chapter 2 part 4-4 กัมมันตภาพรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

อุบัติเหตุทางรงั สที ่ี จ.สมทุ รปราการ ซ่ึงเกดิ จากการขาด ความรู้ ความเข้าใจเกี่ยวกับสารรังสีและอันตรายของสารรังสี นามา ซึง่ ความสญู เสียเปน็ อยา่ งมาก... เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นระหว่างปลายเดือนมกราคม-ต้นเดือน กุมภาพันธ์ 2543 เมอื่ สว่ นหัวของเครื่องฉายรังสีทางการแพทย์ หรือ เครื่องฉายรังสีโคบอลต์-60 ที่ไม่ใช้แล้วถูกแยกชิ้นส่วนออกมา และบางส่วนถูกนาออกมาจากสถานที่เก็บที่ไม่มีการควบคุมดูแล นาไปเกบ็ ไว้ในทีจ่ อดรถรา้ งในซอยอ่อนนุช ตัง้ แตป่ ี 2542 ด้วยความรู้เท่าไม่ถึงการณ์ของคนเก็บของเก่า จัดการแยกชิ้นส่วนเพื่อจะนาไปขายเป็นเศษโลหะ ที่ร้านรับซื้อของเก่า ทา ให้รังสีแพร่ ออกมา ผ้ทู ี่โดนรังสีเข้าไปต่างมีอาการเจ็บป่วยไปตามๆ กัน เมื่อแพทย์ได้ตรวจรักษาผู้ป่วย 2 -3 ราย และสงสัยว่าเป็นการได้รับรังสีจาก ต้นกาเนดิ รังสีจงึ ไดแ้ จ้งใหห้ น่วยงานทเี่ ก่ียวขอ้ งทราบจนกลายเปน็ ขา่ วครึกโครม ในจานวนผู้ปว่ ย 10 ราย ที่ได้รับปรมิ าณรงั สีสงู จากตน้ กาเนิดรังสี ในจานวนน้มี ี 3 ราย ทท่ี างานร้านรับซือ้ ของเก่า เสียชวี ิตในระยะเวลา 2 เดือน หลงั จากได้รบั รงั สี บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Contents • การเกดิ กมั มันตภาพรังสี • การสลายตัวของไอโซโทปกมั มนั ตภาพรังสี • อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี • ครงึ่ ชวี ิตของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี • ปฏกิ ริ ิยานวิ เคลียร์ • เทคโนโลยที เ่ี ก่ยี วขอ้ งกบั การใช้สารกมั มนั ตภาพรงั สี บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 Radioactivity ? 1. กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) หมายถงึ ปรากฎการณ์ท่ีมีรังสที แ่ี ผอ่ อกมาได้ เองจากธาตุบางชนิด 2. ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element) หมายถงึ ธาตุทีม่ ีในธรรมชาตทิ แ่ี ผ่รังสอี อกมาได้เอง บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 Discovery ในปี ค.ศ. 1896 อองตวน อองรี เบ็กเคอเรล 1. อองตวน อองรี เบ็กเคอเรล ปแี อร์ และมารี กรู ี พบวา่ เมื่อเกบ็ แผน่ ฟลิ ม์ ทหี่ มุ้ ดว้ ยกระดาษสดี าไวก้ บั สารประกอบ ของยูเรเนยี ม ฟลิ ์มจะมีลกั ษณะเหมือนถูกแสง และเมื่อทาการทดลองกับ สารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ กไ็ ดผ้ ลเชน่ เดียวกนั จึงสรุปวา่ “นา่ จะมรี งั สแี ผอ่ อกมาจากธาตยุ ูเรเนยี ม” ตอ่ มา 2. ปีแอร์ และมารี คูรี พบว่า ธาตพุ อโลเนียม เรเดยี ม สามารถแผ่รงั สไี ด้เชน่ เดยี วกนั ปรากฏการณ์ท่ธี าตแุ ผร่ งั สไี ดเ้ องอยา่ งต่อเนื่องเรียกว่า กมั มนั ตภาพรังสี (Radioactivity) บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 3. ลอรด์ เออรเ์ นสต์ รทั เทอรฟ์ อรด์ (Lord Ernest Rutherford) ก็ไดค้ ้นพบเพ่ิมเตมิ อกี และไดแ้ สดงใหเ้ ห็นวา่ รังสที ่ีแผ่ออกมาจากสารกมั มนั ตรงั สีอาจเปน็ รงั สีแอลฟา (α-ray) รังสเี บตา (β-ray) หรอื รงั สแี กมมา (γ-ray) รังสที ่ไี ด้จากธาตุ 42He กมั มันตรังสมี ี −01e 3 ชนดิ คอื 1. รังสีแอลฟา γ 2. รังสีบตี า 3. รังสีแกมมา บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

