บทที่ 11 นิวเคลียรฟสิกส

ในบทนี้จะมีการไขปญหาตางๆ ที่ฟสิกสแบบเกาไมสามารถอธิบายได เชน ทําไมนิวเคลียสของธาตุตางๆซึ่งประกอบดวย โปรตอน และนิวตรอนจึงเกาะกลุมกันอยูไดทั้งๆที่ควรจะมีแรง คูลอมบผลัก ทําใหนิวเคลียสที่เกิดการแตกตัว แยกออกจากกันและจะมีการอธิบายแบบจําลองนิวเคลียส ประโยชนและโทษของการใชสารกัมมันตรังสีการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับนิวเคลียส จะมีผลทําใหคุณสมบัติของธาตุนั้นเปลี่ยนแปลงไป นิวเคลียสทุกนิวเคลียสประกอบไปดวยอนุภาคพื้นฐาน 2 ชนิดคือ โปรตอน (Proton) และนิวตรอน(Neutron) ซ่ึงอนุภาคทั้งสองนี้เมื่อนําจํานวนมารวมกันเรียกวา นิวคลีออน (nucleon) ประจุและมวลของอนุภาคทั้งสองคือ โปรตอน (proton) เปนอนุภาคที่มีประจุไฟฟาเปนบวกและขนาดเทากับประจุของอิเล็กตรอน คือ 1.6 x 10-19 คูลอมบ มีมวล 1.672623 x 10-27 กิโลกรัมหรือ 1.007276 มวลอะตอม (amu) โดย 1 มวลอะตอมมีขนาดเทากับ 1.660540 x 10-27 กิโลกรัม นิวตรอน (neutron) เปนอนุภาคที่เปนกลางทางไฟฟา มีมวล 1.674928 x 10-27 กิโลกรัม หรือ 1.008665 มวลอะตอม (amu) การแบงอะตอมใหเปนหมวดหมู โดยอาศัยคุณสมบัติทางกายภาพของอะตอม เราจะทําการแบงไดออกเปน 4 ประเภท คือ 1. โอโซโทป (Isotope) อะตอมของธาตุที่มีจํานวนโปรตอนเทากันแตมีจํานวนนิวตรอนตางกัน อะตอมเหลานี้จะมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันเพราะเปนอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน เชน

8016,80

17และ 8018 แตจะมีปริมาณในธรรมชาติ ( per cent abundance) แตกตางกัน 80

16 จะมี 99.759 เปอรเซ็นต 80

17 จะมี 6.0374 เปอรเซ็นต 8018 จะมี 0.2039 เปอรเซ็นต

2. โอโซโทน (Isotone) อะตอมของธาตุที่มีจํานวนนิวตรอนเทากันแตจํานวนโปรตอนตางกัน อะตอมเหลานี้มีคุณสมบัติทางเคมีตางกันและเปนอะตอมของธาตุตางชนิดกัน เชน 15P

30 และ 16S

31 ธาตุทั้งสองนี้มีจํานวนนิวตรอนเทากันคือ 15 3. ไอโซบาร (Isobar) อะตอมของธาตุที่มีจํานวนนิวคลีออนหรือคาเลขมวลเทากัน อะตอมเหลานี้มีคุณสมบัติทางเคมีตางกันเปนอะตอมของธาตุตางชนิดกัน เชน 14

6C และ 147N ธาตุทั้งสองมี

จํานวนโปรตอนและนิวตรอนตางกัน แตมีจํานวนรวมของโปรตอนและนิวตรอนเทากันคือ 14 4. ไอโซเมอร (Isomers) อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีเลขมวลเลขอะตอม เทากัน แตมีสภาวะพลังงาน (energy state) ในนิวเคลียสและครึ่งชีวิตตางกัน นอกจากในสภาวะพื้นฐานอาจจะมีเสถียรภาพ เชน sb124 มีคร่ึงชีวิต 60 วัน, 1.5 นาที และ 21 นาที ถาหลายสภาวะที่พลังงานสูงกวา

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-2

สภาวะพื้นฐานจะใชคําวา สภาวะไอโซเมอริก (Isomeric state) จะอยูในสภาวะนั้นชั่วเวลาสั้นๆ แลวสลายตัวสงรังสีแกมมา ออกมาเพื่อปรับตัวเองใหอยูสภาวะพื้นฐาน เชน sb124 (60 วัน), 1124msb (1.5 นาที), 2124msb (21 นาที)

11.1 รัศมีของนิวเคลียส รัศมีของนิวเคลียส สามารถหาไดจากการทดลอง การกระเจิงของอนุภาคแอลฟาจากการทดลองของรัทเทอรฟอรด โดยใชแผนทองบางๆ เปนเปา และทําการยิงเปาโดยใชอนุภาคแอลฟา พบวาการกระเจิงจะลดลง เมื่อมุมที่เบนออกมีคาสูงขึ้น โดยการวัดมุมที่มีคาสูงสุดเมื่ออนุภาคแอลฟากระเจิงออกมา พบวาระยะทางที่อนุภาคแอลฟาเขาไปใกลที่สุดระหวางจุดศูนยกลางของนิวเคลียส และจุดศูนยกลางของอนุภาคแอลฟา มีขนาดประมาณ 10-14 เมตร ซ่ึงคานี้รวมรัศมีนิวเคลียสและอนุภาคแอลฟาดวย ถาตั้งสมมติฐานวา นิวเคลียสมีลักษณะเปนทรงกลม คารัศมีของนิวเคลียสหาไดจาก

R = R0 31

A (11.1) เมื่อ R คือ รัศมีของนิวเคลียสของอะตอมใดๆ R0คือ คาคงที่ มีคาเทากับ 1.4 x 10-15 เมตร หรือ 1.4 เฟอรมิ (F) A คือ เลขมวลของอะตอมนั้น เชน ตองการหารัศมีของนิวเคลียส 13 Al27 จากสมการ (11.1) จะได รัศมีของนิวเคลียส 13 Al27 เทากับ 4.2 x 10-15 เมตร

11.2 พลังงานยึดเหนี่ยวและแรง

ในหัวขอนี้จะศึกษาวาทําไมในนิวเคลียสซึ่งประกอบดวย โปรตอนและนิวตรอนโดยจับคูอนุภาค 3 แบบคือ โปรตอน – โปรตอน นิวตรอน – นิวตรอน และโปรตอน – นิวตรอน ในกรณี โปรตอน – โปรตอน จับคูกัน ควรจะเกิดแรงผลักคูลอมบ ยิ่งธาตุที่มีเลขมวลมากจํานวนโปรตอนก็มากดวย แรงผลักควรจะมีคามากยิ่งขึ้น ลองวิเคราะหดูวาโปรตอน 1 คู ซ่ึงอยูหางกันประมาณ 10-15 เมตร จะมีแรงผลักระหวางประจุเทากับ 230 นิวตันขณะที่แรงดึงดูดระหวางมวลของโปรตอน 1 คูมีคาเทากับ 1.8 x 10-34 นิวตัน ซ่ึงไมมากพอที่จะทําใหโปรตอนจับตัวเปนนิวเคลียสอยูได จนกระทั่งนักฟสิกสชาวญี่ปุน ช่ือ ยูกาวา (Yukawa) ในป ค.ศ. 1935 ไดอธิบายแรงซึ่งยึดนิวเคลียสเขาไวดวยกัน เรียกวาแรงนิวเคลียรโดยมีคุณสมบัติดังนี้

