ชนิดของกัมมันตภาพรังสี

          กัมมันตภาพรังสีมี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา (alpha) รังสีบีตา (Beta) และรังสีแกมมา (gamma)

สมบัติของกัมมันตภาพรังสี

          รังสีแอลฟา (alpha) คือ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค มีมวลประมาณ 4U และมีประจุ +2e โดยเฉลี่ย มีพลังงานประมาณ 4 – 10 MeV เมื่อเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้อากาศที่รังสีผ่านเกิดการแตกตัวเป็นอิออนได้จำนวนมาก (เพราะอนุภาคแอลฟามีขนาดใหญ่และมีประจุมากกว่ารังสีชนิดอื่น จึงเกิดชนและเหนี่ยวนำอะตอมของอากาศให้แตกตัวได้มาก) ทำให้อนุภาครังสีแอลฟามีการสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วจึงมีอำนาจการทะลุผ่านน้อย (สามารถวิ่งผ่านอากาศไปได้ไกลเป็นระยะทางประมาณ 3-5  เซนติเมตรเท่านั้น) ดังนั้นเพียงกระดาษแผ่นบาง ๆ ก็จะสามารถกั้นรังสีชนิดนี้ไม่ให้ผ่านได้ และจากมวลและประจุของอนุภาคแอลฟา

รังสีบีตา (Beta) คือ อิเล็กตรอน เป็นอนุภาคมีมวล, มีประจุไฟฟ้าลบ, เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเกือบเท่าความเร็วแสง, มีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง

1. การสลายตัวให้บีตาบวก (หรือโพซิตรอน (positron)) เกิดจากการที่ proton 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเป็น Neutron 1 ตัว ทำให้ Nucleus ใหม่ที่เกิดมีเลข atom ลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดิมพร้อมกับให้โพซิตรอนออกมา

2. การสลายตัวให้บีตาลบ (หรือ electron) เกิดจากการที่ neutron 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเป็น proton 1 ตัว ภายใน Nucleus  ทำให้ Nucleus ที่เกิดใหม่มีเลข atom เพิ่มขึ้น               แต่เลขมวลคงเดิมพร้อมกับให้อิเล็กตรอนออกมา เมื่อเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออนได้แต่น้อยกว่ารังสีแอลฟาและสามารถวิ่งฝ่าอากาศได้เป็นระยะทางประมาณ 1-3  เมตร รังสีบีตาจึงต้องใช้กระดาษหนา ๆ หรือแผ่นอะลูมิเนียมบาง ๆ กั้น

ภาพความสามารถในการเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางของรังสี
ที่มา : https://kruannchemistry.wordpress.com/2012/09/26/ธาตุกัมมันตรงสี/

          รังสีแกมมา (Gamma rays) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวช่วงคลื่นสั้นมาก, ความถี่สูง (มากกว่ารังสี X)  มีความเร็วเท่ากับแสงในสุญญากาศ, มีอำนาจทะลวงสูง, ไม่มีประจุไฟฟ้า (จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าหรือในสนามแม่เหล็ก) ผ่านคอนกรีตหนา 1/3 เมตร ได้เช่นเดียวกับรังสีเอกซ์ เนื่องจากรังสีแกมมาเป็นรังสีที่ไม่มีมวลและประจุไฟฟ้า จึงทำให้สสารที่รังสีนี้ผ่านเกิดการแตกตัวได้น้อยมาก

          การสลายตัวให้รังสีแกมมา (Gamma decay ) รังสีเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานใน Nucleus ถ้า Nucleus  อยู่ในระดับพลังงานสูงก่อนที่จะกลับสู่ภาวะพื้นฐาน Nucleus จะต้องคายพลังงานออกในรูปของรังสี Gamma

ธรรมชาติของกัมมันตรังสี

1. ทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่ฉาบไว้ที่ฟิล์มถ่ายรูป เช่นเดียวกับแสง

2. ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นโดยรอบในอากาศเพราะรังสีทำให้อะตอมของอากาศเกิด Ionization

3. ทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้นที่สารบางชนิดได้

4. มีผลทางกายภาพต่อสิ่งมีชีวิต เช่น สามารถฆ่าแบคทีเรียได้

5. จะแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลาและตัวเองจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่น ตามเวลาที่เปลี่ยนไป

การตรวจสอบรังสี

1. ใช้ฟิล์มถ่ายรูปซึ่งเรียกว่า Film Badges เป็นกลักสี่เหลี่ยมบรรจุฟิล์มไว้

2. ใช้ Electroscope (ถ้าเป็น Dosimeter จะบอกปริมาณรังสีบนสเกลด้วย)

3. Geiger – Muller Counter

ตัวอย่างที่ 1 จงเลือกข้อความให้เหมาะสมที่สุดกับกัมมันตรังสี แอลฟา, บีตา, แกมมา

1. มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด ตอบ รังสีแกมมา

2. ถูกดูดกลืน (ผ่านไม่ได้) โดยง่าย โดยแผ่นอะลูมิเนียมบาง ตอบ รังสีแอลฟา

3. มีความสามารถในการทำให้แก๊สมีการแตกตัวเป็นไอออนได้ดี ตอบ รังสีแอลฟา

4. ต้องใช้วัสดุหนาในการกั้นรังสี ชนิดนั้น ตอบ รังสีแกมมา

5. ไม่สามารถเบี่ยงเบนด้วยสนามไฟฟ้า ตอบ รังสีแกมมา

6. ระหว่าง รังสีแอลฟา กับรังสีบีตา แนวทางเคลื่อนที่โค้ง ซึ่งมีรัศมีความโค้งมาก เมื่อเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก ตอบ รังสีแอลฟา (รังสีมาก แปลว่าเบนน้อย)

