เอ็มพิโดคลีส (Empedocles) นักปราชญ์กรีกเมื่อ 2,450 ปีก่อน เคยแถลงว่า สรรพสิ่งในโลกประกอบด้วยธาตุ 4 ชนิด คือ ดิน น้ำ ลม และไฟ ในอัตราส่วนต่าง ๆ กันความเชื่อนี้เป็นที่ยอมรับมานับพันปี จนกระทั่งรอเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) ได้ให้คำจำกัดความของธาตุว่าคือสิ่งที่ไม่สามารถแบ่งแยกโดยกระบวนการทางเคมีให้เล็กลงไปได้อีก ดังนั้น ตามคำจำกัดความนี้ความคิดของเอ็มพิโดคลีสจึงผิด เพราะลมประกอบด้วยออกซิเจนกับไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ฯลฯ ส่วนน้ำประกอบด้วยออกซิเจนและไฮโดรเจน ดังนั้น ดิน น้ำ ลม ไฟ จึงไม่ใช่ธาตุ

          นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันเรียกสิ่งที่เล็กที่สุดของธาตุว่า อะตอม และรู้ว่าอะตอมของแต่ละธาตุมีรูปร่างและสมบัติทางกายภาพแตกต่างกัน อีกทั้งมีองค์ประกอบหลัก คือที่แกนกลางมีนิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอนและมีอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส ธาตุที่เบาที่สุดในธรรมชาติคือ ไฮโดรเจน เพราะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละอนุภาค ส่วนยูเรเนียมมีโปรตอน 92 อนุภาค นิวตรอน 146 อนุภาค และอิเล็กตรอน 92 อนุภาค

          ตามปกตินักวิทยาศาสตร์นิยมเรียกชื่อธาตุโดยใช้สัญลักษณ์ที่มีเลขกำกับ เช่น ไฮโดรเจนใช้สัญลักษณ์ ₁H โดย H แทนไฮโดรเจน และเลข 1 แสดงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ยูเรเนียมใช้สัญลักษณ์ ₉₂U ซึ่งแสดงว่า นิวเคลียสของยูเรเนียมมีโปรตอน 92 อนุภาค

ภาพ 1 เอ็มพิโตคลีส (Empedocles)
ที่มา https://en.wikipedia.org/wiki/Empedocles

          การศึกษาในเวลาต่อมาได้พบว่า เป็นเรื่องยากที่ธรรมชาติจะมีธาตุที่มีมวลมากกว่ายูเรเนียม เพราะเมื่อใดที่นิวเคลียสของธาตุมีโปรตอนมากกว่า 92 อนุภาค มันจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟา  อิเล็กตรอนหรือรังสีแกมมาออกมา เพราะเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียรแต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังมีความมุ่งมั่นจะสร้างธาตุที่หนักกว่ายูเรเนียมขึ้นมา เพื่อศึกษาธรรมชาติของธาตุใหม่ และหาวิธีประยุกต์ใช้ธาตุใหม่ที่หนักกว่ายูเรเนียมผลปรากฏว่าตลอดเวลา 70 ปีที่ผ่านมานี้ ได้พบธาตุ Neptunium (₉₃Np), Plutonium (₉₄Pu), Americium (₉₅Am), Curium (₉₆Cm), Berkelium (₉₇Bk), Californium (₉₈Cf), Einsteinium (99Es), Fermium (₁₀₀Fm), Mendelevium (₁₀₁Md), Nobelium (₁₀₂No), Lawrencium (₁₀₃Lr), Rutherfordium (₁₀₄Rf), Dubnium (₁₀₅Db), Seaborgium (₁₀₆Sg), Bohrium (₁₀₇Bh), Hassium (₁₀₈Hs), Meitnerium (₁₀₉Mf) และ Darmstadtium (₁₁₀Ds)

ที่มา http://jupac.org/jupac-announces-the-names-of-the-elements-113-115-117-and-118/

          ธาตุ Darmstadtium สัญลักษณ์ Ds เป็นธาตุที่ 110 มีโปรตอน 110 อนุภาคในนิวเคลียส ถูกสังเคราะห์ขึ้นในปี พ.ศ. 2537 ที่ห้องปฏิบัติการ Laboratory for Heavy Ion Research ที่เมืองดาร์มสตัดท์ (Darmstadt) ประเทศเยอรมนีชื่อธาตุได้รับชื่อตามเมืองที่สังเคราะห์ได้เป็นครั้งแรก

