กัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์

กัมมันตภาพรังสี

ในปี ค.ศ. 1896 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) ได้ค้นพบการแผ่รังสีของนิวเคลียสขึ้น จากการศึกษาเกี่ยวกับการแผ่รังสีฟิสิกส์นิวเคลียร์ต่อมาทำให้ทราบถึงธรรมชาติของธาตุ และสามารถนำเอาไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้มาก เช่น นำไปใช้เพื่อการบำบัดรักษามะเร็ง การทำ CT SCANNERS เป็นต้น
การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึงนิวไคลด์หรือธาตุที่มีสภาพไม่เสถียร ซึ่งจะมีการสลายตัวของนิวเคลียสอยู่ตลอดเวลาทำให้กลายเป็น นิวไคลด์ ใหม่หรือธาตุ ในขณะเดียวกันก็สามารถปลดปล่อยรังสีได้
กัมมัตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา
โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสีออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็กหรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา
ก. รังสีแอลฟา (Alpha Ray) เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมากเพื่อเปลี่ยนแปลงให้เป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น ซึ่งรังสีนี้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสด้วยพลังงานต่าง ๆ กัน รังสีแอลฟาก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม แทนด้วย มีประจุบวกมีขนาดเป็น 2 เท่าของประจุอิเล็กตรอน คือเท่ากับ +2e และมีนิวตรอน อีก 2 นิวตรอน (2n) มีมวลเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียมหรือประมาณ 7000 เท่าของอิเล็กตรอน เนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ค่อยเกิดการเบี่ยงเบนง่ายนัก เมื่อวิ่งไปชนสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ผิวหนัง แผ่นกระดาษ จะไม่สามารถผ่านทะลุไปได้ แต่จะถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็วแล้วจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกรังสีแอลฟาชนหลุดออกไป ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน
ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี
1. ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดำบรรพ์ซึ่งหาได้ดังนี้ ในบรรยากาศมี C-14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจน รวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิกจนเกิดปฏิกิริยา แล้ว C-14 ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน แล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และสัตว์กินพืช คนกินสัตว์และพืช ในขณะที่พืชหรือสัตว์ยังมีชีวิตอยู่ C-14 จะถูกรับเข้าไปและขับออกตลอดเวลา เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง การรับ C-14 ก็จะสิ้นสุดลงและมีการสลายตัวทำให้ปริมาณลดลงเรื่อยๆ ตามครึ่งชีวิตของ C-14 ซึ่งเท่ากับ 5730 ปี
2. ด้านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยู่ในรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่
3. ด้านเกษตรกรรม มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีติดตามระยะเวลาการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนกระทั่งถึงการคายออกที่ใบ หรือใช้ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช
4. ด้านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ จะใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสีในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอตลอดแผ่น โดยใช้รังสีบีตายิงผ่านแนวตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่รีดแล้ว แล้ววัดปริมาณรังสีที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะออกมาด้วยเครื่องวัดรังสี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะที่รีดแล้วผิดไปจากความหนาที่ตั้งไว้ เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไปควบคุมความหนา โดยสั่งให้มอเตอร์กดหรือผ่อนลูกกลิ้ง เพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการ
โทษของธาตุกัมมันตรังสี
เนื่องจากรังสีสามารถทำให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่าน
เกิดการแตกตัวเป็นไอออนได้ รังสีจึงมีอันตรายต่อมนุษย์ ผลของรังสีต่อมนุษย์สามารถแยกได้เป็น 2 ประเภทคือ ผลทางพันธุกรรมและความป่วยไข้จากรังสี ผลทางพันธุกรรมจากรังสี
จะมีผลทำให้การสร้างเซลล์ใหม่ในร่างกายมนุษย์เกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์ ส่วนผลที่ทำให้เกิดความป่วยไข้จากรังสี เนื่องจากเมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัว ทำให้เกิดอากาป่วยไข้ได้ หลักในการป้องกันอันตรายจากรังสีมีดังนี้ - ใช้เวลาเข้าใกล้บริเวณที่มีกัมมันตภาพรังสีให้น้อยที่สุด - พยายามอยู่ให้ห่างจากกัมมันตภาพรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ - ใช้ตะกั่ว คอนกรีต น้ำ หรือพาราฟิน เป็นเครื่องกำบังบริเวณที่มีการแผ่รังสี

