Upload
jeanette-brown
View
73
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ( Nuclear Physics ). ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส โครงสร้างของนิวเคลียสและผลจากระบวนการต่างๆเกี่ยวกับนิวเคลียส. ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสเป็นคนแรก จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น x-ray โดยใช้สารประกอบของยูเรเนียม. การค้นพบกัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ). - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
ฟิ�สิ�กสิ�นิ�วเคลี�ยร์�(Nuclear Physics)
• ศึ�กษาสิมบั�ติ�ของนิ�วเคลี�ยสิ โคร์งสิร์�างของนิ�วเคลี�ยสิแลีะผลีจากร์ะบัวนิการ์ติ!างๆเก�#ยวก�บันิ�วเคลี�ยสิ
การ์ค�นิพบัก�มม�นิติภาพร์�งสิ�(radioactivity)
Henri Becquerel
ค�นิพบัร์�งสิ�จากนิ�วเคลี�ยสิเป็'นิคนิแร์ก จากการ์หาว!าม�สิาร์ใดด+ดกลี,นิแสิงแดดแลี�วป็ลี!อยพลี�งงานิเป็'นิ x-ray โดยใช้�สิาร์ป็ร์ะกอบัของย+เร์เนิ�ยมก�มม�นิติภาพร์�งสิ�(radioactivity ) ค,อ ร์�งสิ�ที่�#แผ!ออกมาจากสิาร์ก�มม�นิติร์�งสิ�(radioactive
element)
Marie Curie
พบัก�มม�นิติภาพร์�งสิ�จาก โพโลีเนิ�ยม แลีะเร์เด�ยมร์�งสิ�จากสิาร์ก�มม�นิติร์�งสิ�เก�ดจากการ์เป็ลี�#ยนิแป็ลีงภายในินิ�วเคลี�ยสิ นิ�วเคลี�ยสิที่�#ไม!เสิถี�ยร์จะสิลีายติ�วจนิกว!าจะเสิถี�ยร์
ช้นิ�ดก�มม�นิติภาพร์�งสิ�
กร์ะบัวนิการ์สิลีายแอลีฟิา
กร์ะบัวนิการ์สิลีายบั�ติา
ค!าเป็ร์�ยบัเที่�ยบัร์�งสิ�ที่�1งสิาม• ความสิามาร์ถีในิการ์ที่2าให�อากาศึแติกติ�วเป็'นิ
อ�ออนิ , , • อ2านิาจการ์ที่ะลี3ที่ะลีวง , , • มวลี , , • ความเร์4ว , , • พลี�งงานิ , ,
โคร์งสิร์�างของนิ�วเคลี�ยสิ• สิมมติ�ฐานิโป็ร์ติอนิ-อ�เลี4กติร์อนิ
นิ�วเคลี�ยสิป็ร์ะกอบัด�วยโป็ร์ติอนิแลีะอ�เลี4กติร์อนิโดยม�จ2านิวนิโป็ร์ติอนิเป็'นิสิองเที่!าของอ�เลี4กติร์อนิร์�ที่เที่อร์�ฟิอร์�ดเสินิอว!าม�อนิ3ภาคที่�#เป็'นิกลีางที่างไฟิฟิ6าในินิ�วเคลี�ยสิให�ช้,#อว!านิ�วติร์อนิ(neutron)ซึ่�#งเป็'นิการ์ย�ดก�นิของโป็ร์ติอนิแลีะอ�เลี4กติร์อนิอย!างแนิบัแนิ!นิ
จากหลี�กความไม!แนิ!นิอนิ อ�เลี4กติร์อนิอย+!ในินิ�วเคลี�ยสิไม!ได�เพร์าะ
