บทความพิเศษ

ธรรมชาติมหัศจรรย์

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์
วีดีโอการเรียนการสอน
หน้าแรกในอดีต

 

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

บทความพิเศษ

2. โพสิตรอนและปฏิยานุภาคอื่น ๆ

       ในทศวรรษ 1920 พอล ดีแรก (Paul Dirac) ได้พัฒนากลศาสตร์ควอนตัมสัมพัทธภาพของอิเล็กตรอนที่ประสบความสำเร็จในการอธิบายการเกิดสปินของอิเล็กตรอนและโมเมนต์แม่เหล็กของมัน อย่างไรก็ดีทฤษฎีของเขามีปัญหาใหญ่อยู่อย่างหนึ่ง คือ สมการคลื่นสัมพัทธภาพของมันต้องการคำตอบที่สอดคล้องกับสถานะพลังงานที่เป็นลบ และถ้าสถานะพลังงานลบมีอยู่จริงอิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะพลังงานบวกน่าจะทำให้เกิดทรานซิชันอย่างรวดเร็วไปสู่หนึ่งในสถานะเหล่านี้ และโฟตอนย่อมจะถูกส่งออกมาในกระบวนการเช่นนี้

     ดีแรกแก้ปัญหานี้ โดยตั้งสมมติฐานว่า สถานะพลังงานที่เป็นลบทั้งหมดถูกเติมเต็ม อิเล็กตรอนซึ่งครอบครองสถานะพลังงานที่เป็นลบเหล่านี้กล่าวว่าอยู่ในทะเลดีแรก (Dirac sea) และไม่อาจสังเกตได้โดยตรง เพราะหลักการกีดกันของพอลีไม่ยอมให้มันเกิดปฏิกิริยากับแรงภายนอกได้ อย่างไรก็ดี ถ้าสถานะพลังงานลบนี้ว่างลง 1 สถานะ จะเกิดโฮล (hole) หรือหลุมขึ้นในทะเลของสถานะที่เติมเต็ม โฮลจะเกิดปฏิกิริยากับแรงภายนอกได้เป็นผลให้มีความเป็นไปได้ที่จะสังเกตพบ วิธีที่โฮลเกิดปฏิกิริยากับแรงภายนอกคล้ายกับวิธีที่อิเล็กตรอนมีปฏิกิริยากับแรงเดียวกัน เว้นแต่ว่าโฮลนั้นมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก นั่นคือมันเป็นปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอนนั้น

     ข้อบ่งชี้ที่ลึกซึ้งของทฤษฎีนี้คือ ทุกอนุภาคจะมีปฏิยานุภาคของตัวเองเสมอ ปฏิยานุภาคของอนุภาคที่มีประจุจะมีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่นปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอน (ปัจจุบันเรียก โพสิตรอน (positron)) มีพลังงานมวลนิ่ง 0.511 MeV และมีประจุบวก

     คาร์ล แอนเดอร์สัน (Carl Anderson) (1905 – 1991) ค้นพบโพสิตรอนจากการทดลองในปี 1932 และปี 1936 เขาก็ได้รับรางวัลโนเบลจากความสำเร็จนี้ แอนเดอร์สันค้นพบโพสิตรอนขณะพิจารณาเส้นทาง (track) ที่เกิดในห้องเมฆของอนุภาคที่เหมือนอิเล็กตรอนแต่มีประจุบวก(ในสมัยแรก ๆ ของการทดลองใช้รังสีคอสมิก - โปรตอน พลังงานสูง ส่วนใหญ่ทะลุผ่านมาจากอวกาศระหว่างดวงดาว – เพื่อสร้างปฏิกิริยาพลังงานสูงในออร์เดอร์หลาย ๆ GeV) เพื่อจำแนกความแตกต่างระหว่างประจุบวกและประจุลบ แอนเดอร์สันวางห้องเมฆ (cloud chamber) ในสนามแม่เหล็กซึ่งเป็นเหตุให้ประจุเคลื่อนที่เป็นเส้นทางโค้ง เขาตั้งข้อสังเกตว่าเส้นทางอนุภาคอิเล็กตรอนเสมือน (โพสิตรอน) จะเบี่ยงเบนในทิศทางที่สอดคล้องกับอนุภาคประจุบวก

