บทที่-4-part-2-กัมมันตภาพรังสี

กมั มนั ตภาพรงั สี RADIOACTIVITY - Ê×è Í » à Р¡ Í º ¡ Ò Ã à ÃÕ Â ¹ ¡ Ò Ã Ê Í ¹ Ã Ò Â ÇÔ ª Ò ÇÔ · Â Ò È Ò Ê µ Ï ¾é× ¹ ° Ò ¹ Á . 6 – by : Kru Ice

1. ความรพู้ นื ฐานกมั มนั ตรงั สี CONTENT 2. ชนิดกัมมนั ตรงั สี 3. ไอโซโทป RADIOACTIVITY AND NUCLEAR ENERGY 4. การสลายกมั มนั ตรังสี 5. กฎการสลายนิวเคลยี ส 6. ประโยชนก์ บั กมั มนั ตรงั สี 7. รงั สีกับมนษุ ย์

Radioactivity ? 1. กัมมนั ตภาพรงั สี (Radioactivity) หมายถงึ “ปรากฎการณ”์ ทมี รี ังสีทแี ผ่ออกมา ไดเ้ องจากธาตบุ างชนิด 2. ธาตุกมั มนั ตรังสี (Radioactive Element) หมายถงึ ธาตุทีมใี นธรรมชาตทิ ีแผร่ งั สอี อกมาไดเ้ อง

Discovery ในป ค.ศ. 1896 อองตวน อองรี เบก็ เคอเรล พบวา่ เมือเกบ็ แผน่ ฟลม์ ทีหมุ้ ดว้ ยกระดาษสีดาํ ไว้กบั สารประกอบ ของยเู รเนียม ฟล์มจะมลี กั ษณะเหมอื นถูกแสง และเมอื ทําการทดลอง กับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอืนๆ กไ็ ดผ้ ลเชน่ เดียวกัน อองตวน อองรี เบก็ เคอเรล จงึ สรุปวา่ “น่าจะมรี ังสแี ผอ่ อกมาจากธาตยุ เู รเนียม” ตอ่ มา ปแอร์ และมารี คูรี พบว่า ธาตุพอโลเนียม เรเดยี ม สามารถแผร่ งั สไี ด้ เชน่ เดียวกัน ปรากฏการณท์ ธี าตุแผร่ งั สีไดเ้ องอย่างต่อเนือง เรยี กว่า กัมมันตภาพรงั สี (Radioactivity) ปแอร์ และมารี กูรี

สัญลักษณนิวเคลียร A A = เลขมวล (Mass number) หรือ นิวคลอี อน XZ โปรตอน รวมกับ นิวตรอน p+ + n Z = เลขอะตอม (Atom number) ดังนนั จํานวนนิวตรอน คือ จาํ นวนโปรตอน p+ = e- = A–Z เลขมวล - เลขอะตอม

สั ญ ลั ก ษ ณ นิ ว เ ค ลี ย ร A เลขมวล หรือนิวคลอี อน (Mass number) XZ p+ + n เลขอะตอม (Atom number) p+ = e- ตัวอย่าง 29328U โปรตอน = นิวตรอน = อเิ ล็กตรอน =

สัญลักษณนิวเคลียร A เลขมวล หรือนิวคลีออน (Mass number) XZ p+ + n เลขอะตอม (Atom number) p+ = e- ตวั อยา่ ง 29328U โปรตอน = 92 นิวตรอน = A-Z = 238-92 = 146 อิเลก็ ตรอน = 92

ตั ว อ ย่ า ง 3151 P จงหา เลขมวล, เลขอะตอม, จํานวนนิวตรอน, โปรตอน และอิเล็กตรอน ธาตุ P มีเลขมวล...............................มีเลขอะตอม………….………. จํานวนโปรตอน…………………………..จํานวนอิเล็กตรอน …………..….. จํานวนนิวตรอน = เลขมวล – เลขอะตอม n = ………………… - ……………………. = ………………………..

ตั ว อ ย่ า ง 3199 K จงหา เลขมวล, เลขอะตอม, จาํ นวนนิวตรอน, โปรตอน และอเิ ลก็ ตรอน ธาตุ P มีเลขมวล...............................มเี ลขอะตอม………….………. จํานวนโปรตอน…………………………..จํานวนอิเล็กตรอน ………….….. จาํ นวนนิวตรอน = เลขมวล – เลขอะตอม n = ………………… - ……………………. = ………………………..

รงั สที ี่ไดจากธาตกุ ัมมันตรังสมี ี 3 ชนดิ คือ รงั สแี อลฟา รังสบี ตี า และรังสแี กมมา

รงั สที ง้ั 3 ชนดิ มีความสามารถในการแผรังสีทะลุทะลวงผานสิ่งตาง ๆ ไดแตกตางกนั ดงั นี้

1. รังสีแอลฟา (alpha) สัญลักษณ์ : ������ หรือ 42He - นิวเคลยี สของอะตอมธาตุฮีเลยี ม - มปี ระจไุ ฟฟา +2 มีมวลมาก ความเรว็ ตาํ - อาํ นาจทะลุทะลวงนอ้ ย - ทาํ ใหเ้ กดิ การแตกตัวเปนไอออนได้ดที สี ดุ * สามารถกนั รงั สแี อลฟาได้โดยใช้แผน่ กระดาษ

2. รังสีบีตา (beta) สัญลักษณ์ : ������ หรอื −01 e - เรียกอีกชอื ว่า อเิ ลก็ ตรอน - มีมวลนอ้ ยมากและมปี ระจุ -1 - มีอํานาจทะลุผ่านได้มากกว่ารังสีแอลฟา (เดินทางผา่ นอากาศไดป้ ระมาณ 1-3 เมตร) *สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษได้ ต้องกันด้วย แผ่นอะลูมิเนียม

3. รังสีแกมมา (Gamma) สญั ลักษณ์ : ������ - รังสีทไี ม่มมี วล และประจุไฟฟา - เปนคลืนแม่เหล็กไฟฟาทีมีความยาวคลืน สันมาก - มีอํานาจทะลุผ่านได้มากกว่ารังสีบีตาและ รังสีแอลฟา *สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลมู ิเนียมได้ สามารถกันได้ดว้ ยแผ่นตะกัวหนา

รปู แสดงการเบนของรงั สี รปู แสดงการเบนของรงั สี เมอื วงิ ตงั ฉากกบั สนามแมเ่ หล็ก เมือวิงตงั ฉากกับสนามไฟฟา

ไอโซโทป Radioisotopes (Isotope) คอื อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ทีมีเลขมวลต่างกัน หรือ อะตอมของธาตุทีมีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีจํานวน นิวตรอนตา่ งกัน ▶ ไอโซโทปกมั มนั ตรงั สี (ไม่เสถยี ร) หมายถงึ นิวเคลยี สธาตุแผร่ ังสอี อกมาไดเ้ อง ▶ ไอโซโทปเสถียร หมายถึง นิวเคลยี สของธาตไุ มแ่ ผ่รงั สอี อกมา (ไอโซโทปในธรรมชาติ สว่ นมากเปนไอโซโทปเสถียร)

การสลายกัมมันตรังสี หมายถงึ กระบวนการทนี ิวเคลยี สไม่เสถยี รแผ่รังสีออกมา ทาํ ให้เกิดนิวเคลียสใหม่ (นิวเคลยี สเดมิ กลายเปนนิวเคลยี สใหม่) 1. การแผ่รงั สแี อลฟา (ธาตุทมี ีเลขอะตอมสูงกว่า 82 ขึนไป) A X YA 4 + ������������ Z Z2 U238 23940Th + 4 He 2 92 นิวเคลียสใหมเ่ ลขมวล ลดลงจากเดมิ 4 หน่วย และเลขอะตอมลดลง 2 หน่วย

การสลายกัมมันตรังสี 2. การแผ่รงั สบี ีตา (ธาตมุ ีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน) A X Z A1Y + ������ นิวเคลียสใหม่ทีเกดิ ขนึ Z จะมเี ลขมวลเท่าเดมิ 210 Pb 210 Bi + 0 e แตเ่ ลขอะตอมจะ 82 83 1 เพมิ ขนึ 1 3. การแผร่ งั สแี กมมา (เกิดกับไอโซโทปกัมมนั ตรังสีทมี ีพลังงานสงู มาก หรือไอโซโทปทีสลายตวั ให้แอลฟากบั บตี า) A X A X ������ การสลายตัวให้รังสี Z Z แกมมาจะพบว่าไม่มีธาตุ ใหมเ่ กิดขนึ 9592Te 9592Te ยงั ได้ธาตเุ ดมิ

ลองคิด ตวั เลอื ก ������������������������ ������������������ ������ 1. --------> + ……………..…………. 2. --------> + ……………..…………. 3. --------> + ……………..…………. 4. --------> + ……………..………….

เฉลย --------> + ……………..…………. --------> + ……………..…………. 1. --------> + ……………..…………. 2. --------> + ……………..…………. --------> + ……………..…………. 3. 4. 5.

กฎการสลายกัมมันตรังสี สมมติฐานการสลายตัวของธาตุกมั มนั ตรังสี ของรัทเทอรฟ์ อรด์ และซอดดี (Soddy) กลา่ ววา่ 1. การสลายตวั ของธาตกุ มั มนั ตรงั สเี ปนการสลายตวั ทเี่ กดิ ข้นึ เอง โดยไมขน้ึ กบั สภาวะแวดลอมของนวิ เคลยี ส คอื ความดนั อณุ หภมู ิ และการเปล่ียนแปลงทางเคมี 2. การสลายตวั เปนกระบวนการสมุ (Random Process) ในชวงเวลาใดๆ ทุกๆ นวิ เคลียสมีโอกาสทีจ่ ะสลายตัวเทากัน 3. อตั ราการสลายของนวิ เคลียสของธาตกุ ัมมนั ตรงั สี ข้ึนกับจาํ นวนนิวเคลยี สเร่มิ ตนท่มี อี ยูในขณะนั้น

คร่ึงชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี หมายถึง ช่วงเวลา ทีนิวเคลยี สของธาตกุ มั มนั ตรงั สสี ลายตวั แล้วลด จาํ นวนเหลอื เพยี งครงึ หนึงของปรมิ าณเดมิ ใช้สัญลักษณ์เปน T1/2 นิวเคลียสเรมิ ตน้

กราฟแสดง จํานวนนิวเคลียส ทีลดลง กับเวลาครึงชีวติ

คร่ึงชีวิตของธาตุ ครงึ ชวี ิต (half life) ของสารกัมมนั ตรงั สี หมายถึง ชว่ งเวลาหรือระยะเวลาทสี ารกัมมนั ตรังสสี ลายตัวไป จนเหลอื เพียงครงึ หนึง เรมิ่ ตน 100 14 วัน 50 14 วนั 25 เหลอื จาํ นวนตอนเรม่ิ ตน ฟอสฟอรสั -32 ใชเ้ วลา 14 + 14 = 28 วัน

มสี ตรอนเตยี ม-90 อยู่ 80 กรัม ใชเ้ วลานานเทา่ ไร ? จงึ จะเหลอื สตรอนเตยี ม-90 อยู่ 5 กรมั 80 28 ป 28 ป 20 40 28 ป ใช้เวลา 28 + 28 + 28 + 5 28 ป 10 28 = 112 ป

เปรยี บเทยี บลกู เตาหนาแตมสี กบั นวิ เคลยี สสลายตวั จาํ นวนลูกเต๋า = จาํ นวนนิวเคลยี ส กราฟแสดงจํานวน นิวเคลียสทีลดลง กับเวลาครึงชีวติ ชว่ งเวลาทนี ิวคเลยี สสลายตัว = จํานวนครงั ทีทอดลูกเต๋า

ประโยชนของธาตุกัมมันตรังสี ดานการแพทย ใชร้ กั ษาโรคมะเรง็ ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทาํ ได้โดยการฉาย รงั สแี กมมาทไี ด้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทาํ ลายเซลลม์ ะเร็ง ผปู้ วยทีเปนมะเรง็ ในระยะแรกสามารถรักษาใหห้ ายขาดได้ โซเดยี ม-24 ทอี ยู่ในรปู ของ NaCl ฉีดเขา้ ไปในเส้นเลือด เพือตรวจการ ไหลเวียนของโลหติ โดย โซเดียม-24 จะสลายใหร้ งั สบี ีตาซงึ สามารถ ตรวจวดั ได้ และสามารถบอกได้วา่ มีการตีบตันของเสน้ เลอื ดหรอื ไม่

Cobalt-60 for cancer

ประโยชนของธาตุกัมมันตรังสี ดานอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลติ แผน่ โลหะ จะใชป้ ระโยชนจ์ ากกมั มนั ตภาพรงั สใี น การควบคมุ การรดี แผ่นโลหะ เพือใหไ้ ด้ ความหนาสมาํ เสมอตลอดแผน่

ข้นั ตอนการควบคมุ แผนโลหะ ดวยรังสบี ตี า 1. ใชร้ ังสบี ตี ายงิ ผา่ นแนวตงั ฉากกับแผ่นโลหะทรี ดี 2. วดั ปรมิ าณรงั สที ที ะลผุ า่ นแผ่นโลหะออกมาด้วย เครอื งวดั รงั สี . ถ้าความหนาของแผน่ โลหะทีรีดแลว้ ผิดไปจากความ หนาทตี งั ไว้ เครอื งวัดรงั สจี ะส่งสญั ญาณไปควบคุม ความหนา โดยสังให้มอเตอรก์ ดหรอื ผ่อนลูกกลงิ เพอื ให้ได้ความหนาตามต้องการ

ประโยชนของธาตุกัมมันตรังสี “การใช้ธาตุกัมมันตรังสใี นการติดตามระยะเวลา การหมนุ เวยี นแร่ธาตุในพชื ” ดา้ นการเกษตร มีการใชธ้ าตกุ มั มนั ตรงั สใี นการตดิ ตาม ระยะเวลาการหมนุ เวียนแร่ธาตใุ นพืช เชน่ ฟอสฟอรสั -32 โดยเริมต้นจากการดูดซึมที รากจนกระทงั ถึงการคายออกทใี บ หรือใช้ ศกึ ษาความต้องการแรธ่ าตุของพืช

ประโยชนของธาตุกัมมันตรังสี ดา้ นโบราณคดีและธรณีวทิ ยา มกี ารใช้ C-14 คาํ นวณหาอายขุ องวตั ถุ โบราณ หรอื อายุของซากดกึ ดาํ บรรพ์

เ พิ่ ม เ ติ ม ในบรรยากาศมี C-14 ซึงเกดิ จาก ไนโตรเจน รวมตวั กบั นิวตรอน จากรงั สคี อสมิกจนเกิดปฏิกริ ิยา แล้ว C-14 ทเี กิดขึนจะทาํ ปฏกิ ริ ยิ า กับก๊าซออกซิเจน แลว้ ผ่าน กระบวนการสงั เคราะห์แสงของ พชื และสตั ว์กนิ พชื คนกินสตั ว์ และพืช ในขณะทพี ืชหรอื สตั วย์ งั มี ชวี ิตอยู่ C-14 จะถกู รับเขา้ ไปและ ขบั ออกตลอดเวลา เมือสิงมชี วี ิต ตายลง การรบั C-14 ก็จะสนิ สุดลง และมกี ารสลายตัวทาํ ให้ปรมิ าณ ลดลงเรือยๆ ตามครงึ ชีวิตของ C-14 ซงึ เทา่ กบั 5730 ป

สรุป!! ประโยชนของธาตุกมั มนั ตรังสี 1. โคบอลต์-60 ใช้เขา้ ไปทําลายเซลลม์ ะเรง็ 2. ใช้รงั สบี ีตายงิ ผา่ น ชว่ ยในการควบคุมการรีดแผน่ โลหะ 3. ฟอสฟอรสั -32 ใช้ติดตามระยะเวลาการหมุนเวียนแรธ่ าตุในพชื 4. คาร์บอน-14 คาํ นวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกดาํ บรรพ์

Nuclear energy “” 2 1. (Fission) 2. (Fusion)

(U) (Fission) (Pu) ( 1. )

+ 2. (Fusion) “ ”( ) (H) (N)

ตวั อยาง สมการปฏกิ ริ ยิ าฟวชนั

Fission VS Fusion

หนวยวัดรังสี ปริมาณรงั สที ีบุคคลไดร้ ับมหี น่วย ซีเวิรต์ (sievert แทนด้วยสญั ลักษณ์ Sv) หน่วยเดมิ คอื เรม (rem) โดย รงั สี 1 ซีเวริ ์ต = 100 เรม 1 Sv = 100 rem ปรมิ าณรงั สีทีประชาชนทวั ไปไดร้ ับจากแหล่งกําเนิดรงั สีทกุ แหลง่ รวมกนั ต้องไม่เกนิ 1 มิลซิ ีเวริ ์ตต่อป สําหรับผู้ทาํ งาน เกียวกับรงั สี ตอ้ งไมเ่ กิน 20 มลิ ลซิ ีเวิร์ตต่อไป

สญั ลักษณสากลท่แี สดงวาบริเวณนน้ั มรี ังสี สีดํา สีมว่ ง สเี หลอื ง

สญั ลกั ษณสากลทีแ่ สดงวาบริเวณนั้นมรี งั สี ภาพแสดง สัญลกั ษณรงั สแี บบใหม