อ�เลี4กติร์อนิจะม�ความเร์4วมากกว!าแสิง
การ์ค�นิพบันิ�วติร์อนิJames Chadwick
+ nCBe 10
126
94
ติอนิแร์กค�ดว!าร์�งสิ�ที่�#ได�เป็'นิร์�งสิ�แกมมา แติ!จากการ์ค2านิวณถี�าเป็'นิร์�งสิ�แกมมาจะติ�องม�พลี�งงานิถี�ง 55 MeV พลี�งงานิร์ะด�บันิ�1จะที่2าให�อากาศึแติกติ�วเป็'นิอ�ออนิค�ดการ์ช้นิแบับัย,ดหย3!นิอนิ3ภาคใหม!นิ�1ม�มวลีใกลี�เค�ยงโป็ร์ติอนิมาก แลีะเป็'นิกลีาง
ร์�งสิ�ที่�#ได�ช้นิโป็ร์ติอนิในิพาร์าฟิ�นิหลี3ดออกด�วยพลี�งงานิป็ร์ะมาณ 5 MeV
ร์�งสิ�ที่�#ได�
นิ�วติร์อนิไม!ใช้!เป็'นิการ์ย�ดก�นิของโป็ร์ติอนิแลีะอ�เลี4กติร์อนิเพร์าะ
• นิ�วติร์อนิ โป็ร์ติอนิแลีะอ�เลี4กติร์อนิติ!างม�สิป็�นิแม!เหลี4กเที่!าก�บั ½ ถี�านิ�วติร์อนิเป็'นิการ์ย�ดก�นิของโป็ร์ติอนิแลีะอ�เลี4กติร์อนิ นิ�วติร์อนิม�สิป็�นิแม!เหลี4กเที่!าก�บั 0 หร์,อ 1 (จากการ์ที่�#สิป็�นิห�นิติร์งก�นิข�ามหร์,อห�นิที่างเด�ยวก�นิ) จะเป็'นิ ½ ไม!ได� อ�กที่�1งนิ�วติร์อนิแลีะโป็ร์ติอนิม�โคร์งสิร์�างติ!างก�นิuud udd
โคร์งสิร์�างโป็ร์ติอนิแลีะนิ�วติร์อนิ
อนิ3กร์มการ์สิลีาย
การ์สิลีายก�มม�นิติร์�งสิ�
Ndt
dN
dt
dN
เป็'นิไป็ติามสิถี�ติ�หร์,อโอกาสิติามธร์ร์มช้าติ�
ค,อ อ�ติร์าการ์สิลีายติ�วN ค,อ จ2านิวนินิ�วเคลี�ยสิที่�#เหลี,ออย+!N0
ค,อ จ2านิวนินิ�วเคลี�ยสิติ�1งติ�นิN
dt
dN
เคร์,#องหมายลีบั แสิดงถี�งการ์ลีดลีง ค!าคงติ�วในิการ์สิลีายติ�ว
สมการการสลายก�มม�นตร�งส�
teNN 0
2/1002
1 TeNN
เวลีาที่�#สิาร์ก�มม�นิติร์�งสิ�ใช้�ในิการ์สิลีายติ�วจนิเหลี,อคร์�#งหนิ�#งของเด�มเม,#อติ�1งติ�นิเร์�ยกว!า เวลีาคร์�#งช้�ว�ติ(half – life ), T1/2
2ln
2/1 T
หร์,อ 693.0
2/1 T
จากteN
dt
dN 0teN
dt
dN 0
Adt
dN 00 NA
teAA 0
teAA 0
เม,#อ
ด�งนิ�1นิ
A0 เป็'นิก�มม�นิติภาพขณะ
เร์�#มติ�นิA เป็'นิก�มม�นิติภาพที่�#เวลีา t ใดๆ
ก�มม�นิติภาพม�หนิ!วยเป็'นิค+ร์�(Ci)1 ค+ร์�(Ci) =3.7 1010 เบัคเคอเร์ลี(นิ�วเคลี�ยสิติ!อว�นิาที่�),Bq
ติ�วอย!าง สิาร์ก�มม�นิติร์�งสิ�ช้�1นิหนิ�#งม�อะติอม 1018 อะติอม ม�เวลีา
คร์�#งช้�ว�ติ 2 ว�นิ เม,#อเวลีาผ!านิไป็ 5 ว�นิ จงหา
ก. จ2านิวนิอะติอมที่�#เหลี,อ
ข. ก�มม�นิติภาพของสิาร์
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.
แร์งนิ�วเคลี�ยร์�(Nuclear Force)
แร์งนิ�วเคลี�ยร์�ค,อแร์งลี�กษณะใด• เป็�นแรงที่��ดึ�งดึ�ดึน�วคล�ออนในน�วเคล�ยส
ไว�ดึ�วยก�นม�ค�ามากกว�าแรงค�ลอมบ์�ไม�น�อยกว�า 100 เที่�า เก�ดึจากการแลกเป็ล��ยนอน"ภาคไพ-ม�ซอน(ม�มวลป็ระมาณ 273 เที่�าอ�เล)กตรอน)ระหว�างน�วคล�ออนที่��อย��ใกล�ๆ ก�น
หลี�กสิ2าค�ญของแร์งนิ�วเคลี�ยร์�1 เก�ดึจากการแลกเป็ล��ยนอน"ภาคไพ-ม�ซอน(น�ว
คล�ออนอย��ห�างก�นไม�เก�น 9 10- 15 เมตร)ในระยะที่างส�,นๆ10- 15 เมตร (1เฟอร�ม�)หร.อน�อยกว�า
2 ไม�ขึ้�,นก�บ์ป็ระจ"ไฟฟ0า3 เป็�นแรงกระที่1าระหว�างน�วคล�ออนและ
เป็�นอ�นตรก�ร�ยาแบ์บ์ แรง 4 น�วคล�ออนต�วหน��งๆจะม�แรงกระที่1าก�บ์ต�วที่��อย��ต�ดึก�นเที่�าน�,น ไม�ม�แรงกระที่1าก�บ์น�วคล�ออนต�วที่��อย��ถั�ดึไป็
ขนิาดของนิ�วเคลี�ยสิ• การ์ใช้�อนิ3ภาคแอลีฟิาในิการ์ที่ดลีอง
ของร์�ที่เที่อร์�ฟิอร์�ดไม!สิามาร์ถีหา ขนิาดของนิ�วเคลี�ยสิที่�#แที่�จร์�งได� เพร์าะอนิ3ภาคแอลีฟิาไม!สิามาร์ถีฝ่<าก2าแพง
ค+ลีอมบั�(coulomb barrier)เข�าไป็ถี�งนิ�วเคลี�ยสิได� จ�งติ�องใช้�อนิ3ภาคอ�เลี4กติร์อนิพลี�งงานิสิ+งหร์,อนิ�วติร์อนิเพ,#อฝ่<าแร์งไฟิฟิ6าเข�าไป็ป็ะที่ะก�บันิ�วเคลี�ยสิได�
• ป็ร์�มาติร์นิ�วเคลี�ยสิเป็'นิสิ�ดสิ!วนิโดยติร์งก�บัจ2านิวนิ นิ�วคลี�ออนิ(เลีขมวลี)ที่�#ม�อย+!ในินิ�วเคลี�ยสินิ�1นิๆ
31
AR 31
0ARR
R0 = 1.2 10 -15 เมติร์
• จงหาร์�ศึม�ของนิ�วเคลี�ยสิของอะลี+ม�
เนิ�ยม-27 แลีะที่องค2า-197
(3.6 แลีะ 7.0 เฟิมโติเมติร์)
พลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยว(binding energy)
• เป็�นพล�งงานที่��ย�ดึเหน��ยวอน"ภาคภายในน�วเคล�ยสให�อย��รวมก�นไดึ�
การ์หาค!าพลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยว
มวลขึ้องน�วเคล�ยสโดึยที่��วไป็น�อยกว�าผลบ์วกขึ้องมวลขึ้องอน"ภาคที่��ป็ระกอบ์ขึ้�,นเป็�นน�วเคล�ยสในสภาวะอ�สระ เช่�น
ออกซึ่�เจนิม�มวลี 15994915. u
ออกซึ่�เจนิป็ร์ะกอบัด�วยนิ�วติร์อนิแลีะโป็ร์ติอนิอย!างลีะ 8 ติ�วออกซึ่�เจนิม�มวลีนิ�อยกว!าผลีบัวกของ
นิ�วติร์อนิแลีะโป็ร์ติอนิเที่!าก�บั 0137. 1055 u ค�ดเป็'นิพลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยว
127.6 MeV พลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยวติ!อนิ�วคลี�ออนิ 798 MeV / นิ�วคลี�ออนิ
พลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยวติ!อนิ�วคลี�ออนิ
• ค�าพล�งงานย�ดึเหน��ยวต�อน�วคล�ออนส�งส"ดึป็ระมาณ 8.75 MeV
ติ�วอย!าง จงหาค!าพลี�งงานิย�ดเหนิ�#ยวของ ไนิโติร์เจนิ (N - 14)
N – 14 ม�มวล = 14.003074 u
หลี�กสิ2าค�ญป็ฏิ�ก�ร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�
• 1 ผลรวมขึ้องป็ระจ"ไฟฟ0าและเลขึ้มวลก�อนเก�ดึป็ฏิ�ก�ร�ยาและหล�งป็ฏิ�ก�ร�ยาจะต�องเที่�าก�น
• 2 กฎอน"ร�กษ์�โมเมนต�มเช่�งเส�นและโมเมนต�มเช่�งม"ม
• 3 หล�กการสมม�ลขึ้องมวลและพล�งงาน ตามที่ฤษ์ฎ�ส�มพ�ที่ธภาพขึ้องไอน�สไตน� มวลสารและพล�งงานที่�,งหมดึขึ้องระบ์บ์ต�องคงต�ว
ป็ฏิ�ก�ร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�(NUCLEAR REACTION)
ป็ฏิ�ก�ร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�(NUCLEAR REACTION)
• เม.�อน�วเคล�ยส สองต�วเคล.�อนที่��ฝ่<าแรงค�ลอมบ์�เขึ้�ามาใกล�ก�นภายในระยะขึ้องแรงน�วเคล�ยร� อาจที่1าให�เก�ดึการจ�ดึระเบ์�ยบ์การเร�ยงต�วขึ้องน�วคล�ออนภายในน�วเคล�ยสขึ้�,นใหม� ผลที่��ไดึ�อาจกลายเป็�นหน��งน�วเคล�ยสใหม�หร.อมากกว�าก)ไดึ� เขึ้�ยนป็ฏิ�ก�ร�ยาน�วเคล�ยร�ไดึ�เป็�น
X + a →Y + b หร.อ X ( a ,b )Y ******
X = น�วเคล�ยสที่��เป็�นเป็0า a = อน"ภาคที่��ช่นเป็0าY = น�วเคล�ยสธาต"ใหม�ที่��เก�ดึขึ้�,นหล�งการช่นb = อน"ภาคที่��เก�ดึขึ้�,นหล�งการช่น
• ร�ที่เที่อร�ฟอร�ดึเป็�นคนแรกที่��พบ์ป็ฏิ�ก�ร�ยาน�วเคล�ยร� โดึยใช่�อน"ภาคแอลฟา 7.68 MeV ย�งน�วเคล�ยสไนโตรเจน แล�วไดึ�กาซออกซ�เจนก�บ์โป็รตอน
• ป็ฏิ�ก�ร�ยาน�วเคล�ยร�เก�ดึจากการย�งน�วเคล�ยสดึ�วยอน"ภาคขึ้องน�วเคล�ยสเบ์าเช่�น น�วตรอน โป็รตอน ดึ�วเที่อรอน ไม�ใช่�น�วเคล�ยสขึ้องธาต"หน�ก หร.ออาจใช่�โฟตอนหร.อแกมมาก)ไดึ�
HON 11
178
147 OPN 17
8147 ,
หลี�กสิ2าค�ญป็ฏิ�ก�ร์�ยานิ�วเคลี�ยร์�
1 ผลรวมขึ้องป็ระจ"ไฟฟ0าและเลขึ้มวลก�อนเก�ดึป็ฏิ�ก�ร�ยาและหล�งป็ฏิ�ก�ร�ยาจะต�องเที่�าก�น2 กฎอน"ร�กษ์�โมเมนต�มเช่�งเส�นและโมเมนต�มเช่�งม"ม3 หล�กการสมม�ลขึ้องมวลและพล�งงาน ตามที่ฤษ์ฎ�ส�มพ�ที่ธภาพขึ้องไอน�สไตน� มวลสารและพล�งงานที่�,งหมดึขึ้องระบ์บ์ต�องคงต�ว
กร์ะบัวนิการ์แบั!งแยกนิ�วเคลี�ยสิ
นิ�วเคลี�ยสิธาติ3หนิ�กถี+กที่2าให�แบั!งติ�ว
• เม.�อย�งน�วตรอนเขึ้�าไป็ในน�วเคล�ยสธาต"หน�ก น�วเคล�ยสน�,นจะดึ�ดึกล.นน�วตรอนไว�ที่1าให�เก�ดึการส��นขึ้�,นภายในและที่1าให�ส�ญเส�ยสภาพที่��เป็�นที่รงกลม แรงน�วเคล�ยร�ซ��งเป็�นแรงระยะส�,นจะเส�ยป็ระส�ที่ธ�ภาพในการย�ดึเหน��ยว เน.�องจากน�วเคล�ยสม�พ.,นที่��ผ�วมากขึ้�,น เม.�อเวลาผ�านไป็แรงดึ�งดึ�ดึอ�อนแรงลง แรงผล�กที่างไฟฟ0าจะม�ค�ามากกว�า น�วเคล�ยสก)จะเส�ยร�ป็ที่รงมากขึ้�,นๆ จนในที่��ส"ดึน�วเคล�ยสแตกเป็�น 2 เส��ยง
