คำว่า “ atomic bomb” (ระเบิดปรมาณู) ได้ปรากฏเป็นครั้งแรก ในบรรณโลกเมื่อปี 1913 ในนวนิยายวิทยาศาสตร์ของ H.G. Wells เรื่อง The Liberated World ( ปี 1913 เป็นปีที่ Niels Bohr เสนอแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน), พัฒนาการของอะตอมจนถึงระดับที่สามารถสร้างระเบิดปรมาณูได้ ต้องใช้เวลาร่วม 32 ปี เพราะในวันที่ 6 สิงหาคม ค.ศ.1945 และ 9 สิงหาคม ปีเดียวกัน ระเบิดปรมาณูที่ใช้ยูเรเนียม-235 กับ พลูโทเนียม-239 เป็นเชื้อเพลิง ได้ถล่มเมือง Hiroshima และ Nagasaki ในประเทศตามลำดับจนราบเรียบ
ย้อนอดีตไปถึงปี 1933 นักวิทยาศาสตร์ชาวฮังการี ชื่อ Leo Sziland ต้องหลบหนีทหารนาซีออกจากประเทศฮังการีไปใช้ชีวิตในประเทศอังกฤษ เพราะตนมีเชื้อชาติยิว เมื่อได้อ่านนวนิยายของ Wells เป็นครั้งแรก Sziland รู้สึกประทับใจมาก ประจวบกับเมื่อก่อนนั้นหนึ่งปี James Chadwick ได้พบอนุภาคนิวตรอน และสองสามีภรรยา Joliot – Curie ก็ได้พบปรากฏการณ์กัมมันตรังสีประดิษฐ์ ความรู้ใหม่ๆ นี้ได้ชักนำให้ Sziland ขอจดสิทธิบัตรการประดิษฐ์ระเบิดปรมาณูในปี 1934 เป็นครั้งแรก โดยคิดว่าจะใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่ ด้วยการยิงนิวเคลียสของยูเรเนียมด้วยอนุภาคนิวตรอน ดังปฏิกิริยา
ซึ่งจะให้นิวตรอน 2 อนุภาค แต่ปฏิกิริยานี้ไม่เวิร์ค ตามที่ Sziland คิด เพราะแทนที่จะปลดปล่อยพลังงาน กลับดูดกลืนพลังงาน ดังนั้นเมื่อ Sziland พบ Ernest Rutherford และได้อ้างถึงปฏิกิริยาลูกโซ่นี้ Rutherford จึงไม่สนใจ
ความรู้สึกกังวลว่า กองทัพนาชีจะสร้างระเบิดปรมาณูทำให้ Sziland รู้สึกกังวลมาก
ดังนั้นในเดือนมกราคม ปี 1939 เมื่อ Sziland ได้ข่าวจาก Eugene Wigner ว่า Otto Hahn กับ Fritz Shassmann ได้พบปฏิกิริยา fission ในยูเรเนียม-235 เวลาถูกยิงด้วยอนุภาคนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้า Sziland จึงเริ่มทำวิจัยเพื่อหาวิธีสร้างระเบิดปรมาณูโดยใช้ข้อมูลใหม่ทันที พร้อมกันนั้นก็ได้เสนอให้นักฟิสิกส์ตะวันตกมิให้เผยแพร่งานวิจัยใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับยูเรเนียม-235 ให้โลกภายนอกรู้
ลุถึงเดือนสิงหาคม ปี 1939 Sziland ได้ขอให้ Albert Einstein เขียนจดหมายถึงประธานาธิบดี Franklin D.Roosevelt แห่งสหรัฐอเมริกาเพื่อสนับสนุนการสร้างระเบิดปรมาณูก่อนนาชี เพราะถ้านาชีสร้างระเบิดได้โลกทั้งโลกจะตกอยู่ในอันตราย (แต่หลังจากที่กองทัพนาชีพ่ายแพ้ในสงครามเมื่อเดือนพฤษภาคม ปี 1945 Sziland ได้ขอให้โลกระงับการใช้ระเบิดปรมาณู การกระทำของ Sziland จึงเป็นปรากฏการณ์ Cassandra ผู้เป็นเจ้าหญิงในตำนานกรุง Troy ที่ถูกเทพ Apollo ทรงสาปไม่ให้ใครเชื่อคำทำนายใดๆ ของนาง)
