รายงาน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์ จัดทำโดย นายนัฐวุฒิ สมพฤกษ์ เลขที่ 3 นางสาวมณีตา เพ็งเลี้ยง เลขที่14 นางสาวสโรธร กุสดิษฐ เลขที่15 นางสาวชรินทร ประสารสัตย์ เลขที่18 นางสาวทิพวรรณ สุริยะ เลขที่19 นางสาวอารีรัตน์ พงษ์สมสุทธิ์ เลขที่21 นางสาวศมานันท์ ศรีมงคล เลขที่27 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่6/1 เสนอ อาจารย์ ธัญญาภรณ์ เครืออ้น

ฟิสิกส์นิวเคลียร์ การค้นพบกัมมันตภาพรังสี เรนเก็น (roentgen) ค้นพบการแผ่รังสีเอ็กส์ ของแบเรียมที่เรืองแสงทำให้ฟิล์มดำ เบคเคอเรล (Henri Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เป็นผู้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีในสารประกอบยูเรเนียม เรียกว่า รังสียูเรนิก ในขณะที่ทำการวิเคราะห์เกี่ยวกับรังสีเอกซ์ กัมมันตภาพรังสีมีสมบัติแตกต่างจากรังสีเอกซ์ คือ มีความเข้มน้อยกว่ารังสีเอกซ์ การแผ่รังสีเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) หมายถึง ธาตุที่มีในธรรมชาติที่แผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) เป็นปรากฎการณ์อย่างหนึ่งของสารที่มีสมบัติในการแผ่รังสีออกมาได้เอง กัมมันตภาพรังสี ที่แผ่ออกมามีอยู่ 3 ชนิดด้วยกัน คือ รังสีแอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา โดยเมื่อนำสารกัมมันตรังสีใส่ลงในตะกั่วที่เจาะรูเอาไว้ให้รังสีออกทางช่องทางเดียวไป ผ่านสนามไฟฟ้า พบว่ารังสีหนึ่งจะเบนเข้าหาขั้วบวกคือรังสีเบตา อีกรังสีหนึ่งเบนเข้าหาขั้วลบคือรังสีแอลฟาหรืออนุภาคแอลฟา ส่วนอีกรังสีหนึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่ถูกดูดหรือผลักด้วยอำนาจแม่เหล็กหรืออำนาจนำไฟฟ้า ให้ชื่อรังสีนี้ว่า รังสีแกมมา ดังรูป

ชนิดของกัมมันตภาพรังสี 1) รังสีแอลฟา (Alpha Ray – α) เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมากเพื่อเปลี่ยนแปลงให้เป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพสูงขึ้น ซึ่งรังสีนี้ถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสด้วยพลังงานต่าง ๆ กัน รังสีแอลฟาก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม แทนด้วย มีประจุบวกมีขนาดเป็น 2 เท่าของประจุอิเล็กตรอน คือเท่ากับ +2e และมีนิวตรอน อีก 2 นิวตรอน (2n) มีมวลเท่ากับนิวเคลียสของฮีเลียมหรือประมาณ 7000 เท่าของอิเล็กตรอน เนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ค่อยเกิดการเบี่ยงเบนง่ายนัก เมื่อวิ่งไปชนสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ผิวหนัง แผ่นกระดาษ จะไม่สามารถผ่านทะลุไปได้ แต่จะถูกดูดซึมได้อย่างรวดเร็วแล้วจะถ่ายทอดพลังงานเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกรังสีแอลฟาชนหลุดออกไป ทำให้เกิดกระบวนการที่เรียกว่า การแตกตัวเป็นไอออน แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีแอลฟา

2) รังสีเบตา (Beta Ray – β) เกิดจากการสลายตัวของนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไป โดยรังสีเบตาแบ่งได้ 2 แบบคือ 1. เบตาลบหรือหรืออิเล็กตรอน ใช้สัญลักษณ์ หรือ เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนนิวตรอน ลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ

3) รังสีแกมมา(Gamma Ray) ใช้สัญลักษณ์ γ เกิดจากการที่นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้นกลับสู่สถานะพื้นฐานโดยการปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมา รังสีแกมมา ก็คือโฟตอนของการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอ็กซ์ แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและมีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงมากกว่ารังสีเอ็กซ์ ไม่มีประจุไฟฟ้าและมวล ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็กและ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าแสง

การวิเคราะห์ชนิดของประจุของสารกัมมันตภาพรังสีโดยใช้สนามแม่เหล็ก จะเห็นได้ว่า α เบนในสนามแม่เหล็ก เหมือนกับมีประจุเป็นบวก β เบนในสนามแม่เหล็ก เหมือนกับมีประจุเป็นลบ γ ไม่เบนเลย (แสดงว่าไม่มีประจุไฟฟ้า) สมบัติของกัมมันตภาพรังสี α , β , γ 1. อนุภาค α (α – particles) คือนิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค 2. อนุภาค β (β – particle ) คืออิเล็กตรอน เป็นอนุภาคมีมวล , มีประจุไฟฟ้าลบ , เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเกือบเท่าความเร็วแสง , มีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง 3. รังสี γ ( γ – gamma rays ) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวช่วงคลื่นสั้นมาก , ความถี่สูง (มากกว่ารังสี X ) มีความเร็วเท่ากับแสงในสูญญากาศ , มีอำนาจทะลวงสูง , ไม่มีประจุไฟฟ้า ( จึงไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าหรือในสนามแม่เหล็ก ) ผ่านคอนกรีตหนา หนึ่งส่วนสามเมตร ได้เช่นเดียวกับรังสีเอกซ์

สรุป 1. สรุปอนุภาค αมีประจุ + 2 , มีมวล 4 amuมีอัตราเร็ว 1/15 ความเร็วแสงมีอำนาจทะลุทะลวงน้อยกว่ารังสีอื่น 2. สรุปอนุภาค βคือ electron , มีมวลน้อยมาก , ประจุ – 1ความเร็วสูงมาก เกือบเท่าความเร็วแสงอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง 3. สรุปรังสี γเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า , มีความถี่สูงสุดมีความเร็วเท่าแสงอำนาจทะลุทะลวงสูง

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ พบว่า เวลามีการแผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีเบตาจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้นเสมอ จึงกล่าวได้ว่ารังสีเหล่านี้เกิดจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ดังนั้นการศึกษากัมมันตภาพรังสีจะทำให้รู้องค์ประกอบของนิวเคลียสได้ โครงสร้างของนิวเคลียส ภายในอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ซึ่งภายในนิวเคลียสมีอนุภาคหลักอยู่ 2 ชนิดคือ โปรตอนและนิวตรอน ดังรูปการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

โดยอนุภาคทั้งสามในอะตอมเป็นดังนี้ 1. โปรตอน มีประจุบวก โดยขนาดของประจุเท่ากับ 1.6×10-19 C และโดยมีมวลนิ่ง 1.67252 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ 1.007277 u สัญลักษณ์ของโปรตอนแทนด้วย 2. นิวตรอน มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่มีประจุ และโดยมีมวลนิ่ง 1.67482 x 10-27 kg หรือมีค่าเท่ากับ 1.008665 u สัญลักษณ์ของนิวตรอนแทนด้วย 3. อิเล็กตรอน มีประจุลบ โดยขนาดของประจุเท่ากับ 1.6×10-19 C และโดยมีมวลนิ่ง 9.1×10-31 kg หรือมีค่าเท่ากับ 0.000548 u สัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนแทนด้วย การค้นพบนิวตรอน จากแนวคิดของรัทเธอร์ฟอร์ดที่เสนอว่า นิวเคลียส น่าจะประกอบด้วย โปรตอนและนิวตรอน โดยนิวตรอนเป็นอนุภาคที่เกิดจากการรวมตัวกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน อนุภาคนิวตรอนจะเป็นกลางทางไฟฟ้า การค้นหาว่ามีอนุภาคนิวตรอนนั้นเป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก เพราะการทดสอบส่วนใหญ่มักจะทดสอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ส่วนอนุภาคนิวตรอนไม่มีประจุย่อมไม่เบี่ยงเบนในสนามทั้งสอง หลังจากมีการพยายาม พบว่ามีการทดลองหนึ่ง คือยิงอนุภาคแอลฟาไปที่อะตอมของเบริลเลียม จะมีปลดปล่อยรังสีหนึ่งออกมามีสมบัติคล้ายรังสีแกมมา เพราะเป็นกลางทางไฟฟ้า สามารถทะลุทะลวงในวัตถุได้ดี แต่เมื่อทดสอบในเรื่องพลังงาน พบว่ารังสีมีพลังงานมากกว่ารังสีแกมมา แชดวิค เป็นคนที่ทดลองและสรุปการชนของรังสีนี้ชนกับพาราฟินเปรียบเทียบกับให้รังสีแกมมาชนพาราฟิน แล้วตรวจสอบความเร็ว พบว่าการชนของรังสีที่สงสัยกับพาราฟินเป็นการชนของอนุภาคชนกับอนุภาค จึงสรุปว่า รังสีนี้ คือ อนุภาคนิวตรอน ซึ่งเป็นการสนับสนุนแนวคิดของรัทเธอร์ฟอร์ด ที่ว่าอนุภาคนิวตรอนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางที่อยู่ในนิวเคลียส

การสลายกัมมันตรังสี สมมติฐานการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ของรัทเทอร์ฟอร์ดและซอดดี (Soddy)กล่าวว่า 1. การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเป็นการสลายตัวที่เกิดขึ้นเอง โดยไม่ขึ้นกับสภาวะแวดล้อมของนิวเคลียส (เช่น การจัดตัวของอิเลคตรอน ความดัน อุณหภูมิ) 2. การสลายตัวเป็นกระบวนการสุ่ม (Random Process) ในช่วงเวลาใดๆ ทุกๆ นิวเคลียสมีโอกาสที่จะสลายตัวเท่ากัน ดังนั้น ในช่วงเวลาหนึ่งๆ ปริมาณนิวเคลียสที่สลายตัวจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณนิวเคลียสที่เหลืออยู่ อัตราการสลายของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ในขณะหนึ่งจะแปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีนั้นที่มีอยู่ในขณะนั้น สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี จากการทดลองพบว่าอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสจะเป็นปฏิภาคกับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่ขณะนั้น เขียนเป็นสมการได้ว่า

ครึ่งชีวิตของธาตุ การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ จะแสดงลักษณะที่แตกต่างกันด้วยเวลาของการสลายตัวที่เรียกว่า ครึ่งชีวิต (Half – Life) แทนด้วย ซึ่งหมายถึงช่วงเวลาที่ธาตุมันตรังสีหนึ่งจะสลายไปเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณที่มีอยู่เดิม ซึ่งจากกราฟ พบว่า ในเวลาเริ่มต้น t = 0 จำนวนนิวไคล์ทั้งหมดเป็น เมื่อเวลาผ่านไปครึ่งชีวิต t = T½ จำนวนนิวไคล์ที่เหลือเป็น และเมื่อเวลาผ่านไป t = 2T½ จำนวนนิวไคล์ที่เหลือเป็น

ข้อควรจำ ในทางปฏิบัติการวัดหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงกระทำได้ยาก และเนื่องจากจำนวนนิวเคลียสในสารหนึ่ง ๆ จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณของสารนั้น ๆ ดังนั้นจึงพิจารณาเป็นค่ากัมมันตภาพหรืการวัดมวลแทน ดังนี้ กัมมันตภาพที่เวลาใด ๆ = โดยที่ โดยที่ คือกัมมันตภาพที่เวลาเริ่มต้น (t=0) มวลที่เวลาใดๆ = โดยที่ คือมวลสารตั้งต้นที่เวลาเริ่มต้น (t=0) การหาจำนวนนิวเคลียสสามารถทำได้ดังนี้ ถ้า M แทนมวลอะตอมของธาตุ (กรัมต่อโมล) m แทนมวลของธาตุ (กรัม) แทนเลขอะโวกาโดร = 6.02×10²³ อะตอมต่อโมล N แทนจำนวนอะตอม (อะตอม) จะได้ว่า N=mNA

เสถียรภาพของนิวเคลียส แรงนิวเคลียร์ จากการศึกษานิวเคลียส สรุปได้ว่าแรงที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกัน คือ แรงนิวเคลียร์ แรงนิวเคลียร์ คือ แรงที่ใช้ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกัน ซึ่งไม่ใช่ทั้งแรงระหว่างประจุและแรงดึงดูดระหว่างมวล แต่เป็นแรงที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเมซอนระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียส มวลและพลังงาน เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก ในการวัดมวลใน 1 หน่วยอะตอม (atomic mass unit) แทนด้วย u โดยใช้มวลของคาร์บอน-12 เป็นค่ามาตรฐานในการเปรียบเทียบ หาค่ามวลอะตอมอื่น ๆ โดยที่ มวล 1 u มีค่าเท่ากับ ของมวลคาร์บอน-12 1 อะตอม

เขียนได้ว่า 1 u = 1 มวลของคาร์บอน -12 1 อะตอม กรัม กิโลกรัม จากทฤษฎีของไอสไตน์กล่าวว่า มวลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ตามความสัมพันธ์ แทนค่าจะได้ = โดยที่ (อิเล็กตรอนโวลต์) eV = 931 MeV ดังนั้นจะได้ 1 u = 931 MeV นั่นคือ มวล 1 u เทียบได้กับพลังงาน 931 MeV

