การค้นพบกัมมันตภาพรังสี
ปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ในปี ค.ศ. 1896 Henri Becquerel ค้นพบว่า เกลือของแร่ยูเรเนียมมีรังสีประหลาดสามารถทำให้ฟิล์มถ่ายรูปดำได้ทำให้เขาเป็นคนแรกที่ค้นพบกัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งมีมาตั้งแต่ดึกดำบรรพ์
เบคเคอเรล เป็นคนแรกที่ทำการทดลองเกี่ยวกับการแผ่รังสีเอกซ์จากสารชนิดต่าง ๆ โดยการนำฟิล์มถ่ายรูปห่อสารประกอบยูเรเนียมแล้วใช้กระดาษห่อทับไว้อีกชั้นหนึ่งเพื่อไม่ให้แสงเข้า เมื่อนำชุดการทดลองไปวางไว้กลางแจ้งให้รับความร้อนจากแสงแดด แล้วนำฟิล์มไปล้างพบว่าฟิล์มจะดำทุกครั้งตอนแรกเบคเคอเรลคิดว่าการดำของฟิล์มเกิดจากรังสีเอกซ์ที่แผ่ออกมาจากสารประกอบยูเรเนียม เมื่อถูกความร้อนจากแสงแดด แต่มีครั้งหนึ่งเขาลืมชุดการทดลองไว้ในลิ้นชัก (จึงไม่ถูกแสงเลย) ปรากฏว่าฟิล์มที่ห่อชุดการทดลองดำคล้าย ๆ กับฟิล์มที่ถูกแสง เมื่อทำการทดลองหลาย ๆ ครั้งผลที่ปรากฏเป็นเช่นเดิม และยังพบว่ารอยดำจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมในสารประกอบรังสีที่แผ่ออกมานี้มีสมบัติเหมือนกับรังสีเอกซ์ กล่าวคือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์ และแผ่ออกมาตลอดเวลาโดยไม่จำเป็นต้องมีโฟตอนของแสงภายนอกมาให้พลังงาน ทั้งยังทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออนได้ดีกว่ารังสีเอกซ์ รังสีดังกล่าวได้ชื่อว่า กัมมันตภาพรังสี และธาตุที่แผ่รังสีนี้ออกมาเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี
ภาพโรงงานพลังงานนิวเคลียร์
ที่มา : https://pixabay.com/ , Bru-nO
มาดามคูรี่ เชื่อว่ารังสีประหลาดมาจากธาตุเคมีในแร่ยูเรเนียม และได้ทำการทดลองค้นคว้าอย่างอดทน จนพบและแยกธาตุนั้นออกได้ แล้วให้ชื่อว่า เรเดียม ซึ่งแปลว่า ธาตุส่องแสง สมบัติที่น่าทึ่งของเรเดียมคือ ความสามารถในการปล่อยพลังงานออกมาในสภาพรังสีได้ตลอดเวลา เมื่อได้ศึกษาการปล่อยรังสีของเรเดียมและยูเรเนียมอย่างละเอียด พบว่าเรเดียมมีน้ำหนักลดไปเล็กน้อยหลังจากทิ้งไว้นาน ๆ
ค.ศ. 1899 รัทเธอร์ฟอร์ดพบว่าธาตุยูเรเนียมแผ่รังสีได้ 2 ชนิด และได้ตั้งชื่อรังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำกว่า รังสีแอลฟา และรังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงสูงว่า รังสีบีตา
ค.ศ. 1900 วิลลาร์ดพบรังสีแกมมา ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีบีตา
ค.ศ. 1900 เบคเคอเรล พบว่ารังสีบีตาคืออนุภาคอิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงมาก
ค.ศ. 1903 แรมเชย์ และซอดดี พบว่ารังสีแอลฟาคืออะตอมของฮีเลียมที่ขาดอิเล็กตรอนไป 2 ตัว หรือนิวเคลียสของฮีเลียม และรังสีแกมมาคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก (โดยมีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์)
เลขมวล เลขอะตอมและสัญลักษณ์ของ Nucleus
นิวคลีออน คือ อนุภาคที่รวมกันอยู่ภายในนิวเคลียส ซึ่งหมายถึง โปรตอน (Proton, 11H) และนิวตรอน (Neutron, 01n) สัญลักษณ์ของ Nucleus เขียนได้เป็น z AX
X เป็นสัญลักษณ์ของ Nucleus นั้น
A เป็นเลขมวลของธาตุ หมายถึง จำนวน Nucleon ภายใน Nucleus หรือเป็นเลขจำนวนเต็มที่มีค่าใกล้เคียงกับมวล atom ในหน่วย u ของธาตุนั้น
Z เป็นเลขอะตอม หมายถึง จำนวนโปรตอนภายใน Nucleus
การเกิดกัมมันตภาพรังสี
เกิดจากนิวเคลียสในภาวะพื้นฐานรับพลังงานจำนวนมากทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นก่อนกลับสู่ภาวะพื้นฐาน Nucleus จะคายพลังงานออกในรูปโฟตอนที่มีพลังงานสูงย่านความถี่รังสีแกมมา
เกิดจากการที่นิวเคลียสบางอัน อยู่ในสภาพไม่เสถียร คือ มีอนุภาคบางอนุภาคมากหรือน้อยเกินไปลักษณะนี้นิวเคลียสจะปรับตัว คายอนุภาคแอลฟาหรือเบตาออกมา
สมมติฐานของ Rutherford และ Soddy เกี่ยวกับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี
ธาตุกัมมันตรังสีจะแตกตัวออกเป็นสารใหม่ด้วยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาหรือบีตา, สารใหม่ที่ได้จากการแตกตัวจะเป็นอะตอมของธาตุใหม่ ซึ่งมีสมบัติทางเคมีผิดแผกไปจากอะตอมของธาตุเดิม และในบางครั้งอะตอมของธาตุใหม่จะเป็นธาตุกัมมันตรังสีซึ่งสามารถแยกกัมมันตรังสีต่อ ๆ ไปอีก
การสลายตัวที่เกิดขึ้นของธาตุกัมมันตรังสีไม่ขึ้น กับอิทธิพลของสภาพแวดล้อมภายนอกของนิวเคลียสเลย (เช่น ความดัน, อุณหภูมิ) แต่การสลายตัวนี้จะเป็นไปตามหลักของทางสถิติที่เกี่ยวกับโอกาส และกระบวนการสุ่ม และอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนของนิวเคลียสที่พร้อมจะสลายตัว
ตัวอย่างที่ 1 ทำไมฟิล์มที่แบคเคอเรลทิ้งไว้ในห้องทดลอง โดยไม่ถูกแสงแดดเลยจึงปรากฏดำเข้มกว่าฟิล์มที่ได้จากชุดการทดลองที่นำไปวางไว้กลางแดด
แนวคำตอบ เพราะการสลายตัวของรังสี (ซึ่งทำให้ฟิล์มเสีย) ไม่ขึ้นกับความร้อนหรือแสงแดดแต่อยู่ที่เวลาเท่านั้น
ตัวอย่างที่ 2 เบคเคอเรลทราบได้อย่างไรว่ารังสีที่ออกมาจากสารประกอบของยูเรเนียมไม่ใช่รังสีเอกซ์
แนวคำตอบ เพราะรังสีเอกซ์จะหมดไปทันทีถ้าไม่มีไฟฟ้าแรงสูงป้อนเข้าไป
ตัวอย่างที่ 3 เบคเคอเรลค้นพบกัมมันภาพรังสีจากสารประกอบในข้อใด
เฉลย ข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 ยูเรเนียม
ตัวอย่างที่ 4 จงตอบคำถามต่อไปนี้ให้ถูกต้อง
แนวคำตอบ เกิดที่นิวเคลียส
แนวคำตอบ เบคเคอเรล
แนวคำตอบ เขาเตรียมสารประกอบยูเรเนียมไว้กับฟิล์มซึ่งห่อกระดาษดำ บางชุดเก็บไว้ในห้องทดลอง และบางชุดนำไปตากแดดไว้
ตัวอย่างที่ 5 จากการทดลองหากัมมันตภาพรังสีของสาร A โดยใช้วิธีของเบคเคอเรล ปรากฏว่าไม่มีรอยดำบนฟิล์ม เมื่อนำฟิล์มนั้นไปล้าง แสดงว่า A เป็นสารอย่างไร
เสถียร
เสถียรหรือแผ่รังสีแอลฟา
ไม่เสถียรหรือแผ่รังสีบีตา
แผ่รังสีแอลฟาและรังสีบีตา
เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 2 เสถียรหรือแผ่รังสีแอลฟา
แหล่งที่มา
กฤตนัย (สมชาย) จันทรจตุรงค์. (มมป.). ฟิสิกส์ เรื่องที่ 17,18 ฟิสิกส์อะตอม,ฟิสิกส์นิวเคลียร์. นนทบุรี:ธรรมบัณฑิต.
