บทท่ี 14 เคมนีิวเคลียร์( Nuclear Chemistry )

ภาควชิาเคมี คณะวทิยาศาสตร์มหาวทิยาลัยเทคโนโลยมีหานคร

ปฏิกิรยิานิวเคลียร ์(NuclearRreactions) 1. การสลายตัวของธาตกัุมมนัตรงัสี (Radioactive decay) Nucleus ท่ีไมเ่สถียร (unstable) จะเกิดการสลายตัวปล่อย อนุภาค (particles) และรงัสแีมเ่หล็กไฟฟา้ ปรากฏการณ์นี้เรยีก กัมมนัตภาพรงัสี (radioactivity) หรอื radioactive decay

2. การแปรนิวเคลียส (Nuclear transmutation) Nucleus อาจถกูระดมยงิ (bombardment) ด้วยอนุภาคต่างๆ ทำาให้เกิดการ เปล่ียนแปลง

อนุภาค (Particles) ต่างๆ

, =proton

= neutron , = electron

, = positron

, = alpha

11p 1

1H10n

0-1e 0

-101e 0

1

42He

ตารางเปรยีบเทียบปฏิกิรยิาเคมกัีบปฏิกิรยิานิวเคลียร์

Chemical Reaction

Nuclear Reaction

1. เปล่ียนแปลงจากพนัธะเคมเีดิมสลายและเกิดพนัธะใหม่2. เก่ียวขอ้งเฉพาะอิเล็กตรอนในพนัธะ3. มกีารดดูกลืน / คายพลังงานปรมิาณเล็กน้อย4. อัตราเรว็ของปฏิกิรยิา

ขึน้กับอุณหภมูิ ความดัน ความเขม้ขน้ catalyst

1. เปล่ียน isotope ของธาตหุรอืเปล่ียนธาตุเลย2. เก่ียวขอ้งกับ p , n , e-

3. เก่ียวขอ้งพลังงานปรมิาณมาก4. อัตราเรว็ไมข่ึน้กับ

อุณหภมูิ ความดันcatalyst

การดลุสมการนิวเคลียร ์ (Balancing Nuclear Equations) - จำานวน p, n ซา้ย = ขวา ( atomic number และ mass number )

ตัวอยา่งท่ี 1

a) + X X =

b) + X X =

c) + X X =

21284Po 208

82Pb13755Cs 137

56Ba2011Na 20

10Ne

เสถียรภาพของนิวเคลียส (Nuclear Stability): นิวเคลียสจะเสถียรหรอืไม่ พจิารณาจากอัตราสว่นของ neutron : proton (n / p) ดังน้ี - ธาตุ atomic no. ตำ่า จะเสถียรถ้า n / p 1 - ธาตุ atomic no. สงูขึน้ จะเสถียรถ้า n / p > 1 เพราะต้องมี neutron มากขึน้เพื่อต้านการผลักกันของ proton

- ธาตท่ีุ nuclei มี p = 2, 8, 20, 50, 82, 126 จะเสถียรมากกวา่ ( จำานวน 2, 8, 20, 50, 82, 126 น้ีเรยีกวา่ เลขมหัศจรรย์ (magic number) พจิารณาจากจำานวน stable isotopes ของธาตุ ) - ธาตท่ีุมจีำานวน p, n เป็นเลขคู่ (even) เสถียรกวา่เลขค่ี (odd)

จำานวน p จำานวน n จำานวน stable isotopes

เลขค่ี เลขค่ี 8

เลขค่ี เลขคู่ 50

เลขคู่ เลขค่ี 52เลขคู่ เลขคู่ 157

- ธาตต้ัุงแต่ Z = 84 (Po) มี isotopes ทกุตัวเป็น radioactive (ไมเ่สถียร) - isotope ของ Tc (Z = 43) , Pm (Z = 61) เป็น radioactive ทกุตัว- นิวเคลียสของธาตท่ีุอยูน่อกแถบเสถียรภาพ (belt of stability) ไมเ่สถียร

พลังงานการยดึเหนียวนิวเคลียส ( Nuclear Binding Energy, NBE ) ความเสถียรของนิวเคลียส (nuclear stability) วดัได้จากพลังงานในการสลาย

nucleus ออกเป็น p, n เรยีกพลังงานนี้วา่ nuclear binding energy ซึง่คำานวณ ได้จาก ผลต่างของมวลอะตอมของธาตกัุบมวลของอนุภาค ( p + n )

ตัวอยา่งท่ี 2 จงคำานวณ NBE ของ มี atomic mass = 18. 9984 amu --- (1)

จาก คำานวณ mass ของ 9 protons 1.0078 = 9. 0702 amu 10 neutron 1.0087 = 10.0870 amu รวม mass = 19.1572 amu --- (2)

mass ต่างกัน = mass defect = m = (1) - (2) = 18. 9984 - 19.1572 amu = - 0.1588 amu

