ไอโซโทป

ไอโซโทป

                 เมื่อพิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่า มีนิวเคลียสบางกลุ่มซึ่งทุกนิวเคลียสมีเลขอะตอมมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น กลุ่มของยูเรเนียม ซึ่งมียูเรเนียม -234 ยูเรเนียม -235 และยูเรเนียม -238 นิวเคลียสในกลุ่มนี้ต่างมีเลขอะตอมเท่ากันคือ 92 แต่มีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ว่าเป็น ไอโซโทปของธาตุเดียวกัน

                ไอโซโทปของธาตุอาจมีชนิดที่ไม่เสถียรซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี และชนิดที่ไม่มีการสลายต่อไปซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปเสถียร เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมี 5 ชนิด ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี 2 ชนิด คือตะกั่ว -210 และตะกั่ว -214 สำหรับธาตุบางธาตุอาจมีแต่ไอโซโทปกัมมันตรังสีเท่านั้น

 

เนื่องจากไอโซโทปของธาตุเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากัน แต่เลขมวลต่างกัน จึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันแต่สมบัติทางกายภาพต่างกน ดังนั้นการวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่งจึงไม่สามารถกระทำได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี แต่ด้วยเหตุที่ไอโซโทปมีสมบัติทางกายภาพต่างกันเช่น มีมวลต่างกัน การวิเคราะห์ไอโซโทปจึงสามารถกระทำได้โดยจำแนกมวลของไอโซโทปมวลของไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันมีความแตกต่างกันน้อยมาก การวิเคราะห์ไอโซโทปจึงต้องใช้เครื่องมือที่สามารถวัดมวลได้ละเอียดมาก เครื่องมือประเภทนี้ได้แก่ แมสสเปกโทรมิเตอร์ (mass spectrometer) ดังจะได้ศึกษารายละเอียดในการหาค่ามวลดังต่อไปนี้

รูป 20.10 ส่วนประกอบที่สำคัญของแมสสเปกโทรมิเตอร์

 

                แมสสเปกโทรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วิเคราะห์มวลอะตอมของธาตุต่างๆ โดยอาศัยหลักการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบที่สำคัญของแมสสเปกโทรมิเตอร์ คือ ส่วนเร่งอนุภาค ส่วนคัดเลือกความเร็วและส่วนวิเคราะห์ ดังรูป 20.10 ส่วนเร่งอนุภาคมีหน้าที่ทำให้ไอโซโทปที่เป็นแก๊สกลายสภาพเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า จากนั้นอนุภาคนี้จะถูกเร่งให้พุ่งผ่านช่องที่ทำไว้และเข้าไปยังส่วนคัดเลือกความเร็ว ซึ่งประกอบด้วยบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า  \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over E} และสนามแม่เหล็ก \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B}  ซึ่งมีทิศตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ผ่านเข้ามา ดังรูป 20.11 ดังนั้นแรงที่กระทำต่อนุภาคอันเนื่องจากสนามทั้งสองจึงมีทิศทางตรงข้ามกัน

รูป 20.11 หลักการทำงานของส่วนคัดเลือกความเร็ว

 

ถ้าอนุภาคมีความเร็วพอเหมาะขนาดของแรงอันเนื่องมากจากสนามทั้งสองจะมีค่าเท่ากันจึงทำให้เกิดสมดุลของแรง มีผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่ และสามารถพุ่งตรงไปผ่านช่องอีกช่องหนึ่งที่ทำไว้ได้ ส่วนอนุภาคที่มีความเร็วแตกต่างไปจากค่าที่พอเหมาะจะมีแนวการเคลื่อนที่จะเบี่ยงเบน ทำให้ไม่สามารถทะลุผ่านช่องที่สองไปได้

                ถ้าให้อนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่านช่องที่หนึ่งเข้ามาในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over E}     และสนามแม่เหล็ก   \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B}   มีอัตราเร็วเท่ากับ v  และประจุไฟฟ้าของอนุภาคนั้นเป็น q เมื่อเกิดสมดุลจะได้ว่า
                                                                         qvB  =  qE
                                      หรือ   \displaystyle v  =  \frac{E}{B}     
                      จะเห็นได้ว่าสามารถหาอัตราเร็ว v ได้จากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแม่เหล็กในบริเวณส่วนคัดเลือกความเร็วดังนั้นกลุ่มอนุภาคที่มีอัตราเร็วดังกล่าวนี้จะเคลื่อนที่เข้าสู่ส่วนวิเคราะห์ซึ่งมีสนามแม่เหล็ก \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B'} ที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการ
เคลื่อนที่ของอนุภาคทำให้เกิดแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กนี้บังคับให้อนุภาคที่มีมวลต่างกันเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งรูปวงกลม ดังรูป 20.12

 

รูป 20.12 ส่วนวิเคราะห์ที่มีสนามแม่เหล็ก  \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B}

ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ

 

                เพราะอนุภาคที่มีมวลต่างกันเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งรูปวงกลมที่มีรัศมีต่างกัน ดังนั้นเมื่ออนุภาคเหล่านั้นกระทบแผ่นฟิล์มจะทำให้เกิดรอยดำ ถ้า R เป็นรัศมีความโค้งของวงกลม และ m เป็นมวลของอนุภาคและ B\displaystyle ^'    เป็นสนามแม่เหล็กในบริเวณนี้ จะได้ว่า

 

\displaystyle qvB' = \frac{{mv^2 }}{R}

\displaystyle m = \frac{{qB'R}}{v}

\displaystyle m = \frac{{qB'VR}}{E}                                              (20.7)

 

สมการ (20.7) แสดงว่า มวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้ง และเนื่องจากมวลของแต่ละไอโซโทปแตกต่าง

กัน ดังนั้นรัศมีความโค้งของแต่ละไอโซโทปจะแตกต่างกัน การวัดรัศมีจึงเป็นหลักการที่เครื่องมือนี้วิเคราะห์ไอโซโทปได้

                ในการวิเคราะห์ผลค่า E, B,  B\displaystyle ^'      , R  เป็นค่าที่รู้จากการทดลอง และ q คือประจุไฟฟ้าของอนุภาคดังนั้นเราจึงสามารถหาค่ามวล m ได้ วิธีการนี้ทำให้เราสามารถหาค่ามวลอะตอมของธาตุต่างๆ ได้ค่ามวลอะตอมของไอโซโทปบางชนิดแสดงไว้ในตาราง 20.3

 

ตาราง 20.3 แสดงค่ามวลอะตอมของธาตุบางธาตุ 

ธาตุ

เลขอะตอม

เลขมวล

มวลอะตอม (u)

ปริมาณในธรรมชาติ (%)

ไฮโดรเจน

1

1

1.007825

99.98

 

1

2

2.014102

0.02

 

1

3

3.016049

-

ฮีเลียม

2

3

3.016029

\displaystyle 10^{-6}

 

2

4

4.002604

\displaystyle \approx 100

 

2

5

5.012297

-

 

2

6

6.018893

-

ลิเทียม

3

5

5.012538

-

 

3

6

6.015126

7.4

 

3

7

7.016005

92.6

 

3

8

8.022487

-

เบริลเลียม

4

7

7.016929

-

 

4

8

8.005308

-

 

4

9

9.012186

100

 

4

10

10.013534

-

คาร์บอน

6

10

10.016810

-

 

6

11

11.011432

-

 

6

12

12.000000

98.9

 

6

13

13.003354

1.1

 

6

14

14.003242

-

ไนโตรเจน

7

12

12.018641

-

 

7

13

13.005738

-

 

7

14

14.003074

99.635

 

7

15

15.000108

0.365

 

7

16

16.006103

-

 

7

17

17.008450

-

ออกซิเจน

8

14

14.008597

-

 

8

15

15.003070

-

 

8

16

15.994915

99.759

 

8

17

16.999134

0.037

 

8

18

17.999160

0.204

 

8

21

21.008730

-

ทองคำขาว

78

191

190.961665

 

 

78

192

191.961019

0.79

 

78

193

192.962977

-

 

78

194

193.962655

32.9

 

78

195

194.964766

33.8

 

78

196

195.964926

23.3

ทองคำ

79

197

196.966543

100.00

ตะกั่ว

82

204

203.973020

1.4

 

82

206

205.974440

24.1

 

82

207

206.97582

22.1

 

82

208

207.976627

52.4

ทอเรียม

90

232

232.038054

100.00

 

90

234

234.043953

 

 

90

235

235.047510

 

หมายเหตุ  ธาตุที่ไม่ได้ระบุปริมาณในธรรมชาติเป็นธาตุกัมมันตรังสี