Nuclear physics1

ฟฟิ สฟิ กสส์นฟิวเคลลียรส์ (Nuclear Physics) • ศศึกษาสมบบัตฟิของนฟิวเคลลียส โครงสรร้างของ นฟิวเคลลียสและผลจากระบวนการตตางๆเกลีกยว กบับนฟิวเคลลียส

การคร้นพบกบัมมบันตภาพรบังสลี (radioactivity) คร้นพบรบังสลี จากนฟิวเคลลียสเปป็ นคนแรก จาก การหาวตามลีสารใดดดูดกลลืนแสงแดดแลร้ว ปลตอยพลบังงานเปป็ น x-ray โดยใชร้ สารประกอบของยดูเรเนลียม

Henri Becquerel

กบัมมบันตภาพรบังสลี (radioactivity) คลือ รบังสลี ทลีกแผตออกมาจากสาร กบัมมบันตรบังสลี (radioactive element)

Marie Curie พบกบัมมบันตภาพรบังสลี จาก โพโล เนลียม และเรเดลียม รบังสลี จากสารกบัมมบันตรบังสลี เกฟิด จากการเปลลีกยนแปลงภายใน นฟิวเคลลียส นฟิวเคลลียสทลีกไมตเสถลียร จะสลายตบัวจนกวตาจะเสถลียร

ชนฟิดกบัมมบันตภาพรบังสลี

กระบวนการสลายแอลฟา

• รรังสสี แอลฟา • มลีสตวนประกอบเปป็ นนฟิวเคลลียสของธาตตุฮลีเลลียมมลีมวลประมาณ 4u มลีประจตุไฟฟร้ า +2e มลีพลบังงานประมาณ 6 Mev รบังสลี แอลฟา สามารถททาใหร้สารทลีกรบังสลี ผาต นแตกตบัวเปป็ นไอออนไดร้ดลี จศึงเสลี ยพลบังงานอยตาง รวดเรป็ ว • รรังสสี แอลฟาจจึงมสีอาอ นาจทะลลผผ่านนน้ อยมาก กลผ่ าวคคือสามารถวววิ่งผผ่ านอากาศไดน้ ประมาณ 5 เซนตวเมตร และเมคืวิ่อใชน้ แผผ่ นกระดาษบางๆ กรักั้น รรังสสี แอลฟากก ทะลลผผ่านไมผ่ ไดน้ เนคืวิ่องจากรรังสสี นสีคกั้ อคื นววเคลสียสทสีวิ่เปก นอนลภาค บางครรักั้งจจึงเรสียก รรังสสี แอลฟาวผ่ า อนลภาคแอลฟา

กระบวนการสลายบลีตา

• รรังสสี เบตน้ า • เปป็ นอนตุภาคทลีกมลีประจตุไฟฟร้ า -1e มลีมวลเทตากบับมวล ของอฟิเลป็กตรอน รบังสลี บลีตา คลืออฟิเลป็กตรอน (ทลีกมาจากการสลายของ นฟิวเคลลียส มฟิใชตอฟิเลป็กตรอนทลีกเคลลืกอนทลีกรอบนฟิวเคลลียส) มลีพลบังงาน ประมาณ 1 Mev รบังสลี บลีตาสามารถวฟิกงผตานไปในอากาศไดร้ ประมาณ 0.5 เมตร อทานาจทะลตุผาต นของรบังสลี บลีตาจศึงมากกวตารบังสลี แอลฟา บางครบัรงเรลี ยกรบังสลี บลีตาวตา อนลภาคบสีตา