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5. กรุงเทพฯ: ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.
น้ำฝน โพธิ์สิงห์ และคณะ. (2556). พลังงานนิวเคลียร์ . สืบค้นเมื่อ 6 พฤษภาคม 2563, จาก http://fondawnnanmar607.blogspot.com/2013/09/blog-post_5.html
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
การสลายตัวให้บีตาบวก (หรือโพซิตรอน (positron)) เกิดจากการที่ proton 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเป็น Neutron 1 ตัว ทำให้ Nucleus ใหม่ที่เกิดมีเลข atom ลดลง 1 แต่เลขมวลคงเดิมพร้อมกับให้โพซิตรอนออกมา
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
ทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่ฉาบไว้ที่ฟิล์มถ่ายรูป เช่นเดียวกับแสง
ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นโดยรอบในอากาศเพราะรังสีทำให้อะตอมของอากาศเกิด Ionization
ทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้นที่สารบางชนิดได้
มีผลทางกายภาพต่อสิ่งมีชีวิต เช่น สามารถฆ่าแบคทีเรียได้
จะแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลาและตัวเองจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่น ตามเวลาที่เปลี่ยนไป
การตรวจสอบรังสี
ใช้ฟิล์มถ่ายรูปซึ่งเรียกว่า Film Badges เป็นกลักสี่เหลี่ยมบรรจุฟิล์มไว้
ใช้ Electroscope (ถ้าเป็น Dosimeter จะบอกปริมาณรังสีบนสเกลด้วย)
ตัวอย่างที่ 1 จงเลือกข้อความให้เหมาะสมที่สุดกับกัมมันตรังสี แอลฟา, บีตา, แกมมา
มีอำนาจทะลุทะลวงสูงสุด ตอบ รังสีแกมมา
ถูกดูดกลืน (ผ่านไม่ได้) โดยง่าย โดยแผ่นอะลูมิเนียมบาง ตอบ รังสีแอลฟา
มีความสามารถในการทำให้แก๊สมีการแตกตัวเป็นไอออนได้ดี ตอบ รังสีแอลฟา
ต้องใช้วัสดุหนาในการกั้นรังสี ชนิดนั้น ตอบ รังสีแกมมา
ไม่สามารถเบี่ยงเบนด้วยสนามไฟฟ้า ตอบ รังสีแกมมา
ระหว่าง รังสีแอลฟา กับรังสีบีตา แนวทางเคลื่อนที่โค้ง ซึ่งมีรัศมีความโค้งมาก เมื่อเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก ตอบ รังสีแอลฟา (รังสีมาก แปลว่าเบนน้อย)
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
เมื่อเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก แนวการเคลื่อนที่เป็นแนวโค้ง
มีความสามารถในการทำให้แก๊สแตกตัวเป็นอิออนได้
สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษ หนา ๆ ได้
คำตอบที่ถูกต้องคือ
ข้อ A เท่านั้น
ข้อ B เท่านั้น
ข้อ A, B
ข้อ A, B และ C
เฉลย ข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 เพราะสมบัติของรังสีแอลฟาจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก แนวการเคลื่อนที่เป็นแนวโค้ง และมีความสามารถในการทำให้แก๊สแตกตัวเป็นอิออนได้
ตัวอย่างที่ 4 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ข้อใดเกี่ยวข้องกับการเกิดของอนุภาคบีตาลบ
อิเล็กตรอนที่มีอยู่เดิมในนิวเคลียส
อิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคลียส
การเปลี่ยนแปลงโปรตอนเป็นนิวตรอนในนิวเคลียส
การเปลี่ยนแปลงนิวตรอนเป็นโปรตอนในนิวเคลียส
เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 อนุภาคบีตาลบ เพราะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนเป็นโปรตอนในนิวเคลียส
ตัวอย่างที่ 5 ธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่งให้รังสีชนิดหนึ่งออกมาโดยมีคุณสมบัติดังนี้
เมื่อตรวจสอบด้วยเครื่องไกเกอร์เคาว์เตอร์จะไม่ทำงาน
เมื่อวัดระยะการผ่านทะลุสิ่งกีดขวางจะได้ไกลประมาณ 60 มิลลิเมตร ในอากาศ
ต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มี Flux density สูงมาก ๆ จึงจะทำให้รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุนี้เบี่ยงเบนได้
รังสีชนิดนี้ คือข้อใด
รังสีแอลฟา
รังสีบีตา
รังสีแกมมา
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
หลักการคงที่ของจำนวนนิวคลีออน คือ ผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
หลักการคงที่ของประจุไฟฟ้า
หลักการคงที่ของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและพลังงานก่อนปฏิกิริยากับหลังปฏิกิริยาต้องเท่ากัน
หลักการคงที่ของโมเมนตัมเชิงเส้น
ไอโซโทปของไฮโดรเจนมี 3 ชนิด ได้แก่
ไฮโดรเจนธรรมดามีอยู่ 99.985 % ในธรรมชาติ มีมวล 1.0078 u
ดิวทีเรียม (Deuterium) มีอยู่ 0.015% ในธรรมชาติ มีมวล 2.0141 u
ทริเตียม (Tritium) ส่วนใหญ่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีมวล 3.0160 u
เพื่อความสะดวกในการเรียก นักวิทยาศาสตร์ นิยามต่อไปนี้
ใช้สัญลักษณ์ A แทนจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส เรียกว่า mass number
ใช้สัญลักษณ์ Z แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม ดังนั้น Z คือ atomic number
ให้ n แทน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส
ทั้งโปรตอนและนิวตรอนเรียกรวม ๆ กันว่า นิวคลีออน (nucleon)
นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนปกติ เรียกว่า โปรตอน (p)
นิวเคลียสของดิวทีเรียม เรียกว่า ดิวเทอรอน (deuteron, d)
นิวเคลียสของทริเตียม เรียกว่า ทริตอน (triton, t)
สัญลักษณ์ที่ใช้แทนนิวไคลด์ คือ AZX 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
A = Z + N 2. A = Z – N
A = N/Z 4. A = N – Z
เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1 เพราะเลขมวล = จำนวน P + จำนวน n
A = Z + N
ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาอะตอมของ 21084Po ข้อใดถูกต้อง
มีจำนวนนิวคลีออน = 210 จำนวนนิวตรอน = 84
มีจำนวนอิเล็กตรอน = 84 จำนวนนิวตรอน = 126
มีจำนวนอิเล็กตรอน = 126 จำนวนโปรตรอน =84
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
ข้อ A, B และ C
ข้อ A และ B
ข้อ B และ C
ข้อ B
เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1 เลขอะตอมของธาตุ แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งจะมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่นอกนิวเคลียสในอะตอมของธาตุที่เป็นกลาง และมีค่าเท่ากับผลต่างระหว่างจำนวนนิวเคลียสกับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส
ตัวอย่างที่ 4 ธาตุที่มีมวลมากกว่ายูเรเนียมทำให้เกิดได้ ตามข้อใด
ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับดิวทีรอน
ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับโปรตอนแล้วสลายให้โพสิตรอน
ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้อิเล็กตรอน
ทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้โพสิตรอน
เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 ธาตุที่มีมวลมากกว่ายูเรเนียม ทำให้เกิดได้โดยทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมจับนิวตรอนแล้วสลายให้อิเล็กตรอน
ตัวอย่างที่ 5 23892U สลายตัวให้แอลฟา 1 อนุภาค และบีตา 2 อนุภาค จะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขมวลและเลขอะตอมเป็นเท่าไร
เลขมวล 234 และเลขอะตอม 92 2. เลขมวล 92 และเลขอะตอม 235
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
50, 36 2. 92, 33
94, 33 4. 92, 36
เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 4
23692X ----> 14156Y + 9236Z + 310n
ตัวอย่างที่ 7 อะตอมของธาตุ 19678Pt และ 19779Au จะมีจำนวนอะไรเท่ากัน
นิวคลีออน
นิวตรอน
โปรตอน
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
แอลฟา, บีตา, บีตา
แอลฟา, บีตา, แอลฟา
บีตา, บีตา, แอลฟา
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 No 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 T1/2) กล่าวคือ เมื่อเวลาผ่านไปเท่ากับเวลาครึ่งชีวิต (t = T1/2 ) จะทำให้ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งต้น (m = m0 /2) และเวลาครึ่งชีวิตจะสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายตัวตามสูตร T1/2 = 0.693/ λ
และเนื่องจากค่าคงตัวการสลายเป็นค่าคงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ดังนั้น ช่วงเวลาครึ่งชีวิต (T1/2) 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
อัตราการแผ่รังสีของอะตอมกัมมันตภาพรังสีจำนวน 1 โมล
โอกาสที่ 1 นิวเคลียสจะแผ่รังสีได้ใน 1 หน่วยเวลา
ส่วนกลับของครึ่งชีวิตที่มีหน่วยเป็นต่อวินาที
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)
