ก่อนเกิดสงครามโลกครั้งที่สองเพียงเล็กน้อย คือในเดือนธันวาคม ปี 1938 หนังสือพิมพ์ในเยอรมนีทุกฉบับได้ลงข่าวหน้าหนึ่งว่า นักเคมี Otto Hahn (1879–1968) กับศิษย์ Fritz Strassmann (1902–1980) ได้ทดลองยิงนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 (เพราะนิวเคลียสมีโปรตอน 92 อนุภาค และนิวตรอน 143 อนุภาค เลขมวลจึงเป็น 235) ด้วยนิวตรอนความเร็วต่ำ และพบว่าแทนที่มวลของนิวเคลียสใหม่ที่ได้จะเพิ่มขึ้น เพราะรับอนุภาคนิวตรอนเข้าไป คนทั้งสองกลับพบนิวเคลียสของแบเรียม-56 ซึ่งมีมวลน้อยกว่ายูเรเนียมมาก นี่เป็นเหตุการณ์ที่ไม่มีใครใดในโลกเคยคาดคิดมาก่อน Hahn จึงรายงานผลการทดลองของตนให้ Lise Meitner (1878-1968) ทราบ
Lise Meitner วัย 61 ปี เป็นนักฟิสิกส์สตรีเชื้อชาติยิว ซึ่งเป็นคนที่กำลังถูกทหารนาซีคุกคาม เมื่อตระหนักว่าชีวิตของเธอกำลังตกอยู่ในห้วงอันตราย จึงตัดสินใจหนีไปสวีเดน โดยทิ้งห้องปฏิบัติการและความสำเร็จในชีวิตด้วยการพบธาตุโพรแทกทิเนียม-19 (protactinium, Pa) ร่วมกับ Hahn ไว้เบื้องหลัง
ขณะพำนักอยู่ที่ Stockholm Meitner ได้ครุ่นคิดหาเหตุผลที่จะใช้อธิบายเหตุการณ์ประหลาดที่ Hahn กับ Strassmann พบ ซึ่งแตกต่างจากกรณีที่ John Cockcroft (1897–1967) กับ Ernest Walton (1903–1995) ในปี 1932 ได้ยิงนิวเคลียสของลิเทียม (lithium) ด้วยโปรตอนความเร็วสูง ทำให้ได้แอลฟา (alpha) สองอนุภาค พร้อมกันนั้นก็มีพลังงาน 13 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (electron volt) เกิดขึ้นด้วย ทั้งนี้เพราะมวลของนิวเคลียสส่วนหนึ่งในปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้หายไป พลังงานจึงเกิดขึ้นตามสมการ E= mc2 เมื่อ E คือพลังงาน m คือมวลที่หายไป และ c คือ ความเร็วแสง แต่พลังงานที่ว่านี้มิได้ทำให้ใครสนใจ เพราะโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าว มีค่าน้อยมาก เช่น ถ้าให้โปรตอนหนึ่งพันล้านอนุภาคพุ่งชนอะตอมของลิเทียม จะมีโปรตอนอนุภาคเดียวเท่านั้นที่จะชนนิวเคลียสแล้วทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์
ในเวลาต่อมา Meitner ได้ทราบว่า สองสามี-ภรรยานักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ Frédéric Joliot (1900-1958) กับ Irène Joliot-Curie (1897-1956) ได้ทดลองยิงนิวเคลียสของอลูมิเนียม -13 ด้วยอนุภาคแอลฟา และพบว่าอลูมิเนียม -13 ได้เปลี่ยนเป็นซิลิกอน -14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิต 3.5 นาที และปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ได้ปลดปล่อยอนุภาคโพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอนออกมา กระบวนการที่ Joliot กับ Curie ใช้นี้ได้กลายเป็นเทคนิคมาตรฐานที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการสร้างธาตุกัมมันตรังสีประดิษฐ์ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
