ธาตุกัมมันตรังสี

Henri Becquerel Henri Becquerel (พ.ศ. 2395-2451) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้รับรางวัลโนเบลทางฟิสิกส์ ในปีพ.ศ.2446 จากผลงานการค้นพบกัมมันตรังสีในธรรมชาติพร้อมกับปิแอร์และ มารี คูรี จากการค้นพบธาตุกัมมันตรังสีสองธาตุคือ เรเดียมและพอโลเนียม

Pierre Curie and Marie Curie Pierre Curie (พ.ศ. 2402-2449) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Marie Curie นักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ สามี ภรรยาคู่นี้ทำงานทางด้านกัมมันตภาพรังสี และได้รับรางวัลโนเบลเช่นกัน เป็นที่น่าสังเกตว่า มาดามคูรีเสียชีวิตด้วยโรคลูคีเมีย หรือ มะเร็งในโลหิต ซึ่งอาจเนื่องมาจากการได้รับรังสีจากธาตุกัมมันตภาพรังสีเกินควรก็ได้

ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element) การเกิดกัมมันตภาพรังสี การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต ปฏิกิริยานิวเคลียร์ การนำไปใช้ประโยชน์

รังสีที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่มี 3 ชนิด คือ ธาตุกัมมันตรังสี คือ ธาตุที่นิวเคลียสของอะตอมแผ่รังสีออกมา อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ซึ่งเรียกว่า กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) และธาตุนั้นจะกลายเป็นธาตุใหม่ จนในที่สุดได้อะตอมที่เสถียร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่า 83 เช่น U-238 Th-232 Rn-222 รังสีที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีบีต้า รังสีแกมมา

The behavior of three types of radioactive emissions in an electric field.

รัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาเพิ่มเติมและแสดงให้เห็นว่ารังสีที่ธาตุกัมมันตรังสีปล่อยมาอาจเป็นรังสีแอลฟา รังสีบีตา หรือรังสีแกมมา ซึ่งมีสมบัติต่างกัน รังสีแอลฟา   เป็นนิวเคลียสของฮีเลียม มีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มีประจุไฟฟ้า +2 มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำมาก กระดาษเพียงแผ่นเดียวหรือสองแผ่นก็สามารถกั้นได้ รังสีบีตา  คือ อนุภาคที่มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ มีประจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟา ประมาณ 100 เท่า สามารถผ่านแผ่นโลหะบางๆ ได้ เช่น แผ่นตะกั่วหนา 1 mm มีความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง รังสีแกมมา  เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุ ไม่มีมวล มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด สามารถทะลุผ่านแผ่นไม้ โลหะและเนื้อเยื่อได้ แต่ถูกกั้นได้โดยคอนกรีตหรือแผ่นตะกั่วหนา

ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด อำนาจการทะลุทะลวงของรังสี

สัญลักษณ์ ชนิดของประจุ และมวลของรังสี

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี การแผ่รังสีแอลฟา เกิดกับนิวเคลียสที่มีสัดส่วนโปรตอนกับนิวตรอนไม่เหมาะสม

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี การแผ่รังสีบีต้า เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี การแผ่รังสีบีต้า (โพซิตรอน)

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปของกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายให้รังสีแอลฟา และบีตา แต่ยังไม่เสถียรจนเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้พลังงานต่ำลง Ra

สมการนิวเคลียร์ (Nuclear equation) คือ สมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ สมการต้องดุลด้วย ซึ่งการดุลสมการนั้น ต้องดุลทั้งเลขมวล และเลขอะตอมทั้งด้านซ้ายและขวาของสมการเคมีให้เท่ากัน กล่าวคือผลบวกของเลขมวลและเลขอะตอมของสารตั้งต้นเท่ากับของผลิตภัณฑ์ ดังตัวอย่าง

การดุลสมการนิวเคลียส์ เลขมวลเท่ากัน 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 235 + 1 = 138 + 96 + 2 x 1 เลขอะตอมเท่ากัน 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 92 + 0 = 55 + 37 + 2 x 0

จงเขียนสมการต่อไปนี้ให้สมบูรณ์ ก. 2714Si X + 0-1e ข. 6629Cu Q + 0-1e ค. 2713Al + 42He 3014Si + _______ ง. 146C 136C + ________ จ. 22689Ac 22688Ra + ________ ฉ. 22689Ac 22287Fr + __________

Half-life ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี หมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้

ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรังสีมีครึ่งชีวิต 30 วัน จะใช้เวลานานเท่าใดสำหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณตอนที่เริ่มต้น ถ้าเริ่มต้นมีธาตุกัมมันตรังสีอยู่ 100 g สลายตัวไป 75 g ดังนั้นต้องการให้เหลือธาตุนี้ 25 g เนื่องจากธาตุนี้มีครึ่งชีวิต 30 วัน 30 วัน 30 วัน ธาตุกัมมันตรังสี 100 g 50 g 25 g ดังนั้นต้องใช้เวลา 30 x 2 = 60 วัน สำหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณเริ่มต้น

แสดงว่าเมื่อเวลาผ่านไป 24 ชั่วโมง จะมี Tc-99 เหลืออยู่ 1.125 กรัม ตัวอย่าง จงหาปริมาณของ Tc-99 ที่เหลือเมื่อวาง Tc-99 จำนวน 18 กรัมไว้นาน 24 ชั่วโมง และ Tc-99 มีครึ่งชีวิต 6 ชั่วโมง 18hrs. Tc-99 18 g Tc-99 9 g Tc-99 4.5 g Tc-99 1.125 g Tc-99 2.25 g 6 hrs. 1 ครึ่งชีวิต 2 ครึ่งชีวิต 3 ครึ่งชีวิต 4 ครึ่งชีวิต 24 hrs. 12 hrs. แสดงว่าเมื่อเวลาผ่านไป 24 ชั่วโมง จะมี Tc-99 เหลืออยู่ 1.125 กรัม

ตัวอย่าง จงหาปริมาณ I - 131 เริ่มต้น เมื่อนำ I - 131 จำนวนหนึ่งมาวางไว้เป็นเวลา 40.5 วัน ปรากฏว่ามีมวลเหลือ 0.125 กรัม ครึ่งชีวิตของ I -131เท่ากับ 8.1 วัน สมมติ I -131 เริ่มต้นมี a กรัม I - 131 จำนวน a กรัม วางไว้ 40.5 วัน = 5 ครึ่งชีวิต ครึ่งชีวิตสุดท้าย I - 131 ที่เหลือมีมวล = 0.125 กรัม a 4 a 2 2 ครึ่งชีวิต 2 ครึ่งชีวิต 40.5 วัน 32.4 วัน a 16 a 32 a 8 I - 131 เริ่มต้นมีมวล = 4 g

ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรังสี A จำนวน 32 กรัม ถ้าทิ้งไว้นานเป็นเวลา 6 ปี ธาตุกัมมันตรังสี A จะเหลืออยู่ 4 กรัม จงหาครึ่งชีวิตของธาตุ A จากการเทียบจะพบว่าสารตั้งต้นมี 32 กรัม สลายตัวไปเพียง 3x จะเหลือ 4 กรัม ดังนั้น ครึ่งชีวิตของธาตุ A เป็น 2 ปี 3X = 6 X = 2 ดังนั้น ครึ่งชีวิตของธาตุ A = 2 ปี

เพิ่มเติมสูตรการหาครึ่งชีวิตของธาตุ N เหลือ = N เริ่มต้น 2n T = n t1/2 N เหลือ = กัมมันตรังสีที่เหลือ N เริ่มต้น = กัมมันตรังสีเริ่มต้น T = จำนวนเวลาที่ธาตุสลายตัว n = จำนวนครั้งในการสลายตัวของครึ่งชีวิต t1/2 = ระยะเวลาที่นิวเคลียสกัมมันตรังสีสลายตัวเหลือครึ่งหนึ่ง ของปริมาณเดิม (ครึ่งชีวิต)

ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรังสี X 20 กรัม สลายตัวไป 10 กรัม ภายในเวลา 30 วัน พบว่าหลังทิ้งธาตุ X ไว้ 150 วัน จะเหลือธาตุ X 300 กรัม อยากทราบว่า เริ่มต้นต้องนำธาตุกัมมันตรังสี X มากี่กรัม ธาตุ X 30 วัน เหลือธาตุ X 20 g 10 g จากสูตรความสัมพันธ์ ธาตุกัมมันตรังสี X มีครึ่งชีวิต 30 วัน ดังนั้น T = n t1/2 150 = n(30) n = 5 เพราะฉะนั้นหาธาตุ X เริ่มต้นได้ จาก ธาตุ X เริ่มต้น = 300 x 25 = 9,600 กรัม N เหลือ = N เริ่มต้น 2n

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น และให้พลังงานจำนวนมหาศาล แบ่งออกได้ 2 ประเภท ดังนี้ 1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) 2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิด แตกตัวออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่า เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

Fission reaction ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิชชัน กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดแตกตัวออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่า ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิชชัน ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ในฟิชชันได้ และนำมาใช้ประโยชน์ทางสันติ เช่น ใช้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณู เพื่อผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสี เพื่อใช้ในทางการแพทย์ การเกษตร และอุตสาหกรรม ในขณะที่พลังงานที่ได้ก็สามารถนำไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยาที่เกิดการรวมตัวของไอโซโทปที่มีมวลอะตอมต่ำ ทำให้เกิดไอโซโทปใหม่ที่มีมวลมากขึ้นกว่าเดิม และให้พลังงานจำนวนมหาศาล และโดยทั่วๆ ไปจะให้พลังงานมากกว่าปฏิกิริยาฟิสชัน

Fusion reaction ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิวชัน กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุเบาสองชนิดหลอมรวมกันเกิด เป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่าเดิมและให้พลังงานปริมาณมาก ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิวชัน พลังงานในปฏิกิริยาฟิวชันถ้าควบคุมให้ปล่อยออกมาช้า ๆ จะเป็นประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมากมาย และมีข้อได้เปรียบกว่าปฏิกิริยาฟิสชัน เพราะสารตั้งต้นคือไอโซโทปของไฮโดรเจนนั้นหาได้ง่าย นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันยังเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีอายุและอันตรายน้อยกว่า ซึ่งจัดเป็นข้อได้เปรียบในแง่ของสิ่งแวดล้อม (เกิดเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์)

ประโยชน์ของไอโซโทปกัมมันตรังสี 1. ด้านธรณีวิทยา  มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดำบรรพ์ 2. ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด ทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง

ประโยชน์ของไอโซโทปกัมมันตรังสี (ต่อ) โซเดียม-24 ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่ Au-198 ใช้ตรวจตับและไขกระดูก I-131 ใช้ศึกษาความผิดปกติของต่อมไทรอยด์ 3. ด้านเกษตรกรรม ใช้ P-32 ศึกษาความต้องการปุ๋ยของพืช 4. ด้านการถนอมอาหาร ใช้ Co-60 ในการถนอมอาหารให้มีอายุยาวนานขึ้น เพราะรังสีแกมมาช่วยในการทำลายแบคทีเรีย