บทท่ี 20 ฟิสิกส์นิวเคลียร์

1. การค้นพบกัมมันตภาพรังสี

Antoine Henri Becquerel (1852-1908) ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบกเกอเรล นักฟิสิกส์

ชาวฝรั่งเศส ซึ่งก าลังศึกษาการเรืองแสงของสารต่าง ๆ ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปซึ่ง

เก็บไว้ในลิ้นชักที่มีเกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟต [K2UO2(SO4)2] อยู่ด้วย มี

ลักษณะเหมือนถูกแสง ทั้ง ๆ ที่ห่อไว้ด้วยกระดาษด าแล้วก็ตาม เขาจึงสรุปว่า

สารประกอบของยูเรเนียมจะต้องเปล่งรังสีที่สามารถทะลุผ่านกระดาษด า และยัง

สามารถท าให้สารที่รังสีนี้ผ่านเกิดเป็นไอออนได้คล้ายรังสีเอกซ์

ต่อมา ปีแอร์ คูรี ( Pierre Curie ) และมารี คูรี ( Maric Curie ) ได้ท าการทดลองกับ

ธาตุอ่ืน ๆ อีกหลายชนิด และได้ค้นพบว่า พอโลเนียม เรเดียมและทอเรียมก็สามารถแผ่รังสีได้

ปรากฎการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเกิดจากการ

เปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียร และเรียกธาตุที่สามารถแผ่รังสีได้ว่า

ธาตุกัมมันตรังสี ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า

กัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ) หมายถึง ปรากฎการณ์ที่ธาตุสามารถแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง

ธาตุกัมมันตรังสี( radioactive element ) หมายถึง ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสีได้เอง

ในเวลาต่อมาพบว่า รังสีที่พบโดยแบ็กเคอเรลเป็นคนละชนิดกับรังสีเอกซ์ รังสีดังกล่าวเป็นรังสีที่

ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของธาตุ เมื่อนิวเคลียสของธาตุน้ันอยู่ในสภาวะไม่เสถียร สภาวะไม่เสถียรเกิด

จากส่วนประกอบภายในของนิวเคลียสไม่เหมาะสม หมายความว่า ในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนซึ่งมี

ประจุบวกและนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า สัดส่วนของจ านวนโปรตอนต่อจ านวนนิวตรอนไม่เหมาะสม

จนท าให้ธาตุน้ันไม่เสถียร ธาตุน้ันจึงปล่อยรังสีออกมาเพื่อปรับตัวเองให้เสถียร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้น

เองตามธรรมชาติ

หลังจากที่แบ็กเคอเรลพบรังสีได้ไม่นาน รัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาเพิ่มเติมและแสดงให้เห็นว่า รังสี

ที่ธาตุกัมมันตรังสีปล่อยออกมาจากเกลือโพแทสเซียมยูเรนิลซัลเฟตน้ันมี 2 ชนิด ชนิดที่หนึ่งไม่สามารถ

เคลื่อนทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมบางๆ ได้ เรียกว่า รังสีแอลฟา ชนิดที่สองมีอ านาจทะลุผ่านสูงกว่าชนิดแรก

เรียกว่า รังสีบีตา เวลาต่อมานักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ วิลลาร์ด ได้แสดงให้เห็นว่า ยังมีรังสีอีกชนิดหนึ่งที่เกิด

จากเกลือยูเรเนียม รังสีชนิดน้ันมีอ านาจทะลุผ่านสูงมากกว่า 2 ชนิดแรก เรียกว่า รังสีแกมมา

เมื่อให้รังสีทั้งสามชนิดดังกล่าวผ่านเข้าไปในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับ

กระดาษ พบว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีแยกเป็น 3 แนว ดังรูป

รังสีที่เบนน้อยและไปทางซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา ( alpha ray ) รังสีที่เบนมากและใน

ทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตา ( beta ray ) ส่วนรังสีที่พุ่งตรงไม่เบี่ยงเบนเลย เรียกว่า รังสี

แกมมา ( gamma ray ) และนิยมเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และ ตามล าดับ

เราทราบแล้วว่า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเมื่อเคลื่อนที่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระท า

ต่ออนุภาคท าให้ทิศการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป ท าให้ทราบว่ารังสีแอลฟามีประจุไฟฟ้าบวก รังสีบีตามีประจุ

ไฟฟ้าลบและรังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า การศึกษารังสีทั้งสามชนิด ท าให้ทราบสมบัติต่าง ๆ

ของรังสีเหล่านี้เพิ่มขึ้นดังนี้

รังสีแอลฟา มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มี

พลังงานประมาณ 6 MeV รังสีแอลฟาสามารถท าให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงาน

อย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอ านาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5

เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบาง ๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่

เป็นอนุภาค บางคร้ังจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา

รังสีบีตา เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คือิเล็กตรอน (

ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ) มีพลังงานประมาณ 1 MeV รังสี

บีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อ านาจทะลุผ่านของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา

บางคร้ังเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา

รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามี

พลังงานประมาณ 0.01 MeV สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอ านาจทุลุผ่าน

มากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด

รังสีบีตาแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ b+ ซึ่งมีประจุไฟฟ้า +1e และเรียกว่า โพซิตรอน ( positron ) กับ

b- ซึ่งมีประจุไฟฟ้า -1e และเรียกว่า เนกาตรอน ( negatron ) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนมากจะปล่อย b- ออกมา

ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงรังสีบีตามักจะหมายถึง b- เสมอ นอกจากรังสีหรืออนุภาคทั้ง 3 ชนิด ยังมีอนุภาคอย่างอื่น

อีกที่มีความส าคัญ เช่น นิวตรอน ซึ่งสรุปสมบัติของรังสีและอนุภาคต่าง ๆ ดังตารางต่อไปนี้

ความสามารถในการท าให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน

รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เป็นรังสีที่มีสมบัติท าให้สารหรือตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านแตกตัว

เป็นไอออนได้

รูป แสดงให้เห็นกระบวนการแตกตัวเป็นไอออน

สมมติรังสีบีตาซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุลบเคลื่อนที่เข้าไปในสารชนิดหนึ่ง มันมีโอกาสที่จะ

เคลื่อนที่เข้าไปชนอะตอมของสาร เนื่องจากรังสีบีตามีพลังงานสูงมาก จึงสามารถชนอิเล็กตรอนของอะตอม

ของสารให้หลุดออกมาเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ขณะเดียวกันอะตอมตัวที่ถูกชนซึ่งเสียอิเล็กตรอนไปก็จะแสดง

ภาวะประจุบวก เรียกว่า ไอออนบวก ทั้งหมดนี้คือกระบวนการที่รังสีท าให้สารหรือตัวกลางแตกตัวเป็น

ไอออน

เมื่อปล่อยให้รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เคลื่อนที่ผ่านไปในสาร เช่น ในอากาศ พบว่ารังสี

แอลฟาเคลื่อนที่ได้ระยะทางน้อยที่สุด และรังสีแกมมาสามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลที่สุดดังรูป

อนุภาคหรือรังสี สัญลักษณ์ ประจุ มวล แอลฟา

+2 4 บีตา

–1 0

แกมมา g 0 0 โพสิตรอน

+1 0 นิวตรอน

0 1 โปรตอน

+1 1

แสดงว่ารังสีแอลฟาสามารถท าให้ตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ผ่านไปแตกตัวเป็นไอออนได้ดีที่สุด

จึงสูญเสียพลังงานให้ตัวกลางอย่างรวดเร็ว ท าให้เคลื่อนที่ผ่านไปในตัวกลางได้ไม่มากนัก ส่วนรังสีบีตาและ

แกมมา มีความสามารถท าให้ตัวกลางแตกตัวเป็นไอออนได้ดีรองลงมาตามล าดับ

อ านาจทะลุผ่าน

เมื่อทดลองให้รังสีทั้งสามชนิดเคลื่อนที่ผ่านไปในตัวกลางต่างๆ เช่น กระดาษ อะลูมิเนียม ตะกั่ว

เป็นต้น จะเห็นว่ารังสีแอลฟาไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นกระดาษ ส่วนรังสีบีตาสามารถเคลื่อนที่ผ่าน

แผ่นกระดาษได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นอะลูมิเนียม ส าหรับรังสีแกมมาสามารถทะลุผ่าน

แผ่นกระดาษและแผ่นอะลูมิเนียมได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นตะกั่ว แสดงว่ารังสีแกมมามีอ านาจ

ทะลุผ่านสูงที่สุด รองลงมาคือรังสีบีตาและแอลฟาตามล าดับ

ตัวอย่างที ่1 จงหาอัตราเร็วของอนุภาคแอลฟาซึ่งมีพลังงานจลน์ 10 MeV

แนวคิด ต้องการหาอัตราเร็วของอนุภาคแอลฟา

จากสมการ 2

21

mvE k จะได ้

227196 10671421

10611010 ))(.().)(( vJ

smv /.. 7142 102021084 ตอบ

ตัวอย่างท่ี 2 จงหาอัตราเร็วของอนุภาคเบตาซึ่งมีพลังงานจลน์ 0.03 MeV

แนวคิด ต้องการหาอัตราเร็วของอนุภาคบีตา

จากสมการ 2

21

mvE k จะได ้

231196 1031921

106110030 ))(.().)(.( vJ

smv /.. 8162 1020110051 ตอบ

2. การเปลีย่นสภาพนิวเคลยีส การแผ่รังสีจากธาตุกัมมันตรังสีเกิดจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสี ต่าง ๆ พบว่า มีธาตุใหม่เกิดขึ้นพร้อมกับการแผ่รังสีแอลฟาหรือเบตาเสมอ เช่น เมื่อ ทอเรียมปล่อย อนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็น เรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าธาตุทอเรียมประมาณเท่ากับมวลของ อนุภาคแอลฟา นอกจากนี้ ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมมีค่าน้อยกว่าของทอเรียมอยู่ 2e ด้วย เน่ืองจากมวลอะตอมของธาตุมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียส ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงของมวลอะตอม จึงเป็นผลมาจากการเปลี่ยนมวลของนิวเคลียส ทั้งนี้เน่ืองจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก แสดงว่า อนุภาคแอลฟาได้มาจากผลของการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของทอเรียมเป็นเรเดียม เราจึงกล่าว ได้ว่า ธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นหลังจากการแผ่รังสีแอลฟาจะมีเลขมวลน้อยกว่าธาตุเดิมเท่ากับมวลของอนุภาค แอลฟา ในกรณีการแผ่รังสีเบตา เช่น เมื่อตะกั่วปล่อยอนุภาคเบตาออกมาจะกลายเป็นบิสมัสซึ่งมีประจุ เพิ่มขึ้น 1e แต่มวลมีค่าใกล้เคียงกัน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหรืออนุภาคเบตาที่ออกมามีค่าสูงมาก เมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วิ่งวนอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคเบตาไม่ใช่พลัง งานที่อิเล็กตรอนคายออกมาเมื่อเปลี่ยนระดับพลังงาน อนุภาคเบตานี้ต้องได้มาจากการเปลี่ยนสภาพ นิวเคลียส เราจึงกว่าได้ว่าธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นหลังจากการแผ่รังสีเบตา จะมีเลขมวลคงเดิมแต่เลขอะตอม เพิ่มขึ้น 1