ครั้นเมื่อ Meitner ได้ศึกษาทฤษฎีโครงสร้างนิวเคลียสของ George Gamow (1956-1968) เธอก็ได้พบว่า นิวเคลียสของทุกอะตอม ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนจำนวนมาก มีรูปทรงเหมือนหยดของเหลว และเพราะผิวของเหลวมีสมบัติของแรงตึงผิว ที่ทำให้ผิวยืดหยุ่น นิวเคลียสจึงสามารถเปลี่ยนรูปทรงได้เวลาถูกกระตุ้นด้วยอนุภาคหรือแสง Meitner จึงมีจินตนาการต่อไปว่า นิวเคลียสที่ Hahn กับ Strassmann ใช้ในการยิงด้วยนิวตรอน ได้ถูกกระตุ้น จนมีพลังงานเพิ่มขึ้น และได้แบ่งแยกตัวออกเป็นสองส่วนในลักษณะเดียวกับการแบ่งตัวของอะมีบา นั่นคือ นิวเคลียสยูเรเนียม-235 คงแบ่งตัวเอง (fission) ออกเป็นสองนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กกว่า โดยที่นิวเคลียสหนึ่ง คือแบเรียม-56 และถ้ากฎทรงจำนวน นิวคลีออนในปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นจริง ในการแบ่งแยกตัวนี้จะต้องมีนิวเคลียสของธาตุอื่นเกิดขึ้นด้วย และธาตุที่น่าจะเกิดพร้อมแบเรียม-56 คือคริปตอน-36
Meitner จึงได้ขอให้ Hahn ค้นหาธาตุคริปตอน-36 ซึ่ง Hahn กับ Strassmann ก็เชื่อเธอ จึงได้ค้นหาจนพบว่ามีนิวเคลียสของคริปตอน-36 เกิดขึ้นจริง จึงรายงานให้ Meitner กับ Otto Frisch (1904–1979) ซึ่งเป็นหลานชายของ Meitner ทราบ และ Frisch ก็ได้รายงานข่าวนี้ให้ Niels Bohr (1885-1962) รู้ด้วย
ในเวลาต่อมา คือ เดือนมกราคม ปี 1939 Enrico Fermi (1901-1954) นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ซึ่งได้ลี้ภัยนาซีไปอเมริกาเช่นเดียวกับ Albert Einstein (1879–1955) ได้จัดให้มีการสัมมนาเรื่อง ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบ fission ที่มหาวิทยาลัย George Washington ใน Washington, D.C., เมื่อการสัมมนาสิ้นสุด Fermi ได้กล่าวสรุปการค้นพบที่สำคัญมากของ Hahn กับ Strassmann และปรารภว่า ถ้าปฏิกิริยา fission ที่เกิดขึ้นในแต่ละครั้งสามารถให้กำเนิดนิวตรอนได้ตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไป (คือ 3 , 4 , 5 ,...) นักฟิสิกส์ก็อาจใช้นิวตรอนที่เกิดใหม่เป็นกระสุนในการยิงนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ต่อไปได้เรื่อย ๆ ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นจากยูเรเนียม 1 กิโลกรัม จะให้พลังงานมากเท่าพลังงานที่ได้จากดินระเบิดหนัก 17,000 ตัน
