ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ : ประโยชน์ของกัมมันตรังสีและพลังงานนิวเคลียร์
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

ประโยชน์กัมมันตภาพรังสี/พลังงานนิวเคลียร์


การศึกษานิวเคลียสและกัมมันตรังสีที่กล่าวมาแล้วนั้น นำไปสู่การนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์ ซึ่งอาจกล่าวได้ว่ามีอยู่ 2 ทาง คือ การนำกัมมันตรังสีมาใช้ และการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

ก. กัมมันตรังสีในการเกษตรกรรม

นักวิทยาศาสตร์อาศัยความรู้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีสลายอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับอิทธิพลภายนอกหรือสิ่งแวดล้อมจึงอาศัยการตรวจติดตามธาตุกัมมันตรังสีมาทำประโยชน์ในการพัฒนาการเกษตรได้เป็นอย่างดี ตัวอย่างเช่น การวิจัยอัตราการดูดซึมปุ๋ยของต้นไม้ ถ้าปุ๋ยที่มีธาตุกัมมันตรังสี เช่น ฟอสฟอรัส -32 ปะปนอยู่ ลงในดินบริเวณใกล้ต้นไม้ รากต้นไม้จะดูดซึมธาตุกัมมันตรังสีเข้าไปแล้วส่งต่อไปยังลำต้นและไปอยู่ที่ใบ เพื่อรอการปรุงอาหาร การตรวจวัดปริมาณการแผ่รังสีของปุ๋ยที่ใบ ดังภาพ (19) จะทำให้ทราบปริมาณปุ๋ยที่อยู่ที่ใบได้ จึงสามารถหาอัตราการดูดซึมของต้นไม้ได้

ภาพ 19 : แสดงการตรวจวัดปริมาณการแผ่รังสีของปุ๋ยที่ใบ

การใช้ประโยชน์ของกัมมันตรังสีในด้านสัตว์เลี้ยง ได้แก่ การศึกษาการผลิตไข่และน้ำนมของสัตว์ เช่น เป็ด ไก่ และโคนม เป็นต้น เป็นที่ทราบกันดีว่าการผลิตน้ำนมของโคนั้น มีความสัมพันธ์กับต่อมไทรอยด์ ซึ่งเป็นต่อมที่มีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับไอโอดีน โดยการใช้ไอโอดีน -131 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีผสมอาหารสัตว์ และติดตามวัดปริมาณการดูดซึมไอโอดีน -131 ไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายสัตว์ จะทำให้ทราบว่า การทำงานของต่อมไทรอยด์เพิ่มขึ้นขณะที่โคเริ่มมีน้ำนม และจะพบต่อไปอีกว่า เวลาอากาศร้อนอัตราการทำงานของต่อมนี้จะลดลง เป็นผลให้อัตราการผลิตน้ำนมลดลงด้วย ความรู้ที่ได้นี้อาจนำมาใช้ประโยชน์ในการเลือกโคนม ซึ่งอาจเลือกตั้งแต่โคยังเป็นลูกโคอยู่ก็ได้

นักวิทยาศาสตร์พบว่า รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีสามารถทำให้สิ่งมีชีวิตกลายพันธุ์ได้ เช่น รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะทำให้โครโมโซมในเมล็ดพันธุ์พืชเปลี่ยนไป ดังนั้น เมื่อนำเมล็ดพืชไปเพาะก็จะได้พืชพันธุ์ใหม่ พบว่า โอกาสที่จะได้พืชพันธุ์ใหม่ที่ดี โดยวิธีนี้มีน้อย อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ก็มีพันธุ์ดีหลายสิบชนิด ทั้งพันธุ์ไม้ดอกและไม้ผลที่เกิดจากวิธีการนี้

นอกจากสามารถกลายพันธุ์พืชแล้ว รังสีจากธาตุกัมมันตรังสียังช่วยขจัดแมลงได้ด้วย ซึ่งอาจทำได้โดยรังสีอาบตัวแมลงโดยตรงเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมในเซลล์ของแมลงเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้แมลงตายในที่สุด และอีกวิธีหนึ่งนั้นคือ นำเอาเฉพาะแมลงตัวผู้มาอาบรังสีเพื่อให้เป็นหมันจะได้ไม่สามารถแพร่พันธุ์ได้อีกต่อไป

