4.4. ไอโซโทป

         เมื่อพิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสบางกลุ่ม ที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น กลุ่มของยูเรเนียม ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียม - 234 ยูเรเนียม - 235 และยูเรเนียม - 238 นิวเคลียสต่างๆ ในกลุ่มนี้มีเลขอะตอมเท่ากัน คือ 92 แต่มีเลขมวลต่างกัน นั่นคือ นิวเคลียสเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ว่า เป็น ไอโซโทป ( isotopes) ของธาตุเดียวกัน

           ไอโซโทปของธาตุหนึ่งอาจมีทั้งที่ไม่เสถียรคือมีการสลายต่อไป ที่เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี ( radioisotopes) และที่ไม่มีการสลายต่อไปซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปเสถียร ( stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมี 5 ชนิด ซึ่งแบ่งออกเป็น ไอโซโทปกัมมันตรังสี 2 ชนิด คือ ตะกั่ว -210 และตะกั่ว - 214 และไอโซโทปเสถียร 3 ชนิด คือ ตะกั่ว - 206 ตะกั่ว - 207 และตะกั่ว - 208 สำหรับธาตุบางธาตุอาจมีไอโซโทปกัมมันตรังสีก็ได้

           ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ เพื่อใช้ในวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เราเรียกไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติว่า ไอโซโทปประดิษฐ์ ( artificial radioisotopes) ธาตุกัมมันตรังสีในตาราง 4.5 ล้วนเป็นไอโซโทปประดิษฐ์ทั้งสิ้น

            ไอโซโทปของไฮโดรเจน

           ไฮโดรเจนมีไอโซโทป 3 ชนิด ชนิดแรก คือไฮโดรเจนธรรมดา มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน ชนิดที่สอง มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 1 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ดิวเทอเรียม ( deuterium) และนิวเคลียสของดิวเทอเรียม เรียกว่า ดิวเทอเรียม ( deuterium) ชนิดที่สาม มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ทริเทียม ( tritium) และนิวเคลียสของทริเทียม เรียกว่า ทริทอน ( triton) ไอโซโทปสองตัวแรก เป็นไอโซโทปที่มีในธรรมชาติ ส่วนทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ

         เนื่องจากไอโซโทปของธาตุเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากันแต่เลขมวลต่างกัน จึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่สมบัติทางกายภาพต่างกัน ดังนั้นการวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง จึงไม่สามารถกระทำได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี แต่ด้วยเหตุที่ไอโซโทปเหล่านี้มีสมบัติทางกายภาพต่างกัน เช่น มีมวลต่างกัน การวิเคราะห์ไอโซโทปเหล่านี้ จึงทำได้โดยจำแนกมวล เพราะเหตุว่ามวลของไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะแตกต่างกันน้อยมาก ดังนั้นการวิเคราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใช้เครื่องมือ ที่วัดมวลได้ละเอียดมาก เครื่องมือประเภทนี้ได้แก่ แมสสเปกโทรมิเตอร์ ( mass spectrometer) ดังจะได้ศึกษารายละเอียดในการใช้หามวลดังต่อไปนี้

           แมสสเปกโทรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้จำแนกมวลอะตอมของธาตุต่างๆ โดยอาศัยหลักการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบที่สำคัญของแมสสเปกโทรมิเตอร์ได้แก่ ส่วนเร่งอนุภาค ส่วนคัดเลือกความเร็ว และส่วนวิเคราะห์ ดังรูป 4.18 ส่วนเร่งอนุภาคมีหน้าที่ทำให้ไอโซโทปที่อยู่ในสภาพแก๊สกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า การเร่งอนุภาคนี้ให้มีความเร็วสูงขึ้นกระทำได้โดยใช้สนามไฟฟ้าอนุภาคจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเล็กและเข้าไปยังส่วนคัดเลือก           ความเร็วซึ่งประกอบ ด้วยบริเวณที่มีทั้งสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก ในทิศตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังรูป 4.19 ดังนั้นแรงที่กระทำต่ออนุภาคอันเนื่องจากสนามทั้งสองนี้ จะมีทิศทางตรงข้ามกัน

           ถ้าความเร็วของอนุภาคมีค่าที่ทำให้ขนาดของแรงอันเนื่องจากสนามทั้งสองมีค่าเท่ากัน จะเกิดสมดุลของแรง มีผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่คือวิ่งตรงผ่านช่องเปิดได้ ส่วนอนุภาคที่ความเร็วต่างไปจากค่านี้จะมีแนวการเคลื่อนที่ต่างไป ทำให้ไม่สามารถผ่านช่องเปิดได้

           ถ้าเราให้อนุภาคซึ่งเคลื่อนที่จากส่วนเร่งอนุภาคเข้ามาในส่วนคัดเลือกความเร็ว ( ซึ่งเป็นบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก B ) มีอัตราเร็วเท่ากับ v และประจุไฟฟ้าของอนุภาคนั้นเป็น q จะได้ว่า
                                 qvB = qE
                               หรือ
           จะเห็นได้ว่า อัตราเร็ว v หาได้จากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแม่เหล็กในบริเวณส่วนคัดเลือกความเร็ว กลุ่มอนุภาคที่มีอัตราเร็วดังกล่าวนี้จะวิ่งเข้าสู่ส่วนวิเคราะห์ซึ่งมีสนามแม่เหล็ก B ่ที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของอนุภาค แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กนี้ จะทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวโค้งรูปวงกลม ดังรูป 4.20

ถ้าให้ R เป็นรัศมีความโค้งของวงกลม และ m เป็นมวลของอนุภาคจะได้
                                
                                และ  
                                   
           จากสมการ ( 4.9) จะเห็นได้ว่า มวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้งและเนื่องจากมวลของแต่ละไอโซโทปต่างกัน ดังนั้นรัศมีความโค้งของแต่ละไอโซโทปจะมีค่าไม่เท่ากัน เมื่อกระทบแผ่นฟิล์ม จะทำให้เกิดรอยดำ เราจึงใช้เครื่องมือนี้จำแนกไอโซโทปได้ ในการวิเคราะห์ผลนั้น E,B,B',R เป็นปริมาณที่วัดได้จากการทดลอง และ q คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาค ดังนั้นจึงหามวล m ได้ โดยวิธีการนี้ ทำให้เราสามารถหามวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ ได้ มวลอะตอมของไอโซโทป บางชนิดแสดงไว้ในตาราง 4.6