มักซ์ ฟอน เลาเอ...ต ลาคม - ธ นวาคม 2557 74 m t e c...
TRANSCRIPT
reat Pioneer & LuminaryGGดร.บญชา ธนบญสมบต
ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต[email protected]
www.facebook.com/buncha2509
มกซ ฟอน เลาเอผบกเบกการศกษาโครงสรางผลกโดยใชรงสเอกซ
มกซ ฟอน เลาเอผบกเบกการศกษาโครงสรางผลกโดยใชรงสเอกซ
มกซ เทโอดอร เฟลกซ ฟอน เลาเอ
ป ค.ศ. 2014 นนบเปนปสำคญทางดาน
วทยาศาสตร (รวมทงวสดศาสตรดวย) เพราะเปน
“ปสากลแหงผลกวทยา” หรอ International Year
of Crystallography 2014 (IYCr2014) เหตผลท
นกวทยาศาสตรเลอกปนในการจดการงานกคอ เมอ
100 ปกอน (ค.ศ. 1914) นกฟสกสระดบโลก คอ
มกซเทโอดอรเฟลกซฟอนเลาเอ(MaxTheodore
Felix von Laue) ไดรบรางวลโนเบลสาขาฟสกส
ดวยเหตผลทวา“สำหรบการคนพบการเลยวเบนของ
รงสเรนตเกนโดยผลก (forhisdiscoveryof the
diffractionofRontgenraysbycrystals)”
page 75_73-78.indd 73 10/9/14 4:34:29 PM
ตลาคม - ธนวาคม 2557M T E C74
คำวา รงสเรนตเกน กคอ รงสเอกซ
หรอเอกซเรย (X-ray) ซงทางการแพทยใชถาย
ภาพโครงกระดกภายในรางกายของเรานนเอง
อยางไรกดวทยาศาสตรสาขาอนได ใชงานรงสเอกซ
ในอกหลายแงมม เชน ใชวเคราะหวสดชนหนงๆ
วามธาตอะไรผสมอยบาง และอะตอมของธาตตางๆ
จดเรยงตวกนอยางไร เปนตน รงสเอกซคนพบโดย
วลเฮลม คอนราด เรนตเกน (Wilhelm Conrad
Rontgen) นกฟสกสเยอรมน และการคนพบนทำ
ใหเรนตเกนไดรบรางวลโนเบลสาขาฟสกส ในป
1901(ตอไปนจะใชปค.ศ.ตลอดบทความ)
ตำราวชาการบางเลมเลาแนวคดทนำไปส
การคนพบของเลาเอไวแบบสนๆ งายๆ ในทำนอง
วาเนองจากผลกประกอบดวยอะตอมทจดเรยง
ตวอยางเปนระเบยบใน3มตและเนองจากรงสเอกซ
มความยาวคลนใกลเคยง (หรอนอยกวา) ระยะหาง
ระหวางอะตอมในผลก ดงนน หากเรายงรงสเอกซ
เขาไปในผลก โครงสรางของผลกจะทำใหรงสเอกซ
เลยวเบนไปในทศทางตางๆ และเมอนำฉากมารบ
กจะเกดจดบนฉากดงกลาวเรยกวาจดเลาเอ(Laue
spot)
แตความทรงจำของผคนในเหตการณหนงๆ
มกจะมรายละเอยดทไมตรงไปตรงมานก เพราะ
นกวทยาศาสตรกเหมอนคนทวไป เพยงแตมความร
ความชำนาญมากเปนพเศษในวชาการบางเรองเทา
นน
ในปาฐกถาโนเบลโดยเลาเอ เมอวนท 12
พฤศจกายน 1915 เรอง “วาดวยการตรวจจบการ
แทรกสอดของรงสเอกซ” เขาเลาวาเยนวนหนงใน
เดอนกมภาพนธ1912เอวาลด(PaulPeterEwald)
ไดมาขอคำแนะนำทางวชาการงานวจยของเอวาลด
เปนการศกษาเชงคณตศาสตรเกยวกบพฤตกรรม
การเลยวเบน (Diffraction)
