กัมมันตภาพรังสี

การค้นพบ

ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเคอแรล นักเคมีชาวฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่ค้นพบว่าธาตุบางชนิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุที่มีมวลอะตอมมาก สามารถปล่อยรังสีบางชนิดออกมา การค้นพบของแบ็กเคอแรลเป็นการค้นพบโดยบังเอิญ คือ เมื่อเขานำฟิล์มถ่ายรูปไว้ใกล้ๆ เกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต และมีกระดาษดำหุ้มปรากฎว่าเกิดรอยดำบนแผ่นฟิล์มเหมือนถูกแสง เขาให้เหตุผลกับปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นว่า จะต้องมีรังสีที่มีพลังงานสูงบางอย่างปล่อยออกมาจากเกลือยูเรเนียมนี้ เมื่อไปกระทบกับฟิล์มทำให้ฟิล์มกลายเป็นสีดำเหมือนถูกแสง เขาให้เหตุผลกับปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นว่า จะต้องมีรังสีที่มีพลังงานสูงบางอย่างปล่อยออกมาจากเกลือยูเรเนียมนี้ เมื่อไปกระทบกับฟิล์มทำให้ฟิล์มกลายเป็นสีดำ และต่อมาเขายังพบว่าอัตราการปล่อยรังสีของเกลือนี้แปรผันตรงกับปริมาณของเกลือ หลังจากนั้นไม่นาน ปีแอร์ กูรี และมารี กูรี ได้ค้นพบว่า พอโลเนียม เรเดียมและทอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้ ปรากฎการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และเรียกธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า

กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฎการณ์ที่ธาตุสามารถแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง

ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสีได้เอง

ชนิดและสมบัติของรังสี

รังสีแอลฟา

รังสีแอลฟา (Alpha Ray) เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมากเพื่อเปลี่ยนแปลงให้เป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น ซึ่งรังสีนี้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสด้วยพลังงานต่าง ๆ กัน รังสีแอลฟาก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม แทนด้วย

มีประจุบวกมีขนาดเป็น 2 เท่าของประจุอิเล็กตรอน คือเท่ากับ +2e และมีนิวตรอน อีก 2 นิวตรอน (2n) มีมวลเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียมหรือประมาณ 7,000 เท่าของอิเล็กตรอน เนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ค่อยเกิดการเบี่ยงเบนง่ายนัก เมื่อวิ่งไปชนสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ผิวหนัง แผ่นกระดาษ จะไม่สามารถผ่านทะลุไปได้ แต่จะถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็วแล้วจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกรังสีแอลฟาชนหลุดออกไป ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน

รังสีเบต้า

รังสีเบตา (Beta Ray) เกิดจากการสลายตัวของนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไป โดยรังสีเบตาแบ่งได้ 2 แบบคือ

เบตาลบหรือหรืออิเล็กตรอน

เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนนิวตรอน ลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ

แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาลบ

เบตาบวกหรือหรือโพสิตรอน

เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีโปรตอนมากเกินกว่านิวตรอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนโปรตอนลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีเบตาลบ เป็นดังนี้

แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาบวก

เนื่องจากอิเล็กตรอนนั้นเบามาก จึงทำให้รังสีเบตาเกิดการเบี่ยงเบนได้ง่าย สามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้ มีความเร็วสูงมากคือมากกว่าครึ่งของ ความเร็วแสงหรือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที มีอำนาจในการทะลุทะลวงมากกว่ารังสีแอลฟา แต่น้อยกว่ารังสีแกมมา

3.รังสีแกมมา

เกิดจากการที่นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้นกลับสู่สถานะพื้นฐานโดยการปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมา รังสีแกมมา ก็คือโฟตอนของการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอ็กซ์ แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและมีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงมากกว่ารังสีเอ็กซ์ ไม่มีประจุไฟฟ้าและมวล ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็กและ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าแสง

องค์ประกอบของรังสีคอสมิก
(Cosmic Ray Components)

รังสีคอสมิก ประกอบด้วยธาตุทุกชนิดที่อยู่ในตารางธาตุจนถึงธาตุลำดับที่ 89 (Actinium: Ac) รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงมาก (อาจสูงถึง 1020 อิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งอยู่นอกอวกาศก่อนที่จะมาชนกับชั้นบรรยากาศโลก เรียกว่า รังสีคอสมิกปฐมภูมิ (Primary cosmic rays) โดยส่วนใหญ่ประมาณ 90 % คือโปรตอน นิวคลีไอของธาตุฮีเลียมมี 9 % ส่วนที่เหลือคือนิวคลีไอของธาตุหนักต่างๆเช่น อิเล็กตรอน เป็นต้น และเมื่อชนกับโมเลกุลของชั้นบรรยากาศ จะเกิดการแตกตัวออกเป็นอนุภาคต่างๆ ซึ่งเรียกว่า รังสีคอสมิกทุติยภูมิ (Secondary cosmic rays) ลักษณะเหมือนการเปิดฝักบัวอาบน้ำดังรูป

รูปแสดงรังสีคอสมิกปฐมภูมิ (Primary cosmic rays) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอนุภาคโปรตอนพุ่งเข้าชนโมเลกุลของอากาศในชั้นบรรยากาศโลกแล้วเกิดการแตกตัวออกเป็นรังสีคอสมิกทุติยภูมิ (Secondary cosmic rays) อีกเป็นจำนวนมาก

รังสีคอสมิกทุติยภูมิ ประกอบด้วยอนุภาคไพออน (pions, pฑ) ซึ่งจะสลายตัวเป็นอนุภาคมิวออน (muon, m) อนุภาคนิวตรอน (neutron, n) และรังสีแกมมา (gamma, g) อย่างรวดเร็ว อนุภาคเหล่านี้จะถูกดูดกลืนในชั้นบรรยากาศแล้วลดจำนวนลงตามระดับความสูงจากบรรยากาศสู่ผิวโลกและขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคปฐมภูมินั้นๆด้วย แต่ทั้งนี้โอกาสที่อนุภาคระดับพลังงานต่างๆ จะเข้าชนบรรยากาศของโลกมีไม่เท่ากันเช่น อนุภาคระดับพลังงานมากกว่า 105 อิเล็กตรอนโวลต์ จะเกิดปรากฎการณ์นี้ได้ประมาณ 100 ครั้งต่อตารางเมตรต่อปี หรือ พลังงาน 1020 อิเล็กตรอนโวลต์ จะเกิดขึ้นประมาณ 1 ครั้งต่อตารางกิโลเมตรต่อศตวรรษ
รังสีคอสมิกส่วนใหญ่ที่มาถึงพื้นดินเป็นอนุภาคมิวออน ซึ่งมีความหนาแน่นเฉลี่ยประมาณ 100 ตัวต่อตารางเมตรต่อวินาที และแม้ว่าจะมีรังสีคอสมิกผ่านตัวเรานับร้อยๆ ตัวใน 1 วินาที แต่ก็นับว่ามีปริมาณรังสีน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณกัมมันตรังสีที่เกิดจากธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับนอกบรรยากาศโลกแล้ว รังสีคอสมิกเป็นอันตรายอย่างมากต่อนักบินอวกาศ หรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่เกิดเหตุการณ์รุนแรงบนดวงอาทิตย์ อวกาศรอบดวงอาทิตย์ก็จะเต็มไปด้วยอนุภาคพลังงานสูงที่เป็นอันตราย และมีโอกาสที่จะมาถึงโลกได้ด้วยเช่นกัน