Chemistry: 2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

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

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
  ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่งมีประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอนไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ

2.6.1 การเกิดกัมมันตภาพรังสี

1. รังสีแอลฟา (สัญลักษณ์: α) คุณสมบัติ เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (4 2He) มี p+ และ nอย่างละ 2 อนุภาค ประจุ +2 เลขมวล 4 อำนาจทะลุทะลวงต่ำ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ

2. รังสีบีตา (สัญลักษณ์: β) คุณสมบัติ เหมือน e- อำนาจทะลุทะลวงสูงกว่า α 100 เท่า ความเร็วใกล้เสียง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก

3. รังสีแกมมา (สัญลักษณ์: γ) คุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากไม่มีประจุและไม่มีมวล อำนาจทะลุทะลวงสูงมาก ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาแล้วยังไม่เสถียร มีพลังงานสูง จึงแผ่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับพลังงาน จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้ หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอน หรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันเรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ

2.6.2 การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี

จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียร จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าโดยการแผ่รังสีออกมา ดังตัวอย่างต่อไปนี้
                  การแผ่รังสีแอลฟา ส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีและอะตอมสูงกว่า 82 และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง 4 ดังตัวอย่าง

                   ${}_{82}^{204} Pb \to {}_{80}^{200} Hg$ +   ${}_{2}^{4} He$
                    ${}_{88}^{226} Ra \to {}_{86}^{222} Rn$ +   ${}_{2}^{4} He$

                 การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน เมื่อปล่อยรังสีบีตาออกมานิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 เลขมวลยังคงเดิมดังตัวอย่าง

                  ${}_{82}^{204} Pb \to {}_{80}^{200} Hg$ +   ${}_{2}^{4}He$
                    ${}_{88}^{226} Ra \to {}_{86}^{222} Rn$ +   ${}_{2}^{4}He$

การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมาดังตัวอย่าง

2.6.3 อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี

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

สัญลักษณ์รังสี

2.6.4 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออมาได้เองตลอดเวลา ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน ปริมาณการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต ใช้สัญลักษณ์ $t_{1/2}$ 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 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม

สูตรการหาครึ่งชีวิตของธาตุ

T = nt_1/2หรือ n = T /t_1/2

N_{เหลือ} = กัมมันตรังสีที่เหลือ

T = จำนวนเวลาที่ธาตุสลายตัว(วัน)

N_{เริ่มต้น} = กัมมันตรังสีเริ่มต้น

n = จำนวนครั้งในการสลายตัวของครึ่งชีวิต

2.6.5 ปฎิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยาเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุที่ทำปฏิกิริยากันทำให้เกิดเป็นสารใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิมและมีพลังงานเกี่ยวข้องไม่มาก ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของธาตุ อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็ก จะได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่ รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาล ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ศึกษาได้ดังนี้

ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน
                 ในปี พ.ศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่าง เช่น

                    ${}_0^1 n+{}_{92}^{235} U \to {}_{56}^{142} Ba + {}_{36}^{91} Kr + 3{}_0^1 n$ + พลังงาน
                    ${}_0^1 n+{}_{92}^{235} U \to {}_{52}^{137} Te + {}_{40}^{97} Zn + 2{}_0^1 n$ + พลังงาน

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

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

                    ${}_{1}^{2} H + {}_{1}^{3} H \to {}_{2}^{4} He$ + ${}_{0}^{1} n$ +พลังงาน
                  ${}_{1}^{2} H + {}_{1}^{2} H \to {}_{1}^{3} H$ + ${}_{1}^{1} H$ +พลังงาน

                 กระบวนการนี้เรียกว่า ปฏิกิริยาฟิวชัน (fusion reaction) ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของสุริยจักรวาลการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมกันซึ่งประมาณกันว่าจะต้องมีอุณหภูมิถึง 2 x 10^8

$^\circ C$ ความร้อนหรือพลังงานจำนวนนี้อาจได้จากปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนเป็นปฏิกิริยาชนวนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน ถ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆ และต่อเนื่องกัน จะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ปฏิกิริยาฟิวชันมีข้อได้เปรียบกว่าปฏิกิริยาฟิชชันหลายประการกล่าวคือ คายพลังงานออกมามาก สารตั้งต้นของปฏิกิริยาฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมาก นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่าผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาฟิชชัน

2.6.6 เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้กัมมันตรังสี

ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดำบรรพ์ซึ่งหาได้ดังนี้ ในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจน รวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิกจนเกิดปฏิกิริยา แล้ว C-14 ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน แล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และสัตว์กินพืช คนกินสัตว์และพืช ในขณะที่พืชหรือสัตว์ยังมีชีวิตอยู่ C-14 จะถูกรับเข้าไปและขับออกตลอดเวลา เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง การรับ C-14 ก็จะสิ้นสุดลงและมีการสลายตัวทำให้ปริมาณลดลงเรื่อยๆ ตามครึ่งชีวิตของ C-14 ซึ่งเท่ากับ 5730 ปี

ดังนั้น ถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวในขณะที่ต้องการคำนวณอายุวัตถุนั้น ก็สามารถทำนายอายุได้ เช่น ซากสัตว์โบราณชนิดหนึ่งมีอัตราการสลายตัวของ C-14 ลดลงไปครึ่งหนึ่งจากของเดิมขณะที่ยังมีชีวิตอยู่เนื่องจาก C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี จึงอาจสรุปได้ว่าซากสัตว์โบราณชนิดนั้นมีอายุประมาณ 5730 ปี

ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยู่ในรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่
ด้านเกษตรกรรม มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีติดตามระยะเวลาการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนกระทั่งถึงการคายออกที่ใบ หรือใช้ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช
ด้านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ จะใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสีในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอตลอดแผ่น โดยใช้รังสีบีตายิงผ่านแนวตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่รีดแล้ว แล้ววัดปริมาณรังสีที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะออกมาด้วยเครื่องวัดรังสี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะที่รีดแล้วผิดไปจากความหนาที่ตั้งไว้ เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไปควบคุมความหนา โดยสั่งให้มอเตอร์กดหรือผ่อนลูกกลิ้ง เพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการ

5.การเก็บถนอมอาหาร ใช้โคบอลต์ -60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษา อาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหาร แล้วจะเห็นได้ว่าธาตุกัมมันตรังสีให้ประโยชน์ต่อมนุษย์อย่าง มากแต่ถ้าใช้ในปริมาณไม่ถูกต้องหรือนำไปใช้ในสภาพไม่ เหมาะสมก็จะมีผลต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมได้

ที่มา:http://www.vcharkarn.com/lesson/1186

http://stemthree.blogspot.com/2011/12/blog-post_2001.html

http://nakhamwit.ac.th/pingpong_web/m&c_web/Content_10.html

http://www.krusarawut.net/wp/?p=12012

2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

คลังบทความของบล็อก