกัน

ความสงสัยของนักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้น ทำให้มีการตั้งข้อสันนิษฐานมากมายเช่นว่า สิ่งที่เห็นมิใช่ธาตุใหม่ แต่เป็นไฮโดรเจนที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งเปล่งแสงออกมาภายใต้ความดันที่มากมหาศาล การวิเคราะห์แสงอย่างละเอียดในเวลาต่อมา แสดงให้เห็นว่าเป็นธาตุใหม่ที่มนุษย์ได้พบเห็นครั้งแรกบนดวงอาทิตย์ มิใช่บนโลกเหมือนธาตุอื่นๆ จึงตั้งชื่อว่า helium จากคำ helios ในภาษากรีกที่แปลว่า ดวงอาทิตย์ และเป็นธาตุแรกในกลุ่มใหม่ของตารางธาตุ


ในสมัยนั้น (ปลายคริสต์วรรษที่ 19) นักเคมียังไม่รู้จักนิวเคลียสและรู้เพียงเรื่อง atomic mass หรือมวลเชิงอะตอม จึงนิยมจัดเรียงลำดับของธาตุต่างๆ ตามมวลเชิงอะตอมแทนที่จะใช้เลขเชิงอะตอม (atomic number) ซึ่งบอกจำนวนอนุภาคโปรตอนในนิวเคลียสแต่ละชนิดที่ไม่เท่ากัน

เมื่อเป็นเช่นนี้ J. Proust จึงตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับมวลเชิงอะตอมว่า มวลเชิงอะตอมของธาตุใดๆ จะมีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่าของมวลเชิงอะตอมของไฮโดรเจน ทฤษฎีจึงทำนายว่า มวลเชิงอะตอมของคาร์บอนและออกซิเจนจะมีค่าเป็น 12 และ 16 เท่า ของอะตอมไฮโดรเจนตามลำดับ หรือใกล้เคียงกับ 12 และ 16

John William Strut หรือ ในเวลาต่อมาคือ Lord Raleigh จึงคิดจะทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีนี้ โดยพยายามวัดความหนาแน่นของแก๊สต่างๆ อย่างละเอียดและใช้เวลา 3 ปี ในการพยายามวัดความหนาแน่นของไฮโดรเจนกับออกซิเจน พบว่ามวลเชิงอะตอมของออกซิเจน = 15.912 เท่าของไฮโดรเจน ซึ่งแตกต่างจากค่า 16.0 ในทฤษฎีอย่างเห็นได้ชัด

ความอยากรู้อยากเห็นของ Strut ได้ชักนำให้เขาตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎี Proust ต่อไป แต่คราวนี้ใช้ไนโตรเจน ซึ่งมีในบรรยากาศโลกอย่างอุดมสมบูรณ์ยิ่งกว่าออกซิเจน

โดยนำอากาศมา แล้วแยกออกซิเจนกับไอน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ออกจนหมด เพื่อให้เหลือแต่ไนโตรเจน แล้ววัดความหนาแน่นของไนโตรเจนที่เหลือ จากนั้นได้คิดเตรียมไนโตรเจนจากสารประกอบ เช่นเตรียมจากแอมโมเนีย (NH3) เพื่อเปรียบเทียบ ด้วยการให้อากาศผ่านสารละลาย ammonia แล้วผ่านแก๊สผสมไปเหนือทองแดงที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้ออกซิเจนรวมกับแอมโมเนีย ให้ไนโตรเจนกับไอน้ำ จากนั้นแยกไอน้ำออกจนเหลือแต่ไนโตรเจน

การวัดความหนาแน่นของไนโตรเจนที่ได้ด้วยวิธีนี้ ได้ค่าแตกต่างจากไนโตรเจนที่ได้จากอากาศ คือน้อยกว่าถึง 0.5%
ข้อมูลนี้ทำให้ Strut คิดว่า ไนโตรเจนที่ได้จากอากาศมีแก๊สอื่นเจือปนอยู่ด้วย ในขณะที่ไนโตรเจนจากแอมโมเนียเป็นไนโตรเจนบริสุทธิ์

