การเคลื่อนที่และพลังงาน และพลังงานนิวเคลียร์ วิชา ฟิสิกส์พื้นฐาน การเคลื่อนที่และพลังงาน หน่วยที่ 4 กัมมันตภาพรังสี และพลังงานนิวเคลียร์ สุรินทร์ เวทย์วิทยานุวัฒน์

Outline - การค้นพบรังสี - ชนิดและสมบัติของรังสี - นิวเคลียสและไอโซโทป - การสลายกัมมันตรังสี - ครึ่งชีวิตของธาตุ - ปฏิกิริยานิวเคลียร์ - ประโยชน์และโทษของกัมมันตรังสี

การค้นพบกัมมันตรังสี เรนเก็น (roentgen) ค้นพบการแผ่รังสีเอ็กส์ ของแบเรียมที่เรืองแสงทำให้ฟิล์มดำ เบคเคอเรล (Henri Bexquerel) ค้นพบกัมมันตภาพรังสีในสารประกอบยูเรเนียม เรียกว่า รังสียูเรนิก

คำนิยามเกี่ยวที่ควรทราบ 1. กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) หมายถึง รังสีที่แผ่ออกมา ได้เองจากธาตุบางชนิด 2. ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่มีในธรรมชาติที่แผ่รังสี ออกมาได้เอง 3. รังสี เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติ บางชนิดเป็นคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีเอกซ์ รังสีอุลตราไวโอเลต รังสี อินฟราเรด บางอย่างเป็นอนุภาค เช่นรังสีที่เกิดจากอนุภาค อิเลคตรอน รังสีที่ได้จากธาตุกัมมันตรังสีมี 3 ชนิด คือ รังสี แอลฟา รังสีเบตา และรังสีแกมมา

ชนิดและสมบัติของรังสี 1) รังสีแอลฟา (alpha, a) คือ นิวเคลียสของอะตอมธาตุฮีเลียม 4He2 มี ประจุไฟฟ้า +2 มีมวลมาก ความเร็วต่ำ อำนาจทะลุทะลวงน้อย มี พลังงานสูงมากทำให้เกิดการแตกตัวเป็นอิออนได้ดีที่สุด 2) รังสีเบต้า (Beta, b) มี 2 ชนิด คือ อิเลคตรอน 0e-1 (ประจุลบ) และ โฟ ซิตรอน 0e+1 (ประจุบวก) มีความเร็วสูงมากใกล้เคียงกับความเร็วแสง 3) รังสีแกมมา (gamma, g) คือ รังสีที่ไม่มีประจุไฟฟ้า หมายถึง โฟตอน หรือควอนตัมของแสง มีอำนาจในการทะลุทะลวงได้สูงมาก ไม่เบี่ยงเบน ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง กว่ารังสีเอกซ์

การวิเคราะห์ชนิดของประจุของสาร กัมมันตภาพรังสีโดยใช้สนามแม่เหล็ก x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x แอลฟา แกมมา บีตา ต้นกำเนิดรังสี

AXZ นิวเคลียสและไอโซโทป นิวคลีออน คือ อนุภาคที่รวมตัวกันอยู่ภายใต้ นิวเคลียส ซึ่งหมายถึง โปรตอน (proton, 1H1) และนิวตรอน (Neutron,1n0 ) ในนิวเคลียสมีสัญลักษณ์เป็น AXZ โดย X เป็นสัญลักษณ์ของนิวเคลียสใดๆ A เป็นเลขมวลของธาตุ (mass number) หมายถึง จำนวน นิ วคลีออน หรือเป็นเลขจำนวน เต็มที่มีค่าใกล้เคียงกับมวลอะตอม ในหน่วย U ของธาตุนั้น Z เป็นเลขอะตอม หมายถึง จำนวนโปรตอนภายใน Nucleus

ไอโซโทป (isotope)

การสลายกัมมันตรังสี

การสลายตัวให้รังสีแอลฟา ตัวอย่าง 90Th 232----->88Ra 228 + 2a 4

การสลายตัวให้รังสีบีตา ตัวอย่าง 79Au 198----->80Hg 198 + -1b 07N 13----->6C 13 + +1b 0

การสลายตัวให้รังสีแกมมา

ความสามารถในการทะลุผ่านวัตถุ

การทดลองการจำลองการสลายกัมมันตรังสี กราฟแสดงจำนวนลูกเต๋าที่เหลือกับจำนวนครั้งที่ทอดลูกเต๋า

การสลายกัมมันตรังสี ไม่สามารถทำนายได้ว่า นิวเคลียสใดจะสลายเป็นอันดับต่อไป อุณหภูมิ ความดัน และการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ไม่มีผลต่ออัตราการสลายตัว สามารถทำนายได้อย่างเดียวว่าเหลืออยู่เท่าไรโดยใช้ครึ่งชีวิต

ครึ่งชีวิตของธาตุ ฟอสฟอรัส-32 100 50 25 ใช้เวลา 14 + 14 = 28 วัน 14 วัน 14 วัน 100 50 25 ฟอสฟอรัส-32 ใช้เวลา 14 + 14 = 28 วัน

มีสตรอนเตียม-90 อยู่ 80 กรัม ใช้เวลานานเท่าไรจึงจะเหลือ สตรอนเตียม-90 อยู่ 5 กรัม 28 ปี 28 ปี 40 20 28 ปี 28 ปี ใช้เวลา 28 + 28 + 28 + 28 = 112 ปี 10 5

การนำไปใช้ประโยชน์ ด้านการแพทย์

การนำไปใช้ประโยชน์ ด้านอุตสาหกรรม source น้ำมันหรือแก๊ส Detector

การนำไปใช้ประโยชน์ ด้านการเกษตร

การนำไปใช้ประโยชน์ ด้านโบราณคดี เมื่อตาย C-12 มีค่าคงที่ แต่ C-14 สลายตัว (มีค่าลดลง) ตามครึ่งชีวิต ขณะมีชีวิต อัตราส่วนระหว่าง C-14 และ C-12 มีค่าคงที่

หน่วยวัดรังสี - ใช้หน่วย ซีเวิร์ต (sievert : Sv) - ปริมาณที่ได้รับไม่ควรเกิน 5 มิลลิซีเวิร์ตต่อปี รังสีพื้นฐาน (background radiation)

บาดแผลจากการได้รับรังสี

แรงนิวเคลียร์ (nuclear force) นิวตรอน โปรตอน แรงที่ยึดอนุภาคไว้ในอะตอม ถ้ามีแรงที่กระทำแล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (nuclear reaction)

ฟิชชัน (fission) พลังงาน การเกิดฟิชชัน มวลรวมของธาตุหลังจากการแยกตัวจะหายไป โดยมวลที่หายไปนี้ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานตามความสัมพันธ์ E = mc2 การยิงอนุภาคมวนน้อยๆ เช่น นิวตรอน ไปยังอนุภาคที่มีเลขมวลมากๆ เช่น ยูเรเนียม จะทำให้นิวเคลียสแยกตัวออกเป็นนิวเคลียสที่มีเลขมวลลดลง U-235 นิวเคลียสใหม่ 170 MeV 2.7 x 10-12 J พลังงาน อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (Albert Eistein)

ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction) พลังงาน

ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction)

ระเบิดปรมาณู

แหล่งให้กำเนิดพลังงานไฟฟ้า

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อุบัติเหตุที่เกิดขึ้นของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โรงไฟฟ้าเชอร์โนบิลของสหภาพโซเวียต

การกำจัดกากกัมมันตรังสี แบ่งเป็น 3 ระดับ กากกัมมันตรังสีระดับสูง กากกัมมันตรังสีระดับกลาง กากกัมมันตรังสีระดับต่ำ

การกำจัดกากกัมมันตรังสี กากกัมมันตรังสีระดับกลางและระดับต่ำ