physics M.6

1. เสถียรภาพ
ของ
นิวเคลียส

2. การค้นพบนิวตรอน
จากแนวคิดของรัทเธอร์ฟอร์ด ที่เสนอว่า นิวเคลียส น่าจะ
ประกอบด้วย โปรตอนและนิวตรอน โดยนิวตรอนเป็นอนุภาคที่เกิด
จากการรวมตัวกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน อนุภาคนิวตรอนจะ
เป็นกลางทางไฟฟ้า
การค้นหาว่ามีอนุภาคนิวตรอนนั้นเป็นเรื่องที่ทาได้ยากมาก
เพราะการทดสอบส่วนใหญ่มักจะทดสอบด้วยสนามแม่เหล็กและ
สนามไฟฟ้า ซึ่งอนุภาคนิวตรอนไม่มีประจุย่อมไม่เบี่ยงเบนในสนาม
ทั้งสอง

3. แชดวิก (Sir James Chadwick 1819 - 1974) นักฟิสิกส์
ชาวอังกฤษ ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาพุ่งชนนิวเคลียสของธาตุ
เบริลเลียมได้รังสีออกมาชนิดหนึ่ง มีสภาพเป็น กลางทางไฟฟ้า
คล้ายรังสีแกมมา ดังสมการ
X
C
Be
He 


 12
6
9
4
4
2
พบว่า x ที่ออกมามาจากปฏิกริยา มีคุณสมบัติ มีสภาพ
เป็นกลางทางไฟฟ้า และมีอานาจทะลุทะลวงสูงสามารถผ่านโลหะ
หนาๆ ได้

4. แชดได้ยิงอนุภาค X เข้าไปชนกับพาราฟิน ปรากฎว่ามี
โปรตอนถูกชนกระเด็นออกมา ซึ่งตรวจสอบความเร็วได้ ซึ่งสามารถ
วัดโมเมนตัมของโปรตอนได้ พบว่าการชนของรังสีที่สงสัยกับ
พาราฟินเป็นการชนกันของอนุภาคกับอนุภาคต่อมาแซดวิกได้ยิง
อนุภาค X เข้าไปชนนิวเคลียสไนโตรเจน และวัดโมเมนตัมของ
นิวเคลียสไนโตรเจนได้ จึงตั้งสมมติฐานว่า
1. X เป็นอนุภาคที่มีมวลแต่ไม่มีประจุ
2. โปรตอนและนิวเคลียสไนโตรเจนถูกอนุภาค x ชนกระเด็น
ออกมา
3. ในการชนพลังงานจลน์และโมเมนตัมไม่สูญหาย

5. จากการคานวณโมเมนตัมของโปรตอนและนิวเคลียสของ
ไนโตรเจนที่วัดได้ สามารถพิสูจน์ได้ว่ามวลของของอนุภาค X =
1.008665 u ซึ่งใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน ซึ่งเท่ากับ 1.007276 u
รังสีนี้ คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งเป็นการสนับสนุนแนวคิดของรัทเธอร์
ฟอร์ด ที่ว่าอนุภาคนิวตรอนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางที่อยู่ในนิวเคลียส
แสดงแผนภาพการทดลองของแชดวิก

6. การคานวณหาค่ามวลของนิวตรอน
Ex. ถ้าอนุภาคมวล m วิ่งด้วยความเร็ว u เข้าชนอนุภาคมวล M1 ซึ่งเดิมอยู่นิ่ง ๆ
ในแนวตรง ๆ แบบยืดหยุ่น ปรากฏว่าหลังจากชนมวล M1 มีอัตราเร็ว V1 แต่ถ้า
อนุภาคที่ถูกชนมีมวล M2 หลังชนอนุภาคนี้มีอัตราเร็ว V2 สามารถหามวลได้
ดังนี้
mv
V
M
mu 
 1
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
mv
V
M
mu 

m
V
M
V
u 1
1
1
2
1
2
1


m
V
M
V
u 2
2
2
2
1
2
1


2
1
2
2
1
1
V
V
V
M
V
M
m





7. อนุภาคทั้งสามในอะตอมเป็นดังนี้
1. โปรตอน มีประจุบวก โดยขนาดของประจุเท่ากับ
1.6x10-19 Cและโดยมีมวลนิ่ง 1.67252 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ
1.007276 u สัญลักษณ์ของโปรตอนแทนด้วย
2. นิวตรอน มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่มีประจุ
และโดยมีมวลนิ่ง 1.67482 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ 1.008665 u
สัญลักษณ์ของนิวตรอนแทนด้วย
3. อิเล็กตรอน มีประจุลบ โดยขนาดของประจุเท่ากับ
-1.6x10-19 C และโดยมีมวลนิ่ง 9.1x10-31 kg หรือมีค่าเท่ากับ
0.000549 u สัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนแทนด้วย

