ธาตุกัมมันตรังสี คืออะไร การปลดปล่อยรังสีของธาตุเกิดขึ้นได้อย่างไร

ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element)

ธาตุบางชนิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุที่มีมวลอะตอมสูง มีความสามารถในการแผ่รังสีออกมาได้เองอย่างต่อเนื่อง โดยปรากฏการณ์การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ขณะที่ธาตุดังกล่าวเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element) คือธาตุที่มีองค์ประกอบภายในนิวเคลียส (Nucleus) ไม่เสถียร ส่งผลให้เกิดการสลายตัว หรือการปล่อยรังสีของธาตุอยู่ตลอดเวลา เนื่องจากปรากฏการณ์การแผ่รังสีของธาตุเป็นกระบวนการปรับสมดุล เพื่อสร้างความเสถียรภายในธาตุ ซึ่งในธรรมชาติ

ธาตุกัมมันตรังสีมักเป็นธาตุที่มีมวลมากหรือมีเลขอะตอมสูงเกินกว่า 82 เช่น เรเดียม (Radium) ที่มีเลขมวลอยู่ที่ 226 และเลขอะตอม 88 หรือยูเรเนียม (Uranium) มีเลขมวลอยู่ที่ 238 และเลขอะตอม 92

การค้นพบธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสีค้นพบครั้งแรกในปี 1896 โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส อองตวน อองรี แบ็กเกอเรล (Antoine Henri Becquerel) จากความบังเอิญที่เขานำฟิล์มถ่ายรูปวางไว้ใกล้เกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต ซึ่งสร้างรอยดำบนแผ่นฟิล์มเสมือนการถูกแสงผ่านเข้าไป เขาจึงเชื่อว่ามีรังสีพลังงานสูงบางชนิดปลดปล่อยออกมาจากเกลือยูเรเนียมก้อนนั้น

นอกจากนี้ เขาทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ต่างให้ผลลัพธ์ไปในทิศทางเดียวกัน โดยหลังจากการค้นพบดังกล่าวเพียง 2 ปี มารี คูรี (Marie Curie) และปีแอร์ คูรี (Pierre Curie) นักเคมีเชื้อสายโปแลนด์ ทำการทดลองกับธาตุหลายชนิดและพบว่าธาตุทอเรียม (Thorium) เรเดียม (Radium) และพอโลเนียม (Polonium) ต่างสามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน จึงส่งผลให้เกิดข้อสรุปร่วมกันที่ว่า ธาตุบางชนิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุที่มีมวลอะตอมสูง มีความสามารถในการแผ่รังสีออกมาได้เองอย่างต่อเนื่อง โดยปรากฏการณ์การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า “กัมมันตภาพรังสี” ขณะที่ธาตุดังกล่าวเรียกว่า “ธาตุกัมมันตรังสี”

การค้นพบ, ธาตุกัมมันตรังสี, กัมมันตรังสี
อองตวน อองรี แบ็กเกอเรล

การแผ่รังสีของธาตุ

ภายในนิวเคลียสของธาตุประกอบไปด้วยโปรตอน (Proton) ที่มีประจุบวก และนิวตรอน (Neutron) ที่มีสถานะเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งการมีสัดส่วนหรือจำนวนโปรตอนต่อจำนวนนิวตรอนภายในอะตอมไม่เหมาะสม ทำให้ธาตุดังกล่าวขาดเสถียรภาพและเกิดการปล่อยรังสีออกมา การแผ่รังสีของธาตุนั้นเป็นกระบวนการปรับสมดุลภายในตัวเองของธาตุตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถก่อกำเนิดธาตุชนิดใหม่หรืออาจสร้างการเปลี่ยนแปลงภายในองค์ประกอบอะตอมของธาตุชนิดเดิม เช่น จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นหรือลดลง โดยธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดจะมีระยะเวลาในการสลายตัวและการแผ่รังสีที่แตกต่างกันออกไป หรือที่เรียกว่า “ครึ่งชีวิต” (Half Life)

รังสีจำแนกเป็น 3 ชนิด ได้แก่

  • รังสีแอลฟา (Alpha: α)

เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมาก หรือมีจำนวนโปรตอนภายในนิวเคลียสมาก เพื่อปรับตัวให้มีเสถียรภาพมากขึ้น รังสีแอลฟา หรืออนุภาคแอลฟาในรูปของนิวเคลียสของฮีเลียม (Helium) จึงถูกปล่อยออกมา โดยมีสถานะทางไฟฟ้าเป็นประจุบวก มีมวลค่อนข้างใหญ่ ส่งผลให้รังสีแอลฟาเกิดการเบี่ยงเบนจากการเคลื่อนที่ได้ยาก มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำ ไม่สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวาง เช่น ผิวหนัง แผ่นโลหะบางๆ หรือแผ่นกระดาษไปได้ ดังนั้น เมื่อเกิดการชนเข้ากับสิ่งกีดขวาง รังสีแอลฟาจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ส่งผลให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของสารที่รังสีผ่านได้ดี

  • รังสีบีตา (Beta: β)

เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมาก รังสีบีตามีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับอิเล็กตรอน (Electron) ซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบและมีมวลต่ำ แต่มีอำนาจทะลุทะลวงสูง (สูงกว่ารังสีแอลฟาราว 100 เท่า) และมีความเร็วในการเคลื่อนที่สูงถึงระดับใกล้เคียงกับความเร็วแสง

  • รังสีแกมมา (Gamma: γ)

เกิดจากการที่นิวเคลียสภายในอะตอมมีพลังงานสูงหรือถูกกระตุ้น จึงก่อให้เกิดรังสีแกมมาที่มีสถานะเป็นกลางทางไฟฟ้า มีสมบัติคล้ายรังสีเอกซ์ (X-ray) คือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นหรือมีความถี่สูง ไม่มีประจุและไม่มีมวล เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าแสง และมีอำนาจทะลุทะลวงสูงที่สุด

การประยุกต์ใช้ธาตุกัมมันตรังสี

  • ด้านธรณีวิทยา: มีการใช้คาร์บอน-14 (C-14) ในการคำนวณหาอายุของโบราณวัตถุหรืออายุของฟอสซิล
  • ด้านการแพทย์: มีการใช้ไอโอดีน-131 (I-131) ในการติดตามเพื่อศึกษาและรักษาโรคต่อมไทรอยด์เป็นพิษ รวมถึงการใช้โคบอลต์-60 (Co-60) และเรเดียม-226 (Ra-226) ในการรักษาโรคมะเร็ง
  • ด้านเกษตรกรรม: มีการใช้ฟอสฟอรัส-32 (P-32) ในการศึกษาเส้นทางการเคลื่อนที่และความต้องการธาตุอาหารของพืช และใช้โพแทสเซียม-32 (K-32) ในการหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้
  • ด้านอุตสาหกรรม: มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีในการตรวจหารอยตำหนิ เช่น รอยร้าวของโลหะหรือท่อขนส่งของเหลว รวมไปถึงการใช้ธาตุกัมมันตรังสีในการตรวจสอบ ควบคุมความหนาของวัตถุ และใช้รังสีฉายบนอัญมณีเพื่อสร้างสีสันให้สวยงาม
  • ด้านการถนอมอาหาร: มีการใช้รังสีแกมมาของโคบอลต์-60 (Co-60) เพื่อทำลายแบคทีเรียในอาหาร ช่วยให้เก็บรักษาอาหารไว้ได้นานยิ่งขึ้น
  • ด้านพลังงาน: มีการใช้พลังงานความร้อนที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ของยูเรเนียม-238 (U-238) ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู สร้างไอน้ำเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสี

รังสีสามารถส่งผลให้ตัวกลางที่เคลื่อนผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ รังสีชนิดต่างๆ จึงถือเป็นอันตรายต่อมนุษย์ รวมถึงสิ่งมีชีวิตอื่นๆ การได้รับหรือสัมผัสกับรังสีที่เป็นอันตรายสามารถส่งผลให้ร่างกายเกิดการเจ็บป่วย จากการที่เซลล์ซึ่งประกอบขึ้นเป็นอวัยวะดังกล่าวเกิดการแตกตัว รวมไปถึงเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดโรคร้าย เช่น โรคมะเร็ง นอกจากนี้ หากร่างกายได้รับรังสีที่มีอานุภาพสูงเป็นเวลานาน อาจส่งผลกระทบลึกลงไปถึงระดับสารพันธุกรรมภายในเซลล์ ทำให้การสร้างเซลล์ใหม่ในร่างกายเกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะเซลล์ที่ทำหน้าที่ในการสืบพันธุ์ ซึ่งเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมไปยังทายาทรุ่นต่อไป

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


ข้อมูลอ้างอิง

Duckster.com – https://www.ducksters.com/science/chemistry/radiation_and_radioactivity.php

กรมประมง  – https://www.fisheries.go.th

ฟิสิกส์ราชมงคล – http://www.rmutphysics.com/charud/scibook/sciencebook4/motion-energy/4-radoactivity.pdf

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7445-2017-08-11-07-20-11


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : พลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy)

เรื่องแนะนำ

10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับ คลื่นสึนามิ จากเหตุภูเขาไฟอานักกรากาตัวระเบิด  

10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับเหตุการณ์ คลื่นสึนามิ จากภูเขาไฟอานักกรากาตัวระเบิด เมื่อวันที่ 23 ธันวาคม ที่ผ่านมา คลื่นสึนามิในครั้งนี้แตกต่างจากครั้งก่อนๆ อย่างไร และเราควรเรียนรู้อะไรบ้าง

