ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี
          ในปี พ.ศ. 2439  อองตวน  อองรี  เบ็กเคอเรล (Antonine Henri Becquerel)  นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่ห่อหุ้มด้วยกระดาษดำและเก็บรวมไว้กับสารประกอบยูเรเนียมจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงสว่าง  เขาจึงได้ทดลองเก็บแผ่นฟิล์มไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ดูบ้าง  ซึ่งก็พบว่าผลที่เกิดขึ้นเป็นเช่นเดียวกัน  ดังนั้นเบ็กเคอเรสจึงได้สรุปว่า  เหตุการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นเนื่องจากธาตุยูเรเนียมมีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้
          หลังจากนั้น ปีแอร์ คูรี  และ  มารี คูรี (Pierre Curie and Marie Curie)  นักวิทยาศาสตร์คู่สามีภรรยาชาวฝรั่งเศส  ได้ค้นพบเพิ่มเติมว่า  ธาตุยูเรเนียมไม่ได้เป็นธาตุเพียงชนิดเดียวที่สามารถแผ่รังสีออกมาได้  แต่ยังมีธาตุชนิดอื่น ๆ ที่สามารถแผ่รังสีออกมาได้เช่นเดียวกัน  เช่น  ธาตุพอลโลเนียม (Po),  เรเดียม (Ra),  และทอเรียม (Th)  เป็นต้น  ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้เรียกรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุต่าง ๆ ว่า  กัมมันตภาพรังสี  และเรียกธาตุต่าง ๆ ที่มีสมบัติในการแผ่รังสีว่า  ธาตุกัมมันตรังสี
          การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีเหล่านี้เกิดขึ้นในไอโซโทปของธาตุที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอนมาก  ทำให้นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรจึงต้องมีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นธาตุที่มีความเสถียรมากขึ้น  โดยการสลายตัวเองเพื่อปล่อยอนุภาคภายในนิวเคลียสออกมาในรูปของการแผ่รังสี  การแผ่รังสีของธาตุเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ  โดยพบว่าธาตุต่าง ๆ ที่อยู่ในธรรมชาติที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ส่วนใหญ่จะสามารถแผ่รังสีได้ทั้งสิ้น  ตัวอย่างเช่น  ธาตุเรเดียม,  ยูเรเนียม,  ทอเรียม  เป็นต้น
          การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะเกิดขึ้นได้โดยอะตอมของธาตุมีการปลดปล่อยองค์ประกอบและพลังงานที่อยู่ภายในอะตอมออกมา  ทำให้โครงสร้างของอะตอมเปลี่ยนแปลงไป  โดยองค์ประกอบและพลังงานของธาตุที่ถูกปลดปล่อยออกมานั้นจะแผ่ออกมาจากธาตุในรูปของรังสีต่าง ๆ ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิด  คือ  รังสีแอลฟา,  รังสีบีตา  และรังสีแกมมา  ซึ่งรังสีต่าง ๆ จะมีลักษณะและสมบัติที่แตกต่างกัน  ดังนี้
          1.  รังสีแอลฟา (alpha)  เป็นอนุภาคที่มีสมบัติเหมือนนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม  คือเป็นอนุภาคซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค  แต่ไม่มีอิเล็กตรอน  จึงมีประจุบวก 2 สามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ  เป็นรังสีที่มีอำนาจการทะลุทะลวงต่ำ
          2.  รังสีบีตา (beta)  เป็นอนุภาคที่มีประจุลบ  มีคุณสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน  จึงสามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก  รังสีบีตามีอำนาจการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาประมาณ 100 เท่า  มีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงกว่ารังสีแอลฟา  และสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลกว่ารังสีแอลฟา
          3.  รังสีแกมมา (gamma)  มีคุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave)  ที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก  ไม่มีประจุและไม่มีมวล  จึงไม่มีการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า  มีอำนาจการทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีบีตามาก  เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาออกมา  แต่นิวเคลียสของธาตุยังไม่เสถียร  ยังมีระดับพลังงานที่สูงอยู่  จึงต้องปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับพลังงาน  โดยรังสีแกมมาจะมีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงมากจนมีค่าใกล้เคียงกับความเร็วแสง