8. เมื่อแซควิคค้นพบนิวตรอนแล้ว จึงมีการตั้งสมมติฐาน โปรตรอน-
นิวตรอน กล่าวว่า นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตรอนและนิวตรอน และ
รวมเรียกอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสว่า นิวคลีออน
ภายในอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ซึ่งภายใน
นิวเคลียสมีอนุภาคหลักอยู่ 2 ชนิดคือ โปรตอนและนิวตรอนดังรูป
โครงสร้างนิวเคลียส

9. ขนาดและโครงสร้างนิวเคลียส
ข้อสรุปจากการทดลองที่ละเอียดขึ้นพบว่า : นิวเคลียสมีรูปทรงเป็นทรง
กลมและมีขนาดโดยเฉลี่ย
Number
Mass
A
m
r
A
r
r
:
10
2
.
1 15
0
3
/
1
0




รัศมีของอะตอมโดยทั่วไป
มีค่าประมาณ m
10
10
ดังนั้นนิวเคลียสจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณแสนเท่า

13. แรงนิวเคลียร์ (Nuclear Force)
• นิวเคลียสเสถียรได้อย่างไรทั้งที่โปรตอน
มาอยู่รวมกัน ทาให้มีแรงคูลอมบ์ ผลักกัน
ระหว่างประจุบวก?
• คาตอบคือ ในกรณีนี้ มีแรงอีกชนิดหนึ่งที่
เกี่ยวข้อง
• แรงผลักนั้นถูกหักล้างโดยแรงดึงดูด
ประเภท Nuclear force ระหว่าง
นิวคลีออน ซึ่งมีค่ามากหากนิวคลีออนอยู่
ใกล้กัน

15. หลักสำคัญของแรงนิวเคลียร์
1. เป็นแรงกระทาระหว่างนิวคลีออน
2. ไม่ขึ้นกับประจุไฟฟ้า
3. นิวคลีออนตัวหนึ่งๆ จะมีแรงกระทากับตัวที่อยู่ติดกันเท่านั้น
ไม่มีแรงกระทากับนิวคลีออนตัวที่อยู่ถัดไป
แรงนิวเคลียร์เป็นแรงที่
เข้มแข็งที่สุดในธรรมชาติ
เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอยู่กัน
ใกล้กันมากๆ ขนาดของแรง
ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของประจุ

16. ไอโซโทป
คุณสมบัติทางเคมีของอะตอมขึ้นอยู่กับจานวนอิเล็กตรอนซึ่ง
เท่ากับโปรตอน (Z) หรืออีกนัยหนึ่งนิวเคลียสจะเป็นธาตุอะไรนั้น
ขึ้นอยู่กับค่า Z ของมัน นิวเคลียสซึ่งมีจานวนโปรตอนเท่ากัน แต่
จานวนนิวตรอนต่างกันจะเป็นนิวเคลียสของธาตุเดียวกันแต่มี
ไอโซโทปต่างกัน ซึ่งไม่สามารถแยกได้โดยวิธีทางเคมีเพราะมี
คุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เช่น เป็นต้น
H
1
1
H
2
1
H
3
1
เราสามารถแยกกลุ่มธาตุไอโซโทปได้โดยใช้
เครื่องแมสสเปกโทรมิเตอร์

17. ไอโซโทปต่างกัน หมายถึง เลขอะตอมเท่ากัน แต่ เลขมวลต่างกัน
เช่น
H
1
1
นิวเคลียสของดิวเทอเรียม สัญลักษณ์ H
2
1
นิวเคลียสของตริเตรียม สัญลักษณ์ H
3
1
นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน สัญลักษณ์

18. แมสสเปกโทรมิเตอร์ (Mass Spectrometer)
เป็นเครื่องมือวิเคราะห์มวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ
รวมทั้งการวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันด้วย โดย
อาศัยหลัก
1. สมบัติทางกายภาพของไอโซโทปต่างกัน
2. อนุภาคมีประจุไฟฟ้า เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าและ
สนามแม่เหล็ก

20. ส่วนประกอบ
1. บริเวณเร่งอนุภาค ทาให้ไอโซโทปที่เป็นแก๊สมีสภาพเป็น
อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และถูกเร่ง ในสนามไฟฟ้า
ได้

