ธาตุกมัมนัตรังสี (Radioactive element) วิชาเสริมทักษะวิทยาศาสตร์ 3 ว 30102

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2

นางสาวณิชานันท์ อาจหาญ

ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2559 โรงเรียนเฉลิมพระเกียรติสมเด็จพระศรีนครินทร์ กาญจนบุรี

หัวข้อการเรียนรู ้

การคน้พบธาตกุมัมนัตรงัสี

การสลายตวัของธาตกุมัมนัตรงัสี

อ านาจการทะลทุะลวง

สญัลกัษณข์องรงัสี

สมการนิวเคลียร ์

ปฏิกิรยิานิวเคลียร ์

วิธีการตรวจสอบรงัสี

หัวข้อการเรียนรู ้ประโยชนข์องกมัมนัตรงัสี

อนัตรายจากกมัมนัตรงัสี

วิธีการป้องกนักมัมนัตรงัสี

การก าจดักากกมัมนัตรงัสี

ครึง่ชีวิต

ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเคอแรล เป็นคนแรกที่พบว่าธาตุบางชนิดสามารถปล่อยรังสีออกมา ซึ่งพบโดยบังเอิญ โดยเขาน าฟิล์มถ่ายรูปมาไว้ใกล้ๆ เกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต และมีกระดาษหุ้ม ปรากฏว่าเกิดรอยด าบนแผ่น ฟิล์มเหมือนถูกแสง เขาให้เหตุผลว่า จะต้องมีรังสีพลังงานสูงบางอย่างปล่อยออกมาจาก

เกลือยูเรเนียมนี้

กัมมันตรังสี (Radioactivity)

=

การค้นพบกัมมันตรังส ี

อีกไม่นาน ปีแอร์ กูรี และมารี กูรี ได้ค้นพบว่า พอโลเนียม เรเดียม

และทอเรียม สามารถแผ่รังสีได้

ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) หมายถึง ธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียรเป็น

ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82

กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง

การแผ่รังสี จะท าให้เกิดธาตุใหม่ได้ หรืออาจเป็นธาตเุดิมแต่จ านวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิม และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน

กัมมันตรังสี (Radioactivity)

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

รังสีแอลฟา รังสีบีตา รังสีแกมมา

a

b

g

เป็นนิวเคลียสของฮีเลียมมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค มีประจุไฟฟ้า +2 มีอ านาจทะลุทะลวงต่ ามาก กระดาษเพียงแผ่นเดียวหรือสองแผ่นก็สามารถกั้นได้

คือ อนุภาคที่มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือ มีประจุไฟฟ้า -1 มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน มีอ านาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟา

เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุ ไม่มีมวล มีอ านาจทะลุทะลวงสูงสุด

อ านาจการทะลุทะลวงของรังสีแอลฟา บีตา และแกมมา

การวิเคราะห์ชนิดประจุของสารกัมมันตรังสีโดยใช้สนามแม่เหล็ก

สัญลักษณ์ของธาตุและอนุภาคบางชนิดที่ควรทราบ

รังสี มวล ประจุ สัญลักษณ์ สัญลักษณ์นิวเคลียร์

สมบัติ

แอลฟา 4 +2 อนุภาค

บีตา 0 -1 อนุภาค

แกมมา 0 0 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

นิวตรอน 1 0 n อนุภาค

โปรตอน 1 +1 p อนุภาค

ดิวทีรอน 2 +1 d อนุภาค

โพสิตรอน 0 +1 อนุภาค

สัญลักษณ์ของกัมมันตภาพรังสี

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

การสลายตัวให้รังสีแอลฟา

การสลายตัวให้รังสีแอลฟา

การสลายตัวให้รังสีบีตา

การสลายตัวให้รังสีบีตา

การสลายตัวให้รังสีบีตา

การสลายตัวให้รังสีบีตา (โพซิตรอน)

การสลายตัวให้รังสีแกมมา

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

YA

Z

4

2

XA

ZHe4

2+

Th234

90U238

92 He4

2+

การแผ่รังสีแอลฟา ธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82 ขึ้นไปและมีจ านวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสม

การแผ่รังสีบีตา ธาตุมีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน

XA

Z YA

Z 1 + e0

1

Pb210

82Bi210

83+ e0

1

การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก หรือไอโซโทปที่สลายตัวให้แอลฟากับบีตา

XA

ZXA

Z+

Te99

52Te99

52

+

gg

g

สมการนิวเคลียร ์สมการนิวเคลียร์ (Nuclear equation) คือ สมการที่แสดงปฏิกิริยานิวเคลียร์ สมการต้องดุลด้วย ซึ่งการดุลสมการนั้น ต้องดุลทั้งเลขมวล และเลขอะตอมทั้งด้านซ้ายและขวาของสมการเคมีให้เท่ากัน กล่าวคือผลบวกของเลขมวลและเลขอะตอมของสารตั้งต้นเท่ากับของผลิตภัณฑ์ ดังตัวอย่าง