Strut จึงติดต่อกับ William Ramsay ซึ่งเป็นนักเคมีที่เคยทำงานร่วมกันมาก่อนให้วิเคราะห์หาแก๊สอื่นที่อาจปนอยู่ในอากาศ และเป็นแก๊สที่ไม่มีใครรู้จักมาก่อน Ramsay ได้นำอากาศที่ปราศจาก CO2 มา แล้วปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่าน เพื่อให้ไนโตรเจนรวมตัวกับออกซิเจนเป็นไนโตรเจนออกไซด์ แล้วกำจัดแก๊สนี้ออกโดยให้ผ่านสารละลาย alkali หลังจากที่กำจัดออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน จนหมดแล้ว ก็ยังมีแก๊สเหลืออยู่อีก ซึ่งไม่ถูก manganese ร้อนดูดกลืนแต่อย่างใด การวัดความหนาแน่นของแก๊สได้ค่า 19.075 ซึ่งผิดปกติ เพราะไม่ใกล้เคียงกับความหนาแน่นของแก๊สใดๆ ที่โลกในเวลานั้นรู้จัก อีกทั้งไม่ว่องไวในการทำปฏิกิริยากับสารอื่นใด Ramsay จึงเรียกชื่อแก๊สใหม่ว่า แก๊ส X และได้วิเคราะห์สมบัติของแก๊สชนิดใหม่ จนได้พบว่า มีประมาณ 1% ในบรรยากาศ และให้สเปกตรัมเส้นสีฟ้า-เขียว ที่เข้มยิ่งกว่าสเปกตรัมเส้นสีน้ำเงินของไนโตรเจนเสียอีก

ในเบื้องต้น วงการเคมีไม่ยอมรับผลการค้นพบนี้ แม้แต่ James Dewar ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญในการทำอากาศเหลวก็บอกว่า ไม่คิดว่าโลกจะมีแก๊สชนิดใหม่ เพราะถ้ามี ตนก็น่าจะได้เห็นมันนานแล้ว นักเคมีบางคนอ้างว่าถ้าออกซิเจนมีโอโซน (O3) ไนโตรเจนก็น่าจะมี N3 ด้วย

การวิเคราะห์แก๊สที่ต้องสงสัยอย่างละเอียด แสดงให้เห็นว่า มันเป็นแก๊สชนิดใหม่ การมีปริมาณน้อยประมาณ 1/120 ของบรรยากาศ ทำให้ไม่มีใครเคยเห็นมันมาก่อน การทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่นๆ ได้ช้า ทำให้แก๊สนี้มีสมบัติเด่น คือ มีความเฉื่อยสูง ไม่ทำงานใดๆ และเป็นแก๊สอะตอมเดี่ยวที่ไม่เหมือนออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน หรือคลอรีน ซึ่งเป็นแก๊สอะตอมคู่

สมบัติเหล่านี้ ตอกย้ำว่า แก๊สใหม่มีชื่อว่า argon และวงการเคมีให้ใช้สัญลักษณ์เป็น A แต่ในเวลาต่อมา ได้เปลี่ยนเป็น Ar อีกทั้งให้อยู่ในตำแหน่งแรกของคอลัมน์ในตารางธาตุ (periodic table)

จากนั้น Strut หรือ Lord Rayleigh ได้ค้นหาแก๊สอื่นๆ ที่มีปนในบรรยากาศต่อไป โดยได้วิเคราะห์แร่ cleveite จนได้แก๊สชนิดใหม่ เพราะให้สเปกตรัมเส้นสีเหลือง ที่มีความยาวเคลื่อนใกล้เคียงกับสเปกตรัมเส้นสีเหลือง ของโซเดียม Ramsay จึงตั้งชื่อว่า krypton ซึ่งมาจากคำในภาษากรีกที่แปลว่า ซุกซ่อน หรือหลบอยู่ นี่จึงเป็นแก๊สเฉื่อยหรือแก๊สมีตระกูล ชนิดที่ 2 ที่นักเคมีพบ

การนำอากาศเหลวมาระเหยที่อุณหภูมิต่างๆ ทำให้พบแก๊สมีตระกูลเพิ่มอีก 2 ชนิด ที่เหลือ


เช่น เมื่อนำอากาศมาทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า -269 °C แก๊สทุกชนิดที่มีในอากาศจะเป็นของเหลว
เมื่อทำให้อากาศเหลวร้อนขึ้นที่อุณหภูมิ -269 °C ฮีเลี่ยมจะระเหยออกมาก่อน และพบว่ามีประมาณ 0.000524% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
ที่อุณหภูมิ -246 °C นีออนจะระเหยตามออกมา และพบว่ามีประมาณ 0.00182% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
ที่อุณหภูมิ -169 °C ไนโตรเจนจะระเหย และพบว่ามีประมาณ 78.084% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
ที่อุณหภูมิ -189 °C อาร์กอนจะระเหย และพบว่ามีประมาณ 0.934% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
ที่อุณหภูมิ -183 °C ออกซิเจนจะระเหย และพบว่ามีประมาณ 20.946% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
ที่อุณหภูมิ -153 °C คริปตอนจะระเหย และพบว่ามีประมาณ 0.000114% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ
และที่อุณหภูมิ -108 °C ซีนอนจะระเหย และพบว่ามีประมาณ 0.0000087% โดยน้ำหนักของบรรยากาศ

โดยคำว่า neon นั้นมาจากคำในภาษากรีกที่แปลว่า “ใหม่” ซึ่งเป็นแก๊สที่ให้สเปกตรัมเส้นสีแดง และ xenon มาจากคำในภาษากรีกที่แปลว่า “แปลก” และให้สเปกตรัมเส้นสีน้ำเงิน

สำหรับแก๊สมีตระกูลลำดับสุดท้าย คือ radon ซึ่งเป็นธาตุในลำดับที่ 86 และมีสัญลักษณ์ Rn เป็นแก๊สที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรสใดๆ ถือกำเนิดจากสารกัมมันตรังสี radium -226 จึงมีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊สมีตระกูลชนิดอื่นๆ สมบัติที่โดดเด่นของแก๊ส คือ เป็นอันตรายต่อสุขภาพ เพราะอาจทำให้เป็นมะเร็งปอด Ernest Rutherford และ Robert Owens เป็นผู้พบแก๊สนี้ในปี 1899

แม้จะมีในธรรมชาติเพียงน้อยนิด แต่แก๊สมีตระกูลก็มีประโยชน์หลายด้าน เช่นเมื่อ Charles Darwin เสนอทฤษฎีวิวัฒนาการ ซึ่งมีเงื่อนไขว่า สิ่งมีชีวิตต้องใช้เวลานับล้านๆ ปี ในการปรับตัวให้อยู่รอด ความคิดเห็นนี้ จึงขัดแย้งกับคำสอนในคัมภีร์ไบเบิล ซึ่งเขียนไว้ว่า พระเจ้าทรงสร้างโลก และเอกภพโดยใช้เวลาประมาณ 6,000 ปี

ในที่สุดความขัดแย้งนี้ก็ถูกตัดสินโดย ฮีเลี่ยม ซึ่งเป็นแก๊สมีตระกูลชนิดหนึ่งที่ได้จากการสลายตัวของ uranium กับ thorium การรู้อัตราการสลายตัวของ uranium ที่ให้อนุภาคอัลฟา (ซึ่งเป็นอะตอมของ helium ที่ปราศจากอิเล็กตรอน) ทำให้ Ernest Rutherford และศิษย์ Frederick Soddy วัดอายุของหินโบราณและพบว่า หินมีอายุประมาณ 500 ล้านปี งานวิจัยในเวลาต่อมา เมื่อใช้หินที่มีอายุโบราณยิ่งกว่า แสดงให้เห็นว่า โลกมีอายุประมาณ 4,500 ล้านปี

