2,400 ปีในการค้นหาอะตอม - เทเรซา ดูด (Theresa Doud)

ชมบทเรียนเต็มได้ที่: http://ed.ted.com/lessons/the-2-400-year-search-for-the-atom-theresa-doud

เราจะรู้ได้อย่างไรว่าเรื่องสำคัญทำจากอะไร ? ปัญหาเรื่องอะตอมเป็นเรื่องหนึ่งที่ยาวนาน เริ่มต้นเมื่อ 2,400 ปีก่อน จากนักปรัชญาชาวกรีก และต่อมาโดยกลุ่มแควกเกอร์ และนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบิลจำนวนหนึ่ง เทเรซา ดูด (Theresa Doud) ให้รายละเอียดเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของทฤษฏีอะตอม

บทเรียนโดย Theresa Doud แอนิแมชั่นโดย TED-Ed

อะไรที่ทำให้นักปรัชญากรีกโบราณ

และกลุ่มเควกเคอร์ในศตวรรษที่ 19

ได้มีส่วนร่วมในรางวัลโนเบลสาขาวิทยาศาสตร์?

ทั้งที่พวกเขาอยู่ห่างกัน
ในช่วงเวลากว่า 2400 ปี

ซึ่งหนึ่งในพวกเขาเหล่านั้น
ต่างช่วยในการตอบคำถามอมตะที่ว่า

สิ่งต่างๆนั้นสร้างจากอะไร

มันเริ่มในช่วง 440 ปีก่อนคริสตกาล
ดิมอคริตัส ได้เสนอเป็นครั้งแรก

ว่าสิ่งต่างๆในโลกนั้น
สร้างมาจากอนุภาคเล็กๆ

ซึ่งล้อมรอบไปด้วยพื้นที่ว่างๆ

และเขาได้คาดเดาว่า
ความแตกต่างในขนาดและรูปร่าง

ขึ้นอยู่กับสสารที่มารวมตัวกัน

เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า อะโตโมส
(ภาษากรีกแปลว่าแบ่งแยกอีกไม่ได้)

ทว่าแนวคิดของเขาถูกคัดค้านโดยนักปรัชญา
ที่มีชื่อเสียงกว่าเขาในเวลานั้น

อริสโตเติล โต้แย้งอย่างเต็มที่

ด้วยข้อโต้แย้งที่ว่าสิ่งต่างๆ
ประกอบขึ้นด้วยธาตุทั้ง 4

ดิน ลม น้ำ และ ไฟ

ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา
ต่างก็เห็นด้วยเป็นส่วนใหญ่

