วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-ธาตุกัมมันตรังสี | บทเรียน วิชาการ.คอม
เคมี
 

ธาตุกัมมันตรังสี

สร้างเมื่อ 11 ก.ค. 2554 11:53:08
  • ระดับม.4
  • 18,022 view

ธาตุกัมมันตรังสี
                  ธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้ว กล่าวคือสามารถแผ่รังสีแล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร
                  ในปี ค.ศ. 1896 (พ.ศ.2439) อองตวน อองรีแบ็กเกอเรล นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม ฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองมีสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ ก็ได้ผล เช่นเดียวกัน จึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม
                ต่อมาปีแอร์ และมารี กูรี ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฎการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี เป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83  แต่มีธาตุกัมมันตรังสีบางชนิดที่มีเลขอะตอมน้อยกว่า 83 เช่น{}^{43}Ptในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายชนิดเช่น{}^{238}U  {}^{235}U   {}^{232}Thและ{}^{222}Rnหรืออาจเขียน U-238  U-235   Th-232  และ Rn-222 ก็ได้ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้อีก

3.6.1  การเกิดกัมมันตภาพรังสี
                 กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติของสาร เกิดจากธาตุกัมมันตรังสี เช่น U-238 และ Th-232  แผ่รังสีออกมาตลอดเวลา ทั้งนี้เพราะนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสีบางชนิด แล้วธาตุเหล่านั้นก็จะเปลี่ยนเป็นธาตุใหม่ ต่อมารัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาเพิ่มเติมและแสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา บีตาหรือแกมมา ที่มีสมบัติแตกต่างกันดังตาราง 3.11

ตาราง 3.11  ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

ชนิดของรังสี สัญลักษณ์ สมบัติ
รังสีแอลฟา
หรืออนุภาคแอลฟา
\alpha
 หรือ
{}_{2}^{4} He
เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม มีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค  มีประจุไฟฟ้า +2  มีเลขมวล  4  มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำมาก ไม่สามารถผ่านแผ่นกระดาษหรือโลหะบางๆ ได้ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าโดยเบนเข้าหาขั้วลบ
รังสีบีตา หรืออนุภาคบีตา   \beta
 หรือ
{}_{+1}^{0} e 

    มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้า -1  มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาถึง 100 เท่า สามารถผ่านแผ่นโลหะบางๆ เช่นแผ่นตะกั่วหนา 1 mm หรือแผ่นอะลูมิเนียมหนา 5 mm มีความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าโดยเบนเข้าหาขั้วบวก  
 รังสีแกมมา   \gamma   เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุและไม่มีมวล มีอำนาจทะลุทะลวงสูงมากสามารถทะลุผ่านแผ่นตะกั่วหนา 8 mm หรือผ่านแผ่นคอนกรีตหนาๆ ได้


   
       

 

 
รูป 3.5  ผลของสนามไฟฟ้าต่อรังสีทั้ง 3 ชนิด



                      นอกจากนี้ยังมีรังสีชนิดอื่นๆ เช่น โพซิตรอน (\beta^+ )สัญลักษณ์คือ{}_{+1}^{0} eโปรตอน(p) สัญลักษณ์คือ{}_{1}^{1} Hดิวเทอรอน (D) สัญลักษณ์คือ{}_{1}^{2} Hทริทอน (T) สัญลักษณ์คือ{}_{1}^{3} Hและนิวตรอน (n) สัญลักษณ์คือ {}_{0}^{1} n

3.6.2  การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
                   จากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจำนวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่า ไอโซโทปของนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนระหว่างจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างจากจำนวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียร จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าโดยการแผ่รังสีออกมา ดังตัวอย่างต่อไปนี้
                  การแผ่รังสีแอลฟา  ส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีและอะตอมสูงกว่า 82  และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม เมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง  4  ดังตัวอย่าง

                  {}_{82}^{204} Pb \to {}_{80}^{200} Hg  +  {}_{2}^{4} He
                   {}_{88}^{226} Ra \to {}_{86}^{222} Rn  +  {}_{2}^{4} He