พลังงานนิวเคลียร์

จุดเริ่มต้นของปรมาณู มนุษย์ในสมัยโบราณมีชีวิตความเป็นอยู่กับธรรมชาติ คอยเฝ้าสังเกตสิ่งต่าง ๆ รอบ ๆ ตัว และปรับ-ปรุงหรือปฏิรูปชีวิตความเป็นอยู่ โดยใช้ความคิดไตร่ตรองเหตุผลที่เกี่ยวข้องซึ่งอาจผิดบ้างถูกบ้าง ตามสติปัญญาและความพิถีพิถันในการนึกคิดเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ นั้น นักปราชญ์กรีก 2 ท่าน คือ ลิวคิปปุส แห่งมิเลตุส และเดโมไครตุส แห่งอับเดรา ได้ลงความเห็นว่าสสารใด ๆ ก็ตาม จะต้องมีขนาดจำกัด คือไม่สามารถตัดแบ่งให้เล็กลง ๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุดได้ นั่นคือจะต้องมีจุดหนึ่งซึ่งไม่อาจตัดแบ่งสสารนั้นได้อีก สิ่งซึ่งมีขนาดเล็กที่สุดที่ไม่อาจแบ่งแยกต่อไปได้อีกนั้นภาษากรีกเรียกว่า ATOMOS

ความคิดเห็นเรื่องชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดนั้นได้ลืมเลือนไปในสมัยต่อ ๆ มาจนกระทั่งในปี พ.ศ. 2346 นักเคมีชาวอังกฤษชื่อ จอห์น ดอลตัน จึงได้รื้อฟื้นทฤษฎีดังกล่าวขึ้นใหม่ โดยใช้ในการอธิบายว่าการที่สารเคมีสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีได้ต่าง ๆ กันนั้นแท้จริงเกิดเนื่องจากสสารนั้นประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่เป็นอิสระ กล่าวคือธาตุชนิดต่าง ๆ ก็จะมีอนุภาคอิสระเล็ก ๆ ที่มีคุณลักษณะเฉพาะตัวอย่างเดียวกันอยู่รวมกัน และสารประกอบต่าง ๆ นั้นแท้จริงเกิดมาจากอนุภาคขนาดเล็ก ๆ ของธาตุต่าง ๆ มาจับตัวอยู่รวมกันในสัดส่วนต่างกันนั่นเอง ดอลตันได้ตั้งชื่ออนุภาคเล็ก ๆ ที่เขาคิดว่ามีอยู่นั้นว่า ATOMS : อะตอม

ครั้นต่อมานักวิทยาศาสตร์ในยุคหลัง (เริ่มตั้งแต่ อองรี เบคเคอเรล ในปีพ.ศ.2539) ได้พบว่าอะตอมมิใช่ชิ้นส่วนที่แบ่งแยกมิได้อีกต่อไป เพราะภายในอะตอมประกอบด้วย นิวเคลียสและอิเล็กตรอนโดยที่ในนิว-เคลียสเองก็ยังมีอนุภาคอีก 2 ชนิดรวมอยู่ด้วยกันอีกด้วย ซึ่งอาจใช้กลวิธีทำให้เกิดปฏิกิริยาในนิวเคลียสจนกระ-ทั่งอะตอมเกิดการแตกแยกต่อไปได้อีกด้วย จากนั้นเรื่องราวของปรมาณูจึงเป็นที่รู้จักและมีผู้ศึกษาค้นคว้ากระทั่งถึงแก่นลึกมากขึ้น ๆ

ความหมายของปรมาณู หรืออะตอม (atom)

ปรมาณู หรืออะตอม คือ ชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่ยังคงคุณสมบัติของธาตุอยู่ได้ อะตอมประกอบด้วย 2 ส่วน คือ - ส่วนแกนกลางที่เรียกว่านิวเคลียส ซึ่งเป็นส่วนที่มีมวลสารและอยู่ตรงใจกลางของอะตอม - ส่วนกรอบคืออาณาบริเวณที่อนุภาคอิเล็กตรอนหมุนวนรอบนิวเคลียสอีกทีหนึ่ง

