บทที่ 11

นิวเคลียสและพลังงานนิวเคลียร

ตอนที่ 11.1 นวิเคลียส

ตอนที่ 11.2 การสลายตัวของสารกัมมนัตรังสี

ตอนที่ 11.3 พลังงานนิวเคลียร

รูปภาพสวนใหญนาํมาจาก http://www.particleadventure.org/

www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/ clefs45gb/clefs4503a.htm

ตอนที่ 11.1 นวิเคลียส

1. การคนพบนิวเคลียส

2. สมบัติของนิวเคลียส

1. การคนพบนิวเคลียส

http://en.wikipedia.org/wiki/Plum_pudding_model

Thomson’s ModelJ.J.Thomson

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

1

http://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay

กระดาษ

แผนอะลูมิเนียม

ตะกั่ว

ความสามารถในการทะลุทะลวงของรังสีตางๆ

รังสี α

รังสี β

รังสี γ

นิวเคลียสของ ฮีเลี่ยม

อิเล็กตรอน พลังงานสูง

โฟตอน พลังงานสูง

?

?

?

αγβ

การเคลื่อนที่ของ รังสีเบตา รังสีแกมมา และรังสีอัลฟา ภายใตสนามไฟฟา

การมองเห็นของมนุษย

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

2

การทดลองของรัทเทอรฟอรด

http://www.chemsoc.org/timeline/pages/1911.html

4 2+2 He

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Rutherford_gold_foil_experiment_results.svg

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

3

http://www.chemsoc.org/timeline/pages/1911.html

http://chemmovies.unl.edu/Chemistry/dochem/DoChemJPGs/DC034Labelled.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleus

นิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกจะอยูตรงกลางของอะตอม

และมีขนาดเล็กกวาอะตอมประมาณ 104 เทา

helium atom

ในอะตอม

เนือ้ที่เกือบทั้งหมดคือที่วาง

1Fermi =10-15 เมตร

2. สมบัติของนิวเคลียส

p

n

นิวเคลียส

นิวคลีออน

โปรตอน

นิวตรอน

เพื่อความสะดวกในการอธิบายสมบัติของนิวเคลียส AZ X

เลขอะตอม

เลขมวล

ZA

จํานวน โปรตอน ในนวิเคลียส

จํานวน นิวคลีออน ในนิวเคลียส

N เลขนวิตรอน จํานวน นิวตรอน ในนวิเคลียส

A=Z+N

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

4

สมบัติของนิวเคลียส

นิวไคลด

ไอโซโทป

ประจุและมวล

ขนาดของนิวเคลียส

เสถียรภาพ

พลังงานยึดเหนี่ยว

ระดับพลังงานของนิวเคลียส

นิวไคลด

ใชคําวานิว ไคลด (nuclide) เพื่อแทนนิวเคลียสชนิดตางๆ

AZ X สัญลักษณทางเคมีของธาตุ

เลขอะตอมZ

เลขมวลAX

ธาตเุหล็ก ซึ่งมีเลขมวลเปน 56 และเลขอะตอมเปน 26

AZ X

ตัวอยาง

5626 Fe มีโปรตอน 26 ตวั

มีนิวตรอน 30 ตวั

ไอโซโทป

นิวเคลียสของอะตอมที่มีจํานวนโปรตอนเทากนัแตมจีํานวนนิวตรอน

เปนไอโซโทป (isotope) ซึ่งกันและกนั

เชน12

6C 136C

146C11

6C

98.9%พบในธรรมชาติ 1.1%

ผลิตขึ้นได

ในหองทดลอง

ประจุและมวล

191.6 10 C−×โปรตอนมีประจุเปนบวก และมีขนาด

นิวตรอนไมมีประจุ (เปนกลางทางไฟฟา)

โปรตอน และ นิวตรอน

มีมวลเกอืบเทากัน

มวลของอิเล็กตรอน

มวลของโปรตอน

มวลของนิวตรอน

= 0.000549 u

= 1.007276 u

= 1.007276 u

หรือเทากับ kg 10 660559.1 27−×

121 u 1 =มวล เทาของมวลของ 12

6C

MeV 932.5 u 1 =หรือ

p em 1836m≈

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

5

ขนาดของนิวเคลียส

13

0r r A=

นิวเคลียสมีลักษณะเปนทรงกลมที่มีรัศมีเฉลี่ย มีคา r

150 1.2 10 mr −= × =1.2 fm 15(1 fm 10 m)−=

คือเลขมวลA

เสถียรภาพ

นิวเคลียส

ทําไมยังยึดตดิกนัได

p p

เปนแรงผลักกนัทางไฟฟา

Au19779 มีโปรตอน 79 ตัว

เชน

ตองมีแรงดึงดูดที่มีขนาดแรงกวา

แรงทางไฟฟา(แรงคูลอมป)

เปนแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นระหวางนิวคลีออน

มีผลเฉพาะนิวคลีออนอยูใกลกันเทานัน้

นั่นคือมีระยะของแรงสั้นมาก

20

10080604020

100

80

60

40

0 140120

จํานวนนิวตรอน N

จํานวน

โปรต

อน Z

N = Z

นิวเคลียสจะมีเสถียรภาพหรือไมกข็ึ้นอยูกับขนาดของแรงทั้งสองชนิด

นิวเคลียสซึ่งไมเสถียรจะสลายตัวโดยปลดปลอยรังสีออกมา

ธาตุทีม่ีขนาดเบา

นิวเคลียสที่มีเสถียรภาพ

จะอยูบนเสนที่มี ZN =

สําหรับธาตหุนักเมื่อนิวเคลียสมีจํานวนนิวตรอนมากกวาจํานวนโปรตอน

นิวเคลียสของธาตนุัน้ก็จะมเีสถียรภาพเชนเดยีวกัน เชน Au19779

พลังงานยึดเหนี่ยว

คือพลังงานที่ยึดองคประกอบของนิวเคลียสไวดวยกัน

หาไดจากความสัมพันธระหวางมวลกับพลังงานของไอนสไตน

2E mc= Δคือมวลพรอง (mass difference)mΔ

c คือความเร็วของแสง

มวลของนิวเคลียสจะนอยกวามวลรวมขององคประกอบของมัน

จึงเกดิมวลพรองหรือมวลแตกตาง

พลังงานยึดเหนี่ยว จะมีคาเทากบัพลังงานที่ตองการแยกองคประกอบ

ของนิวเคลียสออกจากกนั

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

6

กราฟของพลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออน

ของนิวเคลียสชนิดตางๆ

2

0

9

8

6

4

40 16012080 200

2H

31P16O

12C7Li4He

56Fe157Gd

81Br 120Sn239Pu

227Ac197Au

}บริเวณที่เสถียรที่สุด

FissionFusion

เลขมวล (mass number) , A

พลังงานยึด

เหนี่ยวตอ

นิวค

ลีออน

(MeV

)

พลังงานยึดเหนี่ยวตอนิวคลีออน

จะเพิ่มขึ้นเมื่อเลขมวลสูงขึ้น

มีคาสูงสุดเมื่อเลขมวลมีคา

ประมาณเทากับ 60

พลังงานยึดเหนี่ยว

ตอนิวคลีออนจะลดลง

เมื่อเลขมวลสูงขึ้น

ระดับพลังงานของนิวเคลียส

เมื่อนวิเคลียสเปลี่ยนระดับพลังงานจากระดับสูงสู

ระดับต่าํกวานิวเคลียสจะปลดปลอยคลื่นแมเหล็กไฟฟา

ที่มีพลังงานสูงมาก เรียกวารังสีแกมมา

แตจะมีขนาดสูงกวามากอยูในระดบัลานอเิล็กตรอนโวลต

ระดับพลังงานของนิวเคลียสมีลักษณะคลายกับ

ระดับพลังงานของอะตอมคือหางกันเปนชวงๆ

3

2

1

0

พลังงาน

(MeV

)

28Al

บทที่ 11

นิวเคลียสและพลังงานนิวเคลียร

ตอนที่ 11.1 นวิเคลียส

ตอนที่ 11.2 การสลายตัวของสารกัมมนัตรังสี

ตอนที่ 11.3 พลังงานนิวเคลียร

รูปภาพสวนใหญนาํมาจาก http://www.particleadventure.org/

www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/ clefs45gb/clefs4503a.htm

