รังสีคอสมิก (cosmic ray)

         รังสีคอสมิก (cosmic ray) คืออนุภาคพลังงานสูงที่วิ่งไปมาอยู่ทั่วอวกาศ ส่วนใหญ่จะเป็นโปรตอน บางครั้งก็พุ่งเข้ามาที่โลก แต่ส่วนใหญ่รังสีคอสมิกไม่สามารถทำลายสิ่งมีชีวิตถึงพื้นโลก เพราะเราได้รับความคุ้มครองจากชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็กของโลก นักวิทยาศาสตร์สงสัยมาเนิ่นนานนับศตวรรษแล้วว่ารังสีคอสมิกเกิดขึ้นมาได้อย่างไร (รังสีคอสมิกถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1912) อนุภาคพลังงานสูงปริมาณมหาศาลคงจะไม่ได้โผล่ออกมาเอง มันจะต้องมีที่มาที่ไปสักอย่าง แต่การหาแหล่งที่มาของโปรตอนนั้นดูจากทิศทางของรังสีคอสมิกไม่ได้ เพราะโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เวลามันวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กในอวกาศ มันก็เปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา ไม่ได้วิ่งเป็นเส้นตรงเหมือนแสงหรือนิวตริโนหรืออนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเราส่องกล้องโทรทรรศน์ เราก็จะเห็นรังสีคอสมิกวิ่งมาจากทุกทิศทุกทาง สะเปะสะปะมั่วไปหมด

         รังสีคอสมิกเป็นอนุภาคพลังงานสูง (High-energy) ที่เข้าถล่มโจมตีโลกซึ่งมาจากที่ใดก็ได้เข้าสู่บรรยากาศ เป็นที่รู้จักกันเรียกว่า รังสีคอสมิกหรือรังสีจักรวาล (Cosmic Ray) มีองค์ประกอบ จำนวนมากของนิวเคลียสของอะตอม (Atomic nuclei) ส่วนใหญ่จะเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน บางส่วนนิวเคลียสของฮีเลียม และส่วนที่เหลือเป็น ธาตุหนัก (Heavier elements) โดยมีที่มาดังนี้

   • Galactic Cosmic Rays (รังสีคอสมิก กาแล็คซี่) มีที่มากาแล็คซี่หนึ่งกาแล็คซี่ใด อันไกลโพ้น  
   • Anomalous Cosmic Rays (รังสีคอสมิก แปลกประหลาด) มีที่มาจากอวกาศ ช่องว่างระหว่างดวงดาว (Interstellar medium) 
   • Solar Energetic Particles (อนุภาครังสีคอสมิก) มีที่มาจากเกิดลุกจ้า (Solar flares) และกิจกรรมอื่นบนดวงอาทิตย์ (Sun) 

        นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีตรวจจับรังสีคอสมิก (Cosmic Ray) บนชั้นพื้นดิน (Ground level) จึงออกแบบสร้างบ่อน้ำแบบพิเศษนับพันแห่ง ในแถบอเมริกาเหนือ เพราะเมื่อ รังสีคอสมิกวิ่งผ่านน้ำจะหยุดชะงักทำให้สามารถวัดค่าได้ ทั้งนี้เพื่อหา วิธีนำมาเป็นประโยชน์ด้านพลังงานต่อไป

        รังสีคอสมิกที่เข้ามากระทบกับบรรยากาศโลก คือ รังสีคอสมิกปฐมภูมิ (primary cosmic rays) ประกอบด้วย
          1. ประจุโปรตอน (protons) ประมาณร้อยละ 90
          2. นิวเคลียสของฮีเลียม (helium nuclei) หรืออนุภาคแอลฟา (alpha particles) ประมาณร้อยละ 9
          3. อิเล็กตรอน ประมาณร้อยละ 1
          4. อนุภาคอื่นๆ

        พลังงานของรังสีคอสมิกจะมีค่าแตกต่างกันในแต่ละแหล่งกำเนิด เช่น โปรตอนจากดวงอาทิตย์จะมีพลังงานอยู่ในช่วง 0.5-200 MeV ส่วนพลังงานรังสีคอสมิกที่มาจากแหล่งอื่น ๆ ซึ่งยังไม่ทราบแน่ชัดในเอกภพอาจมีพลังงานมากกว่า 10²⁰MeV

        รังสีคอสมิก นอกจากจะมีพลังงานสูงตามแหล่งกำเนิดแล้ว พลังงาน และทิศทางของการเคลื่อนที่ยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อเข้าปะทะกับสนามแม่เหล็ก (megnetic fields) ของสสารระหว่างดาวขณะเคลื่อนที่ผ่าน และรังสีคอสมิกบางส่วนอาจมีพลังงานมากกว่า 10²⁰ MeV ซึ่งมีค่าสูงกว่าพลังงานอนุภาคที่เกิดจากเครื่องเร่งอนุภาค (accelerators) ที่มนุษย์สามารถสร้างขึ้นได้

ภาพ Primary cosmic rays
ที่มา http://www.siamchemi.com/รังสีคอสมิก/

รังสีคอสมิกทุติยภูมิ (secondary cosmic rays)
         รังสีคอสมิกทุติยภูมิ เป็นรังสีคอสมิกที่เกิดจาการแตกตัวของรังสีคอสมิกปฐมภูมิ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นประจุบวก และนิวเคลียสของสสารหนักกลายเป็นอนุภาคต่างๆขณะทะลุทะลวงผ่านเข้ามาในชั้นบรรยากาศโลก และอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวบางชนิดจะมีพลังงานสูง ซึ่งสามารถเข้าชนกับนิวเคลียสหรืออนุภาคอื่นจนเกิดเป็นอนุภาคต่างๆเกิดขึ้นอีกตามมา โดยแบ่งอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวของรังสีคอสมิกปฐมภูมิได้ 3 ชนิด ได้แก่

       1. นิวคลีออน (nucleons)

         นิวคลีออน เป็นอนุภาคโปรตอน และนิวตรอน ซึ่งบางอนุภาคมีพลังงานสูงมาก สามารถทำให้นิวเคลียสของธาตุในบรรยากาศแตกสลายกลายเป็นอนุภาคอื่นได้ และบางอนุภาคยังสามารถทำให้ธาตุเปลี่ยนสภาพเป็นธาตุกัมมันตรังสีได้ เช่น นิวตรอนของนิวคลีออนที่ชนกับธาตุไนโตรเจน-14 เกิดเป็นคาร์บอน-14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง

2. มีซอน(mesons)

         อนุภาคมีซอน เป็นอนุภาคไพออน (pions) ที่เกิดขึ้นหลังการแตกสลายของนิวเคลียส โดยอนุภาคมีซอน เป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร โดย n และ n1 มีอายุเฉลี่ยประมาณ 2.6×108 วินาที แล้วจะสลายเป็นมิวออน (muons) ที่มีอายุเฉลี่ยลดลงเป็น 2.2×106 วินาที พร้อมกับนิวตริโน (neutrinos) ออกมาด้วย

3. อนุภาคที่มีพลังงานต่ำ

          อนุภาคในกลุ่มนี้จะเป็นอิเล็กตรอน (electrons) ที่เกิดจากการสลายตัวของมิวออน และโฟตอน (photon) โดยโฟตอน มาจากการสลายตัวของ n๐ ที่ได้คู่อิเล็กตรอนออกมาพร้อมกันด้วย นอกจากนี้ โฟตอนอาจเกิดได้จากอิเล็กตรอนที่ถูกหน่วงขณะเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสของธาตุต่างๆในบรรยากาศ

ผลกระทบรังสีคอสมิกกับโลก

         1. การเกิดวงแถบรังสีแวนอัลเลน (Van Allen belts) และแสงเหนือ แสงใต้

             แถบรังสีแวนอัลเลน เป็นปรากฏการณ์ที่เกดเป็นวงรังสี เมื่อรังสีคอสมิกมีถูกกักเก็บ และสะสมบริเวณขั้วสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งเกิดขึ้นที่ความสูงประมาณ 1,000 กิโลเมตร และจะเกิดเฉพาะบริเวณใกล้กับขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้ มีลักษณะเป็นวงกลมของแถบรังสีคล้ายโดนัทลอยเหนือขั้วโลก

             ผลที่เกิดขึ้นต่อเนื่องจากแถบรังสีแวนอัลเลน คือ มีการปล่อยอนุภาคบางส่วนเข้ามาสู่ชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูงประมาณ 100 กิโลเมตร ทำให้เกิดแสงสีต่างๆบริเวณขั้วโลก หรือเรียกว่า แสงเหนือ หรือ แสงใต้ (Aurora)

          2. การเกิดฟ้าแลบ(Lightning)

              นักวิทยาศาสตร์บางคนเสนอที่มาจองปรากฏการณ์ฟ้าแลบว่า จากการที่รังสีคอสมิกปฐมภูมิแตกตัวเป็นอนุภาคต่างๆในชั้นบรรยากาศ เมื่อมีการแตกตัว และสะสมจำนวนมากอาจเกิดการจุดประกายเกิดเป็นฟ้าแลบเกิดขึ้นได้

          3. การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ(Climate Chang)

              นักวิทยาศาสตร์ได้กล่าวเสนอว่า รังสีคอสมิกมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกได้ เพราะมีการทดลองนำรังสีคอสมิกผ่านเข้าไปใน cloud chamber แล้วทำให้รังสีคอสมิกแตกตัว ซึ่งพบว่า เกิดหยดน้ำขึ้นตามแนวของไอออน ซึ่งทำนายได้ว่า การแตกตัวของรังสีคอสมิกมีผลต่อรูปแบบของเมฆ และสภาพภูมิอากาศได้ แต่ข้อเสนอนี้ยังไม่เป็นที่ยอมรับ เพราะมีปัจจัยหลายประการต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และยังไม่มีผลการทดลองที่ยืนยันแน่ชัด

            แม้ว่ารังสีคอสมิกจะสามารถพบได้มากในอวกาศ และบางส่วนชนเข้ากับอนุภาคของธาตุต่าง ๆ ที่ลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศทำให้เหลือหลุดรอดมายังผิวโลกหรือโดนตัวเราได้น้อย และมันยังเป็นแหล่งข้อมูลขั้นดีในการศึกษาถึงที่มาและความเป็นไปของจักรวาล และในขณะที่เราเฝ้ารอถึงการค้นพบใหม่ ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นเมื่อไหร่ก็ได้ อุปกรณ์พิเศษที่ใช้ตรวจจับอนุภาครังสีคอสมิกอย่าง Alpha-Magnetic Spectrometer (A.M.S) ซึ่งถูกติดตั้งที่สถานีอวกาศนานาชาติ ก็เฝ้ารอและตรวจจับอนุภาคที่ผ่านเข้ามากว่า 50 ล้านอนุภาคในแต่ละวัน เมื่อเวลาผ่านไปเราก็คาดหวังว่าจะได้ข้อมูลเกี่ยวกับสสารและปฏิสสาร หรือแม้แต่สสารมืด และความเข้าใจของเราต่อจักรวาลและอนุภาคต่าง ๆ มากขึ้น

 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

        ปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรกเกิดขึ้นจากการที่รัทเธอร์ฟอร์ดได้ทำการระดมยิงอนุภาคแอลฟาจากแหล่งกำเนิดสารกัมมันตรังสีไปยังสสาร แล้วพบว่าอนุภาคแอลฟามีการกระเจิงแบบยืดหยุ่น ซึ่งทำให้เป็นการยืนยันว่ามีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ตรงใจกลางอะตอม นอกจากนี้รัทเธอร์ฟอร์ดยังสังเกตการเปลี่ยนแปลง หรือการเกิดธาตุชนิดใหม่จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในปี ค.ศ. 1919

        ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม แล้วได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น และให้พลังงานจำนวนมหาศาล ปฏิกิริยานิวเคลียร์  ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา  โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปในชน Nucleus ทำให้  Nucleus แตกออก  ปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีส่วนสำคัญคือ

1. ปฏิกิริยา Nuclear เกิดในนิวเคลียส ต่างจากปฏิกิริยาเคมี  ซึ่งเกิดกับอิเลกตรอนภายในอะตอม
2. ปฏิกิริยา Nuclear ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส
3. แรงจากปฏิกิริยา Nuclear เป็นแรงแบบใหม่ เรียก แรงนิวเคลียร์  ซึ่งมีอันตรกริยาสูง  และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสเท่านั้น
4. ในปฏิกิริยานิวเคลียส  เราสามารถนำกฎต่างๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี  คือ กฎการคงที่ของพลังงาน  กฎทรงมวล  และการคงที่ของประจุไฟฟ้า

            สมการ Nuclear  จะเขียนอยู่ในรูปของ

x + a  à  y + b

x  = นิวเคลียสที่เป็นเป้า     , y = นิวเคลียสที่เกิดใหม่

a = อนุภาคที่วิ่งชน           , b = อนุภาคที่เกิดใหม่

สามารถเขียนย่อได้ว่า  x(a,b)y  และเรียกปฏิกิริยาว่า (a,b)  ของ Nucleus x

นอกจากนี้เรายังสามารถแบ่งแยกชนิดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้หลายแบบ เช่นถ้าอนุภาคที่ตกกระทบและอนุภาคผลพลอยได้เป็นอนุภาคชนิดเดียวกัน ซึ่งสอดคล้องกันคือธาตุ X และY   เป็นชนิดเดียวกัน เราเรียกว่าเป็น กระบวนการกระเจิง  การกระเจิงแบบยืดหยุ่น  จะเกิดขึ้นถ้า Y และ  b  อยู่ในสถานะพื้น และจะเป็นการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นถ้า Y  และ b  อยู่ในสถานะกระตุ้น ซึ่งจะเกิดกระบวนการสลายตัวให้รังสีแกมมาตามมาอย่างรวดเร็ว

             ในบางกรณี a  และ b  เป็นอนุภาคชนิดเดียวกันแต่จากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะมีอนุภาคนิวคลีออนตัวที่สามถูกปลดปล่อยออกมาด้วย เราเรียกปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบน็อกเอาท์ (Knockout reaction )

ในปฏิกิริยาแบบทรานสเฟอร์ ( Tranfer reaction )  นิวคลีออนหนึ่งหรือสองตัวจะมีการส่งผ่านกันระหว่าง อนุภาคที่ระดมยิงและเป้า ตัวอย่างเช่นถ้าใช้อนุภาคดิวเทอรอนระดมจะถูกเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคโปรตอน หรือนิวตรอนซึ่งก็หมายความว่ามีนิวคลีออนถูกรวมเข้ากับเป้า X แล้วเปลี่ยนไปเป็นเป้า Y

            ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นอาจจะจำแนกโดยอาศัยกลไกที่เกิดขึ้นกับกระบวนการที่ครอบคลุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าว เช่นปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยตรง ( direct nuclear reaction )  นั้นมีนิวคลีออนเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาในขณะที่นิวคลีออนที่เหลือนั้นทำตัวเสมือนผู้เฝ้าดู ซึ่งปฏิกิริยาดังกล่าวอาจจะบรรจุหรือเคลื่อนย้ายนิวคลีออนตัวใดตัวหนึ่งออกจากนิวคลีออนที่โคจรอยู่รอบ ๆ ชั้นต่าง ๆ ตามรูปแบบจำลองของเชลล์ทำให้วิธีนี้สามารถใช้ในการศึกษาสภาวะกระตุ้นของนิวเคลียส Y  จากปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบนี้

           ในอีกรูปแบบของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่น่าสนใจ คือ กลไกแบบนิวเคลียร์ผสม ( compound nuclear ) ซึ่งอนุภาคที่ถูกยิงไปยังเป้าที่ทำการศึกษานั้น จะมีการแบ่งสันพลังงานจลน์ กับนิวคลีออนที่วางตัวอยู่ภายในเป้าดังกล่าวก่อนที่จะมีการปลดปล่อยอนุภาคนิวคลีออน ออกมาซึ่งสภาพคล้าย ๆ กับการระเหยของโมเลกุลจากของเหลวร้อน

            ส่วนรูปแบบที่อยู่กลาง ๆ ระหว่าง ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบตรง แบบนิวเคลียสผสม ก็คือปฏิกิริยานิวเคลียร์เรโซแนนท์ โดยที่อนุภาคที่ยิงเข้าไปยังเป้าจะฟอร์มให้เกิดสถานะกึ่งห่อหุ้ม ( quasibound state ) ก่อนที่จะปลดปล่อยอนุภาคบางตัวออกไป

1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา

     นิวตรอนที่เกิดขึ้น 2-3 ตัวซึ่งมีพลังงานสูงจะวิ่งไปชนนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปเป็นลูกโซ่ ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ ซึ่งทำให้ได้พลังงานมหาศาล   ปฏิกิริยาลูกโซ่นี้ถ้าไม่มีการควบคุม จะเกิดปฏิกิริยารุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรง นักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ซึ่งสามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาได้โดยการควบคุมปริมาณนิวตรอนที่เกิดขึ้นไม่ให้มากเกินไป และหน่วงการเคลื่อนที่ของนิวตรอนให้ช้าลง ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้นำปฏิกิริยาฟิชชันแบบควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่มาใช้ประโยชน์ในทางสันติ เช่น ใช้ในการผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีสำหรับใช้ในการแพทย์ การเกษตร และอุตสาหกรรม ส่วนพลังงานความร้อนที่ได้จากปฏิกิริยาฟิชชันที่ถูกควบคุมสามารถนำไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

2.  ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction) ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) เชื่อกันว่าพลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล

       ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะเกิดขึ้นได้ก็จะต้องใช้ความร้อนเริ่มต้นสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมตัวกัน เช่น ระเบิดไฮโดรเจนจะต้องใช้ความร้อนจากระเบิดปรมาณูเป็นตัวจุดชนวน

        ตัวอย่างของปฏิกิริยาฟิวชั่นที่ทำได้ในห้องปฏิบัติการ

        ตัวอย่างของปฏิกิริยาฟิวชั่นที่เกิดขึ้นบนดาวฤกษ์

       จะเห็นว่าในแต่ละปฏิกิริยาของฟิชชั่นและฟิวชั่นเมื่อเทียบพลังงานแล้ว  ในฟิชชั่นหนึ่งปฎิกิริยาจะให้พลังงานมากกว่าฟิวชั่นหนึ่งปฏิกิริยา   แต่ในขนาดมวลที่พอกันของสารที่ทำให้เกิดฟิวชั่น (เช่น 1H1) กับ สารที่ทำให้เกิดฟิชชั่น (เช่น U235) จำนวนปฏิกิริยาฟิวชั่นจะมากกว่าฟิชชั่นมากเป็นผลทำให้พลังงานรวมที่ได้จากฟิวชั่นมากกว่าฟิชชั่นนั่นเอง

 แหล่งที่มา

 ฟิสิกส์นิวเคลียร์และ กัมมันตภาพรังสี.  สืบค้นเมื่อ 22 มิถุนายน 2560, จาก

          https://sites.google.com/site/nuclearphysics13/home/6-kammantphaphrangsi

กัมมันตภาพรังสี.  สืบค้นเมื่อ 22 มิถุนายน 2560, จาก
          https://sites.google.com/site/weeratoasfdsdfsafag4474/

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear reaction).  สืบค้นเมื่อ 22 มิถุนายน 2560, จาก
          www.ben.ac.th/obeclms/file/information_ben/science/.../nuclear%20reactions.doc