แบบทดสอบ

1.     ธาตุซึ่งมีเลขอะตอมต่อไปนี้  ข้อใดมีค่า IE₁ เรียงตามลำดับจากน้อยไปหามาก

        ก. 8, 9, 10, 11, 12                                      ข. 12, 11, 10, 9, 8

        ค. 11, 12, 8, 9, 10                                      ง. 10, 9, 8, 12, 11

2.     พิจารณาธาตุ ₃Li , ₄Be , ₅B และ ₆C ค่า IE₃ ของธาตุใดมีค่ามากที่สุด

        ก. Li                   ข. Be              ค. B            ง. C  

เพิ่มเติม

3.8 ธาตุและสารประกอบในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

1.ธาตุอะลูมิเนียม
         

            อะลูมิเนียม  (Al)  พบมากในเปลือกโลกประมาณ  7.5%  โดยมวล  ในรูปของสารประกอบ
เช่น  บอกไซต์  (Al2O3 •2H2O)  ไครโอไลต์  (Na3 AlF6)  โลหะอะลูมิเนียมเตรียมได้จากการหลอมเหลวแร่บอกไซต์แล้วแยกด้วยกระแสไฟฟ้าจะได้โลหะอะลูมิเนียมที่แคโทด  โลหะอะลูมิเนียมมีสีเงิน  มีความหนาแน่นต่ำ  เหนียวและแข็ง  ดัดโค้งงอได้  ทุบให้เป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้นได้  นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีมาก
            สารประกอบออกไซต์ของอะลูมิเนียมคือ  Al2 O3  มีจุดหลอมเหลวสูงมาก  ทนความร้อนสูง  ละลายได้ทั้งกรดและเบส  ออกไซต์ที่เกิดในธรรมชาติเรียกว่า  คอรันดัม  มีความแข็งมากและมีหลายสี  จึงนิยมใช้ทำเครื่องประดับ
            สารประกอบซัลเฟตของอะลูมิเนียมที่ตกผลึกร่วมกับโลหะแอลคาไลน์จะได้ผลึกของอะลัม  (Alum)  ชนิดหนึ่งซึ่งมีสูตรทั่วไปคือ  M 2SO4•Al2 (SO4 ) • 24H2 O  หรือ  Mal(SO 4)2•12H2 O  โดย  M  ในที่นี้คือไออนบวกของโลหะ  เช่น  Na?   หรือ K ? ส่วนสารส้มที่ใช้ตามบ้านเรือนคือสารส้มโพแทส
มีสูตรKAl(SO4 )2•  12H2 O   มีลักษณะเป็นผลึกใส  ใช้มากในกระบวนการผลิตกระดาษและกระบวนการทำน้ำประปา
อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีประโยชน์มากในทางอุตสาหกรรม  ใช้ทำอุปกรณ์ไฟฟ้า  เครื่องครัว  ของใช้ในบ้าน  ห่ออาหาร  และห่อของใช้  ทำโลหะเจือหลายชนิดที่นำไปเป็นส่วนประกอบของเครื่องบิน  เรือ  รถไฟ  และรถยนต์

2.ธาตุแคลเซียม

             พบในเปลือกโลกประมาณ  5.4%  โดยมวล  พบในรูปของสารประกอบที่มี  CaCO 3 เป็นองค์ประกอบ  เช่นหินงอก  หินย้อย  เปลือกหอย  ดินมาร์ล และพบในสารประกอบ ซัลเฟต  เช่น  ยิปซัม  แคลเซียมเตรียมได้โดยการแยกสารประกอบคลอไรด์ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้าแคลเซียมเป็นโลหะที่มีความแข็ง  มีจุดหลอมเหลว  จุดเดือดและความหนาแน่นสูงกว่าโลหะแอลคาไลน์  สารประกอบของแคลเซียมที่น่าสนใจ  ออกไซด์ของแคลเซียม  คือ CaO (ปูนดิบ) เมื่อผสมกับน้ำจะได้  Ca(OH)2  (ปูนสุก) สารละลาย   Ca(OH) 2เรียกว่า น้ำปูนใส
             ประโยชน์ของสารประกอบแคลเซียมในรูป CaCO 3จากหินปูนขาว  ชอล์ก  ดินสอพอง  ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตโซดาแอช  (Na2 CO 3) สำหรับ  CaSO4•  2H2 O หรือยิปซัม  ใช้ผลิตแผ่นยิปซัมบอร์ด  เป็นวัสดุก่อสร้าง  ใช้ทำเครื่องปั้นดินเผาชนิดโบนไชนา  (Bone  china)  ซึ่งมีคุณภาพดี  ราคาแพง  นอกจากนี้แคลเซียมยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของกระดูกและฟัน  ถ้าร่างกายขาดธาตุแคลเซียมจะทำให้เป็นโรคกระดูกเสื่อม  กระดูกผุ  และฟันไม่แข็งแรง