กระบวนการสลายแกมมา •

เปป็ นรบังสลี ทลีกมลีสภาพเปป็ นกลางทางไฟฟร้ า มลีสมบบัตฟิของ คลลืกนแมตเหลป็กไฟฟร้ า รบังสลี แกมมามลีพลบังงานประมาณ 0.01 Mevสามารถทะลตุผาต นแผตนอะลดูมฟิเนลียมทลีกหนาหลายเซนตฟิเมตรไดร้ จศึงมลี อทานาจทะลตุผาต นมากทลีกสตุดในบรรดารบังสลี ทร งบั สามชนฟิด • การสลายตบัวของนฟิวเคลลียส นฟิวเคลลียสใหมตทลีกเกฟิดขศึรนมบักอยดูใต นสถานะ กระตตุนร้ จศึงตร้องปลตอยรบังสลี แกมาเพลืกอใหร้อยดูใต นสภาวะปกตฟิ

คตาเปรลี ยบเทลียบรบังสลี ทร งบั สาม • • • • •

ความสามารถในการททาใหร้อากาศแตกตบัวเปป็ นอฟิออน , ,  อทานาจการทะลตุทะลวง , ,  มวล , ,  ความเรป็ ว , ,  พลบังงาน , , 

โครงสรร้างของนฟิวเคลลียส

• สมมตฟิฐานโปรตอน-อฟิเลป็กตรอน

นฟิวเคลลียสประกอบดร้วยโปรตอนและอฟิเลป็กตรอนโดยมลีจาท นวน โปรตอนเปป็ นสองเทตาของอฟิเลป็กตรอน รบัทเทอรส์ ฟอรส์ ดเสนอวตามลีอนตุภาคทลีกเปป็ นกลางทางไฟฟร้ าใน นฟิวเคลลียสใหร้ชลืกอวตานฟิวตรอน(neutron)ซศึก งเปป็ นการยศึดกบัน ของโปรตอนและอฟิเลป็กตรอนอยตางแนบแนตน จากหลบักความไมตแนตนอน อฟิเลป็กตรอนอยดูใต นนฟิวเคลลียสไมตไดร้เพราะ อฟิเลป็กตรอนจะมลีความเรป็ วมากกวตาแสง

การคร้นพบนฟิวตรอน James Chadwick +

9 4

รบังสลี ทลีกไดร้

Be C  n 12 6

1 0

รบังสลี ทลีกไดร้ชนโปรตอนในพาราฟฟิ นหลตุดออกดร้วยพลบังงาน ประมาณ 5 MeV ตอนแรกคฟิดวตารบังสลี ทลีกไดร้เปป็ นรบังสลี แกมมา แตตจากการคทานวณถร้าเปป็ นรบังสลี แกมมา จะตร้องมลีพลบังงานถศึง 55 MeV พลบังงานระดบับนลีร จะททาใหร้อากาศแตกตบัวเปป็ นอฟิ ออน คฟิดการชนแบบยลืดหยตุนต อนตุภาคใหมตนร ลีมลีมวลใกลร้เคลียงโปรตอนมาก และเปป็ นกลาง

นฟิวตรอนไมตใชตเปป็ นการยศึดกบันของโปรตอนและอฟิเลป็กตรอนเพราะ

• นฟิวตรอน โปรตอนและอฟิเลป็กตรอนตตางมลีสปฟิ นแมต เหลป็กเทตากบับ ½ ถร้านฟิวตรอนเปป็ นการยศึดกบันของ โปรตอนและอฟิเลป็กตรอน นฟิวตรอนมลีสปฟิ นแมต เหลป็กเทตากบับ 0 หรลื อ 1 (จากการทลีกสปฟิ นหบันตรง กบันขร้ามหรลื อหบันทางเดลียวกบัน) จะเปป็ น ½ ไมตไดร้ อลีกทบัรงนฟิวตรอนและโปรตอนมลีโครงสรร้างตตางกบัน uud

udd

โครงสรร้างโปรตอนและนฟิวตรอน

การสลายกบัมมบันตรบังสลี เปป็ นไปตามสถฟิตฟิหรลื อโอกาสตามธรรมชาตฟิ dN dt

dN N dt

คลือ อบัตราการสลายตบัว N คลือ จทานวนนฟิวเคลลียสทลีกเหลลืออยดูต N0 คลือ จทานวนนฟิวเคลลียสตบัรงตร้น dN  N dt

เครลืก องหมายลบ แสดงถศึงการลดลง  คตาคงตบัวในการสลายตบัว

อนตุกรมการสลาย

สมการการสลายกรัมมรันตรรังสสี N  N 0e

 t

เวลาทลีกสารกบัมมบันตรบังสลี ใชร้ในการสลายตบัวจนเหลลือครศึก งหนศึกงของเดฟิม เมลืกอตบัรงตร้นเรลี ยกวตา เวลาครศึก งชลีวตฟิ (half – life ), T1/2 1 2

N 0  N 0e T1/ 2 

หรลื อ

T1/ 2 

 T1 / 2

ln 2 

0.693 

จาก

เมลืกอ

dN dN tt   NN00ee dt dt

dN  A dt

ดบังนบัรน

A0  N 0 tt

AA  AA00ee

a0 เปป็ นกบัมมบันตภาพขณะเรฟิก มตร้น a เปป็ นกบัมมบันตภาพทลีกเวลา t ใดๆ กบัมมบันตภาพมลีหนตวยเปป็ นคดูรลี(Ci)

1 คดูรลี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นฟิวเคลลียสตตอ

ตบัวอยตาง สารกบัมมบันตรบังสลี ชฟิรนหนศึกงมลี 18 อะตอม 10 อะตอม มลีเวลา ครศึก งชลีวฟิต 2 วบัน เมลืกอเวลาผตานไป 5 วบัน จงหา ก. จทานวนอะตอมทลีกเหลลือ ข. กบัมมบันตภาพของสาร

แรงนฟิวเคลลียรส์ (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.

แรงนฟิวเคลลียรส์คลือแรงลบักษณะใด • เปก นแรงทสีวิ่ดงจึ ดดดนววคลสีออนในนววเคลสียสไวน้ ดน้วยกรันมสีคผ่า มากกวผ่ าแรงคดลอมบบ์ ไมผ่ นน้อยกวผ่ า 100 เทผ่ า เกวดจากการแลก เปลสียวิ่ นอนลภาคไพ-มสีซอน(มสีมวลประมาณ 273 เทผ่ า อวเลกกตรอน)ระหวผ่ างนววคลสีออนทสีวิ่อยดผ่ใกลน้ ๆกรัน

หลบักสทาคบัญของแรงนฟิวเคลลียรส์ 1 เกวดจากการแลกเปลสียวิ่ นอนลภาคไพ-มสีซอน(นววคลสีออนอยดผ่หผ่างกรัน ไมผ่ เกวน 9 10- 15 เมตร)ในระยะทางสรักั้ นๆ10- 15 เมตร(1 เฟอรบ์ มสี)หรคือนน้ อยกวผ่ า 2 ไมผ่ ขนจึกั้ กรับประจลไฟฟน้า 3 เปก นแรงกระทอาระหวผ่ างนววคลสีออนและ เปก นอรันตรกวรวยาแบบ แรง 4 นววคลสีออนตรัวหนจึวิ่งๆจะมสีแรงกระทอากรับตรัวทสีอวิ่ ยดผ่ตดว กรันเทผ่ านรักั้น ไมผ่ มสีแรงกระทอากรับนววคลสีออนตรัวทสีอวิ่ ยดผ่ถดรั ไป

ขนาดของนฟิวเคลลียส • การใชร้อนตุภาคแอลฟาในการทดลอง ของรบัทเทอรส์ฟอรส์ดไมตสามารถหา ขนาดของนฟิวเคลลียสทลีกแทร้จรฟิ งไดร้ เพราะอนตุภาคแอลฟาไมตสามารถฝต ากทาแพงคดูลอม บส์(coulomb barrier)เขร้าไปถศึงนฟิวเคลลียสไดร้ จศึงตร้องใชร้ อนตุภาคอฟิเลป็กตรอนพลบังงานสดู งหรลื อนฟิวตรอนเพพพื่อฝฝ่ าแรง

ไฟฟฟ้ าเขฟ้ าไปปะทะกกับนนิวเคลลียสไดฟ้

• ปรฟิ มาตรนฟิวเคลลียสเปป็ นสบัดสต วนโดยตรงกบับจทานวน

นฟิวคลลีออน(เลขมวล)ทลีกมลีอยดูใต นนฟิวเคลลียสนบัรนๆ R A

1 3

R  R0 A

1 3

R0 = 1.2  10 เมตร -15

• จงหารบัศมลีของนฟิวเคลลียสของอะลดูมฟิ เนลียม-27 และทองคทา-197 (3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)

พลบังงานยศึดเหนลีกยว(binding energy) • เปก นพลรังงานทสีวิ่ยดจึ เหนสีวิ่ยวอนลภาคภายในนววเคลสียสใหน้ อยดผ่ รวมกรันไดน้

การหาคตาพลบังงานยศึดเหนลีกยว มวลของนววเคลสียสโดยทรัววิ่ ไปนน้ อยกวผ่ าผลบวกของมวลของ อนลภาคทสีปวิ่ ระกอบขจึนกั้ เปก นนววเคลสียสในสภาวะอวสระ เชผ่ น

ออกซฟิเจนมลีมวล 15.994915 u ออกซฟิเจนประกอบดร้วยนฟิวตรอนและโปรตอนอยตางละ 8 ตบัว ออกซฟิ เจนมลีมวลนร้อยกวตาผลบวกของนฟิวตรอนและโปรตอน เทตากบับ 0.1371055 u คฟิดเปป็ นพลบังงานยศึดเหนลีกยว 127.6 MeV พลบังงานยศึดเหนลีกยวตตอนฟิวคลลีออน 7.98 MeV/ นฟิวคลลีออน

พลบังงานยศึดเหนลีกยวตตอนฟิวคลลีออน • คผ่ าพลรังงานยจึด เหนสีวิ่ยวตผ่ อนววคลสีออน สด งสล ดประมาณ 8.75 MeV

ตบัวอยตาง จงหาคตาพลบังงานยศึดเหนลีกยวของ ไนโตรเจน (N - 14) N – 14 มสีมวล = 14.003074 u

หลบักสทาคบัญปฏฟิกฟิรฟิยานฟิวเคลลียรส์ • 1 ผลรวมของประจลไฟฟน้าและเลขมวลกผ่ อนเกวด ปฏวกรว วยาและหลรังปฏวกรว วยาจะตน้ องเทผ่ ากรัน • 2 กฎอนลรรักษบ์ โมเมนตรัมเชวงเสน้ นและโมเมนตรัม เชวงมลม • 3 หลรักการสมมดลของมวลและพลรังงาน ตาม ทฤษฎสีสรัมพรัทธภาพของไอนบ์ สไตนบ์ มวลสารและ พลรังงานทรักั้งหมดของระบบตน้ องคงตรัว

ปฏฟิกฟิรฟิยานฟิวเคลลียรส์ (Nuclear reacTioN)

ปฏฟิกฟิรฟิยานฟิวเคลลียรส์ (NUCLEAR REACTION) • เมคืวิ่อนววเคลสียส สองตรัวเคลคือวิ่ นทสีวิ่ฝผ่าแรงคดลอมบบ์ เขน้ ามาใกลน้กนรั ภายในระยะของแรง นววเคลสียรบ์ อาจทอาใหน้ เกวดการจรัดระเบสียบการเรสียงตรัวของนววคลสีออนภายใน นววเคลสียสขจึนกั้ ใหมผ่ ผลทสีวิ่ไดน้ อาจกลายเปก นหนจึวิ่งนววเคลสียสใหมผ่ หรคือมากกวผ่ ากกไดน้ เขสียน ปฏวกรว วยานววเคลสียรบ์ ไดน้ เปก น

X + a →Y + b

หรคือ

X ( a ,b )Y

X = นนิวเคลลียสทลีที่เปป็ นเปป้ า a = อนนภาคทลีที่ชนเปป้ า Y = นนิวเคลลียสธาตนใหมม่ ทเลีที่ กนิดขขขึ้นหลลังการชน b = อนนภาคทลีที่เกนิดขขขึ้นหลลังการชน

******

• รรัทเทอรบ์ ฟอรบ์ ดเปก นคนแรกทสีวิ่พบปฏวกรว วยานววเคลสียรบ์ โดยใชน้ อนลภาคแอลฟา 7.68 MeV ยวงนววเคลสียสไนโตรเจน แลน้ วไดน้ กาซออกซนิเจนกลับโปรตอน    N  O H 14 7

17 8

1 1

14 7

N   , P  178O

• ปฏวกรว วยานววเคลสียรบ์ เกวดจากการยวงนววเคลสียสดน้ วยอนลภาคของนววเคลสียสเบา เชผ่ น นววตรอน โปรตอน ดววเทอรอน ไมผ่ ใชน้ นววเคลสียสของธาตลหนรัก หรคือ อาจใชน้ โฟตอนหรคือแกมมากกไดน้

หลบักสทาคบัญปฏฟิกฟิรฟิยานฟิวเคลลียรส์

1 ผลรวมของประจลไฟฟน้าและเลขมวลกผ่ อน เกวดปฏวกรว วยาและหลรังปฏวกรว วยาจะตน้ องเทผ่ ากรัน 2 กฎอนลรรักษบ์ โมเมนตรัมเชวงเสน้ นและ โมเมนตรัมเชวงมลม 3 หลรักการสมมดลของมวลและพลรังงาน ตาม ทฤษฎสีสรัมพรัทธภาพของไอนบ์ สไตนบ์ มวลสาร และพลรังงานทรักั้งหมดของระบบตน้ องคงตรัว

กระบวนการแบตงแยกนฟิวเคลลียส

นฟิวเคลลียสธาตตุหนบักถดูกททาใหร้แบตงตบัว

กระบวนการแบตงแยกนฟิวเคลลียสอธฟิบายไดร้ดวร้ ยแบบจทาลอง หยดของเหลว นบันก คลือ • เมคืวิ่อยวงนววตรอนเขน้ าไปในนววเคลสียสธาตลหนรัก นววเคลสียสนรักั้น จะดดดกลคืนนววตรอนไวน้ ทอาใหน้ เกวดการสรัวิ่ นขจึนกั้ ภายในและทอาใหน้ สด ญเสสี ยสภาพทสีวิ่เปก นทรงกลม แรงนววเคลสียรบ์ ซจึวิ่งเปก นแรง ระยะสรักั้ นจะเสสี ยประสว ทธวภาพในการยจึดเหนสีวิ่ยว เนคืวิ่องจาก นววเคลสียสมสีพนคืกั้ ทสีวิ่ผวว มากขจึนกั้ เมคืวิ่อเวลาผผ่ านไปแรงดจึงดดดอผ่ อน แรงลง แรงผลรักทางไฟฟน้าจะมสีคผ่ามากกวผ่ า นววเคลสียสกกจะ เสสี ยรด ปทรงมากขจึนกั้ ๆ จนในทสีสวิ่ ล ดนววเคลสียสแตกเปก น 2 เสสีวิ่ ยง

ขบัรนตอนกระบวนการแบตงแยกนฟิวเคลลียส 1 นววเคลสียสธาตลหนรักจรับนววตรอน 2 ผลของการจรับนววตรอนนววเคลสียสธาตลหนรักอยดผ่ใน สถานะกระตลน้น มสีการสรัวิ่ นอยผ่ างรล นแรง 3 แรงผลรักระหวผ่ างโปรตอนจะทอาใหน้ เกวดการบวด เบสียกั้ วยวงวิ่ ขจึนกั้ 4 นววเคลสียสแตกออกเปก นสองสผ่ วน โดยมสีนววตรอน จอานวนหนจึวิ่ง 2-3 ตรัว และพลรังงาน

• กระบวนการแบผ่ งแยกนววเคลสียสจะมสีนววตรอน จอานวนหนจึวิ่ง 2-3 ตรัวในแตผ่ ละปฏวกรว วยา ซจึวิ่ง นววตรอนใหมผ่ นสีอกั้ าจววงวิ่ ชนนววเคลสียสของ ยดเรเนสียมตผ่ อไป ทอาใหน้ เกวดปฏวกรว วยาตผ่ อเนคืวิ่อง ปฏวกรว วยาทสีวิ่เกวดขจึนกั้ เรสียกวผ่ าปฏวกรว วยา ลดกโซผ่ ( chain reaction) ปฏวกรว วยานสีกั้ เกวดขจึนกั้ ในชผ่ วงเวลานน้ อยกวผ่ า 10-6 ววนาทสี จจึงใหน้ คผ่ าพลรังงานมหาศาล

กระบวนการหลอมนฟิวเคลลียส

• Hans Bethe อธวบายวผ่ า การเกนิดปฏนิกรนิ นิ ยานนิวเคลลียรร์ แบบ

หลอมนนิวเคลลียสเกนิดจากการหลอมตลัวของนนิวเคลลียสเบาสอง นนิวเคลลียสแลป้ วกลายเปป็ นนนิวเคลลียสหนลักหนขที่งนนิวเคลลียส และ ปลม่ อยพลลังงานมหาศาลออกมา

• กระบวนการหลอมนววเคลสียสเกวดขจึนกั้ ทสีวิ่อลณหภดมว ประมาณ 10 ลน้ านเคลววน ภายใตน้ ความดรันสด ง

1 วบัฏจบักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)

ขบัรนตอนของวบัฏจบักรโปรตอน-โปรตอน

หรลื อ

1 1

H  H  H  e   ......................1

1 1

H 12H  23He   ..........................2

1 1

2 1

0 1

3 2

He H  He e   ...................3

3 2

He He He  2 H ...................4

1 1

3 2

4 2

0 1

4 2

1 1

• นววเคลสียสของไฮโดรเจน 4 ตรัว รวมกรันไดน้ อนลภาคแอลฟา 1 ตรัว โปรตอน 2 ตรัว และโพซวตรอนอสีก 2 ตรัว พรน้ อมกรับใหน้ พลรังงาน ประมาณ 25 MeV

 พลรังงานทสีวิ่ไดน้ จากกระบวนการหลอมนววเคลสียสมสีชคืวิ่อเรสียกอสีกอยผ่ างวผ่ า พลลังงานเทอรร์ โมนนิวเคลลียรร์  กระบวนการหลอมนววเคลสียสใหน้ พลรังงานมากกวผ่ ากระบวนการแบผ่ งแยกนววเคลสียส เมคืวิ่อเทสียบตผ่ อนววคลสีออนประมาณ 10 เทผ่ า  นอกจากวรัฏจรักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แลน้ วยรังมสีวรัฏจรักร คารบ์ บอนทสีวิ่เกวดขจึนกั้ บนดาวทสีวิ่มสีอลณหภดมวสดงกวผ่ าดวงอาทวตยบ์ โดยมสีกระบวนการดรังนสีกั้ 1 1

13 H 12 C  6 7N

13

13 0 N  C  7 6 1e

1 1

13 H 13 C  6 7N

1 1

15 H 14 N  7 8O

0 O 15 N  7 1e

15 8

1 1

12 2 H 15 N  C  7 6 2 He