ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียร เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82

กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง รังสีที่ได้จากการสลายตัว มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีเบต้า และรังสีแกมมา

ในนิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตอนซึ่งมีประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอนไม่เหมาะสมจนทำให้ธาตุนั้นไม่เสถียร ธาตุนั้นจึงปล่อยรังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น

(ธาตุยูเรเนียม)............. (ธาตุทอเลียม) (อนุภาคแอลฟา)

จะเห็นได้ว่าการแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้ หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน โดย มวลจำนวนหนึ่งของธาตุ จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของมันที่มีอยู่เดิม เมื่อเวลาผ่านไป เรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้

สูตรคำนวณหา ครึ่งชีวิตของธาตุ

กำหนดให้ N คือ มวลของธาตุที่เหลืออยู่
N 0 คือ มวลของธาตุที่มีอยู่เดิม
t คือ เวลาที่ผ่านไปที่เกิดการสลายตัว
t 0 คือ เวลา ครึ่งชีวิตของแต่ละธาตุ

รังสีที่ทำให้เกิดการแตกของประจุ ( Ionizing Radiation )

• รังสีแอลฟา อะตอมใหม่จะมี เลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง 4 อนุภาคแอลฟา มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำเพียงแค่กระดาษ อากาศที่หนาประมาณ 2- 3 cm น้ำที่หนาขนาดมิลลิเมตร หรือโลหะบางๆ ก็สามารถกั้นอนุภาคแอลฟาได้
• รังสีของอนุภาคโพซิตรอน มีสมบัติเช่นเดียวกับอนุภาคบีตา ต่างกันที่โพซิตรอนมีประจุบวกและไม่เสถียร การแผ่รังสีของอนุภาคโพซิตรอนนิวเคลียสจะมีจำนวนโปรตอนมากกว่านิวตรอน เมื่อเทียบจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน
• รังสีเบต้า มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ ประจุเป็น –1 มวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า และมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง
• รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง ไม่มีประจุ ไม่มีมวล เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วเท่ากับความเร็วแสงและมีอำนาจทะลุทะลวงสูง
• สัญลักษณะของอนุภาคต่าง ๆ ( ต้องจำ) เช่น เบต้า b ( )   แอลฟา a ( ) แกมมา g โปรสิตรอน ( ) โปรตอน ( ) และนิวตรอน ( )

ประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์ 

การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งมี 2 ประเภท คือ

1. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลและมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันเสียอีก ดังภาพ ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb)

2. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา ดังภาพ ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรง นักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ซึ่งสามารถนำไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

1.  ทำเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ทำโรงงานไฟฟ้าพลังงานปรมาณู และเรือดำน้ำปรมาณู
2.  ใช้สร้างธาตุใหม่หลังยูเรเนียม สร้างขึ้นโดยยิ่งนิวเคลียสของธาตุหนักด้วยอนุภาคแอลฟา หรือด้วยนิวเคลียสอื่นๆ ที่ค่อนข้างหนัก และมีพลังงานสูง
3.  ใช้ศึกษากลไกของปฏิกิริยาเคมี เช่น การเกิดปฏิกิริยาของเอสเทอร์
4.  ใช้ในการหาปริมาณวิเคราะห์
5.  ใช้ในการหาอายุของซากสิ่งมีชีวิต (C - 14) 
6.  การรักษาโรค เช่น มะเร็ง (Ra - 226)
7. ใช้ในการถนอมอาหารให้อยู่ได้นานๆ ( Co-60)
8. ใช้ ศึกษาความต้องการปุ๋ยของพืช และปรับปรุงเมล็ดพันธุ์ที่ต้องการ (P - 32)

โทษของธาตุกัมมันตรังสี

ถ้าร่างกายได้รับจะทำให้โมเลกุลภายในเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลงไม่สามารถทำงานตามปกติได้ ถ้าเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมก็จะเกิดการผ่าเหล่า โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์ เมื่อเข้าไปในร่างกายจะไปสะสมในกระดูก ส่วนผลที่ทำให้เกิดความป่วยไข้จากรังสี เมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัว ทำให้เกิดอาการป่วยไข้และเกิดมะเร็งได้

ตารางแสดง ธาตุไอโซโทป

ธาตุ/ไอโซโทป	ครึ่งชีวิต	แบบการสลายตัว	ประโยชน์
Tc -99	6 ชั่วโมง	-	-
C-14	5,760 ปี	เบต้า	หาอายุวัตถุโบราณ
Co-60	5.26 ปี	แกมมา	รักษามะเร็ง
Au-198	2.7 วัน	เบต้า แกมมา	วินิจฉัยตับ
I-125	60 วัน	แกมมา	หาปริมาณเลือด
I-131	8.07 วัน	เบตา แกมมา	วินิจฉัยอวัยวะ
P-32	14.3 วัน	เบต้า	รักษามะเร็ง
Pu-239	24,000 ปี	อัลฟา   แกมมา	พลังงาน
K-40	1 x10 9 ปี	เบต้า	หาอายุหิน
U-238	4.5x10 9 ปี	อัลฟา   แกมมา	วัตถุเริมต้นให้ Pu-239
U-235	7.1x10 9 ปี	อัลฟา   แกมมา	รักษามะเร็ง
Cl-36	4x10 5 ปี	-	-
Po-216	0.16 วินาที	-	-
Ra-226	1,600 ปี	อัลฟา   แกมมา	รักษามะเร็ง
Na-24	15 ชั่วโมง	-	-

ตารางแสดง ปริมาณและผลของรังสี

ปริมาณรังสีที่รับ	ผลของรังสีที่ได้รับต่อสุขภาพ
4 มิลลิเร็ม	เดินทางไปกลับด้วยเครื่องบิน นิวยอร์ค-ลอนดอน
20 มิลลิเร็ม	x -ray ปอด 1 ครั้ง
30-50 มิลลิเร็ม/ต่อปี	อยู่ในบ้านไม้
50-100 มิลลิเร็ม/ต่อปี	อยู่ในบ้านอิฐ
70-100 มิลลิเร็ม/ต่อปี	อยู่ในบ้านปูน(คอนกรีต)
170 มิลลิเร็ม/ต่อปี	ตายด้วยโรคมะเร็ง 1 ใน 250,000 คน
500 มิลลิเร็ม/ต่อปี	ค่ามาตรฐานที่นานาชาติยอมรับได้สำหรับประชาชน ทั่ว ๆไป
5000 มิลลิเร็ม/ต่อปี	ค่ามาตรฐานที่นานาชาติยอมรับได้สำหรับเจ้าหน้าที่ใน อุตสาหกรรมนิวเคลียร์
25 เร็ม	มีเลือดขาวต่ำกว่าปกติเล็กน้อย
50 เร็ม	เกิดมีรอยแผลของผิวหนัง เม็ดเลือดขาวต่ำชัดเจนขึ้น
100 เร็ม	คลื่นไส้อาเจียนผมร่วงมีอัตราการเสี่ยงต่อโรคมะเร็งในระยะยาว
200-600 เร็ม	เลือดขาวต่ำอย่างรุนแรง มีเลือดออกในร่างกาย มีโอกาสเสียชีวิต 50 %
600-1000 เร็ม	เม็ดเลือดขาวถูกทำลายโดยสิ้นเชิง ระบบทำงานของลำไส้ถูกทำลาย มีโอกาสเสียชีวิต 80-100%
มากกว่า 1000 เร็ม	เสียชีวิตใน 1-14 วัน