ประโยชน์อีกอย่างหนึ่งของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีคือ การถนอมอาหาร เพราะรังสีนี้สามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และยีสต์ที่มีอยู่ทั่วไปในอาหารได้ทำให้อาหารไม่เน่าหรือเน่าช้ากว่าปกติ นอกจากนี้รังสียังช่วยป้องกันการงอกของพืชผักบางชนิด เช่น มันฝรั่ง หัวหอม ได้ด้วย ปริมาณรังสีที่ใช้ในการถนอมอาหารแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ดังนั้น ในการนำอาหารที่อาบรังสีมาบริโภค จะต้องแน่ใจก่อนว่าไม่มีอันตรายใดๆ

ข. การใช้กัมมันตภาพรังสีในการแพทย์

รังสีจากกัมมันตรังรีสามารถตรวจและรักษาโรคได้หลายชนิด ตัวอย่างเช่น การใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์ -60 การรักษาโรคมะเร็ง โดยเฉพาะฉายรังสีแกมมาเข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง การใช้รังสีจากโซเดียม -24 ซึ่งอยู่ในรูปของเกลือโซเดียมคลอไรด์ในการศึกษาลักษณะการหมุนเวียนของโลหิต โดยการฉีดสารดังกล่าวเข้าไปในเส้นเลือด และการติดตามการแผ่รังสีจากสารจะทำให้ทราบว่า มีการอุดตันหรือการหมุนเวียนของเลือดไม่สะดวกในบางส่วนของระบบการไหลเวียนหรือไม่ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีไอโอดีน -131 ในการตรวจดูการทำงานของต่อมไทรอยด์ด้วย

ค. การใช้กัมมันตรังสีในด้านอุตสาหกรรม

ตัวอย่างของการใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสี ในอุตสาหกรรมที่สำคัญพอสรุปได้ดังนี้

ในการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะให้สม่ำเสมอตลอดแผ่น กระทำได้โดยการหยุดเครื่องรีดแผ่นเป็นคราวๆ ไป แต่การทำเช่นนี้ทำให้อัตราการผลิตต่ำ การใช้รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีจะช่วยให้สามารถตรวจสอบได้โดยไม่ต้องหยุดเครื่องรีดแผ่นโลหะ วิธีการที่ใช้กันนั้นแสดงคร่าวๆ ดังภาพ (20)

ภาพ 20 : แสดงการควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะ โดยอาศัยรังสีจากธาตุกัมมันตรังสี

โดยมีหลักการย่อ ดังนี้ ใช้ธาตุกัมมันตรังสีที่ให้รังสีบีตาเป็นแหล่งกำเนิดรังสี โดยปล่อยให้รังสีตกตั้งฉากกับแผ่นโลหะ ซึ่งกำลังเคลื่อนออกจากเครื่องวัด ตั้งเครื่องวัดรังสีไว้ที่ด้านตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดรังสีโดยมีแผ่นโลหะอยู่ตรงกลาง ถ้าแผ่นโลหะมีความหนาผิดไปจากที่กำหนดไว้ จะทำให้ปริมาณรังสีที่วัดได้มีค่าผิดไปด้วยแล้ว เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยังเครื่องรีดเพื่อปรับรีดให้เร็วในมาตรฐานที่ตั้งไว้

การตรวจสอบความเรียบร้อยในการเชื่อมโลหะ เช่น การเชื่อมท่อ การต่อท่อที่ใช้สำหรับความดันสูง การเชื่อมตัวเรือดำน้ำ การตรวจสอบประเภทนี้สามารถทำได้ โดยใช้รังสีแกมมา ซึ่งสามารถทะลุผ่านแผ่นโลหะได้ โดยนำกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมาวางไว้ด้านหนึ่งของสิ่งที่ต้องการตรวจสอบ แล้วใช้จอหรือแผ่นฟิล์มรับรังสีด้านตรงข้ามกับของสิ่งนั้น เมื่อนำฟิล์มไปล้างสามารถเห็นภาพภายในวัตถุได้ว่ามีรอยร้าวหรือโพรงหรือไม่ การตรวจสอบดังกล่าว จะช่วยประหยัดเวลาและแรงงานกว่าวิธีอื่นๆ เป็นอันมาก

