นักวิทยาศาสตร์มักไม่เชื่อคำพยากรณ์ของหมอดูหรือโหร แต่เชื่อในสิ่งที่เห็นเป็นหลักฐานเชิงประจักษ์ ตลอดจนถึงเชื่อในคำอธิบายอย่างมีเหตุผล สมมติอยู่มาวันหนึ่ง มีชายชราผู้มีเครายาวและผมยุ่งเป็นกระเซิง ชื่อ Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) ได้เอ่ยคำทำนายว่า โลกยังมีธาตุอีกหลายธาตุ ที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้พบ นักวิทยาศาสตร์หลายคนคงไม่สนใจจะค้นหาธาตุดังกล่าว แต่ Mendeleev ไม่เพียงแต่จะพูดเปรย ๆ ว่า มีนี่ มีนั่น มีโน่น เขายังได้เอ่ยอธิบายต่ออีกว่า ธาตุที่ยังไม่มีใครพบนั้น มีสมบัติทางกายภาพเป็นเช่นใดด้วย
หลังจากที่ได้แถลงคำพยากรณ์แล้ว Mendeleev ก็คอยอย่างมั่นใจว่า นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก คงทำการทดลอง เพื่อพิสูจน์คำทำนายของเขาว่า ถูก เพราะ Mendeleev เชื่ออย่างปักใจว่า โลกมีธาตุหลายชนิดที่มีสมบัติคล้ายคลึงกัน จึงเป็นธาตุในตระกูลเดียวกัน และแต่ละตระกูลมีสมบัติที่แตกต่างไปจากธาตุในตระกูลอื่น
ในเบื้องต้น เหล่านักเคมีไม่เชื่อว่าสมบัติกายภาพของธาตุต่างๆ จะมีค่าเปลี่ยนแปลงเป็นจังหวะเหมือนโน้ตดนตรี (คือ เป็นคาบ) แต่เมื่อคำพยากรณ์เกี่ยวกับธาตุแรกของ Mendeleev เป็นความจริง หลายคนจึงคิดว่า เหตุการณ์นี้เป็นเรื่องฟลุ๊ค แต่เมื่อคำพยากรณ์เรื่องธาตุที่สองและที่สาม ที่ตามมาก็เป็นจริงอีก นักเคมีทั่วโลกจึงหันมาสนใจความคิดของ Mendeleev ที่ได้พยายามจะจัดองค์ความรู้ทางเคมีให้เป็นระบบที่มีความเป็นระเบียบ
Mendeleev เป็นบุตรคนสุดท้องของครอบครัวที่มีทายาททั้งหมด 14 คน บิดามีอาชีพเป็นครูใหญ่ประจำโรงเรียนในเมือง Tobolsk ซึ่งเป็นเมืองเล็ก ๆ ที่ตั้งอยู่ในดินแดน Siberia ที่มีอากาศหนาวจัดในฤดูหนาว ภูมิภาคในแถบนี้จึงมีชื่อเสียว่า เป็นสถานที่กักขังนักโทษทางการเมือง โดยเฉพาะคนที่ต่อต้านการปกครองของซาร์ (tzar) จนเป็นที่เลื่องลือว่า ใครก็ตามที่ถูกส่งไปกักขังที่นี่ คือ การถูกส่งไปตาย
เมื่อ Mendeleev มีอายุ 13 ปี บิดาได้เสียชีวิตลง มารดาจึงทำหน้าที่เป็น single mom ดูแลลูก ๆ ทุกคน และเป็นผู้บริหารธุรกิจโรงงานผลิตแก้วของครอบครัวด้วย ครั้นเมื่อโรงงานถูกไฟไหม้จนวายวอด มารดาก็ได้นำลูก ๆ เดินทางไป Moscow เพื่อให้ลูกๆ ได้รับการศึกษาที่ดี และต้องโบกรถม้าไปตลอดทางไกลถึง 2,000 กิโลเมตร แต่กลับพบว่า โรงเรียนที่ Moscow ไม่รับ Mendeleev เข้าเรียน เพราะเขาเรียนได้เกรดต่ำ