การเลยวเบน (diffraction) ซงหมายถง พฤตกรรมของคลนซงเกดขนเมอคลนตกกระทบวตถ (ภาพซาย)
หรอเคลอนผานชองเปด (ภาพขวา) โดยทความยาวคลนใกลเคยง (หรอนอยกวา) ขนาดของวตถหรอชองเปดนน ทงนคลน
จะมทศทางการเคลอนทตางไปจากเดม
ตวอยางทคนเคยกนดกคอ สมมตวาเราเดนเขาไปใกลหอง ซงภายในหองมคนคยกนเสยงดงพอสมควร เรากอาจจะ
ไดยนเสยงคนคยกนนน แมวาเราจะไมไดอยตรงตำแหนงประตพอด กลาวคอ คลนเสยงได “เลยวเบน” ออกมาทาง
ประตมาเขาหเรานนเอง
page 75_73-78.indd 74 10/9/14 4:34:29 PM
ตลาคม - ธนวาคม 2557M T E C 75
ของคลนแมเหลกไฟฟาในโครงสรางผลก แตทวา
คลนแมเหลกไฟฟาทเอวาลดศกษาอยในชวงทตา
มองเหนดงนนจงมความยาวคลนมากกวาระยะหาง
ระหวาง“ตวสน”หรออะตอมในผลกมาก
การทดลองใชผล กคอปเปอรซ ล เฟต
(copper sulphate) หรอทภาษาไทยเรยกวา จนส
เปนสารประกอบทเกดจากทองแดง กำมะถนและ
ออกซเจน
เลาเอเลาวาตอนนนเขาใหคำแนะนำอะไร
ไมไดแตในขณะเดยวกนเขากลบคดถงคำถามทเหน
ไดชดเจน นนคอ จะเกดอะไรขนหากวาคลนทผาน
เขาไปในผลกมความยาวคลนสนกวาคาคงทแลตทซ
(latticeconstant)ในผลก
เลาเอเลาตอไปวาอยางไรกด“ทานอาจารย
ในศาสตรแขนงนซงผคนยอมรบนบถอ” ยงมขอกงขา
บางประการอย “ทานอาจารย” ทเลาเอพดถงนคอ
อารโนลด ซอมเมอรเฟลด (Arnold Sommerfeld)
ซงขณะนนเปนผอำนวยการของสถาบนเพอฟสกส
เชงทฤษฎ (Institute of Theoretical Physics)
ทเลาเอทำงานอย ผลกคอในตอนแรก ซอมเมอร
เฟลดยงไมยอมใหเลาเอใชงานเครองมอทดลอง
แตเลาเอกไดเจรจาตอรองจนในทสดซอมเมอรเฟลด
ยอมใหผชวยชอ วลเทอร ฟรดรช (Walter
Friedrich) มาชวยทำการทดลอง และไดนกศกษา
ปรญญาเอกของเรนตเกน ชอ เพาล คนพพง
(PaulKnipping)มารวมทมดวย
เอวาลด
อารโนลด ซอมเมอรเฟลด
วลเทอร ฟรดรช หนงในผรวมงานของเลาเอ (ภาพถายในเดอนกนยายน 1962)
page 75_73-78.indd 75 10/9/14 4:34:29 PM
ตลาคม - ธนวาคม 2557M T E C76
ประเดนเรองผลกท ใช ในการทดลองนม
แงมมทนาสนใจ เพราะเลาเอกบคนทลงมอทำการ
ทดลอง ไดแก ฟรดรชและคนพพง เลาถงเหตผล
ในการเลอกผลกนไวตางกน (อยางมนยสำคญใน
ทางวทยาศาสตร)พอสมควร
ในปาฐกถาโนเบล เลาเอบอกวาการทเลอก
คอปเปอรซลเฟต เนองจากสามารถหาผลกชนใหญ
ทมรปรางปกตไดงาย สวนในหนงสอชอ 50 Years
ofX-rayDiffractionบรรณาธการโดยP.P.Ewald
บทท4(หนา43)บอกงายๆเพยงวา“สวนผลกนน
กใชชนคอปเปอรซลเฟตเพราะวามอยในหองแลบ
(For crystal, a piece of copper sulfate was
usedasitwasfoundinthelaboratory.)”