                 การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน นิวตรอนในนิวเคลียสจะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน เมื่อปล่อยรังสีบีตาออกมานิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 เลขมวลยังคงเดิมดังตัวอย่าง

                 {}_{82}^{204} Pb \to {}_{80}^{200} Hg  +  {}_{2}^{4}He
                   {}_{88}^{226} Ra \to {}_{86}^{222} Rn  +  {}_{2}^{4}He
              การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตา แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมาดังตัวอย่าง
 

                 นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถสลายตัวและแผ่รังสีได้ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิหรือความดัน การสลายตัวและแผ่รังสีของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในนิวเคลียสกัมมันตรังสีนั้น นักเรียนคิดว่าธาตุกัมมันตรังสีต่างชนิดกันจะมีอัตราการสลายตัวแตกต่างกันหรือไม่ วัดปริมาณการสลายตัวได้อย่างไร

3.6.3  ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี
                  ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออมาได้เองตลอดเวลา ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกัน ปริมาณการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะบอกเป็น ครึ่งชีวิต ใช้สัญลักษณ์t_{1/2}ครึ่งชีวิต หมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี สลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ไอโซโทปกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่งๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบ เช่น Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 ชั่วโมง หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 10 กรัม นิวเคลียสนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมง จะมี Na-24 เหลือ 5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 2.5 กรัม นั้นคือเวลาผ่านไปทุกๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมเขียนแสดงได้ดังรูป 3.6
 

รูป 3.6  แสดงปริมาณของ Na-24 ที่ลดลงครึ่งหนึ่งทุกๆ 15 ชั่วโมง



              ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด แสดงดังตาราง 3.12

ตาราง 3.12  ตัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด

ไอโซโทปกัมมันตรังสี ครึ่งชีวิต 
รังสีที่แผ่ออก
    
{}_{84}^{214} Po
{}_{53}^{131} I
{}_{27}^{60} Co
{}_{88}^{226} Ra
{}_{6}^{14} C
{}_{92}^{238} U
1.6 \times 10^{ - 4}  วินาที
8.1  วัน
5.3  ปี
1600  ปี
5730  ปี
4.5x10^9 ปี
\alpha
\beta
\beta
\alpha และ\gamma
\beta
\alpha


                   ระยะเวลาที่แสดงถึงครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถนำไปใช้คำนวณหาปริมาณของธาตุกัมมันตรังสีในระยะเวลาต่างๆ กันได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่าง 1  จงหาปริมาณของ Tc-99 ที่เหลือเมื่อวาง Tc-99 จำนวน 10 กรัมไว้นาน 24 ชั่วโมง และ Tc-99 มีครึ่งชิวิต 6 ชั่วโมง
                  Tc-99 มีครึ่งชีวิต 6 ชั่วโมง เมื่อวาง Tc-99 ไว้นาน 24 ชั่วโมงจึงเท่ากับวางไว้นาน  4 ครึ่งชีวิต ถ้ามี Tc-99 จำนวน 10 g ปริมาณ Tc-99 ที่เหลือในแต่ละครึ่งชีวิตจะเป็นดังนี้
 
                     แสดงว่าเมื่อเวลาผ่านไป 24 ชั่วโมงจะมี Tc-99 เหลืออยู่ 0.625 กรัม

ตัวอย่าง 2  จงหาปริมาณ I-131 เริ่มต้น เมื่อนำ I-131 จำนวนหนึ่งมาวางไว้เป็นเวลา 40.5 วัน ปรากฎว่ามีมวลเหลือ 0.125 กรัม ครึ่งชีวิตของ I-131 เท่ากับ 8.1 วัน
                  สมมติ I-131 เริ่มต้นมี a กรัม
                  I-131 จำนวน a กรัมวางไว้ 40.5        =     5  ครึ่งชีวิต
                  ครึ่งชีวิตสุดท้าย I-131 ที่เหลือมีมวล   =     0.125 กรัม
 

3.6.4  ปฏิกิริยานิวเคลียร์
                  ปฏิกิริยาเคมีที่ได้ศึกษามาแล้ว เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุที่ทำปฏิกิริยากันทำให้เกิดเป็นสารใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิมและมีพลังงานเกี่ยวข้องไม่มาก ส่วนปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของธาตุ อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็ก จะได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่ รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาล ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ศึกษาได้ดังนี้

ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน
                 ในปี พ.ศ. 2482  นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่าง เช่น


                   {}_0^1 n+{}_{92}^{235} U \to {}_{56}^{142} Ba + {}_{36}^{91} Kr + 3{}_0^1 n + พลังงาน
                   {}_0^1 n+{}_{92}^{235} U \to {}_{52}^{137} Te + {}_{40}^{97} Zn + 2{}_0^1 n  + พลังงาน

                  กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดแตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่าดังตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วเรียกว่า ปฏิกิริยาฟิชชัน (fission reaction) ธาตุอื่นที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ เช่น U-238 หรือ Pu-239 การเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้งจะคายพลังงานออกมาจำนวนมากและได้ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลายชนิด จึงถือได้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันเป็นวิธีผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญ นอกจากนี้ปฏิกิริยาฟิชชันยังได้นิวตรอนเกิดขึ้นด้วยถ้านิวตรอนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ชนกับนิวเคลียสอื่นๆ จะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องไปเรื่อยๆ เรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ดังรูป 3.7


 
รูป 3.7  แสดงปฏิกิริยาฟิชชันแบบลูกโซ่



                 ปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดขึ้นภายใต้ภาวะที่เหมาะสมจะได้จำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันดำเนินไปอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมหาศาล ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง หลักการของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่เช่นนี้ได้นำมาใช้ในการทำระเบิดปรมาณู การควบคุมปฏิกิริยาฟิชชันทำได้หลายวิธี เช่น ควบคุมมวลของสารตั้งต้นให้น้อยลงจนนิวตรอนที่เกิดขึ้นไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ หรือใช้โลหะแคตเมียมและโบรอนจับนิวตรอนบางส่วนไว้เพื่อลดจำนวนนิวตรอนที่เกิดขึ้นหรือใช้แท่งแกรไฟต์หรือน้ำเพื่อทำให้นิวตรอนเคลื่อนที่ช้าลงปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์นำปฏิกิริยาฟิชชันมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น ใช้ผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีในเตาปฎิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการเกษตร การแพทย์และอุตสาหกรรม ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าปรมาณู
               ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบาสองชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่าเดิมและให้พลังงานปริมาณมากดังตัวอย่าง

                   {}_{1}^{2} H + {}_{1}^{3} H \to {}_{2}^{4} He +{}_{0}^{1} n+พลังงาน
                 {}_{1}^{2} H + {}_{1}^{2} H \to {}_{1}^{3} H + {}_{1}^{1} H+พลังงาน


                 กระบวนการนี้เรียกว่า ปฏิกิริยาฟิวชัน (fusion reaction) ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกับที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของสุริยจักรวาลการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมกันซึ่งประมาณกันว่าจะต้องมีอุณหภูมิถึง  2 x 10^8 ^\circ C  ความร้อนหรือพลังงานจำนวนนี้อาจได้จากปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งเปรียบเสมือนเป็นปฏิกิริยาชนวนที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน ถ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงแต่ถ้าควบคุมให้มีการปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆ และต่อเนื่องกัน จะให้พลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ปฏิกิริยาฟิวชันมีข้อได้เปรียบกว่าปฏิกิริยาฟิชชันหลายประการกล่าวคือ คายพลังงานออกมามาก สารตั้งต้นของปฏิกิริยาฟิวชันหาได้ง่ายและมีปริมาณมาก นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและมีอันตรายน้อยกว่าผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาฟิชชัน

3.6.5  การตรวจสอบสารกัมมันตรังสีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี
                รังสีทำให้โมเลกุลของสารแตกตัวเป็นไอออนได้เป็นผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิต มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นรังสีได้ด้วยตาเปล่าจึงต้องมีการตรวจสอบรังสีด้วยวิธีต่างๆ เช่น การใช้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารนั้น และเก็บไว้ในที่มืด ถ้าฟิล์มที่ล้างแล้วปรากฎสีดำแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสีหรือนำสารที่ต้องการตรวจสอบเข้าใกล้สารเรืองแสง ถ้าเกิดการเรืองแสงขึ้นแสดงว่าสารนั้นมีธาตุกัมมันตรังสีอยู่ แต่การตรวจสอบโดยวิธีที่กล่าวมาแล้วไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ ถ้าต้องการทราบปริมาณรังสีต้องใช้เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ซึ่งประกอบด้วยหัววัดรังสีและมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสี ดังรูป 3.8

 


รูป 3.8  เครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์



                   การทำงานของท่อวัดในเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ อธิบายได้ว่าเมื่อรังสีผ่านเข้าทางช่องรับรังสีจะชนกับอะตอมของแก๊สอาร์กอนที่บรรจุอยู่ในกระบอก ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมเกิดเป็น  Ar^+จึงเกิดความต่างศักย์ระหว่างประจุบวก(Ar^+)กับประจุลลบ (อิเล็กตรอน) ของขั้วไฟฟ้าในหัววัดรังสี ซึ่งอ่านค่าความต่างศักย์ได้จากเข็มบนหน้าปัด ค่าที่อ่านได้จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของรังสีที่จะทำให้ Ar กลายเป็น Ar^+
สารกัมมันตรังสีแต่ละสารมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน การนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง
                 ด้านธรณีวิทยา  ใช้คาร์บอน -14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5730 ปี หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น ไม้ กระดูก หรือสารอินทรีย์อื่นๆ  การหาอายุวัตถุโบราณโดยการวัดปริมาณของคาร์บอน -14 อธิบายได้ว่าในบรรยากาศมีคาร์บอน -14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก ดังปฏิกิริยา

                 {}_{7}^{14} N + {}_{0}^{1} n \to {}_{6}^{14} C + {}_{1}^{1} H

                  ในอากาศจึงมีคาร์บอนในรูปของคาร์บอน -12 และ คาร์บอน -14 เมื่อคาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็น CO_2   จึงพบแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศในรูปของ{}^{12}CO_2ปนอยู่กับ{}^{14}CO_2ซึ่งพืชจะนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง เมื่อสัตว์กินพืชเหล่านั้นเป็นอาหารคาร์บอน -14 จะเข้าสู่ร่างกายของสัตว์ทำให้พบคาร์บอน -14 ได้ทั้งในพืชและสัตว์ ขณะที่พืชหรือสัตว์ยังมีชีวิตอยู่{}^{14}CO_2จะถูกรับเข้าและขับออกตลอดเวลา เป็นผลให้คาร์บอน -14 ในสิ่งมีชีวิตมีความเข้มข้นคงที่หรือกล่าวว่าสัดส่วนระหว่างคาร์บอน -12 ต่อคาร์บอน -14 มีค่าคงที่ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายการรับคาร์บอน -14 เข้าสู่ร่างกายจะสิ้นสุดลง แต่การสลายตัวยังเกิดขึ้นต่อไป จึงทำให้มีปริมาณคาร์บอน -14 หรือสัดส่วนระหว่างคาร์บอน -14 ต่อคาร์บอน -12 ลดลงเรื่อยๆ ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของคาร์บอน -14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และวัดอัตราการสลายตัวของคาร์บอน -14 ในขณะที่นำมาศึกษาได้ก็สามารถทำนายอายุได้ เช่น สมมติว่าพบซากไม้โบราณชิ้นหนึ่งมีอัตราการสลายตัวของคาร์บอน -14 ลดลงไปครึ่งจากของเดิมขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ก็อาจสรุปได้ว่าไม้ชิ้นนั้นตายมาแล้วเท่ากับครึ่งชีวิตของคาร์บอน -14 หรือมีอายุประมาณ 5730 ปี
               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 เปรียบเทียบจำนวนนับกับตารางข้อมูลก็จะทำให้ทราบความหนาของวัตถุได้
                  ในอุตสาหกรรมการทำอัญมณีใช้รังสีเพื่อทำให้อัญมณีมีสีสันสวยงามขึ้น โดยใช้รังสีแกมมา นิวตรอน หรือ อิเล็กตรอนพลังงานสูงฉายไปบนอัญมณี จะทำให้สารที่ทำให้เกิดสีบนอัญมณีเปลี่ยนสีไปได้ อัญมณีที่ฉายด้วยรังสีแกมมาจะไม่มีรังสีตกค้างแต่การอาบด้วยรังสีนิวตรอนจะมีไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดขึ้น จึงต้องปล่อยให้ไอโซโทปกัมมัมตรังสีสลายตัวจนมีระดับรังสีที่ปลอดภัยจึงนำมาใช้ประโยชน์
               การเก็บถนอมอาหาร ใช้โคบอลต์ -60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้ว
จะเห็นได้ว่าธาตุกัมมันตรังสีให้ประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมาก แต่ถ้าใช้ในปริมาณไม่ถูกต้องหรือนำไปใช้ในสภาพไม่เหมาะสมก็จะมีผลต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมได้