7. ระหว่าง รังสีแอลฟา กับรังสีบีตา (ถ้าไม่คิดเครื่องหมาย) อัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้ากับมวล (q/m) มีค่ามากที่สุด ตอบ รังสีบีตา

ตัวอย่างที่ 2 ทำไมเราจึงทราบว่ารังสี แอลฟา, บีตา, แกมมา มีประจุไฟฟ้าบวก, ลบ และเป็นกลาง

        ตอบ ดูจากการเบนของรังสีในสนามแม่เหล็ก โดยรังสีแกมมาจะไม่เบนในสนามแม่เหล็กจึงไม่มีประจุไฟฟ้า รังแอลฟาจะเบนในสนามแม่เหล็กเหมือนประจุบวกทั่วไป และรังสีบีตาจะเบนในสนามแม่เหล็กแต่มีทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟาจึงเป็นประจุไฟฟ้าลบ และรังสีบีตาจะเบนมากที่สุด รัศมีความโค้งสั้น

ตัวอย่างที่ 3 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ข้อใดที่เป็นสมบัติของรังสีแอลฟา

1. เมื่อเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก แนวการเคลื่อนที่เป็นแนวโค้ง

2. มีความสามารถในการทำให้แก๊สแตกตัวเป็นอิออนได้

3. สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษ หนา ๆ ได้

คำตอบที่ถูกต้องคือ

1. ข้อ A เท่านั้น                  

2. ข้อ B เท่านั้น

3. ข้อ A, B

4. ข้อ A, B  และ C

       เฉลย ข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 เพราะสมบัติของรังสีแอลฟาจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก แนวการเคลื่อนที่เป็นแนวโค้ง และมีความสามารถในการทำให้แก๊สแตกตัวเป็นอิออนได้

ตัวอย่างที่ 4  จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ข้อใดเกี่ยวข้องกับการเกิดของอนุภาคบีตาลบ

1. อิเล็กตรอนที่มีอยู่เดิมในนิวเคลียส

2. อิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคลียส

3. การเปลี่ยนแปลงโปรตอนเป็นนิวตรอนในนิวเคลียส

4. การเปลี่ยนแปลงนิวตรอนเป็นโปรตอนในนิวเคลียส

       เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 อนุภาคบีตาลบ เพราะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนเป็นโปรตอนในนิวเคลียส

ตัวอย่างที่ 5 ธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งให้รังสีชนิดหนึ่งออกมาโดยมีคุณสมบัติดังนี้

1. เมื่อตรวจสอบด้วยเครื่องไกเกอร์เคาว์เตอร์จะไม่ทำงาน

2. เมื่อวัดระยะการผ่านทะลุสิ่งกีดขวางจะได้ไกลประมาณ 60 มิลลิเมตร ในอากาศ

3. ต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มี Flux density สูงมาก ๆ จึงจะทำให้รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุนี้เบี่ยงเบนได้

       รังสีชนิดนี้ คือข้อใด

1. รังสีแอลฟา

2. รังสีบีตา 

3. รังสีแกมมา

4. ทั้งรังสีแอลฟา และรังสีแกมมา

        เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 2 รังสีบีตา  เพราะสามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้ มีความเร็วสูงมากเกือบเท่าแสง และอำนาจทะลุทะลวงปานกลางสามารถวิ่งฝ่าอากาศได้เป็นระยะทางประมาณ 1-3  เมตร รังสีบีตาจึงต้องใช้กระดาษหนา ๆ หรือแผ่นอะลูมิเนียมบาง ๆ กั้น

แหล่งที่มา

กฤตนัย (สมชาย)  จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

ธิดารัตน์  แสงฮวด. (2557). ธาตุกัมมันตรังสี. สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม  2563,  จาก https://kruannchemistry.wordpress.com/2012/09/26/ธาตุกัมมันตรงสี/

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

          ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบที่นิวเคลียส โดยทั่วไปปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดจากการยิงอนุภาคต่าง ๆ เช่น นิวตรอน, โปรตอน, ดิวเทอรอน, แอลฟา ที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูง ชนเป้าซึ่งเป็นนิวเคลียสของธาตุ ทำให้เปลี่ยนองค์ประกอบของนิวเคลียสเดิม หรือเกิดนิวเคลียสของธาตุใหม่ขึ้น เช่น ยิงดิวเทอรอนไปที่ C – 12

¹²₆C + ²₁H    ----->   ¹³₇N +  ¹₀n

         ปฏิกิริยานี้

          อนุภาคที่วิ่งเข้าชน คือ  ²₁H

         นิวเคลียสที่เป็นเป้า คือ  ¹²₆C

         นิวเคลียสของธาตุใหม่ คือ  ¹³₇N

         อนุภาคที่เกิดขึ้นมา คือ ¹₀n

         จึงเขียนเป็นสมการได้ว่า   x + a ---> y +  b หรือเขียนย่อ ๆ ว่า x(a, b)y  และเรียกชื่อปฏิกิริยานี้ว่า (a, b) ของนิวเคลียส x  ดังนั้น สมการตอนแรก ย่อมเรียก ชื่อปฏิกิริยาว่า (d, n) ของนิวเคลียส ¹²₆C 

การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ต้องเป็นไปตามหลักดังนี้

1. หลักการคงที่ของจำนวนนิวคลีออน คือ ผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน

2. หลักการคงที่ของประจุไฟฟ้า

3. หลักการคงที่ของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและพลังงานก่อนปฏิกิริยากับหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน

4. หลักการคงที่ของโมเมนตัมเชิงเส้น

ไอโซโทปของไฮโดรเจนมี 3 ชนิด ได้แก่

1. ไฮโดรเจนธรรมดามีอยู่ 99.985 % ในธรรมชาติ มีมวล 1.0078 u

2. ดิวทีเรียม (Deuterium) มีอยู่ 0.015% ในธรรมชาติ มีมวล 2.0141 u

3. ทริเตียม (Tritium) ส่วนใหญ่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีมวล 3.0160 u

เพื่อความสะดวกในการเรียก นักวิทยาศาสตร์ นิยามต่อไปนี้

1. ใช้สัญลักษณ์ A แทนจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส เรียกว่า mass number

2. ใช้สัญลักษณ์ Z แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม ดังนั้น Z คือ atomic number

3. ให้ n แทน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส

4. ทั้งโปรตอนและนิวตรอนเรียกรวม ๆ กันว่า นิวคลีออน (nucleon)

5. นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนปกติ เรียกว่า โปรตอน (p)

6. นิวเคลียสของดิวทีเรียม เรียกว่า ดิวเทอรอน (deuteron, d)

7. นิวเคลียสของทริเตียม เรียกว่า ทริตอน (triton, t)

8. สัญลักษณ์ที่ใช้แทนนิวไคลด์ คือ ^A_ZX ที่ควรทราบได้แก่

                 ¹₁H หมายถึง ไฮโดรเจนนิวเคลียส หรือ โปรตอน

                 ²₁H หมายถึง ดิวทีเรียมนิวเคลียส หรือ ดิวทีรอน

                ³₁H หมายถึง ทริเตียมนิวเคลียส หรือ ทริตอน

                ¹₀n หมายถึงนิวตรอน

                ⁰_-1e หมายถึง อิเล็กตรอน

               ⁰₊₁e หมายถึง โพสิตรอน

               ³₂H หมายถึง Helium -3 เป็นไอโซโทปของฮีเลียม

              ⁴₂H หมายถึง นิวเคลียสของฮีเลียมปกติ

ตัวอย่างที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างเลขมวลอะตอม Z และเลขมวล A เมื่อจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเท่ากับ N คือข้อใด

1. A = Z + N 2. A = Z – N

2. A = N/Z 4. A = N – Z

เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1 เพราะเลขมวล = จำนวน P + จำนวน n

       A = Z + N

ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาอะตอมของ   ²¹⁰₈₄Po  ข้อใดถูกต้อง

1. มีจำนวนนิวคลีออน = 210 จำนวนนิวตรอน = 84

2. มีจำนวนอิเล็กตรอน = 84 จำนวนนิวตรอน = 126

3. มีจำนวนอิเล็กตรอน = 126 จำนวนโปรตรอน =84

4. มีจำนวนนิวคลีออน =210 จำนวนอิเล็กตรอน = 126

        เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 2     ²¹⁰₈₄Po แสดงว่า เลขอะตอมเป็น 84 มีจำนวนโปรตอน 84 ตัว (มีจำนวนอิเล็กตรอน 84 ตัว ในอะตอมที่เป็นกลาง) และมีนิวตรอน

เท่ากับ 210 – 84 =126  ตัว

ตัวอย่างที่ 3 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ ข้อใดกล่าวถูกต้อง เกี่ยวกับเลขอะตอมของธาตุ

       A  จำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่นอกนิวเคลียสในอะตอมของธาตุที่เป็นกลาง

       B  จำนวนโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียส

       C  ผลต่างระหว่างจำนวนนิวเคลียสกับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส

1. ข้อ A, B และ C

2. ข้อ A  และ B

3. ข้อ B และ C

4. ข้อ B

       เฉลย  คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1 เลขอะตอมของธาตุ แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส  ซึ่งจะมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่นอกนิวเคลียสในอะตอมของธาตุที่เป็นกลาง และมีค่าเท่ากับผลต่างระหว่างจำนวนนิวเคลียสกับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส

ตัวอย่างที่ 4 ธาตุที่มีมวลมากกว่ายูเรเนียมทำให้เกิดได้ ตามข้อใด

1. ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับดิวทีรอน

2. ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับโปรตอนแล้วสลายให้โพสิตรอน

3. ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้อิเล็กตรอน

4. ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้โพสิตรอน

       เฉลย  คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 ธาตุที่มีมวลมากกว่ายูเรเนียม ทำให้เกิดได้โดยทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้อิเล็กตรอน

ตัวอย่างที่ 5  ²³⁸₉₂U สลายตัวให้แอลฟา 1 อนุภาค และบีตา 2 อนุภาค  จะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขมวลและเลขอะตอมเป็นเท่าไร

1. เลขมวล 234 และเลขอะตอม 92 2. เลขมวล 92  และเลขอะตอม 235

2. เลขมวล 242 และเลขอะตอม 92 4. เลขมวล 242 และเลขอะตอม 91

เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1

                                                                ²³⁸₉₂U ----->  ²³⁴₉₂X + ⁴₂He + 2 ⁰_-1e

ตัวอย่างที่ 6 ยิงนิวตรอนตัวหนึ่งเข้ากับนิวเคลียสของ  ²³⁶₉₂X ซึ่งจะทำให้เกิดสนามนิวตรอน นิวเคลียส   ¹⁴¹₅₆Y และนิวเคลียสของอะตอม Z จงหาค่าเลขมวล และเลขอะตอมของ Z

1. 50, 36 2. 92, 33

2. 94, 33 4. 92, 36

เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 4  

²³⁶₉₂X   ---->  ¹⁴¹₅₆Y + ⁹²₃₆Z + 3¹₀n

ตัวอย่างที่ 7 อะตอมของธาตุ    ¹⁹⁶₇₈Pt  และ  ¹⁹⁷₇₉Au  จะมีจำนวนอะไรเท่ากัน

1. นิวคลีออน

2. นิวตรอน 

3. โปรตอน

4. อิเล็กตรอน

เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 2    ¹⁹⁶₇₈Pt   มีนิวตรอน เท่ากับ 196 – 78 = 118 ตัว

                                        ¹⁹⁷₇₉Au  มีนิวตรอน เท่ากับ 197 – 79 = 118 ตัว

ตัวอย่างที่ 8 ถ้าส่วนหนึ่งของการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตรังสี เป็นดังนี้

                                  ²³⁸₉₂U  --->  ²³⁴₉₀Th  --->  ²³⁴₉₁Pa ---> ²³⁴₉₂U

รังสีที่ได้จากการสลายตัวตามลำดับ คือข้อใด

1. แอลฟา, บีตา, บีตา

2. แอลฟา, บีตา, แอลฟา

3. บีตา, บีตา, แอลฟา

4. บีตา, แอลฟา, บีตา

       เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ4 ถ้ามวลลดลง 4 amu. จะปล่อยรังสีแอลฟา 1 ตัว (ซึ่งจะทำให้ประจุลดลง 2 ด้วย) ถ้ามวลเท่าเดิม แต่ประจุเพิ่ม 1 จะปล่อยอิเล็กตรอน 1 ตัว

แหล่งที่มา

กฤตนัย (สมชาย)  จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

ทัศนพล  บุณยรัตนสุนทร. (มมป). สมบัติของธาตุและสารประกอบ. สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม  2563,  จาก  http://119.46.166.126/self_all/selfaccess10/m4/chemical4_2/Lesson4/Lesson4.php

 เวลาครึ่งชีวิต

          เวลาครึ่งชีวิต คือเวลาที่สารนั้นใช้ในการสลายตัวไปจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม สมมติสารกัมมันตรังสีอย่างหนึ่ง มีมวล N_o กิโลกรัม มีมวลครึ่งชีวิต = t  ชั่วโมง หมายความว่า

          ในเวลา t ชั่วโมง ต่อไป จะเหลือ N₀ /2 กิโลกรัม

          ในเวลา t ชั่วโมง ต่อไป จะเหลือ (N₀ /2)/2 = N₀ /2²   กิโลกรัม

          ในเวลา t ชั่วโมง ต่อไป จะเหลือ (N₀ /2² )/2 = N₀ /2³  กิโลกรัม

          ในเวลา n = ช่วงของเวลาครึ่งชีวิต (Half life)  จะเหลือ N₀ /2ⁿ

จะได้   N = N₀ /2ⁿ

          N คือ มวลที่เหลือ

         N₀ คือ มวลในตอนแรก

        N คือ จำนวนช่วงของ  เวลาครึ่งชีวิต (Half life)

หมายเหตุ ถ้าเวลาครึ่งชีวิตเป็น T ชั่วโมง

        เวลา t ชั่วโมง จะเป็นกี่ช่วงของ เวลาครึ่งชีวิต (Half life)

        T ชั่วโมง เป็น 1 ช่วง

        ดังนั้น t  ชั่วโมง เป็น t /T ช่วง

        จะได้ จำนวนช่วง เวลาครึ่งชีวิต (Half life)  (n) = t /T

       การคำนวณ เวลาครึ่งชีวิต (Half life) ที่ไม่เป็นครึ่งหนึ่งพอดี

       ถ้าเวลาครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสีเป็น T วัน

       ดังนั้น จะได้ว่า t วัน ย่อมเป็น t /T ช่วง (ของเวลาครึ่งชีวิต (Half life))

                  N = N₀ /2ⁿ

             N/N₀ = 1/2ⁿ

                     = (1/2)ⁿ

  จะได้  N/N₀ = (1/2)^t/T

 กฎการสลายตัว

          การสลายตัว คือ การที่นิวเคลียสของสารอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น จะปล่อยอนุภาคออกมาแล้วเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่

          กัมมันตภาพ (Activity) คือ อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี

          ค.ศ. 1902 รัทเทอร์ฟอร์ดและซอดดี (Soddy) ได้ตั้งกฎการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีว่า การสลายตัวของนิวเคลียสนั้น ไม่สามารถบอกได้ว่านิวเคลียสตัวใดจะสลายตัวเมื่อใด บอกได้เพียงความน่าจะเป็น (Probability) ของการสลายตัวของนิวเคลียสเท่านั้น

          อย่างไรก็ตาม พบว่า การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี จะเป็นไปตามหลักสถิติของโอกาสและกระบวนการสุ่ม คือ ในขณะที่จำนวนนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสีนั้นมีอยู่มากนิวเคลียสที่สลายตัวจะมีจำนวนมากและเมื่อจำนวนนิวเคลียสมีอยู่น้อย นิวเคลียสที่สลายตัวก็จะมีจำนวนน้อย นิวเคลียสจะไม่ได้สลายตัวพร้อมกันหมด แต่ทุก ๆ นิวเคลียสจะมีโอกาสในการสลายตัวเท่า ๆ กัน

          ดังนั้นที่เวลาหนึ่ง ๆ อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรัง จะแปรผันโดยตรงกับจำนวนของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสีชนิดนั้นที่มีอยู่ในขณะนั้น

