โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์ธรรมดาที่เปลี่ยนโลกทั้งใบ

ผศ. ดร. บุญญฤทธิ์ อุยยานนวาระภาควิชาเทคโนโลยีสารสนเทศสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร (SIIT)มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์นักเขียนประจำ หรอย.คอม

จะดีแค่ไหน หากความคิดของเรา ผลงานที่ออกจากสมองของเราเอง จะถูกจดจำ และกล่าวขานถึง ของคนทั้งโลก แม้เวลาจะผ่านไป 100 ปี ว่าเป็นความคิดดีๆที่เปลี่ยนโลกนี้ไปทั้งใบ
มีปรากฏการณ์มากมายที่เกิดอยู่รอบตัวเราทุกๆวัน เหตุการณ์เดียวกันหากต่างคนมอง ย่อมเข้าใจลึกซึ้งแตกต่างกัน บางเหตุการณ์ที่หลายคนมองว่าเป็นเรื่องธรรมดา เป็นเรื่องธรรมชาติ เช่น ทำไมตาเรามองเห็น ? แสงคืออะไร ? โดยไม่เคยคิดหาเหตุผลว่าเป็นเพราะอะไร หรือบางเรื่องที่อาจ ไม่มีใครในโลกนี้รู้คำตอบ หรือเป็นเหตุการณ์ ที่ไม่มีใครเคยเข้าใจมาก่อน คงจะดี ถ้าโลกจดจำว่าเรา เป็นส่วนหนึ่งในคำตอบ หรือเหตุผลที่มาอธิบายเหตุการณ์เหล่านั้น

เหมือนกับเหตุการณ์เล็กๆเหตุการณ์หนึ่ง ที่กลุ่มคนกลุ่มหนึ่งที่ผมกำลังจะเล่าถึง ได้พยายามอย่างที่สุด ที่จะหาคำอธิบาย และเมื่อผลงานโดยรวมของพวกเค้าสำเร็จลง มันก็เป็นผลงานที่พาโลก ก้าวไปสู่อีกยุคหนึ่งของฟิสิกส์

ปรากฏการณ์ที่ผมกำลังพูดถึงคือ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ ที่เมื่อแสงตกกระทบกับแผ่นโลหะ แล้วทำให้มีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะได้ ปรากฏการณ์นี้ถูกพบครั้งแรก โดยความช่างสังเกตุของคุณ ไฮน์ริก เฮิร์ทซ์ (Heinrich Hertz) ในปี 1887 ในขณะที่เฮิร์ทซ์ กำลังทำการทดลองอยู่กับเครื่อง Spark-Gab generator (เป็นอุปกรณ์ยุคแรกๆที่ใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุ) เฮิร์ทซ์ พบว่าเครื่องส่งสัญญาณนี้จะทำงานดีขึ้น หากมีแสงอุลตร้าไวโอเลตมาตกกระทบบนอุปกรณ์ ซึ่งก็สร้างความฉงนให้เฮิร์ทซ์ได้ไม่น้อย

Heinrich Hertz

ภาพที่ 2 แสดงโต๊ะทดลองของ Hertz

คนที่อาสา เข้ามาช่วยค้นหาคำตอบ ที่จะไขปริศนานี้ให้กระจ่างขึ้น คือ ฟิลิป เลนาร์ด (Philipp Lenard) ซึ่งขณะนั้นเป็นผู้ช่วยของเฮิร์ทซ์ เลนาร์ดได้พยายามทำการทดลอง เพื่อหาข้อสรุปเกี่ยวกับคำตอบของคำถามที่พบโดย Hertz เป็นเวลากว่า 10 ปี ในการออกแบบและปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ เพื่อทดสอบปรากฏการณ์นี้โดยเฉพาะ ซึ่งในเวลาถัดมา เค้าก็ประสบความสำเร็จ ในการคิดค้นอุปกรณ์อย่างง่าย และความถูกต้องสูง (ดังภาพที่ ในหน้าถัดไป)ชุดอุปกรณ์นี้ เริ่มจากแหล่งกำเนิดแสงด้านซ้ายมือ ที่ส่องแสงผ่านปริซึม เพื่อแยกเอาเฉพาะแสงในช่วงความถี่ที่ต้องการ แสงความถี่ที่ถูกเลือกแล้ว ก็จะผ่านช่องเล็กๆ ก่อนจะตกกระทบกับแผ่นโลหะ ตรงนี้เอง ที่จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกจากแผ่นโลหะ ซึ่งเลนาร์ดต้องการวัดพลังงาน ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา โดยการต่อกระแสไฟฟ้า ในทิศทางที่สวน กับการวิ่งของอิเล็กตรอน คือ ขั้ว(แผ่นโลหะ) ที่อิเล็กตรอนวิ่งเข้าหาก็ต่อไว้กับขั้วลบ เพราะจะเกิดแรงผลัก จากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อตัวอิเล็กตรอน โดยหากว่าสนามไฟฟ้าต้านอ่อนไป อิเล็กตรอน ก็ยังวิ่งฝ่าสนามไฟฟ้าไปได้ เพราะพลังงานที่ได้รับมาจากแสง แต่ถ้าสนามไฟฟ้าแรงไป ก็จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาหรือวิ่งไปไมุ่ถึง

