Transcript หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 เรื่อง พลังงาน (Energy) วิทยาศาสตร์ (ว 40216) ฟิสิกส์ ม.6

หน่ วยการเรียนร้ ูที่ 4
เรื่ อง พลังงาน
(Energy)
วิทยาศาสตร์ (ว 40216) ฟิ สิ กส์ ม.6
พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy)


1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy)
2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)
ผลการเรียนรู้


1. อธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิสมั พันธ์ระหว่างสสารและพลังงานได้
2. อธิบายถึงประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ได้
1. พลังงานนิวเคลียร์
(nuclear energy)
1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy)










1. องค์ ประกอบของนิวเคลียส
2. การเขียนปฏิกริ ิยานิวเคลียร์
3. รัศมีของนิวเคลียส
4. ชนิดของนิวเครียส
5. พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์
6. เสถียรภาพของนิวเคลียส
7. ปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ ประดิษฐ์
8. ปฏิกริ ิยาฟิ ชชัน
9. ปฏิกริ ิยาฟิ วชัน
10. การใช้ พลังงานนิวเคลียร์
1. องค์ ประกอบของนิวเคลียส
http://www.enchantedlearning.com/chemistry/glossary/nucleus.shtml
Sir James Chadwick

(b. Oct. 20, 1891,
Manchester, Eng.--d.
July 24, 1974, Cambridge,
Cambridgeshire),

English physicist who
received the Nobel
Prize for Physics in 1935

for the discovery of the
neutron.
http://www.britannica.com/nobel/micro/114_22.html
The Proton-Proton Chain,
The Sun generates energy in its core by
converting hydrogen to helium.
http://zebu.uoregon.edu/~imamura/122/feb9/solarpp.html
http://zebu.uoregon.edu/~imamura/122/feb9/solarpp.html
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
The periodic table is labeled by its
rows, which are called Periods,
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
The columns of the Periodic Table
are called Groups or Families,
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
A molecule is depicted in
various ways; here are a few:
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
2. การเขียนปฏิกริ ิยานิวเคลียร์










การเขียนปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ .
การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์จะแตกต่างจากการเขียนปฏิกิริยาเคมี
การเขียนปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ มีข้ นั ตอน ดังนี้
1. เขียนธาตุ รังสี หรื ออนุภาคที่เกี่ยวข้องที่เกี่ยวข้องในรู ปสัญลักษณ์
2. ทาให้เลขอะตอมและเลขมวลทั้งสองข้างเท่ากัน
สัญลักษณ์ของธาตุทวั่ ไป คือ A
X
Z
เมื่อ
A คือ เลขมวล หมายถึง อนุภาคที่อยูภ่ ายในนิวเคลียส ซึ่ งได้แก่โปรตอนและ นิ วตรอน
บางครั้งเรี ยกเลขมวลนี้วา่ นิวคลีออน
Z คือ เลขอะตอม หมายถึงจานวนโปรตอนที่อยูภ่ ายในนิวเคลียส ธาตุแต่ละชนิดจะมี
จานวนโปรตอนต่างกัน ถ้ามีจานวนเท่ากัน แสดงว่าเป็ นธาตุชนิดเดียวกัน
X คือชื่อของธาตุน้ นั ๆ
คาจากัดความ



Isotope คือ นิวเคลียสที่มีจานวนโปรตอนเท่ากัน (หรื อ Z เท่ากัน)
Isotone คือ นิวเคลียสที่มีจานวนนิวตรอนเท่ากัน (หรื อ A-Z เท่ากัน)
Isobar คือ นิวเคลียสที่มีเลขมวลเท่ากัน (หรื อ A เท่ากัน)
http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html
3. รัศมีของนิวเคลียส


รัศมีของนิวเคลียส แปรผันตรงกับรากที่สามของเลขมวล เขียนสมการ ได้ดงั นี้
สู ตร รัศมีของนิวเคลียส
R = r0 A1/3

เมื่อ



r0 = 1.5 x 10-15 m
R = รัศมีของนิวเคลียส
A = เลขมวล
4. ชนิดของนิวเคลียส



เราอาจจาแนกนิวเคลียสได้ 2 ชนิด คือ
1. นิวเคลียสเสถียร (stable nucleus) เป็ นนิวเคลียสที่ไม่สลายตัว จะ
คงสภาพเดิมไว้ตลอดเวลา พบอยูต่ ามธรรมชาติ
2. นิวเคลียสไม่เสถียร (unstable nucleus) เป็ นนิวเคลียสที่
สลายตัว เราเรี ยกว่า นิวเคลียสกัมมันตรังสี
stable nucleus
http://www.biochemj.org/bj/356/0297/bj3560297.htm
unstable nucleus
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
Blocking Radiation

Alpha particles are 8,000
times as heavy as beta
particles.

