2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

 

2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

ความหมายของธาตุกัมมันตรังสี

     ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึงธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียส

ของอะตอมไม่เสถียร เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า82

กัมมันตภาพรังสี หมายถึงปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เอง

อย่างต่อเนื่อง รังสีที่ได้จากการสลายตัว มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา 

รังสีบีตา และรังสีแกมมา ปรากฏการณ์นี้ได้พบครั้งแรกโดย เบคเคอเรล 

เมื่อปี พ.ศ. 2439

     ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่ง มีประจุบวกและนิวตรอน

ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอน

ไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมา

เพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น

ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่ง มีประจุบวกและนิวตรอน

ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอน

ไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมา

เพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ 

เช่นในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่ง มีประจุบวก

และนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อ

จำนวนนิวตรอนไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อย

รังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง

ตามธรรมชาติ เช่น

    

  จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้ หรืออาจเป็นธาตุเดิม

แต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม 

และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกัน

และแผ่รังสีได้แตกต่างกัน เรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ

รังสีแอลฟา     รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอนุภาคที่

มีมวล 4 amuมีประจุ +2 อนุภาคชนิดนี้จะถูกกั้นไว้ด้วยแผ่นกระดาษ

หรือเพียงแค่ผิวหนังชั้นนอกของคนเราเท่านั้นการสลาย

ตัวให้รังสีแอลฟา90Th 232----->88Ra 228 + 2a 4

รังสีเบต้า 

    รังสี ที่ประกอบด้วยอนุภาคอิเลคตรอนหรือโพสิตรอน 

รังสีนี้มีคุณสมบัติทะลุทะลวงตัวกลางได้ดีกว่ารังสีแอลฟา 

สามารถทะลุผ่านน้ำที่ลึกประมาณ 1 นิ้วหรือประมาณความหนา

ของผิวเนื้อที่ฝ่ามือได้ รังสีเบต้าจะถูกกั้นได้โดยใช้แผ่นอะลูมิเนียมชนิดบาง

การสลายตัวให้รังสีบีตา

79Au 198----->80Hg 198 + -1b 07N 13----->6C 13 + +1b 0

รังสีแกมมา 

     รังสี ที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง มีคุณสมบัติเช่นเดียวกัน

กับรังสีเอกซ์ที่สามารถทะลุผ่านร่างกายได้ การกำบังรังสีแกมมา

ต้องใช้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูงเช่น ตะกั่วหรือยูเรเนียม เป็นต้นการสลายตัวให้รังสีแกมมา27Co 60----->-1b 0 + 28Ni 60----->28Ni60 + gครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี     ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่ง

ออมาได้เองตลอดเวลา ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็ว

หรือช้าแตกต่างกัน ปริมาณการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะบอกเป็น

 ครึ่งชีวิต ใช้สัญลักษณ์ครึ่งชีวิต หมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียส

ของธาตุกัมมันตรังสี สลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม 

ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่งๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิม

ไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ

 เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 10 กรัม

 นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง 

จะมี Na-24เหลือ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมงจะมี

 Na-24เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั้นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15 ชั่วโมง Na-24 

จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม

ปฏิกิริยานิวเคลียร์  ปฏิกิริยาเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เป็นการเปลี่ยนแปลง

ที่เกิดขึ้นกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุที่ทำปฏิกิริยากัน

ทำให้เกิดเป็นสารใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิมและมีพลังงานเกี่ยวข้อง

ไม่มาก ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของธาตุ 

อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่

หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็ก 

จะได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่ 

รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาล

 ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ศึกษา

ได้ดังนี้ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน     

ในปี พ.ศ. 2482  นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่า

เมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235

 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่าการตรวจสอบสารกัมมันตรังสีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี     

รังสีทำให้โมเลกุลของสารแตกตัวเป็นไอออนได้เป็นผลให้เกิดการ

เปลี่ยนแปลงที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิต มนุษย์ไม่สามารถมอง

เห็นรังสีได้ด้วยตาเปล่าจึงต้องมีการตรวจสอบรังสีด้วยวิธีต่างๆ 

เช่น การใช้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารนั้น และเก็บไว้ในที่มืด 

ถ้าฟิล์มที่ล้างแล้วปรากฎสีดำแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสี

หรือนำสารที่ต้องการตรวจสอบเข้าใกล้สารเรืองแสง 

ถ้าเกิดการเรืองแสงขึ้นแสดงว่าสารนั้นมีธาตุกัมมันตรังสีอยู่ 

แต่การตรวจสอบโดยวิธีที่กล่าวมาแล้วไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ 

ถ้าต้องการทราบปริมาณรังสีต้องใช้เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ 

ซึ่งประกอบด้วยหัววัดรังสีและมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีด้านธรณีวิทยา  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 เปรียบเทียบจำนวนนับกับตารางข้อมูลก็จะทำให้ทราบความหนาของวัตถุได้การเก็บถนอมอาหาร 
     ใช้โคบอลต์ -60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้วจะเห็นได้ว่าธาตุกัมมันตรังสีให้ประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมาก แต่ถ้าใช้ในปริมาณไม่ถูกต้องหรือนำไปใช้ในสภาพไม่เหมาะสมก็จะมีผลต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมได้