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