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

7

ตอนที่ 11.2 พลังงานนิวเคลียร

1. คาคงตัวของการสลายตัวและเวลาครึง่ชีวิต

2. ขบวนการของการสลายตัว

3. การวดัปรมิาณรังสี

คาคงตัวของการสลายตัวและเวลาครึ่งชีวิต

• การสลายตวัของสารกัมมันตรังสี

dN Ndt

λ− =

มีอัตราการสลายตัว เปนปฏภิาคโดยตรงกับจํานวนนิวเคลียส N

คือ คาคงตัวของการสลายตัว (decay constant)λ

การลดลงของนิวเคลียส

0tN N e λ−=สมการของการสลายตวัของสารกัมมันตรังสี

คือจํานวนนิวเคลียสที่เวลา 0N 0t =

0tN N e λ−=สมการของการสลายตวัของสารกัมมันตรังสี

0tdN N e

dtλλ −− =

dN Rdt

− =ถาใหอัตราการสลายตวั

0 tR R e λ−=สมการของอตัราการสลายตวั

คืออัตราการสลายตัวที่เวลา 0R 0t =

คาอัตราการสลายตัวนี้มกันิยมเรียกวากมัมันตภาพ (activity)

ของสารกัมมันตรังสี หมายถึงจํานวนนิวเคลียสที่สลายตวัใน

หนึ่งวินาที มีหนวยเปนคูรี (curie, Ci)

กัมมันตภาพ 1 คูรี มีคาเทากับอัตราการสลายตวั ตัว/วินาที 103.70 10×

ระบบ SI คือ แบ็กเกอแรล (becquerel, Bq)

1 Bq คืออัตราการสลายตัว 1 ตัว/วินาที

101 Ci 3.70 10 Bq= ×

• เวลาครึ่งชีวิต (half-life)

เวลาที่สารกัมมันตรังสีสลายตวัไปเหลือครึ่งหนึ่งของจํานวนเริ่มตน

คือเวลาครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสี τอัตราการสลายตวัในขณะนัน้จะเปน 0

2RR =

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

8

2 0.693nτλ λ

= =

0 tR R e λ−=สมการของอตัราการสลายตวั

อัตราการสลายตวัในขณะนัน้จะเปน 0

2RR =

2O

OR R e λτ−=

ขบวนการของการสลายตัว

การสลายตวัใหอนุภาคแอลฟา

การสลายตวัใหอนุภาคบีตา

การสลายตวัใหแกมมา

การสลายตวัใหอนุภาคแอลฟา นิวเคลียสของฮีเลีย่ม

ตัวอยาง การสลายตวัของ เปนไปตามสมการ 238 U238 234 492 90 2U Th + He Q = 4.25 MeV →

คือคาพลังงานปลดปลอย (energy liberated) ในการสลายตวั Qหาไดจากคามวลพรองของนิวเคลียสในทางซายและทางขวาของสมการ

238 234 492 90 2U Th + He →

ตัวอยาง

u 238.05079 U238u 4.00260 He4

u 234.04363h T 234

u 237.05121 Pa 237

จงคํานวณหาพลังงานปลดปลอยจากปฏกิิริยาการสลายตวั

เมื่อ

มวลอะตอมรวมหลังปฏิกิริยาคือผลรวมของมวลของ และ 4 He234Th234.04363 u + 4.00260 u = 238.04623 u

ดังนัน้ มวลพรอง

Δm = 238.05079 u 238.04623 u = 0.00456 u−2Q = Δmc = (0.00450 u) (932 MeV/u)=4.25 MeV