ปี 1939 จึงเป็นช่วงเวลาที่สื่อมวลชนทั้งหลฝายในยุโรปพากันเสนอข่าวเกี่ยวกับการค้นพบใหม่ๆ ในวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ แต่ Hahn และ Bohr เชื่อว่า การสร้างระเบิดปรมาณูเป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก เพราะนักวิทยาศาสตร์จะไม่สามารถแยก U-235 ออกจาก U-238 ได้ในปริมาณมาก ดังนั้นการสนทนาระหว่างนักฟิสิกส์ Enrico Fermi กับบรรดานายทหารในกองทัพสหรัฐฯ เพื่อหาทุนสนับสนุนการสร้างระเบิดปรมาณูจึงประสบความล้มเหลว
ลุถึงเดือนกันยายน ปี 1939 ซึ่งเป็นเวลาที่สงครามโลกครั้งที่สองเริ่มเกิด กองทัพนาชีได้บุกเข้ายึดครองประเทศเบลเยียมในฤดูใบไม้ผลิของปี 1940 หลังจากนั้นปารีสของฝรั่งเศสก็ถูก Hitler ยึดครองในเดือนมิถุนายน ปี 1940
อีกหนึ่งปีต่อมา กองทหารเยอรมันก็ได้บุกโจมตีรัสเซีย และในเวลาเดียวกันกองทัพอากาศของญี่ปุ่นก็เริ่มทิ้งระเบิดถล่มท่าเรือที่ Pearl Harbor ของสหรัฐฯ ความหายนะและการเสียชีวิตของผู้คนจำนวนมากได้ทำให้บรรดานักการเมืองทั้งหลายหันมาสนใจข้อเสนอแนะของนักฟิสิกส์ที่ให้รัฐบาลสหรัฐฯ สร้างระเบิดปรมาณูเพื่อยุติสงครามโลก ยิ่งเมื่อได้ทราบข่าวว่า นักฟิสิกส์เยอรมันได้จัดตั้งสมาคม Uranium Society และได้รับแร่ยูเรเนียมหนัก 1,200 ตัน จากประเทศ Congo ซึ่งเป็นอาณานิคมของเยอรมันในแอฟริกา บรรดานายทัพของฝ่ายสัมพันธมิตรก็ยิ่งกังวล
ไม่เพียงแต่แม่ทัพเท่านั้นที่ไม่สบายใจ บรรดานักฟิสิกส์ระดับสุดยอดของฝ่ายสัมพันธมิตร เช่น Leo Szilard, Eugene Wigner จากฮังการี Albert Einstein, Hans Bethe, Rudolf Peierls จากเยอรมนี Enrico Fermi จากอิตาลี ,Otto Frisch จากออสเตรีย Francis Perrin จากฝรั่งเศส Joseph Rotblat จากโปแลนด์ ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ได้อพยพหนีนาซีมาทำงานที่อเมริกาก็กังวล เพราะรู้ว่า การสร้างระเบิดปรมาณูเป็นเทคโนโลยีที่ทำได้ยากภายในเวลาอันสั้น
แต่แล้วก็มีแสงสว่างเกิดขึ้นที่ปลายอุโมงค์ ในวันที่ 15 มิถุนายน ปี 1940 เมื่อ Philip Abelson และ Edwin McMillan ได้รายงานว่า ในการทดลองยิงนิวเคลียส U-238 ด้วยอนุภาคนิวตรอน ทำให้ได้ธาตุใหม่ คือ plutonium-239 ที่มีสัญลักษณ์เป็น Pu ซึ่งสามารถใช้เป็นสารที่ให้ปฏิกิริยา fission ได้ นอกจากนี้พลูโทเนียม-279 ก็สามารถแยกออกจาก U-238 ได้ง่ายกว่าการแยก U-235 จาก U-238
ข่าวนี้ทำให้ James Chadwick ต้องเขียนจดหมายถึงรัฐบาลสหรัฐฯ ให้ห้ามนักวิทยาศาสตร์อเมริกันรายงานองค์ความรู้ใหม่นี้ในวารสารวิชาการใดๆ
ความจริงในเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์เยอรมัน คือ Carl von Weizsacker ก็รู้แล้วว่า Pu-239 สามารถใช้สร้างระเบิดปรมาณูแทน U-235 ได้
