เมื่อเดือนมกราคมที่ผ่านมานี้ ทีมวิจัยนานาชาติ ซึ่งมี Toshiyuki Kubo ใน สังกัด RIKEN Nishina Center for Accelerator Based Science เป็นหัวหน้าได้ออกแถลงการณ์ประกาศว่า คณะวิจัยของตนได้ประสบความสำเร็จในการ “เนรมิต” นิวเคลียสของธาตุ sodium-39 (39Na ซึ่งมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 11 อนุภาค และนิวตรอน 28 อนุภาค, 11+28 = 39) นิวเคลียสใหม่จึงมีจำนวนนิวตรอนมากกว่านิวเคลียสของ sodium-23 (23Na ที่มีโปรตอน 11 อนุภาค และนิวตรอน 12 อนุภาค, 11+12 = 23) ถึง 16 อนุภาค และนับเป็นสถิติในการสร้างนิวเคลียสของ sodium ให้มำจำนวนนิวตรอนมากที่สุด
นับตั้งแต่ปี 1911 ที่ Ernest Rutherford (1871-1937) พบนิวเคลียส ตลอดวันเวลาที่ผ่านมา นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ได้มีคำถามหนึ่งที่นับว่ามีความสำคัญมาก นั่นคือ ถ้ากำหนดจำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียสมาให้ เราจะสร้างนิวเคลียสให้มีจำนวนนิวตรอนได้มากที่สุดกี่อนุภาค
ยกตัวอย่างเช่นในกรณีของ hydrogen (1H) ซึ่งใคร ๆ ก็รู้ว่า นิวเคลียสของ hydrogen-1 (1H) มีโปรตอนอยู่เพียงอนุภาคเดียว แต่ในปี 1931 Harold Urey (1893-1981) ก็ได้พบ hydrogen รูปแบบที่สอง โดยที่นิวเคลียสมีนิวตรอนและโปรตอนอย่างละ 1 อนุภาค จึงแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ 2H เมื่อถึงปี 1934 Rutherford กับคณะก็ได้พบ hydrogen ชนิดที่ 3 ซึ่งนิวเคลียสของมันมีโปรตอน 1 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค สัญลักษณ์จึงเป็น 3H เพราะนิวเคลียสเหล่านี้มีจำนวนโปรตอน 1 อนุภาคเท่ากันหมด ดังนั้นทั้งกลุ่มจึงเป็น isotope เดียวกัน และมีชื่อเรียกของสมาชิกในกลุ่มโดยเฉพาะว่า protium (1H), deuterium (2H) กับ tritium (3H) โดยที่สอง isotope แรก คือ 1H กับ 2H นั้นเป็นนิวเคลียสที่เสถียรและ 3H เป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร คือ จะสลายตัว โดยมีครึ่งชีวิตเท่ากับ 12.3 ปี
นอกจาก isotope ทั้งสามชนิดนี้แล้ว นักฟิสิกส์ยังได้สร้าง isotope ของ hydrogen ขึ้นมาอีกสี่ชนิดด้วย คือ 4H, 5H, 6H และ 7H โดย isotope ทั้งสี่ชนิดนี้ มีสภาพไม่เสถียร และไม่มีพบในธรรมชาติ แต่สามารถพบได้ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น
ปัจจุบันเราได้พบแล้วว่า protium หรือ hydrogen-1 (1H) มีมากที่สุดในเอกภพ คือ ประมาณ 99.98% ของไฮโดรเจนทั้งหมดมีมวลอะตอม 1.00782 หน่วย และโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียสก็มีเสถียรภาพมาก เพราะจะไม่สลายตัวภายในเวลาที่นานอย่างน้อย 10^33 ปี
สำหรับ deuterium หรือ hydrogen-2 (2H) นั้น เป็น isotope ที่เสถียร มีพบมากประมาณ 0.0026-0.0184% ของไฮโดรเจนที่พบบนโลก และพบมากโดยเฉพาะในน้ำทะเล (ประมาณ 0.015%) deuterium มิได้เป็นธาตุกัมมันตรังสี จึงไม่เป็นพิษ และเวลานำ deuterium มาทำปฏิกิริยากับ oxygen จะได้น้ำมวลหนัก (heavy water) ที่ใช้ในการกำกับจำนวนนิวตรอนที่มีในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ตลอดจนถึงใช้เป็นสารหล่อเย็นในเตาปฏิกรณ์แบบ fusion ด้วย
ส่วน tritium หรือ hydrogen-3 (3H) นั้นเป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี ที่เป็นพิษน้อยที่สุดในบรรดานิวเคลียสของไฮโดรเจนทั้งหมด เวลา 3H สลายตัว จะให้อิเล็กตรอน กับ helium-3 (3He) และมีครึ่งชีวิตเท่ากับ 12.32 ปี นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้าง tritium ได้ โดยการระดมยิงนิวเคลียสของ lithium-6 ด้วยอนุภาคนิวตรอน ปัจจุบันนักฟิสิกส์พลังงานนิยมใช้ tritium และ deuterium เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกหนึ่งในเตาปฏิกรณ์แบบ fusion
ส่วน hydrogen-7 (7H) มีมวลอะตอมเท่ากับ 7.052 Da. ในนิวเคลียสมีโปรตอน 1 อนุภาค กับนิวตรอน 6 อนุภาค เป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 6.52x10^(-22) วินาที และนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการ RIKEN ของญี่ปุ่นสามารถสังเคราะห์ hydrogen-7 ได้เมื่อปี 2003 และพบว่าเวลาสลายตัวจะได้ hydrogen-4 กับนิวตรอน
ในกรณีการสร้างนิวเคลียสประดิษฐ์ของ sodium นั้น สถานภาพการวิจัยเรื่องนี้ในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าโลกมี isotope ของ sodium ทั้งหมด 21 ชนิด คือตั้งแต่ 17Na, 18Na,… จนกระทั่งถึง 39Na ซึ่งเป็น isotope ที่พบล่าสุดและมีมวลมากที่สุด
โดย sodium-23 (23Na) เป็น isotope ที่มีเสถียรภาพมากที่สุด นิวเคลียสของมันมีโปรตอน 11 อนุภาค และนิวตรอน 12 อนุภาค มีมวลอะตอม 22.989769 Da. และมี isotope 2 ชนิด ที่เป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี คือ sodium-22 (22Na) ที่มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 2.6 ปี กับ sodium-24 (24Na) ที่มีครึ่งชีวิต 14.95 ชั่วโมง ส่วน isotope ของ sodium ที่เหลือ ล้วนมีครึ่งชีวิตที่ไม่เกิน 1 วินาที โดยเฉพาะ sodium-18 (18Na) นั้น มีครึ่งชีวิต 1.3x10^(-21) วินาที
ตามปกติร่างกายคนเราถ้าได้รับอนุภาคนิวตรอนจำนวนมากจากเตาปฏิกรณ์ปรมาณู เวลาเตานั้นเกิดอุบัติเหตุ sodium-23 (23Na) ที่มีอยู่ในเลือดจะรับนิวตรอนเข้าไปและเปลี่ยนไปเป็น sodium-24 (24Na) ซึ่งจะสลายตัว ดังนั้นการวัดอัตราการสลายตัวของ 24Na จะทำให้เรารู้ว่า ร่างกายของคน ๆ นั้นเราได้รับอนุภาคนิวตรอนในปริมาณมากเพียงใด
ด้าน 22Na เป็น isotope กัมมันตรังสีที่ปล่อยอนุภาค positron (ซึ่งเป็นปฏิยานุภาพของอิเล็กตรอน เพราะมีประจุบวก) ออกมาเวลามันสลายตัว ดังนั้น 22Na จึงเป็นไอโซโทปที่มีประโยชน์ในการใช้เป็นสารทำงานในอุปกรณ์ PET scan (Positron Emission Tomography) เพื่อใช้ตรวจสภาพการทำงานของเนื้อเยื่อภายในร่างกาย
สำหรับ sodium-39 (39Na) ที่เพิ่งสังเคราะห์ได้ล่าสุดนั้น นิวเคลียสของไอโซโทปนี้มีโปรตอน 11 อนุภาค กับนิวตรอน 28 อนุภาค มีมวลอะตอม 39.075 Da. มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 10^(-3) วินาที และเวลาสลายตัวจะให้อิเล็กตรอนกับ magnesium-37 (37Mg) หรือ magnesium-38 (38Mg) หรือ magnesium-39 (39Mg)
คนปกติทั่วไปมักไม่มีโอกาสได้สัมผัส isotope ทุกตัวของ sodium แต่อะตอมของ isotope เหล่านี้ ทุกตัวมีโปรตอนและอิเล็กตรอนอนุภาคในจำนวนเท่ากันหมด คือ 11 อนุภาค ดังนั้นมันจึงมีสมบัติทางเคมีที่เหมือนกันทุกประการ แต่มีมวลอะตอมที่ไม่เท่ากัน เพราะนิวเคลียสมีจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน ข้อมูลนี้จึงทำให้มันมีสมบัติทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน เช่น มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน ดังตัวอย่างเกลือแกงที่ทำจาก 39Na จะมีความหนาแน่นมากกว่าเกลือแกงที่ทำจาก 23Na ประมาณ 1.6 เท่า แต่ทั้งสองเกลือก็มีรสเค็มเหมือนๆ กัน
ในการสร้างนิวเคลียสของ 39Na ที่มีมวลมากที่สุดนั้น นักทดลองที่สถาบัน RIKEN ได้เร่งอนุภาคของ calcium-48 (48Ca ที่มีโปรตอน 20 อนุภาค และนิวตรอน 28 อนุภาค) ให้พุ่งไปเป็นลำ จนกระทั่งมีความเร็วประมาณ 70% ของความเร็วแสง แล้วให้พุ่งชนแผ่นเป้าที่ทำด้วย beryllium-4 (4Be) ซึ่งหนา 20 มิลลิเมตร จากนั้นก็วิเคราะห์ผลที่เกิดจากการชน จนได้เห็น 39Na ปรากฏออกมา 1 นิวเคลียส จากการชนนับพันล้านครั้ง
ตามปกติเวลาที่มีการเพิ่มจำนวนนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียส ถ้านิวตรอนในนิวเคลียสยิ่งมีจำนวนมาก พลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างเหล่าโปรตอนกับเหล่านิวตรอนจะยิ่งลด ๆ จนในที่สุดอนุภาคนิวตรอนบางตัวจะเลื่อนหลุดออกไกลจากนิวเคลียส นั่นคือ แต่ละนิวเคลียสจะมีจำนวนนิวตรอนได้มากที่สุดเพียงค่าหนึ่ง
ในอดีตเมื่อ 20 ปีก่อน นักวิจัยของ RIKEN ได้เคยสร้างสถิติการพบนิวเคลียสของ sodium-37 ( 37Na ที่มีโปรตอน 11 อนุภาคและนิวตรอน 26 อนุภาคในนิวเคลียส)
มาคราวนี้ สถิตินั้นก็ได้ถูกทำลาย เมื่อนักวิจัยสามารถทำให้ 39Na เกิดขึ้นได้ แม้จะเพียงหนึ่งนิวเคลียสก็ตาม ดังนั้นจึงได้เดินหน้าทดลองต่อไป จนอีก 2 วันต่อมา ก็ได้พบ 39Na เพิ่มอีก 9 นิวเคลียส
ข่าวการค้นพบ 39Na ได้จุดประกายให้บรรดานักทดลองพยายามค้นหา isotope ของ sodium ที่มีมวลอะตอมมากกว่า 39 ขึ้นไปอีก และข่าวนี้ยังได้กระตุ้นให้นักทฤษฎีนิวเคลียสปรับปรุงทฤษฎีโครงสร้างของนิวเคลียส เพื่อให้ผลการพยากรณ์สอดคล้องกับผลการทดลองดีขึ้น จนสามารถอธิบายได้ว่า จำนวนนิวตรอนที่นิวเคลียสของธาตุแต่ละชนิดสามารถจะมีได้มากที่สุดนั้น มีกี่อนุภาค
การทดลองโด๊ปจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ในอดีตที่ผ่านมา ได้ดำเนินการทดลองทั้งหมด 10 ธาตุ ซึ่งได้แก่
1H… จนถึง 7H
9Be… จนถึง 14Be
10B… จนถึง 19B
12C… จนถึง 22C
14N… จนถึง 23N
18O…. จนถึง 24O
19F… จนถึง 31F
22Ne… จนถึง 34Ne
23Na… จนถึง 39Na
26Mg… จนถึง 40Mg
ในอนาคต นักวิทยาศาสตร์จึงยังมีธาตุอีก 108 ธาตุ ที่ยังไม่ได้โด๊ปด้วยนิวตรอน
สำหรับโครงการในอนาคต Kubo กับทีม ได้วางแผนจะทดลองหาจำนวนนิวตรอนที่นิวเคลียสของ magnesium-24 (24Mg) สามารถจะมีได้มากที่สุด รวมถึงจะศึกษาโครงสร้างเชิงพลังงานของนิวตรอนทั้ง 28 อนุภาค ในนิวเคลียสของ 39Na ด้วย
อ่านเพิ่มเติมจาก “Discovery of 39Na” โดย D. S. Ahn et al ฉบับวันที่ 14 November 2022 ใน Physical Review Letters. DOI:10.1103/PhysRevLett.129.212502
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
