กัมมันตภาพรังสี

กัมมันตภาพรังสี  และพลังงานนิวเคลียร์  

               เรารู้จักสารกัมมันตภาพรังสี  เนื่องจากมีการนำมาใช้ประโยชน์หลายด้าน  เช่น  ใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าในหลายๆประเทศ  ใช้ในกระบวนการรังสีรักษา  และใช้ในการถนอมอาหารเป็นต้น  ในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาชนิด  แหล่งกำเนิด  และสมบัติของรังสีต่างๆ  ตลอดจนประโยชน์และโทษของรังสีเหล่านั้น


ภาพ 4.1  เฮนรี  เบ็กคอเรล
               Henri  Becquerel  (พ.ศ.  2395-2451)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี  พ.ศ.  2446  จากผลงานการค้นพบกัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ


4.1  กัมมันตภาพรังสี
               เฮนรี   เบ็กคอเรล  (Henri  Becquerel)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสพบว่าสารประกอบของยูเรเนียมชนิดหนึ่งคือ  โพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟตสามารถปล่อยรังสีชนิดหนึ่งออกมาได้ตลอดเวลา  เบ็กคอเรลยังพบว่าอีกสารประกอบของยูเรเนียมทุกชนิดก็ปล่อยรังสีดังกล่าวเช่นกัน  และเรียกรังสีนี้ว่า  รังสียูเรนิก  (uranic  ray)    

               การค้นพบของเบ็กคอเรล  ทำให้นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าธาตุอื่นๆมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับยูเรเนียมหรือไม่  มารี  คูรี  (Marie  Curie)  และสามีได้ทดลองกับธาตุหลายชนิดและพบว่าธาตุบางชนิดเช่น  พอโลเนียม  เรเดียม  มีการแผ่รังสีได้เช่นเดียวกับยูเรเนียม  เรียกธาตุที่มีการแผ่รังสีได้เองว่า  ธาตุกัมมันตรังสี    (radioactive  element)  และปรากฏการณ์แผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้  เรียกว่า  กัมมันตภาพรังสี  (radioactivity) 


ภาพ 4.2  ปีแอร์  คูรี  และมารี คูรี
               Pierre  Curie  (พ.ศ.  2402-2449)  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส  Marie  Curie  (พ.ศ.  2401-2477)  นักวิจัยชาวโปแลนด์  สามีภรรยาคู่นี้ทำงานวิจัยด้านกัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติและได้รับรางวัล โนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกับเบ็กคอเรลในปี พ.ศ.  2446

รังสีที่ธาตุกัมมันตรังสีแผ่ออกมามีกี่ชนิด  แต่ละชนิดแตกต่างกันอย่างไร
               การศึกษาพบว่า  รังสีที่ธาตุกัมมันตรังสีแผ่ออกมามี  3  ชนิด  คือ  รังสีแอลฟา   (alpha  ray)  รังสีบีตา   (beta  ray)  และ  รังสีแกมมา (gamma  ray)  นิยมเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์  \displaystyle \alpha \;\beta    และ  \displaystyle \gamma    ตามลำดับ  

สัญลักษณ์นิวเคลียร์
                              \displaystyle{}_Z^A X  
               ถ้า  X  แทนสัญลักษณ์ของธาตุใดๆนิวเคลียสของธาตุ  X  ที่มีเลขอะตอม  Z  และเลขมวล  A  เขียนแทนด้วย  \displaystyle{}_Z^A X   เรียกว่า  สัญลักษณ์นิวเคลียร์  (nuclear  symbol)  นิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมที่มีเลขอะตอม  92  มวล  และเลขมวล  238  เขียนได้เป็น   \displaystyle {}_{92}^{238} U     หรือ  เขียนย่อเป็น  \displaystyle {}^{238}U   อ่านว่ายูเรเนียม - 238

            รังสีแอลฟา   เป็นนิวเคลียสของธาตุฮิเลียม  (\displaystyle {}_2^4 He)  สามารถทำให้สารที่ผ่านเกิดการแตกตัวเป็นไอออนได้ดี  จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว  ดังนั้นรังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก  สามารถเดินทางผ่านอากาศได้ระยะทางเพียง  3-5  เซนติเมตร  เพียงใช้แผ่นกระดาษบางๆกั้น  รังสีแอลฟาก็ไม่อาจทะลุผ่านได้

            รังสีบีตา  เป็นอิเล็กตรอนสามารถผ่านอากาศได้ประมาณ  1-3  เมตร  รังสีบีตา  (0-1e)  จึงมีอำจาจทะลุผ่านมากกว่ารังสีแอลฟา

            รังสีแกมมา  เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก  สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้จึงมีอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด


ภาพ 4.3   การแตกตัวเป็นไอออนในสารที่รังสีทั้งสามชนิดแผ่เข้าไป
 
ภาพ  4.4  อำนวจทะลุผ่านของรังสี

รังสีเหล่านี้ออกมาจากส่วนใดของอะตอม


ภาพ 4.5  นิวเคลียสกัมมันตรังสีซึ่งอาจแผ่รังสีไม่ครบทั้งสามชนิด

               การศึกษาต่อมา  พบว่ารังสีดังกล่าวแผ่ออกมาจากนิวเคลียส  แต่บางนิวเคลียสของธาตุชนิดเดียวกันก๊ไม่แผ่รังสีนิวเคลียสต้นกำเนิดทั้งสองแตกต่างกัน  อย่างไร

               ธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอม  ซึ่งมีนิวเคลียสเป็นแกนกลาง  และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ  ทุกนิวเคลียสมีดปรตรอนและนิวตรอน  แต่นิวเคลียสของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน  และจำนวนโปรตรอน  (เลขอะตอม)  เท่ากันได้  ธาตุชนิดเดียวกันที่นิวเคลียสมีจำนวนโปรตรอนเท่ากัน  แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน  เรียกว่า ไอโซโทป (isotopes)  ธาตุหนึ่งๆอาจมีหลายไอโซโทป  เช่นไฮโดรเจนมี  3  ไอโซโทป  และมีชื่อเรียกเฉพาะคือ  โปรเทียม  ดิวเทอเรียมและทริเทียม  ซึ่งมีโครงสร้างอะตอมดังภาพ   4.6


ภาพ 4.6  แผนภาพแสดงไอโซโทปของไฮโดรเจน

               -  นิวเคลียสของโปรเทียม  ดิวเทอเรียมและทริเทียมมีโปรตรอนและนิวตรอนอย่างละเท่าใด  และเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียสอย่างไร

ตาราง 4.1  ไอโซโทปของธาตุบางชนิด

ธาตุ ตัวอย่างไอโซโทป
ฮีเลียม \displaystyle{}^3He{}^4He
ไนโตรเจน \displaystyle{}^{14}N{}^{15}N
ออกซิเจน \displaystyle{}^{16}O{}^{17}O{}^{18}O
แมกนีเซียม \displaystyle{}^{24}Mg{}^{25}Mg{}^{26}Mg
ปรอท \displaystyle{}^{200}Hg{}^{201}Hg{}^{202}Hg  
ตะกั่ว \displaystyle{}^{204}Pb{}^{206}Pb{}^{207}Pb 
ยูเรีเนียม \displaystyle{}^{234}U{}^{235}U{}^{238}U

              ในธรรมชาติ  ธาตุส่วนใหญ่มีไอโซโทป  เช่น  คาร์บอนมี  3  ไอโซโทป  คือ  \displaystyle{}_6^{12}C{}_6^{13}C และ  \displaystyle{}_6^{14}C  โดยมี  \displaystyle {}_6^{12} C<br />
\]    และ  \displaystyle {}_6^{13} C   เป็นไอโซโทปที่ไม่แผ่รังสี  เรียกว่า  ไอโซโทปเสถียร  ส่วน  \displaystyle {}_6^{14} C     เป็นไอโซโทปที่แผ่รังสีได้  เรียกว่า  ไอโซโทปกัมมันตรังสี

