Documents
Resources
Learning Center
Upload
Plans & pricing Sign in
Sign Out

__________________Nuclear Physics_

VIEWS: 49 PAGES: 47

  • pg 1
									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 นิวเคลียสที่ไม่เสถียร
  จะสลายตัวจนกว่าจะเสถียร
ชนิดกัมมันตภาพรังสี
กระบวนการสลายแอลฟา
• รังสี แอลฟา
•           มีส่วนประกอบเป็ นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ
  4u มีประจุไฟฟ้ า +2e มีพลังงานประมาณ 6 Mev รังสี แอลฟา
                            ่
  สามารถทาให้สารที่รังสี ผานแตกตัวเป็ นไอออนได้ดี จึงเสี ยพลังงาน
  อย่างรวดเร็ ว
• รังสี แอลฟาจึงมีอานาจทะลุผ่านน้ อยมาก กล่าวคือสามารถวิงผ่ านอากาศ
                                                               ่
  ได้ ประมาณ 5 เซนติเมตร และเมื่อใช้ แผ่นกระดาษบางๆ กั้น รังสี
                                          ้ ื
  แอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ ได้ เนื่องจากรังสี นีคอนิวเคลียสทีเ่ ป็ นอนุภาค
  บางครั้งจึงเรียกรังสี แอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา
กระบวนการสลายบีตา
• รังสี เบต้ า
•                 เป็ นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ า -1e มีมวลเท่ากับมวลของ
  อิเล็กตรอน รังสี บีตา คืออิเล็กตรอน (ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส
  มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส) มีพลังงานประมาณ 1 Mev
  รังสี บีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อานาจทะลุ
  ผ่านของรังสี บีตาจึงมากกว่ารังสี แอลฟา บางครั้งเรี ยกรังสี บีตาว่า
  อนุภาคบีตา
                  กระบวนการสลายแกมมา

•               เป็ นรังสี ที่มีสภาพเป็ นกลางทางไฟฟ้ า มีสมบัติของคลื่น
  แม่เหล็กไฟฟ้ า รังสี แกมมามีพลังงานประมาณ 0.01 Mevสามารถทะลุ
  ผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอานาจทะลุผานมาก ่
                        ั
  ที่สุดในบรรดารังสี ท้ งสามชนิด
                                                          ่
• การสลายตัวของนิวเคลียส นิวเคลียสใหม่ที่เกิดขึ้นมักอยูในสถานะ
         ้                                  ่
  กระตุน จึงต้องปล่อยรังสี แกมาเพื่อให้อยูในสภาวะปกติ
                                      ั
              ค่าเปรี ยบเทียบรังสี ท้ งสาม
•   ความสามารถในการทาให้อากาศแตกตัวเป็ นอิออน 
•   อานาจการทะลุทะลวง 
•   มวล 
•   ความเร็ ว 
•   พลังงาน 
             โครงสร้างของนิวเคลียส
• สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน
  นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนโดยมีจานวน
  โปรตอนเป็ นสองเท่าของอิเล็กตรอน
  รัทเทอร์ฟอร์ ดเสนอว่ามีอนุภาคที่เป็ นกลางทางไฟฟ้ าใน
  นิวเคลียสให้ชื่อว่านิวตรอน(neutron)ซึ่ งเป็ นการยึดกันของ
  โปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างแนบแน่น
                                     ่
  จากหลักความไม่แน่นอน อิเล็กตรอนอยูในนิวเคลียสไม่ได้เพราะ
       อิเล็กตรอนจะมีความเร็ วมากกว่าแสง
                        การค้นพบนิวตรอน
                        James Chadwick
                                                               รังสี ที่ได้
                               9
                                      Be  C  n
                                              12        1
                                  4            6        0

                      รังสี ที่ได้ชนโปรตอนในพาราฟิ นหลุดออกด้วยพลังงาน
                      ประมาณ 5 MeV
ตอนแรกคิดว่ารังสี ที่ได้เป็ นรังสี แกมมา แต่จากการคานวณถ้าเป็ นรังสี แกมมา
จะต้องมีพลังงานถึง 55 MeV พลังงานระดับนี้จะทาให้อากาศแตกตัวเป็ นอิออน
                     ่
คิดการชนแบบยืดหยุนอนุภาคใหม่น้ ีมีมวลใกล้เคียงโปรตอนมาก และเป็ นกลาง
 นิวตรอนไม่ใช่เป็ นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนเพราะ

• นิวตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนต่างมีสปิ น
  แม่เหล็กเท่ากับ ½ ถ้านิวตรอนเป็ นการยึดกัน
  ของโปรตอนและอิเล็กตรอน นิวตรอนมีสปิ น
  แม่เหล็กเท่ากับ 0 หรื อ 1 (จากการที่สปิ นหัน
  ตรงกันข้ามหรื อหันทางเดียวกัน) จะเป็ น ½
  ไม่ได้ อีกทั้งนิวตรอนและโปรตอนมีโครงสร้าง
  ต่างกัน          uud          udd
โครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน
 การสลายกัมมันตรังสี
      เป็ นไปตามสถิติหรื อโอกาสตามธรรมชาติ
                       dN
                          N
                       dt
       dN
       dt
           คือ อัตราการสลายตัว
       N คือ จานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่
       N0 คือ จานวนนิวเคลียสตั้งต้น
                     dN
                         N
                     dt
เครื่ องหมายลบ แสดงถึงการลดลง ค่าคงตัวในการสลายตัว
อนุกรมการสลาย
สมการการสลายกัมมันตรังสี
                                      t
                    N  N 0e

เวลาที่สารกัมมันตรังสี ใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่ งหนึ่งของเดิม
เมื่อตั้งต้นเรี ยกว่า เวลาครึ่ งชีวต(half – life ), T1/2
                                   ิ
                                           T1 / 2
                    1
                    2   N 0  N 0e

                         T1/ 2    ln 2
                                    


    หรื อ                T1/ 2    0.693
                                    
                          dN            t
              จาก             N 0 e
                          dt
   เมื่อ       dN
                   A                          A0  N 0
               dt
           ดังนั้น                           t
                               A  A0 e

           A0 เป็ นกัมมันตภาพขณะเริ่ มต้น
           A เป็ นกัมมันตภาพที่เวลา t ใดๆ
               กัมมันตภาพมีหน่วยเป็ นคูรี(Ci)
1 คูรี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นิวเคลียสต่อวินาที),Bq
ตัวอย่าง สารกัมมันตรังสี ชิ้นหนึ่งมี
         อะตอม 10      18 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 นแรงทีดึงดูดนิวคลีออนในนิวเคลียสไว้ ด้วยกันมีค่า
            ่
  มากกว่ าแรงคูลอมบ์ ไม่ น้อยกว่ า 100 เท่ า เกิดจากการ
          ่
  แลกเปลียนอนุภาคไพ-มีซอน(มีมวลประมาณ 273 เท่ า
                                    ่
  อิเล็กตรอน)ระหว่ างนิวคลีออนทีอยู่ใกล้ ๆกัน
หลักสาคัญของแรงนิวเคลียร์
                       ่
1 เกิดจากการแลกเปลียนอนุภาคไพ-มีซอน(นิวคลีออนอยู่ห่างกัน
  ไม่ เกิน 910- 15 เมตร)ในระยะทางสั้ นๆ10- 15 เมตร(1 เฟอร์ มี)
  หรือน้ อยกว่ า
        ึ้
2 ไม่ ขนกับประจุไฟฟ้ า
3 เป็ นแรงกระทาระหว่ างนิวคลีออนและ
  เป็ นอันตรกิริยาแบบ แรง
                                           ่ ิ
4 นิวคลีออนตัวหนึ่งๆจะมีแรงกระทากับตัวทีอยู่ตดกันเท่ านั้น ไม่
                                ่
  มีแรงกระทากับนิวคลีออนตัวทีอยู่ถัดไป
            ขนาดของนิวเคลียส
• การใช้อนุภาคแอลฟาในการทดลอง
  ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถหา
 ขนาดของนิวเคลียสที่แท้จริ งได้
 เพราะอนุภาคแอลฟาไม่สามารถฝ่ ากาแพงคูลอมบ์
  (coulomb barrier)เข้าไปถึงนิวเคลียสได้ จึงต้องใช้
  อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงหรื อนิวตรอนเพื่อฝ่ าแรง
  ไฟฟ้ าเข้ าไปปะทะกับนิวเคลียสได้
• ปริ มาตรนิวเคลียสเป็ นสัดส่ วนโดยตรงกับจานวน
                         ่
นิวคลีออน(เลขมวล)ที่มีอยูในนิวเคลียสนั้นๆ
                                  1
                         R A     3


