รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีมีแบบใดบ้าง?
ความอยากรวยนั้นมีอยู่ในมนุษย์ทุกยุคสมัย แต่สมัยก่อน มนุษย์เคยมีความฝันจะเปลี่ยนโลหะราคาถูกอย่างตะกั่วให้กลายเป็นโลหะล้ำค่าอย่างทองคำ ผ่านกระบวนการเล่นแร่แปรธาตุ แต่กาลเวลาและความล้มเหลวซ้ำแล้วซ้ำเล่าที่สั่งสมทำให้นักเคมีในยุคต่อมาตระหนักได้ว่ามันเป็นไปไม่ได้
ไม่เคยมีนักเคมีคนไหนสังเกตเห็นว่าธาตุมีการเปลี่ยนชนิดไป ปฏิกิริยาเคมีอย่างดีก็แค่ทำให้ธาตุในสารต่างๆเปลี่ยนวิธีการจัดเรียงกันเท่านั้น โดยที่ธาตุไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงเลย
จอห์น ดาลตัน (John Dalton)อัจฉริยะแห่งอังกฤษผู้ริเริ่มทฤษฎีอะตอมยุคใหม่ สร้างทฤษฎีจากความเชื่อว่าสารต่างๆประกอบทั้งปวงขึ้นจากสิ่งที่พื้นฐานที่สุดคือ อะตอมของธาตุ ซึ่งแนวคิดนี้นับว่าสอดคล้องกับความรู้ทางเคมีเป็นอย่างดี
จนกระทั่งนักฟิสิกส์ฝรั่งชื่อ เฮนรี แบ็กเคอแรล (Henri Becquerel) ค้นพบธาตุประหลาดที่สามารถปลดปล่อยรังสีออกมาได้ พวกมันถูกเรียกว่าธาตุกัมมันตรังสี ต่อมามีการค้นพบว่าธาตุเหล่านี้จะค่อยๆละปริมาณลง โดยช่วงเวลาที่มันลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณตั้งต้นเรียกว่า ครึ่งชีวิต (Half life) เรื่องน่าทึ่งคือ ธาตุตั้งต้นที่ลดปริมาณลงจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่น!
การค้นพบนี้นับว่ามีความสำคัญและนำมาซึ่งการประยุกต์ใช้มากมายหลายด้าน ในแง่ฟิสิกส์พื้นฐาน มันทำให้นักฟิสิกส์เกิดคำถามมากมาย หนึ่งในคำถามที่สำคัญที่สุดคือ อะไรเป็นกลไกทำให้ธาตุเหล่านี้จึงแผ่รังสีออกมา? คำถามนี้เรียบง่าย แต่ตอบยาก ก่อนจะไปถึงคำตอบนั้น มาเริ่มจากทำความเข้าใจเกี่ยวกับรังสีที่มันปลดปล่อยออกมาก่อนดีกว่า
ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี
ปัจจุบัน นักฟิสิกส์พบว่ารังสีที่ธาตุกัมมันตรังสีปล่อยออกมานั้นมี 3 ประเภท ได้แก่ รังสีแอลฟา รังสีเบตาและ รังสีแกมมา
รังสีแอลฟา คือ นิวเคลียสของฮีเลียมจำนวนมากที่พุ่งออกมาเป็นลำ นิวเคลียสของฮีเลียมประกอบไปด้วยนิวตรอน 2 อนุภาค และโปรตอน 2 อนุภาค ดังนั้นมันจึงมีประจุ +2 ตามประจุของโปรตอน และมีอำนาจทะลุทะลวงต่ำเพราะประจุไฟฟ้าของมันทำให้มันชนกับอิเล็กตรอนของสสารต่างๆได้ง่าย กระดาษบางๆแค่แผ่นสองแผ่นก็สามารถกำบังไม่ให้มันทะลุผ่านได้แล้ว
รังสีแอลฟาถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์นิวซีแลนด์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford)ผู้ศึกษาเส้นทางการเคลื่อนที่ของมันในสนามแม่เหล็ก อีกทั้งยังนำมันมาระดมยิงใส่แผ่นทองคำเปลว จนสร้างแบบจำลองอะตอมได้สำเร็จ
รัทเธอฟอร์ดเสนอว่าอะตอมมีโครงสร้าง คือ นิวเคลียส และอิเล็กตรอน โดยนิวเคลียสนั้นมีมวลมาก อัดแน่นตรงกลาง มีอิเล็กตรอนมวลน้อยมากโคจรอยู่รอบๆ
