การสลายกัมมันตรังสี
(radioactive decay หรือ radioactive disintegration)
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข

การแปลงนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองของนิวไคลด์กัมมันตรังสีหนึ่งให้เป็นนิวไคลด์อีกชนิดหนึ่ง หรือชนิดเดิมที่มีสถานะพลังงานต่างกัน กระบวนการนี้ทำให้จำนวนอะตอมกัมมันตรังสีของสารตั้งต้นลดลงตามเวลาที่ผ่านไป โดยมีกระบวนการหลัก ๆ ได้แก่การปล่อยอนุภาคแอลฟา หรืออนุภาคบีตา และ/หรือรังสีแกมมาออกมา นอกจากนี้ก็ยังมีกระบวนการอื่น ๆ อีก เช่น การจับยึดแบบนิวเคลียร์ (nuclear capture) หรือการสลัดอิเล็กตรอนออกจากวงโคจร หรือการแบ่งแยกนิวเคลียส

การสลายให้อนุภาคแอลฟา (alpha decay) เกิดจากการที่ภายในนิวเคลียสของอะตอมมีอนุภาคโปรตอนมากเกินไป ทำให้เกิดการผลักกันเองอย่างมากระหว่างประจุบวกของโปรตอนเพราะเป็นประจุบวกเหมือนกัน เพื่อลดการผลักกันเองลง อนุภาคแอลฟาซึ่งก็คือนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (ประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาคและนิวตรอน 2 อนุภาค) จึงถูกปล่อยออกมา
ซีบอร์เกียม-263 สลายให้อนุภาคแอลฟา และแปรธาตุเป็น รัทเทอร์ฟอร์เดียม-259

การสลายให้อนุภาคบีตา (beta decay) มีทั้งแบบที่สลายให้อนุภาคบีตาที่มีประจุเป็นลบกับที่มีประจุเป็นบวก แบบที่สลายให้อนุภาคบีตาที่มีประจุลบเกิดเมื่อนิวเคลียสของอะตอมมีสัดส่วนของอนุภาคนิวตรอนต่อโปรตอนสูงมาก ๆ ทำให้อะตอมนั้นขาดความเสถียร เมื่อนิวตรอนมากเกินไป นิวตรอนอนุภาคหนึ่งก็จะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละ 1 อนุภาค ซึ่งอิเล็กตรอนนี้เองที่ถูกปล่อยออกมาและเรียกว่ารังสีบีตา

การสลายให้อนุภาคบีตาแบบที่มีประจุเป็นบวก ก็เป็นไปในทางกลับกัน กล่าวคือถ้าสัดส่วนของอนุภาคนิวตรอนต่อโปรตอนกลับต่ำมาก ๆ แสดงว่ามีโปรตอนมากเกินไปซึ่งก็ทำให้อะตอมนั้นจะไม่เสถียรเช่นกัน ในกรณีนี้โปรตอนอนุภาคหนึ่งก็จะเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอนกับโพซิตรอนอย่างละ 1 อนุภาค โพซิตรอนมีมวลและขนาดของประจุเท่ากับอิเล็กตรอน แต่ชนิดของประจุตรงข้ามกัน คือมีประจุเป็นบวก และโพซิตรอนนี้เองที่ถูกปล่อยออกมาและเรียกว่ารังสีบีตาเช่นกัน