ปัจจุบันเทคโนโลยีการสังเคราะห์ธาตุใหม่เป็นงานวิจัยระดับซุปเปอร์ไฮเทค ด้วยเหตุนี้โลกจึงมีห้องปฏิบัติการสำหรับเรื่องนี้เพียงไม่กี่แห่ง ซึ่งได้แก่

          1. Institute for Heavy Ion Research ที่เมืองดาร์มสตัดท์ (Darmstadt) ในเยอรมนี หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า GSI

          2. Joint Institute for Nuclear Research ที่เมืองดับนา (Dubna) ในรัสเซีย

          3. Lawrence Berkeley National Laboratory ที่มหาวิทยาลัย California วิทยาเขต Berkeley ในสหรัฐอเมริกา

          4. RIKEN Accelerator Laboratory ใกล้กรุงโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น

          หลักการสร้างธาตุที่หนักกว่ายูเรเนียมนั้น ตามปกติ

          นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธียิงกระสุนซึ่งเป็นนิ้วเคลียสของธาตุเบาให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุหนักด้วยความเร็วที่พอเหมาะเพราะถ้าความเร็วกระสุนสูงเกินไป นิวเคลียสที่เป็นเป้าจะแตกกระจาย แต่ถ้าความเร็วกระสุนน้อยเกินไป นิวเคลียสที่เป็นเป้าและกระสุนจะมีแรงไฟฟ้าผลักกัน ทำให้ไม่สามารถหลอมรวมเป็นนิวเคลียสหนักได้ ทั้งนี้เพราะนิวเคลียสทั้งสองต่างก็มีโปรตอนที่มีประจุบวกเป็นจำนวนมาก และประจุที่เหมือนกันจะผลักกัน

          ในการสร้างธาตุใหม่ ปัญหาส่วนที่เกี่ยวกับการใช้พลังงานที่เหมาะสมในการยิงกระสุนนั้น มิได้เป็นเรื่องยากเพียงเรื่องเดียว เพราะได้พบว่าจากกระสุนที่ใช้ยิงจำนวนนับล้านล้านล้านอนุภาคนั้น มีกระสุนเพียงหนึ่งเดียวที่จะหลอมรวมกับนิวเคลียสที่เป็นเป้าได้สำเร็จ แต่นิวเคลียสของธาตุใหม่มักสลายตัวเร็วมากด้วย ดังนั้นเทคโนโลยีการตรวจจับนิวเคลียสใหม่ที่ได้ จึงต้องว่องไว ละเอียดและรอบคอบสุด ๆ ดังการสังเคราะห์ Rutherfordium 112 ในปี พ.ศ. 2534โดยคณะนักวิทยาศาสตร์ที่สถาบัน GSI ได้ใช้นิวเคลียสของสังกะสี (1) ซึ่งเป็นธาตุที่ 30 เป็นกระสุน 5 ส้านล้านล้านอนุภาค ยิงนิวเคลียสของตะกั่ว (Pb) ซึ่งเป็นธาตุที่ 82 กระสุนที่มีความเร็ว 112 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ได้พุ่งชนนิวเคลียสของตะกั่วที่เป็นเป้า ทำให้เกิดนิวเคลียสของธาตุ 112 จำนวน 2 อนุภาค ซึ่งมีชีวิตอยู่ "นาน" 0.0028 วินาที

          เมื่อนิวเคลียสของธาตุใหม่มีจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้น (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสมีชื่อเรียกว่า เลขอะตอม) เช่น Ds ซึ่งมีโปรตอน 110 อนุภาคในนิวเคลียส เลขอะตอมของ Ds จึงเท่ากับ 110) ธาตุจะมีชีวิตสั้นลง เช่น ธาตุที่ 108 Hs (Hassium) มีชีวิตนาน 1 วินาที และธาตุที่ 111 Rg (Rontgenium) ซึ่งหนักกว่า Hs มีชีวิตเพียง 0.0015 วินาทีเท่านั้นเอง

