ฟิสิกส์นิวเคลียร์ Nuclear Physics

ร่วมส่งเนื้อหาที่เป็นประโยชน์ คลิกที่นี่ บทความของท่านมีประโยชน์กับผู้ไม่รู้อีกมากมาย


ฟิสิกส์นิวเคลียร์ Nuclear Physics

         กัมมันตภาพรังสี Radioactivity - ปรากฎการณ์อย่างหนึ่งที่ธาตุบางชนิดสามารถให้รังสีออกมาได้ เรียกธาตุพวกนี้ว่า ธาตุกัมมันตภาพรังสี Radioactive substance

สัญลักษณ์ของนิวเคลียส
ถ้าA- เลขมวล Mass number
- ตัวเลขที่บอกถึงจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสของธาตุ (ค่าๆนี้จะใกล้เคียงกับค่ามวลอะตอมของธาตุ)
Z- เลขอะตอม Atomic mumber
- ตัวเลขที่บอกถึงจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสของธาตุ
X- สัญลักษณ์ของธาตุ เช่น เรเดียม แทนด้วย Ra ยูเรเนียม แทนด้วย U

       เราจะได้ว่า สัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุ คือ nc1.gif (655 bytes) หรือ nc1_1.gif (311 bytes) เช่น nc2.gif (371 bytes)หรือ nc2_2.gif (389 bytes)  เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสของธาตุยูเรเนียม จากสัญลักษณ์นี้เราจะรู้ว่า นิวเคลียสของธาตุยูเรเนียมนี้ประกอบด้วยจำนวนโปรตอน 92 ตัว และมีจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนรวมกัน 238 ตัว

คุณสมบัติของธาตุกัมมันตภาพรังสี

1.
2.
3.
4.
5.
ทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน
สามารถเรืองแสงในที่มืด
ให้รังสีชนิดใดชนิดหนึ่งหรือมากกว่า
เกิดการสลายตัวด้วยตัวมันเองกลายเป็นธาตุใหม่ เรียกว่า เกิดปฎิกิริยานิวเคลียร์
เมื่อเกิดการสลายตัว จะให้พลังงานความร้อนจำนวนมาก เรียกว่า พลังงานอะตอมหรือพลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์  
รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตภาพรังสี มีอยู่ 3 ชนิด คือ

1.
2.
3.
รังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา Alpha ray or alpha particle (a - ray )
รังสีบีตาหรืออนุภาคบีตา Bear ray or Beta particle (
b - ray )
รังสีแกมมา Gamma ray (
- ray )
ชนิดของรังสี

สัญลักษณ์ของ
นิวเคลียส

ประจุไฟฟ้ามวล

ความสามารถทำให้
อากาศแตกตัว
เป็นอิออน

ระยะทางที่เคลื่อน
ในอากาศ

วัสดุที่ใช้กั้น
การแผ่รังสี

แอลฟาnc3.gif (344 bytes)+ 2e4u25000.01 - 0.1 m กระดาษหนังสัตว์
บีตา

nc4.gif (289 bytes)

- e 1001-3 mAI
แก้ว
แกมมา

-

ไม่มี01ไม่แน่นอนPb
จากตาราง
u

= atomic mass unit (a.m.u)

e= ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน

การเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส
           การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตภาพรังสี เกิดจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียสของธาตุ
กล่าวคือ เมื่อให้รังสีออกมาแล้ว สภาพของนิวเคลียสของธาตุจะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

1. เมื่อนิวเคลียสของธาตุให้รังสีแอลฟาออกมา
มวลของนิวเคลียส จะลดลง
ประจุไฟฟ้า จะลดลง
= มวลของรังสีแอลฟา
= 2 เท่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน
กล่าวคือ A ลดลง 4 และ Z ลดลง 2
สูตรทั่วไป
เช่น

 

 

 

nc5.gif (304 bytes)
nc6.gif (347 bytes)
nc7.gif (355 bytes)
2. เมื่อนิวเคลียสของธาตุให้รังสีบีตาออกมา
มวลของนิวเคลียส จะคงเดิม
    ประจุไฟฟ้า จะเพิ่มขึ้น= ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน
กล่าวคือ A คงเดิม Z เพิ่มขึ้น 1
สูตรทั่วไป
เช่น
nc8.gif (289 bytes)
nc9.gif (363 bytes)
nc10.gif (355 bytes)
3. เมื่อนิวเคลียสของธาตุให้รังสีแกมมาออกมา
มวลของนิวเคลียส จะคงเดิม
ประจุไฟฟ้า จะคงเดิม

      กล่าวคือ การสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุให้รังสีแกมมาออกมา นิวเคลียสของธาตุจะไม่เปลี่ยนไปเป็นธาตุใหม่ ยังคงเป็นธาตุเดิม แต่มีการเปลี่ยนระดับของพลังงานจากสถานะพื้น Ground state เป็นสถานะถูกกระตุ้น Excited state
      การค้นพบนิวตรอน พบโดย Chadwick ในปี ค.ศ. 1932 โดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังนิวเคลียสของเบริลเลียม Beryllium แล้วผ่านรังสีที่ได้ไปยังพาราฟิน Paraffin จะพบว่ามีโปรตอนเกิดขึ้นเป็นจำนวนมาก แสดงว่าเกิดการชนกันระหว่างอนุภาคกับอนุภาค

Chadwick ตั้งสมมติฐานว่า รังสีที่ได้เป็นอนุภาคที่มีสมบัติคือ
      ก. มีมวล = 1.008665 u
      ข. ไม่มีประจุไฟฟ้า
      ค. มีอำนาจในการทะลุทะลวงสูง
      เขาเรียกว่าอนุภาคชนิดนี้ว่า นิวตรอน Neutron และใช้สัญลักษณ์  nc12.gif (241 bytes)

สมการนิวเคลียร์
nc13.gif (335 bytes)

โครงสร้างของนิวเคลียสและไอโซโทป
      หลังจาก Chadwick ค้นพบอนุภาคนิวตรอนแล้ว ทำให้รู้ว่านิวเคลียสของธาตุประกอบด้วยโปรตรอนและนิวตรอนซึ่งมีมวลเกือบเท่ากัน นิวเคลียสที่มีเลขมวล A และเลขอะตอม Z หมายความว่า ใน 1 อะตอมของธาตุ จะมีจำนวนของโปรตอนและจำนวนของนิวตรอนรวมกันเท่ากับ A จำนวนของโปรตอน เท่ากับ Z และจำนวนของนิวตอนเท่ากับ A - Z เรียกโปรตอนและนิวตรอนที่มีอยู่ภายในนิวเคลียส รวมกันว่า นิวคลีออน Nucleon
      เมื่อ Z เปลี่ยนแปลงไป (จำนวนของโปรตอนเปลี่ยนแปลงไป) นิวเคลียสของธาตุจะเปลี่ยนจากธาตุหนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม เช่น Z เปลี่ยนจาก 8 เป็น 9 นิวเคลียสของธาตุจะเปลี่ยนจากออกซิเจน 0 เป็นฟลูออรีน F
      เมื่อ A เปลี่ยนแปลงไป (จำนวนของโปรตอนเปลี่ยนแปลงไป) นิวเคลียสของธาตุจะไม่เปลี่ยนแปลงไป ยังคงเป็นธาตุเดิมที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนเดิม คุณสมบัติทางฟิสิกส์เปลี่ยนแปลงไป เรียกกลุ่มของธาตุที่มีจำนวนโปรตอน Z เท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอน A ต่างกัน ว่า ไฮโซโทป Isotope ไฮโซโทปของธาตุชนิดต่างๆจะมีมวลใกล้เคียงกัน ซึ่งอาจจะวิเคราะห์ได้โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า Mass spectrograph

Mass spectrograph ประกอบด้วย 3 ส่วนคือ

1. ส่วนเร่งอนุภาค   
nc14.gif (176 bytes)
2. ส่วนคัดเลือกความเร็ว
        แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า
                                   qE
                                     V

= แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก
= qvB
= E/B
3. ส่วนวิเคราะห์
     แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก
                                 qVB

= แรงสู่ศูนย์กลาง
= (mV
2)/R

         ไฮโซโทปของธาตุชนิดเดียว มีจำนวนโปรตอน Z เท่ากัน ดังนั้นประจุไฟฟ้า q เท่ากัน
        ดังนั้นประจุไฟฟ้า q เท่ากันมีจำนวนนิวตรอน A ต่างกัน ดังนั้นมีมวลต่างกัน ทำให้ R ของแต่ละไอโซโทปไม่เท่ากัน จึงสามารถ R วัดได้ ดังนั้นหามวล m ของแต่ละไอโซโทปได้

ขนาดและมวลของนิวเคลียส Size and mass of nucleus
        การหาขนาดของนิวเคลียส อาจทำได้ง่ายๆโดยการยิงอนุภาคนิวตรอนไปกระทบกับนิวเคลียสที่เราต้องการทราบขนาด แล้ววัดมุมที่อนุภาคนิวตรอนเบี่ยงเบนไปจากเดิม ก็จะสามารถหาขนาดของนิวเคลียสได้ เราเรียกวิธีการดังกล่าวนี้ว่า การกระเจิง Scattering จากการทดลองพบว่า ขนาดของนิวเคลียสจะขึ้นอยู่กับ จำนวนนิวคลีออน หรือ เลขมวล A กล่าวคือ

nc15.gif (259 bytes)

        เมื่อ R 0 คือ รัศมีของนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจนซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 1.2 x10-15 เมตร ถึง 1.5 x 10-15
       เมตร ในการคำนวณนิยมใช้ R
0 = 1.2 x10-15 เมตร
        การวัดมวลของนิวเคลียส เราวัดออกมาเป็นหน่วยของ u หรือ a.m.u โดย
             1 u  =  1.66 x 10
-27  กิโลกรัม
                 E =  mc
2
    จากหลักของ Einstein   
     ดังนั้นเราอาจจะเขียนมวลในหน่วยของ u ให้อยู่ในรูปของพลังงานได้โดย
    มวล 1 u คิดเป็นพลังงานได้ เท่ากับ 931 MeV   
    พลังงานยึดเหนี่ยว Binding energy
    โดยที่นิวเคลียส ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ดังนั้นมวลของนิวเคลียสน่าจะเท่ากับมวลของโปรตอนรวมกับมวลของนิวตรอน แต่จากการศึกษาพบว่า มวลของนิวเคลียส จะมีค่าน้อยกว่า มวลของโปรตอนรวมกับมวลของนิวตรอนเสมอ เช่น นิวเคลียสของดิวเธอเรียม (เรียกว่า ดิวเธอรอน Deuteron)      ประกอบด้วย โปรตอน 1 ตัว นิวตรอน 1 ตัว
    มวลของโปรตอน     = 1.007276 u
    มวลของนิวตรอน     = 1.008665 u
    มวลของดิวเธอรอนควรจะเป็น 1.007276 u + 1.008665 u = 2.015941 u แต่ปรากฎว่ามวลของดิวเธอรอน คือ 2.013554 u
    มวลที่หายไป = 2.015931 u -2.013554 u = 0.002387 u เราเรียกมวลที่หายไปหลังจากนิวคลีออนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสว่า มวลพร่อง
เมื่อคิดเป็นพลังงานจะได้
เรียกพลังงาน
DE ว่า พลังงานยึดเหนี่ยว Binding energy ซึ่งพลังงานจำนวนนี้จะเป็นพลังงานที่ใช้ในการยึดโปรตอนและนิวตรอนให้อยู่รวมกันในนิวเคลียส (เมื่อต้องการให้นิวเคลียสของธาตุแตกตัวออกเป็นโปรตอนและนิวตอนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวนี้)

     จากการศึกษา พลังงานยึดเหนี่ยวของอะตอมของธาตุต่างๆพบว่า
1. พลังงานยึดเหนี่ยวจะมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อนิวเคลียสมีขนาดโตขึ้น
2. พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน จะมีค่าใกล้เคียงกัน ยกเว้นนิวเคลียสขนาดเล็ดที่มีเลขมวล A น้อยกว่า 20

        เสถียรภาพของนิวเคลียส Nuclear stable
       เสถียรภาพของนิวเคลียร์จะขึ้นอยู่กับพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมีค่ามาก พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมีค่ามาก เสถียรภาพนิวเคลียร์จะมีค่ามาก ทำให้แตกตัวได้ยากพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมีค่าน้อย เสถียรภาพของนิวเคลียร์จะน้อย ทำให้แตกตัวได้ง่าย

      การคำนวณหามวลพร่องและพลังงานยึดเหนี่ยว
1. หาจำนวนของโปรตอนจากค่าของเลขอะตอม Z และหาจำนวนของนิวตรอนจาก A-Z
2. หาผลรวมของส่วนประกอบย่อย
3. หาผลต่างระหว่างมวลรวมของส่วนประกอบย่อยของอะตอมกับมวลอะตอมที่กำหนดให้ จะได้ค่าของมวลพร่อง ( Mass defect ) เมื่อคูณด้วย 931 MeV จะได้ค่าของพลังงานยึดเหนี่ยว

      การสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี
1. ธาตุกัมมันตภาพรังสีจะสลายตัวกลายเป็นธาตุใหม่ โดยการให้รังสีแอลฟาและรังสีบีตาออกมา ธาตุใหม่ที่ได้นี้จะมีคุณสมบัติทางเคมีแตกต่างไปจากธาตุเดิมและอาจจะเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสีหรือไม่ก็ได้
2. อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสี จะแปรผันตามจำนวนของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ในขณะนั้น
ถ้า N - จำนวนของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ขณะเวลา t
    
Dt  - จำนวนของนิวเคลียสของธาตุที่สลายตัวไปในช่วงเวลาสั้นๆ นับจากเวลา t
  DN - จำนวนของนิวเคลียสของธาตุที่สลายตัวไปใน 1 หน่วยเวลา เราจะได้ว่า

nc16.gif (134 bytes)
เมื่อ l คือ ค่าคงที่ (จะมีค่ามากน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสี)
nc17.gif (219 bytes)
nc18.gif (217 bytes)

         เครื่องหมาย ลบ บอกให้รู้ว่าเมื่อนิวเคลียสของธาตุเกิดการสลายตัว จำนวนนิวเคลียสของธาตุจะลดลง
เมื่อช่วงเวลา
Dt มีค่าน้อยมาก กล่าวคือ Dt ---> 0  จะได้ว่า

nc19.gif (191 bytes)

หรือ

nc20.gif (185 bytes)

       ปริมาณ nc21.gif (143 bytes) จะบอกถึงอัตราการลดลงของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตภาพรังสี ซึ่งก็คือ อัตราการแผ่รังสีออกมาในขณะใดขณะหนึ่ง เรียกปริมาณนี้ว่า กัมมันตภาพ Activity (A)
        หน่วยกัมมันตภาพ คือ อนุภาค / วินาที หรือ /วินาที ซึ่งเรียกว่า เบคเคอเรล (Bq)
       หน่วยอื่น ๆ ที่อาจพบ
1. คูรี Curie (Ci)
                     1 คูรี = 3.7 x 10
10    เบคเคอเรล
2. รัทเธอร์ฟอร์ด Rutherford Rd
       1 รัทเธอร์ฟอร์ด = 10
6  เบคเคอเรล

จากสมการ

nc22.gif (191 bytes)

เมื่อเราแก้สมการออกมา จะได้  N = N0e-lt

   เมื่อ  N0 - จำนวนของนิวเคลียสของธาตุ เมื่อเวลา t = 0
            N - จำนวนของนิวเคลียสของธาตุ เมื่อเวลา t  = t

      เวลาครึ่งชีวิต Half life - ช่วงเวลาที่ธาตุกัมมันตภาพรังสีใช้ในการสลายตัวไปครึ่งหนึ่งของจำนวนที่มีอยู่เดิม ใช้สัญลักษณ์แทนด้วย เช่น เวลาครึ่งชีวิตของโซเดียม -24 คือ 15 ชั่วโมง หมายความว่า ในตอนแรกถ้ามีโซเดียม 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 15 ชั่วโมง จะเหลือโซเดียม 0.5 กรัม เวลาผ่านไปอีก 15 ชั่วโมง จะเหลือโซเดียม 0.25 กรัม ต่อๆไป

   
คัดสรรมาฝากโดย อาร์ม EZ Team
วันที่ 25/08/2548 เวลา 18:23:00
เข้าชมบทความนี้แล้ว 37471 ครั้ง ได้รับการโหวต 98 คะแนน
โหวตให้บทความนี้ คะแนน
ตั้งกระทู้ใหม่ เก็บไว้ใน Favorites พิมพ์ แจ้งลบ ส่งบทความนี้ให้เพื่อน
หน้าที่ 1 จากทั้งหมด 1 หน้า ( ชม 37471 คน ตอบ 7 คน ) 1 >>
ความคิดเห็นที่ 22
วันที่ 4/6/2552 18:44:33
โดย คุณ Love
IP : 118.174.95.***
 

ขอบใจอย่างแรง

โพสต์เมื่อ : 4/6/2552 18:44:33
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 21
วันที่ 19/1/2552 13:29:01
โดย คุณ นิ้วก้อยคนสวย
IP : 203.172.139.***
 

กาลังหาบทความส่งครู
ขอบคุณพระเจ้า

โพสต์เมื่อ : 19/1/2552 13:29:01
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 19
วันที่ 4/10/2550 13:44:33
โดย คุณ เด็กมอชอ..........
IP : 202.28.27.***
 

สุดยอดขอบใจนะได้ความรู้ใหม่เยอะเลยทำดีแล้วแหละอยากบอกว่านายสุดยอด พรุ่งนี้สอบฟิสิกส์พอดี

โพสต์เมื่อ : 4/10/2550 13:44:33
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 18
วันที่ 12/9/2550 22:28:49
โดย คุณ รุ่นพี่
IP : 222.123.96.***
 

เวรกรรม จะเรียนวิทย์ไปทำไมถ้ายังงมงาย

โพสต์เมื่อ : 12/9/2550 22:28:49
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 17
วันที่ 1/9/2550 19:58:13
โดย คุณ นิ
IP : 203.113.76.***
 

ดีมากเลยกำลังหาขอบใจนะ

โพสต์เมื่อ : 1/9/2550 19:58:13
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 16
วันที่ 1/9/2550 19:58:06
โดย คุณ นิ
IP : 203.113.76.***
 

ดีมากเลยกำลังหาขอบใจนะ

โพสต์เมื่อ : 1/9/2550 19:58:06
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 12
วันที่ 31/1/2550 12:31:43
โดย คุณ 3
IP : 61.91.172.***
 



โพสต์เมื่อ : 31/1/2550 12:31:43
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
หน้าที่ 1 จากทั้งหมด 1 หน้า ( ชม 37471 คน ตอบ 7 คน ) 1 >>
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
ตั้งกระทู้ใหม่   ดูเนื้อหาทั้งหมด