ดังนั้นในช่วงปี 1935-1940 Frisch, Peierls, Perrin และ Chadwick จึงได้เริ่มคำนวณหามวลวิกฤต (critical mass) ที่จำเป็นต้องใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณู เพื่อให้รัฐบาลสหรัฐได้ใช้ในการสร้างระเบิดมหาประลัย สองรูปแบบ คือใช้ U-235 กับ Pu-239 และได้พบว่า ถ้าใช้ U-235 มวลวิกฤตจะมีค่าประมาณ 47.8 กิโลกรัม แต่ถ้าใช้ Pu-239 มวลวิกฤตที่ต้องใช้ จะมีค่าเพียง 9.65 กิโลกรัม เท่านั้นเอง
ดังนั้นระเบิดปรมาณูที่จะใช้ในการถล่ม Hiroshima จึงประกอบด้วย U-235 สองส่วน ซึ่งแต่ละส่วนมีมวลประมาณ 25 กิโลกรัม สำหรับระเบิดปรมาณูที่จะใช้ทิ้งลงที่ Nagasaki ก็มีสองส่วนเช่นกัน โดยแต่ละส่วนมีมวลประมาณ 5 กิโลกรัม และเวลาระเบิด จะให้พลังงานเทียบเท่าระเบิดที่หนัก 13,000 ตัน และ 21,000 ตันตามลำดับ เพราะมวลยูเรเนียม 0.7 กรัม และมวลพลูโทเนียม 1.2 กรัมได้หายไป
ตามปกติพลูโทเนียมบริสุทธิ์เป็นโลหะหนักสีเทาเงิน มีความหนาแน่น 19.82 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร มีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 640 องศาเซลเซียส เพราะมันสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการสร้างระเบิดปรมาณูได้ง่าย
พลูโทเนียมจึงได้ชื่อว่าเป็นธาตุอันตรายที่สุดในโลก ที่แทบไม่มีพบในธรรมชาติ แต่ได้จากยูเรเนียม-238 และมีไอโซโทป 15 ชนิด ตั้งแต่ Pu-232 จนถึง Pu-246 โดยทุกชนิดเป็นสารกัมมันตรังสี จึงมีครึ่งชีวิตที่นานตั้งแต่ 20 นาที จนถึง 76 ล้านปี และไอโซโทปที่มีชื่อเสียงโด่งดังมากที่สุดคือ Pu-239 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 4,360 ปี ดังนั้น Pu-239 จึงเป็นธาตุที่เสถียร และเวลาสลายตัวจะให้ U-235 กับอนุภาคแอลฟา ดังสมการ
และเวลานิวเคลียส Pu-239 ได้รับอนุภาคนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้าเข้าไป มันจะให้นิวตรอน 2.92 อนุภาคออกมา นั่นคือในการแยกตัว 100 ครั้งจะมีอนุภาคนิวตรอนเกิดขึ้น 292 อนุภาค ในขณะที่ U-235 จะให้นิวตรอนเพียง 242 อนุภาคเท่านั้นเอง
ดังนั้น Pu-239 จึงเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ทรงประสิทธิภาพยิ่งกว่า U-235
ในฤดูร้อนของปี 1939 Edwin McMillan ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค cyclotron เร่งอนุภาค deuterium จนมีพลังงาน 16 MeV ให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุ beryllium และพบว่าได้นิวตรอน ดังปฏิกิริยา
ดังนั้นถ้าให้กระแสอนุภาคนิวตรอนที่เกิดขึ้นนี้พุ่งชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-238 McMillan ได้พบธาตุใหม่คือ neptunium (Np) ซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 93 ดังปฏิกิริยา
ซึ่งให้อนุภาค positron และธาตุ neptunium