ภาพที่ 3 แสดงถึงอุปกรณ์การทดลองเรื่องโฟโตอิเล็กทริกที่คิดค้นโดย ฟิลิป เลนาร์ด(ที่มา: http://nobelprize.org/physics/educational/quantised_world/waves-particles-1.html)
ดังนั้นหากปรับค่าสนามไฟฟ้าให้มีความแรงพอดีแล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดไปถึงอีกขั้วได้พอดีเป๊ะ เราก็สามารถประมาณพลังงานของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา ได้จากการคำนวณจากพลังงานไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการต้านทานการวิ่งของอิเล็กตรอนนั่นเอง

จากการทดลองของเลนาร์ด พบว่าเมื่อมีลำแสงตกกระทบ กับแผ่นโลหะ ก็จะทำให้เกิดรังสี ที่เค้่าเรียกว่ารังสีคาโทด (Cathods - ซึ่งในภายหลัง ก็ทราบว่าแท้จริงแล้ว มันไม่ใช่รังสี แต่เป็นอิเล็กตรอน) และสามารถตรวจวัดพลังงานของอิเล็กตรอน ที่หลุดออกมาได้อย่างแม่นยำ
แต่ที่เป็นปัญหาก็คือว่า นักวิทยาศาสตร์ยุคนั้น ไม่สามารถใช้ทฤษฎีเกี่ยวกับแสง ที่มีอยู่ อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างชัดเจน

คำอธิบายที่พอจะหาได้ในตอนนั้นก็คือว่า อิเล็กตรอนบนแผ่นโลหะได้รับพลังงานจลน์จากแสง (ที่เข้าใจกันว่าเป็นคลื่น) ที่ตกกระทบแผ่นโลหะ โดยที่คลื่นแสง ถ่ายทอดพลังงาน ให้อิเล็กตรอน เหมือนกับคลื่นทะเลพาหิน จากพื้นทะเลมาที่ชายฝั่ง (ขอให้สังเกตุว่าคำอธิบายนี้บอกว่า เป็นพลังงานจากคลื่นทะเล ไม่ใช่ น้ำ ที่เป็นตัวพาหินมาสู่ชายฝั่ง) แต่นั่นก็แปลว่า โดยทฤษฎีแล้ว พลังงานที่ถูกถ่ายทอด ไปให้ก้อนหินที่โดนคลื่นซัด น่าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงของความแรงคลื่น (เช่น เมื่อคลื่นแรงก้อนหินก็ปลิวไปไกล) เช่นเดียวกัน พลังงานของอิเล็กตรอน ที่หลุดออกมาน่าจะเป็นสัดส่วนตรง ขึ้นกับความเข้มของแสงที่ส่องลงไป
แต่สิ่งที่เลนาร์ดพบจากการทดลอง กลับทำให้โลกของฟิสิกส์สมัยนั้นถึงกับตลึง เพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมพลังงานของอิเลคตรอน ที่หลุดออกมาจากแผ่นโลหะ จึงไม่ประพฤติตัว แบบเดียวกับก้อนหิน ที่โดนคลื่นตามสมมติฐาน ผลการทดลองของเลนาร์ดบอกว่า พลังงานของอิเลคตรอนที่หลุดออกมานั้น ไม่ขึ้นกับความเข้ม(ความสว่าง) ของแสงเลยแม้แต่น้อย (ความเข้มแสงเปรียบได้กับความสูงของคลื่นทะเล) เลนาร์ดทำการทดลอง ซ้ำแล้วซ้ำอีก ในหลายๆข้อจำกัด ก็ยังได้ผลเหมือนเดิม