ส าหรับการแผ่รังสีแกมมานั้นยังพบว่า พลังงานของรังสีแกมมามีค่าสูงเกินกว่าที่จะเป็นพลังงาน

ซึ่งได้จากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอะตอม การแผ่รังสีแกมมาไม่มีธาตุใหม่เกิดขึ้น ฉะนั้นเราจึงสรุปได้

ว่ารังสีทั้งสามชนิดนี้เกิดจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ดังนั้นการศึกษาเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีจะท าให้

ทราบองค์ประกอบของนิวเคลียสได้

นิวเคลียสอาจประกอบด้วยอนุภาคทั้งสองชนิดน้ีรวมกัน แต่แนวความคิดนี้ต้องล้มเลิกไป

เน่ืองจากมวลของนิวเคลียสทั้งหลายไม่ได้เป็นจ านวนเท่าของมวลของมวลของอนุภาคแอลฟา นอกจากนี้

นิวเคลียสของบางธาตุยังมีมวลน้อยกว่ามวลของอนุภาคแอลฟา เช่น นิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน ต่อมาใน

พ.ศ. 2462 รัชเทอร์ฟอร์ดได้ท า การทดลองยิงอนุภาคแอลฟา( He42 ) เข้าไปยังนิวเคลียสของไนโตรเจน( N14

7 )

ท าให้เกิดนิวเคลียสของธาตุใหม่คือ ออกซิเจน( O178 ) และมีโปรตอน( H11 ) เกิดขึ้นมาด้วย ซึ่งเขียนเป็นสมการ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ดังนี้

ขณะนั้นจึงสรุปได้เพียงว่า นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก คือ โปรตอนเพียงอย่างเดียวเท่า นั้น ดังนั้น จึงไม่สามารถอธิบายโครงสร้างของนิวเคลียสได้อย่างถูกต้อง และจากการที่ธาตุกัมมันตรังสี บางธาตุมีการปล่อยอนุภาคเบตาหรืออิเล็กตรอนออกมาได้ ท า ให้คิดว่าอิเล็กตรอนก็อาจเป็นองค์ประกอบ ของนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ได้เช่นกัน ดังนั้นจึงมีการตั้งสมมติฐานโปรตอน – อิเล็กตรอนขึ้น ดังนี ้

นิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ ควรประกอบขึ้นด้วยนิวเคลียสของไฮโดรเจน(ยกเว้นนิวเคลียสของ

ไฮโดรเจนเท่านั้น)หรือโปรตอน แต่โดยทั่วไปนิวเคลียสที่มีมวลเป็น A เท่าของโปรตอนจะไม่มีประจุเป็น

A เท่าด้วย มักมีประจุเป็น 2A

เท่าหรือน้อยกว่านั้น แสดงว่า นิวเคลียสต้องประกอบด้วยอนุภาคอ่ืน

นอกเหนือจากโปรตอน เน่ืองจากนิวเคลียสหลาย ๆ ชนิดสามารถปล่อยอนุภาคเบตา ซึ่งก็คือ อิเล็กตรอน

ออกมาได้ สรุปว่า นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนรวมกันอยู่ ธาตุที่มีเลขมวล A และเลข

อะตอม Z จะมีโปรตอน A อนุภาค และอิเล็กตรอนอยู่ A - Z อนุภาค เช่น ลิเทียม ซึ่งมีมวลอะตอมประมาณ 7

เท่าของมวลโปรตอน และมีอิเล็กตรอน 3 ตัวในอะตอม ดังนั้น นิวเคลียสของลิเทียมควรจะประกอบไปด้วย

โปรตอน 7 ตัว และอิเล็กตรอน 4 ตัว อยู่ในนิวเคลียส ท า ให้นิวเคลียสของธาตุมีประจุ +3e ลักษณะของ

นิวเคลียสเช่นน้ี สามารถน า ไปอธิบายปรากฏการณ์เกี่ยวกับการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีได้ว่า การ

สลายตัวให้รังสีเบตา คือ การที่อิเล็กตรอนวิ่งออกจากนิวเคลียส ส่วนการสลายตัวให้รังสีแอลฟานั้นเกิดจาก

โปรตอน 4 อนุภาค และอิเล็กตรอน 2 อนุภาค ในนิวเคลียสรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมแล้ววิ่ง

ออกมาจากนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม จากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนจะอยู่

ภายในนิวเคลียสไม่ได้ และยังขัดแย้งกับผลการทดลองเร่ืองโมเมนตัมเชิงมุมของนิวเคลียส นอกจากนี้ ยังมี

ปรากฏการณ์บางอย่างของนิวเคลียสที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสมมติฐานนี้ จึงท า ให้ต้องยกเลิกไป

จากข้อขัดแย้งในเร่ืองอิเล็กตรอนในนิวเคลียสดังกล่าวมาแล้ว ท า ให้ทฤษฎีเกี่ยวกับ

อิเล็กตรอนอิสระในนิวเคลียสเป็นไปไม่ได้ ในปี พ.ศ 2462 รัชเทอร์ฟอร์ดกับคณะพบว่าจากการยิงอนุภาค

แอลฟาพลังงานสูงเข้าไปในธาตุไนโตรเจนแล้วเกิดธาตุออกซิเจนและโปรตอนตามสมการ

โปรตอนที่ได้มีพลังงานมากกว่าอนุภาคแอลฟาที่ใช้ยิ่งเสียอีก จึงเชื่อว่า

อนุภาคแอลฟาน่าจะรวมกับนิวเคลียสก่อนแล้วจึงให้โปรตอนจากนิวเคลียสออกมา ในปี พ.ศ. 2463 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ให้ข้อคิดเห็นว่าอิเล็กตรอนในนิวเคลียสน่าจะไปรวมอยู่กับโปรตอนบางตัวอย่างใกล้ชิดกันมากจนไม่แสดงสมบัติของอิเล็กตรอนแต่จะรวมกับโปรตอนแสดงสมบัติเฉพาะตัวเป็นอนุภาคอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนแต่ไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งน่าจะเรียกว่า นิวตรอน(Neutron) ในปี พ.ศ. 2473 Bothe และ Becker พบว่า ถ้ายงิธาตุโบรอนและเบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟา จะให้รังสีบางอย่างออกมาแรงมากในปี พ.ศ. 2474 แซดวิด นักฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่ารังสีดังกล่าวที่ออกมาสามารถท าให้ธาตุหลาย ๆ อย่าง เช่น ฮีเลี่ยม ลิเทียม เบริลเลียม ออกซิเจน มีการเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว ในปี พ.ศ. 2475 Curie และ Joliot แสดงให้เห็นว่ารังสีดังกล่าวสามารถท า ให้โปรตอนพลังงานสูงสุดออกมาจากสารที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบได้และพยายามอธิบายว่ารังสีดังกล่าวเป็นรังสีแกมมาพลังงานสูง แต่แซดวิกชี้ให้เห็นว่าเป็นรังสีแกมมาไม่ได้โดยสมการ

จากผลการทดลองรังสีที่คาดว่าเป็นรังสีแกมมาขนาด 7 MeV นี้สามารถท าให้เกิดโปรตอนขนาด 5 MeV จากสารที่มีองค์ประกอบของไฮโดรเจน ซึ่งการเกิดโปรตอนขนาดนี้ควรจะใช้รังสีแกมมาขนาดพลังงานถึง 50 MeV และรังสีแกมมาที่จะชนธาตุไนโตรเจนให้เคลื่อนที่ได้ควรจะมีพลังงานถึง 90 MeV แต่ถ้าคิดว่าการเกิดอนุภาคโปรตอนนี้เกิดจากการชนของอนุภาคแบบยืดหยุ่น ก็สามารถเกิดจากอนุภาคขนาดพลังงาน 7 MeV ได้ แซดวิกจึงสรุปว่ารังสีที่ออกมาจากการใช้อนุภาคแอลฟายิงธาตุเบริลเลียมจะต้องเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้ามีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน เรียกว่า นิวตรอน(Neutron) จากการหาค่ามวลอย่างละเอียด ต่อมาพบว่านิวตรอนมีมวล1.00898 u มากกว่าโปรตอนซึ่งมีมวล 1.00758 u เล็กน้อย

สมมติฐานของนิวเคลียสแบบโปรตอน – นิวตรอน

จากการค้นพบอนุภาคนิวตรอนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับ 1 หน่วยมวลอะตอมและไม่มีประจุไฟฟ้าท าให้สรุปได้ว่า ทุกๆ อะตอมจะมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน สมมติฐานนี้ถูกใช้เป็นคร้ังแรกโดยไฮเซนเบิร์ก ในปี พ.ศ. 2475 โดยก าหนดให้ว่าเลขมวล (Mass Number ; A) เป็นตัวเลขที่บอก จ านวนของโปรตอนรวมกับนิวตรอน ค่าเลขอะตอม(Atomic number ; Z) เป็นตัวเลขที่บอกจ านวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งเท่ากับจ านวนอิเล็กตรอนในวงรอบอะตอม จึงมีนิวตรอนในนิวเคลียส A – Z อนุภาคนิวตรอนและโปรตอนนี้ เรียกชื่อรวมกันว่า นิวคลอีอน(Nucleon) ซึ่งหมายถึง สมาชิกของนิวเคลียสนั่นเอง เลขมวลเป็นเลขจ านวนเต็มที่มีค่าใกล้เคียงกับมวลอะตอมของธาตุน้ันมากที่สุด เช่น ธาตุยูเรเนียมที่มีเลขมวล 238 มีมวลอะตอมเท่ากับ 238.05 u และนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมมีจ านวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็น 238 ส าหรับเลขอะตอมนั้น นอกจากจะเป็นตัวเลขที่แสดงจ านวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสแล้ว ตัวเลขนี้ยังบอกถึงประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสอีกด้วย เช่น ในกรณีของยูเรเนียมเลขอะตอมมีค่าเท่ากับ 92 จะมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ +92e เป็นต้น

สัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุ X ที่มีเลขมวล A และเลขอะตอม Z จะเขียนได้เป็น XAZ เช่น

U23892 เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียม ที่มีโปรตอน 92 ตัว หรือมีประจุไฟฟ้า

+92 e และผลรวมของจ านวนโปรตอนกับนิวตรอนเป็น 238 นั่นคือ นิวตรอน = 238 – 92 = 146 ตัว ในบางคร้ังอาจเขียนสัญลักษณ์อย่างย่อเป็น X - A ก็ได้ เช่น U - 238 เป็นต้น โดยอาศัยสมมติฐานเกี่ยวกับองค์ประกอบนิวเคลียสดังกล่าวมาแล้ว จะท า ให้สามารถอธิบายการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีได้ดีขึ้น ดังนี้ 1. การสลายตัวให้รังสีแอลฟา (Alpha emission) รังสีแอลฟาที่ออกมาจากนิวเคลียสเป็น นิวเคลียสของธาตุฮีเลี่ยมมีมวล 4 หน่วย ประจุไฟฟ้าบวก 2 หน่วย มีพลังงานมาก ดังนั้น เมื่อมีการ สลายตัวให้รังสีแอลฟาเกิดขึ้น สารต้นก าเนิดจะมีมวลลดลง 4 หน่วย และประจุไฟฟ้าลดลง 2 หน่วย ดังสมการ HeYX A

ZAZ

42

42

เช่น HeRaTh 4

222888

23290

2. การสลายตัวให้รังสีเบตา(Beta emisson)

2.1 การสลายตัวให้รังสีเบตาลบ (Negative beta emisson , ) รังสีเบตาลบ คือ อนุภาคอิเล็กตรอน( e01 ) ที่ออกมาจากนิวเคลียสของนิวไคลด์(Nuclide) ที่มีปริมาณนิวตรอนมากกว่าปกติ(Neutron excess) การสลายตัวให้รังสีเบตามักมีรังสีแกมมาเกิดขึ้นมาด้วย เมื่อมีการสลายตัวให้รังสีเบตาแล้ว นิวไคลด์ที่สลายตัวยังคงมีมวลเท่าเดิม แต่มีประจุไฟฟ้าบวกมากขึ้นหนึ่งหน่วยท าให้เปลี่ยนเป็นธาตุใหม่ ดังสมการ

eYX AZ

AZ

012

เช่น eBiPb 01

21483

21482

2.2 การสลายตัวให้รังสีเบตาบวก(Positron beta emisson , ) รังสีเบตาบวก คือ อนุภาคที่มีลักษณะเหมือนอิเล็กตรอน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก( e01 ) สลายตัวจากนิวไคลด์ที่มีจ านวนโปรตอนในนิวเคลียสมากกว่าปกติ(Proton excess) โดยนิวไคลด์เร่ิมต้นและนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นจะต้องมีพลังงานต่างกันอย่างน้อย 1.02 MeV โพซิตรอนที่เกิดขึ้นไม่ค่อยอยู่ตัวจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนกลายเป็นรังสีแกมมาเรียกว่าเกิด Annihilation การสลายตัวให้รังสีเบตาบวก มวลนิวไคลด์ต้นก าเนิดจะยังคงเท่าเดิม แต่ประจุไฟฟ้าบวกลดลง 1 หน่วย ท าให้เปลี่ยนเป็นนิวไคลด์ของธาตุใหม่ดังสมการ eYX A

ZAZ

011

เช่น eCN 01

136

137

3. การสลายตัวให้รังสีแกมมา(Gamma emission) รังสีแกมมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ ออกมาจากนิวเคลียส เกิดจากนิวไคลด์สลายตัวให้รังสีแอลฟาหรือเบตา แล้วนิวไคลด์ที่เกิดขึ้นมีพลังงาน มากเกินไป ท า ให้อยู่ในสถานะกระตุ้น(Exited state) จึงปรับตัวโดยการให้รังสีแกมมาออกมา ดังนั้น การสลายตัวให้รังสีแกมมา จึงไม่ท า ให้มวลหรือประจุเปลี่ยนแปลง ดังสมการ YX A

ZAZ เช่น

SiAl *2814

2813 และ SiSi 28

142813*

3. การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสี การค้นพบรังสีแอลฟา เบตา ท าให้เชื่อแน่ว่าอะตอมไม่ใช่ส่วนที่เล็กที่สุด การสลาย ตัวของสารกัมมันตรังสีท าให้พบไอโซโทปต่าง ๆ การใช้รังสีแอลฟายิงสารต่าง ๆ ท าให้ได้แนวความ

คิดเกี่ยวกับอะตอม การเปลี่ยนแปลงของอะตอมท าให้พบนิวตรอน ความก้าวหน้าของวิชาฟิสิกส์จึงเป็นผล มาจากการศึกษาเร่ืองกัมมันตภาพรังสีด้วย อนุกรมการสลาย ในการศึกษาการสลายตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม-238 นั้น พบว่า นอกจากจะมีการสลายตัวให้

ทอเรียม -234 โดยปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาแล้ว ทอเรียมยังคงสลายตัวต่อไปและเกิดเป็นโพรแทกทิเนียม –234 พร้อมทั้งปล่อยอนุภาคเบตาและรังสีแกมมาออกมาด้วย โพรแทกทิเนียม –234 นี้จะสลายตัวต่อไปอีก ซึ่งเราอาจเขียนล าดับการสลายตัวของยูเรเนียม –238 ได้เป็นอนุกรม(ดังภาพ) ส าหรับตะกั่ว –206 ซึ่งเป็นธาตุสุดท้ายในอนุกรมนี้เป็นธาตุที่เสถียรจึงไม่มีการสลายตัวต่อไป ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีในอนุกรมยูเรเนียม –238 พบว่า อะตอมของพอโลเนียม – 218 จะลดจ านวนลงคร่ึงหนึ่งในเวลาเพียง 3.05 วินาที ในขณะที่อะตอมเรเดียม –226 ต้อง ใช้เวลาถึง 1,620 ป ีจึงจะลดจ านวนลงครึ่งหนึ่ง จะเห็นได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิด มีอัตราการสลายตัวต่างกัน

ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติมีทั้งสิ้น 4 อนกุรม คือ 1.อนุกรมยูเรเนียม(Uranium series) เป็นอนุกรมที่ประกอบด้วยธาตุเร่ิมต้น คือ ยูเรเนียม –238 ธาตุสุดท้าย คือ ตะกั่ว –206 เลขมวลของธาตุในอนุกรมนี้จะเป็น 4n + 2 2.อนุกรมแอกทิเนียม(Actinium series) เป็นอนุกรมที่ประกอบด้วยธาตุเร่ิมต้นคือ ยูเรเนียม –235 ธาตุสุดท้ายคือ ตะกั่ว –207 เลขมวลของธาตุในอนุกรมนี้จะเป็น 4n + 3 3.อนุกรมทอเรียม(Thorium series) เป็นอนุกรมที่ประกอบด้วยธาตุเร่ิมต้น คือ ทอเรียม –232 และธาตุสุดท้าย คือ ตะกั่ว – 208 เลขมวลในอนุกรมนี้เป็น 4n 4.อนุกรมเนปทูเนียม(Neptunium series) เป็นอนุกรมที่ประกอบด้วยธาตุเร่ิมต้น คือ เนปทูเนียม – 237 และธาตุสุดท้ายคือ แทลเลี่ยม – 205 โดยมีเลขมวลเป็น 4n + 1 ในปี พ.ศ. 2445 รัทเทอร์ฟอร์ดและซอดดี พบว่า ธาตุทอเรียม(Th) ให้ผลอย่างเดียวกับยูเรเนียม จึงเรียกส่วนที่เกิดใหม่นั้นว่า XTh จากการศึกษาการสลายตัวของ XTh และการเพิ่มของ Th เขาสามารถเขียนออกมาเป็นรูปเส้นโค้งได้ ดังภาพ

Th

XTh

tA

0A

ถ้าให้ 0A เป็นกัมมันตภาพรังสีเร่ิมแรกของ XTh

tA เป็น กัมมันตภาพรังสีของ XTh ที่เวลา t ใด ๆ จากกราฟย่อมเขียนเป็นสมการได้ว่า t

t eAA 0 เมื่อ λ เป็นค่าคงที่ เรียกว่า ค่านิจของการสลายตัว จะเห็นได้ว่า

XTh จะลดลงเหลือคร่ึงหนึ่งในเวลาประมาณ 23T

จากผลการทดลองที่ได้ รัชเทอร์ฟอร์ดและซอดดี จึงสรุปว่า การเกิดรังสีแอลฟาและ แกมมานั้นจะท า ให้เกิดธาตุใหม่ด้วยความเข้มของรังสี(Intensity) ซึ่งเรียกว่า กัมมันตภาพ(Activity) ย่อม แปรตามอะตอมที่สลายตัวการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อมภายนอกนิวเคลียส เช่น อุณหภูมิ ความดัน แต่การสลายตัวนี้จะเป็นไปตามหลักการทางสถิติที่เกี่ยวกับโอกาสและกระบวน การสุ่ม เช่น ถ้ามีธาตุกัมมันตรังสีอยู่จ านวนหน่ึง เราไม่สามารถบอกได้ว่านิวเคลียสใดในธาตุนั้นจะ สลายตัวก่อนหรือหลัง เรากล่าวได้เพียงว่าทุกนิวเคลียสมีโอกาสเท่า ๆ กัน ที่จะสลายตัวในช่วงเวลาหนึ่ง ถ้าให้ N เป็นจ านวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ขณะเวลา t N เป็นจ านวนนิวเคลียสที่สลายตัวไปในช่วงเวลาสั้น ๆ t นับจาก t ดังนั้น

tN

หมายถึง จ านวนนิวเคลียสที่สลายตัวไปใน 1 หน่วยเวลา ซึ่งปริมาณนี ้ คืออัตราการ

สลายตัวของนิวเคลียส ณ เวลา t นั่นเอง ปริมาณนี้เป็นปริมาณที่แปรผันตรงกับจ านวนนิวเคลียสที่มีอยู่ในขณะนั้น ซึ่งเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า

