ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ฟิสิกส์นิวเคลียร์

เป็นการศึกษาสมบัติของนิวเคลียสและกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสที่เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์

นิวเคลียส ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน คือ โปรตอน (proton) และนิวตรอน (neutron)

นิวคลีออน (Nucleon) คือ อนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส = p + n

สัญลักษณ์นิวเคลียร์

\[ {}^{A}_{Z}X \]

X = สัญลักษณ์ธาตุ
Z = เลขอะตอม (จำนวน p)
A = เลขมวล (p + n)

การเทียบเคียงธาตุ
มี 3 แบบ
  1. ไอโซโทป (Isotope) → ธาตุที่มีเลขอะตอมม (p) เท่ากัน เช่น

    \[ {}^{1}_{1}H, {}^{2}_{1}H \ \vert \ {}^{3}_{1}He, {}^{4}_{1}He \]

  2. ไอโซโทน (Isotone) → ธาตุที่มีจำนวน n เท่ากัน
  3. ไอโซบาร์ (Isobar) → ธาตุที่มีเลขมวล (p + n) เท่ากัน
ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุที่สามารถแผ่กัมมันตรังสีได้ต่อเนื่อง โดยรังสีที่แผ่ออกมามี 3 ชนิด คือ

  1. Alpha → สัญลักษณ์ α หรือ $ {}^{4}_{2}He $ (ประจุบวก)
  2. Beta → สัญลักษณ์ β หรือ $ {}^{0}_{-1}e $ (ประจุลบ)
  3. Gamma → สัญลักษณ์ γ (เป็นกลางทางไฟฟ้าและเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า)
คุณสมบัติเชิงเปรียบเทียบ
มวล α > β > γ
ประจุ α > β > γ
พลังงาน γ > α > β
การทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน α > β > γ
ระยะเดินทาง (อากาศ) γ > α > β
อำนาจทะลุทะลวง γ > α > β
อันตราย γ > α > β
การเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า α และ β เบี่ยงเบน ส่วน γ ไม่เบี่ยงเบน
สัญลักษณ์ของธาตุที่ควรรู้
$ {}^{1}_{1}H $ โปรตอน หรือไฮโดรเจน
$ {}^{2}_{1}H $ ดิวทิรอน
$ {}^{3}_{1}H $ ตริตรอน
$ {}^{1}_{0}n $ นิวตรอน
$ {}^{4}_{2}He $ Alpha (α)
$ {}^{0}_{-1}e $ อิเล็คตรอน ($ \beta^{-}$)
$ {}^{0}_{+1}e $ โพสิตรอน ($ \beta^{+}$)
$ \gamma $ แกมมา
สมการนิวเคลียร์

การดุลสมการนิวเคลียร์

\[ {}^{A_1}_{Z_1}X + {}^{A_2}_{Z_2}Y \rightarrow {}^{A_3}_{Z_3}M + {}^{A_4}_{Z_4}N \] โดยที่ \[ A_1 + A_2 = A_3 + A_4 \ (เลขมวล) \\ Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4 \ (เลขอะตอม) \]

กัมมันตรังสี

หน่วยกัมมันตรังสี

1 คูรี (ci) = 3.7 x 1010 เบ็คเคอเรล (Bq)

\[ A = -\frac{\Delta N}{\Delta t} = {\lambda}N \]

A = อัตราการสลายตัวของนิวเคลียส
ΔN = N2 - N1 = การเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส
Δt = t2 - t1 = เวลาที่ผ่านไป
λ = ค่าคงที่ของการสลายตัว
N = จำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ขณะนั้น

โดยหา N ได้จาก

\[ mol = \frac{N}{N_A} = \frac{m}{A} \]

NA = 6.02 x 1023 = เลขอะโวกาโด
A = เลขมวล

ครึ่งชีวิต

เวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่ง

\[\begin{equation} \label{eq2} \begin{split} e^{-{\lambda}t} & = \frac{N}{N_0} = \frac{m}{m_0} = \frac{A}{A_0} = \frac{1}{2^n} \\ {\lambda} & = \frac{\ln 2}{T} = \frac{0.693}{T} \\ n & = \frac{t}{T} \end{split} \end{equation} \]

e = ค่าคงที่ 2.718
N0 = จำนวนนิวเคลียสเริ่มต้น
N = จำนวนนิวเคลียสที่เหลือ
m0 = มวลเริ่มต้น (kg)
m = มวลที่เหลือ (kg)
n = จำนวนช่วงครึ่งชีวิต
λ = ค่าคงที่การสลายตัว (s-1)
t = เวลาที่ใช้จริง
T = เวลาครึ่งชีวิต

การทอดลูกเต๋ากับการสลายของธาตุกัมมันตรังสี

\[ \frac{N}{N_0} = \frac{1}{2^n} = \frac{1}{2^{\frac{t}{T}}} \]

N0 = จำนวนลูกเต๋าเริ่มต้น
N = จำนวนลูกเต๋าที่เหลือ
t = จำนวนครั้งที่ทอดลูกเต๋า
T = จำนวนครั้งที่ทอดแล้วลูกเต๋าเหลือครึ่งหนึ่งของเดิม

\[ {\lambda} = \frac{0.693}{T} \]

λ = โอกาสหงายหน้าที่แต้มสี
T = จำนวนครั้งที่ทอดแล้วลูกเต๋าเหลือครึ่งหนึ่ง

\[ โอกาสหงายหน้าที่แต้มสี (\lambda) = \frac{จำนวนหน้าที่แต้มสี}{จำนวนหน้าทั้งหมด} \]

ขนาดของนิวเคลียส
  • รัศมีนิวเคลียส

    \[ R = R_{0}A^{\frac{1}{3}} \]

    R = รัศมีนิวเคลียส (m)
    R0 = รัศมีนิวเคลียสของไฮโดรเจน = 1.2 x 10-15 m
    A = เลขมวล

  • ปริมาตรนิวเคลียส

    \[ V = \frac{4}{3}{\pi}R^3 \]

    R = รัศมีนิวเคลียส (m)

  • ความหนาแน่นของนิวเคลียส

    \[ \rho = \frac{m}{V} \]

    m = มวล (kg)
    V = ปริมาตรนิวเคลียส (kg/m3)

พลังงานยึดเหนี่ยว (B.E.)

มวลพร่อง ($ \Delta{m} $) หมายถึง มวลส่วนหนึ่งที่หายไป โดยเมื่อนิวคลีออนอิสระมารวมกันเป็นนิวเคลียส มวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่จะมีมวลน้อยกว่า ผลรวมของมวลนิวคลีออนอิสระก่อนรวม

$ \Delta{m} $ มีหน่วยเป็น u (atomic mass unit)

\[ \Delta{m} = \big(Zm_p + (A-Z)m_n\big) - M \]

Z = จำนวนประจุบวก
mp = มวลของโปรตอน
A-Z = จำนวนนิวตรอน
mn = มวลของนิวตรอน
M = มวลอะตอมของธาตุที่วัดได้

\[ B.E. = \Delta{m} \times 931 \]

B.E. = พลังงานยึดเหนี่ยว (MeV)
Δm = มวลพร่อง (u)

นิวเคลียร์ฟิชชั่น

\[\begin{equation} \label{eq3} \begin{split} {}^{235}_{92}U + {}^{1}_{0}n & \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^{1}_{0}n + E \\ {}^{235}_{92}U + {}^{1}_{0}n & \rightarrow {}^{140}_{54}Xe + {}^{94}_{38}Sr + 2{}^{1}_{0}n + \gamma \\ & + 200 \ MeV \end{split} \end{equation} \]

  1. เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน
  2. เป็นการแตกตัวนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขมวลมากได้ 2 เสี่ยง
  3. เกิดที่อุณหภูมิปกติได้
  4. ให้พลังงานต่อปฏิกิริยามากกว่าแบบฟิวชัน
  5. ให้พลังงานต่อมวลน้อยกว่าแบบฟิวชัน
  6. สามารถควบคุมให้เกิดฟิชชันและปฏิกิริยาลูกโซ่ได้

ปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain reaction) เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชันที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยอาศัยนิวตรอนที่เกิดขึ้นเป็นตัวยิงนิวเคลียสของธาตุต่อไป

นิวเคลียร์ฟิวชั่น

ตัวอย่างของปฏิกิริยาฟิวชันที่ทำได้ในห้องปฏิบัติการ

\[\begin{equation} \label{eq4} \begin{split} {}^{2}_{1}H + {}^{2}_{1}H & \rightarrow {}^{3}_{1}H + {}^{1}_{1}H + 4 \ MeV \\ {}^{2}_{1}H + {}^{2}_{1}H & \rightarrow {}^{3}_{2}He + {}^{1}_{0}n + 3.3 \ MeV \\ {}^{2}_{1}H + {}^{3}_{1}H & \rightarrow {}^{4}_{2}He + {}^{1}_{0}n + 17.6 \ MeV \\ {}^{2}_{1}H + {}^{3}_{2}He & \rightarrow {}^{4}_{2}He + {}^{1}_{1}H + 18.3 \ MeV \end{split} \end{equation} \]

ตัวอย่างของปฏิกิริยาฟิวชันที่เกิดขึ้นบนดาวฤกษ์

\[\begin{equation} \label{eq5} \begin{split} {}^{1}_{1}H + {}^{1}_{1}H & \rightarrow {}^{2}_{1}H + {}^{0}_{+1}e + 0.4 \ MeV \\ {}^{2}_{1}H + {}^{2}_{1}H & \rightarrow {}^{3}_{2}He + {}^{1}_{0}n + 5.5 \ MeV \\ {}^{3}_{2}He + {}^{3}_{2}He & \rightarrow {}^{4}_{2}He + 2{}^{1}_{1}H + 12.9 \ MeV \\ {}^{15}_{7}N + {}^{1}_{1}H & \rightarrow {}^{12}_{6}C + {}^{4}_{2}He + 4.9 \ MeV \end{split} \end{equation} \]

  1. เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน
  2. เป็นการหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขมวลน้อยสองธาตุ
  3. เกิดที่อุณหภูมิสูงมาก เช่น เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์
  4. ให้พลังงานต่อปฏิกิริยาน้อยกว่าแบบฟิชชัน
  5. ให้พลังงานต่อมวลมากกว่าแบบฟิชชัน
  6. ยังไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ได้
ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสี
  1. ทางอุตสาหกรรม ใช้หารอยรั่วของท่อ, รอยร้าวของแผ่นโลหะ, หรือใช้ควบคุมความหนาแน่นของแผ่นโลหะ
  2. ทางการเกษตร ใช้ปรับปรุงพันธุ์พืช, วิจัยปุ๋ย ($ {}^{32}_{15}P $), วิจัยโคนม ($ {}^{131}_{53}I $), การถนอมอาหาร, หรือศึกษาการปรุงอาหารของพืช
  3. ทางการแพทย์ ใช้รักษาโรคมะเร็ง ($ {}^{60}_{27}Co $), ตรวจการไหลเวียนของโลหิต ($ {}^{24}_{11}Na $)
  4. การหาวัตถุโบราณ หรือการหาอายุโลก จะใช้คาร์บอน–14, และยูเรเนียม (Uranium-lead dating)
อันตรายจากกัมมันตภาพรังสี

เมื่อผ่านเข้าไปในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเนื้อเยื่อ ทำให้เนื้อเยื่อตายทันที หรือมีการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมทำให้เกิดโรคมะเร็ง

การป้องกันอันตรายจากกัมมันตภาพรังสี

  1. เนื่องจากปริมาณกัมมันตภาพรังสีที่เราได้รับขึ้นกับเวลา ดังนั้นถ้าจำเป็นต้องเข้าใกล้บริเวณที่มีธาตุกัมมันตรังสี ควรใช้เวลาสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้
  2. เนื่องจากปริมาณกัมมันตภาพรังสีจะลดลง ถ้าบริเวณนั้นอยู่ห่างแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีมากขึ้น ดังนั้น ควรอยู่ห่างบริเวณที่มีธาตุกัมมันตรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะมากได้
  3. เนื่องจากปริมาณกัมมันตภาพรังสีชนิดต่าง ๆ มีอำนาจทะลุผ่านวัตถุได้ต่างกัน ดังนั้น ควรใช้วัตถุที่กัมมันตภาพรังสีผ่านได้ยากเป็นเครื่องกำบัง เช่น มักใช้ตะกั่ว, คอนกรีต กำบังรังสีแกมมาและรังสีบีตาได้ นิยมใช้น้ำเป็นเครื่องกำบังนิวตรอน เป็นต้น

© Copyright