และอีกปริศนา ที่สร้างความสับสนจากการทดลอง ก็คือ ถ้าแสงมีความถี่ต่ำกว่าค่าค่าหนึ่งแล้ว (ภายหลังค่าความถี่นี้ถูกตั้งชื่อว่า ความถี่ขั้นต่ำ (cut-off frequency)) จะไ่ม่มีอิเล็คตรอนหลุดออกมาเลย แต่เมื่อไหร่ ที่แสงที่ตกกระทบแผ่นโลหะ มีความถี่มากกว่าค่าดังกล่าว ก็จะมีอิเล็กตรอนบางตัว ที่สามารถถูกผลักให้หลุดออกมาได้ และอิเลคตรอนที่หลุดออกมานี้ กลับมีพลังงานเป็นสัดส่วนตรงกับความถี่ ทั้งที่ทฤษฎีคลื่นของแสง ทำนายว่า ไม่ว่าคลื่นแสงความถี่เท่าใด ก็น่าจะมีพลังงานพอ ที่จะถ่ายทอดให้อิเลคตรอนได้หลุดออกจากโลหะได้

ปริศนาของเรื่องโฟโตอิเล็กทริก ได้ถูกไขอย่างกระจ่าง ในเวลาต่อมาไม่นานนัก
แต่คนที่อธิบายเรื่องนี้ได้ กลับไม่ใช่คนในวงการมหาวิทยาลัย ที่เป็นที่นับหน้าถือตาของคนยุคนั้น แต่กลับเป็นเสมียนหนุ่มวัยแค่เพียง 26 ปี เจ้าหน้าที่รับหน้าที่จดทะเบียนลิขสิทธิ์คนหนึ่ง ในกรุงเบอร์น ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ที่ชื่อ อัลเบริต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ที่เป็นพระเอกขี่ม้าขาว มาไขปริศนานี้ได้อย่างชัดเจน

บทความวิชาการของไอน์สไตน์ อธิบายปริศนาของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ได้อย่างสวยงาม เพียงแค่อาศัยสมมติฐานเบื้องต้นว่า แสงที่ถูกส่องไปยังโลหะนั้น ประพฤติตัวเสมือนหนึ่งว่า ประกอบไปด้วยกลุ่มของอนุภาค ที่ภายหลังเรียกว่าอนุภาคแสง หรือ โฟตอน (photon) (คำนี้ถูกตั้งโดย กิลเบอร์ต ลูอิส (Gilbert Lewis) ในปี 1926)

สมมติฐานดังกล่าว ก็ไม่ได้เกิดขึ้นลอยๆ แบบคิดเอาเอง (เหมือนสมัยที่ ไอแซค นิวตัน ซึ่งเป็นคนแรกของโลก ที่เคยตั้งข้อสังเกตุว่า แสงเป็นอนุภาค มา 200 ปี ก่อนหน้าไอน์สไตน์แล้ว) แต่เกิดจากการคำนวณ ต่อยอดมาจากกฏของเวนน์ ที่ว่าด้วยการกระจายความยาวคลื่นแสง ของวัุตถุเปล่งรังสีความร้อน และบทความวิชาการของแพลงค์ (ที่ตีพิมพ์ในปี 1900) ว่าด้วยเรื่องของพลังงานประหนึ่งเป็นกลุ่มของพลังงาน (Quanta)

เมื่อคิดว่าเป็นอนุภาค การอธิบายการถ่ายเทพลังงานของอนุภาค 2 ตัวชนกัน ก็ทำได้ง่ายขึ้น (แม้จะไม่เหมือนกับการถ่ายเทพลังงานของวัตถุใหญ่ซะทีเดียว) และเป็นไปตามกฏอนุรักษ์พลังงาน (แม้ภายหลัง ในช่วงกลางของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคน รวมถึง ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Fyneman) จะอธิบายขยายความต่อ เรื่องของโฟตอน กระทำกิริยากับอิเล็กตรอน ได้อย่างลึกซึ้งเพิ่มขึ้น)
อย่างไรก็ตาม การอธิบายว่า แสงเป็นก้อนของพลังงาน หรืออนุภาคนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย
หนึ่ง ก็เพราะแทบจะทุกคนในยุคนั้น เชื่ออย่างสนิทใจ ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (จากกฏคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์)