NtN

หรือ NtN

λ เรียกว่า ค่านิจของการสลายตัว เคร่ืองหมายลบ แสดงถึงการลดลงของจ านวน นิวเคลียส ถ้าช่วงเวลา t มีค่าน้อยมาก( t →0 )

NdtdN

tN

t

lim

0

NdtdN

dtN

dN

tN

N

dtN

dN00

teNN 0 เมื่อ N0 เป็นจ านวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีเร่ิมแรกที่พิจารณา(t = 0 ) N เป็นจ านวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่เมื่อเวลาผ่านไป t

e เป็นค่าคงที่ ซึ่งเท่ากับ 2.7182818

หน่วยที่ใช้วัด กัมมันตภาพรังสี ในทางปฏิบัตินิยมวัดเป็นหน่วย คูรี(Ci) 1 คูรี = 3.7 x 1010 เบ็กเคอเรล

จากสมการ teNN 0 เป็นสมการที่ใช้อธิบายอัตราการสลายของธาตุกัมมันตรังสี เมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง N กับ t จะได้กราฟ ดังภาพ

จากกราฟแสดงว่าเมื่อเวลาผ่านไป จ านวน

นิวเคลียสกัมมันตรังสีจะเหลือน้อยลง และจะต้องใช้เวลา นานมากที่นิวเคลียสกัมมันตรังสีจะสลายหมด

ครึ่งชีวิต(Half life ;21T ) เขียนแทนด้วย สัญลักษณ์ T คือ

ช่วงเวลาของการสลายตัวที่มีจ านวนนิวเคลียสลดลงเหลือ

คร่ึงหนึ่งของจ านวนเร่ิมต้น (20N

)ธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง

จะมีครึ่งชีวิตคงที่ และมีค่าไม่ซ ้ากันกับครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีอ่ืน ๆ การค านวณหาคร่ึงชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีสามารถกระท า ได้ดังนี้

พิจารณาที่ t = T และ 20N

N

จาก teNN 0

จะได้ T

T

e

eNN

212 00

หรือ Te 2log

6930718222

2 ..log

log

log

loglog

ee

จะได้ 6930.T

ดังนั้น คร่ึงชีวิต (T)

6930.

ตัวอย่างที่ 3 ตัวอย่าง ธาตุกัมมันตรังสีธาตุหนึ่งมีจ านวน 2.20 x 1012 อะตอม มีเวลาครึ่งชีวิต 6 นาที จะมี

กัมมันตภาพเท่าไร

แนวคิด โจทย์ต้องการหากัมมันตภาพ จาก 131093160669306930

sT

...

และจาก 9123 102541020210930 .).)(.(NdtdN

ฉะนั้น กัมมันตภาพของธาตุ = 4.25 x 109 เบ็กเคอเรล ตอบ

ตัวอย่าง 4 สตรอนเซียม Sr9038 มีครึ่งชีวิต 28 ปี จงค านวณหาค่านิจของการสลายตัวของสตรอนเซียม

และค านวณกัมมันตภาพของสตรอนเซียมซึ่งมีมวล 1 มิลลกิรัม

แนวคิด หาค่านิจของการสลายตัวของสตรอนเซียม

จาก 1107 108710154328

69306930

sT

..

..

ค่านิจของการสลายตัวของสตรอนเซียม = 7.8 x 10-10 s-1 หากัมมันตภาพของสตรอนเซียม

จาก 9233

10 1020590

100261011087

.)

).)(()(.(N

dtdN

ดังนั้น กัมมันตภาพของธาตุ = 5.20 x 109 เบ็กเคอเรล ตอบ

4. ไอโซโทป

ไอโซโทป(Isotope) คือ นิวไคลด์ต่างๆ ของธาตุเดียวกัน ที่มีจ านวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอน(Z) เท่ากัน แต่มีเลขมวล(A) ต่างกัน ถ้าพิจารณาในเร่ืองสมบัติของธาตุ ไอโซโทปเป็นกลุ่มนิวไคลด์ที่มีสมบัติ ทางเคมีเหมือนกันเพราะเป็นธาตุเดียวกัน แต่มีสมบัติทางฟิสิกส์ต่างกัน เพราะมีมวลแตกต่างกัน เช่น

U23592 และ U238

92 โดยยูเรเนียม-238 มีโปรตอน 92 ตัว และมีนิวตรอน 146 ตัว ส่วนยูเรเนียม -235 มีจ านวนโปรตอนอยู่ 92 ตัว แต่มีจ านวนนิวตรอนอยู่เพียง 143 ตัว ดังนั้นจึงมีมวลแตกต่างกัน ส า หรับ ไอโซโทปของธาตุที่มีการสลายตัวเรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี ส่วนไอโซโทปของธาตุที่ไม่มีการสลาย ตัว เรียกว่า ไอโซโทปเสถียร เน่ืองจากไอโซโทปของธาตุเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขมวลต่างกัน จึงมีสมบัติทางเคมี เหมือนกัน แต่มีสมบัติทางฟิสิกส์ต่างกัน เช่นมีมวลต่างกัน การวิเคราะห์ไอโซโทปเหล่านี้จึงไม่สามารถท า ได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี แต่ท า ได้โดยการจ าแนกมวลของไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันมีความ แตกต่างกันน้อยมาก การวิเคราะห์ไอโซโทปจึงต้องใช้เคร่ืองมือที่วัดมวลได้ละเอียดมาก เคร่ืองมือ ประเภทนี้ได้แก่ แมสสเปกโทรมิเตอร์(Mass Spectrometer) เป็นเคร่ืองมือที่ใช้วิเคราะห์มวลอะตอมของธาตุต่างๆ โดยอาศัยหลักการเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าส่วนประกอบที่ส าคัญของแมสสเปกโตรมิเตอร์ มีดังนี้ 1. ส่วนเร่งอนุภาค มีหน้าที่ท า ให้ไอโซโทปที่อยู่ในสภาพแก๊สกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุ ไฟฟ้า จากนั้นก็เร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงขึ้น โดยใช้สนามไฟฟ้า อนุภาคเหล่านี้จะวิ่งผ่านช่องที่ท าไว้ และเข้าไปยังส่วนคัดเลือกความเร็ว 2. ส่วนคัดเลือกความเร็ว ประกอบด้วยบริเวณที่มีทั้งสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก B สนามทั้งสองนี้มีทิศตั้งฉากกัน และตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ผ่านเข้ามา ดังนั้นถ้าให้อนุภาคที่วิ่งผ่าน

ช่องเข้ามาในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็กB มีอัตราเร็วเท่ากับ v และประจุไฟฟ้าของอนุภาคเป็น q จะได้ว่าแรงกระท า ต่อประจุเน่ืองจากสนามแม่เหล็กเท่ากับแรงกระท าต่อประจุเนื่องจากสนามไฟฟ้าแรงที่กระท า ต่ออนุภาคอันเนื่องจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะมีทิศตรงข้ามกัน ถ้าความเร็วอนุภาคมีค่าพอเหมาะจะท า ให้ขนาดของแรงอันเน่ืองมาจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีค่าเท่ากัน จะท า ให้เกิดสมดุลของแรงขึ้น ท า ให้อนุภาคเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่และสามารถวิ่งผ่านตรงไปยังอีกช่องหนึ่งที่ท า ไว้ได ้ส่วนอนุภาคที่มีความเร็วต่างไปจากค่านี้จะมีแนวการเคลื่อนที่ที่เปลี่ยนไปท า ให้ไม่สามารถผ่านช่องที่สองนี้ไปได้ แรงกระท า ต่อประจุเนื่องจากสนามแม่เหล็ก = แรงกระท าต่อประจุเนื่องจากสนามไฟฟ้า จะได้ qEqvB

ดังนั้น BE

v

แสดงว่าอัตราเร็ว v หาได้จากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดของสนามแม่ เหล็กในบริเวณส่วนคัดเลือกความเร็ว กลุ่มอนุภาคที่มีอัตราเร็วดังกล่าวนี้จะวิ่งเข้าสู่ส่วนวิเคราะห์ 3. ส่วนวิเคราะห์ ซึง่ประกอบด้วยบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก B ที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการ เคลื่อนที่ของอนุภาค แรงเน่ืองจากสนามแม่เหล็กนี้จะท า ให้อนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวโค้งรูปวงกลม อนุภาคที่มีมวลต่างกันจะวิ่งตามแนวโค้งรูปวงกลมที่มีรัศมีต่างกัน เมื่ออนุภาคเหล่านนั้นกระทบแผ่นฟิล์ม จะท าให้เกิดรอยด า ให้ R เป็นรัศมีความโค้งของวงกลม m เป็นมวลของอนุภาค

จะได้ว่า R

mvBqv

2

v

RBqm

แทน

BE

v ในสมการ จะได้

E

RBgB

BE

RBgm

จากสมการ E

RBqBm

จะเห็นว่ามวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้ง และ

เน่ืองจากมวลของแต่ละไอโซโทปต่างกัน ดังนั้น รัศมีความโค้งของแต่ละไอโซโทปจะมีค่าไม่เท่ากัน เราจึงใช้เคร่ืองมือนี้วิเคราะห์ไอโซโทปได้

ตัวอย่างที ่5 ถ้าสนามไฟฟ้าในบริเวณคัดเลือกความเร็วของเคร่ืองแมสสเปกโทรมิเตอร์เป็น 120,000 โวลต์/เมตร และสนามแม่เหล็ก B และ B′เป็น 0.6 เทสลา ไอออนของนีออนมีประจุ +e วิ่งด้วยรัศมี ความโค้ง 0.28 เซนติเมตรในสนามแม่เหล็ก B จะมีเลขมวลเท่าไร

แนวคิด จาก E

RBqBm

จากโจทย์ R = 0.0728 เมตร q = +e = 1.6 x 10-19 C

แทนค่า kgm 2619

10493120000

0728060601061

.)...)(.(

แต่ u = 1.66 x 10 -27 kg

ฉะนั้น um 211066110493

27

26

.

.

