MENU
Banner

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 16 | ค.ศ.1927 สำหรับการค้นพบปรากฏการณ์ Compton

แสงกับรางวัลโนเบล
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)

Cinque Terre
แผนผังแสดงปรากฏการณ์ Compton (ภาพจาก http://hst-archive.web.cern.ch )

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

Cinque Terre
รูปการทดลอง “ห้องเมฆ” ของ Wilson (ภาพจาก http://outreach.phy.cam.ac.uk )
แสงกับรางวัลโนเบล
รูปกลุ่มของอิเล็กตรอนที่บันทึกไว้จากการที่อิเล็กตรอนเหล่านี้ทำให้รังสีเอ๊กซ์กระเจิงแล้วก่อให้เกิดรังสีเบต้าตามมา (Compton’s Nobel Lecture)
ประวัติย่อ : Arthur Holly Compton
แสงกับรางวัลโนเบล
Arthur Compton นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันผู้ค้นพบปรากฏการณ์คอมป์ตัน

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
แสงกับรางวัลโนเบล
Charles Thomson Rees Wilson นักฟิสิกส์ชาวสก๊อตช์ผู้ประดิษฐ์ห้องเมฆ (Cloud Chamber) จำลองการก่อตัวของกลุ่มเมฆ

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.
  • http://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • http://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • http://outreach.phy.cam.ac.uk , accessed Feb 2019.
  • https://home.cern , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง

แสง รางวัลโนเบล ปรากฏการณ์ Compton

วันที่เผยแพร่ 12 มิถุนายน 2562 16:06