เรื่องอะตอมจึงยังคงอยู่แต่ถูกลืมเลือนไป
จนกระทั่งในปี 1808

เมื่ออาจารย์ในกลุ่มเควกเคอร์ จอน ดอลตัน
พยายามพิสูจน์ทฤษฏีของอริสโตเติล

เทียบกับของ ดิมอคริตัส
ที่ยังคงเป็นแค่ทฤษฏีบริสุทธิ์

ดอลตันแสดงให้เห็นว่าสสารที่รวมตัวกัน
จะยังคงเป็นสสารเดิมเมื่อแยกมันออกจากกัน

ในสัดส่วนที่เท่ากัน

เขาจึงทดลองกับสสารผสม

ที่เกิดจากการรวมตัวของ
อะตอมต่างธาตุ

ที่มีความเฉพาะทั้งขนาดและมวล

แต่มันไม่ประสบความสำเร็จ

แม้ว่าเขาจะทุ่มเทให้กับมันมากก็ตาม

เฉกเช่นเควกเคอร์ ดอลตันใช้ชีวิตอย่างสงบ
จนกระทั่งวันสุดท้ายของชีวิต

ทฤษฏีอะตอมจึงเริ่มได้รับการยอมรับ
ในกลุ่มนักวิทยาศาสตร์

แต่การค้นพบครั้งสำคัญ

จะยังไม่เกิดขึ้น
จนกระทั้งเกือบศตวรรษต่อมา

นักฟิสิกส์นาม เจเจ ทอมสัน
ผู้ค้นพบอิเล็กตรอนในปี 1897

หรือเราจะเรียกอีกชื่อว่า
แบบจำลองคุกกี้ช็อคโกแลตชิพของอะตอม

เขาแจงว่าอะตอมนั้นคล้ายกับ
กลุ่มสสารทรงกลมประจุบวก

ซึ่งอัดแน่นไปด้วยอิเล็กตรอนประจุลบ

ทอมสันได้รับรางวัลโนเบล
ในปี 1906 เรื่องที่เขาค้นพบอิเล็กตรอน

แต่แบบจำลองอะตอมของเขา
ไม่ได้หยุดนิ่งอยู่กับที่

นั่นเพราะเขาได้มีลูกศิษย์
ที่แสนฉลาดปราดเปรื่อง

ซึ่งแน่นอนรวมถึง เออร์เนสต์ รูเทอร์ฟอร์ด

ผู้ซึ่งรู้จักกันในนาม
บิดาแห่งนิวเคลียร์ฟิสิกส์

ในขณะที่ศึกษาผลกระทบ
ของรังสี เอ็กซเร์บนกลุ่มแก๊ส

รูเทอร์ฟอร์ดตัดสินใจศึกษาอะตอมให้มากขึ้น

โดยยิงอนุภาคอัลฟาประจุบวก
ลงบนแผ่นฟอยล์ทองคำ

ภายใต้แบบจำลองของทอมสัน

อะตอมนั้นแบนและเต็มไปด้วยประจุบวก

ซึ่งนั่นไม่พอที่จะสะท้อนประจุออกมา

ผลของมันเหมือนกับกลุ่มลูกเทนนิส

ทะลุผ่านแผ่นกระดาษ

แต่ในขณะที่ประจุส่วนใหญ่ทะลุผ่าน

บางประจุนั้นสะท้อนกลับ

ราวกับแผ่นฟอยล์เต็มไปด้วย
ใยหนาทึบประสานกันเป็นตาข่าย

รูเทอร์ฟอร์ดสรุปว่าอะตอม
ประกอบด้วยพื้นที่ว่างขนาดใหญ่

พร้อมด้วยอิเล็กตรอนจำนวนน้อยนิด

ในขณะที่มวลส่วนใหญ่รวมตัวกัน
กระจุกอยู่ที่ศูนย์กลาง

ในมุมมองของเขาคือนิวเคลียส

ในขณะที่อนุภาคอัลฟาทะลุผ่านช่องว่าง

บางส่วนสะท้อนกลับมา
เนื่องจากนิวเคลียสมีประจุบวกอยู่หนาแน่น

แต่กระนั้นทฤษฏีอะตอมก็ยังไม่สมบูรณ์

ในปี 1913 ลูกศิษย์อีกคนของทอมสัน
ชื่อว่า นีล บอล์

ได้ต่อยอดแบบจำลองของรูเทอร์ฟอร์ด

สร้างความต่อเนื่องในผลงานแรกเริ่ม
ที่คิดโดย แม็ค พลังค์ และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

เขากำหนดว่าอิเล็กตรอนนั้นโครจรรอบนิวเคลียส

ด้วยพลังงานและระยะทางที่คงที่

สามารถเปลี่ยนระดับวงโครจร
แต่ไม่สามารถอยู่ในระหว่างพื้นที่ว่าง

แบบจำลองวงโครจรรอบๆจุดศูนย์กลางของบอล์

ไม่นานนักมันก็ได้เกิดความซับซ้อนยิ่งขึ้น

เมื่อผลการทดลองได้แสดงว่า
แทนที่มันจะเป็นอนุภาคเดี่ยวรูปแบบง่ายๆ

อิเล็กตรอนกลับมีพฤติกรรมคล้ายคลื่น

ไม่ได้เป็นเพียงอนุภาคเดี่ยวในพื้นที่ว่าง

และในการคำนวน
ของหลักความไม่แน่นอนที่มีชื่อเสียง

เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กเผยให้เห็นว่า
เป็นไปไม่ได้ที่จะระบุ

ทั้งความเร็วและตำแหน่งของอิเล็กตรอน

ในขณะที่มันโครจรไปรอบๆอะตอม

ทฤษฏีเรื่องอิเล็กตรอน
จึงไม่สามารถหาความแม่นยำ

แต่มันได้เข้าสู่ขอบเขตของความเป็นไปได้

นำไปสู่การยอมรับในเรื่อง
แบบจำลองควอนตัมของอะตอม

เป็นทฤษฏีชวนพิศวง
ที่อธิบายความซับซ้อนในรูปแบบใหม่

สิ่งที่ยังสงสัย
ก็ได้รับความเข้าใจอย่างถ่องแท้

แม้แต่ความเข้าใจเดิมของอะตอม
ก็ต้องเปลี่ยนไป

แต่พื้นฐานข้อเท็จจริงของอะตอมจะยังคงอยู่

งั้นมาเฉลิมฉลองให้กับความสำเร็จ
ของทฤษฏีอะตอมกัน

ด้วยพลุสีสันสวยงาม

เหมือนกับที่อิเล็กตรอนโครจร
และเปลี่ยนระดับพลังงานไปรอบๆอะตอม

มันดูดซับและปลดปล่อยพลังงาน
ในรูปแบบของคลื่นแสง

ผลลัพธ์มันเหมือนกับความอัศจรรย์
ของสีสันที่เรามองเห็น

และจินตนาการว่าดิมอคริตัส
คงมองดูมาจากที่ไหนซักแห่ง

พึงพอใจกับเวลากว่าสองพันปีที่ผ่านมา

ว่าสิ่งที่เขาคิดมันเป็นสิ่งที่ถูกมาตลอด