          ถ้าให้ที่เวลา t ใด ๆ มีจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีอยู่จำนวน N นิวเคลียส (อะตอม) เมื่อเวลาผ่านไปช่วงเวลาสั้น ๆ เป็น  Δt มีนิวเคลียสสลายตัวไปเป็นจำนวน ΔN (ในช่วงเวลา Δt นั้น) อัตราการสลายตัว คือ  จำนวนนิวเคลียสที่สลาย (ΔN) ต่อเวลาที่ใช้ (Δt) จะแปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียส (N) ขณะนั้น

          อัตราการสลายตัว = ΔN/Δt แปรผันตรงกับ N

          หรือเขียนเป็นสมการได้คือ ΔN/Δt = - λN

          เมื่อ λ คือ ค่าคงตัวของการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสี (ซึ่งจะขึ้นกับชนิดของธาตุกัมมันตรังสีหนึ่ง ๆ) เรียกว่า ค่าคงตัวการสลายตัว (decay constant  หน่วยเป็นต่อวินาที หรือ s^-1)  ส่วนเครื่องหมายลบ ในสมการแสดงถึงการสลายตัวที่เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบลดจำนวนลงของนิวเคลียส

          นักวิทยาศาสตร์ พบว่า มีช่วงเวลาอันหนึ่ง เป็นช่วงเวลาที่คงที่สำหรับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี คือ เวลาที่จะทำให้ธาตุกัมมันรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งต้น (คือ เป็นเวลาที่จะทำให้  m = m₀ /2) ช่วงเวลาดังกล่าวนี้จะเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต Half life ใช้สัญลักษณ์เป็น T_1/2) กล่าวคือ เมื่อเวลาผ่านไปเท่ากับเวลาครึ่งชีวิต (t = T_1/2 ) จะทำให้ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งต้น   (m = m₀ /2) และเวลาครึ่งชีวิตจะสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายตัวตามสูตร  T_1/2 = 0.693/ λ

          และเนื่องจากค่าคงตัวการสลายเป็นค่าคงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ดังนั้น ช่วงเวลาครึ่งชีวิต (T_1/2) จึงต้องเป็นค่าที่คงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ด้วย กล่าวคือ ไม่ว่าจำนวนธาตุกัมมันตรังสีเริ่มต้นจะเป็นเท่าไรช่วงเวลาที่จะสลายจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้นนั้นจะเท่ากันเสมอ เช่น ถ้ามีกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งเริ่มต้นมีอยู่ 200  หน่วย สลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่ง คือ 100  หน่วย จะใช้เวลาเท่ากันกับ การสลายตัวจาก 100 หน่วยไปจนเหลือครึ่งคือ 50 หน่วย และจะใช้เวลาเท่ากันกับการสลายตัวจาก 50 หน่วยไปจนเหลือครึ่ง คือ 25 หน่วย (ช่วงเวลาดังกล่าวจึงเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต)

ตัวอย่างที่ 1  ข้อใดต่อไปนี้คือความหมายของค่าสลายตัวคงที่

1. อัตราการแผ่รังสีของอะตอมกัมมันตภาพรังสีจำนวน 1 โมล

2. โอกาสที่ 1 นิวเคลียสจะแผ่รังสีได้ใน 1 หน่วยเวลา

3. ส่วนกลับของครึ่งชีวิตที่มีหน่วยเป็นต่อวินาที

4. กัมมันตภาพของเรเดียม -226 จำนวน 1 กรัม

        เฉลย  คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 2 เพราะ ค่าสลายตัวคงที่ คือโอกาสที่ 1 นิวเคลียสจะแผ่รังสีได้ใน 1 หน่วยเวลา

ตัวอย่างที่ 2 ละอองกัมมันตรังสีที่ปนเปื้อนมากับนมผงลอยลมจากรัสเชีย ทำให้ประเทศยุโรปผลิตนมเปื้อนสารรังสีส่งมาขายยังประเทศไทย สารกัมมันตรังสีที่ปนเปื้อนมีหลายชนิด สมมติว่าทุกชนิดมีปริมาณของละอองใกล้เคียงกันสารที่มีครึ่งชีวิตเท่าใดที่จะเป็นปัญหามากที่สุด (นมผงที่มีรังสีปนเปื้อนมาถึงไทยใช้เวลา ประมาณ 4 เดือน)

1. ยูเรเนียม -235 7.1 x 10² ปี

2. ไอโอดีน  -131  8.0 x 10⁰  วัน

3. ซีเซียม -137 3.0 x 10¹ ปี    

4. เงิน -110  2.4 x 10¹ วินาที

       เฉลย  คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 3  เพราะ  ข้อ 2, 4 สลายหมดเร็ว อันตรายน้อย (เพราะสลายไปมาก ก่อนถึงประเทศไทย)

                 ข้อ 1 แผ่ใช้เวลานานเกินไป จึงแผ่ออกมาน้อยมาก

                 ข้อ 3  แผ่รังสีออกมาค่อนข้างมาก ในช่วงเวลา 3 ปี, 6 ปี

ตัวอย่างที่ 3 ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับ ความหมายของ ไอโซโทปชนิดหนึ่งมีครึ่งชีวิต 8 ปี

1. เวลาผ่านไป 1 ปี 1/8 ของไอโซโทปได้สลายตัวไป

2. เวลาผ่านไป 1 ปี 1/8 ของไอโซโทปยังคงเหลืออยู่

3. เวลาผ่านไป 4 ปี 1/4 ของไอโซโทปได้สลายตัวไป

4. เวลาผ่านไป 16 ปี ไอโซโทปยังคงเหลืออยู่

       เฉลย  คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 4 เพราะเหลืออีก 1/4 ของเดิม

