ไอโซโทปของไนโตรเจน
สรุปใจความสำคัญ
- ไนโตรเจนในธรรมชาติประกอบด้วยไนโตรเจน-14 (99.62%) และไนโตรเจน-15 (0.38%)
- ไนโตรเจน-13 ถูกนำมาใช้ในการตรวจ PET scan ทางการแพทย์เพื่อสร้างภาพการทำงานของหัวใจ
- ไนโตรเจน-16 เป็นตัวบ่งชี้การรั่วไหลที่สำคัญในระบบหล่อเย็นของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์
- ไนโตรเจน-14 เป็นสารตั้งต้นในการเกิดคาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศโลกผ่านรังสีคอสมิก
ไนโตรเจน (N) เป็นธาตุที่มีไอโซโทปหลายรูปแบบ โดยในธรรมชาติจะพบไอโซโทปเสถียร 2 ชนิด คือ ไนโตรเจน-14 ซึ่งพบมากที่สุด (ประมาณ 99.62%) และ ไนโตรเจน-15 (ประมาณ 0.38%) นอกจากนี้ยังมีไอโซโทปกัมมันตรังสี (Radioisotopes) อีก 13 ชนิดที่มีมวลอะตอมตั้งแต่ 9 ถึง 23 รวมถึงไอโซเมอร์นิวเคลียร์ 3 ชนิด ซึ่งไอโซโทปกัมมันตรังสีเหล่านี้มีอายุสั้นมาก โดยตัวที่มีอายุยาวที่สุดคือ ไนโตรเจน-13 ซึ่งมีครึ่งชีวิตประมาณ 9.965 นาที ส่วนไอโซโทปอื่น ๆ มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 10 วินาที
ไอโซโทปเสถียร
ไนโตรเจน-14 (14N)
ไนโตรเจน-14 เป็นไอโซโทปหลักที่พบในธรรมชาติและเป็นองค์ประกอบสำคัญของชั้นบรรยากาศโลก มีลักษณะเด่นคือเป็นหนึ่งในนิวไคลด์เสถียรเพียงไม่กี่ชนิดที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคี่ทั้งคู่ (อย่างละ 7 ตัว) ซึ่งส่งผลให้มีสปินนิวเคลียร์เป็น 1
ในทางดาราศาสตร์ ไนโตรเจน-14 และไนโตรเจน-15 ถูกสร้างขึ้นผ่านกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสในดาวฤกษ์ โดยเฉพาะใน วัฏจักร CNO (Carbon-Nitrogen-Oxygen cycle) นอกจากนี้ ไนโตรเจน-14 ยังเป็นต้นกำเนิดของคาร์บอน-14 ซึ่งเป็นกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศระดับสูง เมื่อรังสีคอสมิกทำปฏิกิริยากับไนโตรเจน-14 จะเกิดเป็นคาร์บอน-14 ซึ่งต่อมาจะสลายตัวกลับมาเป็นไนโตรเจน-14 โดยมีครึ่งชีวิตประมาณ 5,700 ปี
ไนโตรเจน-15 (15N)
ไนโตรเจน-15 เป็นไอโซโทปเสถียรที่พบได้น้อยมากในธรรมชาติ (0.38%) มีคุณสมบัติเด่นคือมีค่าภาคตัดขวางในการจับนิวตรอนความร้อน (Thermal neutron capture cross section) ต่ำมาก
ในทางวิทยาศาสตร์ ไนโตรเจน-15 ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางใน NMR Spectroscopy (Nuclear Magnetic Resonance) เนื่องจากมีสปินนิวเคลียร์เป็น 1/2 ซึ่งทำให้ได้เส้นสัญญาณที่แคบและชัดเจนกว่าไนโตรเจน-14 นอกจากนี้ยังใช้เป็นตัวติดตาม (Tracer) ในการศึกษาวัฏจักรไนโตรเจนในสิ่งแวดล้อม
ไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สำคัญ
ไนโตรเจน-13 (13N)
ไนโตรเจน-13 มีครึ่งชีวิตประมาณ 10 นาที สลายตัวโดยการปลดปล่อยโพซิตรอน (Positron emission) กลายเป็นคาร์บอน-13
- การใช้ประโยชน์ทางการแพทย์: ใช้ในรูปแบบของแอมโมเนียที่ติดฉลากด้วยไนโตรเจน-13 เพื่อใช้ในการตรวจ PET scan (Positron Emission Tomography) โดยเฉพาะการสร้างภาพการไหลเวียนเลือดในกล้ามเนื้อหัวใจ
- การผลิต: ผลิตได้จากเครื่องไซโคลตรอนทางการแพทย์ โดยใช้ปฏิกิริยาระหว่างโปรตอนกับออกซิเจน-16 ในน้ำ
- บทบาทในดวงดาว: มีบทบาทสำคัญในวัฏจักร CNO ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 1.5 เท่า
ไนโตรเจน-16 (16N)
ไนโตรเจน-16 เป็นไอโซโทปที่พบได้บ่อยในน้ำหล่อเย็นของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้น้ำเป็นตัวระบายความร้อน เกิดจากปฏิกิริยา (n,p) ของออกซิเจน-16 เมื่อจับนิวตรอนแล้วปลดปล่อยโปรตอน
แม้จะมีครึ่งชีวิตสั้นมาก (7.13 วินาที) แต่การสลายตัวของมันจะปลดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูง (6.13 MeV) ทำให้ต้องมีการจำกัดการเข้าถึงท่อหล่อเย็นหลักในขณะที่เตาปฏิกรณ์ทำงาน และในขณะเดียวกันก็ใช้เป็นตัวบ่งชี้ที่มีประสิทธิภาพในการตรวจจับการรั่วไหลของระบบหล่อเย็นหลักไปยังระบบไอน้ำทุติยภูมิ
คำถามที่พบบ่อย
ไอโซโทปของไนโตรเจนที่เสถียรมีอะไรบ้าง?
มี 2 ชนิด คือ ไนโตรเจน-14 และ ไนโตรเจน-15 โดยไนโตรเจน-14 พบมากที่สุดในธรรมชาติ
ไนโตรเจน-13 ใช้ประโยชน์อย่างไรในทางการแพทย์?
ใช้ในการตรวจ PET scan โดยมักอยู่ในรูปของแอมโมเนียติดฉลากไนโตรเจน-13 เพื่อใช้สร้างภาพการไหลเวียนเลือดในกล้ามเนื้อหัวใจ
ทำไมไนโตรเจน-15 ถึงเหมาะกับการทำ NMR Spectroscopy?
เพราะไนโตรเจน-15 มีสปินนิวเคลียร์เป็น 1/2 ซึ่งให้เส้นสัญญาณที่แคบและชัดเจนกว่าไนโตรเจน-14 ที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม
ไนโตรเจน-16 เกิดขึ้นได้อย่างไรในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์?
เกิดจากออกซิเจน-16 ในน้ำหล่อเย็นจับนิวตรอนและปลดปล่อยโปรตอน (ปฏิกิริยา n,p) ทำให้กลายเป็นไนโตรเจน-16