แตในบทความชอ Max von Laue and
the discovery of X-ray diffraction in 1912
เขยนโดย Michael Eckert ไดอางถงบทความ
ซงเขยนโดยฟรดรชและคนพพง ในป 1912 ซงม
ขอความตอนหนงวา “เพราะวาตอนแรกเราเชอวา
เราจะตองเกยวของกบการแผรงสแบบฟลออเรสเซนส
ดงนนจงตองเลอกผลกซงมโลหะทมนำหนกอะตอม
สงพอสมควรเปนสวนประกอบอยดวย”นคอเหตผล
เบองหลงทพวกเขาเลอกคอปเปอรซลเฟตในกรณน
โลหะดงกลาว ไดแก ทองแดง (คอปเปอร) ซงม
นำหนกอะตอม63.546amu(หนกกวาเหลกซงมนำ
หนกอะตอม55.845amu)
บทความของMichaelEckertไดชใหเหนวา
คำอธบายของฟรดรชและคนพพงนบงเปนนยวา
การทดลองนไมไดมองวาผลกทำหนาทเปนโครงสราง
3มตทจะทำใหลำรงสเอกซปฐมภม(primarybeam
คอรงเอกซทตกกระทบผลก) เกดการเลยวเบนแต
มองวา (อะตอมใน) ผลกเปนตวปลดปลอยรงส
เอกซทเรยกวา รงสเอกซลกษณะเฉพาะ (charac-
teristicX-ray)ออกมา
ดวยเหตนจงดเหมอนวาเลาเอคงจะคาดวา
รงสเอกซลกษณะเฉพาะทออกมาจากตำแหนงทอย
กนอยางเปนระเบยบในผลกจะเกดการแทรกสอดกน
ซงหากเลาเอคด(อยางไมถกตอง)เชนนนจรงกจะทำ
ใหเราเขาใจไดวาเหตใดซอมเมอรเฟลดจงไมเหนดวย
กบคำรองขอใชเครองมอในตอนตน ทงน เนองจาก
รงสเอกซลกษณะเฉพาะทออกมาจากตำแหนง
ตางๆ ในผลกนนไมมความสมพนธเชงเฟสกนแต
อยางใดดงนนจงไมนาจะเกดการแทรกสอดขนมาได
ปรศนาวาดวยเหตผลทแทจรงในการเลอก
ผลกคอปเปอรซลเฟตน ขอฝากไวใหคณผอานทสนใจ
ไปคนควาตอเอง (หากสนใจ) คราวนมาดผล
การทดลองกนครบ
ในการทดลองครงแรก ฟรดรชกบคนพพง
จดวางแผนโฟโตกราฟก(photographicplate)ไว
ระหวางหลอดกำเนดรงสเอกซกบผลก เนองจากม
สมมตฐานวาผลกจะทำตวคลายกบเกรตตงแบบ
สะทอน (reflexion grating) แตการทดลอง
ครงแรกนไรผล
ฟรดรชกบคนพพงจงคดใหม-ทำใหม คราว
นจดวางแผนรบภาพไวดานหลงผลกโดยมองวาผลก
ทำตวคลายกบเกรตตงแบบสงผาน (transmission
grating)
อปกรณทใชในการทดลองทนำไปสการคนพบการเลยวเบน รงสเอกซโดยผลก ปจจบนจดแสดงอยท Deutsches Museum ในเมองมวนก
page 75_73-78.indd 76 10/9/14 4:34:30 PM
ตลาคม - ธนวาคม 2557M T E C 77
คราวน...สำเรจ!ตรงกลางแผนโฟโตกราฟก
มบรเวณสเขมขนาดใหญซงเกดจากรงสเอกซทยง
มาตรงๆ บรเวณนรายลอมดวยจดทดพราจางซง
เรยงตวเปนแนววงแหวนแตละจดมรปรางคลายวงร
ซงมแนวแกนสนชไปยงบรเวณสเขมตรงกลางแผน
ทฤษฎนในเชงปรมาณโดยใชภาพถายทเหมาะสม
กวา และพบวาทฤษฎไดรบการยนยน นนเปนวนท
ผมรสกมนใจ”
เรนตเกนเปนคนแรกๆ ทแวะมาดอปกรณท
ใชและผลการทดลอง เขารสกประทบใจในภาพถาย
ทไดอยางมาก แตกยงไมไดยอมรบการตความวาภาพ
ทเหนเกดจากการเลยวเบน
การทดลองทโลกวทยาศาสตรตองจารกไว
นเกดขนเมอวนท 21 เมษายน1912และเลาเอได
รายงานผลการคนพบการเลยวเบนรงสเอกซโดย
ผลกตอเพอนนกวทยาศาสตรเมอวนท25พฤษภาคม
1912
