2 นักฟิสิกส์ผู้วิเคราะห์วัสดุด้วยนิวตรอน

โดย สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. 2 นักฟิสิกส์ผู้วิเคราะห์วัสดุด้วยนิวตรอน

Bertram Brockhouse และ Clifford Shull

       ในปี 1994 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์มีผู้ได้รับร่วมกันสองคน คือ Bertram Brockhouse แห่งมหาวิทยาลัย McMaster ในเมือง Hamilton รัฐ Ontario ของแคนาดากับ Clifford Shull แห่งสถาบัน Massachusetts Institute of Technology (MIT) สหรัฐอเมริกาซึ่งได้พัฒนาเทคนิคการศึกษาโครงสร้างอะตอมของสสารด้วยอนุภาคนิวตรอนที่ผลิตได้จากเตาปฏิกรณ์ปรมาณูในแคนาดาและอเมริกาตามลำดับ

เมื่อราวปี 1935 Enrico Fermi นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้พบโดยบังเอิญว่า นักฟิสิกส์สามารถใช้นิวตรอนที่มีความเร็วต่ำในการศึกษาธรรมชาติภายในของวัสดุได้ ทั้งนี้เพราะนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ และมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 2,000 เท่า ดังนั้นเวลามันถูกยิงเข้าไปในสสาร มันจะไม่เบี่ยงเบนทิศทางหลังจากที่ชนอิเล็กตรอน แต่จะพุ่งตรงเข้าสู่นิวเคลียสของอะตอม ในทางตรงกันข้าม ถ้าเราใช้เอ็กซ์เรย์ รังสีเอ็กซ์จะถูกทำให้กระเจิงโดยกลุ่มอิเล็กตรอนในอะตอม ทำให้ “ไม่สามารถเห็น” นิวเคลียสของธาตุที่หนักได้ เพราะนิวเคลียสหนักมีอิเล็กตรอนห้อมล้อมเป็นจำนวนมาก และนี่ก็คือเหตุผลที่แสดงว่าเราจะไม่สามารถใช้รังสีเอ็กซ์ศึกษาอะตอมไฮโดรเจนได้ แต่ใช้นิวตรอนได้

ในปี 1946 Shull ได้ริเริ่มใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนนิวตรอน (neutron diffraction) เพื่อศึกษาโครงสร้างภายในของสสารทำนองเกี่ยวกับที่สองพ่อลูกตระกูล Bragg เคยใช้รังสีเอ็กซ์หาโครงสร้างของผลึก โดยอาศัยการมีสมบัติความเป็นคลื่นของอนุภาคนิวตรอน

หลักการของเทคนิคที่ Shull คิดนี้มีว่า ถ้าสามารถทำให้นิวตรอนที่มีพลังงานเท่ากันทุกตัว (คือมีความยาวคลื่นเดียวกัน) ในการยิงอะตอมของสารที่ต้องการศึกษา การชนที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมกับนิวตรอน แทบจะเป็นการชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ โดยนิวตรอนจะเพียงเบนทิศการเคลื่อนที่และพุ่งออกจากสาร จากนั้นคลื่นนิวตรอนที่กระเจิงไปก็จะแทรกสอดกันทำให้ได้ภาพการเลี้ยวเบน ซึ่งสามารถบอกตำแหน่งของอะตอมต่างๆ ที่มีในสารได้ และถ้าสารนั้นมีสมบัติแม่เหล็ก (เพราะนิวตรอนมีโมเมนต์แม่เหล็ก) ดังนั้น Shull ก็สามารถใช้นิวตรอนหาโครงสร้างของสารแม่เหล็กได้ และได้พบว่า สารแม่เหล็กแบบ antiferromagnetism มีในธรรมชาติตรงตามที่ Louis Neel ได้เคยพยากรณ์ไว้ (Neel รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1970) 

Image # 3. 2 นักฟิสิกส์ผู้วิเคราะห์วัสดุด้วยนิวตรอน

Clifford Shull (photo credit: nobelprize.org)

       Clifford Shull เกิดเมื่อวันที่ 23 กันยายน ปี 1915 ที่เมือง Pittsburgh รัฐ Pennsylvania สหรัฐอเมริกา เขาสำเร็จการศึกษาปริญญาตรีฟิสิกส์จาก Carnegie Institute of Technology เมื่ออายุ 22 ปี และอีก 4 ปีต่อมา ก็จบปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์จากมหาวิทยาลัย New York

ในช่วงเวลาที่เกิดสงครามโลกครั้งที่สอง Shull ได้งานทำที่บริษัท Texaco ด้านฟิสิกส์ของแข็ง จนกระทั่งปี 1955 จึงได้ลาออกเพื่อเข้ารับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่ MIT และอยู่จนเกษียณในปี 1986 Shull เสียชีวิตเมื่อวันที่ 31 มีนาคม ค.ศ.2001 สิริอายุ 85 ปี

