อะไรเอ่ยในอะตอม
โดย สุริยากานต์ วงศ์ตระกูล
อะตอม (atom) เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร ยกตัวอย่างง่ายๆแบบที่ใครๆก็รู้จักนายดำนายแดง ต่างก็รู้จักเช่น ทอง (gold ซึ่งมาจากภาษา อังกฤษโบราณว่า geolo ที่แปลว่าสีเหลืองหรือ yellow ในปัจจุบันที่ออกเสียงคล้ายกันนั่นเอง) ทองไม่ว่าจะเป็นทองแท่งทองรูปพรรณที่เห็นๆกันเหลืองอร่าม งามงดกันอย่างนั้นจริงๆแล้ว เจ้าก้อนสีเหลืองนี้ประกอบ ด้วยหน่วยเล็กเล็กที่เรียกกันว่าอะตอมของทอง (อักษรย่อทางเคมีของทองคือ Au มาจากภาษาละตินว่า Aurum)
รูปแสดงโครงสร้างของอะตอมทอง บริเวณสีเหลืองคือนิวเคลียสและวงกลมสีดำที่มีประจุเป็นเครื่องหมายลบที่อยู่ด้านนอกคืออิเล็คตรอน
ภายในอะตอมประกอบด้วยสามสิ่งหลักคือ หนึ่งคืออิเล็คตรอน (electron) ซึ่งเป็นอนุภาคมีมวล 9.11 x10-31 กิโลกรัมและมีประจุเป็นลบ (-1) เจ้าอิเล็คตรอนนี้จะโคจรอยู่รอบๆใจกลางของอะตอมหรือที่เรียกกันว่า นิวเคลียส (nucleus - พหูพจน์คือ nuclei) สองโปรตอน(proton)เป็นอนุภาคที่มีประจุเป็นบวก(+1)และมี มวล 1.67x10-27 กิโลกรัมและสามนิวตรอน(neutron)ซึ่งเป็นอนุภาคไม่มีประจุแต่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน สำหรับโปรตรอนและนิวตรอนจะถูกเรียกรวมกันว่านิวคลีออน (nucleon)
เรามาเปรียบเทียบขนาดของอะตอมกับอนุภาคเหล่านี้กันเถอะ
อะตอม มีขนาด 1x10-10 เมตร
นิวเคลียส มีขนาด 1x10-15 เมตร
นิวตรอน หรือ โปรตรอน มีขนาด 1x10-15 ถึง 1x10-14 เมตร
อิเล็คตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่ทราบขนาดแน่นอนแต่ประมาณได้ว่า 1x10-18เมตร
โอ้โหเล็กขนาดนี้แล้วนายดำนายแดงอย่างเราจะไปเห็นอะตอมได้อย่างไร นักฟิสิกส์ก็มีอาวุธ ตัวหนึ่งเรียกว่า STM (scanning tunneling microscope) ที่เอาไว้ศึกษาตำแหน่งของอะตอมบนพื้นผิวโดย ใช้หลักการคือเจ้า STM จะมีหัววัด (probe) ที่มีปลายแหลมเล็กมากซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวของสสาร เจ้าหัววัดนี้เองจะปล่อยกระแสที่เรียกว่า tunneling currents ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจหาตำแหน่งของอะตอม ต่างๆนั่นเอง
รูปถ่ายจาก STM ขนาด 7nm x 7nm แสดงอะตอมของ Cesium (บริเวณสีแดง) ที่อยู่บนผิวของ Gallium-Arsenide (บริเวณสีน้ำเงิน)
เจ้าอนุภาคสามตัว (โปรตอน นิวตรอน และอิเล็คตรอน) ที่กล่าวมาข้างต้นนั้นยังไม่ใช่หน่วยที่เล็ก ที่สุดของสสาร นักฟิสิกส์ได้ค้นพบว่าหน่วยที่เล็กไปกว่านั้นเรียกว่า ควาร์ก (quark) และ เล็ปตอน (lepton) ย้อนไปในปี 1963 นาย Murray Gell-Mann (Nobel Prize 1969) เป็นคนแรกที่ใช้คำว่าควาร์กนี้ เขาเล่าว่า ตอนแรกเขาคิดอยู่ในใจว่าเจ้าอนุภาคที่เล็กที่สุดเนี่ยมันเหมาะกับเสียงเรียกว่า kwork แต่เขาเผอิญไปอ่าน หนังสือเล่มหนึ่งของ Jame Joyce ที่ชื่อว่า Finnegans Wake ที่มีอยู่บทหนึ่งกล่าวขึ้นต้นว่า “ Three quarks for Muster Mark! Sure he hasn’t got much of a bark. “ สังเกตว่าคำว่า quark จะออกเสียงคล้าย kwork แล้วบังเอิญที่ว่าในธรรมชาติควาร์กจะอยู่ด้วยกันสามตัว (ในตอนนั้นพบควาร์กประเภทที่อยู่ด้วยกัน สามตัวเท่านั้น) มันก็ไปพ้องกับกลอนบทนี้ สุดท้ายเลยตัดสินใจสะกดแบบ quark แทน
ควาร์กมีหกชนิดแต่ที่ประกอบเป็นนิวตรอนและโปรตรอนคือ upquark (u) และ downquark (d) โดยที่ u จะมีประจุเป็น +2/3 ส่วน d มีประจุเป็น -1/3 โปรตรอนจะประกอบด้วย u สองตัวและ d หนึ่งตัว (ลองเอาสองส่วนสามคูณสองลบหนึ่งส่วนสามดูจะเท่ากับบวกหนึ่งซึ่งเป็นค่าประจุของโปรตรอนนั่นเอง) สำหรับนิวตรอนจะมี u หนึ่งตัวแต่มี d สองตัว บวกลบคูณหารกันแล้วก็ได้ค่าประจุของนิวตรอนเป็นศูนย์ สำหรับประวัติของเจ้า u และ d นั้นถูกค้นพบโดยการทดลองของ Friedman, Kendall และ Taylor ในปี 1968 ซึ่งต่อมาทั้งสามก็ได้รับโนเบลฟิสิกส์ในปี 1990
ควาร์กเป็นอนุภาคที่ต้องอยู่ด้วยกันสองหรือสามตัวเสมอเรียกว่าฮาดรอน (hadrons) เราจะไม่พบ ควาร์กอยู่เดี่ยวๆ เจ้าควาร์กเหล่านี้อยู่รวมกันได้โดยมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่ากลูออน (gluon) ซึ่งเป็น กาวสมชื่อทำหน้าที่เป็น force carrier เชื่อมอยู่ระหว่างควาร์กแต่ละตัว
สำหรับอิเล็คตรอนไม่ได้ประกอบจากควาร์กเช่นเดียวกับโปรตอนและนิวตรอนแต่อิเล็คตรอนเป็น อนุภาคที่ถูกจัดให้เป็นประเภทเล็ปตอน (lepton) ซึ่งปัจจุบันพบอยู่หกชนิด เล็ปตอนเป็นอนุภาคที่ไม่จำเป็น ต้องอยู่รวมกันแบบควาร์ก
ศาสตร์แห่งอนุภาคที่เรียกกันว่า Particle Physic นั้นเป็นสาขาที่น่าสนใจได้มีการศึกษากันมานับจาก สมัยที่นายทอมสันค้นพบอิเล็คตรอนเป็นคนแรกในปี 1897 จากนั้นก็ศึกษาวิจัยกันมาเรื่อยๆจนกระทั่งถึง ปัจจุบันได้มีการค้นพบควาร์กถึงหกชนิด เล็ปตอนอีกหกชนิด และ force carrier อีกสี่ชนิด ทำให้สาขาอนุภาค ฟิสิกส์นี้กวาดรางวัลโนเบลมามากต่อมาก ถึงแม้ว่าการทำการวิจัยในสาขานี้ต้นทุนการทดลองจะมโหฬาร แต่เนื่องจากลึกๆแล้วมันเป็นการสนองความอยากรู้อยากเห็นของมนุษยชาติหรือแม้แต่นายดำนายแดงที่ว่า จักรวาลเกิดจากอะไรนั่นเอง
References
2) www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles
3) www.members.ozemail.com.au/~Joyce/quark.htm
5) www.jlab.org
6) www.thebigview.com/spacetime
7) www.housestuffworks.com/atom9.htm
ที่มา
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น