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-3

1. แรงนิวเคลียร เปนแรงที่เกิดในพิสัยส้ันๆ มีคาประมาณไมเกิน 2 เฟอรมิ (1 เฟอรมิมีคาเทากับ 10-15เมตร) 2. แรงนิวเคลียร จะตองมีคามากกวาแรงคูลอมบ 3. แรงนิวเคลียร เปนแรงที่เกิดกับนิวคลีออนที่อยูใกลเคียงเทานั้น 4. เปนแรงชนิดอิ่มตัว (Saturated) กลุมของนิวคลีออน 4 ตัว เชน 2He4 จึงมีเสถียรภาพ แตถามีนิวคลีออน 5 ตัว ในนิวเคลียสเชน 2He5 เปนนิวเคลียสที่ไมมีเสถียรภาพ 5. การที่นิวคลีออนจับตัวกันอยูได มีการแลกเปลี่ยน ไพ – เมซอน (π - meson) โดยมีมวลประมาณ 140 เทาของอิเล็กตรอน ภายหลังพบวาอนุภาคนี้มีมวล 273 เทาของอิเล็กตรอน โดยอนุภาคนี้มี ประจุ -1(π )และประจุ+1(π +) ไมมีเสถียรภาพ มีชีวิตเฉลี่ยนอกนิวเคลียส 2.60 x 10-8 วินาที โดยการแลกเปลี่ยนอนุภาค (π - meson) มีคาดังนี้

โปรตอน นวิตรอน

นิวตรอน โปรตอน

+

−

→ +π

→ +π

ยูกาวา ไดแสดงใหเห็นวา โปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสมีสภาวะที่ไมคงที่ ขึ้นอยูกับเมซอนที่อยูดวย โดยสภาวะนี้ ไมเกิดกับอนุภาคโปรตอนและนิวตรอนอิสระนอกนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) ซ่ึงยึดนิวเคลียสไวดวยกันไดมาจากการที่มวลของ นิวคลีออนที่มาประกอบกันเปนนิวเคลียส สวนหนึ่งหายไปกลายเปนพลังงาน ตามสมการ E = mc2 เมื่อ E คือพลังงานหนวยเปนจูล m คือ มวลที่หายไป หนวยเปนกิโลกรัม c ความเร็วแสงในสุญญากาศ 2.9979 x108 เมตรตอวินาที มวล 1 มวล อะตอมเทากับ 1.6600540 x 10-27 กิโลกรัม ดังนั้น มวล 1 มวลอะตอมจะกลายเปนพลังงานเทากับ 1.492418 x 10-10 จูล แต 1 อิเล็กตรอนโวลท มีคาเทากับ 1.6 x 10-19 จูล มวล 1 มวลอะตอม เมื่อเปลี่ยนเปนพลังงานจะได 931.5 เมกะอิเล็กตรอนโวลต ตัวอยางที่ 11.1 จงหาคํานวณหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ 2 He4 กําหนดใหมวลของ 2 He4 เทากับ 4.0026036 amu มวลของ 1 H

1 เทากับ 1.0078252 amu มวลของ 0 n1 เทากับ 1.0086654 amu

วิธีทํา นิวเคลียสของฮีเลียมเกิดจาก 2 โปรตอนกับ 2 นิวตรอนมารวมกันเพราะฉะนั้นมวลรวมมีคาเทากับ (2 x 1.0078252) amu + (2 x 1.0086654) amu มีคาเทากับ 2.0156504 + 2.0173308 = 4.0329812 amu แตมวลของนิวเคลียสของฮีเลียม = 4.0026036 amu มวลที่หายไป = 0.0303776 amu

พลังงานยึดเหนี่ยวมีคาเทากับ = 0.0303776 amu x 931.5 amuMev

= 28.296 MeV

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-4

11.3 สปนและโมเมนตแมเหล็ก นิวเคลียสของธาตุตางๆ มีโมเมนตัมเชิงมุมของนิวเคลียสหรือสปนพรอมทั้งมีโมเมนตแมเหล็กของนิวเคลียส ซ่ึงคลายกับ ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสแตโมเมนตแมเหล็กของนิวเคลียสจะมีขนาดเล็กกวา โมเมนตแมเหล็กของอิเล็กตรอนประมาณ 1000 เทา

11.4 แบบจําลองนิวเคลียส รูปแบบของนิวเคลียส ซ่ึงประกอบดวยนิวตรอนและโปรตอนมีการวางตัวรูปแบบใด ไมมีใครทราบแนชัด จึงมีผูตั้งสมมติฐานสรางรูปแบบของนิวเคลียสขึ้นมา เพื่ออธิบายคุณสมบัติตางๆ ของนิวเคลียส แตปรากฏวาไมมีรูปแบบใดมีความสมบูรณ คือ อธิบายคุณสมบัติของนิวเคลียสไดครอบคลุมได ในที่นี้จะกลาวถึงรูปแบบของนิวเคลียส 2 รูป คือ แบบจําลองหยดของเหลว (liquid drop model) และแบบจําลองเปนขั้น (Shell model) 11.4.1 แบบจําลองหยดของเหลว (Liquid drop model) แบบจําลองนี้เสนอโดยโบร (Niels Bohr ค.ศ. 1885 – 1962) โดยอาศัยหลักการที่วาแรงนิวเคลียรเปนแรงที่มีพิสัยส้ัน นิวคลีออนแตละนิวคลีออนในนิวเคลียสจะมีอันตรกิริยาตอกันเฉพาะนิวคลีออนที่อยูรอบ ๆ ตัวมันเองเทานั้น โดยการเกาะตัวของนิวคลีออนรวมกันเปนนิวเคลียสมีรูปรางเปนทรงกลม ทําใหเกิดแรงตึงผิวมากที่สุด และมีเสถียรภาพมากที่สุดดวย เปรียบนิวคลีออนแตละนิวคลีออนเปนโมเลกุลของน้ําแตละโมเลกุล แบบจําลองนี้นําไปใชอธิบายพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ไดดังนี้

ก. พลังงานปริมาตร (Volume energy) ให U เปนพลังงานยึดเหนี่ยวระหวางนิวคลีออนแตละคูที่อยูใกลกัน ดังนั้นพลังงานยึด

เหนี่ยวตอนิวคลีออนมีคาเทากับ 2U ถานิวคลีออนแตละนิวคลีออนมีนิวคลีออนรอบ ๆ ที่ยึดกันไว

n นิวคลีออน นิวคลีออนที่อยูในนิวเคลียสนั้นจะมีพลังงานยึดเหนี่ยว nU21 A คือเลขมวลซึ่งก็

คือจํานวนนิวคลีออนในนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวทั้งหมดของนิวเคลียสคือ

( )vE = nUA21 = AC1 (11.2)

เมื่อ ( )vE คือ พลังงานปริมาตร 1C คือ คาคงที่

ข. พลังงานพื้นผิว (Surface energy) เนื่องจากนิวคลีออนที่อยูที่ผิวดานนอกของนิวเคลียส จะมีจํานวนนิวคลีออนรอบๆ นอยกวา n นิวคลีออน ทําใหพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนที่ผิวนอกของนิวเคลียสมีคา