ข้อสังเกตนี้ ได้ทำให้ทุกคนที่เข้าฟังสัมมนา รู้สึกตื่นเต้นและครุ่นคิดหนักว่า นักฟิสิกส์จะมีวิธีสร้างระเบิดปรมาณู เพื่อยุติสงครามได้หรือไม่ เพราะสงครามในยุโรปกำลังจะเกิดขึ้นในเวลาอีกไม่นาน จากการที่กองทัพนาซีกำลังจะเข้ายึดครองโปแลนด์
ในเดือนมีนาคม ปี 1939 นักวิทยาศาสตร์ฝ่ายสัมพันธมิตรหลายคน เช่น Fermi กับ Leo Szilard (1898-1964) ได้มีความเห็นพ้องกันว่า นักฟิสิกส์จะต้องไม่เผยแพร่องค์ความรู้ที่เกี่ยวข้องกับปรากฎการณ์ fission ในยูเรเนียม-235 ให้นักวิทยาศาสตร์นาซีรู้ เพราะข้อมูลอาจจะถูกฝ่ายนาซีนำไปใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณูได้ก่อนฝ่ายสัมพันธมิตร
ตามปกติธาตุยูเรเนียมที่มีในธรรมชาติมี 3 ไอโซโทป คือ U-234 , U-235 และ U-238 ในปริมาณ 0.006% , 0.694% และ 99.3% ตามลำดับ และยูเรเนียมทั้ง 3 ไอโซโทปนี้มักอยู่ปนกัน มีแต่นิวเคลียสของ U-235 เท่านั้นที่เวลาถูกยิงด้วยนิวตรอนความเร็วช้า จะแบ่งตัว ส่วน U-238 เวลาถูกยิงด้วยนิวตรอนจะมีมวลเพิ่มขึ้น เพราะเป็นไอโซโทป “เสถียร” ที่มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 4,500 ล้านปี ซึ่งในเวลาต่อมาจะสลายตัวให้ U-234 ที่มีครึ่งชีวิตนาน 245,500 ปี
การที่ยูเรเนียม U-235 สามารถแสดงปรากฏการณ์ fission ได้เช่นนี้ ทำให้มันมีศักยภาพในการนำไปใช้ผลิตระเบิดปรมาณูได้ แต่การแยกยูเรเนียม -235 ออกจากไอโซโทปอื่น ๆ ของยูเรเนียม โดยวิธีการทางเคมี เป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก เพราะทุกไอโซโทปของยูเรเนียมมีจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนเท่ากัน คือ 92 อนุภาค ดังนั้นจึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันทุกประการ เมื่อเป็นเช่นนี้การแยกยูเรเนียม-235 ออกจากไอโซโทปอื่น ๆ จึงต้องใช้กระบวนการทางฟิสิกส์ เช่น ใช้การแพร่ (diffusion) โดยนำแก๊สยูเรเนียมแฮกซาฟูออไรด์ (UF6 : uranium hexafluoride) ซึ่งมีทั้ง U-234 , U-235 และ U-238 เป็นองค์ประกอบ และปล่อยให้ซึมผ่านเยื่อพรุนจำนวนนับพันเยื่อไปในท่อที่ยาวหลายกิโลเมตร เพราะไอโซโทปทั้ง 3 ชนิดมีมวลไม่เท่ากัน ดังนั้นความเร็วในการแพร่ ซึ่งแปรผกผันกับรากที่สองของมวลจึงแตกต่างกัน จากนั้นถ้าใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงกระทำต่อนิวเคลียสที่มีความเร็วต่าง ๆ กัน จะทำให้เกิดแรงแม่เหล็กที่แตกต่างกัน ไอโซโทปทั้ง 3 ชนิดจึงสามารถจับแยกจากกันได้ และ Alfred O. Nier (1911–1994) จากมหาวิทยาลัย Minnesota ในประเทศสหรัฐอเมริกาก็ได้เสนอให้ใช้วิธีการนี้ เพื่อแยกยูเรเนียม-235 บริสุทธิ์ออกมาได้ 0.02 ไมโครกรัม จากแร่ดิบ 1 กิโลกรัม เพื่อให้ Fermi จากมหาวิทยาลัย Columbia ได้ใช้ศึกษาโอกาสความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่
