แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์

9,297 views

Published on

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ม.6 โรงเรียนดรุณาราชบุรี

Credit: อาจารย์ Harnchai Thiemsuwan

Upload by: CTRLALTDEL
FB: WWW.FB.COM/ANONCAD

Published in: Education

แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์

  1. 1. ความหมาย ฟิ สิกส์ นิวเคลียร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็ นการศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึนภายในนิวเคลียส ส่วนการเปลี่ยน ้แปลงที่เกิดขึนที่วงโคจรของอิเล็กตรอนเรียกว่า ้ฟิสิกสอะตอม ปฏิกิริยาที่เกิดขึนเนื่ องจากการ ์ ้เปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์
  2. 2. Henri Becquerel Antoine ใส่ฟีล์มถ่ายรูปไว้ในซองกระดาษ สีดาซึ่งแสงผ่านทะลุไม่ได้ แล้ว ํ นําไปวางไว้ใต้สารที่สงสัยพบว่า มีรอยดําปรากฏบนฟิ ล์ม แต่เขาสรุปเพียงว่า มีรังสีชนิดหนึงแผ่ ่ออกมาจากสารนันทะลุผาน ้ ่กระดาษไปกระทบฟิ ล์ม ทําให้ เกิดรอยดํา
  3. 3. แบ็กเกอแรล ยังได้ พบอีกว่า สาร ประกอบของยูเรเนียมทุกชนิด จะทําให้ เกิดรอยดําบนฟิ ล์ม เขา จึงเสนอความคิดว่า รังสีนี ้เกิด จากธาตุยเู รเนียมปี แอร์ และมารี กูรี พบว่า ทอเรี ยม เรเดียมพอโลเนียม มีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยเู รเนียม
  4. 4. ก้อนแร่ทอเรียม
  5. 5. แร่เรเดียม
  6. 6. ก้อนแร่พอโลเนียม
  7. 7. ต่อมาพบว่า รังสี มี 3 ชนิด ซึงแสดงความแตกต่างกัน ่อยางชดเจนเมื่ออยในบริเวณที่มีสนามแมเ่ หลก ่ ั ู่ ็
  8. 8. ผลของสนามไฟฟาต่อรังสีทง้ั 3 ชนิด ้
  9. 9. When a beta particle leaves a nucleus, one ofthe neutrons changes into a proton
  10. 10. อนุภาคแอลฟา(เขียนแทนด้วยอักษรกรีก แอลฟา α ) คืออนุภาคที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและ นิวตรอน 2 ตัว เหมือนกับนิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียม (He) จึงสามารถเขียน 2+ 4 2+สัญลักษณ์ได้อีกอย่างหนึ่ งเป็ น He หรือ 2 Heสมบัติของแอลฟา1. มีประจุไฟฟ้ า +22. มีมวลประมาณ 4 u ั ่3. รังสีแอลฟาสามารถทําให้ตวกลางที่รงสีผานแตกตัว ั เป็ นไอออนได้ดี (ข้อ 4 ในหน้ าถัดไป)
  11. 11. 4. รังสีแอลฟามีอานาจทะลุทะลวงตํามาก สามารถวิ่ง ํ ่ ผ่านอากาศได้ประมาณ 3-5 cm เพราะเมื่อรังสีแอลฟา วิ่งผ่านตัวกลาง สามารถทําให้ตวกลางนันแตกตัว ั ้ เป็ นไอออนได้ดี ทําให้เสียพลังงานอย่างรวดเร็ว
  12. 12. อนุภาคบีตาอนุภาคบตา หรอ รงสบตา (องกฤษ: Beta particle : b) คือ ี ื ั ี ี ัรงสชนิดหน่ึงซงมประจเป็น -1 และมวลเป็ น 0 (ประมาณ ั ี ่ึ ี ุ1/2000 เท่าของโปรตอน) ซึงแสดงว่าบีตามีสมบัตเหมือน ่ ิอเิ ลกตรอน มความเรวเทากบแสง สญลกษณ์นิวเคลยรของ ็ ี ็ ่ ั ั ั ี ์บีตาคือ β รงสบตามอานาจทะลทะลวงปานกลาง ไมสามารถ ั ี ี ีํ ุ ่ทะลผานอะลมเิ นียมหรอพลาสตก รงสบตาแบงออกเป็น 2 ุ ่ ู ื ิ ั ี ี ่ชนิด คือ β+ เรียกว่า โพซตรอน (positron) มประจไฟฟ้า +1 ิ ี ุและ β- เรยกวา เนกาตรอน (negatron) มประจไฟฟ้า -1 ี ่ ี ุธาตุกมมนตรงสสวนมากจะปลอย β- ออกมา ดังนันเมือ ั ั ั ี่ ่ ้ ่กล่าวถึงรังสีบตามักจะหมายถึง β- เสมอ ี
  13. 13. รังสีแกมมา พอล วิลลาร์ด (Paul Villard) นักฟิสิกส์ฝรังเศส ่ พอล วิลลาร์ด ค้นพบรังสีแกมมาจากการศึกษา กัมมันตภาพรังสีที่ออกมาจากยูเรเนี ยม ซึ่งถูกค้นพบมา ก่อนแล้วว่าบางส่วนจะเบนไปทางหนึ่ ง เมื่อผ่าน สนามแม่เหล็กบางส่วนจะเบนไปอีกทางหนึ่ ง กัมมันตภาพรังสีทงสองประเภทนี้ คือ รังสีแอลฟา และ ั้ รังสีบีตา
  14. 14. 1. ในวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ นิยมใช้คาว่า “รงสี” เรียกกล่ม ํ ั ุ อนุภาคเล็กๆที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงอย่าง ต่อเนื่ องกันมาเป็ นลําอนุภาค (beam of particle)2. 1 u หมายถึง มวล 1 unified atomic mass unit มีค่า เท่ากับ 1.66 x 10-27 กิโลกรัม ซึ่งค่านี้ มาจากนิยามให้ 1 u มีค่าเท่ากับ 1/12 เท่าของมวลอะตอมของ คาร์บอน -12
  15. 15. การให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่ ง มักจะติดตามด้วยการแผ่รงสีแกมมา รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมา ัเมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูงไปยังสถานะที่มีพลังงานตํากว่าเนื่ องจากรังสีแกมมาไม่มีทง ่ ั้ประจุและมวล การแผ่รงสีแกมมาจึงไม่ทาให้มีการ ั ํเปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียสอย่างใดอย่างหนึ่ ง
  16. 16. • นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาค หลักๆ สองชนิดคือโปรตอนและ นิวตรอน• โปรตอนคือนิวเคลียสของอะตอม ไฮโดรเจน ( 1H ) ซึ่งเป็ นไอโซโทปที่ 1 1H 1 เบาที่สด มีประจุ +e และมีมวลหนักกว่าอิเลกตรอน ุ ็ 1836 เท่า หรือมีค่าเท่ากับ 1.67252x10-27kg หรือ 1.007276 u หรือ 938.3 MeV หรือ 1.503x10-10J
  17. 17. • นิวตรอนมีความเป็นกลางและมีมวล 1.67482x10-27kg หรือ 1.008665 u หรือ 939.6 MeV หรือ 1.505x10-10J
  18. 18. Quarks (ควากซ์) เป็ นสสารที่เชื่อว่าเล็กที่สด ซึ่งเล็กกว่าอิเล็กตรอน การ ุสังเกตของนักวิทยาศาสตร์ ต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาค นําอนุภาคสองอันวิ่งเข้าชนกัน ปรากฎว่า มีอนุภาคที่อยู่ภายในนิวเคลียสหลุดออกมาอย่างมากมาย นักฟิสิกส์สามารถค้นพบอนุภาคควากซ์ 3 ชนิด ซึ่งเป็ นส่วนประกอบพืนฐานสุดของสสารทังหมดในจักรวาล ้ ้
  19. 19. CERN is the European Organization for Nuclear Research.The name is derived from the acronym for the FrenchConseil Européen pour la Recherche Nucléaire, or EuropeanCouncil for Nuclear ResearchCERN-MOVIE-2010-176-Multirate-200-to-753-kbps-640x360-25-fps.wmv
  20. 20. One of the first lead-ion collisions in the LHC as recorded bythe ALICE detector on November 8, 2010.
