Knowledge Article

ตอนนี้ข่าวที่เป็นที่สนใจคงไม่พ้นการระเบิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของญี่ปุ่นหลังจากเกิดแผ่นดินไหว ตามด้วยสึนามิ ก็คงต้องแสดงความเสียใจต่อเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น แต่ผมก็เชื่อมั่นว่าชาวญี่ปุ่นจะร่วมมือร่วมใจกันเพื่อทำให้ทุกอย่างกลับสู่สภาพเดิมได้ ขอเป็นกำลังใจให้ครับ

กลับมาเรื่องที่เป็นหัวข้อของเรา “รอบรู้เรื่องธาตุกัมมันตรังสี” ผมว่าหลายท่านคงพอจะทราบมาบ้างแล้ว แต่อาจจะไม่ทราบรายละเอียดมากนัก ตามปกติบนโลกของเรามีแร่ธาตุอยู่หลายชนิด ตามที่มีการค้นพบกัน เช่น โซเดียม (sodium [Na]) โพแตสเซียม (potassium [K]) หรือ กำมะถัน (sulfur [S]) เป็นต้น ธาตุเหล่านี้มักพบเป็นส่วนประกอบของสารเคมีต่างๆ ทั้งที่อันตรายและไม่อันตราย แต่จะมีธาตุอยู่กลุ่มหนึ่ง จะอยู่บริเวณตอนกลางและด้านล่างของตารางธาตุ ถ้าคนไหนเคยเรียนเคมี ม.ปลาย คงจำเรื่องตารางธาตุกันได้ ธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 83 ขึ้นไปจะมีคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่ามี ไอโซโทป (isotope) ที่ไม่คงตัว สามารถสลายตัวให้ กัมมันตภาพรังสี ธาตุที่เราได้ยินชื่อกันบ่อยๆ เช่น ยูเรเนียม (uranium, ใช้สัญลักษณ์ว่า U) หรือ พลูโตเนียม (plutonium, ใช้สัญลักษณ์ว่า Pu) แร่ธาตุเหล่านี้จะมีไอโซโทปที่ไม่เสถียรจะสลายตัวกลายเป็นธาตุที่เสถียรพร้อมๆกับปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมา  (คำว่า ไอโซโทป เป็นศัพท์ที่รู้จักกันดีในหมู่นักเคมีฟิสิกส์ จะใช้ในกรณีที่ธาตุชนิดเดียวกันแต่มีมวลของอะตอมที่แตกต่างกัน)

กัมมันตภาพรังสีที่เกิดจากธาตุกัมมันตรังสีมีทั้งหมด 3 ชนิด คือ รังสีของอนุภาคแอลฟา (alpha, [α])  รังสีของอนุภาคแอลฟาเบต้า (beta [β])  และ รังสีแกมม่า (gamma [g])ถามว่ารังสีทั้งสามชนิดนี้ชนิดใดน่ากลัวที่สุด คงจะต้องตอบว่าน่ากลัวทั้งสามชนิดถ้าได้สัมผัสโดยตรง เพราะรังสีทั้งสามชนิดสามารถทำลายเนื้อเยื่อได้  แต่ถ้าพูดถึงอำนาจการทะลุทะลวงแล้วรังสีแกมม่ามีอำนาจทะลุทะลวงมากสุด  ถัดไปเป็นรังสีเบต้า  อำนาจทะลุทะลวงต่ำสุดคือแอลฟา แต่อย่างไรก็ตามรังสีทั้งสามชนิดไม่สามารถทะลุผ่านผนังคอนกรีตที่มีความหนามากๆได้ ดังนั้นถ้าต้องการหลบอันตรายจากรังสีเหล่านี้ท่านต้องหลบในห้องที่บุด้วยคอนกรีตหนาๆทั้งสี่ด้าน

เมื่อรู้จักชนิดต่างๆของกัมมันตภาพรังสีแล้ว เราลองมาดูตัวอย่างของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เช่น ยูโรเนียม 234 ใช้สัญลักษณ์ว่า ²³⁴U (เลข 234 หมายถึง มวลของยูเรเนียมไอโซโทปชนิดนี้) ในธรรมชาติจะสลายตัวให้ thorium-230 (²³⁰Th) และ รังสีแอลฟา (α) เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

หรือยูโรเนียม 238 (²³⁸U) เมื่อทิ้งไว้ตามธรรมชาติจะสลายตัวได้ธาตุตัวกลางหลายชนิดที่ยังคงสลายตัวให้กัมมันตภาพรังสี จนในที่สุดได้ธาตุตะกั่ว ใช้สัญลักษณ์ว่า ²⁰⁶Pbซึ่งคงตัว ไม่สลายกลายเป็นธาตุอื่นและปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีได้อีก

   ในเรื่องธาตุกัมมันตรังสียังมีอีกคำศัพท์หนึ่งที่ควรรู้คือ ค่าครึ่งชีวิต หรือ haft life (h1/2) หมายถึงระยะเวลาในการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้น เช่น ไอโอดีน 131 มีค่าครึ่งชีวิตประมาณ 8 วัน ถ้ามี ไอโอดีน 131 อยู่ 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 8 วันก็จะสลายตัวเหลือไอโอดีนอยู่ 0.5 กรัม และเมื่อผ่านไปอีก 8 วัน ก็จะเหลือ 0.25 กรัม  ดังนั้นธาตุกัมมันตรังสีใดมีค่าครึ่งชีวิตสั้น ธาตุเหล่านั้นก็จะสลายตัวได้ง่าย มีอันตรายได้น้อยกว่าธาตุที่มีค่าครึ่งชีวิตที่ยาวนาน

   สำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าจากเตาปฏิกรณ์ปรมาณูซึ่งเป็นที่นิยมมากในประเทศพัฒนาแล้วหลายๆประเทศ จะใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เรียกว่าปฏิกิริยาฟิชชั่น (fission) ทำได้โดยการยิงนิวตรอนพลังงานต่ำ (ถือว่าเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง) ไปยังธาตุ ยูเรเนียม 235 (²³⁵U) หรือ 238 (²³⁸U)  ซึ่งนิยมใช้เป็นเชื้อเพลิงปรมาณู จากนั้นจะเกิดสารกัมมันตรังสีตัวใหม่ประมาณ 34 ตัว เช่น barium(¹⁴¹Ba),krypton(⁹²Kr), strontium (⁹³Sr), xenon (¹⁴⁰Xe) เป็นต้น iodine-131 (¹³¹I) และ cesium-137 (¹³⁷Cs) ก็จัดเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่เป็นผลผลิตที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชั่นของเตาปฏิกรณ์ปรมาณู นอกจากนี้ยังมีการปลดปล่อยกัมตภาพรังสี พลังงาน และนิวตรอนตัวใหม่ ซึ่งนิวตรอนตัวใหม่ที่เกิดขึ้นก็จะวิ่งชนยูเรเนียมต่อไปกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่รู้จบ ดังนั้นจึงเกิดการผลิตพลังงานอย่างมหาศาล ซึ่งถ้ามีการควบคุมพลังงานนี้ได้ ก็จะสามารถนำพลังงานนี้ไปใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมาย เช่น การผลิตกระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้แท่งควบคุมนิรภัยเพื่อใช้ควบคุมปฏิกิริยาภายในเตา จะเห็นได้ว่าพลังงานที่เกิดขึ้นจะอยู่ในรูปของความร้อน ดังนั้นส่วนประกอบสำคัญสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อีกอย่างคือระบบระบายความร้อน (coolant)โดยจะใช้ อากาศ น้ำ โลหะเหลวปนสารอินทีย์ หรือของไหลอื่นๆ เป็นตัวช่วยระบายความร้อน ดังนั้นถ้าระบบนี้มีปัญหาอาจจะทำให้แกนกลางของการเกิดปฏิกิริยาเกิดการหลอมละลายและเกิดการปลดปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมาในที่สุด นอกจากนี้ในเตาปฏิกรณ์ยังมีส่วนประกอบของฉากป้องกันรังสี (shielding)   เพื่อป้องกันอนุภาครังสีต่างๆเล็ดลอดออกมาจากเตาปฏิกรณ์ วัสดุที่นิยมใช้ เช่น เหล็ก คอนกรีตหนา เป็นต้น

   ถ้าเราได้สัมผัสกับกัมมันตภาพรังสีที่ควบคุมไม่ได้ เช่น เกิดอุบัติเหตุโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ระเบิด หรือระเบิดนิวเคลียร์ แล้วเราอยู่ในบริเวณที่กัมนตภาพรังสีเดินทางไปถึง อันตรายที่เกิดขึ้น คือ อนุภาครังสี หรือรังสีพวกนี้จะมีผลต่อเซลล์ในร่างกาย ถ้าได้รับปริมาณมากอาจทำให้เสียชีวิตได้  ถ้าได้รับปริมาณน้อยๆก็อาจทำให้เกิดเป็นโรคมะเร็งได้

   แต่อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันได้มีการนำกัมมันตภาพรังสีมาใช้ประโยชน์อย่างมากมาย ในกรณีนี้จัดเป็นกัมมันตภาพรังสีที่ควบคุมได้ให้อยู่ในปริมาณที่ปลอดภัย เช่น ไอโอดีน 131 ใช้รักษามะเร็งหรือติดตามความผิดปกติ

ที่ต่อมไทรอยด์  โคบอลล์ 60 ใช้ถนอมอาหารโดยใช้รังสีแกมม่าฆ่าเชื้อที่มากับอาหาร ใช้คาร์บอน 14 ในการคำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ เป็นต้น  

ที่มา

1. Jurs MS. Nuclear chemistry. In Jurs MS eds. 2^nd Chemistry, the molecular science. Belmont: Thomson Learning Inc., 2005: 964-1001.
2. เคมีนิวเคลียร์ ใน เคมีเล่ม 2 ทบวงมหาวิทยาลัย กรุงเทพมหานคร: อักษรเจริญทัศน์, 2541: 223-266.