14 เคมีนิวเคลียร

14.1 ประวตัิและการคนพบ 14.2 สมบัตขิองนิวเคลียส 14.3 สัญลักษณนิวเคลียร 14.4 เสถียรภาพของนิวเคลยีส 14.5 สมบัตขิองอนุภาคและรังส ี14.6 การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาต ิ14.7 การเขียนสมการนิวเคลียร 14.8 การสลายตัวของนิวไคลดกัมมันรังสีและคร่ึงชีวติ 14.9 เคร่ืองมือวัดกัมมันตภาพรังสี 14.10 หนวยวัดปริมาณกัมมันตภาพรังสี 14.11 ปฏิกิริยานิวเคลียร 14.12 เตาปฏิกรณปรมาณู 14.13 ประโยชนของสารกัมมันตรงัสี

บทนํา ปฏิกิริยานิวเคลียรจะตางกับปฏิกิริยาเคมีหลายอยางเปนตนวาปฏิกิริยาเคมีนิวเคลียรเกิดที่นิวเคลียสแตปฏิกิริยาเคมีเกิดที่อิเล็กตรอน และธาตุเดิมจากสารตั้งตนในปฏิกิริยานิวเคลียรจะเปลี่ยนเปนธาตุใหมหลังเกิดปฏิกิริยาแตปฏิกิริยาเคมีจะไมมีการเปลี่ยนแปลงธาตุกอนและหลังปฏิกิริยาจะเก่ียวของกับการสลายและสรางพันธะของธาตุเทาน้ัน นอกจากนั้นพบวาปฏิกิริยานิวเคลียรยังใหพลังงานอยางมหาศาลหลังเกิดปฏิกิริยาซึ่งเปนที่มา

CM 103 เคมีนิวเคลียร 309

14.1 ประวัตแิละการคนพบ ป ค.ศ.1896 เฮนรี เบคเคอเรล (Henri Becquerel) ไดคนพบวา ยูเรเนียม

(U) ในแรพิชเบลนด (Pitchblende) มีสมบัติที่ทําใหกระจกหรือฟลมถายรูปเปลี่ยนเปนสีดําและเรืองแสงไดในที่มืด และเรียกธาตุยูเรเนียม (U) ที่มีสมบัติดังกลาววา เปนสารกัมมันตรังสี (radio active element) และเรียกสมบัติของสารที่เกิดน้ีวา กัมมันตภาพรังสี(radio activity)

ป ค.ศ.1898 มาดามคูรี (Madam Curie) ไดคนพบสารกัมมันตภาพรังสีอ่ืน ๆ

อีกนอกจากยูเรเนียมคือ โพโลเนียม (Po) และเรเดียม (Ra) หลังจากที่พบเรเดียมแลวนักวิทยาศาสตรก็ไดนําไปใชประโยชนอยางมากมายตอมนุษย เชน ใชฆาเชื้อโรค ใชผสมกับซิงคซัลไฟล (ZnS) แลวเกิดการเรืองแสงบนหนาปทมนาฬิกา เน่ืองจากเรเดียมจะใหรังสีแกมมา

จากการคนควาของนักวิทยาศาสตรรุนหลังๆ พบวาธาตุที่ มีเลขอะตอมมากกวา 83 จะมีสมบัติเปนสารกัมมันตภาพรังสีทั้งสิ้น

14.2 สมบัติของนิวเคลียส นิวเคลียสประกอบดวยอนุภาคอยูตัว 3 ชนิด คือ นิวตรอน (n, ไมมีประจุ) และโปรตอน (p, ประจุบวก) อยูตรงกลางของอะตอม เรียกวานิวเคลียส และมีอิเล็กตรอน (e) ซึ่งมีประจุลบวิ่งอยูรอบๆ สมบัติของอนุภาคท้ังสามสรุปไดดังในตารางที่ 14.1

310 เคมีนิวเคลียร CM 103

ตารางท่ี 14.1 สมบัติของอนุภาคท่ีอยูตัวในนิวเคสียสดังรูปขางตน

อนุภาค สัญญลักษณ มวล (กรัม) ประจุ

นิวตรอน p 1.67x10-24 0 โปรตอน n 1.67x10-24 + อิเล็กตรอน e 9.11x10-28 -

14.3 สัญลักษณนิวเคลียร เน่ืองจากปฏิกิริยาทางนิวเคลียรนั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส

ของอะตอม ดังน้ันจึงจําเปนจะตองทราบถึงจํานวนโปรตอนและนิวตรอนที่มีอยู โดยจะเรียกอะตอมที่ระบุจํานวนโปรตอนและนิวตรอนนี้วา นิวไคลด (nuclide) สัญลักษณทั่วไปจะนิยมเขียนดังนี้

โดย X หมายถึง สัญลักษณทางเคมีของธาตุนั้น A หมายถึง ตัวเลขที่แสดงถึงจํานวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส เรียกวา เลขมวล (mass number)

CM 103 เคมีนิวเคลียร 311

Z หมายถึง ตัวเลขที่แสดงถึงจํานวนโปรตอนในนิวเคลียส(หรือจํานวนอิเล็กตรอนที่อยูนอกนิวเคลียส) เรียกวา เลขอะตอม (atomic number) ตัวอยาง เชน