เสถียรภาพของนิวเคลียส คือ เสถียรภาพของนิวคลียสขึ้นอยู่กับพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน นิวเคลียสใดมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงจะมีเสถียรภาพสูง พลังงานยึดเหนี่ยว พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy)คือ“พลังงานที่ใช้ในการยึดนิวคลีออน เข้าได้ด้วยกันในนิวเคลียสของธาตุ” หรือเป็น “พลังงานที่น้อยที่สุด ที่สามารถทำให้นิวเคลียสแตกตัวเป็นองค์ประกอบย่อย”

2. มวลส่วนที่หายไป เรียกว่า mass defect (Δm) การที่โปรตอนและนิวตรอนสามารถอยู่กันได้ในนิวเคลียส, เพราะมีพลังงานยึดเหนี่ยว 1. มวลของนิวเคลียสน้อยกว่า ผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอน (ในสภาพอิสระ) ที่ประกอบเป็น นิวเคลียสเสมอ 2. มวลส่วนที่หายไป เรียกว่า mass defect (Δm) 3. เทียบมวลเป็นพลังงานได้จาก E=mc² มวลพร่อง (mass defect) หมายถึงมวลส่วนหนึ่งที่หายไป โดยเมื่อนิวคลีออนอิสระมารวมกันเป็นนิวเคลียส มวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นใหม่จะมีมวลน้อยกว่า ผลรวมของมวลนิวคลีออนอิสระก่อนรวม ถ้าให้ M แทนนิวเคลียสที่มีเลขมวล A และเลขอะตอมเป็น Z ซึ่ง Z คือจำนวนประจุบวกซึ่งแต่ละประจุมีมวล และ (A-Z) แทนจำนวนนิวตรอนซึ่งแต่ละตัวมีมวล ดังนั้นจะคำนวณหามวลพร่องได้

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วยนิวคลีออน หรือกลุ่มนิวคลีออน หรือรังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้ดังนี้ X+a y+bหรือ x(a,b)Y หรือ โดยที่ X เป็นนิวเคลียสที่เป็นเป้า , a คืออนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า , b คืออนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่หลังจากการชน และ Y คือนิวเคลียสของธาตุใหม่หลังจากการชน

ปฏิกิริยาฟิชชัน ปฏิกิริยาฟิชชั่น (Fission) เป็นปฏิกิริยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมีนิวตรอนเป็นตัววิ่งเช้าชนนิวเคลียสหนัก (A>230) เป็นผลทำให้ได้นิวเคลียสที่มีขนาดปานกลาง และมีนิวตรอนที่มีความเร็วสูงเกิดขึ้นประมาณ 2-3 ตัว ทั้งมีการคายพลังงานออกมาด้วย เช่น ปฏิกิริยาลูกโซ่ การเกิดปฏิกิริยาการแตกตัว ตัวอย่างการแบ่งแยกนิวเคลียส เช่น การยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ ซึ่งจะแตกออกเป็น 2 ส่วนเกือบเท่ากัน คือ เกิดนิวเคลียสของแบเรียมและคริปตัน

เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear Reactor) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ โดยที่เราสามารถควบคุมการเกิดฟิชชั่นและปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ พลังงานที่ได้เราสามารถนำไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้

ปฏิกิริยาฟิวชัน ปฏิกิริยาฟิวชั่น (Fusion) เป็นปฏิกิริยาหลอมตัวของนิวเคลียสและมีพลังงานคายออกมาด้วย นิวเคลียสที่ใช้หลอดจะต้องเป็นนิวเคลียสเล็กๆ (A<20) หลอมรวมกลายเป็นนิวเคลียสเบาที่ใหญ่กว่าเดิม ในปัจจุบันเชื่อกันว่าบนดาวฤกษ์ต่างๆ พลังงานมหาศาลที่ปล่อยออกมาเกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันทั้งสิ้น

ไอโซโทป เลขมวล เลขอะตอมและสัญลักษณ์ของนิวเคลียร์ นิวคลีออน คือ อนุภาคที่รวมตัวกันอยู่ภายใต้ นิวเคลียส ซึ่งหมายถึง โปรตอน (proton, ) และนิวตรอน (Neutron, ) ในนิวเคลียสมีสัญลักษณ์เป็น โดยที่ X เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสใดๆ A เป็นเลขมวล (Atom mass number) หมายถึงจำนวนนิวคลีออนทั้งหมดที่อยู่ในนิวเคลียส Z เป็นเลขอะตอม หมายถึง จำนวนโปรตอนภายใน Nucleus นิวไคลด์ (Nuclide) หรือธาตุ หมายถึงนิวเคลียสที่มีสมบัติบางอย่างเหมือนกัน สัญลักษณ์ของนิวไคลด์แทนด้วย โดยที่ X แทน นิวไคลด์ใดๆ A แทนเลขมวล Z แทนเลขอะตอม เช่น ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง นิวไคลด์หรือธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น , ,