กัมมันตภาพรังสี และ พลังงานนิวเคลียร์

กัมมันตภาพรังสี
ในปี ค.ศ. 1896 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) ได้ค้นพบการแผ่รังสีของนิวเคลียสขึ้น จากการศึกษาเกี่ยวกับการแผ่รังสีฟิสิกส์นิวเคลียร์ต่อมาทำให้ทราบถึงธรรมชาติของธาตุ และสามารถนำเอาไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้มาก เช่น นำไปใช้เพื่อการบำบัดรักษามะเร็ง การทำ CT SCANNERS เป็นต้น
การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึงนิวไคลด์หรือธาตุที่มีสภาพไม่เสถียร ซึ่งจะมีการสลายตัวของนิวเคลียสอยู่ตลอดเวลาทำให้กลายเป็น นิวไคลด์ ใหม่หรือธาตุ ในขณะเดียวกันก็สามารถปลดปล่อยรังสีได้
กัมมัตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา
โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสีออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็กหรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา ดังรูปที่ 4
รูปที่ 4 แสดงการเบี่ยงเบนของรังสีชนิดต่าง ๆ ในสนามไฟฟ้า
ก. รังสีแอลฟา (Alpha Ray) เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมากเพื่อเปลี่ยนแปลงให้เป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น ซึ่งรังสีนี้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสด้วยพลังงานต่าง ๆ กัน รังสีแอลฟาก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม แทนด้วย มีประจุบวกมีขนาดเป็น 2 เท่าของประจุอิเล็กตรอน คือเท่ากับ +2e และมีนิวตรอน อีก 2 นิวตรอน (2n) มีมวลเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียมหรือประมาณ 7000 เท่าของอิเล็กตรอน เนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ค่อยเกิดการเบี่ยงเบนง่ายนัก เมื่อวิ่งไปชนสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ผิวหนัง แผ่นกระดาษ จะไม่สามารถผ่านทะลุไปได้ แต่จะถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็วแล้วจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกรังสีแอลฟาชนหลุดออกไป ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน
พลังงานนิวเคลียร์
จุดเริ่มต้นของปรมาณู
มนุษย์ในสมัยโบราณมีชีวิตความเป็นอยู่กับธรรมชาติ คอยเฝ้าสังเกตสิ่งต่าง ๆ รอบ ๆ ตัว และปรับ- ปรุงหรือปฏิรูปชีวิตความเป็นอยู่ โดยใช้ความคิดไตร่ตรองเหตุผลที่เกี่ยวข้องซึ่งอาจผิดบ้างถูกบ้าง ตามสติปัญญา และความพิถีพิถันในการนึกคิดเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ นั้น นักปราชญ์กรีก 2 ท่าน คือ ลิวคิปปุส แห่งมิเลตุส และเดโมไครตุส แห่งอับเดรา ได้ลงความเห็นว่า สสารใด ๆ ก็ตาม จะต้องมีขนาดจำกัด คือไม่สามารถตัดแบ่งให้เล็กลง ๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุดได้ นั่นคือจะต้องมี จุดหนึ่งซึ่งไม่อาจตัดแบ่งสสารนั้นได้อีก สิ่งซึ่งมีขนาดเล็กที่สุดที่ไม่อาจแบ่งแยกต่อไปได้อีกนั้นภาษากรีกเรียกว่า ATOMOS ความคิดเห็นเรื่องชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดนั้นได้ลืมเลือนไปในสมัยต่อ ๆ มาจนกระทั่งในปี พ.ศ. 2346 นักเคมีชาวอังกฤษชื่อ จอห์น ดอลตัน จึงได้รื้อฟื้นทฤษฎีดังกล่าวขึ้นใหม่ โดยใช้ในการอธิบายว่าการที่สารเคมี สามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีได้ต่าง ๆ กันนั้นแท้จริงเกิดเนื่องจากสสารนั้นประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่เป็นอิสระ กล่าวคือธาตุชนิดต่าง ๆ ก็จะมีอนุภาคอิสระเล็ก ๆ ที่มีคุณลักษณะเฉพาะตัวอย่างเดียวกันอยู่รวมกัน และสาร ประกอบต่าง ๆ นั้นแท้จริงเกิดมาจากอนุภาคขนาดเล็ก ๆ ของธาตุต่าง ๆ มาจับตัวอยู่รวมกันในสัดส่วนต่างกัน นั่นเอง ดอลตันได้ตั้งชื่ออนุภาคเล็ก ๆ ที่เขาคิดว่ามีอยู่นั้นว่า ATOMS : อะตอม ครั้นต่อมานักวิทยาศาสตร์ในยุคหลัง (เริ่มตั้งแต่ อองรี เบคเคอเรล ในปีพ.ศ.2539) ได้พบว่าอะตอม มิใช่ชิ้นส่วนที่แบ่งแยกมิได้อีกต่อไป เพราะภายในอะตอมประกอบด้วย นิวเคลียสและอิเล็กตรอนโดยที่ในนิว- เคลียสเองก็ยังมีอนุภาคอีก 2 ชนิดรวมอยู่ด้วยกันอีกด้วย ซึ่งอาจใช้กลวิธีทำให้เกิดปฏิกิริยาในนิวเคลียสจนกระ- ทั่งอะตอมเกิดการแตกแยกต่อไปได้อีกด้วย จากนั้นเรื่องราวของปรมาณูจึงเป็นที่รู้จักและมีผู้ศึกษาค้นคว้ากระทั่งถึงแก่นลึกมากขึ้น ๆความหมายของปรมาณู หรืออะตอม (atom) ปรมาณู หรืออะตอม คือ ชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่ยังคง คุณสมบัติของธาตุอยู่ได้ อะตอมประกอบด้วย 2 ส่วน คือ - ส่วนแกนกลางที่เรียกว่านิวเคลียส ซึ่งเป็นส่วนที่มีมวลสาร และอยู่ตรงใจกลางของอะตอม - ส่วนกรอบคืออาณาบริเวณที่อนุภาคอิเล็กตรอนหมุนวนรอบ นิวเคลียสอีกทีหนึ่งความเกี่ยวพันกันของนิวเคลียสและนิวเคลียร์ นิวเคลียส (nucleus) คือ ส่วนที่เป็นแกนหรือแกนกลางของปรมาณูหรืออะตอมของธาตุต่าง ๆ นั่นเอง นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและนิวตรอน ยึดอยู่ด้วยแรงนิวเคลียร์ (nuclear force) และ ถ้าหากมีแรงกระทำทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (nuclear reaction) นิวเคลียร์ (nuclear) เป็นคำคุณศัพท์ที่ใช้ขยายคำนามต่าง ๆ โดยมีความหมายว่า "เกี่ยวกับนิว- เคลียส" ตัวอย่างเช่น - พลังงานนิวเคลียร์ คือ พลังงานที่มีต้นกำเนิดมาจากการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของอะตอม ของธาตุ - ระเบิดนิวเคลียร์ หมายถึง วัตถุระเบิดซึ่งมาจากพลังงานนิวเคลียร์ - โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หมายถึง โรงไฟฟ้าที่ใช้ต้นกำเนิดพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ขนาดของอะตอม (the size of atoms) นิวเคลียสของอะตอมของธาตุต่าง ๆ มีรัศมีประมาณ 10-13 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ผิวก็คงไม่เกิน 10-14 ตารางเซนติเมตร แต่ขนาดของอะตอมใหญ่กว่าเพราะวัดเทียบจากวงโคจรของอิเล็กตรอนที่อยู่ล้อมรอบ โดยพบว่าอะตอมปกติจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-8 เซนติเมตรเท่านั้น ไอโซโทป (isotope) และไอโซโทปรังสี (radioisotope) อะตอมของธาตุใด ๆ มีค่าเลขเชิงอะตอมเท่ากัน (เป็นธาตุเดียวกัน) แต่อาจมีมวลเชิงอะตอมต่างกัน (มีน้ำหนักของอะตอมต่างกัน) นั่นคือ นิวเคลียสใด ๆที่มีจะนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันจะ เรียกอะตอมเหล่านั้นว่าเป็นไอโซโทป เช่น และ ต่างก็เป็นไอโซโทปของธาตุคาร์บอน ตัวเลขด้านล่างซ้ายของ อักษร C แสดงค่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสหรือเลขเชิงอะตอม ตัวเลขบนซ้ายแสดงจำนวนโปรตอนและนิว- ตรอนในนิวเคลียสหรือมวลเชิงอะตอมของธาตุนั้น ๆ โดยปกติไอโซโทปต่าง ๆ ของธาตุเดียวกันจะมีคุณสมบัติ ทางเคมีเหมือน ๆ กัน แต่มีคุณสมบัติทางรังสีแตกต่างกันกล่าวคือ ไอโซโทปที่มีระดับพลังงานในนิวเคลียสมาก เกินไปจะมีสภาพไม่อยู่ตัวจะมีการแผ่รังสีออกมา ไอโซโทปประเภทนี้เรียกว่าไอโซโทปรังสี ในขณะที่ไอโซโทป ส่วนใหญ่อยู่ในสภาพคงตัวไม่มีการแผ่รังสีกัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เป็นปรากฏการณ์การสลายตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรตามปกติแล้วการที่ อะตอมสลายตัวมักมีการแผ่รังสีติดตามมาด้วย เช่น รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เป็นต้น โดยทั่วไปมักเรียก สั้น ๆ ว่า "กัมมันตภาพ" หรือ "ความแรงรังสี" (activity) กัมมันตภาพหรือความแรงรังสีนี้มีหน่วยวัดเป็นเบคเคอ เรล (Becquerel) โดยที่ 1 เบคเคอเรล เท่ากับ การสลายตัวของสารรังสี 1 อะตอมในหนึ่งวินาที ผู้ค้นพบปรา- กฏการณ์กัมมันตภาพรังสี คือ อองรี เบคเคอเรล ชาวฝรั่งเศส ซึ่งได้ค้นพบเมื่อ ปี พ.