21. 2. บริเวณคัดเลือกความเร็ว มีสนามไฟฟ้า และ
สนามแม่เหล็ก ตั้งฉากกัน โดยอนุภาคที่มา จากบริเวณเร่ง
อนุภาคจะเคลื่อนที่แนวตั้งฉากกับสนามทั้งสอง อนุภาค
ได้รับแรงจากสนามทั้งสอง โดยทิศของแรงตรงข้ามกัน
อนุภาคที่คัดความเร็วได้พอเหมาะจะทาให้แรงทั้งสองมีค่า
เท่ากันเป็นผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่านสนามทั้งสองในแนวเดิม

22. อนุภาคที่คัดความเร็วได้พอเหมาะจะทาให้แรงทั้งสอง
มีค่าเท่ากันเป็นผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่านสนามทั้งสองใน
แนวเดิม
รูปแสดง หลักการทางานของส่วนคัดเลือกความเร็ว
จะได้ว่า
หรือ

23. 3. บริเวณวิเคราะห์ มีสนามแม่เหล็ก อย่างเดียว เมื่ออนุภาคผ่าน
เข้าสู่บริเวณนี้ แรงจาก สนามแม่เหล็ก ทาให้อนุภาคเคลื่อนที่แนว
โค้งของวงกลมโดยมีรัศมีวงกลมต่างกัน เนื่องจาก มวลของอนุภาค
ต่างกัน สังเกตจากลูกศรที่กระทบฟิล์มเมื่ออนุภาคเหล่านี้กระทบ กับ
ฟิล์มเกิดรอยดา บนฟิล์มตรงหมายเลข 1, 2, 3 ตามลาดับ ใน
สนามแม่เหล็ก

24. ส่วนวิเคราะห์ที่มีสนามแม่เหล็ก ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่
ของอนุภาคที่มีประจุ จะได้ว่า
เนื่องจาก
จะได้ว่า
จากสมการ แสดงว่า มวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้ง
และเนื่องจาก มวลของแต่ละไอโซโทปแตกต่างกัน ดังนั้นรัศมีความโค้งของ
แต่ละไอโซโทปจะแตกต่างกัน

29. สัญลักษณ์นิวเคลียร์

30. พลังงานยึดเหนี่ยว(binding energy)
เป็นพลังงานที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียส
ให้อยู่รวมกันได้

31. 2
mc
E 
ตามกฎอนุรักษ์มวล : มวลของอะตอม = มวล p+มวล n+มวล e
แต่จากการตรวจสอบ  มวลของนิวเคลียสมีค่าน้อยกว่ามวลรวมของนิวคลีออน
ที่ อยู่ภายในนิวเคลียส เนื่องจากการที่นิวคลีออนจะมารวมกันอยู่ได้ในนิวเคลียสต้อง
มีการเปลี่ยนมวลบางส่วนเป็นพลังงาน ซึ่งส่วนของมวลที่แตกต่างกัน เรียกว่า
ส่วนพร่องมวล (Δm) ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยว (E) ของนิวเคลียส
ตามสมการ
การหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยว
: มวลของนิวเคลียส = มวล p+มวล n
  
u
MeV
m
E /
5
.
931



33. การหาค่าส่วนพร่องมวล
ส่วนพร่องมวล = มวลรวมขององค์ประกอบอะตอม - มวลที่แท้จริงของอะตอม
ส่วนพร่องมวล = มวลรวมขององค์ประกอบนิวเคลียส - มวลที่แท้จริงของนิวเคลียส
 
  X
e
n
p m
Zm
m
Z
A
Zm
m 





 
  X
n
H m
m
Z
A
Zm
m 




 
  nucleus
n
p m
m
Z
A
Zm
m 




โดยทั่วไปแล้ว ข้อมูลทางเคมีในตารางธาตุจะแสดงค่าของมวลอะตอม
มากกว่ามวลของนิวเคลียส ดังนั้นการคานวณค่าพลังงานยึดเหนี่ยวจาก
มวลอะตอมจึงจะสะดวกกว่า
u
mH 007825
.
1


39. เนื่องจากนิวเคลียสของแต่ละธาตุมีจานวนนิวคลีออนต่างกัน ดังนั้นการ
เปรียบเทียบนิวเคลียสเสถียรจะต้องพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน
ดังสมการ
Nucleon
MeV /
ธาตุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่าจะมีเสถียรภาพกว่า
  
A
MeV
m
A
E 5
.
931


หน่วยเป็น

40. พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน
• ค่าพลังงานยึดเหนี่ยว
ต่อนิวคลีออนสูงสุด
ประมาณ 8.75 MeV

43. ตัวอย่าง จงหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของไนโตรเจน (N - 14)
N – 14 มีมวล = 14.003074 u
กาหนด มวลโปรตรอน มวลนิวตรอน และมวลอิเล็กตรอน ตาม
ตาราง 20.3