นักฟิสิกส์ดาวรุ่งแห่งห้องทดลองดัง
เจ. เจ. ทอมสัน เป็นชาวอังกฤษ เกิดเมื่อปี 1856 ที่เมืองแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ ช่วงที่เรียนชั้นประถมและมัธยมทอมสันได้แสดงความสามารถที่โดดเด่นและมีความสนใจด้านวิทยาศาสตร์ พ่อของเขาที่เป็นเจ้าของร้านหนังสืออยากให้ลูกชายเข้าฝึกหัดเป็นวิศวกรที่บริษัทผู้ผลิตหัวรถจักรแต่โอกาสไม่เอื้ออำนวย ทอมสันจึงเข้าเรียนที่ Owens College ในเมืองแมนเชสเตอร์ขณะมีอายุเพียง 14 ปี อาจารย์สอนคณิตศาสตร์ของทอมสันเห็นแววความเก่งกาจของลูกศิษย์คนนี้จึงสนับสนุนให้เขาสมัครรับทุนที่สถาบัน Trinity College ในมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ปี 1576 ทอมสันได้รับทุนเข้าเรียนที่ Trinity College และอีก 4 ปีต่อมาเขาก็เรียนจบปริญญาตรีสาขาคณิตศาสตร์ด้วยคะแนนยอดเยี่ยมได้รับรางวัล Smith’s Prize ในฐานะผู้ที่ทำคะแนนวิชาคณิตศาสตร์สูงสุดอันดับสองของทั้งมหาวิทยาลัย
ปี 1881 ทอมสันได้เป็นผู้ช่วยวิจัยของ John Strutt (Lord Rayleigh) นักวิจัยคนสำคัญของอังกฤษที่ห้องทดลองคาเวดิชในสังกัดมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ซึ่งเป็นสถาบันวิจัยชั้นนำของโลก ปี 1883 เขาได้รับปริญญาโทสาขาคณิตศาสตร์ วิทยานิพนธ์ของเขาในหัวข้อ Treatise on the motion of vortex rings ได้รับรางวัล Adams Prize ที่มอบให้แก่งานวิจัยด้านคณิตศาสตร์ที่โดดเด่นที่สุด งานวิจัยชิ้นนี้ทอมสันใช้ความสามารถอันยอดเยี่ยมทางคณิตศาสตร์ของเขานำทางไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของสสารในระดับอะตอม และในปีเดียวกันนั่นเองเขาก็ได้เป็นอาจารย์ผู้บรรยายของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ทอมสันได้รับการยอมรับและมีความก้าวหน้าในตำแหน่งทางวิชาการอย่างรวดเร็ว ปี 1884 เขาได้รับเลือกเป็นสมาชิกของราชสมาคมแห่งลอนดอน (Royal Society) และยังได้รับการแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทดลองของห้องทดลองคาเวดิชแทน Lord Rayleigh ในวัยเพียง 28 ปี นับเป็นนักฟิสิกส์ดาวรุ่งพุ่งแรงที่ใครๆต้องจับตามอง
เปิดโลกอนุภาคย่อยของอะตอม
คำว่าอะตอมมีมาตั้งแต่สมัยโบราณ Democritus นักปราชญ์ชาวกรีกในสมัยเมื่อราว 2,400 ปีก่อนเชื่อว่าสสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่ตามองไม่เห็นเรียกว่าอะตอม (Atom) อะตอมของสสารทุกชนิดเหมือนกันและไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ความเชื่อนี้อยู่ยืนยงมานับพันปีจนถึงยุคของ John Dalton นักเคมีผู้ได้รับการยกย่องเป็น “บิดาแห่งทฤษฎีอะตอม” ซึ่งได้ทำการทดลองจำนวนมากจนกระทั่งมีข้อสรุปที่ตรงกันข้ามกับความเชื่อดั้งเดิม เขาพบว่าอะตอมของสสารต่างชนิดกันจะไม่เหมือนกันเลย มีความแตกต่างทั้งในเรื่องมวล ขนาด การทำปฏิกิริยาเคมี รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ และเขาได้เสนอทฤษฎีอะตอมขึ้นในช่วงระหว่างปี 1803 – 1810
ทฤษฎีอะตอมของ Dalton มีประเด็นหลักว่าสสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “อะตอม” อะตอมของธาตุชนิดกันเดียวกันมีขนาด มวล และคุณสมบัติอื่นเหมือนกัน อะตอมของธาตุต่างชนิดกันมีขนาด มวล และคุณสมบัติอื่นแตกต่างกัน และอะตอมไม่สามารถแบ่งแยก, สร้างขึ้นใหม่ หรือทำลายได้ ทฤษฎีอะตอมของ Dalton ได้รับการยอมรับและอยู่ยืนยงยาวนานเกือบร้อยปี จนกระทั่งถึงยุคของทอมสันซึ่งเป็นคนแรกที่พิสูจน์ว่าอะตอมไม่ได้เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด ยังมีอนุภาคอื่นที่เล็กกว่าและเป็นส่วนประกอบของอะตอมที่ปัจจุบันเรียกว่าอนุภาคย่อยของอะตอม (Subatomic particles) เขาจึงเป็นเหมือนผู้เปิดโลกอนุภาคย่อยของอะตอมที่นำไปสู่ความก้าวหน้าของฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์อย่างมาก
ผลงานยิ่งใหญ่ค้นพบ “อิเล็กตรอน”
ทอมสันสนใจเรื่องโครงสร้างอะตอมมาตั้งแต่ทำวิจัยในวิทยานิพนธ์ปริญญาโทที่แม้จะมีคณิตศาสตร์เป็นแกนหลักแต่ได้มีการศึกษาคุณสมบัติของสสารในเชิงลึกทั้งด้านฟิสิกส์และเคมี เมื่อดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทดลองเขาได้ทำการศึกษาเรื่องไฟฟ้าและแม่เหล็กอย่างลึกซึ้งจนมีผลงานสำคัญในเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กหลายอย่าง แต่ผลงานการค้นพบที่ยิ่งใหญ่เกิดขึ้นเมื่อเขามาทำการศึกษาเกี่ยวกับรังสีแคโทดซึ่งเป็นลำแสงที่เกิดขึ้นในท่อแก้วสูญญากาศเมื่อมีการจ่ายไฟฟ้าแรงดันสูงเข้าไป ลำแสงหรือรังสีแคโทดจะวิ่งจากขั้วลบ (Cathode) เป็นเส้นตรงไปยังขั้วบวก (Anode) รังสีแคโทดถูกสังเกตพบมาตั้งแต่ปี 1869 แต่ยังไม่มีใครอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้จนกระทั่งทอมสันได้ทำการทดลองในปี 1897
ทอมสันสร้างท่อแก้วสูญญากาศหรือหลอดรังสีแคโทดให้มีลักษณะตามรูปข้างบน เขาเจาะร่องที่ขั้วบวกเพื่อให้รังสีแคโทดวิ่งผ่านและใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กศึกษาคุณสมบัติของรังสีแคโทด เขาพบว่าเมื่อรังสีแคโทดวิ่งผ่านสนามไฟฟ้ารังสีจะเบี่ยงเบนเข้าหาเพลตไฟฟ้าขั้วบวก และเมื่อวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กรังสีจะเกิดการเบี่ยงเบนเช่นกัน จากผลการทดลองทอมสันได้อาศัยความสามารถด้านคณิตศาสตร์และความเชี่ยวชาญด้านไฟฟ้าและแม่เหล็กทำการคำนวณวิเคราะห์จนได้ข้อสรุป 3 ข้อดังนี้
1. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ (เนื่องจากรังสีเบี่ยงเบนเข้าหาเพลตไฟฟ้าขั้วบวก)
2. อนุภาคนี้จะต้องเป็นส่วนประกอบของอะตอม (เนื่องจากมวลของแต่ละอนุภาคมีเพียงแค่ราวหนึ่งในสองพันของมวลอะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เล็กที่สุด)
3. อนุภาคย่อยนี้สามารถพบได้ในอะตอมของธาตุทั้งหมด (เนื่องจากไม่ว่าเขาจะเปลี่ยนใช้ก๊าซใดก็ตามในการสร้างรังสีแคโทดอนุภาคนี้จะมีขนาดมวลและประจุเท่ากันเสมอ)
ทอมสันเรียกอนุภาคนี้ว่า “Corpuscles” แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์เรียกว่า “อิเล็กตรอน” หลังการค้นพบอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ ประกอบกับเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าอะตอมมีค่าเป็นกลางทางไฟฟ้า ในปี 1904 ทอมสันจึงได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมว่าอะตอมของธาตุประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) จำนวนหนึ่งล้อมรอบอยู่ในทรงกลมซึ่งมีอนุภาคที่มีประจุบวกกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ มีลักษณะคล้ายกับขนมพุดดิ้งลูกพลัมจึงถูกเรียกว่า Plum pudding model ดังรูปข้างล่าง
ผลงานการศึกษารังสีแคโทดจนนำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนทำให้ทอมสันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1906 อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคย่อยตัวแรกของอะตอมที่ถูกค้นพบ ต่อมาอนุภาคย่อยอื่นของอะตอม เช่น โปรตอนและนิวตรอน ได้ทะยอยถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่นเรื่อยมาอันเป็นผลให้วงการวิทยาศาสตร์ก้าวหน้าอย่างมหาศาล
ค้นพบ “ไอโซโธป” ของธาตุเสถียร
ในการศึกษารังสีแคโทดเทคนิคสำคัญของทอมสันอย่างหนึ่งคือการวิเคราะห์หาสัดส่วนมวลต่อประจุ (mass-to-charge ratio) ของอิเล็กตรอนโดยอาศัยลักษณะการเบี่ยงเบนของรังสีเมื่อผ่านสนามแม่เหล็ก ทอมสันได้นำเทคนิคเดียวกันนี้ไปใช้วิเคราะห์หาสัดส่วนมวลต่อประจุของอนุภาคที่มีประจุบวก โดยในปี 1912 เขาได้สร้างเครื่องมือซึ่งมีลักษณะคล้ายกับหลอดรังสีแคโทดแต่ต่างกันที่เครื่องมือใหม่นี้สร้างลำอนุภาคที่มีประจุบวกหรือไอออนบวก (Positive Ion) แทน เครื่องมือนี้ต่อมาถูกเรียกว่าแมสสเปกโตรมิเตอร์ (Mass spectrometer) ซึ่งได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญทางวิชาเคมี
ทอมสันกับ F. W. Aston ผู้ช่วยวิจัยของเขาได้ทำการศึกษาลำอนุภาคไอออนของนีออน (Neon) ด้วยเครื่องแมสสเปกโตรมิเตอร์ที่ทอมสันสร้างขึ้น ทำการวัดการเบี่ยงเบนของลำอนุภาคเมื่อผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก พวกเขาพบว่าลำอนุภาคมีการเบี่ยงเบนแตกต่างกันสองแบบซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าธาตุนีออนประกอบด้วยอะตอมที่มีมวลแตกต่างกันสองชนิดคือ นีออน-20 และ นีออน-22 และนี่คือการค้นพบไอโซโทปของธาตุที่เสถียรเป็นครั้งแรก Aston ได้ทำการวิจัยเรื่องนี้ต่อไปอีกจนค้นพบไอโซโทปของธาตุที่เสถียรอีกเป็นจำนวนมากซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1922
ยอดเยี่ยมทั้งงานวิจัยและงานสอน
ทอมสันเป็นนักฟิสิกส์ที่มีผลงานวิจัยยอดเยี่ยมมาก นอกจากการค้นพบอิเล็กตรอนและไอโซโธปของธาตุเสถียรรวมถึงการประดิษฐ์แมสสเปกโตรมิเตอร์แล้ว งานวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กก็มีความสำคัญมาก โดยเฉพาะหนังสือ Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism ของเขาถือเป็นตำราเรียนที่ได้รับความนิยมอย่างมาก นอกจากนี้ทอมสันยังเป็นผู้บรรยายที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย เขาได้รับเชิญให้ไปบรรยายที่สถาบันต่างๆมากมายทั้งในประเทศและต่างประเทศ โดยเฉพาะที่สหรัฐอเมริกาเขาเคยไปบรรยายที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและมหาวิทยาลัยเยลหลายครั้ง
แต่งานสอนที่ยอดเยี่ยมที่สุดของทอมสันน่าจะเป็นการสอนหรือให้คำแนะนำแก่บรรดาลูกศิษย์นักวิจัยผู้ช่วยของเขา ทอมสันมีผู้ช่วยวิจัยเก่งๆจำนวนมากและพวกเขาต่างประสบความสำเร็จกันถ้วนหน้า ทอมสันจึงกลายเป็นบรมครูของนักวิจัยแห่งยุคเลยก็ว่าได้ เพราะนักวิจัยที่เคยอยู่ภายใต้การดูแลของเขาได้รับรางวัลโนเบลมากที่สุดถึง 8 คน ได้แก่ Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson, Charles Thomson Rees Wilson, Francis William Aston และ Ernest Rutherford ซึ่งเป็นผู้สืบทอดตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทดลองของห้องทดลองคาเวดิชต่อจากเขา ผู้ที่เกี่ยวข้องกับเขาอีกคนที่ได้รับรางวัลโนเบลเช่นกันได้แก่ George Paget Thomson ซี่งเป็นลูกชายของเขาเอง
อัศวินนักฟิสิกส์คนสำคัญของโลก
ด้วยผลงานสำคัญหลายอย่างโดยเฉพาะการค้นพบ “อิเล็กตรอน” ทอมสันจึงได้รับการยกย่องในฐานะนักฟิสิกส์คนสำคัญของโลก เขาได้รับรางวัลเกียรติยศเชิดชูความสำเร็จมากมาย นอกจากรางวัลโนเบลและรางวัลเกียรยศด้านวิชาการอื่นๆอีกจำนวนมากแล้ว ทอมสันยังได้รับการแต่งตั้งเป็นอัศวินและได้รับเครื่องราชอิสริยาภรณ์ Order of Merit อันทรงเกียรติจากกษัตริย์อังกฤษ นอกจากนี้เขายังดำรงตำแหน่งประธานราชสมาคมแห่งลอนดอนระหว่างปี 1915 – 1920 และดำรงตำแหน่งอธิการบดีของสถาบัน Trinity College ตั้งแต่ปี 1918 ถึงปี 1940 ซึ่งเป็นปีที่เขาเสียชีวิตในวัย 83 ปี ร่างของเขาถูกฝังอยู่ที่มหาวิหารเวสต์มินสเตอร์เคียงข้างกับนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่อย่าง Isaac Newton และลูกศิษย์คนเก่งของเขา Ernest Rutherford
ข้อมูลและภาพจาก wikipedia, famousscientists, khanacademy