                                    1
                         R  R0 A   3




                         R0 = 1.2  10 -15 เมตร
• จงหารัศมีของนิวเคลียสของอะลูมิ
เนียม-27 และทองคา-197
(3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)
พลังงานยึดเหนี่ยว(binding energy)

  • เป็ นพลังงานทียดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้
                  ่ึ
    อยู่รวมกันได้
การหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยว

  มวลของนิวเคลียสโดยทั่วไปน้ อยกว่ าผลบวกของมวลของ
                    ้
   อนุภาคที่ประกอบขึนเป็ 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 าและเลขมวลก่อน
            ิ                ิ
    เกิดปฏิกริยาและหลังปฏิกริยาจะต้ องเท่ ากัน
  • 2 กฎอนุรักษ์ โมเมนตัมเชิงเส้ นและโมเมนตัม
    เชิงมุม
  • 3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตาม
    ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์ สไตน์ มวลสาร
    และพลังงานทั้งหมดของระบบต้ องคงตัว
ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)
ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)
• เมื่อนิวเคลียส สองตัวเคลือนทีฝ่าแรงคูลอมบ์ เข้ ามาใกล้กนภายในระยะของแรง
                               ่ ่                       ั
  นิวเคลียร์ อาจทาให้ เกิดการจัดระเบียบการเรียงตัวของนิวคลีออนภายใน
               ้
  นิวเคลียสขึนใหม่ ผลที่ได้ อาจกลายเป็ นหนึ่งนิวเคลียสใหม่ หรือมากกว่ าก็ได้ เขียน
        ิ
  ปฏิกริยานิวเคลียร์ ได้ เป็ น

   X + a →Y + b             หรือ     X ( a ,b )Y          ******
        X = นิวเคลียสที่เป็ นเป้ า
                     ่
         a = อนภาคทีชนเป้ า
               ุ
                                       ้
        Y = นิวเคลียสธาตใหม่ ทเี่ กิดขึนหลังการชน
                          ุ
                            ้
        b = อนภาคทีเ่ กิดขึนหลังการชน
                 ุ
• รัทเทอร์ ฟอร์ ดเป็ นคนแรกทีพบปฏิกริยานิวเคลียร์ โดยใช้ อนุภาคแอลฟา
                             ่     ิ
  7.68 MeV ยิงนิวเคลียสไนโตรเจน แล้วได้ กาซออกซิเจนกับโปรตอน
                               
          14N 17 O 11H
             7    8
                                             14
                                              7   N  , P 17O
                                                             8

