บทความพิเศษ

ธรรมชาติมหัศจรรย์

ฟิสิกส์พิศวง

สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

ทดสอบออนไลน์
วีดีโอการเรียนการสอน
หน้าแรกในอดีต

 

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

บทความพิเศษ

3. เมซอนและกำเนิดของวิชาฟิสิกส์อนุภาค

       นักฟิสิกส์กลางทศวรรษ 1930 มีทัศนะค่อนข้างง่ายในเรื่องโครงสร้างของสสาร องค์ประกอบทั้งหมดของสสารจะมีเพียง โปรตอน อิเล็กตรอนและนิวตรอน อีก 3 อนุภาคยังไม่มีใครค้นพบ รู้จัก หรือแม้แต่ตั้งสมมติฐาน คือ โฟตอน นิวตริโน และโพสิตรอน ต่อมาเชื่อกันว่าอนุภาคทั้ง 6 เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร อย่างไรก็ดีด้วยภาพของโลกแห่งสสารที่ง่าย ๆ และวิเศษนี้ไม่มีใครตอบคำถามที่สำคัญต่อไปนี้ได้ คือ โปรตอนในนิวเคลียสใด ๆ จะต้องผลักกันและกันอย่างรุนแรง เพราะมีประจุบวกเหมือนกัน เหตุใดมันจึงรวมอยู่ในนิวเคลียสได้ อะไรคือธรรมชาติของแรงที่ยึดนิวเคลียสไว้ ? นักฟิสิกส์ตระหนักดีว่า แรงลึกลับนี้จะต้องมีความเข้มสูงกว่าแรงทุกชนิดที่เรารู้จักกันในตอนนั้น แรงนี้คือแรงนิวเคลียร์ ซึ่งจะได้กล่าวถึงในเชิงประวัติต่อไปนี้1

      ทฤษฎีแรกที่อธิบายธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์นำเสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นชื่อ ฮิเดกิ ยูกาวา (Hideki Yukawa) ผลงานชิ้นนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล ในการทำความเข้าใจทฤษฎีของยูกาวาให้นักศึกษาย้อนคิดถึงบทนำที่กล่าวถึงอนุภาคสนามในตอนต้น ซึ่งกล่าวว่า แรงพื้นฐานแต่ละชนิดมีสื่อกลางหรือพาหะเป็นอนุภาคสนามที่เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างอนุภาคที่เกิดอันตรกิริยาต่อกัน ยูกาวาใช้

------------------------------------

1แรงนิวเคลียร์ตอนแรกเรียกแรงแข็ง (strong force) แต่เมื่อค้นพบทฤษฎีควาร์ก นักฟิสิกส์ใช้แรงแข็งกับแรงระหว่างควาร์ก แรงแข็งจึงเป็นแรงระหว่างควาร์ก ส่วนแรงนิวเคลียร์เป็นแรงระหว่างนิวคลีออน และแรงนิวเคลียร์เป็นผลทุติยภูมิของแรงแข็ง

      แนวคิดนี้อธิบายแรงนิวเคลียร์ เขาเสนอว่าจะต้องมีอนุภาคใหม่ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสนั้น เป็นเหตุให้เกิดแรงนิวเคลียร์นี้ขึ้นมา เขาอนุมานเชิงตรรกว่า พิสัยของแรงนี้เป็นปฏิภาคผกผันกับมวลของอนุภาคนี้ ซึ่งทำให้เขาสามารถพยากรณ์ได้ว่ามวลของมันมีค่าประมาณ 200 เท่าของอิเล็กตรอน (อนุภาคที่ยูกาวาพยากรณ์นี้ไม่ใช่ กลูออนที่กล่าวถึงในตอนต้น เพราะกลูออนไม่มีมวล และปัจจุบันถือว่าเป็นอนุภาคสนามของแรงนิวเคลียร์) เพราะอนุภาคใหม่นี้น่าจะมีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน ชื่อของมันจึงเป็นเมซอน (meson) (มาจากภาษากรีกว่า meso แปลว่า “กลาง”)

      เพื่อให้ผลการพยากรณ์ของยูกาวาได้รับการยอมรับ นักฟิสิกส์ได้เริ่มทดลองค้นหาเมซอนโดยศึกษารังสีคอสมิกที่พุ่งเข้ามาในบรรยากาศโลก ในปี 1937 คาร์ล แอนเดอร์สัน (Carl Anderson) และทีมงานได้ค้นพบอนุภาคมวล 106 MeV/c2 หรือประมาณ 207 เท่าของมวลอิเล็กตรอน ซึ่งเชื่อกันว่าคือเมซอนของยูกาวา อย่างไรก็ดีการทดลองต่อ ๆ มาชี้ให้เห็นว่าอนุภาคนี้เกิดอันตรกิริยาอ่อนมากกับสสาร ดังนั้นจึงไม่อาจเป็นอนุภาคสนามของแรงนิวเคลียร์ได้ สภาวะที่ชวนให้งวยงง สับสนนี้เป็นแรงบันดาลใจให้นักทฤษฎีหลายคนพยายามเสนอว่าเมซอน มี 2 ชนิด มีมวลต่างกันเล็กน้อย แต่ก็เท่ากับประมาณ 200 เท่า ของอิเล็กตรอน ชนิดหนึ่งนั้นค้นพบแล้วโดยแอนเดอร์สันและคนอื่น ๆ ส่วนที่ยูกาวาพยากรณ์ไว้นั้น เป็นอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่มีใครค้นพบ แนวคิดนี้ได้รับการยืนยันว่าถูกต้องในปี 1947 จากการค้นพบไพออน (pion) หรือไพ – เมซอน อนุภาคที่แอนเดอร์สันค้นพบในปี 1937 ซึ่งตอนแรกคิดว่าเป็นเมซอนของยูกาวานั้นจริง ๆ แล้วไม่ใช่ (เราจะกล่าวถึงเงื่อนไขพื้นฐานของอนุภาคที่จะเป็นเมซอนได้ในหัวข้อที่ 4) มันกลับมีส่วนในอันตรกิริยาอ่อน (weak interaction) กับอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและปัจจุบันนี้เรียก มิวออน (muon) หรือมิว – เมซอน

       ไพออนมี 3 ชนิด สมนัยกับสถานะประจุไฟฟ้า 3 แบบ คือ และ อนุภาค และ เป็นปฏิยานุภาคของ แต่ละตัวมีมวล 139.6 MeV/c2 ส่วน มีมวล 135.0 MeV/c2 สำหรับมิวออนนั้นมี และ ซึ่งเป็นปฏิยานุภาคของมัน

       ไพออนและมิวออนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น ซึ่งมีชีวิตเฉลี่ย วินาทีเมื่อสลายตัวจะให้มิวออนและแอนตินิวตริโน มิวออนซึ่งมีช่วงชีวิตเฉลี่ย วินาที หรือ จะสลายตัวให้นิวตริโน 1 ตัว อิเล็กตรอน 1 ตัว และแอนตินิวตริโนในอีก 1 ตัว

…(1)

      โปรดสังเกตว่า สำหรับอนุภาคนี้ไม่มีประจุ (เช่นเดียวกับอนุภาคประจุบางชนิด เช่น โปรตอน) เส้นขีดด้านบนแสดงว่าอนุภาคนั้นเป็นปฏิยานุภาค ดังในการสลายตัวให้รังสีเบต้า (ดูหัวข้อ 6 )

       อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคทั้งสองสามารถเขียนในรูปไดอะแกรมง่าย ๆ เรียก ไดอะแกรมฟายน์แมน (Feynman diagram) ซึ่งพัฒนาขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ ริชาร์ด พี. ฟายน์แมน (Richard P. Feynman) รูปที่ 4 แสดงไดอะแกรมนี้สำหรับอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าของอิเล็กตรอนสองตัว ไดอะแกรมของฟายน์แมนเป็นกราฟเชิงคุณภาพของเวลาในแกนตั้งกับอวกาศในแกนนอน ที่กล่าวว่าเป็นเชิงคุณภาพนั้นก็เพราะในไดอะแกรมนี้ค่าจริง ๆ ของเวลาและอวกาศไม่ได้มีความสำคัญแต่อย่างใด แต่ภาพรวมของไดอะแกรมจะแสดงให้เห็นกระบวนการนี้ได้ วิวัฒนาการของเวลาในกระบวนการนี้โดยประมาณอาจถือได้ว่าเริ่มต้นที่ด้านหลังของไดอะแกรมแล้วเลื่อนขึ้นด้านบน

 รูปที่ 4 แสดงอันตรกิริยาอิเล็กตรอน-อิเล็กตรอนอย่างง่าย โฟตอนตัวหนึ่ง (อนุภาคสนาม) จะเป็นพาหะของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนทั้งคู่ ข้อควรสังเกตก็คือ อันตรกิริยาทั้งหมดในไดอะแกรมเกิดขึ้นที่จุดเดียวของเวลา ดังนั้นเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจึงปรากฏเสมือนเปลี่ยนแปลงแบบไม่ต่อเนื่องในทิศทางขณะที่เกิดอันตรกิริยา ปรากฏการณ์แตกต่างจากเส้นทางจริง (actual path) ซึ่งอาจจะโค้งเพราะการแลกเปลี่ยนต่อเนื่องของอนุภาคสนามจำนวนมาก นี่เป็นอีกประเด็นหนึ่งของธรรมชาติเชิงคุณภาพของไดอะแกรมฟายน์แมน

     ในอันตรกิริยาอิเล็กตรอน - อิเล็กตรอน โฟตอนซึ่งถ่ายทอดพลังงานและโมเมนตัมจากอิเล็กตรอนตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งเรียก โฟตอนเสมือน (virtual photon) เพราะมันหายไประหว่างเกิดอันตรกิริยาโดยไม่อาจตรวจวัดได้ โฟตอนเสมือนไม่ได้ละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงาน เพราะมีช่วงชีวิต ที่สั้นมาก ซึ่งทำให้ความไม่แน่นอนในพลังงาน ของระบบนี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 2 ตัว และโฟตอนอีก 1 ตัว มีค่ามากกว่าพลังงานโฟตอนนั้น

      จากนี้เราจะลองพิจารณากรณีไพออน ซึ่งเป็นพาหะแรงนิวเคลียร์ระหว่างโปรตอนกับนิวตรอน ดังนั้นจากแบบจำลองของยูกาวา (รูปที่ 5 ก) เราย่อมอธิบายได้ว่าพลังงานมวลนิ่ง ที่ต้องใช้ในการสร้างไพออนมวล อาจหาได้จากสมการของไอน์สไตน์ เหมือนโฟตอนในรูปที่ 4 การมีไพออนน่าจะละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงาน ถ้าอนุภาคนี้มีช่วงชีวิตนานกว่า (จากหลักความไม่แน่นอน) เมื่อ เป็นพลังงานมวลนิ่งของไพออนและ เป็นเวลาที่ไพออนใช้ในการส่งผ่านจากนิวคลีออนหนึ่งไปสู่อีกนิวคลีออนหนึ่ง ดังนั้น

…(2) 

       เพราะไพออนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงไม่ได้ ระยะทางที่มากที่สุด d ที่มันสามารถเคลื่อนที่ได้ในเวลา คือ ดังนั้น

…(3)

      จากตาราง 1 เราทราบว่าพิสัยของแรงนิวเคลียร์มีค่าประมาณ โดยแทนค่านี้ใน d ในสมการ (3) เราอาจคำนวณพลังงานมวลนิ่งของไพออนได้เป็น

        

         MeV

      พลังงานค่านี้อยู่ในออร์เดอร์เดียวกับขนาดมวลของไพอออนที่สังเกตพบ ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มความเชื่อมั่นในแบบจำลองสนาม – อนุภาค   มโนทัศน์ที่เราเพิ่งอธิบายมานี้เป็นการปฏิวัติโดยแท้ กล่าวได้ว่าผลของมันทำให้ระบบที่มี

       นิวคลีออน 2 ตัว สามารถเปลี่ยนเป็นนิวคลีออน 2 ตัว กับอีก 1 ไพออน ช่วงเวลาการเปลี่ยนแปลงนี้จนกลับสู่สถานะเริ่มต้นของมันเป็นช่วงเวลาที่สั้นมาก (คงจำกันได้ว่า นี่คือ แบบจำลองประวัติศาสตร์ยุคก่อนที่สมมติว่าไพออนเป็นอนุภาคสนามของแรงนิวเคลียร์ แต่พึงตระหนักว่าปัจจุบันกลูออนเป็นอนุภาคสนามจริงในแบบจำลองที่เราจะได้อธิบายต่อไป) นักฟิสิกส์มักกล่าวว่า นิวคลีออนเกิดการไหลถ่ายเท (fluctuations) ขณะที่มันปล่อยและดูดกลืนไพออน ดังที่ทราบมาแล้ว การไหลถ่ายเทนี้เป็นผลของการรวมกันของกลศาสตร์ควอนตัม (หลักความไม่แน่นอน) และสัมพัทธภาพพิเศษ (ความสัมพันธ์พลังงาน – มวล ของไอน์สไตน์

      หัวข้อนี้เกี่ยวข้องกับอนุภาคสนามที่ตอนแรกนำเสนอในรูปพาหะของแรงนิวเคลียร์ (ไพออน) และอนุภาคที่เป็นพาหะของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (โฟตอน) แกรวิตอน (gravitons) เป็นอนุภาคสนามของแรงโน้มถ่วงซึ่งยังอยู่ในระยะรอผลสังเกตการณ์นี้ อนุภาค และ ซึ่งเป็นพาหะของแรงอ่อน (weak force) ค้นพบในปี 1983 โดยนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลี่ยนชื่อ คาร์โล รับเบีย (Carlo Rubbia) (เกิด 1934) และทีมงานโดยใช้ตัวชนโปรตอน – แอนติโปรตอน รับเบียกับไซมอน แวนเดอร์ เมียร์ (เกิด 1925) ทั้งคู่ทำงานวิจัยที่ CERN (The European Laboratory for Particle Physics) เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันจาการค้นพบอนุภาค และ และการพัฒนากระสุนโปรตอน – แอนติโปรตอน รูปที่ 5 (ข) แสดงไดอะแกรมฟายน์แมนของอันตริยาอ่อนที่มีโบซอน เป็นพาหะ

 

<< 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