ศ. 2439กัมมันตรังสี (radioactive) เป็นคำคุณศัพท์เพื่อขยายคำนาม หมายถึง "เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสี" ตัวอย่างเช่น - สารกัมมันตรังสี (radioactive substance) หมายถึง วัสดุที่สามารถแผ่รังสีได้ด้วยตนเอง - กากกัมมันตรังสี (radioactive waste) หมายถึง ขยะหรือของเสียที่เจือปนด้วยสารกัมมันตรังสี เป็นต้นรังสี (radiation) หมายถึง พลังงานที่แผ่กระจายจากต้นกำเนิด ออกไปในอากาศหรือตัวกลางใด ๆ ในรูปของคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีความร้อน รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา ฯลฯ และรวมไปถึงกระแสอนุภาคที่มีความเร็วสูงด้วย อาทิเช่น รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีนิวตรอนอาจจำแนกรังสีดังกล่าวตามคุณสมบัติทางกายภาพได้เป็น 2 กลุ่ม คือ - รังสีที่ไม่ก่อไอออน (non-ionizing radiation) ซึ่งได้แก่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ความร้อน แสง เสียง คลื่นวิทยุ อัลตราไวโอเลตและไมโครเวฟ - รังสีที่ก่อให้เกิดไอออน (ionizing radiation) ซึ่งได้แก่ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีนิวตรอน รังสีในกลุ่มหลังนี้มีผู้เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า รังสีปรมาณู (atomic radiation)รังสีแอลฟา หมายถึง กระแสอนุภาคแอลฟาที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสใด ๆ มีอำนาจก่อให้เกิดการแตกตัวได้ดี แต่มีความสามารถในการทะลุทะลวงผ่านวัตถุน้อยมาก อนุภาคแอลฟา 1 อนุภาค ก็คือ นิวเคลียสของธาตุฮี- เลียม ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค และมีประจุไฟฟ้า +2 หน่วยรังสีบีตา หมายถึง กระแสของอนุภาคอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสใด ๆ มีอำนาจก่อให้เกิดการแตกตัว น้อยกว่ารังสีแอลฟา แต่สามารถทะลุทะลวงได้ดีกว่า ตามปกติในนิวเคลียสไม่มีอิเล็กตรอน แต่เมื่อเกิดการแตก- ตัวของนิวตรอน จะเกิดเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนนี้เองที่เรียกว่า อนุภาคบีตารังสีแกมมา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก มีจุดกำเนิดจากนิวเคลียส มีอำนาจทำให้เกิด การแตกตัวน้อยมาก แต่มีความสามารถทะลุทะลวงสูงรังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมากเช่นกัน มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับรังสีแกมมา แต่ มิได้มาจากนิวเคลียสแต่มีจุดกำเนิดจากชั้นของอิเล็กตรอนของอะตอมใด ๆ เช่น เกิดจากการยิงอิเล็กตรอนที่มี ความเร็วสูงไปถูกเป้าที่ทำด้วยโลหะดังเช่นที่เกิดในเครื่องเอกซ์เรย์ เป็นต้นรังสีนิวตรอน เกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคนิวตรอน หรือในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู โดยในเครื่องดังกล่าวจะผลิต อนุภาคนิวตรอนได้อย่างมากมายและนิวตรอนที่เกิดเหล่านั้นมีปริมาณมากและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากพลังงานนิวเคลียร์ พลังงานปรมาณู (nuclear energy/atomic energy) เป็นคำที่มีความหมายเดียวกันคือ พลังงานไม่ว่าในลักษณะใด ซึ่งเกิดจากการปลดปล่อยออกมา เมื่อมีการแยก รวมหรือแปลง นิวเคลียสของอะตอม ซึ่งพลังงานเหล่านั้นอาจเป็นพลังงานความร้อนและพลัง- งานรังสี อันมีผลโดยตรงจากการที่มวลสารเปลี่ยนสภาพเป็นพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพแห่งสสารและ พลังงาน (E=mc2) ของไอน์สไตน์ และในความหมายภาษาไทย พลังงานปรมาณูยังหมายความรวมถึงพลังงาน จากรังสีเอกซ์ด้วย