Transcript ฟิสิกส์นิวเคลียร์(Nuclear Physics)

ฟิ สิ กส์นิวเคลียร์(Nuclear Physics)
• ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส โครงสร้างของ
นิวเคลียสและผลจากระบวนการต่างๆ
เกี่ยวกับนิวเคลียส
การค้นพบกัมมันตภาพรังสี (radioactivity)
ค้นพบรังสี จากนิวเคลียสเป็ นคนแรก จาก
การหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้ว
ปล่อยพลังงานเป็ น x-ray โดยใช้
สารประกอบของยูเรเนียม
กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)
คือ รังสี ที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสี
Henri Becquerel
(radioactive element)
Marie Curie
พบกัมมันตภาพรังสี จาก โพโล
เนียม และเรเดียม
รังสี จากสารกัมมันตรังสี เกิด
จากการเปลี่ยนแปลงภายใน
นิวเคลียส นิวเคลียสที่ไม่เสีียร
จะสลายตัวจนกว่าจะเสีียร
ชนิดกัมมันตภาพรังสี
กระบวนการสลายแอลฟา
กระบวนการสลายบีตา
ค่าเปรี ยบเทียบรังสี ท้ งั สาม
•
•
•
•
•
ความสามารีในการทาให้อากาศแตกตัวเป็ นอิออน 
อานาจการทะลุทะลวง 
มวล 
ความเร็ ว 
พลังงาน 
โครงสร้างของนิวเคลียส
• สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน
นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนโดยมีจานวน
โปรตอนเป็ นสองเท่าของอิเล็กตรอน
รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่ามีอนุภาคที่เป็ นกลางทางไฟฟ้ าใน
นิวเคลียสให้ชื่อว่านิวตรอน(neutron)ซึ่ งเป็ นการยึดกันของ
โปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างแนบแน่น
จากหลักความไม่แน่นอน อิเล็กตรอนอยูใ่ นนิวเคลียสไม่ได้เพราะ
อิเล็กตรอนจะมีความเร็ วมากกว่าแสง
การค้นพบนิวตรอน
James Chadwick

9
4
รังสี ที่ได้
Be C  n
12
6
1
0
รังสี ที่ได้ชนโปรตอนในพาราฟิ นหลุดออกด้วยพลังงาน
ประมาณ 5 MeV
ตอนแรกคิดว่ารังสี ที่ได้เป็ นรังสี แกมมา แต่จากการคานวณี้าเป็ นรังสี แกมมา
จะต้องมีพลังงานีึง 55 MeV พลังงานระดับนี้จะทาให้อากาศแตกตัวเป็ นอิออน
คิดการชนแบบยืดหยุน่ อนุภาคใหม่น้ ีมีมวลใกล้เคียงโปรตอนมาก และเป็ นกลาง
นิวตรอนไม่ใช่เป็ นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนเพราะ
• นิวตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนต่างมีสปิ น
แม่เหล็กเท่ากับ ½ ี้านิวตรอนเป็ นการยึดกัน
ของโปรตอนและอิเล็กตรอน นิวตรอนมีสปิ น
แม่เหล็กเท่ากับ 0 หรื อ 1 (จากการที่สปิ นหัน
ตรงกันข้ามหรื อหันทางเดียวกัน) จะเป็ น ½
ไม่ได้ อีกทั้งนิวตรอนและโปรตอนมีโครงสร้าง
uud
ต่างกัน
udd
โครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน
อนุกรมการสลาย
การสลายกัมมันตรังสี
เป็ นไปตามสีิติหรื อโอกาสตามธรรมชาติ
dN
N
dt
dN
dt
คือ อัตราการสลายตัว
N คือ จานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่
N0 คือ จานวนนิวเคลียสตั้งต้น
dN
 N
dt
เครื่ องหมายลบ แสดงีึงการลดลง ค่าคงตัวในการสลายตัว
สมการการสลายกัมมันตรังสี
N  N0 e
t
เวลาที่สารกัมมันตรังสี ใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่ งหนึ่งของเดิม
เมื่อตั้งต้นเรี ยกว่า เวลาครึ่ งชีวติ (half – life ), T1/2
1
2
N0  N0e
T1/ 2 
หรื อ
 T1 / 2
ln 2

T1/ 2  0.693

จาก
เมื่อ
dN
 t
 N 0 e
dt
A0  N0
dN
 A
dt
ดังนั้น
A  A0e
 t
A0 เป็ นกัมมันตภาพขณะเริ่ มต้น
A เป็ นกัมมันตภาพที่เวลา t ใดๆ
กัมมันตภาพมีหน่วยเป็ นคูรี(Ci)
1 คูรี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นิวเคลียสต่อวินาที),Bq
ตัวอย่าง สารกัมมันตรังสี ชิ้นหนึ่งมี
18
อะตอม 10 อะตอม มีเวลา
ครึ่ งชีวิต 2 วัน เมื่อเวลาผ่านไป
5 วัน จงหา
ก. จานวนอะตอมที่เหลือ
ข. กัมมันตภาพของสาร
แรงนิวเคลียร์(Nuclear Force)
Mesons:
Protons and neutrons are held together in the nucleus
by the "strong" nuclear force, which involves the
exchange of short-lived particles called mesons. There is
also a "weak" nuclear force responsible for radioactive
decay.
แรงนิวเคลียร์คือแรงลักษณะใด
• เป็ นแรงทีด่ งึ ดูดนิวคลีออนในนิวเคลียสไว้ ด้วยกันมีค่า
มากกว่ าแรงคูลอมบ์ ไม่ น้อยกว่ า 100 เท่ า เกิดจากการ
แลกเปลีย่ นอนุภาคไพ-มีซอน(มีมวลประมาณ 273 เท่ า
อิเล็กตรอน)ระหว่ างนิวคลีออนทีอ่ ยู่ใกล้ ๆกัน
หลักสาคัญของแรงนิวเคลียร์
1 เกิดจากการแลกเปลีย่ นอนุภาคไพ-มีซอน(นิวคลีออนอยู่ห่างกัน
ไม่ เกิน 910- 15 เมตร)ในระยะทางสั้ นๆ10- 15 เมตร(1 เฟอร์ ม)ี
หรือน้ อยกว่ า
2 ไม่ ขนึ้ กับประจุไฟฟ้ า
3 เป็ นแรงกระทาระหว่ างนิวคลีออนและ
เป็ นอันตรกิริยาแบบ แรง
4 นิวคลีออนตัวหนึ่งๆจะมีแรงกระทากับตัวทีอ่ ยู่ตดิ กันเท่ านั้น ไม่
มีแรงกระทากับนิวคลีออนตัวทีอ่ ยู่ถัดไป
ขนาดของนิวเคลียส
• การใช้อนุภาคแอลฟาในการทดลอง
ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารีหา
ขนาดของนิวเคลียสที่แท้จริ งได้
เพราะอนุภาคแอลฟาไม่สามารีฝ่ ากาแพงคูลอมบ์
(coulomb barrier)เข้าไปีึงนิวเคลียสได้ จึงต้องใช้
อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงหรื อนิวตรอนเพื่อฝ่ าแรง
ไฟฟ้ าเข้ าไปปะทะกับนิวเคลียสได้
• ปริ มาตรนิวเคลียสเป็ นสัดส่ วนโดยตรงกับจานวน
นิวคลีออน(เลขมวล)ที่มีอยูใ่ นนิวเคลียสนั้นๆ
R A
1
3
R  R0 A
1
3
R0 = 1.2  10 -15 เมตร
• จงหารัศมีของนิวเคลียสของอะลูมิ
เนียม-27 และทองคา-197
(3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)
พลังงานยึดเหนี่ยว(binding energy)
