Nuclear Physics I นิวเคลียร์ ฟิสิกส์ 1 อุกฤษฏ์ ไชยมงคล (สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา)

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม รังสีเอกซ์ นิวเคลียส์ของอะตอม (Atomic Nucleus) Physics macroscopic physics Mechanics Astrophysics microscopic physics Quantum Nuclear Particle Diameter of Atoms 10-8cm Diameter of Nucleus 10-12 cm

จุดมุ่งหมายของการศึกษา ขนาด และมวล และชิ้นส่วนที่เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสประกอบของนิวเคลียส การวางกฎให้ครอบคลุมชนิดของการแผ่รังสีของนิวเคลียสชนิดต่าง ๆ และในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ รวมถึงอันตรกิริยาของรังสีกับสสาร การเรียงตัวของชิ้นส่วนทีเป็นองค์ประกอบภาคในของนิวเคลียส แรงนิวเคลียร์ที่ยึดชิ้นส่วนที่เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียสเข้าด้วยกัน

วิวัฒนาการของวิชานิวเคลียร์ฟิสิกส์ (Evolution of Nuclear Physics) - การค้นพบรังสีเอกซ์ของ เรินต์เกน (Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923) เมื่อปลายปี ค.ศ. 1895 Wilhelm Conrad Röntgen, 1845-1923) หลอดรังสีเอกซ์ ของเรินต์เกน หลอดรังสีแคโทดวิลเลียมครูกส์

อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) ค้นพบกัมมัตภาพรังสี (Radioactivity) ในปี ค. ศ. 1896 โดยใช้สารประกอบยูเรเนียม เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Lord Ernest Rutherford, 1871 – 1937) เสนอแบบจำลองอะตอมในปี ค. ศ. 1911

เซอร์ โจเซฟ จอห์น เจ. เจ. ทอมสัน (Sir Joseph John "J. J เซอร์ โจเซฟ จอห์น เจ. เจ. ทอมสัน (Sir Joseph John "J. J." Thomson, 1856 -1940) ค้นพบอิเล็กตรอนและไอโซโทป ในปี ค. ศ. 1912 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Lord Ernest Rutherford, 1871 – 1937) ในปี ค. ศ. 1919 โดยพบว่าอนุภาคเดี่ยวออกมามีประจุบวกซึ่งออกมาจากนิวเคลียส โดยเรียกอนุภาคนี้ว่า โปรตอน (Proton) การทดลองนี้ภายหลังได้รับการพิสูจน์โดย แพทริก แบล็กเก็ตต์ (Patrick Blackett) ว่าอะตอมไนโตรเจนในกระบวนการนี้ได้แปรธาตุกลายเป็นอะตอมออกซิเจน ดังนั้น รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้ชื่อว่า มนุษย์คนแรกที่ทำให้เกิด “ปฏิกิริยานิวเคลียร์”

ความรู้เกี่ยวกับเรื่องอะตอม ความรู้เกี่ยวกับอะตอมเริ่มต้นจาก ในปี ค. ศ. 1808 โดยดาลตัน (Dalton) ได้แถลงทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอมว่า สสารประกอบด้วยอะตอมที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้ แนวคิดนี้สอดคล้องกับแนวคิดของดีโมคริตัส  แต่ ปัจจุบันนี้แนวคิดของดอลตันนี้ไม่จริง  เพราะอะตอมสามารถแบ่งต่อไปได้  เพราะอะตอมประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอนและมีอิเล็กตรอน วิ่งวนรอบๆ  น่าจะไปสอดคล้องกับแนวคิดของอาริสโตเติล แต่ละธาตุประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกัน แต่จะมีอะตอมอยู่หลายชนิด เช่นเดียวกับธาตุที่มี อยู่หลายชนิด เช่น อะตอมของธาตุยูเรเนียม จะประกอบไปด้วยกลุ่มอะตอมของธาตุยูเรเนียม และ อะตอมของธาตุในตารางธาตุมีหลายชนิด แต่ละชนิดก็จะประกอบไปด้วยอะตอมที่ เหมือนกัน (ปัจจุบันนี้แนวคิดข้อนี้ของดอลตันก็ไม่จริง  เพราะมีการค้นพบกลุ่มธาตุไอโซโทป  ธาตุชนิดเดียวกันอาจต่างกันได้)

สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่า 1 ชนิดรวมตัวกันและส่วนที่เล็กที่สุดของสารประกอบจะมีจำนวนอะตอมคงที่  (สารประกอบ  ประกอบด้วยธาตุตั้งแต่สองชนิดมารวมกันด้วยสัดส่วนลงตัวน้อย ๆ) น้ำประกอบไปด้วยอะตอมของ O และ H เป็นอัตราส่วน 2 : 1 (กฎสัดส่วนคงที่)

 อะตอมของธาตุหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นอะตอมของธาตุอื่นไม่ได้ แนวคิดนี้ปัจจุบันนี้ก็ไม่จริง  เพราะการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์  สามารถทำให้อะตอมของธาตุหนึ่งเปลี่ยนเป็นอะตอมของอีกธาตุหนึ่งได้ ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ  อะตอมย่อมไม่สูญหายหรือเกิดขึ้นใหม่  แต่จะรวมตัวเกิดเป็นสารประกอบใหม่ ปัจจุบันสาระนี้  ยังคงเป็นจริงอยู่.

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน John Dalton;  ค. ศ. 1766 - ค. ศ. 1844

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (Thomson model of atom) เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ได้ทดลองเพิ่มเติม โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ (a) (b)

การค้นพบโปรตอน  ออยแกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด (a) (b) จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมของทอมสันใหม่ได้เป็น

แบบจำลองพลัมพุดดิง ของ เจ. เจ. ทอมสัน เจ. เจ. ทอมสัน ได้เสนอแบบจำลองว่า อะตอมประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบฝังอยู่ภายในเนื้อของประจุบวกที่มีลักษณะเป็นทรงกลมซึ่งมีรัศมี 10-10 เมตร แบบจำลองพลัมพุดดิง (plum-pudding model) ของ เจ. เจ. ทอมสัน

แบบจำลองอะตอมรัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford) ในปี ค. ศ. 1909 รัทเทอร์ฟอร์ด (Rutherford) กับผู้ร่วมงานได้แก่ ไกเกอร์ (Geiger) และ มาร์สเดน (Marsden) ได้ศึกษาการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา เมื่อพุ่งเข้าชนแผ่นทองคำบาง (b) (a) p แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด e-

ปัญหาที่เกิดขึ้นจากแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด คือ อะไรที่คอยควบคุมไม่ให้อิเล็กตรอนวิ่งเข้าชนนิวเคลียสจากแรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้า ทำไมนิวเคลียสที่ประกอบไปด้วยโปรตอนจึงไม่แตกออกเป็นเสี่ยง ๆ อิเล็กตรอนมีการจัดเรียงตัวภายในอะตอมอย่างไร

พิจารณาแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด electron orbit r v p or e+ F e- H atom พลังงานศักย์ (potential energy, P.E.) ของ e- ที่ระยะ r คือ

พลังงานรวมของอิเล็กตรอนหาได้ได้จาก เราเรียก E ว่า พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) คือ -13.58 eV และจากสมการ (6) สามารถคำนวณรัศมีของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของไฮโดรเจนอะตอมได้เป็น (หน่วย eV เป็นหลังงานจนล์ที่ได้มาจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ 1 เท่าของประจุอิเล็กตรอน ผ่านความต่างศักย์ 1 โวลต์)

สเปกตรัมของไฮโครเจน บัลเมอร์(Balmer)ได้ศึกษาสเปกตรัมของไฮโดรเจน พบว่า สเปกตรัมของความถี่นี้มีลักษณะไม่ต่อเนื่อง และได้คำนวณความยาวคลื่นแต่ละเส้นสเปกตรัมจากสมการของอนุกรมบัลเมอร์ เมื่อ สเปตรัมของบัลเมอร์จะอยู่ในช่วง 656.2 486.08 434.00 nm... (มองเห็นได้) นอกจากนี้ยังอยู่ในย่าน ultraviolet และ infrared

