View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
ฟสกสนวเคลยร(NUCLEAR PHYSICS)
• ศกษาสมบตของนวเคลยส โครงสรางของ
นวเคลยสและผลจากระบวนการตางๆ
เกยวกบนวเคลยส
การคนพบกมมนตภาพรงส(radioactivity)
Henri Becquerel
คนพบรงสจากนวเคลยสเปนคนแรก จาก
การหาวามสารใดดดกลนแสงแดดแลว
ปลอยพลงงานเปน x-ray โดยใชสารประกอบของยเรเนยม
กมมนตภาพรงส(radioactivity)
คอ รงสทแผออกมาจากสารกมมนตรงส(radioactive element)
Marie Curie
พบกมมนตภาพรงสจาก โพโล
เนยม และเรเดยม
รงสจากสารกมมนตรงสเกด
จากการเปลยนแปลงภายใน
นวเคลยส นวเคลยสทไมเสถยร
จะสลายตวจนกวาจะเสถยร
ชนดกมมนตภาพรงส
กระบวนการสลายแอลฟา
กระบวนการสลายบตา
คาเปรยบเทยบรงสทงสาม
• ความสามารถในการทาใหอากาศแตกตวเปนอออน
• อานาจการทะลทะลวง
• มวล
• ความเรว
• พลงงาน
โครงสรางของนวเคลยส
• สมมตฐานโปรตอน-อเลกตรอน
นวเคลยสประกอบดวยโปรตอนและอเลกตรอนโดยมจานวน
โปรตอนเปนสองเทาของอเลกตรอน
รทเทอรฟอรดเสนอวามอนภาคทเปนกลางทางไฟฟาใน
นวเคลยสใหชอวานวตรอน(neutron)ซงเปนการยดกนของ
โปรตอนและอเลกตรอนอยางแนบแนน
จากหลกความไมแนนอน อเลกตรอนอยในนวเคลยสไมไดเพราะ
อเลกตรอนจะมความเรวมากกวาแสง
การคนพบนวตรอน
James Chadwick
nCBe 10
126
94
ตอนแรกคดวารงสทไดเปนรงสแกมมา แตจากการคานวณถาเปนรงสแกมมา
จะตองมพลงงานถง 55 MeV พลงงานระดบนจะทาใหอากาศแตกตวเปนอออน
คดการชนแบบยดหยนอนภาคใหมนมมวลใกลเคยงโปรตอนมาก และเปนกลาง
รงสทไดชนโปรตอนในพาราฟนหลดออกดวยพลงงาน
ประมาณ 5 MeV
รงสทได
นวตรอนไมใชเปนการยดกนของโปรตอนและอเลกตรอนเพราะ
• นวตรอน โปรตอนและอเลกตรอนตางมสปนแมเหลกเทากบ ½ ถานวตรอนเปนการยดกนของโปรตอนและอเลกตรอน นวตรอนมสปนแมเหลกเทากบ 0 หรอ 1 (จากการทสปนหนตรงกนขามหรอหนทางเดยวกน) จะเปน ไมได อกทงนวตรอนและโปรตอนมโครงสรางตางกน uud udd
โครงสรางโปรตอนและนวตรอน
อนกรมการสลาย
การสลายกมมนตรงส
NdtdN
dtdN
เปนไปตามสถตหรอโอกาสตามธรรมชาต
คอ อตราการสลายตว
N คอ จานวนนวเคลยสทเหลออย
N0 คอ จานวนนวเคลยสตงตน
NdtdN
เครองหมายลบ แสดงถงการลดลง คาคงตวในการสลายตว
สมการการสลายกมมนตรงส
teNN 0
2/1002
1 TeNN
เวลาทสารกมมนตรงสใชในการสลายตวจนเหลอครงหนงของเดม
เมอตงตนเรยกวา เวลาครงชวต(half – life ), T1/2
2ln
2/1 T
หรอ 693.0
2/1 T
จากteN
dtdN 0
teNdtdN 0
AdtdN
00 NA
teAA 0teAA 0
เมอ
ดงนน
A0 เปนกมมนตภาพขณะเรมตน
A เปนกมมนตภาพทเวลา t ใดๆกมมนตภาพมหนวยเปนคร(Ci)
1 คร(Ci) =3.7 1010 เบคเคอเรล(นวเคลยสตอวนาท),Bq
ตวอยาง สารกมมนตรงสชนหนงม
อะตอม 1018 อะตอม มเวลา
ครงชวต 2 วน เมอเวลาผานไป
5 วน จงหา
ก. จานวนอะตอมทเหลอ
ข. กมมนตภาพของสาร
Mesons: Protons and neutrons are held together in the nucleus by the "strong" nuclear force, which involves the exchange of short-lived particles called mesons. There is also a "weak" nuclear force responsible for radioactive decay.
แรงนวเคลยร(NUCLEAR FORCE)
แรงนวเคลยรคอแรงลกษณะใด
• เปนแรงทดงดดนวคลออนในนวเคลยสไวดวยกนมคา
มากกวาแรงคลอมบไมนอยกวา 100 เทา เกดจากการ
แลกเปลยนอนภาคไพ-มซอน(มมวลประมาณ 273 เทา
อเลกตรอน)ระหวางนวคลออนทอยใกลๆกน
หลกสาคญของแรงนวเคลยร
1 เกดจากการแลกเปลยนอนภาคไพ-มซอน(นวคลออนอยหางกน
ไมเกน 910- 15 เมตร)ในระยะทางสนๆ10- 15 เมตร(1 เฟอรม)
หรอนอยกวา
2 ไมขนกบประจไฟฟา
3 เปนแรงกระทาระหวางนวคลออนและ
เปนอนตรกรยาแบบ แรง
4 นวคลออนตวหนงๆจะมแรงกระทากบตวทอยตดกนเทานน ไม
มแรงกระทากบนวคลออนตวทอยถดไป
ขนาดของนวเคลยส
• การใชอนภาคแอลฟาในการทดลอง
ของรทเทอรฟอรดไมสามารถหา
ขนาดของนวเคลยสทแทจรงได
เพราะอนภาคแอลฟาไมสามารถฝากาแพงคลอมบ
(coulomb barrier)เขาไปถงนวเคลยสได จงตองใช
อนภาคอเลกตรอนพลงงานสงหรอนวตรอนเพอฝาแรง
ไฟฟาเขาไปปะทะกบนวเคลยสได
• ปรมาตรนวเคลยสเปนสดสวนโดยตรงกบจานวน
นวคลออน(เลขมวล)ทมอยในนวเคลยสนนๆ
31
AR 31
0 ARR
R0 = 1.2 10 -15 เมตร
• จงหารศมของนวเคลยสของอะลมเนยม-27 และทองคา-197
(3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)
พลงงานยดเหนยว(binding energy)
• เปนพลงงานทยดเหนยวอนภาคภายในนวเคลยสใหอยรวมกนได
การหาคาพลงงานยดเหนยว
มวลของนวเคลยสโดยทวไปนอยกวาผลบวกของมวลของอนภาคทประกอบขนเปนนวเคลยสในสภาวะอสระ เชน
ออกซเจนมมวล 15.994915 u
ออกซเจนประกอบดวยนวตรอนและโปรตอนอยางละ 8 ตว
ออกซเจนมมวลนอยกวาผลบวกของนวตรอนและโปรตอน
เทากบ 0.1371055 u คดเปนพลงงานยดเหนยว 127.6 MeV
พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน 7.98 MeV/ นวคลออน
พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน
• คาพลงงานยด
เหนยวตอนวคลออ
นสงสดประมาณ
8.75 MeV
ตวอยาง จงหาคาพลงงานยดเหนยวของ
ไนโตรเจน (N - 14)
N – 14 มมวล = 14.003074 u
หลกสาคญปฏกรยานวเคลยร
• 1 ผลรวมของประจไฟฟาและเลขมวลกอน
เกดปฏกรยาและหลงปฏกรยาจะตองเทากน
• 2 กฎอนรกษโมเมนตมเชงเสนและโมเมนตม
เชงมม
• 3 หลกการสมมลของมวลและพลงงาน ตาม
ทฤษฎสมพทธภาพของไอนสไตน มวลสาร
และพลงงานทงหมดของระบบตองคงตว
ปฏกรยานวเคลยร(NUCLEAR REACTION)
ปฏกรยานวเคลยร(NUCLEAR REACTION)
• เมอนวเคลยส สองตวเคลอนทฝาแรงคลอมบเขามาใกลกนภายในระยะของแรง
นวเคลยร อาจทาใหเกดการจดระเบยบการเรยงตวของนวคลออนภายใน
นวเคลยสขนใหม ผลทไดอาจกลายเปนหนงนวเคลยสใหมหรอมากกวากได เขยน
ปฏกรยานวเคลยรไดเปน
X + a →Y + b หรอ X ( a ,b )Y ******
X = นวเคลยสทเปนเปา
a = อนภาคทชนเปา
Y = นวเคลยสธาตใหมทเกดขนหลงการชน
b = อนภาคทเกดขนหลงการชน
• รทเทอรฟอรดเปนคนแรกทพบปฏกรยานวเคลยร โดยใชอนภาคแอลฟา
7.68 MeV ยงนวเคลยสไนโตรเจน แลวไดกาซออกซเจนกบโปรตอน
• ปฏกรยานวเคลยรเกดจากการยงนวเคลยสดวยอนภาคของนวเคลยสเบา
เชน นวตรอน โปรตอน ดวเทอรอน ไมใชนวเคลยสของธาตหนก หรอ
อาจใชโฟตอนหรอแกมมากได
HON 11
178
147 OPN 17
8147 ,
หลกสาคญปฏกรยานวเคลยร
1 ผลรวมของประจไฟฟาและเลขมวลกอน
เกดปฏกรยาและหลงปฏกรยาจะตองเทากน
2 กฎอนรกษโมเมนตมเชงเสนและโมเมนตม
เชงมม
3 หลกการสมมลของมวลและพลงงาน ตาม
ทฤษฎสมพทธภาพของไอนสไตน มวลสาร
และพลงงานทงหมดของระบบตองคงตว
กระบวนการแบงแยกนวเคลยส
นวเคลยสธาตหนกถกทาใหแบงตว
• เมอยงนวตรอนเขาไปในนวเคลยสธาตหนก นวเคลยสนน
จะดดกลนนวตรอนไวทาใหเกดการสนขนภายในและทาให
สญเสยสภาพทเปนทรงกลม แรงนวเคลยรซงเปนแรงระยะ
สนจะเสยประสทธภาพในการยดเหนยว เนองจาก
นวเคลยสมพนทผวมากขน เมอเวลาผานไปแรงดงดดออน
แรงลง แรงผลกทางไฟฟาจะมคามากกวา นวเคลยสกจะ
เสยรปทรงมากขนๆ จนในทสดนวเคลยสแตกเปน 2 เสยง
กระบวนการแบงแยกนวเคลยสอธบายไดดวยแบบจาลอง
หยดของเหลว นนคอ
ขนตอนกระบวนการแบงแยกนวเคลยส
1 นวเคลยสธาตหนกจบนวตรอน
2 ผลของการจบนวตรอนนวเคลยสธาตหนกอยใน
สถานะกระตน มการสนอยางรนแรง
3 แรงผลกระหวางโปรตอนจะทาใหเกดการบดเบยว
ยงขน
4 นวเคลยสแตกออกเปนสองสวน โดยมนวตรอน
จานวนหนง 2-3 ตว และพลงงาน
• กระบวนการแบงแยกนวเคลยสจะมนวตรอน
จานวนหนง 2-3 ตวในแตละปฏกรยา ซง
นวตรอนใหมนอาจวงชนนวเคลยสของ
ยเรเนยมตอไป ทาใหเกดปฏกรยาตอเนอง
ปฏกรยาทเกดขนเรยกวาปฏกรยาลกโซ
( ) ปฏกรยานเกดขนใน
ชวงเวลานอยกวา 10-6 วนาท จงใหคาพลงงาน
มหาศาล
กระบวนการหลอมนวเคลยส
• Hans Bethe อธบายวา การเกดปฏกรยานวเคลยรแบบ
หลอมนวเคลยสเกดจากการหลอมตวของนวเคลยสเบาสอง
นวเคลยสแลวกลายเปนนวเคลยสหนกหนงนวเคลยส และปลอย
พลงงานมหาศาลออกมา
• กระบวนการหลอมนวเคลยสเกดขนทอณหภม
ประมาณ 10 ลานเคลวน ภายใตความดนสง
1 วฏจกรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)
• นวเคลยสของไฮโดรเจน 4 ตว รวมกนไดอนภาคแอลฟา 1 ตว
โปรตอน 2 ตว และโพซตรอนอก 2 ตว พรอมกบใหพลงงาน
ประมาณ 25 MeV
4...................2
3...................
2..........................
1......................
11
42
32
32
01
42
11
32
32
21
11
01
21
11
11
HHeHeHe
eHeHHe
HeHH
eHHH
ขนตอนของวฏจกรโปรตอน-โปรตอน
หรอ
พลงงานทไดจากกระบวนการหลอมนวเคลยสมชอเรยกอกอยางวา พลงงานเทอร
โมนวเคลยร
กระบวนการหลอมนวเคลยสใหพลงงานมากกวากระบวนการแบงแยกนวเคลยส
เมอเทยบตอนวคลออนประมาณ 10 เทา
นอกจากวฏจกรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แลวยงมวฏจกร
คารบอนทเกดขนบนดาวทมอณหภมสงกวาดวงอาทตย โดยมกระบวนการดงน
HeCNH
eNO
ONH
NCH
eCN
NCH
22
126
157
11
01
157
158
158
147
11
137
136
11
01
136
13
7
137
126
11
Recommended