• ปฏิกริยานิวเคลียร์ เกิดจากการยิงนิวเคลียสด้ วยอนุภาคของนิวเคลียสเบา
        ิ
  เช่ น นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน ไม่ ใช้ นิวเคลียสของธาตุหนัก หรือ
  อาจใช้ โฟตอนหรือแกมมาก็ได้
หลักสาคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์
           1 ผลรวมของประจุไฟฟ้ าและเลขมวลก่อน
                  ิ                 ิ
          เกิดปฏิกริยาและหลังปฏิกริยาจะต้ องเท่ ากัน
           2 กฎอนุรักษ์ โมเมนตัมเชิงเส้ นและโมเมนตัม
          เชิงมุม
           3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตาม
          ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์ สไตน์ มวลสาร
          และพลังงานทั้งหมดของระบบต้ องคงตัว
กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส
นิวเคลียสธาตุหนักถูกทาให้แบ่งตัว
                                            ้
กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ดวยแบบจาลอง
หยดของเหลว นันคือ ่
• เมื่อยิงนิวตรอนเข้ าไปในนิวเคลียสธาตุหนัก นิวเคลียสนั้น
                                          ้
  จะดูดกลืนนิวตรอนไว้ ทาให้ เกิดการสั่ นขึนภายในและทาให้
  สู ญเสี ยสภาพทีเ่ ป็ นทรงกลม แรงนิวเคลียร์ ซึ่งเป็ นแรงระยะ
  สั้ นจะเสี ยประสิ ทธิภาพในการยึดเหนี่ยว เนื่องจาก
                ื้ ่ ิ       ้
  นิวเคลียสมีพนทีผวมากขึน เมื่อเวลาผ่ านไปแรงดึงดูดอ่ อน
                           ้
  แรงลง แรงผลักทางไฟฟาจะมีค่ามากกว่า นิวเคลียสก็จะ
                     ้         ่
  เสี ยรูปทรงมากขึนๆ จนในทีสุดนิวเคลียสแตกเป็ น 2 เสี่ ยง
ขั้นตอนกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส
1 นิวเคลียสธาตุหนักจับนิวตรอน
2 ผลของการจับนิวตรอนนิวเคลียสธาตุหนักอยู่ใน
 สถานะกระตุ้น มีการสั่ นอย่ างรุนแรง
3 แรงผลักระหว่ างโปรตอนจะทาให้ เกิดการบิดเบียว
                                             ้
   ่ ้
 ยิงขึน
4 นิวเคลียสแตกออกเป็ นสองส่ วน โดยมีนิวตรอน
 จานวนหนึ่ง 2-3 ตัว และพลังงาน
• กระบวนการแบ่ งแยกนิวเคลียสจะมีนิวตรอน
  จานวนหนึ่ง 2-3 ตัวในแต่ ละปฏิกริยา ซึ่งิ
                   ้ ่
  นิวตรอนใหม่ นีอาจวิงชนนิวเคลียสของ
                                   ิ
  ยูเรเนียมต่ อไป ทาให้ เกิดปฏิกริยาต่ อเนื่อง
        ิ           ้                ิ
  ปฏิกริยาทีเ่ กิดขึนเรียกว่ าปฏิกริยาลูกโซ่
  (chain reaction) ปฏิกริยานีเ้ กิดขึนใน
                                       ิ        ้
  ช่ วงเวลาน้ อยกว่ า 10 -6 วินาที จึงให้ ค่าพลังงาน

  มหาศาล
กระบวนการหลอมนิวเคลียส
• Hans Bethe อธิบายว่ า การเกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ แบบ
                                   ิ
  หลอมนิวเคลียสเกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียสเบาสอง
  นิวเคลียสแล้ วกลายเป็ นนิวเคลียสหนักหนึ่งนิวเคลียส และปล่ อย
  พลังงานมหาศาลออกมา
• กระบวนการหลอมนิวเคลียสเกิดขึนทีอุณหภูมิ
                                 ้ ่
  ประมาณ 10 ล้ านเคลวิน ภายใต้ ความดันสู ง
1 วัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)
            ขั้นตอนของวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน
              1
              1   H  H  H  e  ..........
                      1
                      1
                              2
                              1
                                          0
                                          1.......... 1
                                                   ..
              1
              1   H 1 H 23He   ..........
                     2
                                                   ......
                                           .......... 2
              3
              2   He H  He e  ..........
                          1
                          1
                                  4
                                  2
                                              0
                                           .........
                                                   3
                                              1

    หรื อ
              3
              2   He He He  2 H ..........
                          3
                          2
                                      4
                                      2
                                                  1
                                           .........
                                                   4
                                                  1


• นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัว รวมกันได้ อนุภาคแอลฟา 1 ตัว
  โปรตอน 2 ตัว และโพซิตรอนอีก 2 ตัว พร้ อมกับให้ พลังงาน
  ประมาณ 25 MeV
พลังงานทีได้ จากกระบวนการหลอมนิวเคลียสมีชื่อเรียกอีกอย่ างว่ า พลังงานเทอร์
            ่
 โมนิวเคลียร์
กระบวนการหลอมนิวเคลียสให้ พลังงานมากกว่ ากระบวนการแบ่ งแยกนิวเคลียส
 เมื่อเทียบต่ อนิวคลีออนประมาณ 10 เท่ า
นอกจากวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แล้วยังมีวฏจักรั
                   ้       ่ ี
 คาร์ บอนทีเ่ กิดขึนบนดาวทีมอุณหภูมิสูงกว่าดวงอาทิตย์ โดยมีกระบวนการดังนี้
                     1
                     1   H 12C 13N
                             6    7

                        13
                         7 N 13C  1 e
                               6
                                    0


                     1
                     1   H 13C 13N
                             6    7

                     1
                     1   H 14N 15O
                             7    8
                   15
                    8   O 15N  1 e
                            7
                                 0


                     1
                     1   H 15N 12 C  2 He
                             7    6
                                        2

								
To top