ด้าน Bertram Brockhouse นั้นใช้นิวตรอนในการศึกษาสภาพภายในของสารเช่นกัน แต่เทคนิคของ Brockhouse ใช้การกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นของนิวตรอน (ในขณะที่เทคนิคของ Shull เป็นการกระเจิงแบบยืดหยุ่น) ดังนั้นเวลาปะทะอะตอม นิวตรอนจะเปลี่ยนทั้งทิศการเคลื่อนที่และพลังงาน และจากข้อมูลพลังงานและโมเมนตัมที่เปลี่ยนไปนี้ นักวัสดุศาสตร์สามารถใช้อนุมานลักษณะการเคลื่อนไหวของอะตอมในสารได้ เทคนิคนี้จึงมีชื่อเรียกว่า neutron spectroscopy

ตามปรกติความก้าวหน้าในโลกวิทยาศาสตร์หลายครั้งเกิดจากจินตนาการของนักคิดหลายคน ที่คนทั่วไปคิดว่าไม่น่าจะเป็นไปได้ หรือมีได้ในธรรมชาติ เช่น แนวคิดเรื่องอะตอมของ Dalton หรือนิวตริโนของ Pauli ตามประวัติศาสตร์ทุกคนทราบก็รู้ว่าในเบื้องต้นไม่มีใครเชื่อ จนกระทั่งอีกหลายสิบปีต่อมา เมื่อเทคนิคการทดลองได้รับการพัฒนามากขึ้นจนสามารถพิสูจน์ได้ว่า อะตอมและ neutrino มีจริง

ในฟิสิกส์ของแข็งก็เช่นกัน นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้จินตนาการว่า ในของแข็งมีอนุภาคควอนตัมอีกหลายชนิด เช่น magnon, phonon, exciton, polaron ฯลฯ แต่ก็ยังไม่มีใครเห็น จนกระทั่ง Bertram Brockhouse นำเทคนิค neutron spectroscopy มาใช้ และทำได้สำเร็จ เพราะนิวตรอนมีสมบัติของคลื่น คือมีความยาวคลื่นที่มีความยาวพอๆ กับระยะห่างระหว่างอะตอมในของแข็ง เมื่อเป็นเช่นนี้อันตรกริยาระหว่างนิวตรอนกับอะตอมจึงมีมาก และ Brockhouse ได้ใช้นิวตรอนที่เกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูที่เมือง Oak Ridge รัฐ Tennessee เป็นอุปกรณ์ทดลอง เพราะที่นั่นมีความเข้มนิวตรอนสูงที่สุดในโลก 

Image # 4. 2 นักฟิสิกส์ผู้วิเคราะห์วัสดุด้วยนิวตรอน

Bertram Brockhouse (photo credit: nobelprize.org)

       Bertram Brockhouse เกิดเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม ค.ศ.1918 ที่เมือง Lethbridge ในแคนาดา บิดาเป็นชาวไร่ และ Brockhouse ได้ใช้ชีวิตในวัยเด็กที่ Vancouver ช่วงเวลาหลังจากที่สงครามโลกครั้งที่หนึ่งยุติ เป็นยุคที่เศรษฐกิจตกต่ำ มีผู้คนว่างงานมาก ครอบครัว Brockhouse จึงได้อพยพไป Chicago ขณะนั้น Brockhouse มีอายุ 17 ปี และกำลังสนใจอิเล็กทรอนิกส์มาก จึงเลือกเรียนวิชาออกแบบและซ่อมวิทยุในเวลาเย็น ทำให้ได้งานเป็นเจ้าหน้าที่ประจำห้องปฏิบัติการในบริษัทผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแห่งหนึ่งเป็นเวลา 3 ปี หลังจากนั้นครอบครัวก็ได้ตัดสินใจอพยพกลับ Vancouver

ในปี 1939 รัฐบาลแคนาดาได้ประกาศเข้าร่วมกับฝ่ายสัมพันธมิตรในสงครามโลกครั้งที่สอง Brockhouse ได้เข้ารับราชการทหารแห่งราชนาวี ในตำแหน่งทหารเรือที่เชี่ยวชาญการใช้ sonar ตรวจหาเรือดำน้ำ อีก 6 ปีต่อมาเมื่อสงครามโลกยุติเขาก็ถูกปลดประจำการ และได้ตัดสินใจเข้าเรียนปริญญาตรีฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย British Columbia ขณะนั้น Brockhouse อายุ 27 ปีแล้ว