สเปกตรัมของธาตุต่าง ๆ 3 2 6 2 5 2 4 2 สเปกตรัมของธาตุต่าง ๆ

Lyman series Paschen series Brackett series Pfund series (a) Electron transitions for the Hydrogen aton Brackett series Pfund series (b) Electron transitions and their resulting wavelengths for hydrogen. Energy levels are not to scale

ทฤษฎีของบอห์รเกี่ยวกับไฮโดรเจนอะตอม The Bohr Theory of hydrogen atom บอห์รได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับไฮโดรเจนอะตอมไว้ว่า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงกลมโดยมีรัศมีที่แน่นอนโดยปราศจากการแผ่รังสี โมเมนตัมเชิงมุมของการโคจรของอิเล็กตรอนในวงโคจรจะมีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่าของ ค่าคงที่ของแพลงค์ โมเมนตัมเชิงมุม โมเมนตัมเชิงเส้น หากอิเล็กตรอนกระโดดจากจงโคจรที่มีพลังงานสูง Ei ลงสู่โคจรที่มีพลังงานต่ำ Ef จะคายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาโดยมีพลังงานเป็น

Energy Level จากสมมติฐานของ H atom ข้อที่ 1 ของ Bohr จะได้ว่า rn เป็นรัศมีของ e- ที่เคลื่อนที่รอบ ๆ H atom vn เป็นความเร็วแนวสัมผัสกับวงโคจรของ e- ที่เคลื่อนที่รอบ ๆ H atom จากสมมติฐานของ H atom ข้อที่ 1 ของ Bohr จะได้ว่า จากสมมติฐานของ H atom ข้อที่ 2 ของ Bohr จะได้ว่า

แทน (17) ใน (16) จะได้ โดยที่ให้ r1 เป็นรัศมีวงแรกของ H atom ดังนั้น

คำนวณหาความเร็วของ e- ที่เคลื่อนที่รอบ H atom แทน (18) ใน (17)

พลังงานรวม (total energy, E) ของอิเล็กตรอนวงในที่ n จะเป็นผลบวกของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ คือ แทนค่า vn จากสมการ (17) และ(18) ลงใน(21) จะได้

Energy level of hydrogen atom Ei ground state Energy level of hydrogen atom

Spectrum of Hydrogen Atom จากสมมติฐานของ Bohr เราสามารถคำนวณหาพลังงานและความถี่ของคลื่นมาเหล็กไฟฟ้าได้เป็น เมื่อ v เป็นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากสมการ (23) โดย แทนสมการ (24) ในสมการ (15) โดย

หรือ

รังสีเอกซ์ (x-ray) Electric Field e- diagram ofthe x-ray tube

The electromagnetic spectrum. Note the overlap between adjacent types of waves. The expanded view to the right shows details of the visible spectrum.

characteristic x-rays. continuous spectrum The x-ray spectrum of a metal target consists of a broad continuous spectrum (bremstrahlung) plus a number of sharp lines that are due to characteristic x-rays. The data shown were obtained when 35-keV electrons bombarded a molybdenum target.

CONTINUOUS X-RAY SPECTRA K1 X-rays, E=hv (Bremsstrahlung) K2 (<K2) ภาพแสดงการเกิดรังสีเอกซ์แบบต่อเนื่องจากกระบวนการ Bremsstrahlung คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกคายออกมาจะมีพลังงาน เมื่อ K1 เป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนขณะผ่านเข้าไปในอะตอม และ K2 เป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหลังจากเปลี่ยนทิศทาง

CHARACTERISTIC X-RAY SPECTRA (b) ภาพ a แสดงการเกิดรังสีเอกซ์แบบเฉพาะ b แสดงการลดระดับพลังงานมาแทนที่อิเล็กตรอนชั้นที่ต่ำกว่าที่หลุดไปเมื่อถูชนด้วยอิเล็กตรอนที่เข้ามาในอะตอม c แสดงแผนผังการเกิด รังสีเอกซ์ แบบต่าง ๆ (c)

Wave number of Wave number of ค่าที่ได้รับการแก้ไขคือ