ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี คือ ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสี

กัมมันตภาพรังสี คือ ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่อง

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

1. เกิดจากนิวเคลียสในสภาวะพื้นฐานได้รับพลังงาน ทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานสูงขึ้น ก่อนกลับสู่สภาวะพื้นฐาน นิวเคลียสจะคายพลังงานออกมาในรูปรังสีแกมมา
2. เกิดจากนิวเคลียสที่อยู่ในสภาพเสถียร แต่มีอนุภาคไม่สมดุล นิวเคลียสจะปรับตัวแล้วคายอนุภาคที่ไม่สมดุลออกมาเป็นอนุภาคแอลฟาหรือเบตา

การเกิดกัมมันตรังสี
                ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antcine Henri Bacquerel)  

นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษดำห่อหุ้มอยู่ และเก็บรวมกันไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม มีลักษณะเหมือนถูกแสง จึงทำการทดสอบกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ พบว่าให้ผลการทดลองเช่นเดียวกัน แบ็คเกอเรลจึงสรุปเป็นเบื้องต้นว่า มีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรีเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) และมารี กูรี (marie Curie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ก็ได้พบว่าธาตุอื่น ๆ เช่น พอลโลเนียม (Po) เรเดียม (Ra) และทอเรียม (Th) ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียรและเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ธาตุต่างๆ ที่พบในธรรมชาติส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่แผ่รังสีได้ทั้งสิ้น
นอกจาก ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์ ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นมาได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้มากมาย และเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ศึกษาเพิ่มเติม และได้แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสีอาจเป็น รังสีแอลฟา ( - ray ) รังสีเบตา (  - ray) หรือ รังสีแกรมมา ( -ray) ซึ่งมีสมบัติต่าง ๆ กัน

การแผ่รังสีของอนุภาคแอลฟา

·       สัญลักษณ์ α หรือ ⁴₂He ประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค นิวตรอน 2 อนุภาค

·       การแตกสลายตัวโดยการแผ่รังสีแอลฟา มักเกิดจากการแตกสลายตัวของนิวเคลียสที่มีเลขอะตอม 83 ขึ้นไป ทั้งนี้เพราะแรงผลักในนิวเคลียสที่มากกว่าแรงยึดเหนี่ยวจึงทำให้นิวเคลียสพยายามลดโปรตอนกับนิวตรอนลง เพื่อให้นิวเคลียสเสถียร

·       การแตกสลายให้อนุภาคแอลฟา อะตอมใหม่มี เลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง 4

·       อำนาจทะลุทะลวงต่ำเพียงแค่กระดาษ อากาศหนา 2-3 เซนติเมตร หรือโลหะบางๆ ก็สามารถกั้นอนุภาคอยู่ได้

·       ตัวอย่างธาตุที่สลายให้อนุภาคแอลฟา เช่น    ²²⁶₈₈Ra  ------->  ²²²₈₆Rn  + ⁴₂He

การแผ่รังสีของอนุภาคบีตา และโพซิตรอน

อนุภาคบีตา

·       สัญลักษณ์ β^- หรือ  ⁰_-1e

·       การแตกสลายให้อนุภาคบีตาเกิดจากอัตราส่วน โปรตอนต่อนิวตรอนในนิวเคลียส เบนออกจากเส้นเสถียรภาพ จึงมีการให้อนุภาคดังกล่าวเพื่อให้เสถียร

·       มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือมีประจุเป็น -1

·       อำนาจทะลุทะลวงมากกมว่าแอลฟาประมาณ 100 เท่า

·       มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง

·       น้ำหนา 2 เซนติเมตร โลหะบางๆ เช่น Al จะหยุดบีตาได้

·       ในกรณีที่แผ่รังสีบีตาออกมา จะเกิดกับนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน เมื่อคิดจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน ดังนั้นนิวตรอนในนิวเคลียสจึงเปลี่ยนเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน (ปล่อยบีตาออกมา)

อนุภาคโพซิตรอน

·       สัญลักษณ์ β⁺ หรือ  ⁰₊₁e

·       มีสมบัติเช่นเดียวกับบีตา ต่างกันที่โพซิตรอนมีประจุเป็นบวก ไม่เสถียร

·       ในกรณีที่แผ่รังสีโพซิตรอนออกมา จะเกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนมากกว่านิวตรอนเมื่อคิดจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน ดังนั้นโปรตอนในนิวเคลียสจึงเปลี่ยนเป็นนิวตรอนและ โพซิตรอน พร้อมปล่อยพลังงานออกมา

การแผ่รังสีแกมมา

·       สัญลักษณ์ γ

·       มีพลังงานสูง ไม่มีประจุ ไม่มีมวล เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

·       มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง

·       ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก

·       อำนาจทะลุทะลวงสูง  ต้องใช้ตะกั่วและคอนกรีตผสมเข้าด้วยกันจึงจะสามารถหยุดยั้งแกมมาได้

·       รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูง ไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าเนื่องจากรังสีแกมมาไม่มีทั้งประจุและมวล การแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียสอย่างใดอย่างหนึ่ง  เมื่อ Ra-226 เปลี่ยนไปเป็น Rn-222 โดยการแผ่รังสีแอลฟานั้น Rn-222 ไม่เสถียรภาพจึงแผ่รังสีแกมมาออกมา

วิธีการตรวจธาตุกัมมันตรังสี

1. ให้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารนั้นไว้ในที่มืด แล้วนำฟิล์มไปล้าง ถ้าเป็นสารแผ่รังสี ฟิล์มจะปรากฏเป็นสีดำ

2. เอาสารที่เป็นกัมมันตรังสีเข้าใกล้ๆสารเรืองแสง ถ้าเป็นสารแผ่รังสีจะมีแสงเรืองเกิดขึ้น

3. ใช้เครื่องมือไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ จะมีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีที่แผ่ออกมาได้

            การทำงานของเครื่องไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ เมื่อรังสีผ่านเข้าไปจะไปกระทบอะตอมของ Ar ซึ่งจะทำให้ Ar เกิดการแตกตัว e^- จะหลุดออกไป เกิดเป็น Ar⁺ ทั้ง e^- และ Ar⁺ จะวิ่งไปยังขั้วบวกและลบ ซึ่งทำให้เกิดการแตกตัวมากขึ้น และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งขั้วทั้งสองจะต่อกับเครื่องนับรังสี เพื่อบอกปริมาณรังสีออกมาเป็นตัวเลข

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

1. ด้านการแพทย์

        I-131     ใช้ตรวจสอบความผิดปกติของต่อมไทรอยด์

            Na-24    ใช้ตรวจสอบการไหลเวียนของเลือด

Co-60, Ra-226    ใช้รักษาโรคมะเร็ง

2. ด้านวิทยาศาสตร์

            ใช้สร้างธาตุใหม่หลังยูเรเนียม สร้างขึ้นโดยยิงนิวเคลียสของธาตุหนักด้วยอนุภาคแอลฟา หรือด้วยนิวเคลียสอื่นๆที่ค่อนข้างหนักและมีพลังงานสูง

²³⁹₉₄Pu      +       ⁴₂He        --------->             ²⁴⁶₉₆Cm

²³⁸₉₂U       +     ¹⁴₇N          --------->             ²⁴⁸₉₉Es     + 4(¹₀n)

3. ด้านเกษตรกรรม

            - นำพืชมาอาบรังสี เพื่อให้มีพันธุกรรมที่ดีขึ้น

            - ใช้ Co-60 ในการถนอมอาหาร เพราะทำลายแบคทีเรียได้

4. ด้านอุตสาหกรรม

            - ใช้ตรวจหารอยรั่วของท่อส่งน้ำมัน

            - ใช้ปรับคุณภาพของอัญมณี

5. ด้านพลังงาน

        - U-238, Pu-239 ใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตกระแสไฟฟ้า

6. ด้านธรณีวิทยา

            - ใช้ C-14 หาอายุของวัตถุโบราณ

โทษของธาตุกัมมันตรังสี

            ถ้าร่างกายได้รับจำทำให้โมเลกุลภายในเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลง ไม่สามารถทำงานเป็นปกติได้ ถ้าเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดลักษณะ จะเกิดการผ่าเหล่า เมื่อเข้าไปในร่างกายจะไปสะสมในกระดูก แสงอนุภาคแอลฟาที่เปล่งออกมา จะไปทำลายเซลล์ที่ทำหน้าที่ผลิตเม็ดเลือดแดง ทำให้เกิดมะเร็งในเม็ดเลือดได้