Nuclear Science
STKC 2555

มาดามกูรีกับเรเดียม 1 กรัม

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          มารี กูรี (Marie Curie) กับสามีคือ ปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) ค้นพบธาตุ “พอโลเนียม” (polonium) เมื่อเดือนกรกฎาคม ปี 1898 และในปีเดียวกัน (เดือนธันวาคม) ก็ค้นพบธาตุ “เรเดียม” (radium) ด้วย
ปีแอร์ (คนกลาง) และ มารี กูรี ในห้องปฏิบัติการที่ทั้งคู่ค้นพบเรเดียม

          เรเดียมพบกระจัดกระจายทั่วไปเป็นปริมาณน้อยในเปลือกโลก โดยมีปนอยู่ในแร่ที่มีองค์ประกอบยูเรเนียมและทอเรียมทุกชนิด เรเดียมมีสมบัติทางเคมีคล้ายคลึงกับแบเรียม จึงมักพบทั้งเรเดียมและแบเรียมปนในแร่ยูเรเนียม แรกเริ่มเดิมที พบเรเดียมได้จากสินแร่ พิตช์เบลนด์ (pitchblende) จากโบฮีเมีย เป็นหลัก ต่อมาพบในทรายแร่ คาโนไทต์ (carnotite) แถบมลรัฐโคโลราโด ประเทศสหรัฐอเมริกา แต่สินแร่ที่สมบูรณ์กว่ามีอยู่ในสาธารณรัฐซาอีร์ และบริเวณทะเลสาบเกรตเลก (Great Lake) ประเทศแคนาดา ซึ่งความเข้มข้นของเรเดียมในแร่ที่มียูเรเนียมตกประมาณ เรเดียม 1 ส่วน ในยูเรเนียม 3 ล้านส่วน ยกตัวอย่างในแร่พิตช์เบลนด์ทุก ๆ 7 ตัน จะมีเรเดียมประมาณ 1 กรัม ดังนั้น ในอดีตเรเดียมจึงเป็นสารปนปนเปื้อนหลักในกากขยะของเหมืองและโรงแต่งแร่ต่าง ๆ เช่น ในหางแร่จากการแต่งแร่ยูเรเนียม และพบในกากกัมมันตรังสีหลายชนิดที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมแปรสภาพแร่ยูเรเนียม

          สมัยก่อนมีการใช้เรเดียมเป็นสีสะท้อนแสง เช่น พรายน้ำหน้าปัดนาฬิกา (จะมีเรเดียมประมาณ 1 ไมโครกรัม) สวิตช์ (ต่อมาใช้โพรมีเทียมแทน และปัจจุบันใช้ทริเทียมแทน) เรเดียมยังเคยใช้ผสมในสินค้าอุปโภคและบริโภคหลายชนิด เช่น ยาสีฟัน น้ำมันใส่ผม แม้แต่ในอาหารบางชนิดกับตัวยาหลายชนิด โดยเชื่อว่ามีฤทธิ์ในทางการรักษา แต่ต่อมาเมื่อพบผลในทางร้ายแก่สุขภาพ จึงมีการห้ามใช้ และการใช้เรเดียมในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เช่น เมื่อปี 1909 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ใช้เรเดียมเป็นต้นกำเนิดรังสีแอลฟาจนสามารถค้นพบนิวเคลียสของอะตอม เรเดียมยังมีใช้ร่วมกับเบริลลเลียมเป็นต้นกำเนิดนิวตรอน นอกจากนี้เรเดียม (มักใช้ในรูปเรเดียมคลอไรด์) ยังสลายให้แก๊สกัมมันตรังสีเรดอน ซึ่งมีครึ่งชีวิตสั้นเพียง 4 วัน สามารถแยกออกมาบรรจุไว้ในหลอดเล็ก ๆ สำหรับใช้รักษาโรคมะเร็งและโรคอื่น ๆ

