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
การสลายให้อนุภาคบีตา (beta decay) มีทั้งแบบที่สลายให้อนุภาคบีตาที่มีประจุเป็นลบกับที่มีประจุเป็นบวก แบบที่สลายให้อนุภาคบีตาที่มีประจุลบเกิดเมื่อนิวเคลียสของอะตอมมีสัดส่วนของอนุภาคนิวตรอนต่อโปรตอนสูงมาก ๆ ทำให้อะตอมนั้นขาดความเสถียร เมื่อนิวตรอนมากเกินไป นิวตรอนอนุภาคหนึ่งก็จะเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละ 1 อนุภาค ซึ่งอิเล็กตรอนนี้เองที่ถูกปล่อยออกมาและเรียกว่ารังสีบีตา
การสลายให้อนุภาคบีตาแบบที่มีประจุเป็นบวก ก็เป็นไปในทางกลับกัน กล่าวคือถ้าสัดส่วนของอนุภาคนิวตรอนต่อโปรตอนกลับต่ำมาก ๆ แสดงว่ามีโปรตอนมากเกินไปซึ่งก็ทำให้อะตอมนั้นจะไม่เสถียรเช่นกัน ในกรณีนี้โปรตอนอนุภาคหนึ่งก็จะเปลี่ยนไปเป็นนิวตรอนกับโพซิตรอนอย่างละ 1 อนุภาค โพซิตรอนมีมวลและขนาดของประจุเท่ากับอิเล็กตรอน แต่ชนิดของประจุตรงข้ามกัน คือมีประจุเป็นบวก และโพซิตรอนนี้เองที่ถูกปล่อยออกมาและเรียกว่ารังสีบีตาเช่นกัน
สำหรับการสลายให้รังสีแกมมา (gamma decay) นั้น รังสีแกมมาเป็นอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน เกิดจากขั้นตอนหนึ่งของลูกโซ่การสลายกัมมันตรังสีเมื่อนิวเคลียสขนาดใหญ่เกิดปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส (fission) เป็นนิวเคลียสขนาดกลาง ๆ 2 นิวเคลียสซึ่งยังอยู่ในสถานะเร้า (excited state) และเป็นธรรมชาติที่พยายามจะลดระดับพลังงานลงให้ต่ำที่สุดที่เรียกว่าสถานะพื้น (ground state) ซึ่งมีความเสถียร การลดระดับพลังงานก็โดยการปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมานั่นเอง
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
อันที่จริงนิวไคลด์กัมมันตรังสีมีการสลายได้อีกมากมายหลายแบบดังสรุปไว้ในตารางด้านล่าง โดยหากแทนนิวเคลียสของนิวไคลด์กัมมันตรังสีตั้งต้นด้วยสัญลักษณ์ (A, Z) (A คือ น้ำหนักเชิงอะตอม และ Z คือ เลขเชิงอะตอม) ดังนั้น ภายหลังการสลายจะเกิดนิวไคลด์ชนิดใหม่ที่มีนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงเป็นอย่างไรนั้น ได้แสดงไว้ในช่องขวามือสุดของตาราง
อนึ่ง ในการสลายกัมมันตรังสีนั้น ผลรวมของมวลของนิวไคลด์ชนิดใหม่ และอนุภาคทุกชนิดที่เกิดขึ้นใหม่ เมื่อเทียบกับนิวไคลด์ตั้งต้น จะพบมวลหายไปส่วนหนึ่งเสมอ ซึ่งได้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานตามสมการ E = mc2 โดยเป็นพลังงานจลน์ของอนุภาคชนิดต่าง ๆ ที่ปล่อยออกไปนั่นเอง