นั้นคือ เลขมวลของไอออนของนีออน = 21 u 5. เสถียรภาพของนิวเคลียส จากสมมติฐานของโปรตอน – นิวตรอน ท า ให้เราทราบว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและ นิวตรอน อย่างไรก็ตาม ในการก าหนดให้นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนนี้ ยังมีปัญหาที่ จะต้องศึกษาไปอีกมากมาย เช่น โปรตอนและโปรตอนต่างมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกน่าจะมีแรงผลักกันตาม หลักวิชาไฟฟ้าท า ไมจึงอยู่รวมกันได้อย่างหนาแน่น ส่วนนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า ท าไมจึง อยู่ร่วมกันได้อย่างหนาแน่นเช่นนั้น ก็น่าจะมีแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนกับโปรตอน โปรตอนกับ นิวตรอน นิวตรอนกับนิวตรอน ซึ่งเป็นแรงมีค่ามากกว่าแรงผลักระหว่างประจุตามหลักทางไฟฟ้ามากแรงเหล่านี้เรียกว่า แรงนิวเคลียร์(Nuclear Force) คือ แรงที่ยึดนิวคลีออนต่างๆ ให้รวมกันเป็นนิวเคลียส เป็นแรงดูดซึ่งมีค่ามากกว่าแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้า และเป็นแรงที่เกิดขึ้นขึ้นในระยะสั้น ๆ จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์หลายวิธีด้วยกันท า ให้เราทราบว่าลักษณะของนิวเคลียส ดังนี้ 1. นิวเคลียสมีลักษณะเป็นทรงกลม มีพื้นที่ผิวน้อยมากและขนาดของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับจ านวน นิวคลีออนที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูง เป็นแรงระยะสั้น 2. มวลของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับจ านวนนิวคลีออนหรือเลขมวล(A) 3. การวัดขนาดของนิวเคลียสวัดจากรัศมีทรงกลมของนิวเคลียส ซึ่งปรากฏว่า รัศมี R เป็นสัดส่วนโดยตรงกับรากที่สามของเลขมวล (A)

3 AR 3

0 ArR โดยให้ R เป็นรัศมีของนิวเคลียสที่มีเลขมวล A A เป็นเลขมวลหรือจ านวนนิวคลีออนของนิวเคลียส

0r เป็นค่านิวคลีออน มีค่าระหว่าง 1.2 x10 -15 m ถึง 1.5 x10 -15 m

จากสมการ 30 ArR ท าให้เราทราบว่า ไฮโดรเจนซึ่งมีเลขมวลเป็น 1

จะมีรัศมีของนิวเคลียสเท่ากับ 1.2 x10 -15 m 4. ความหนาแน่นของนิวเคลียสมีค่าประมาณ 1018 kg/m2 ความหนาแน่นนี้เมื่อเทียบกับความหนาแน่นสูงสุดของสารซึ่งมีค่าประมาณ 2 x 104

kg/m2 จะเห็นว่ามีความแตกต่างกันอย่างมาก แสดงว่า

นิวคลีออนในนิวเคลียสจะต้องอัดกันอยู่อย่างหนาแน่น ซึง่จะเป็นเช่นนี้ได้แรงนิวเคลียร์ต้อง มีค่ามากมายมหาสาร พลังงานยึดเหนี่ยว ในการศึกษาเพื่อท า ความเข้าใจธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์จะสามารถท า ได้โดยการให้ พลังงานแก่นิวเคลียส เพื่อท า ให้นิวคลีออนแยกออกจากกัน พลังงานที่พอดีที่ท า ให้นิวคลีออนแยกออก จากกันเรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว(Binding Energy) เป็นที่น่าสังเกตว่าเมื่ออนุภาคต่างๆ มารวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอมนั้นมวลสารของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่ปรากฎว่าน้อยกว่าผลบวกของมวลสารของแต่ละอนุภาคที่มาประกอบกันเป็นนิวเคลียสนี้ มวลสารที่ปรากฎหายไปนี้ได้กลายเป็นพลังงานที่ใช้ในการยึดเหนี่ยวอนุภาคโปรตอนกับนิวตรอนให้อัดกันอยู่ในนิวเคลียสได้ ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานที่ให้แก่นิวเคลียสเพื่อท า ให้นิวคลีออนแยกออกจากกันเนื่องจากนิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก ในการวัดมวลเราจึงวัดในหน่วย u (Atomic massunit) เช่นเดียวกับมวลอะตอม มวล 1 u = 1.66 x 10-27 kg และมวล 1 u เทียบได้กับพลังงาน 931 MeV

โดยหาจาก มวล 1 u = 21 ของมวลของ C-12 1 อะตอม

ฉะนั้น มวล 1 u = kgg 272421 1066110661

1002612

21

..)

.)((

จากสมการความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงานของไอน์สไตน์ 2mcE

มวล 1 u เปลี่ยนเป็นพลังงานได้ MeV

J

93110106110310661

10310661

619

2827

2827

.

))(.(

))(.(

ดังนั้น มวล 1 u เทียบได้กับพลังงาน = 931 MeV

การค านวณหาพลังงานยึดเหนี่ยว การค านวณหาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสสามารถหาได้จากมวลนิวเคลียสหรือจากมวลอะตอม ดังนั้นจึงควรมีความเข้าใจเกี่ยวกับมวลนิวเคลียสและมวลอะตอมเสียก่อนดังนี ้ มวลอะตอม หมายถึง มวลของนิวเคลียสรวมกับมวลของอิเล็กตรอนทั้งหมดที่อยู่รอบ

นิวเคลียสนั้น ถ้าก าหนดให้ มวลอะตอมเป็น )( Xm AZ

มวลนิวเคลียสเป็น )( XN AZ

มวลอิเล็กตรอนเป็น eZm (อิเล็กตรอนมี Z ตัว)

จะได้ว่า eAZ

AZ ZmXNXm )()(

เน่ืองจากในสมการการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์มักจะกล่าวถึงนิวเคลียสในการค านวณหามวลพร่อง เราควรใช้มวลของนิวเคลียส แต่ในตารางไอโซโทปต่าง ๆ นิยมบอกเป็นมวลอะตอม ดังนั้นเราจึงสามารถดัดแปลงการค านวณหามวลนิวเคลียสจากมวลอะตอมได้

การค านวณหาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจากมวลอะตอมส าหรับอะตอม )( XAZ

ประกอบด้วยจ านวนโปรตอน Z ตัว จ านวนอิเล็กตรอน Z ตัว จ านวนนิวตรอน A – Z ตัว

ถ้า )( Xm AZ เป็นมวลของอะตอม

มวลอนุภาคอิสระที่ประกอบด้วยอะตอมนี้ nep mZAZmZm )(

มวลพร่อง )( m = uXmmZAZmZm AZneP )()(

พลังงานยึดเหนี่ยว ( )E = MeVm 931 ฉะนั้น มวลพร่อง(Mass defect) คือ ผลต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสกับผลรวมของมวลของ นิวคลีออนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสนั้น และมวลจ านวนนี้ใช้ในการค านวณหาพลังงานยึดเหนี่ยว การค านวณหาพลังงานยึดเหนียวของของนิวเคลียส สามารถหาได้ดังนี้ ตัวอย่าง 6 การหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ นิวเคลียสของดิวเทอรอนที่ประกอบด้วยโปรตอนและ นิวตรอนอย่างละ 1 ตัว แนวคิด มวลของโปรตอน 1 ตัว = 1.007276 u มวลของนิวตรอน 1 ตัว = 1.008665 u ผลรวมของมวลทั้งสองอนุภาค = 1.007276u + 1.008665u = 2.015941u มวลของดิวเทอรอน = 2.013553 u

เมื่อ p และ n รวมตัวกันเป็น ดิวเทอรอนจะมีมวลพร่อง = มวลที่หายไป

= 2.015941u - 2.013553u = 0.002388u

มวล 1 u เทียบได้กับพลังงาน = 931 MeV มวล 0.002388 u เทียบได้กับพลังงาน = 931 x 0.002388 MeV = 2.22 MeV ฉะนั้น พลังงานยึดเหนี่ยวของดิวเทอรอน = 2.22 MeV พลังงานจ านวนนี้เท่ากับพลังงานของรังสีแกมมาที่ใช้ในการท าให้ดิวเทอรอนแตกตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอน และถ้าเรายิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของไฮโดรเจน จะได้ดิวเทอรอนออกมาพร้อมรังสีแกมมาที่มีพลังงาน 2.22 MeV แสดงว่าพลังงานที่ใช้ในการท า ให้ดิวเทอรอนแตกตัวออกเป็นโปรตอน และนิวตรอนก็เท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อโปรตอน และนิวตรอน รวมตัวกันเป็นดิวเทอรอน

ตัวอย่างที ่7 การหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ N147 อะตอมของธาตุไนโตรเจน ประกอบด้วยโปรตอน 7 ตัว นิวตรอน 7 ตัว และอิเล็กตรอน 7 ตัว ในการค านวณหามวลของโปรตอนหาได้จากมวลอะตอมของ

ไฮโดรเจน แนวคิด มวลอะตอมของไฮโดรเจน 7 อะตอม = 1.007825 u x 7 = 7.054775u มวลของนิวตรอน 7 ตัว = 1.008665 u x 7 = 7.060655 u ผลรวมของอนุภาคที่มาประกอบกันเป็นอะตอมของไนโตรเจน -14 = 7.054775u + 7.060655u = 14.115430u แต่มวลอะตอมของไนโครเจน -14 = 14.003074 u แสดงว่ามวลที่หายไป = 14.115430u – 14.003074u = 0.112356u ฉะนั้น พลังงานยึดเหนี่ยว = 0.112356 x 931 MeV = 104.60 MeV นอกจากนี้พบว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของธาตุต่าง ๆ มีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อจ านวนนิวคลีออนมากขึ้นซึ่ง แสดงว่าพลังงานยึดเหนี่ยวแปรผันตรงกับจ านวนนิวคลีออน ซึ่งคิดเฉพาะนิวคลีออนที่อยู่ติดกัน เท่านั้นที่มีแรงนิวเคลียร์มากระท า ต่อกันแล้วผลการค านวณจะเป็นตามกราฟที่แสดงนี้ ด้วยเหตุนี้จึงเชื่อว่า แรงนิวเคลียร์เป็นแรงที่ท า ในระยะสั้น ๆ เท่านั้น ในการเปรียบเทียบว่านิวเคลียสมีเสถียรภาพอย่างไร มีโอกาสที่จะแตกตัวหรือเปลี่ยนไปเป็นนิวเคลียสอ่ืนมากน้อยเพียงไร ต้องพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยของนิวเคลียส ซึ่งก็คือพลังงาน ยึดเหน่ียวต่อนิวคลีออน ถ้าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมีค่ามากจะท าให้นิวเคลียสมีเสถียรภาพสูง แต่ ถ้าพลังงานยึดเหนี่ยวลดลง นิวเคลียสย่อมมีโอกาสสลายได้ง่าย ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวจะเปลี่ยนแปลงตาม เลขมวล ส าหรับธาตุที่มีเลขมวลน้อยพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะมีค่าน้อย และธาตุที่มีเลขมวลเพิ่ม ขึ้นพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มขึ้น 6. ปฏิกิริยานิวเคลียร์(Nuclear reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ ประกอบหรือระดับพลังงาน โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยทั่วไปเกิดจากการยิงอนุภาคต่างๆ เช่น นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน แอลฟา โดยการเร่งอนุภาคเหล่านี้ให้มีพลังงานจลน์สูงๆ วิ่งเข้าชนกับนิวเคลียสของ ธาตุที่เป็นเป้า ท าให้นิวเคลียสที่เป็นเป้าเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงานเกิดนิวเคลียส ของธาตุใหม่ขึ้น หรือนิวเคลียสของธาตุเดิมอยู่ในสถานะถูกกระตุ้น เช่น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในห้องทดลอง

