บทที่ 7

ธาตุ สมบัติของธาตุและธาตุกัมมันตภาพรังสี

เรื่องที่ 1 โครงสร้างและการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

ความหมายของอะตอม

ดีโมครีตัส (นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่ง ทุกอย่างประกอบขึ้นจากอนภาคที่เล็กมาก จนไม่สามารถมองเห็นได้อนุภาคเล็ก ๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธีการต่าง ๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถแตก็แยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็ก ลงไปอีกได้ ดีโมครี- ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า อะตอม (Atom) จากภาษากรีกที่ว่า atoms ซึ่งมี ความหมายว่า ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ตามความคิดเห็นของเขา อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็ก ที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้

 

ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม

1. ทราบสมบูติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ 

2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่าง ๆโดยพิจารณา จากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จำกัดวงดาว

 

แบบจำลองอะตอม

เป็นที่ยอมรับกันแล้วว่าสารต่าง ๆ นั้นประกอบด้วยอะตอม แต่อย่างไรก็ตามยังไม่มีผู้ใดเคยเห็นรูปร่างที่แท้จริงของอะตอม รูปร่างหรือโครงสร้างของอะตอม จึงเป็นเพียงจินตนาการหรือมโนภาพที่สร้างขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับการทดลอง เรียกว่า “แบบจำลองอะตอม” ซึ่งจัดเป็นทฤษฎีประเภทหนึ่ง แบบจำลองอะตอมอาจเปลี่ยนแปลงไปได้ ตามผลการทดลองหรือข้อมูลใหม่ ๆ เมื่อแบบจำลองอะตอมเดิมอธิบายไม่ได้ ดังนั้นแบบจำลองอะตอม จึงได้มีการแก้ไข พัฒนาหลายครั้งเพื่อให้สอดคล้องกับการทดลองนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์  อิเล็กตรอนที่มีกำลังขยายสูงมากร่วมกับคอมพิวเตอร์และถ่ายภาพที่เชื่อว่าเป็นภาพภายนอก ของอะตอม

 

แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน

จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจาก การทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรกที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้ ซึ่งมี ใจความดังนี้   

• สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุด เรียกว่า “อะตอม” 
• อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ 
• อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
• อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน 
• ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย เช่น CO CO2

 

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

เซอร์  โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด จึงทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี   พ.ศ.2440 (ค.ศ. 1897) และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการดังนี้   

1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยัง ขั้วแอโนดเนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้ ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี 

2. รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวลเนื่องจากรังสีทำให้ใบพัดที่ขวางทางเดินของรังสีหมุนได้เหมือนถูกลมพัด 

3. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า

 

การค้นพบโปรตอน

การค้นพบโปรตอน ในปี   พ.ศ. 2409 ( ค.ศ.1866) ออยเกน โกลด์ชไตน์  นักวิทยาศาสตร์  ชาวเยอรมนีได้ทำการทดลองโดยเจาะรูที่ขั้วแคโทดในหลอดรังสีแคโทด พบว่าเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดจะมีอนุภาคชนิดหนึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไปในทิศทาง ตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดผ่านรูของขั้วแคโทด และทำให้ฉากด้านหลังขั้ว แคโทดเรื่องแสงได้ โกลด์ชไตน์ได้ตั้งชื่อว่า “รังสีแคแนล” (canal ray) หรือ “รังสีบวก” (positive ray) สมบัติของรังสีบวกมีดังนี้   

1. เดินทางเป็นเส้นตรงไปยังขั้วแคโทด 

2. เมื่อผ่านรังสีนี้ไปยังสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า รังสีนี้จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรง ข้ามกับรังสีแคโทด แสดงว่ารังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก 

3. มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สในหลอด และถ้าเป็นแก๊ส ไฮโดรเจนรังสีนี้จะมีอัตราส่วนประจุต่อมวลสูงสุด เรียกอนุภาคบวกในรังสีแคแนลของไฮโดรเจน ว่า “โปรตอน” 

4. มีมวลมากกว่ารังสีแคโทดเนื่องจากความเร็วในการเคลื่อนที่ต่ำกว่ารังสีแคโทด ทอมสันได้วิเคราะห์การทดลองของโกลด์  ชไตน์  และการทดลองของทอมสัน จึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวน ประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ” 

 

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

ในปี   พ.ศ.2453 (ค.ศ.1910) เซอร์  เออร์เนสต์  รัทเทอร์ฟอร์ด (Sir Ernest Rutherford) ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมของทอมสัน และเกิดความสงสัยว่าอะตอมจะมีโครงสร้าง ตามแบบจำลองของทอมสันจริงหรือไม่ โดยตั้งสมมตฐานว่า “ถ้าอะตอมมีโครงสร้าง ตามแบบจำลองของทอมสันจริง ดังนั้นเมือยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเข้าไป ในอะตอม แอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านี้เป็นเส้นตรงทั้งหมดเนื่องจากอะตอมมีความหนาแน่น  l สม่ำสมอเหมือนกันหมดทั้งอะตอม” เพื่อพิสูจน์สมมตฐานนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลอง ยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคาบาง ๆ โดยมีความหนาไม่เกิน 10-4 cm โดยมีฉากสารเรื่อง แสงรองรับ ปรากฏผลการทดลอง ดังนี้   

1. อนุภาคส่วนมากเคลื่อนที่ทะลุผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง 

2. อนุภาคส่วนน้อยเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรง 

3. อนุภาคส่วนน้อยมากสะท้อนกลับมาดานหน้าของแผ่นทองคำ

  “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนร่วมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียส มีขนาดเล็กแต่มีมวลมาก และมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อย มากวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส” จากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทำให้ทราบถึงการจัดโครงสร้างของอนุภาคต่าง ๆในนิวเคลียสแต่ไม่ได้อธิบาย           ว่าอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในลักษณะใด นักวิทยาศาสตร์  ในลำดับต่อมาได้หาวิธีทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส วิธีหนังก็คือการศึกษาสมบัติและปรากฏการณ์ของคลื่นและแสง แล้วนามาสร้างเป็นแบบจำลอง คลื่นชนิดต่าง ๆเช่น คลื่นแสง คลื่นเสียง มีสมบัติสำคัญ 2 ประการคือความยาว คลื่นและความถี่

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็วด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอก     ตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนใน บริเวณต่าง ๆ ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกว่า กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มี กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่นจะมโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับ พลังงานของอิเล็กตรอน  แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอินทก์ระดับพลังงาน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

1.อิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสั้นน จะอยู่กั้นี้เป็นชั้น ๆ ตามระดับพลังงาน ระดับ พลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด (ชั้น K) จะมีพลังงานต่ำที่สุด และอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน ชั้นถัดออกมาจะมีพลังงานสูงขึ้นตามลำดับ พลังงานของอิเล็กตรอนของระดับชั้นพลังงาน K < L < M < N < O < P < Q หรือชั้นที่ 1< 2 < 3 < 5 < 6 < 7

2. ในแต่ละชั้นของระดับพื้ลังงาน จะมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน 22 เมื่อ n  = เลขชั้น เลขชั้นของชั้น K=1, L=2,M=3,N=4,O=5,P=6 และQ=7

ตัวอย่าง  จำนวน e- ในระดับพลังงานชั้น K มีได้ ไม่เกิน 2n2 = 2 x 12 = 2x1 = 2 

                     จำนวน e- ในระดับพลังงานชั้น N มีได้ ไม่เกิน 2n2 = 2 x 42 = 2x16 = 32

3. ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะระดบบัพลังงานชั้นย่อยได้ ไม่เกิน 4 ชั้นย่อย และมีชื่อเรียก ชั้นย่อยดังนี้   s,p,d,f,ในแต่ละชั้นย่อยจะมีจำนวน e-ได้ไม่เกินดังนี้   ระดับพลังงานชั้นย่อย sมี e-  ได้ ไม่เกิน 2 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย pมี e-  ได้ ไม่เกิน 6 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย dมี e ได้ ไม่เกิน 10 ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย fมี e ได้ ไม่เกิน 14 ตัว เขียนนี้เป็น s2 p 6 d 10 f 14

