ห้องเก็บของนานาสาระ (=w=)

ลำดับตอนที่ #18 : ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี

 

ในปี ค.ศ. 1896 (พ.ศ. 2439) อองตวน อองรี เบ็กเคอเรล นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสพบว่า เมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม ฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆก็ได้ผลเช่นเดียวกัน จึงสรุปได้ว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียม ต่อมาปีแอร์ และมารี กูรี ได้ค้นพบว่าธาตุยูพอโลเนียม เรเดียม และทอเรียม ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันเพราะฉะนั้นจึงสรุปได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่มีในธรรมชาติที่แผ่รังสีออกมาได้เอง                                                                              

เฮนรี่ เบคเคอเรล นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เป็นผู้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีโดยบังเอิญ ในขณะที่ทำการวิเคราะห์เกี่ยวกับรังสีเอกซ์ กัมมันตภาพรังสีมีสมบัติแตกต่างจากรังสีเอกซ์ คือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์ การแผ่รังสีเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา
รังสี เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ บางชนิดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีเอกซ์ รังสีอุลตราไวโอเลต รังสีอินฟราเรด บางอย่างเป็นอนุภาค เช่นรังสีที่เกิดจากอนุภาคอิเลคตรอน รังสีที่ได้จากธาตุกัมมันตรังสีมี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา      

การแผ่รังสีของอนุภาคแอลฟา

อนุภาคแอลฟาประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค นิวตรอน 2 อนุภาค
การแตกสลายตัวโดยการแผ่รังสีแอลฟา มักเกิดจากการแตกสลายตัวของนิวเคลียสที่มีเลขอะตอม 83 ขึ้นไป ทั้งนี้เพราะแรงผลักในนิวเคลียสที่มากกว่าแรงยึดเหนี่ยวจึงทำให้นิวเคลียสพยายามลดโปรตอน นิวตรอนลงมา เพื่อให้นิวเคลียสเถียรการแตกสลายของอนุภาคแอลฟา อะตอมใหม่จะมีเลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง 4 อนุภาคแอลฟา มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำเพียงแค่กระดาษ อากาศที่หนาประมาณ 2-3 cm น้ำที่หนาขนาดมิลลิเมตร หรือโลหะบางๆ ก็สามารถกั้นอนุภาคแอลฟาได้

การแผ่รังสีอนุภาคบีตา,โพซิตรอน
- การแตกสลายอนุภาคบีตาและโพซิตรอน เกิดเนื่องจากอัตราส่วนโปรตอนต่อนิวตรอน ในนิวเคลียสเบนออกจากเส้นเสถียรภาพ

การแผ่รังสีของอนุภาคบีตา
- มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ ประจุเป็น –1 มวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน
มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า     
- มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง           

การแผ่รังสีของอนุภาคโพซิตรอน

- โพซิตรอนมีสมบัติเช่นเดียวกับอนุภาคบีตา ต่างกันที่โพซิตรอนมีประจุบวกและไม่เสถียร
- นิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนมากกว่านิวตรอน เมื่อเทียบจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน

การแผ่รังสีแกมมา

รังสีแกมมาเป็นรังสีที่มีพลังงานสูง ไม่มีประจุ ไม่มีมวล เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก มีอำนาจทะลุทะลวงสูง

การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้รังสีแกมมาจะเกิดจากไอโซโทปกัมมันตรังภาพรังสีบางชนิดที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตาแต่นิวเคลียสยังมีพลังงานสูง หรือยังอยู่ในสภาวะที่กระตุ้น เมื่อนิวเคลียสกับมาสู่ภาวะปกติ จึงปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูป รังสีแกมมา การแผ่รังสีนี้จะไม่ทำให้เลขมวล และเลขอะตอมเปลี่ยนแปลง   

นิวเคลียส
อะตอมมีโครงสร้างประกอบด้วย นิวเคลียสอยู่ใจกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลาง อัดแน่นกันโดยยึดเหนี่ยวกันอยู่ด้วยแรงนิวเคลียร์ โปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสเรียกรวมๆ ว่า นิวคลีออน ธาตุต่างชนิดกันจะมีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากัน แต่อาจมีจำนวนนิวคลีออนเท่ากันได้

ไอโซโทป
ไอโซโทป หมายถึง กลุ่มนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน หรือเลขมวลไม่เท่ากัน           
ไอโซโทปกัมมันตรังสี หมายถึง ไอโซโทปที่สามารถแผ่รังสีได้       
ไอโซโทปเสถียร หมายถึง ไอโซโทปที่ไม่แผ่รังสี      

ได้กล่าวไปแล้วว่า นิวเคลียสไม่เสถียรมีสาเหตุมาจากสัดส่วนระหว่างจำนวนโปรตอน และจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสไม่เหมาะสม ทำให้นิวเคลียสไม่เสถียรต้องเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสเข้าสู่สภาพนิวเคลียสเสถียร ด้วยการปล่อยรังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาออกมา กระบวนการที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า การสลายกัมมันตรังสี โดยเมื่อธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมา อาจสลายตัวเป็นธาตุใหม่หรือยังเป็นธาตุเดิมก็ได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีที่แผ่ออกมา พิจารณาได้ดังนี้           

การสลายให้อนุภาคแอลฟา

นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรที่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสมากเกินไป จะสลายด้วยการปล่อยอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุบวกออกมา และจะมีการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส โดยมีเลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 ทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่ การสลายตัวและการแผ่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมมากกว่า 82 ที่มีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนไม่เหมาะสม เช่น Ra-226 สลายด้วยการปล่อยอนุภาคแอลฟา แล้วกลายเป็น Ra-222 นิวเคลียส Ra-226 จะเรียกว่า นิวเคลียสตั้งต้น และนิวเคลียส Ra-222 เรียกว่า นิวเคลียสลูก โดยนิวเคลียสลูกและอนุภาคแอลฟารวมเรียกว่า ผลผลิตการสลาย การสลายของ Ra-226 เขียนแทนด้วยสมการการสลายให้อนุภาคบีตา
นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรที่มีจำนวนโปรตอนน้อยไป จะสลายด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาซึ่งมีประจุลบออกมา เช่น C-14 สลายตัวด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาแล้วกลายเป็น N-14 กรณีนี้ C-14 คือนิวเคลียสตั้งต้น และ N-14 คือนิวเคลียสลูก โดย N-14 และอนุภาคบีตารวมเรียกว่า ผลผลิตการสลาย เขียนแทนด้วยสมการการสลายให้รังสีแกมมา
รังสีแกมมาที่แผ่ออกมาเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของนิวเคลียส จากภาวะที่ถูกกระตุ้น ไปสู่สถานะพื้น ที่มีระดับพลังงานต่ำกว่าโดยการแผ่รังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา พบว่ารังสีแกมมามักเกิดตามหลังการสลายให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบีตาเสมอ เช่น Pb-214 สลายด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาแล้วกลายเป็น Bi-214 พบว่า Bi-214 ที่เกิดขึ้นอยู่ในสภาวะกระตุ้นแล้ว Bi-214 จะลดระดับพลังงานสู่สภาวะปกติและปล่อยรังสีแกมมาออกมา

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

ถ้าต้องการตรวจสอบว่าสารใดมีการแผ่รังสีหรือตรวจสอบว่าธาตุใดที่เป็นธาตุกัมมันตรังสี สามารถตรวจสอบได้หลายวิธีดังนี้          
1. ใช้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารที่ต้องการตรวจสอบในที่มืด แล้วนำฟิล์มไปล้าง ถ้าเกิดสีดำบนแผ่นฟิล์มแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสี
2. ใช้สารที่เรืองแสงได้เมื่อรังสีตกกระทบ เช่น ZnS มาวางไว้ใกล้ๆ สารที่ต้องการตรวจสอบ ถ้ามีแสงเรืองเกิดขึ้น แสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสี  
3. ใช้เครื่องมือไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ตรวจสอบ วิธีนี้ดีกว่า 2 วิธีแรก เพราะ 2 วิธีแรกไม่สามารถบอกปริมาณรังสีได้แต่วิธีนี้บอกได้ เครื่องไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ด้วยหลอดทรงกระบอกที่ทำด้วยวัสดุตัวนำไฟฟ้า ภายในหลอดบรรจุก๊าซอาร์กอนที่มีความดันต่ำ ตรงกลางหลอดมีแท่งโลหะทำหน้าที่เป็นขั้วบวก ส่วนผนังหลอดเป็นขั้วลบ ขั้วทั้งสองจะต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อทำการวัดรังสี
4. ใช้เครื่องวัดรังสีห้องหมอก (Cloud Chamber) เครื่องมือนี้ใช้ตรวจสอบรังสีโดยอาศัยหลักที่ว่า เมื่อรังสีผ่านไปในอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำ รังสีจะไปทำให้ก๊าซเกิดการแตกตัวเป็นไอออนขึ้นตอลดทางที่รังสีผ่าน และไอน้ำที่อิ่มตัวจะเกิดการควบแน่นรอบๆ ไอออนเหล่านั้น ทำให้เกิดเป็นทางขาวๆ (เส้นหมอก) ตามแนวทางที่รังสีผ่านไป                

ครึ่งชีวิต (Half life) หมายถึง ระยะเวลาที่ปริมาณของสารกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น เช่น S-35 มีครึ่งชีวิต 87 วัน ถ้ามี S-35 อยู่ 8 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 87 วัน จะเหลืออยู่ 4 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 87 วัน จะเหลือ 2 กรัม ถ้าเริ่มต้นจาก 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 87 วัน จะเหลืออยู่ 0.5 กรัม และเมื่อผ่านไป 87 วัน จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี ถ้ามี C-14 อยู่ 5 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลืออยู่ 2.5 กรัม และเมื่อผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลือ 1.25 กรัม เป็นต้น
แสดงปริมาณของ Na-24 ที่ลดลงทุกๆ 15 ชั่วโมง      

ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ดัวอย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด

 

 

 

บรรณานุกรม

(ไม่ทราบชื่อผู้แต่ง) .2549.ธาตุกัมมันตรังสี .แหล่งที่มา :

http://www.vcharkarn.com/include/vcafe/showkratoo.php?Pid=41944&page=3.

9 กุมภาพันธ์ 2552

(ไม่ทราบชื่อผู้แต่ง) .ประวัติการค้นพบกัมมันตภาพรังสี.แหล่งที่มา :

http://www.absorn.ac.th/e-learning/ebook/parichad/b11.htm .9 กุมภาพันธ์ 2552

(ไม่ทราบชื่อผู้แต่ง) .2551 .ประวัติการค้นพบกัมมันตภาพรังสี.แหล่งที่มา :

http://www.kaamaa.com/board/thread-291-1-1.html .9 กุมภาพันธ์ 2552