  21. 21. Illustration of two colliding lead ions just after impact in theLarge Hadron
  22. 22. อนุภาคควาร์ก มีด้วยกัน 3 คู่ คู่ที่เล็กที่สดมีชื่อเรียกว่า Up Quark (แปลว่า ควาร์ก ุ"ขึน") และ Down Quark (แปลว่า ควาร์ก "ลง") ซึ่งค้นพบจากการให้โปรตอนพลังงาน ้สูงวิ่งชนกัน โดยที่ควาร์กดังกล่าวมีมวลและประจุไฟฟ้ าตามตารางที่ 1 และพบว่าโปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กดังนี้ คือ u + u + d ทําให้ประจุไฟฟ้ าของโปรตอนเป็ น 2/3+2/3-1/3 = +1e พอดี ส่วนนิวตรอนเกิดจากการรวมกันของ u + d + dถ้าบวกประจุของควาร์กทังสามตัวดู จะพบว่าประจุรวมเป็ นศูนย์พอดี ปฏิอนุภาคของ ้นิวตรอนหรือแอนไทนิวตรอนประกอบด้วย แอนไทควาร์กสามอนุภาค คือ anti u +anti d + anti d ประจุรวมเป็ น -2/3 + 1/3 + 1/3 = 0 ดังนัน แอนไทนิวตรอน จึงเป็ นกลาง ้ทางไฟฟ้ าเหมือนกับนิวตรอน
  23. 23. ชนิดของควาร์ ก ประจุไฟฟา ้ มวล (จํานวนเท่าของเล็กตรอน) (GeV/c2)Up Quark, u +2/3 0.003Down Quark, d -1/3 0.006Charm Quark, c +2/3 1.3Strange Quark, s -1/3 0.1Top Quark, t +2/3 175Bottom Quark, b -1/3 4.3....ขณะทควารกแบบชารม สเตรนจ์ ทอป และบอททอม จะเกดขนไดก็ ่ี ์ ์ ็ ็ ็ ิ ้ึ ้จากการชนทมพลงงานสงเทานน (เช่นทีอยูในรังสีคอสมิกและในเครือง ่ี ี ั ู ่ ั้ ่ ่ ่เรงอนุภาค) ่
  24. 24. ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 เฟลเวอร์ (flavor) ได้แก่ อัพ (up),ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ทอป (top), และ ็บอททอม (bottom) ควารกแบบอพและดาวน์เป็นแบบทมมวลต่า ็ ็ ์ ั ่ี ี ํทีสดในบรรดาควาร์กทังหมด ควาร์กทีหนักกว่าจะเปลียนแปลงมา ุ่ ้ ่ ่เป็นควารกแบบอพและดาวน์อยางรวดเรวโดยผานกระบวนการการ ์ ั ่ ็ ่เสอมสลายของอนุภาค (particle decay) ซงเป็นกระบวนการท่ี ่ื ่ึเปลียนสถานะมวลมากกว่ามาเป็ นสถานะมวลตํ่ากว่า ่ ด้วยเหตุน้ีควารกแบบอพและดาวน์จงเป็นชนิดทเี่ สถยร และพบได้ทวไปมาก ์ ั ึ ี ั่ทสดในเอกภพ ขณะทีควาร์กแบบชาร์ม สเตรนจ์ ทอป และบอททอม ่ี ุ ่ ็ ็ ็จะเกดขนไดกจากการชนทมพลงงานสงเทานน ิ ้ึ ้ ็ ่ี ี ั ู ่ ั้ (เช่นทีอยูในรังสี ่ ่คอสมกและในเครองเรงอนุภาค) ิ ่ื ่
  25. 25. เนื่ องจาก quark มีพลังงานจลน์ = eV 2 1 mc 2 → = 2eV / c 2 mดังนัน หน่ วยมวลของ quark คือ MeV/c2 ้