 

 เรื่องที่ 2 ธาตุและตารางธาตุ

ความหมายของธาตุ

ธาตุ (element) สารเป็นสารบริสุทธิ์ที่มีโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันมธาตุที่ค้นพบแล้ว 118 ธาตุเป็นธาตุที่อยู่ในธรรมชาติ 94 ธาตุเช่น โซเดียม (Na) แมกนีเซียม (Mg) คาร์บอน (C) ออกซิเจน (O)  เป็นต้น

เกณฑ์ต่าง ๆ ตามตาราง จะแบ่งธาตุออกเป็น 3 กลุ่มดังนี้   

1. โลหะ (metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ นำความรู้อนที่ดีเหนียวมีจุดเดือดสูงปกติเป็นของแข็งที่อุณหภุ มูห้อง (ยกเว้น ปรอท) เช่น แคลเซียมอะลูมิเนียมเหล็ก  เป็นต้น 

2. อโลหะ (non-metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติไม่นำไฟฟ้า มีจุดหลอมเหลวและจุด เดือดต่ำเปราะบาง และมีการแปรผันทางด้านคุณสมบัติทางกายภาพมากกว่าโลหะ 

3. กึ่งโลหะ (metalloid) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติก่ำกึ่งระหว่างโลหะและอโลหะ เช่น ธาตุซิลิคอน และเจอเมเนิียม มีสมบัติบางประการคล้ายโลหะ เช่น นำไฟฟ้าได้บ้างที่อุณหภูมิปกติและนำไฟฟ้าได้มากขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เป็นของแข็ง เป็นมันวาวสีเงิน จุดเดือดสูง แต่เปราะแตกง่าย คล้ายอโลหะ เช่น ออกซิเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส   เป็นต้น

ตารางธาตุ (Periodic table of elements)

คือตารางที่นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมธาตุต่าง ๆไว้เป็นหมวดหมู่ตามลักษณะ และคุณสมบัติที่เหมือนกัน เพื่อเป็นประโยชน์ในการศึกษาในแต่ละส่วนของตารางธาตุ โดยคาบ ( Period ) เป็นการจัดแถวของธาตุแนวราบ ส่วนหมู่ ( Group ) เป็นการจัดแถวของธาตุใน แนวดิ่ง ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

1. ธาตุหมู่หลัก มีทั้งหมด 8 หมู่ (Group) 7 คาบ (Period) โดยธาตุที่อยู่ด้านซ้ายของ เส้นขั้นบันไดจะเป็นโลหะ (Metal) ส่วนทางด้านขวาเป็นอโลหะ (Non metal) ส่วนธาตุที่อยู่ ติดกับเส้นขั้นบันไดนัน จะ      เป็นกึ่งโลหะ (Metalloid)

2. ธาตุทรานซิชั้น มีทั้งหมด 8 หมู่ แต่หมู่ 8 มีทั้งหมด 3 หมู่ย่อย จึงมธาตุต่าง ๆ รวม 10 หมู่ และมีทั้งหมด 4 คาบ ธาตุอินเนอร์ทรานซิชั้น มี 2 คาบโดยมีชื่อเฉพาะเรียกคำบแรกว่าคาบ แลนทาไนด์ 

3. (Lanthanide series) และเรียกคำบที่สองว่า คาบแอกทิไนด์ (Actinide series) เพราะเป็นคาบที่อยู่ต่อมาจาก 57La (Lanthanum) และ89Ac (Actinium) ตามลำดับ คาบละ 14 ตัวรวมเป็น 28 ตัว

การจัดเรียงธาตุลงในตารางธาตุ

เมื่อทราบการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุต่าง ๆแล้วจะเห็นว่าสามารถจัดกลุ่มธาตุได้ง่ายขึ้น โดยธาตุที่ระดบบัพลังงานเท่ากัน ก็จะถูกจัดอยู่ในคาบเดียวกัน ส่วนธาตุที่มีจำนวน อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุด     เท่ากัน ก็จะถูกจัดอยู่ในหมู่เดียวกัน

ประเภทของธาตุในตารางธาตุ

ธาตุโลหะ (metal) โลหะทรานซิชั้น  เป็นต้นฉบับของโลหะ ธาตุโลหะเป็นธาตุที่มีสถานะ เป็นของแข็ง ( ยกเว้นปรอท ที่เป็นของเหลว) มีผิวที่มันวาว นำความรู้อน และนำไฟฟ้าได้ดี มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง ( ช่วงอุณหภูมิระหว่างจุดหลอมเหลวกับจุดเดือด จะต่างกันมาก) ได้แก่ โซเดียม (Na) เหล็ก (Fe) แคลเซียม (Ca) ปรอท (Hg) อะลูมิเนียม (Al) แมกนีเซียม (Mg) สังกะสี (Zn) ดีบุก (Sn)  เป็นต้น

ธาตุอโลหะ (Non metal) มีได้ทั้งสามสถานะ สมบัติส่วนใหญ่จะตรงข้ามกับโลหะ เช่น ผิวไม่มีันวาว ไม่นำไฟฟ้า ไม่นำความรู้อน จุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่า   เป็นต้น ได้แก่ คาร์บอน (C) ฟอสฟอรัส (P) กามะถัน (S) โบรมีน (Br) ออกซิเจน (O2) คลอรีน (Cl2) ฟลูออรีน (F2)  เป็นต้น

ธาตุกึ่งโลหะ (metalloid) เป็นธาตุกึ่งตัวนำคือมันจะสามารถนำไฟฟ้าได้เฉพาะใน ภาวะหนึ่งเท่านั้น ธาตุกึ่งโลหะเหล่านี้จะอยู่บริเวณเส้นขั้นบันไดได้แก่ โบรอน (B) ซิลิคอน ( Si)  เป็นต้น

ธาตุกัมมันตภาพรังสี เป็นธาตุที่มีส่วนประกอบของ นิวตรอน กับโปรตอน ไม่เหมาะสม (>1.5) ธาตุที่ 83 ขึ้นไปเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสีทุกไอโซโทปมีครึ่งชีวิต

 

สมบัติของธาตุตามตารางธาตุ

สมบัติของธาตุในแต่ละหมู่

ธาตุหมู่ I A หรือโลหะอัลคาไล (alkaline metal) โลหะอัลคาไล ได้แก่ ลิเทียม โซเดียม โพแทสเซียม รูบิเดียม ซีเซียม และแฟรนเซียม มีสมบัติดังนี้   คือเปืนโลหะอ่อน ใช้มีดตัดได้ เป็น หมู่โลหะมีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ จึงต้องเก็บไว้ในน้ำมัน ออกไซด์และไฮดรอกไซด์ของโลหะอัลคาไลละลายน้ำ ได้สารละลายเบส แก่ เมื่อเปืนไอออน จะมีประจุบวก มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ามีความหนาแน่นต่าเมื่อ เทียบกับโลหะอื่น ๆ มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 1

ธาตุหมู II A หรือโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ (alkaline earth) โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ได้แก่ เบริลเลียม แมกนีเซียม แคลเซียม สตรอนเชียม แบเรียม เรเดียม มีสมบัติดังนี้   คือมีความว่องไว ต่อการเกิดปฏิกิริยามาก แต่น้อยกว่าโลหะ อัลคาไล ทำปฏิกิริยากับน้ำได้สารละลายเบส สารประกอบโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธพบมากในธรรมชาติ โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธมีความว่องไวแต่ยัง น้อยกว่าโลหะอัลคาไล โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 2

ธาตุหมู่ III - ธาตุหมู่ III ได้แก่ B Al Ga In Tl มีสมบัติดังนี้   คือ- มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 3