จากจํานวนโปรตอนและ นิวตรอนของอะตอมที่ทราบจากสัญลักษณนิวเคลียรนี้จะสามารถแบงอะตอมไดเปน 3 ประเภท ดังนี้

1. ไอโซโทป (Isotope) เปนอะตอมที่มีคาเลขอะตอม (Z) เทากันแตมวลอะตอม (A) ตางกัน โดยอะตอมเหลาน้ีจะมีสมบัติทางเคมีที่เหมือนกันแตตางกันทางเคมีนิวเคลียร เชน

O168 O17

8 O188

2. ไอโซบาร (Isobar) หมายถึงอะตอมที่มีมวลอะตอม (A) เทากัน แตเลขอะตอม (Z) ตางกัน เชน

B125 C12

6 N127

3. ไอโซโทน (Isotone) หมายถึงอะตอมที่มีนิวตรอนเทากัน แตมีทั้งเลขอะตอมและมวลอะตอมตางกัน เชน

Be124 B11

5 C126

14.4 เสถียรภาพนิวเคลียส ไอโซโทป เปนอะตอมของธาตุที่มีจํานวนนิวตรอนไมเทากัน แตมี

จํานวนโปรตอนเทากัน บางไอโซโทปของอะตอมก็จะเสถียร บางชนิดก็จะไมเสถียรและใหกัมมันตภาพรังสีออกมา การพิจารณาถึงความเสถียรของไอโซโทปของธาตุตางๆ ไดจากเง่ือนไขตอไปน้ี

312 เคมีนิวเคลียร CM 103

1. เลขมหัศจรรย นิวเคลียสของอะตอมที่มีจํานวนโปรตอนหรือจํานวนนิวตรอนเทากับ 2 ,8,20,50,82 หรือ 126 ซึ่งเรียกวาเลขมหัศจรรย จะเปนนิวเคลียสที่เสถียร

เชน จะไมเกิดการสลายตัวใด ๆ 42 He Ca40

20

2. จํานวนโปรตอนและนิวตรอนเปนเลขคู ธาตุที่มีจํานวนโปรตอนและนิวตรอนเปนเลขคูจะมีความเสถียรมากกวาเลขคี่

3. ธาตุที่เลขอะตอม (z) นอยกวา 83 พบวาธาตุที่มีจํานวนโปรตอนนอยกวา 83 จะมีไอโซโทปที่เสถียร (อยางนอยหน่ึงตัว) เสมอ

4. แถบเสถียรภาพ (band of stability) นิวเคลียสของธาตุที่เสถียรจะมีอัตราสวนจํานวนนิวตรอนตอโปรตอน (n/p) ในแนวเสนเสถียรภาพดังรูปที่ 14.1

รูปท่ี 14.1 แสดงเสนเสถียรภาพของนิวเคลียส

CM 103 เคมีนิวเคลียร 313

จากรูปที่ 14.1 แสดงใหเห็นวาธาตุที่มีเลขอะตอมเทากับ 20 หรือนอยกวา 20 จะมีนิวไคลดที่มีความเสถียรเม่ืออัตราสวน (n/p) เทากับหนึ่ง (เสนทึบ) ซึ่งเปนเสนตรง แตสําหรับธาตุที่มีเลขอะตอมมากกวา 20 จํานวนนิวตรอนจะมีมากกวาโปรตอนทําใหแนวเสถียรจะคอยๆเบี่ยงจากเสนตรงจนถึงตอนปลายของเสนโคงที่เบี่ยงจากเสนตรงที่เลขอะตอมเทากับ

83 ซึ่งเปน ที่มีอัตราสวนจํานวน n/p เทากับ 1.5 ดังน้ันจึงสรุปไดวานิวเคลียสของธาตุใดๆ ที่มีเลขอะตอมนอยกวา 84 ที่อยูแนวเสถียรจะมีอัตราสวน n/p เทากับ 1-1.5 โดยนิวเคลียสเหลาน้ีจะไมใหกัมมันตภาพรังสี แตถานิวเคลียสของธาตุมีอัตราสวน n/p ไมเปนไปดังนี้ก็จะจัดเปนนิวเคลียสที่ไมเสถียรหรือเปนนิวไคลดกัมมันตรังสี นิวเคลียสพวกนี้จะพยายามปรับตัวใหเขาใกลเสนเสถียรภาพ ความพยายามในการปรับอัตรา n/p ของนิวเคลียสดังกลาวนี้จะกอใหเกิดการสลายตัวใหกัมมันตภาพรังสีไดหลายแบบโดยขึ้นกับเง่ือนไขของอัตราสวน n/p ของนิวเคลียสดังน้ี

Bi20983

1. กรณี n/p มีคาสูงกวาคาแนวเสถียร (n>p) พิจารณาจาก รูปที่

14.1 จะเปนนิวเคลียสที่มี n/p ใตแถบเสนเสถียรภาพ เชน (มีโปรตอน = 6 และนิวตรอน = 8) อัตราสวน n/p จะมากกวา 1 เน่ืองจากนิวตรอนมากไปหรือโปรตอนนอยไป วิธีการที่จะปรับให n/p = 1 ใหไดโดยการเปลี่ยนนิวตรอนเปนโปรตอนแลวไดธาตุเสถียรขึ้นโดยการใหอนุภาคเบตา (β) ดังสมการ