  26. 26. Sir James Chadwick(พ.ศ. 2434 – 2517) นักฟิสิกสชาว์องกฤษ ได้รบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ั ัจากผลงานการค้นพบอนุภาคนิวตรอนในช่วงที่มีการค้นพบนี้ แชดวิก กาลง ํ ัทํางานกับ รัทเทอร์ฟอร์ดเมอแชดวกพบอนุภาคนิวตรอนแลว ได้มการ ่ื ิ ้ ีตงสมมตฐานเรองโครงสรางของนิวเคลยส ั้ ิ ่ื ้ ีใหม่ ว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอนุภาคนิวตรอน รวมเรยกอนุภาคซงเป็นองคประกอบของนิวเคลยสวา นิวคลีออน เรียกผลรวม ี ่ึ ์ ี ่ของโปรตอนและนิวตรอน วา เลขมวล และเรียกจํานวนโปรตอนใน ่นิวเคลียสว่า เลขอะตอม
  27. 27. A 238 Z X → 92 UA คือผลบวกของจํานวนโปรตอน และ นิวตรอน ซึ่งจะมีค่าใกล้เคียงกับมวลของอะตอมมากZ คือจํานวนโปรตอน และยังหมายถึงจํานวนประจุไฟฟ้ าของนิวเคลียสด้วย เช่น ยูเรเนี ยมนิวเคลียส มีประจุไฟฟ้ าเท่ากับ +92e เป็นต้น
  28. 28. ( )1 0−3 +4211β e0H2n+H−He11 AAZ ั ั ิ X สญลกษณ์ที่ใช้แทนนวไคลด ์ (Nuclide) คือ Z X ที่ควรทราบได้แก่ 1 หมายถง ไฮโดรเจนนิวเคลียส หรือ โปรตอน ึ 1 H 2 หมายถึง นิวเคลียสของดิวทีเรียม เรียกว่ า ดิวทีรอน 1H 3 หมายถง นิวเคลียสของทริเตยม เรียกว่า ทริตอน ึ ี 1 H 1 หมายถง นิวตรอน ึ A 0 n ZX 0 e หมายถง อเล็กตรอน (β− ) ึ ิ −1 0 หมายถง โพสตรอน (β+ ) (เม่ ือเกดขนมาแล้วไม่สามารถอย่ ูลาพงได้ ึ ิ ิ ึ้ ํ ั +1 e ต้องรวมกับ อเล็กตรอน) ิ 3 2 He หมายถึง Helium – 3 เป็นไอโซโทปของฮีเลียม 4 2 He หมายถง นิวเคลียสของฮีเลียมปกติ ซ่งกคือ อนุภาค α ึ ึ ็
  29. 29. n = 59 → 51238 206 4 0 92 U→ 82 Pb + 8 2 α + 6 −1e การสลายตัวแบบ อนุกรมยูเรเนี ยม 4n + 2 และ n 59 → 51 = ( 4x59 + 2 = ) 238 สมการของการ สลายตวคือ ั 238 206 4 0 92 U → 82 Pb + 8 2 α + 6 −1 e
  30. 30. เลขนิวตรอน (NN)เลขนิวตรอน ( ) การสลายตัวแบบอนุกรมแอกทีเนี ยม (Actinium series) ธาตุเริ่มต้น U-235 235 ธาตุสดท้าย Pb-207 ุ144144 U142142 231 เรียกว่าอนุกรม 4n + 3 และ140140 227 Th 231 Pa n 58 → 51 = Ac138138 223 227 Th สมการของการสลายตัว คือ Fr 235 207 4 0 92 U → 82 Pb + 7 2 α + 4 −1 e136136 223134 Ra 219134 Rn132 215132 Po α130 211130 Pb 211128 Bi β 211128 207 Bi Po126 Tl 207126 Pb Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
  31. 31. เลขนิวตรอน (N) การสลายตัวแบบชุดทอเรียม 142 232 Th (Thorium series) 140 228 Ra 228 ธาตุเริ่มต้นคือ Th-232 138 Ac ธาตุสดท้าย Pb-208 เรียกว่า ุ 224 228 136 Ra Th อนุกรม 4n และ 134 220 Rn n 58 → 52 = 216 132 Po 130 212 Pb สมการของการสลายตัว คือ 212 Bi α 232 128 208 212 90 Th → 208 Pb + 6 4 α + 4 −0 e 82 2 1 Tl Po 126 β 208 Pb 124 Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