3.ธาตุทองแดง

             ทองแดงเป็นโลหะชนิดแรกๆ ที่มนุษย์รู้จักและนำมาใช้งาน จากหลักฐานพบว่า มนุษย์รู้จัก การถลุงทองแดงขึ้นมา ใช้ทำเครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆ มาตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ แม้ว่าทองแดงจะมีปริมาณน้อยมาก ในเปลือกโลก (เพียง 0.0001%) เมื่อเทียบกับโลหะอื่นอย่างเหล็ก (5%) หรืออลูมินัม (8%)  แต่ทองแดงเป็นโลหะมีตระกูล ซึ่งสามารถพบได้ทั้งในรูปอิสระ และในรูปสารประกอบ ซึ่งสามารถถลุงออกมาเป็นโลหะได้ง่าย การถลุงทองแดงปัจจุบัน จะนำสินแร่ทองแดง เช่น แร่ ชาลโคไซต์ (Chalcocite, Cu2S) แร่ชาลโคไพไรต์
(Chalcopyrite, CuFeS2) เป็นต้น มาเผาในอากาศ จะได้ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ประมาณ 97-99% จากนั้นจึงนำมาผ่าน กระบวนการแยกด้วยกระแสไฟฟ้าอีกครั้ง เพื่อให้ได้ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99%
             ประโยชน์ของทองแดง ที่เราคุ้นเคยกันดีที่สุดในสมัยนี้ก็คือ การนำมาใช้ทำลวดส่งกระแสไฟฟ้า และอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดต่างๆ เนื่องจากทองแดงเป็นโลหะที่นำไฟฟ้าได้ดีเป็นอันดับสองรองจากเงิน แต่ราคาถูกกว่าเงินมาก การที่ทองแดงนำไฟฟ้าได้ดี ช่วยลดพลังงานที่สูญเสียไป ในรูปของความร้อน ขณะที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายไฟ และยังช่วยป้องกันอันตราย จากการไหม้ของสายไฟอีกด้วย นอกจากนั้น ทองแดงยังเป็นส่วนผสมสำคัญ ของโลหะผสมหลายชนิด เช่น ทองเหลือง (ทองแดงผสมกับสังกะสี) สำริด (ทองแดงผสมกับดีบุก) โมเนล (ทองแดง นิกเกิล เหล็ก และแมงกานีส) รวมทั้งยังใช้ผสมในเงินและทอง เพื่อเพิ่มความแข็งของโลหะมีค่าเหล่านั้น สำหรับใช้ทำเครื่องประดับและเหรียญตราต่างๆ
             จุดเด่นอีกอย่างหนึ่งของทองแดงก็คือ ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก แม้ในสภาวะกัดกร่อนอย่างรุนแรง เช่น ในน้ำทะเล จากการสำรวจซากเรือที่จมอยู่ใต้ทะเล ตั้งแต่คริสตศตวรรษที่ 16 ครั้งหนึ่งพบว่ารอก (pulley) ที่ทำจากทองแดง ยังสามารถใช้งานได้ดี สมบัติพิเศษอีกประการหนึ่งคือ ทองแดงเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตเล็กๆ หลายชนิด จึงถูกนำมาใช้เป็นปลอกหุ้มแผ่นไม้ ที่ใช้ต่อเรือเดินทะเลเพื่อป้องกันไม่ให้แมลงหรือเพรียงทำลายไม้ รวมทั้งทำเป็นท่อส่งน้ำดื่ม สารประกอบทองแดงบางชนิด เช่น จุนสี (blue vitriol) หรือ คอปเปอร์ซัลเฟตเพนตะไฮเดรต (Cu(H2O)4SO4.4H2O) ใช้เป็นยาฆ่าเชื้อโรคและเชื้อราในแหล่งน้ำ การใช้ ทองแดงในการกำจัดสิ่งมีชีวิตเล็กๆ ในแหล่งน้ำดังกล่าวนี้ ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์แต่อย่างใด หากว่า ร่างกายไม่ได้รับทองแดงเป็นปริมาณมาก จนเกินกว่าที่จะขับออกได้ทัน

          ทองแดง คือธาตุที่มีเลขอะตอม 29 และสัญลักษณ์คือ Cu นิกเกิลอยู่ในตารางธาตุหมู่ 29 เป็นที่ทราบกันว่ามนุษย์ใช้ประโยชน์จากทองแดงมาไม่น้อยกว่า 10,000 ปี พบหลักฐานว่ามนุษย์สามารถหลอมสกัดทองแดงให้บริสุทธิ์ได้เมื่อประมาณ 5000 ปีก่อนคริศตกาล ซึ่งก่อนที่มนุษย์จะรู้จักกับทองคำคือมนุษย์รู้จักทองคำ เมื่อประมาณ 4000 ปีก่อนคริศตกาล

4.ธาตุโครเมียม

              โครเมียมเป็นธาตุที่พบตามธรรมชาติในดิน หิน พืช สัตว์ ฝุ่นขากปล่องภูเขาไฟ ในร่างการคนเราจะมีโครเมียมปริมาณน้อย และเป็นสารอาหารที่จำเป็นเพื่อสุขภาพที่สมบูรณ์ การใช้ประโยชน์ทางอุตสาหกรรมนั้น ส่วนใหญ่ใช้ทำและชุบเหล็กและอัลลอยด์ อิฐในเตาเผา สารประกอบของโครเมียมใช้เป็นสีย้อม และในอุตสาหกรรมฟอกหนังกับรักษาเนื้อไม้ โครเมียมจะเข้าสู่ร่างกายของช่างประกอบรถยนต์ รถมอร์เตอร์ไซด์ ช่างเชื่อมช่างชุบ ก็เมื่อมีการสูดไอของมันเข้าไปขณะทำงาน สำหรับคนที่ทำงานในโรงฟอกหนังและโรงเลื่อยไม้ อาจสูดเอาฝุ่นสารประกอบโครเมียมหรือฝุ่นขี้เลื่อยไม้ที่ชุบน้ำยารักษาเนื้อไม้เข้าไป เมื่อโครเมียมปริมาณมากเข้าสู่ร่างกายระบบทางเดินหายใจและปอดจะเป็นอันตราย เกิดการระคายเคือง เจ็บคัน และอาจมีเลือดออก ทำให้ปอดเสี่ยงต่อการเป็นโรคอื่นตามมา ถ้ากลืนกินปริมาณมากจะกัดกระเพาะ ท้องเดิน ชัก เป็นอันรายต่อตับและไต อาจถึงตายได้ ถ้าถูกผิวหนังจะกัดผิวหนังเป็นแผล บางคนถูกเพียงเล็กน้อยอาจเกิดอาการแพ้เป็นผื่นบวมแดงได้ เมื่อใดที่ต้องเกี่ยวข้องกับกิจกรรมดังกล่าวข้างบนนี้ ต้องหลีกเลี่ยงการฟุ้งกระจาย ใช้หน้ากากป้องกัน

5.ธาตุเหล็ก

            พบในเปลือกโลกประมาณ 4.7% โดยมวลและพบในรูปของแร่ชนิดต่างๆ  ได้แก่ แร่ฮีมาไรด์  (Fe2 O3 ) แร่แมกนีไทด์  (Fe2 O4 ) และแร่ไพไรต์ (FeS2) การทะลุเหล็กใช้ การรีดิวซ์ออกไซด์ ของเหล็ก (Fe2 O3 ) ด้วยถ่านโค๊ก (C) เหล็กเป็นโลหะสีเทา มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง ถูกดูดด้วยแม่เหล็กได้และคงอำนาจแม่เหล็กได้อย่างถาวร สารประกอบออกไซด์ของเหล็กมีหลายชนิดเช่น FeO  Fe2 O3  Fe2 O4 เหล็กสามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อนและไอออนเชิงซ้อนได้หลายชนิดและมีสีต่างๆ เช่น K4Fe (CN)6 มีสีเหลือง K3Fe (CN)6  มีสีเหลืองอมส้ม  NH4Fe (SO)2 ? 12H2O มีสีม่วงอ่อน
             ประโยชน์ของเหล็ก  เหล็กกล้าเป็นโลหะเจือของเหล็กกับคาร์บอนในปริมาณต่างๆ กัน บางชนิดอาจเติมโลหะอื่นเพิ่ม ลงไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพเรียกว่า เหล็กกล้าเจือโลหะ ใช้ในงานก่อสร้าง ผลิตเครื่องยนต์ ทำตัวถังรถยนต์ ทำลวดตะปู  เหล็กเคลือบผิวด้วยสังกะสีใช้มุมหลังคา เหล็กเคลือบผิวด้วยดีบุกใช้ทำกระป๋องบรรจุอาหาร เหล็กกล้าที่ผสมนิเกิล
3% โครเมียม 1% ใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรประเภท เฟือง เกียร์ เพลา ข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครเมียม 18% นิกเกิล 8% และคาร์บอน 0.4% ใช้ทำมีด ช้อนส้อม เรือนนาฬิกา นอกจากนี้เหล็กเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเม็ดเลือดแดง ถ้าร่างกายได้รับเหล็กไม่เพียงพอจะทำให้เป็นโรคโลหิตจาง

6.ธาตุไอโอดีน

        พบในปริมาณเล็กน้อยในน้ำทะเล ในสาหร่ายทะเลบางชนิด และพบในสินแร่ที่มีโซเดียมไนเตรตอยู่ในรูปของโซเดียมไอโอเดต (NaIO3) ไอโอดีนเป็นโลหะที่มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นเกล็ดมันวาวสีม่วง ระเหิดได้ง่าย ละลายน้ำได้น้อยมากแต่ละลายได้ในตัวทำละลายชนิดอื่นๆได้ดี
เช่น สารละลายโพรแทสเซียมอโอไดด์ เอทานอล เฮกเซน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ เกิดสารประกอบไอออนิกกับโลหะทั่วไปได้สารประกอบประเภทเกลือ
             ประโยชน์ของไอโอดีน ไอโอดีนละลายในเอทานอล เรียกว่าทิงเจอร์ไอโอดีน ใช้ทามแผลฆ่าเชื้อโรค ไอโอไดด์ไอออนเป็นส่วนประกอบของฮอร์โมนไทรอกซินในต่อมไทรอยด์ ซึ่งควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึมของร่างกาย ถ้าขาดไอโอดีนจะทำห็เป็นโรคคอพอก สารประกอบของไอโอดีน เช่น โซเดียมไอโอไดด์ โพรแทสเซียมอโอไดด์ ใช้ผสมในเกลือสินเธาว์ เป็นก่ารเพิ่มไอโอไดด์ไอออนให้ได้สัดส่วนที่เหมาะสมต่อการใช้บริโภค

3.7 การทำนายตำแหน่งและสมบัติของธาตุในตารางธาตุ

 การศึกษาสมบัติของธาตุตามตารางธาตุ จะช่วยในการทำนายสมบัติของธาตุได้ ถ้ารู้ตำแหน่งของธาตุนั้นในตารางธาตุหรือถ้ารู้สมบัติบางประการของธาตุอาจพิจารณาตำแหน่งของธาตุได้ ดังตัวอย่างการจัดตำแหน่งของธาตุไฮโดรเจนที่ศึกษามาแล้ว ต่อไปนักเรียนจะใช้ข้อมูลเกี่ยวกับสมบัติของธาตุมาทำนายตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุได้จากตัวอย่าง

ตัวอย่างที่ 1 ธาตุตัวอย่าง X มีสมบัติที่ปรากฏดังนี้

สมบัติ	ลักษณะที่ปรากฏ
สถานะ	เป็นของแข็ง
สีผิว	ผิวเป็นมันวาว
การนำไฟฟ้า	นำไฟฟ้าได้
การละลายในน้ำ	ไม่ละลายน้ำ
การทำปฏิกิริยากับCl2	เกิดปฏิกิริยาอย่างรุนแรง มีเปลวไฟและควันสีขาวเมื่อเย็นจะได้ของแข็งสีขาว
การละลายในน้ำของสาร สีขาวที่เกิดขึ้น	ละลายน้ำได้เล็กน้อย สารละลายมีสมบัติเป็นกรด

แนวคิด จากสมบัติต่าง ๆ ของธาตุ X สามารถทำนายได้ว่า

- ธาตุ X มีสมบัติคล้ายโลหะคือ มีผิวเป็นมันวาว นำไฟฟ้าได้ และไม่ละลายน้ำ ธาตุ X ไม่ควรเป็นธาตุหมู่ IA หรือหมู่ IIA

- เมื่อธาตุ X ทำปฏิกิริยากับ Cl2 ได้สารประกอบคลอไรด์เป็นของแข็งสีขาว ละลายน้ำได้สารละลายมีสมบัติเป็นกรด แสดงว่าเป็นสารประกอบคลอไรด์ของอโลหะ

- จากข้อมูลทั้งหมดทำนายได้ว่าธาตุ X มีสมบัติเป็นทั้งโลหะและอโลหะ X จึงจัดเป็นธาตุกึ่งโลหะ และควรอยู่ในหมู่ IVA ทางตอนล่างของตารางธาตุ ในทางกลับกัน ถ้าทราบตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุจะสามารถทำนายสมบัติของธาตุได้ ดังตัวอย่าง 2

ตัวอย่างที่ 2 ธาตุ Y เป็นธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 19 ธาตุ Y ควรจะมีสมบัติเป็นอย่างไร

แนวคิด เมื่อทราบเลขอะตอม ทำให้ทราบข้อมูลอื่น ๆ ดังนี้- การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ Y คือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

- ธาตุY อยู่ในหมู่ IA และอยู่ในคาบที่ 4 จากข้อมูลช่วยให้ทำนายได้ว่าธาตุ Y ควรมีสมบัติคล้ายธาตุหมู่ IA คือ มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 เมื่อเกิดเป็นสารประกอบมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 มีสถานะเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลว และจุดเดือดสูง นำไฟฟ้าได้ทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างรุนแรง

3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

3.6.5 การตรวจสอบสารกัมมันตรังสีและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี

เครื่องมือตรวจการแผ่รังสี

วิธีตรวจการแผ่รังสีทำได้ง่ายๆ โดยนำฟิล์มถ่ายรูปมาหุ้มสารที่คิดว่ามีสารกัมมันตรังสีปนอยู่ เก็บในที่มืด เมื่อนำฟิล์มไปล้าง ถ้าปรากฏว่าเป็นสีดำแสดงว่ามีการแผ่รังสี หรืออาจจะทำได้โดยนำสารที่จะทดสอบไปวางใกล้สารเรืองแสง ถ้ามีการเรืองแสงเกิดขึ้นแสดงว่ามีการแผ่รังสีเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามการตรวจอย่างง่าย ๆ ดังกล่าวไม่สามารถบอกปริมาณของรังสีได้ จึงต้องใช้เครื่องมือตรวจสอบโดยเฉพาะเรียกว่า “ไกเกอร์มูลเลอร์

เคาน์เตอร์” (Geiger-Muller counter) ซึ่งประกอบด้วยกระบอกรับรังสี และมิเตอร์ที่มีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีได้ลักษณะของไกเกอร์ประกอบด้วยกระบอกซึ่งบรรจุก๊าซอาร์กอนไว้ เมื่อนำไปวางไว้ในบริเวณที่มีการแผ่รังสี รังสีจะผ่านเข้าทางช่องด้านหน้าของกระบอก กระทบกับอะตอมของอาร์กอน ทำให้อิเล็กตรอนของอาร์กอนหลุดออกไป กลายเป็นAr + ก่อให้เกิดความต่างศักย์ระหว่าง Ar + กับ e - ในหลอด ซึ่งจะแปลงค่าความ ต่างศักย์ออกมาเป็นตัวเลขบนหน้าปัด ค่าที่ได้นี้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับชนิดของรังสี และความเข้มข้นของรังสีที่จะทำให้Ar กลายเป็น Ar + ได้มากหรือน้อยสารกัมมันตรังสีแต่ละสารมีครึ่งชีวิตไม่เท่ากัน และแผ่รังสี

แตกต่างกัน การนำสารกัมมันตรังสีมาใช้ประโยชน์จึงแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง

ด้านธรณีวิทยา ใช้คาร์บอน - 14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5,730 ปี หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบเช่น ไม้ กระดูก หรือสารอินทรีย์อื่น ๆ การหาอายุวัตถุโบราณโดยการวัดปริมาณของ คาร์บอน – 14 ซึ่งเกิดจากไนโตรเจนรวมตัวกับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก ดังปฏิกิริยา

ในบรรยากาศ คาร์บอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ได้เป็น CO2 ซึ่งทำให้มีทั้ง 12CO2 และ 14CO2 ปนกัน เมื่อพืชนำไปใช้ในการสังเคราะห์แสง C-14 จะอยู่ในพืชและเมื่อสัตว์กินพืชเป็นอาหาร C-14 ก็จะเข้าไปอยู่ในร่างกาย ในขณะที่พืชและสัตว์มีชีวิต 14CO2 จะเข้าไปและขับออกมาอยู่ตลอดเวลา ทำให้มี C-14 ด้วยสัดส่วนคงที่แน่นอน แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงการรับ C-14 ก็จะหยุดลง ปริมาณ C-14 ก็จะลดลงเพราะเกิดการสลายตัวตัวตลอดเวลา ดังนั้นถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยังมีชีวิตอยู่และทราบอัตราการสลายตัว

ขณะนั้น ก็สามารถคำนวณอายุได้

ด้านการแพทย์ ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย โดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อย จากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่าง ๆ เช่น ให้ดื่มสารละลายไอโอดีน – 131 แล้วติดตามดูความผิดปกติของต่อมไทรอยด์ ใช้ไอโอดีน – 132 ติดตามดูภาพสมอง ฉีดโซเดียม – 24 เข้าเส้นเลือดโดยตรงเพื่อดู ระบบการไหลเวียนของเลือด รับประทาน เทคนีเซียม – 99 เมื่อต้องการดูภาพหัวใจ ตับ ปอด นอกจากนี้แพทย์ ยังใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีรักษาโรคโดยตรง เช่น ใช้โคบอลต์ – 60 หรือเรเดียม – 226 ในการรักษา   โรคมะเร็ง

ด้านเกษตรกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้น จากการดูดซึมที่รากจนถึงการคายออกที่ใบหรือจำนวนแร่ธาตุที่พืชสะสมไว้ที่ใบ เช่น ใช้ฟอสฟอรัส –32 จำนวนเล็กน้อยผสมกับฟอสฟอรัสที่ไม่มีรังสีเพื่อทำปุ๋ย แล้วใช้รังสีเพื่อการปรับปรุงเมล็ดพืช ให้ได้ พันธุกรรมตามต้องการ โดยการนำเมล็ดพันธุ์พืชมาอาบรังสีนิวตรอนในปริมาณและระยะเวลาที่เหมาะสม จะทำให้เกิดการกลายพันธุ์ได้

ด้านอุตสาหกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่าง เช่น ใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลว โดยผสมกับไอโซโทปกัมมันตรังสีกับของเหลวที่จะขนส่งไปตามท่อ แล้วติดตามการแผ่รังสีด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์ ถ้าบริเวณใดที่เครื่องมีสัญญาณจำนวนนับมากที่สุดแสดงว่าบริเวณนั้นมีการรั่วไหลเกิดขึ้น ใช้วัดความหนาของวัตถุเนื่องจากรังสีแต่ละชนิดทะลุวัตถุได้ดีไม่เท่ากัน ดังนั้นเมื่อผ่านรังสีไปยังแผ่นวัตถุต่าง ๆ เช่น โลหะ กระดาษ พลาสติก แล้ววัดความสามารถในการดูดซับรังสีของ

วัตถุนั้นด้วยเครื่องไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาน์เตอร์เปรียบเทียบจำนวนนับกับตารางข้อมูลก็จะทำให้ทราบความหนาของวัตถุได้ ในอุตสาหกรรมการทำอัญมณีใช้รังสีเพื่อทำให้อัญมณีมีสีสันสวยงามขึ้น โดยใช้รังสีแกมมา นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนพลังงานสูงฉายไปบนอัญมณี จะทำให้สารที่ทำให้เกิดสีบนอัญมณีเปลี่ยนสีไปได้

อัญมณีที่ฉายด้วยรังสีแกมมาจะไม่มีรังสีตกค้างแต่การอาบด้วยนิวตรอนจะมีไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดขึ้น จึง

