ฟิสิกส์นิวเคลียร์ - AMI · 2015-03-31 ·...

ฟสกสนวเคลยร

( NUCLEAR PHYSICS)

1

ดร. ราชศกด ศกดานภาพ

สมบตของนวเคลยส

-นวเคลยสประกอบไปดวย โปรตอน และ นวตรอน

-นวเคลยสมมวลมากกวาอเลกตรอนประมาณ 2000 เทา

-นวเคลยสมขนาดเลกมากเมอเทยบกบอะตอม

โxAz

z : atomic number ( เลขอะตอม) แสดงจานวนโปรตอน

A : mass number ( เลขมวล) แสดงจานวนนวคลออน

Al27 13Al13 จานวน p = 13

จานวน e = 13

27 13 14จานวน n = 27-13 = 14

ตระกลทางนวเคลยร

กลมของนวเคลยสทมเลขอะตอม (จานวนโปรตรอน) เทากนเรยกวา กลมของนวเคลยสทมเลขอะตอม (จานวนโปรตรอน) เทากนเรยกวา

“ไอโซโทป” (Isotope) เชน 125I, 127I, 131I

กลมของนวเคลยสทมเลขมวล (จานวนโปรตรอนบวกนวตรอน) เทากนเรยกวา

“ไอโซบาร” (Isobar) เชน 131I, 131Xe, 131Cs

“ไ โ โ ” กลมของนวเคลยสทมจานวนของนวตรอนเทากนเรยกวา “ไอโซโทน”

(Isotone) เชน 13153I,

13254 Xe, 133

55Cs53 54 55

33

ขนาดและโครงสรางของนวเคลยส

จากการทดลองของ Rutherford ในบางกรณอนภาคอลฟาจะเคลอนชนแบบ head-on ระหวาง

อนภาคกบนวเคลยสของอะตอม

พลงงานจลนของการเคลอนทของอนภาคอลฟา = พลงงานศกยทางไฟฟาระหวางประจ

d

Zeekrqqkmv ee

221 212

4

2

24mv

Zekd e4

ขนาดและโครงสรางของนวเคลยส

ขอสรปจากการทดลองทละเอยดขนพบวานวเคลยสมรปทรงเปนทรงกลมและม

โ ขนาดโดยเฉลย:

Arr 3/1

mr

Arr

102.1 150

0

NumberMassA :0

55

แรงนวเคลยร (NUCLEAR FORCE)

นวเคลยสเสถยรไดอยางไรทงทโปรตอน มาอยรวมกน ทาใหมแรงคลอมบ ผลกกน

ระหวางประจบวก?

ลกษณะของแรงนวเคลยร

-เปนแรงดงดดระยะสนเปนแรงดงดดระยะสน

-ไมขนกบชนดของประจ

66

NUCLEAR STABILITY

• นวเคลยสของธาตเบาเสถยรไดเมอ

จานวน โปรตอนเทากบนวตรอน

• นวเคลยสของธาตหนกเสถยรเมอจานวน

ของนวตรอนมากกวาจานวนของโปรตอนของนวตรอนมากกวาจานวนของโปรตอน

• นวเคลยสทไมเสถยรจะปรบตวเองโดย

การปลดปลอยรงสออกมา เรยกวา การ

7

ปลดปลอยกมมนตภาพรงส

7(Radioactivity)

BINDING ENERGY

Particle Mass (kg) Mass (U)atom 1.99 265 × 10-27 12.000 000C12

6

Proton 1.67 262 × 10-27 1.007 276

6

Neutron 1.67 493 × 10-27 1.008 665

มวลของ ควรจะเทากบ 6×(1.007 276) + 6×(1.008 665) = 12.095 646 UC126

Um 095646.0000000.12095646.12

88

BINDING ENERGY

พลงงานยดเหนยว (Binding Energy) คอ พลงงานทตองใชในการแยกนวคลออนออกจากกน

494.931)]()([)( XMNmHZMMeVE Aznb

นวเคลยสทม พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนสง จะมเสถยรภาพสงกวานวเคลยสทม

พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนตา

99

มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตตางๆ

ไอโซโทปมวลอะตอม

ไอโซโทปมวลอะตอม

ไอโซโทป(หนวย u )

e 0 000549

ไอโซโทป(หนวย u )

4He 4 002603e 0.000549

n 1.008665

He 4.002603

5Li 5.0125

1H 1.007825

2H 2 014102

6Li 6.01512

7Li 7 016004H 2.014102

3H 3.016050

Li 7.016004

12C 12.000000

3He 3.016030 13C 13.003354

ตวอยาง นกเกล 62 ( ) มมวลเทากบ 61 928349 U จงคานวณหาNi62ตวอยาง นกเกล 62 ( ) มมวลเทากบ 61.928349 U จงคานวณหา

1. พลงงานยดเหนยวของ Ni (545.26 MeV)

2 พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนของ Ni (8 945 MeV)

Ni28

2. พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนของ Ni (8.945 MeV)

1111

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

ธาตทไมเสถยรจะปลดปลอยรงสเหลาน

รงสแอลฟา •รงสแอลฟา

•รงสเบตา

รงสแกมมา•รงสแกมมา

สามารถตรวจสอบไดโดยการปลอยรงสใหเคลอนท

ผานสนามแมเหลก

1212

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

หลกการพนฐานของการแผกมมนตภาพรงส

1. ผลรวมของ A ทงสองขางของสมการตองเทากน

2. ผลรวมของ Z ทงสองขางของสมการตองเทากน

3. จะตองเปนไปตามกฎอนรกษพลงงานและโมเมนตม

4 42 2

A AZ ZX Y He

1.การสลายตวทปลดปลอยรงสอลฟา

238 234 492 90 2U Th He

13

226 222 488 86 2Ra Rn He

13

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

2. การสลายตวทปลดปลอยรงสเบตาและการคนพบแอนตนวตรโน

AA 0

eYX AZ

AZ

011

ในการสลายใหเบตามอนภาคอกชนดหนงทนาพลงงานและโมเมนตมออกไป เพอใหเกดการอนรกษ

พลงงาน, โมเมนตมเชงมม และโมเมนตมเชงเสน

นวตรโน ไมมประจ มวลนงมคาเปนศนย สปนเทากบ1/2 มอยหลายชนด ชนดทถกปลอยออกมา

จากการสลายตวของเบตาเรยกวา แอนตนวตรโน (Anti-neutrino)

NC 147

146

14

CN

NC126

127

76

14

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

3. การสลายตวทปลดปลอยรงสเบตาบวกและ นวตรโน

โ Paul Dirac, 1902-1984 ทานายการมอยของปฎอนภาคของอเลกตรอน เรยกวา โพสตรอน

C.D.Anderson, 1905-1991 คนพบโพสตรอนจากการวงของรวสคอสมกในสนามแมเหลก

ซงมมวลเทากบอเลกตรอน แตมประจเปนบวก

Irean Joliot Curie และ Frederi Joliot Curie คนพบโพสตรอนจากการยงแอลฟาไปยงอะตอมของ Irean Joliot Curie และ Frederi Joliot Curie คนพบโพสตรอนจากการยงแอลฟาไปยงอะตอมของ

โบรอน แมกนเซยม และอลมเนยม

n PAlHe 10

3015

2713

42

SiP 03030

15

υ eSi P 01

3014

3015

15

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

4.การสลายตวทปลดปลอยรงสแกมมา

XX AZ

AZ *

เปนกระบวนการทนวเคลยสปรบตวจากสถานะกระตนกลบลงมายงสถานะพน

CB 126

125 *

CC 126

126

65

*

1616

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

Various Decay Pathwaysy yAlpha decay

Beta decay

HeYX AZ

AZ

42

42

eYX AA)( 1eBeta decay

Beta decay

eYX ZZ 11

eYX AZ

AZ 11

)( 1e

)( 1e

Electron capture

Gamma decay

YeX AZ

AZ 1

01

XX AAy XX ZZ

1717

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

d

อตราการสลายตวจะมคาแปรผนโดยตรงกบจานวนนวเคลยสในขณะนน

teNN 0NdtdN

N0: จานวนนวเคลยสท t= 0

λ : คาคงทการสลายตว (decay constant)

เวลาครงชวตของสารกมมนตรงส (Half-life)

คอเวลาทอะตอมของสารกมมนตรงสมการสลายตวไปครงหนงของสารกมมนตรงสทมอย

(ในระบบยงคงเหลออะตอมอกครงทยงไมสลายตว)

18693.02ln

2/1 T18

การแผกมมนตภาพรงส (RADIOACTIVITY)

อตราการสลายตว A (หนวยเปน number of decay/s หรอ Bq)

อตราการสลายตว คอ จานวนตวทสลายตอวนาท

NA

tt eAeNdtdNA 00 A0: อตราการสลายตว t = 0

00 NA

NA NA

19

Bq 107.3 Ci 1 10

19

สารชนดหนงม 11C เปนสวนประกอบอย 3.5mg โดย 11C มครงชวตเทากบ 20.4 นาท

(ก) จงหาจานวน nuclei ทเวลา t=0

(ข) จงหา activity ของสารท t=0 และ t=8 ชวโมง

2020

ปฏกรยานวเคลยร (NUCLEAR REACTION)

เมอนวเคลยส สองตวเคลอนทฝาแรงคลอมบเขามาใกลกนภายในระยะของแรงนวเคลยร

อาจทาใหเกดการจดระเบยบการเรยงตวของนวคลออนภายในนวเคลยสขนใหม ผลทได

อาจกลายเปนหนงนวเคลยสใหมหรอมากกวากได เขยนปฏกรยานวเคลยรไดเปนฏ

X + a →Y + b หรอ X ( a ,b )Y

X = นวเคลยสทเปนเปา

21

a = อนภาคทชนเปา

Y = นวเคลยสธาตใหมทเกดขนหลงการชน21

b = อนภาคทเกดขนหลงการชน

ปฏกรยานวเคลยร (NUCLEAR REACTION)

X + a →Y + b

aXi mmm ปฏกรยาดดพลงงานถา if mm

bYf mmm ปฏกรยาคายพลงงานถา if mm

931)()( umMeVQ

2222