การสลายให้อนุภาคบีตาแบบสลายให้อิเล็กตรอน (รูปบน)
และแบบสลายให้โพซิตรอน (รูปล่าง)
สำหรับการสลายให้รังสีแกมมา (gamma decay) นั้น รังสีแกมมาเป็นอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน เกิดจากขั้นตอนหนึ่งของลูกโซ่การสลายกัมมันตรังสีเมื่อนิวเคลียสขนาดใหญ่เกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส (fission) เป็นนิวเคลียสขนาดกลาง ๆ 2 นิวเคลียสซึ่งยังอยู่ในสถานะเร้า (excited state) และเป็นธรรมชาติที่พยายามจะลดระดับพลังงานลงให้ต่ำที่สุดที่เรียกว่าสถานะพื้น (ground state) ซึ่งมีความเสถียร การลดระดับพลังงานก็โดยการปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมานั่นเอง
นิวเคลียสของดิสโพรเซียม-152 มีขนาดปานกลางที่มักเกิดได้จากปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส
การสลายกัมมันตรังสีน่าสนใจอีกแบบหนึ่งเรียกว่าการจับยึดอิเล็กตรอน (electron capture) ซึ่งเกิดเมื่อสัดส่วนของอนุภาคนิวตรอนต่อโปรตอนต่ำมาก ๆ คือมีนิวตรอนน้อยเกินไปเช่นเดียวกับการสลายให้โพซิตรอน แต่พลังงานไม่สูงพอที่จะปล่อยโพซิตรอนออกมา กรณีเช่นนี้นิวเคลียสจะใช้วิธีจับเอาอิเล็กตรอน 1 อนุภาคของอะตอมตัวมันเองที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียสเข้ามาไว้ในนิวเคลียส และรวมเข้ากับโปรตอนกลายเป็นนิวตรอนกับนิวทริโนอย่างละ 1 อนุภาค พร้อมกับเกิดการแปรธาตุ เช่น เบริลเลียม-7 แปรธาตุเป็นลิเทียม-7 อนึ่ง อิเล็กตรอนที่ถูกจับยึดนี้จะเป็นอิเล็กตรอนจากวงโคจรระดับชั้นในสุด คือระดับชั้นชั้น-เค (K-shell) ดังนั้นการสลายแบบนี้จึงมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า เค-แคปเชอร์ (K-capture) และเมื่ออิเล็กตรอนจากระดับชั้นนอก ๆ เข้ามาแทนที่อิเล็กตรอนที่ถูกนิวเคลียสจับยึดไป ระดับพลังงานใหม่ที่ระดับชั้น-เคนี้จะต่ำกว่าเดิม จากนั้น พลังส่วนที่เกินก็จะถูกปล่อยออกไปในรูปของรังสีเอกซ์
การจับยึดอิเล็กตรอน ทำให้ โปรตอนลดลง 1 อนุภาคโดยเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอน
อันที่จริงนิวไคลด์กัมมันตรังสีมีการสลายได้อีกมากมายหลายแบบดังสรุปไว้ในตารางด้านล่าง โดยหากแทนนิวเคลียสของนิวไคลด์กัมมันตรังสีตั้งต้นด้วยสัญลักษณ์ (A, Z) (A คือ น้ำหนักเชิงอะตอม และ Z คือ เลขเชิงอะตอม) ดังนั้น ภายหลังการสลายจะเกิดนิวไคลด์ชนิดใหม่ที่มีนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงเป็นอย่างไรนั้น ได้แสดงไว้ในช่องขวามือสุดของตาราง
รูปแบบของการสลาย
(Mode of decay)
อนุภาคที่มีส่วนร่วม
(Participating particles)
นิวเคลียสของ
นิวไคลด์ลูก
(Daughter nucleus)
การสลายโดยการปล่อยนิวคลีออน (โปรตอนและ/หรือนิวตรอน) (Decays with emission of nucleons)
การสลายให้แอลฟา (alpha decay) แอลฟา 1 อนุภาค (A=4, Z=2) ปล่อยออกจากนิวเคลียส (A-4, Z-2)
การปล่อยโปรตอน (Proton emission) โปรตอน 1 อนุภาคปล่อยออกจากนิวเคลียส (A-1, Z-1)
การปล่อยนิวตรอน (Neutron emission) นิวตรอน 1 อนุภาคปล่อยออกจากนิวเคลียส (A-1, Z)
การปล่อยโปรตอน 2 อนุภาค (Double Proton emission) โปรตอน 2 อนุภาคปล่อยออกจากนิวเคลียสพร้อมกัน (A-2, Z-2)
ฟิชชันเกิดเอง (Spontaneous fission) นิวเคลียสแบ่งแยกเป็น 2 นิวเคลียส หรือมากกว่าที่เล็กลง พร้อมกับปล่อยอนุภาคอื่น ๆ ออกมาด้วย -
การสลายให้กลุ่มอนุภาค(Cluster decay) นิวเคลียสปล่อยนิวเคลียสที่โตกว่าอนุภาคแอลฟาออกมา (A1, Z1) (A-A1, Z-Z1) + (A1,Z1)
รูปแบบต่าง ๆ ของการสลายเชิงบีตา (Different modes of beta decay)
การสลายให้อนุภาคบีตาลบ (Beta-Negative decay) นิวเคลียสปล่อยอิเล็กตรอน และแอนตินิวทริโน ออกมา อย่างละ 1 อนุภาค (A, Z+1)
การปล่อยโพซิตรอน หรือ การสลายให้อนุภาคบีตาบวก (Positron emission, also Beta-Positive decay) นิวเคลียสปล่อยโพซิตรอนและนิวทริโนออกมาอย่างละ 1 อนุภาค (A, Z-1)
การจับยึดอิเล็กตรอน (Electron capture) นิวเคลียสจับยึดอิเล็กตรอนจากวงโคจร 1 อนุภาคแล้วปล่อยนิวทริโนออกมา 1 อนุภาค และแปรเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ ในสถานะเร้าซึ่งไม่เสถียร (A, Z-1)
การสลายให้อนุภาคบีตา 2 อนุภาค (Double beta decay) นิวเคลียสปล่อยอิเล็กตรอน และแอนตินิวทริโน ออกมา อย่างละ 2 อนุภาค (A, Z+2)
การจับยึดอิเล็กตรอน 2 อนุภาค (Double electron capture) นิวเคลียสจับยึดอิเล็กตรอนจากวงโคจร 2 อนุภาค แล้วปล่อยนิวทริโนออกมา 2 อนุภาค และแปรเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ ในสถานะเร้าซึ่งไม่เสถียร (A, Z-2)
การจับยึดอิเล็กตรอน ร่วมกับการปล่อยโพซิตรอน (Electron capture with positron emission) นิวเคลียสจับยึดอิเล็กตรอนจากวงโคจร 1 อนุภาค และปล่อยโพซิตรอน 1 อนุภาค กับนิวทริโน 2 อนุภาค ออกมา (A, Z-2)
การปล่อยโพซิตรอน 2 อนุภาค (Double positron emission) นิวเคลียสปล่อยโพซิตรอน และนิวทริโน ออกมา อย่างละ 2 อนุภาค (A, Z-2)
การเปลี่ยนระหว่างสถานะของนิวเคลียสเดียวกัน (Transitions between states of the same nucleus)
การสลายให้รังสีแกมมา (Gamma decay) นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะเร้า ปลดปล่อยโฟตอนพลังงานสูง (รังสีแกมมา) ออกมา 1 อนุภาค (A, Z)
การแปลงผันภายใน (Internal conversion) นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะเร้า ถ่ายโอนพลังงานให้กับ อิเล็กตรอน ในวงโคจรอนุภาคหนึ่ง และสลัดอิเล็กตรอนนั้น ออกจากอะตอม (A, Z)
อนึ่ง ในการสลายกัมมันตรังสีนั้น ผลรวมของมวลของนิวไคลด์ชนิดใหม่ และอนุภาคทุกชนิดที่เกิดขึ้นใหม่ เมื่อเทียบกับนิวไคลด์ตั้งต้น จะพบมวลหายไปส่วนหนึ่งเสมอ ซึ่งได้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานตามสมการ E = mc2 โดยเป็นพลังงานจลน์ของอนุภาคชนิดต่าง ๆ ที่ปล่อยออกไปนั่นเอง