แหล่งที่มา

กฤตนัย (สมชาย)  จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

กมลชนก กันทะเดช . (2558). ความน่าจะเป็น. สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม  2563,  จาก https://tianmime.wordpress.com/ความน่าจะเป็น/

 พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

          เมื่อเราให้พลังงานที่พอเหมาะแก่นิวเคลียส จะสามารถทำให้นิวคลีออนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสนั้นแยกตัวออกจากกันเป็นอนุภาคเดี่ยว ๆ  เมื่ออนุภาคโปรตอน และนิวตรอน (ซึ่งเป็นนิวคลีออน) เกิดการรวมตัวกันขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอมก็จะเกิดการคายพลังงานส่วนหนึ่งออกมา พลังงานที่ทำให้นิวเคลียสแยกตัวออกและพลังงานที่คายออกมาเมื่อนิวคลีออนรวมตัวเป็นนิวเคลียสจะมีค่าเท่ากัน ค่าพลังงานนี้เรียกว่า พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding energy, BE.)

          จะพบว่าจากการที่ได้ศึกษาพลังงานยึดเหนี่ยวจะทำให้เราทราบว่าพลังงานยึดเหนี่ยวเกิดขึ้นได้อย่างไร  ก็พบว่าเมื่อเปรียบเทียบมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมตัวกันเพื่อเกิดเป็นนิวเคลียส กับมวลของนิวเคลียสที่เกิดจากการรวมตัวนั้น มีค่าไม่เท่ากัน กล่าวคือ มวลของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมกันจะมีค่ามากกว่ามวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวนั้นเสมอ แสดงว่าการรวมกันของนิวคลีออนเพื่อเกิดเป็นนิวเคลียสจะมีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลที่หายไปนี้เรียกว่า มวลพร่อง (mass defect  ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น Δm) ซึ่งมวลที่หายไปนี้ไอน์สไตน์อธิบายว่าจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาที่ว่า E = mc²   และพลังงานที่ได้นี้ก็คือพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสนั่นเอง

          พิจาณานิวเคลียสธาตุ  ^A_ZX ที่มีเลขมวล A  เลขอะตอม Z นิวเคลียสนี้ประกอบด้วยโปรตอน Z ตัว และนิวตรอนจำนวน (A – Z) ตัว เขียนเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของโปรตอน และนิวนิวตรอนเกิดเป็นนิวเคลียส X  คือ

                    Z(¹₁H) + (A –Z) ¹₀n    --->   ^A_ZX

ถ้าให้โปรตอนมีมวล m_p ให้นิวตรอนมีมวล m_n  และนิวเคลียสธาตุ X มีมวล m_x มวลพร่องหรือมวลที่หายไปในการรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเพื่อเป็นนิวเคลียส X จะเท่ากับมวลรวมของโปรตอนกับนิวตรอน ลบด้วยมวลนิวเคลียส เขียนเป็นสมการ คือ

                  Δm = (Z(m_p) + (A – Z) m_n) - m_x

มวลพร่อง ที่เกิดขึ้นจะกลายเป็นพลังงานที่คายออกมา ซึ่งจะเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว (BE.) ของนิวเคลียสตามสมการ

                  BE. = (Δm)c² เมื่อ c คือความเร็วแสง = 3 x 10⁸ m/s

หมายเหตุ

       จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลและพลังงานสามารถจะเปลี่ยนรูปกันได้ตามความสัมพันธ์

                                        E = mc²  เมื่อ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ

       นั่นคือ ถ้ามีมวล m = 1  กิโลกรัม หายไปจะกลายเป็นพลังงานที่มีค่า

                                        E = (1)(3 x 10⁸)² = 9 x 10¹⁶ จูล

        ในทำนองกลับกัน พลังงานจำนวน 9 x 10¹⁶ จูล ถ้าหายไปก็จะกลายเป็นมวลขนาด 1 กิโลกรัม

         แต่ในระดับของอะตอม มวลที่หายไปจะน้อยมากมีหน่วยเป็น u (unified atomic mass unit) จึงอาจคิดค่าพลังงานเทียบกับมวลในหน่วยของ u คือ สำหรับมวล 1 u = 1.6605 x 10^-27  กิโลกรัม เมื่อเปลี่ยนกลายเป็นพลังงานจะเทียบเท่ากับพลังงาน

          E = (1.6605 x 10^-27)(2.9979 x 10⁸)²

             = 1.4923 x 10^-10 จูล

เมื่อเปลี่ยนเป็นหน่วย eV; E = (1.4923 x 10^-10)/(1.6022 x 10^-19)

            = 931.44 x 10⁶

            = 931 MeV

ดังนั้น มวล 1 u จะเทียบเท่ากับพลังงานประมาณ 931 MeV

ดังนั้นถ้ามีมวล (Δm) u หายไปจะกลายเป็นพลังงานตามความสัมพันธ์

            BE.    = (Δm)(931) MeV

สิ่งที่ควรรู้

          ค่ามวลที่นำมาคำนวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยวนั้น (Δm)จะต้องเป็นมวลของนิวเคลียสจริง ๆ (คือมวลอะตอมลบด้วยมวลอิเล็กตรอนในอะตอมนั้น) แต่ในทางปฏิบัติเราสามารถใช้มวลอะตอมมาคำนวณได้เลย เพราะในการรวมตัวนั้นทั้งสองข้างสมการจะต้องมีประจุเท่ากันคือมวลอะตอมทั้งสองข้างจะถูกลบด้วยอิเล็กตรอนในจำนวนที่เท่ากัน ทำให้การนำมวลอะตอมมาคำนวณจึงไม่ต่างกับการนำมวลนิวเคลียสมาคำนวณ

          จากการคำนวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสธาตุต่าง ๆ พบว่า ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวจะแปรผันตรงกับจำนวนนิวคลีออนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงว่านิวคลีออนที่เพิ่มขึ้นจะไม่ทำให้ความสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนเดิมเปลี่ยนแปลง ทำให้ได้ข้อสรุปว่า แรงนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสนั้น จะเป็นแรงที่กระทำเฉพาะนิวคลีออนที่ติดกันเท่านั้น (คือเป็นแรงในช่วงสั้น ๆ พ้นจากระยะนี้แล้วอำนาจดึงดูดของแรงจะหมดไป) ดังนั้นการจะพิจารณาว่านิวเคลียสใดมีเสถียรภาพมากกว่ากัน (นิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากคือ นิวคลีออนของนิวเคลียสหลุดออกไปได้ยาก หรือต้องใช้พลังงานสูงในการแยกนิวคลีออน) จึงต้องพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนของนิวเคลียสนั้น นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่าก็จะมีเสถียรภาพมากกว่า (แตกตัวได้ยากกว่า)

          พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน (BE./nucleon) = (พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส)/(จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส)

สรุปพลังงานยึดเหนี่ยว(Binding  Energy)

การที่โปรตอนและนิวตรอนสามารถอยู่กันได้ในนิวเคลียส เพราะมีพลังงานยึดเหนี่ยว

1. มวลของนิวเคลียสน้อยกว่า ผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอน (ในสภาพอิสระ) ที่ประกอบเป็นนิวเคลียสเสมอ

2. มวลส่วนที่หายไป เรียกว่า มวลพร่อง (mass defect)

3. เทียบมวลเป็นพลังงานได้จาก E = mc²

ตัวอย่างที่ 1 ข้อใดถูกต้อง ถ้าพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียสเมื่อเทียบกับ Ionization Energy ของอะตอม  

1. น้อยกว่า

2. เท่ากัน

3. มากกว่า

4. อาจจะมากกว่าหรือน้อยกว่าก็ได้

        เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 3    BE. ในนิวเคลียสมีค่าในหน่วย MeV  เพราะประจุอยู่ใกล้กันมาก ต้องใช้พลังงานยึดเหนี่ยวมาก ส่วน Ionization Energy มีค่าในหน่วย eV เท่านั้น

ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้

1. ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนนิวคลีออนเพิ่มขึ้น

2. นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงมีเสถียรภาพดีกว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวรวมสูง

3. ข้อ A และ B ถูก และ B เป็นเหตุผลของ A

4. ข้อ A และ B ถูก และ B ไม่เป็นเหตุผลของ A

5. ข้อ A ถูก ข้อ B ผิด  

6. ข้อ A ผิด ข้อ B ถูก

       เฉลย   คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 3    ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนนิวคลีออนเพิ่มขึ้น

แหล่งที่มา

กฤตนัย (สมชาย)  จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

กมลชนก กันทะเดช . (2558). ความน่าจะเป็น. สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม  2563,  จาก https://www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/nuclear/nuclear_3.htm

 ปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน

          ในที่นี้จะขอกล่าวถึงปฏิกิริยาของนิวเคลียส (Nuclear Reaction) ก่อน ซึ่งปฏิกิริยาของนิวเคลียส ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปชน Nucleus  ทำให้ Nucleus แตกออก ปฏิกิริยาของนิวเคลียส มีส่วนสำคัญ คือ

1. ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดใน Nucleus ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับ electron ภายในอะตอมเท่านั้น

2. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง Nucleus

3. แรงจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นแรงแบบใหม่เรียกว่า แรง Nuclear ซึ่งมีอัตรกิริยาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของ Nucleus เท่านั้น

4. ในปฏิกิริยานิวเคลียร์เราสามารถนำกฎต่าง ๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟ้า

          จากการศึกษาเรื่องของพลังงานนิวเคลียร์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ เราสามารถสรุปได้ว่าถ้าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสก่อนเกิดปฏิกิริยามีค่าน้อยกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส หลังเกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นจะเป็นปฏิกิริยาที่คายพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม เมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ของพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนกับเลขมวลนิวเคลียสธาตุต่าง ๆ ในธรรมชาติ จะแบ่งกลุ่มออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือนิวเคลียสขนาดเล็ก เลขมวล 1 ถึง 50)  นิวเคลียสขนาดกลาง(เลขมวล 51 ถึง 150) และ นิวเคลียสขนาดใหญ่ (เลขมวลมากกว่า 150 ขึ้นไป) นิวเคลียสขนาดกลางจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากกว่านิวเคลียสขนาดใหญ่ และนิวเคลียสขนาดเล็ก ดังนั้นธาตุในธรรมชาติจะสามารถนำมาทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้วคายพลังงานออกมาให้เราได้ 2 แบบ คือ

1. ทำให้นิวเคลียสขนาดใหญ่ เช่น U – 235 แตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดกลาง 2 นิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน (fission)

2. ทำให้นิวเคลียสขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจน หรือดิวเทอเรียมรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้น เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชัน (fusion)

          ซึ่งปฏิกิริยาทั้ง 2 แบบข้างต้นจะเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน เพราะเป็นการเปลี่ยนนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวน้อยไปเป็นนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวมาก

หมายเหตุ

          การทำให้นิวเคลียสขนาดกลางแตกตัวเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กจะไม่เรียกว่าฟิชชัน หรือการทำให้นิวเคลียสขนาดกลางรวมตัวเป็นนิวเคลียสขนาดใหญ่ก็จะไม่เรียกว่า ฟิวชัน เพราะ เป็นปฏิริยาที่ดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อม

