ธาตุกัมมันตรงสี (radioactive element)

ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element)

         

         คือธาตุพลังงานสูงกลุ่มหนึ่งที่สามารถแผ่รังสี แล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้ มีประวัติการค้นพบดังนี้

1. รังสีเอ็กซ์ ถูกค้นพบโดย Conrad Röntgen อย่างบังเอิญเมื่อปี ค.ศ. 1895
2. ยูเรเนียม ค้นพบโดย Becquerel เมื่อปี ค.ศ. 1896 โดยเมื่อเก็บยูเรเนียมไว้กับฟิล์มถ่ายรูป ในที่มิดชิด ฟิล์มจะมีลักษณะ เหมือนถูกแสง จึงสรุปได้ว่าน่าจะมีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรเนียม เขาจึงตั้งชื่อว่า Becquerel Radiation
3. พอโลเนียม ถูกค้นพบและตั้งชื่อโดย มารี กูรี ตามชื่อบ้านเกิด (โปแลนด์) เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากการสกัดเอายูเรเนียมออกจาก Pitchblende หมดแล้ว แต่ยังมีการแผ่รังสีอยู่ สรุปได้ว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกแฝงอยู่ใน Pitchblende นอกจากนี้ กูรียังได้ตั้งชื่อเรียกธาตุที่แผ่รังสีได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี และเรียกรังสีนี้ว่า กัมมันตภาพรังสี
   
4. เรเดียม ถูกตั้งชื่อไว้เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากสกัดเอาพอโลเนียมออกจากพิตช์เบลนด์หมดแล้ว พบว่ายังคงมีการแผ่รังสี จึงสรุปว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกใน Pitchblende ในที่สุดกูรีก็สามารถสกัดเรเดียมออกมาได้จริง ๆ จำนวน 0.1 กรัม ในปี ค.ศ. 1902

ส่วนรังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุนั้น แบ่งเป็น 3 ชนิดคือ

1. รังสีแอลฟา (สัญลักษณ์: α) คุณสมบัติ เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (4 2He) มี p+ และ n อย่างละ 2 อนุภาค ประจุ +2 เลขมวล 4 อำนาจทะลุทะลวงต่ำ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ
2. รังสีบีตา  (สัญลักษณ์: β) คุณสมบัติ เหมือน e- อำนาจทะลุทะลวงสูงกว่า α 100 เท่า ความเร็วใกล้เสียง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก
3. รังสีแกมมา (สัญลักษณ์: γ) คุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากไม่มีประจุและไม่มีมวล อำนาจทะลุทะลวงสูงมาก ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาแล้วยังไม่เสถียร มีพลังงานสูง จึงแผ่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับพลังงาน  จะเห็นได้ว่า การแผ่รังสีจะทำให้เกิดธาตุใหม่ได้  หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุเดิมและธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ  มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกันเรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ  

         ครึ่งชีวิตของธาตุ (Half life)   เรารู้แล้วว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดจากนิวเคลียสในอะตอมของธาตุซึ่งไม่เสถียร  จึงต้องมีการสลายตัวและแผ่รังสีออกมา  เพื่อเปลี่ยนไปเป็นอะตอมที่มีเสถียรภาพมากขึ้น  เมื่อธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีออกมาแล้วจะเกิดการสลายตัวลดปริมาณลงไปด้วย  โดยนักวิทยาศาสตร์เรียกระยะเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวไปจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมว่า  ครึ่งชีวิต (Half life)  ตัวอย่างเช่น  ธาตุซัลเฟอร์ -35  มีครึ่งชีวิต 87 วัน  ในการสลายตัวเหลือ 4 กรัม  และใช้เวลาอีก 87 วัน  ในการสลายตัวจนเหลือ 2 กรัม  เป็นต้น

การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี                                                                                             การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งมี 2 ประเภท คือ                           1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรงนักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลและมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันเสียอีก ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) ดังภาพ  

                                                                                                                  

                                                                                                                                                        ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี                                                                                                            ความสามารถในการปลดปล่อยพลังงาน  และรังสีที่มีพลังงานและมีอำนาจทะลุทะลวงของธาตุกัมมันตรังสีได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในด้านต่าง ๆ มากมายทั้งในด้านการแพทย์  การเกษตร  อุตสาหกรรม  รวมจนถึงด้านธรณีวิทยาการหาอายุของวัตถุต่าง ๆ โดยธาตุกัมมันตรังสีที่มีการใช้ประโยชน์กันอย่างกว้างขวาง  ได้แก่

1  ยูเรเนียม-235 (U-235)  ใช้สำหรับเป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์  ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบินและยานอวกาศ  และใช้ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ (X-ray)  ซึ่งมีพลังงานสูง

2  โคบอลต์-60 (Co-60)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถแผ่กัมมันตรังสีชนิดแกมมาซึ่งมีผลในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ได้  จึงมีการนำมาใช้ในการยับยั้งการเจริญเติบโตเชื้อจุลินทรีย์ในอาหาร  ผักและผลไม้  และนำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง

3  คาร์บอน-14 (C-14)  เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่สามารถพบได้ในวัตถุต่าง ๆ เกือบทุกชนิดบนโลก  จึงสามารถนำระยะเวลาครึ่งชีวิตของธาตุนี้มาใช้ในการคำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ  อายุของหินและเปลือกโลกและอายุของซากฟอสซิลต่าง ๆ ได้  (C-14  มีครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปี

4  ฟอสฟอรัส-32 (P-32)  เป็นสารประกอบกัมมันตรังสีที่สามารถละลายน้ำได้  มีระยะเวลาครึ่งชีวิตประมาณ 14.3 วัน  ทางการแพทย์นำมาใช้ในการรักษาโรคมะเร็งของเม็ดโลหิตขาว (ลิวคีเมีย)  โดยให้รับประทานหรือฉีดเข้าในกระแสโลหิต  นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการตรวจหาเซลล์มะเร็ง  และตรวจหาปริมาณโลหิตของผู้ที่จะเข้ารับการผ่าตัด

อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสี                                                                                                          อันตรายจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดขึ้นได้  เนื่องจากหากร่างกายของสิ่งมีชีวิตได้รับกัมมันตรังสีในปริมาณที่มากเกินไปจะทำให้โมเลกุลของน้ำ  สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ต่าง ๆ ในร่างกายเสียสมดุล  ทำให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ในร่างกาย  ซึ่งจะทำให้สิ่งมีชีวิตเกิดความเจ็บป่วย  หรือหากได้รับในปริมาณมากก็อาจทำให้เสียชีวิตได้  ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีจึงจะต้องมีอุปกรณ์ที่ช่วยป้องกันอันตรายจากรังสี  และมีการกำหนดระยะเวลาในการทำงานเพื่อไม่ให้สัมผัสกับรังสีเป็นเวลานานเกินไป

Chemical bond

 พันธะเคมี (chemical bond) คือ แรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมเพื่อเกิดเป็นกลุ่มที่เสถียรและเป็นอิสระในระดับโมเลกุล ลักษณะเฉพาะที่สำคัญของพันธะเคมีในโมเลกุลคือจะปรากฏในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของอะตอม ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจนอยู่ในช่วงที่เหมาะสม ซึ่งอาจจะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์  พันธะไอออนิก หรือพันธะโลหะ ได้  การศึกษาเรื่องพันธะเคมีทำให้สามารถเข้าใจและทำนายสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารได้

•      พันธะไอออนิก (Ionic  bond)                                                                                                         คือ  พันธะระหว่างอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาทิวิตีต่างกันอย่างมาก  หมายถึง แรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้าของไอออนบวกและไอออนลบ ซึ่งแตกต่างเปรียบเทียบกับพันธะโคเวเลนต์อย่างแท้จริง ในทางปฏิบัติ เรามักจะพิจารณาค่าความเป็นไอออนิก ของพันธะมากกว่าที่จะบอกว่าเป็นพันธะไอออนิกหรือพันธะ         โคเวเลนต์อย่างแท้จริง สมการความสัมพันธ์ที่ใช้ในการคำนวณความเป็นไอออนิกถูกเสนอขึ้นโดย ลินัส เพาลิง ที่ประมาณการค่าความเป็นไอออนิกระหว่างอะตอม A และ อะตอม B ดังนี้:

ค่าความเป็นไอออนิก = 
เมื่อ  และ  คือ ค่าอิเล็กโทรเนกาทิวิตีที่เสนอโดยเพาลิงของอะตอม A และ อะตอม B ตามลำดับ   โดยพบพันธะชนิดนี้เกือบทั้งหมดในของแข็ง

• พันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond)                                                                                                     คือ  พันธะเคมีภายในโมเลกุลลักษณะหนึ่ง พันธะโคเวเลนต์เกิดจากอะตอมสองอะตอมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งคู่หรือมากกว่าร่วมกัน ทำให้เกิดแรงดึงดูดที่รวมอะตอมเป็นโมเลกุลขึ้น  อะตอมมักสร้างพันธะโคเวเลนต์เพื่อเติมวงโคจรอิเล็กตรอนรอบนอกสุดให้เต็ม ดังนั้น อะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์จึงมักมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่มาก เช่น ธาตุหมู่ VI และหมู่ VII เป็นต้น พันธะโคเวเลนต์แข็งแรงกว่าพันธะไฮโดรเจนและมีความแข็งแรงพอๆ กับพันธะไอออนิก  พันธะโคเวเลนต์มักเกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีใกล้เคียงกัน ธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์มากกว่าธาตุโลหะซึ่งมักสร้างพันธะโลหะ  เนื่องจากอิเล็กตรอนของธาตุโลหะสามารถเคลื่อนอย่างอิสระ ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนของธาตุอโลหะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระนัก การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันจึงเป็นทางเลือกเดียวในการสร้างพันธะกับธาตุที่มีสมบัติคล้ายๆ กัน อย่างไรก็ดี พันธะโคเวเลนต์ที่มีโลหะนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น พันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารอินทรีย์กับโลหะเป็นเครื่องมือสำคัญของกระบวนการสร้างพอลิเมอร์หลายๆ กระบวนการ เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม ในการศึกษาในระดับที่สูงขึ้นจะพบว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นระหว่างธาตุโลหะกับอโลหะเท่านั้น

• พันธะโลหะ (Metallic bonding)                                                                                                       เป็นพันธะภายในโลหะซึ่งเกี่ยวข้องกับ การเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอน อิสระระหว่างแลตทิซของอะตอมโลหะ ดังนั้นพันธะโลหะจึงอาจเปรียบได้กับเกลือที่หลอมเหลวอะตอมของโลหะมีอิเล็กตรอนพิเศษเฉพาะในวงโคจรชั้นนอกของมันเทียบกับคาบ (period) หรือระดับพลังงานของพวกมัน อิเล็กตรอนที่เคลื่อนย้ายเหล่านี้เปรียบได้กับทะเลอิเล็กตรอน(Sea of Electrons) ล้อมรอบแลตทิชขนาดใหญ่ของไอออนบวก

พันธะโลหะเทียบได้กับพันธะโคเวเลนต์ที่เป็น นอน-โพลาร์ ที่จะไม่มีในธาตุโลหะบริสุทธ์ หรือมีน้อยมากในโลหะผสม  ความแตกต่าง อิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างอะตอม ซึ่งมีส่วนในปฏิกิริยาพันธะ และอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาจะเคลื่อนย้ายข้ามระหว่างโครงสร้างผลึกของโลหะ พันธะโลหะเขียนสูตรทางเคมีไม่ได้ เพราะไม่ทราบจำนวนอะตอมที่แท้จริง อาจจะมีเป็นล้านๆ อะตอมก็ได้ พันธะโลหะจะมีความสำคัญต่อคุณสมบัติทางฟิสิกส์หลายอย่างของโลหะเช่น

• ความแข็งแรง
• ตีแผ่เป็นแผ่นได้(malleability)
• ดึงเป็นเส้นได้ (ductility)
• นำความร้อนไดดี
• นำไฟฟ้าได้ดีและนำได้ทุกทิศทาง
• เนื้อเป็นเงา (luster)

atomic structure

      ในแต่ละวัตถุธาตุที่มองเห็น จะประกอบด้วยโครงสร้างที่จับตัวอยู่อย่างสลับซับซ้อนโครงสร้างผลึก (Crystal Structure) จะประกอบด้วยหน่วยเซลล์ (Unit Cells) เป็นจำนวนมากในแต่ละหน่วยเซลล์ จะประกอบด้วยอะตอม (Atom) ที่มีจำนวนมากน้อยต่างกัน ตามลักษณะโครงสร้างแต่ละแบบ และในแต่ละอะตอม จะมีพลังของการยึดเหนี่ยวระหว่าง โปรตอน (Protons) และนิวตรอน (Neutron) จับตัวกันเป็นนิวเคลียส (Nucleus) อยู่ตรงกลางซึ่งมีขนาดเล็กมาก

 

      อะตอม (Atom) คืออนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุ ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกด้วยวิธีการใด ๆ ธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งอะตอมเหล่านี้ประกอบด้วย อนุภาคที่เล็กที่สุดลงไปอีก เรียกว่าโปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเล็กตรอน (Electron) โปรตอนและนิวตรอนจะประกอบกันอยู่กึ่งกลางอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส (Nucleus) ส่วนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่ตามวงโคจรรอบ ๆ นิวเคลียส โดยอิเล็กตรอนที่ประจุไฟฟ้าลบ โปรตอนเป็นประจุไฟฟ้าบวก และนิวตรอนเป็นประจุไฟฟ้ากลาง เมื่ออะตอมเป็นอิสระ จำนวนโปรตอนรอนจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน น้ำหนักของอะตอมจะเท่ากับน้ำหนักของโปรตอนกับนิวตรอน ส่วนจำนวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมที่เรียกว่า Atomic Number เช่น C = 6 หมายถึงคาร์บอน 1 อะตอมหนักเป็น 6 เท่าของโฮโดรเจน

        อะตอม เป็นค่าของนำหนักอะตอม (Atomic Weight)  โดยที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียส การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน นั้น จะมีระยะแตกต่างกันเป็นชั้น ๆ เรียกเซลล์ (Shell) ซึ่งในแต่ละเซลล์จะมีระดับของพลังงานแตกต่างกัน  อิเล็กตรอนในแต่ละเซลล์ จะมีจำจวนจำกัด อิเล็กตรอนในเซลล์นอกสุดของแต่ละธาตุโลหะเรียกว่า วาเลนช์อิเล็กตรอน (Valence Electron) ซึ่งจะไม่มีเกินกว่า 8 ตัว