อ็อตโต ฮาห์น ผู้ได้รับรางวัลโนเบล ได้รับการยกย่องจากการค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชัน ฟิชชันเป็นหนึ่งในการค้นพบที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ 20 แต่ฮาห์นถือว่าอย่างอื่นเป็นงานทางวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุด ของ เขา
ในปี 1921 เขากำลังศึกษากัมมันตภาพรังสีที่สถาบัน Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี เมื่อเขาสังเกตเห็นบางสิ่งที่เขาไม่สามารถอธิบายได้ องค์ประกอบหนึ่งที่เขาทำงานด้วยไม่ได้ทำงานอย่างที่ควรจะเป็น ฮาห์นได้ค้นพบไอโซเมอร์ของนิวเคลียร์ชนิดแรกโดยไม่รู้ตัว ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมซึ่งมีการจัดเรียงโปรตอนและนิวตรอนแตกต่างจากรูปแบบทั่วไปของธาตุ ทำให้มีคุณสมบัติผิดปกติ ต้องใช้เวลาอีก 15 ปีในการค้นพบฟิสิกส์นิวเคลียร์จึงจะสามารถอธิบายข้อสังเกตของฮาห์นได้
เราเป็นอาจารย์ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ สองคนที่ศึกษานิวเคลียสหายากรวมถึงไอโซเมอร์นิวเคลียร์
สถานที่ที่พบบ่อยที่สุดในการค้นหาไอโซเมอร์คือภายในดวงดาว ซึ่งพวกมันมีบทบาทในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สร้างองค์ประกอบใหม่ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้เริ่มสำรวจว่าไอโซเมอร์สามารถนำมาใช้เพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติได้อย่างไร พวกมันถูกใช้ในทางการแพทย์แล้ว และในวันหนึ่งอาจมีตัวเลือกอันทรงพลังสำหรับการจัดเก็บพลังงานในรูปแบบของแบตเตอรี่นิวเคลียร์
ตามล่าหาไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี
ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 นักวิทยาศาสตร์กำลังตามล่าหาธาตุกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ ธาตุจะถือว่าเป็นกัมมันตภาพรังสีหากปล่อยอนุภาคออกมาเองตามธรรมชาติในกระบวนการที่เรียกว่า การสลายตัว ของกัมมันตภาพรังสี เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น องค์ประกอบจะถูกแปลงเมื่อเวลาผ่านไปเป็นองค์ประกอบอื่น
ในเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์อาศัยเกณฑ์สามประการในการค้นพบและอธิบายธาตุกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ หนึ่งคือการดูคุณสมบัติทางเคมี – ว่าองค์ประกอบใหม่ทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ อย่างไร พวกเขายังวัดประเภทและพลังงานของอนุภาคที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายกัมมันตภาพรังสี ในที่สุด พวกเขาจะวัดว่าองค์ประกอบสลายตัวได้เร็วแค่ไหน อธิบายความเร็วของการสลายตัวโดยใช้คำว่า half-life ซึ่งเป็นระยะเวลาที่ครึ่งหนึ่งของธาตุกัมมันตภาพรังสีเริ่มต้นสลายไปเป็นอย่างอื่น
ในช่วงปี ค.ศ. 1920 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบสารกัมมันตภาพรังสีบางชนิดที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่มีครึ่งชีวิตต่างกัน เหล่านี้เรียกว่าไอโซโทป ไอโซโทปเป็นธาตุชนิดเดียวกันที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันในนิวเคลียส แต่มีนิวตรอนจำนวนต่างกัน
ยูเรเนียมเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีไอโซโทปจำนวนมาก ซึ่งสองไอโซโทปเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก ไอโซโทปยูเรเนียมธรรมชาติเหล่านี้สลายตัวเป็นธาตุทอเรียม ซึ่งจะสลายตัวเป็นโพรแทกทิเนียม และแต่ละธาตุก็มีไอโซโทปของมันเอง ฮาห์นและเพื่อนร่วมงานของเขาLise Meitnerเป็นคนแรกที่ค้นพบและระบุไอโซโทปต่างๆ มากมายที่มาจากการสลายตัวของธาตุยูเรเนียม
ไอโซโทปทั้งหมดที่พวกเขาศึกษามีพฤติกรรมตามที่คาดไว้ ยกเว้นไอโซโทปหนึ่งอัน ไอโซโทปนี้ดูเหมือนจะมีคุณสมบัติเหมือนกับไอโซโทปอื่น ๆ แต่ครึ่งชีวิตของมันนั้นยาวนานกว่า สิ่งนี้ไม่สมเหตุสมผล เนื่องจาก Hahn และ Meitner ได้จัดประเภทไอโซโทปของยูเรเนียมที่รู้จักทั้งหมดให้อยู่ในประเภทที่เรียบร้อย และไม่มีที่ว่างสำหรับรองรับไอโซโทปใหม่ พวกเขาเรียกสารนี้ว่า “ยูเรเนียมซี”
สัญญาณกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม Z นั้นอ่อนกว่ากัมมันตภาพรังสีของไอโซโทปอื่นๆ ในตัวอย่างประมาณ 500 เท่า ดังนั้นฮาห์นจึงตัดสินใจยืนยันการสังเกตการณ์ของเขาโดยใช้วัสดุมากขึ้น เขาซื้อและแยกสารเคมียูเรเนียมออกจากเกลือยูเรเนียมที่มีพิษสูงและหายาก 220 ปอนด์ (100 กิโลกรัม) ผลที่น่าประหลาดใจของการทดลองครั้งที่สองที่แม่นยำยิ่งขึ้นนี้ชี้ให้เห็นว่ายูเรเนียมลึกลับ Z ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อโพรแทกทิเนียม-234 เป็นไอโซโทปที่รู้จักแล้ว แต่มีครึ่งชีวิตต่างกันมาก นี่เป็นกรณีแรกของไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตต่างกัน ฮาห์นตีพิมพ์การค้นพบไอโซเมอร์นิวเคลียร์ตัวแรก ของ เขา แม้ว่าเขาจะไม่สามารถอธิบายได้อย่างเต็มที่ก็ตาม
นิวตรอนทำให้เรื่องราวสมบูรณ์
ในช่วงที่ทำการทดลองของฮาห์นในช่วงทศวรรษที่ 1920 นักวิทยาศาสตร์ยังคงคิดว่าอะตอมเป็นกลุ่มโปรตอนที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากัน จนกระทั่งปี 1932 James Chadwick แนะนำว่าอนุภาคที่สาม – นิวตรอน – ก็เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสด้วย
ด้วยข้อมูลใหม่นี้ นักฟิสิกส์สามารถอธิบายไอโซโทปได้ทันที ซึ่งเป็นนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันและจำนวนนิวตรอนต่างกัน ด้วยความรู้นี้ ในที่สุดชุมชนวิทยาศาสตร์ก็มีเครื่องมือในการทำความเข้าใจยูเรเนียม Z
ในปี 1936 Carl Friedrich von Weizsäcker เสนอว่าสารสองชนิดอาจมีโปรตอนและนิวตรอนจำนวนเท่ากันในนิวเคลียสของพวกมัน แต่จัดเรียงต่างกันและมีครึ่งชีวิตต่างกัน การจัดเรียงตัวของโปรตอนและนิวตรอนที่ส่งผลให้มีพลังงานน้อยที่สุดเป็นวัสดุที่เสถียรที่สุดและเรียกว่าสถานะพื้น การจัดเรียงตัวที่ทำให้ไอโซโทปมีความเสถียรน้อยลงและมีพลังงานสูงขึ้นเรียกว่าสถานะไอโซเมอร์
ในตอนแรก ไอโซเมอร์ของนิวเคลียร์มีประโยชน์ในชุมชนวิทยาศาสตร์เพียงเพื่อทำความเข้าใจว่านิวเคลียสมีพฤติกรรมอย่างไร แต่เมื่อเข้าใจคุณสมบัติของไอโซเมอร์แล้ว ก็เป็นไปได้ที่จะเริ่มถามว่าจะนำไปใช้ได้อย่างไร
ไอโซเมอร์ในการแพทย์และดาราศาสตร์
ไอโซเมอร์มีการใช้งานที่สำคัญในทางการแพทย์ และมีการใช้ในกระบวนการวินิจฉัยหลายสิบล้านครั้งต่อปี เนื่องจากไอโซเมอร์มีการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี กล้องพิเศษจึงสามารถติดตามพวกมันได้ในขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านร่างกาย
ตัวอย่างเช่น เทคนีเชียม-99m เป็นไอโซเมอร์ของเทคนีเชียม-99 เมื่อไอโซเมอร์สลายตัว มันจะปล่อยโฟตอนออกมา การใช้เครื่องตรวจจับโฟตอน แพทย์สามารถติดตามว่าเทคนีเชียม-99m เคลื่อนที่ไปทั่วร่างกาย อย่างไร และสร้างภาพหัวใจ สมอง ปอด และอวัยวะสำคัญอื่นๆ เพื่อช่วยวินิจฉัยโรคต่างๆ รวมถึงมะเร็ง ธาตุกัมมันตภาพรังสีและไอโซโทปโดยปกติเป็นอันตรายเพราะปล่อยอนุภาคที่มีประจุซึ่งทำลายเนื้อเยื่อของร่างกาย ไอโซเมอร์อย่างเทคนีเชียมปลอดภัยสำหรับการใช้ทางการแพทย์เพราะมันปล่อยโฟตอนออกมาทีละตัวและไม่เป็นอันตรายเพียงตัวเดียวในแต่ละครั้ง และจะไม่มีอย่างอื่นอีกเมื่อพวกมันสลายตัว
ไอโซเมอร์ยังมีความสำคัญในด้านดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ดาวถูกเติมเชื้อเพลิงโดยพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ เนื่องจากไอโซเมอร์มีอยู่ในดาวฤกษ์ปฏิกิริยานิวเคลียร์จึงแตกต่างจากวัสดุที่อยู่ในสถานะพื้นดิน สิ่งนี้ทำให้การศึกษาไอโซเมอร์มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าดาวผลิตองค์ประกอบทั้งหมดในจักรวาลได้อย่างไร
ไอโซเมอร์ในอนาคต
หนึ่งศตวรรษหลังจากที่ฮาห์นค้นพบไอโซเมอร์ครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์ยังคงค้นพบไอโซเมอร์ใหม่โดยใช้สิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยที่มีประสิทธิภาพทั่วโลก รวมถึงโรงงานสำหรับคานไอโซโทปที่หายากที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน โรงงานแห่งนี้เปิดให้บริการในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2565 และเราหวังว่าจะปลดล็อกไอโซโทปและไอโซโทปใหม่กว่า 1,000 ชนิด
นักวิทยาศาสตร์ยังกำลังตรวจสอบว่าสามารถใช้ไอโซเมอร์นิวเคลียร์เพื่อสร้างนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลกได้ หรือไม่ หรือวันหนึ่งไอโซเมอร์อาจเป็นพื้นฐานสำหรับ แบตเตอรี่รุ่นต่อไปหรือไม่ กว่า 100 ปีหลังจากตรวจพบความผิดปกติเล็กๆ ในเกลือยูเรเนียม นักวิทยาศาสตร์ยังคงตามล่าหาไอโซเมอร์ใหม่และเพิ่งเริ่มเปิดเผยศักยภาพเต็มที่ของชิ้นส่วนฟิสิกส์อันน่าทึ่งเหล่านี้
