ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน อ. อาทิตย์ ลภิรัตนากูล ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ การศึกษาโครงสร้างภายในของนิวเคลียสของอะตอม การเปลี่ยนแปลง ตลอดจนสมบัติต่างๆ Rutherford เป็นคนแรกที่ทดลองให้เห็นว่าอะตอมจะมีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ใจกลางอะตอม

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ จึงต้องมีประจุบวกจำนวนเท่ากันอยู่ในนิวเคลียส ทำให้อะตอมของธาตุใดๆ เป็นกลางทางไฟฟ้า  โปรตอน 1932 J. Chadwick ค้นพบนิวตรอน จึงทำให้เราเข้าใจองค์ประกอบ ของนิวเคลียส อะตอมและโครงสร้าง แต่ยังมีคำถามว่า โปรตอนซึ่งมีประจุบวกสามารถต้านแรงผลักทางไฟฟ้า ไปรวมกันอยู่ในนิวเคลียสรัศมี 10-15 เมตรได้อย่างไร

พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy) เป็นพลังงานที่ใช้ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้อยู่รวมกัน จำเป็นต้องเอาชนะแรงคูลอมบ์ได้ ตามกฎอนุรักษ์มวล : มวลของนิวเคลียส = ผลรวมของมวล p กับ n ทั้งหมด แต่จากการตรวจสอบ  มวลของนิวเคลียสมีค่าน้อยกว่า ดังนั้นผลต่างของมวลน่าจะกลายไปเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวตาม และนิยมวัดมวลในหน่วย u โดย 1 u = 1/12 ของมวลอะตอมคาร์บอน-12 = 1.6604x10-27 kg

ไอโซโทป (Isotope) ไอโซโทปต่างกัน หมายถึง เลขอะตอมเท่ากัน แต่ เลขมวลต่างกัน เช่น นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน สัญลักษณ์ นิวเคลียสของดิวเทอเรียม สัญลักษณ์ นิวเคลียสของตริเตรียม สัญลักษณ์ Nuclear notation :

มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ (หน่วย u ) e 0.000549 n 1.008665 1H 1.007825 2H 2.014102 3H 3.016050 3He 3.016030 ไอโซโทป มวลอะตอม (หน่วย u ) 4He 4.002603 5Li 5.0125 6Li 6.01512 7Li 7.016004 12C 12.000000 13C 13.003354 ไอโซโทป มวลอะตอม (หน่วย u ) 14C 14.003242 14N 14.003074 16O 15.994915 17O 16.999133 18O 17.999160 235U 235.043915 238U 238.050770

จงคำนวณ (ก) พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O วิธีทำ ตัวอย่าง จงคำนวณ (ก) พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O วิธีทำ นิวเคลียสของ 16O ประกอบด้วย 8 นิวตรอน, 8 โปรตอน ดังนั้น แต่ มวลของ 16O = 15.994915 u จึงได้ มวลที่หายไป พลังงานยึดเหนี่ยว = 127.6 MeV

(ข) หาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O วิธีทำ พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O = 127.6 MeV พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O = 7.98 MeV/nucleons ปกติแล้ว สำหรับไอโซโทปที่มีเลขมวลมากกว่า 20 จะมีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนโดยเฉลี่ย เท่ากับ 8 MeV จากการสังเกตการณ์ ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนที่สูงที่สุด มีค่าประมาณ 8.75 MeV ได้แก่ ไอโซโทป ซึ่งถือว่าเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากที่สุด

เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง => ปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอม กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)  เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม รังสีแอลฟา รังสีเบตา รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง => ปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอม

ค.ศ. 1896 Henri Becquerel ชาวฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสโดยบังเอิญ จากการเก็บฟิล์มถ่ายรูปไว้ใกล้สารประกอบของยูเรเนียม เขาได้แยกแยะจากการสังเกตที่รอบคอบว่ารังสีดังกล่าวไม่ใช่รังสีเอ็กซ์ แต่เป็นรังสีที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากสารให้รังสีอย่างไม่หยุดยั้ง สารกัมมันตรังสีส่วนใหญ่จะมีเลขอะตอมมากกว่า 81 แต่บางตัวเป็นนิวเคลียสของธาตุเบา เช่น , เป็นต้น