  32. 32. เลขนิวตรอน (N) การสลายตัวแบบชุดเนปจูเนียม 237 Np (Neptunium series) 144 233 Pa เป็ นอนุกรมที่ มนุษย์ประดิษฐ์ 233 ธาตุเริ่มต้ น 142 U 140 229 เนปทูเนี ยม Np-237 Th 138 225 Ra 225 Ac ธาตุสดท้าย Bi-209 ุ เรียกว่า อนุกรม 4n + 1 และ 136 134 221 Fr n 59 → 52 = 132 217 α 213 Bi At 130 213 209 Po 128 Tl สมการของการสลายตว β ั 209 237 209 4 0 93 Np → 83 Bi + 7 2 α + 4 −1 e 126 Pb 209 Bi Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
  33. 33. ∴ONN ON2 2 x 2 O2x กิโกิโลกรัม ลกรัม เวลาครึงชีวิต (Half life) ่2n กิโลกรัม เวลาครึ่งชีวิต คือ เวลาที่สารนันใช้ในการสลายตัวไปจน ้ เหลือครึงหนึ่ งของปริมาณเดิม ่ สมมติสารกัมมันตรังสีอย่างหนึ่ ง มีมวล NO กิโลกรม ั มีเวลาครึ่งชีวิตเท่ากับ T1/2 ชัวโมง ่ NO ดังนัน ในเวลา T1/2 ชัวโมงต่อไปจะเหลือ 2 กิโลกรม ้ ่ ั NO ในเวลา 2T1/2 ชัวโมงต่อไป จะเหลือ 2x2 กิโลกรัม ่ NO ในเวลา 3T1/2 ชัวโมงต่อไป จะเหลือ 2x2x2 กิโลกรัม ่ NO ในเวลา n ช่วงของ Half Life จะเหลือ n กิโลกรัม 2
  34. 34. No N= n 2เมื่อ N คือจํานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่,No คือจํานวนนิวเคลียสที่มีอยู่เมื่อเริ่มพิจารณาn คือจํานวนช่วงเวลา ครึ่งชีวิต
  35. 35. −λt N = No e เมื่อ N คือจํานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่, No คือจํานวนนิวเคลียสที่มีอยู่เมื่อเริ่มพิจารณา e คือค่าคงตัวซึ่งเท่ากับ 2.7182818 t คือเวลา λ คือค่าคงตัวของการสลายหมายเหตุ สูตรนี้ สามารถใช้กบ มวลในหน่ วยเป็ นกรัมได้ ั ( m = mo e ) −λt
  36. 36. 0.693 T1/2 = λเมื่อ T1/2 คือเวลาของช่วงครึ่งชีวิตλ คือค่าคงตัวของการสลาย
  37. 37. ไอโซโทป คือ อะตอมของธาตุเดียวกัน ซึ่งมีจานวน ํโปรตอนและจํานวนอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่มีจานวน ํนิวตรอนต่างกัน การที่มีจานวนนิวตรอนต่างกันในแต่ละ ํไอโซโทป หมายถึง การมีประจุที่เท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน Isotope เป็ นคําภาษากรีก แปลว่าอยูทตาแหน่งเดียวกันใน ่ ่ี ํ ตารางธาตุ
  38. 38. Oxygen-16 and Oxygen-18 isotopes. White spheresare neutrons and blue spheres are 8 protons.