รงั สีทง้ั 3 ชนิด มคี วามสามารถในการแผร่ งั สีทะลทุ ะลวงผา่ นส่ิงต่าง ๆไดแ้ ตกตา่ งกนั ดังน้ี ดา่ นที่ 1 ดา่ นท่ี 2 ดา่ นที่ 3 บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 ตารางแสดง ประจุและมวลของอนภุ าคชนดิ ตา่ งๆ ที่เกดิ จากการแผ่รงั สี นิ ย ม นา ไ ป ใ ช้ ป ร ะ โ ย ช น์ บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 เกิดขึ้นได้อย่างไร ? ธาตทุ ี่มีเลขอะตอม สงู กวา่ 83 ล้วนแต่ เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสี แผ่รังสไี ด้ทัง้ ส้ิน ซึ่งนิวเคลียสของธาตุไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงาน ส่วนเกินอยูภ่ ายใน บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ ดังนั้น จึงจาเป็นต้องถ่ายเทพลังงานส่วนเกินนี้ ออกไปเพอ่ื ให้นิวเคลียส เสถียรในที่สุด พลังงานส่วนที่ เกิน ที่ปล่อยออกมานี้จะอยู่ในรูปของอนุภาคหรือรังสี ต่าง ๆ เช่น รงั สีแอลฟา บตี า และแกมมา

Part 4 เกิดขึ้นได้อย่างไร ? ธาตุทม่ี ีเลขอะตอม สูงกว่า 83 ล้วนแต่ ตวั อย่างเช่น 23982U, 29352U, 29302Th, 28286Ra และ 28262Rn แผ่รังสีได้ท้ังสิ้น ซึ่งอาจเขียนใหม่เปน็ U-238, U-235, Th-232, Rn-222 และ Ra-226 มีอตั ราสว่ นระหว่างจานวนนวิ ตรอนต่อโปรตอนไมเ่ หมาะสม คอื มีนิวตรอนมากกวา่ หรอื นอ้ ยกวา่ โปรตอน มกั จะไมเ่ สถยี ร ทาให้มกี ารเปลย่ี นแปลงภายในนิวเคลียสเป็นนวิ เคลียสใหม่ ทเี่ สถียรกวา่ โดยการแผร่ งั สีออกมา บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 การสลายกัมมันตรังสี หมายถงึ กระบวนการท่ีนิวเคลยี สไมเ่ สถียร แผร่ ังสอี อกมา ทาให้เกดิ นวิ เคลียสใหม่ (นวิ เคลยี สเดิมกลายเปน็ นิวเคลียสใหม่) 1. การแผร่ งั สแี อลฟา (ธาตุท่ีมีเลขอะตอมสูงกว่า 82 ขึน้ ไป) A X YA−4 + 24������������ Z Z −2 A X YA−4 + 23940Th Z Z −2 นิวเคลียสใหม่ เลขมวล ลดลงจากเดิม 4 หน่วย และเลขอะตอมลดลง 2 หน่วย บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 การสลายกัมมันตรังสี 2. การแผร่ งั สบี ตี า (ธาตุมนี วิ ตรอนมากกวา่ โปรตอน) Z +A1Y Z +A1Y + −01������ นิวเคลยี สใหมท่ ่ี เกดิ ข้ึนจะมีเลขมวล 210 Bi A X + 28120Pb 83 Z เท่าเดมิ แตเ่ ลข อะตอมจะเพ่ิมข้นึ 1 3. การแผร่ งั สแี กมมา (เกดิ กับไอโซโทปกมั มนั ตรงั สที ่ีมพี ลังงานสูงมาก หรือ ไอโซโทปทส่ี ลายตวั ให้แอลฟากบั บตี า) Z +A1Y 0 e + ������ การสลายตัวใหร้ ังสี 9592Te −1 แกมมาจะพบวา่ ไมม่ ี 9592Te A X + ธาตุใหมเ่ กิดข้นึ Z ยังได้ธาตเุ ดิม บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

เพ่ิมเติม การแผ่รังสีให้ “โพซิตรอน” ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีโปรตอนมากกว่านิวตรอน ท าให้ได้ นิวเคลยี สใหมท่ ี่มีโปรตอนลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดมิ ดังในตัวอยา่ งต่อไปนี้ 172N 162C + +01e 1212Na 1202Ne + +01e บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ลองคิด ตวั เลือก ������������������������ −������������������ ������ 1. --------> + ……………..…………. 2. --------> + ……………..…………. 3. --------> + ……………..…………. 4. --------> + ……………..………….

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

Part 4 ตารางแสดง สรุปการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสี การแผร่ งั สี การเปล่ยี นแปลงในนวิ เคลียส เลขมวล เลขอะตอม ชนดิ เลขมวล ประจุ ลดลง 4 ลดลง 2 +2 ไม่เปล่ยี น เพ่มิ ขนึ้ 1 แอลฟา () 4 -1 ไมเ่ ปล่ียน ไม่เปลยี่ น 0 ไม่เปลี่ยน ลดลง 1 บตี า () 0 +1 แกมมา () 0 โพซิตรอน (������+) 0 บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ครง่ึ ชีวติ (half life) ของสารกัมมนั ตรังสี หมายถงึ ชว่ งเวลาทนี่ วิ เคลียสของธาตกุ มั มนั ตรงั สสี ลายตัวแล้วลดจานวนเหลือ เพียงครง่ึ หน่งึ ของปรมิ าณเดมิ ใช้สญั ลกั ษณเ์ ป็น T1/2 นิวเคลยี สเริ่มตน้ บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

กราฟแสดงจานวน นิวเคลียสทีล่ ดลง กบั เวลาคร่ึงชวี ิต บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

วิธีท่ี 1 คร่ึงชีวิตของธาตุ คร่งึ ชวี ติ (half life) ของสารกมั มนั ตรงั สี หมายถงึ ชว่ งเวลาหรือระยะเวลาที่สารกมั มันตรังสสี ลายตวั ไปจนเหลอื เพยี งครงึ่ หนึ่ง 25เริ่มต้น 100 14 วัน 50 14 วัน เหลอื จานวนตอนเริ่มตน้ ดังนนั้ ฟอสฟอรัส-32 ใช้เวลา 14 + 14 = 28 วนั บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

วิธีท่ี 1 ตวั อย่าง 2 : มสี ตรอนเตยี ม-90 อยู่ 80 กรัม ใชเ้ วลานานเท่าไร ? จึงจะเหลือสตรอนเตยี ม-90 อยู่ 5 กรัม 80 28 ปี 40 28 ปี 20 ดงั นนั้ ใชเ้ วลา 28 ปี 28 + 28 + 28 + 28 = 112 ปี 5 28 ปี 10

ววิธิธทีีที่ ่ี22 การคานวณโดยใชส้ ตู ร Nt = 2N0n เมอื่ N0 = มวลไอโซโทปเรมิ่ ตน้ (กรมั ) Nt = มวลไอโซโทปทีเ่ หลอื (กรมั ) n = จานวนครง่ึ ชีวิต n = t เมอ่ื t = เวลาทั้งหมด t1/2 t ½ = เวลาคร่งึ ชวี ติ บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

วธิ ีท่ี 2 ตัวอยา่ ง 2 : มสี ตรอนเตยี ม-90 อยู่ 80 กรมั ใชเ้ วลานานเทา่ ไร ? จึงจะเหลอื สตรอนเตยี ม-90 อยู่ 5 กรมั บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 ตวั อย่างท่ี 1 สารกมั มนั ตรงั สมี คี รง่ึ ชวี ติ 8 วนั จะตอ้ งทงิ้ สารน้ีจานวน 20 กรมั ไวน้ านกวี่ ันจงึ จะเหลอื สารจานวน 2.5 กรมั จาก N = 2Nn0 2.5 = 20 2n 2n = 20 = 8 2.5 2n = 8 23 = 8 n =3 จาก n = t 3 = t/8 t1/2 t = 8 x 3 = 24 ฉะน้ันตอ้ งทงิ้ สารกมั มนั ตรงั สไี วน้ าน 24 วนั บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Part 4 ตวั อยา่ งท่ี 2 เม่อื ใสส่ ารกมั มนั ตรงั สไี ว้นาน 240 วัน จะมสี ารเหลอื อยู่ 150 กรมั ถ้าครงึ่ ชวี ติ เท่ากบั 30 วัน จงหาวา่ เมอ่ื เรมิ่ ตน้ จะมสี ารกมั มนั ตรงั สกี ก่ี รมั จาก N = N0 n 2 150 = N20n n = 240 = 8 30 150 = 2N80 = 256 150 x 256 = N 0 38,400 = N 0 ฉะน้นั เมอื่ เรม่ิ ตน้ มสี ารกมั มนั ตรงั สี = 38,400 กรัม บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ประโยชนข์ องธาตกุ ัมมันตรังสี ด้านการแพทย์ ใชร้ กั ษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเรง็ บางชนิด กระทาไดโ้ ดยการฉาย รังสีแกมมาที่ไดจ้ าก โคบอลต์-60 เข้าไปทาลายเซลลม์ ะเร็ง ผูป้ ว่ ยทเ่ี ป็นมะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาใหห้ ายขาดได้ โซเดยี ม-24 ที่อยูใ่ นรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลอื ด เพ่อื ตรวจการ ไหลเวยี นของโลหติ โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รงั สีบีตาซ่งึ สามารถ ตรวจวดั ได้ และสามารถบอกได้ว่ามกี ารตีบตันของเส้นเลือดหรือไม่ บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

Cobalt-60 for cancer บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ประโยชนข์ องธาตกุ ัมมนั ตรงั สี ดา้ นอตุ สาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ จะใชป้ ระโยชนจ์ ากกมั มนั ตภาพรงั สใี น การควบคมุ การรดี แผ่นโลหะ เพ่อื ใหไ้ ด้ ความหนาสม่าเสมอตลอดแผน่ บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ข้นั ตอนการคสบคมุ แผน่ โลหะ ด้วยรงั สีบีตา 1. ใชร้ ังสบี ีตายงิ ผ่านแนวตงั้ ฉากกับแผ่นโลหะทร่ี ีด 2. วดั ปรมิ าณรงั สที ท่ี ะลผุ า่ นแผ่นโลหะออกมาดว้ ย เคร่ืองวัดรงั สี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะ.ท่ีรดี แล้วผิดไปจากความ หนาท่ตี ้งั ไว้ เคร่ืองวัดรงั สีจะสง่ สญั ญาณไปควบคุม ความหนา โดยส่งั ใหม้ อเตอรก์ ดหรอื ผ่อนลกู กล้ิง เพ่อื ใหไ้ ด้ความหนาตามตอ้ งการ บ ท ท่ี 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ประโยชนข์ องธาตกุ มั มนั ตรังสี “การใช้ธาตุกัมมันตรังสีในการตดิ ตามระยะเวลา การหมนุ เวียนแร่ธาตใุ นพืช” ดา้ นการเกษตร มีการใชธ้ าตกุ มั มนั ตรงั สใี นการตดิ ตาม ระยะเวลาการหมนุ เวยี นแรธ่ าตใุ นพืช เช่น ฟอสฟอรสั -32 โดยเร่มิ ตน้ จากการดูดซึมท่ี รากจนกระท่งั ถึงการคายออกที่ใบ หรือใช้ ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

ประโยชนข์ องธาตุกมั มนั ตรงั สี ดา้ นโบราณคดแี ละธรณีวทิ ยา มีการใช้ C-14 คานวณหาอายุของวตั ถุ โบราณ หรอื อายุของซากดึกดาบรรพ์ บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ

สรปุ !! ประโยชนข์ องธาตุกัมมนั ตรงั สี 1. โคบอลต-์ 60 ใชเ้ ขา้ ไปทาลายเซลล์มะเรง็ 2. ใชร้ ังสบี ีตายงิ ผ่าน ชว่ ยในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ 3. ฟอสฟอรสั -32 ใชต้ ดิ ตามระยะเวลาการหมนุ เวียนแร่ธาตใุ นพืช 4. คาร์บอน-14 คานวณหาอายขุ องวัตถโุ บราณ หรืออายุของซากดึกดาบรรพ์ บ ท ที่ 2 : อ ะ ต อ ม แ ล ะ ส ม บั ติ ข อ ง ธ า ตุ