ฟิสิกส์นิวเคลียร์(Nuclear Physics) ศึกษาสมบัติของนิวเคลียส โครงสร้างของนิวเคลียสและผลจากระบวนการต่างๆเกี่ยวกับนิวเคลียส

การค้นพบกัมมันตภาพรังสี(radioactivity) ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสเป็นคนแรก จากการหาว่ามีสารใดดูดกลืนแสงแดดแล้วปล่อยพลังงานเป็น x-ray โดยใช้สารประกอบของยูเรเนียม กัมมันตภาพรังสี(radioactivity) คือ รังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสี(radioactive element) Henri Becquerel

Marie Curie พบกัมมันตภาพรังสีจาก โพโลเนียม และเรเดียม รังสีจากสารกัมมันตรังสีเกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส นิวเคลียสที่ไม่เสถียร จะสลายตัวจนกว่าจะเสถียร

ชนิดกัมมันตภาพรังสี

กระบวนการสลายแอลฟา

รังสีแอลฟา มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มีพลังงานประมาณ 6 Mev รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบางๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา

กระบวนการสลายบีตา

รังสีเบต้า เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คืออิเล็กตรอน (ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส) มีพลังงานประมาณ 1 Mev รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อำนาจทะลุผ่านของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา

กระบวนการสลายแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานประมาณ 0.01 Mevสามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอำนาจทะลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด การสลายตัวของนิวเคลียส นิวเคลียสใหม่ที่เกิดขึ้นมักอยู่ในสถานะกระตุ้น จึงต้องปล่อยรังสีแกมาเพื่อให้อยู่ในสภาวะปกติ

ค่าเปรียบเทียบรังสีทั้งสาม ความสามารถในการทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน , ,  อำนาจการทะลุทะลวง , ,  มวล , ,  ความเร็ว , ,  พลังงาน , , 

โครงสร้างของนิวเคลียส สมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนโดยมีจำนวนโปรตอนเป็นสองเท่าของอิเล็กตรอน รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่ามีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในนิวเคลียสให้ชื่อว่านิวตรอน(neutron)ซึ่งเป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างแนบแน่น จากหลักความไม่แน่นอน อิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียสไม่ได้เพราะ อิเล็กตรอนจะมีความเร็วมากกว่าแสง

การค้นพบนิวตรอน รังสีที่ได้ James Chadwick รังสีที่ได้  + รังสีที่ได้ชนโปรตอนในพาราฟินหลุดออกด้วยพลังงานประมาณ 5 MeV ตอนแรกคิดว่ารังสีที่ได้เป็นรังสีแกมมา แต่จากการคำนวณถ้าเป็นรังสีแกมมา จะต้องมีพลังงานถึง 55 MeV พลังงานระดับนี้จะทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออน คิดการชนแบบยืดหยุ่นอนุภาคใหม่นี้มีมวลใกล้เคียงโปรตอนมาก และเป็นกลาง

นิวตรอนไม่ใช่เป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนเพราะ นิวตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนต่างมีสปินแม่เหล็กเท่ากับ ½ ถ้านิวตรอนเป็นการยึดกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน นิวตรอนมีสปินแม่เหล็กเท่ากับ 0 หรือ 1 (จากการที่สปินหันตรงกันข้ามหรือหันทางเดียวกัน) จะเป็น ½ ไม่ได้ อีกทั้งนิวตรอนและโปรตอนมีโครงสร้างต่างกัน uud udd

โครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน

การสลายกัมมันตรังสี เป็นไปตามสถิติหรือโอกาสตามธรรมชาติ คือ อัตราการสลายตัว N คือ จำนวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่ N0 คือ จำนวนนิวเคลียสตั้งต้น เครื่องหมายลบ แสดงถึงการลดลง  ค่าคงตัวในการสลายตัว

อนุกรมการสลาย

สมการการสลายกัมมันตรังสี เวลาที่สารกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของเดิม เมื่อตั้งต้นเรียกว่า เวลาครึ่งชีวิต(half – life ), T1/2 หรือ

