ธาตุกัมมันตรังสี

มาตรฐาน

ในปี ค.ศ. 1896 อองตวน อองรี เบ็กเคอเรล นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พบว่า  เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม ฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ ก็ได้ผลเช่นเดียวกัน  จึงสรุปได้ว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียการทดลองสารกัมมันตรังสีของอองตวน อองรี เบ็กเคอเรล

ต่อมา ปีแอร์ และมารี กูรี ได้ค้นพบว่า ธาตุยูพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน  เพราะฉะนั้นจึงสรุปได้ว่า
          ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียร เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า  82
          กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง รังสีที่ได้จากการสลายตัว มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมา

ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่ง มีประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอนไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น

(ธาตุยูเรเนียม)      (ธาตุทอเลียม) (อนุภาคแอลฟา)

          จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้  หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม  และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ  มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน  เรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ
ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้

ตารางที่ 7 ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

ชนิดของรังสี

สมบัติ

รังสีแอลฟา
หรืออนุภาคแอลฟา

เป็นนิวเคลียสของอะตอม ฮีเลียม มีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มีประจุไฟฟ้า +2 มีเลขมวล 4 มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำเพียงแค่กระดาษ อากาศที่หนาประมาณ 2-3 cm น้ำที่หนาขนาดมิลลิเมตร หรือโลหะบางๆ ก็สามารถกั้นอนุภาคแอลฟาได้

รังสีบีตา
หรืออนุภาคบีตา

มีสมบัติเหมือน อิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน (น้อยมาก) มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า สามารถผ่านแผ่นโลหะบางๆ ได้ และมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง

รังสีแกมมา

เป็นคลื่อนแม่เหล็ก ไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุ ไม่มีมวล เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสงและมีอำนาจทะลุทะลวงสูง สามารถผ่านแผ่นตะกั่วหนา 8 mm หรือแผ่นคอนกรีตหนาๆ ได้

ภาพที่ 11 อำนาจทะลุทะลวงของรีงสีต่างๆ

การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี
การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งมี 2 ประเภท คือ
          1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรงนักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

 ภาพที่ 12 การเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน

          2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction) คือ ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลและมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันเสียอีก ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) ดังภาพ

ภาพที่ 13 การเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน

ประโยชน์จากการใช้ธาตุกัมมันตรังสี
          1. ด้านธรณีวิทยา การใช้คาร์บอน-14  (C-14) คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ
2. ด้านการแพทย์ ใช้ไอโอดีน-131 (I-131) ในการติดตามเพื่อศึกษาความผิดปกติของต่อมไธรอยด์ โคบอลต์-60 (Co-60) และเรเดียม-226 (Ra-226) ใช้รักษาโรคมะเร็ง
3. ด้านเกษตรกรรม ใช้ฟอสฟอรัส 32 (P-32) ศึกษาความต้องการปุ๋ยของพืช ปรับปรุงเมล็ดพันธุ์ที่ต้องการ  และใช้โพแทสเซียม-32 (K–32) ในการหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้
          4. ด้านอุตสาหกรรม ใช้ธาตุกัมมันตรังสีตรวจหารอยตำหนิ เช่น รอยร้าวของโลหะหรือท่อขนส่งของเหลว ใช้ธาตุกัมมันตรังสีในการ ตรวจสอบและควบคุมความหนาของวัตถุ ใช้รังสีฉายบน อัญมณีเพื่อให้มีสีสันสวยงาม
          5. ด้านการถนอมอาหาร ใช้รังสีแกมมาของธาตุโคบอลต์-60 (Co–60) ปริมาณที่พอเหมาะใช้ทำลายแบคทีเรียในอาหาร  จึงช่วยให้เก็บรักษาอาหารไว้ได้นานขึ้น
          6. ด้านพลังงาน มีการใช้พลังงานความร้อนที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูของยูเรีเนียม-238 (U-238) ต้มน้ำให้กลายเป็นไอ แล้วผ่านไอน้ำไปหมุนกังหัน เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

เอ็กซ์-เรย์

อาบรังสีเพื่อถนอมอาหาร

โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์

ภาพที่ 14 ตัวอย่างประโยชน์จากธาตุกัมมันตรังสี

ตารางที่ 8 แสดงธาตุและไอโซโทป

ธาตุ/ไอโซโทป

ครึ่งชีวิต

แบบการสลายตัว

ประโยชน์

Tc -99

6 ชั่วโมง

C-14

5,760 ปี

บีตา

หาอายุวัตถุโบราณ

Co-60

5.26 ปี

แกมมา

รักษามะเร็ง

Au-198

2.7 วัน

บีตา แกมมา

วินิจฉัยตับ

I-125

60 วัน

แกมมา

หาปริมาณเลือด

I-131

8.07 วัน

บีตา แกมมา

วินิจฉัยอวัยวะ

P-32

14.3 วัน

บีตา

รักษามะเร็ง

Pu-239

24,000 ปี

แอลฟา  แกมมา

พลังงาน

K-40

1×109 ปี

บีตา

หาอายุหิน

U-238

4.5×109 ปี

แอลฟา  แกมมา

วัตถุเริมต้นให้ Pu-239

U-235

7.1×109 ปี

แอลฟา  แกมมา

รักษามะเร็ง

Cl-36

4×105 ปี

Po-216

0.16 วินาที

Ra-226

1,600 ปี

แอลฟา  แกมมา

รักษามะเร็ง

โทษของธาตุกัมมันตรังสี
          1. ถ้าร่างกายได้รับจะทำให้โมเลกุลภายในเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลงไม่สามารถทำงานตามปกติได้ ถ้าเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมก็จะเกิดการผ่าเหล่า โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์เมื่อเข้าไปในร่างกายจะไปสะสมในกระดูก
          2. ส่วนผลที่ทำให้เกิดความป่วยไข้จากรังสี เมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัว ทำให้เกิดอาการป่วยไข้และเกิดมะเร็งได้

ธาตุกัมมันตรังสี
ในปี พ.ศ. 2439  อองตวน  อองรี  เบ็กเคอเรล (Antonine Henri Becquerel)  นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่ห่อหุ้มด้วยกระดาษดำ และเก็บรวมไว้กับสารประกอบยูเรเนียมจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงสว่าง  เขาจึงได้ทดลองเก็บแผ่นฟิล์มไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ดูบ้าง  ซึ่งก็พบว่าผลที่เกิดขึ้นเป็นเช่นเดียวกัน  ดังนั้นเบ็กเคอเรสจึงได้สรุปว่า  เหตุการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากธาตุยูเรเนียมมีสมบัติในการแผ่รังสีออกมา ได้
หลังจากนั้น ปีแอร์ คูรี  และ  มารี คูรี (Pierre Curie and Marie Curie)  นักวิทยาศาสตร์คู่สามีภรรยาชาวฝรั่งเศส  ได้ค้นพบเพิ่มเติมว่า  ธาตุยูเรเนียมไม่ได้เป็นธาตุเพียงชนิดเดียวที่สามารถแผ่รังสีออกมาได้  แต่ยังมีธาตุชนิดอื่น ๆ ที่สามารถแผ่รังสีออกมาได้เช่นเดียวกัน  เช่น  ธาตุพอลโลเนียม (Po),  เรเดียม (Ra),  และทอเรียม (Th)  เป็นต้น  ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้เรียกรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุต่าง ๆ ว่า  กัมมันตภาพรังสี  และเรียกธาตุต่าง ๆ ที่มีสมบัติในการแผ่รังสีว่า  ธาตุกัมมันตรังสี
การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีเหล่านี้เกิดขึ้นในไอโซโทปของธาตุที่มีจำนวน นิวตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอนมาก  ทำให้นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรจึงต้องมีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นธาตุที่มีความ เสถียรมากขึ้น  โดยการสลายตัวเองเพื่อปล่อยอนุภาคภายในนิวเคลียสออกมาในรูปของการแผ่รังสี  การแผ่รังสีของธาตุเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ  โดยพบว่าธาตุต่าง ๆ ที่อยู่ในธรรมชาติที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ส่วนใหญ่จะสามารถแผ่รังสีได้ทั้งสิ้น  ตัวอย่างเช่น  ธาตุเรเดียม,  ยูเรเนียม,  ทอเรียม  เป็นต้น
การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะเกิดขึ้นได้โดยอะตอมของธาตุมีการปลดปล่อย องค์ประกอบและพลังงานที่อยู่ภายในอะตอมออกมา  ทำให้โครงสร้างของอะตอมเปลี่ยนแปลงไป  โดยองค์ประกอบและพลังงานของธาตุที่ถูกปลดปล่อยออกมานั้นจะแผ่ออกมาจากธาตุใน รูปของรังสีต่าง ๆ ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิด  คือ  รังสีแอลฟา,  รังสีบีตา  และรังสีแกมมา  ซึ่งรังสีต่าง ๆ จะมีลักษณะและสมบัติที่แตกต่างกัน  ดังนี้
  1.  รังสีแอลฟา (alpha)  เป็นอนุภาคที่มีสมบัติเหมือนนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม  คือเป็นอนุภาคซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค  แต่ไม่มีอิเล็กตรอน  จึงมีประจุบวก 2 สามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ  เป็นรังสีที่มีอำนาจการทะลุทะลวงต่ำ
2.  รังสีบีตา (beta)  เป็นอนุภาคที่มีประจุลบ  มีคุณสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน  จึงสามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก  รังสีบีตามีอำนาจการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า  มีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงกว่ารังสีแอลฟา  และสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่ารังสีแอลฟา
  3.  รังสีแกมมา (gamma)  มีคุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave)  ที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก  ไม่มีประจุและไม่มีมวล  จึงไม่มีการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า  มีอำนาจการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีบีตามาก  เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาออกมา  แต่นิวเคลียสของธาตุยังไม่เสถียร  ยังมีระดับพลังงานที่สูงอยู่  จึงต้องปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับ พลังงาน  โดยรังสีแกมมาจะมีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงมากจนมีค่าใกล้เคียงกับความ เร็วแสง

  1.  ครึ่งชีวิตของธาตุ (Half life)
          เรารู้แล้วว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดจากนิวเคลียสในอะตอม ของธาตุซึ่งไม่เสถียร  จึงต้องมีการสลายตัวและแผ่รังสีออกมา  เพื่อเปลี่ยนไปเป็นอะตอมที่มีเสถียรภาพมากขึ้น  เมื่อธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมาแล้วจะเกิดการสลายตัวลดปริมาณลงไปด้วย  โดยนักวิทยาศาสตร์เรียกระยะเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวไปจนเหลือครึ่ง หนึ่งของปริมาณเดิมว่า  ครึ่งชีวิต (Half life)  ตัวอย่างเช่น  ธาตุซัลเฟอร์ -35  มีครึ่งชีวิต 87 วัน  ในการสลายตัวเหลือ 4 กรัม  และใช้เวลาอีก 87 วัน  ในการสลายตัวจนเหลือ 2 กรัม  เป็นต้น

    2.  ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี
          ความสามารถในการปลดปล่อยพลังงาน  และรังสีที่มีพลังงานและมีอำนาจทะลุทะลวงของธาตุกัมมันตรังสีได้ถูกนำไป ประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านต่าง ๆ มากมายทั้งในด้านการแพทย์  การเกษตร  อุตสาหกรรม  รวมจนถึงด้านธรณีวิทยาการหาอายุของวัตถุต่าง ๆ โดยธาตุกัมมันตรังสีที่มีการใช้ประโยชน์กันอย่างกว้างขวาง  ได้แก่
     2.1  ยูเรเนียม-235 (U-235)  ใช้สำหรับเป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์  ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบินและยานอวกาศ  และใช้ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ (X-ray)  ซึ่งมีพลังงานสูง
2.2  โคบอลต์-60 (Co-60)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถแผ่กัมมันตรังสีชนิดแกมมาซึ่งมีผลในการ ยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ได้  จึงมีการนำมาใช้ในการยับยั้งการเจริญเติบโตเชื้อจุลินทรีย์ในอาหาร  ผักและผลไม้  และนำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง
2.3  คาร์บอน-14 (C-14)  เป็นธาตุ กัมมันตรังสีที่สามารถพบได้ในวัตถุต่าง ๆ เกือบทุกชนิดบนโลก  จึงสามารถนำระยะเวลาครึ่งชีวิตของธาตุนี้มาใช้ในการคำนวณหาอายุของวัตถุ โบราณ  อายุของหินและเปลือกโลกและอายุของซากฟอสซิลต่าง ๆ ได้  (C-14  มีครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี)
  2.4  ฟอสฟอรัส-32 (P-32)  เป็นสารประกอบกัมมันตรังสีที่สามารถละลายน้ำได้  มีระยะเวลาครึ่งชีวิตประมาณ 14.3 วัน  ทางการแพทย์นำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็งของเม็ดโลหิตขาว (ลิวคีเมีย)  โดยให้รับประทานหรือฉีดเข้าในกระแสโลหิต  นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการตรวจหาเซลล์มะเร็ง  และตรวจหาปริมาณโลหิตของผู้ที่จะเข้ารับการผ่าตัด

   3.  อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสี
          อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดขึ้นได้  เนื่องจากหากร่างกายของสิ่งมีชีวิตได้รับกัมมันตรังสีในปริมาณที่มากเกินไป จะทำให้โมเลกุลของน้ำ  สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ต่าง ๆ ในร่างกายเสียสมดุล  ทำให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ในร่างกาย  ซึ่งจะทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดความเจ็บป่วย  หรือหากได้รับในปริมาณมากก็อาจทำให้เสียชีวิตได้  ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีจึงจะต้องมีอุปกรณ์ที่ช่วย ป้องกันอันตรายจากรังสี  และมีการกำหนดระยะเวลาในการทำงานเพื่อไม่ให้สัมผัสกับรังสีเป็นเวลานานเกิน ไป

About these ads

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s