การพบกัมมันตภาพรังสี

บทที่ 20   ฟิสิกส์นิวเคลียร์

                เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่าสสารประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เล็กที่สุด คือ อะตอม และอะตอมยังประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน นิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวก และมีมวลเกือบเท่ามวลของอะตอมแต่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมมาก คือ 10^{-5} เท่า  ในบทนี้จะได้ศึกษาเกี่ยวกับองค์ประกอบและสมบัติต่างๆของนิวเคลียส โดยเริ่มต้นด้วยการพบกัมมันตภาพรังสี

 

                  การพบกัมมันตภาพรังสี          

                  ในปี พ.ศ. 2439 หลังการพบรังสีเอกซ์ได้ไม่นาน แบ็กเกอแรล  นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ทดลองศึกษาว่า เมื่อสารใดๆ เกิดการเรืองแสง จะปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาพร้อมกับปรากฏการณ์เรืองแสงหรือไม่ แบ็กเกอแรลได้ทดลองใช้สารต่างๆ ที่เกิดการเรืองแสงเมื่อได้รับแสงแดดโดยวางสารเหล่านั้นไว้กลางแดด แล้วตรวจสอบว่ามีการปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาในขณะที่มีการเรืองแสงหรือไม่ โดยใส่ฟิล์มถ่ายรูปไว้ในซองกระดาษสีดำซึ่งแสงไม่สามารถทะลุผ่านได้ แล้วนำไปวางไว้ในสารที่สงสัย เขาคาดว่าถ้าสารนั้นปล่อยรังสีเอกซ์ รังสีเอกซ์จะทะลุผ่านซองกระดาษไปยังฟิล์มได้ ซึ่งจะทำให้มีรอยดำปรากฏบนฟิล์มเมื่อนำฟิล์มนั้นไปล้าง

 

รูป 20.1 แบ็กเกอแรล

 

                Becquerel, Antoine Henri   (พ.ศ. 2395-2451) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้รับรางวัลโนเบลทางฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2446 จากผลงานการค้นพบปรากฏการณ์กัมมันตรังสีในธรรมชาติร่วมกับปีแอร์และมารี กูรี ซึ่งพบกัมตรังสีสองธาตุ คือ เรเดียม และพอโลเนียม

 

                ในการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียม แบ็กเกอแรล พบว่า มีรอยดำปรากฏบนฟิล์มดังที่คาดไว้ แต่เขาสรุปเพียงว่า มีรังสีชนิดหนึ่งแผ่ออกมาจากสารประกอบของยูเรเนียมและรังสีนี้ทะลุผ่านกระดาษดำไปกระทบฟิล์มทำให้เกิดรอยดำบนฟิล์ม เขามิได้สรุปว่ารังสีนี้เป็นรังสีเอกซ์ เนื่องจากยังไม่ได้ตรวจสอบสมบัติของรังสีนั้นอย่างละเอียด อย่างไรก็ตาม ในการทดลองซ้ำในช่วงที่ไม่มีแดด เขาได้นำสารและซองกระดาษดำที่บรรจุฟิล์มไปเก็บในลิ้นชักหลายวัน เมื่อเขานำฟิล์มที่ทิ้งไว้นั้นไปล้างดูโดยคาดว่าคงเห็นรอยจางๆเท่านั้น เขากลับพบว่า รอยดำบนแผ่นฟิล์มมีสีเข้มกว่ารอยดำที่ได้จากการทดลองครั้งแรกที่มีแสงแดด แบ็กเกอแรลจึงสรุปว่า สารประกอบยูเรเนียมปล่อยรังสีชนิดหนึ่งออกมาตลอดเวลาโดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาแสงแดดแต่อย่างใดและรังสีชนิดนี้สามารถทะลุผ่านวัตถุทึบแสงได้ การศึกษาสมบัติของรังสีที่ได้จากสารประกอบยูเรเนียมทำให้รู้ว่ารังสีนั้นมีสมบัติบางประการที่คล้ายคลึงรังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุต่างๆ และทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ แต่การแผ่รังสีชนิดนี้เกิดขึ้นได้เองตลอดเวลาในขณะที่การแผ่รังสีเอกซ์เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติไม่ได้ นอกจากนี้แบ็กเกอแรลยังได้พบอีกว่า สารประกอบยูเรเนียมทุกชนิดจะทำให้เกิดรอยดำบนฟิล์มเขาจึงเสนอความคิดว่า รังสีนี้เกิดจากธาตุยูเรเนียม

                การที่แบ็กเกอแรลพบรังสีดังกล่าว ทำให้นักวิทยาศาสตร์เกิดความสงสัยว่ามีธาตุอื่นๆ ที่มีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียมอีกหรือไม่ ปีแอร์และมารี กูรี ได้ทดลองกับธาตุบางชนิด เช่น ทอเรียม เรเดียม พอโลเนียม และพบว่ามีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องนี้เรียกว่า กัมมัตภาพรังสี\displaystyle ^1    และธาตุที่มีสมบัติสามารถแผ่รังสีได้เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตภาพรังสี

 

                ^1หลังจากจบหัวข้อ  20.1 จะสามารถบอกความหมายของ กัมมันตภาพรังสี ได้ชัดเจนขึ้นว่าเป็นปรากฏการณ์ที่นิวเคลียสของไอโซโทปไม่เสถียร เกิดการเปลี่ยนเพื่อปรับตัวให้มีสเถียรภาพ โดยการปล่อยอนุภาคบางชนิดหรือพลังงานในรูปโฟตอนออกมา

 

รูป 20.2 ปีแอร์ และมารี กูรี    

 

                Pierre Curie (พ.ศ.2402 - 2449) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Marie Curie นักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ สามีภรรยาคู่นี้ทำวิจัยด้านกัมมันตภาพรังสีและได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับแบ็กเกอแรล ในปี พ.ศ. 2446 นอกจากนี้บุตรสาวของครอบครัวคือ Irene Curie ซึ่งก็ได้ศึกษากัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์ได้รับรางวัลโนเบลเช่นกันเป็นที่น่าสังเกตว่า มาดามกูรี เสียชีวิตด้วยโรคลูคีเมีย หรือ มะเร็งในโลหิต เนื่องจากได้รับรังสีจากธาตุกัมมันตรังสีเกินควร

                 การศึกษารังสีที่เปล่งออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีในเวลาต่อมาพบว่า รังสีนี้สามารถทะลุแผ่นกระดาษได้ แต่จะถูกกั้น ถ้าใช้แผ่นโลหะที่หนามาก เช่น แผ่นตะกั่ว และนอกจากนี้ยังพบอีกว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีมี 3 ชนิด ซึ่งแสดงความแตกต่างกันอย่างชัดเจนเมื่ออยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กดังรูป 20.3 ธาตุกัมมันตรังสีบรรจุอยู่ในภาชนะที่ทำด้วยตะกั่วหนา ซึ่งมีช่องเปิดแคบให้รังสีที่แผ่ออกมาผ่านออกไปได้ เหนือช่องแคบมีแผ่นฟิล์มวางอยู่ บริเวณระหว่างช่องเปิดแคบให้รังสีที่แผ่ออกมาผ่านออกไปได้ เหนือช่องแคบมีแผ่นฟิล์มวางอยู่ บริเวณระหว่างช่องแคบและแผ่นฟิล์มมีสนามแม่เหล็กที่มีค่าคงตัวและมีทิศตั้งฉากกับแนวทางที่รังสีจะผ่านออกมาจะเห็นได้ว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีในสนามแม่เหล็กมี 3 แนว แนวหนึ่งเป็นแนวตรง และอีก 2 แนว เป็นแนวโค้งเบนไปกันคนละข้างของแนวเดิม เมื่อนำฟิล์มไปล้างจะพบว่ารอยดำปรากฏบนฟิล์ม 3 รอย ในรูปรังสีที่โค้งน้อยและเบนไปทางด้านซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา รังสีที่โค้งมากและเบนไปในทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตาส่วนรังสีที่ไม่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เรียกว่า  รังสีแกมมา และนิยมเขียนแทนสัญลักษณ์ \displaystyle \alpha  \displaystyle \beta และ  \displaystyle \gamma      ตามลำดับ

รูป 20.3 แสดงแนวการเคลื่อนที่ของรังสีทั้ง 3 ชนิดในสนามแม่เหล็ก

 

                - แนวการเบี่ยงเบนของรังสีทั้ง 3 ชนิดนี้ ทำให้เราสามารถบอกชนิดของประจุไฟฟ้าของรังสีเหล่านี้ได้หรือไม่ อย่างไร

 

จากการศึกษาเรื่องการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กทำให้ทราบว่ารังสีแอลฟาต้องมีประจุไฟฟ้าบวก รังสีบีตาต้องมีประจุลบ ส่วนรังสีแกมมาต้องมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า

การศึกษาเกี่ยวกับรังสีทั้ง 3 ชนิด ทำให้เข้าใจสมบัติต่างๆของรังสีเหล่านี้ดีขึ้น สมบัติที่สำคัญของรังสีทั้งสามชนิดอาจ

สรุปได้ดังนี้

                รังสีแอลฟา\displaystyle ^1    เป็นนิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่งมีมวล ประมาณ \displaystyle 4u^2      และมีประจุไฟฟ้า  +2e  โดยทั่วไปรังสีนี้มีพลังงานประมาณ 4-10 MeV เพราะรังสีแอลฟาสามารถทำให้เนื้อสารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงทำให้รังสีแอลฟาเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว ดังนั้นรังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุทะลวงน้อยมาก กล่าวคือสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ระยะทางเพียง 3-5 เซนติเมตรเท่านั้น หรือเมื่อใช้กระดาษบางๆกั้น รังสีแอลฟาก็อาจทะลุผ่านไม่ได้ การที่รังสีแอลฟาเป็นอนุภาคทำให้บางครั้งเราเรียกรังสีแอลฟาว่า  อนุภาคแอลฟา

                รังสีบีตา\displaystyle ^3    เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e และมีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตานี้คืออิเล็กตรอน ซึ่งมีพลังงานอยู่ในช่วงประมาณ 0.025-3.5 MeV รังสีบีตาสามารถเคลื่อนที่ผ่านไปในอากาศได้ในระยะทางประมาณ 1-3 เมตร จึงนับได้ว่ามีอำนาจทะลุสูงกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเราเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา

                รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าและมีสมบัติคล้ายรังสีเอกซ์ จากการศึกษาพบว่า รังสีนี้คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานตั้งแต่ 0.04-3.2 MeV ดังนั้นจึงสามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงนับได้ว่าอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด

 

\displaystyle ^1ในวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ นิยมใช้คำว่า รังสี เรียกกลุ่มอนุภาคเล็กๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงอย่างต่อเนื่องกันมาเป็นลำอนุภาค (beam of particle)

\displaystyle ^2 1 u หมายถึง มวล 1 unified atomic mass unit มีค่าเท่ากับ   \displaystyle 1.66x10^{-27}      กิโลกรัมซึ่งค่านี้มาจากนิยามให้ 1 u มีค่าเท่ากับ 1/12 เท่าของมวลอะตอมของคาร์บอน -12

\displaystyle ^3  ในการจำแนกอย่างละเอียดแบ่งรังสีบีตาออกเป็น \displaystyle \beta ^ +                ซึ่งมีประจุไฟฟ้า  +1e และนิยมเรียกว่า โพสิตรอน (positron) กับ \displaystyle \beta ^ 1 -          ซึ่งมีประจุไฟฟ้า -1e และนิยมเรียกว่า เนกาตรอน(negatron) อย่างไรก็ดีธาตุกัมมันตรังสีส่วนมากจะปล่อย      \displaystyle \beta ^ -         ออกมา ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงรังสีบีตามักหมายถึง    \displaystyle \beta ^ -  เสมอ