A0 เป็นกัมมันตภาพขณะเริ่มต้น A เป็นกัมมันตภาพที่เวลา t ใดๆ จาก เมื่อ ดังนั้น A0 เป็นกัมมันตภาพขณะเริ่มต้น A เป็นกัมมันตภาพที่เวลา t ใดๆ กัมมันตภาพมีหน่วยเป็นคูรี(Ci) 1 คูรี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นิวเคลียสต่อวินาที),Bq

ตัวอย่าง สารกัมมันตรังสีชิ้นหนึ่งมี. อะตอม 1018 อะตอม มีเวลา ตัวอย่าง สารกัมมันตรังสีชิ้นหนึ่งมี อะตอม 1018 อะตอม มีเวลา ครึ่งชีวิต 2 วัน เมื่อเวลาผ่านไป 5 วัน จงหา ก. จำนวนอะตอมที่เหลือ ข. กัมมันตภาพของสาร

แรงนิวเคลียร์(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.

แรงนิวเคลียร์คือแรงลักษณะใด เป็นแรงที่ดึงดูดนิวคลีออนในนิวเคลียสไว้ด้วยกันมีค่ามากกว่าแรงคูลอมบ์ไม่น้อยกว่า 100 เท่า เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคไพ-มีซอน(มีมวลประมาณ 273 เท่าอิเล็กตรอน)ระหว่างนิวคลีออนที่อยู่ใกล้ๆกัน

หลักสำคัญของแรงนิวเคลียร์ เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคไพ-มีซอน(นิวคลีออนอยู่ห่างกันไม่เกิน 9 10- 15 เมตร)ในระยะทางสั้นๆ10- 15 เมตร(1 เฟอร์มี)หรือน้อยกว่า ไม่ขึ้นกับประจุไฟฟ้า เป็นแรงกระทำระหว่างนิวคลีออนและ เป็นอันตรกิริยาแบบ แรง 4 นิวคลีออนตัวหนึ่งๆจะมีแรงกระทำกับตัวที่อยู่ติดกันเท่านั้น ไม่มีแรงกระทำกับนิวคลีออนตัวที่อยู่ถัดไป

ขนาดของนิวเคลียส การใช้อนุภาคแอลฟาในการทดลอง ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถหา ขนาดของนิวเคลียสที่แท้จริงได้ เพราะอนุภาคแอลฟาไม่สามารถฝ่ากำแพงคูลอมบ์(coulomb barrier)เข้าไปถึงนิวเคลียสได้ จึงต้องใช้อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงหรือนิวตรอนเพื่อฝ่าแรงไฟฟ้าเข้าไปปะทะกับนิวเคลียสได้

ปริมาตรนิวเคลียสเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวน นิวคลีออน(เลขมวล)ที่มีอยู่ในนิวเคลียสนั้นๆ R0 = 1.2  10 -15 เมตร

จงหารัศมีของนิวเคลียสของอะลูมิ เนียม-27 และทองคำ-197 (3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)

พลังงานยึดเหนี่ยว(binding energy) เป็นพลังงานที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้อยู่รวมกันได้

การหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยว มวลของนิวเคลียสโดยทั่วไปน้อยกว่าผลบวกของมวลของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสในสภาวะอิสระ เช่น ออกซิเจนมีมวล 15.994915 u ออกซิเจนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอนอย่างละ 8 ตัว ออกซิเจนมีมวลน้อยกว่าผลบวกของนิวตรอนและโปรตอนเท่ากับ 0.1371055 u คิดเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว 127.6 MeV พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน 7.98 MeV/ นิวคลีออน

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงสุดประมาณ 8.75 MeV

ตัวอย่าง จงหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของ ไนโตรเจน (N - 14) N – 14 มีมวล = 14.003074 u

หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์ 1 ผลรวมของประจุไฟฟ้าและเลขมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน 2 กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นและโมเมนตัมเชิงมุม 3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลสารและพลังงานทั้งหมดของระบบต้องคงตัว

ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION) เมื่อนิวเคลียส สองตัวเคลื่อนที่ฝ่าแรงคูลอมบ์เข้ามาใกล้กันภายในระยะของแรงนิวเคลียร์ อาจทำให้เกิดการจัดระเบียบการเรียงตัวของนิวคลีออนภายในนิวเคลียสขึ้นใหม่ ผลที่ได้อาจกลายเป็นหนึ่งนิวเคลียสใหม่หรือมากกว่าก็ได้ เขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้เป็น X + a →Y + b หรือ X ( a ,b )Y ****** X = นิวเคลียสที่เป็นเป้า a = อนุภาคที่ชนเป้า Y = นิวเคลียสธาตุใหม่ที่เกิดขึ้นหลังการชน b = อนุภาคที่เกิดขึ้นหลังการชน

รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนแรกที่พบปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยใช้อนุภาคแอลฟา 7 รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนแรกที่พบปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยใช้อนุภาคแอลฟา 7.68 MeV ยิงนิวเคลียสไนโตรเจน แล้วได้กาซออกซิเจนกับโปรตอน  ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดจากการยิงนิวเคลียสด้วยอนุภาคของนิวเคลียสเบาเช่น นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน ไม่ใช้นิวเคลียสของธาตุหนัก หรืออาจใช้โฟตอนหรือแกมมาก็ได้

หลักสำคัญปฏิกิริยานิวเคลียร์ 1 ผลรวมของประจุไฟฟ้าและเลขมวลก่อนเกิดปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน 2 กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นและโมเมนตัมเชิงมุม 3 หลักการสมมูลของมวลและพลังงาน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มวลสารและพลังงานทั้งหมดของระบบต้องคงตัว

กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส

นิวเคลียสธาตุหนักถูกทำให้แบ่งตัว

กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายได้ด้วยแบบจำลอง หยดของเหลว นั่นคือ เมื่อยิงนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียสธาตุหนัก นิวเคลียสนั้นจะดูดกลืนนิวตรอนไว้ทำให้เกิดการสั่นขึ้นภายในและทำให้สูญเสียสภาพที่เป็นทรงกลม แรงนิวเคลียร์ซึ่งเป็นแรงระยะสั้นจะเสียประสิทธิภาพในการยึดเหนี่ยว เนื่องจากนิวเคลียสมีพื้นที่ผิวมากขึ้น เมื่อเวลาผ่านไปแรงดึงดูดอ่อนแรงลง แรงผลักทางไฟฟ้าจะมีค่ามากกว่า นิวเคลียสก็จะเสียรูปทรงมากขึ้นๆ จนในที่สุดนิวเคลียสแตกเป็น 2 เสี่ยง

ขั้นตอนกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส 1 นิวเคลียสธาตุหนักจับนิวตรอน 2 ผลของการจับนิวตรอนนิวเคลียสธาตุหนักอยู่ในสถานะกระตุ้น มีการสั่นอย่างรุนแรง 3 แรงผลักระหว่างโปรตอนจะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวยิ่งขึ้น 4 นิวเคลียสแตกออกเป็นสองส่วน โดยมีนิวตรอนจำนวนหนึ่ง 2-3 ตัว และพลังงาน

กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสจะมีนิวตรอนจำนวนหนึ่ง 2-3 ตัวในแต่ละปฏิกิริยา ซึ่งนิวตรอนใหม่นี้อาจวิ่งชนนิวเคลียสของยูเรเนียมต่อไป ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่(chain reaction) ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาน้อยกว่า 10-6 วินาที จึงให้ค่าพลังงานมหาศาล

กระบวนการหลอมนิวเคลียส

Hans Bethe อธิบายว่า การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบหลอมนิวเคลียสเกิดจากการหลอมตัวของนิวเคลียสเบาสองนิวเคลียสแล้วกลายเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งนิวเคลียส และปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา กระบวนการหลอมนิวเคลียสเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 10 ล้านเคลวิน ภายใต้ความดันสูง

1 วัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)

ขั้นตอนของวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน หรือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัว รวมกันได้อนุภาคแอลฟา 1 ตัว โปรตอน 2 ตัว และโพซิตรอนอีก 2 ตัว พร้อมกับให้พลังงานประมาณ 25 MeV

พลังงานที่ได้จากกระบวนการหลอมนิวเคลียสมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ กระบวนการหลอมนิวเคลียสให้พลังงานมากกว่ากระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสเมื่อเทียบต่อนิวคลีออนประมาณ 10 เท่า นอกจากวัฏจักรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แล้วยังมีวัฏจักรคาร์บอนที่เกิดขึ้นบนดาวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าดวงอาทิตย์ โดยมีกระบวนการดังนี้