     หลังจากการค้นพบของแอนเดอร์สัน ได้มีการสังเกตพบโพสิตรอนในการทดลองอย่างต่อเนื่อง ที่เกิดร่วมกับโพสิตรอน คือ การเกิดอนุภาคคู่ (Pair production) ในกระบวนการนี้ โฟตอนรังสีแกมมาซึ่งมีพลังงานสูงพอจะเกิดอันตรกิริยากับนิวเคลียส ทำให้เกิดคู่อนุภาค อิเล็กตรอน - โพสิตรอนอันเป็นผลจากโฟตอนนั้น ปรากฏการณ์นี้จำเป็นต้องสอดคล้องกับหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม เพราะพลังงานมวลนิ่งของคู่อิเล็กตรอน - โพสิตรอน คือ MeV เมื่อ คือมวลนิ่งของอิเล็กตรอน โฟตอนนี้จึงต้องเป็นพลังงานค่าน้อยที่สุดที่จะสร้างคู่อิเล็กตรอน – โพสิตรอนขึ้นได้ ดังนั้น พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปรังสีแกมมาจึงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานมวลนิ่ง (rest energy) ซึ่งเป็นไปตามความสัมพันธ์ที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ ถ้าโฟตอนรังสีแกมมามีพลังงานเกินกว่าพลังงานมวลนิ่งของอิเล็กตรอน – โพสิตรอนพลังงานส่วนเกินนั้นจะถูกเปลี่ยนไปอยู่ในรูปพลังงานจลน์ของอนุภาคทั้งสอง รูปที่ 1 แสดงให้เห็นทางเดินของคู่อิเล็กตรอน – โพสิตรอน ที่เกิดจากรังสีแกมมาพลังงาน 300 MeV ที่ Fermilab ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม (Circular Particle Accelerator)

      การสร้างพลังงานมวลนิ่งนี้จากพลังงานในรูปอื่น ๆ เป็นกระบวนการทั่วไป และเกิดในสถานการณ์อื่น ๆ ได้นอกเหนือจากการเกิดอนุภาคคู่ดังกล่าว ในหัวข้อต่อไป เราจะชี้ให้เห็นว่ากระบวนการนี้จะช่วยให้เข้าใจการแลกเปลี่ยนอนุภาคสนามระหว่างอนุภาคที่กำลังเกิดอันตรกิริยาต่อกันได้อย่างไร

      กระบวนการผันกลับอาจเกิดขึ้นได้เช่นกัน ภายใต้เงื่อนไขปกติ อิเล็กตรอน 1 ตัว และโพสิตรอน 1 ตัวสามารถทำลายกันกลายเป็นโฟตอนรังสีแกมมา 2 ตัวที่มีพลังงานรวมกันอย่างน้อยที่สุด

1.02 MeV

 

รูปที่ 1 ภาพที่โด่งดังแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของโพสิตรอน จะเห็นว่าอนุภาคพุ่งเข้ามาในห้องเมฆในภาพที่ตำแหน่ง 7 นาฬิกา แล้วโค้งขึ้นข้างบนไปด้านซ้าย (Courtesy of  Archives, California Institute of Technology)

      เพราะโมเมนตัมเริ่มต้นของระบบอิเล็กตรอน – โพสิตรอนมีค่าโดยประมาณเป็นศูนย์ รังสีแกมมาทั้งสองจึงเคลื่อนที่ในทิศตรงกันข้ามในกระบวนการนี้ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ถ้าพลังงานทั้งหมดของระบบนี้ถูกเปลี่ยนเป็นโฟตอน 1 ตัว โมเมนตัมของระบบนี้น่าจะมีค่าสูง โมเมนตัมน่าจะไม่อนุรักษ์ โฟตอน 2 ตัว สามารถเคลื่อนที่ไปในทิศตรงกันข้ามได้ ซึ่งเป็นผลให้โมเมนตัมของระบบอิเล็กตรอน – โพสิตรอนมีค่าน้อยและเท่ากับของระบบก่อนการทำลายกัน โปรตอนและแอนติโปรตอนก็ทำลายกันกลายเป็นโฟตอนรังสีแกมมาสองตัวได้เช่นกัน แต่พบน้อยมาก – ยากมาก

      ในทางปฏิบัติทุกอนุภาคมูลฐานที่รู้จักกันจะมีปฏิยานุภาค 1 ตัวของมันอยู่เสมอ ยกเว้นโฟตอนและไพออนที่มีประจุศูนย์เท่านั้น จากการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงหลายเครื่องในทศวรรษ 1950 ทำให้เราค้นพบปฏิยานุภาคอื่น ๆ อีกหลายตัว รวมทั้งแอนติโปรตอน ซึ่งค้นพบโดยอีมิลลิโอ เซเกร (Emilio Segre’) (1905 – 1989) และโอเวน แชมเบอร์เลน (Owen Chamberlain) (เกิด 1920) ในปี 1955 และแอนตินิวเตรอนซึ่งค้นพบต่อมาภายหลังไม่นาน

