ความสำเร็จในการสร้าง ธาตุ neptunium (สัญลักษณ์ Np) ที่มีเลขอะตอม 93 (เลขอะตอมเป็นตัวเลขที่บอกจำนวนโปรตอนที่มีในนิวเคลียสของธาตุ) เมื่อปี 1940 เปรียบเสมือนกับการเปิดโลกใหม่ให้นักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยี ได้เข้าไปสำรวจและศึกษา นั่นคือ โลก transuranic ที่นิวเคลียสของธาตุเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนมากกว่า 92 ซึ่งเป็นเลขอะตอมของธาตุ uranium ด้วยความคาดหวังว่าธาตุใหม่ ๆ จะเพิ่มขนาดของตารางธาตุ (periodic table) จนทำให้รู้ว่า ธาตุที่หนักที่สุดในธรรมชาติ จะมีเลขอะตอมอะไร ธาตุใหม่ ๆ จะเป็นธาตุพลังงานหรือธาตุยารักษามะเร็งได้หรือไม่ หรือเป็นธาตุอาวุธที่ร้ายแรงยิ่งกว่าระเบิดนิวเคลียร์ปัจจุบันเสียอีก หรือ … ฯลฯ
ตราบถึงทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างธาตุใหม่รวมทั้งสิ้น 26 ธาตุแล้ว นับตั้งแต่ neptunium (Np) จนถึง oganesson (Og) ที่มีเลขอะตอม 118
โดยใช้หลักการและวิธีการต่าง ๆ มากมายที่เหมาะสมในการสร้างด้วยการ
1. ยิงกระสุนที่เป็นนิวเคลียสของธาตุเบา (อันเป็น ion ของธาตุ เช่น He, C, Li, Be) ให้เข้ารวมกับนิวเคลียสของธาตุหนัก หรือใช้กระสุนที่เป็นนิวเคลียสของธาตุหนักให้เข้ารวมกับนิวเคลียสของธาตุเบา เป็นการรวมแบบ nuclear fusion
2. ยิงกระสุนที่เป็นอนุภาคเบา เช่น neutron ที่เคลื่อนที่ช้า ให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุหนัก เพื่อให้เกิดการดูดกลืน neutron ทำให้จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของธาตุใหม่มีมากขึ้น แล้วมีนิวตรอนอนุภาคหนึ่ง ที่จะสลายตัวเป็นอนุภาคโปรตอน (proton) เป็นการเปลี่ยนแปลงโดยอันตรกิริยาอย่างอ่อนให้ electron กับอนุภาค antielectron neutrino การเปลี่ยนแปลงนี้ จึงทำให้จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเดิมเพิ่มขึ้น เป็นธาตุหนักขึ้น ในขณะเดียวกันก็จะได้รังสี beta ด้วย
การที่นักทดลองนิยมใช้ neutron ไม่ใช้ proton เพราะ neutron มีสภาพไฟฟ้าเป็นกลาง คือ ไม่มีประจุ nucleus ที่ตามปกติมีแต่ proton กับ neutron เท่านั้น จึงสามารถดูดกลืน neutron ได้ง่าย แต่ถ้าใช้ proton แรงผลักไฟฟ้าระหว่างกระสุน proton กับ nucleus จะมีค่ามากจนกระสุน proton ไม่สามารถทะลุกำแพงศักย์ไฟฟ้าเข้าไปได้ การรวมอนุภาคจึงไม่เกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นได้ยากมาก วิธี neutron capture จึงเป็นอีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้ในการสร้างธาตุหนัก
ความยุ่งยากอีกหลายประการที่มักเกิดตามมาเวลามีการสร้างธาตุหนัก คือ โอกาสที่จะเกิดการหลอมรวมนิวเคลียสนั้นยากเว่อร์ เมื่อเราตระหนักว่าตามปกตินิวเคลียสมีขนาดเล็กยิ่งกว่าเล็ก คือ มีพื้นที่ภาคตัดขวาง ระดับ 10^(-30) ตารางเมตร (ซึ่งหมายความว่าในพื้นที่ 1 ตารางเมตร จะมี nucleus เรียงรายอยู่กันเป็นระนาบได้ 10^30 อนุภาค) การชนกันตรง ๆ ระหว่างอนุภาคกระสุนกับเป้านิวเคลียสจึงเกิดขึ้นน้อยมาก นอกจากนี้ลักษณะการชนกันก็ยังมีหลายรูปแบบ คือ แบบชนตรงและแบบเฉียด ๆ ทั้งนี้เพราะลักษณะการชนมีผลต่อการถือกำเนิดของนิวเคลียสใหม่ด้วย
