กระจกกำบังรังสี

          กระจกหรือแก้วที่เราพบเห็นกันในชีวิตประจำวันนั้นเป็นที่ทราบกันดีว่าทำมาจากทราย ซึ่งกระจกนั้นมีสมบัติพิเศษหลายอย่างเช่น โปร่งใส แข็งแรง ทนต่อการกัดกร่อนจากสารเคมีได้ดี โดยสมบัติเหล่านี้สามารถปรับแต่งได้ตามความต้องการยกตัวอย่างเช่น ถ้าต้องการให้แก้วทนต่อการกัดกร่อนหรือทำเครื่องแก้วทางวิทยาศาสตร์ ต้องเติมสารอลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ในกระบวนการหลอมแก้ว สำหรับงานทางด้านรังสี โดยทั่วไปแล้ววัสดุที่นำมากำบังรังสีเอกซ์ (X-rays) กับรังสีแกมมา (Gamma rays) คือ แผ่นตะกั่ว แต่แผ่นตะกั่วนั้นมีราคาแพงเพราะต้องทำเป็นแผ่นหนาและความกว้างความยาวจะขึ้นอยู่กับลักษณะของการออกแบบการกำบังรังสี และลักษณะของงานด้วย จึงมีนักวิจัยบางส่วนที่นำไอเดียนี้มารวมกับแก้ว คือการเติมตะกั่วออกไซด์ (PbO) เข้าไปในแก้ว จึงทำให้แก้วที่ผลิตออกมานั้นมีความสามารถในการกำบังรังสีได้ แล้วยังได้ความโปร่งใสจากสมบัติของแก้วอีกด้วย รังสีที่ต้องใช้ตะกั่วในการกำบังคือ รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ส่วนรังสีแอลฟาสามารถกำบังได้ด้วยแผ่นกระดาษหรือไม่ต้องใช้วัสดุกำบังก็ได้ถ้าแหล่งกำเนิดอยู่ภายนอกร่างกาย  เพราะรังสีแอลฟามีอำนาจในการทะลุทะลวงที่ต่ำและสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนติเมตร รังสีบีต้าสามารถกำบังด้วยแผ่นอลูมิเนียมและสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร มีอำนาจในการทะลุทะลวงมากกว่ารังสีแอลฟา จากไอเดียการเติมตะกั่วลงในแก้วแล้วจะทำให้ได้แก้วนั้นมีความสามารถในการกำบังรังสี ผลการทดลองก็เป็นไปตามสมมติฐานนั่นคือสามารถกำบังรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาได้ และได้มีการพัฒนาขีดความสามารถของกระจกกำบังรังสีเรื่อยมาแล้วนำมาประยุกต์ใช้กับงานหลากหลายด้านในปัจจุบัน 


          แล้วกระจกสามารถกำบังรังสีได้อย่างไร? ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับรังสีที่จะกำบัง นั่นคือรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา รังสีพวกนี้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงและถูกปลดปล่อยออกมาจากอะตอมของธาตุที่ไม่เสถียร เช่น Co-60 และ Cs-137 เป็นต้น เนื่องจากมีพลังงานที่สูงเมื่อมากระทบกับเนื้อเยื่อหรือร่างกายก็จะส่งผลกระทบต่อร่างกาย ถ้าร่างกายได้รับปริมาณรังสี (ศัพท์ทางเทคนิคจะเรียกว่าปริมาณรังสีดูดกลืน) มากอาจจะส่งผลทำให้ DNA แตกหักเสียหายได้ (double-strand break) ดังนั้นงานที่เกี่ยวข้องกับรังสีจะต้องมีการป้องกันอันตรายจากรังสี และต้องมีวัสดุในการกำบังรังสีเพื่อไม่ให้ได้รับปริมาณรังสีที่มากเกินไป เมื่อรังสีมากระทบกับวัสดุจะเกิดอันตรกิริยากับวัตถุทั้งหมด 5 อย่าง คือ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric effect) การกระเจิงของคอมป์ตัน (Compton scattering) การผลิตคู่ (Pair production) การกระเจิงแบบเรเลห์ (Rayleigh scattering) และการแตกตัวด้วยแสง (Photodisintegration) แต่อันตรกิริยาหลักๆแล้วจะเกิดแค่ 3 ปรากกฎการณ์ เนื่องจากการกระเจิงแบบเรเลห์และการแตกตัวด้วยแสงมีโอกาสการเกิดที่น้อยมาก ดังนั้นสมบัติการกำบังรังสีจึงวิเคราะห์แค่ 3 ปรากฏการณ์
          ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric effect) เป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่ไอสไตน์อธิบายการทดลองของเฮิรตซ์ โดยการฉายแสงที่มีความถี่สูงไปตกกระทบกับผิวของโลหะแล้วพบว่ามีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะ อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน โลหะแต่ละชนิดมีพลังงานยึดเหนี่ยวที่ยึดอิเล็กตรอนไว้ไม่ให้หลุดออกจากวงโคจรเรียกว่า work function  ถ้าพลังงานที่มากระทบกับผิวโลหะมีมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะสามารถหลุดออกจากวงโคจรได้ ส่วนพลังงานส่วนต่างที่เกินมาจะกลายเป็นพลังงานจลน์สำหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา ถ้ามองอันตรกิริยานี้ในระดับอะตอม พลังงานของโฟตอนที่มากระทบกับอะตอมจะชนกับอิเล็กตรอนวงในแล้วถ่ายเทพลังงานทั้งหมดให้กับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่ถูกชนจะมีพลังงานเพิ่มขึ้นแล้วหลุดออกจากวงโคจร ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้พลังงานของโฟตอนต้องมีค่าต่ำทำอันตรกิริยากับวัสดุที่มีเลขอะตอมสูงและจะต้องมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) 
          การกระเจิงของคอมป์ตัน (Compton scattering) หรืออาจเรียกว่าปรากฏการณ์คอมป์ตัน (Compton effect) เป็นปรากฏการณ์ที่โฟตอนที่มีพลังงานระดับกลางทำอันตรกิริยากับอิเล็กตรอนอิสระหรืออิเล็กตรอนวงนอก หรือพูดง่ายๆก็คือโฟตอนเข้าชนกับอิเล็กตรอนแล้วมีการถ่ายเทพลังงานบางส่วนให้กับอิเล็กตรอน ทำให้โฟตอนมีพลังงานลดลงเพราะถ่ายเทให้กับอิเล็กตรอนเนื่องจากการชน จากนั้นโฟตอนจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ส่วนอิเล็กตรอนที่กระเจิงออกมาเรียกว่า คอมป์ตันอิเล็กตรอน (Compton electron) จะมีพลังงานจลน์เท่ากับผลต่างของพลังงานโฟตอนที่เข้ามาก่อนการชนกับอิเล็กตรอนและพลังงานของโฟตอนที่กระเจิงออกไป นอกจากนี้โฟตอนที่กระเจิงยังสามารถเกิดอันตรกิริยาต่อได้อีก ถ้าหากมีพลังงานงานมากพออาจจะเกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกได้อีกด้วย
          ปรากฏการณ์การผลิตคู่ (Pair production) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนมีพลังงานสูงมากกว่า 1.02 MeV เมื่อโฟตอนทำอันตรกิริยากับสนามไฟฟ้ารอบๆนิวเคลียสของอะตอม พลังงานของโฟตอนจะเปลี่ยนเป็นมวลและพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนกับโพซิตรอน (พลังงานเปลี่ยนเป็นมวลตามสมการของไอสไตน์) จากปรากฏการณ์นี้จะเกิดอิเล็กตรอบกับโพซิตรอนอย่างละ 1 ตัว แต่ถ้ามีพลังงานมากกว่า 2.04 MeV จะสามารถเกิดอิเล็กตรอนได้ 2 ตัว กับโพซิตรอน 1 ตัว เรียกกระบวนการนี้ว่า Triplet production อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นสามารถไปทำอันตรกิริยาต่อได้อีก ในขณะที่โพซิตรอนจะอยู่ในธรรมชาติได้ไม่นาน จะสูญเสียพลังงานและรวมเข้ากับอิเล็กตรอนแล้วเกิดเป็นโฟตอน 2 ตัว มีทิศทางตรงข้ามกัน และมีพลังงานตัวละ 0.511 MeV เรียกกระบวนการรวมระหว่างโพซิตรอนกับอิเล็กตรอนว่า Annihilation 


          จากปรากฏการณ์ทั้ง 3 พบว่าเกิดขึ้นเนื่องจากโฟตอนเข้าชนกับอิเล็กตรอนในอะตอม ดังนั้นถ้าธาตุที่มีเลขอะตอมที่สูงจะมีจำนวนอิเล็กตรอนที่มาก ทำให้มีโอกาสการเกิดอันตรกิริยาทั้ง 3 นี้เพิ่มขึ้น นี่จึงเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมกระจกกำบังรังสีต้องเติมธาตุที่เป็นโลหะหนัก เช่น ตะกั่วออกไซด์ (PbO) บัสมัทออกไซด์ (BiO) เป็นต้น การเกิดปรากฏการณ์ทั้ง 3 ส่งผลต่อสมบัติการกำบังรังสีของกระจก ถ้าเกิดปรากฏการณ์ทั้ง 3 มาก ก็หมายถึงกระจกสามารถลดทอนพลังงานของรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาที่เข้ามาตกกระทบกับกระจกได้ดี ดังนั้นจากที่กล่าวมาข้างต้นจึงเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมกระจกจึงสามารถกำบังรังสีได้ แต่กว่าจะออกมาเป็นกระจกที่ใช้ตามเครื่องมือต่างๆ โรงงาน โรงพยาบาล และสถานที่เกี่ยวข้องกับรังสี ต้องผ่านการทดลอง ทดสอบมากมาย การวิจัยต่างๆ กว่าจะได้กระจกชนิดนี้ออกมา จึงทำให้ค่อนข้างมีราคาสูง  มีงานวิจัยหลายงานเพื่อให้ได้กระจกกำบังรังสีคุณภาพดีแต่ราคาถูกลง และยังคงพัฒนาต่อไปเรื่อยๆ

   

• อ้างอิง
• [1] Parul Kumer, Interaction of radioactivity with matter, http://www.biologydiscussion.com/biochemistry/radioisotope-techniques/interaction-of-radioactivity-with-matter/12933 , สืบค้นเมื่อ 23 ก.ค. 2562
• [2] Hooshang Nikijoo, Shuzo Uehara, Dimitris Emfietzoglou, Interaction of radiation of matter, CRC Press, 2012. สืบค้นเมื่อ 23 ก.ค. 2562
• [3] กีรติญา จันทร์ผง, อันตรกิริยารังสีกับวัตถุ, คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้,  https://erp.mju.ac.th/openFile.aspx?id=MjE5Mzg3&method=inline , สืบค้นเมื่อ 23 ก.ค. 2562
• [4] ชวลิต วงษ์เอก, Interaction of radiation of matter, ภาควิชารังสีเทคนิค มหาวิทยาลัยมหิดล, http://www.coshem.mahidol.ac.th/downloads/RadiationTrainingDay1/อันตรกิริยาของรังสี%20อ.ชวลิต.pdf , สืบค้นเมื่อ 23 ก.ค. 2562
• [5] หนังสือการป้องกันอันตรายจากรังสี ระดับ 1, สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, 2548.
• [6] หนังสือการฝึกอบรมหลักสูตรการป้องกันอันตรายจากรังสี ระดับ 1 , สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ(องค์การมหาชน), กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม, 2562.
• [7] Young and Freedman, หนังสือฟิสิกส์ 3 ระดับอุดมศึกษา, 2559.