บทที่ 16 ฟิสิกส์นิวเคลียร์ 1. การค้นพบนิวเคลียส 1. การค้นพบนิวเคลียส 2. คุณสมบัติของนิวเคลียส 3. การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี 4. การสลายตัวให้อนุภาคแอลฟา 5. การสลายตัวให้อนุภาคบีตา 6. การคำนวณอายุวัตถุ โบราณโดยใช้สารกัมมันตรังสี 7. การวัดปริมาณการแผ่รังสี

การค้นพบนิวเคลียส 1897 J.J. Thompsom ค้นพบ อิเลกตรอน 1911 E. Rutherford สรุปจาการทดลอง ว่า ประจุบวกของอะตอมจะรวมอยู่ตรงกลางและในส่วนที่เรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งเป็น แหล่งมวลส่วนใหญ่ของอะตอม

2. คุณสมบัติของนิวเคลียส นิวเคลียสประกอบ ด้วย - นิวตรอน (Neutron) - โปรตอน (Proton) ทั้งสองส่วน นี้รวมกันเรียก ว่า นิวคลีออน (Nucleon)

- สัญญลักษณ์แสดงนิวเคลียส เมื่อ X เป็นสัญญลักษณ์ของธาตุ Z เลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอน A เลขมวล = Z+N = จำนวนนิวคลีออน N จำนวนนิวตรอน

- ไอโซโทป (Isotope) เป็นธาตุ เดียวกัน ที่มีค่า Z เท่ากัน แต่ N ต่างกัน เช่น

- ขนาดของนิวเคลียส (R รัศมีของทรงกลม) เมื่อ A คือ เลขมวล Ro = 1.2 fm = 1.2 x 10-15 m.

- หน่วยของมวลอะตอม (atomic mass unit) 1 u = 1.661 x 10-27 kg. เช่น 238 U มีมวลอะตอม = 238 U = 238 x 1.661 x 10-27 = 3.95 x 10-25 kg.

ตัวอย่างเบื้องต้น 1) จงหาจำนวนนิวตรอนของธาตุ ต่อไป นี้ 2) จงหาขนาดนิวเคลียสของธาตุ ต่อไป นี้ 3) จงหามวลเป็นกิโลกรัมของธาตุ ต่อไป นี้

3. การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เป็นการสลายตัวของนิวเคลียส ที่ไม่เสถียร ไปเป็นนิวเคลียสอื่นที่เสถียรกว่า ซึ่งขบวนการสลายตัวนี้จะเกี่ยวข้องกับการให้อนุภาคออกมา เช่น - อนุภาค แอลฟา - อนุภาค บีตา

4. การสลายตัวให้อนุภาคแอลฟา สมการการสลายตัว

เวลาเขียนสมการนิวเคลียร์ต้องคำนึงถึง 1) ผลรวมเลขมวล(A) ด้านซ้าย เท่ากับด้านขวา 2) ผลรวมเลขอะตอม(Z) ด้านซ้าย เท่ากับด้านขวา

5. การสลายตัวให้อนุภาคบีตา สมการ การสลายตัว

เมื่อ : Neutrino : Antineutrino

สรุปสัญลักษณ์ โปรตอน นิวตรอน รังสีแอลฟา รังสี บีตา นิวตริโน

ตัวอย่างสมการนิวเคลียร์และการสลายตัว 7) จงหา ว่า X คืออะไร ในสมการต่อไปนี้

ตัวอย่างสมการนิวเคลียร์และการสลายตัว สลายตัวโดยให้อนุภาคแอลฟา 1 ครั้ง และ อนุภาคบีตา4 ครั้ง จงหาว่า ธาตุนี้สลายตัวเป็นธาตุชนิดใหม่คืออะไร

- สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี - สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (1)

l = disintegration constant = จำนวนนิวเคลียสที่เหลือ N = จำนวนนิวเคลียสที่เริ่มต้น No = อัตราการสลายตัว (curie) R

(2)

- ครึ่งชีวิต ช่วงเวลาที่ทำให้สารกัมมันตรังสีสลายตัวเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม นั่นคือ

ตัวอย่างเกี่ยวกับการสลายตัวและครึ่งชีวิต 4) ธาตุ มีครึ่งชีวิต 16 วัน มีครึ่งชีวิต 16 วัน ถ้ามี สารนี้ 10 กรัม ทิ้งไว้ 48 วันจะเหลือธาตุนี้อยู่เท่าไร 5) ธาตุ มีค่าครึ่งชีวิต 125 ปี จงหาค่าคงตัว ของธาตุนี้

6) ธาตุ เมื่อทิ้งไว้ 468 วัน จะเหลือสารอยู่ประมาณ ของ จำนวนเดิม จงหาครึ่งชีวิตของสารนี้

6) การคำนวณอายุวัตถุโบราณโดยใช้สารกัมมันตรังสี - ใช้หลักของครึ่งชีวิต - ในสิ่งไม่มีชีวิตมักจะตรวจสอบ - ในสิ่งมีชีวิต เราจะวัด ? ทำ ไม

การคำนวณ ให้ No เป็นจำนวนสารกัมมันตรังสี ตอนเริ่มต้น N เป็นจำนวนสารกัมมันตรังสี ที่เหลืออยู่ NF เป็นสาร ที่เกิดจากการสลายตัวของ สารกัมมันตรังสี โดยที่ N0 =N + NF

จาก แทน ค่า และ จะได้

ตัวอย่างเกี่ยวกับการหาอายุวัตถุ โบราณ 9) ปริมาณ ในกระดูกสัตว์ ชนิดหนึ่งมีเพียง ของปริมาณ ที่พบในสัตว์ชนิดเดียวกัน ที่ เพิ่งจะ เสียชีวิตถ้าครึ่งชีวิต ของ เท่ากับ 5770 ปี กระดูกชิ้นนี้จะมีอายุ เท่า ไร

10) จากการทดสอบปริมาณธาตุ ในแร่ชนิดหนึ่งพบ ว่าอัตราส่วน ระหว่าง กับ เป็น 7:3 โดย กำหนดให้ ครึ่งชีวิตของ คือ 4.5 x 109 y จงคำนวณหาอายุของหินชนิดนี้

7. การวัดปริมาณการแผ่รังสี * curie (Ci) บอกความแรง disintegration per second 1 Ci = 3.7 x 1010 หรือเท่ากับ ค่าที่วัดได้จากธาตุ เรเดียม (Ra) หนัก 1 กรัม

* Roentgen (R) บอกความ สามารถในการทำให้ เกิดการ แตกตัวเป็น ไอออน 1R สามารถทำ ให้ เกิด 1.6 x 1012 ion pairs ของอากาศ 1 กรัม

* rad (radiation absorbed dose) บอก ถึงปริมาณการถูกดูดกลืน กัมมันตภาพรังสี มีหน่วยเป็น พลังงานต่อมวลของวัตถุ 1 rad = 10 m J/kg.

* rem (roentgen equivalent in man) แสดงถึงผลกระทบของปริมาณ รังสีต่อมนุษย์ ได้มาจาก ปริมาณ รังสี (rad) คูณกับ ค่า Relative Biological Effectiveness (RBE)