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-5

นอยกวา เมื่อเทียบกับนิวคลีออนที่อยูภายในนิวเคลียส จํานวนนิวคลีออนที่อยูที่ผิวของนิวเคลียสนั้น จะมีมากนอยขึ้นอยูกับพื้นที่ผิวของนิวเคลียส สําหรับนิวเคลียสขนาดรัศมี R จะมี

พื้นที่ผิวเทากับ 24 Rπ จากสมการ (11.1) R = 0R A 31

จะได 204 Rπ A 3

2

เมื่อ A

คือเลขมวล ดังนั้น จํานวนนิวคลีออนท่ีอยูที่ผิวของนิวเคลียสจะแปรผันโดยตรงกับ A 32

ดังนั้น พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะลดลงไปดวยคาเทากับ

( )sE = 3

2

2AC− (11.3) เมื่อ ( )sE คือ พลังงานพื้นผิวของนิวเคลียส (Surface energy) 2C คือ คาคงที่

ค. พลังงานคูลอมบ (Coulomb energy) เนื่องจากในนิวเคลียสมีโปรตอนอยู จึงเกิดแรงผลักดันของประจุบวกมีผลทําใหพลังงานยึดเหนี่ยวลดลง สําหรับนิวเคลียสที่มีจํานวนโปรตอน Ζ พลังงานเนื่องจากการผลักของประจุบวก

มีคาเทากับ Z(Z-1) และแปรผกผันกับรัศมีของนิวเคลียส R โดยเปนสัดสวนกับ A 31

cE = ( )C 1313A

− Ζ Ζ− (11.4)

เมื่อ cE คือ พลังงานคูลอมบ (Coulomb energy) Ζ คือ เลขอะตอม 3C คือ คาคงที่ ง. ผลของการสมมาตร (Symmetry effect) พลังงานยึดเหนี่ยวเปนผลเกี่ยวเนื่องกับผลของการสมมาตร โดยเลขมวล (A) คาหนึ่ง จะมีเลขอะตอม (Z) ที่เปนคาเฉพาะเพื่อใหนิวเคลียสนั้นมีเสถียรภาพมากที่สุด สําหรับนิวเคลียสที่มีเลข

มวลนอย แรงคูลอมบมีคานอย ถา 2AZ = ผลจากแรงคูลอมบจะหายไปสําหรับนิวเคลียสที่มี

จํานวนนิวตรอนมากเกินไป เทอมที่เกี่ยวของคือ ( )22ZA − และพลังงานนี้ยังเปนสวนกลับกับ A ฉะนั้น พลังงานการสมมาตรมีคาเทากับ

( )τE = ( )

A

Z2AC 24 −−

(11.5)

เมื่อ ( )τE คือ พลังงานที่เกี่ยวของกับผลของการสมมาตร 4C คือ คาคงที่

ฉะนั้น พลังงานยึดเหนี่ยวภายในนิวเคลียสจากรูปแบบจําลองหยดของเหลว มีคาเทากับ

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-6

พลังงานยึดเหนี่ยว = ( ) 2

4313

32

2121

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−−

−−A

ZACA

ZZCACAC (11.6)

คาคงที่ C1 , C2 , C3 , C4 หาไดจากการรวบรวมการทดลองเพื่อหาคาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสชนิดตาง ๆ จะไดดังนี้ โดยหนวยเปนเมกะอิเล็กตรอนโวลต (MeV) C1 = 15.7 C2 = 17.8 C3 = 0.71 C4 = 23.6

คาพลังงานยึดเหนี่ยวที่ไดจากสมการนี้ มีคาใกลเคียงกับคาพลังงานยึดเหนี่ยวที่หาไดจากการสลายตัวของมวลจากหัวขอพลังงานยึดเหนี่ยวและแรงนิวเคลียร และแบบจําลองนี้ยังสามารถอธิบายการแตกตัวของวัสดุตนกําลังในเตาปฏิกรณได (Nuclear fission) เชน ยูเรเนียม -235 หรือ พลูโตเนียม -234 เมื่อถูกยิงดวยนิวตรอน นิวตรอนจะเขาไปรบกวนนิวเคลียสของวัสดุตนกําลังทําใหมีการสั่นสะเทือนและเกิดการแตกตัวออกเปนสองสวน 11.4.2 แบบจําลองเปนชั้น (Shell model) อิเล็กตรอนที่มีอยูในอะตอม ถามีจํานวนอิเล็กตรอนตาม magic electron number คือ 2 , 10 , 18 , 36 , 54 , 86 , ... จะเปนธาตุที่มีเสถียรภาพ ไมทําปฏิกิริยากับธาตุอ่ืน คือมีพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนในอะตอมมากกวาธาตุอ่ืนๆ ที่อยูใกลเคียง จากการศึกษาพบวา นิวเคลียสที่มีจํานวนโปรตอนหรือนิวตรอนเทากับ 2 , 8 , 20 , 28 , 50 , 82 , 126, ... จะมีเสถียรภาพมากและเรียกตัวเลขเหลานี้วา magic nucleon number แสดงวา นิวคลีออนนาจะมีโครงสรางแบบเดียวกับอะตอม โดยเปรียบเทียบนิวคลีออนในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนในวงโคจรในอะตอม พลังงานยึดเหนี่ยวเปรียบไดกับพลังงานคูลอมบ และนิวคลีออนก็มีสภาพควอนตัมเชนเดียวกับอิเล็กตรอน และระดับพลังงานหรือช้ันของนิวเคลียสก็จะเปนไปตามหลักการหามซอนกันของเพาลีดวย และในบางธาตุที่มีจํานวนโปรตอนและนิวตรอนเทากับ magic nucleon number จะเกิด doubly magic เชน 4

2 He จะมีจํานวนโปรตอนและนิวตรอนเทากับ 2 จะมีคาพลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออนสูงกวาธาตุ อ่ืนๆ ที่มีอยูใกลเคียงมาก

11.5 กัมมันตรังสี ในป ค.ศ. 1896 อองรี แบคเคอเรล (Henri Becquerel) คนพบโดยบังเอิญวา สารบางชนิด เชน ยูเรเนียมและเรเดียม สามารถทําใหฟลมถายรูปมีสีดําเกิดขึ้นแมในที่มืด สารเหลานี้เรียกวาสารกัมมันตรังสี ตอมา ปแอร และ มารี คูรี (Pierre Curie and Marie Curie) ไดคนพบโพโลเนียม หลังจากนั้นก็มีการพัฒนาการคนพบสารกัมมันตรังสี ทั้งจากธรรมชาติและที่มนุษยผลิตขึ้น ซ่ึงมีประโยชนตอมนุษยชาติ ปรากฏการณที่ธาตุแผรังสีไดเองอยางตอเนื่องนี้ เรียกวา กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) และธาตุที่แผรังสีไดเอง เรียกวา ธาตุกัมมันตรังสี

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-7

(Radioactive element) รังสีหรือกัมมันตภาพรังสีที่แผออกจากสารกัมมันตรังสี แบงออกเปน 3 ชนิด คือ รังสีอัลฟา เบตา และแกมมา ( βα , และ γ ) คุณสมบัติและลักษณะการสลายตัว มีดังนี้ 11.5.1 รังสีอัลฟา (α )

อนุภาคอัลฟา ซ่ึงก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม 42 He ทําใหอนุภาคอัลฟามีประจุไฟฟาเปน

