วันพุธที่ 3 เมษายน พ.ศ. 2556

กัมมันตรังสี เรื่องน่ากลัวหรือเรื่องน่าค้นหา

กัมมันตรังสี (radioactivity) หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุสามารถแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง ปรากฏการณ์นี้เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่มีสมบัติในการแผรังสี สามารถแผ่รังสีและกลายเป็นอะตอมของธาตุอื่นได้ ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antcine Henri Bacquerel) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษดำห่อหุ้มอยู่ และเก็บรวมกันไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม มีลักษณะเหมือนถูกแสง จึงทำการทดสอบกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ ก็พบว่าให้ผลการทดลองเช่นเดียวกัน แบ็คเกอเรลจึงสรุปเป็นเบื้องต้นว่า มีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรีเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) และมารี กูรี (marie Curie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ก็ได้พบว่าธาตุอื่น ๆ เช่น พลอโลเนียม (Po) เรเดียม (Ra) และทอเรียม (Th) ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน และลอรืด เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Lord Ernest Rutherford) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ก็ได้ค้นพบเพิ่มเติมอีก และได้แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสีอาจเป็น รังสีแอลฟา ( - ray ) รังสีเบตา (-ray) หรือรังสีแกรมมา (-ray) รังสีดังกล่าวมีสมบัติต่างๆ กันดังนี้ • รังสีแอลฟา มีสัญลักษณ์นิวเคลียร์เป็น บางครั้งอาจเรียกว่า อนุภาคแอลฟา และใช้สัญลักษณ์เป็น รังสีแอลฟาเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ซึ่งประกอบด้วย 2 โปรตอน และ 2 นิวตรอนจึงมีประจุไฟฟ้าเป็น +2 มีมวล 4.00276 amu รังสีแอลฟาอำนาจทะลุทะลวงต่ำ ไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษ หรือโลหะบางๆ ได้ และเนื่องจากมีประจุบวก เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าจึงเบี่ยงเบนไปทางขั้วลบ เมื่อวิ่งผ่านอากาศอาจจะทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ • รังสีบีตา บางครั้งเรียกว่าอนุภาคบีตา ใช้สัญลักษณ์เป็น  หรือ รังสีบีตา มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ มีประจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากับ 0.000540 amu เท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตามีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า มีความเร็วในการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับแสง เนื่องจากมีประจุลบจึงเบี่ยงเบนไปทางขั้วบวก เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า • รังสีแกมมา ใช้สัญลักษณ์  รังสีแกมมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก คือประมาณ 0.001-1.5 pm ไม่มีมวลและไม่มีประจุ มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางได้เป้นอย่างดี ดังนั้นวัตุที่จะกั้นรังสีแกรมมาได้ จะต้องมีความหนาแน่นและความหนามากพอที่จะกั้นรังสีได้ เนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้า จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า นอกจากรังสี 3 ชนิดดังกล่าวแล้ว ยังอาจจะพบอนุภาคอื่น ๆ แผ่รังสีออกมาจากนิวเคลียสได้เช่น โพสิตรอน นิวตรอน และโปรตอน ซึ่งมีประจุและมวลเปรียบเทียบกับรังสีทั้ง 3 ชนิดดังในตารางต่อไปนี้ ตารางที่ 7.52 แสดงประจุและมวลของอนุภาคชนิดต่างๆ ที่เกิดจากการแผ่รังสี อนุภาค สัญลักษณ์ ชนิดของประจุ มวล(amu)* แอลฟา บีตา แกรมมา โพซิตรอน นิวตรอน โปรตอน , ,  , , n , P +2 -1 0 +1 0 +1 4.00276 0.000540 0 0.000540 1.0087 1.0073 * 1 amu = 1 atomic mass unit = 1.66 x 10-24 g. ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ธาตุต่างๆ ที่พบในธรรมชาตินั้น ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่แผ่รังสีได้ทั้งสิ้น ตัวอย่างเช่น , , , และ ซึ่งอาจเขียนใหม่เป็น U-238, U-235, Th-232, Rn-222 และ Ra-226 นอกจาก ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นมาได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้มากมาย วิธีการสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสี วิธีการสังเคราะห์วิธีหนึ่งคือ การยิงนิงเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรด้วยอนุภาคที่เหมาะสมและมีความเร็วสูง รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบวิธีการดังกล่าว โดยยิงอนุภาคแอลฟาที่มีความเร็วสูงซึ่งได้จากธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ คือ เข้าไปที่นิวเคลียสนิวเคลียสของ ผลที่ได้คือ อนุภาคโปรตอน และ ซึ่งเขียนสมการแสดงได้ดังนี้ * + + * + ในบางกรณีไอโซโทปที่สังเคราะห์ขึ้น อาจจะสลายตัวต่อไปได้อีก ตัวอย่างเช่น การยิงนิวเคลียสของ Mg-24 ด้วยอนุภาคแอลฟา จะได้ Al-28 ซึ่งไม่เสถียร จะสลายตัวต่อไปเป็น Si-28 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เสถียรดังนี้ + * + * + อีกตัวอย่างหนึ่งคือการยิงอนุภาคแอลฟาไปที่นิวเคลียสของ B-10 จะได้ N-13 ซึ่งสลายตัวต่อไปจนเป็น 13C + * + * + ธาตุกัมมันตรังสีสังเคราะห์นำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น ใช้รักษาโรคมะเร็ง ใช้ปรับปรุงพันธุ์พืช และ ใช้ในการศึกษาความผิดปกติของต่อมไธรอยด์ เป็นต้น 7.6.1. การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี การที่ธาตุกัมมันตรังสีออกมาก็เพราะว่า นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงานส่วนเกินอยู่ภายใน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องถ่ายเทพลังงานส่วนเกินนี้ออกไปเพื่อให้นิวเคลียส เสถียรในที่สุด พลังงานส่วนที่เกิน ที่ปล่อยออกมานี้จะอยู่ในรูปของอนุภาคหรือรังสีต่างๆ เช่น รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุต่างๆ จำนวนมากพบว่า ไอโซโทปที่นิวเคลียสมีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนไม่เหมาะสม คือ มีนิวตรอนมากกว่าหรือน้อยกว่าโปรตอน มักจะไม่เสถียร ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสเป็นนิวเคลียสใหม่ที่เสถียรกว่า โดยการแผ่รังสีออกมาดังที่กล่าวแล้ว นอกจากนี้ยังพบว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นจำนวนคู่หรือคี่ในนิวเคลียสนั้น มีความสัมพันธ์กับเสถียรภาพของนิวเคลียสด้วย กล่าวคือ ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่จะเสถียรกว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่ การแผ่รังสีแอลฟา การแผ่รังสีแอลฟา เกิดขึ้นในกรณีที่ไอโซโทปนั้นมีเลขอะตอมมากกว่า 82 และนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนไม่เหมาะสม ทำให้เกิดแรงผลักกันในนิวเคลียสมากกว่าแรงยึดกัน นิวเคลียสจึงพยายามลดจำนวนอนุภาคลงให้มากที่สุด เพื่อให้ได้นิวเคลียสที่เสถียร ดังนั้นหลังจากการแผ่รังสีแอลฟา นิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่จะมีเลขอะตอมลดลง 2 และเลขมวลลดลง 4 ดังตัวอย่างต่อไปนี้ * + * + * + การแผ่รังสีบีตา การแผ่รังสีบีตาเกิดขึ้นในกรณีที่นิงเคลียสมีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน จึงพยายามลดอัตราส่วนระหว่างนิวตรอนต่อโปรตอน โดยนิวตรอนจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ทำให้เลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 แต่เลขมวลคงเดิม ดังตัวอย่างเช่น * + * + การแผ่รังสีแกมมา การแผ่รังสีแกมมา มักจะเกิดขึ้น ในกรณีที่ไอโซโทปมีการสลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตาแล้ว ยังได้นิวเคลียสใหม่ไม่เสถียร ยังอยู่ในสภาวะกระตุ้น มีพลังงานเกินกว่าปกติ เมื่อกลับสู่สภาวะปกติจึงปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีแกมมา ดังนั้นการแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้เลขมวลและเลขอะตอมเปลี่ยนแปลง ดังตัวอย่างเช่น * + +  * + +  (* หมายถึง อะตอมที่ไม่เสถียร) นอกจากนี้ยังมีการแผ่รังสีให้โพซิตรอน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีโปรตอนมากกว่านิวตรอน ทำให้ได้นิวเคลียสใหม่ที่มีโปรตอนลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดิม ดังในตัวอย่างต่อไปนี้ * + * + การแผ่รังสีที่กล่าวมาแล้ว สรุปการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสได้ดังนี้ ตารางที่ 7.53 สรุปการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี การแผ่รังสี การเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียส ชนิด เลขมวล ประจุ เลขมวล เลขอะตอม แอลฟา () บีตา () แกมมา () โพซิตรอน ( ) 4 0 0 0 +2 -1 0 +1 ลดลง 4 ไม่เปลี่ยน ไม่เปลี่ยน ไม่เปลี่ยน ลดลง 2 เพิ่มขึ้น 1 ไม่เปลี่ยน ลดลง 1 สมการนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ ปฏิกิริยาที่มีการสลายตัวในนิวเคลียสให้รังสีแอลฟา บีตา หรือแกมมาดังที่กล่าวมาแล้ว สมการนิวเคลียร์ คือ สมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งการดุลสมการนั้นต้องพิจารณาทั้งเลขมวลและเลขอะตอมของสารทุกตัวในปฏิกิริยา กล่าวคือ ผลรวมของเลขมวลและเลขอะตอมของสารตั้งต้นจะต้องเท่ากับผลิตภัณฑ์ดังตัวอย่างต่อไปนี้ * + * + * + + * + เครื่องมือตรวจการแผ่รังสี วิธีตรวจการแผ่รังสีทำได้ง่ายๆ โดยนำฟิล์มถ่ายรูปมาหุ้มสารที่คิดว่ามีสารกัมมันตรังสีปนอยู่ เก็บในที่มืด เมื่อนำฟิล์มไปล้าง ถ้าปรากฏว่าเป็นสีดำแสดงว่ามีการแผ่รังสี หรืออาจจะทำได้โดยนำสารที่จะทดสอบไปวางใกล้สารเรืองแสง ถ้ามีการเรืองแสงเกิดขึ้นแสดงว่ามีการแผ่รังสีเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามการตรวจอย่างง่ายๆ ดังกล่าวไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ จึงต้องใช้เครื่องมือตรวจสอบโดยเฉพาะเรียกว่า “ไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์” (Geiger-Muller counter) ซึ่งประกอบด้วยกระบอกรับรังสี และมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีได้ รูปที่ 7.27 แสดงเครื่องไกเกอร์มูลลอร์เคาน์เตอร์ ลักษณะของไกเกอร์ประกอบด้วยกระบอกซึ่งบรรจุก๊าซอาร์กอนไว้ เมื่อนำไปวางไว้ในบริเวณที่มีการแผ่รังสี รังสีจะผ่านเข้าทางช่องด้านหน้าของกระบอก กระทบกับอะตอมของอาร์กอน ทำให้อิเล็กตรอนของอาร์กอนหลุดออกไป กลายเป็น Ar+ ก่อให้เกิดความต่างศักย์ระหว่าง Ar+ กับ e- ในหลอด ซึ่งจะแปลงค่าความต่างศักย์ออกมาเป็นตัวเลขบนหน้าปัด ค่าที่ได้นี้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสี และความเข้มข้นของรังสีที่จะทำให้ Ar กลายเป็น Ar+ ได้มากหรือน้อย 7.6.2 ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life) ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี หมายถึง ระยะเวลาที่สารกัมมันตรังสีสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิต โดยครึ่งชีวิติเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป ตัวอย่างเช่น C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี หมายความว่า ถ้ามี C-14 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลือ C-14 อยู่ 0.5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ 5730 ปี จะเหลือ C-14 เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ตารางที่ 7.54 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด ธาตุกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต รังสีที่แผ่ออก 1.6 x 10-4 วินาที 1 วินาที 1.4 วินาที 118 วินาที 40 ชั่วโมง 8.1 วัน 12.5 วัน 5.3 ปี 5730 ปี 4.5 x 109 ปี ครึ่งชีวิต อาจจะหาได้จากการทดลองโดยการตรวจวัดรังสีในช่วงเวลาที่เหมาะสม แล้วเขียนกราฟระหว่างปริมาณของรังสีกับเวลา รูปที่ 7.28 การหาครึ่งชีวิตจากกราฟแสดงการสลายตัว ช่วงเวลาที่ปริมาณรังสีเปลี่ยนจาก 50% เหลือครึ่งหนึ่งคือ 25 % คือ 2 -1 = 1 หน่วย-เวลา ดังนั้นครึ่งชีวิตจากกราฟคือ 1 หน่วยเวลา หรืออาจจะหาครึ่งชีวิตได้จากความสัมพันธ์ = - t และ t1/2 = = = ค่าคงที่ของการสลายตัว N, N0 = จำนวนอะตอมของธาตุเมื่อเวลา t และเวลา 0 (เวลาเริ่มต้น) ตัวอย่าง Rn-222 จำนวน 10 ไมโครกรัม เมื่อปล่อยให้สลายตัวไป พบว่าในเวลา 7 วันจะเหลือเพียง 2.82 ไมโครกรัม จงคำนวณครึ่งชีวิตของ Rn-222 วิธีทำ จาก = N0 = 10, N = 2.82, และ t = 7 = t1/2 = 3.82 วัน ครึ่งชีวิตของ R-222 เท่ากับ 3.82 วัน ประโยชน์ของครึ่งชีวิต ครึ่งชีวิตสามารถใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เรียกว่าวิธี Radiocarbon Dating ซึ่งคำว่า dating หมายถึง การหาอายุจึงมักใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคุณค่าทางประวิติศาสตร์ หลักการที่สำคัญของการหาอายุวัตถุโบราณโดยวิธี Radiocarbon Dating เป็นหลักการที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับกัมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองในอากาศ ตัวการที่สำคัญคือ รังสีคอสมิก ซึงอยู่ในบรรยากาศเหนือพื้นโลก มีความเข้มสูงจนทำให้นิวเคลียสขององค์ประกอบของอากาศแตกตัวออก ให้อนุภาคนิวตรอน แล้วอนุภาคนิวตรอนชนกับไนโตรเจนในอากาศ ทำให้เกิดไอโซโทปของ C-14 ดังนี้ + * + C-14 เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี ให้รังสีบีตามีครึ่งชีวิต 5730 ปีในบรรยากาศ คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ได้เป็น CO2 ซึ่งทำให้มีทั้ง 12CO2 และ 14CO2 ปนกัน เมื่อพืชนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง C-14 จะอยู่ในพืชและเมื่อสัตว์กินพืชเป็นอาหาร C-14 ก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกาย ในขณะที่พืชและสัตว์มีชีวิต 14CO2 จะเข้าไปและขับออกมาอยู่ตลอดเวลา ทำให้มี C-14 ด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงการรับ C-14 ก็จะหยุดลง ปริมาณ C-14 ก็จะลดลงเพราะเกิดการสลายตัวตัวตลอดเวลา ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวขณะนั้น ก็สามารถคำนวณอายุได้ ตัวอย่างการคำนวณ 1. จากการวัดปริมาณรังสีของกระดูกสัตว์ที่ตายแล้วชนิดหนึ่งได้ 2.80 ครั้ง/นาที/กรัมของคาร์บอน ถ้าอัตราเฉลี่ยของปริมาณรังสีที่เกิดจาก C-14 เมื่อมีชีวิตอยู่เท่ากับ 15.3 ครั้ง/นาที/กรัมของคาร์บอน กระดูดสัตว์นั้นมีอายุกี่ปี กำหนดครึ่งชีวิตของ C-14 เท่ากับ 5730 ปี วิธีทำ จาก t1/2 = 5730 = = 1.21 x 10-4 ต่อปี จาก = - t = - 1.21 x 10-4 t t = 1.40 x 104 ปี กระดูกสัตว์ดังกล่าวมีอายุ 1.40 x 104 ปี ตัวอย่าง 2 จากการศึกษาอายุของวัตถุโบราณชนิดหนึ่งพบว่าอัตราส่วนของ 14C : 12C ของวัตถุนั้นมีค่าเป็น 0.617 เท่าของอัตราส่วนของ 14C : 12C ในพืชที่มีชีวิต จงคำนวณอายุของวัตถุโบราณนั้น วิธีทำ จาก = - t = 0.617 และ = = เพราะฉะนั้น ln0.617 = t = 3992 ปี วัตถุโบราณมีอายุ 3992 ปี

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น