ธาตุหมู่ IV - ธาตุหมู่ IV ได้แก่ C Si Ge Sn Pb มีสมบัติดังนี้   คือ- มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 4

ธาตุหมู่ V - ธาตุหมู่ V ได้แก่ N P As Sb Bi มีสมบัติดังนี้   คือ- มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 5

ธาตุหมู่ VI - ธาตุหมู่ VI ได้แก่ O S Se Te Po - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน  = 6

ธาตุหมู่ VII หรือหมู่แฮโลเจน (Halogen group) หมู่ธาตุแฮโลเจน ได้แก่ ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน ไอโอดีน และแอสทาทีน เป็นหมู่อโลหะที่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด (F ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด) เป็นธาตุที่มีพิษทุกธาตุและมีกลิ่นแรง โมเลกุลของธาตแฮโลเจนประกอบด้วย 2 อะตอม (Cl2 Br2 I2) แฮโลเจนไอออนมีประจุบลบหนึ่ง (F - C - Br - I - At -)

ธาตุหมู่ VIII หรือกาซเฉื่อย หรือกาซมีตระกูล (Inert gas) ก๊าซมีตระกูล ได้แก่ ฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน ซีนอน และเรดอน มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเต็ม 8 อิเล็กตรอน จึงทำให้เป็นก๊าซที่ไม่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยา ก๊าซมีตระกูลอยู่เป็นอะตอมเดียว แต่ยกเว้น Kr กับ Xe ที่สามารถสร้างพันธะได้

ขนาดอะตอมของธาตุต่าง ๆ

ขนาดของอะตอมนั้นถ้าจะพิจารณาถึงปัจจัยต่าง ๆ ที่ส่งผลกระทบต่อขนาดของอะตอม นั้นอาจแบ่ง   แยกออกได้เป็นข้อ เรียงตามลำดับความสำคัญได้ ดังนี้   

1. จำนวนระดับพลังงาน 

2. จำนวนโปรตอน 

3. จำนวนอิเล็กตรอน

ประโยชน์ของตารางธาตุ

1. การจัดธาตุเป็นหมู่และคาบ ทำให้ทราบสมบัติของธาตุในหมู่เดียวกันได้ 

2. สามารถที่จะทราบสมบัติต่าง ๆ จากธาตุในหมู่เดียวกัน จากธาตุที่ทราบสมบัติต่าง ๆแล้ว 

3. นำไปทำนายสมบัติของธาตุต่าง ๆ ที่ยังไม่ทราบในปัจจุบันไว้ล่วงหน้าได้ 

4. ทำให้การศึกษาเรื่องสมบัติของธาตุ เป็นไปอย่างรวดเร็ว

 

เรื่องที่ 3 ธาตุกัมมันตภาพรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element)

ธาตุกัมมันตรังสี คือธาตุที่สามารถปลดปล่อยรังสีออกมาได้เองจากธาตุบางชนิด อันเป็น ผลมาจากการเกิดการเปลี่ยนแปลงหรือเกิดปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของธาตุนั้น ปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของธาตุนี้ มีชื่อเรียกเฉพาะว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reation) เฮนรี่ เบคเคอเรล นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสเปนผู้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีโดยบังเอิญ ในขณะที่ทำการวิเคราะห์เกี่ยวกับรังสีเอกซ์  กัมมันตภาพรังสีมีสมบัติแตกต่างจากรังสีเอกซ์  คือมีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์  การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีเหล่านี้เกิดขึ้นในไอโซโทปของธาตุ ที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอนมาก ทำให้นิวเคลียสของธาตุไม่เสถียรจึงต้องมีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นธาตุที่มีความเสถียรมากขึ้น โดยการสลายตัวเองเพื่อปล่อยอนุภาคภายใน นิวเคลียสออกมาในรูปของการแผ่รังสี การแผ่รังสีของธาตุเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ โดย พบว่าธาตุต่าง ๆ ที่อยู่ในธรรมชาติที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82 ส่วนใหญ่จะสามารถแผ่รังสีได้ทั้งสิ้น ตัวอย่างเช่น ธาตุเรเดียม, ยูเรเนียม, ทอเรียม   เป็นต้น การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะ เกิดขึ้นได้โดยอะตอมของธาตุมีการปลดปล่อยองค์ประกอบ และพลังงานที่อยู่ภายในอะตอมออกมา ทำให้โครงสร้างของอะตอมเปลี่ยนแปลงไป โดยองค์ประกอบและพลังงานของธาตุที่ถูก ปลดปล่อยออกมานั้นจะแผ่ออกมาจากธาตุในรูปของรังสีต่าง ๆ สามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือรังสีแอลฟา,รังสีบีตา และรังสีแกมมา ซึ่งรังสีต่าง ๆ จะมีลักษณะและสมบัติที่แตกต่างกัน 