          แม้ธรรมชาติจะมีแนวโน้มว่าธาตุยิ่งหนัก ชีวิตจะยิ่งสั้น แต่ทฤษฎีนิวเคลียร์ฟิสิกส์ได้ทำนายอย่างมั่นใจว่าธาตุ X ซึ่งมีโปรตอน 114 อนุภาค และนิวตรอน 184 อนุภาคในนิวเคลียส เป็นธาตุที่เสถียรมาก คือ อยู่ได้นานถึง 1 ล้านปี ซึ่งนานพอจะนำไปใช้ในการทำระเบิดสังหารชนิดใหม่ หรือประดิษฐ์วัสดุใหม่ได้

          ในวารสาร Physical Review C ฉบับวันที่ 2กุมภาพันธ์ ปี พ.ศ. 2557 วายโอกาเนสเซียน (Y. Oganessian) และคณะแห่ง Joint Institute for Nuclear Research ที่เมืองดับนา (Dubna) ในรัสเซีย กับคณะนักวิทยาศาสตร์จากLawrence Berkeley National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาได้รายงานความสำเร็จในการสังเคราะห์ธาตุใหม่ 2 ธาตุ คือธาตุที่ 113 กับ 115 โดยใช้นิวเคลียสของแคลเซียม (₂₀Ca) ซึ่งมีโปรตอน 20 อนุภาค นิวตรอน 28 อนุภาค เป็นกระสุนและมีพลังงาน 248 Mev เพื่อยิงนิวเคลียสของธาตุ Americium (₉₅Am) ซึ่งมีโปรตอน 95 อนุภาค และนิวตรอน 148 อนุภาค ทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุที่ 115 (115 = 20+95) 4 อนุภาคและนิวเคลียสของธาตุใหม่นี้จะสลายตัวให้ธาตุ 113 ซึ่งเป็นธาตุใหม่ภายในเวลา 0.083 วินาที โดยการคายอนุภาคแอลฟาออกมา 220 อนุภาค นักวิทยาศาสตร์ควรใช้นิวเคลียสของธาตุชนิดใดเพราะปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังข้างล่างนี้ ต่างก็ให้ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็น Thorium เช่น

          ในปี พ.ศ. 2555 ฮินเด้ (D.J. Hinde) กับคณะได้รายงานในวารสาร Physical Review Letters ฉบับที่ 89 ว่าถ้าใช้นิวเคลียสเป้ากับนิวเคลียสกระสุนที่มีขนาดแตกต่างกันมาก เช่น ¹⁶O กับ ²⁰⁴Pb การหลอมรวมเป็นธาตุใหม่จะเกิดได้ง่ายกว่าการใช้ ⁸²Se กับ ¹³⁸Ba ที่มีขนาดพอๆ กัน เพราะถ้ากระสุนและเป้ามีขนาดแตกต่างกันมาก เป้าใหญ่จะกลืนกระสุนเล็กได้ดี แต่ถ้าคู่กรณีมีขนาดพอ ๆ กัน การถ่ายโอนมวลของนิวเคลียสให้กันและกัน มักทำให้ไม่ได้นิวเคลียสที่มีมวลมาก

          ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการสร้างธาตุใหม่ และธาตุใหม่ล่าสุดคือธาตุที่ 118 (Oganesson) มีผลทำให้ตารางธาตุ (Periodic table) ที่เมนเดเลเยฟ (D. Mendeleev) สร้างเมื่อปี พ.ศ. 2412 ต้องเปลี่ยนแปลง แต่โครงสร้างหลักของตารางก็ยังไม่เปลี่ยน และยังเป็นเสาหลักที่ใช้ในการศึกษาวิชาเคมีต่อไป แต่ในเวลาเดียวกัน ความสำเร็จในการสร้างธาตุใหม่ของนักวิทยาศาสตร์ที่ผ่านมา ทำให้เรารู้ว่าปัญหาเกี่ยวกับเรื่องนี้ยังมีอีกมาก เช่น เราไม่รู้ชัดว่ามนุษย์จะสร้างธาตุใหม่ได้อีกกี่ธาตุ ตารางธาตุมีขนาดจำกัดหรือไม่ และสมบัติของธาตุใหม่ในอนาคตจะล้มทฤษฎีควอนตัมที่เป็นสรณะของนักฟิสิกส์ในทุกวันนี้หรือไม่ เหล่านี้คือปริศนาที่ต้องการเวลาและความมุ่งมั่นในการตอบ

           บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Hofmann, S. (2002). On Beyond Uranium Science Spectra. V. Moses.