ความเกี่ยวพันกันของนิวเคลียสและนิวเคลียร์

นิวเคลียส (nucleus) คือ ส่วนที่เป็นแกนหรือแกนกลางของปรมาณูหรืออะตอมของธาตุต่าง ๆ นั่นเอง นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและนิวตรอน ยึดอยู่ด้วยแรงนิวเคลียร์ (nuclear force) และถ้าหากมีแรงกระทำทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (nuclear reaction) นิวเคลียร์ (nuclear) เป็นคำคุณศัพท์ที่ใช้ขยายคำนามต่าง ๆ โดยมีความหมายว่า "เกี่ยวกับนิว-เคลียส" ตัวอย่างเช่น - พลังงานนิวเคลียร์ คือ พลังงานที่มีต้นกำเนิดมาจากการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอม ของธาตุ - ระเบิดนิวเคลียร์ หมายถึง วัตถุระเบิดซึ่งมาจากพลังงานนิวเคลียร์ - โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หมายถึง โรงไฟฟ้าที่ใช้ต้นกำเนิดพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์

ขนาดของอะตอม (the size of atoms)

นิวเคลียสของอะตอมของธาตุต่าง ๆ มีรัศมีประมาณ 10-13 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ผิวก็คงไม่เกิน 10-14 ตารางเซนติเมตร แต่ขนาดของอะตอมใหญ่กว่าเพราะวัดเทียบจากวงโคจรของอิเล็กตรอนที่อยู่ล้อมรอบโดยพบว่าอะตอมปกติจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-8 เซนติเมตรเท่านั้น

ไอโซโทป (isotope) และไอโซโทปรังสี (radioisotope)

อะตอมของธาตุใด ๆ มีค่าเลขเชิงอะตอมเท่ากัน (เป็นธาตุเดียวกัน) แต่อาจมีมวลเชิงอะตอมต่างกัน(มีน้ำหนักของอะตอมต่างกัน) นั่นคือ นิวเคลียสใด ๆที่มีจะนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันจะเรียกอะตอมเหล่านั้นว่าเป็นไอโซโทป เช่น และ ต่างก็เป็นไอโซโทปของธาตุคาร์บอน ตัวเลขด้านล่างซ้ายของอักษร C แสดงค่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสหรือเลขเชิงอะตอม ตัวเลขบนซ้ายแสดงจำนวนโปรตอนและนิว-ตรอนในนิวเคลียสหรือมวลเชิงอะตอมของธาตุนั้น ๆ โดยปกติไอโซโทปต่าง ๆ ของธาตุเดียวกันจะมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือน ๆ กัน แต่มีคุณสมบัติทางรังสีแตกต่างกันกล่าวคือ ไอโซโทปที่มีระดับพลังงานในนิวเคลียสมากเกินไปจะมีสภาพไม่อยู่ตัวจะมีการแผ่รังสีออกมา ไอโซโทปประเภทนี้เรียกว่าไอโซโทปรังสี ในขณะที่ไอโซโทปส่วนใหญ่อยู่ในสภาพคงตัวไม่มีการแผ่รังสี

แบบทดสอบ กัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์

1. การที่โปรตรอนและนิวตรอนอยู่รวมกันได้ในนิวเคลียสแสดงว่า...........................

2. แรงนิวเคลียร์หมายถึง..................................................

3. เมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขมวลมาก ๆ จะมีผลคือ...................

4. การแตกตัวของนิวเคลียสในแต่ละครั้งจะมีพลังงานถูกปล่อยออกมาเรียกว่า....................

5. มนุษย์สามารถนำพลังงานนิวเคลียร์ไปใช้ประโยชน์ได้แก่

5.1..............................

5.2..............................

5.3..............................

6. ธาตุกัมมันตรังสีหมายถึง..............................................

7. กัมมันตภาพรังสีหมายถึง.............................................

8. รังสีแอลฟา มีลักษณะโครงสร้างเหมือน นิวเคลียสของ ............................

9. รังสีแอลฟา มีลักษณะเด่นคือ

9.1.........................

9.2.........................

9.3.........................

10. รังสีแกรมมามีลักษณะเด่นคือ ............................................