 

อำนาจการทะลวงของรังสีต่าง ๆ วิธีการควบคุมและป้องกันอันตรายจากรังสี

1. กำหนดระดับของรังสีที่ปลอดภัยที่มนุษย์สามารถยอมรับได้ 

2. การตรวจระดับรังสีที่ร่างกายได้รับสม่ำเสมอ 

3. ควบคุมแหล่งกำเนิดรังสี ควบคุมให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยต่อชุมชนและคนงาน 

4. ควบคุมระยะเวลาในการสัมผัสให้เหลือน้อยที่สุด 

5. มีมาตรการในการเคลื่อนย้าย หรือเก็บขนให้เกิดความปลอดภัยมากที่สุด 

6. ควบคุมระยะห่างระหว่างรังสีกับผู้ปฏิบัติงานให้ห่างมากที่สุด ถ้าไม่จำเป็นไม่ตองอยู่ใกล้ 

7. มีฉากกำบังรังสีที่แข็งแรง และสามารถกั้นรังสีได้จริง 

8. มีการกำจัดกากรังสีอย่างถูกวิธี

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

1. เกิดจากินวเคลียสในสภาวะพื้นฐานได้รับพลังงาน ทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับ พลังงานสูงขึ้น   ก่อนกลับสู่สภาวะพื้นฐาน นิวเคลียสจะคายพลังงานออกมาในรูปรังสีแกมมา 

2. เกิดจากินวเคลียสที่อยู่ในสภาพเสถียร แต่มีอนุภาคไม่สมดุล นิวเคลียสจะปรับตัวแล้ว คายอนุภาคที่ไม่สมดุลออกมาเป็นอนุภาคแอลฟาหรือเบตา

คุณสมบัติของกัมมันตภาพรังสี

1. เดินทางเป็นเส้นตรง 

2. บางชนิดเกิดการเลี้ยวเบนเมือผ่านสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า เช่น a, b 

3. มอำนาจในการทะลุสารต่าง ๆได้ดี 

4. เมื่อผ่านสารต่าง ๆ จะสูญเสียพลังงานไปโดยการทำให้สารนั้นแตกตัวเป็นอิออน ซึ่ง อิออนเหล่านั้นจะ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์อื่น ๆ เช่น ปฏิกิริยาเคมี เกิดรอยดำบนฟิล์มถ่ายรูป 

5. การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส 

5.1 การแผ่กัมมันตภาพรังสี เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส เมื่อนิวเคลียส ปลด   ปล่อยรังสีออกมานิวเคลียสเองจะเปลี่ยนสภาพเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่

  5.2 การแผ่รังสีแอลฟา a นิวเคลียสของธาตุเดิมจะเปลี่ยนไปโดยที่มวล และนิวเคลียสเดิมลดลงเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟา 

5.3 การแผ่รังสีเบตา b ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสใหม่จะเพิ่มหรือลดลง 1 e  หน่วย 

5.4 รังสีแกมมา g เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของนิวเคลียส จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง

เลขมวลและเลขอะตอมของนิวเคลียสที่แผ่รังสีแกมมาออกมา

 

