บทที่ 2 ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element)

  คือธาตุพลังงานสูงกลุ่มหนึ่งที่สามารถแผ่รังสี แล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้ มีประวัติการค้นพบดังนี้

1. รังสีเอ็กซ์ ถูกค้นพบโดย Conrad Röntgen อย่างบังเอิญเมื่อปี ค.ศ. 1895
2. ยูเรเนียม ค้นพบโดย Becquerel เมื่อปี ค.ศ. 1896 โดยเมื่อเก็บยูเรเนียมไว้กับฟิล์มถ่ายรูป ในที่มิดชิด ฟิล์มจะมีลักษณะ เหมือนถูกแสง จึงสรุปได้ว่าน่าจะมีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรเนียม เขาจึงตั้งชื่อว่า Becquerel Radiation
3. พอโลเนียม ถูกค้นพบและตั้งชื่อโดย มารี กูรี ตามชื่อบ้านเกิด (โปแลนด์) เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากการสกัดเอายูเรเนียมออกจาก Pitchblende หมดแล้ว แต่ยังมีการแผ่รังสีอยู่ สรุปได้ว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกแฝงอยู่ใน Pitchblende นอกจากนี้ กูรียังได้ตั้งชื่อเรียกธาตุที่แผ่รังสีได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี และเรียกรังสีนี้ว่า กัมมันตภาพรังสี
   
4. เรเดียม ถูกตั้งชื่อไว้เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากสกัดเอาพอโลเนียมออกจากพิตช์เบลนด์หมดแล้ว พบว่ายังคงมีการแผ่รังสี จึงสรุปว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกใน Pitchblende ในที่สุดกูรีก็สามารถสกัดเรเดียมออกมาได้จริง ๆ จำนวน 0.1 กรัม ในปี ค.ศ. 1902

ส่วนรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุนั้น แบ่งเป็น 3 ชนิดคือ

1. รังสีแอลฟา (สัญลักษณ์: α) คุณสมบัติ เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (4 2He) มี p+ และ n 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  หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิมและธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ  มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันเรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ  

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

การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี                                                                                             การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งมี 2 ประเภท คือ                           

1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรงนักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลและมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันเสียอีก ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) ดังภาพ  

 ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี                                                                                                            ความสามารถในการปลดปล่อยพลังงาน  และรังสีที่มีพลังงานและมีอำนาจทะลุทะลวงของธาตุกัมมันตรังสีได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านต่าง ๆ มากมายทั้งในด้านการแพทย์  การเกษตร  อุตสาหกรรม  รวมจนถึงด้านธรณีวิทยาการหาอายุของวัตถุต่าง ๆ โดยธาตุกัมมันตรังสีที่มีการใช้ประโยชน์กันอย่างกว้างขวาง  ได้แก่

1  ยูเรเนียม-235 (U-235)  ใช้สำหรับเป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์  ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบินและยานอวกาศ  และใช้ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ (X-ray)  ซึ่งมีพลังงานสูง

2  โคบอลต์-60 (Co-60)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถแผ่กัมมันตรังสีชนิดแกมมาซึ่งมีผลในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ได้  จึงมีการนำมาใช้ในการยับยั้งการเจริญเติบโตเชื้อจุลินทรีย์ในอาหาร  ผักและผลไม้  และนำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง

3  คาร์บอน-14 (C-14)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถพบได้ในวัตถุต่าง ๆ เกือบทุกชนิดบนโลก  จึงสามารถนำระยะเวลาครึ่งชีวิตของธาตุนี้มาใช้ในการคำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ  อายุของหินและเปลือกโลกและอายุของซากฟอสซิลต่าง ๆ ได้  (C-14  มีครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี

4  ฟอสฟอรัส-32 (P-32)  เป็นสารประกอบกัมมันตรังสีที่สามารถละลายน้ำได้  มีระยะเวลาครึ่งชีวิตประมาณ 14.3 วัน  ทางการแพทย์นำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็งของเม็ดโลหิตขาว (ลิวคีเมีย)  โดยให้รับประทานหรือฉีดเข้าในกระแสโลหิต  นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการตรวจหาเซลล์มะเร็ง  และตรวจหาปริมาณโลหิตของผู้ที่จะเข้ารับการผ่าตัด

อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสี                                                                                                          อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดขึ้นได้  เนื่องจากหากร่างกายของสิ่งมีชีวิตได้รับกัมมันตรังสีในปริมาณที่มากเกินไปจะทำให้โมเลกุลของน้ำ  สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ต่าง ๆ ในร่างกายเสียสมดุล  ทำให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ในร่างกาย  ซึ่งจะทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดความเจ็บป่วย  หรือหากได้รับในปริมาณมากก็อาจทำให้เสียชีวิตได้  ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีจึงจะต้องมีอุปกรณ์ที่ช่วยป้องกันอันตรายจากรังสี  และมีการกำหนดระยะเวลาในการทำงานเพื่อไม่ให้สัมผัสกับรังสีเป็นเวลานานเกินไป