              ไอโซโทปในธรรมชาติในธรรมชาติของธาตุต่างๆ  ส่วนมากเป็นไอโซโทปเสถียร  ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่ไม่มีในธรรมชาติ  เช่น  โคบอลต์-59  ซึ่งเป็นไอโซโทปในธรรมชาติที่เป็นไอโซโทปเสถียร  เมื่อดูดกลืนนิวตรอนเข้าไปจะกลายเป็นโคบอลต์-60  ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี

นิวเคลียสของสารกัมมันตรัง  จะมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่อย่างไร

              นิวเคลียสที่มีการแผ่รังสีหรือ  นิวเคลียสกัมมันตรังสี   (radioactive  nucleus)  เป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร  เมื่อนิวเคลียสไม่เสถียรนี้แผ่รังสีออกมา  จะทำให้เกิดนิวเคลียสใหม่กระบวนการนี้เรียกว่า  การสลายกัมมันตรังสี  (radioactive  decay)  ถ้านิวเคลียสใหม่ยังไม่เสถียรก็จะสลายต่อไป  จนในที่สุดได้นิวเคลียสเสถียร  การสลายจึงยุติ

              นักเรียนจะเข้าใจว่าการสลายกัมมันตรังสีมีลักษณะอย่างไร  จะขึ้นกับปัจจัยอะไรบ้าง  โดยศึกษาเทียบเคียงจากผลของกิจกรรมต่อไปนี้

กิจกรรม  4.1  สถานการณ์จำลองการสลายกัมมันตรังสี

              1.  นำลูกเต๋าที่แต้มสีเพยีงหนึ่งหน้า  จำนวน  40 ลูก ไปใส่กล่อง  แล้ทอดลงบนพื้น  คัดลูกเต๋าที่หงายหน้าที่แต้มสีออก  นำลูกเต๋าที่เหลือใส่กล่องแล้วทอดลงบนพื้นอีก  ทำซ้ำหลายๆครั้ง  จนเหลือลูกเต๋าที่จะทอดเพียง 2-3  ลูก  หลังการทอดแต่ละครั้ง  บันทึกจำนวนครั้งที่ทอดกับจำนวนลูกเที่เหลือลงในตารางบันทึกผล
              2.  ทำกิจกรรมซ้ำอีก 2  ครั้ง
              3.  นำข้อมูลจากการทดลองแต่ละครั้ง ไปเขียนกราฟ  ระหว่างจำนวนครั้งที่ทอดกับจำนวนลูกเต๋าที่เหลือ  โดยให้จำนวนครั้งที่ทอดอยู่บนแกนนอน  และจำนวนลูกเต๋าที่เหลืออยู่บนแกนยืน


ภาพลูกเต๋า

              -  ปริมาณต่อไปนี้  จำนวนลูกเต๋า  จำนวนครั้งที่ทอด  จำนวนลูกเต๋าที่เหลืออยู่จากการทอดแต่ละครั้ง   และจำนวนลูกเต๋าที่ถูกคัดออก  เทียบได้กับปริมาณใดในการสลายจริงของธาตุกัมมันตรังสี
              -  กราฟที่ได้จากการทำกิจกรรมทั้งสามครั้ง  เหมือนหรือต่างกันอย่างไร 
              -  จำนวนครั้งที่ทอดลูกเต๋าแล้วทำให้มีลูกเต๋าเหลือครึ่งหนึ่ง  มีค่าประมาณใด