รังสีแอลฟา หรือ อนุภาคแอลฟา คือนิวเคลียสของฮีเลียม ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว จึงมีประจุบวกเป็น 2 เท่าของค่าประจุอิเล็กตรอน และมีมวลประมาณ 4 เท่าของโปรตอนหรือนิวตรอน มีอำนาจทะลุผ่านต่ำมาก มีความเร็วในระดับ 107 เมตรต่อวินาที เมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีแอลฟามา นิวเคลียสนั้นจะมีประจุลดลง 2 หน่วยและมวลลดลง 4 หน่วย เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ รังสีเบตา หรือ อนุภาคเบตา คืออนุภาคประจุลบเหมือนอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุผ่านสูงกว่ารังสีแอลฟา สามารถเคลื่อนผ่านในอากาศได้ระยะทางเป็นฟุต ความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสงเมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีเบตามา เลขอะตอมของนิวเคลียสนั้นจะเพิ่มขึ้น 1 หน่วย แต่เลขมวลไม่เปลี่ยนแปลง รังสีแกมมา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า ความเร็วเท่าแสง

กลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียร สลายตัว นิวเคลียสของอะตอมที่เสถียรกว่า รังสีพลังงานสูง

กฎการสลายตัว อัตราการสลายตัว (R) (การลดลงของจำนวนนิวเคลียสตามเวลา) จะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่เดิม นั่นคือ ถ้ามีจำนวนนิวเคลียสอยู่มากย่อมมีการสลายตัวมันเองได้มาก ถ้ามีเหลือน้อยก็สลายได้น้อย ถ้าให้ N คือ จำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ในขณะใดขณะหนึ่ง ----(1) l คือค่าคงที่ของการสลายตัว มีหน่วยเป็น (วินาที)-1

อินทิเกรตสมการ (1) จะได้ว่า ----(2) N0 คือจำนวนนิวเคลียสเมื่อเวลาเริ่มแรกคือ t=0 ถ้าให้ T1/2 เป็นช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือเพียงครึ่งหนึ่งจากเดิม ----(3) เรียกระยะเวลา T1/2 ว่า “ครึ่งชีวิต” (Half-life)

และจากสมการ (3) ----(4) หรือ นั่นคือ ช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือครึ่งนึง หรือครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีใดๆ จะแปรผกผันกับค่าคงที่ของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีนั้น

ตัวอย่าง จงคำนวณมวลของคาร์บอน-14 ปริมาณ 3.7x1010 เบกเคอเรล กำหนดให้ครึ่งชีวิตของคาร์บอน-14 เท่ากับ 5570 ปี วิธีทำ ครึ่งชีวิต = 5570 ปี = 1.758x1011 วินาที ดังนั้น (วินาที)-1 ปริมาณกัมมันตภาพ R = 3.7x1010 เบกเคอเรล = 3.7x1010 (วินาที)-1 จาก นิวเคลียส แต่มวลอะตอมของคาร์บอน-14 เท่ากับ 14.0077 u กิโลกรัม

ปฏิกริยานิวเคลียร์ คือปฏิกริยาระหว่างอนุภาคกับนิวเคลียส เช่น ยิงอนุภาค a ใส่เข้าไปในนิวเคลียส X จะทำให้เกิดการแตกออกเป็นนิวเคลียส Y และอนุภาค b หรือเขียนแบบกะทัดรัดเป็น ตามปกติ ปฏิกริยานิวเคลียร์จะมีทั้งการคายความร้อน (Exothermal Reaction) และการดูดกลืนความร้อน (Endothermic Reaction) ความร้อน Q ที่เกิดขึ้น จะหาได้จาก

ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Fission) คือการที่นิวเคลียสธาตุหนักรับนิวตรอนเข้าไปแล้วเกิดการแตกออกเป็นสองส่วน เช่น เมื่อยิงนิวตรอนพลังงานต่ำเข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 จะได้