ต้องปล่อยให้ไอโซโทปกัมมันตรังสีสลายตัวจนมีระดับที่ปลอดภัยจึงนำมาใช้ประโยชน์

การเก็บถนอมอาหาร ใช้โคบอลต์ – 60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวันหลังจากการผ่านรังสีเข้าไปในอาหารแล้ว

3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

3.6.4 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์  คือ  ปฏิกิริยาที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสของอะตอม ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่ม หรือลดโปรตอน หรือนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม เช่น ปฏิกิริยานี้

จะเห็นได้ว่าโซเดียม ได้มีการรับนิวตรอนเข้าไป เมื่อนิวเคลียสเกิดความไม่เสถียร จึงเกิดการคายพลังงานออกมา และพลังงานที่คายออกมานั้น เมื่ออยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว มันก็คือรังสีแกมมานั่นเอง

โดยทั่วไปรังสีแกมมาที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรนั้น มักจะมีค่าพลังงานที่แตกต่างกันไปตามแต่ละชนิดของไอโซโทป ซึ่งถือเป็นคุณลักษณะประจำไอโซโทปนั้น ๆ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นมีมากมายหลายรูปแบบ ซึ่งในบรรดารูปแบบทั้งหมดที่เราค้นพบในปัจจุบัน จะมีเพียง 2 รูปแบบที่เราพูดถึงกันบ่อย ๆ นั่นก็คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission) และปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน

 

โมเดลแสดงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission Process) เป็นการแตกนิวเคลียสของอะตอมจากอะตอมของธาตุใหญ่ให้กลายเป็นอะตอมของธาตุเล็ก 2 อะตอม ซึ่งในกระบวนการนี้จะให้พลังงานออกมาด้วย เช่น

ซึ่งในปฏิกิริยาที่ยกตัวอย่างนี้ ไอโซโทปของแบเรียม (Ba) และคริปตอน (Kr) ซึ่งไอโซโทปทั้งสองตัวนี้มีนิวตรอนมากกว่าปกติ จึงมีการคายพลังงานออกมาในรูปของรังสีเบตา

อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าในตัวอย่างนี้สารผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาจะเป็นกากกัมมันตรังสีที่แผ่รังสีเบตา (Beta Ray) แต่ก็ยังมีปฏิกิริยาอื่น ๆ ที่แผ่รังสีชนิดอื่น ๆ รวมไปถึงรังสีแกมมา ตัวอย่างนี้เป็นเพียงการทำให้เห็นภาพว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิชชันจะคายพลังงานออกมา นั่นก็เป็นเพราะโดยทั่วไปเมื่อธาตุที่มีมวลหรือเป็นธาตุหนักขึ้น จำนวนของนิวตรอนก็เริ่มที่จะมากกว่าโปรตอนไปด้วยตามลำดับ ซึ่งเมื่ออะตอมเหล่านี้แตกตัวมาเป็นอะตอมของธาตุที่เล็กกว่า ก็ย่อมทำให้จำนวนนิวตรอนของอะตอมมากกว่าปกติ 

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

 

โมเดลแสดงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion Process) จะตรงข้ามกับฟิชชัน นั่นคือแทนที่จะแตกอะตอมของธาตุหนักให้เป็นธาตุเบา ก็จะกลายเป็นการรวมธาตุเบาสองอะตอมให้กลายเป็นอะตอมเดียวที่หนักขึ้น เช่นตัวอย่างนี้

จะเห็นได้ว่า ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานี้ เราจะได้ฮีเลียม (He) ที่มีจำนวนนิวตรอนน้อยกว่าปกติ (ปกติฮีเลียมจะมีนิวตรอน 2 ตัว) ซึ่งสภาพที่ไม่เสถียรของอะตอมนี้เอง จึงทำให้เกิดการคายพลังงานออกมาได้  ดวงอาทิตย์นั้นประกอบไปด้วยกลุ่มแก๊สไฮโดรเจนเป็น ส่วนใหญ่ เนื่องจากมีมวลจำนวนมากจึงทำให้แรงโน้มถ่วงมหาศาลดูดแก๊สเข้าหากัน มากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของดวงอาทิตย์

3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

3.6.3 ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life) หมายถึง ระยะเวลาที่สารสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป

ตัวอย่างเช่น C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี หมายความว่า ถ้ามี C-14 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลือ C-14 อยู่ 0.5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ 5730 ปี จะเหลือ C-14 เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
               ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีชนิดต่างๆมีค่าไม่เท่ากัน เช่น เทคนีเทียม -99 มีครึ่งชีวิต 6 ชั่วโมงเท่านั้น ส่วนยูเรเนียม -235 มีครึ่งชีวิต 4.5 ล้านปี
               ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี สามารถนำไปใช้หาอายุอายุสัมบูรณ์ (Absolute Age) เป็นอายุของหินหรือซากดึกดำบรรพ์ ที่สามารถบอกจำนวนปีที่ค่อนข้างแน่นอน การหาอายุสัมบูรณ์ใช้วิธีคำนวณจากครึ่งชีวิต ของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ที่ต้องการศึกษา ธาตุกัมมันตรังสีที่นิยมนำมาหาอายุสัมบูรณ์ได้แก่ ธาตุคาร์บอน – 14 ธาตุโพแทศเซียม – 40 ธตาเรเดียม – 226 และธาตุยูเรเนียม –238 เป็นต้น การหาอายุสัมบูรณ์มักใช้กับหินที่มีอายุมากเป็นแสนล้านปี เช่น หินแกรนิตบริเวณฝั่งตะวันตกของเกาะภูเก็ต ซึ่งเคยเป็นหินต้นกำเนิดแร่ดีบุกมีอายุสัมบูรณ์ประมาณ 100 ล้านปี ส่วนตะกอนและซากดึกดำบรรพ์ที่มีอายุน้อยกว่า 50,000 ปี มักจะใช้วิธีกัมมันตภาพรังสีคาร์บอน – 14 เช่น ซากหอยนางรมที่วัดเจดีย์หอย อำเภอลาดหลุมแก้ว จังหวัดปทุมธานี มีอายุประมาณ 5,500 ปีของวัตถุโบราณ
                    นอกจากนั้นยังใช้คำนวณอายุของโลก พบว่าว่าประมาณครึ่งหนึ่งของยูเรเนียมที่มีมาแต่แรกเริ่มได้สลายตัวเป็นตะกั่วไปแล้ว ดังนั้นอายุของโลกคือประมาณครึ่งชีวิตของยูเรเนียม หรือราว 4,500 ล้านปี

ประโยชน์ของครึ่งชีวิต

          ครึ่งชีวิตสามารถใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เรียกว่าวิธี Radiocarbon Dating ซึ่งคำว่า dating  หมายถึง การหาอายุจึงมักใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคุณค่าทางประวิติศาสตร์

          หลักการสำคัญของการหาอายุวัตถุโบราณโดยวิธี Radiocarbon Dating เป็นหลักการที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองในอากาศ ตัวการที่สำคัญคือ รังสีคอสมิก ซึงอยู่ในบรรยากาศเหนือพื้นโลก มีความเข้มสูงจนทำให้นิวเคลียสขององค์ประกอบของอากาศแตกตัวออก ให้อนุภาคนิวตรอน แล้วอนุภาคนิวตรอนชนกับไนโตรเจนในอากาศ

ตารางครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางชนิด

ตารางที่ 1 แสดงครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุและชนิดของการสลายตัว

ข้อควรจำ
1. ในทางปฏิบัติการวัดหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงกระทำได้ยาก และเนื่องจากจำนวนนิวเคลียสในสารหนึ่ง ๆ จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณของสารนั้น ๆ ดังนั้นจึงพิจารณาเป็นค่ากัมมันตภาพหรืการวัดมวลแทน ดังนี้

 

โดยที่ A₀ คือกัมมันตภาพที่เวลาเริ่มต้น (t=0)

โดยที่ m₀ คือมวลสารตั้งต้นที่เวลาเริ่มต้น (t=0)

 ประโยชน์และโทษของธาตุกัมมันตรังสี

ในทางอุตสาหกรรม ใช้รังสีวัดวามหนาของวัสดุในโรงงานผลิตกระดาษ ผลิตแผ่นยาง และแผ่นโลหะ ใช้รังสีในการวิเคราะห์ส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ เช่น โลหะผสม แร่ ถ่านหิน และตรวจสอบรอยเชื่อม–รอนร้าวในโลหะหรือโครงสร้างอาคาร ใช้ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

    ทางการเกษตร ใช้รังสีในการถนอมอาหารเพื่อยืดอายุการเก็บรักษาอาหาร เพราะรังสีจะทำลายแบคทีเรียและจุลินทรีย์ที่ก่อให้เกิดการเน่าเสียในอาหาร ใช้รังสีเพื่อปรับปรุงพันธุ์พืชให้มีความแข็งแรงต้านทานต่อโรคและแมลง เพื่อเพิ่มผลผลิตให้สูงขึ้น

    จะเห็นได้ว่าธาตุกัมมันตรังสีให้ประโยชน์ต่อมนุษย์อย่างมาก แต่ถ้าใช้ไม่เหมาะสม เช่น ทำระเบิดนิวเคลียร์ก็จะเป็นมหันตภัยร้ายแรง ดังนั้น การใช้ธาตุกัมมันตรังสีจึงมีทั้งประโยชน์และโทษ

3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

3.6.2 การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี

 การที่ธาตุกัมมันตรังสีแผ่รังสีได้นั้นเป็นเพราะนิวเคลียสของธาตุไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงานส่วนเกินอยู่ภายใน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องถ่ายเทพพลังงานส่วนเกินนี้ออกไป เพื่อให้นิวเคลียสเสถียรในที่สุด พลังงานส่วนเกินที่ปล่อยออกมาอยู่ในรูปของอนุภาคหรือรังสีต่าง ๆ เช่น อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา รังสีแกมมาและไอโชโทปที่เสถียร จากการศึกษาไอโชโทปของธาตุจำนวนมาก พบว่าไอโชโทปที่นิวเคลียสมีอัตราส่วนระหว่าจำนวน    นิวตรอนต่อโปรตอนไม่เหมาะสม คือนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมาก หรือ น้อยกว่าจำนวนโปรตอนมักจะไม่เสถียรจะมีการแผ่รังสีออกมาจนได้ไอโชโทปของธาตุใหม่ที่เสถียรกว่า นอกจากนั้นยังพบว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เป็นจำนวนคู่ หรือคี่ในนิวเคลียสนั้น มีความสัมพันธ์กับความเสถียรภาพของนิวเคลียสด้วย กล่าวคือ ไอโชโทปของธาตุที่มีจำนวนโปรตอน และนิวตรอนเป็นเลขคู่ จะเสถียรกว่าไอโชโทปของธาตุที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตอนเป็นเลขคี่เช่น ₇¹⁴N เป็นไอโซโทปที่เสถียร ₇¹⁵N พบว่า ₇¹⁴N มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอน จึงเสถียรกว่า ₇¹⁵Nที่มีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากับจำนวนนิวตรอน₈¹⁶O เป็นไอโซโทปที่เสถียรกว่า₈¹⁷O เพราะ ₈¹⁶O มีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนเท่ากัน จึงเสถียรกว่า₈¹⁷O ที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ และจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่

ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติ

ธาตุต่างๆที่พบในธรรมชาตินั้น ธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 83 ขึ้นไป ส่วนใหญ่สามารถแบ่งรังสีได้เช่น₉₂²³⁸U ₉₂²³⁵U ₉₀²³²Th ₈₆²²²Rn หรืออาจจะเขียนเป็น U-238, U-235, Th-232, Rn-222

นอกจากธาตุกัมมันตรังสีจะพบในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสังเคราะห์ธาตุกัมมันตรังสีขึ้น

เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆอีกด้วย ซึ่งมีหลายวิธี แต่มีวิธีหนึ่งคือยิงนิวเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรด้วยอนุภาคที่เหมาะสม และมีความเร็วสูง ได้ไอโซโทปของธาตุใหม่ที่เสถียร เช่น รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ยิงนิวเคลียส N-14ด้วยอนุภาคแอลฟา เกิด O-17

เขียนแผนภาพแทน คือ ¹⁴N( ) ¹⁷O ไอโซโทป₈¹⁷O ที่เสถียร พบในธรรมชาติ0.037%

การแผ่รังสีแอลฟา

เมื่อไอโซโทปกัมมันตรังสีให้อนุภาคแอลฟา นิวเคลียสของไอโซโทปเสีย 2 โปรตอน และ 2

นิวตรอน ดังนั้น ไอโซโทปกัมมันตรังสีจะเปลี่ยนไปเป็นธาตุอื่นที่มีเลขเชิงอะตอมต่ำกว่าเดิม 2 อะตอมและมีมวลต่ำกว่าเดิม 4 amu ตัวอย่างเช่น เมื่อ 92238U ให้อนุภาคแอลฟา ผลที่เกิดขึ้นจะให้ ₉₀²³⁴Th สมการของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

₉₂²³⁸U             ₂⁴He+₉₀²³⁴Th

จากสมการจะเห็นว่า ผลรวมของเลขเชิงอะตอมของด้านหนึ่งของสมการจะเท่ากันกับผลรวมของเลขเชิงอะตอมของอีกด้านหนึ่งของสมการ หรือ 92=2+90 ส่วนผลรวมของเลขมวลจะเท่ากันทั้ง 2 ด้านของสมการเช่นเดียวกันหรือ 238=4+234

การแผ่รังสีบีตา

การให้รังสีบีตาจะเกิดนิวเคลียสที่มีสัดส่วนของจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีบีตาของC-14 ไปเป็น N-14 C-14 ให้อนุภาคบีตา อนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนเชื่อกันว่ามาจากนิวเคลียส เมื่อนิวตรอนสลายตัวไปเป็นโปรตอน ₁¹H และอิเล็กตรอนดังนี้

₀¹n----------> ₁¹H+_-1⁰e

เมื่ออิเล็กตรอนเกิดขึ้น อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกจากนิวเคลียสด้วยความเร็วสูงแต่โปรตอนยังคงอยู่ผลที่เกิดขึ้นทำให้นิวเคลียสมีจำนวนนิวตรอนลดลงไป 1 นิวตรอน และมีโปรตอนเพิ่มขึ้นอีก 1 โปรตอน ในกรณี C-14 ให้อนุภาคบีตา สมการ นิวเคลียร์จะเป็นดังนี้

₆¹⁴C------- >₇¹⁴ N+_-1⁰e

จากสมการจะเห็นว่าเลขเชิงอะตอมเพิ่มขึ้น 1 หน่วย และเลขมวลมีค่าคงที่

การแผ่รังสีแกมมา

การให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่ง มักจะติดตามด้วยการแผ่รังสีแกมมา รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูง ไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าเนื่องจากรังสีแกมมาไม่มีทั้งประจุและมวล การแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียสอย่างใดอย่างหนึ่ง รังสีแกมมานำไปใช่รักษาโรค เป็นรังสีแกมมาที่มาจากเทคนิเทียม

₄₃⁹⁹Tc------> ₄₃⁹⁹Tc+y

เมื่อ Ra-226เปลี่ยนไปเป็น Rn-222 โดยการแผ่รังสีแอลฟานั้น Rn-222 ไม่เสถียรภาพจึงแผ่รังสีแกมมาออกมา