เมื่อสำเร็จการศึกษา Brockhouse ได้งานที่สภาวิจัยแห่งชาติของแคนาดา คือที่ National Research Council ที่เมือง Ottawa แล้วได้ไปเรียนต่อฟิสิกส์ระดับปริญญาโทกับเอกที่มหาวิทยาลัย Toronto โดยทำวิทยานิพนธ์ เรื่อง อิทธิพลของความดันและอุณหภูมิต่อสมบัติแม่เหล็กของสารแม่เหล็กเฟร์โร (ferromagnet) Brockhouse จบปริญญาเอกเมื่ออายุ 32 ปี และได้งานที่ห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ที่ Chalk River ซึ่งสามารถผลิตกระแสนิวตรอนได้มากให้ Brockhouse ใช้ศึกษาการดูดกลืน และการกระเจิงของนิวตรอนได้ดี

Brockhouse ได้ออกแบบอุปกรณ์เพื่อศึกษาการเคลื่อนไหวของอะตอมต่างๆ ในผลึกของแข็ง ซึ่งการเคลื่อนไหวนี้ทำให้เกิดคลื่น ซึ่งมีสมบัติของอนุภาค คือมีทั้งพลังงาน และโมเมนตัม โดยนักฟิสิกส์ทฤษฎีเรียกอนุภาคนี้ว่า phonon แต่ยังไม่มีใครเคยเห็น phonon ตัว Brockhouse จึงได้ออกแบบสร้างอุปกรณ์สำสำหรับตรวจจับ phonon นี้ โดยจะวัดทั้งโมเมนตัม และพลังงานของมัน

เมื่อใช้หลักการว่า ถ้าโมเมนตัมของนิวตรอนก่อนชนอะตอมมีค่า Ρ และโมเมนตัมหลังชนมีค่า P’ โมเมนตัมที่เปลี่ยนไปของนิวตรอนจะมีค่า P’-P ซึ่ง Brockhouse ได้กำหนดให้มีค่าเท่ากับ Q และนี่ก็คือ โมเมนตัมของ phonon (ถ้าสารมี phonon จริง) อุปกรณ์ spectrometer ของ Brockhouse สามารถวัดโมเมนตัม Q ต่างๆ ของ phonon ได้ในสารหลายชนิดเช่น ตะกั่ว อลูมิเนียม ซิลิกอน และเจอมาเนียม นอกจากนี้ Brockhouse ก็ยังได้บุกเบิกการศึกษาสมบัติกายภาพของอนุภาค magnon ซึ่งเป็นอนุภาคของคลื่นแม่เหล็กในสารแม่เหล็ก และ exciton ในสนามผลึกด้วย

ผลงานที่สำคัญนี้มีส่วนช่วยให้ทฤษฎีตัวนำยวดยิ่งของ John Bardeen, Leon Cooper และ Robert Schrieffer ซึ่งได้เสนอทฤษฎี BCS ว่า สภาพนำยวดยิ่งเกิดจากการที่อิเล็กตรอนในสารจับคู่กันโดยการแลกเปลี่ยน phonon ดังนั้นเมื่อ Brockhouse ได้แสดงให้เห็นว่า phonon มีจริง ทฤษฎี BCS จึงเป็นที่ยอมรับ และมีผลทำให้ Bardeen, Cooper และ Schrieffer ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1972

ในปี 1962 Brockhouse ได้ย้ายจากห้องปฏิบัติการที่ Chalk River กลับไปทำงานเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย McMaster ในแคนาดา เพราะที่นั่นมีแหล่งผลิตนิวตรอนที่มีทั้งปริมาณและคุณภาพดี และได้ฝึกนักวิจัยด้าน neutron spectroscopy ที่สถาบัน Brockhouse Institute for Materials Research ด้วย

ทันทีที่ได้ข่าวว่าตนกับ Shull ได้พิชิตรางวัลโนเบลพร้อมกับ Brockhouse ซึ่งเป็นคนถ่อมตัวมาก ได้เอ่ยบอกนิสิตปริญญาตรีที่กำลังสอนว่า “ผมคิดว่า งานที่ผมทำนั้นก็ยังงั้นๆ แต่ตอนนี้ผมคิดว่า ผมคงต้องคิดใหม่แล้ว”

ในยามว่าง Brockhouse ชอบขี่มอเตอร์ไซค์ และร้องเพลงโอเปรา ครอบครัว Brockhouse มีลูก 6 คน และมีหลาน 10 คน เมื่อ Brockhouse ตายในวันที่ 13 ตุลาคม ค.ศ.2003 อายุของเขาเท่ากับ 85 ปี

ทุกวันนี้อนุภาค phonon, magnon, exciton ฯลฯ เป็นอนุภาคที่นักฟิสิกส์รู้จักดี แต่อาจจะไม่ดีมากเท่าอะตอมและโมเลกุล

อ่านเพิ่มเติมจาก Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter โดย S.W. Lovesey จัดพิมพ์โดย Oxford, Clarendon Press ปี 1984 

ที่มา  http://manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9580000087171