          1.  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

          2.  ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี
          ความสามารถในการปลดปล่อยพลังงาน  และรังสีที่มีพลังงานและมีอำนาจทะลุทะลวงของธาตุกัมมันตรังสีได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านต่าง ๆ มากมายทั้งในด้านการแพทย์  การเกษตร  อุตสาหกรรม  รวมจนถึงด้านธรณีวิทยาการหาอายุของวัตถุต่าง ๆ โดยธาตุกัมมันตรังสีที่มีการใช้ประโยชน์กันอย่างกว้างขวาง  ได้แก่
                    2.1  ยูเรเนียม-235 (U-235)  ใช้สำหรับเป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์  ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบินและยานอวกาศ  และใช้ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ (X-ray)  ซึ่งมีพลังงานสูง
                    2.2  โคบอลต์-60 (Co-60)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถแผ่กัมมันตรังสีชนิดแกมมาซึ่งมีผลในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ได้  จึงมีการนำมาใช้ในการยับยั้งการเจริญเติบโตเชื้อจุลินทรีย์ในอาหาร  ผักและผลไม้  และนำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง
                    2.3  คาร์บอน-14 (C-14)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถพบได้ในวัตถุต่าง ๆ เกือบทุกชนิดบนโลก  จึงสามารถนำระยะเวลาครึ่งชีวิตของธาตุนี้มาใช้ในการคำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ  อายุของหินและเปลือกโลกและอายุของซากฟอสซิลต่าง ๆ ได้  (C-14  มีครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี)
                    2.4  ฟอสฟอรัส-32 (P-32)  เป็นสารประกอบกัมมันตรังสีที่สามารถละลายน้ำได้  มีระยะเวลาครึ่งชีวิตประมาณ 14.3 วัน  ทางการแพทย์นำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็งของเม็ดโลหิตขาว (ลิวคีเมีย)  โดยให้รับประทานหรือฉีดเข้าในกระแสโลหิต  นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการตรวจหาเซลล์มะเร็ง  และตรวจหาปริมาณโลหิตของผู้ที่จะเข้ารับการผ่าตัด

          3.  อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสี
          อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดขึ้นได้  เนื่องจากหากร่างกายของสิ่งมีชีวิตได้รับกัมมันตรังสีในปริมาณที่มากเกินไปจะทำให้โมเลกุลของน้ำ  สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ต่าง ๆ ในร่างกายเสียสมดุล  ทำให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ในร่างกาย  ซึ่งจะทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดความเจ็บป่วย  หรือหากได้รับในปริมาณมากก็อาจทำให้เสียชีวิตได้  ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีจึงจะต้องมีอุปกรณ์ที่ช่วยป้องกันอันตรายจากรังสี  และมีการกำหนดระยะเวลาในการทำงานเพื่อไม่ให้สัมผัสกับรังสีเป็นเวลานานเกินไป

          ปริมาณรังสีที่ส่งผลกระทบต่อร่างกายมนุษย์
                    2.2  มิลลิซีเวิร์ด                              เป็นระดับรังสีปกติในธรรมชาติ  ที่มนุษย์แต่ละคนได้รับใน 1 ปี
                    5     มิลลิซีเวิร์ด                              เป็นเกณฑ์รังสีสูงสุดที่อนุญาตให้บุคคลทั่วไปรับได้ใน 1 ปี
                    50   มิลลิซีเวิร์ด                              เป็นเกณฑ์สูงสุดที่อนุญาติให้ผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีรับได้ใน 1 ปี
                    250 มิลลิซีเวิร์ด                              เป็นระดับที่ไม่ทำให้ร่างกายปรากฏอาการผิดปกติ  ทั้งในระยะสั้นและในระยะยาว
                    500 มิลลิซีเวิร์ด                              ทำให้ปริมาณเม็ดเลือดขาวลดลงเล็กน้อย
                    1,000 มิลลิซีเวิร์ด                           ทำให้เกิดอาการคลื่นเหียน  อ่อนเพลีย  และมีปริมาณเม็ดเลือดขาวลดลง
                    3,000 มิลลิซีเวิร์ด                           ทำให้เกิดอาการอ่อนเพลีย  อาเจียน  ท้องเสีย  เม็ดเลือดขาวลดลง  ผมร่วง  เบื่ออาหาร  ตัวซีด 
                                                                     คอแห้ง  มีไข้  และอาจเสียชีวิตได้ภายใน 3-6 สัปดาห์
                    6,000 มิลลิซีเวิร์ด                           ทำให้เกิดอาการอ่อนเพลีย  อาเจียน  ท้องเสีย  ท้องร่วงภายใน 1-2 ชั่วโมง  เม็ดเลือดลดลงอย่าง
                                                                     รวดเร็ว  ผมร่วง  มีไข้  อักเสบบริเวณปากและลำคออย่างรุ่นแรงและมีโอกาสเสียชีวิตได้ถึง 50%  
                                                                     ภายใน 2-6 สัปดาห์
                    10,000 มิลลิซีเวิร์ด                         ทำให้เกิดอาการอ่อนเพลีย  อาเจียน  ท้องเสีย  ท้องร่วงภายใน 1-2 ชั่วโมง  เม็ดเลือดลดลงอย่าง
                                                                     รวดเร็ว  ผมร่วง  มีไข้  อักเสบบริเวณปากและลำคออย่างรุ่นแรง  ผิวหนังพองบวม  ผมร่วง  และ
                                                                     เสียชีวิตภายใน 2-3 สัปดาห์


         
ที่มาและได้รับอนุญาตจาก :
พงศธร  นันทธเนศ  และสุนทร  ภูรีปรีชาเลิศ. สารและสมบัติของสาร ม.4 - ม.6. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ : อักษรเจริญทัศน์.

ข้อสอบที่เกี่ยวข้อง