กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)

กัมมันตภาพรังสี

ในปี ค.ศ. 1896 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) ได้ค้นพบการแผ่รังสีของนิวเคลียสขึ้น จากการศึกษาเกี่ยวกับการแผ่รังสีฟิสิกส์นิวเคลียร์ต่อมาทำให้ทราบถึงธรรมชาติของธาตุ และสามารถนำเอาไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้มาก 

เช่น นำไปใช้เพื่อการบำบัดรักษามะเร็ง การทำ CT SCANNERS เป็นต้น

 

        กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เกิดจากการเสื่อมสลายโดยตัวเองของนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียร เป็นผลให้ได้อนุภาคอัลฟา อนุภาคเบต้า และรังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงคลื่นสั้นมากและมีพลังงานสูง ทั้งหมดนี้พุ่งออกมาด้วยความเร็วสูงมาก ในบางกรณีอาจมีพลังงานความร้อนและพลังงานแสงเกิดตามมาด้วย เช่น การเสื่อมสลายของนิวเคลียสของธาตุเรเดียมไปเป็นธาตุเรดอน

คำว่ากัมมันตภาพรังสีนี้ มีหลายคนใช้ผิด โดยสับสนกับคำว่า กัมมันตรังสี ซึ่งจะขออธิบายดังนี้

       กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นคำนาม หมายถึง สภาพการแผ่รังสีของธาตุหนึ่ง ๆ ที่ไม่เสถียร เช่น O-18 เป็นต้น

       กัมมันตรังสี (Radioactive) เป็นคำคุณศัพท์ ส่วนใหญ่ใช้ขยายคำว่าธาตุ คือ ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ตัวธาตุที่ปล่อยรังสี (อนุภาคอัลฟา อนุภาคเบต้า และรังสีแกมมา) ออกมา

ชนิดของกัมมันตภาพรังสี มี 3  ชนิด คือ

                        1.  รังสีแอลฟา   ()  ถ้าเป็นอนุภาคจะเรียก อนุภาคแอลฟา เป็นอนุภาคที่มีประจุบวกเป็น  2  เท่าของอิเล็กตรอน  แต่มีมวลเป็น  4  เท่าของอะตอมไฮโดรเจน  สามารถเบี่ยงเบนทั้งในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า เมื่อเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน จึงสูญเสียพลังงานทำให้อำนาจการทะลุทะลวงผ่านต่ำ ผู้ตั้งชื่อรังสีแอลฟา คือ รัทเธอร์ฟอร์ด

            2.  รังสีเบตา  (   )  ถ้าเป็นอนุภาค เรียก อิเล็กตรอน  เป็นอนุภาคที่มีประจุลบ ไม่มีมวล  สามารถเบี่ยงเบนได้ทั้งในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า มีอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง  ผู้ตั้งชื่อรังสีเบตา  คือ รัทเธอร์ฟอร์ด

            3.  รังสีแกมมา   ( g  )  เป็นโฟตอนหรือควอนตัมของแสง ไม่มีมวล ไม่มีประจุ  จึงไม่สามารถเบี่ยงเบนได้ทั้งในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า  แต่เป็นรังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงมากที่สุด  ผู้ตั้งชื่อรังสีแกมมา คือ   วิลาด

            ภาพการเบี่ยงเบนของกัมมันตภาพรังสีในสนามแม่เหล็ก เป็นดังนี้.

                                  a              g     b

                                x      x       x     x     x

                                x      x       x      x    x 

                                x      x        x     x    x

สรุปสมบัติของรังสีทั้งสามได้ดังนี้

       1.ความสามารถในการทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน    
รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เป็นรังสีที่มีสมบัติทำให้สารหรือตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้

รูปแสดงให้เห็นกระบวนการแตกตัวเป็นไอออน

สมบัติรังสีบีตาซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุลบเคลื่อนที่เข้าไปในสารชนิดหนึ่ง มันมีโอกาศที่จะเคลื่อนที่เข้าไปชนอะตอมของสาร เนื่องจากรังสีบีตามีพลังงานสูงมาก จึงสามารถชนอิเล็กตรอนของอะตอมของสารให้หลุดออกมาเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ขณะเดียวกันอะตอมตัวที่ถูกชนซึ่งเสียอิเล็กตรอนไปก็จะแสดงภาวะประจุบวก เรียกว่า ไอออนบวก ทั้งหมดนี้คือกระบวนการที่รังสีทำให้สารหรือตัวกลางแตกตัวเป็นไอออนเมื่อปล่อยให้รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เคลื่อนที่ผ่านไปในสาร เช่น ในอากาศ พบว่ารังสีแอลฟาเคลื่อนที่ได้ระยะทางน้อยที่สุด และรังสีแกมมาสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลที่สุดดังรูป

แสดงว่ารังสีแอลฟาสามารถทำให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านไปแตกตัวเป็นไอออนได้ดีที่สุด จึงสูญเสียพลังงานให้ตัวกลางอย่างรวดเร็ว ทำให้เคลื่อนที่ผ่านไปในตัวกลางได้ไม่มากนัก ส่วนรังสีบีตาและแกมมา มีความสามารถทำให้ตัวกลางแตกตัวเป็นไอออนได้ดีรองลงมาตามลำดับ 

       2.อำนาจทะลุผ่าน

จากที่ได้พิจารณามาแล้วในเรื่องความสามารถในการทำให้เกิดการแตกตัว เราทราบว่ารังสีแอลฟาทำให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้มากที่สุด รองลงมาคือรังสีบีตาและแกมมาตามลำดับ เมื่อทดลองให้รังสีทั้งสามชนิดเคลื่อนที่ผ่านไปในตัวกลางต่างๆ เช่น กระดาษ อะลูมิเนียม ตะกั่ว เป็นต้น จะเห็นว่ารังสีแอลฟาไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นกระดาษ ส่วนรังสีบีตาสามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นกระดาษได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นอะลูมิเนียม สำหรับรังสีแกมมาสามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษและแผ่นอะลูมิเนียมได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นตะกั่ว แสดงว่ารังสีแกมมามีอำนาจทะลุผ่านสูงที่สุด รองลงมาคือรังสีบีตาและแอลฟาตามลำดับ

       3. การเบนในสนามแม่เหล็ก

ผลของสนามไฟฟ้าต่อรังสีทั้ง 3 ชนิดตามรูป 

ธาตุกัมมันตรังสีอยู่ในแผ่นตะกั่ว ซึ่งมีรูปเปิดให้รังสีที่เกิดจากธาตุยูเรเนียมเคลื่อนที่ออกมาได้ บริเวณด้านนอกของแผ่นตะกั่วตรงปากรูของแผ่นตะกั่วมีสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ สมมติว่ามีรังสีสามชนิดถูกปล่อยออกมาจากธาตุยูเรเนียม และเคลื่อนที่เข้าสู่บริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะพบว่า

• รังสีแอลฟา เคลื่อนที่โค้งลงมาเล็กน้อย
• รังสีบีตา เคลื่อนที่โค้งขึ้นไปเล็กน้อย
• รังสีแกมมา เคลื่อนที่ตรงออกไปโดยไม่มีการเบี่ยงเบน
• จากลักษณะการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กของรังสีทั้งสามชนิด จึงสรุปได้ว่ารังสีแอลฟา เป็นอนุภาคขนาดเล็ก มีประจุบวก
• รังสีบีตา เป็นอนุภาคขนาดเล็ก มีประจุลบ และมีมวลน้อยกว่าแอลฟา
• รังสีแกมมา เป็นคลื่อนแม่เหล็กไฟฟ้าไม่มีประจุ

สรุปสมบัติของรังสี

       4.การสลายกัมมันตรังสี

ได้กล่าวไปแล้วว่า นิวเคลียสไม่เสถียรมีสาเหตุมาจากสัดส่วนระหว่างจำนวนโปรตอน และจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสไม่เหมาะสม ทำให้นิวเคลียสไม่เสถียรต้องเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสเข้าสู่สภาพนิวเคลียสเสถียร ด้วยการปล่อยรังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาออกมา กระบวนการที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า การสลายกัมมันตรังสี โดยเมื่อธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมา อาจสลายตัวเป็นธาตุใหม่หรือยังเป็นธาตุเดิมก็ได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีที่แผ่ออกมา พิจารณาได้ดังนี้    

       5.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 เขียนแทนด้วยสมการ

สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแอลฟา เป็นดังนี้

				+

       6.การสลายให้อนุภาคบีตา  

   นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรที่มีจำนวนโปรตอนน้อยเกินไป จะสลายด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาซึ่งมีประจุลบออกมา เช่น C-14 สลายตัวด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาแล้วกลายเป็น N-14 กรณีนี้ C-14 คือนิวเคลียสตั้งต้น และ N-14 คือนิวเคลียสลูก โดย N-14 และอนุภาคบีตารวมเรียกว่า ผลผลิตการสลาย เขียนแทนด้วยสมการ

สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีเบตาลบ เป็นดังนี้

+

       7.การสลายให้รังสีแกมมา

   รังสีแกมมาที่แผ่ออกมาเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของนิวเคลียสจากภาวะที่ถูกกระตุ้น ไปสู่สถานะพื้น ที่มีระดับพลังงานต่ำกว่าโดยการแผ่รังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา พบว่ารังสีแกมมามักเกิดตามหลังการสลายให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคบีตาเสมอ เช่น Pb-214 สลายด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาแล้วกลายเป็น Bi-214 พบว่า Bi-214 ที่เกิดขึ้นอยู่ในสภาวะกระตุ้นแล้ว Bi-214 จะลดระดับพลังงานสู่สภาวะปกติและปล่อยรังสีแกมมาออกมา

สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมา เป็นดังนี้

+

       วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

    ถ้าต้องการตรวจสอบว่าสารใดมีการแผ่รังสีหรือตรวจสอบว่าธาตุใดเป็นธาตุกัมมันตรังสี สามารถตรวจสอบได้หลายวิธีดังนี้

1.           ใช้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารที่ต้องการตรวจสอบในที่มืด แล้วนำฟิล์มไปล้าง ถ้าเกิดสีดำบนแผ่นฟิล์มแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสี

2.           ใช้สารที่เรืองแสงได้เมื่อรังสีตกกระทบ เช่น ZnS มาวางไว้ใกล้ๆ สารที่ต้องการตรวจสอบ ถ้ามีแสงเรืองเกิดขึ้น แสดงว่าสารนั้นมีการแผ่รังสี

3.           ใช้เครื่องมือไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ตรวจสอบ วิธีนี้ดีกว่า 2 วิธีแรก เพราะ 2 วิธีแรกไม่สามารถบอกปริมาณรังสีได้แต่วิธีนี้บอกได้ เครื่องไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ประกอบด้วยหลอดทรงกระบอกที่ทำด้วยวัสดุตัวนำไฟฟ้า ภายในหลอดบรรจุก๊าซอาร์กอนที่มีความดันต่ำ ตรงกลางหลอดมีแท่งโลหะทำหน้าที่เป็นขั้วบวก ส่วนผนังหลอดเป็นขั้วลบ ขั้วทั้งสองจะต่อไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อทำการวัดรังสี

4.           ใช้เครื่องวัดรังสีห้องหมอก (Cloud Chamber) เครื่องมือนี้ใช้ตรวจสอบรังสีโดยอาศัยหลักที่ว่า เมื่อรังสีผ่านไปในอากาศที่อิ่มตัวด้วยไอน้ำ รังสีจะไปทำให้ก๊าซเกิดการแตกตัวเป็นไอออนขึ้นตอลดทางที่รังสีผ่าน และไอน้ำที่อิ่มตัวจะเกิดการควบแน่นรอบๆ ไอออนเหล่านั้น ทำให้เกิดเป็นทางขาวๆ (เส้นหมอก) ตามแนวทางที่รังสีผ่านไป

       ประโยชน์และโทษของกัมมันตภาพรังสี

       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

ดังนั้น ถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัวในขณะที่ต้องการคำนวณอายุวัตถุนั้น ก็สามารถทำนายอายุได้ เช่น ซากสัตว์โบราณชนิดหนึ่งมีอัตราการสลายตัวของ C-14 ลดลงไปครึ่งหนึ่งจากของเดิมขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ เนื่องจาก C-14 มีครึ่งขีวิต 5730 ปี จึงอาจสรุปได้ว่าซากสัตว์โบราณชนิดนั้นมีอายุประมาณ 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

ในอุตสาหกรรมการผลิตถังแก๊ส อุสสาหกรรมก่อสร้าง การเชื่อมต่อท่อส่งน้ำมันหรือแก๊สจำเป็นต้องตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อต่อโลหะ เพื่อต้องการดูว่าการเชื่อมต่อนั้นเหนียวแน่นดีหรือไม่ วิธีการตรวจสอบทำได้โดยใช้รังสีแกมมายิงผ่านบริเวณการเชื่อมต่อ ซึ่งอีกด้านหนึ่งจะมีฟิล์มมารับรังสีแกมมาที่ทะลุผ่านออกมา ภาพการเชื่อมต่อที่ปรากฎบนฟิล์ม จะสามารถบอกได้ว่าการเชื่อมต่อนั้นเรียบร้อยหรือไม่

โทษของธาตุกัมมันตรังสี

เนื่องจากรังสีสามารถทำให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่าน เกิดการแตกตัวเป็นไอออนได้ รังสีจึงมีอันตรายต่อมนุษย์ ผลของรังสีต่อมนุษย์สามารถแยกได้เป็น 2 ประเภทคือ ผลทางพันธุกรรมและความป่วยไข้จากรังสี ผลทางพันธุกรรมจากรังสี

จะมีผลทำให้การสร้างเซลล์ใหม่ในร่างกายมนุษย์เกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์ ส่วนผลที่ทำให้เกิดความป่วยไข้จากรังสี เนื่องจากเมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัว ทำให้เกิดอากาป่วยไข้ได้  

หลักในการป้องกันอันตรายจากรังสีมีดังนี้
1.ใช้เวลาเข้าใกล้บริเวณที่มีกัมมันตภาพรังสีให้น้อยที่สุด
2.พยายามอยู่ให้ห่างจากกัมมันตภาพรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้
3.ใช้ตะกั่ว คอนกรีต น้ำ หรือพาราฟิน เป็นเครื่องกำบังบริเวณที่มีการแผ่รังสี

อ้างอิง : http://www.baanjomyut.com/library/radioactivity/