คร้ังแรก คือ นั้นคือ ปฏิกิริยาที่เกิดจากการยิ่งอนุภาคแอลฟาเข้าชนกับนิวเคลียสของไนโตรเจน -14 ท า ให้เกิด

ออกซิเจน -17 และโปรตอน โดยในปฏิกิริยานี้ อนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า คือ He42 นิวเคลียสที่เป็นเป้า คือ N714

ส่วนนิวเคลียสที่เกิดใหม่ คือ O178 และอนุภาคที่เกิดขึ้นภายหลังการชน คือ H11 ส า หรับการเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ให้อยู่ในรูปที่ใช้โดยทั่วไปนิยมเขียนในรูป

bYaX

โดย a เป็นอนุภาคที่วิ่งเข้าชนนิวเคลียส X ซึ่งเป็นเป้า ได้นิวเคลียสใหม่ Y และอนุภาค b ซึ่งปฏิกิริยานี้สามารถเขียนเป็นปฏิกิริยาย่อๆ เป็น X (a , b) Y และเรียกชื่อปฏิกิริยา(a , b) ของนิวเคลียส X เช่น เมื่อฉายรังสีแกมมาพลังงาน 2.22 MeV ไปยังดิวเทอรอน จะท าให้ดิวเทอรอนแตกตัวออกเป็นโปรตอนกับนิวตรอน

เขียนเป็นปฏิกิริยาได้ว่า nHH 10

11

21 และเขียนปฏิกิริยาอย่างย่อๆ ได้ว่า

HnH 11

21 ),( แล้วเรียกชื่อปฏิกิริยานี้ว่า ),( n ของดิวเทอรอน

จากการศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้น พบว่ามีทั้งการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองของธาตุกัมมันตรังสี และ การแตกตัวของธาตุเสถียรที่มีอนุภาควิ่งเข้าชนและจากความรู้เร่ืองพลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สรุป ไว้ว่า ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการปล่อยพลังงานออกมา ผลรวมของพลังงานยึดเหนียวหลังปฏิกิริยามีค่า มากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหน่ียวก่อนเกิดปฏิกิริยา ซึ่งเมื่อพิจารณาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะ

เห็นได้ว่า ถ้าท า ให้นิวเคลียสมีมวลมากๆ เช่น U23592 แตกตัวออกเป็นสองนิวเคลียสที่มีขนาดใกล้เคียงกัน

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น หรือถ้าสามารถท า ให้นิวเคลียสที่มีเลขมวลน้อยๆ เช่น H21 จ านวนสองนิวเคลียสมารวมกันเป็นอนุภาคแอลฟา พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนก็มีค่าเพิ่มขึ้นได้ เช่นกัน โดยทั้งสองกรณีการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน ซึ่งรายละเอียดของปฏิกิริยาทั้ง สองลักษณะ อธิบายได้ดังนี้ ฟิชชัน ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุที่มีเลขมวลมาก เช่น ยูเรเนียม –235 แตกตัว ออกเป็นนิวเคลียสใหม่สองนิวเคลียส ที่มีเลขมวลกลางๆ ใกล้เคียงกัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ลักษณะเช่นนี้ เรียกว่า ฟิชชัน(Fission) เฟอร์มี(Enrico Fermi) นักฟิสิกสช์าวอิตาลีได้พยายามผลิตธาตุที่นักกว่ายูเรเนียมโดยใช้นิวตรอนยิงไปยังนิวเคลียสของยูเรเนียม โดยหวังว่านิวตรอนซึ่งมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะวิ่งเข้าชนนิวเคลียสได้ง่ายกว่าอนุภาคอื่น แล้วรวมกับนิวเคลียสเดิมกลายเป็นนิวเคลียสใหม่ และนิวเคลียสใหม่อาจ สลายตัวให้รังสีบีตาออกมาพร้อมทั้งเปลี่ยนสภาพเป็นนิวเคลียสของอีกธาตุหน่ึงที่มีเลขมวลและเลข อะตอมมากกว่ายูเรเนียมว่ายูเรเนียม ในปี พ.ศ.2447 เฟอร์มี พบว่า การยิงนิวตรอนไปยังยูเรเนียม ท า ให้ได้ธาตุกัมมันตรังสีขึ้น มาหลายธาตุแต่ในขณะนั้นยงท า การตรวจสอบไม่ได้ว่าเป็นธาตุอะไรบ้าง เพราะธาตุที่เกิดมีปริมาณน้อย

มาก และวิธีการแยกธาตุยังไม่ดีพอ ในปี พ.ศ.2482 ฮาร์นและสตราสมานน์ ได้ท า การตรวจสอบและพบว่าธาตุที่เกิดใหม่ตัวหนึ่ง คือ แบเรียม-139 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 86 นาที นอกจากนี้ ยังพบว่ามีธาตุแทนทานัม-140 ซึ่งมีคร่ึงชีวิต 40ชั่วโมงเกิดขึ้นด้วย จากการศึกษาต่อไปฮาร์นและสตราสมานน์ พบว่า เมื่อนิวตรอนเข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม จะท า ให้ยูเรเนียมแตกตัวออกเป็นสองส่วนขนาดใกล้เคียงกันแล้วได้พลังงานออกมาด้วย ซึ่งเรียกปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ว่า ฟิชชัน(Fission) ในการศึกษาฟิชชันของยูเรเนียมต่อมา พบว่า นิวเคลียสที่ได้จากการแตกตัวเป็นไปได้มากกว่า 40 คู ่และมีนิวตรอนที่มีพลังงานสูงเกิดขึ้นทุกคร้ังที่มีการแตกตัวโดยเฉลี่ยประมาณ 1 - 3 ตัว เมื่อนิวตรอนที่ปล่อยออกมาวิ่งเข้าไปชนนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมที่อยู่ข้างเคียง จะท าให้เกิดปฏิกิริยาต่อไปได้ เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่(Chain reaction) แลมีพลังงานนิวเคลียร์ที่ถูกปล่อยออก มาโดยเฉลี่ยประมาณ 200 MeV ต่อ fission ตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน เช่น

ในปี พ.ศ.2485 เฟอร์มีเป็นคนแรกที่สามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ให้สม ่าเสมอได้โดยควบคุมจ านวนนิวตรอนที่จะท าให้เกิดฟิชชัน เคร่ืองมือผลิตพลังงานนิวเคลียร์ที่สามารถควบคุมอัตราการเกิดฟิชชัน เคร่ืองมือผลิตพลังงานนิวเคลียร์ที่สามารถควบคุมอัตราการเกิดฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่ได้นี้ เรียกว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์(Nuclear reaction) แต่ถ้าไม่ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาจะน า ไปใช้ในทางทหาร เรียกว่า ลูกระเบิดนิวเคลียร์

ตัวอย่างที ่8 จงหาพลังงานนิวเคลียร์ที่ได้จากฟิชชันของ U23592 ซึ่งท าให้เกิด Ba141

56 และ Kr9236 ก าหนดให้

มวลอะตอมของ U23592 , Ba141

56 , Kr9236 และ n10 เท่ากับ 235.0439 u ,140.9144u,91.9263u และ 1.0087u

ตามล าดับ

แนวคิด จากโจทย์ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น คือ nKrBanU 10

9236

14156

10

23592 3

ดังนั้น มวลก่อนปฏิกิริยา = 140.9144 + 91.9263 + 3(1.0087) = 235.8668u พลังงานที่ปลดปล่อยออกมา = ).)(( 4931m

= (236.0526 - 235.8668) ( 931.4) = 173.05 MeV

ดังนั้น พลังงานที่ปล่อยออกมา เท่ากับ 173.05 MeV ตอบ

ตัวอย่างที่ 9 ในการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ลูกหนึ่งใช้ U23592 ท าให้เกิดฟิชชันได้พลังงานทั้งสิ้น

9.0 x 1012 จูล หลังจากการระเบิดมวลหายไปทั้งสิ้นกี่กิโลกรัม

แนวคิด จาก E = mc2

แทนค่า 9.0 x 1012 J = m(3.0x108 m/ s)2

kgm 416

12

1010091009

.

.