ครั้นเมื่อนิวเคลียสใหม่ถือกำเนิดแล้ว เพราะตามปกติอายุขัยของนิวเคลียสที่หนักมักจะสั้นมาก ตั้งแต่ระดับ picosecond (10^(-12) วินาที) ถึง nanosecond (10^(-9) วินาที) ดังนั้นการตรวจจับนิวเคลียสใหม่จึงต้องกระทำอย่างรวดเร็วมาก ก่อนที่มันจะสลายตัว สำหรับประเด็นนี้ทาง International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) กับ International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) ได้กำหนดให้อะตอมใหม่ต้องมีชีวิตอยู่นานเกิน 10^(-14) วินาที ซึ่งเป็นเวลาที่นานพอให้นิวเคลียสใหม่ มีเวลาดึงดูด electron ที่อยู่โดยรอบให้เข้ามารวมเป็นอะตอมได้
ครั้นเมื่ออะตอมใหม่ถือกำเนิดแล้ว นักทดลองจำเป็นต้องแยกอะตอมใหม่ออกมาในทันที เพื่อใช้ศึกษาสมบัติทางควอนตัมของมัน เช่น มวล สปิน รูปแบบการสลายตัว ครึ่งชีวิตรูปทรงของนิวเคลียสใหม่ ฯลฯ ดังนั้นเครื่องแยกอะตอมจึงต้องมีประสิทธิภาพสูงมาก กระนั้นอะตอมใหม่ก็ยังไม่เป็นที่ยอมรับทางวิชาการ จนกว่าจะมีนักทดลองอีกกลุ่มหนึ่งได้ทดลองซ้ำ เพื่อยืนยันว่าอะตอมใหม่ที่ว่านั้น ใหม่จริง ๆ โดยมีข้อมูลจากทั้งสอง หรือสามห้องปฏิบัติการให้ผลสอดคล้องกันเป็นอย่างดีที่สุด
ห้องปฏิบัติการที่สำคัญๆ ของโลก ที่สามารถสร้างธาตุซูเปอร์หนัก (superheavy element, SHE) ได้ ได้แก่
2. GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ที่เมือง Darmstadt ในเยอรมนี
3. RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (RNC) ที่เมือง Wako ในญี่ปุ่น
4. Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ที่มหาวิทยาลัย California วิทยาเขตฺ Berkely ในสหรัฐอเมริกา ที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาค cyclotron สร้างธาตุ-116 คือ livermorium (Lv) ฯลฯ
5. Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) เมือง Livermore สหรัฐอเมริกา ร่วมกับ JINR สร้างธาตุ-118 (Og) โดยการหลอมรวม calcium-48 กับ californium-249
ในการใช้ห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์หลายแห่งตรวจสอบผลการสร้างธาตุของกันและกัน เพราะนักทดลองแต่ละแห่งใช้เทคโนโลยี กระสุน เป้า วิธีตรวจจับนิวเคลียสใหม่ไม่เหมือนกัน ดังนั้นถ้าแต่ละวิธีที่แตกต่างกันให้ผลเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะถือว่า ได้รับการ confirmed!!
ในขณะที่นักฟิสิกส์และนักเคมีกำลังขยายดินแดนแห่งความรู้ด้วยการสร้างสารประกอบใหม่ และตัวยาใหม่ นักดาราศาสตร์ก็ค้นหาดาวฤกษ์ดวงใหม่ ดาวหางดวงใหม่ ดาวเคราะห์ดวงใหม่ ฯลฯ นักชีววิทยาพยายามสร้างพืชพันธุ์ใหม่ ๆ สัตว์พันธุ์ใหม่ ๆ นักสร้างธาตุ super หนักก็พยายามสร้าง SHE ใหม่ ที่หนักขึ้นเรื่อย ๆ และมักประสบปัญหาตั้งแต่ง่ายจนยากอยู่ตลอดเวลา ตั้งแต่เรื่องการตั้งชื่อ ตลอดไปจนถึงการทดลอง เพื่อยืนยันว่าธาตุที่ได้เป็นธาตุใหม่จริง ดังเช่นกรณีของธาตุ oganesson ที่พบในปี 2002 แต่ได้รับการยืนยันเมื่อปี 2015 และในปี 2016 จึงได้รับการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการว่า oganesson (Og) จากวันนั้นถึงวันนี้ก็ยังไม่มีการพบธาตุใหม่อีกเลย และไม่มีใครรู้ชัดว่าจะพบธาตุใหม่เมื่อไร โดยใช้ธาตุอะไรเป็นเป้า และธาตุอะไรเป็นกระสุน