199F19

9F199F

m น้ีหมายถึง mass หายไปจะเปลี่ยนเป็นพลังงานปล่อยสูส่ิง่แวดล้อม (Exothermic) ตามสมการของ Einstein E = mc2

E = (m) c2 = (-0.1588 amu)(3 108 m/s)2 = -1.43 1016 amu. m2/s2

(1 amu. m2/s2 = 1.66 10-27 J) = (-1.43 1016)(1.66 10-27) E = -2.37 10-11 J

E คือ พลังงานท่ีใชใ้นการสลายอะตอมออกเป็น n และ p = NBE หรอือาจกล่าวอีกนัยหน่ึงได้วา่เป็นพลังงานท่ีคายออกมาเมื่อนำาโปรตอนและ นิวตรอนมาหลอมรวมกัน (Fusion) เป็นนิวเคลียสของ จะเห็นวา่พลังงานท่ี คายออกมาไมม่ากนัก เพราะคิดแค่ 1 นิวเคลียส แต่หากคิดต่อ 1 โมล ของธาตุ จะพบวา่พลังงานท่ีคายออกมามหาศาล

6.02 1023 อะตอม = 1 โมล = 18.9984 g E = (-2.37 10-11)(6.02 1023) E = 1.43 1013 J/mol

= 1.43 1010 kJ/mol ถ้า mass defect สงู m ติดลบมาก = พลังงานสงู

ถ้าเปรยีบเทียบพลังงานท่ีทำาให้ nucleus เสถียรน้ีต้องคิดจากจำานวน nucleon(เลขมวล)

NBE / nucleon = J / nucleon ( = 19 nucleon) = = -1.25 10-12 J / nucleon

Nuclear binding energyno. of nucleon

199F

-11-2.37 × 1019

ตัวอยา่งท่ี 3 จงคำานวณ NBE ของ มี atomic mass = 126. 9004 amu --- (1)

คำานวณ mass ของ 53 protons 1.0078 = 53.4134 amu 74 neutron 1.0087 = 74.6438 amu รวม mass = 128.0572 amu --- (2)

m = (1) - (2)

= 126.9004 – 128.0572

= -1.1568 amu

12753I127

53I

พลังงาน E = (m) c2

= (-1.1568 amu)(3 108 m/s)2 = -1.04 1017 amu.m2/s2 NBE = (-1.04 1017 amu.m2/s2 )(1.66 10-27) J/atom

= -1.73 10-10 J/atom

(1 atom = 127 nucleon) = J/nucleon

= -1.36 10 – 12 J/nucleon

-10-1.73×10127

กัมตรงัสใีนธรรมชาติ (Natural Radioactivity) - นิวเคลียสของธาตท่ีุอยูน่อก belt of stability ไมเ่สถียร สามารถสลายตัว (radioactive decay) - นิวเคลียสของธาตท่ีุมี p > 83 ให้อนุภาค , รงัสี EM

1. - particle () 2. - particle (electron) 3. - ray ( รงัสี EM-แมเ่หล็กไฟฟา้) 4. positron

- เมื่อปล่อยอนุภาค/ รงัสแีล้วได้ผลิตภัณฑ์ท่ีไมเ่สถียร จะสลายตัวต่อเนื่องกันไป เรยีกวา่ อนุกรมการสลายตัว (decay series)

ตัวเริม่ต้น = parent (unstable) ผลิตภัณฑ์ = daughter

ตัวสดุท้าย = end product (stable) เชน่ อนุกรมการสลายตัวของ Uranium (Uranium decay series)

U

ThPaUThRaRnPo

At PbBi

Po TlPbBi

Po TlPb

23892

23490

23491

23492

23090

22688

20682

Parent

daughter

end product - เสถียร

ธาตกัุมมนัตรงัสสีงัเคราะห์ (Artificial Radioactivity) นิวเคลียสท่ีไมเ่สถียรตามธรรมชาติสลายตัวได้เองเป็น Natural radioactivity

แต่เราสามารถสงัเคราะห์หรอืสรา้งธาตกัุมมนัตรงัสไีด้ โดยใชก้ระบวนการ เปล่ียนนิวเคลียสท่ีเกิดจากการยงิอนุภาค (bombardment) เขา้ไปท่ีนิวเคลียส

หน่ึงแล้วทำาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นนิวเคลียสใหม่ เรยีกวา่ การแปรนิวเคลียส( nuclear transmutation )

ยงิ ( หรอื ) ไปท่ีนิวเคลียสของ N + + หรอื ( , p)

หรอืยงิด้วย neutron

+ + หรอื ( n , p)