บวก สามารถทําใหบายเบนไดในสนามแมเหล็กและสนามไฟฟา อนุภาคนี้มีมวล 4.003874 amu พลังงานของอนุภาคอัลฟาที่ถูกปลอยออกมาประมาณ 4 MeV ถึง 9 MeV พิสัยของอนุภาคนี้ไมกี่เซนติเมตร อนุภาคอัลฟาสูญเสียพลังงานจลนในการทําใหอากาศเกิดการแตกตัวเปนไอออน สามารถกั้นอนุภาคนี้โดยใชโลหะบาง ๆ อนุภาคอัลฟาจะถูกปลอยออกมาเมื่อนิวเคลียสสลายตัวกลายเปนนิวเคลียสใหม 11.5.2 รังสีเบตา ( β )

เปนอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง แทนดวยสัญลักษณ −β หรือ e°−1 นอกจากนั้น ยังมี

อนุภาคเบตาที่มีประจุเปนบวก แตมีมวลเทากับอิเล็กตรอน แทนดวยสัญลักษณ +β หรือ e°+1 เรียกโปซิตรอน อนุภาคเบตาสามารถบายเบนไดในสนามไฟฟาและสนามแมเหล็กมีอํานาจทะลุทะลวงสูงกวาอนุภาคอัลฟาสามารถผานอากาศไดระยะทางเปนฟุต มีความเร็วเกือบเทาความเร็วแสง ในขณะที่นิวเคลียสปลอยอนุภาคเบตาออกมาก็จะมีการปลอยอนุภาคที่ไมมีประจุและมีมวล

นิ่งเปนศูนย มีสปน 21 เรียกวา นิวตริโน ( )υ หรือ แอนตีนิวตรีโน ( )υ ซ่ึงมีสปนตรง

ขามกับนิวตริโน

11.5.3 รังสีแกมมา (γ) เปนคลื่นแมเหล็กไฟฟา มีอํานาจทะลุทะลวงสูง ไมมีประจุไฟฟา ไมบายเบนใน

สนามไฟฟาและสนามแมเหล็ก มีความยาวคลื่นประมาณ 10-10 เมตร เกิดจากนิวเคลียสของสารกัมมันตรังสีปลอยอนุภาคอัลฟาหรือเบตาออกมา แลวนิวเคลียสใหมไมเสถียร (Metastable) ปลดปลอยรังสีแกมมาออกมา หลังจากนั้นนิวเคลียสก็จะเปนนิวเคลียสของธาตุเดิม (หลังจากปลอยอนุภาคอัลฟาหรือเบตา)

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-8

toeNN λ−=

11.6 กฎการสลายตัว การที่นิวเคลียสเกิดการสลายตัวกลายเปนนิวเคลียสของธาตุใหม โดยการปลดปลอยกัมมันตภาพรังสีออกมา เรียกวา การสลายตัว (decay) การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเกิดในระดับของนิวเคลียสโดยมีการปลอยรังสีออกมาพลังงานที่ไดเกิดจากการเปลี่ยนมวลเปนพลังงานโดยนิวเคลียสตัวใดจะสลายตัวกอนไมมีกฎเกณฑที่แนนอน อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสเปนปฏิภาคโดยตรงกับจํานวนนิวเคลียสที่มีอยูในขณะนั้น ให N เปนจํานวนนิวเคลียสที่ไมเสถียรที่เวลาใด ๆ A คือ อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี จะได

NdtdNA λ−== (11.7)

λ คือ คาคงที่การสลายตัว มีหนวยเปน (วินาที)-1 การที่มีเครื่องหมายเปนลบเปนเพราะวา เมื่อเวลาผานไปจํานวนนิวเคลียสก็มีปริมาณลดลง หนวยของ A คือ เบคเคอรอล หมายถึง จํานวนนิวเคลียสที่สลายตัวในเวลา 1 วินาที หรือ dps (disintegration per second) หนวยของกัมมันตรังสีเดิม คือ คูรี (Curie) Ci โดย 1 คูรี = 3.7 × 1010 dps หรือ Bq กําหนดให เวลาเริ่มตน t = 0 จํานวนนิวเคลียสของสารกัมมันตรังสี = No เมื่อเวลาผานไป t จํานวนนิวเคลียสของสารกัมมันตรังสี = N จากสมการ (11.7)

จะได ∫∫ −=t

o

N

N

dtNdN

o

λ

(11.8) เรียกสมการ (11.8) วากฎการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี การหาเวลาที่สารกัมมันตรังสีสลายตัวจนหมดนั้นในทางทฤษฎีไมสามารถหาไดสําหรับสารกัมมันตภาพรังสีที่มีคร่ึงชีวิตยาว แตในทางปฏิบัติของผูทํางานดานรังสี ถือวา ประมาณ 10 เทาของครึ่งชีวิตถือวาสารกัมมันตรังสี สลายตัวจนอยูในสภาวะปลอดภัย เวลาครึ่งชีวิตคือเวลาที่จํานวนนิวเคลียสของสารกัมมันตรังสีลดลงเหลือคร่ึงหนึ่งของตอนเริ่มตน ให T

21 เปนครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสี

จากสมการ (11.8) จะได 2

oNN =

21T

oo eN

2

N λ−=

λ693.0

21 =T

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-9

อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่เวลาใด ๆ (R) หาไดจาก

toeN

dtdNR λλ −=−= (11.9)

ซ่ึง oNλ คือ อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่เวลาเริ่มตน t

oeRR λ−= ตัวอยางที่ 11.2 KCl ปริมาณ 2.71 กรัม ปลอยรังสีออกมาดวยอัตรา 44 90 Bq โดยไอโซโทป K40 ซ่ึงเปนสารกัมมันตรังสีธรรมชาติ โดยปริมาณ K40 มีประมาณ 0.0118 % จากไอโซโทปของ Pottassium ทั้งหมด จงหาคาครึ่งชีวิตของ K40 นี้

กําหนดใหมวลโมเลกุลของ KCl มีคาเทากับ 74.55 กรัม วิธีทํา จํานวนอะตอมของ K ในโมเลกุล KCl 2.71 กรัม มีคาเทากับ

( )( )

mol/g55.74g71.2mol1002.6

N123

k

−×= = 2.189 × 1022 อะตอม

ในจํานวนนี้จะมีอะตอมของ K40 เทากับ 2010583.2 × อะตอม

จากสมการ ( 11.9) NdtdNR λ=−=

4490Bq = 2010583.2 ×λ อะตอม

( ) 117 sec10738.1 −−×=λ

จากสมการ λ693.0

21 =T

1721 10738.1

693.0−×

=T

16

21 1098.3 ×=T วินาที

ในเวลา 1 ป เมื่อทําเปนวินาที จะได = 360024365 ×× วินาที/ป 9

21 1026.1 ×=T ป

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-10

11.7 ธาตุกัมมันตรังสีตามธรรมชาติ การจัดพวกธาตุกัมมันตรังสีที่เกิดเองตามธรรมชาติ จัดไวเปน 4 อนุกรมดวยกัน แตละอนุกรมมีการสลายตัวตามลักษณะเฉพาะของอนุกรมนั้น เชน อนุกรมยูเรเนียม (4n+2) (Uranium Series) , อนุกรมแอกติเนียม (4n+3) (Actinium Series) , อนุกรมธอเรียม (4n) (Thorium Series) , อนุกรมเนปจูเนียม (4n+1) (Neptunium Series) เมื่อ n เปนเลขจํานวนเต็มบวก ตัวเลขในวงเล็บจะเปนเลขมวลของธาตุในอนุกรมเหลานั้น สําหรับอนุกรมเนปจูเนียมไดสลายตัวไปหมดแลว ในปจจุบันจึงมีแค 3 อนุกรมที่เหลืออยูลักษณะการสลายตัว, คร่ึงชีวิต และพลังงานไดแสดงไวในตารางที่ 11.1 , 11.2 , 11.3