แบบจำลองอันเรียบง่ายนี้เป็นการบุกเบิกความเข้าใจเกี่ยวกับกัมมันตรังสี ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นทุกปฏิกิริยาในเอกภพ ล้วนเกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆนิวเคลียส โดยไม่เข้าไปยุ่มย่ามกับนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลางเลย นั่นเป็นเหตุให้ปฏิกิริยาเคมีไม่เคยมีการเปลี่ยนแปลงชนิดของธาตุ เพราะสิ่งที่กำหนดความเป็นธาตุนั้นอยู่ภายในนิวเคลียสนั่นเอง
การศึกษาธรรมชาติของนิวเคลียสนั้นเป็นเรื่องยากมาก เพราะนักฟิสิกส์ต้องหาอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากๆหรืออนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า พุ่งฝ่าอิเล็กตรอนจำนวนมากไปชนนิวเคลียสให้ได้ จากนั้นจึงสังเกตผลที่เกิดขึ้น ความท้าทายนี้เปรียบเสมือนกำแพงที่หากมนุษย์ข้ามไปได้ ย่อมสามารถนำพลังงานจากนิวเคลียสซึ่งอยู่ใจกลางอะตอมออกมาใช้เป็นผลพลอยได้ที่เปลี่ยนแปลงประวัติศาสตร์โลก
ความสามารถในการทะลุผ่านของรังสีต่างๆ
รังสีเบตา คือ อิเล็กตรอนจำนวนมากที่พุ่งออกมาเป็นลำ มีประจุเป็นลบ มีอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง ใช้แผ่นอะลูมิเนียมบางๆก็พอจะกั้นไม่ให้มันทะลุผ่านได้ การศึกษารังสีเบตาอย่างละเอียดนำมาซึ่งการค้นพบอนุภาคมูลฐาน และแรงพื้นฐานอย่างใหม่ที่สำคัญอย่างยิ่ง (เรื่องอนุภาคมูลฐานนั้นผมจะเล่าให้ฟังในบทความหน้า)
รังสีแกมมา คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า อำนาจทะลุทะทะลวงสูงที่สุดในบรรดารังสีจากธาตุกัมมันตรังสี ต้องใช้ตะกั่วหนาๆในการป้องกันการทะลุทะลวง
หากดูในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะพบว่ารังสีแกมมามีพลังงานสูงที่สุด แต่ก็มีพลังงานบางส่วนคาบเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ หลายคนที่เรียนเรื่องนี้อาจจะสับสนว่าแล้วรังสีแกมมากับรังสีเอกซ์แตกต่างกันอย่างไร ในเมื่อมันมีช่วงพลังงานที่คาบเกี่ยวกันอยู่
ในรูปนี้จะเห็นได้ว่ารังสีเอกซ์และรังสีแกมมา มีความยาวคลื่นคาบเกี่ยวกันบางส่วน
คำตอบคือ รังสีแกมมานั้นมีแหล่งกำเนิดจากนิวเคลียส ส่วนรังสีเอกซ์ เกิดจากอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ สรุป็คือ แบ่งตามตำแหน่งของแหล่งกำเนิดของรังสี
การศึกษารังสีแกมมามีประโยชน์หลายด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันช่วยในการศึกษาปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์พลังงานสูงมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปะทุของรังสีแกมมา (gamma-ray bursts) ซึ่งเป็นการปลดปล่อยพลังงานที่รุนแรงที่สุดที่นักดาราศาสตร์ค้นพบในตอนนี้
การปลดปล่อยรังสีทั้งสามอย่างเกิดจากกลไกที่แตกต่างกันอย่างมาก ซึ่งบทความหน้าผมจะเล่าเรื่องการปลดปล่อยรังสีเบต้า ซึ่งมีความน่าสนใจเชิงประวัติศาสตร์ให้ฟังครับ
- 18
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
