ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ องค์ประกอบของนิวเคลียส ประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด คือ โปรตรอน และ นิวตรอน โดยที่โปรตรอน มี คุณสมบัติเป็ นประจุบวกทำงไฟฟ้า และ นิวตรอนมีค่ำเป็ นกลำงทำงไฟฟ้า

สัญลักษณ์นิวเคลียร์

การค้นพบสารรังสี    ในปี ค.ศ. 1896 เบ็กเคอเรล ( Henri Becquerel ) ได้ทำการทดลองการเรืองแสงของสารต่าง ๆ และได้พบว่าสารประกอบของยูเรเนียมสามารถ แผ่รังสีชนิดหนึ่งออกมาได้เองตลอดเวลาโดยไม่ ขึ้นอยู่กับ สภาพแวดล้อมเลย และจากการศึกษาเบื้องต้นของเบ็กเคอเรล เขาได้พบว่า รังสีนี้มีสมบัติ บางประการ คล้าย รังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุบางชนิดและทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออน ได้            ต่อมา ปีแอร์ คูรี ( Pierre Curie ) และมารี คูรี ( Maric Curie ) ได้ทำการทดลองกับธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด และพบว่าธาตุบางชนิดมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม ปรากฏการณ์ที่ธาตุ แผ่รังสีได้ เองอย่างต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ) และธาตุที่มีการแผ่รังสีได้ เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี ( radioactive element ) จากการศึกษารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุ กัมมันตรังสีทั่วไป

แนวการเคลื่อนที่ของรังสีในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก โดยให้รังสีดังกล่าวผ่านเข้าไปในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศพุ่ง เข้าและตั้งฉากกับกระดาษ พบว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีแยก เป็น 3 แนว ดังรูป 1 รังสีที่เบนน้อยและไปทางซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา ( alpha ray ) รังสีที่เบนมากและในทิศ ตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตา (beta - ray) ส่วน รังสีที่พุ่งตรงไม่เบี่ยงเบนเลย เรียกว่า รังสีแกมมา ( gamma ray ) แนวการเคลื่อนที่ของรังสีในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก

สมบัติของกัมมันตภาพรังสี α , β , γ สมบัติของกัมมันตภาพรังสี  α , β , γ 1. อนุภาค α (α – particles) คือนิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่ง ประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค 2. อนุภาค β (β – particle ) คืออิเล็กตรอน เป็นอนุภาคมีมวล , มีประจุไฟฟ้าลบ , เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเกือบเท่าความเร็วแสง , มีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับอำนาจทะลุ ทะลวงปานกลาง 3. รังสี γ ( γ – gamma rays ) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวช่วงคลื่นสั้น มาก , ความถี่สูง (มากกว่ารังสี X ) มีความเร็วเท่ากับแสงในสูญญากาศ , มีอำนาจทะลวงสูง , ไม่มีประจุไฟฟ้า ( จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าหรือในสนามแม่เหล็ก ) ผ่านคอนกรีตหนา หนึ่ง ส่วนสามเมตร ได้เช่นเดียวกับรังสีเอกซ์

1. สรุปอนุภาค α 2. สรุปอนุภาค β 3. สรุปรังสี γ 1. สรุปอนุภาค α มีประจุ + 2 , มีมวล 4 amu มีอัตราเร็ว 1/15 ความเร็วแสง มีอำนาจทะลุทะลวงน้อยกว่ารังสีอื่น 2. สรุปอนุภาค β คือ electron , มีมวลน้อยมาก , ประจุ – 1 ความเร็วสูงมาก เกือบเท่าความเร็วแสง อำนาจทะลุทะลวงปานกลาง 3. สรุปรังสี γ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า , มีความถี่สูงสุด มีความเร็วเท่าแสง อำนาจทะลุทะลวงสูง

การแผ่รังสีของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี สมมติฐานการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ของรัทเทอร์ฟอร์ดและซอดดี (Soddy)กล่าวว่า 1. การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเป็นการสลายตัวที่เกิดขึ้นเอง  โดยไม่ขึ้นกับสภาวะแวดล้อมของนิวเคลียส (เช่น การ จัดตัวของอิเลคตรอน ความดัน อุณหภูมิ) 2. การสลายตัวเป็นกระบวนการสุ่ม (Random Process) ในช่วงเวลาใดๆ ทุกๆ นิวเคลียสมีโอกาสที่จะสลายตัว เท่ากัน  ดังนั้น  ในช่วงเวลาหนึ่งๆ ปริมาณนิวเคลียสที่สลายตัวจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณนิวเคลียสที่เหลืออยู่ อัตราการสลายของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ในขณะหนึ่งจะแปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี นั้นที่มีอยู่ในขณะนั้น อัตราการแผ่รังสีออกมาในขณะหนึ่ง คือ กัมมันตภาพ(activity)  มีสัญลักษณ์ A A   =   λN

กราฟแสดงการลดจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ณ เวลาต่างๆ

ช่วงเวลาของการสลายที่จำนวนนิวเคลียสลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้น เรียกว่า ครึ่งชีวิต (Half Life) มีสัญลักษณ์  สูตร    การหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงนั้นทำได้ยาก  นิยมวัดจากกัมมันตภาพที่แผ่ออกมาดังสูตร

สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี จากการทดลองพบว่าอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสจะเป็นปฏิภาคกับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่ขณะนั้น เขียนเป็นสมการได้ว่า โดยที่ λ แทนค่าคงที่ของการสลายตัว (decay constant) ถ้าให้   เป็นจำนวนนิวเคลียสเริ่มต้นที่เวลา t = 0 และ   เป็นจำนวนนิวเคลียสที่เหลือ เมื่อเวลาผ่านไป t จะได้

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแสดงได้ดังรูป

ไอโซโทป เลขมวล เลขอะตอมและสัญลักษณ์ของนิวเคลียร์ นิวคลีออน คือ อนุภาคที่รวมตัวกันอยู่ภายใต้ นิวเคลียส ซึ่งหมายถึง โปรตอน (proton,        ) และนิวตรอน (Neutron,        ) ในนิวเคลียสมีสัญลักษณ์เป็น A เป็นเลขมวล (Atom mass number) หมายถึงจำนวนนิวคลีออน ทั้งหมดที่อยู่ในนิวเคลียส Z เป็นเลขอะตอม หมายถึง จำนวนโปรตอนภายใน Nucleus ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง นิวไคลด์หรือธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น  

ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ในกิจการต่างๆ ใช้วัดระดับของไหล สารเคมีต่างๆ ในขบวนการผลิตในโรงงานเส้นใยสังเคราะห์ด้วยรังสีแกมมา -         ใช้ตรวจสอบระดับเศษไม้ในหม้อนึ่งภายใต้ความดันสูง ในการผลิตไม้อัดแผ่นเรียบด้วยรังสีแกมมา -         ควบคุมการไหลผ่านของส่วนผสมในการผลิตปูนซีเมนต์ -         วัดความหนาแน่นของน้ำปูนกับเส้นใยหิน ในขบวนการผลิตกระเบื้องกระดาษ -         วัดความหนาแน่นในการดูดสินแร่ในทะเล เพื่อคำนวณหาปริมาณแร่ที่ดูดผ่าน -         วัดและควบคุมความหนาแน่นของน้ำโคลนที่จะใช้ในการขุดเจาะอุโมงค์ส่งน้ำใต้ดิน -         ควบคุมขบวนการผลิต ผลิตภัณฑ์เครื่องแก้วให้มีความหนาสม่ำเสมอ -         วัดหาปริมาณสารตะกั่วหรือธาตุกำมะถันในผลิตภัณฑ์น้ำมันปิโตเลียม -         ควบคุมความหนาของเนื้อยางที่เคลือบบนแผ่นผ้าใบในขบวนการผลิตยางรถยนต์ -         ควบคุมน้ำหนักของกระดาษต่อหน่วยพื้นที่ในอุตสาหกรรมผลิตกล่องกระดาษ -         ใช้เป็นเครื่องขจัดประจุกระแสไฟฟ้าสถตย์บน แผ่นฟิล์ม ฟิล์มภาพยนต์ หลอดแก้วที่ใช้ บรรจุผลิตภัณฑ์  เวชภัณฑ์ต่างๆ -         ใช้ตรวจสอบความรั่วซึมในการผนึกแน่นวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ IC, Semiconductor Watch module ต่างๆ ด้วยก๊าซ คริปตอน-85 -         ใช้ตรวจสอบและถ่ายรอยเชื่อมโลหะ หาความสึกหรอโดยวิธไม่ทำลายชิ้นงาน มีทั้งการใช้ X-rays, Gamma rays, และ Neutron radiography -         ใช้ในการสำรวจหาแหล่งน้ำมันใต้ดิน ความชื้นใต้ดินฯลฯ ด้วยรังสีนิวตรอน -         ใช้ทำสีเรืองแสง -         ใช้วัดหาปริมาณเถ้าของลิกไนต์ -         การวิเคราะห์แร่ธาตุด้วยเทคนิคเชิงนิวเคลียร์ สำหรับการสำรวจทรัพยากรในประเทศ(Neutron activation and X-ray fluorescence analysis) -         การใช้รังสีแกมมาเพื่อห่าเชื้อในเครื่องมือเวชภัณฑ์ เช่น กระบวนการฉีดยาสายน้ำเกลือ ถุงเลือด ถุงมือ

ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ในกิจการต่างๆ  -         การรักษาโรคมะเร็งด้วย โคบอลต์-60 -         เม็ดทองคำ-198 ในการรักษามะเร็งผิวหนัง -         ลวดแทนทาลัม-182 ในการรักษามะเร็งปากมดลูก -         ไอโอดีน-131 ใช้ตรวจวินิจฉัยและรักษาโรคคอพอก และในรูป Labeled compound ใช้ตรวจวิเคราะห์การทำงานของไต ระบบโลหิต -         เทคนิเชียม-99m ตรวจทางเดินน้ำดี ไต ต่อมน้ำเหลือง -         แทลเลียม-201ตรวจสภาพหัวใจเมื่อทำงานเต็มที่ ตรวจสภาพการไหลของโลหิตเลี้ยงหัวใจ และตรวจสภาพกล้ามเนื้อในหัวใจ -         แกลเลียม-67 ตรวจการอักเสบ่างๆ ที่เป็นหนอง เช่น ในช่องท้อง ตรวจมะเร็งในต่อมน้ำเหลือง -         อินเดียม-111 ใช้ติดสลากเม็ดเลือดขาว ตรวจหาแหล่งอักเสบของร่างกาย ตรวจการอุดตันของไขสันหลัง ตรวจมะเร็งเต้านม รังไข่ ลำไส้ -         ไอโอดีน-123 ตรวจการทำงานของต่อม ไธรอยด์ -         คริปทอน-81m ตรวจการทำงานหัวใจ -         ทอง-195m ตรวจการไหลเวียนโลหิต -         การรักษาโรคมะเร็งในระดับตื้นของร่างกาย เช่น ลูกตา ด้วยรังสีโปรตอน -         การรักษาโรคมะเร็งและเนื้องอกในส่วนลึกของร่างกายด้วยรังสีนิวตรอน

ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ในกิจการต่างๆ -      การใช้เทคนิคนิวเคลียร์วิเคราะห์ดิน เพื่อการจำแนกพื้นที่ปลูก ทำให้ทราบว่า พื้นที่ที่ศึกษาเหมาะสมต่อการเพาะปลูกพืชชนิดใด ควรเพิ่มปุ๋ยชนิดใดลงไป -         เทคนิคการสะกดรอยด้วยรังสีใช้ศึกษาเกี่ยวกับการดูดซึมแร่ธาตุ และปุ๋ยดดยต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ เพื่อการปรับปรุงการใช้ปุ๋ยให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น -         การฉายรังสีแกมมาเพื่อฆ่าแมลงและไข่ในเมล็ดพืช ซึ่งเก็บไว้ในยุ้งฉาง และภายหลังจากบรรจุในภาชนะเพื่อการส่งออกจำหน่าย -         การใช้รังสีเพื่อการกำจัดแมลงศัตรูพืชบางชนิดโดยวิธีทำให้ตัวผู้เป็นหมัน -         การถนอมเนื้อสัตว์ พืชผัก และผลไม้ โดยการฉายรังสีเพื่อเก็บไว้ได้นานยิ่งขึ้น เป็นประโยชน์ในการขนส่งทางไกล และการเก็บอาหารไว้บริโภคนอกฤดูกาล -         การใช้เทคนิครังสีเพื่อการขยายพันธุ์สัตว์เลี้ยง และการเพิ่มอาหารนม อาหารเนื้อ ในโค และ กระบือ -         การนำเทคนิคทางรังสีด้านอุทกวิทยา  ในการเสาะหาแหล่งน้ำสำหรับการเกษตร -         การใช้เทคนิคการวิเคราะห์ด้วยวิธีอาบรังสี วิเคราะห์สารตกค้างในสิ่งแวดล้อมจากการใช้ยาปราบศัตรูพืช ยาฆ่าแมลง ซึ่งมีความสำคัญต่อผู้บริโภค

โฟตอนที่มีความยาวคลื่น 550 และ 900 nm จะมีพลังงานเท่าไร ในหน่วย eV แสงสีม่วงความยาวคลื่น 750 nm ตกกระทบโลหะหนึ่งที่มีฟังก์ชันงาน 5.8 eV จงหาพลังงานจลน์สูงสุด (K.E.max) ของโฟโตอิเล็กตรอนที่ หลุดออกมา