จริงหรือไม่? ที่มี "แม่เหล็ก" ขนาดเล็กๆ ในสสาร

    ก่อนที่จะตอบคำถามนี้ ผมจะขอย้อนกลับไปในวิชาไฟฟ้า สมมติว่าถ้าเรามีกระแสไฟฟ้า (I) ที่กำลังไหลวนเป็นวงรอบพื้นที่ (A) ดังรูปที่ 1 การไหลวนนี้จะทำให้เกิดโมเมนต์ทางไฟฟ้า (µ) ซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างกระแสไฟฟ้ากับพื้นที่ดังกล่าว โดยผลลัพธ์จะมีทิศทางพุ่งออกตั้งฉากกับพื้นที่ตามกฎมือขวา

รูปที่ 1: การไหลวนเป็นวงปิดของกระแสไฟฟ้า

    คราวนี้หากเราลองพิจารณาอะตอม ซึ่งเราทราบกันดีแล้วว่า ภายในอะตอมประกอบด้วย นิวตรอน (ไม่มีประจุ) โปรตอน (ประจุ +) และอิเล็กตรอนตรอน (ประจุ -) โดยที่นิวตรอนและโปรตอนกระจุตัวรวมกันอย่างอัดแน่นที่ตำแหน่งตรงกลาง และรวมกันเรียกว่า นิวเคลียส ส่วนอิเล็กตรอนนั้นก็โคจรรอบนิวเคลียส ดังรูปที่ 2

 

รูปที่ 2: องค์ประกอบภายในอะตอม

    ถ้าเราพิจารณาที่นิวเคลียสที่กำลังหมุนรอบแกนใดแกนหนึ่ง ตอนนี้เราอาจจะจินตนาอย่างง่ายๆ ว่า กำลังมีประจุบวกวิ่งวนเป็นวงรอบแกนดังกล่าว ซึ่งจากนิยามของกระแสไฟฟ้า ก็คือทิศทางเดียวกับที่ประจุบวกเคลื่อนที่ ณ ตอนนี้เราก็คงจะปฏิเสธไม่ได้ว่าเรามีกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กๆ กำลังวิ่งวนเป็นวงปิดอยู่ภายในนิวเคลียส และถ้าเราโยงไปยังรูปที่ 1 นั่นหมายความว่าเรากำลังมีโมเมนต์ทางไฟฟ้าเกิดขึ้นภายในนิวเคลียส สมบัติทางไฟฟ้านี้ถูกเรียกว่า โมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) และเราจะเห็นแล้วว่าสมบัตินี้จะไม่เกิดขึ้นหากว่านิวเคลียสไม่มีการหมุน(สปิน) ซึ่งหากตรวจจับสมบัตินี้ได้ก็จะเป็นการยืนยันได้ว่านิวเคลียสมีสปิน ซึ่งเพาลี (Wolfgang Ernst Pauli) ได้บอกไว้ตั้งแต่ปี 1924 แล้วว่า...มันมีความเป็นไปได้นะ ที่นิวเคลียสจะมีสปิน

    ในวิชาไฟฟ้าแม่เหล็ก เราจะพบว่าการที่อนุภาคที่มีประจุ เช่น โปรตอนหรืออิเล็กเตรอนกำลังโคจรรอบเป็นเส้นปิด (ให้ลองนึกถึงกระแสไฟฟ้าที่กำลังไหลวนในขดลวดโซลินอยด์ที่ทำด้วยลวดตัวนำ พัน 1 รอบ) จะทำให้เกิดขั้วแม่เหล็ก (magnetic dipole) ตามกฏมือขวา โดยคำว่าขั้วแม่เหล็กก็หมายถึงลักษณะขั้วสองขั้วที่มีขนาดเท่ากันแต่เป็นชนิดขั้วตรงกันข้าม เหมือนแท่งแม่เหล็กที่มีสองขั้วเสมอคือ ขั้วเหนือ (N) และขั้วใต้ (S) ด้วยเหตุผลดังกล่าวเราคงจะสามารถกล่าวได้ว่า การมีโมเมนต์แม่เหล็กก็เปรียบเสมือนมีแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กๆ อยู่ภายในนิวเคลียส โดยแสดงดังรูปที่ 3

                         รูปที่ 3: โมเมนต์แม่เหล็กในนิวเคลียสและการเปรียบเหมือนขั้วแม่เหล็ก

   คำถามคือ..ในเมื่อสสารมีโมเมนต์แม่เหล็ก (มีแท่งแม่เหล็ก) แล้ว ทำไมสารบางชนิดจึงไม่ดึงดูดกับเหล็ก? เหมือนกับที่เราเอาแผ่นแม่เหล็กรูปการ์ตูนสีสันสวยงามไปติดกับฝาตู้เย็น? ทำไมสารตัวอย่างเช่น น้ำมัน หรือ น้ำ จึงไม่ดูดกับเหล็กในเมื่อสารเหล่านี้มีโมเมนต์แม่เหล็ก?

    คำตอบคือ...หากพิจารณาโดยภาพรวม ในสภาวะปกติที่อุณหภูมิห้อง ถ้าเรามีสารตัวอย่างชนิดหนึ่ง อาจจะเป็นของเหลวหรือของแข็งก็แล้วแต่ นั่นคือเราจะมีโมเมนต์แม่เหล็กเป็นจำนวนเยอะมากอยู่ภายในสารตัวอย่างนั้น...การเรียงตัวของพวกมันเป็นแบบ random ซึ่งชี้ไปในทิศทางที่ไม่เป็นระเบียบ ดังรูปที่ 4 ดังนั้นถ้าคิดผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กเหล่านี้ (เรียกผลรวมนี้ว่าแมกเนไตเซชัน magnetization) ซึ่งเป็นการรวมกันของปริมาณเวกเตอร์ ก็คงจะมีค่าเป็นศูนย์ นั่นหมายความว่าในสภาวะปกติ สภาพความเป็นแม่เหล็กของสารดังกล่าวไม่มีเหลืออยู่เลย จึงเป็นการตอบคำถามในข้างต้นว่าทำไมสารตัวอย่างเช่น น้ำหรือน้ำมัน จึงไม่ดูดกับเหล็กทั้งๆ ที่ ในสารเหล่านี้มีโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ภายในนั้นเป็นจำนวนมาก

รูปที่ 4: การเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในสารตัวอย่างซึ่งอยู่ในสภาวะปกติ

.....คำถามทิ้งทาย เป็นไปได้หรือไม่ที่จะทำให้สารเหล่ามีผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กไม่เท่ากับศูนย์ ? 

....คำตอบคือ เป็นไปได้ แต่จะทำอย่างไรนั้น ต้องรอติดตามในตอนต่อไปครับ