• เป็ นพลังงานทีย่ ดึ เหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้
อยู่รวมกันได้
การหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยว
มวลของนิวเคลียสโดยทั่วไปน้ อยกว่ าผลบวกของมวลของ
อนุภาคที่ประกอบขึน้ เป็ นนิวเคลียสในสภาวะอิสระ เช่ น
ออกซิเจนมีมวล 15.994915 u
ออกซิ เจนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอนอย่างละ 8 ตัว
ออกซิเจนมีมวลน้อยกว่าผลบวกของนิวตรอนและโปรตอน
เท่ากับ 0.1371055 u คิดเป็ นพลังงานยึดเหนี่ยว 127.6 MeV
พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน 7.98 MeV/ นิวคลีออน
พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน
• ค่ าพลังงานยึด
เหนี่ยวต่ อนิวคลีออ
นสู งสุ ดประมาณ
8.75 MeV
ตัวอย่าง จงหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของ
ไนโตรเจน (N - 14)
N – 14 มีมวล = 14.003074 u
หลักสาคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์
• 1 ผลรวมของประจุไฟฟ้ าและเลขมวลก่ อน
เกิดปฏิกริ ิยาและหลังปฏิกริ ิยาจะต้ องเท่ ากัน
• 2 กฎอนุรักษ์ โมเมนตัมเชิงเส้ นและโมเมนตัม
เชิงมุม
• 3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตาม
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์ สไตน์ มวลสาร
และพลังงานทั้งหมดของระบบต้ องคงตัว
ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)
ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)
• เมื่อนิวเคลียส สองตัวเคลือ่ นทีฝ่ ่ าแรงคูลอมบ์ เข้ ามาใกล้กนั ภายในระยะของแรง
นิวเคลียร์ อาจทาให้ เกิดการจัดระเบียบการเรียงตัวของนิวคลีออนภายใน
นิวเคลียสขึน้ ใหม่ ผลทีไ่ ด้ อาจกลายเป็ นหนึ่งนิวเคลียสใหม่ หรือมากกว่ าก็ได้ เขียน
ปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ ได้ เป็ น
X + a →Y + b
หรือ
X ( a ,b )Y
X = นิวเคลียสที่เป็ นเป้ า
a = อนภุ าคทีช่ นเป้ า
Y = นิวเคลียสธาตใุ หม่ ทเี่ กิดขึน้ หลังการชน
b = อนภุ าคทีเ่ กิดขึน้ หลังการชน
******
• รัทเทอร์ ฟอร์ ดเป็ นคนแรกทีพ่ บปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ โดยใช้ อนุภาคแอลฟา
7.68 MeV ยิงนิวเคลียสไนโตรเจน แล้ วได้ กาซออกซิเจนกับโปรตอน

  N  O H
14
7
17
8
1
1
14
7
17


N , P 8O
• ปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ เกิดจากการยิงนิวเคลียสด้ วยอนุภาคของนิวเคลียสเบา
เช่ น นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน ไม่ ใช้ นิวเคลียสของธาตุหนัก หรือ
อาจใช้ โฟตอนหรือแกมมาก็ได้
หลักสาคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์
1 ผลรวมของประจุไฟฟ้ าและเลขมวลก่ อน
เกิดปฏิกริ ิยาและหลังปฏิกริ ิยาจะต้ องเท่ ากัน
2 กฎอนุรักษ์ โมเมนตัมเชิงเส้ นและโมเมนตัม
เชิงมุม
3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตาม
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์ สไตน์ มวลสาร
และพลังงานทั้งหมดของระบบต้ องคงตัว
กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส
นิวเคลียสธาตุหนักีูกทาให้แบ่งตัว
กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ดว้ ยแบบจาลอง
หยดของเหลว นัน่ คือ
• เมื่อยิงนิวตรอนเข้ าไปในนิวเคลียสธาตุหนัก นิวเคลียสนั้น
จะดูดกลืนนิวตรอนไว้ ทาให้ เกิดการสั่ นขึน้ ภายในและทาให้
สู ญเสี ยสภาพทีเ่ ป็ นทรงกลม แรงนิวเคลียร์ ซึ่งเป็ นแรงระยะ
สั้ นจะเสี ยประสิ ทธิภาพในการยึดเหนี่ยว เนื่องจาก
นิวเคลียสมีพนื้ ที่ผวิ มากขึน้ เมื่อเวลาผ่ านไปแรงดึงดูดอ่อน
แรงลง แรงผลักทางไฟฟ้ าจะมีค่ามากกว่ า นิวเคลียสก็จะ
เสี ยรูปทรงมากขึน้ ๆ จนในทีส่ ุ ดนิวเคลียสแตกเป็ น 2 เสี่ ยง
ขั้นตอนกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส
1 นิวเคลียสธาตุหนักจับนิวตรอน
2 ผลของการจับนิวตรอนนิวเคลียสธาตุหนักอยู่ใน
สถานะกระตุ้น มีการสั่ นอย่ างรุนแรง
3 แรงผลักระหว่ างโปรตอนจะทาให้ เกิดการบิดเบีย้ ว
ยิง่ ขึน้
4 นิวเคลียสแตกออกเป็ นสองส่ วน โดยมีนิวตรอน
จานวนหนึ่ง 2-3 ตัว และพลังงาน
• กระบวนการแบ่ งแยกนิวเคลียสจะมีนิวตรอน
จานวนหนึ่ง 2-3 ตัวในแต่ ละปฏิกริ ิยา ซึ่ง
นิวตรอนใหม่ นีอ้ าจวิง่ ชนนิวเคลียสของ
ยูเรเนียมต่ อไป ทาให้ เกิดปฏิกริ ิยาต่ อเนื่อง
ปฏิกริ ิยาทีเ่ กิดขึน้ เรียกว่ าปฏิกริ ิยาลูกโซ่
(chain reaction) ปฏิกริ ิยานีเ้ กิดขึน้ ใน
-6
ช่ วงเวลาน้ อยกว่ า 10 วินาที จึงให้ ค่าพลังงาน
มหาศาล
กระบวนการหลอมนิวเคลียส
• Hans Bethe อธิบายว่ า การเกิดปฏิกริ ิ ยานิวเคลียร์ แบบ
หลอมนิวเคลียสเกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียสเบาสอง
นิวเคลียสแล้ วกลายเป็ นนิวเคลียสหนักหนึ่งนิวเคลียส และปล่ อย
พลังงานมหาศาลออกมา
• กระบวนการหลอมนิวเคลียสเกิดขึน้ ทีอ่ ุณหภูมิ
ประมาณ 10 ล้ านเคลวิน ภายใต้ ความดันสู ง
1 วัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)
ขั้นตอนของวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน
หรื อ
1
1
H  H  H  e  ......................1
1
1
H 12H 23He   ..........................2
1
1
2
1
0
1
3
2
He H  He e  ...................3
3
2
He 23He24He  211H ...................4
1
1
4
2
0
1
• นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัว รวมกันได้ อนุภาคแอลฟา 1 ตัว
โปรตอน 2 ตัว และโพซิตรอนอีก 2 ตัว พร้ อมกับให้ พลังงาน
ประมาณ 25 MeV
พลังงานที่ได้ จากกระบวนการหลอมนิวเคลียสมีชื่อเรียกอีกอย่ างว่ า พลังงานเทอร์
โมนิวเคลียร์
กระบวนการหลอมนิวเคลียสให้ พลังงานมากกว่ ากระบวนการแบ่ งแยกนิวเคลียส
เมื่อเทียบต่ อนิวคลีออนประมาณ 10 เท่ า
นอกจากวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แล้วยังมีวฏั จักร
คาร์ บอนทีเ่ กิดขึน้ บนดาวทีม่ อี ุณหภูมสิ ู งกว่ าดวงอาทิตย์ โดยมีกระบวนการดังนี้
1
1
13
H 12
C

6
7N
13
13
0
N

C

7
6
1e
1
1
13
H 13
C

6
7N
1
1
15
H 14
N

7
8O
15
8
0
O 15
N

7
1e
1
1
12
2
H 15
N

C

7
6
2 He