      การทำลายกันไปของอิเล็กตรอน – โพสิตรอน มีการนำมาใช้ในเทคนิควินิจฉัยทางการแพทย์เรียก positron emission thermography (PET) เทคนิคนี้ คนไข้จะถูกฉีดกลูโคส ซึ่งมีสารกัมมันตรังสีที่สลายตัวให้โพสิตรอนและสารนี้จะมีเลือดเป็นพาหะส่งไปทั่วร่างกายคนไข้ โพสิตรอนที่ถูกส่งออกมาตลอดเวลาระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตรังสีในสารละลายกลูโคสจะทำลายกับอิเล็กตรอนที่อยู่ในเนื้อเยื่อโดยรอบ เป็นผลให้เกิดโฟตอนรังสีแกมมา 2 ตัว ถูกส่งออกมาในทิศทางตรงกันข้าม เครื่องตรวจวัดรังสีแกมมาที่อยู่รอบตัวคนไข้จะบ่งชี้แหล่งกำเนิด (ตำแหน่ง) ของโฟตอน และโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยจะสามารถแสดงตำแหน่งสะสมกลูโคสได้ (กลูโคสจะเกิดเมตาบอลิซึมอย่างรวดเร็วในเนื้อร้ายมะเร็ง และจะสะสมในตำแหน่งนี้ ทำให้ระบบเครื่องตรวจวัด PET จับสัญญาณได้ชัดเจน) ภาพจากการสแกนด้วยเทคนิค PET สามารถชี้ชัดความผิดปกติของสมองได้หลากหลาย ตลอดจนช่วยวินิจฉัยโรคอัลไซเมอร์ (Alzheimer) ได้ด้วย (รูปที่ 3) ยิ่งไปกว่านั้น เพราะกลูโคสเกิดเมตาบอลิซึมเร็วกว่ามากในบริเวณที่ไว (active) ของสมอง การสแกนด้วย PET จึงชี้ชัดได้ว่าบริเวณใดของสมองสัมพันธ์เกี่ยวข้องกับกิจกรรมที่คนไข้นั้นกระทำหรือผูกพันอยู่ในขณะที่สแกน เช่น ภาษาที่ใช้ ดนตรี และการมองเห็น

(ก) (ข)

รูปที่ 2 (ก) เส้นทางการเคลื่อนที่ของคู่อิเล็กตรอน – โพสิตรอนในห้องฟอง (bubble chamber) จากรังสีแกมมา 300 MeV

(Courtesy Lawrence Berkeley Laboratory, University of California)

(ข) เหตุการณ์การเกิดอนุภาคคู่ที่เกี่ยวข้อง โพสิตรอนจะถูกเบี่ยงเบนขึ้นข้างบน และอิเล็กตรอนจะเบนลงด้านล่าง เพราะทิศของสนามแม่เหล็กพุ่งเข้าตั้งฉากกับกระดาษนี้

รูปที่ 3 การสแกนโดยเทคนิค PET กับสมองของคนสูงอายุสุขภาพดี กับคนไข้อัลไซเมอร์ บริเวณสีจางกว่าจะมีกลูโคสกัมมันตรังสีเข้มข้นกว่า ชี้ให้เห็นว่ามีอัตราการเกิดเมตาบอลิซึมสูงกว่า และดังนั้นจึงเพิ่มกัมมันต์ (activity ของสมอง) (Dr. Monty deLeon/New York University Medical Center and National Institute on Aging)

 

<< หน้าก่อน      หน้าถัดไป >>


หน้าที่ 
  1. บทนำ
  2. แรงพื้นฐานในธรรมชาติ
  3. โพสิตรอนและปฏิยานุภาคอื่น ๆ
  4. เมซอนและกำเนิดของวิชาฟิสิกส์อนุภาค
  5. การจำแนกอนุภาค
  6. กฎการอนุรักษ์
  7. อนุภาคประหลาดและความประหลาด (Strange Particles and Strangeness)
  8. การผลิต และวัดสมบัติของอนุภาค
 

ของ รศ. ดนัย วิโรจน์อุไรเรือง แปลและเรียบเรียง

จาก Physics For Scientists and Engineers ของ Serway . Beichner

 

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

1. การวัด    2. เวกเตอร์   

3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ  

4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ  5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน  

6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน 

 7.  งานและพลังงาน  

 8.  การดลและโมเมนตัม    9.  การหมุน  

10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง  11. การเคลื่อนที่แบบคาบ  

 12. ความยืดหยุ่น   13. กลศาสตร์ของไหล  

14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน  

15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก 

16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร   17.  คลื่น 

18.การสั่น และคลื่นเสียง 19.หน้ากากการเรียน


 การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า  

3. ความกว้างของสายฟ้า  4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า 

7. สนามแม่เหล็ก  

8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์ 

11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ   14. นิวเคลียร์ 

15. หน้ากากการเรียน

 


 การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. จลศาสตร์ ( kinematic)  2. จลพลศาสตร์ (kinetics)   

3. งานและโมเมนตัม    4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง  

5.  ของไหลกับความร้อน     6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า   

7. แม่เหล็กไฟฟ้า    8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง    

9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพกับนิวเคลียร์  10. หน้ากากการเรียน

ข้อสอบเอนทรานซ์  
พจนานุกรมฟิสิกส์

ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2

แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c

ฟิสิกส์พิศวง
• รู้จักชีวิตของกาลิเลโอ
• อพอลโล 13  ฝ่าวิกฤติอวกาศ
•

การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

• ฮาร์ดดิสก์ทำงานอย่างไร
• การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์

ความรู้รอบตัว

  ภาพประจำสัปดาห์
 
• ความรู้รอบตัวทั่วไป
• ดาราศาสตร์พิศวง 
• อัลเบิร์ต ไอส์ไตน์ กับกฏการสมมูลของมวล
• ว่าวของแฟลงกลิน
• ระเบิดนิวเคลียร์ทำงานอย่างไร
แบบฝึกหัดโลหะวิทยา
• ปรากฎการณ์เรโซแนนท์

หน้าแรกในอดีต