อยูในรูปพลังงานจลนของอนภุาคแอลฟา และ หลังปฏิกิริยา 234Th

วิธีทํา

จงแสดงวา ไมสามารถสลายตัวดวยตัวเองใหอนุภาคโปรตอน 238 Uตัวอยาง

u 1.00783 H1เมื่อ มีมวล และ มีมวล

มวลกอนการสลายตัว

วิธีทํา

มวลหลังการสลายตัว

u 238.05079 =

238 238.05079 uU

เนือ่งจากมวลหลังการสลายตวัสูงกวามวลกอนการสลายตวั

237.0521u 1.00780 u 238.05904 u+ =

จะไมสลายตัวใหอนุภาคโปรตอน238 U

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

9

การสลายตวัใหอนุภาคบีตา

นิวเคลียสที่สลายตัวโดยการปลดปลอยอนุภาคอเิล็กตรอนหรือ

อนุภาคโพซิตรอน (อนุภาคประจุไฟฟาบวกมีมวลเทากับอนภุาคอิเล็กตรอน)

เชน 32 32P S +e + ν−→ ( 14.3 τ = )วัน

64 64Cu Ni +e + ν+→ ( 12.7 τ = )ชม.

คือ อนุภาคนิวตริโน (nutrino) เปนอนภุาคที่ไมมีมวลเปนกลางทาง

ไฟฟา ซึ่งจะถูกปลดปลอยออกมาพรอมกับอนภุาคบีตา

ν

อิเล็กตรอน และโพซิตรอน มาจากไหน ????

นิวเคลียส

นิวตรอนแปลงตัวเองเปนอนภุาคโปรตอน

n p e ν−→ + +

อนุภาคโปรตอนแปลงตัวเองเปนอนุภาคนิวตรอน

อิเล็กตรอน

n p e ν+→ + +

โพซิตรอน

อนุภาคโปรตอนและอนภุาคนวิตรอนไมใชอนุภาคพื้นฐาน

พลังงานที่ถูกปลดปลอย จากการสลายตัว จะถูกแบงสวนกนั

ระหวางอนภุาคบีตาและอนุภาคนิวตริโน

0.40.20 0.6พลังงานจลน (MeV)

Ek,max

จํานวน

โพซิตรอน

การกระจายคาพลังงานจลนของอนุภาคโพซิตรอนในการ สลายตัวของ 64Cu64 64Cu Ni +e + ν+→

จงคํานวณหาคาพลังงานปลดปลอย Q ของการสลายตัวให อนุภาค

บีตาของ 32P เมื่อคามวลอะตอมของ 32P เทากับ 31.97391 u ของ 32S เทากับ 31.97207 u

ตัวอยาง

32 32 015 16 -1P S+ e +ν→

วิธีทําจากสมการการสลายตวั

มวลอะตอมคือ 0) m u (31.97207u) (31.97391 e ++→

มวลพรองคือ มวลนิวเคลียส (มวลนิวเคลียส )mΔ = − P32e

32 m S +

(มวลนิวเคลียส ) (มวลนิวเคลียส )32eP+15m 32

eS+16 mmΔ = −

(มวลอะตอม ) (มวลอะตอม )32 P 32eS+16 mmΔ = −

)u 31.97207 u (31.97391 −= u 0.00184 =

MeV 1.71 MeV/u) u)(932 (0.00184 mc Q 2 ==Δ=

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

10

การสลายตวัใหแกมมา ใหอนภุาคแอลฟา

ใหอนภุาคบีตา

นิวเคลียสที่สลายตัว

อาจจะอยูในสถานะกระตุน

(excited state)

การสลายตวั

สถานะพื้น (ground state)

อนุภาคโฟตอนในรูปของรังสีแกมมา

γ+→ C C 126

*126

e C B 01

*126

125 −+→ตัวอยาง

การวัดปริมาณรังสี

รังสีแกมมา และอนุภาคแอลฟา ลวนเปนรังสีที่ทําใหเกิดการแตกตัว

(ionization) ในเซลของสิ่งมีชีวิตทั้งสิ้น

การวัดปริมาณรังสีชนิด ionizing radiation นิยมใช 4 ระบบหนวย

หนวยคูรี(curie, Ci)

หนวยเรินตเกน (röntgen, R)

หนวยแร็ด( rad)

หนวยเรม(rem)

เปนหนวยที่บอกถึงความสามารถในการถายทอดพลังงานของ

สารรังสีเมื่อปลอยรังสีตกกระทบกับวัตถุ โดย 1 R = พลังงานที่

ถายทอดขนาด 8.78 mJ ใหกับอากาศแหงที่มีมวล 1 kg ที่ความ

ดันปกติ

หนวยคูรี(curie, Ci)

หนวยเรินตเกน (röntgen, R)

เปนหนวยที่บอกถึงกัมมันตภาพหรือความแรงของสารรังสี โดย

ตัว/วินาที101Ci 3.7 10= ×

หนวยแร็ด( rad) radiation absorbed dose

หนวยเรม(rem) röntgen equivalent in man

เปนหนวยที่บอกถึงความสามารถในการดูดกลนืรังสีของวัตถุ

โดย 1 rad หมายถึงพลังงานที่ดดูกลืนรังสีโดยวัตถุจํานวน 10 mJ/kg

เปนหนวยวัดปริมาณรังสีดูดกลืนเปรียบเทียบโดย

(สําหรับรังสีเอกซและอเิล็กตรอน แตสําหรับนิวตรอนพลังงาน

ต่าํ )

rem rad RBE= ×

RBE=1RBE 5≈

RBE : Relative Biological Effectiveness

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

11

Absorbed doseequivalent

(rem)

Activity(curie)

Absorbed doseequivalent

(rad)

Exposure(röntgen )

หนวยวัดปริมาณรังสีชนิดตางๆ

บทที่ 11

นิวเคลียสและพลังงานนิวเคลียร

ตอนที่ 11.1 นวิเคลียส

ตอนที่ 11.2 การสลายตัวของสารกัมมนัตรังสี

ตอนที่ 11.3 พลังงานนิวเคลียร

รูปภาพสวนใหญนาํมาจาก http://www.particleadventure.org/

www.cea.fr/gb/publications/Clefs45/ clefs45gb/clefs4503a.htm

Nuclear power plant in Cattenom, France

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Nuclear_Power_Plant_Cattenom.jpg

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

12

รูปแบบมวลสาร ขบวนการ เวลา

น้ํา

ถานหิน

ดิวเทอเรียม

matter และ antimatter

น้ําตกสูง 50 เมตร

เผา

แตกตัวในเตาปฏิกรณ

แตกตัวสมบูรณ

หลอมตัวสมบูรณ

การประลัยอยางสมบูรณ

5 นาที

8 ชั่วโมง

690 ป

ป

ป

ป

410 3 ×

410 3 ×

710 3 ×

UO2 3%)(235 U

แสดงการเปรียบเทียบพลังงานที่ไดจากการสกัดสารซึ่งมีมวล 1 kgโดยไมกําหนด

อยูในหนวยพลังงาน แตจะอยูในหนวยของชวงเวลาการใชพลังงานของหลอดไฟ

ขนาด 100 วัตต

ตอนที่ 11.3 พลังงานนิวเคลียร

1. ปฏิกิริยาแบงแยกตัว

2. เตาปฏิกรณปรมาณู

3. ปฏิกิริยาหลอมตัว

4. เตาปฏิกรณชนิดเทอรโมนิวเคลียรฟวชัน

ปฏิกิริยาแบงแยกตัว (fission reaction)

ปฏิกิริยาลูกโซ (chain reaction)

ปฏิกิริยาแบงแยกตัวที่เกดิขึ้นเมื่อนิวเคลียสของธาตุ 235U ดูดกลืนนิวตรอน

แลวแตกตัวเปน 92Kr, 141Ba และ 3n

235 236 * 140 94U + n U Xe + Sr + 2n→ →

ตัวอยางหนึ่งของปฏิกิริยาแบงแยกตัว

Ce La Ba Cs Xe 140140140140140 →→→→

Zr Y Sr 949494 →→

τ 14 s 64 s 13 d 40 h เสถียร

z 54 55 56 57 58

140 Xe ไมมีเสถียรภาพ

94Sr ไมมีเสถียรภาพ

τ 75 s 19 min เสถียร

Z 38 39 40

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

13

235 236 * 140 94U + n U Xe + Sr + 2n→ →ปฏิกิริยาแบงแยกตัวดังกลาวจะเกิดขึ้นไดตอเมื่อนิวตรอนที่ถูกดูดกลืนนั้น

ตองเปนนิวตรอนพลังงานต่ํา หรือมีชื่อเรียกวานิวตรอนอุณหภาพ (thermal neutron) (มีพลังงานจลนเฉลี่ย )eV 0.04

ในกรณีที่เปนนิวตรอนพลังงานสูง (มีพลังงานจลนสูงกวา 1.3 MeV)จะมี 238U และ 243Am ที่สามารถทําใหเกิดปฏิกิริยาการแบงแยกตัวได

เตาปฏิกรณปรมาณู

เตาปฏิกรณปรมาณู เปนอปุกรณที่สามารถทําใหเกิดปฏิกิริยาลูกโซ

ควบคุมไดไมมีการควบคุม

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระเบิดปรมาณูปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเตาปฏิกรณ

ปรมาณู สามารถนํามาใชในทางสันติ

ปฏิกิริยาลูกโซนี้จะเปนปฏกิิริยาที่เกิดขึ้นอยางรวดเร็ว

ใชในการผลิตกระแสไฟฟา

เตาปฏิกรณปรมาณูมีหลายชนิดขึ้นอยูกับชนิดของเชื้อเพลิงและวัสดุลดทอน

พลังงานที่ใช

เชน เตาปฏิกรณปรมาณูชนิด Pressurized - Water Reactor (PWR)จะใช เปนเชื้อเพลงิ และใชน้ํา ( ) เปนวัสดุลดทอนพลังงาน ในเตาปฏิกรณปรมาณูชนิดนี้ ความเขมขนของ ตองมีคาอยางนอย 3%

U2352H O

235 U

Turbineเครื่องกําเนิด

ไฟฟา

แกนเตา

ปฏิกรณ

Secondary loopPrimary loop

Steamgenerater

ไอน้ํา(ความดันสูง)

น้ํา(ความดันต่ํา)

ไอน้ํา(ความดันต่ํา)

น้ํา(ความดันสูง)

น้ํา(รอน)

น้ํา(เย็น)

ปมป

ปมปเตาปฏิกรณ

แบบความดัน

ไฟฟา

ตัวทําความเย็น

(เขา)

ตัวทําความเย็น

(ออก)

Steamcondenser

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

14

ปฏิกิริยาหลอมตัว (nuclear fusion)

เปนปฏิกิริยาที่นิวเคลียสเบาสองตัวหลอมรวมกันกลายเปนนิวเคลียสชนิดใหม

พรอมกับปลดปลอยพลังงานออกมา

แรงดึงดูดจากแรงนิวเคลียรมีคามากกวาแรงผลักซึ่งเกิดจากแรงคูลอมบ

นิวเคลยีสสองตัวดังกลาวเคลื่อนที่เขาใกลกันมาก

ทําใหอุณหภูมิของสารที่มีนิวเคลียสเบามีคาสูงมากพอที่จะทําใหนิวเคลยีส

เกิดการเคลื่อนที่เจาะทะลุกําแพงพลังงานศักยที่เกิดจากแรงผลักคูลอมบได เราเรียกกระบวนการเชนนี้วา thermonuclear fusion

ความสัมพันธระหวางอุณหภูมิและคาพลังงานจลนของนิวเคลียส Tk K B=

คือคาคงตัวของโบลตซมันน (Boltzmann’s constant) Bk

ในกรณีของอุณหภูมิหอง K= 0.03 eVแรงผลักคูลอมบซึ่งเกิดจากดิวเทอรอนสองตัวที่เคลื่อนที่เขาใกลกัน 200 keV

ไมมีโอกาสเกิดปฏิกิริยาหลอมตัวภายใตอุณหภูมิของหอง

จุดศูนยกลางของดวงอาทิตยซึ่งมีอุณหภูมิ K10 5.1 7× K=1.3keV

วัฏจักร p-p ซึ่งอนุภาคโปรตอนถูกหลอมตัวเปนอนุภาคแอลฟาและให

พลังงาน 26.7 MeV ทุกครั้งที่มีการหลอมตัว

1 1 2 0 42

1 02

H H H e Q MeV

e e Q MeV

+ → + + =

+ → + =

+

+ −

ν

γ γ

( . )

( . )

1 1 2 0 42

1 02

H H H e Q MeV)

e e Q MeV)

+ → + + =

+ → + =

+

+ −

ν

γ γ

( .

( .

2 1 3 5 4H H He Q MeV+ → + =γ ( . ) 2 1 3 5 4H H He Q MeV+ → + =γ ( . )

3 3 4 1 1 12 86He He He H H Q MeV+ → + + =( . )

เขียนสมการในภาพรวมไดเปน 1 - 44 H+2e He+2ν+6γ→

ใชเวลา 105 ป

1 1 2 +H+ H H+e +ν→

แตบนดวงอาทิตยการหลอมตัวใหอนุภาคดิวเทอรอนก็เกิดขึ้นในอัตรา s/kg10 12

เกิดการหลอมตัวกันเปน อนุภาคดิวเทอรอน ในทุกๆ หนึ่งครั้งจาก1026 ครั้งของการชนกันของอนุภาคโปรตอน

2 H

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

15

γ+ν+→+ − 6 2 He e2 H4 41

การคํานวณพลังงานปลดปลอย

γ+ν++→+ −− 6 2 )e2 He( )e4 H4( 41

[ ] [ ]2 (4)(1.007825 ) 4.002603 932MeVQ mc u u= Δ = −

MeV 7.26 =

เมื่อรวมคา Q ในแตละขั้นตอนการหลอมตัวในวัฏจักร p-p จะไดผลลัพธเทากับ 26.7 MeV

Q (2)(0.42 MeV) (2)(1.02 MeV) (2)(5.49 MeV) 12.86 MeV= + + +

MeV 26.7 =

เตาปฏิกรณชนิดเทอรโมนิวเคลียรฟวชัน

วัฎจักร p-p ที่เกิดขึ้นไดในดวงอาทิตยนั้นไมสามารถเกิดขึ้นไดบนโลก ขบวนการชาเกินไปและบนโลกไมมีโปรตอนจํานวนมากพอที่จะทําใหเกิดปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาหลอมตัวที่เปนไปไดบนโลกคือ ปฏิกิริยา deuteron-deuteron (d-d)

ปฏิกิริยา d-d :

ปฏิกิริยา d-d :

ปฏิกิริยา d-t :

n HeH H 322 +→+ MeV 3.27 Q +=

H H H H 1322 +→+ MeV 4.03 Q +=

n He H H 432 +→+ MeV 17.59 Q +=

ปจจัยสําคัญในการสรางเตาปฏิกรณแบบหลอมตัวใหประสบผลสําเร็จ

• ความหนาแนนอนภุาคเชื้อเพลิง (n) ความหนาแนนของอนุภาคดิวเทอรอนตองมีมากพอ เพื่อใหแนใจวาปฏิกิริยา d - d ที่เกิดจากการชนกันของ

อนุภาคมีมากพอ

•ที่อุณหภูมิสูงธาตุดิวเทอเรียมจะแตกตัวออกเปนอนภุาคดิวเทอรอน และอนุภาคอิเล็กตรอน ประกอบตัวกันเปนพลาสมา(plasma)ที่อุณหภูมิสูง และตองสูงพอเพื่อทําใหอนุภาคดิวเทอรอนที่วิ่งเขาชนกันสามารถที่จะเจาะทะลุ

พลังงานศักยคูลอมบที่พยายามผลักอนุภาคทั้งสองออกจากกัน

• ชวงเวลากักกันที่ยาวนานเพียงพอ ( ) การรักษาสภาพของพลาสมาใหยาวนานพอที่จะทําใหอุณหภูมิ และคาความหนาแนนอนุภาคสูงพอและคงคาอยูไดจนกระทั่งเกิดการหลอมตัวของอนุภาค

τ

เงื่อนไขรวมระหวางเวลากับความหนาแนนที่กําหนดขบวนการควบคุม

ปฏิกิริยาหลอมตัวมีชื่อเรียกวา

เกณฑของลอวสัน ซึ่งเขียนเปนสมการไดดังนี้

320 ms 10 n −⋅≥τ

SUT

Physics

IIunit11

Khanchai

Khosonthongkee

16