2.6 ธาตุกัมันตรังสี

2 .6 ธาตุกัมมันตรังสี

            ธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้วคือสามารถแต่งแล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนแบลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในปีพ. ศ. 2430 อองตวนอองรีแบทเกอเรส (Antoine Fitnri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ขาวฝรั่งเศสพบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมแผนฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงและเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ก็ได้ผลเช่นเดียวกันจึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียมต่อมาปีแอร์ตูรีและมารี Pierr Curie Marie Curie) ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียมและพอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี (Tradioactivity) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไมเสถียรและไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีใต้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive Isotoppe) หรือสารกัมมันตรังสี (radioactive substance) เช่น Carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทบกัมมันตรังสีจะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้วาธาตุกัมมันตรังสี radioactive element) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 837 เช่น U-238 U-235 Th-232 ในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายสชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ

2. 4. 1 วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุเมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ เหล่านี้แล้วนักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่าง ๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มใต้หลายแบบในปีพ. ศ. 2360 โยฮันน์โวล์ฟกังเดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่ม ๆ ละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม (triads) โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ Na มีมวลอะตอม 23. 0 และเป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K ซึ่งมีมวลอะตอม 6. 9 และ 39. 1 ตามลำดับตัวอย่างการจัดธาตุแบบชุดสามแสดงได้ดังตาราง 2. 8 แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกันพบว่าค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือหลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ในปี 2412 ยูลิอุสโลทาร์ไมเออร์ (Julius Lothar Meyer) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรีเมนเดเลเอพ (Dinitr Mendeley) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นทําให้มีข้อสังเกตว่าถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ การที่ราดต่างบนขวง ๆ การที่ธาตุต่าง ๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเขนนี้เมนเตเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่ากฎพรีออติก (periodic law) การจัดราตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไม่ได้ขีดการเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียวแต่ได้นำสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ มาพิจารณาด้วยนอกจากนี้ยังได้เว้นช่องวางไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่ได้มีการค้นพบโดยที่ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุเมนเตเลเอฟจึงได้ทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ 3 ธาตุให้ชื่อว่าเอคา-โบรอนเอคาอะลูมิเนียมและเอคา-ซิลิคอนในเวลาต่อมาก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียมแกลเลียมและเจอร์เมเนียมตามลำดับซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำนายไว้ตัวอย่างธาตุเอคา-ซิลิคอนซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับธาตุเจอร์เมเนียมเป็นดังนี้

2 กลุ่มของธาตุในตารางธาตุการที่นักวิทยาศาสตร์จัดรายในขนตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่าง ๆ ตาแบงกลุ่มธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มคือธาตุโลหะ (metal) เป็นธาตุที่น้าไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีราตถึงโลหะ (metaloid) เป็นธาตุที่น้ำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมงแต่จะนำได้ดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและธาตุอโลหะ nonmetal) ซึ่งใน * 9105Mะ nonmetal) ซึ่งไม่น่าไฟฟ้ายกเว้นคาร์บอนแกรไฟต์) และฟอสฟอรัสเมื่อพิจารณาตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุตามรูป 2. 19 พบว่าธาตุโลหะอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุ (สีเขียว) ธาตุกึ่งโลหะจะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันไดสีชมพู) และธาตุอโลหะจะอยู่ขวามือของตารางธาตุ (สีฟ้า) ยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางด้านซ้ายมือของตารางธาตุถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ที่มีพลังงานสูงสุดและมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่จะแบ่งธาตุได้เป็น 4 กลุ่มใหญ่คือธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ ธาตุในหมู่ 13 ถึง 18 (ยกเว้น Fie) ธาตุกลุ่ม A ได้แก่ ธาตุในหมู่ 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่ กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่แยกมาจากหมู่ 3 คาบที่ดังรูป

2 13 นนาดอะตอมตามแบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเผสือนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดียวแตจะมีแรงยึดเหนียวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันจึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอม (atomic radius) ที่อยู่ในภาวะอิสระหรือAxนั้นเidเสริมพฯกนวมยาศาคตและเทคโนโลยี

2. 4. 4 ขนาดไอออนอะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเทากับอิเล็กตรอนเมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามา 28 / แuอะตอมจะกลายเป็นไอออนการบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอมAdาวคอจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน (Ionic radius) ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่ง ๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึกตัวอย่างรัศมีไอออนของ ME และ 0 ในสารประกอบ MgO แสดงดังรูป 2. 22 และ 2. 23

พลังงานไอออไนเซชั้นพลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะ (Anninition energy. IF โดยคา IE แสดงถึงความยางานในการท้าให้อะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไอออนบวกโดยเEน้อยแสดงราทำให้เป็นใอออนบวกได้รายเด้า 1 มกแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกได้ยากการทำาให้ไฮโดรเจนอะตอมในสถานะแก็สกลายเป็นไฮโดรเจนไอออนในสถานะแก็สเขียนgE) • I "(H) + (การท้าให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดกิโลจูลต่อโมลนั้นคือพลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1315 กิโลจูลตอไมลอิเล็กตรอนจึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงคาเดียวถ้าเป็นธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนก็จะมีพลังงานไอออไนเซชันหลายค่าพลังงานน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออกสัญลักษณ์ของพลังงานได้สมในเซชั่น IPM ให้เป็น 2

2019.09.11 วันพุธ

2. 6สาตุกัมมันตรังสีธาตุอีกกลุ่มหนึ่งในตารางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างจากธาตุที่เคยศึกษามาแล้วคือสามารถแต่งแล้วกลายเป็นอะตอมของธาตุใหม่ได้นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนแบลงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในปีพ. ศ. 2430 อองตวนอองรีแบทเกอเรส (Antoine Fitnri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ขาวฝรั่งเศสพบว่าเมื่อเก็บแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่หุ้มด้วยกระดาษสีดำไว้กับสารประกอบของยูเรเนียมแผนฟิล์มจะมีลักษณะเหมือนถูกแสงและเมื่อทำการทดลองกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่น ๆ ก็ได้ผลเช่นเดียวกันจึงสรุปว่าน่าจะมีรังสีแผ่ออกมาจากธาตุยูเรเนียมต่อมาปีแอร์ตูรีและมารี Pierr Curie Marie Curie) ได้ค้นพบว่าธาตุพอโลเนียมเรเดียมและพอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกันปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี (Tradioactivity) ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไมเสถียรและไอโซโทปของธาตุที่สามารถแผ่รังสีใต้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่าไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioactive Isotoppe) หรือสารกัมมันตรังสี (radioactive substance) เช่น Carbon-14 (C-14) สำหรับธาตุที่ทุกไอโซโทปเป็นไอโซโทบกัมมันตรังสีจะเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้วาธาตุกัมมันตรังสี radioactive element) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 837 เช่น U-238 U-235 Th-232 ในธรรมชาติพบธาตุกัมมันตรังสีหลายสชนิด นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ

2. 6. 1 การเกิดกัมมันตภาพรังสีกัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีเพราะนิวเคลียสมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียรจึงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอนุภาคหรือรังสีจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเป็นรังสีแอลฟา (alpha ray) รังสีบีตา (beta ray) หรือแกมมา (gamma ray

2.6.2การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรัมจากการศึกษาไอโซโทปของธาตุจํานวนมากทำให้ได้ข้อสังเกตว่าไอโซโทปของนิวเคลีนสที่มีอัตราส่วนระหว่างจ้านวนนิวตรอนตอจำนวนโปรตอนไม่เหมาะสมคือนิวเคลียสที่มีจานวนนิวตรอนแตกต่างจากฐานวนโปรตอนมากเกินไปจะไม่เสถียรจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสโตนการแผ่รังสี (radiation) ออกมาแล้วเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่าดังตัวอย่างต่อไปนี้การแผ่รังสีแอลฟาส่วนใหญ่เกิดกับนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 และมีจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนในสัดส่วนที่ไม่เหมาะสมเมื่อปล่อยรังสีแอลฟาออกมาจะกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เสถียรซึ่งมีเลขอะตอมลดลงและเลขมวลลดลง 4