  39. 39. หลักการทํางานของ Mass Spectrometerใช้ลาอิเล็กตรอนทีม ี ํ ่พลังงานสูงวิงชนโมเลกุล ่ทาใหเกดเป็นไอออนทม ี ํ ้ ิ ่ีประจถาไอออนทเี่ กดขนมมวลต่างกน เมอเขาสสนามแมเหลก ุ ้ ิ ้ึ ี ั ่ ื ้ ู่ ่ ็จะวิงด้วยรัศมีความโค้งทีต่างกัน สนามแม่เหล็ก จึงแยกไอออน ่ ่ทีมมวลต่างกันออกจากกันได้ และแสดงผลเป็ นกราฟเรียกว่า ่ ีMass Spectrum ทงมวลและประจของไอออน วดไดจาก ั้ ุ ั ้ตําแหน่งทีปรากฏในสเปคตรัม จึงสามารถวิเคราะห์ไอโซโทปได้ ่
  40. 40. 23 1 2411Na + 0 n → 11Na + γ
  41. 41. (1) หลกการคงทของจานวนนิวคลออน คอ ผลบวกของเลขมวล ั ่ี ํ ี ื ก่อนและหลังปฏิกรยาต้องเท่ากัน ิิ(2) หลกการคงทของประจไฟฟ้า ั ่ี ุ(3) หลักการคงทีของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและ ่ พลังงานก่อนปฏิกรยากับหลังปฏิกรยาต้องเท่ากัน ิิ ิิ(4) หลกการคงทของโมเมนตมเชงเสน ั ่ี ั ิ ้
  42. 42. ธาตุเบาที่ควรจําได้ 1H, 2 He, 3 Li, 4 Be, 5 B, 6 C, 7 N, 8 O, 9 Fธาตุหนักที่ควรจําได้ 82 Pb, 83 Bi, 84 Po, 86 Rn, 88 Ra, 90Th, 92 U, 94 Pu
  43. 43. ปฏิกรยาฟิชชันเป็ นปฏิกรยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมี ิิ ่ ิินิวตรอนเป็นตววงเขาชนนิวเคลยสหนกๆ (A>230) ั ิ่ ้ ี ัทาใหเกดนิวเคลยสใหม่ 2 นิวเคลียสทีมเี ลขมวลปานกลางใกล้ ํ ้ ิ ี ่เคยงกน และมนิวตรอนทมความเรวสงเกดขนประมาณ 2-3 ตัว ี ั ี ่ี ี ็ ู ิ ้ึทังมีการคายพลังงานออกมาด้วย ดังตัวอย่างปฏิกรยาต่อไปนี้ ้ ิิ 235 1 141 92 1 92 U + 0 n → 56 Ba + 36 Kr + 3 0 n + Eนิวเคลียสขนาดปานกลางทีเกิดขึนนี้เรียกว่า ่ ้Fission Fragment ซงจะมอตราสวนของเลขมวลประมาณ 1.5 ่ึ ี ั ่
  44. 44. 235 1 140 94 1 92 U + 0 n → 54 Xe + 38 Sr + 2 0 n + γ + 200MeV235 1 139 94 1 92 U + 0 n → 54 Xe + 38 Sr + 3 0 n235 1 138 96 1 92 U + 0 n → 55 Cs + 37 Rb + 2 0 n
  45. 45. 2 3 4 11H + 1H → 2 He + 0 n
  46. 46. 2 2 3 11) 1H + 1H → 1H + 1H + 4MeV 2 3 4 12) 1H + 2 He → 2 He + 1H + 18.3MeV 2 2 3 13) 1H + 1H → 2 He + 0 n + 3.3MeV 2 3 4 14) 1H + 1H → 2 H + 0 n + 17.6MeV

×