ปฏิกิริยาฟิชชัน

          ในปี พ.ศ. 2477 เฟอร์มิ นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้พบว่า เมื่อยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของยูเรเนียมจะทำให้ยูเรเนียมแตกตัวออกเป็น 2 นิวเคลียสที่มีเลขมวลใกล้เคียงกัน พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานออกมาประมาณ 200 MeV ต่อหนึ่งปฏิกิริยา เราเรียกปฏิกิริยาที่มีนิวตรอนพุ่งชนนิวเคลียสของยูเรเนียม แล้วทำให้นิวเคลียสของยูเรเนียมแตกตัวเป็น 2 นิวเคลียสขนาดกลางนี้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน

สิ่งที่ควรรู้

        นิวตรอนที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน จะต้องมีพลังงานที่เหมาะสม ในกรณีฟิชชันของ U – 235  นี้ นิวตรอนต้องมีพลังงานต่ำประมาณ 1 eV. หรือน้อยกว่า

ภาพการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันบริเวณใจกลางดวงอาทิตย์
ที่มา : http://nso.narit.or.th/index.php/2017-11-25-10-50-19/2017-12-07-06-19-35/nuclear-physics/167-nuclear-fusion

        ในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละปฏิกิริยาจะได้พลังงานประมาณ  200 MeV.  พลังงานนี้แม้จะมีค่ามากสำหรับอะตอมหรืออนุภาคเล็ก ๆ แต่สำหรับในชีวิตประจำวันพลังงานนี้ถือว่าน้อยมาก  (200 MeV = 3.2 x 10^-11 จูล) การจะใช้พลังงานจากปฏิกิริยาฟิชชันจึงต้องทำให้เกิดฟิชชันเป็นจำนวน มาก ๆ ในเวลาเดียวกัน ซึ่งก็ต้องใช้จำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนมากด้วย (การจะทำให้เกิดฟิชชันได้ต้องยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสเป้าหมาย) และจากฟิชชันของ U – 235 จะสามารถให้นิวตรอนเกิดขึ้นอีก 2-3 ตัว ดังนั้นถ้ายิงนิวตรอนตัวแรกไปยังนิวเคลียสของ U – 235 เมื่อเกิดฟิชชันจะเกิดนิวตรอนขึ้น 2-3 ตัว นิวตรอนเหล่านี้จะถูกทำให้พลังงานลดลงจนเหมาะสม แล้ววิ่งชนนิวเคลียสของ U – 235 ข้างเคียง ทำให้เกิดฟิชชันต่อไป ทำให้เกิดนิวตรอนเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งจะวิ่งชนนิวเคียสของ U – 235 ข้างเคียงต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันอย่างต่อเนื่อง และมีจำนวนปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เรียกว่า เกิดเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) ทำให้ได้พลังงานจำนวนมหาศาลในเวลาสั้น ๆ อย่างไรก็ตามในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน นิวเคลียสขนาดกลางที่ได้ส่วนใหญ่เป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี ซึ่งจะสลายตัวและแผ่รังออกมาก่อให้เกิดอันตรายได้จึงต้องมีการควบคุมและเก็บรักษาไว้อย่างดี

ปฏิกิริยาฟิวชัน

          เป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของธาตุเบา คือ ไฮโดรเจน ทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้น ปฏิกิริยาการรวมตัวแบบฟิวชันของไฮโดรเจนนี้จะเกิดได้ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก (มากกว่าล้านองศาเซลเซียส)  เพราะนิวเคลียสเป็นประจุบวกจะผลักกันไม่สามารถมารวมกันได้ง่าย ๆ การจะให้นิวเคลียสรวมกันได้ต้องทำให้นิวเคลียสมาอยู่ใกล้ ๆ เป็นระยะน้อยกว่า 10^-15  เมตร เพื่อให้เกิดแรงนิวเคลียร์ยึดอนุภาคของนิวเคลียสเข้าไว้ด้วยกัน และเชื่อกันว่าดาวฤกษ์และดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานจำนวนมหาศาลด้วยวิธีการแบบนี้ และในห้องปฏิบัติการบนโลกมนุษย์ ปฏิกิริยาฟิวชันที่ทำได้คือ การรวมตัวของดิวเทอเรียมไปเป็นฮีเลียม

          จากความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชัน ซึ่งเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สามารถให้พลังานจำนวนมากเมื่อเทียบกับมวลของเชื้อเพลิง ปัจจุบันมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ใน 2 รูปแบบ คือ ทำเป็นระเบิดนิวเคลียร์ ซึ่งจะมีอำนาจในการทำลายอย่างมหาศาล (สามารถทำได้ทั้งแบบฟิชชันและฟิวชัน) และทำเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่จะควบคุมพลังงานนิวเคลียร์ให้เกิดขึ้นในขนาดที่พอเหมาะอย่างต่อเนื่อง (ปัจจุบันสามารถทำได้เฉพาะแบบฟิชชันเพราะแบบฟิวชันต้องใช้อุณหภูมิสูงมากในการควบคุมซึ่งยังควบคุมไม่ได้) มีการนำไปใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ขับเคลื่อนเรือดำน้ำหรือเรือเดินสมุทรทดแทนการใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ

แหล่งที่มา

กฤตนัย (สมชาย)  จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

National Schools Observatory. (2560). ปฏิกิริยานิวเคลียร์. สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม  2563,  จาก http://nso.narit.or.th/index.php/2017-11-25-10-50-19/2017-12-07-06-19-35/nuclear-physics/167-nuclear-fusion