ธาตุกมัมนัตรังสี

1

2

Henri Becquerel

Henri Becquerel (พ.ศ. 2395-2451) นักฟิสิกส์ชาวฝรัง่ เศสได้ร ับรางวัลโนเบลทางฟิสกิส ์ในปีพ.ศ.2446

จากผลงานการค้นพบกมัมนัตรงัสีในธรรมชาตพิรอ้มกบัปิแอรแ์ละ มาร ีครู ี

จากการคน้พบธาตุกมัมนัตรงัสสีองธาตุคอื เรเดยีมและพอโลเนียม

3

Pierre Curie and Marie Curie

Pierre Curie (พ.ศ. 2402-2449) นกัฟิสกิสช์าวฝรัง่เศส Marie Curie นกัฟิสกิสช์าวโปแลนด ์

สาม ีภรรยาคูน้ี่ท างานทางดา้นกมัมนัตภาพรงัส ีและไดร้บัรางวลัโนเบลเชน่กนั เป็นทีน่่าสงัเกตวา่ มาดามครูีเสยีชวีติดว้ยโรคลคูเีมยี หรอื มะเรง็ในโลหติ ซึง่อาจเน่ืองมาจากการไดร้บัรงัสีจากธาตุกมัมนัตภาพรงัสเีกนิควรกไ็ด ้

4

ธาตุกมัมนัตรังสี (Radioactive Element)

1.การเกดิกมัมนัตภาพรังสี

2.การสลายตวัของธาตุกมัมนัตรังสี

3.คร่ึงชีวติ

4.ปฏิกริิยานิวเคลยีร์

5.การน าไปใช้ประโยชน์

5

ธาตุกมัมันตรังสี คอื ธาตุทีนิ่วเคลยีสของอะตอมแผ่รังสีออกมา อย่างต่อเน่ืองตลอดเวลา ซ่ึงเรียกว่า กมัมันตภาพรังสี (Radioactivity) และธาตุน้ันจะกลายเป็นธาตุใหม่ จนในทีสุ่ดได้อะตอมทีเ่สถยีร ซ่ึงส่วนใหญ่เป็นธาตุทีม่ีเลขอะตอมมากกว่า 83 เช่น U-238 Th-232 Rn-222

รังสีที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่มี 3 ชนิด คอื รังสีแอลฟา รังสีบีต้า รังสีแกมมา

6

The behavior of three types of radioactive emissions in

an electric field.

7

รัทเทอร์ฟอร์ดไดศึ้กษาเพ่ิมเติมและแสดงใหเ้ห็นวา่รังสีท่ีธาตุกมัมนัตรังสีปล่อยมาอาจเป็นรังสีแอลฟา รังสีบีตา หรือรังสีแกมมา ซ่ึงมีสมบติัต่างกนั

รังสีแอลฟา เป็นนิวเคลยีสของฮีเลยีม มีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มปีระจุไฟฟ้า +2 มอี านาจทะลุทะลวงต า่มาก กระดาษเพยีงแผ่นเดยีวหรือสองแผ่นกส็ามารถกั้นได้

รังสีบีตา คอื อนุภาคทีม่สีมบัตเิหมอืนอเิลก็ตรอน คอื มปีระจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากบัอเิลก็ตรอน มอี านาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟา ประมาณ 100 เท่า สามารถผ่านแผ่นโลหะบางๆ ได้ เช่น แผ่นตะกัว่หนา 1 mm มีความเร็วใกล้เคยีงความเร็วแสง

รังสีแกมมา เป็นคลืน่แม่เหลก็ไฟฟ้าทีม่คีวามยาวคลืน่ส้ันมาก ไม่มปีระจุ ไม่มมีวล มีอ านาจทะลุทะลวงสูงสุด สามารถทะลุผ่านแผ่นไม้ โลหะและเนือ้เยือ่ได้ แต่ถูกกั้นได้โดยคอนกรีตหรือแผ่นตะกัว่หนา

8

ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

อ านาจการทะลุทะลวงของรังสี

9

สัญลกัษณ์ ชนิดของประจุ และมวลของรังสี

การสลายตวัของธาตกุมัมนัตรังสี

การแผ่รังสีแอลฟา

การสลายตวัของธาตกุมัมนัตรังส ี

การแผ่รังสีบีต้า

การสลายตวัของธาตกุมัมนัตรังส ี

การแผ่รังสีบีต้า (โพซิตรอน)

การสลายตวัของธาตกุมัมนัตรังส ี

การแผ่รังสีแกมมา

Ra

Ra226

88*222

86 Rn

Rn222

86

He4

2

14

สมการนิวเคลียร์ (Nuclear equation) คือ สมการท่ีแสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ สมการต้องดลุด้วย ซึง่การดลุสมการนัน้ ต้องดลุทัง้เลขมวล และเลขอะตอมทัง้ด้านซ้ายและขวาของสมการเคมีให้เท่ากนั กลา่วคือผลบวกของเลขมวลและเลขอะตอมของสารตัง้ต้นเท่ากบัของผลิตภณัฑ์ ดงัตวัอยา่ง

15

การดลุสมการนิวเคลียส์

1. เลขมวลเท่ากนั

1n 0 U 235

92 + Cs 138 55 Rb 96

37 1n 0 + + 2

235 + 1 = 138 + 96 + 2 x 1

2. เลขอะตอมเท่ากนั

1n 0 U 235

92 + Cs 138 55 Rb 96

37 1n 0 + + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2 x 0

16

17

จงเขียนสมการตอ่ไปนีใ้ห้สมบรูณ์ ก. 27

14Si X + 0-1e

ข. 6629Cu Q + 0-1e

ค. 2713Al + 42He 30

14Si + _______

ง. 146C 13

6C + ________

จ. 22689Ac 226

88Ra + ________

ฉ. 22689Ac 222

87Fr + __________

Half-life คร่ึงชีวิต (half life) ของสารกมัมนัตรังสี หมายถึง ระยะเวลาท่ีนิวเคลียสของธาตุกมัมนัตรังสีสลายตวัจนเหลือเพียงคร่ึงหน่ึงของปริมาณเดิม ใชส้ัญลกัษณ์เป็น t1/2

คร่ึงชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอตัราการสลายตวัของธาตุกมัมนัตรังสีแต่ละชนิดได ้

ตวัอยา่ง ธาตกุมัมนัตรังสีมีคร่ึงชีวิต 30 วนั จะใช้เวลานานเทา่ใดส าหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณตอนท่ีเร่ิมต้น

ถ้าเร่ิมต้นมีธาตกุมัมนัตรังสีอยู ่ 100 g สลายตวัไป 75 g

ดงันัน้ต้องการให้เหลือธาตนีุ ้ 25 g

เน่ืองจากธาตนีุมี้คร่ึงชีวิต 30 วนั

ธาตกุมัมนัตรังสี 100 g 50 g 30 วนั 30 วนั 25 g

ดงันัน้ต้องใช้เวลา 30 x 2 = 60 วนั ส าหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณเร่ิมต้น

ตวัอยา่ง จงหาปริมาณของ Tc-99 ท่ีเหลือเม่ือวาง Tc-99 จ านวน 18 กรัมไว้นาน 24 ชัว่โมง และ Tc-99 มีคร่ึงชีวิต 6 ชัว่โมง

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 คร่ึงชีวิต 2 คร่ึงชีวิต 3 คร่ึงชีวิต

4 คร่ึงชีวิต

24 hrs.

12 hrs.

แสดงวา่เม่ือเวลาผา่นไป 24 ชัว่โมง จะมี Tc-99 เหลืออยู ่1.125 กรัม

ตวัอยา่ง จงหาปริมาณ I - 131 เร่ิมต้น เมื่อน า I - 131 จ านวนหนึง่มาวางไว้เป็นเวลา 40.5 วนั ปรากฏวา่มีมวลเหลือ 0.125 กรัม คร่ึงชีวิตของ I -131เท่ากบั 8.1 วนั

สมมติ I -131 เร่ิมต้นมี a กรัม I - 131 จ านวน a กรัม วางไว้ 40.5 วนั = 5 คร่ึงชีวิต คร่ึงชีวิตสดุท้าย I - 131 ท่ีเหลือมีมวล = 0.125 กรัม

2 คร่ึงชีวิต 2 คร่ึงชีวติ

I - 131 เร่ิมต้นมีมวล = 4 g

a 4

a 2

a 8

a 16

a 32

32.4 วัน 40.5 วัน

ตวัอยา่ง ธาตกุมัมนัตรังสี A จ านวน 32 กรัม ถ้าทิง้ไว้นานเป็นเวลา 6 ปี ธาตกุมัมนัตรังสี A จะเหลืออยู ่4 กรัม จงหาคร่ึงชีวิตของธาต ุA

จากการเทียบจะพบวา่สารตัง้ต้นมี 32 กรัม สลายตวัไปเพียง 3x จะเหลือ 4 กรัม ดงันัน้ คร่ึงชีวิตของธาต ุA เป็น 2 ปี 3X = 6

X = 2 ดงันัน้ คร่ึงชีวิตของธาต ุ A = 2 ปี

เพิ่มเตมิสตูรการหาคร่ึงชีวิตของธาต ุ

N เหลือ = N เร่ิมต้น 2n

T = n t1/2

N เหลือ = กมัมนัตรังสีท่ีเหลือ N เร่ิมต้น = กมัมนัตรังสีเร่ิมต้น T = จ านวนเวลาท่ีธาตสุลายตวั n = จ านวนครัง้ในการสลายตวัของคร่ึงชีวิต t1/2 = ระยะเวลาท่ีนิวเคลียสกมัมนัตรังสีสลายตวัเหลือคร่ึงหนึง่ ของปริมาณเดิม (คร่ึงชีวิต)

ตวัอยา่ง ธาตกุมัมนัตรังสี X 20 กรัม สลายตวัไป 10 กรัม ภายในเวลา 30 วนั พบวา่หลงัทิง้ธาต ุX ไว้ 150 วนั จะเหลือธาต ุX 300 กรัม อยากทราบวา่ เร่ิมต้นต้องน าธาตกุมัมนัตรังสี X มาก่ีกรัม

ธาต ุX 30 วนั เหลือธาต ุX 20 g 10 g จากสตูรความสมัพนัธ์ ธาตกุมัมนัตรังสี X มีคร่ึงชีวิต 30 วนั ดงันัน้ T = n t1/2

150 = n(30) n = 5 เพราะฉะนัน้หาธาต ุX เร่ิมต้นได้ จาก ธาต ุX เร่ิมต้น = 300 x 25 = 9,600 กรัม

N เหลือ = N เร่ิมต้น 2n

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยาท่ีเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตใุหมเ่กิดขึน้ และให้พลงังานจ านวนมหาศาล แบง่ออกได้ 2 ประเภท ดงันี ้

1. ปฏิกิริยาฟิชชนั (Fission reaction)

2. ปฏิกิริยาฟิวชนั (Fussion reaction)

ปฏิกริิยานิวเคลยีร์ ปฏิกิริยาฟิชชนั (Fission reaction) คือ กระบวนการท่ีนิวเคลียสของธาตุหนกับางชนิด แตกตวัออกเป็นไอโซโทปของธาตท่ีุเบากวา่ เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

Fission reaction

ประโยชน์ของปฏิกริิยาฟิชชัน ปัจจุบนันกัวทิยาศาสตร์สามารถควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ในฟิชชนัได ้และน ามาใชป้ระโยชน์ทางสันติ เช่น ใชส้ร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณู เพ่ือผลิตไอโซโทปกมัมนัตรังสี เพ่ือใชใ้นทางการแพทย ์การเกษตร และอุตสาหกรรม ในขณะท่ีพลงังานท่ีไดก้ส็ามารถน าไปใชผ้ลิตกระแสไฟฟ้าได ้

กระบวนการท่ีนิวเคลียสของธาตุหนกับางชนิดแตกตวัออกเป็นไอโซโทปของธาตุท่ีเบากวา่

ปฏิกริิยานิวเคลยีร์ ปฏิกิริยาฟิวชนั (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยาท่ีเกิดการรวมตวัของไอโซโทปท่ีมีมวลอะตอมต ่า ท าให้เกิดไอโซโทปใหมท่ี่มีมวลมากขึน้กวา่เดมิ และให้พลงังานจ านวนมหาศาล และโดยทัว่ๆ ไปจะให้พลงังานมากกวา่ปฏิกิริยาฟิสชนั

Fusion reaction

ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิวชนั พลงังานในปฏิกิริยาฟิวชนัถ้าควบคมุให้ปลอ่ยออกมาช้า ๆ จะเป็นประโยชน์ตอ่มนษุย์อยา่งมากมาย และมีข้อได้เปรียบกวา่ปฏิกิริยาฟิสชนั เพราะสารตัง้ต้นคือไอโซโทปของไฮโดรเจนนัน้หาได้ง่าย นอกจากนีผ้ลติภณัฑ์ท่ีเกิดจากฟิวชนัยงัเป็นธาตุกมัมนัตรังสีท่ีมีอายแุละอนัตรายน้อยกว่า ซึง่จดัเป็นข้อได้เปรียบในแง่ของสิง่แวดล้อม (เกิดเป็นแหลง่พลงังานมหาศาลท่ีเป็นประโยชน์ตอ่มนษุย์)

กระบวนการท่ีนิวเคลียสของธาตเุบาสองชนิดหลอมรวมกนัเกิด เป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสงูกวา่เดิมและให้พลงังานปริมาณมาก

ประโยชน์ของไอโซโทปกมัมันตรังสี

1. ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 ค านวณหาอายขุองวตัถโุบราณ หรืออายขุองซากดกึด าบรรพ์

2. ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด ท าได้โดยการฉายรังสีแกมมาท่ีได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปท าลายเซลล์มะเร็ง

ประโยชน์ของไอโซโทปกมัมนัตรังสี (ตอ่)

Au-198 ใช้ตรวจตบัและไขกระดกู

I-131 ใช้ศกึษาความผิดปกติของตอ่มไทรอยด์

3. ด้านเกษตรกรรม ใช้ P-32 ศกึษาความต้องการปุ๋ ยของพืช

4. ด้านการถนอมอาหาร ใช้ Co-60 ในการถนอมอาหารให้มีอายยุาวนานขึน้ เพราะรังสีแกมมาช่วยในการท าลายแบคทีเรีย

โซเดียม-24 ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึง่สามารถตรวจวดัได้ และสามารถบอกได้วา่มีการตีบตนัของเส้นเลือดหรือไม ่