- บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
- นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)
เมื่อรังสีเอ็กซ์ตกกระทบธาตุที่มีเลขอะตอมมิคต่ำอย่างกราไฟต์ จะมีรังสีเอ็กซ์กระเจิงออกมาดังที่ Charles Barkla ได้อธิบายไว้ โดยรังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมามีคุณสมบัติเหมือนกันกับรังสีเอ็กซ์ที่ตกกระทบ นอกจากนี้รังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมาบางส่วนยังสามารถดูดถูกซับได้ง่ายกว่ารังสีเอ็กซ์ตกกระทบเนื่องจากมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า
อย่างไรก็ตาม รังสีเอ็กซ์ใหม่ที่ได้นี้ยังมีคุณสมบัติมากกว่าที่เราเข้าใจผ่านสิ่งที่ Charles Barkla ได้อธิบายไว้ และตรงจุดนี้เองที่ Arthur Holly Compton ได้เข้ามาศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้รังสีเอ็กซ์ที่ให้ช่วงความยาวคลื่นที่แคบที่สุดในขณะนั้น และพบว่ารังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมาประกอบไปด้วยเส้นสเปกตรัมสองชุด ชุดแรกมีลักษณะเหมือนกับรังสีเอ็กซ์ที่ตกกระทบ ขณะที่อีกชุดหนึ่งมีความยาวคลื่นมากกว่าเล็กน้อย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ Compton (Compton Effect)
ค่าความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ที่เปลี่ยนไปนี้ไม่ขึ้นกับวัตถุที่ทำให้รังสีเอ็กซ์กระเจิงแต่จะขึ้นอยู่กับมุมที่รังสีเอ็กซ์ตก กระทบวัตถุนั้น Arthur Compton ได้อาศัยพื้นฐานทางทฤษฎีอนุภาคมาอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าว ทฤษฎีที่ได้สร้างขึ้นอธิบายว่า รังสีเอ็กซ์ใหม่ปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนหนึ่งซึ่งจะต้องเคลื่อนที่กลับไปในทิศทางที่ทำมุมป้านกับรังสีเอ็กซ์ตกกระทบ (หรือทำมุมแหลมกับทิศทางการเคลื่อนที่ของรังสีเอ๊กซ์ที่ตกกระทบ) ซึ่งชี้เป็นนัยได้ว่าความเร็วของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ออกมาจากทิศทางนั้นจะมีความเร็วระหว่างศูนย์ถึงประมาณ 80% ของความเร็วแสง และมุมระหว่างรังสีเอ็กซ์ตกกระทบและรังสีเอ็กซ์ที่กระเจิงออกมาจะอยู่ในช่วง 0-180 องศา ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของอิเล็กตรอนในวัตถุ และ ความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ตกกระทบ มีลักษณะคล้ายกับทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริก
ปรากฏการณ์นี้ถือได้ว่าเป็นคุณสมบัติเชิงอนุภาคของรังสีเอ็กซ์ ซึ่งช่วยให้เกิดความกระจ่างในเรื่องพฤติกรรมของแสงที่เป็นอนุภาคมากขึ้น นอกจากผลการศึกษาในเรื่องดังกล่าวแล้ว Compton ยังได้ศึกษาสเปกตรัมของรังสีเอ็กซ์ด้วยเกรตติ้ง และทำให้เขาสามารถวัดความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ได้
การค้นพบอิเล็กตรอนที่กระเจิงออกมาโดย Charles Thomson Rees Wilson ก็ได้ช่วยยืนยันคำอธิบายดังกล่าวได้เป็นอย่างดี ซึ่ง Charles Wilson ได้อาศัยเครื่องมือและอุปกรณ์ที่เขาสร้างขึ้นเพื่อทดลองและศึกษาการก่อตัวของกลุ่มเมฆ (ละอองน้ำ) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ “ห้องเมฆ (Cloud Chamber)” มาพัฒนาสำหรับใช้ศึกษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเหล่านี้ โดยใช้พื้นฐานที่ว่าก๊าซที่มีไอออนสามารถนำไฟฟ้าได้ และ ไอออนภายในก๊าซสามารถกระตุ้นให้เกิดขึ้นได้ด้วยรังสีเอ็กซ์
Charles Wilson ได้ศึกษาการก่อตัวของหยดน้ำภายใต้อนุภาคที่ถูกเหนี่ยวนำให้นำไฟฟ้า และสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคอัลฟาและเบต้าที่ปลดปล่อยออกมาจากวัตถุได้จากการก่อตัวของหยดน้ำ
Charles Wilson ยังได้ปรับปรุงเครื่องมือที่พัฒนาขึ้นโดยอาศัยลูกตุ้มนาฬิกา (Pendulum) 3 ชุด ที่มีคาบของการเคลื่อนที่ที่ต่างกัน ลูกตุ้มนาฬิกาชุดแรกทำหน้าที่ปรับระดับแรงดันอากาศ เพื่อให้อากาศภายในมีการขยายตัวที่เหมาะสม ลูกตุ้มนาฬิกาชุดที่สองทำหน้าที่ปลดปล่อยกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะเคลื่อนที่เข้าไปยังหลอดที่จะสร้างรังสีเอ็กซ์ขึ้นมา ส่วนลูกตุ้มนาฬิกาชุดสุดท้ายจะทำหน้าที่ปล่อยไฟฟ้าไปยังไอของปรอทแล้วเกิดการเปล่งแสงสำหรับใช้ในการบันทึกภาพ ซึ่งภาพการก่อตัวของหยดน้ำจากรังสีเอ็กซ์ที่มีความหนาแน่นมากจะเห็นเป็นเส้นสีขาว
- ประวัติย่อ : Arthur Holly Compton
Arthur Compton เป็นอีกคนหนึ่งที่มีความสนใจทางด้านวิทยาศาสตร์ตั้งแต่เด็กจากสภาพแวดล้อมในครอบครัวที่มีบิดาดำรงตำแหน่งเป็นศาสตราจารย์ในมหาวิทยาลัย Arthur Compton เกิดเมื่อวันที่ 10 กันยายน ค.ศ. 1892 มลรัฐ Ohio สหรัฐฯ เขาจบการศึกษาระดับปริญญาตรีในปี ค.ศ. 1913 หลังจากนั้นเข้าศึกษาต่อที่ Princeton University และได้รับปริญญาโทในปี ค.ศ. 1914 และปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1916 ช่วงที่ศึกษาอยู่ที่ Princeton University ได้พัฒนาวิธีสาธิตการหมุนของโลกและให้ความสนใจในเรื่องของรังสีเอ็กซ์ หลังจากจบการศึกษาแล้วได้เข้าทำงานในตำแหน่งวิศวกรวิจัยที่บริษัท Westinghouse Lamp ที่เมือง Pittsburg ในช่วงปี ค.ศ. 1917-1919 จากนั้นได้เข้าสู่วงการศึกษาในปี ค.ศ. 1920 โดยดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์และหัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ที่ Washington University เมือง St. Louis ในสหรัฐฯ ในปี ค.ศ. 1923 ได้ย้ายไปสอนที่ University of Chicago และกลับมาที่ Washington อีกครั้งในปี ค.ศ. 1945 โดยดำรงตำแหน่งอธิการบดีของมหาวิทยาลัย
นอกเหนือจากงานวิจัยแล้วเขายังชอบเล่นเทนนิส ถ่ายภาพ ฟังเพลง และ ศึกษาวิชาดาราศาสตร์ ในช่วงปี ค.ศ. 1930-1940 เขาเป็นผู้นำของกลุ่มที่ศึกษาเกี่ยวกับความแปรปรวนของความเข้มของรังสีคอสมิคบนโลก และในปี ค.ศ. 1941 ได้เป็นประธานในคณะกรรมการของ National Academy of Sciences ที่มี Enrico Fermi, Leo Szillard และ Eugene Wigner ร่วมอยู่ เพื่อประเมินถึงการใช้ระเบิดปรมาณูในสงคราม ซึ่งผลที่ได้นำไปสู่การควบคุมเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเวลาต่อมา
- ประวัติย่อ : Charles Thomson Rees Wilson