          นานปีทีเดียวที่ส่วนที่เหลือจากกระบวนการสกัดยูเรเนียมถูกทิ้งกองไว้อย่างไร้ค่า จนกระทั่งมาดามกูรีได้ค้นพบธาตุเรเดียม เมื่อเธอวิเคราะห์พบว่า องค์ประกอบของแร่พิตช์เบลนด์ที่นำมาสกัดยูเรเนียมยังมีธาตุกัมมันตรังสีอื่นปนอยู่อีก ในขั้นต้น แร่ถูกหลอมรวมกับโซเดียมคาร์บอเนต แล้วนำมาละลายในกรดเกลือ (กรดไฮโดรคลอริก) ซึ่งโลหะธาตุในกลุ่มเดียวกับตะกั่ว เช่น ตะกั่ว ทองแดง และบิสมัท ถูกแยกออกไปได้ โดยการตกตะกอนด้วยไฮโดรเจนซัลไฟด์ อนึ่ง ยังมี “ธาตุกัมมันตรังสี” ธาตุหนึ่ง ที่แยกออกมาพร้อมกับบิทมัท ได้แก่ “พอโลเนียม” ชื่อนี้ตั้งขึ้นเป็นเกียรติตามชื่อประเทศโปแลนด์ อันเป็นมาตุภูมิของมาดามกูรี

          ขั้นตอนต่อมา คือการแยกโลหะที่เหลืออยู่อีก เช่น เหล็กและสังกะสี ออกได้ด้วยการตกตะกอนกับสารประกอบที่เหมาะสมต่อ ๆ ไป

การสกัดเรเดียมในโรงไม้เก่า ๆ หลังคากระจกรั่ว ๆ และพื้นเป็นบิทูมินัส (ยางมะตอย)

          ในขั้นตอนสุดท้าย หลังจากแยกเอาโลหะสองกลุ่มออกไปแล้ว สารผสมที่เหลืออยู่ในสารละลายก็คือ แบเรียมคลอไรด์และเรเดียมคลอไรด์ ซึ่งกระบวนการแยกสารประกอบทั้งสองออกจากกัน เป็นกระบวนการที่น่าเบื่อหน่าย เพราะต้องทำซ้ำ ๆ เพื่อแยกเอาเรเดียมคลอไรด์ออกมา วิธีการของมาดามคูรีนี้คือวิธี “การตกผลึกลำดับส่วน” (fractional crystallization) ใช้หลักการที่ว่า เรเดียมคลอไรด์สามารถละลายในน้ำได้น้อยกว่าแบเรียมคลอไรด์ ดังนั้นเมื่อนำของผสมนี้ละลายในน้ำหรือแอลกอฮอล์ แล้วเคี่ยวให้ตกผลึก ในผลึกจะมีเรเดียมตกค้างเป็นสัดส่วนสูงกว่าในสารละลาย จากนั้นก็แยกผลึกออกมาละลายน้ำและตกผลึกซ้ำอีก ในผลึกจะมีสัดส่วนของเรเดียมสูงขึ้น การตกผลึกแล้วละลายน้ำแล้วตกผลึกอีกซ้ำ ๆ ไปเช่นนี้ จนกระทั่งในผลึกแทบไม่มีแบเรียมหลงเหลืออยู่ เรเดียมคลอไรด์บริสุทธิ์ที่สุดที่ได้นี้ จะมีกัมมันตภาพรังสีสูงมาก โดยสูงกว่ากัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียมถึง 1,500,000 เท่าตัว

          กรรมวิธีสกัดเรเดียมของมาดามกูรีกินเวลามากและยากเย็นแสนเข็ญ อีกทั้งไม่สามารถสกัดเอาแบเรียมออกได้ “เกลี้ยง” นอกจากนี้ยังสกัดเรเดียมได้คราวละน้อย ทำให้เรดียมเป็นสารที่หาได้ยากมาก ทั้งนี้ถึงปี 1902 เรเดียมคลอไรด์บริสุทธิ์ที่มารีและปีแอร์ กูรี สกัดจากกากแร่พิตช์เบลนด์หลายตัน (ในเวลาประมาณ 2 ปี) มีประมาณ 0.1 กรัมเท่านั้น และทุกวันนี้ทั่วทั้งโลก เรียกได้ว่ามีเรเดียมคงคลังที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์แล้วอยู่ไม่มาก จึงทำให้เรเดียมมีราคาสูงมาก จนการวิจัยและการใช้ประโยชน์ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ ยกตัวอย่างในปี 1918 ในสหรัฐอเมริกาผลิตเรเดียมได้ 13.6 กรัม และถึงปี 1954 ทั่วโลกมีเรเดียมบริสุทธิ์ประมาณ 2.3 กิโลกรัม

          เรเดียมบริสุทธิ์ในรูปของโลหะก็มีการสกัดโดยมารี กูรี เอง ในปี 1910 โดยสกัดร่วมกับผู้ร่วมงานชื่อ อองเดร-ลุยส์ เดอบีแยน (Andr?-Louis Debierne ผู้ค้นพบธาตุแอกทิเนียมเมื่อปี 1899) ด้วยกรรมวิธี การแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis) จากสารละลายเรเดียมคลอไรด์ ที่มีปรอทเป็นแคโทด ซึ่งเมื่อจับกับเรเดียม (amalgam) ก็นำมาระเหยปรอทออกไปในบรรยากาศของแก๊สไฮโดรเจน ได้เป็นโลหะเรเดียมบริสุทธิ์

อองเดร-ลุยส์ เดอบีแยน (1874–1949) ภาพนี้ถ่ายในราวปี 1901

          ในเชิงพาณิชย์ เรเดียมมีการผลิตในรูปของเกลือโบรไมด์หรือเกลือคลอไรด์ มักสงสัยกันว่า ในปัจจุบันยังจะหาซื้อเรเดียมสกัดในปริมาณมาก ๆ ได้หรือไม่ เนื่องจากในช่วงทศวรรษ 1940 ซึ่งมีความต้องการเรเดียมสูง เพื่อใช้ด้านรังสีเอกซ์ และการใช้ด้านอื่น ๆ ที่เกี่ยวกับสงคราม ระยะนั้นราคาเรเดียมต่อกรัมจึงผันผวน แต่ต่อมา เหมืองและผู้ประกอบการในประเทศแคนาดาสามารถผลิตออกมามากขึ้น ทำให้ราคาตกเหลือกรัมละ 10,000 ดอลลาร์อเมริกัน มาถึงปัจจุบันมีสิ่งทดแทนการใช้ประโยชน์เรเดียมทุก ๆ ด้าน จึงไม่มีเรเดียมบริสุทธิ์จำหน่ายแล้ว จึงบอกไม่ได้ว่าราคามาตรฐานสำหรับเรเดียม 1 กรัม เป็นเท่าใด

          ดังกล่าวข้างต้นแล้วว่า มารีและปีแอร์ กูรี สามารถสกัดแบเรียมคลอไรด์บริสุทธิ์กับมือตัวเองได้ 0.1 กรัมเท่านั้นเมื่อปี 1902 ปริมาณนี้คิดเป็น 10 เปอร์เซ็นต์ของ 1 กรัมเท่านั้น อย่างไรก็ดี มารี กูรี เคยเป็นเจ้าของกรรมสิทธิ์เรเดียมหนัก 1 กรัม รวม 3 ครั้ง

          มารี กูรี มีส่วนเข้าไปเกี่ยวข้องกับ “เรเดียม 1 กรัม” เป็นครั้งแรก โดยเมื่อมีการตั้งหน่วยวัดกัมมันตภาพรังสีว่า “คูรี” เธอเป็นผู้ผลักดัน ให้เท่ากับอัตราการสลายของ เรเดียมหนัก 1 กรัม ในขณะที่ความเห็นอื่น ๆ ให้ใช้การสลายของยูเรเนียมบ้าง เป็นต้น รายละเอียดของเรื่องนี้อ่านได้ในอีกบทความหนึ่ง เรื่อง หน่วยคูรี ตั้งตามชื่อใคร ?