กว่าจะได้เป็นนักบินอวกาศ ต้องผ่านอะไรมาบ้าง

Anne Roemer ผู้จัดการด้านการคัดเลือก นักบินอวกาศ ของนาซาถ่ายภาพร่วมกับผู้ที่เข้าร่วมชั้นเรียนนักบินอวกาศซึ่งคัดเลือกจากผู้สมัครกว่า 18,000 คน เมื่อปี 2017 โดยนักเรียนในรุ่นปี 2017 จะจบการศึกษาในปีนี้ ภาพถ่ายโดย ROBERT MARKOWITZ, NASA มีการคัดเลือกบุคคลจากผู้สมัครหลายพันคนเข้าไปในชั้นเรียน นักบินอวกาศ ครั้งถัดไป บางคนอาจได้เดินบนดวงจันทร์ หรืออาจจะเป็นคนแรกที่ได้ประทับรอยเท้าบนดาวอังคาร มีผู้สมัครหลายพันคนกำลังแข่งขันกันเพื่อที่จะได้เป็นนักท่องอวกาศคนต่อไปของนาซา โดยเมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมา มีผู้สมัครที่เปี่ยมไปด้วยความหวังถึง 12,040 ผู้หวังเป็นส่วนหนึ่งของชั้นเรียนนักบินอวกาศในครั้งต่อไป การคัดเลือกนักบินอวกาศของนาซาไม่ใช่เรื่องง่ายดาย นักบินอวกาศต้องมีทั้งระเบียบวินัยแต่ก็มีความยืดหยุ่น สามารถพร้อมเผชิญภัยแต่ก็ต้องกังวลเรื่องความปลอดภัย รวมถึงสามารถเป็นได้ทั้งผู้นำและผู้ตามได้ในเวลาเดียวกัน เพื่อที่จะหาผู้ที่สามารถผ่านคุณสมบัติ Anne Roemer ผู้จัดการด้านการคัดเลือกนักบินอวกาศ และเหล่านักบินอวกาศผู้ปฏิบัติงานต้องตรวจสอบผู้สมัครหลายพันคนเพื่อเลือกคนให้เหลือราว 12 คน ที่มีส่วนผสมของลักษณะนิสัยและประสบการณ์ที่หลากหลาย เพื่อที่จะเป็นกลุ่มคนที่พิเศษที่สุดบนโลก โดยหนึ่งในคนกลุ่มนี้อาจจะเป็นคนที่ได้เดินบนดาวอังคารเป็นคนแรก Roemer ได้ให้สัมภาษณ์กับทางเนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก เกี่ยวกับวิธีการคัดเลือกนักบินอวกาศของนาซา สิ่งที่เธอมองหาในตัวผู้สมัคร และความคิดของเธอเกี่ยวกับการขึ้นไปอยู่ในยานอวกาศรุ่นใหม่ๆ จำนวนคนที่คุณจะเลือกเข้ามาในชั้นเรียนนักบินอวกาศครั้งต่อไปมีกี่คน เราให้ตัวเองอยู่ในสถานะที่สามารถต่อรองประนีประนอมกันได้ เพื่อที่จะทดแทนการลดจำนวนลงของนักบินอวกาศ ทั้งคนที่ออกจากสำนักงานของเรา, คนที่เกษียณไป, คนที่บอกกับเราว่าไม่อยากบินอีกแล้ว และเหตุผลอื่นๆ เราเลยประมาณจำนวนรับคร่าวๆ อยู่ที่ […]

ปรากฎการณ์ ข้างขึ้นข้างแรม

ปรากฏการณ์ ข้างขึ้นข้างแรม เกิดขึ้นได้อย่างไร ส่งผลอย่างไรต่อโลก และเกี่ยวข้องกับการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนโลกอย่างไร  ข้างขึ้นข้างแรม (The Moon’s Phases) เกิดจากดวงจันทร์มีรูปร่างเป็นทรงกลม ไม่มีแสงในตัวเอง ด้านสว่างได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ ส่วนด้านตรงข้ามไม่ได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ การโคจรของดวงจันทร์รอบโลกทำให้มุมระหว่างดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลก เปลี่ยนเปลี่ยนแปลงไป เมื่อมองดูดวงจันทร์จากพื้นโลก เราจึงมองเห็นเสี้ยวของดวงจันทร์มีขนาดเปลี่ยนไปเป็นวงรอบ โดยเราเรียกว่า ข้างขึ้น และข้างแรม เดือนมืด (New Moon) ตรงกับแรม 15 ค่ำ เป็นตำแหน่งที่ดวงจันทร์อยู่ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ในวันนี้ ผู้สังเกตที่อยู่บนโลกจะมองเห็นดวงจันทร์ด้านที่ไม่มีแสงอาทิตย์มาตกกระทบ จึงดูเหมือนดวงจันทร์ไม่ส่องแสง เราจึงเรียกว่าคืนเดือนมืด หรือจันทร์ดับ วันเพ็ญ (Full Moon) ตรงกับขึ้น 15 ค่ำ เป็นตำแหน่งที่ดวงจันทร์อยู่ตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ ซึ่งแสงจากดวงอาทิตย์จะตกกระทบตั้งฉากกับดวงจันทร์พอดี ผู้สังเกตที่อยู่บนโลกจะเห็นดวงจันทร์ส่องแสงเต็มดวง ข้างขึ้น (Waxing) เป็นช่วงที่เกิดขึ้นระหว่างคืนเดือนมืดจนถึงคืนวันเพ็ญ โดยใช้ด้านสว่างของดวงจันทร์เป็นตัวกำหนด แบ่งออกเป็น 15 ส่วน เริ่มจาก ขึ้น 1 ค่ำ จนถึง […]