แม้ว่าในเวลานั้น ไม่มีใครใดในโลกคนสามารถทำนายได้อย่างมั่นใจว่า นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องใช้เวลาในการสร้างระเบิดปรมาณูนานเพียงใด และระเบิดจะทำงานได้ผลหรือไม่ นอกจากนี้เทคนิคที่ Alfred Nier ใช้ในการแยกยูเรเนียม-235 บริสุทธิ์ก็มีประสิทธิภาพต่ำมาก เพราะถ้าจะให้ได้ยูเรเนียม-235 มวลหนึ่งกิโลกรัม การแยกจะต้องใช้เวลานานถึง 150,000 ปี ดังนั้นเมื่อ Fermi ต้องการงบประมาณมาสนับสนุนการสร้างระเบิดปรมาณูจากกระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกา และถูกถามในประเด็นนี้ โครงการของ Fermi จึงถูกปฏิเสธ
ในเดือนสิงหาคม ปี 1939 Leo Szilard นักฟิสิกส์ชาวฮังการี เชื้อชาติยิวอีกคนหนึ่ง ที่ลี้ภัยนาซีไปสหรัฐอเมริกา เมื่อรู้ข่าวว่า Hahn กับ Strassmann ได้พบปรากฏการณ์ fission จึงไปหา Eugene Wigner (1902-1995) เพื่อขอคำปรึกษาเรื่องวิธีการสร้างระเบิดปรมาณู คนทั้งสองมีความเห็นพ้องกันว่า กองทัพสหรัฐฯ จะต้องสร้างระเบิดปรมาณูให้ได้ก่อนกองทัพนาซี และบุคคลเดียวที่สามารถจะผลักดันรัฐบาลอเมริกันให้อนุมัติการสร้างระเบิดปรมาณูได้ คือ Albert Einstein เพราะ ชื่อเสียง ความคิดเห็น ความสามารถ และคำพูดของ Einstein มีน้ำหนักมาก
ดังนั้นในวันที่ 11 ตุลาคมปี 1939 Szilard จึงนำจดหมายที่ Einstein เขียน และ Eugene Wigner (1902-1995) แปล ไปมอบให้แก่ประธานาธิบดี Franklin D. Roosevelt (1882–1945) เนื้อหาในจดหมายนั้นมีใจความว่า การทดลองของ Joliot กับ Curie ที่ฝรั่งเศส และของ Fermi กับ Szilard ในสหรัฐอเมริกา ได้แสดงให้เห็นชัดว่า นักฟิสิกส์สามารถทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดได้ โดยการยิงนิวเคลียสของยูเรเนียม -235 ด้วยนิวตรอน ซึ่งถ้าเทคนิคนี้ได้รับการพัฒนา กองทัพสหรัฐฯ ก็จะสามารถสร้างระเบิดปรมาณูที่สามารถทำลายท่าเรือและเมืองใหญ่ ๆ ให้ราบเรียบได้ภายในเวลาพริบตา และถ้าระเบิดมีน้ำหนักไม่มากจนเกินไป กองทัพอากาศก็อาจนำระเบิดขึ้นเครื่องบิน เพื่อทิ้งลงจากที่สูง แม้เทคโนโลยีการสร้างระเบิดปรมาณูเป็นเรื่องที่ทำได้ยากสักปานใด แต่ก็เป็นเรื่องที่กองทัพสัมพันธมิตรต้องทำอย่างเร่งด่วน เพราะ ณ เวลานั้น กองทัพนาซีได้เข้ายึดครองประเทศ Czechoslovakia แล้ว และได้เหมืองแร่ยูเรเนียมในประเทศคองโกเบลเยี่ยมไปครอบครองแล้วด้วย ดังนั้นถ้ากองทัพนาซีต้องการจะผลิตระเบิดปรมาณูและสามารถผลิตได้ โลกก็จะตกอยู่ในภัยอันตรายอย่างที่ไม่มีใครสามารถจะประเมินความเสียหายได้
เมื่อประธานาธิบดี Roosevelt ได้อ่านจดหมายจาก Einstein จบ ก็เข้าใจประสิทธิภาพอันประเสริฐของระเบิดปรมาณู ด้วยวิสัยทัศน์ที่กว้างไกล Roosevelt จึงอนุมัติโครงการสร้างระเบิดปรมาณูในทันที โดยไม่ฟังเสียงทักท้วงจากคณะกรรมการที่ปรึกษาทางเศรษฐกิจและวิทยาศาสตร์ Roosevelt ยังได้แต่งตั้งคณะกรรมการที่ปรึกษาเรื่องยูเรเนียม (Advisory Committee on Uranium) ขึ้นด้วย ซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ระดับสุดยอดของโลก เช่น Eugene Wigner, Edward Teller (1908-2003) , Enrico Fermi, Leo Szilard และนายพลในกองทัพอีกหลายคน เช่น Alexander Sachs (1893–1973) และ Leslie Groves (1896-1970) จากกระทรวงกลาโหม
คณะกรรมการฯ ได้ประชุมกันแล้ว มีมติว่านักฟิสิกส์และนักเคมีในมหาวิทยาลัยต่าง ๆ จะเป็นผู้รับผิดชอบด้านทฤษฎีและด้านการทดลองทั้งหมด โดยใช้แกรไฟต์ 4 ตัน เป็นวัสดุชะลอความเร็วของนิวตรอน และใช้แร่ยูเรเนียมออกไซด์ 50 ตันเป็นวัตถุดิบ เพื่อสกัดยูเรเนียม-235 บริสุทธิ์ออกมา ส่วนกองทัพสหรัฐฯ จะรับผิดชอบเรื่องสถานที่ทดลองระเบิด และความปลอดภัยของบุคลากรทุกคน ตลอดจนถึงงบประมาณการสร้างด้วย โครงการผลิตระเบิดปรมาณูของสหรัฐอเมริกาภายใต้รหัสชื่อ Manhattan ได้เริ่มดำเนินการเมื่อวันที่ 20 กุมภาพันธ์ปี 1940 โดยมี Julius Robert Oppenheimer (1904-1967) เป็นหัวหน้าโครงการ จึงทำให้ Oppenheimer ได้รับฉายาว่า เป็นบิดาของระเบิดปรมาณู
ในเวลาเดียวกัน รัฐบาลอังกฤษก็ได้แต่งตั้งคณะกรรมการสร้างระเบิดปรมาณูขึ้นอีกชุดหนึ่ง ภายใต้การนำของ George Thomson (1757–1851) โดยมี Otto Frisch และ Joseph Rotblat (1908-2005) แห่งห้องปฏิบัติการ Cavendish ของมหาวิทยาลัย Cambridge เข้าร่วมด้วย ด้าน F. Joliot และ I. Joliot-Curie จากประเทศฝรั่งเศสต้อง รับผิดชอบเรื่องน้ำ มวลหนัก (heavy water) 200 กิโลกรัม จากนอร์เวย์ที่ต้องใช้เป็นตัวชะลอความเร็วของนิวตรอน แต่ F. Joliot มิได้เข้าร่วมในโครงการ Manhattan เพราะต้องทำงานใต้ดินเพื่อกอบกู้เอกราชของฝรั่งเศสจากการยึดครองโดยนาซีเยอรมัน
ในช่วงเวลาเดียวกัน Glenn Seaborg (1912-1999) , Philip Abelson (1913-2004) และ Edwin McMillan (1907-1991) สามนักเคมีชาวอเมริกัน ได้ทดลองยิงนิวเคลียส U-238 ด้วยนิวตรอน และพบว่าได้ธาตุ plutonium-239 ซึ่งสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา fission ได้เช่นเดียวกับยูเรเนียม-235 นอกจากจะมีคุณสมบัตินี้แล้ว กระบวนการแยกพลูโตเนียม-239 ออกจาก U-238 ก็สามารถทำได้ง่ายกว่าการแยก U-235 ออกจาก U-238 มาก
ติดตามตอนที่ 2 : บนเส้นทางการสร้างและใช้ "ระเบิดปรมาณู" เมื่อ 75-78 ปีก่อน .... ได้ในวันศุกร์หน้า
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