ง. การใช้กัมมันตภาพรังสีหาอายุของวัตถุโบราณ

การหาอายุของวัตถุโบราณมีความสำคัญมากในการศึกษาโบราณคดี และธรณีวิทยา การหาอายุโบราณวัตถุนี้อาจอาศัยหลักการที่ว่า องค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตทั้งหลายคือ ธาตุคาร์บอน ธาตุชนิดนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของคาร์บอน -12 ซึ่งเป็นธาตุเสถียรและมีคาร์บอน -14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีปริมาณน้อย เมื่อคาร์บอนรวมกับออกซิเจนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งพืชจะนำไปใช้ในการปรุงอาหารจากนั้นสัตว์ที่อาศัยพืชเป็นอาหารก็ได้รับคาร์บอนจากพืชอีกต่อหนึ่ง คาร์บอน -14 ในสิ่งมีชีวิตจะสลายด้วยครึ่งชีวิต 5568+- 30 ปี ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างนาน ดังนั้นในขณะที่มีชีวิตอยู่อัตราส่วนของคาร์บอน -14 คาร์บอน -12 ในร่างกายของสัตว์ และในตัวพืชจะมีค่าคงตัว ทั้งนี้ ขึ้นกับชนิดของสัตว์หรือพืชนั้นๆ แต่เมื่อสิ้นชีวิตลง โอกาสที่จะได้รับคาร์บอนตามปกติก็จะหยุดลงด้วย

ภาพ 21 : แสดงเครื่องปั้นดินเผาลายเขียนสีบ้านเชียง จ.อุดรธานี
ดังนั้น อัตราส่วนของคาร์บอนทั้งสอง ดังกล่าวก็ลงเรื่อยๆ และเราสามารถคำนวณหาอายุของสัตว์หรือพืชได้ จากอัตราส่วนดังกล่าว เช่น ในการตรวจวิเคราะห์โครงกระดูกชิ้นหนึ่ง พบว่า อัตราส่วนของคาร์บอน -14 คาร์บอน -12 มีอยู่เพียงร้อยละ 50 ของกระดูกสัตว์ชนิดเดียวกันที่เพิ่งเสียชีวิตใหม่ๆ แสดงว่า เจ้าของโครงกระดูกนั้นได้ตายมาแล้วประมาณ 5,670 ปี

ในประเทศไทยก็ได้มีการค้นพบวัตถุโบราณ เช่น เครื่องปั้นดินเผาลายเขียนสีบ้านเชียง ซึ่งเมื่อทำการตรวจสอบหาอายุโดยใช้รังสีแล้วทำให้ทราบว่า เป็นวัตถุที่มีอายุประมาณ 6,060 ปี ซึ่งแสดงให้เห็นว่า บ้านเชียงเคยเป็นแหล่งที่มีอารยธรรมเก่าแก่มากแหล่งหนึ่งของโลก การค้นพบที่บ้านเชียงที่มีความสำคัญทางโบราณคดี อีกเรื่องหนึ่งได้แก่ การค้นพบหัวหอกอายุประมาณ 5,600 ปีที่ทำด้วยสำริด การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่ามนุษย์ที่มาตั้งถิ่นฐานที่บ้านเชียง รู้จักนำโลหะผสมมาทำเครื่องมือเครื่องใช้แล้ว ที่นี้เป็นแหล่งกำเนิดของอารยธรรมในยุคสำริด

การใช้พลังงานนิวเคลียร์

อาจกล่าวได้ว่าแหล่งกำเนิดของพลังงานนิวเคลียร์มี 2 ประเภท ประเภทแรกคือ จากระเบิดนิวเคลียร์ที่มีอำนาจในการทำลายอย่างมหาศาล ตัวอย่างการนำระเบิดนี้ไปใช้ ได้แก่ ในการขุดคลองและการทหาร เป็นต้น ส่วนอีกประเภทหนึ่งคือ จากฟิชชัน ในการผลิตผลิตกระแสไฟฟ้าของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีหลักในการผลิตกระแสไฟฟ้าคล้ายกับโรงไฟฟ้าที่ใช้เครื่องจักรไอน้ำทั่วๆ ไปแต่แตกต่างกันตรงที่พลังงานที่ใช้ผลิตไอน้ำเป็นพลังงานนิวเคลียร์ หลักการย่อๆ ของโรงไฟฟ้าพลังนิวเคลียร์มีดังภาพ 20.22

ภาพ 20.22 : แสดงแผนภูมิโดยย่อของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