หลงจากนนไมนานไอนสไตนซงเปนอาจารย
ดานฟสกสทฤษฎอยท German University of
Prague ในกรงปราก กไดสงโปสการดไปหาเลาเอ
เพอแสดงความยนดโปสการดนลงวนท10มถนายน
1912และเขยนไววา
“คณเลาเอทนบถอ!ผมขอแสดงความคารวะ
อยางจรงใจตอคณสำหรบความสำเรจอนนาทง
การทดลองของคณนบเปนหนงในการทดลอง
ท า ง ฟ ส ก ส ท ย ง ใ หญ ท ส ด เ ท า ท เ ค ย ม ม า ”
อลเบรตไอนสไตน
กวาหนงศตวรรษผานไปนบแตทเลาเอและ
เพอนรวมงานคนพบวารงสเอกซสามารถเลยวเบน
ไดโดยผลกเทคนคนกไดพฒนาไปอยางมากจนกระทง
กลายไปเปนเครองมอพนฐานทใชกนทกวนทวโลก
ในการศกษาทางฟสกส เคม วสดศาสตรและ
ธรณวทยาเปนตน
ทฤษฎการเลยวเบนรงสเอกซ (X-ray dif-
fraction) ยงไดรบการตอยอดไปใช ในการศกษา
การเลยวเบนของอเลกตรอน(electrondiffraction)
และการเลยวเบนนวตรอน (neutron diffraction)
ซงชวยใหคนเราเขาใจธรรมชาตลกซงยงขนไปอก
นอกจากนความรทางผลกวทยายงมสวน
ชวยใหเราสามารถออกแบบและสรางผลกใหมๆ
ทไมมในธรรมชาต โดยเฉพาะอยางยงผลกของสาร
กงตวนำในอปกรณอเลกทรอนกสตางๆอกดวย
ภาพการเลยวเบนรงสเอกซภาพแรกของโลก
แมภาพแรกจากการทดลองนจะดไมนา
สนใจอะไรสำหรบคนทวไป แตสำหรบนกฟสกสแลว
นคอภาพทแสดงวาการเลยวเบนของรงสเอกซโดย
ผลกเกดขนจรง เลาเอรบทราบผลสำเรจนขณะอยท
Cafe Lutzและรบกลบไปยงสถาบนเพอใหมนใจวา
สงทคดไวถกตอง เขาเลาไว ในอตชวประวตวาได
ครนคดถงทฤษฎทใชอธบายการเลยวเบนทเกดขน
ขณะทกำลงเดนทางกลบบานและบนทกไววา
“ผมไดเขยนสมการแบบนสามสมการเพอใช ในการ
ตความการคนพบครงใหม แตละสมการสอดคลอง
กบสภาพความเปนคาบซำๆ ของโครงสรางแลตทซ
ในสามมต ในกรณเฉพาะของรงสทปรากฏเปน
(จดเรยงกนเปน) รปวงแหวนกเกยวของกบรงสท
กวาดเปนรปกรวย โดยทรปกรวยแตละรปถกกำหนด
โดยเง อนไขแตละขอในเง อนไขท งสามขอท
จ ะทำ ให เ ก ดการแทรกสอดแบบเสร มสร า ง
อก 2-3 สปดาหตอมา ตอนทผมสามารถทดสอบ
page 75_73-78.indd 77 10/9/14 4:34:30 PM
ตลาคม - ธนวาคม 2557M T E C78
ขมทรพยทางปญญา
- เวบอยางเปนทางการของ IYCr2014 ท http://www.iycr2014.org/
- บทความ Max von Laue and the discovery of X-ray diffraction in 1912 เขยนโดย Michael Eckert ท http://
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201200724/pdf
- ปาฐกถาโนเบลของเลาเอ ท http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1914/laue-lecture.pdf
ผคนในปจจบนทไดรบประโยชนจากความ
ก าวหน าทางวทยาการท กล าวมานคงจะตอง
ขอบคณผทเกยวของกบการคนพบครงนนไมวาจะเปน
วลเทอรฟรดรชและเพาลคนพพงผทำการทดลอง
และทสำคญคอ มกซ ฟอน เลาเอ ผเสนอแนวคด
และพฒนาทฤษฎท ใชอธบายการทดลองคร ง
ประวตศาสตรนนนนเอง
page 75_73-78.indd 78 10/9/14 4:34:30 PM