ทั้ง 140Xe และ 94Sr ต่างก็สามารถสลายตัวต่ออีก ดังนี้ ดังนั้น สามารถคำนวณหาพลังงานความร้อนที่ปลดปล่อยจากปฏิกริยาดังกล่าวได้จาก Dm = มวลหลังเกิดปฏิกริยา - มวลก่อนเกิดปฏิกริยา จะได้ ซึ่งเป็นพลังงานความร้อนที่มีค่าสูงมาก

นิวตรอนที่เป็นผลิตผลจากปฏิกริยา ยังสามารถชนกับ 235U ได้อีก เกิดเป็น “ปฏิกริยาลูกโซ่” (Chain Reaction)

ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Fusion) คือการที่นิวเคลียสธาตุเบามาหลอมรวมกันแล้วกลายเป็นนิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ปฏิกริยาหลอมรวมระหว่างดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นดังนี้

อนุภาคมูลฐาน หลังจาก Thomson (1897) ค้นพบอิเล็กตรอน และ Chadwick (1932) ค้นพบนิวตรอน ทำให้มนุษย์ทราบว่าอะตอมไม่ใช่อนุภาคมูลฐานอีก 1927     Dirac เสนอสมการเชิงสัมพัทธภาพ แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ที่ส่งผลให้ต้องมีอนุภาคคู่อนุภาคปกติ เรียกว่าปฏิยานุภาค (antiparticle) ที่มีสมบัติเหมือนกันกับอนุภาคปกติทุกประการ ยกเว้นประจุ 1931     Anderson ค้นพบ positron คู่อนุภาคของอิเล็กตรอน นำไปสู่ข้อสรุปทั่วไปว่าอนุภาคทุกชนิดจะมีปฏิยานุภาค (antiparticle) เสมอ

Pair production

Pair annihilation

นิวตริโน เป็นอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์สมมติขึ้นเพื่ออธิบายการไม่คงตัวของพลังงานในปฏิกริยาปลดปล่อยรังสีเบตา หลักการอนุรักษ์พลังงานทำให้ต้องเพิ่มอนุภาคอีกชนิดเข้าไป โดยต้องเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล ไม่มีประจุ แต่มีพลังงาน โมเมนตัม และสปิน

ในปี ค.ศ. 1956 มีการทดลองให้เห็นว่า นิวตริโนมีอยู่จริง โดยการศึกษาปฏิกริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ นิวตริโนจึงไม่ใช่อนุภาคสมมติอีกต่อไป ปัจจุบัน ทราบว่านิวตริโนมีอยู่ 3 ชนิด อิเล็กตรอนนิวตริโน (electron neutrino) เทานิวตริโน (tau neutrino) มิวออนนิวตริโน (muon neutrino) โดยพบอิเล็กตรอนนิวตริโนมากที่สุด จากปฏิกริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์ เนื่องจากอนุภาคนิวตริโนถือว่า ไม่มีมวล ไม่มีประจุ (ปัจจุบันเชื่อว่ามีมวลน้อยมาก) จึงทำให้มีสมบัติทะลุผ่านสสารได้อิสระ โดยเฉลี่ยสามารถทะลุผ่านเหล็กหนาถึง 130 ปีแสง ได้ก่อนถูกดูดกลืน

ตามทฤษฎี Standard model สามารถแบ่งอนุภาคมูลฐานได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ เฟอร์มิออน (Fermion) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร มีสปินเป็น half-integer แบ่งออกเป็น ควากซ์ และ เลปตอน โบซอน (Boson) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่ได้ประกอบเป็นสสาร แต่ทำหน้าที่เป็น สื่อนำแรง (force carriers)

Leptons Quarks Unified Electroweak Strong FERMIONS (spin = 1/2, 3/2, 5/2,…) BOSONS (spin = 0, 1, 2, …) Leptons Quarks Unified Electroweak Strong ชื่อ สัญลักษณ์ electron neutrino up u photon gluon g electron e down d w minus W-   muon neutrino charm c w plus W+ muon strange s z not Z0 tau neutrino top t tau bottom b

สมบัติของควากซ์ u 2/3 0.003 d - 1/3 0.006 c 1.3 s 0.1 t 175 b 4.3 ชนิดของควากซ์ ประจุไฟฟ้า มวล(GeV/c2) u 2/3 0.003 d - 1/3 0.006 c 1.3 s 0.1 t 175 b 4.3