แบบฝึกหัด 3.4
1.  จงเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของอนุภาคต่อไปนี้
                  1.1  อนุภาคแอลฟา
                  1.2  อนุภาคบีตา
                  1.3  อนุภาคโพซิตรอน

2.  ธาตุใดต่อไปนี้ไม่มีไอโซโทปที่เสถียรในธรรมชาติ
                  2.1  แฟรนเซียม
                  2.2  นีออน
                  2.3  ตะกั่ว
                  2.4  โซเดียม
                  2.5  คาร์บอน
                  2.6  ทอเรียม
                  2.7  เรเดียม
                  2.8  พอโลเนียม

3.  จงเขียนสมการต่อไปนี้ให้สมบูรณ์
                  3.1  {}_{14}^{27} Si \to....+{}_{+1}^{0} e
                  3.2  {}_{29}^{66} Cu \to {}_{30}^{66} Zn + ...............................
                  3.3  {}_{13}^{27} Al + {}_{2}^{4} He \to {}_{14}^{30} Si +............
                  3.4  {}_{6}^{14} C \to {}_{6}^{13} C
                  3.5  {}_{89}^{226} Ac \to {}_{88}^{226} Ra  +.............................
                  3.6  {}_{89}^{226} Ac \to {}_{87}^{222} Fr



4.  ไอโอดีน-131 มีครึ่งชีวิต 8 วัน จำนวน 10 g เมื่อเวลาผ่านไปกี่วันจึงจะมีไอโอดีน-131 เหลือ 2.5 g

5.  ไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งจำนวน 20 g เมื่อเวลาผ่านไป 2 ชั่วโมง ไอโซโทปนั้นเหลืออยู่ 1.25 g ครึ่งชีวิตของไอโซโทปนี้มีค่าเท่าใด

6.  จากการทดลองพบว่าเมื่อเวลาผ่านไป 120 วัน จะมีซีเซียม-137 เหลืออยู่ 300g ถ้าครึ่งชีวิตของซีเซียม-137 เท่ากับ 30 วัน จงหาว่าเมื่อเริ่มต้นมีซีเซียม-137อยู่เท่าใด

7.  มีวิธีทดสอบอย่างไรว่าไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี

8.  อัตราส่วนของคาร์บอน-14 และคาร์บอน-12 ในสิ่งมีชีวิตมีค่าคงที่แต่จะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง เพราะเหตุใด

9.  จงเขียนสมการนิวเคลียร์แสดงการเปลี่ยนแปลงเมื่อทอเรียม-232 แผ่รังสีแอลฟา

10.  ถ้า Pb-214 สลายตัวให้รังสีต่างๆ ดังแผนภาพ
                   {}_{82}^{214} Pb \to {}_{82}^{214} X + \beta \to {}_{82}^{210} Z + \alpha
ธาตุ X   Y  และ  Z  คือธาตุใด

11.  ปฏิกิริยาฟิวชันและปฏิกิริยาฟิชชันแตกต่างกันอย่างไร