ตารางที่ 11.1 อนุกรมยูเรเนียม (4n+2) นิวไคลด ชนิดของอนุภาค คร่ึงชีวิต พลังงานของอนุภาค

23892U ∝ 4.51 x 109 ป 4.19 23490Th β 24.1 วัน 0.19 , 0.10 23491Pa β 6.7 ช่ัวโมง 0.14 , 0.28 23492U ∝ 2.48 x 105 ป 4.77 , 4.72 23090Th ∝ 7.5 x 104 ป 4.68 , 4.61 22688Ra ∝ 1622 ป 4.78 22286Rn ∝ 3.82 วัน 5.49 21884Po ∝ 3.05 นาที 6.00 21482Pb β 26.8 นาที 0.59 , 0.65 21885At ∝ 1.3 วินาท ี 6.69 21483Bi ∝ , β 19.7 นาที β 1.51 , 1.0 ม 3.18 21484Po ∝ 1.6 x 10-4 วินาที 7.69 21081Tl β 1.3 นาที 1.97 21082Pb β 22 ป 0.015 , 0.061 21083Bi β 5.01 วัน 1.16 21084Po ∝ 138.4 วัน 5.305 20681Tl β 4.3 นาที 1.57 20682Pb เสถียรภาพ

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-11

ตารางที่ 11.2 อนุกรมแอกติเนียม (4n+3) นิวไคลด ชนิดของอนุภาค คร่ึงชีวิต พลังงานของอนุภาค

23592U ∝ 7.13 x 108 วัน 4.39 23190Th β 25.6 ช่ัวโมง 0.30 , 0.22 , 0.14 23191Pa ∝ 3.48 x 104 ป 5.00 , 4.94 , 5.02 , 4.72 22789Ac ∝ , β 22 ป β 0.046 22790Th ∝ 18.2 วัน 5.98 , 6.04 22

87Fr ∝ , β 22 นาที β 1.15 , ∝ 5.34 22388Ra ∝ 11.7 วัน 5.71 , 5.60 21985At ∝ , β 0.9 นาที ∝ 6.27 21986Rn ∝ 3.92 วินาที 6.81

21583Bi β 8 นาที β 21584Po ∝ , β 0.0018 วินาที ∝ 7.37 21182Pb β 36.1 นาที 1.36 21585At ∝ 10-4 วินาที 8.00 21183Bi ∝ , β 2.15 นาที ∝6.62 , 6.28 21184Po ∝ 0.52 วินาที 7.448 20781Tl β 4.8 นาที 1.44 20782Pb เสถียรภาพ

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-12

ตารางที่ 11.3 อนุกรมเธอเรียม (4n) นิวไคลด ชนิดของอนุภาค คร่ึงชีวิต พลังงานของอนุภาค

23290Th ∝ 1.39 x 1010 ป 4.01 , 3.95 22888Ra β 6.7 ป 0.055 22889Ac β 6.13 ช่ัวโมง 1.11 , 0.45 , 2.18 22890Tn ∝ 1.9 ป 5.42 , 5.34 22488Ra ∝ 3.64 วัน 5.68 22086Rn ∝ 54 วินาที 6.28 21684Po ∝ , β 0.16 วินาที ∝ 6.78 21282Pb β 10.6 ช่ัวโมง 0.34 , 0.58 21685At ∝ 3 x 10-4 วินาที 7.79 21283Bi ∝ , β 60.6 นาที β 2.25 , ∝ 6.05 21284Po ∝ 3 x 10-7 วินาที 8.78 20881Tl β 3.1 นาที 1.79 , 1.28 , 1.52 20882Pb เสถียรภาพ

11.8 ปฏิกิริยานิวเคลียร ปฏิกิริยานิวเคลียรที่จะทําการศึกษาตอไปนี้เปนปฏิกิริยาที่เกิดในระดับนิวเคลียสซ่ึงแตกตางกับปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในชั้นของอิเล็กตรอน พลังงานที่ไดออกมาก็จะมีคามากกวาปฏิกิริยาเคมี การยิงอนุภาคหรือรังสีเขาไปในนิวเคลียส (bombardment) ทําใหนิวเคลียสเกิดการจัดเรียงตัวเกิดเปนนิวเคลียสใหม 1 ตัว หรือมากกวา 1 ตัว เราเรียกปฏิกิริยานี้วาปฏิกิริยานิวเคลียร ในป ค.ศ. 1919 รัทเทอรฟอรด ไดทําการยิงอนุภาคแอลฟาเขาไปในกาซไนโตรเจน เกิดธาตุใหม คือ ออกซิเจนและโปรตอน ตามสมการ 1

117

84

214

7 HOHeN +→+ (11.10) ซ่ึงสมการนี้สามารถเขียนไดอีกแบบหนึ่ง ดังนี้ ( ) 17

814

7 , OpN α หรือ (11.11)

( )ybaX ,

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-13

ในการทดลองนี้อนุภาคแอลฟามีพลังงาน 7.68 MeV อนุภาคที่นิยมใชยิง สวนใหญเปนอนุภาคมูลฐาน เชน นิวตรอน โปรตอน หรือนิวเคลียสของธาตุเบาๆ เชน อนุภาคแอลฟา ปฏิกิริยานี้ผลรวมของเลขมวลและเลขอะตอมกอนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยามีคาเทากันปฏิกิริยานิวเคลียรสามารถจําแนกไดเปน 2 ประเภท

1. ปฏิกิริยาคายพลังงาน มีการปลดปลอยพลังงานออกมาเมื่อเกิดปฏิกิริยา ซ่ึงอาจอยูในรูปของพลังงานจลนของอนุภาคที่เกิดขึ้นหรือรังสีแกมมา

2. ปฏิกิริยาดูดพลังงาน จะตองมีการใสพลังงานเขาไปจึงจะเกิดปฏิกิริยาได โดยพลังงานนั้นอยูในรูปพลังงานจลนของอนุภาคที่วิ่งเขาชน พลังงานที่ถูกดูดหรือคายออกมาขณะเกิดปฏิกิริยา เรียกวาคา Q หรือพลังงานปฏิกิริยา โดย ( ) ( )[ ]2cMMMMQ byax +−+= (11.12) คา Q เปนไดทั้งบวกและลบ ถาคา Q เปนบวก แสดงวาเปนปฏิกิริยาคายพลังงาน ถาคา Q เปนลบ แสดงวาเปนปฏิกิริยาดูดพลังงาน ตัวอยางที่ 11.3 จงคํานวณหาคา Q ของปฏิกิริยาตอไปนี้ ( ) 12

69

4 , CnBe α กําหนดมวล 01219.99

4 =Be u

00260.442 =He u

0000.12126 =C u

00867.11 =no u วิธีทํา

( ) ( )[ ] MeVQ 93100867.10000.1200260.401219.9 ×+−+=

MeV70.5+= คา Q เปนบวกแสดงวาปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาคายพลังงาน

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-14

11.9 ปฏิกิริยาฟชชัน เปนปฏิกิริยาที่ยิงอนุภาคเชนนิวตรอน , อนุภาคแอลฟา หรือโปรตอน เขาไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก ทําใหนิวเคลียสของธาตุหนักอยูในสภาวะถูกกระตุนแลวแบงตัวออกเปน 2 สวน โดยแตละสวนเปนนิวเคลียสของธาตุใหมที่มีขนาดใกลเคียงกัน พรอมทั้งปลดปลอยนิวตรอนออกมา 2 – 3 ตัว พรอมกับพลังงาน ถาปลอยใหมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นตอเนื่องไปจะทําใหเกิดปฏิกิริยาลูกโซ (Chain reaction) ถาไมมีการควบคุมปฏิกิริยาจะเกิดพลังงานปลดปลอยออกมาพรอมกันอยางมหาศาล ในการควบคุมปฏิกิริยานั้นสามารถใชแคดเมียมดูดซับนิวตรอนได พลังงานที่ปลดปลอยออกมาจากปฏิกิริยานี้มีคาประมาณ 200 MeV ตอปฏิกิริยา ตัวอยางของปฏิกิริยานี้ ไดแก

QnSrXenU oo +++→+ 19438

14054

123592 2 (11.13)

นิวตรอนที่ทําใหเกิดปฏิกิริยานี้ คือ เทอรมัลนิวตรอนหรือนิวตรอนพลังงานต่ํา ซ่ึงมีพลังงาน 0.0253 eV โดย 92U

235 กลายเปน 92U236 ซ่ึงนิวเคลียสอยูในสภาวะถูกกระตุน แตก

ออกเปน 54Xe140 และ 38Sr94 ทั้งสองธาตุนิวเคลียสก็ยังอยูในสภาวะถูกกระตุน โดย

14054 Xe β 140

55 Cs β 14056 Ba β 140

57 La β 14058 Ce

นิวเคลียสของ 14058 Ce อยูในสภาวะที่เสถียร

9438 Sr β 94

39 Y β 9440 rΖ นิวเคลียสของ 94

40 rΖ อยูในสภาวะที่เสถียร

ในการนี้เปนการสลายตัวใหรังสีเบตา เกิดจากการที่นิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนเปนโปรตอนและปลอยอิเล็กตรอนออกมาพรอมกับนิวตริโน มวลกอนเกิดปฏิกิริยาประกอบดวย มวลหลังเกิดปฏิกิริยาประกอบดวย มวลของยูเรเนียม 235.0439 U มวลของซีเรียม 139.9054 U มวลนิวตรอน 1.00867 U มวลของเซอรโคเนียม 93.9063 U มวลของนิวตรอน 2 ตัว 2.0173 U มวลที่หายไป มีคาเทากับ 0.22353 U เพราะฉะนั้นพลังงานที่ปลดปลอยออกมาตอปฏิกิริยามีคาเทากับ 208 MeV

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-15

11.10 ปฏิกิริยาฟวชัน ปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในดาวฤกษ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเปนปฏิกิริยาที่ตองใหพลังงานมาอยางตอเนื่อง ปฏิกิริยาฟวชันในดวงอาทิตยเปรียบเหมือนกับการใชฮีเลียมเชื้อเพลิงและไดฮีเลียมออกมาเปนเถา ปฏิกิริยานี้เกิดจากนิวเคลียสเบา 2 นิวเคลียส หลอมตัวกลายเปนนิวเคลียสที่หนักกวา ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เรียกวา วัฏจักรโปรตอน – โปรตอน (proton – proton cycle) โดยเริ่มจากโปรตอน 2 ตัว ชนกันเกิดเปนดิวเทอรอน, โพสิตรอน และนิวตริโน ดังสมการ

QeHHH 2t

11

11 ++→+ + โดยQ มีคาเทากับ0.42MeV (11.14)

ขณะเดียวกนักเ็กิด Annihilation

Qee ++→+ −+ γγ โดย Q มีคาเทากับ 1.02 MeV (11.15)

คิวเทอรอนเกิดการชนกับโปรตอนอีกครั้งจะหลอมตัวเปนไอโซโทปของฮีเลียม

QHeHH ++→+ γ32

11

21 โดย Q มีคาเทากับ 5.49 MeV (11.6)

ไอโซโทปของฮีเลียม 2 ตัว จะหลอมตัวเปนฮีเลียม

QHHHeHeHe +++→+ 11

11

42

32

32 โดย Q มีคาเทากับ 12.86 MeV (11.17)

ในการนี้สมการ (11.14) , (11.15) และ (11.16) ตองเกิด 2 ปฏิกิริยา เพื่อที่จะไดไอโซโทปของฮีเลียม

ดังนั้น พลังงานทั้งหมดในแตละวัฏจักรจะมีคาเทากับ 26.72 MeV มวลของดวงอาทิตย 1 กรัม มีโปรตอนอยูประมาณ 23102× ตัว โดยคิดวาโปรตอนทุกตัวหลอมตัวกลายเปนฮีเลียม พลังงานที่ปลอยออกมามีคาประมาณ 57,000 กิโลวัตต-ช่ัวโมง ดวงอาทิตยจะตองใชเวลา 3 หมื่นลานป จึงจะใชโปรตอนที่มีอยูหมด

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-16

11.11 การใชประโยชนและการปองกันอันตรายจากรังสี การใชประโยชนจากรังสีมีในหลายดาน เชน ดานการแพทย , การเกษตร , ดานอุตสาหกรรม และดานพลังงาน

11.11.1 ดานการแพทย - การรักษาโรคมะเร็งดวยรังสี หรือตรวจหาสมมุติฐานของโรคตาง ๆ เชน การรักษาโรคมะเร็งดวยฉายรังสีแกมมาจาก โคบอลต -60 เพื่อฆาเซลลมะเร็ง - การรักษามะเร็งปากมดลูก โดยใชลวดแทนทาลัม -182 - การรักษามะเร็งผิวหนัง โดยใชเม็ดทองคํา -198 - ไอโอดีน-131 ใชตรวจวินิจฉัย และรักษาโรคคอพอก และในรูป Labeled compound ใชตรวจวิเคราะหการทํางานของไต ระบบโลหิต

- คริปทอน-81m ใชตรวจการทํางานของหัวใจ - ฟอสฟอรัส-32 ใชในการรักษาภาวะที่มีเม็ดเลือดแดงมากเกินไป

- แกลเลียม-67 ใชตรวจการอักเสบตาง ๆ การเปนหนอง เชน ในชองทองและใชตรวจหาการแพรกระจายของมะเร็งในตอมน้ําเหลือง