การแผ่รังสีบีตาเกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมากนิวตรอนในนิวเคลียสละเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตาและนิวเคลียสใหม่จะมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 โดยที่เลขมวลยังคงเดิม

การแผ่รังสีแกมมาเกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมากหรือไอโซโทปที่สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือบีตาแต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสเพื่อให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานสวนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา

2. 6. 3 อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสีกิจวัตรต่างในชีวิตประจำวันทั้งการรับประทานอาหารการดื่มน้ำการหายใจล้วนมีโอกาสมนษย์จะได้รับรังสีจากไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่น K-40 C-14 Ra-226 เข้าสร่างกายนอกจากนี้ะได้รับรังสีคอสมิก (Cosmic ray) ซึ่งส่วนใหญ่มาจากอวกาศรังสีต่าง ๆ เหล่านี้มีแหล่งกำเนิดจากธรรมชาตินอกจากนี้บางคนยังได้รับรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้นมา เช่น รังสีจากเครื่องเอกซเรย์รังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

2.6.4 ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีไอโซโทปกัมมันตรังสีจะสลายตัวให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลาไอโซโทปรับมันตรังสีแต่ละชนิดจะสลายตัวได้เร็วหรือช้าแตกต่างกันอัตราการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสีจะบอกเป็นครึ่งช่วด (half life) ใช้สัญลักษณ์ระยะเวลาที่นิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมไอโซโทบกัมมันตรังสีของธาตุชนิดหนึ่ง ๆ จะมีครึ่งชีวิตคงเดิมไม่ว่าจะอยู่ในรูปของธาตุหรือเกิดเป็นสารประกอบเขน Na-24 มีครึ่งชีวิต 15 หมายความว่าถ้าเริ่มต้นมี Na-24 ปริมาณ 10 กรัมนิวเคลียลนี้จะสลายตัวให้รังสีออกมาจนกระทั่งเวลาผ่านไปครบ 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 5 กรัมและเมื่อเวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมงจะมี Na-24 เหลืออยู่ 2. 5 กรัมนั้นคือเวลาผ่านไปทุก ๆ 15 ชั่วโมง Na-24 จะสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมเขียนแสดง

2. 6. 5 ปฏิกิริยานิวเคลียร์ปธกิริยานิวเคลียร์เป็นการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของไอโซโทปกัมมันตรังสีอาจเกิดจากการะหรือเกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสของอะตอมมาดเล็กแล้วได้ไอโซโทปใหม่หรือนิวเคลียสของธาตุใหม่รวมทั้งมีพลังงานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในปีพ. ศ. 2482 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าเมื่อยิงอนุภาคนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ U-235 นิวเคลียสจะแตกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า
2.6.6 เทคโนโลยีการใช้ักัมมันตรังสี

2.7 การนำธาตุเปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตมนุษย์นำธาตุมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่อดีตกาลเช่นน้ำทองค้ามาทำเครื่องประดับนำเหล็กมาทำมีดน้ำหองแดงมาห้าภาชนะเครื่องใช้ในปัจจุบันมีการค้นพบและศึกษาสมบัติของธาตุมากขึ้นจึงมีการนำธาตุมาใช้ประโยชน์ได้หลากหลายมากขึ้นในหัวข้อนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับประโยชน์ของธาตุบางชนิดรวมทั้งศึกษาถึงผลกระทบที่มีต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม 27 ประโยชน์ของธาตุการจำแนกธาตุออกเป็นกลุ่มนอกจากจะช่วยให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุแล้วยังงานตอการพิจารณาสมบัติที่เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้งานได้อีกด้วยตัวอย่างการใช้ประโยชน์จากธาตุดังนี้ธาตุโลหะมีสมบัติการนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดีจึงนิยมนำมาทำเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นนำทองแดงมาทำสายไฟฟ้านำสังกะสีมาทำขั้วไฟฟ้าของถ่านไฟฉายนำลิเทียมมาทำขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ลิเทียมนำโซเดียมมาเป็นตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อนและหล่อเย็นในปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธาตุกึ่งโลหะเช่นซิลิคอนเจอร์เมเนียมมีสมบัติถ้ำกึ่งระหว่างสมบัติของโลหะกับอโลหะ