3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

     3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

     ในปี ค.ศ. 1896 (พ.ศ.2439) อองตวน อองรีแบ็กเกอเรล นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม ฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองมีสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ ก็ได้ผล เช่นเดียวกัน จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม

                ต่อมาปีแอร์ และมารี กูรี ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฎการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี เป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83  แต่มีธาตุกัมมันตรังสีบางชนิดที่มีเลขอะตอมน้อยกว่า 83 หรืออาจเขียน U-238  U-235   Th-232  และ Rn-222 ก็ได้ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้อีก

                  3.6.1  การเกิดกัมมันตภาพรังสี

                 กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติของสาร เกิดจากธาตุกัมมันตรังสี เช่น U-238 และ Th-232  แผ่รังสีออกมาตลอดเวลา ทั้งนี้เพราะนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสีบางชนิด แล้วธาตุเหล่านั้นก็จะเปลี่ยนเป็นธาตุใหม่ ต่อมารัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาเพิ่มเติมและแสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา บีตาหรือแกมมา ที่มีสมบัติแตกต่างกันดังตาราง 3.11

ตาราง 3.11  ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

รูป 3.5  ผลของสนามไฟฟ้าต่อรังสีทั้ง 3 ชนิด

       3.6.2  การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

                   จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียร จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าโดยการแผ่รังสีออกมา ดังตัวอย่างต่อไปนี้

              การแผ่รังสีแอลฟา  ส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีและอะตอมสูงกว่า 82  และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง  4 

               การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน เมื่อปล่อยรังสีบีตาออกมานิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 เลขมวลยังคงเดิม

            การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา

                   3.6.3 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

                  ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออมาได้เองตลอดเวลา ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน ปริมาณการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต ใช้สัญลักษณ์ t_ครึ่งชีวิต หมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี สลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่งๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี 

Na-24 10 กรัม นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลือ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั้นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมเขียนแสดงได้ดังรูป 3.6

รูป 3.6  แสดงปริมาณของ Na-24 ที่ลดลงครึ่งหนึ่งทุกๆ 15 ชั่วโมง

ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด ดังตาราง 3.12

ตาราง 3.12  ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด

         3.6.4  ปฏิกิริยานิวเคลียร์

         ปฏิกิริยาเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุที่ทำปฏิกิริยากันทำให้เกิดเป็นสารใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิมและมีพลังงานเกี่ยวข้องไม่มาก ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของธาตุ อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็ก จะได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่ รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาล ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ศึกษาได้ดังนี้

        ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน

      ในปี พ.ศ. 2482  นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า

 กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดแตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า ปฏิกิริยาฟิชชัน (fission reaction) ธาตุอื่นที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ เช่น U-238 หรือ Pu-239 การเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิด จึงถือได้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันเป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญ นอกจากนี้ปฏิกิริยาฟิชชันยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นด้วยถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่นๆ จะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อยๆ เรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ดังรูป 3.7

     

รูป 3.7  แสดงปฏิกิริยาฟิชชันแบบลูกโซ่

 ปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดขึ้นภายใต้ภาวะที่เหมาะสมจะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมหาศาล ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง หลักการของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่เช่นนี้ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณู การควบคุมปฏิกิริยาฟิชชันทำได้หลายวิธี เช่น ควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงจนนิวตรอนที่เกิดขึ้นไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ หรือใช้โลหะแคตเมียมและโบรอนจับนิวตรอนบางส่วนไว้เพื่อลดจำนวนนิวตรอนที่เกิดขึ้นหรือใช้แท่งแกรไฟต์หรือน้ำเพื่อทำให้นิวตรอนเคลื่อนที่ช้าลงปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์นำปฏิกิริยาฟิชชันมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น ใช้ผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีในเตาปฎิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการเกษตร การแพทย์และอุตสาหกรรม ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าปรมาณู

      กระบวนการนี้เรียกว่า ปฏิกิริยาฟิวชัน ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของสุริยจักรวาลการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมกัน ความร้อนหรือพลังงานจำนวนนี้อาจได้จากปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนเป็นปฏิกิริยาชนวนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน ถ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆ และต่อเนื่องกัน จะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ปฏิกิริยาฟิวชันมีข้อได้เปรียบกว่าปฏิกิริยาฟิชชันหลายประการกล่าวคือ คายพลังงานออกมามาก สารตั้งต้นของปฏิกิริยาฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมาก นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่าผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาฟิชชัน

         3.6.5  การตรวจสอบสารกัมมันตรังสีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี

                  รังสีทำให้โมเลกุลของสารแตกตัวเป็นไอออนได้เป็นผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิต มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นรังสีได้ด้วยตาเปล่าจึงต้องมีการตรวจสอบรังสีด้วยวิธีต่างๆ เช่น การใช้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารนั้น และเก็บไว้ในที่มืด ถ้าฟิล์มที่ล้างแล้วปรากฎสีดำแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสีหรือนำสารที่ต้องการตรวจสอบเข้าใกล้สารเรืองแสง ถ้าเกิดการเรืองแสงขึ้นแสดงว่าสารนั้นมีธาตุกัมมันตรังสีอยู่ แต่การตรวจสอบโดยวิธีที่กล่าวมาแล้วไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ ถ้าต้องการทราบปริมาณรังสีต้องใช้เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ซึ่งประกอบด้วยหัววัดรังสีและมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสี ดังรูป 3.8

รูป 3.8  เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์

         การทำงานของท่อวัดในเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ อธิบายได้ว่าเมื่อรังสีผ่านเข้าทางช่องรับรังสีจะชนกับอะตอมของแก๊สอาร์กอนที่บรรจุอยู่ในกระบอก ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมเกิดเป็น  Ar จึงเกิดความต่างศักย์ระหว่างประจุบวกกับประจุลลบ ของขั้วไฟฟ้าในหัววัดรังสี ซึ่งอ่านค่าความต่างศักย์ได้จากเข็มบนหน้าปัด ค่าที่อ่านได้จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของรังสีที่จะทำให้ Ar กลายเป็น Ar บวก

  สารกัมมันตรังสีแต่ละสารมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน การนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง

     ด้านธรณีวิทยา  ใช้คาร์บอน -14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5730 ปี หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น ไม้ กระดูก หรือสารอินทรีย์อื่นๆ  การหาอายุวัตถุโบราณโดยการวัดปริมาณของคาร์บอน -14 อธิบายได้ว่าในบรรยากาศมีคาร์บอน -14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก

   ด้านการแพทย์  ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่างๆ ในร่างกาย โดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อย จากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่างๆ เช่น ให้ดื่มสารละลายไอโอดีน -131 แล้วติดตามดูความผิดปกติของต่อมไทรอยด์ใช้ไอโอดีน -132 ติดตามดูภาพสมอง ฉีดโซเดียม -24 เข้าเส้นเลือดโดยตรงเพื่อดูระบบการไหลเวียนของเลือดรับประทานเทคนีเชียม-99 เมื่อต้องการดูภาพหัวใจ ตับ ปอด นอกจากนี้แพทย์ยังใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีรักษาโรคโดยตรง เช่น ใช้โคบอลต์ -60 หรือเรเดียม -226 ในการรักษาโรคมะเร็ง

     ด้านเกษตรกรรม  ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบหรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ที่ใบ เช่น ใช้ฟอสฟอรัส -32 จำนวนเล็กน้อยผสมกับฟอสฟอรัสที่ไม่มีรังสีเพื่อทำปุ๋ย แล้วใช้เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ตรวจวัดรังสีที่ใบของพืชใช้รังสีเพื่อการปรับปรุงเมล็ดพันธุ์พืชให้ได้พันธุกรรมตามต้องการโดยการนำเมล็ดพันธุ์พืชมาอาบรังสีนิวตรอนในปริมาณและระยะเวลาที่เหมาะสมจะทำให้เกิดการกลายพันธุ์ได้

     ด้านอุตสาหกรรม  ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่าง เช่น ใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลวโดยผสมไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อ แล้วติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ถ้าบริเวณใดที่เครื่องมีสัญญาณจำนวนนับมากที่สุดแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น ใช้วัดความหนาของวัตถุเนื่องจากรังสีแต่ละชนิดทะลุวัตถุได้ดีไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อผ่านรังสีไปยังแผ่นวัตถุต่างๆ เช่น โลหะ กระดาษ พลาสติก แล้ววัดความสามารถในการดูดซับรังสีของวัตถุนั้นด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ เปรียบเทียบจำนวนนับกับตารางข้อมูลก็จะทำให้ทราบความหนาของวัตถุได้

   การเก็บถนอมอาหาร ใช้โคบอลต์ -60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้ว

                               VDO เรื่องธาตุกัมมันตรังสี