42He

147N 4

2He 178O 1

1p 147N 17

8O

147N 1

0n 146C 1

1H 147N 14

6C

Nuclear transmutation เกิดเองไมไ่ด้ แต่ radioactive decay เกิดเองได้ (spontaneous) ไอโซโทปสงัเคราะห์ (Artificial Isotope) : ผลิตภัณฑ์ของ nuclear transmutation อาจ stable หรอืเป็น radioactive ( ถ้าเป็น radioactive ก็จะสลายต่อไป เชน่ ) : สว่นใหญ่ได้จากการยงิด้วย neutron ( ) ซึง่สะดวก ไมม่ปีระจุ ไมถ่กู ต่อต้านโดยนิวเคลียสเป้าหมาย : ถ้าใชอ้นุภาคอ่ืนแทน neutron จะมแีรงผลักระหวา่งนิวเคลียสกับอนุภาค เชน่ , p จงึต้องเรง่ความเรว็ เพื่อเพิม่พลังงานให้เอาชนะแรงต้านจาก นิวเคลียส ด้วยเครื่องมอืเรง่อนุภาค ( Particle accelerator )

146C

10n

ธาตถัุดจากยูเรเนียม (Transuranium Elements): จาก nuclear transmutation ใช้ accelerator สงัเคราะห์ธาตจุาก uranium (Z = 92) ได้ธาตุ Z > 92 จนถึง 109 เรยีกธาตกุลุ่มน้ีวา่ transuranium element ท้ังหมดเป็น radioactive

+ + uranium neptunium

23892U 1

0n 23993Np 0

1

atomic number (z)

name symbol

9293949596979899100101102103104105106107108109

Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium

Fermium

Mendelevium

Nobelium Lawrencium

Rutherfordium Dubnium

Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium

UNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMt

การแยกนิวเคลียส ( Nuclear Fission ): การแตกตัวของนิวเคลียสหนัก (mass number > 200) ท่ีไมเ่สถียรได้นิวเคลียส ท่ีเล็กลง + นิวตรอน: ต้องมกีารยงินิวตรอนไปท่ีนิวเคลียสหนัก เชน่ ยูเรเนียม: ให้พลังงานมากมาย (1 mole ของ U-235 ปล่อยพลังงาน 2.0 1013 J ( ถ่านหิน 1 ตันให้พลังงาน 8 107 J)

Nuclear fission แบง่เป็น 2 ประเภท1 มวลของ U-235 ไมถึ่งจุดวกิฤต (subcritical) นิวตรอนท่ีปล่อยจาก fission ขัน้แรกน้อย การเกิด fission ต่อไปจงึน้อย

2 มวลของ U-235 มากกวา่จุดวกิฤต นิวตรอนท่ีปล่อยจาก fission ขัน้แรกจะยงิอะตอมอ่ืนๆท่ีอยูถั่ดไปจนเกิด ปฏิกิรยิาลกูโซ่ (Chain reaction) ซึง่ไมส่ามารถควบคมุได้ ใชใ้น atomic bomb เชน่ U-235 หรอื Pu-239 ซึง่มมีวลมากกวา่จุดวกิฤต( ระเบดิ 1 ลกู 1 กิโลกรมั อำานาจทำาลายล้างเทียบเท่ากับระเบดิ TNT 20,000 ตัน)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร ์ ( Nuclear Reactors ) เป็นการนำา nuclear fission ไปใชป้ระโยชน์ในทางสนัติ โดยการนำาพลังงานความรอ้นไปผลิตกระแสไฟฟา้หลักการ ต้องควบคมุ chain reaction ให้ได้ มี 3 ประเภท

1. Light water reactors2. Heavy water reactors3. Breeder reactors

เครื่องปฏิกรณ์นำ้าเบา (Light Water Reactors) เป็นการยงิ U–235 ด้วย slow neutron ทำาให้เกิด fission ดีกวา่ fast neutron

โดยนิวตรอนท่ีเกิดจากปฏิกิรยิา fission ของ U – 235 มพีลังงานสงูและความเรว็ สงูต้องทำาให้ชา้ลงโดยใช้ moderator เพื่อลดความเรว็ของนิวตรอน

คณุสมบติัของ moderator ท่ีดี1. เป็น fluid ทำาหน้าท่ี coolant ไปด้วย2. มคีวามรอ้นจำาเพาะสงู3. non–toxic ราคาไมแ่พง (เพราะต้องใชป้รมิาณมาก)4. ต้านทานการเกิด nuclear transmutation กลายเป็น radioactive isotope ไมม่สีารใดมสีมบติัดังกล่าวครบถ้วน แต่นำ้า นับวา่มสีมบติัใกล้เคียงท่ีสดุเมื่อ เทียบกับสารอ่ืน ดังนัน้ Light water reactors เป็นโรงปฏิกรณ์นิวเคลียรท่ี์ ต้อง ใชน้ำ้ามาก จงึจำาเป็นต้องอยูใ่กล้แหล่งนำ้า แมน่ำ้าหรอืทะเลสาบ

เครื่องปฏิกรณ์นำ้าหนัก (Heavy Water Reactors) เครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้จะใช้ Moderator เป็น heavy water (D2O) แทน H2O

หลักการ เน่ืองจาก D2O ทำาหน้าท่ีลดความเรว็ของนิวตรอนได้ไมดี่เท่า H2O ความเรว็ของนิวตรอนจงึ ลดลงไมม่าก จงึยงัวิง่เรว็และมพีลังงานสงู

ทำาให้ยงิถกูเป้าหมาย ( นิวเคลียส U–235) ได้มากกวา่ ด้วยเหตนุี้จงึทำาให้ไมต้่อง ใชแ้รยู่เรเนียมท่ีมคีวามบรสิทุธิส์งู (enriched U (3–4 %) แต่ใชเ้พยีงแรยู่เรเนียม

ท่ีมปีรมิาณของยูเรเนียมตำ่าก็เพยีงพอ (normal U–235 (0.7 %) ซึง่มรีาคาท่ีไม่แพงมาก

เครื่องปฏิกรณ์บรดีเดอร ์ (Breeder Reactors) ต้ังต้นจาก U-238 ( เป็น non–fission) ยงิด้วย fast neutron ได้ Pu-239 และเกิด

นิวตรอนท่ีไปเกิดปฏิกิรยิา fission ไปยงิท่ี U-238 และเกิดปฏิกิรยิาลกูโซเ่ชน่น้ี ต่อไปจน U-238 เปล่ียนไปเป็น Pu-239 ท้ังหมด

U + n U Np + 23993

23892

10

23992 -1

0

Pu +23994

0-1

ขอ้เสยี 1. แพง 2. Pu-239 toxic มาก มี t1/2 = 24,400 ปี

การหลอมนิวเคลียส ( Nuclear Fusion ) : เป็นการหลอมรวมนิวเคลียสเล็กๆ ให้เป็นนิวเคลียสใหญ่ขึน้ ( ตรงขา้มกับ nuclear fission ) : ต้องเกิดท่ีอุณหภมูิ ( t ) สงูมากๆ เรยีก thermonuclear reactions เชน่ ในดวงอาทิตย์ t 15 ล้าน oC H รวมเป็น He ได้ตลอดเวลา  สำาหรบัธาตท่ีุเบา เสถียรภาพของนิวเคลียสจะเพิม่ตามเลขมวลท่ีเพิม่ขึน้ ดังนัน้ ถ้านิวเคลียสของธาตเุบา 2 นิวเคลียสหลอมตัวกันเป็นนิวเคลียสเดียวท่ี หนักกวา่เดิมและเสถียรกวา่เดิม จะมกีารคายพลังงานออกมาเป็นจำานวนมาก

H + H HeHe + He He + 2 HH + H H +

11

21

32

32

32

42

11

11

11 1

2 01

ขอ้ดี - ใช้ fuel ราคาถกูกวา่ มปีรมิาณมาก - เกิดของเสยีท่ีเป็นกัมมนัตรงัสนี้อย (radioactive waste)

ขอ้เสยี - เกิด thermal pollution เพราะเกิดท่ีอุณหภมูสิงูมาก

ตัวอยา่ง Hydrogen bomb ใช้ solid lithium deuteride (LiD)

ขัน้ท่ี 1 nuclear fission ให้ heat 2 heat ทำาให้เกิด nuclear fusionLi + H 2 He

H + H H + H 63

21

42

21

21

3 11 1

การประยุกต์ใชง้านไอโซโทปกัมมนัตรงัสี (Application of Isotopes) 1. แหล่งพลังงาน - nuclear power plant 2. อุตสาหกรรม - ลดการสกึหรอวงแหวนลกูสบู 3. Tracer (ตัวติดตาม) : ใช้ radioactive isotope ศึกษาติดตามการเปลี่ยน แปลงของธาตปุกติ ในกระบวนการทางชวีภาพ

การเกษตร : 32P ในปุ๋ยฟอสเฟต 14CO2 การสงัเคราะห์แสง การแพทย์ : 131 I ต่อม thyroid ผิดปกติ4. ศึกษาโครงสรา้งของสาร5. รกัษาโรค 60Co รกัษามะเรง็

131I รกัษาต่อม thyroid6. C - 14 คำานวณอายุวตัถโุบราณ อันตรายของกัมมนัตรงัส ี (Hazards of Rradioactivity)

ขึน้กับ - ชนิดและปรมิาณของรงัสี - สว่นของอวยัวะ (ทำาลายเซลล์)- Nuclear fission products เชน่ Sr-90 , Pu-239 ถ้ารัว่ไหลอันตราย- การกำาจดักากนิวเคลียร์ ใสถั่งฝังใต้ทะเล / ใต้ดิน