2.6 ธาตุกัมมันตรังสี
ในปี พ.ศ.2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอเรล (Antoine
Henri Becquerel)นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสพบว่า
เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบยูเรเนียม
แผ่นฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง
และเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆก็ได้ผลเช่นเดียวกัน
จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม
ต่อมาปีแอร์ กูรี และมารี กูรี (Pierre
Curie และ Marie Curie) ได้ค้นพบว่า
ธาตุพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน
ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า กัมมันตรังสี
ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร
และไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี
หรือ สารกัมมันตรังสี เช่น carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี
จะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า
ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายชนิด
นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง
ๆ
2.6.1 การเกิดกัมมันตภาพรังสี
กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร
จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสี
จากการศึกษานักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า
รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีเบตา
(beta ray) หรือแกมมา (gamma ray) ดังรูป
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhwulg1lOtJX-fartnNQIb12BPy5wx_eFTgipS2LxRRy4se1FVpQnWF-3ZqlceO5ea3Ckous0zlLqLEjAoghRgt6XsjYCGiQ3zIfO9JrsK_dn99joo4TcFab-0S4E5O84iwWw2wWRipv18/s400/1+%252812%2529%25289%2529.jpg)
การแผ่รังสีของไอโซโทปกัมมันตรังสีผ่านสนามไฟฟ้า
2.6.2 การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี
จากการศึกษาไอโซโทป ของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า
ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปและจะไม่เสถียรจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโดยการแผ่รังสีออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่า
การแผ่รังสีบีตา
เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมาก นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น
1 โดยมวลยังคงเดิม
การแผ่รังสีแกมมา
เกี่ยวกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมากหรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา
แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา
การแผ่รังสีแอลฟา
ส่วนใหญ่เกิดจากนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83
และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมา
จะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2
และเลขมวลลดลง
รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสี เช่น
รังสีแอลฟา บีตา แกมมา มีสมบัติ ดังตาราง
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiZbff5PKIrIjpf4fdsC2XKMAjZ4yooHdrtPmWGHdLj2lgt-wwcP1V_455YWLojTFDkDeB4lrYyxTMk1g7ny6F26zY1hNHfR8HZeWdtD0W7kkk4Hb_YE91uULtyy5FGqrPt4KU-3vBgdyg/s400/%25E0%25B8%25A3%25E0%25B8%25B9%25E0%25B8%259B%25E0%25B8%25A0%25E0%25B8%25B2%25E0%25B8%259E4.png)
รังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสี
นอกจากรังสีแอลฟา บีตา แกมมา แล้วยังมีรังสีชนิดอื่น ๆ เช่น โพซิตรอน (β+) โปรตอน
(p) ดิวเทอรอน (D) ทริทอน
(T) นิวตรอน (n)
2.6.3 อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี
กิจวัตรต่างๆในชีวิตประจำวันทั้งการรับประทานอาหารดื่มน้ำหายใจด้วยมีโอกาสที่มนุษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสีเข้าสู่ร่างกายนอกจากนี้ยังได้รับรังสีคอสมิกซึ่งเป็นรังสีที่ส่วนใหญ่มาจากอวกาศและสิ่งต่างๆเหล่านี้มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาตินอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมาเช่นรังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
แม้มนุษย์จะได้รับรังสีจากกิจวัตรประจำวันแต่การได้รับรังสีจากธรรมชาติหรือจากที่มนุษย์สร้างขึ้นในปริมาณเพียงเล็กน้อยโดยน้อยกว่า
100 มิลลิซีเวิร์ต เซลล์เนื้อเยื่อ
สามารถฟื้นตัวได้แต่การได้รับรังสีมากกว่า 100
มิลลิซีเวิร์ต ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพได้ เช่นการคลื่นไส้ การอาเจียนอา
การปวดหัว การเป็นมะเร็ง สำหรับหน่วยงานที่ทำงานเกี่ยวกับรังสีจะต้องแสดงสัญลักษณ์รังสีลงบนฉลาก
ของพันชนะหรือเครื่องมือ รวมทั้งบริเวณใกล้เคียงเพื่อให้ผู้พบเห็นได้ระมัดระวัง
สัญลักษณ์รังสีใช้เป็นมาตรฐานจะได้รูปใบพัด 3
แฉกมีสีม่วงอ่อนม่วงเข้มหรือสีดำบนพื้นสีเหลืองดังรูป
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjVmLEj_0qkVgDhVTI4mvYciPcamdFbn2S0j7fNwDDXvzUGpmQ8Agj5dPzvyK18jWIMYlQR_fnMD7o6k5OcnwxZJjkJkeH-7y_BoiQhQNweYAKwvufQ4jU2BofMuEHQsvxGy1Z2l4rgmxI/s320/102.jpg)
เนื่องจากสัญลักษณ์รังสีดังรูปสื่อความหมายไม่ได้ชัดเจนหรือบุคคลที่ไม่เกี่ยวข้องอ่านไม่เข้าใจความหมายดังนั้น
ทบวงปรมาณูระหว่างประเทศ
และองค์กรระหว่างประเทศว่าด้วยมาตรฐานได้ออกแบบสัญลักษณ์ใหม่เป็นรูปคลื่นของรังสีกะโหลกไขว้และคนกำลังวิ่งดังรูป
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgMaNNXwwhca6hnbzBItfnkZvvXhqiGdFa_src5QdoOnG_OkyK8KcxYzEVXvoJfHFLYgV6TibWyELdkyRDOILN_rWcnDNcnr0Rxo-SzPPIrNjHViOfHMnPOU93_otQ1rSU97PX-o231yts/s400/image3.jpg)
2.6.4
ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีไอโซโทป
ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลา
ไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน
อัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต (half life) ใช้สัญลักษณ์
t 1/2 โดยหมายถึง
ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ
จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24
มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24
ปริมาณ 10 กรัม
นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15
ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลืออยู่ 5
กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมง จะมี Na-24
เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั่นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15
ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
เขียนแสดงได้ดังรูป
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhbEcJ7XqtR9Fg8JlMfH0Mw8Aj9qr48eqR772h30EDIgLAT5xI0U6s-QRna8voj5Z7EJoQQAo42ESV5QdArjkxr4S_yI-zhL2vwPt5nwCG8eUjevLXzp_2Mgxcp0SjEbdsAgzIeDzNgJKE/s400/1+%252814%2529%252810%2529.jpg)
ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้
ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด แสดงดังตาราง
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjqyReFOAUM_Jtf-nbBHJ2AcZM25zVDs5C1ty7IQFE8aQIVBZ0oLJNag2vtCTr5lZ8kme2pvCe07HXWEQtH4UOxFf3o1lkeayX1ITiMkipACS2CNdaZPb-9W3fFd66WI0PksLXuffX6yT8/s320/live.png)
2.6.5
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้
ในปีพศ. 2482
นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียส U-235
นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า
กระบวนการที่นิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุบางชนิดแตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า
ฟิชชัน ไอโซโทปของธาตุอื่นที่สามารถเกิดฟิชชันได้
เช่น U-238 การเกิดฟิชชัน
แต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิดซึ่งถือว่าได้เป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญนอกจากนี้ฟิสชั่นยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นอีกด้วย
ถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่นจะเกิดเป็นฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อยๆเรียกปฏิกิริยานี้ว่า
ปฏิกิริยาลูกโซ่
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhOg8u2Q8zDG3Q23lwoMuactz5M2lmgymoScX7uRC2bXGF4_buG3VsjaZgBLQ0WD6-_gvWvldAl7hOr1FtPaDqnY0OtzmnNl5VqTOIij59n0NGFJWm7KxD98Bk-NydoguDKRNQgk9E-hNA/s320/image257.jpg)
ฟิชชันที่เกิดภายในภาวะที่เหมาะสม
จะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้ฟิชชัน ดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมหาศาลถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดรุนแรงหลักการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณูการควบคุมฟิชชันทำได้หลายวิธี
เช่นควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงเพื่อให้จำนวนนิวตรอนที่เกิดมีไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้
ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบา 2
ชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่า เดิมและให้พลังงานปริมาณมาก
ปฏิกิริยานี้เรียกว่า ฟิวชัน
ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยากับที่เกิดบนดวงอาทิตย์การเกิดฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากและเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้าร่วมกันซึ่งประมาณว่าจะต้องมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาเซลเซียส
พลังงานมหาศาลนี้อ่านได้จากฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนฉนวนที่ทำให้เกิดฟิวชั้น
ถ้าพลังงานที่ปล่อยออกมามาจากฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆและต่อเนื่องจะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ฟิวชันมีข้อได้เปรียบมากกว่าฟิชชันหลายประการกล่าวคือคายพลังงานออกมาม่าสารตั้งต้นของฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมากนอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่า
ผลิตภัณฑ์จากการเกิดฟิชชัน แม้จะมีการค้นพบกระบวนการฟิวชั่นมานานแต่
การนำมาใช้อย่างเป็นรูปธรรม
เป็นไปได้ยากเพราะการเกิดฟิวชั้นต้องใช้อุณหภูมิสูงมากซึ่งที่สภาวะนี้แสนจะเปลี่ยนเป็นรูป
Plasma ซึ่งไม่เสถียรดังนั้นการควบคุมกระบวนการฟิวชันให้เกิดอย่างต่อเนื่องเป็นไปได้ยากมาก
2.6.6
เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี
สารกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันการนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน
ด้านธรณีวิทยา ใช้ C-14
ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5730
ปีหาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ
เช่นไม้กระดูกการหาอายุโบราณโดยการวัดปริมาณของ C-14
อธิบายได้ว่าในบรรยากาศมี C-14
ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก
ด้านการแพทย์
ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่างๆในร่างกายโดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อยจากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมของไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่างๆ
ด้านเกษตรกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืชโดยเริ่มจากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบ
หรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ในใบ
ด้านอุตสาหกรรม
ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่างเช่นใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลวผสมไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อและติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์
มึลเลอร์ เคาน์เตอร์ บริเวณใดที่มี
สัญญาณจำนวนนับมากผิดปกติแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น