กัมมันตรังสีในการเกษตรกรรม

นักวิทยาศาสตร์อาศัยความรู้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีสลายอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอิทธิพลภายนอกหรือสิ่งแวดล้อมจึงอาศัยการตรวจติดตามธาตุกัมมันตรังสีมาทำประโยชน์ในการพัฒนาการเกษตรได้เป็นอย่างดี ตัวอย่างเช่น การวิจัยอัตราการดูดซึมปุ๋ยของต้นไม้ ถ้าปุ๋ยที่มีธาตุกัมมันตรังสี เช่น ฟอสฟอรัส -32 ปะปนอยู่ ลงในดินบริเวณใกล้ต้นไม้ รากต้นไม้จะดูดซึมธาตุกัมมันตรังสีเข้าไปแล้วส่งต่อไปยังลำต้นและไปอยู่ที่ใบ เพื่อรอการปรุงอาหาร การตรวจวัดปริมาณการแผ่รังสีของปุ๋ยที่ใบ จะทำให้ทราบปริมาณปุ๋ยที่อยู่ที่ใบได้ จึงสามารถหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้ได้

การใช้ประโยชน์ของกัมมันตรังสีในด้านสัตว์เลี้ยง ได้แก่ การศึกษาการผลิตไข่และน้ำนมของสัตว์ เช่น เป็ด ไก่ และโคนม เป็นต้น เป็นที่ทราบกันดีว่าการผลิตน้ำนมของโคนั้น มีความสัมพันธ์กับต่อมไทรอยด์ ซึ่งเป็นต่อมที่มีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับไอโอดีน โดยการใช้ไอโอดีน -131 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีผสมอาหารสัตว์ และติดตามวัดปริมาณการดูดซึมไอโอดีน -131 ไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายสัตว์ จะทำให้ทราบว่า การทำงานของต่อมไทรอยด์เพิ่มขึ้นขณะที่โคเริ่มมีน้ำนม และจะพบต่อไปอีกว่า เวลาอากาศร้อนอัตราการทำงานของต่อมนี้จะลดลง เป็นผลให้อัตราการผลิตน้ำนมลดลงด้วย ความรู้ที่ได้นี้อาจนำมาใช้ประโยชน์ในการเลือกโคนม ซึ่งอาจเลือกตั้งแต่โคยังเป็นลูกโคอยู่ก็ได้

นักวิทยาศาสตร์พบว่า รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถทำให้สิ่งมีชีวิตกลายพันธุ์ได้ เช่น รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะทำให้โครโมโซมในเมล็ดพันธุ์พืชเปลี่ยนไป ดังนั้น เมื่อนำเมล็ดพืชไปเพาะก็จะได้พืชพันธุ์ใหม่ พบว่า โอกาสที่จะได้พืชพันธุ์ใหม่ที่ดี โดยวิธีนี้มีน้อย อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ก็มีพันธุ์ดีหลายสิบชนิด ทั้งพันธุ์ไม้ดอกและไม้ผลที่เกิดจากวิธีการนี้

นอกจากสามารถกลายพันธุ์พืชแล้ว รังสีจากธาตุกัมมันตรังสียังช่วยขจัดแมลงได้ด้วย ซึ่งอาจทำได้โดยรังสีอาบตัวแมลงโดยตรงเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมในเซลล์ของแมลงเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้แมลงตายในที่สุด และอีกวิธีหนึ่งนั้นคือ นำเอาเฉพาะแมลงตัวผู้มาอาบรังสีเพื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพร่พันธุ์ได้อีกต่อไป

ประโยชน์อีกอย่างหนึ่งของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีคือ การถนอมอาหาร เพราะรังสีนี้สามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และยีสต์ที่มีอยู่ทั่วไปในอาหารได้ทำให้อาหารไม่เน่าหรือเน่าช้ากว่าปกติ นอกจากนี้รังสียังช่วยป้องกันการงอกของพืชผักบางชนิด เช่น มันฝรั่ง หัวหอม ได้ด้วย ปริมาณรังสีที่ใช้ในการถนอมอาหารแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ดังนั้น ในการนำอาหารที่อาบรังสีมาบริโภค จะต้องแน่ใจก่อนว่าไม่มีอันตรายใดๆ

การใช้กัมมันตภาพรังสีในการแพทย์

รังสีจากกัมมันตรังรีสามารถตรวจและรักษาโรคได้หลายชนิด ตัวอย่างเช่น การใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์ -60 การรักษาโรคมะเร็ง โดยเฉพาะฉายรังสีแกมมาเข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง การใช้รังสีจากโซเดียม -24 ซึ่งอยู่ในรูปของเกลือโซเดียมคลอไรด์ในการศึกษาลักษณะการหมุนเวียนของโลหิต โดยการฉีดสารดังกล่าวเข้าไปในเส้นเลือด และการติดตามการแผ่รังสีจากสารจะทำให้ทราบว่า มีการอุดตันหรือการหมุนเวียนของเลือดไม่สะดวกในบางส่วนของระบบการไหลเวียนหรือไม่ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีไอโอดีน -131 ในการตรวจดูการทำงานของต่อมไทรอยด์ด้วย

การใช้กัมมันตรังสีในด้านอุตสาหกรรม

ตัวอย่างของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสี ในอุตสาหกรรมที่สำคัญพอสรุปได้ดังนี้

ในการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะให้สม่ำเสมอตลอดแผ่น กระทำได้โดยการหยุดเครื่องรีดแผ่นเป็นคราวๆ ไป แต่การทำเช่นนี้ทำให้อัตราการผลิตต่ำ การใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะช่วยให้สามารถตรวจสอบได้โดยไม่ต้องหยุดเครื่องรีดแผ่นโลหะ 

โดยมีหลักการย่อ ดังนี้ ใช้ธาตุกัมมันตรังสีที่ให้รังสีบีตาเป็นแหล่งกำเนิดรังสี โดยปล่อยให้รังสีตกตั้งฉากกับแผ่นโลหะ ซึ่งกำลังเคลื่อนออกจากเครื่องวัด ตั้งเครื่องวัดรังสีไว้ที่ด้านตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดรังสีโดยมีแผ่นโลหะอยู่ตรงกลาง ถ้าแผ่นโลหะมีความหนาผิดไปจากที่กำหนดไว้ จะทำให้ปริมาณรังสีที่วัดได้มีค่าผิดไปด้วยแล้ว เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยังเครื่องรีดเพื่อปรับรีดให้เร็วในมาตรฐานที่ตั้งไว้

การตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อมโลหะ เช่น การเชื่อมท่อ การต่อท่อที่ใช้สำหรับความดันสูง การเชื่อมตัวเรือดำน้ำ การตรวจสอบประเภทนี้สามารถทำได้ โดยใช้รังสีแกมมา ซึ่งสามารถทะลุผ่านแผ่นโลหะได้ โดยนำกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมาวางไว้ด้านหนึ่งของสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ แล้วใช้จอหรือแผ่นฟิล์มรับรังสีด้านตรงข้ามกับของสิ่งนั้น เมื่อนำฟิล์มไปล้างสามารถเห็นภาพภายในวัตถุได้ว่ามีรอยร้าวหรือโพรงหรือไม่ การตรวจสอบดังกล่าว จะช่วยประหยัดเวลาและแรงงานกว่าวิธีอื่นๆ เป็นอันมาก

การใช้กัมมันตภาพรังสีหาอายุของวัตถุโบราณ

การหาอายุของวัตถุโบราณมีความสำคัญมากในการศึกษาโบราณคดี และธรณีวิทยา การหาอายุโบราณวัตถุนี้อาจอาศัยหลักการที่ว่า องค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตทั้งหลายคือ ธาตุคาร์บอน ธาตุชนิดนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของคาร์บอน -12 ซึ่งเป็นธาตุเสถียรและมีคาร์บอน -14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีปริมาณน้อย เมื่อคาร์บอนรวมกับออกซิเจนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งพืชจะนำไปใช้ในการปรุงอาหารจากนั้นสัตว์ที่อาศัยพืชเป็นอาหารก็ได้รับคาร์บอนจากพืชอีกต่อหนึ่ง คาร์บอน -14 ในสิ่งมีชีวิตจะสลายด้วยครึ่งชีวิต 5568+- 30 ปี ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างนาน ดังนั้นในขณะที่มีชีวิตอยู่อัตราส่วนของคาร์บอน -14 คาร์บอน -12 ในร่างกายของสัตว์ และในตัวพืชจะมีค่าคงตัว ทั้งนี้ ขึ้นกับชนิดของสัตว์หรือพืชนั้นๆ แต่เมื่อสิ้นชีวิตลง โอกาสที่จะได้รับคาร์บอนตามปกติก็จะหยุดลงด้วย

แสดงเครื่องปั้นดินเผาลายเขียนสีบ้านเชียง จ.อุดรธานี

ดังนั้น อัตราส่วนของคาร์บอนทั้งสอง ดังกล่าวก็ลงเรื่อยๆ และเราสามารถคำนวณหาอายุของสัตว์หรือพืชได้ จากอัตราส่วนดังกล่าว เช่น ในการตรวจวิเคราะห์โครงกระดูกชิ้นหนึ่ง พบว่า อัตราส่วนของคาร์บอน -14 คาร์บอน -12 มีอยู่เพียงร้อยละ 50 ของกระดูกสัตว์ชนิดเดียวกันที่เพิ่งเสียชีวิตใหม่ๆ แสดงว่า เจ้าของโครงกระดูกนั้นได้ตายมาแล้วประมาณ 5,670 ปี