ยูเรเนียม -235 7.1 x 102 ปี
ไอโอดีน -131 8.0 x 100 วัน
ซีเซียม -137 3.0 x 101 ปี
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
เวลาผ่านไป 1 ปี 1/8 ของไอโซโทปได้สลายตัวไป
เวลาผ่านไป 1 ปี 1/8 ของไอโซโทปยังคงเหลืออยู่
เวลาผ่านไป 4 ปี 1/4 ของไอโซโทปได้สลายตัวไป
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 AZX ที่มีเลขมวล A เลขอะตอม Z นิวเคลียสนี้ประกอบด้วยโปรตอน Z ตัว และนิวตรอนจำนวน (A – Z) ตัว เขียนเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของโปรตอน และนิวนิวตรอนเกิดเป็นนิวเคลียส X คือ
Z(11H) + (A –Z) 10n ---> AZX
ถ้าให้โปรตอนมีมวล mp ให้นิวตรอนมีมวล mn และนิวเคลียสธาตุ X มีมวล mx มวลพร่องหรือมวลที่หายไปในการรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเพื่อเป็นนิวเคลียส X จะเท่ากับมวลรวมของโปรตอนกับนิวตรอน ลบด้วยมวลนิวเคลียส เขียนเป็นสมการ คือ
Δm = (Z(mp) + (A – Z) mn) - mx
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
มวลของนิวเคลียสน้อยกว่า ผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอน (ในสภาพอิสระ) ที่ประกอบเป็นนิวเคลียสเสมอ
มวลส่วนที่หายไป เรียกว่า มวลพร่อง (mass defect)
เทียบมวลเป็นพลังงานได้จาก E = mc2
ตัวอย่างที่ 1 ข้อใดถูกต้อง ถ้าพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียสเมื่อเทียบกับ Ionization Energy ของอะตอม
น้อยกว่า
เท่ากัน
มากกว่า
อาจจะมากกว่าหรือน้อยกว่าก็ได้
เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือข้อ 3 BE. ในนิวเคลียสมีค่าในหน่วย MeV เพราะประจุอยู่ใกล้กันมาก ต้องใช้พลังงานยึดเหนี่ยวมาก ส่วน Ionization Energy มีค่าในหน่วย eV เท่านั้น
ตัวอย่างที่ 2 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้
ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนนิวคลีออนเพิ่มขึ้น
นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงมีเสถียรภาพดีกว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวรวมสูง
ข้อ A และ B ถูก และ B เป็นเหตุผลของ A
ข้อ A และ B ถูก และ B ไม่เป็นเหตุผลของ A
ข้อ A ถูก ข้อ B ผิด
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
ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดใน Nucleus ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับ electron ภายในอะตอมเท่านั้น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง Nucleus
แรงจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นแรงแบบใหม่เรียกว่า แรง Nuclear ซึ่งมีอัตรกิริยาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของ Nucleus เท่านั้น
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
ทำให้นิวเคลียสขนาดใหญ่ เช่น U – 235 แตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดกลาง 2 นิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิชชัน (fission)
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
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) กระทรวงศึกษาธิการ เป็นหน่วยงานของรัฐที่ไม่แสวงหากำไร ได้จัดทำเว็บไซต์คลังความรู้ SciMath เพื่อส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีทุกระดับการศึกษา โดยเน้นการศึกษาขั้นพื้นฐานเป็นหลัก หากท่านพบว่ามีข้อมูลหรือเนื้อหาใด ๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุด
The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology (IPST), Ministry of Education, a non-profit organization under the Thai government, developed SciMath as a website that provides educational resources in Science, Mathematics and Technology. IPST invites visitors to use its online resources for personal, educational and other non-commercial purpose. If there are any problems, please contact us immediately.
Copyright © 2018 SCIMATH :: คลังความรู้ SciMath. Terms and Conditions. Privacy. , All Rights Reserved.
อีเมล: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. (ให้บริการในวันและเวลาราชการเท่านั้น)