Charles Wilson เกิดเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1869 ใกล้กับ Edinburgh ในสหราชอาณาจักรในครอบครัวชาวนา และเมื่อเขาอายุได้เพียง 4 ขวบก็ต้องเสียบิดาไป จากความที่ใฝ่ฝันอยากจะเป็นหมอในอนาคตจึงได้ตัดสินใจศึกษาทางด้านชีววิทยาที่ Owne’s College (ปัจจุบันคือ University of Manchester) ในปี ค.ศ. 1888 ได้รับทุนไปศึกษาต่อที่ Sidney Sussex College ซึ่ง ณ ที่นี้เองที่ทำให้เขาเริ่มหันความสนใจไปที่ฟิสิกส์และเคมีจากความประทับใจที่ได้รับจากอาจารย์สอนฟิสิกส์
เขาจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1892 หลังจากจบการศึกษาได้สองปีก็ได้มีโอกาสไปยืนที่จุดสูงสุดของยอดเขาในสกอตแลนด์และทำให้เขาเกิดความประทับใจถึงความสวยงามของพระอาทิตย์ทรงกลด และสีรอบๆ เงาบนเมฆและหมอก ซึ่งทำให้เขาสามารถหาวิธีการสาธิตปรากฏการณ์นี้ได้ด้วย ภายในช่วงเวลาสั้นๆ เพียง 2-3 เดือนของปี ค.ศ. 1896 ที่เขาได้ร่วมทำงานภายในห้องปฏิบัติการ Cavendish ก็ทำให้เขาเริ่มสนใจการเกิดของหยดน้ำ
อาชีพในวงการศึกษาของเขาเริ่มเป็นรูปธรรมมากขึ้นในปี ค.ศ. 1900 เมื่อได้เป็นผู้เชี่ยวชาญและอาจารย์สอนที่ Sidney Sussex College ในช่วงปี ค.ศ. 1900-1918 รับผิดชอบทางด้านการเรียนการสอนขั้นสูงที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ปฏิบัติของห้องปฏิบัติการ Cavendish และเป็นอาจารย์สอนเรื่องแสงด้วย ในช่วงนี้เองเขาเป็นคนแรกที่เห็นและสามารถถ่ายภาพเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคอัลฟา อนุภาคเบต้า และ อิเล็กตรอนได้ และยังได้ทำงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีประจุและไฟฟ้าในพายุฝนด้วย
แหล่งข้อมูล
- Nobel Lectures in Physics 1922-1941, World Scientific Publishing, November 1998.
- https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
- https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
- https://outreach.phy.cam.ac.uk , accessed Feb 2019.
- https://home.cern , accessed Feb 2019.
- ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.
บทความที่เกี่ยวข้อง
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 9 | ค.ศ.1917 สำหรับการค้นพบคุณสมบัติเชิงอนุภาคของรังสีเอ็กซ์
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 10 | ค.ศ.1918 สำหรับการค้นพบพลังงานที่แผ่ออกมาแบบไม่ต่อเนื่อง
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 11 | ค.ศ.1919 สำหรับการค้นพบการใช้สนามไฟฟ้ามาแยกเส้นสเปกตรัม
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 12 | ค.ศ.1921 สำหรับงานศึกษาทางด้านฟิสิกส์ทฤษฎีโดยเฉพาะการค้นพบกฏที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 13 | ค.ศ.1922 สำหรับการค้นพบโครงสร้างของอะตอมและการปลดปล่อยพลังงานจากอะตอม
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 14 | ค.ศ.1923 สำหรับการค้นพบประจุไฟฟ้าพื้นฐานและผลงานที่เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค
- แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 15 | ค.ศ.1924 สำหรับกระบวนการค้นคว้าและผลงานวิจัยทางด้าน X-Ray Spectroscopy