Transcript ฟิสิกส์นิวเคลียร์

บทที่ 9 ฟิสิกส์นิวเคลียร์
1. องค์ประกอบของนิวเคลียส
2. กัมมันตภาพรังสี
3. อัตราการสลายตัวของธาตุกมั มันตรังสี
Physics : James S Walker
Physics for scientists and Engineers: Raymond A. Serway, Robert J. Beichner.
1
Proton
1. องค์ประกอบของ
นิวเคลียส
Neutron
อนุภาค
มวล
( MeV/c2 )
938.28
มวล
(u)
1.007 276
ประจุ
โปรตอน
มวล
( kg )
1.672 623 × 10-27
นิวตรอน
1.674 929 × 10-27
939.57
1.008 665
-e
อิเล็กตรอน
9.109 39 × 10-31
0.510 999
0.000 548 6
0
1u = 1.660540 × 10-27 kg , 1e = 1.6022 × 10-19 C
1u = 931.5 MeV/c2
+e
2
E  mc 2
จาก
พลังงานที่สมมูลกับมวล 1u คือ

E  1u  c  1.660540  10
2
1.660540 10

 27
 27

kg 2.99792  10 m/s

8

k g 2.99792 108 m /s
1.6 1019

2
2
 931.5 106 e V
 931.5 106 e V  931.5Me V
1u  931.5 Me V 2
c
3
เลข
เลข
มวล
อะตอม
A
Z
X
A = จานวนโปรตอน + จานวนนิวตรอน
Z = จานวนโปรตอน
รัศมีเฉลี่ยของนิวเคลียส
r = ro A1/3
ro = 1.2 × 10-15 m
4
2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)
กัมมันตภาพรังสี คือ ปรากฏการณ์ ที่นิวเคลียสของ
ธาตุที่ไม่เสถียรปลดปล่อยอนุภาคหรือโฟตอน
(รังสี) แล้วกลายเป็ นนิวเคลียสของธาตุใหม่ ธาตุที่
แผ่รงั สีได้เรียกว่า ธาตุกมั มันตรังสี (radioactive
element)
5
คุณสมบัติของรังสีที่มาจากการสลายนิวเคลียส
แอลฟา (a , 42 He ) เป็ นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม มีสามารถทา
ให้สารที่รงั สีผา่ นแตกตัวเป็ นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่าง
รวดเร็ว รังสีแอลฟามีอานาจทะลุผา่ นน้ อยมาก วิ่งผ่านอากาศได้
ประมาณ 5 cm ไม่สามารถทะลุผา่ นแผ่นกระดาษบาง ๆ ได้
บีตา (b , -01 e ) คือ อิเล็กตรอน ที่มาจากการสลายของ
นิวเคลียส หรือ (b + ) เรียกว่าโพสิตรอน มีมวลเท่ากับ
อิเล็กตรอน และมีประจุ +e สามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ
0.5 m ทะลุผา่ นแผ่นอะลูมิเนี ยมได้ 2-3 mm
แกมมา (g ) เป็ นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า มีสภาพเป็ นกลางทาง
ไฟฟ้ า สามารถทะลุผา่ นแผ่นตะกัวที
่ ่หนาหลายเซนติเมตรได้ 6
กระบวนการปลดปล่อยรังสี
• การปล่อยรังสีแอลฟา (Alpha Decay)
A
Z X

A 4
Z  2Y
 42 He
• การปล่อยรังสีบีตา (Beta Decay)
ถ้านิวเคลียสปล่อยอิเล็กตรอน (b - )
A
Z X

A
Z  1Y

0
-1 e
ถ้านิวเคลียสปล่อยโพสิตรอนตรอน (b +)
A
Z X

A
Z 1Y

0
1e
7
• การปล่อยรังสีแกมมา (Gamma Decay)
A *
Z X

14
14 *
C

6
7N
14 *
7 N

A
ZX
g
 e  e
14
7N
g
8
3. อัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
dN
A
 N
dt
 = decay constant
กัมมันตภาพ [ decay/s], Bq
1 Ci = 3.7x1010 Bq
N t   N oe  t
9
N
No
N  N oe
 t
No
N  t/T
2 1/2
No/2
No/4
No/8
T1/2
2T1/2
3T1/2
t
จงพิสจู น์ ว่าอัตราการสลายตัวของธาตุกมั มันตรังสี
 t
เป็ นดังสมการ A  Ao e และ A  A
2t
เมื่อ Ao คือ อัตราการสลายตัวตอนเริ่มต้น
o
/T1/2
10
ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ของการสลายตัว ()
และค่าครึ่งชีวิต (T1/2)
จาก
จะได้
N  N o e  t
แทน t = T1/2 และ N = No/2
No
 T1 / 2
 N oe
2
1
2 e
 T1 / 2
ln 2  T1 / 2
0.693

T1 / 2
11
การวัดอายุวตั ถุโบราณ (Carbon Dating)
ไม่เสถียร เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในชัน้
บรรยากาศโลกขณะที่มีการสลายตัวด้วยค่าครึ่ง
ชีวิต 5730 ปี ทาให้อตั ราส่วน 14C:12C=1.2 ×10-12
สิ่งมีชีวิตทัง้ หลายขณะที่มีชีวิตอยู่ มีการแลกเปลี่ยน
คาร์บอนไดออกไซด์ กับบรรยากาศรอบตัว จึงมี
อัตราส่วน 14C:12C เดียวกัน ต่อเมื่อตายลง 14C จะ
สลายตัวด้วยค่าครึ่งชีวิต 5730 ปี
14C
12
T1/2 = 5730 y = 1.811011 s
 = 0.693/T1/2 = 1.2110-4 y-1 = 3.8310-12 s-1
12C จานวน 1 g ประกอบด้วย = (6.021023) /12
= 5.02 1022 อะตอม
14
-12
22
และ C = (1.20 10 )(5.02 10 )
= 6.02 1010 อะตอม
กัมมันตภาพของ C 1 กรัม คือ Ao = No
= (3.8310-12 s-1)(6.02 1010)
= 0.231 Bq
13