เริ่มต้นด้วยเครื่องปฏิกรนิวเคลียร์ ซึ่งประกอบด้วย แท่งเชื้อเพลิง (ยูเรเนียมหรือพลูโตเนียม) ซึ่งจัดเรียงอยู่กับ มอเดอเรเตอร์ และมีแท่งควบคุม ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมอัตราการเกิดฟิชชันภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในรูปความร้อน ซึ่งเราจำเป็นต้องถ่ายโอนความร้อนนี้ออกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งมักใช้ของเหลว เพื่อนำความร้อนนี้ไปยังเครื่องถ่ายโอนความร้อน ณ ที่นั้นความร้อนจำทำให้น้ำกลายเป็นไอ ไอน้ำก็จะหมุนกังหันซึ่งมีเพลาต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้อาร์มาเจอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนและผลิตกระแสไฟฟ้าออกมาส่งจ่ายตามบ้าน การผลิตกระแสไฟฟ้าวิธีนี้ เป็นวิธีการที่มีต้นทุนของการผลิตต่ำเมื่อคิดในระยะยาว ทั้งนี้ เพราะพลังงานที่ได้นั้น สูงเมื่อเทียบกับพลังงานเชื้อเพลิง ได้มีการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยพลังงานนิวเคลียร์อย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกา และประเทศบางประเทศในยุโรปตะวันออก เช่น รัสเซีย ฯลฯ และแนวโน้มจะมีมากขึ้นในอนาคต ทั้งนี้เพราะเชื้อเพลิงธรรมชาติในรูปของน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติมีปริมาณน้อยลงทุกวัน

พลังงานนิวเคลียร์จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นอกจากจะถูกมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าแล้ว ยังถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนเรือเดินสมุทรเพื่อขนส่งสินค้าระหว่างทวีป เนื่องจากการใช้พลังงานนิวเคลียร์ไม่ต้องการเชื้อเพลิงปริมาณมาก ดังนั้น เนื้อที่ที่ต้องใช้เก็บเชื้อเพลิงสามารถก็นำไปใช้บรรทุกสินค้าได้มากขึ้น และเรื่อไม่จำเป็นต้องแวะเติมเชื้อเพลิงบ่อย ทำให้สามารถนำเรือเดินทางในทะเลได้เป็นเวลานาน ซึ่งข้อได้เปรียบนี้ทำให้มีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนเรือดำน้ำ

ในอนาคตโลกกำลังจะมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนยานอวกาศด้วย เนื่องจากระยะในการเดินทางในอวกาศไกล จรวดไม่สามารถบรรทุกเชื้อเพลิงธรรมดาได้ปริมาณมากพอ จึงจำเป็นต้องอาศัยพลังงานนิวเคลียร์แทน ซึ่งใช้เชื้อเพลิงปริมาณน้อยกว่าทำให้ยานอวกาศไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงบ่อย

เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถผลิตพลังงานได้ปริมาณมาก จึงนำไปใช้เป็นประโยชน์ได้มาก ตัวอย่างหนึ่งคือ การกลั่นน้ำทะเลเป็นน้ำจืดเพื่อใช้ในสถานะที่ริมทะเลที่ขาดแคลนน้ำจืด ก็สามารถทำน้ำจืดใช้ได้โดยอาศัยความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มาแผดเผาให้น้ำเค็มกลายเป็นไอ แล้วเราแยกเอาไอน้ำซึ่งเป็นน้ำจืดออกมาจากน้ำเกลือได้ ณ วันนี้มีโรงผลิตน้ำจืด โดยใช้พลังงานนิวเคลียร์หลายโรงแล้วและใช้ได้ผลดี

เท่าที่กล่าวมานี้ เป็นการนำพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากฟิชชันมาใช้ประโยชน์ ในอนาคตโลกมีความหวัง จะนำพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันมาใช้และ ถ้าทำได้สำเร็จ มนุษย์ก็จะมีพลังงานใช้มากแทบจะกล่าวได้ว่าอีกหลายพันล้านปี ดังที่กล่าวมาแล้วว่า ถ้าเราใช้ดิวเทอเรียมเป็นตัวหลักในการทำฟิวชัน เราจะมีพลังงานใช้ประมาณ 1020 กิโลวัตต์-ปี ทั้งนี้เพราะเชื้อเพลิงดิวเทอเรียมนั้น สามารถสกัดแยกออกมาได้จากน้ำทะเล


ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ ฟิสิกส์ ม.4-5-6 บริษัทไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จำกัด
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.6 สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 30735 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved