
การหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสง : ตอน 2 อัตราการแผ่รังสีจากสิ่งแวดล้อม
ในการกำหนดอายุวัสดุทางธรณีวิทยาหรือโบราณคดีด้วยวิธีการเปล่งแสง ค่าตัวแปรที่เราจำเป็นจะต้องประเมินเพื่อให้ได้มาซึ่งอายุของวัสดุประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ 1) ค่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน (Equivalent Dose, ED) ในหน่วย Gy และ 2) อัตราการแผ่รังสีต่อปีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในบริเวณรอบข้าง (Annual dose, AD) ในหน่วย Gy/year ซึ่งในกรณีของค่า AD การที่จะได้มาซึ่งอัตราการแผ่รังสีต่อปีนั้น เริ่มแรกเราจำเป็นจะต้องประเมินหาค่าความเข้มข้นของ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ที่ปะปนอยู่ในดินทั้งภายในและโดยรอบตัวอย่าง ซึ่งโดยธรรมชาติ ธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่และมีนัยสำคัญต่อการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้เข้าไปฝังตัวอยู่ในหลุมเก็บเล็กตอนนั้นมีอยู่ 3 ธาตุหลักๆ คือ ยูเรเนียม (U) ทอเรียม (Th) และ โปแตสเซียม (K) ซึ่งทั้ง 3 ธาตุดังกล่าว จะสลายตัวไปตามเวลาตาม ค่าครึ่งชีวิต (half life) เฉพาะตัวของแต่ละธาตุ จากนั้นธาตุกัมมันรังสีดังกล่าวจะเปลี่ยนสภาพเป็นธาตุใหม่ พร้อมกับให้อนุภาคที่มีพลังงาน 3 ชนิด ได้แก่ 1) อนุภาคแอลฟา 2) อนุภาคเบตา และ 3) รังสีแกมมา ซึ่งทั้ง 3 อนุภาคนี้ เป็นตัวการสำคัญที่ไปกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ไปอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตรอน ดังนั้นโดยสรุป อัตราการการแผ่รังสีหรืออัตราการกระตุ้นอิเล็กตรอนจะมากหรือน้อย ก็ขึ้นอยู่กับปริมาณของอนุภาคทั้ง 3 และอนุภาคทั้ง 3 จะมีมากหรือรุนแรงแค่ไหน ก็ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสี U Th และ K เป็นเงาตามตัว

เพื่อที่จะให้ได้มาซึ่งค่า AD หลังจากเก็บตัวอย่างและเตรียมตัวอย่างเรียบร้อยแล้ว อันดับแรกนักวิทยาศาสตร์จะต้องนำตัวอย่างไปตรวจวัดเพื่อคำนวณหาปริมาณความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ ที่มีอยู่ในดินที่เก็บมาจากรอบๆ วัตถุหรือตัวอย่างที่ต้องการหาอายุ ด้วยวิธีทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ ซึ่งปัจจุบันก็สามารถทำได้หลากหลายวิธี ตามแต่ความสะดวกของการทำงาน เช่น 1) วิธี Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICP-MS) 2) วิธี Neutron Activation Analysis (NAA) และ 3) วิธี Gamma Spectrometry (GS)

ผลที่ได้จากการตรวจวัดด้วยวิธีต่างๆ ข้างต้น จะได้ค่าความเข้มข้นของธาตุ U และ Th ในหน่วย 1:1,000,000 หรือ past per million (ppm) ส่วนในกรณีของธาตุ K จะได้ในหน่วยเปอร์เซ็นโปแตสเซียม (%K) จากค่าต่างที่ได้เราสามารถคำนวณค่าอัตราการแผ่รังสีต่อปีในหน่วย เกรย์/ปี (Gy/year) ซึ่งนิยมใช้ตารางความสัมพันธ์ระหว่างค่าความเข้มข้นของแต่ละธาตุกัมมันตรังสีและปริมาณการแผ่รังสีต่อปี ซึ่งนำเสนอโดย Bell (1979) ดังแสดงในตาราง
อนุภาค | ความเข้มข้น | แอลฟา | เบตา | แกมมา |
Th | 1 ppm 232Th | 0.738 | 0.0286 | 0.0514 |
U | 1 ppm 238U | 2.783 | 0.1462 | 0.1148 |
K | 1% K | – | 0.8303 | 0.2492 |
ซึ่งเมื่อนำผลความเข้มข้นของธาตุกัมมันตรังสีในแต่ละธาตุ ไปคูณกับสัดส่วนอัตราการแผ่รังสีของแต่ละอนุภาค ผลที่ได้ของอัตราการแผ่รังสีหรือ AD ในหน่วย mGy/year แสดงดังนี้
- Dแอลฟา = 2.783U+0.783 Th
- Dเบตา = 0.1462U+0.0286Th+0.8303K
- Dแกมมา = 0.1148U+0.0514Th+0.2492K
อย่างไรก็ตาม จากค่า AD ที่ได้ถึงขั้นตอนนี้ เป็นค่าอัตราการแผ่รังสีต่อปีในทางอุดมคติ หรือเป็นค่าที่ได้ 100% โดยที่ไม่ได้รับผลกระทบซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการลดทอนของสัญญาณแต่อย่างใด แต่ในทางปฏิบัติสาเหตุของการลดทอนของอัตราการแผ่รังสี และต้องนำมาพิจารณาในการประเมินค่า AD นั้นมีอยู่ 2 ปัจจัยด้วยกัน คือ การลดทอนของสัญญาณเพราะขนาดของเม็ดตะกอนหรือผลึกแร่ ซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับระยะทางในการเดินทางของอนุภาค (แอลฟา เบตา แกมมา) จากแหล่งกำเนิดไปสู่แร่ที่ต้องการหาอายุ และ 2) การลดทอนเพราะปริมาณน้ำหรือความชื้นที่มีอยู่ในดินในธรรมชาติ
ลดทอนความแรงเพราะขนาดตะกอนหรือผลึก
โดยปกติ อนุภาคต่างๆ ที่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในการกระตุ้นอิเล็กตรอนนั้น ทั้งอนุภาคแอลฟา เบตาและแกมมา จะมีลักษณะเฉพาะและคุณสมบัติการทะลุทะลวงไม่เท่ากัน

โดยปกติในกรณีของดินในธรรมชาติ อนุภาคแกมมามีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ถึง 30 เซนติเมตร อนุภาคเบตามีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ในระยะ 3 เซนติเมตร ในขณะที่อนุภาคแอลฟามีความสามารถในการทะลุทะลวงแค่ 0.3 มิลลิเมตรเท่านั้น
ดังนั้น การประเมินจะพิจารณาเฉพาะดินหรือสิ่งแวดล้อมในรัศมี 30 เซนติเมตร โดยมีตัวอย่างที่ต้องการหาอายุเป็นจุดศูนย์กลาง ซึ่งอนุภาคแกมมาจะมีประสิทธิภาพการทะลุทะลวงได้ 100% ในรัศมี 30 เซนติเมตร นี้ ในขณะทีอนุภาคเบตาและแอลฟาจะถูกลดทอนประสิทธิภาพในการเป็นตัวกระตุ้นอิเล็กตรอน ไปตามขนาดของเม็ดตะกอนที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมนั้น ซึ่ง Aitken (1985) ได้นำเสนอสัมประสิทธิ์ของการลดทอนของอนุภาคเบตา (พจน์ B) และแอฟา (พจน์ K) ที่สัมพันธ์กับขนาดของเม็ดตะกอนไว้ดังรูป

ดังนั้น หากนำปัจจัยของการลดทอน อันเนื่องมาจากขนาดตะกอนหรือผลึก ค่า AD จะแสดงได้ดังสมการ
- Dแอลฟา = K(2.783U+0.783 Th)
- Dเบตา = B(0.1462U+0.0286Th+0.8303K)
- Dแกมมา = (0.1148U+0.0514Th+0.2492K)
ลดทอนเพราะความชื้นที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อม
นอกจากการลดทอนความสามารถในการกระตุ้นอิเล็กตรอนเพราะสาเหตุของขนาดตะกอนแล้ว ยังมีปัจจัยที่สำคัญอีกอย่างที่ลดทอนประสิทธิภาพของอนุภาคต่างๆ ได้ คือ ความชื้นหรือปริมาณของน้ำที่มีอยู่ในตัวอย่างดินในธรรมชาติ ซึ่งมีประสิทธิภาพการลดทอนที่แตกต่างกันในแต่ละอนุภาค ได้แก่ แอลฟา 50% เบตา 25% และแกมมา 14 %
นอกจากนี้ยังมีรังสีบางส่วนที่ได้รับจากนอกโลกหรืออวกาศและสามารถกระตุ้นให้อิเลฺ็กตรอนเข้าไปฝังอยู่ในหลุมกักเก็บอิเล็กตอนได้เช่นกัน คือ รังสีคอสมิก (cosmic ray) โดยนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ารังสีดังกล่าวสามารถทะละทะลวงชั้นดินลงไปได้ลึกประมาณ 15 เซนติเมตร ดังนั้นจึงถือว่าส่งผลน้อยเมื่อเทียบกับผลกระทบจากธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ ที่กล่าวมาในข้างต้น อย่างไรก็ตามในการคำนวณค่า AD อย่างถูกต้อง เพื่อหาอายุด้วยวิธีเปล่งแสงที่แม่นยำ ปัจจัยของรังสีคอสมิกก็จะถูกนำมาใช้พิจารณาค่า AD เช่นกัน
ดังนั้นโดยสรุปหากพิจารณา 1) อัตราการแผ่รังสีต่อปีของแต่ละธาตุกัมมันตรังสี 2) ปัจจัยการลดทอนจากขนาดตะกอนและผลึก 3) ความชื้นที่มีอยู่ในตัวอย่างและสิ่งแวดล้อม และ 4) ผลกระทบจากรังสีคอสมิกที่แผ่มาจากอวกาศ สมการอย่างง่ายของการคำนวณ อัตราการแผ่รังสีต่อปี หรือค่า AD ในหน่วย mGy/year แสดงดังนี้
- Dแอลฟา = K(2.783U+0.783 Th) / (1+1.50W)
- Dเบตา = B(0.1462U+0.0286Th+0.8303K) / (1+1.25W)
- Dแกมมา = (0.1148U+0.0514Th+0.2492K) / (1+1.14W)
- Dคอสมิก = อนุมานให้เป็นค่าประมาณคงที่เท่ากับ 0.15
กำหนดให้
- K และ B ขึ้นอยู่กับขนาดของเม็ดตะกอนหรือผลึกแร่ของตัวอย่างในส่วนที่จะนำมาพิจาณาค่า AD
- W คือ ปริมาณน้ำหรือความชื้นคิดเป็นร้อยละที่อยู่ในช่องว่างของตะกอน (น้ำหนักเปียก – น้ำหนักแห้ง / น้ำหนักแห้ง x 100)
. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth