ธาตุกัมมันตรังสี

การเกิดกัมมันตรังสี

       กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติของสาร เกิดจากธาตุกัมมันตรังสี เช่น U-238 และTh-232  แผ่รังสีออกมาตลอดเวลา ทั้งนี้เพราะนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร จึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสีบางชนิด แล้วธาตุเหล่านั้นก็จะเปลี่ยนเป็นธาตุใหม่ ต่อมารัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาเพิ่มเติมและแสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา บีตาหรือแกมมา ที่มีสมบัติแตกต่างกัน

ส่วนรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุนั้น แบ่งเป็น 3 ชนิดคือ

1.  รังสีแอลฟา (สัญลักษณ์: α) คุณสมบัติ เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (4 2He) มี p+ และn อย่างละ 2 อนุภาค ประจุ +2 เลขมวล 4 อำนาจทะลุทะลวงต่ำ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ

2.  รังสีบีตา  (สัญลักษณ์: β) คุณสมบัติ เหมือน e- อำนาจทะลุทะลวงสูงกว่า α 100 เท่า ความเร็วใกล้เสียง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก

 3. รังสีแกมมา (สัญลักษณ์: γ) คุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  (Electromagnetic Wave)  ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากไม่มีประจุและไม่มีมวล อำนาจทะลุทะลวงสูงมาก ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาแล้วยังไม่เสถียร มีพลังงานสูง จึงแผ่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับพลังงาน  จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้  หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอน หรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม  และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ  มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันเรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี  

  คือการที่ธาตุกัมมันตรังสีมีปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมา  จะมีเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นภายในนิวเคลียส ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้บางครั้งจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้น  บางครั้งไม่มีธาตุใหม่เกิดขึ้น

            การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี  แบ่งพิจารณาได้ดังนี้

            1.  เมื่อสลายตัวให้รังสีแอลฟา

                               ®     +  

                        ในการสลายตัวให้รังสีแอลฟา จะพบว่าได้ธาตุใหม่เกิดขึ้น  โดยธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นจะมีเลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2

        2.   เมื่อสลายตัวให้รังสีเบตา

                          ®    +   

                        การสลายตัวให้รังสีเบตา ก็จะพบว่ามีธาตุใหม่เกิดขึ้น  ธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นจะมีเลขมวลเท่าเดิม  แต่เลขอะตอมจะเพิ่มขึ้น 1

            3.  เมื่อสลายตัวให้รังสีแกมมา

                        ^*     ®       +   g

                        การสลายตัวให้รังสีแกมมาจะพบว่า  ไม่มีธาตุใหม่เกิดขึ้น  ยังได้ธาตุเดิม

แต่มีพลังงานที่ลดลง  ( ไม่มีดอกจัน   ธาตุที่มีดอกจันกำกับแสดงว่ามีพลังงานสูง).

ครึ่งชีวิตของธาตุ (Half life)  

       รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดจากนิวเคลียสในอะตอมของธาตุซึ่งไม่เสถียร  จึงต้องมีการสลายตัวและแผ่รังสีออกมา  เพื่อเปลี่ยนไปเป็นอะตอมที่มีเสถียรภาพมากขึ้น  เมื่อธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมาแล้วจะเกิดการสลายตัวลดปริมาณลงไปด้วย  โดยนักวิทยาศาสตร์เรียกระยะเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวไปจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมว่า  ครึ่งชีวิต (Half life)  ตัวอย่างเช่น  ธาตุซัลเฟอร์ -35  มีครึ่งชีวิต 87 วัน  ในการสลายตัวเหลือ 4 กรัม  และใช้เวลาอีก 87 วัน  ในการสลายตัวจนเหลือ 2 กรัม  เป็นต้น 

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ 

    หมายถึงปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น ซึ่งจะแผ่รังสีและให้พลังงานมหาศาล และเรียกสมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ว่า สมการนิวเคลียร์ ในสมการใช้สัญลักษณ์ธาตุเป็นสัญลักษณ์นิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะเกิดกับนิวเคลียสของอะตอมของธาตุ โดยนิวเคลียสที่เป็นเป้าจะถูกยิงด้วยอนุภาคที่ใช้เป็นกระสุน ซึ่งอาจจะเป็นนิวตรอน แอลฟา หรือไอออนที่หนัก ๆ ผลิตผลที่ได้จะเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ และจะให้พลังงานออกมาอย่างมหาศาล ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดใหญ่ หรืออาจเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมที่มีขนาดเล็กปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น และให้พลังงานจำนวนมหาศาล ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบ่งออกได้ 2 ประเภทคือ ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction)และปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction)

 1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction)

การเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน

  คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนักแล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา นิวตรอนที่เกิดขึ้น 2-3 ตัวซึ่งมีพลังงานสูงจะวิ่งไปชนนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปเป็นลูกโซ่ ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ ซึ่งทำให้ได้พลังงานมหาศาล

2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction)

การเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน

คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) เชื่อกันว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล

การตรวจสอบการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี

การตรวจสอบการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี

การตรวจสอบการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีสามารถทำได้ ดังนี้

1.หุ้มสารที่จะนำมาตรวจด้วยฟิล์มถ่ายรูปแล้วนำไปเก็บในที่มืด ถ้าสารนั้นสามารถแผ่กัมมันตภาพรังสีได้ เมื่อนำฟิล์มไปล้างจะมีสีดำเกิดขึ้น

2.ตรวจสอบโดยใช้ฉากเรืองแสง ZnS ถ้ามีการเรืองแสงแสดงว่าสารนั้นมีการแผ่กัมมันตภาพรังสีได้

3.เครื่องไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ ประกอบด้วยหลอดแก้วซึ่งภายในบรรจุแก๊สอาร์กอนและแท่งโลหะ ซึ่งหลอดแก้วและแท่งโลหะนี้ต่ออยู่กับมิเตอร์ เมื่อมีกัมมันตภาพรังสีผ่านเข้ามาในหลอดแก้ว จะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น ทำให้สามารถระบุปริมาณของรังสีได้ด้วย