ในส่วนของการตั้งชื่อธาตุใหม่นั้น วงการวิทยาศาสตร์ได้กำหนดว่า isotone เดียวกัน
1. อาจใช้ชื่อนักวิทยาศาสตร์ เช่น Og ซึ่งตั้งตามชื่อของ Yuri Oganessian (1933-ปัจจุบัน) นักวิจัยชั้นนำของรัสเซีย ผู้มีบทบาทมากในการพัฒนาเทคโนโลยี SHE
2. อาจใช้ชื่อสถาบันหรือสถานที่ที่พบธาตุใหม่ เช่น californium ซึ่งตั้งตามชื่อรัฐ California ที่พบธาตุนี้เป็นครั้งแรก
3. อาจตั้งตามสมบัติที่สำคัญ เช่น hydrogen (hydro-gen = ผู้ให้กำเนิดน้ำ) หรือ oxygen (oxys-gen = ผู้ให้กำเนิดกรด)
4. หรือใช้ชื่อดาวเคราะห์ Uranus เป็นธาตุ uranium ที่ Martin Heinrich Klaproth พบเมื่อปี 1789 และ William Herschel ได้เป็นผู้พบดาวเคราะห์ Uranus เมื่อปี 1781
ตามปกติเวลามีการพบธาตุใหม่นี้ เป็นเหตุการณ์ที่น่าตื่นเต้นมากสำหรับคนทั้งโลก และมักถือเป็นเกียรติของคนที่พบ และชาติที่พบเป็นคนแรก ดังนั้นวงการวิทยาศาสตร์จึงมีการแข่งขันกันในการเสนอชื่อธาตุใหม่ เพื่อให้ประวัติศาสตร์ได้จารึกเป็นหลักฐานอย่างชั่วนิจนิรันดร์กาล เช่น
ธาตุ 101 เดิมชื่อ Eka=thulium, Eka จากคำสันสกฤตว่า เอก เพราะมีมวลมากยิ่งกว่า thallium (Tl) อยู่หนึ่งหน่วย แต่ในที่สุด IUPAC ได้กำหนดให้ชื่อ mendelevium (Md) ตามชื่อของ Dmitri Mendeleev (1834-1907)
ธาตุ 102 เดิมทั้งห้องปฏิบัติการในสวีเดนและรัสเซียต่างได้เสนอให้ชื่อ nobelium กับ joliotium ตามลำดับ แต่ในที่สุดทั้งสอง lab กับ IUPAC ได้ตัดสินใจใช้ชื่อ nobelium
ธาตุ 103 ไม่มีปัญหาใดๆ ในการตั้งชื่อว่า lawrencium (Lr) ตามชื่อ E. O. Lawrence (1901-1958) ผู้ประดิษฐ์ cyclotron
ธาตุ 104 ได้มีการเสนอชื่อ rutherfordium กับ kurchatovium แต่ในที่สุดได้ชื่อ rutherfordium (Rf) ตามชื่อ Ernest Rutherford (1871-1937) ซึ่งเป็นบิดาของวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์
ธาตุ 105 เดิมเสนอให้ชื่อ hahnium หรือ nielsborium การยื้อแย่งชื่อกันเป็นเวลานาน จนทำให้วงการต้องตั้งชื่อสำรองว่า unnilpentium (Unp) ซึ่งมาจากคำ un-nil-pent ในภาษาละตินที่แปลว่า 1-0-5 ตามลำดับ จนในที่สุดก็ได้ชื่อเป็นทางการว่า dubnium
ธาตุ 106 ชื่อ seaborgium (Sg) ก่อนนั้นก็มีชื่อสำรอง unnilhexium (Unh) un-nil-hex ซึ่งแปลว่า 1-0-6 ตามลำดับ ตั้งตามชื่อของ Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) นักเคมีนิวเคลียร์ชาวอเมริกัน รางวัลโนเบลเคมีปี 1951
ธาตุ 107 ชื่อธาตุ bohrium (Bh) ตามชื่อ Niels Bohr (1885-1962) โดยมีชื่อสำรอง unnilseptium (Uns)
ธาตุ 108 ชื่อ hassium (Hs) เคยมีชื่อสำรองเป็น unniloctium (Uno)
ธาตุ 109 คือ meitnerium (Mt) ชื่อสำรอง คือ unnilennium (Une) Un-nil-ennium ซึ่งตรงกับเลข 1-0-9 เป็นต้น ตั้งตามชื่อของ Lise Meitner (1878-1968)
ดังนั้นโดยการใช้หลักการนี้ ธาตุที่ 120 ที่ยังไม่มีใครสร้าง จึงมีชื่อสำรองว่า un-bi-nilium (Ubn) ซึ่งตรงกับเลข 1-2-0
ตามปกติธาตุ SHE มีจำนวน neutron ในนิวเคลียสมากกว่า proton เช่น Pu (plutonium) มีโปรตอน 94 อนุภาค และนิวตรอน 145 อนุภาค จำนวนนิวคลีออน (nucleon) ในนิวเคลียส จึงเป็น 94+145=239 อนุภาค ด้าน Fm (fermium) มีโปรตอน 100 อนุภาค และนิวตรอน 157 อนุภาค จึงมีเลขมวล 100+157=257
แต่ในกรณีที่นิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าธาตุกลุ่มนั้นเป็น isotope กัน หรือถ้านิวเคลียสมีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่มีจำนวนโปรตอนแตกต่างกันธาตุเหล่านั้นก็เป็นกลุ่ม
การมีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนนี้ ได้ช่วยให้นิวเคลียสมีเสถียรภาพยิ่งขึ้น เพราะการมีนิวตรอนมาก ได้ช่วยทำให้โปรตอนอยู่ห่างกันมากขึ้น แรงผลักทางไฟฟ้าในนิวเคลียสนั้นจึงลดลง นั่นคือนิวเคลียสใหม่จะเสถียรขึ้น แม้จะไม่แยกตัวในทันที แต่นิวเคลียสก็อาจจะคงอยู่ในสถานะเสถียรชั่วคราว ซึ่งจะอยู่ในสถานะกึ่งเสถียร และจะมีการปล่อยอนุภาคนิวตรอนออกมา 1, 2, 3 หรือ 4 อนุภาค เช่น ในกรณี การสร้างธาตุ 117 tennessine (Ts) เมื่อปี 2010 ชื่อนี้ตั้งตามรัฐ Tennessee ในสหรัฐอเมริกา เพราะเป็นสถานที่ ๆ ให้กำเนิด Ts จากปฏิกิริยานนิวเคลียร์
Ts* เป็นนิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้น ซึ่งจะปล่อยอนุภาคนิวตรอนออกมา 3 อนุภาค ทำให้ได้นิวเคลียส tennessine (Ts) ในสถานะปกติ
จากการทดลองทุกครั้งที่ผ่านมา นักทดลองที่ต้องสร้างเป้า สร้างกระสุน สร้างเครื่องดักจับ สร้างเครื่องแยกนิวเคลียสใหม่ ฯลฯ ทุกคนต้องอาศัยแนวทางการทำงานที่มีนักทฤษฎีเป็นคนชี้แนะว่า ควรจะใช้ธาตุอะไร รวมกับธาตุอะไร เพื่อโอกาสที่จะได้ธาตุใหม่มีค่าสูงสุด
โลกมีนักทฤษฎีคนหนึ่งชื่อ Maria Goeppert Mayer (1906-1972) เธอเป็นนักฟิสิกส์สตรีชาวเยอรมันสัญชาติอเมริกากับ Johannes Hans Daniel Jensen (1907-1923) ซึ่งเป็นนักทฤษฎีฟิสิกส์นิวเคลียร์ชาวเยอรมัน ที่ทำงานร่วมกับ Mayer ในการเสนอทฤษฎี nuclear shell model ซึ่งเป็นแบบจำลองของนิวคลีออนในนิวเคลียส ที่มีใจความว่า โปรตอน (p) และนิวตรอน (n) ในนิวเคลียส เป็นอนุภาคที่ต่างก็มีพลังงาน และพลังงานทั้งหมดเหล่านี้อยู่กระจายกัน อย่างมีค่าแน่นอนเป็นชั้น ๆ เหมือนอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม nucleon จึงมีวงโคจรเป็นชั้นๆ ที่เรียก shell คือ ต่างวงต่างก็มี shell ของตัวเองเป็นชั้น K, L, M, N... เหมือนอะตอม ชั้นใดที่มีจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนเท่ากับ 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 นิวเคลียสนั้นจะเสถียร
เลข 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126,… จึงเป็นเลขขลัง (magic number) ในกรณี Ca-48 ซึ่งมี proton 20 และ neutron 28 อันเป็นตัวเลขขลัง ทั้ง 2 ตัวเลข คือ 20 กับ 28 นิวเคลียสของ Ca-48 จึงมีเลขขลังคู่ (double magic) ที่เสถียรมาก
ทั้ง Mayer และ Jensen ได้ทำงานอิสระจากกัน แต่เสนอทฤษฎี Nuclear Shell Model ร่วมกัน ความสำเร็จนี้ทำให้ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลปี 1983 ส่วนรางวัลโนเบลอีกครั้งหนึ่งเป็นของ Eugene Wigner (1902-1995) จากการนำทฤษฎี group มาใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ทาง nuclear physics
Mayer จึงนับเป็นนักฟิสิกส์สตรีคนที่สอง หลังจาก Madame Curie (1867–1934) ที่ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ และชื่อของเธอ ณ วันนี้ ได้ปรากฏเป็นชื่อของหลุมอุกกาบาตหลุมหนึ่งบนดวงจันทร์
ปัจจุบันนักทดลอง (ทั้งฟิสิกส์และเคมี) โดยนักฟิสิกส์สร้างอุปกรณ์เร่งอนุภาคให้มีความเร็วระดับความเร็วแสง เป้าอุปกรณ์ ตรวจจับ แยก) ส่วนนักเคมีหาวิธีวิเคราะห์ธาตุ กำลังสร้างธาตุที่ 120 จากเดิมที่มี 118 ธาตุ ซึ่งถูกพบเมื่อปี 2002 โดยทีมรัสเซียภายใต้การนำของ Yuri Oganessian
แต่นัก SHE ก็ยังไม่พบธาตุ SHE ใหม่อีกเลย และก็กำลังพยายามตลอดเวลาที่ผ่านมาร่วม 23 ปี คำถามที่ใคร ๆ ก็มักสงสัย คือ เหตุใดนักวิทยาศาสตร์จึงไม่สร้างธาตุที่ 119 ตามลำดับขึ้นไป
คำตอบมีว่า นักทดลองกำลังสร้างธาตุหนักทั้ง 2 ชนิดนี้ไปพร้อม ๆ กัน และเมื่อได้พบว่าโอกาสการเกิดธาตุ-120 นั้นสูงกว่า (ตามทฤษฎี Nuclear Shell Model) ถ้าใช้เป้าดังต่อไปนี้
ธาตุ 119 จาก Cm-248 + V-51
ธาตุ 120 จาก Cf-249 + Ti-50
เหตุผลว่า ลำกระสุน Ti-50 titanium นั้น สามารถควบคุมการเสถียรภาพได้ดีกว่า ดังนั้นโอกาสการสร้างธาตุใหม่ จึงทำได้ง่ายกว่า
ด้านเป้า Cf-249 ก็ได้รับการพัฒนาให้ทรงความเสถียรมาเป็นเวลานานแล้ว จากงานสร้าง Og ดังนั้นห้องปฏิบัติการที่ GSI, RIKEN จึงสามารถใช้ Og เป็นเป้าได้เลย แต่ Cm ยังไม่ได้มีสภาพเป็นเป้าที่เสถียรมาก
นอกจากนี้ ทฤษฎี Shell Model มีโอกาสการเกิดธาตุ 120 มากกว่าธาตุ 119
นั่นคือ Shell Model ได้พยากรณ์ว่า พื้นที่ภาคตัดขวางในการเกิดปฏิกิริยา nuclear ในกรณีของธาตุ 120 สูงกว่าธาตุ 119
ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อธาตุ 120 มีโอกาสจะใกล้ถึงเกาะแห่งความเสถียรภาพ (Island of Stability) ที่นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ทุกคนใฝ่ฝัน ซึ่งธาตุบนเกาะนี้มีค่า Z (atomic number) = 114,120,126
โดย ธาตุ 114 นั้น คือ Flerovium
และธาตุต่อไป คือ Z=120 ที่เรายังไปไม่ถึง และถ้าถึง ทฤษฎีก็ระบุอีกว่า นิวเคลียส Z=120 จะเสถียรมาก คือ มีชีวิตอยู่ได้นานเป็นวินาที นาที ชั่วโมง หรือวัน… ที่นับว่านานกว่า SHE ทั่วไปที่มีชีวิตระดับ 10^(-3) วินาที
ดังนั้นถ้าใครสามารถสร้างธาตุ 120 ได้เป็นคนแรก เขาก็จะได้รับรางวัล Nobel เพราะมันก็จะเป็นธาตุที่เริ่มใหม่ใน period ที่ 8 บนตารางธาตุ
อ่านเพิ่มเติมจาก “Superheavy Element Discovery | Glenn T. Seaborg Institute”. seaborg.llnl.gov. Retrieved 2024-09-02.
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