          ครั้งที่ 2 กลุ่มผู้หญิงอเมริกันมีความประทับใจใน มารี กูรี ที่อุทิศตนให้กับชาวโลก เธอไม่จดสิทธิบัตรการสกัดและการใช้เรเดียมที่เธอค้นพบ และเมื่อทราบว่า มารี กูรี สกัดเรเดียมได้ไม่พอกับความต้องการของสถาบันเรเดียมที่ตั้งขึ้นที่กรุงปารีส จึงรณรงค์หาเงิน 100,000 ดอลลาร์อเมริกันเพื่อจัดซื้อเรเดียม 1 กรัม ให้กับมารี กูรี ดังนั้น เมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม 1921 มารี กูรี จึงเดินทางไปเยือนทำเนียบขาวเพื่อรับของขวัญเป็นเรเดียม 1 กรัม จากประธานาธิบดีวอร์เรน ฮาร์ดิง (President Warren Harding) โดยรับมอบกุญแจทองคำสำหรับไขกำปั่นใส่เรเดียม กับประกาศนียบัตรสำหรับสารกัมมันตรังสี ออกโดย สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติ (National Bureau of Standards) ลงนามโดยผู้อำนวยการสำนักงาน แซมิวเอล ดับเบิลยู.สแตรตตัน (Samuel W. Stratton) ระบุข้อมูลของเรเดียมที่มอบ ซึ่งแบ่งบรรจุในหลอดแก้วที่ ผนึกสนิทแบบทึบอากาศ (hermetically sealed) 10 หลอด ๆ ละ 100 มิลลิกรัม ความบริสุทธิ์ไม่ใช่ระดับสารมาตรฐาน แต่บริสุทธิ์พอเพียงใช้งาน โดยเทียบมาตรฐานด้วยรังสีแกมมากับ มาตรฐานเรเดียมทุติยภูมิ หมายเลข 6 (Secondary Radium Standard No.6) ของสำนักงานมาตรฐานแห่งชาติ ในประกาศนียบัตรระบุว่า “ความคลาดเคลื่อนของค่าเรเดียมเทียบเท่าของตัวอย่างเหล่านี้ มีค่าไม่เกิน 0.7 ของ 1 เปอร์เซ็นต์”

 
          ครั้งที่ 3 ในอีกแปดปีต่อมา มารี กูรี ก็เยือนสหรัฐอเมริกาอีกเป็นครั้งที่สอง เมื่อปลายเดือนตุลาคม 1929 ด้วยจุดประสงค์เดิม คือมารับของขวัญ “เรเดียม” จากประชาชนอเมริกัน โดยในคราวนี้ มารี กูรี ต้องการเรเดียมไปมอบให้กับสถาบันเรเดียมแห่งใหม่ ณ กรุงวอร์ซอว์ประเทศโปแลนด์ สิ่งที่แตกต่างกับคราวแรก คือ คราวนี้ไม่มีการมอบเรเดียมจริง แต่มอบเป็นตั๋วแลกเงินธนาคารมูลค่า 50,000 ดอลลาร์อเมริกัน สำหรับนำไปซื้อเรเดียมได้ 1 กรัม จากบริษัทของเบลเยียม ซึ่งทำเหมืองและแปรสภาพเรเดียมในเชิงพาณิชย์อยู่ในในประเทศคองโก (ขณะนั้นอยู่ในปกครองของประเทศเบลเยียม เรียกว่า Belgian Congo) มีข้อน่าสังเกตว่า ผ่านมา 8 ปี ราคาของเรเดียมตกลงมาครึ่งหนึ่ง จาก 100,000 เหลือ 50,000 ดอลลาร์อเมริกันต่อเรเดียม 1 กรัม และมารี กูรี รับมอบตั๋วแลกเงินธนาคารจาก ประธานาธิบดีเฮอร์เบิร์ต ฮูเวอร์ (President Herbert Hoover) ที่ทำเนียบขาว

          เรื่องของมาดามคูรีกับเรเดียม 1 กรัม จบเพียงนี้

แหล่งข้อมูล :
ANL factsheet
http://www.nist.gov/pml/general/curie/1921.cfm
http://www.nist.gov/pml/general/curie/1929.cfm
http://www.lateralscience.co.uk/radium/RaDisc.html
http://www.nuenergy.org/alt/GoingBeyondTheCuries.htm

โพสต์เมื่อ : 24 พฤษภาคม 2555