สรุป บทที่ 20

สมบัติบางประการของนิวเคลียส เลขอะตอม (The Atomic Number or The Charge Number : Z) คือ จำนวน โปรตอนภายในนิวเคลียส เลขนิวตรอน (The Neutron Number : N) คือ จำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียส เลขมวล (The Mass Number : A = Z + N) คือ จำนวนนิวคลีออน (Nucleons) ภายในนิวเคลียส (นิวคลีออน คือ โปรตอนและนิวตรอน) 1 หน่วยมวลอะตอม (The Atomic Mass Unit : u) คือ เท่าของมวล ¹²C หนึ่ง 12 อะตอม นั่นคือ 1 u = 1.660539×10⁻²⁷ kg จาก E = mc² E = (1.660539×10⁻²⁷ kg)(2.99792×10⁸ m/s)² E = 1.492431×10⁻¹⁰ J E = 931.5 MeV ∴ มวล 1 u = 1.660539×10⁻²⁷ kg = 931.5 MeV/c² เพิ่มเติม A การเขียนสัญลักษณ์ธาตุ X ในทางเคมี คือ X Z ไอโซโทป (Isotope) คือ ธาตุชนิดเดียวกัน (เลขอะตอมเท่ากัน) แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น ¹²C, ¹³C และ ¹⁴C เป็นต้น

ขนาดนิวเคลียส นิวเคลียสส่วนใหญ่มีรูปร่างเป็นทรงกลม และความหนาแน่นค่อนข้างคงที่ โดยที่ 1/3 r = r₀A r คือ รัศมีของนิวเคลียส r₀ ≈ 1.2×10⁻¹⁵ m A คือ เลขมวล (The Mass Number : A = Z + N)

พลังงานยึดเหนี่ยวเนื่องจากแรงนิวเคลียร์ (Nuclear Binding Energy) พลังงานยึดเหนี่ยวเนื่องจากแรงนิวเคลียร์ (Binding energy ; E ) เกิดจากนิวคลีออน b ได้มีมวลบางส่วนหายไป และมวลส่วนนั้นได้กลายมาเป็นพลังงานดังกล่าว ตามสมการ E = Δmc² = Δm (931.5 MeV) b u Δm คือ มวลที่หายไปของนิวคลีออนในนิวเคลียส c คือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ

ข้อสังเกต แรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนกับโปรตอน นิวตรอนกับ นิวตรอน และโปรตอนกับนิวตรอน ซึ่งส่งผลในระยะใกล้มากๆ แรงนิวเคลียร์ไม่ขึ้นกับขนาดของประจุไฟฟ้า และไม่ขึ้นกับมวล แรงนิวเคลียร์ทำให้ธาตุและไอโซโทปของบางธาตุมีเสถียรภาพ นิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนในจำนวนที่เหมาะสม จึงจะมี เสถียรภาพ (ถ้าจำนวนนิวตรอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไป นิวเคลียสจะไม่มี เสถียรภาพ) พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสมีค่าเท่ากับพลังงานที่พอดีทำให้นิวคลีออนทั้ง หมดในนิวเคลียสแยกออกจากกัน นิวเคลียสเสถียรที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมาก จะเป็นนิวเคลียสที่มี เสียรภาพสูง นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมาก อาจเป็นนิวเคลียสที่ เสถียรหรือไม่เสถียรก็ได้ แรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสมีน้อยกว่าแรงนิวเคลียร์ ทำให้สามารถยึดเหนี่ยวโปรตอนให้อยู่ในนิวเคลียสได้ มวลพร่อง คือ ส่วนต่างระหว่างมวลรวมของนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียส กับมวลของนิวเคลียส

กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity) จำนวนนิวเคลียสของกัมมันตภาพรังสี (N) -λt N = N₀e N₀ คือ จำนวนนิวเคลียสเริ่มต้นของกัมมันตภาพรังสี λ คือ ค่าคงที่การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี t คือ เวลา ค่าครึ่งชีวิต (Half-Life : T) λT = ln2 อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของกัมมันตรังสี (The Decay Rate or Activity : R 〚Decay/s or Bq〛) dN -λt -λt A = | | = λN = λN₀e = A₀e dt A₀ คือ อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของกัมมันตรังสีเริ่มต้น (A₀ = λN₀) หน่วยของอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของกัมมันตรังสีในระบบ SI คือ Becquerel (Bq) โดย 1 Bq = 1 Decay/s และหน่วยของอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของกัมมันตรังสีที่นิยมใช้ คือ Curie (Ci) โดย 1 Ci = 3.7×10¹⁰ Bq

ข้อสังเกต กัมมันตภาพรังสี คือ ปรากฏการณ์ที่ธาตุหรือไอโซโทปของธาตุแผ่รังสีออก มาได้เองอย่างต่อเนื่อง ไอโซโทปของธาตุบางไอโซโทปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี และบาง ไอโซโทปเป็นไอโซโทปเสถียร การแผ่รังสีของธาตุหรือไอโซโทปกัมมันตรังสีเกิดจากการคายพลังงานของ นิวเคลียสที่ไม่เสถียร ไม่ใช่การคายพลังงานของอะตอมที่ไม่เสถียร นิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอมต่ำๆ บางธาตุเป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี อัตราการแผ่รังสีของธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดใดชนิดหนึ่ง เปลี่ยนแปลงไปตามจำนวนนิวเคลียสของธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดนั้นที่มีอยู่ การแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีไม่ขึ้นกับปัจจัยภายนอก การสลายของนิวเคลียสกัมมันตรังสีเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นแบบสุ่ม ไม่ สามารถระบุนิวเคลียสที่จะสลายได้ ครึ่งชีวิต คือ ช่วงเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายไปเหลือปริมาณครึ่งหนึ่งของ ปริมาณเดิม ครึ่งชีวิตของกัมมันตรังสีไม่ขึ้นกับปัจจัยภายนอก ธาตุกัมมันตรังสีมีการแผ่รังสีตลอดเวลา