มวลที่หายไปทั้งสิ้น 10 -4 กิโลกรัม ตอบ ฟิวชั่น ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ท า ให้นิวเคลียสที่มีเลขมวลน้อยๆ สองนิวเคลียสรวมกันเป็นนิวเคลียสที่มีเลขมวลมากขึ้น เราเรียกปฏิกิริยานิวเคลียร์ลักษณะเช่นนี้ว่า ฟิวชัน(Fusion) ฟิวชันเป็นปฏิกิริยารวมนิวเคลียสของธาตุเบาให้เป็นนิวเคลียสของธาตุหนักขึ้น และมีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา การที่นิวเคลียสจะรวมกันได้ต้องท า ให้มีอุณหภูมิมากนับเป็นล้านๆ องศาเซลเซียส จึงอาจเรียกปฏิกิริยานี้ว่า Thermo nuclear fusionเชื่อกันว่าพลังงานบนดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชัน คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัว จะหลวมรวมตัวกันได้นิวเคลียสของฮีเลี่ยม พร้อมทั้งปล่อยอนุภาคโพสิตรอน(อนุภาคที่มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุ +1e)ออกมาพร้อมทั้งให้พลังงานออกมา 26 MeV ซึ่งเขียนเป็นสมการง่ายๆ ได้ดังนี้ พลังงาน 26 MeV นี ้ค านวณได้จากมวลที่หายไปในปฏิกิริยา ซึ่งข้อมูลนี้ตรงกับที่นักวิทยาศาสตร์ พบว่า มวลของดวงอาทิตย์นั้นมีการลดลงอย่างช้าๆส าหรับในห้องทดลองการศึกษาฟิวชัน ได้ใช้การหลอมรวมกันของดิวเทอรอนไปในนิวเคลียสของฮีเลี่ยมดังปฏิกิริยา ต่อไปนี้ ตัวอย่างท่ี 10 ในการท า ปฏิกริิยาฟิวชัน โดยใช้ดิวเทอรอน พบว่ามีปฏิกิริยา ดังนี้

อยากทราบว่าในน้ า ทะเลมีดิวเทอเรียมประมาณ 5.0x1018 อะตอม ถ้าน้ า มาท า ให้เกิดฟิวชันทั้งหมดจะได้พลังงานเท่าใด

แนวคิด จากปฏิกิริยาพบว่า H12 3 อะตอม ท าให้เกิดพลังงาน = 4+17.6 = 21.6 MeV

ถ้า H12 มี 5.0 x 1018 อะตอม สามารถหาพลังงานได้

จาก H12 3 อะตอม ท าให้เกิดพลังงาน = 21.6 MeV

ถ้า H12 มี 5.0 x 1018 อะตอม ท าให้เกิดพลังงาน MeV31005621 18 ..

จะได้พลังงาน เท่ากับ 191063 . MeV

7. ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์ กัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์ ปัจจุบันมีการน า ไปใช้ประโยชน์ในการเกษตร และ อุตสาหกรรมในด้านต่างๆ มากมาย ดังจะกล่าวต่อไปนี้ 1. การใช้กัมมันตภาพรังสีในทางการเกษตร กัมมันตภาพรังสีที่น า ไปใช้เพื่อการศึกษาและวิจัยส่วนใหญ่จะใช้ตัวติดตาม(Tracer) ส า หรับการศึกษาเพื่อเพิ่มผลผลิตทางด้านปศุสัตว์ พืชผลและการก า จัดแมลง นอกจากนี้ยังน า เอากัมมันตภาพรังสี ไปศึกษาเกี่ยวกับผลของรังสีที่มีต่อการเปลี่ยนแปลงยีนของพืช

และ การก าจัดแมลง เช่น การศึกษากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช โดยใช้ C146 และ O188 เป็นตัวติดตาม ส าหรับการศึกษาการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของน ้าในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงส าหรับการใช้กัมมันภาพรังสีในการปรับปรุงพันธุ์พืช โดยที่กัมมันตภาพรังสีไปท า ให้ยืนเกิดการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม ท า ให้ได้พันใหม่ที่ดีกว่าเดิม ให้ผลผลิตเพิ่มขึ้น และต้านทานโรคได้ดีด้วย กัมมันตภาพรังสีที่ใช้

ส่วนใหญ่เป็นรังสีแกมมาจาก C6027 นอกจากนี้ยังใช้รังสีแกมมาจาก C6027 ไปอาบตัวแมลง เพื่อให้แมลงตัวนั้นเป็นหมันแล้วปล่อยแมลงที่เป็นหมันกระจายออกไปเป็นการก า จัดแมลงอีกวิธีหนึ่ง 2. การใช้กัมมันตภาพรังสีในทางการแพทย์ กัมมันตภาพรังสีที่ใช้ในทางการแพทย์นั้นมีวัตถุประสงค์ 3 ประการด้วยกัน กล่าวคือ ส าหรับการวินิจฉัยโรค การบ าบัดรักษา และการศึกษาวิจัยการวินิจฉัยโรคโดยทั่วไปที่ท า ในโรงพยาบาลต่างๆ ในขณะนี้ เช่น เครื่องรังสีเอกซ์ใช้วินิจฉัยโรคที่เกิดขึ้นภายในโดยเฉพาะโรคที่เกี่ยวกับกระดูก และกระเพาะอาหารกัมมันตภาพรังสีที่ใช้ส าหรับตรวจการท างาน

ของต่อมไทรอยด์(Thyroid Gland) หรือการท า งานของไตโดยใช้ I13153 การบ าบัดรักษาที่ใช้กัมมันตภาพรังสี

นั้น ส่วนใหญ่ใช้รักษาโรคมะเร็งโดยอาศัยหลักที่ว่ากัมมันตภาพรังสีจะไปท าลายเซลล์ของเนื้อร้าย เมื่อกัมมันตภาพรังสีไปถูกเนื้อร้ายจะคายพลังงานให้แก่อิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมซึ่งเกาะตัวเป็นโมเลกุล ของเซลล์ จึงท าให้โมเลกุลแตกตัวออกจากเซลล์จะหยุดการเจริญเติบโต โมเลกุลของสารชีวภาพส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลของน ้า เมื่อกัมมันตภาพรังสีไปถูกโมเลกุลของน ้าจะท าให้น ้าแตกตัวเป็นไอออนของO กับ H เมื่อ O เป็นออกซิไดซิงเอเจนท์(Oxidizing agent) จึงท าให้เกิดพันธะเคมี(Chemical bond) แตก

ออก ดังนั้น การรักษาโรคมะเร็งส่วนใหญ่จึงใช้การฉายรังสีของ C6027 ไปยังบริเวณที่มีเน้ือร้าย การรักษาโรค

คอพอกชนิดเป็นพิษและโรคมะเร็งต่อมไทรอยด์ที่แพร่กระจายท า โดยการฉีด I13153 การศึกษาและวิจัยโดยใช้

กัมมันตภาพรังสีนั้นใช้ C5124 ศึกษาปริมาณของเม็ดเลือดแดงและปริมาณของน ้าเลือด (Plasma) ในผู้ป่วยด้วย

โรคต่างๆ โดยที่ H31 ใช้ศึกษาฟอเลทที่จับกับโปรตีน(Folate binding protein) ในเซรุ่มของหญิงมีครรภ์และผู้

ที่ใช้ยาคุมก าเนิด ส าหรับการศึกษาการดูดซึมของวิตามินบี-12 ของผู้ป่วยโรคต่างๆ ใช้ C5727 ผสมกับวิตามิน

บี-12 มะเร็งส่วนใหญ่จึงใช้การฉายรังสีของ C6027 ไปยังบริเวณที่มีเนื้อร้าย การรักษาโรคคอพอกชนิดเป็นพิษ

และโรคมะเร็งต่อมไทรอยด์ที่แพร่กระจายท า โดยการฉีด I13153

3.การใช้กัมมันตภาพรังสีในอุตสาหกรรม เราใช้กัมมันตภาพรังสีในทางอุตสาหกรรมเพื่อการตรวจสอบชิ้นส่วนของวัตถุรวมทั้งการหาองค์ประกอบของวัตถุด้วย และการตรวจสอบนี้ยังไม่ท า ลายวัตถุ ซึ่งการน า กัมมันภาพรังสีไปใช้มีอยู่ 2 ลักษณะ คือ 3.1การถ่ายภาพ(Radiography) ใช้หลักที่ว่าเมื่อกัมมันภาพรังสีผ่านเข้าไปในส่วนที่ต้องการตรวจสอบจะท า ให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์มที่มีความไวต่อรังสี วิธีนี้ใช้ในการตรวจสอบรอยร้าวของวัตถุหนาๆ เช่น ในการต่อเรือ หรือต่อท่อต่างๆ เมื่อมีรอยรั่วหรือรอยร้าวเกิดขึ้น จะท า ให้การดูดกลืนของรังสีในบริเวณนั้นแตกต่างออกไป จึงท า ให้เกิดภาพขึ้นบนแผ่นฟิล์มท า ให้สามารถหาต าแหน่งของรอยร้าวหรือรอยรั่วนั้นได้ 3.2ใช้เป็นหัววัด(Guage) ในการใช้เป็นหัววัดนี้เราใช้วัดความหนาของวัตถุเพื่อให้ผลผลิตทางอุตสาหกรรมมีความรวดเร็วขึ้นโดยให้วัตถุที่ต้องการวัดนี้เคลื่อนที่ผ่านหัววัดอย่างสม ่าเสมอตามเกณฑ์ของหัววัดตามที่ตั้งไว้ แล้วต่อไปยังเคร่ืองมือบอกสัญญาณเมื่อวัตถุมีขนาดผิดปกติก็จะมีสัญญาณเตือน

4. การใช้กัมมันตภาพรังสีตรวจอายุของวัตถุโบราณ เป็นที่ทราบกันแล้วว่าการเปลี่ยนแปลงทางฟิสิกส์หรือเคมีไม่ท า ให้การสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีเปลี่ยนแปลงกระบวนการดังนั้น การสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีสามารถที่จะบอกเวลาได้ เช่น ถ้าต้องการทราบอายุของซากดึกด า บรรพ์(Fossil) หรือหินแร่ต่างๆ เราก็วัดกัมมันตภาพรังสีที่อยู่ในซากดึกด า บรรพ์หรือหินแร่นั้น แล้วน า ไปค านวณหาอายุ

ซึ่งสารกัมมันตภาพรังสีที่นิยมใช้ค านวณหาอายุของซากดึกด า บรรพ์ เช่น C146 , H31 และ K4019

5.การใช้กัมมันตภาพรังสีในการถนอมอาหาร การใช้กัมมันตภาพรังสีในที่นี้เพื่อที่จะท า ให้อาหารเก็บไว้ได้นาน โดยที่กัมมันตภาพรังสีไปท า ลายหรือท า ให้จุลินทรีย์ที่ท า ให้อาหารเสียไม่เจริญเติบโต ในปัจจุบันการถนอมอาหารโดยใช้กัมมันตภาพรังสีนั้น มีอยู่ด้วยกัน 2 วิธี คือ 5.1ใช้กัมมันตภาพรังสีที่มีโดสสูงๆ ถนอมอาหารให้เก็บรักษาไว้ได้นาน โดยไม่ต้องเก็บไว้ในเคร่ืองท า ความเย็น 5.2ใช้กัมมันตภาพรังสีที่มีโดสต ่าๆ เพื่อที่จะฆ่าเชื้อโรคและสามารถถนอมอาหารให้อยู่ในระยะเวลาอันสมควร การใช้พลงังานนิวเคลียร์ พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในปัจจุบัน มี 2 ลักษณะ คือ 1. พลงังานจากกระบวนการฟิชชัน

เมื่อนิวเคลียสของธาตุหนักเกิดฟิชชันจะคายพลังงานออกมาประมาณ 200 MeV ต่อฟิชชัน มีผลท า ให้ชิ้นส่วนของฟิชชันได้รับพลังงานในูปของพลังงานจลน์ท า ให้ชิ้นส่วนของฟิชชันเคลื่อนที่ไปกระทบกับอะตอมอ่ืนๆ แล้วคายพลังงานออกมาในรูปของความร้อน เมื่อเราควบคุมการเกิดฟิชชันให้ ด า เนินไปอย่างต่อเน่ืองภายในเคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เราจะสามารถน า เอาพลังงานความร้อนนี้ไปใช้ประโยชน์ได้ เช่น ในเคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส า หรับการผลิตกระแสไฟฟ้า เราน า ความร้อนจาก เคร่ืองปฏิกรณ์ไปท าให้น ้าเดือดเป็นไอ แล้วไอน ้าจะไปหมุนกังหัน ไอน ้าซึ่งต่อกับเคร่ืองก าเนิดไฟฟ้า ท า ให้ได้กระแสไฟฟ้าไปใช้งาน 2. พลงังานจากกระบวนการฟิวชัน การใช้พลังงานที่ได้จากซากดึกด า บรรพ์ก า ลังจะหมดไปในไม่ช้านี้เพราะว่าเชื้อเพลิงจากซาก ดึกด าบรรพ์มีจ านวนจ ากัด และพลของการใช้เชื้อเพลิงก่อให้เกิดมลภาวะ นอกจากนี้ เรายังไม่สามารถน า กลับมาหมุนเวียนใช้ได้อีก จึงพิจารณาเห็นว่าในอนาคตอันใกล้นี้พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันมีแนวโน้มค่อนข้างสูงที่จะทดแทนพลังงานที่ได้จากซากดึกด า บรรพ์และจะต้องมีระยะเวลาช่วงหนึ่งที่จะต้องใช้เคร่ืองปฏิกรณ์บรีเดอร์(Breeder reactor)แทน อย่างไรก็ตามเคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์นี้ก็ก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสีขึ้นมามาก จึงมีผลท า ให้เกิดมลภาวะเช่นกัน

แบบฝึกหัด ค าช้ีแจง ให้ตอบค าถามต่อไปนี้ 1. เหตุผลใดที่ แชดวิกเชื่อว่านิวตรอนเป็นอนุภาค

1. เพราะไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ 2. ท าให้อากาศแตกตัวเป็นไอออน 3. อธิบายได้ด้วยกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม 4. เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

2. ธาตุกัมมันตรังสี X สลายเป็นธาตุ Y ดังสมการ 223592 YX ข้อใดถูกต้อง

1. ธาต ุY มีโปรตอน 93 2. ธาต ุY มีนิวตรอน 143 3. ธาต ุY มีนิวคลีออน 235 4. ธาต ุY มีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1

เฉลย คือ อิเล็กตรอนหรือ e01 สมการจะสมดุลเมื่อธาตุ Y มีโปรตอน 94 และนิวคลีออน 235 3. ธาตุกัมมันตรังสีชนิดหน่ึงมีกัมมันตภาพ A เมื่อปล่อยให้มีการสลายจนจ านวนนิวเคลียสเหลือคร่ึงหนึ่งของค่าเดิม ขณะนั้นกัมมันตภาพมีค่าเท่าใด

1. A 2. 2A

3. 4A

4. 2A

เฉลย จาก NA ดังนั้นเมื่อจ านวนนิวเคลียสลดลงเหลือ 2N

กัมมันตภาพจะมีค่า 2A

4. จงเรียงอ านาจทะลุทะลวงของรังสี , รังสี , รังสี ตามล าดับจากน้อยไปหามาก 1. รังสี , รังสี , รังสี 2. รังสี , รังสี , รังสี 3. รังสี , รังสี , รังสี 4. รังสี , รังสี , รังสี 5. ธาตุบิสมัธกัมมันตภาพรังสีมีเวลาครึ่งชีวิต 5 วัน ถ้ามีสารน้ีอยู่ 1 กรัม หลังจากเก็บไว้ 15 วัน จะเหลือบิสมัธเท่าไร 1. 0.025 กรัม 2. 0.125 กรมั 2. 0.225 กรัม 4. 0.325 กรัม

เฉลย จาก

gN

eNN Tt

125081

21

1

21

515

1

0

.

)(

6. การศึกษาธาตุกัมมันตรังสี X และY ผู้ทดลองน าธาตุทั้งสองมาอย่างละ 400 มิลลิกรัม หลังจากเวลา ผ่านไป 6 เดือน เขาพบว่า ธาต ุX เหลือ 25 มิลลิกรัม ส่วนธาตุ Y เหลือ 200 มิลลิกรัม ข้อความใด ต่อไปนี้ถูกต้อง

1. คร่ึงชีวิตของธาตุ Y เป็นสองเท่าของคร่ึงชีวิตของธาตุ X

2. คร่ึงชีวิตของธาตุ Y เป็นสี่เท่าของคร่ึงชีวิตของธาตุ X

3. คร่ึงชีวิตของธาตุ Y เป็นแปดเท่าของคร่ึงชีวิตของธาตุ X

4. ระบุไม่ได้ ถ้าไมท่ราบช่วงเวลาที่แน่นอน

เฉลย

7. มวลอะตอมของธาตุ LiH 73

11 , และ He4

2 คือ 1.0080 amu , 7.016 amu และ 4.0026 amu

(1 amu = 931 MeV) จงหาพลังงานในหน่วย MeV (เลขนัยส าคัญ 3 ตัว) ที่จะปลดปล่อยออกเนื่องจาก

ปฏิกิริยาต่อไปนี้ HeHeLiH 42

42

73

11

1. 15.503 MeV 2. 16.503 MeV 3. 17.503 MeV 4. 18.503 MeV

เฉลย umaกอ่นM ..... 0248016700801

umaหลงัM ..... 005280026400264

503179310188001880024800528 .))(.(..... umam

8. ถ้ากราฟระหว่างจ านวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย ( N0 ) ของสารกัมมันตรังสีตัวอย่างชนิดหน่ึงกับเวลา (t ) เป็นดังรูป

กราฟระหว่างจ านวนนิวเคลียสที่เกิดใหม่ ( N ) กับเวลา (t ) จะเป็นดังรูปใด

1. 2. 3. 4.

9. ในการทดลองเพื่อหาโครงสร้างของอะตอมรัทเธอร์ฟอร์ด สรุปผลจากการที่อนุภาคอัลฟาเกือบทั้งหมด

ทะลุทะลวงแผ่นทองค าบาง ๆ ที่มีอะตอมของทองซ้อนกันอยู่ถึงประมาณ 400 อะตอม ไปได้อย่างสะดวก

เน้ือที่ส่วนใหญ่ภายในอะตอมประกอบด้วยอะไรบ้าง

1. ที่ว่างเปล่า 2. โปรตอนและนิวตรอน

3. นิวตรอนและอิเล็กตรอน 4. อนุภาคที่มีประจุ

10. อะตอมหนึ่งของ ถูกยิงด้วยนิวตรอนช้า แล้วแยกตัวออกเป็น 1 อะตอมและ 1 อะตอม

จงหาว่าจะมีอนุภาคใดเกิดขึ้นจากปฏิกิริยานี้ จะมีกี่อนุภาค

1. 2 อนภุาค 2. 3 อนุภาค

3. 4 อนภุาค 4. 5 อนุภาค

เฉลย XSrXUn AZ 94

3813954

23592

10

A = (235+1) – (139+94) = 3 และ Z = (0+92) - (54+38) = 0

11. จงหาเลขอะตอมของนิวเคลียสหนึ่งซึ่งประกอบด้วยจ านวนโปรตอนเท่ากับจ านวนนิวตรอนและ

นิวเคลียสนี้มีรัศมีเป็น 32

เท่าของนิวเคลียสของ Al2713

1. 2 2. 4 3. 8 4. 9

เฉลย 31

0Arr จะได้ 31

Al

x

Al

x

AA

rr

31

2732

xA

12. จากปฏิกิริยาการรวมของนุภาคโพสิตรอนพลังงาน 0.4 MeV และอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ า

มาก ๆ ปรากฏว่าเกิดรังสีแกมมาที่มีพลังงานเท่ากัน 2 ตัว พลังงานของรังสีแกมมาแต่ละตัวมีค่าเท่าใด

(มวลของ อิเล็กตรอน 0.00055 u )

1. 0.21 MeV 2. 0.31 MeV 3. 0.51 MeV 4. 0.71 MeV

13. ถ้าผลต่างของมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยานิวเคลียร์ปฏิกิริยาหนึ่ง มีค่าเป็นลบ แสดงว่า

ปฏิกิริยานั้น

1. สามารถเกิดขึ้นได้เอง

2. ไม่สามารถเกิดขึ้นได้โดยเด็ดขาด

3. เป็นปฏิกิริยาที่ปลดปล่อยพลังงานออกมา

4. อาจเกิดขึ้นได้หากได้รับพลังงานภายนอก

14. ไอโอดีน -131 มีค่าคงตัวของการสลายเท่ากับ 0.087 ต่อวัน ถ้ามีไอโอดีน -131 อยู่ 10 กรัม ตอนเร่ิมต้น

เมื่อเวลาผ่านไป 24 วัน จะมีไอโอดีน -131 เหลืออยู่เท่าไร (ก าหนดให้ ln 2 = 0.693)

1. 0.63 กรัม 2. 1.25 กรัม 3. 2.50 กรัม 4. 5 กรัม

15. ธาตุเมื่อมีการสลายให้รังสีแอลฟา การเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสเป็นอย่างไร

1. จ านวนโปรตอนลดลง 2 นิวตรอนลดลง 2

2. จ านวนโปรตอนลดลง 2 อิเล็กตรอนลดลง 2

3. จ านวนโปรตอนลดลง 4 นิวตรอนลดลง 2

4. จ านวนโปรตอนลดลง 2 นิวตรอนลดลง 4