              กิจกรรม  4.1  เป็นการศึกษาเทียบเคียงการสลายกัมมันตรังสี  จำนวนลูกเต๋าเทียบได้กับจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี่  จำนวนครั้งที่ทอดเทียบได้กับช่วงเวลาที่เกิดการสลาย  จำนวนลูกเต๋าที่เหลืออยู่จากการทอดแต่ละครั้งเทียบได้กับจำนวนนิวเคลียสที่เหลือจากการสลายและจำนวนลูกเต๋าที่ถูกคัดออกเทียบได้กับจำนวนนิวเคลียสที่เกิดใหม่

กิจกรรมเพิ่มเติม
              ทำกิจกรรม  4.1  แต่ใช้ลูกเต๋าที่แต้มสีสองหน้าผลที่ได้เหมือนกับลูกเต๋าที่แต้มสีหน้าเดียวหรือไม่

              การสลายกัมมันตรังสีของธาตุชนิดเดียวกันที่มีจำนวนนิวเคลียส  (หรือมวล)  เริ่มต้นเท่ากัน  จะมีอัตราการสลายเท่ากัน  กล่าวคือเมื่อเวลาผ่านไปเท่ากันจะเหลือจำนวนนิวเคลียสเท่ากัน  เรียกเวลาที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันรังสีลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนนิวเคลียสเริ่มต้นว่า  ครึ่งชีวิต (half  life)


ไอโอดีน-131  มีครึ่งชีวิต  8  วัน  นิวเคลียสเริ่มต้น 40  ล้านนิวเคลียส
ภาพ  4.7  การลดจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสี  ณ  เวลาต่างๆ

              ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตที่แตกต่างกัน  ครึ่งชีวิตของธาตุบางธาตุอาจสั้นไม่ถึงวินาทีหรือยาวนานมากหลายล้านปี  ดังตัวอย่างในตาราง 4.2

ตาราง 4.2  ครึ่งชีวิตของธาตุบางชนิด

ไอโซโทปกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต
เรดอน-220 52 วินาที
ไอโอดีน-128 25  วินาที
เรดอน-222 3.8  วัน
โคบอลต์-60 5.24  ปี
สตรอน-90 28    ปี
เรเดียม-226 1 602  ปี
คาร์บอน-14 5 730  ปี
พลูโตเนียม-239 24 400  ปี
โพแทสเซียม-40 1.3 x 109ปี
ยูเรเนียม-238 4.5 x 109ปี

              -  ฟอสฟอรัส-32  มีครึ่งชีวิต  14  วัน  จะใช้เวลานานเท่าใด  จึงจะเหลือฟอสฟอรัสร้อยละ  25   ของจำนวนเดิม

              จากการศึกษายังพบว่า  ความดัน  อุณห๓มิและการเปลี่ยนแปลงทางเคมี  ไม่มีผลต่อการสลายดังกล่าว  นอกจากนี้ยังไม่สามารถทำนายแม่นยำได้ว่า  นิวเคลียสใดจะสลายเป็นอันดับต่อไป  นั่นคือแต่ละนิวเคลียสมีโอกาสในการสลายเท่าๆกัน  และอัตราการสลายของนิวเคลียสของธาตุต่างชนิดจะไม่เท่ากัน

กัมมันตภาพรังสีมีประโยขน์อย่างไรบ้าง


              การศึกษาธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดทำให้ทราบชนิดของรังสีที่ได้จากการสลายและครึ่งชีวิตและเมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถประดิษฐ์ไอโซโทปกัมมันตรังสีได้จึงมีการนำไอโซโทปกัมมันตรังสีประดิษฐ์ไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ  ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ด้านการแพทย์
              ในการแพทย์มีการใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีเพื่อการตรวจวินิวฉัยและการบำบัดรักษาโรค  เช่น  โรคมะเร็ง
              การบำบัดรักษาโรค  เช่น  การใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์-60  ไปทำลายเซลล์มะเร็งและการใช้ไอโอดีน - 131  ตรวจสอบความผิดปกติของต่อมไทรอยด์  เป็นต้น


ภาพ 4.8  การใช้รังสีแกมมาทำลายเซลล์มะเร็ง

ด้านอุตสาหกรรม 
              ไอโซโทปกัมมันตรังสีนำมาใช้ในอุตสาหกรรม  เช่นการควบคุมกระบวนการผลิตกระจก  กระดาษ  แผ่นเหล็ก  พลาสติกให้มีความหนาสม่ำเสมอ  และการหารอยั่วของท่อส่งน้ำมันและแก๊สธรรมชาติ  โดยใส่ตัวทำรอย  (tracer)  ในการส่งท่อ  เป็นต้น

ด้านการเกษตร
              การใช้สารกัมมันตรังสีในการเกษ๖ร  เช่นการทำหมันแมลงโดยการฉายรังสีแกมมาที่ดักแด้ของแมลงที่เพราะเลี้ยงไว้  แล้วปล่อยคืนสู่ธรรมชาติ  ทำให้แมลงไม่สามารถขยายพันธุ์ได้  การฉายรังสีอาหารเพื่อให้คงความสดเป็นเวลานาน  และการฉายรังสีไปยังดอกไม้บางชนิดทำให้เกิดการกลายพันธุ์  เป็นต้น
              การศึกษาอัตราการดูดซึมปุ๋ยของต้นไม้  โดยใส่ปุ๋ยที่มีตัวทำรอย  เช่น ฟอสฟอรัส-32  รากจะดูดสารกัมมันตรังสีแล้วส่งต่อไปยังใบ  เมื่อวัดปริมาณรังสีที่ใบ  จะหาอัตราการดูดซึมปุ๋ยของต้นไม้ได้


ภาพ 4.9  การวัดอัตราการดูดซึมปุ๊ยของต้นไม้

ด้านโบราณคดีและธรณีวิทยา
              นักโบราณคดีสามารถหาอายุของวัตถุโบราณและซาดสิ่งมีชีวิต  โดยอาศัยหลักการที่ว่า  สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีคาร์บอน-14  และคาร์บอน-12  ในสิ่งมีชิวตขณะยังไม่ตายมีค่าคงตัว  เมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นตาย  จะไม่สามารถรับคาร์บอนเพิ่มได้  ขณะเดียวกับคาร์บอน - 14  ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีก็มีการสลายด้วยครึ่งชีวิต  5,730  ปี  ทำให้อัตราส่วนระหว่างคาร์บอน-14  และคาร์บอน-12  ลดลงเรื่อยๆ  ข้อมูลนี้ใช้คำนวณหาอายุของซากสิ่งมีชีวิตได้เช่น  การหาอายุของซากเรือไม้  พบว่าอัตราส่วนระหว่างคาร์บอน-14  และคาร์บอน-12 ของซากเรือมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของอัตราส่วนระหว่างคาร์บอนทั้งสองของไม้นั้นที่ยังไม่ตายแสดงว่าซากเรือลำนั้นมีอายุประมาณ  5,730  ปี

              ส่วนนักธรณีวิทยาก็สามารถใช้ความรู้เกี่ยวกับการสลายกัมมันตรังสี  เพื่อหาอายุของหินและอายุของโลกได้

การหาอายุของหิน  
              ขณะของเหลวร้อนใต้ผิวโลกเย็นตัวลงเป็นหิน  ไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิดจะถูกกักอยู่ในหินด้วย  เช่นโพแทสเซียม-40  ซึ่งจะสลายเป็นอาร์กอน-40  ซึ่งเป็นไอโซโทปเสถียร  อัตราส่วนระหว่าง  โพแทสเซียม-40  และอาร์กอน-40 ในหินปัจจุบันนำไปหาอายุของหินนั้นได้  หินที่เก่าแก่ที่สุดมีอายุประมาณ  3900  ล้านปี


ภาพ 4.10  ซากไดโนเสารี่พบบริเวณภูกุ้มข้าว  อำเภอรหัสขันธ์  จังหวัดกาฬสินธุ์