ครอบครัวจึงเดินทางต่อไปที่เมือง St. Petersburg เพื่อเข้าเรียนต่อระดับมหาวิทยาลัยที่ Central Pedagogical Institute ซึ่งมีชื่อเสียง
อีกสามเดือนต่อมา Mendeleev ก็กำพร้าแม่อีก แต่ก็ได้ใส่ใจในคำสอนของแม่ ที่ให้เขาทุ่มเทตัวเองในการเรียนให้มาก และให้พูดน้อยๆ แต่ครอบครัวนี้ก็ยังไม่พบความสุข เพราะสมาชิกหลายคนได้ล้มป่วยเป็นวัณโรค ซึ่งเป็นโรคติดต่อที่เสียชีวิตง่าย (เพราะในสมัยนั้น ไม่มียาดี ๆ รักษา) Mendeleev จึงเข้ารักษาตัวในโรงพยาบาล และถูกตัดขาดจากโลกภายนอก ทำให้มีเวลาเป็นตัวของตัวเองมาก จนสามารถเรียนจบในที่สุด ด้วยคะแนนดีเยี่ยม เมื่ออายุ 21 ปี
หลังจากนั้น เพื่อนนักเคมีของเขาที่ชื่อ Aleksandr Borodin (1833-1887) ก็ได้แนะนำให้ Mendeleev ไปเรียนต่อที่ปารีส ในฝรั่งเศส และที่เยอรมนี ที่มหาวิทยาลัย Heidelberg เพื่อจะได้ทำงานวิจัยร่วมกับ Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) ผู้ประดิษฐ์ตะเกียง Bunsen อุปกรณ์วัดความร้อนจำเพาะของน้ำแข็ง และบุกเบิกวิชา spectroscopy ที่ใช้วิเคราะห์หาชนิดของธาตุและสารประกอบจากแสงที่สารเปล่งออกมา เวลาถูกเผาให้ร้อน
ในปี 1860 ได้มีการจัดการประชุมนานาชาติ International Chemical Congress ขึ้นเป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัย Karlsruhe ใน Germany เพื่อตกลงกันเรื่องความรู้ที่เกี่ยวกับเคมี เช่น แก๊ส มีหรือไม่มีในธรรมชาติ เพราะหลายคนคิดว่าอะตอมที่มีประจุเหมือนกัน จะต้องผลักกัน ไม่ใช่ดึงดูดกัน ดังนั้นสูตรเคมีของแก๊ส hydrogen จึงควรจะเป็น H และสูตรอะตอมคู่ของ ก็ไม่น่าจะมีในธรรมชาติ
หลังจากที่การประชุมได้สิ้นสุดลง ทุกคนก็เริ่มยอมรับเรื่องความแตกต่างระหว่างอะตอมกับโมเลกุล เรื่องมวลเชิงอะตอม (atomic mass) และมวลเชิงโมเลกุล (molecular mass) หลังจากที่ได้ฟัง Stanislao Cannizzaro (1826–1910) นักเคมีชาวอิตาเลียน ซึ่งได้นำแนวคิดของ Amedeo Avogadro (1776–1856) ที่แถลงว่า ณ อุณหภูมิเดียวกัน และความดันเดียวกัน แก๊สทุกชนิดจะมีจำนวนอนุภาคเท่ากัน มาเสนอในที่ประชุม เพราะหลังจากนั้น นักเคมีก็เริ่มเห็นพ้องกันในวิธีเขียนสูตรเคมี และใช้มวลเชิงอะตอม กับมวลเชิงโมเลกุลแทนที่น้ำหนักเชิงอะตอม และน้ำหนักเชิงโมเลกุล เป็นต้น
ในปีต่อมา คือ ปี 1861 ที่รัสเซียกำลังจะเลิกทาส Mendeleev ได้เดินทางกลับบ้านเกิด เพื่อไปเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัย St. Petersburg และเป็นอาจารย์สอนที่นิสิตชอบมาก เพราะมีวิธีสอนให้รู้จักคิดและถาม
ถึงปี 1869 Mendeleev วัย 35 ปี ได้รับแต่งตั้งให้เป็นศาสตราจารย์เคมี และจะต้องเผชิญปัญหาหนัก คือ การไม่มีตำราเคมีให้นิสิตอ่าน Mendeleev จึงตัดสินใจเขียนตำรา แต่ก็ไม่แน่ใจว่าจะเริ่มต้นเขียนเกี่ยวกับธาตุอะไร แล้วเรียงลำดับธาตุต่าง ๆ อย่างไร คือ จะใช้กลุ่ม halogens ที่ประกอบด้วย fluorine, chlorine, bromine, iodine ก่อนหรือไม่ เพราะธาตุกลุ่มนี้ทำปฏิกิริยากับ sodium และ potassium ได้ดี แล้วหลังจากนั้นก็จะเขียนเกี่ยวกับธาตุชนิดใดต่อ
ในปี 1869 ธาตุที่นักเคมีรู้จักมี 63 ชนิด และธาตุเหล่านี้มีมวลเชิงอะตอมไม่เท่ากัน ดังนั้น Mendeleev จึงคิดจะใช้มวลเชิงอะตอมในการจัดเรียงลำดับธาตุ นอกจากนี้ก็ได้ลองพิจารณาค่าความถ่วงจำเพาะ ค่าความหนาแน่น สัมประสิทธิ์การนำความร้อน ตลอดจนถึงสถานะของธาตุ (อันได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส) มาเป็นเกณฑ์ในการจัดลำดับธาตุด้วย
Mendeleev ได้ครุ่นคิดแต่เฉพาะเรื่องนี้ เพราะเขาคิดว่าวิชาเคมี มิใช่มีแต่การศึกษาชนิดและสมบัติของธาตุเท่านั้น แต่จะต้องมีรูปแบบที่แสดงโครงสร้างของวิชาด้วย
ตามปกติ Mendeleev ชอบเล่นเกมไพ่โซลิแทร์ (solitaire) ที่เล่นคนเดียว เขาจึงเขียนน้ำหนักเชิงอะตอมของธาตุทุกธาตุลงบนไพ่แต่ละใบ และเขียนสมบัติของธาตุเหล่านั้นด้วย จากนั้นก็จัดเรียงไพ่เป็นแถวในแนวตั้งและแนวนอน จนเหนื่อยอ่อน แล้วงีบหลับไป ก็ได้ฝันเห็นภาพของธาตุต่าง ๆ โดยมีธาตุจัดเรียงกันเป็นตาราง ตามค่าของน้ำหนักเชิงอะตอมจากน้อยไปมาก จึงได้จัดเรียงธาตุต่าง ๆ เป็นแนวตั้ง (column) และแนวนอน (row) และได้จัดธาตุที่มีสมบัติทางเคมีใกล้เคียงกันให้อยู่ในแนวเดียวกันด้วย
ดังนั้น เวลาอ่านตารางจากซ้ายไปขวา ตามแนวนอน น้ำหนักเชิงอะตอมของธาตุจะเพิ่มขึ้น และเมื่อตารางที่ Mendeleev จัด มีที่ว่าง เพราะเขาไม่มีธาตุที่มีคุณสมบัติตามที่เขาคาดหวัง Mendeleev ก็มีความเชื่อว่า ในเวลาอีกไม่นานจะมีคนพบธาตุที่ “หายไป”
ดังนั้นเมื่อถึงปี 1875, 1879 และ 1886 นักเคมีก็ได้พบธาตุ gallium (เลขเชิงอะตอม 31), scandium (เลขเชิงอะตอม 21) และ germanium (เลขเชิงอะตอม 32) ตามลำดับ ตารางธาตุของ Mendeleev ก็ไม่มีที่ว่างอีกเลย และธาตุที่พบใหม่นี้ก็มีสมบัติดังที่ Mendeleev ได้ทำนายไว้ทุกประการ
ชื่อเสียงของ Mendeleev จึงเป็นที่รู้จักในระดับอมตะนิรันดร์กาล
ณ วันนี้ แม้หลายคนจะไม่สนใจวิทยาศาสตร์มาก แต่ทุกครั้งที่เห็นตารางธาตุ ก็จะรู้ในทันทีว่า นี่คือ ตารางที่แสดงความหลากหลายทางกายภาพของธาตุทุกชนิดที่มีในโลก ทั้งที่มีในธรรมชาติและที่สร้างได้ในห้องปฏิบัติการ สำหรับชื่อภาษาอังกฤษของตารางธาตุที่เขียนว่า periodic table นั้น ก็มีที่มาจากการที่ Mendeleev ได้พบว่า สมบัติของธาตุเวลานำน้ำหนักเชิงอะตอม (atomic weight) มาเรียงตามลำดับจากน้อยไปหามาก จะพบว่า สมบัติของธาตุที่คล้ายกัน จะปรากฏเป็นช่วง ๆ อย่างสม่ำเสมอ คือ เป็นคาบ (period) ในลักษณะเดียวกับสมบัติของฟังก์ชันในวิชาตรีโกณมิติ
สมบัติอื่นๆ ของตารางธาตุที่ Mendeleev สร้างนี้ มีเอกลักษณ์ที่น่าสนใจ คือ มีลักษณะที่ไม่สมมาตร (ด้านซ้ายไม่เหมือนด้านขวา และด้านบนไม่เหมือนด้านล่าง) เพราะมียอดแหลมทางด้านซ้าย และเป็นบล็อกยาวในตอนกลาง กับมีความยาวปานกลางทางด้านขวา และบล็อกของตารางเล็กๆ ทั้งหมดนี้ ลอยอยู่เหนือตารางขนาดเล็กอีกสองแถว
ความสำคัญของตารางธาตุที่ Mendeleev สร้างในปี 1869 นั้น คือ เป็นงานบุกเบิกที่เกิดขึ้น ในขณะที่โลกวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้จักอิเล็กตรอนและโปรตอนเลย ดังนั้นตารางธาตุของ Mendeleev จึงมีลักษณะไม่เหมือนกับตารางธาตุปัจจุบัน 100% เพราะตารางธาตุปัจจุบันถูกสร้างขึ้นโดยใช้เลขเชิงอะตอม (atomic number) ในการจัด แทนการใช้น้ำหนักเชิงอะตอม (atomic weight) ดังที่ Mendeleev คิด
ในความเป็นจริง ก่อนที่ Mendeleev จะสร้างตารางธาตุของเขา ได้มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคน เช่น Antoine Lavoisier (1743-1794) นักเคมีชาวฝรั่งเศส ได้พยายามทำมาก่อน โดยได้แบ่งธาตุออกเป็นสองกลุ่ม คือ โลหะกับอโลหะ เมื่อปี 1789 ส่วน John Newlands (1837-1895) นักเคมีชาวอังกฤษ กับ Julius Lothar Meyer (1830–1895) นักเคมีชาวเยอรมัน ก็ได้พบสมบัติความเป็นคาบของธาตุต่าง ๆ เช่นกัน แต่ไม่มีใครในเวลานั้นเชื่อ เพราะตารางที่คนทั้งสองสร้างไม่ได้พยากรณ์อะไรเลย
เมื่อถึงเดือนกุมภาพันธ์ปี 1869 Mendeleev ได้เสนอผลงานของเขาชื่อ “An Attempt at a System of Elements, Based on Their Atomic Weight and Chemical Affinity” ซึ่งมีตารางธาตุฉบับ original ที่ดูแตกต่างจากตารางธาตุปัจจุบันมาก เพราะนักวิทยาศาสตร์มีความเข้าใจในสมบัติอะตอมของธาตุดีขึ้น
อีกข้อสังเกตหนึ่งก็คือ สัญลักษณ์เคมีที่ Mendeleev ใช้ ส่วนใหญ่เป็นไปตามที่ Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) ได้กำหนดไว้ ยกเว้นธาตุ J ในตาราง ซึ่งใช้ I (iodine) ในปัจจุบัน และ Mendeleev ได้ใช้ Ur แทน U (uranium) ส่วนธาตุ Di นั้น ก็ไม่มี เพราะ Di คือ ธาตุ didymium ที่นักเคมี Carl Auer von Welsbach (1858-1929) ได้พบว่า จริงๆ แล้วประกอบด้วย praseodymium (Pr) กับ neodymium (Nd)
ความสับสนทั้งหมดนี้ เกิดจากการที่นักเคมีวัดค่าน้ำหนักเชิงอะตอมของธาตุได้ยาก เพราะธาตุต่าง ๆ มักปรากฏอยู่ในสถานะสารประกอบ ซึ่งทำให้การสกัดแยกออกมาได้อย่างบริสุทธิ์ เป็นไปได้ยาก และนี่ก็คือเหตุผลที่ทำให้ Mendeleev จัดน้ำหนักเชิงอะตอมของ nickel (Ni) เท่ากับ cobalt (Co) คือ 59 ตลอดจนได้จัดให้ tellurium (Te) มีน้ำหนักเชิงอะตอม 128 อยู่หน้า iodine (J) ซึ่งมีน้ำหนักเชิงอะตอม 127
ส่วนธาตุที่อยู่บริเวณขอบๆ ของตาราง ซึ่งมีเครื่องหมายปรัศนีย์ (?) อยู่ด้วย เช่น ?=45, ?=68, ?=70 นั้น Mendeleev ได้เรียกธาตุเหล่านั้นว่า eka-boron, eka-aluminum และ eka-silicon ตามลำดับ คำนำหน้า eka มาจากคำในภาษาสันสกฤตที่แปลว่า เอก ล้วนเป็นธาตุที่นักเคมียังไม่พบ
แต่ในเวลาต่อมา ธาตุเหล่านี้ก็ถูกพบ คือ scandium ในปี 1879 gallium ในปี 1876 และ germanium ในปี 1886
ความสำเร็จเหล่านี้ทำให้ Mendeleev ได้รับเหรียญ Davy ของสมาคม Royal Society ประจำปี 1882 ร่วมกับ Julius Lothar Meyer
Henry Moseley ภาพจาก www.amazon.com
การปฏิรูปตารางธาตุของ Mendeleev ได้เกิดขึ้นอย่างมีนัยยะสำคัญในปี 1913 หลังจากที่ Mendeleev ได้เสียชีวิตไปแล้วเป็นเวลา 6 ปี เมื่อ Henry Moseley (1887-1915) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแนะให้ใช้เลขเชิงอะตอม (atomic number) ของธาตุต่าง ๆ แทนน้ำหนักเชิงอะตอม (atomic weight) เพราะเลขเชิงอะตอม คือ ตัวเลขที่บอกจำนวนประจุบวกที่มีในนิวเคลียส (จำนวนโปรตอน) และเป็นปริมาณที่วัดได้ง่ายกว่า อีกทั้งมีความแม่นยำกว่าด้วย
Henry Moseley เป็นนักฟิสิกส์หนุ่มชาวอังกฤษ ซึ่งได้รับการศึกษาที่มหาวิทยาลัย Oxford แล้วไปทำงานวิจัยกับ Ernest Rutherford (1871–1937) ที่มหาวิทยาลัย Manchester โดยได้ทำงานวิจัยเรื่องธาตุกัมมันตรังสีก่อน แล้วได้หันไปสนใจรังสีเอกซ์ที่ธาตุต่าง ๆ เปล่งออกมา จนได้พบธาตุใหม่อีก 4 ธาตุ คือ technetium (Tc) เลขเชิงอะตอม 43, promethium (Pm) เลขเชิงอะตอม 61, rhenium (Re) เลขเชิงอะตอม 75 กับ hafnium (Hf) เลขเชิงอะตอม 72
ในปี 1914 Moseley ได้เข้ารับราชการเป็นทหารในสงครามโลกครั้งที่ 1 และถูกส่งไปประจำการที่ Gallipoli ในประเทศตุรกี เครื่องบินทหารที่ Moseley ขับ ถูกยิงตก และ Moseley เสียชีวิตในทันที เมื่อวันที่ 10 สิงหาคม ปี 1915 ก่อนจะได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ จากผลงานการพบว่า เลขเชิงอะตอม คือ พื้นฐานสำคัญที่ใช้ในการกำหนดลำดับของธาตุในตารางธาตุ
ถึงปี 1955 ตารางธาตุในรูปแบบที่เราพบเห็นในทุกวันนี้ ก็ได้ปรากฏในสถานศึกษาทั่วโลกทุกหนแห่ง และในปีเดียวกันนั้น Albert Ghiorso (1915-2010) กับ Glenn Seaborg (1912-1999) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลเคมีในปี 1951 สองนักเคมีแห่งมหาวิทยาลัย California วิทยาเขต Berkeley ก็ได้สังเคราะห์ธาตุใหม่ที่ 101 ชื่อ mendelevium ซึ่งตั้งชื่อตาม Mendeleev
ตั้งแต่มีตารางธาตุรูปแบบใหม่แล้ว นักฟิสิกส์และนักเคมีก็ได้พยายามสานต่องานสร้างธาตุใหม่ จนทำให้ ณ วันนี้ เรามีธาตุที่ 118 ชื่อ oganesson แล้ว (ธาตุนี้มี proton 118 อนุภาคในนิวเคลียส)
การสร้างธาตุใหม่ก็ยังไม่สิ้นสุด และไม่มีวันจบสิ้น เพราะเราต้องการจะรู้ว่า ตารางธาตุจะมีขนาดใหญ่เพียงใด และมีขอบเขตจำกัดหรือไม่ นอกจากนี้ธาตุใหญ่ที่นักวิทยาศาสตร์สามารถจะสร้างได้ จะมีเลขเชิงอะตอมเท่าไหร่ นักทฤษฎีนิวเคลียร์เชื่อว่า คือ ธาตุที่ 170 และมีสมบัติที่น่าสนใจอะไรบ้าง
เมื่อวันที่ 23 กรกฎาคมปี 2024 นี้ ได้มีการแถลงข่าวในที่ประชุมประจำปีเรื่อง Nuclear Structure 2024 ที่เมือง Lemont ในรัฐ Illinois ของสหรัฐอเมริกาว่า ทีมวิจัยที่ Lawrence Berkeley National Laboratory ซึ่งมี Jacklyn Gates เป็นนักทดลองคนหนึ่งในทีม และกำลังสร้างธาตุที่ 120 โดยการยิงไอออนของ titanium เลขเชิงอะตอม 22 เข้าหานิวเคลียสของ californium เลขเชิงอะตอม 98 การรวมกันระหว่าง nucleus ทั้งสองจะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขเชิงอะตอม 120 (เพราะ 22+98=120)
งานทดลองนี้ต้องได้รับการยืนยันจากห้องทดลองอื่น จึงจะเป็นที่ยอมรับ แต่ก็นับเป็นการทดลองที่สำคัญ เพราะนี่เป็นครั้งแรกที่ได้มีการใช้ลำไอออนของ titanium เป็นกระสุน และได้พบว่านักทดลองต้องใช้เวลานานหลายเดือน จึงจะให้นิวเคลียสของธาตุใหม่ ซึ่งจะปรากฏเป็นธาตุแรกในแถวใหม่ของตารางธาตุ
อ่านเพิ่มเติมจาก Periodic Table of Elements". IUPAC | International Union of Pure and Applied Chemistry. Retrieved 11 May 2024.
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