นอกจากนั้นยังใชในการฆาเชื้อจุลินทรียในผลิตภัณฑเข็มและกระบอกฉีดยาที่ใชฉีดสารละลายเขาเสนเลือด และทอพลาสติกหรือสายสวนที่เขาไปสัมผัสเนื้อเยื่อในรางกาย โดยใชรังสีแกมมาจากโคบอลต-60 ซ่ึงมีประสิทธิภาพมากกวาวิธีการใชกาซ หรือการอบดวยความรอน สามารถใชไดกับผลิตภัณฑที่อยูในภาชนะบรรจุขั้นสุดทายกอนจําหนายไดดวย ในประเทศไทยกม็ีหนวยงานทั้งของรัฐและเอกชนที่ใชวิธีการดังกลาว โดยศูนยฉายรังสีอาหารและผลิตผลการเกษตรตั้งอยูที่เทคโนธานี รังสิตคลอง 5 นอกจากฉายรังสีเพื่อทางการแพทยแลว ยังใชทางดานการอาหาร เชน การฉายรังสีแหนมเพื่อฆาพยาธิ และเชื้อโรค หรือการฉายรังสีมะขามเพื่อยืดอายุในการเก็บรักษา 11.11.2 ดานการเกษตร การใชรังสีเพื่อประโยชนทางดานการเกษตร ในประเทศไทยโดยสํานักงานปรมาณูเพื่อสันติ ไดทําการทดลองการทําหมันแมลงวันผลไมมาตั้งแต ป พ.ศ. 2525 โดยเริ่มที่ดอยอางขาง ปรากฏวาไดผลเปนที่นาพอใจ เชนในป พ.ศ. 2527 พบวา ผลไมที่ปลูกในดอยอางขางถูกทําลายถึงรอยละ 87.3 จากการที่แมลงวันทองไปไขไวตั้งแตผลไมยังเปนดอก ทําใหเกิดความเสียหายอยางมาก แตในป พ.ศ. 2533 ผลไมถูกทําลายลดลงเหลือเพียงรอยละ 20 เทานั้น การฉายรังสีใหแมลงวันผลไมเปนหมันแลวนําไปปลอยในบริเวณที่ทําการทดลอง เพื่อใหเกิดการผสมพันธุ แตไมมีตัวออนเกิดขึ้น การควบคุมแมลงโดยใชวิธีนี้จะไดผลดีก็ตอเมื่อแปลงเกษตรกรรมนั้นเปนแปลง

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-17

ขนาดใหญที่ตอเนื่องกัน หรือในกรณีของการใชรังสีแกมมาในการวัลคาไนซน้ํายางธรรมชาติ ซ่ึงดีกวาการวัลคาไนซโดยใชสารเคมี ไดแก กํามะถัน และออกไซดของสังกะสี ซ่ึงจะมีสารกอมะเร็งจําพวกไนโตรเจนซามีนปนอยูดวย นอกจากนั้น ยังใชในการแปลงพันธุพืชใหเหมาะสมตอการเพาะปลูก เชน ตนเบญจมาศ Cremon ฉายรังสีแกมมา 10 เกรย รวมกับการเพาะเนื้อเยื่อทําใหไดกลีบดอกเปนสีทอง 11.11.3 ดานอุตสาหกรรม โดยปกติในกระบวนการผลิตและงานสรางประกอบในงานอุตสาหกรรมจะเกิดรอยบกพรองที่ช้ินงาน การตรวจสอบโดยไมทําลาย เปนวิธีการที่เหมาะสมในการตรวจสอบชิ้นงานระหวางกระบวนการผลิต การตรวจสอบโดยไมทําลายที่ใชอยูในงานอุตสาหกรรมภายในประเทศมี 2 แบบ คือ การตรวจสอบบริเวณผิวงานซึ่งแบงไดออกเปน 2 วิธี คือ การตรวจสอบโดยใชสารแทรกซึม และการตรวจสอบโดยใชอนุภาคแมเหล็ก และการตรวจสอบภายในเนื้อวัตถุ แบงออกเปน 2 วิธี เชนกันคือ การตรวจสอบโดยวิธีการถายภาพดวยรังสี และการตรวจสอบโดยวิธีใชคล่ืนเสียงความถี่สูง ในที่นี้จะกลาวถึง การตรวจสอบโดยวิธีถายภาพดวยรังสี รังสีที่ใชในการตรวจสอบวิธีนี้อยูในรูปของคลื่นแมเหล็กไฟฟาซึ่งมีคุณสมบัติในการทะลุทะลวงวัสดุทั้งโปรงแสงและทึบแสง ปริมาณรังสีที่ทะลุทะลวงผานวัสดุจะมากหรือนอยขึ้นอยูกับความหนาหรือความหนาแนนเฉพาะรองวัสดุนั้น ๆ และปริมาณรังสีที่ทะลุผานจะปรากฏอยูบนแผนฟลมขาว – ดํา บริเวณที่ไดรับรังสีมากจะมีสีดํามาก สวนบริเวณที่ไดรับรังสีนอยจะมีสีคอนขางขาว ซ่ึงลักษณะขาว – ดํา ที่แตกตางบนแผนฟลมจะเกิดเปนภาพโครงสรางภายในของชิ้นงานในลักษณะเนกาทีฟ สามารถนําไปวินจิฉัยหรือเก็บไวเปนหลักฐานได 11.11.4 ดานพลังงาน ปจจุบันพลังงานไฟฟาที่ไดจากฟอสซิลนับวันแตจะหมดไป โรงไฟฟานิวเคลียรจึงไดรับความสนใจเนื่องจากใชเชื้อเพลิงปริมาณนอย และเกิดมลพิษตอส่ิงแวดลอมนอยกวา เร่ิมจากการใชแรยูเรเนียมเปนเชื้อเพลิงโดยผานกระบวนการแปรสภาพใหเปนเม็ดรูปทรงกระบอกขนาดกวางและสูง 1 เซนติเมตร บรรจุเรียงกันไวในแทงแลวมัดรวมกันไวเปนมัด ๆ จากนั้นนําไปไวในภาชนะที่ เรียกวา เตาปฏิกรณ เพื่อใหเกิดปฏิกิริยาลูกโซ ไดความรอน ความรอนที่ไดทําใหน้ําเดือดกลายเปนไอ จะถูกสงผานทอไปยังกังหันไอน้ํา เมื่อกังหันหมุนก็จะเกิดกระแสไฟฟาขึ้น

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-18

11.11.5 การปองกันอันตรายจากรังสี รางกายของมนุษย เมื่อไดรับรังสี รังสีจะมีผลกระทบตออวัยวะตาง ๆ ไมเหมือนกันดังรูปที่ 11.1 และรังสีแตละประเภทก็จะมีอันตรายไมเทากัน ดังตารางที่11.4 แสดงใหเห็นถึง ความไวของรังสีตอสวนตาง ๆ ของรางกายและอันตรายของรังสีชนิดตาง ๆ

รูป 11.1 ผลของรังสีในรางกายมนษุย ที่มา http://standeyo.com/News_Files/UN_Images/radiation.and.human.body.gif

ตารางที่ 11.4 ผลของการไดรับรังสีแบบเฉยีบพลัน (รับรงัสีในระดับท่ีสูงในเวลาสั้น ๆ)

ระดับการไดรับรังส ี ผลท่ีเกิดขึ้น 200 มิลลิซีเวิรต ไมพบอาการผิดปกติ 500 มิลลิซีเวิรต พบการเปลี่ยนแปลงทางโลหิตแบบชั่วคราว 1000 มิลลิซีเวิรต ออนเพลีย คล่ืนไส อาเจียน 2000 มิลลิซีเวิรต ออนเพลีย คล่ืนไส อาเจียน ภายใน 24 ชม. ผมรวง เบื่ออาหาร เจ็บคอ 4000 มิลลิซีเวิรต ออนเพลีย คล่ืนไส อาเจียน ภายใน 1-2 ชม. ปากคอบวมแดง ซีด ทองรวง

