Q-value-และการบอกอายุ

ในการคำนวณเกี่ยวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ ค่าพลังงานปฏิกิริยาหรือ Q-value เป็นปัจจัยหนึ่งในการบ่งบอกถึงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ว่าเกิดได้ง่ายหรือยาก

โดยสามารถแบ่งเป็น 2 แบบ คือ

• ปฏิกิริยาดูดพลังงาน(endothermic reaction) และ
• ปฏิกิริยาคลายพลังงาน(exothermic reaction)

เมื่อพิจารณาปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยทั่วไป

ค่าของ Q-value สามารถคำนวณได้จากความแตกต่างของมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและมวลหลังเกิดปฏิกิริยาดังสมการ

• ในกรณีที่  เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน โดยปฏิกิริยาประเภทนี้จะมีการปล่อยพลังงานออกมา และ
• กรณีที่  เป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน โดยปฏิกิริยาประเภทนี้ ต้องให้พลังงานกับระบบเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา ซึ่งพลังงานที่เพิ่มเข้ามานี้อาจจะมาจากพลังงานจลน์ของอนุภาคที่วิง่เข้าชนนิวเคลียส

ตัวอย่างเช่น จากปฏิกิริยา   ถ้าโปรตอนที่เข้าชนมีพลังงาน 1 MeV
จะสามารถเกิดปฏิกิริยานี้ได้หรือไม่

ในการจะเกิดปฏิกิริยานั้นสามารถพิจารณาเป็น 2 แบบ คือ

• ถ้า Q > 0 ปฏิกิริยาสามารถเกิดได้ และ
• ถ้า Q < 0 พลังงานของโปรตอนที่เข้าชนต้องมีพลังงานมากเพียงพอ

คำนวณค่า Q-value ของปฏิกิริยา
นั่นหมายความว่า ปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ พลังงานของโปรตอนที่เข้าชนต้องมีค่า 3.2 MeV เป็นอย่างน้อย
กรณีที่ พลังงานของโปรตอนมีค่า 1 MeV นั้นไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาได้

ในกรณีที่ค่า Q < 0 พลังงานที่ต้องการเพิ่มทำให้เกิดปฏิกิริยา  ได้

สามารถคำนวณได้จาก

สารกัมมันตภาพรังสี (Radioactive matter)

ชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

คาร์บอน-14

นักวิทยาศาสตร์ใช้ประโยชน์จากการกัมมตภาพรังสี และสมบัติของนิวเคลียสในหลากหลายรูปแบบด้วยกัน เช่น ในบรรยากาศของโลกมีการเกิด คาร์บอน-14 อยู่ตลอดเวลา จากปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนกับนิวตรอน ดังสมการ

หรือเขียนเป็นสมการรูปแบบย่อได้เป็น

และคาร์บอน-14 นี้จะไปจับตัวกับออกซิเจนและเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ เหมือนกับ คาร์บอน-12 ดังนั้น คาร์บอยน-14 และคาร์บอน-12 จึงมีการหมุนเวียนอยู่ในพืชและสัตว์อยู่ตลอดเวลาผ่านการกินและการขับถ่าย โดยสัดส่วนของ คาร์บอน-14 ต่อ คาร์บอน-12 จะมีค่าคงที่อยู่ที่ 7.8 x 10^-4

เมื่อพืชหรือสัตว์ตายลง การหมุนเวียนคาร์บอน-14 จึงหยุดลง และคาร์บอน-14 เองก็มีการสลายตัว ดังนั้นปริมาณที่เหลืออยู่ของคาร์บอน-14 สามารถบ่งถึงเวลาว่า ซากสัตว์หรือวัตถุต่างๆ มีอายุเท่าใด

Cesium-137 (ซีเซียม-137, CS-37)

การปนเปื้อนของซีเซียม-137 ในอาหาร

การปนเปื้อน ของซีเซี่ยม-137 ในสิ่งแวดล้อมจากอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์มีโอกาสได้โดยตกค้างใน สิ่งแวดล้อมแหล่งน้ำ พืช สัตว์ จะแพร่เข้าสู่ร่างกายของมนุษย์และสัตว์ได้ทางห่วงโซ่อาหาร ด้วยการบริโภคอาหารที่มีการปนเปื้อน

• การวัดค่า และ ปริมาณซีเซียม-137 มาตรฐานในอาหาร

อันตรายจากซีเซียม -137

Iodine-131 (I-131)

ผลของรังสีต่อสิ่งมีชีวิต

รังสีที่แผ่ออกจากธาตุกัมมันตรังสีคือ กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เมื่อผ่านเข้าไปในสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจะทําให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมตามแนวทางที่รังสีผ่านไปทําให้เกิดผลเสียต่อสิ่งมีชีวิต 2 แบบ คือ

1. ผลของรังสีที่มีต่อร่างกาย คือ เกิดเป็นผื่นแดงขึ้นตามผิวหนัง ผมร่วง เซลล์ตาย เป็นแผลเปื่อย เกิดเนื้อเส้นใยจํานวนมากที่ปอด (fibrosis of the lung) เกิดโรคเม็ดโลหิตขาวมาก (leukemia) เกิดต้อกระจก(cataracts) ขึ้นในนัยน์ตา เป็นต้น ซึ่งร่างกายจะเป็นมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของรังสีที่ได้รับ ส่วนของร่างกายที่ได้และอายุของผู้ได้รับรังสี
2. ผลของรังสีที่เกี่ยวกับการสืบพันธุ์คือ ทําให้โครโมโซม (chromosome) เกิดการเปลี่ยนแปลงมีผลทําให้ลูกหลานเกิดเปลี่ยนลักษณะได้

โดยหลักการการปนเปื้อนของสารกัมมันตรังสีในน้ําทะเล จะส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์ในสัตว์ทะเลได้โดยเฉพาะที่กลุ่มสารกัมมันตรังสีที่ให้เบต้า จะมีผลต่อการกลายพันธุ์ ทั้งนี้ต้องขึ้นกับปริมาณการรับและการสะสม เช่น หากสารกัมมันรังสีลงไปในน้ํา และแพลงก์ตอนรับสารรังสีเข้าไป เมื่อหอย ปลา กินแพลงก์ตอนเป็นล้านตัว จะเพิ่มความเข้มข้นไปเรื่อยๆสะสมในห่วงโซ่อาหาร อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ยังไม่มีผลการยืนยันที่ชัดเจนว่าจะถึงขั้นเปลี่ยนระบบนิเวศน์ใต้ทะเลหรือไม่แต่มีความเสี่ยงต่อการทําให้สิ่งมีชีวิตกลายพันธุ์มากกว่า

อาการที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากได้รับกัมมันตรังสีโดยไม่มีการควบคุม

• คลื่นไส้อาเจียน
• อ่อนเพลีย
• เม็ดเลือดขาวถูกทําลายอย่างรุนแรง
• ระบบการสร้างโลหิตจากที่ไขกระดูกบกพร่อง
• ร่างกายความต้านทานโรคต่ำ
• เกิดความผิดปกติบริเวณที่ถูกรังสีเช่น ผิวหนังไหม้พุพอง ผมร่วง ปากเปื่อย เป็นต้น
  

การป้องกันอนตรายจากสารกัมมันตรังสี

รังสีทุกชนิดมีอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งนั้น จึงต้องทําการป้องกันไม่ให้ร่างกายได้รับรังสีหรือได้รับแต่เพียงปริมาณน้อยที่สุด ในกรณีที่ไม่สามารถหลกเหลี่ยงได้เนื่องจากต้องทํางานเกี่ยวข้องกับรังสีแล้ว ควรมีหลักยึดถือเพื่อปฏิบัติดังนี้

1. เวลาของการเผย (time of exposure) โดยใช้เวลาในการทํางานในบริเวณที่มีรังสีใหส้ั้นที่สุด
2. ระยะทาง (Distance) การทํางานเกี่ยวกับรังสีควรอยู่ห่างจากแหล่งกําเนิดรังสีมาก ๆ ทั้งนี้เพราะความเข้มของรังสีจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง
3. เครื่องกำบัง (Shielding) เครื่องกําบังที่วางกั้นระหว่างคนกับแหล่งกําเนิดรังสีจะดูดกลืนบางส่วนของรังสีหรืออาจจะทั้งหมดเลยก็ได้ดังนั้นในกรณีที่ต้องทำงานใกล้กับสารกัมมันตรังสีและต้องใช้เวลานานในการปฏิบัติงาน เราจําเป็นต้องใช้เครื่องกําบังช่วยเครื่องกําบังที่ดีควรเป็นพวกโลหะหนัก

ประโยชน์จากการใช้ธาตุกัมมันตรังสี

1. ด้านธรณีวิทยา การใช้คาร์บอน-14 (C-14) คํานวณหาอายุของวัตถุโบราณ
2. ด้านการแพทย์ใช้ไอโอดีน-131 (I-131) ในการติดตามเพื่อศึกษาความผิดปกติของต่อมไธรอยด์ โคบอลต์-60 (Co-60) และเรเดียม-226 (Ra-226) ใช้รักษาโรคมะเร็ง
3. ด้านเกษตรกรรม ใช้ฟอสฟอรัส 32 (P-32) ศึกษาความต้องการปุ๋ยของพืช ปรับปรุงเมล็ดพันธุ์ที่ต้องการ และใช้โพแทสเซียม-32 (K–32) ในการหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้
4. ด้านอุตสาหกรรม ใช้ธาตุกัมมันตรังสีตรวจหารอยตําหนิเช่น รอยร้าวของโลหะหรือท่อขนส่งของเหลว ใช้ธาตุกัมมันตรังสีในการ ตรวจสอบและควบคุมความหนาของวัตถุใช้รังสีฉายบนอัญมณีเพื่อให้มีสีสันสวยงาม
5. ด้านการถนอมอาหาร ใช้รังสีแกมมาของธาตุโคบอลต์-60 (Co–60) ปริมาณที่พอเหมาะใช้ทําลายแบคทีเรียในอาหาร จึงช่วยให้เก็บรักษาอาหารไว้ได้นานขึ้น

6. ด้านพลังงาน มีการใช้พลังงานความร้อนที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูของยูรีเนียม-238 (U-238) ต้มน้ําให้กลายเป็นไอ แล้วผ่านไอน้ําไปหมุนกังหัน เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า