ฟิสิกส์นิวเคลียร์(Nuclear Physics)
Download
Report
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 910- 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 23He24He 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