C146

→ n10 eP 0

111 −+

ถาแทน e ดวย จะไดสมการการสลายตัวประเภทนี้ เชน 01−

−β

→ C146 +N14

7−β

2. กรณี n/p มีคาต่ํากวาแนวเสถียร (p >n) จากรูปที่ 14.1 จะเปน

นิวเคลียสที่มี n/p อยูเหนือแถบเสนเสถียรภาพ เชน (มีโปรตอน = 6 และมีนิวตรอน = 5) อัตราสวน n/p จะนอยกวา 1 เพ่ือปรับ n/p ใหเทากับ 1 นิวเคลียสอาจใชวิธีการปรับคาน้ีได 2 แบบ คือ

C116

2.1 เปลี่ยนโปรตอนใหเปนนิวตรอนแลวใหอนุภาคโพสิตรอน ( ) ดังสมการ

+β

→ P11 en 0

110 +

314 เคมีนิวเคลียร CM 103

ถาแทน 0 e ดวย ( ) จะไดสมการการสลายตัวประเภทนี้ เชน 1+β

→ C116 +B11

7+β

2.2 เปลี่ยนโปรตอนเปนนิวตรอนโดยการดึงอิเล็กตรอนจาก 1s ออรบิตัล (ใกลนิวเคลียส) อาจเรียกการสลายตัวแบบนี้วา electron capture (E.C.) ดังสมการ

01

11 −+ P → n1

0

เชน AreK 4018

01

4019 ⎯⎯⎯ →⎯+ −

−capturee

กรณีนี้จะมีรังสีเอ็กซเกิดขึ้นดวยเนื่องจากอิเล็กตรอนที่อยูชั้นถัดจาก 1s ออรบิตัล จะเคลื่อนเขามาแทนที่อิเล็กตรอนที่ถูกจับเขาไปอยูในนิวเคลียส

สําหรับธาตุที่เลขอะตอมมากกวา 83 ก็เกิดการสลายตัวในแบบอ่ืน เชน การใหอนุภาคอัลฟา โดยนิวเคลียสจะมีเลขอะตอมลดไป 2 และเลขมวลลดไป 4 ดังสมการ

→ XAZ Y4

2 +−−

Az He4

2

เชน (ไมเสถียร) → U23892 Th234

90 He42+

14.5 สมบัติของอนุภาคและรังสี ชนิดของกัมมันตภาพรังสี ที่สลายตัวจากธาตุกัมมันตภาพรังสี สรุปในตารางที่ 14.2 ชนิดที่สําคัญที่จะกลาวถึง อนุภาคอัลฟา อนุภาคเบตา และรังสีแกมมา ซึ่งมีสมบัติตางๆดังนี้

1. อนุภาคอัลฟา (alpha particles , α) เขียนแทนดวยสัญลักษณ

นิวเคลียสของฮีเลียมเปน 42 He มีประจุเปนบวกและความเร็วเปน 1ใน 10 ของความเร็วแสง

อํานาจการทะลุทะลวงจึงคอนขางต่ํา

CM 103 เคมีนิวเคลียร 315

2. อนุภาคเบตา (beta particles , β) เขียนแทนดวยสัญลักษณ

นิวเคลียสอิเล็กตรอน คือ e ซึ่งมีประจุเปนลบและความเร็วเกือบเทากับแสง อํานาจการทะลุทะลวงปานกลาง

01−

3. รังสีแกมมา (gamma ray , γ) เขียนแทนดวยสัญลักษณ γ นิวเคลียสไมมีประจุ ความเร็วเกือบเทาแสงจึงมีอํานาจการทะลุทะลวงสูงมาก

00

รูปที่ 14.2 แสดงใหเห็นสมบัติการทะลุทะลวงของ แกมมา(γ) > เบตา (β) > อัลฟา (α) และอัลฟาจะมีประจุบวก โดยเบนเขาหาขั้วไฟฟาลบ เบตาจะมีประจุลบจึงเบนเขาหาขั้วไฟฟาบวก สวนแกมมาไมมีประจุ(ไมมีการเบี่ยงเบน)

รูปท่ี 14.2 แสดงสมบัติของอนุภาคและกัมมันตภาพรังสี

316 เคมีนิวเคลียร CM 103

ตารางท่ี 14.2 สมบัติของอนุภาคและรังสีตางๆท่ีปลอยจากธาตุกัมมันตรังสี

ชนิดการสลายตัว สัญลักษณ ประจุ ชนิดท่ีเปน

α (อัลฟา) 42 He 2+ อนุภาค

β ( 01− e 1- เบตา) อนุภาค

γ (แกมมา) 00 γ

0 รังสีแมเหล็กไฟฟา

n10 0 n (นิวตรอน) อนุภาค

β+ (โพสิตรอน) 01 e 1+ อนุภาค

p (โปรตอน) 11H +1 อนุภาค

14.6 การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ ธาตุที่มีเลขอะตอมมากกวา 83 มักเปนธาตุกัมมันตรังสีและสลายตัวตาม

ธรรมชาติ โดยจะใหรังสีจนเปนนิวไคลดที่เสถียรเรียกการสลายตัวแตละแบบวา “อนุกรมการสลายตัว” ซึ่งแบงไดเปน 4 อนุกรม ดังนี้

1. อนุกรมยูเรเนียม (นิวไคลดทุกตัวมีเลขมวลอนุกรม 4n+2) ดังในรูปที่ 14.3

ให β 6 คร้ัง , α 8 คร้ัง U -238 Pb -206 เร่ิม ส้ินสุด

2. อนุกรมทอเรียม (นิวไคลดทุกตัวมีเลขมวลอนุกรม 4n)

สลายตัว 10 ขั้น Th -232 Pb -208

ให β 6 คร้ัง , α 8 คร้ัง

เร่ิม ส้ินสุด ให β 4 คร้ัง , α 6 คร้ัง

3. อนุกรมแอกทีเนียม หรืออนุกรมแอกนิโน – ยูเรเนียม (นิวไคลดทุกตัวมีเลขมวลอนุกรม 4n+3) U -235 Pb -207 เร่ิม ส้ินสุด

CM 103 เคมีนิวเคลียร 317

ตัวอยางการสลายตัวของอนุกรมยูเรเนียม ดังในรูปที่ 14.3

รูปท่ี 14.3 แสดงการสลายตัวของอนุกรมยูเรเนียม

14.7 การเขียนสมการนิวเคลียร ปฏิกิริยาหลักที่เกิดในสมการนิวเคลียร พบวาจะใหอนุภาคอัลฟา

อนุภาคเบตา และรังสีแกมมา ซึ่งมีผลทําใหคาเลขอะตอม (atomic number) และเลขมวล (mass number) ในนิวเคลียสของอะตอมเริ่มตนเกิดการเปลี่ยนไป ดังสรุปในตารางที่ 14.3

318 เคมีนิวเคลียร CM 103

ตารางท่ี 14.3 แสดงการเปล่ียนคาเลขมวลและเลขอะตอมเมื่อมีการสลายตัวใหอนุภาคและ กัมมันตภาพรังสี

การเปลี่ยนแปลงทีเ่กิดในนิวเคลียส ชนิดการสลายตัว สัญลักษณ

เลขมวล เลขอะตอม

α 42 He ลดลง 4 ลดลง 2

β 01− e ไมเปลี่ยน เพ่ิมขึ้น 1

γ 00 γ ไมเปลี่ยน ไมเปลี่ยน

การเขียนสมการการสลายตัวใหเบตาจะทําใหนิวเคลียสของธาตุ มีเลขอะตอมเพ่ิมขึ้น 1 สวนเลขมวลไมเปลี่ยน ดังนี้

→XAZ eYA

Z011 −+ +

เชน →Kr8736 eRb 0

18737 −+

หลักการในการเขียนสมการนิวเคลียรคือใหผลรวมของเลขอะตอมทางดานซายเทากับผลรวมของเลขอะตอมทางดานขวามือ และ ผลรวมของเลขมวล (A) ทางดานซายมือและขวามือของสมการเทากัน เชนกัน ความสัมพันธในรูปสมการเขียนไดดังนี้

จาก →XAZ

1

1YA

Z2

2

ΣZ กอนปฏิกิริยา = ΣZ หลังปฏกิิริยา

ΣA กอนปฏิกิริยา = ΣA หลังปฏกิิริยา

ตัวอยาง จากปฏิกิริยาการสลายตัวของ Ra -226 ดังสมการตอไปนี้ ใหหาวาธาตุ x ที่เกิดจะมีคาเลขมวลและเลขอะตอมเทาใด

(Ra22688 HeX 4

2+ab แอลฟา)

CM 103 เคมีนิวเคลียร 319

ΣA 1 กอนปฏิกิริยา = ΣA2 หลังปฏิกิริยา 226 = a + 4

∴ a = 226 - 4 = 222

ΣZ1 กอนปฏิกิริยา = ΣZ2 หลังปฏิกิริยา 88 = b + 2

∴ b = 82 - 2 = 86

∴ ไอโซโทปธาตุ x ที่ไดคือ 86 ซึ่งเม่ือพิจารณาจากเลขอะตอม 86 จากตารางธาตุ

สมการนิวเคลียสสมบูรณขางตนที่เกิดคือ

222 X

14.8 การสลายตัวของนิวไคลดกัมมนัตรังสีและครึ่งชีวิต กําหนดให คือ นิวไคลดกัมมันตรังสี N

k คือ คาคงที่การสลายตัว

เน่ืองจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีนั้นเปนแบบอันดับหนึ่ง ดังน้ันจะเขียนเปนกฏอัตราจะไดเปนสมการความสัมพันธดังนี้

dtdN

− = kN

∫ − NdN

= ∫dtk

Nln− = ckt +

ให N0 คือ จํานวนนิวไคลดกัมมันตรังสีที่เวลา t = 0

N คือ จํานวนนิวไคลดกัมมันที่เวลา t = t

∴ เม่ือ t = 0 = c Nln−

320 เคมีนิวเคลียร CM 103

เม่ือ t = t = Nln− 0ln Nkt −

0

lnNN

− = kt หรือ สมการ 1 kteNN −= 0

2.303 log 0(N N ) = kt−

Nlog = 0log N tk2.303

−

ถาให t1/2 (half life ,คร่ึงชีวิต) หมายถึงระยะเวลาที่นิวไคลดของสารกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมเร่ิมตน แทนคาในสมการ 1 จะไดดังนี้

0N

N = 21

= 21kt

e−

21t = k

2ln = k

0.693

ในทางปฏิบัตินิยมวัดอัตราการแตกสลายตัวในเทอมแอกติวิตี (A) คือ หรือ k dtdN N

จาก = N kteN −0

= tA kteA −0

นั่นคือ = t

0

logAA 2.303

kt−

หรือ = tA

A0log2.303

kt

ความสัมพันธนี้ใชในการหาอายุของซากโบราณตาง ๆได โดยให A0 เปนอัตราสวนเริ่มแรกของ 14C กับ 12C และ A เปนอัตราสวน 14C กับ 12C ขณะที่กําลังทําการหาอายุซากโบราณ

CM 103 เคมีนิวเคลียร 321

คร่ึงชีวิต (half life, t1/2 ) หมายถึง ระยะเวลาที่ใชในการสลายตัวสารกัมมันตรังสีจนมีปริมาณเหลืออยูครึ่งหน่ึงของเดิม คาน้ีไมขึ้นกับจํานวนอะตอมแตขึ้นกับคาอัตราคงที่ (rate constant, k) ใชบอกเสถียรภาพของไอโซโทปตางๆ โดย ถา t1/2 สั้น จะสลายไดเร็วขึ้น คาคร่ึงชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีตางๆ มี ดังตาราง 14.4

ตาราง 14.4 แสดงตัวอยางคาคร่ึงชีวิตของบางไอโซโทปกัมมันตรังสี

ไอโซโทป t1/2 ชนิดที่สลาย พลังงาน (Mev)

α γ β α

4.8 1.33 1.71 5.3

Ra-226 Co-60 P-32 Po-210

1620 ป 5.27 ป 14.3 วัน 138 วัน

คาคร่ึงชีวิตนี้ใชประโยชนในการหาปริมาณสารกัมมันตรังสีที่เหลืออยูเม่ือปลอยใหสลายตัวในเวลาที่ผานไป เน่ืองจากเปนเวลาที่ทิ้งไวแลวสารกัมมันตรังสีจะสลายตัวแลวเหลือปริมาณอยูคร่ึงหนึ่งจากปริมาณเดิม ดังแสดงในตารางที่ 14.5 และรูปที่ 14.4

ตารางท่ี 14.5 แสดงปริมาณที่เหลือหลังจากเวลาผานไปเทากับครึ่งชีวิตส่ีครั้ง

เม่ือส้ินสุดคร่ึงชีวิตท่ี (%) ปริมาณสารท่ีเหลือ (%) 0 1 2 3 4

100 50 25

12.5 6.25

322 เคมีนิวเคลียร CM 103

รูปท่ี 14.4 แสดงความสัมพันธครึ่งชีวิตและปริมาณสารกัมมันตรังสี

14.9 เครื่องมือวัดกัมมันตภาพรังสี เครื่องมือวัดกัมมันตภาพรังสี มีหลายแบบดังนี้

1. Film badges เปนวิธีการวัดที่ใชมากและราคาไมแพงโดยใชแผนฟลมที่ไวตอรังสีแลวทําใหแผนฟลมมีสีเขมขึ้น นิยมใชกับนักวิทยาศาสตรหรือชางเทคนิคที่ทํางานเก่ียวกัมมันตภาพรังสี หลักการโดยกัมมันตภาพรังสีจะไปกระตุนเงินเฮไลด (AgX) ถูกรีดิวซเปนเงิน (Ag) แลวไดสีดําบนฟลม ซึ่งใชเทียบบอกปริมาณสารจากความดํา

ถูกรีดิวซ AgX Ag ไดสีดํา บอกปริมาณสาร เงินเฮไลด (เงิน) บนฟลม

2. Geiger counter โดยใชหลักการที่กัมมันตภาพรังสีผานไปสูหลอดวัดจะกอใหเกิดไอออน จากนั้นเคร่ืองจะตรวจวัดไอออนดวยการวัดไฟฟาที่เกิด ดังแสดงในรูปที่ 14.5

CM 103 เคมีนิวเคลียร 323

รูปท่ี 14.5 แสดงสวนประกอบเครื่อง Geiger counter

3. ตัววัดเรียกวา scintillator ประกอบดวยสารที่เรืองแสงไดเม่ือกระทบกับโฟตอนหรืออนุภาคไดแก สารพวก โซเดียมและแทลเลียมไอโอไดด (TeI) หรือซิงคซัลไฟด โดยสารพวกนี้จะฉาบอยูผิวดานในของหลอดโทรทัศน แสงที่ปลอยออกจากสารเรืองแสงนี้จะถูกเปลี่ยนเปนสัญญาณไฟฟา โดย phototube

14.10 หนวยวัดปริมาณกัมมนัตภาพรังสี หนวยที่ใชวัดปริมาณกัมมันตภาพรังสี มีหลายแบบ

1. รันตเจน (ตัวยอ R) ใชวัดรังสีเอ็กซและรังสีแกมมา ที่เกิดในอากาศเทาน้ัน โดย 1 รันตเจนจะเทากับ รังสีที่ทําใหอากาศแหง 1 ลูกบาศกเซนติเมตร ภายใต

324 เคมีนิวเคลียร CM 103

2. แรด (rad) 1 แรด คือปริมาณรังสีที่เทียบกับพลังงาน 100 เอิรกตอกรัมของสารที่รับรังสีนั้นเขาไป

3. เรน (ren) เปนหนวยที่บอกถึงความเสียหายทางชีวภาพที่เกิดขึ้นกับคนที่ไดรับรังสี ซึ่งเกิดจากรังสีเอ็กซ 1 รันตเจน

4. คูรี ตัวยอคือ Ci เปนหนวยนับจากจํานวนอนุภาคที่ถูกปลอยจากแหลงของรังสีตอวินาที 1 คูรีคือ ปริมาณของสารกัมมันตภาพรังสีที่มีอัตราการสลายตัว เทากับ อัตราการสลายตัวของเรเดียม 1 กรัม โดย 1 คูรี (Ci) จะมีคาเทากับ 3.7×1010 วินาที

5. เกร (gray) โดย 1 เกร จะมีคาเทากับ 100 แรด

14.11 ปฏิกิริยานิวเคลียร ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในนิวเคลียสของอะตอม เกิดการเปลี่ยนเปนนิวเคลียสของอะตอมอ่ืนที่เปนสารกัมมันตภาพรังสีและใหพลังงานออกมา ปฏิกิริยานิวเคลียสมี 2 ประเภท

1. ปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชัน 2. ปฏิกิริยานิวเคลียรฟวชัน

1. ปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชัน (Nuclear fission) เปนปฏิกิริยาที่เกิดเม่ือยิงนิวเคลียสที่มีมวลอะตอมสูงดวยนิวตรอนแลว เกิดการแตกตัวและใหพลังงานออกมาเม่ือถูกยิงดวยนิวตรอน การทดลองน้ีไดเร่ิมเม่ือป คศ. 1939 โดย Hahn และ Strassmann รวมกับนักวิทยาศาสตรอ่ืน โดยยิงยูเรเนียม-235 ดวยนิวตรอนชา นิวเคลียสจะถูกแบงเปนสองสวนที่เบากวายูเรเนียมและเกิดนิวตรอนใหมอีก 2 ตัว แลวเกิดเปนปฏิกิริยาลูกโซตอไป ตัวอยาง ปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชัน เกิดดังน้ี

nU 10+

23592 ( )+++ nKrBa 1

09236

14156 พลังงาน

CM 103 เคมีนิวเคลียร 325

ถาใช U-235 2-3 ปอนด จะมีผลแรงเทากับระเบิด TNT หลายหมื่นตัน

ปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชันที่เกิดน้ีเปนแบบลูกโซซึ่งแสดงใหเห็นแผนผังการเกิดดังแสดงในรูป 14.6 ที่ใชในการประดิษฐระเบิดนิวเคลียรแบบอะตอมมิกบอมบซึ่งประดิษฐครั้งแรกโดยการพัฒนาของโครงการแมนฮัตตัน

รูปท่ี 14.6 แสดงตัวอยางแผนผังของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซแบบนิวเคลียรฟชชัน

326 เคมีนิวเคลียร CM 103

ระเบิดปรมาณู (Atomic bomb)

ใชหลักการของนิวเคลียรฟชชัน โดยปจจัยสําคัญที่สุดคือการหามวลวิกฤตของระเบิด จากเหตุผลที่วา ระเบิดปรมาณูลูกเล็กมีอํานาจทําลายลางเทา TNT 20,000 ตัน

และ TNT 1 ตัน จะคายพลังงานไดเทากับ 4 ×109 จูล

ดังนั้น TNT 20,000 ตัน จะคายพลังงาน 4 ×109 ×2×104 จูล = 8×1013 จูล

เน่ืองจาก U-235 1 โมล (255 g) จะคายพลังงาน = 2×1013 จูล

ถาจะใหไดพลังงานระเบิดปรมาณูเทียบกับ TNT 2000 ตัน ตองใช U-235

= 13

13

102108255

××× =1×103 กรัม

เน่ืองจาก 1×103 g เทากับ 1 kg ดังน้ันเพ่ือความปลอดภัยปริมาณ U-235 ที่ประกอบดวยระเบิดตองมีมวลไมถึงมวลวิกฤต คือ นอยกวา 1 กิโลกรัม แลวใช TNT ผลัก U-235 รวมกันเม่ือตองการใหระเบิด ดังรูปที่ 14.7

รูปท่ี 14.7 แสดงสวนประกอบของอะตอมมิกบอมบ ซึ่งเคยใชท่ีฮิโรจิมา (วัตถุดิบ U-235) และท่ีนางาซากิ (วัตถุดิบ คือ P-239)

CM 103 เคมีนิวเคลียร 327

ผลเสียของระเบิดปรมาณูที่มนุษยนํามาทําลายลางกันจะใหผลที่สําคัญ คือ ความสั่นสะเทือน ความรอนถึง 300 0 เซลเซียส

นอกจากน้ียังเกิดฝุนธุลีกัมมันตภาพรังสี (fall-out) ซึ่งพบวาประกอบดวยกัมมันตภาพรังสีหลายชนิดที่มีคาคร่ึงชีวิตยาว ๆ และกอใหเกิดปญหาตอสุขภาพมนุษย ผลิตภัณฑที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชันไดดังรูปที่ 14.8

รูปท่ี 14.8 แสดงผลิตภัณฑท่ีเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชัน

ผลิตภัณฑฟชชันที่ไดจากปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชันจะมีคาเลขอะตอม (Z) 36 ถึง 56 และปฏิกิริยาการแยกสลายจะมีมากกวา 40 แบบ และใหผลผลิต 80 นิวไคลดใหม ซึ่งแบงได 3 กลุม ตามคาเลขมวลไดดังนี้ 1. กลุมเลขมวลเบาเปนพวกมีเลขมวล 80-110 2. กลุมเลขมวลหนักเปนพวกมีเลขมวล 130-155 3. กลุมที่ไดมากที่สุดคือเลขมวล 95 และ 140

สําหรับฝุนธุลีกัมมันตภาพรังสีชนิดที่เปนอันตรายมากคือ Sr-90 เน่ืองจากสามารถสะสมในโครงสรางของสิ่งมีชีวิตที่มีแคลเซียม เชน กระดูก และใหกัมมันตภาพรังสี

328 เคมีนิวเคลียร CM 103

2. ปฏิกิริยานิวเคลียรฟวชัน (Nuclear fussion) เปนปฏิกิริยาที่ไอโซโทปเบา 2 ตัว หลอมรวมกันเปนไอโซโทปใหญและใหพลังงาน ตัวอยาง

→+ HH 31

21 + nHe 0

042 + พลังงาน

พลังงานความรอนที่ไดจากฟวชันของไอโซโทปคูหน่ึงจะไปชวยใหเกิดปฏิกิริยาฟวชันของไอโซโทปคูอ่ืน ทําใหเกิดระเบิดไฮโดรเจน หรือระเบิดเทอรโมนิวเคลียร

ปฏิกิริยาที่เกิดเปนปฏิกิริยาเลียนแบบบนดวงอาทิตยซึ่งมีความรอนถึง 4×106 0C ซึ่งรอนพอจะใหเกิดการหลอมเหลวดังนี้

∆H = - 0.43 Mev eHHH 01

21

11

11 +→+

∆H = - 4.96 Mev HeHH 32

11

21 →+

∆H = - 19.30 Mev eHHH 01

42

11

32 +→+

ปฏิกิริยารวม ∆H = - 24.69 Mev e2He H4 01

42

11 +→

ปริมาณความรอนที่ดวงอาทิตยสองมาที่โลก เทากับ 1.5 × 108 k cal *

14.12 เตาปฏกิรณปรมาณู เตาปฏิกรณปรมาณู (Nuclear reactor) เปนเคร่ืองมือสําหรับควบคุม

ปฏิกิริยาลูกโซของปฏิกิริยานิวเคลียรฟชชัน มีสวนประกอบดังนี้

1. เชื้อเพลิงปรมาณู นิยมใช หรือ รวมกับ (โดย

บรรจุยูเรเนียมในกลองอลูมิเนียม) เชื้อเพลิงชนิดอ่ืนคือ สําหรับเชื้อเพลิง U นั้นพบวาในธรรมชาติจะเปนไอโซโทป U-238 99.28 % ผสมกับ U-235 0.72 % ดังน้ันการจะใช U-235 จะตองผานกรรมวิธีที่จะเพ่ิมความเขมขนของ U-235 จากสารตั้งตนดวย

U235 U238 U235

Pu239

CM 103 เคมีนิวเคลียร 329

2. โมเดอเรเตอร (moderator) เปนตัวลดความเร็วของอนุภาคนิวตรอน โดยสมบัติของตัวลดความเร็วตองไมดูดนิวตรอนเลยและมีน้ําหนักใกลเคียงนิวตรอน ไดแก น้ําหนัก (D2O) , น้ํา (H2O), กราไฟท

3. แทงควบคุมนิรภัย (control rod) ใชควบคุมปฏิกิริยาไดโดยจับนิวตรอนไดอยางแนนหนา เชน ธาตุ โบรอน (B) ธาตุแคดเมียม (Cd)

4. ตัวระบายความรอน (coollant) ที่เกิดจากระบบ ไดแก น้ํา,โลหะโซเดียมเหลว

5. ฉากปองกันกัมมันตภาพรังสี (shielding) ที่ เ กิดจากปฏิ กิริยานิวเคลียส ไดแก คอนกรีต น้ํา ตะกั่ว

รูปท่ี 14.9 เตาปฏิกรณปรมาณู

14.13 ประโยชนของสารกัมมนัตรังสี ประโยชนของสารกัมมันตรังสี สารกัมมันตรังสีไดถูกนํามาใชประโยชนแก

มนุษยหลายดานทางสันติ แบงไดดังนี้

1. ดานการแพทย ใชประโยชนทั้งการตรวจวินิจฉัยและรักษาโรค ดังเชน กรณีรักษาโรค แตเดิมเคยใชเรเดียม (Ra) ซึ่งใหแกมมาในการรักษาโรคมะเร็งแตเน่ืองจาก

330 เคมีนิวเคลียร CM 103

ตารางท่ี 14.6 แสดงตัวอยางนิวไคลดท่ีใชทางการแพทย

นิวไคลด t1/2 รังสีท่ีให ใชประโยชน

Ba-131 11.6 γ วัน ตรวจเนื้องอกในกระดูก Au-198 64.8 β ชั่วโมง ประเมินผลการทํางานของไต I-131 8.05 β วัน วัดอัตราการรับไอโอดีนของตอมไทรอยด

γ Te-99(technetium) 6.0 ชั่วโมง ตรวจวัดการแข็งตัวของเลือด P-32 14.3 β วัน ตรวจมะเร็งในเตานม

รูปท่ี 14.10 การใช I-131 เพ่ือดูการทํางานของตอมไทรอยด

2. การถนอมอาหาร การนําอาหารมาอาบดวยรังสีแกมมาในอาหาร ที่ตองการเก็บรักษาเพ่ือทําลายแมลงหรือจุลินทรียที่ทําใหเกิดการเนาเสียดวยแกมมา ใชมากในประเทศแถบยุโรป แคนาดา และอเมริกาในพืช ผัก ผลไม ประเภทตางๆ เชน มันฝรั่ง หอมใหญ สตรอเบอรี

CM 103 เคมีนิวเคลียร 331

3. ทางเคมี ใชในงานวิจัย วิเคราะหสารโดยอาศัยสารกัมมันตภาพรังสี วิธีการคราวๆ สรุปไดดังนี้

โดยนําสารตัวอยางวิเคราะหมาเติมสารกัมมันตภาพรังสี ที่ทราบปริมาณแนนอน แยกสารวิเคราะหออกมา

วัด % กัมมันตภาพรังสีที่เหลือ คํานวณหาความเขมขนเริ่มตนของสารที่วิเคราะห

4. โรงงานไฟฟานิวเคลียร โดยใชความรอนจากปฏิกิริยานิวเคลียรเพ่ือขับเคลื่อนใบพัดที่จะไปขับเคลื่อนเคร่ืองจักรตอและกอใหเกิดไฟฟา ดังในรูปที่ 14.11

รูปท่ี 14.11 แสดงสวนประกอบของการกําเนิดไฟฟาของโรงไฟฟานิวเคลียร

332 เคมีนิวเคลียร CM 103

5. การหาอายุวัตถุโบราณ (C-14 dating) การหาอายุวัตถุโบราณทําโดยวัดอัตราสวน C-14 / C-12 วิธีนี้อาจเรียกวา Radio carbon dating เน่ืองจาก C-14 ในธรรมชาติเกิดจากไนโตรเจนและนิวตรอน จากรังสีคอสมิก แลวเกิดปฏิกิริยาใหเบตาไดดังสมการ

( )n10

→+ n N 10

147 P C 1

114

6 +

→ C146 14 N +7

e01−

ดังน้ันในสิ่งมีชีวิตจึงมี C-14 รวมกับ C-12 อยูในรูปของ 14CO2 และ 12CO 2 ที่หายใจเขาไป

เม่ือตายลงก็หยุดการรับ C-14 เหลือแตการสลายตัวของ C-14 สลายตัวใหเบตา ( ) ซึ่งมีคาครึ่งชีวิตเทากับ 5730 ป ดังนั้นถารูคาของ 14C / 12C ก็จะหาอายุซากส่ิงมีชีวิตได

e01−

CM 103 เคมีนิวเคลียร 333

ตัวอยาง ซากสิ่งมีชีวิตมีคาแอกติวิตี 14C / 12C = 0.209 เทาของที่พบในสิ่งมีชีวิต ดังน้ันซากส่ิงมีชีวิตจะมีอายุเทากับเทาใด ( C-14 = 5730 ป)

21t

จาก 2

1t0.693k =

∴ 1-4101.2157300.693k ป

ป −×==

จาก 2.303

ktAAlog

t

0 =

0.679log4.780.2091.000log ==⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∴ ( )2.303

t101.210.679-14 ป−×

=

∴ 18,921t = ป

∴ ซากส่ิงมีชีวิตมีอายุ = 18,921 ป

6. ทําสัญญาณไฟไหม โดยจะบรรจุ ในกลองที่จะตรวจวัดสัญญาณซึ่งมีลักษณะเครื่องมือและการทํางานดังรูปที่ 14.10 หลักการทํางานคือ ในสภาวะปกติสัญญาณนี้จะมีกระแสไฟฟาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากอนุภาคอัลฟาท่ีเกิดจากการสลายตัวของ Am -241(อะเมอริเซียม-241) ดังสมการดังนี้

Am24195

→ Am24195 + He4

2 Np23793

อิเล็กตรอนที่เกิดจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกของเครื่อง เม่ือมีควันไฟเกิดในบริเวณนี้จะมีอนุภาคมลสารจากควันไฟเขาไปในเครื่องและไปรบกวนกระแสไฟฟาดังกลาวน้ีแลวกอใหเกิดเสียงขึ้น

334 เคมีนิวเคลียร CM 103

รูปท่ี 14.12 แสดงการทํางานเครื่องมือสัญญาณไฟไหมโดยใช Am -241

7. การควบคุมคุณภาพสินคา เชน ควบคุมความหนาของแผนเหล็กที่ถูกผลิตจากโรงงาน โดยผานแผนเหล็กที่ผลิตไดไปยังแหลงที่ใหสารกัมมันตรังสี แลววัดความแรงกัมมันตภาพรังสีที่ผานอีกดานหน่ึงดวยเคร่ืองวัดรังสี ถาแผนเหล็กหนาเทากัน คากัมมันตภาพรังสีที่อานไดจะตองเทากัน หรือ ใชตรวจสอบความหนาของทอสงกาซ

นํ้ามันหรือแกส

Detector

source

CM 103 เคมีนิวเคลียร 335