|
การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสี
ในการศึกษาการสลายของนิวเคลียสของยูเรเนียม -238 พบว่า นอกจากจะมีทอเรียม -234 และอนุภาคแอลฟาออกมาแล้ว ทอเรียมยังสลายต่อไปเป็นโพรแทกทิเนียม -234 พร้อมทั้งปล่อยอนุภาคบีตาและรังสีแกมมาออกมาด้วย โพรแทกทิเนียม -234 นี้จะสลายต่อไปอีก อาจเขียนลำดับการสลายของนิวเคลียสยูเรเนียม -238 เป็นอนุกรมได้ดังตาราง 20.1 ในตารางนี้สัญลักษณ์
,
,
ที่เขียนกำกับลูกศรนั้นแสดงชนิดของอนุภาค หรือรังสีที่ได้จากการสลาย สำหรับตะกั่ว -206 ซึ่งเป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรมนี้เป็น ธาตุเสถียร จึงไม่มีการสลายอีกต่อไป
ตาราง 20.1 แสดงลำดับการสลายของธาตุกัมมันตรังสีในอนุกรมของยูเรเนียม -238
(5).jpg)
นอกจากอนุกรมการสลายของยูเรเนียม -238 ดังกล่าวมาแล้วนั้น พบว่ามีอีก 2 อนุกรมซึ่งเป็นการสลายของธาตุกัมมันตรังสีธรรมชาติ ได้แก่ อนุกรมที่เริ่มต้นด้วยยูเรเนียม -235 โดยมีตะกั่ว -207 เป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรมและอนุกรมที่เริ่มต้นด้วยทอเรยม -232 โดยมีตะกั่ว -208 เป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรม
ในการสลายของธาตุกัมมันตรังสีในอนุกรมของยูเรเนียม -238 พบว่า อะตอมของพอโลเนียม -218 จะลดจำนวนลงครึ่งหนึ่งในเวลาเพียง 3.05 นาที ในขณะที่อะตอมของเรเดียม -226 ต้องใช้เวลาถึง 1620 ปี จึงจะลดจำนวนลงครึ่งหนึ่ง จะเห็นได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีอัตราการสลายต่างกัน การสลายของธาตุเหล่านี้มีกฎเกณฑ์อย่างไร จะได้ศึกษาต่อไปนี้
ในปี พ.ศ. 2445 รัทเทอร์ฟอร์ด และซอดดี ได้ตั้งสมมติฐานเพื่อใช้อธิบายการสลายของธาตุกัมมันตรังสี ซึ่งอาจกล่าว
โดยสรุปได้ดังนี้
1. ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายกลายเป็นธาตุใหม่ด้วย การปล่อยอนุภาคแอลฟา หรืออนุภาคบีตา ธาตุใหม่ที่ได้จากการ
สลายนี้จะมีสมบัติทางเคมีผิดแผกไปจากธาตุเดิมและธาตุใหม่นี้อาจจะเป็นธาตุกัมมันตรังสีก็ได้
2. การสลายของธาตุกัมมันตรังสีไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อมภายนอกนิวเคลียส เช่น อุณหภูมิ ความดัน เป็นต้น แต่การ
สลายนี้จะเป็นไปตามหลักการทางสถิติที่เกี่ยวข้องกับโอกาสและกระบวนการแบบสุ่ม เช่น ถ้ามีธาตุกัมมันตรังสีอยู่จำนวนหนึ่ง เราไม่สามารถบอกได้ว่า นิวเคลียสในธาตุนั้นจะสลายก่อนหรือหลัง เรากล่าวได้แต่เพียงว่า ทุกนิวเคลียสมีโอกาสเท่าๆกันที่จะสลายในช่วงเวลาหนึ่ง และโอกาสเช่นว่านี้จะไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อมและเวลา นอกจากนี้อัตราการสลายของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีขณะใดขณะหนึ่งจะแปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีนั้นที่มีอยู่ในขณะนั้น
ถ้าให้ N เป็นจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ขณะเวลา t
เป็นจำนวนนิวเคลียสที่สลายไปในช่วงเวลาสั้นๆ
นับจากเวลา t
ดังนั้น แสดงจำนวนนิวเคลียสที่สลายไปใน 1 หน่วยเวลา ซึ่งปริมาณนี้ก็คืออัตราการสลายของนิวเคลียส ณ เวลา t นั่นเอง ปริมาณนี้เป็นปริมาณที่แปรผันตรงกับจำนวนของนิวเคลียสที่มีในขณะนั้น ดังนั้นจึงอาจเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า

หรือ [/tex]\frac{{\Delta N}}{{\Delta t}} = - \lambda N[/tex] (20.1)
โดยที่
เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน ซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับชนิดของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ค่าคงตัวนี้เรียก ค่าคงตัวการสลาย เครื่องหมายลบแสดงการลดลงของจำนวนนิวเคลียสเมื่อเวลาผ่านไป
ถ้าช่วงเวลา
มีค่าน้อยมาก
เราสามารถใช้ความรู้แคลคูลัส เขียนสมการ (20.1) ได้เป็น
(20.2)
หรือ
ปริมาณ
บอกอัตราการลดลงของจำนวนนิวเคลียสของธาตุ กัมมันตรังสี ซึ่งก็คืออัตรการแผ่รังสีในขณะหนึ่งนั่นเอง เรียกปริมาณนี้ว่า กัมมันตภาพ ของธาตุกัมมันตรังสี นิยมแทนด้วยสัญลักษณ์ Aปริมาณนี้หาได้จากจำนวนนิวเคลียสที่สลายต่อวินาที ในระบบเอสไอ A มีหน่วยเป็นเบ็กเคอเรล ใช้สัญลักษณ์ Bq
ในทางปฏิบัตินิยมวัดกัมมันตภาพเป็นหน่วยคูรี ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น Ci โดยนิยามว่า 1 คูรีมีค่าเท่ากับ
เบ็กเคอเรล จะเห็นได้ว่ากัมมันตภาพ 1 คูรีนั้นมีค่าสูงมาก จึงนิยมใช้หน่วยที่เล็กกว่า คือ มิลลิคูรี และไมโครคูรี ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น mCi และ
ตามลำดับ
และ
ตามลำดับ


ถ้าธาตุกัมมันตรังสีธาตุหนึ่ง สลายโดยปล่อยรังสีบีตา ขณะที่ธาตุนี้มีกัมมันตภาพ 1 คูรี จะสลายให้อนุภาคบีตา
ตัวต่อวินาที การหากัมมันตภาพของธาตุกัมมันตรังสีนั้น
(5).jpg)
รูป 20.7 เครื่องวัดรังสีแบบหนึ่ง
อาจทำได้โดยผ่านรังสีไปในแก๊สในเครื่องวัดรังสีให้แก๊สแตกตัวเป็นไอออน อัตราการแตกตัวเป็นไอออนที่วัดได้ขณะหนึ่งจะแปรผันตรงกับกัมมันตภาพของธาตุในขณะนั้น
สมการ (20.2) เป็นสมการอนุพันธ์ จะไม่แสดงวิธีหาคำตอบของสมการนี้โดยวิธีการทางคณิตศาสตร์จะเพียงแต่สรุปว่า
สมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง N กับ t จะอยู่ในรูป
(20.3)
เมื่อ
เป็นจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีเมื่อเริ่มพิจารณา (t = 0)
N เป็นจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ยังไม่สลายตัวหรือที่เหลืออยู่เมื่อเวลาผ่านไป t
e เป็นค่าคงตัวซึ่งเท่ากับ 2.7182818
สมการ (20.3) อธิบายการสลายของธาตุกัมมันตรังสีเชิงปริมาณ เมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง N กับ t ตามสมการนี้จะได้กราฟดังรูป 20.8 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีจะเหลือน้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป เรียกช่วงเวลาของการสลายที่จำนวนนิวเคลียสลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้นว่า ครึ่งชีวิต ของธาตุกัมมันตรังสี นิยมใช้สัญลักษณ์
แทนธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งจะมีครึ่งชีวิตคงตัวและมีค่าไม่ซ้ำกับครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ ดังตัวอย่างที่แสดงในตาราง 20.1 และ 20.2
ตาราง 20.2 แสดงครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุ
|
ธาตุกัมมันตรังสี |
ครึ่งชีวิต |
|
โซเดียม - 24 |
15 ชั่วโมง |
|
ไอโอดีน - 131 |
8 วัน |
|
ฟอฟฟอรัส - 32 |
14 วัน |
|
กำมะถัน - 35 |
87 วัน |
|
โคบอลต์ - 60 |
5.3 ปี |
|
คาร์บอน - 14 |
5570 ปี |
พิจารณากราฟในรูป (20.8) ในตอนเริ่มต้นมีจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีอยู่
เมื่อเวลาผ่านไปเท่ากับครึ่งชีวิต จำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีจะลดลงเหลือเพียง
และถ้าให้เวลาผ่านต่อไปอีกเท่ากับ
นั่นคือเวลาผ่านไปเป็น
จากเริ่มต้น จำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีก็จะลดลงอีกครึ่งหนึ่งของจำนวนที่เหลือ กล่าวคือ จะเหลือเพียง
ในทำนองเดียวกันถ้าเวลาผ่านไปเป็น
จากตอนเริ่มต้นก็จะมีจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีเหลือเป็น
ตามลำดับ นั่นคือถ้าเวลาผ่านไปเป็น
จากตอนเริ่มต้นจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีจะเหลืออยู่เท่ากับ
นิวเคลียส
(5).jpg)
รูป 20.8 การลดจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ณ เวลาต่างๆ
จากสมการ (20.3) ถ้าพิจารณาเวลา
ขณะนั้นมีจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสี
N เท่ากับ
เมื่อแทนในสมการจะได้

หรือ 
จากนิยามของ log จะได้ว่า

= 0.693
ดังนั้น
(20.4) สมการ (20.4) แสดงว่า ธาตุกัมมันตรังสีที่มีค่าครึ่งชีวิตมาก จะมีค่าคงตัวการสลายน้อย จึงอาจกล่าวได้ว่าค่าคงตัวของ
ต่อวินาที ซึ่งหมายความว่าในเวลา 1 วินาที โอกาสของการสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสีจะเป็น 1 ใน 100
อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัตินั้น การวัดหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงทำได้ยาก ดังนั้นการศึกษาการสลายของธาตุ
กัมมันตรังสีจากสมการ (20.3) โดยตรงจึงไม่สะดวกในทางปฏิบัติ แต่ถ้าเราแทนสมการนี้ลงในสมการ (20.2) จะพบว่าได้ผลเป็น

และถ้าให้
เป็นกัมมันตภาพขณะเริ่มต้น (t = 0)
A เป็นกัมมันตภาพที่เวลา t ใดๆ นับจากเริ่มต้น
จะได้
และ 
นั่นคือ
(20.5)
ซึ่งสมการ (20.5) นี้มีรูปสมการเหมือนกับสมการ (20.3) และเนื่องจากปริมาณกัมมันตภาพนี้เป็นปริมาณที่สามารถหาได้จากอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของแก๊สในเครื่องวัดรังสีดังที่ได้กล่าวมาแล้ว จึงนิยมศึกษาการสลายของธาตุกัมมันตรังสี โดยอาศัยสมการ (20.5)
นอกจากนี้เราอาจใช้สมการ (20.3) และ (20.5) บอกถึงการเปลี่ยนแปลงปริมาณของธาตุกัมมันตรังสีที่เวลาขณะใดขณะหนึ่งได้ ทั้งนี้เพราะจำนวนนิวเคลียสแปรผันตรงกับมวลของธาตุดังที่ทราบกันอยู่แล้ว เช่น ถ้ามีเรเดียมอยู่ 20 กรัม โดยเรเดียมมีเวลาครึ่งชีวิต 1620 ปี เราจะบอกไดว่า หลังจากนี้ไปเป็นเวลา 1620 ปี จะมีเรเดียมเหลืออยู่ 10 กรัม เป็นต้น
ดังนั้น ถ้าให้
เป็นมวลของธาตุกัมมันตรังสีขณะเริ่มต้นพิจารณาซึ่งเวลานั้นจำนวนนิวเคลียสเป็น
m เป็นมวลของธาตุกัมมันตรังสีที่เวลา t ใดๆ นับจากเริ่มต้น ซึ่งที่เวลานี้มีจำนวนนิวเคลียสเป็น N
จะได้
(20.6)
ตัวอย่าง 20.1 ธาตุกัมมันตรังสีไอโอดีน - 126 มีครึ่งชีวิต 13.3 วัน ถ้าในขณะหนึ่งไอโอดีนนี้มีมวล 10 กรัม จงหาว่า
ก. จะต้องใช้เวลานานเท่าใด จึงจะเหลือไอโอดีน - 126 จากการสลายเท่ากับ 2.5 กรัม
ข. ถ้าเวลาผ่านไป 20 วัน จะมีไอโอดีน - 126 เหลืออยู่กี่กรัม
วิธีทำ ก. ระยะเวลาที่ไอโอดีนกัมมันตรังสี 10 กรัม สลายไปบางส่วนและเหลืออยู่ 2.5 กรัม หาได้โดยใช้สมการ (20.6) ซึ่งในที่นี้
m = 2.5 กรัม
กรัม
สำหรับ
นั้นหาได้จากสมการ (20.4) ซึ่งในที่นี้ครึ่งชีวิตมีค่า 13.3 วัน
ดังนั้น 
= 0.0521 ต่อวัน= 26.6 วัน
แทนค่าลงในสมการ (20.6) จะได้
2.5 กรัม = (10 กรัม) 
หรือ
= 4.0
และ (0.0521 ต่อวัน) t = In 4.0
ตอบ นั่นคือ ต้องใช้เวลา 26.6 วัน ไอโอดีน - 126 จึงจะเหลือ 2.5 กรัม
ข. การหาปริมาณธาตุกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่ขณะเวลา t ใดๆ สามารถหาได้จากสมการ (20.6) ในที่นี้
กรัม
t = 20 วัน
ต่อวัน
จะได้
กรัม
กรัม
เนื่องจาก
นั่นคือ m = 3.53 กรัม
ตอบ นั่นคือ เมื่อเวลาผ่านไป 20 วัน จะมีปริมาณไอโอดีน - 126 เหลืออยู่จากการสลายเท่ากับ 3.53 กรัม
ตามปกติในการสลายของธาตุกัมมันตรังสีนั้น การหาโอกาสที่นิวเคลียสจะสลายเป็นไปตามหลักการทางสถิติที่ได้กล่าวมาแล้ว ถ้าเราพิจารณาการทอดลูกเต๋า โอกาสที่ลูกเต๋าจะหงายหน้าใด หน้าหนึ่งขึ้นก็เป็นไปตามหลักการทางสถิติเช่นกัน ดังนั้น เราจึงอาจเปรียบเทียบการสลายของธาตุกัมมันตรังสีได้รับการทอดลูกเต๋าจากกิจกรรม 20.1 ท้ายบท
เมื่อเปรียบเทียบกราฟการทอดลูกเต๋ากับการสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสี จะพบว่ากราฟแสดงความสัมพันธ์ของจำนวนลูกเต๋าที่เหลือกับจำนวนครั้งของการทอดมีลักษณะเช่นเดียวกับกราฟแสดงจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีที่เหลือจากการสลาย ณ เวลาต่างๆ จึงกล่าวได้ว่า จำนวนลูกเต๋าที่เหลืออยู่จากการทอดแต่ละครั้งเทียบได้กับจำนวนนิวเคลียสที่เหลือจากการสลาย จำนวนครั้งที่ทอดลูกเต๋าเทียบได้กับช่วงเวลาที่เกิดการสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสี และจำนวนครั้งที่ทอดแล้วทำให้มีลูกเต๋าเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้นก็เทียบได้กับครึ่งชีวิตนั่นเอง
(5).jpg)
รูป 20.9 แสดงจำนวนลูกเต๋าที่เหลือจากการทอดแต่ละครั้ง
จากการทดลองนี้จะเห็นว่า ครึ่งชีวิตของการทอดลูกเต๋าที่แต้มสี 1 ห้า และ 2 หน้านั่นมีค่าไม่เท่ากัน โดยมีค่าครึ่งชีวิตของการทอดลูกเต๋าที่แต้มสี 1 หน้ามีค่ามากกว่าด้วยเหตุนี้ค่าคงตัวการสลายจากการทดลองทั้งสองตอนจึงมีค่าไม่เท่ากันด้วย ชุดลูกเต๋าที่มีสีแต้มสี 1หน้า เปรียบได้กับนิวเคลียสกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ส่วนชุดลูกเต๋าที่สีแต้ม 2 หน้า ก็เปรียบได้กับนิวเคลียสกัมมันตรังสีอีกชนิดหนึ่ง
- ค่าคงตัวการสลายจากการทดลองทั้งสองตอนมีค่าเท่าใด
ค่าคงตัวการสลายในการทอดลูกเต๋าที่แต้มสีเพียงหน้าเดียวเท่านั้น หมายถึง โอกาสที่ลูกเต๋าจะหงายหน้าที่แต้มสีนั่นเอง ซึ่งในกรณีที่ลูกเต๋ามี 6 หน้า โอกาสที่ลูกเต๋าจะหงายหน้าใดหน้าหนึ่งนั้นเท่ากัน ค่าคงตัวการสลายในการทอดลูกเต๋าที่แต้มสี 1 หน้า จึงมีค่าเป็น
ส่วนการทอดลูกเต่าที่แต้มสี 2 หน้านั้น โอกาสที่ลูกเต๋าแต่ละลูกจะหงายหน้าที่แต้มสีจะมีมากขึ้นคือเป็น
เท่ากับ
ถ้าใช้ค่าคงตัวการสลายดังกล่าวข้างต้นไปคำนวณหาครึ่งชีวิตโดยอาศัยสมการ (20.4) จะพบว่าครึ่งชีวิตของการทอดลูกเต๋าที่แต้มสี 1 หน้า และ 2 หน้า มีค่าประมาณ 4 และ 2 ตามลำดับ นั่นคือ ถ้าทอดลูกเต๋าที่แต้มสี 1 หน้าไปเพียง 4 ครั้ง จะพบว่ามีลูกเต๋าเหลืออยู่ครึ่งหนึ่งของตอนเริ่มต้น
|
||||||
![]() |
สงวนสิทธิ์บางประการภายใต้สัญญาอนุญาต ครีเอทีฟคอมมอนส์ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 3.0 ประเทศไทย. ท่านสามารถนำเนื้อหาในส่วนบทความไปใช้ แสดง เผยแพร่ โดยต้องอ้างอิงที่มา ห้ามใช้เพื่อการค้าและห้ามดัดแปลง |