พลังงานนิวเคลียร์ และกัมมันตภาพรังสี
Nuclear energy and Radioactivity
ก
คานา ตาราวิทยาศาสตร์พลังงานเล่มนี้ได้เรี ยบเรี ยงขึ้น โดยมีเนื้อหาสาระครอบคลุมการเรี ยน การสอนรายวิชาวิทยาศาสตร์พลังงานเบื้องต้นเรื่ องพลังงานนิวเคลียร์และกัมมันตภาพรังสี (Nuclear energy and Radioactivity ) ซึ่งเป็ นเรื่ องที่มีความเกี่ยวข้องในชีวติ ประจาวัน โดยผูจ้ ดั ทา ได้ทาการศึกษา ค้นคว้า ข้อมูลต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง จากแหล่งความรู ้หลายแหล่ง ดังแสดงใน รายการเอกสารอ้างอิงที่ปรากฏอยูใ่ นบรรณานุกรมท้ายเล่ม ผูจ้ ดั ทาหวังว่าตาราวิทยาศาสตร์พลังงานเล่มนี้ ตามสมควร
คงอานวยประโยชน์ต่อผูอ้ ่านทุกท่าน
หากท่านที่อ่านมีขอ้ เสนอแนะ ผูเ้ รี ยบเรี ยงยินดีรับฟังและขอขอบคุณในความ
อนุเคราะห์น้ นั ณ โอกาสนี้ดว้ ย
กลุ่มผูจ้ ดั ทา 27 เมษายน 2557
ข
สารบัญ
เรื่ อง
หน้า
คานา
ก
สารบัญ
ข
พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear energy)
1
ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์
5
กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity)
9
ประโยชน์และโทษของกัมมันตภาพรังสี
14
หลักในการป้ องกันอันตรายจากกัมมันตภาพรังสี
20
แหล่งอ้างอิง
21
1
พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear energy)
พลังงานนิวเคลียร์ คือ พลังงานที่ได้จากการที่นิวเคลียสแตกตัวนัน่ เอง พลังงานนิวเคลียร์จะมีค่ามากมายมหาศาล และขณะที่นิวเคลียสแตกตัว ปล่อย อนุภาคออกมานั้น เป็ นกฎการสลายตัว จะเกิดนิวเคลียสธาตุใหม่พร้อมทั้ง พลังงานนิวเคลียร์นนั่ เอง ส่ วนกัมมันตภาพ (Ratio activity) คือ อัตราการสลายตัว ของสารกัมมันตรังสี
2
ปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ ทาให้เกิดแรงนิวเคลียร์มี 2 ปฏิกิริยา คือ - ปฏิกิริยาฟิ ชชัน่
- ปฏิกิริยาฟิ วชัน่
3
ปฏิกริ ิยาฟิ ชชั่น
คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการใช้อนุภาคนิวตรอนหรื อ อนุภาคอื่นยิงไปที่นิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทาให้นิวเคลียสแตกตัวเป็ น นิวเคลียสใหม่สองนิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกันและมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อ นิวคลีออนสูงกว่านิวเคลียสของธาตุเดิม ขบวนการฟิ ชชัน่ ที่เกิดขึ้นนี้จะมี นิวตรอนอิสระเกิดขึ้นด้วย นิวตรอนอิสระนี้จะไปชนนิวเคลียสอื่นของ ยูเรเนียมก็จะเกิดฟิ ชชัน่ ต่อไปเรี ยกว่า “ปฏิกิริยาลูกโซ่” ซึ่ งเกิดต่อเนื่องกันไป ไม่หยุดยั้งและจะเกิดพลังงานมหาศาล แนวความคิดนี้ถูกนาไปใช้ในเตา ปฏิกรณ์นิวเคลียร์
4
ปฏิกริ ิยาฟิ วชั่น (Fusion)
คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ซ่ ึงเกิดจากนิวเคลียสธาตุเบามา หลอมรวมกันเป็ น นิวเคลียร์ที่หนักกว่า พร้อมกับมีพลังงานปล่อยออกมา ปฏิกิริยาฟิ วชัน่ บนดวง อาทิตย์และดาวฤกษ์ จะมีพลังงานออกมาไม่สิ้นสุ ด เพราะการรวมตัวของ ไฮโดรเจน 4 อะตอม เกิดฮีเลียมและพลังงานปฏิกิริยาเช่นนี้เกิดขึ้นมากมายบน ดวงอาทิตย์ จึงไม่น่าประหลาดใจว่าเหตุใดใจกลางดวงอาทิตย์จึงมีอุณหภูมิถึง 20,000,000K (เคลวิน) การสร้างปฏิกิริยาในห้องปฏิบตั ิการสามารถทาได้ เช่น ระเบิดไฮโดรเจนเป็ นผลของปฏิกิริยาฟิ วชัน่ มีพลังงานสูงกว่าระเบิดนิวเคลียร์ มาก แต่เรายังไม่สามารถควบคุมบังคับให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้
5
ประโยชน์ ของพลังงานนิวเคลียร์
ด้ านเกษตรกรรม งานในด้านนี้ที่ประสบความสาเร็จมากคือ การวิจยั ด้านการ ฉายรังสี อาหารโดยใช้รังสี แกมมาช่วยยืดอายุการเก็บของอาหาร นอกจากนี้ยงั นาพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในงานอื่นอีก เช่น ใช้วเิ คราะห์ดินเพื่อการจาแนก พื้นที่เพาะปลูกหรื อการใช้เทคนิคทางรังสี เพื่อศึกษาการดูดซึ มแร่ ธาตุและปุ๋ ย โดยต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ ส่ งเสริ มการใช้ปุ๋ยให้มีประสิ ทธิภาพยิง่ ขึ้น หรื อการนาเทคนิคดังกล่าวมาปรับปรุ งพันธ์พืช และสัตว์ เป็ นต้น
6
ด้ านการแพทย์ ปัจจุบนั มีการนาเทคนิคด้านนิวเคลียร์มาใช้ในทางการแพทย์หลาย ด้าน เช่น ด้านการตรวจและวินิจฉัย โดยการใช้เทคนิค Radioimmunoassay (RIA) สาหรับตรวจวัดสารที่มีประมาณน้อยในร่ างกาย หรื อเทคนิคฉี ดสารกัมมันตรังสี เข้า ร่ างกาย เพื่อหาตาแหน่งของอวัยวะที่เสี ยหน้าที่ และปั จจุบนั สามารถตรวจดูรูปร่ างและ การทางานของอวัยวะด้วยเครื่ องมือที่เรี ยกว่า เครื่ องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ซึ่ งทันสมัย ที่สุด
7
ด้ านอุตสาหกรรม ในปัจจุบนั ไทยได้นาเทคโนโลยีนิวเคลียร์มาใช้ในการ ประกอบอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้น เช่น การผลิตเส้นใยสังเคราะห์สาหรับทอผ้า การ ผลิตปูนซีเมนต์ อุตสาหกรรมปิ โตรเลียม และปิ โตรเคมี การผลิตยางรถยนต์ การผลิต น้ าอัดลม การเปลี่ยนสี อญั มณี การควบคุมคุณภาพในการก่อสร้างถนน เป็ นต้น
8
ด้ านการศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เช่น การวิเคราะห์ธาตุปริ มาณน้อยและ สารพิษในสิ่ งแวดล้อม การศึกษาอายุของวัตถุโบราณ ศึกษาวัฏจักร ศึกษาแหล่ง พลังงานความร้อนใต้พิภพ ศึกษาการสะสมการเคลื่อนที่ของตะกอนในเขื่อน แม่น้ า ลา คลอง และแหล่งน้ าต่างๆ นอกจากนี้ยงั มีการใช้รังสี เพื่อการกาจัดน้ าเสี ย การผลิตปุ๋ ย ธรรมชาติ การพัฒนาที่ดินทางการเกษตร กิจกรรมทางป่ าไม้และอุทกวิทยา เป็ นต้น
9
กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity)
กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity)
เป็ นคุณสมบัติของธาตุ
และไอโซโทปบางส่ วน ที่สามารถเปลี่ยนแปลงตัวเองเป็ นธาตุหรื อไอโซโทป อื่น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้จะมีการปลดปล่อยหรื อส่ งรังสี ออกมาด้วย ปรากฏการณ์น้ ีได้พบครั้งแรกโดย เบคเคอเรล เมื่อปี พ.ศ. 2439 ต่อมาได้มีการ พิสูจน์ทราบว่า รังสี ที่แผ่ออกมาในขบวนการสลายตัวของธาตุหรื อไอโซโทป นั้นประกอบด้วย รังสี แอลฟา,รังสี -เบต้า และรังสี แกมมา
10
รังสี แอลฟา รังสี ที่ประกอบด้วยอนุภาคแอลฟาซึ่งเป็ นอนุภาคที่มีมวล 4 amu มีประจุ +2 อนุภาค ชนิดนี้จะถูกกั้นไว้ดว้ ยแผ่นกระดาษหรื อเพียงแค่ผวิ หนังชั้นนอกของคนเราเท่านั้น
รังสี เบต้า รังสี ที่ประกอบด้วยอนุภาคอิเลคตรอนหรื อโพสิ ตรอน รังสี น้ ีมีคุณสมบัติทะลุทะลวง ตัวกลางได้ดีกว่ารังสี แอลฟา สามารถทะลุผา่ นน้ าที่ลึกประมาณ 1 นิ้วหรื อประมาณ ความหนาของผิวเนื้อที่ฝ่ามือได้ รังสี เบต้าจะถูกกั้นได้โดยใช้แผ่นอะลูมิเนียมชนิด บาง
11
รังสี แกมมา รังสี ที่เป็ นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าพลังงานสูง มีคุณสมบัติเช่นเดียวกันกับรังสี เอกซ์ที่ สามารถทะลุผา่ นร่ างกายได้ การกาบังรังสี แกมมาต้องใช้วสั ดุที่มีความหนาแน่นสู ง เช่น ตะกัว่ หรื อยูเรเนียม เป็ นต้น
12
การใช้ ประโยชน์ จากรังสี
ปัจจุบนั ได้มีการนารังสี และสารกัมมันตรังสี มาใช้งานต่างๆ กันเช่น ในทาง การแพทย์มีการใช้ในการตรวจวินิจฉัย และบาบัดอาการโรคของผูเ้ จ็บป่ วยจาก โรคร้ายต่างๆ เช่น การฉายรังสี เอกซ์ การตรวจสมอง การตรวจกระดูก และการ บาบัดโรคมะเร็ง เป็ นต้น
13
แม้รังสี จะมีอยูล่ อ้ มรอบตัวเรา และมนุษย์ทุกคนก็สามารถใช้ประโยชน์จากรังสี ได้ แต่รังสี กน็ บั ได้วา่ มีความเป็ นพิษภัยในตัวเองเช่นกัน รังสี มีความสามารถ ก่อให้เกิดความเสี ยหายของเซลล์สิ่งมีชีวติ และถ้าได้รับรังสี สูงมากอาจทาให้มี อาการป่ วยทางรังสี ได้ ดังนั้นผูท้ ี่ปฏิบตั ิงานเกี่ยวข้องกับรังสี จะต้องกระทาด้วยความ รอบคอบ เพื่อป้ องกันตัวเองและสาธารณชนไม่ให้ได้รับอันตรายจากรังสี เลย
14
ประโยชน์ และโทษของกัมมันตภาพรังสี
ด้ านธรณีวทิ ยา มีการใช้ C-14 คานวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรื ออายุของ ซากดึกดาบรรพ์ซ่ ึงหาได้ดงั นี้ ในบรรยากาศมี C-14 ซึ่ งเกิดจากไนโตรเจน รวมตัว กับนิวตรอนจากรังสี คอสมิกจนเกิดปฏิกิริยา แล้ว C-14 ที่เกิดขึ้นจะทาปฏิกิริยากับ ก๊าซออกซิเจน แล้วผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และสัตว์กินพืช คนกิน สัตว์และพืช ในขณะที่พืชหรื อสัตว์ยงั มีชีวติ อยู่ C-14 จะถูกรับเข้าไปและขับออก ตลอดเวลา เมื่อสิ่ งมีชีวติ ตายลง การรับ C-14 ก็จะสิ้ นสุ ดลงและมีการสลายตัวทาให้ ปริ มาณลดลงเรื่ อยๆ ตามครึ่ งชีวติ ของ C-14 ซึ่ งเท่ากับ 5730 ปี
15
ดังนั้น ถ้าทราบอัตราการสลายตัวของ C-14 ในขณะที่ยงั มีชีวติ อยูแ่ ละทราบอัตราการ สลายตัวในขณะที่ตอ้ งการคานวณอายุวตั ถุน้ นั ก็สามารถทานายอายุได้ เช่น ซาก สัตว์โบราณชนิดหนึ่งมีอตั ราการสลายตัวของ C-14 ลดลงไปครึ่ งหนึ่งจากของเดิม ขณะที่ยงั มีชีวติ อยู่ เนื่องจาก C-14 มีครึ่ งขีวติ 5730 ปี จึงอาจสรุ ปได้วา่ ซากสัตว์ โบราณชนิดนั้นมีอายุประมาณ 5730 ปี
16
ด้ านการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทาได้โดย การฉายรังสี แกมมาที่ได้จาก โคบอลต์-60 เข้าไปทาลายเซลล์มะเร็ง ผูป้ ่ วยที่เป็ น มะเร็งในระยะแรกสามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยูใ่ นรู ป ของ NaCl ฉี ดเข้าไปในเส้นเลือด เพือ่ ตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสี บีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้วา่ มีการตีบตันของ เส้นเลือดหรื อไม่
17
ด้ านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตถังแก๊ส อุสสาหกรรมก่อสร้าง การ เชื่อมต่อท่อส่ งน้ ามันหรื อแก๊สจาเป็ นต้องตรวจสอบความเรี ยบร้อยในการเชื่อต่อ โลหะ เพื่อต้องการดูวา่ การเชื่อมต่อนั้นเหนียวแน่นดีหรื อไม่ วิธีการตรวจสอบทาได้ โดยใช้รังสี แกมมายิงผ่านบริ เวณการเชื่อมต่อ ซึ่ งอีกด้านหนึ่งจะมีฟิล์มมารับรังสี แกมมาที่ทะลุผา่ นออกมา ภาพการเชื่อมต่อที่ปรากฎบนฟิ ล์ม จะสามารถบอกได้วา่ การเชื่อมต่อนั้นเรี ยบร้อยหรื อไม่
18
โทษของกัมมันตภาพรังสี
เนื่องจากรังสี สามารถทาให้ตวั กลางที่มนั เคลื่อนที่ผา่ นเกิดการแตกตัวเป็ นไอออน ได้ รังสี จึงมีอนั ตรายต่อมนุษย์ ผลของรังสี ต่อมนุษย์สามารถแยกได้เป็ น 2 ประเภทคือ ผลทางพันธุกรรมและความป่ วยไข้จากรังสี ผลทางพันธุกรรมจากรังสี จะมีผลทาให้ การสร้างเซลล์ใหม่ในร่ างกายมนุษย์เกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์
19
ส่ วนผลที่ทาให้เกิดความป่ วยไข้จากรังสี เนื่องจากเมื่ออวัยวะส่ วนใดส่ วนหนึ่งของ ร่ างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็ นเซลล์จะแตกตัว ทาให้เกิด อาการป่ วยไข้ได้
20
หลักในการป้องกันอันตรายจากกัมมันตภาพรังสี
- ใช้เวลาเข้าใกล้บริ เวณที่มีกมั มันตภาพรังสี ให้นอ้ ยที่สุด - พยายามอยูใ่ ห้ห่างจากกัมมันตภาพรังสี ให้มากที่สุดเท่าที่จะทาได้ - ใช้ตะกัว่ คอนกรี ต น้ า หรื อพาราฟิ น เป็ นเครื่ องกาบังบริ เวณที่มีการแผ่รังสี
21
แหล่งอ้างอิง http://wiki.stjohn.ac.th/groups/poly_science6/wiki/5bb48/_9_.html http://tangmo-doiiz.blogspot.com/