ในเดือนพฤษภาคม ปี 1940 Philip Abelson นักเคมีฟิสิกัลแห่งมหาวิทยาลัย Washington ในสหรัฐอเมริกาได้เดินทางไปเยี่ยม McMillan เพื่อทำวิจัยเรื่องการแยกตัวของยูเรเนียมและประสบความสำเร็จภายในเวลาเพียง 1 สัปดาห์ ในการสร้างธาตุ neptunium จาก uranium-238 และยังได้พบอีกว่าธาตุชนิดใหม่นี้ปล่อยอิเล็กตรอนออกมา โดยการสลายตัวแบบบีต้า และมีครึ่งชีวิตเท่ากับ 2.3 วัน ดังสมการ
โดยธาตุ Pu-239 ที่เกิดขึ้นเป็นธาตุลำดับที่ 94 เพราะมีโปรตอนในนิวเคลียสของมันเป็นจำนวน 94 อนุภาค แต่นี่เป็นเพียงข้อสันนิษฐาน
จนกระทั่งถึงเดือนมีนาคมปี 1941 Glenn Seaborg, Emilio Segre กับคณะจึงสามารถพิสูจน์โดยการทดลองได้ว่า neptunium-239 สามารถสลายให้ plutonium-239 โดยมีครึ่งชีวิต 24,360 ปีจริง จากนั้น Pu-239 ก็จะสลายตัวต่อไปให้ U-235 กับอนุภาคแอลฟา ดังปฏิกิริยา
แล้วนักฟิสิกส์กลุ่มนี้ก็ใช้ plutonium-239 ที่ได้เป็นเป้าในการยิงด้วยกระสุนนิวตรอนช้า เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา fission ที่ Bohr – Wheeler และ Frenkel ได้ทำนายไว้ในลักษณะเดียวกับ U-235
ลุถึงวันที่ 18 สิงหาคม ปี 1942 Burris Cunningham และ Louis Wiener ก็ได้ประสบความสำเร็จในการแยก plutonium-239 ที่บริสุทธิ์ออกมาได้ในปริมาณ 0.1 มิลลิกรัมเป็นครั้งแรก
ความสำเร็จในการสร้างธาตุ plutonium-239 ทำให้ Edwin McMillan และ Glenn Seaborg ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1951และเมือง Nagasaki ถูกทำลาย ในปี 1945
เหตุการณ์การค้นพบ Pu -239 เป็นเรื่องที่น่าสนใจและน่าคิดมากว่าถ้านักฟิสิกส์พบปฏิกิริยา fission ของ uranium-235 ในปี 1934 แทนที่จะเป็นปี 1938 เพราะปี 1934 เป็นเวลาที่นาชีเริ่มเรืองอำนาจ กองทัพนาชีคงสามารถสร้างระเบิดปรมาณูได้ก่อนฝ่ายสัมพันธมิตรเป็นแน่ และโลกคงจะเปลี่ยนโฉมมากอย่างที่ใครๆ ก็คาดไม่ถึงและการค้นพบธาตุ plutonium-239 ก็ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ก้าวข้ามอุปสรรคในการแยก U-235 จากออก U-238 เพราะเขาสามารถใช้ U-238 ในการสร้าง Pu-239 ได้โดยตรง
จาก uranium-238 ที่หนัก 1 กิโลกรัม สามารถให้ plutonium-239 ได้ 1 กรัม ดังนั้นในวันที่ 16 กรกฎาคม ซึ่งเป็นฤดูใบไม้ผลิของปี 1945 ทางฝ่ายสัมพันธมิตรก็มี plutonium-239 ได้มากถึง 1 กรัม
ด้วยเหตุนี้ในวันที่ 16 กรกฎาคม ซึ่งเป็นช่วงฤดูใบไม้ผลิของปี 1945 ทางฝ่ายสัมพันธมิตรก็ มี plutonium-239 ที่ใช้ทำระเบิดปรมาณูเพื่อทดลองที่ทะเลทราย ใกล้เมือง Alamogordo ในรัฐ New Mexicoและเมื่อถึงวันที่ 9 สิงหาคม ของปี 1945 กองทัพสหรัฐฯ ก็ได้ใช้ระเบิดจริงที่เมือง Nagasaki ของประเทศญี่ปุ่น
อ่านเพิ่มเติมจาก Plutonium: A History of the World's Most Dangerous Element โดย Jeremy Bernstein จัดพิมพ์โดย Joseph Henry Press ในปี 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