และเวลาต้องการจะรู้ว่าปฏิกิริยา fusion ซึ่งเกิดที่ใจกลางดวงอาทิตย์ว่าทำงานอย่างไร Ray Davies ได้ใช้สายละลาย tetrachloroethylene ตรวจจับอนุภาค neutrino ที่เกิดจากปฏิกิริยา fusion ซึ่งนิวตริโนจะเปลี่ยน Cl-37 เป็น Ar-37 และ Davies ได้พบว่า อนุภาคนิวตริโนที่มาจากใจกลางของดวงอาทิตย์ เมื่อเดินทางถึงโลก มีจำนวนน้อยกว่าจำนวนที่ทฤษฎีของ John Bahcall ได้ทำนายไว้มาก การตรวจสอบอุปกรณ์อย่างละเอียดเป็นเวลา 20 ปี ยืนยันผลการทดลองของ Davies ซึ่งในที่สุดได้นำไปสู่การค้นพบว่าอนุภาค neutrino มีมวล และสามารถเปลี่ยนเป็นนิวตริโนชนิดอื่นได้ ผลงานนี้ทำให้ Davies ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2002

สำหรับ xenon-129 นั้นเกิดจากการสลายตัวของธาตุ iodine-129 เวลา supernova ระเบิด และเป็นสารกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิต “สั้นมาก” คือ 16 ล้านปี เมื่อเปรียบเทียบกับอายุของเอกภพ การพบ xenon-129 ในปริมาณมากในอุกกาบาต แสดงให้เห็นว่า อุกกาบาตเกิดขึ้นเร็ว ภายในเวลาไม่นาน หลังการระเบิดของ supernova

ส่วน xenon-133 ซึ่งเป็นไอโซโทปหนึ่งของ xenon และเป็นแก๊สที่ใช้เป็นยาสลบได้ สามารถใช้เป็นสารกัมมันตรังสีในการวิเคราะห์หาภาวะฟองอากาศอุดหลอดเลือดในปอด (pulmonary embolism) ก็ได้

ในการพบ helium ซึ่งได้จากแร่ cleveite ว่าเป็นธาตุเดียวกับ helium ที่พบบนดวงอาทิตย์ แสดงให้เห็นว่า โลกและดวงอาทิตย์มีธาตุหลายชนิดร่วมกัน จึงมิได้แตกต่างกันอย่างที่คนโบราณเคยเชื่อ และการทำแก๊สฮีเลี่ยมให้เป็นของเหลวได้นำไปสู่การพบปรากฏการณ์สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity)

ส่วนแก๊ส neon และแก๊ส krypton ก็สามารถใช้บรรจุในหลอดไฟให้แสงสว่างตามบ้านและอาคารร้านค้าต่างๆ

ผลงานที่บุกเบิกการค้นหาแก๊สมีตระกูลนี้ ทำให้ Rayleigh และ Ramsay ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์และเคมีตามลำดับประจำปี 1904 พร้อมกัน และเป็นครั้งเดียวในประวัติศาสตร์ของการให้รางวัลโนเบลเคมีและฟิสิกส์ที่เป็นผลงานละเรื่องเดียวกัน โดย Rayleigh ได้รับรางวัลจากการศึกษาความหนาแน่นของแก๊สต่างๆ และการพบ argon ส่วน Ramsay ได้รับจากการพบแก๊สมีตระกูลหลายชนิดและได้จัดลำดับของแก๊สเหล่านี้ลงในตารางธาตุ จนได้ชื่อว่าเป็นบิดาของแก๊สมีตระกูล

อ่านเพิ่มเติมจาก Antimony, Gold, and Jupiter’s Wolf โดย Peter Wothers จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 2019


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