กร์ะบัวนิการ์แบั!งแยกนิ�วเคลี�ยสิอธ�บัายได�ด�วยแบับัจ2าลีองหยดของเหลีว นิ�#นิค,อ
ข�1นิติอนิกร์ะบัวนิการ์แบั!งแยกนิ�วเคลี�ยสิ1 น�วเคล�ยสธาต"หน�กจ�บ์น�วตรอน2 ผลขึ้องการจ�บ์น�วตรอนน�วเคล�ยสธาต"
หน�กอย��ในสถัานะกระต"�น ม�การส��นอย�างร"นแรง
3 แรงผล�กระหว�างโป็รตอนจะที่1าให�เก�ดึการบ์�ดึเบ์�,ยวย��งขึ้�,น
4 น�วเคล�ยสแตกออกเป็�นสองส�วน โดึยม�น�วตรอนจ1านวนหน��ง - 23 ต�ว และพล�งงาน
•กระบ์วนการแบ์�งแยกน�วเคล�ยสจะม�น�วตรอนจ1านวนหน��ง - 23 ต�วในแต�ละป็ฏิ�ก�ร�ยา ซ��งน�วตรอนใหม�น�,อาจว��งช่นน�วเคล�ยสขึ้องย�เรเน�ยมต�อไป็ ที่1าให�เก�ดึป็ฏิ�ก�ร�ยาต�อเน.�อง ป็ฏิ�ก�ร�ยาที่��เก�ดึขึ้�,นเร�ยกว�าป็ฏิ�ก�ร�ยาล�กโซ�(chain reaction ) ป็ฏิ�ก�ร�ยาน�,เก�ดึขึ้�,นในช่�วงเวลาน�อยกว�า 10-6
ว�นาที่� จ�งให�ค�าพล�งงานมหาศาล
กร์ะบัวนิการ์หลีอมนิ�วเคลี�ยสิ
• Hans Bethe อธ�บ์ายว�า การเก�ดึป็ฏิ�ก�ร�ยาน�วเคล�ยร�แบ์บ์หลอมน�วเคล�ยสเก�ดึจากการหลอมต�วขึ้องน�วเคล�ยสเบ์าสองน�วเคล�ยสแล�วกลายเป็�นน�วเคล�ยสหน�กหน��งน�วเคล�ยส และป็ล�อยพล�งงานมหาศาลออกมา
•กระบ์วนการหลอมน�วเคล�ยสเก�ดึขึ้�,นที่��อ"ณหภ�ม�ป็ระมาณ 10 ล�านเคลว�น ภายใต�ความดึ�นส�ง
1 ว�ฏิจ�กร์โป็ร์ติอนิ-โป็ร์ติอนิ(proton – proton cycle)
• น�วเคล�ยสขึ้องไฮโดึรเจน 4 ต�ว รวมก�นไดึ�อน"ภาคแอลฟา 1 ต�ว โป็รตอน 2 ต�ว และโพซ�ตรอนอ�ก 2 ต�ว พร�อมก�บ์ให�พล�งงานป็ระมาณ 25MeV
4...................2
3...................
2..........................
1......................
11
42
32
32
01
42
11
32
32
21
11
01
21
11
11
HHeHeHe
eHeHHe
HeHH
eHHH
ข�1นิติอนิของว�ฏิจ�กร์โป็ร์ติอนิ-โป็ร์ติอนิ
หร์,อ
พล�งงานที่��ไดึ�จากกระบ์วนการหลอมน�วเคล�ยสม�ช่.�อเร�ยกอ�กอย�างว�า พล�งงานเที่อร�โมน�วเคล�ยร�
กระบ์วนการหลอมน�วเคล�ยสให�พล�งงานมากกว�ากระบ์วนการแบ์�งแยกน�วเคล�ยสเม.�อเที่�ยบ์ต�อน�วคล�ออนป็ระมาณ 10 เที่�า
นอกจากว�ฏิจ�กรโป็รตอน-โป็รตอน(proton – proton cycle)แล�วย�งม�ว�ฏิจ�กรคาร�บ์อนที่��เก�ดึขึ้�,นบ์นดึาวที่��ม�อ"ณหภ�ม�ส�งกว�าดึวงอาที่�ตย� โดึยม�กระบ์วนการดึ�งน�,
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