Paper or clothing will block
alpha particles, while beta
particles require a few
sheets of aluminum foil.

Gamma radiation is
extremely dangerous--a
thousand times more potent
than xrays.
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
5. พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์

พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ (nuclear binding energy : BE) คือ
พลังงานที่ใช้ดึงดูดนิวคลีออนให้รวมอยูด่ ว้ ยกันในนิวเคลียสของอะตอม
Question 1
 If we were to completely convert 1 kg of oil into
energy, how much energy would we obtain?
The Solution
E = mc2 = 1 × (3 × 108)2 = 9 × 1016 J
(Nuclear binding energy =
Δmc2)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
The Nuclear Binding Energy

The total energy required to break up a
nucleus into its constituent protons and

neutrons can be calculated from , called
nuclear binding energy.
http://www.chem.latech.edu/~upali/chem281/281GRCc2.htm
Nuclear Forces
http://www.chem.latech.edu/~upali/chem281/281GRCc2.htm
6. เสถียรภาพของนิวเคลียส




เราพบว่ามีนิวเคลียสทั้งหมด 2,500 นิวเคลียส
มีนิวเคลียสเสถียรน้อยกว่า 300 นิวเคลียส
ที่เหลือเป็ นนิวเคลียสที่ไม่เสถียรทั้งหมด
ซึ่งจะแผ่รังสี 3 ชนิด คือ



รังสี แอลฟา (α)
รังสี บีตา (β)
รังสี แกมมา (γ)
6. เสถียรภาพของนิวเคลียส


เสถียรภาพของนิวเคลียส คือ การที่เลขอะตอมมากขึ้น จานวนนิวตรอนจะมี
มากกว่าจานวนโปรตอน
เส้นกราฟจะเป็ นเส้นโค้งเบนออกจากเส้นตรง เรี ยกว่า เส้นเสถียรภาพ
(Stability line)
Stability line
http://www.cyberphysics.pwp.blueyonder.co.uk/topics/physics/radioact/why.htm
กราฟแสดงความสัมพันธ์ ระหว่ างพลังงานยึดเหนี่ยวต่ อ
นิวคลีออนกับเลขมวล
http://universe-review.ca/option2.htm
The Nuclear Binding Energy
http://www.world-mysteries.com/sci_9.htm
7. ปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ ประดิษฐ์

Ernest Rutherford
nitrogen nucleus +
alfa particles = proton
+ oxygen nucleus

http://www.nzedge.com/heroes/rutherford.html
Rutherford พบโปรตอน จากการยิงอนุภาคแอลฟา เข้ า
ชนอะตอมไนโตรเจน และเกิดนิวเคลียสใหม่ เป็ นออกซิเจน
http://www.nzedge.com/heroes/rutherford.html
Enrico Fermi (1901 - 1954)



Enrico Fermi (พ.ศ. 24442497) นักฟิ สิ กส์ชาวอิตาลีมีความสนใจ
อนุภาคนิวตรอนเป็ นอันมาก
ในปี พ.ศ. 2481 เขาได้รับรางวัลโนเบล
จากผลงานการค้นพบธาตุกมั มันตรังสี
ชนิดใหม่ โดยการยิงนิวตรอนไปยัง
ยูเรเนียม
นอกจากนี้เค้ายังเป็ นผูใ้ ห้กาเนิดเครื่ อง
ปฏิกรณ์นิวเคลียร์
http://www.radiomarconi.com/marconi/marconi-einstein.html
การผลิตพลูโทเนียม ด้ วยการใช้ นิวตรอน ยิงนิวเคลียส
ยูเรเนียม
http://www.lagreid.gs.hl.no/radioaktivitet/farar.htm
8. ปฏิกริ ิยาฟิ ชชัน (Fission reaction)

ปฏิกิริยาฟิ ชชัน (Fission
reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่
เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอน
เข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทา
ให้นิวเคลียร์แตกออกเป็ นนิวเคลียร์ที่เล็ก
ลงสองส่ วน กับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3
อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา
http://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/main5.html
Fission reaction
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
Fission reaction
http://nasaexplores.com/show_912_student_st.php?id=021220141116
Albert Einstein and MassEnergy Equivalence

Mass is energy :
E = mc2

Energy is mass :
m = E /c2
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
The First Atomic Bomb : "Little Boy",
two feet in diameter, ten feet long, 9000 pounds,
dropped on Hiroshima, Japan, was a uranium
bomb, equivalent to 20,000 tons of explosive.
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
Atomic Bomb Targets
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
Chain reaction : นิวตรอนที่เกิดจาก fission reaction ขึน้ 2-3 ตัว
ซึ่งมีพลังงานสู งจะวิง่ ไปชนนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ทาให้ เกิดปฏิกริ ิยาต่ อเนื่องไปเป็ นลูกโซ่ ซึ่ง
เรียกว่า ปฏิกริ ิยาลูกโซ่ ซึ่งทาให้ ได้ พลังงานมหาศาล
http://www.btinternet.com/~j.doyle/SR/Emc2/Fission.htm
9. ปฏิกริ ิยาฟิ วชัน (Fusion reaction)





ปฏิกิริยาฟิ วชัน (Fussion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของ
ธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็ นนิวเคลียสที่หนักกว่า
มีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่ วนหนึ่งหายไป)
พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน
เมื่อเปรี ยบเทียบจากมวลส่ วนที่เข้าทาปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาฟิ วชันที่รู้จกั กันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb)
พลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4
ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิ ตรอน มีมวลส่ วนหนึ่งหายไป มวล
ส่ วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็ นพลังงานจานวนมหาศาล
Fusion reaction
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
Hot Fusion and Cold Fusion
Reaction Paths Compared
http://www.newenergytimes.com/Reports/FusionReactionPathsCompared.htm
fusion reaction
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59
Fusion in Stars : 10 million degrees at the
core causes fusion of hydrogen into helium.
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html




วิธีทา จากสมการปฏิกิริยาที่โจทย์กาหนดให้ ทาการรวมสมการเข้า
ด้วยกันทั้ง 2 ข้าง จะได้
2
4
1
1
31 H 
 2 He  1 H  0 n  21.6
MeV
จากสมการดิวทีเรี ยม 3 อะตอม เกิดฟิ วชันให้พลังงาน = 21.6  5  1018
3
= 3.6 x 1019 MeV
 พลังงานที่เกิดจากฟิ วชัน = 3.6 x 1019 x 1.6 x 10-19 x 1016
= 5.76 x 1016 จูล
Fusion versus Fission
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
10. การใช้ พลังงานนิวเคลียร์





แหล่งกาเนิดของพลังงานนิวเคลียร์ที่มนุษย์ใช้ในปั จจุบนั มี 2 แหล่ง
แหล่งแรกได้จากระเบิดนิเคลียร์ ซึ่งพลังงานนี้ได้จากการระเบิดนี้ มีอานาจในการทาลาย
อย่างมหาศาล ตัวอย่าง ของการนาพลังงานรู ปแบบนี้ไปใช้ ได้แก่ การขุดคลอง และ
การทหาร เป็ นต้น
แหล่งกาเนิดอีกประเภทหนึ่งได้จากฟิ ชชันซึ่งนาไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า
พลังงานนิวเคลียร์
โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์มีหลักการผลิตกระแสไฟฟ้าคล้ายกับโรงไฟฟ้าใช้เครื่ องจักร
ไอน้ าทัว่ ๆ ไป ซึ่งใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล (fossil) อันได้แก่ ถ่านหิน น้ ามัน หรื อแก๊ส
ธรรมชาติ
แต่พลังงานนี้ใช้ผลิตไอน้ าในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์น้ นั ได้จากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
เช่น ยูเรเนียม
Low Energy Muons :
the Moderator
http://lmu.web.psi.ch/lem/moderator.html
A Nuclear Reactor
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html
การใช้ พลังงานนิวเคลียร์
http://www.sn.ac.th/web61_3/useful_2.htm
มอเดอร์ เรเตอร์ (moderator)




มอเดอเรเตอร์เป็ นสารที่ผสมอยูใ่ นเชื้อเพลิงยูเรเนียม
มีหน้าที่ทาให้นิวตรอนพลังงานสู ง (far neutron) เปลี่ยนเป็ น
นิวตรอนพลังงานต่า (slow neutron) เพื่อจะได้เกิดฟิ ชชันได้ดี
ในกรณี ที่ใช้ 23592U เป็ นเชื้อเพลิง มอเดอเรเตอร์ที่ใช้ คือ น้ า (H2O)
ถ้าใช้ 23592U เป็ นเชื้อเพลิง น้ าชนิดหนัก (heavy water 2H2O)
จะถูกใช้เป็ นมอเดอเรเตอร์
References




พูนศักดิ์ อินทวี และจานง ฉายเชิด. หนังสื อเรียนสาระการเรียนรู้ พืน้ ฐาน กลุ่มสาระ
การเรียนรู้ วทิ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ : ฟิ สิ กส์ ม.4-ม.6. กรุ งเทพฯ : อักษรเจริ ญทัศน์,
2547. 262 หน้า.
http://www.kr.ac.th/ebook03.html
http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%9E%E0%B8%A5
%E0%B8%B1%E0%B8%87%E0%B8%87%E0%B8
%B2%E0%B8%99%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0
%B8%A7%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A5
%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%A3%E0%B9
%8C
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/ch
apter14.html
Thank you
Miss Lampoei Puangmalai
Department of science
St. Louis College Chachoengsao