ธาตุกัมมันตรังสี

ครูธิดารัตน์ แสงฮวด โรงเรียนจุฬาภรณราชวทิยาลยั เชียงราย

กัมมันตรังสี (radioactivity) คือ ปรากฏการณ์ที่ธาตุสามารถแผ่รงัสีได้เองอย่างต่อเนื่อง ปรากฏการณ์นี้เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึน้ภายในนิวเคลียส ของไอโซโทปที่ไม่เสถียร

ธาตุกัมมันตรังสี คือ ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รงัสี สามารถแผ่รงัสีและกลายเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้

อองตวน อองรี แบ็กเคอแรล เป็นคนแรกทีค่น้พบว่าธาตุบางชนิดโดยเฉพาะธาตทุี่มีมวลอะตอมมาก สามารถปล่อยรังสบีางชนิดออกมา เมื่อเขาน าฟลิม์ถา่ยรปูไวใ้กล้ๆ เกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซลัเฟต และมีกระดาษด าหุ้มปรากฎว่าเกิดรอยด าบนแผ่นฟิลม์เหมอืนถกูแสง

รัทเทอรฟ์อรด์ไดศ้กึษาเพิ่มเติมและแสดงให้เหน็วา่รงัสีที่ธาตุกมัมนัตรงัสี

ปล่อยมาอาจเป็น รังสีแอลฟา รังสีบตีา รังสีแกมมา ซึ่งมีสมบตัิต่างกนั รังสีแอลฟา ( - ray) เป็นนวิเคลียสของฮเีลียม มีโปรตอนและนวิตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มีประจุไฟฟา้ +2 มีอ านาจทะลทุะลวงต่ ามาก กระดาษเพียงแผ่นเดียวหรือสองแผน่กส็ามารถกัน้ได ้

รังสีบีตา (-ray) คือ อนุภาคทีม่ีสมบัตเิหมือนอิเล็กตรอน คือ มีประจุไฟฟา้ -1 มีมวลเท่ากบัอเิล็กตรอน มีอ านาจทะลุทะลวงสูงกวา่รังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า สามารถผ่านแผ่นโลหะบางๆ เช่น แผ่นตะกัว่หนา 1 mm มีความเรว็ใกล้เคยีงความเรว็แสง

รังสีแกมมา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุ ไม่มีมวล มีอ านาจทะลุทะลวงสูงสุด สามารถทะลุผ่านแผ่นไม้ โลหะและเนื้อเยื่อได้ แต่ถูกกั้นได้โดยคอนกรีตหรือแผ่นตะกั่วหนา

ประจแุละมวลของอนภุาคชนดิตา่งๆ ที่เกิดจากการแผ่รงัสี

ตารางเปรยีบเทียบปฏกิริยิาเคมกีบัปฏกิริยิานวิเคลียร์

Chemical Reaction Nuclear Reaction

1. เปลีย่นแปลงจากพนัธะเคมเีดมิสลายและเกดิพนัธะใหม่

2. เกีย่วข้องเฉพาะอเิลก็ตรอนในพนัธะ

3. มกีารดูดกลนื / คายพลงังานปริมาณเลก็น้อย

4. อตัราเร็วของปฏิกริิยา ขึน้กบัอุณหภูม ิ ความดัน ความเข้มข้น catalyst

1. เปลีย่น isotope ของธาตุหรือเปลีย่นธาตุเลย

2. เกีย่วข้องกบั p , n , e-

3. เกีย่วข้องพลงังานปริมาณมาก

4. อตัราเร็วไม่ขึน้กบัอุณหภูม ิ ความดนั catalyst

การดุลสมการนวิเคลียร์ (Balancing Nuclear Equations) - จ านวน p, n ซ้าย = ขวา ( atomic number และ mass number )

ครึ่งชีวิตของธาตุ

ครึ่งชวีติ (Half life) หมายถงึ ระยะเวลาทีป่รมิาณของสารกัมมันตรงัสีสลายตวัจนเหลอืครึง่หนึ่งของปรมิาณเริม่ต้น

Na-24 มีคร่ึงชีวติ 15 ช่ัวโมง

ครึ่งชวีติเปน็สมบตัิเฉพาะตวัของแตล่ะไอโซโทป และสามารถใชเ้ปรยีบเทยีบอตัราการสลายตวัของธาตุกัมมันตรงัสีแต่ละชนดิได้

ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรงัสีมคีรึง่ชีวิต 30 วัน จะใช้เวลานานเท่าใดส าหรบัการสลายไปรอ้ยละ 75 ของปรมิาณตอนทีเ่ริม่ตน้

ถ้าเริม่ต้นมีธาตุกมัมนัตรงัสีอยู ่ 100 g สลายตัวไป 75 g

ดังนั้นต้องการใหเ้หลือธาตนุี ้ 25 g

เนื่องจากธาตุนีม้คีรึง่ชีวิต 30 วัน

ธาตุกัมมนัตรงัสี 100 g 50 g 30 วนั 30 วนั 25 g

ดังนั้นตอ้งใชเ้วลา 30 x 2 เท่ากบั 60 วัน

ส าหรบัการสลายไปรอ้ยละ 75 ของปรมิาณเริ่มต้น

14C มีครึ่งชวีติ 5,730 ปี ถ้าม ี14C 10 กรัม จะต้องใช้เวลานานเท่าไรจึงจะเหลอืไอโซโทปนี้อยู่ 1.25 กรัม

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

เป็นปฏกิริยิาที่เกดิการเปลีย่นแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตใุหมเ่กดิขึน้ และใหพ้ลังงานจ านวนมหาศาล แบ่งออกได้ 2 ประเภท ดังนี้

1. ปฏิกิริยาฟชิชนั (Fission reaction)

2. ปฏิกิริยาฟวิชนั (Fussion reaction)

1. ปฏิกิรยิาฟชิชนั (Fission reaction) คือ ปฏิกิรยิานิวเคลยีรท์ี่เกดิขึน้ เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเขา้ไปยงันิวเคลยีสของธาตหุนัก แล้วท าให้นิวเคลียรแ์ตกออกเปน็นิวเคลยีรท์ี่เลก็ลงสองส่วน กับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลงังานมหาศาลออกมา

นิวตรอนที่เกดิขึน้ 2-3 ตัวซึ่งมีพลงังานสงูจะวิง่ไปชนนวิเคลยีสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ท าให้เกิดปฏิกริยิาตอ่เนือ่งไปเปน็ลกูโซ่ ซึ่งเรียกวา่ ปฏิกิริยาลกูโซ่ ซึ่งท าให้ได้พลังงานมหาศาล

2. ปฏิกิริยาฟวิชนั (Fussion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียรท์ี่นิวเคลียสของธาตเุบาหลอมรวมกันเขา้เปน็นวิเคลียสทีห่นักกวา่ และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลยีร์ออกมา

พลังงานจากปฏิกริยิานวิเคลียรฟ์วิชนัมคีา่มากกวา่พลังงานจากปฏิกิรยิานวิเคลียรฟ์ชิชัน เมื่อเปรยีบเทียบจากมวลส่วนที่เขา้ท าปฏกิริยิา ปฏิกิรยิาฟวิชนัที่รูจ้กักนัในนาม ลูกระเบดิไฮโดรเจน (Hydrogen bomb)

ปฏกิริยิานวิเคลียรฟ์วิชนั จะเกดิขึ้นได้ต้องใชค้วามรอ้นเริม่ต้นสงูมาก เพื่อเอาชนะแรงผลักระหวา่งนิวเคลียสที่จะเขา้รวมตัวกนั เช่น ระเบดิไฮโดรเจนจะต้องใช้ความรอ้นจากระเบดิปรมาณเูป็นตวัจดุชนวน

12H + 31H 42He + 10n + พลงังาน

ประโยชน์ของธาตุกมัมันตรงัสี (Application of Isotopes)

1. อุตสาหกรรม - ลดการสกึหรอวงแหวนลูกสูบ 2. การแพทย์ : I – 131 ติดตามดูภาพสมองในทางการแพทย์

ใช้ศึกษาความผิดปกตขิองตอ่มไทรอยด์

3. Co – 60 ใชใ้นการถนอมอาหารใหม้ีอายยุาวนานขึน้ เพราะรงัสีแกมมาช่วยในการท าลายแบคทีเรยี รักษาโรคมะเรง็ทางการแพทย์ 4. Ra-226 รักษาโรคมะเรง็ทางการแพทย์ 5. C-14 ตรวจหาอายขุองวัตถโุบราณ 6. รังสีแกมมา ตกแต่งอญัมณใีหส้สีนัสวยงาม 7. รังสีนวิตรอน ใชใ้นการปรับปรงุพันธกุรรมพชื