สอง ก็เพราะอนุภาคควรจะมีมวล แต่อนุภาคของแสงไม่มีมวล (แต่กลับมีโมเมนตัม - คลาสสิคอลฟิสิกส์ บอกว่าโมเมนตัม เกิดจากมวลคูณกับความเร็ว) แม้ผลจากการคำนวณของไอน์สไตน์พบว่า อนุภาคของแสงจะมีพลังงาน เป็นแบบคงที่ โดยที่มีขนาดของพลังงาน ขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง (ถ้าแสงมีความถี่เดียว(เช่นเลเซอร์) พลังงานของแต่ละอนุภาคแสง จะมีค่าเท่ากันเสมอ) โดยมีค่าเท่ากับผลคูณ ของค่าคงที่ของแพลงค์ (h ซึ่งมีค่าประมาณ 6.626 x 10-34) และความถี่ของแสง (f)

ไอน์สไตน์ได้ทำการตีพิมพ์ผลการคำนวณ เกี่ยวกับเรื่องปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นบทความวิชาการ เป็นครั้งแรกเป็นภาษาเยอมันในปี 1905 และมีคนนำมาแปลเป็นภาษาอังกฤษในภายหลัง และนำเผยแพร่อีกครั้งบนวารสารวิทยาศาสตร์ที่ชื่อ American Journal of Physics ในปี 1965 (A. B. Arons and M. B. Peppard, Einstein’s Proposal of the Photon Concept - a Translation of the Annalen der Physik Paper of 1905, American Journal of Physics, Vol 33, No. 5, พฤษภาคม 1965 หน้า 367) ซึ่งสามารถหาอ่านได้ในปัจจุบัน (download มาอ่านเล่นแก้เหงา และโรคนอนไม่หลับได้ที่นี่ einsteinpaper.pdf 326 KB)

ผลงานตีพิมพ์ชิ้นนี้ เป็นหนึ่งในสามผลงาน ที่ไอน์สไตน์เผยแพร่ในปี 1905 ที่หลายคนยกให้เป็นปีทองของฟิสิกส์ ในงานชิ้นนี้ ไอน์สไตน์ได้เสนอแนวคิดของ “โฟตอน” เพื่อที่จะใช้อธิบายปรากฏการณ์ ที่เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริก และเป็นผลงานชิ้นนี้ ที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รางวัลโนเบล ผลงานชิ้นนี้ไม่เพียงทำให้ ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลสูงสุดของนักวิทยาศาสตร์ แต่ยังเป็นผลงาน ที่จุดประกายนักฟิสิกส์ทั่วโลก ให้เกิดแนวคิดใหม่ด้านฟิสิกส์ ที่เรียกว่า ฟิสิกส์ควอนตัม ที่เปลี่ยนความคิดในการมองโลก ผ่านสูตรฟิสิกส์ไปเป็นอีกยุคนึง ตอนนั้นคงไม่มีใครคาดคิดว่า ผลการอธิบายปรากฏการณ์เล็กๆ อย่างโฟโตอิเล็กทริก จะเปลี่ยนความคิดของนักฟิสิกส์ เกือบทั้งโลกในเวลาต่อมา

อย่างไรก็ตามหลายคนในยุคนั้น ไม่เชื่อการคำนวณบนกระดาษ และหลายคนพยายาม ทำการทดลอง เพื่อพิสูจน์ว่าไอน์สไตน์คิดผิด โรเบอร์ต มิลิแกน (Robert A Millikan) ซึ่งขณะนั้นอยู่ทีสหรัฐอเมริกา ก็เป็นหนึ่งในนั้น มิลิแกนใช้เวลาเกือบ 10 ในการสร้างอุปกรณ์ ที่มีความแม่นยำ และความละเอียดสูง ในการทดลองเรื่องของประจุของอิเล็กตรอน และการทดลองทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ ในเวลาเดียวกัน แต่ผลที่ออกมา กลับเป็นการพิสูจน์ว่าทฤษฎีไอน์สไตน์ ได้ทำนายไว้ก่อนหน้านี้เป็นจริง

ที่มา: โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์ธรรมดาที่เปลี่ยนโลกทั้งใบ