ไขกระดูกถูกทําลาย มีโอกาสตาย 50% 6 00 มิลลิซีเวิรต ออนเพลีย คล่ืนไส อาเจียน ภายใน 1-2 ชม. มีไข ทองรวง น้ําหนักลด มี

โลหิตออก ไขกระดูกถูกทําลาย มีโอกาสตายในสัปดาหที่ 2

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-19

ปริมาณรังสีทั้งหมดเปนรังสจีากธรรมชาติ 67.7% และมนุษยสรางขึน้ 32.4% โดยปริมาณรังสีที่มนุษยสรางขึน้ แบงไดเปน การรักษาทางการแพทยดวยรังสี 30.7% ละอองรังสี 0.6% จากอุตสาหกรรมนิวเคลียร 0.15% ตนกําเนิดรังสีประเภทตาง ๆ 0.5% การไดรับรังสีจากงานอาชีพ 0.45% ฉะนัน้ ในการปองกันอันตรายจากรังสีจะตองใชเวลาในการปฏิบัติงานเกี่ยวกับรังสีใหนอยที่สุด ถามีความจาํเปนตองใชเวลามากควรจะใชที่กาํบังรังสีหรือพยายามทํางานใหหางจากสารรังสีใหมากทีสุ่ด ฉะนั้นบริเวณที่มีสารรงัสีหรือวัสดุรังสีจะมีปายบอกติดไว ดังรูปที่11.2 เราจึงควรระมัดระวังหรือหลีกเลี่ยงบริเวณ ดังกลาว

รูป 11.2 ปายบริเวณรังส ี

แบบฝกหัดที่ 11

11.1 รัศมีนิวเคลียสของไฮโดรเจนมีคา 1.2 x10-15 เมตร มีมวล 1.002825U จงหา คาเฉลี่ยความหนาแนนนิวเคลียสของไฮโดรเจนนี้ และหาอัตราสวนของความหนาแนนนี ้ตอความหนาแนนของน้ํา ( 2.31x 1017 กิโลกรัม/เมตร3 , 2.31x 1017 )

11.2 จงคํานวณหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ 7N

14 และพลังงานยึดเหนี่ยวตอนวิคลีออน 7N14 มวล

อะตอมของ 7N14 14.003074 U มวลของโปรตอน 1.007825 U มวลของนิวตรอน

1.008665 u ( 104.60 เมกะอิเล็กตรอนโวลต , 7.47 เมกะอิเล็กตรอน/นิวคลีออน) 11.3 จงคํานวณพลงังานต่ําสุดที่ใชในการแยกโปรตอนหนึ่งตวัออกจากนวิเคลียสของออกซิเจน

-17 ( กําหนดใหมวลของ O-17 เทากับ 16.999183 U มวลของ O-16 เทากับ 15.994914 U มวลของโปรตอน เทากับ 1.007825 U ) (3.31 เมกะอิเล็กตรอนโวลต)

11.4 ไอโอดีน -131 มีคร่ึงชีวิต 8.0 วัน อยากทราบวาที่เวลาผานไปเทาใด ไอโอดีน -131 จึงจะ

เหลือปริมาณ 15/16 เทาของเวลาเริ่มตน (18 ช่ัวโมง) 11.5 ตริเตรียม H3

1 ซ่ึงไอโซโทปของธาตุไฮโดรเจนมีการสลายตัวใหอนภุาคเบตา มี คร่ึงชีวิต 12.5 ป ภายหลังการสลายตัวจะกลายเปนธาตุใด (He2

3) 11.6 จงคํานวณหารศัมีของนิวเคลยีสของสังกะสี 30Zn65 กําหนดให r0 = 1.35 x 10-15เมตร

(5.43 x10-15 เมตร ) 11.7 หัววัดสารรังสีนิวตรอนจะใชหัววัดที่ใสกาซ BF3 โดยนวิตรอนจะรวมกบัโบรอน -10

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ 0n

1 + 5B10

→ 3Li7 + 2He4

จงคํานวณหาพลังงานที่ถูกปลดปลอยออกมาในปฏิกิริยานี้ กําหนดให มวลของนวิตรอน 1.00866 U มวลอะตอมของโปรอน 10.01294 U มวล

อะตอมของลิเทียม 7.01600 U มวลอะตอมของฮีเลียม 4.00260 U

ฟสิกส 2 สําหรับวิศวกร อ.วิชัย อนุรักษฤๅนนท

11-2

11.8 จงหาพลังงานที่ปลอยออกมาจากปฏิกิริยา 4Be9 ( α , n ) 6C12 กําหนดให มวลอะตอมของ

แบริเลียม 9.01219 U มวลของอนุภาคแอลฟา 4.00260 U มวลของนิวตรอน 1.00867 U มวลอะตอมของคารบอน 12 .0000 U ( 5.70 เมกะอิเล็กตรอนโวลต) 11.9 เรือขุดโบราณทําจากไมวัดกมัมันตภาพของคารบอน -14 6.5 อนุภาค (นาที) -1(กรัม) -1 ของ

คารบอน ขณะที่ไมชนิดเดียวกันในปจจุบนัมีคากัมมันตภาพ 16 อนุภาค (นาที) -1(กรัม) -1

ของคารบอน จงคํานวณหาอายุของเรือขุดโบราณนี้กําหนดให C-14 มีคร่ึงชีวิต 5720 ป (7428.6 ป) 11.10 ตะกัว่-214 มีมวล 6x 10-14 กิโลกรัม มีกัมมันตภาพ 2 มลิลิคูรี จงหาคาคงที่ของการสลายตัว ของตะกัว่นี้ (4.4 x 10-4 วินาที-1) 11.11 สมการการลลายตัวของธาตซิุลิกอน ขางลางนี้ จงหาพลังงานที่ปลดปลอยออกมา

14Si31 → 15P31 + -1e

0 + ν + Q กําหนดให มวลอะตอมของ Si 30.9753 U มวลอะตอมของ P 30.9373 U ( 1.475 เมกะอิเล็กตรอนโวลต)

11.12 เมื่อยิงอนภุาคโปรตอนสองตัว เขาหากันดวยความเร็วเทาๆกัน ใหหางกัน 2x10-15 เมตร จง คํานวณหาพลงังานจลนของโปรตอนแตละตัวทีใ่ชในการนี้ (3.6 x 105 เมกะอิเล็ตรอนโวลต) 11.13 ถาดิวเทอรอน (1H

2) 2 นิวเคลียสรวมตัวกนัเปนนวิเคลียสของ 2He4 1 นิวเคลียส จะตอง คายพลังงานออกมาเทาไร กาํหนดให มวลอะตอมของ 1H

2 2.0141 U มวลอะตอมของ 2He4 4.0026 U (23.83 เมกะอิเล็กตรอนโวลต) 11.14 ดวงอาทิตยใหพลังงานออกมาโดยปฏิกิริยาฟวชันโดยไฮโดรเจนเปลี่ยนเปนฮีเลียม เรียกวาวัฏจกัรคารบอน โดยแผพลังงานออกมา 4x 1026 จูล/วินาที จงหาวามวลของดวง อาทิตยลดลงดวยอัตราเทาใด (4.44 x 109 กิโลกรัม)

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล