ไอโซโทปรังสีคืออะไร และทำขึ้นได้อย่างไร ?
Radioisotopes: What Are They and How Are They Made? |
โกมล อังกุรรัตน์
ศูนย์ไอโซโทปรังสี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) |
อะไรคือไอโซโทป ? (What are isotopes?)
ไอโซโทปของธาตุใด ๆ นั้น คือ ทุกอะตอมซึ่งภายในนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน จำนวนนี้เรียกว่า เลขเชิงอะตอม (atomic number) ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่าเป็นธาตุอะไร และมีพฤติกรรมทางเคมีที่สอดคล้องกัน ของธาตุนั้น ๆ อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปของธาตุใด ๆ จะมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสต่างกัน แต่มีจำนวน โปรตอน เหมือนกัน ไอโซโทปทั้งหมดของธาตุใด ๆ จะบ่งบอกด้วยพฤติกรรมทางเคมีที่เหมือนกัน แต่เนื่องจาก จำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน ไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะมีความแตกต่างกัน ทางด้านกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปที่มีกัมมันตภาพรังสี จะเรียกว่า ไอโซโทปรังสี (radioisotope) หรือ นิวไคลด์รังสี (radionuclide) ในที่นี้จะขอยกตัวอย่าง 2 ตัวอย่าง ที่อาจจะช่วยอธิบายได้ชัดเจนขึ้น ดังนี้ |
|
| ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของยูเรเนียม คือ ยูเรเนียม-238 จะมีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส 92 อนุภาค (ก็คือเลขเชิงอะตอม) และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 238 (จำนวนโปรตอนเท่ากับ 92 รวมกับจำนวนนิวตรอนเท่ากับ 146 ) ไอโซโทปของยูเรเนียม ที่มีความสำคัญอันยิ่งใหญ่ที่สุดในการทำลูกระเบิดนิวเคลียร์ คือ ยูเรเนียม-235 แต่มีจำนวนของนิวตรอนน้อยกว่า ยูเรเนียม-238 อยู่ 3 อนุภาค ส่วนเลขเชิงอะตอมยังเหมือนเดิม คือ 92 นั่นคือ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอน แต่มีน้ำหนักอะตอม คือ 235 ซึ่งมาจาก 92 โปรตอน รวมกับ 143 นิวตรอน พฤติกรรมทางด้านเคมีของ ยูเรเนียม-235 จะเหมือนกับทุกรูปแบบอื่น ๆ ของยูเรเนียม แต่นิวเคลียสของ ยูเรเนียม-235 จะมีความเสถียรน้อยกว่า ทำให้มีศักยภาพที่ไวต่อปฏิกริยาลูกโซ่ทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสีที่สูงกว่า ก่อให้เกิดพลังงานมหาศาลทั้งในลูกระเบิดนิวเคลียร์ และเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ |
|
อีกตัวอย่างหนึ่งคือ ไอโอดีน ซึ่งเป็นธาตุองค์ประกอบสำคัญสำหรับสุขภาพ การที่ร่างกายได้รับธาตุไอโอดีน ไม่เพียงพอ จะทำให้เกิด คอหอยพอก ไอโอดีนเป็นธาตุแรก ๆ ที่ไอโซโทปรังสีถูกนำมาใช้ในเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ไอโซปที่เสถียรมากที่สุดของไอโอดีน คือ ไอโอดีน-127 ซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับ 53 และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 127 (53 โปรตอนรวมกับ 74 นิวตรอน) ทั้งนี้เพราะว่า ในนิวเคลียสมีจำนวนมีจำนวนนิวตรอนที่ เหมาะสม มันจึงมีความเสถียร และไม่มีกัมมันตรังสี รูปแบบที่เสถียรน้อยกว่าของไอโอดีนก็ยังคงมีจำนวน 53 โปรตอน ซึ่งยังคงมีพฤติกรรมทางเคมีเหมือนเดิมของธาตุไอโอดีนทุกอย่าง แต่พอมีจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นเป็นพิเศษอีก 4 อนุภาค ทำให้มีน้ำหนักอะตอมเป็น 131 (53โปรตอน รวมกับ 78 นิวตรอน) ซึ่งทำให้ภายในนิวเคลียสมีจำนวน นิวตรอน มากเกินไป มันจึงไม่มีความเสถียร และมีกัมมันตภาพรังสี ซึ่งมีครึ่งชีวิต ประมาณ 8 วัน เพราะว่ามันยังมีสมบัติทางเคมี และพฤติกรรมเหมือนกับไอโอดีนอื่น มันจึงสามารถเคลื่อนที่ได้ทั่วร่างกาย และไปสะสมที่ต่อมไทรอยด์ ซึ่งเหมือนกับรูปแบบไอโอดีนที่เสถียร แต่เนื่องจากเป็นไอโซโทปรังสี จึงสามารถตรวจวัดได้ ไอโอดีน-131 จึงกลายเป็นไอโซโทปรังสีชนิดแรก ๆ ที่ใช้เป็นตัวแกะรอย (tracer)
ไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุผลิตได้อย่างไร ? (How can different isotopes of an element be produced?)
ไอโซโทปสามารถผลิตได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอโซโทปรังสี ที่สามารถตอบสนองวัตถุประสงค์ ที่มีประโยชน์มากมาย จะมีสองวิธีการพื้นฐาน คือ การแยก และ การสังเคราะห์
ไอโซโทปบางอย่างมีปรากฎอยู่ในธรรมชาติ ถ้ากัมมันตภาพรังสีซึ่งโดยปกติ จะเกิดจากไอโซโทปรังสีที่มี ครึ่งชีวิต ที่ยาวมาก เช่น ยูเรเนียม-235 จะมีปรากฏอยู่ในธรรมชาติน้อยมาก คือประมาณ 0.7 % ความท้าทายก็คือ ถ้าจะแยกเอาไอโซโทป ยูเรเนียม-235 ที่มีปริมาณอยู่น้อยมากนี้ ออกจากไอโซโทปชนิดอื่น ๆ ของยูเรเนียม (ส่วนใหญ่คือ ยูเรเนียม-238) ซึ่งเป็นกลุ่มขนาดใหญ่มากของยูเรเนียม จะทำได้อย่างไร ความยากก็คือ ทุกรูปแบบของยูเรเนียมที่มีอยู่ จะมีจำนวนอิเล็กตรอนที่เท่ากัน ซึ่งจะมีพฤติกรรมทางเคมีที่เหมือนกัน และมีพันธะทางเคมี ที่บ่งบอกความเฉพาะกับอะตอมอื่น ๆ ของยูเรเนียม การใช้วิธีการทางเคมีในการแยกไอโซโทปที่ต่างกันจะทำไม่ได้ ทั้งนี้เพราะ ปฏิกริยาทางเคมีจะเกิดกับพันธะระหว่างอะตอมของยูเรเนียม คือ จะเกิดขึ้นเฉพาะอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมของยูเรเนียมเท่านั้น จึงแยกได้แต่อะตอมของยูเรเนียม แต่ไม่ได้แยกความแตกต่างระหว่างไอโซโทป ที่แตกต่างกันของยูเรเนียม ความแตกต่างเฉพาะระหว่างไอโซโทปของยูเรเนียมก็คือ น้ำหนักอะตอม วิธีการที่จะพัฒนาการแยกระหว่างไอโซโทปที่แตกต่างกันต้องอาศัยความแตกต่างกันทางด้านน้ำหนักอะตอมที่ไม่เท่ากัน |
|
ข้อเสนอหนึ่งที่เริ่มต้น คือ การใช้การหมุนเหวี่ยง (centrifuge) ความคิดพื้นฐานง่าย ๆ คือ ปั่นเหวี่ยงอะตอม ของยูเรเนียมให้มีความเร็วสูง ๆ เหมือนกับเครื่องเล่นม้าหมุน (merry-go-round) อะตอมที่หนักกว่า จะถูกเหวี่ยงออกไปด้านนอกได้เร็วกว่า และสามารถแยกออกไปได้ ในทางปฏิบัติเทคนิคนี้เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ เป้าหมายคือ การดึงแยกส่วนปริมาณน้อย ๆ ของไอโซโทปยูเรเนียมอะตอมที่มีน้ำหนักอะตอมที่เบากว่า ออกจากไอโซโทปยูเรเนียมอื่น ๆ ส่วนมากที่หนักกว่า ด้วยความยากลำบากในการปฏิบัติ แผนการจึงได้ถูกทิ้งร้างไปในปี 1942 และได้มีการพัฒนาเทคนิควิธีการแพร่แก๊ส (gaseous diffusion) มาทดแทน
อีกครั้งหนึ่ง ด้วยที่แนวคิดพื้นฐานที่ง่ายมากคือ อาศัยหลักการที่ว่า อัตราที่แก๊สแพร่ผ่านตัวกรอง จะขึ้นอยู่กับ น้ำหนักโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลแก๊สที่เบากว่าจะแพร่ผ่านตัวกรองได้เร็วกว่า ดังนั้น โมเลกุลของแก๊สที่มี ส่วนประกอบ ของ ยูเรเนียม-235 จะแพร่กระจายผ่านตัวกรองได้เร็วกว่าเล็กน้อย เมื่อเทียบกับโมเลกุลแก๊สทั่วไปของยูเรเนียม และมีส่วนผสมส่วนมากของ ยูเรเนียม-238 ที่หนักกว่า วิธีการนี้นำเสนอความท้าทายทางเทคนิคที่น่ากลัว แต่ในที่สุดได้มีการนำไปใช้จริง โดยในสหรัฐอเมริกา มีการสร้างโรงงานแพร่แก๊สขนาดใหญ่ขึ้นที่ โอกริดจ์ (Oak Ridge) มลรัฐเทนเนสซี ในกระบวนการก็คือ นำเอายูเรเนียมมาทำปฏิกริยาทางเคมีกับ ฟลูออรีน ทำให้เกิดเป็น แก๊สเฮกซะฟลูออไรด์ (hexafluoride) ก่อนที่จะนำมาผ่านกระบวนการแยกโดยวิธีการแพร่แก๊ส แยกแก๊สเฮกซะฟลูออไรด์ ของ ยูเรเนียม-235 และ ยูเรเนียม-238 ออกจากกัน วิธีการนี้ไม่เหมาะที่จะนำมาทำการแยกไอโซโทปรังสี ที่ใช้ในทางการแพทย์และทางด้านวิทยาศาสตร์อื่น ทั้งนี้เพราะ ค่าดำเนินการจะแพงอย่างมาก ๆ และเหมาะสมสำหรับ ที่จะแยกไอโซโทปของธาตุที่มีอยู่ในธรรมชาติเท่านั้น |
|
| อีกวิธีการหนึ่งของการผลิตไอโซโทปที่มีประสิทธิภาพ คือ การประดิษฐ์ไอโซโทปขึ้นมา โดยวิธีการยิงอนุภาคความเร็วสูง เข้าไปในนิวเคลียสของอะตอม เมื่อเกิดการพุ่งชน นิวเคลียสก็จะมีการดูดซับอนุภาค หรือเกิดการไม่มีเสถียรภาพขึ้น และมีการปลดปล่อยอนุภาคออกมา ในทั้งสองกรณีจำนวนของอนุภาคในนิวเคลียส จะมีการเปลี่ยนแปลง ทำให้เกิดเป็นไอโซโทปชนิดใหม่ขึ้น แหล่งกำเนิดของอนุภาคความเร็วสูงเกิดขึ้นจาก เครื่องเร่งอนุภาค ไซโคลทรอน (cyclotron) เครื่องเร่งอนุภาคจะเร่งความเร็วอนุภาคไปตามรางวิ่งแบบวงกลม ที่มีระยะของการผลักดันด้วยสนามไฟฟ้า อนุภาคจะสะสมความเร็วเพิ่มขึ้น ตามการผลักดันของสนามไฟฟ้าแต่ละครั้ง เหมือนกับการที่เด็กแกว่งชิงช้า ที่สูงขึ้น ๆ ในการแกว่งแต่ละครั้ง เมื่อได้ความเร็วที่มาก พออนุภาคจะถูกกำหนดให้ออกจากทางวิ่ง เข้าไปชนกับนิวเคลียสของอะตอมเป้าหมาย |
|
| เครื่องเร่งอนุภาคจะทำงานได้เฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุเท่านั้น อย่างไรก็ตาม แหล่งกำเนิดอื่น ๆ ของกระสุนที่จะใช้ยิงนิวเคลียสของอะตอมเป้าหมาย ก็คือ นิวตรอน ซึ่งนิวตรอนนี้จะมีอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยทั่วไปจะวิ่งไปชนกับนิวเคลียสของอะตอมเชื้อเพลิง ทำให้เกิดความไม่มีเสถียรขึ้นในอะตอม โดยทำให้อะตอมเกิด การแบ่งแยกนิวเคลียส (fission) ออกเป็นสองส่วน พร้อมกับมีการปลดปล่อย นิวตรอนอิสระ เพิ่มขึ้นมาอีก 3 อนุภาค จำนวนนิวตรอนที่เพิ่มขึ้นมานี้ จะไปทำให้เกิดการไม่เสถียรเพิ่มขึ้นในอะตอมเชื้อเพลิงต่อไป ทำให้เกิด การแบ่งแยกนิวเคลียส เพิ่มขึ้นเป็น ปฏิกริยาลูกโซ่ (chain reaction) ในทำนองเดียวกัน ปริมาณนิวตรอนที่มีมากเกินไป ทำให้นำไปสู่การไม่สามารถที่จะควบคุมปฏิกริยาลูกโซ่ได้ ทำให้เกิดการปลดปล่อยความร้อนมากเกินไป และอาจทำให้เกิด การหลอมละลายของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (melt down) ได้ ดังนั้น นิวตรอนส่วนเกินอย่างท่วมท้นนี้ โดยปกติจะถูก ดูดซับ ด้ว แท่งควบคุมปฏิกริยานิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม ปริมาณนิวตรอนที่ท่วมท้นนี้ จะสามารถถูกดูดซับได้ด้วยสารเป้าหมายตั้งต้น ซึ่งเป็นวัสดุที่ได้ผ่านการคัดสรรอย่างระมัดระวัง เพื่อนำไปใส่ไว้ใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยวิธีการนี้ปริมาณนิวตรอนอันท่วมท้นนี้ จะถูกนำไปสร้างไอโซโทปรังสี ของวัสดุสารตั้งต้นเป้าหมายที่นำไปใส่ไว้ในเครื่องปฏกรณ์นิวเคลียร์ |
|
โดยทางปฏิบัติ นักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องเร่งอนุภาค และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ได้เรียนรู้การผสมที่เหมาะสม ของอะตอมเป้าหมายและอนุภาคที่จะใช้ยิง เพื่อปรุงแต่ง ทำให้เกิดความหลากหลายของไอโซโทปรังสีที่มีประโยชน์
ถอดความจาก http://hss.energy.gov/healthsafety/ohre/roadmap/achre/intro_9_4.html
โพสต์เมื่อ : 1 กุมภาพันธ์ 2555 |
| |