ประโยชน์และโทษของของกัมมันตภาพรังสี

1. ด้านธรณีวิทยา มีการใช้ C-14 คำนวณหาอายุของวัตถุโบราณ หรืออายุของซากดึก ดำบรรพ์การหาอายุวัตถุโบราณและการศึกษาทางธรณีวิทยา ใช้ธาตุกัมมันตรังสีคาร์บอน-14 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 5760 ปี อัตราส่วนของคาร์บอน-14 ต่อคาร์บอน-12 ในพืชและสัตว์มีค่าคงตัว ขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ ภายหลังสิ่งมีชีวิตตายไป อัตรา    ส่วนนี้จะลดลงนามาคำนวณหาอายุวัตถุ โบราณได้

1.1 เครื่องปั่นดินเผาของบ้านเชียง จังหวัดอุดรธานี คำนวณอายุได้ 6,060 ปีทำให้เรา ทราบ   ว่าบ้านเชียงในอดีตเคยเป็นแหล่งอารยธรรมเก่าแก่ของโลก

1.2 หัวหอกทำด้วยสำริดของบ้านเชียงมีอายุ 5,600 ปี

2. ด้านการแพทย์  ใช้รักษาโรคมะเร็ง ในการรักษาโรคมะเร็งบางชนิด กระทำได้โดยการฉายรังสีแกมมาที่ได้จาก โคบอลต์ -60 เข้าไปทำลายเซลล์มะเร็ง ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งในระยะแรก สามารถรักษาให้หายขาดได้ แล้วยังใช้โซเดียม-24 ที่อยู่ในรูปของ NaCl ฉีดเข้าไปในเส้นเลือด เพื่อตรวจการไหลเวียนของโลหิต โดย โซเดียม-24 จะสลายให้รังสีบีตาซึ่งสามารถตรวจวัดได้ และสามารถบอกได้ว่ามีการตีบตันของเสน่เลือดีหรือไม่

การตรวจอวัยวะต่างๆ ภายในร่างกายเพื่อตรวจและพิสูจน์สมมุติฐานของโรค และความผิดปกติของอวัยวะ มักใช้สารกัมมันตรังสี ที่เป็นของเหลว เช่น  เทคนิเชียม-99เอ็ม ใช้ตรวจการทำงานของระบบอวัยวะ เช่น ธัยรอยด์กระดูก สมอง ปอด ตับ ม้าม ไขกระดูก ไต และหัวใจ ไอโอดีน-131และไอโอดีน-123 ใช้ตรวจหาความผิดปกติของต่อมธัยรอยด์และใช้ติดตามผลการรักษา

3. ด้านเกษตรกรรม มีการใช้ธาตุกัมมันตรังสีติดตามระยะเวลาการหมุนเวียน แร่ธาตุในพืช โดยเริ่มต้นจากการดูดซึมที่รากจนกระทั่งถึงการค้ายออกที่ใบหรือใช้ศึกษาความต้องการแร่ธาตุของพืช

4. ด้านอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะจะใช้ประโยชน์จาก กัมมันตภาพรังสีในการควบคุมการรีดแผ่นโลหะ เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอตลอดแผ่น โดยใช้ รังสีบีตายิงผ่านแนวตั้งฉากกับแผ่นโลหะที่รีดแล้ว แล้ววัดปริมาณรังสีที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะ ออกมาด้วยเครื่องวัดรังสี ถ้าความหนาของแผ่นโลหะที่รีดแล้วผิดไปจากความีหน้าที่ตั้งไว้ เครื่องวัดรังสีจะส่งสัญญาณไปควบคุมความหนา โดยสั่งให้มอเตอร์กดีหรือผู้อนลูกกลิ้ง เพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการการใช้วัสดุ

5. ด้านการถนอมอาหาร ใช้รังสีแกมมาของธาตุโคบอลต์ -60 (Co-60) ปริมาณที่พอเหมาะใช้ทำลายแบคทีเรียในอาหาร จึงช่วยให้เก็บรักษาอาหารไว้ได้นานขึ้น

6. ด้านพลังงาน มีการใช้พลังงานความรู้อนที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์  ปรมาณูของ        ยูเรเนียม-238 (U-238) ต้มน้ำให้กลายเป็นไอแล้วผ่านไอน้ำไปหมุนกังหัน เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

 

โทษของธาตุกัมมันตรังสี

เนื่องจากรังสีสามารถทำให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่าน เกิดการแตกตัวเป็นไอออนได้ รังสีจึงมีอันตราย    ต่อมนุษย์  ผลของรังสีต่อมนุษย์สามารถแยกได้เป็น 2 ประเภทคือ

1. ผลทางพันธุกรรม จะมีผลทำให้การสร้างเซลล์ใหม่ในร่างกายมนุษย์เกิดการกลาย พันธุ์  โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์  

2. ความป่วยไข้จากรังสี ส่วนผลที่ทำให้เกิดความป่วยไข้จากรังสีเนื่องจากเมื่ออวัยวะ ส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่าง ๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัวทำให้เกิดอากาป่วยไข้ได้

 

การเกิดอันตรายจากรังสีต่อมนุษย์  อาจแบ่งได้ 2 กลุ่มใหญ่ คือ

1. การได้รับรังสีจากแหล่งกำเนิดรังสีจากภายนอก (External exposure) ความรุนแรง ของการบาดเจ็บ ขึ้นอยู่กับความแรงของแหล่งกำเนิดและระยะเวลาที่ได้รับรังสี แต่ตัวผู้ที่ได้รับอันตรายไม่ได้รับสารกัมมันตรังสีเข้าไปในร่างกาย จึงไม่มีการแผ่รังสี ไปทำอันตรายผู้อื่น 

2. การได้รับสารกัมมันตรังสีเข้าสู่ร่างกาย (Internal exposure) มักพบในกรณีมีการรั่วไหลของสารกัมมันตรังสีที่เป็นก๊าซ ของเหลวหรือฝุ่นละอองจากแหล่งเก็บสารกัมมันตรังสี หรือที่เก็บกากสารกัมมันตรังสีจากการระเบิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร

หลักในการปองกันอันตรายจากรังสี มีดังนี้

1. ใช้เวลาเข้าใกล้บริเวณที่มีกัมมันตภาพรังสีให้น้อยที่สุด 

2. พยายามอยู่ให้ห่างจากกัมมันตภาพรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ 

3. ใช้ตะกั่ว คอนกรีต น้ำหรือพาราฟิน เป็นเครื่องกำบังบริเวณที่มีการแผ่รังสี

 

กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อม (Radioactivity in Environment)

เราอาศัยอยู่บนโลกที่มีกัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อมอยู่ทั่วไป ส่วนใหญ่เป็นรังสีที่มีอยู่ ตามธรรมชาติ (Natural occurring radiation) และบางส่วนเกิดขึ้นจากกิจกรรมของมนุษย์ (Man made radiation) ต้น  กำเนิดของ กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อม แบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่

1. กัมมันตภาพรังสีจากพื้นโลก ซึ่งมีาจากแร่ธาตุต่าง ๆ ที่เป็นองค์ประกอบของโลกโดย มีมาตั้งแต่ โลกถือกำเนิดขึ้นมาแล้ว มีนิวไคลด์กัมมันตรังสี หรือธาตุที่ให้รังสี ที่พบในธรรมชาติ กว่า 60 ชนิด   เป็นต้นกำเนิดที่สำคัญของรังสีที่เราได้รับในแต่ละวัน 

2. กัมมันตภาพจากรังสีคอสมิก เกิดจากรังสีคอสมิกที่มาจากนอกโลก และปฏิกิริยา ระหว่างรังสีคอสมิก กับธาตุที่อยู่ในบรรยากาศของโลกั

3. กัมมันตภาพรังสีที่มนุษย์สร้างขึ้น เกิดขึ้นเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์  ซึ่งมีสัดส่วนที่ค่อนข้างต่ำ เมื่อเทียบกับผลรวมของปริมาณรังสีทั้งหมดในธรรมชาติ