การดุลสมการนิวเคลียร ์1. เลขมวลเท่ากัน

1n 0 U 235

92 + Cs 138 55 Rb 96

37 1n 0 + + 2

235 + 1 = 138 + 96 + 2 x 1

2. เลขอะตอมเท่ากัน

1n 0 U 235

92 + Cs 138 55 Rb 96

37 1n 0 + + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2 x 0

ตัวอย่างการดุลสมการนิวเคลยีร์

2 240

ปฏิกิริยานิวเคลียร ์ เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น และให้พลัง งานจ านวนมหาศาล แบ่งออกได้ 2 ประเภท ดังนี้

1. ปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission reaction)

ปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดแตกตัวออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่า เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่

ปฏิกิริยาฟิสชัน 1. ปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission reaction)

ปฏิกิริยาฟิสชัน 1. ปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission reaction)

ปฏิกิริยาฟิสชัน 1. ปฏิกิริยาฟิสชัน (Fission reaction)

กระบวนการที่นิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดแตกตัวออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่า

การผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยใช้พลังงานนวิเคลียร ์

พลังงานความร้อนที่ได้จากปฏิกิริยาฟิสชันที่ถูกควบคุมสามารถน าไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

ปฏิกิริยาฟิวชัน

ปฏิกิริยาฟวิชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยาที่เกิดการรวมตัวของไอโซโทปที่มีมวลอะตอมต่ า ท าให้เกิดไอโซโทปใหม่ท่ีมีมวลมากขึ้นกว่าเดิม และให้พลังงานจ านวนมหาศาล และโดยทั่วๆ ไปจะให้พลังงานมากกว่าปฏิกิริยาฟิสชัน

ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิวชัน

ประโยชน์ของปฏิกิริยาฟิวชัน พลังงานในปฏิกิริยาฟิวชันถ้าควบคุมให้ปล่อยออกมาช้าๆ จะเป็นประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมากมาย และมีข้อได้เปรียบกว่าปฏิกิริยาฟิสชัน เพราะสารตั้งต้นคือไอโซโทปของไฮโดรเจนนั้น หาได้ง่าย นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากฟิวชันยังเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีอายุและอันตรายน้อยกว่า ซึ่งจัดเป็นข้อได้เปรียบในแง่ของสิ่งแวดล้อม (เกิดเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์)

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

ใช้ฟิล์มถา่ยรูป (photographic detection) หลักการ ใช้แผ่นฟิล์มไปห่อสารที่สงสัยว่าจะมีกัมมันตภาพรังสีหรือไม่ในที่มืด จากนั้นน าฟิล์มไปล้าง ถ้าฟิล์มปรากฏเป็นสีด า แสดงว่าสารนั้นแผ่รังสี ฟิล์มแบดจ์ เป็นกลักสี่เหลี่ยมเล็กๆ ภายในบรรจุฟิล์มซึ่งไวต่อรังสีความด า – ขาวของฟิล์มภายหลังจากน าไปล้างแล้ว จะบอกให้ทราบถึงปริมาณรังสีที่ได้รับว่ามากน้อยเท่าใด เครื่องวัดชนิดนี้เหมาะส าหรับใช้วัดปริมาณรังสีเป็นระยะเวลานาน เช่น 1 – 3 เดือน จึงน าฟิล์มมาล้างตรวจดูอีกครั้งหนึ่ง

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

ใช้เครื่องมือไกเกอรม์ูลเลอรเ์คาน์เตอร ์ วิธีนี้ดีกว่า 2 วิธีแรก เพราะ 2 วิธีแรกไม่สามารถบอกปริมาณรังสีได้ แต่วิธีบอกได้

วิธีตรวจสอบการแผ่รังสีของสาร

ใช้เครื่องมือไกเกอรม์ูลเลอรเ์คาน์เตอร ์หลักการท างาน : เมื่อรังสีผ่านเข้าทางช่องรับรังสีจะชนกับอะตอมของแก๊สอาร์กอนที่บรรจุอยู่ในกระบอก ท าให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมเกิดเป็น Ar+ จึงเกิดความต่างศักย์ระหว่างประจุบวก (Ar+) กับประจุลบ (e-) ของขั้ว ไฟ ฟ้าในหัววัดรังสี ซึ่งอ่านค่าความต่างศักย์ได้จากเข็มบนหน้าปัด ค่าที่อ่านได้จะมากหรือน้อยขึ้นกับปริมาณของรังสีที่จะท าให้ Ar กลายเป็น Ar+

การวิเคราะห์ชนิดประจุของสารกัมมันตรังสีโดยใช้สนามแม่เหล็ก

อันตรายจากรังส ี

ถ้าปริมาณรังสีที่ได้รับไม่มากนักอาจท าให้เป็นมะเร็งหรือเป็นหมัน

ถ้าปริมาณมากอาจถึงแก่ชีวิตได้

Sr – 60 สามารถท าลายระบบประสาทและท าให้เกิดมะเร็ง ในกระดูกและเลือดได้

ตารางแสดง ปริมาณรงัสีที่ร่างกายได้รับและอาการที่เกิดขึ้น

ปริมาณรังส ี(เรม, rem) อาการ

0 – 25 ไม่ปรากฏอาการ

25 - 50 เกิดการเปลี่ยนแปลงในเม็ดเลือดขาว แต่ไม่ร้ายแรงมากนัก

50 – 200 มีอาการป่วยเนื่องจากรังส ี

200 – 400 อาจถึงตายได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์

สูงกว่า 600 ตาย

เรม เป็นหน่วยวัดของปรมิาณรงัสีรวมเอาทัง้พลังงานและการรับปริมาณรังสี แล้วกอ่เกดิผลทาง

ชีวภาพ (เรม, rem ย่อมาจาก roentgen เรินตเ์กน แปลว่า man)

การป้องกันอันตรายจากรังส ี

การป้องกันอันตรายจาก

รังสี

ไม่ควรอยู่ในบริเวณที่มีรังสีเป็นเวลานาน

ควรหาเครื่องป้องกัน เช่น เสื้อผ้าที่ป้องกันรังสีได้

ควรอยู่ห่างจากบริเวณที่มีรังสีให้มากที่สุด

ผู้ท างานต้องติดแผ่นฟิล์ม ท างานในเวลาอันรวดเร็ว

กากกัมมันตรังส ี

คือ ของเสียไม่ว่าอยู่ในรูปของของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ที่ประกอบหรือปนเปื้อน ด้วยสารกัมมันตรังสี ในระดับความแรงรงัสีสูงกว่าเกณฑ์ก าหนดว่าเป็นอันตราย และวัสดุนั้นๆ ไม่เป็นประโยชน์อีกต่อไปแล้ว กากกัมมันตรังสีหรือของเสียเหล่านั้นจะต้องได้รับการบ าบัดและด าเนินการอย่างมีระบบและผ่านการตรวจสอบอย่างเคร่งครัด

กากกัมมันตรังส ี

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีสูง 1

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีปานกลาง

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีต่ า

2

3

กากกัมมันตรังส ี กากกัมมันตรังสีแบ่งตามคุณลกัษณะทางรังสีได้เป็น 3 กลุ่ม คือ

1 2

3

กากกัมมันตรังส ี

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีสูง

หมายถึง กากของแข็งและของเหลวที่ได้จากการฟอกกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และกากกัมมันตรังสีอื่นๆ ที่มีระดับรังสีสูงเทียบเท่า

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีปานกลาง

เป็นกากและของ เสี ยระดับปานกลางที่เกิดจากการปฏิบัติงานเกี่ยวข้องกับสารกัมมันตรังสี เช่น เศษโลหะ

กากกัมมันตรังสีระดับรังสีต่ า

เป็นกากและของเสียระดับต่ าที่ เ กิดจากการปฏิบัติงานกับสารกัมมัน- ตรังสี เช่น ถุงมือ เสื้อผ้า เป็นต้น

การก าจัดกากกัมมันตรังส ีกากกัมมันตรังสีระดับรังสีสูง จะใช้วิธีฝังในชั้นธรณีลึกและมั่นคง โดยพื้นที่นั้นจะต้องมีชั้นหินอัคนี หินแปร หรือหินชนวน อยู่ที่ระดับความลึกที่เหมาะสม

การก าจัดกากกัมมันตรังส ีกากกัมมันตรังสีระดับรังสีปานกลางและระดับรังสีต่ า จะใช้วิธีฝังดินตื้นบริเวณที่ไม่เป็นที่ลุ่ม ไม่มีประวัติแผ่นดินไหว และภูเขาไฟระเบิด และน้ าใต้ดิน โดยลึกมากกว่า 10 เมตร

ถ้าเป็นของเหลว อาจใช้วิธีการตกตะกอน หรือการกลั่น ถ้าเป็นของแข็ง อาจใช้วิธีเผาท าลาย หรือน ามาแปรสภาพ และตรึงให้แน่นด้วยเนื้อสารที่คงทนต่อการเปลี่ยนแปลง เช่น ซีเมนต์ ซิลิกา และแก้ว แล้วหาสถานที่เก็บชั่วคราวก่อนน าไปก าจัดถาวร

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านการแพทย์

ไอโซโทปกัมมันตรังสี การน าไปใช้ประโยชน ์

I - 131 ตรวจดูการท างานของต่อมไทรอยด์

Fe - 59 ตรวจดูการท างานของเม็ดเลือดแดง

Mo – 99 ศึกษากระบวนการเมแทบอลิซึมของร่างกาย

P – 32 ตรวจดูการท างานของตา ตับ และการเกิดเนื้องอก

Cr – 51 ตรวจดูการท างานของเม็ดเลือดแดง

Sr – 87 ตรวจดูการท างานของกระดูก

Tc – 99 ตรวจดูการท างานของหัวใจ กระดูก ตับ และปอด

Xe – 133 ตรวจดูการท างานของปอด

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านการแพทย์

ไอโซโทปกัมมันตรังสี การน าไปใช้ประโยชน ์

Na – 24 ตรวจดูระบบการหมุนเวียนของโลหิต

I – 123 ติดตามดูสภาพสมอง

Co – 60 ใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง

Ra – 226 ใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านการเกษตร

ไอโซโทปกัมมันตรังสี การน าไปใช้ประโยชน ์

K – 32 หาอัตราการดูดซึมของต้นไม้

P - 32 ศึกษาความต้องการปุ๋ยของพืช ปรับปรุงเมล็ดพันธุ์พืชที่ต้องการ

รังสีแกมมา ใช้ในการท าหมันแมลง

I – 131 ผสมในอาหารโค เพื่อให้ผลิตน้ านมเพิ่มขึ้น

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านอุตสาหกรรม

การน าไปใช้ประโยชน ์

1. ใช้ตรวจหารอยต าหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลว

2. ใช้วัดความหนาของวัตถุ เนื่องจากรังสีแต่ละชนิดทะลุวัตถุได้ดีไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อผ่าน รังสีไปยังแผ่นวัตถุต่างๆ เช่น โลหะ กระดาษ พลาสติก แล้ววัดความสามารถในการดูซับ รังสี จะท าให้ทราบความหนาของวัตถุได้

3. ใช้รังสีเพื่อท าให้อัญมณีมีสีสันสวยงาม โดยใช้รังสีแกมมา นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนพลัง งานสูงฉายไปบนอัญมณี จะท าให้สารที่ท าให้เกิดสีบนอัญมณีเปลี่ยนสีไปได้

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านการถนอมอาหาร

การน าไปใช้ประโยชน์

1. ใช้ Co – 60 จะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้าง และรังสจีะท าลายแบคทีเรีย จึงชว่ยเก็บ รักษาอาหารไว้นานหลายวัน หลักจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้ว

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านการถนอมอาหาร การน าไปใช้ประโยชน์ของการฉายรังสีอาหาร

1. ลดการสูญเสียของอาหาร

2. เสริมสร้างหลักประกันด้านความสะอาดและปลอดภัยจากเชื้อโรคต่างๆ

3. ยืดอายุการเก็บรักษาและการวางตลาด

4. ประหยัดพลังงาน

5. ไม่ท าให้คุณลักษณะภายนอกเปลี่ยนแปลง

6. ขยายตลาดการค้า

7. ท าให้ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพเป็นไปตามมาตรฐาน

8. ลดปัญหาการถูกกักกัน

9. ปรับปรุงสมบัติทางเทคนิคของอาหาร

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

ด้านโบราณคดี

การน าไปใช้ประโยชน์

มีการใช้ C-14 ค านวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึกด าบรรพ์

ครึ่งชีวิต (half life) ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี หมายถึง ระยะเวลาที่นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม ใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2

ครึ่งชีวิต (half life)

ครึ่งชีวิต (half life)

ครึ่งชีวิต (half life) ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรังสีมีครึ่งชีวิต 30 วัน จะใช้เวลานานเท่าใดส าหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณตอนที่เริ่มต้น

ถ้าเริ่มต้นมีธาตุกัมมันตรังสีอยู่ 100 g สลายตัวไป 75 g ดังนั้นต้องการให้เหลือธาตุนี ้ 25 g

เนื่องจากธาตุนี้มีครึง่ชีวิต 30 วัน

ธาตุกัมมันตรังสี 100 g 50 g 25 g 30 วัน 30 วัน

ดังนั้นต้องใชเ้วลา 30 x 2 = 60 วัน ส าหรับการสลายไปร้อยละ 75 ของปริมาณเริ่มต้น