กระบวนการสลายตัว (The Decay Processes) 4 Alpha Decay : อนุภาคแอลฟา คือ นิวเคลียสของฮีเลียม (α = He) ซึ่งเขียน 2 อธิบายการสะลายตัวแบบแอลฟาได้ดังนี้ A A-4 4 X → Y + He Z Z-2 2 โดยธาตุ X เรียกว่า “The Parent Nucleus” และธาตุ Y เรียกว่า “The Daughter Nucleus” เช่น 238 234 4 U → Th + He 92 90 2 226 222 4 Ra → Rn + He 88 86 2 0 0 Beta Decay : อนุภาคเบตา คือ อิเล็กตรอน (β⁻ = e)หรือโพซิตรอน (β⁺ = e) -1 1 พลังงานสูง ซึ่งเกิดขึ้นในกรณีที่นิวเคลียสไม่เสถียรที่มีนิวตรอนมากเกินไป จะสลาย ให้ตัวให้ β⁻ และกรณีที่นิวเคลียสไม่เสถียรที่มีโปรตอนมากเกินไป จะสลายให้ตัวให้ β⁺ และตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมทั้งในเชิงเส้นและเชิงมุม การสลายตัวแบบเบตา นี้จะต้องเกิดอนุภาค “นิวตริโน (Neutrino : ν)” และ “แอนตินิวตริโน (Anti- ‒ν Neutrino : )” ด้วยเสมอ อนุภาคดังกล่าวต้องมีสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า, มวล 1 น้อยมากๆ และมีสปินเป็น จากสมบัติดังกล่าวทำให้อนุภาคนิวตริโนและแอนตินิว 2 ตริโนตรวจพบได้ยากมากๆ ซึ่งทำให้เขียนอธิบายการสะลายตัวแบบเบตาได้ดังนี้ A A 0 14 14 0 ‒ν ‒ν กรณี β⁻ X → Y + e + เช่น C → N + e + Z Z+1 -1 6 7 -1 A A 0 12 12 0 กรณี β⁺ X → Y + e + ν เช่น N → C + e + ν Z Z-1 1 7 6 1 0 Gamma Decay : รังสีแกมมา คือ โฟตอน (γ หรือ γ) พลังงานสูง เกิดขึ้นจาก 0 การที่นิวเคลียสอยู่ในสถานะกระตุ้น (Excited State) ซึ่งมีพลังงานสูงเกินไป นิวเคลียสจึงปล่อยพลังงานออกมาเพื่อเปลี่ยนไปยังสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งเขียน อธิบายการสะลายตัวแบบแกมมาได้ดังนี้ A A X* → X + γ Z Z 12 12 0 ‒ν เช่น B → C* + e + 5 6 -1 12 6 C* → C + γ 6 12 จากสมบัติของอนุภาคทั้งสามนั้นสามารถสรุปความสามารถในการทะลุทะลวงได้ คือ γ > β > α กฎทางฟิสิกส์เบื้องต้นที่นำมาใช้การคำนวณการสลายตัว คือ 1) กฎการอนุรักษ์ประจุ (ΣZ = ΣZ ) f i 2) กฎการอนุรักษ์เลขมวล (ΣA = ΣA ) f i 3) กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม (Σp⃑ = Σp⃑ และ ΣL⃑ = ΣL⃑ ) f i f i 4) กฎการอนุรักษ์พลังงาน (ΣE = ΣE ) f i ข้อสังเกต รังสีที่แผ่ออกจากธาตุกัมมันตรังสี เป็นอนุภาคหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อ รังสีแผ่ออกจากแหล่งกำเนิด จะถ่ายโอนพลังงานให้สิ่งแวดล้อม และเมื่อตกกระทบ วัตถุใดวัตถุหนึ่ง พลังงานจากรังสีจะถ่ายโอนให้กับวัตถุนั้น ทำให้การเปลี่ยนแปลงใน ระดับโมเลกุลหรืออะตอมของวัตถุ แต่ไม่ทำให้วัตถุนั้นหรืออากาศที่อยู่รอบๆ มีการปน เปื้อนรังสี รังสีแอลฟามีมวลมากที่สุด เมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัสดุต่างๆ จะสูญเสียพลังงานได้ มากที่สุด จึงทะลุผ่านวัตถุได้น้อยที่สุดเมื่อเทียบกับรังสีอื่น รังสีบีตาเกิดจากการสลายของกัมมันตรังสี แต่รังสีแคโทด คือ ลำ อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ในหลอดรังสีแคโทด จึงมีพลังงานต่ำกว่ารังสีบีตา รังสีส่วนใหญ่ที่แผ่จากธาตุและไอโซโทปกัมมันตรังสี คือ รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา นอกจากนี้ยังมีรังสีชนิดอื่นๆ ได้อีก เช่น รังสีนิวตรอน รังสีโปรตอน เป็นต้น การสลายตัวของนิวเคลียสนั้นเป็นไปแบบสุ่ม ทำให้ในบางครั้งการสลายตัว ของนิวเคลียสอาจมีรูปแบบความน่าจะเป็นในการสลายตัวได้มากกว่าหนึ่งแบบ อนุกรมการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี นิวเคลียส นิวเคลียส นิวเคลียส ค่าครึ่งชีวิตของนิวเคลียส ชื่อ เลขมวล เริ่มต้น สุดท้าย ครึ่งชีวิตนานสุด ครึ่งชีวิตนานสุด (ปี) อนุกรมทอเรียม 232 208 232 4n 1.39×10¹⁰ Th Pb Th (Thorium Series) 90 82 90 241 209 237 อนุกรมเนปทูเนียม 4n + 1 2.25×10⁶ Pu Bi Np (Neptunium Series) 94 83 93 238 206 238 อนุกรมยูเรเนียม 4n + 2 4.51×10⁹ U Pb U (Uranium Series) 92 82 92 อนุกรมแอกทีเนียม 235 207 235 4n + 3 7.07×10⁸ U Pb U (Actinium Series) 90 82 92

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction) นิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) คือ การแตกตัวของนิวเคลียสธาตุหนัก กว่าเปลี่ยนไปเป็นนิวเคลียสธาตุเบากว่า นิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) คือ การรวมตัวของนิวเคลียสธาตุเบา กว่าเปลี่ยนไปเป็นนิวเคลียสธาตุหนักกว่า ข้อสังเกต นิวตรอนที่ทำให้เกิดฟิชชันมีพลังงานต่ำ เรียกว่า Slow Neutron หรือ Thermal Neutron ฟิชชันเกิดขึ้นเมื่อ นิวตรอนที่มีพลังงานต่ำเคลื่อนที่ไปพบกับนิวเคลียส ทำให้ นิวเคลียสดูดซับนิวตรอนไว้ กลายเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร จึงเกิดการแยกออกจากกัน ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นได้ เมื่อนิวตรอนจากฟิชชันครั้งแรกถูกหน่วงให้มี ความเร็วลดลงเป็นนิวตรอนพลังงานต่ำ แล้วเคลื่อนที่ไปพบกับนิวเคลียสอื่นๆ ของธาตุ หนักที่อยู่รอบๆ ทำให้เกิดฟิชชันครั้งต่อๆ ไป มวลรวมของอนุภาคต่างๆ หลังเกิดฟิวชันน้อยกว่ามวลรวมก่อนเกิดฟิวชัน เพราะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา มีบางกรณีที่ฟิวชันให้พลังงานต่อมวลน้อยกว่าฟิชชัน U-238 เป็นไอโซโทปของยูเรเนียมที่พบได้มากที่สุดในธรรมชาติ (ประมาณ 99.3% ของยูเรีเนียมทั้งหมดที่พบ) ซึ่งเป็นไอโซโทปที่ไม่สามารถเกิด ปฏิกิริยาฟิชชัน U-235 ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ จะต้องถูกทำการเสริมสมรรถนะ (Enrichment) เพื่อเพิ่มความเข้มข้น เช่น เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะใช้ความเข้มข้นของ U-235 ที่ประมาณ 3-5% แต่ระเบิดนิวเคลียร์จะต้องใช้ความเข้มข้นของ U-235 ที่ประมาณ 90% เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถสร้างและควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ให้เกิดขึ้นใน อัตราที่เหมาะสม สามารถถ่ายโอนพลังงานนิวเคลียร์ให้กับน้ำ ทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูง จนกลายเป็นไอน้ำ ซึ่งจะถูกนำไปใช้หมุนกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับการผลิต ไฟฟ้าต่อไป โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในปัจจุบันแบ่งเป็น 3 ประเภท คือ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แบบน้ำความดันสูง (Pressurized Water Reactor : PWR) โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor : BWR) และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำ มวลหนักความดันสูง (Pressurized Heavy Water Reactor : PHWR) น้ำหรือไอน้ำที่ปล่อยออกจากโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ไม่มีสาร กัมมันตรังสีปนเปื้อน เพราะมาจากส่วนระบายความร้อนของโรงไฟฟ้าซึ่งไม่มีการ สัมผัสกับสารกัมมันตรังสี รังสีที่ใช้ตรวจวินิจฉัยหรือรักษาโรค ถ่ายโอนพลังงานให้กับส่วนของร่างกาย ที่ถูกฉาย เมื่อหยุดฉายรังสีจะไม่มีรังสีตกค้างในร่างกาย การหาอายุของวัตถุโบราณที่มีซากสิ่งมีชีวิตประกอบโดยใช้วิธีการหาปริมาณ ของ คาร์บอน-14 สามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีซากสิ่งมีชีวิตเป็นส่วนประกอบที่มีอายุไม่ เกิน 70,000 ปี สำหรับการหาอายุของหินจะใช้วิธีการหาปริมาณของไอโซโทป กัมมันตรังสีชนิดอื่น เช่น โพแทสเซียม หรือ รูบิเดียม เป็นต้น การปรับปรุงพันธ์ุพืชด้วยวิธีการฉายรังสีอาจทำให้พันธุ์พืชมีลักษณะและ สมบัติทั้งดีและไม่ดี จำเป็นต้องมีการคัดเลือกเพื่อให้ได้เฉพาะพันธุ์ที่ต้องการ

กฎการอนุรักษ์หมายเลขแบริออน (B) “เมื่อใดก็ตามที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการสลายตัว ผลรวมของหมายเลข แบริออนก่อนกระบวนการจะต้องเท่ากับผลรวมของหมายเลขแบริออนหลังกระบวนการ”

กฎการอนุรักษ์เลขเลปตอนของอิเล็กตรอน (L ) e “เมื่อใดก็ตามที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการสลายตัว ผลรวมของเลข เลปตอนของอิเล็กตรอนก่อนกระบวนการจะต้องเท่ากับผลรวมของเลขเลปตอนของ อิเล็กตรอนหลังกระบวนการ” เลขเลปตอนของมิวออน (L ) และทาว (L ) มีการการอนุรักษ์เช่นกัน μ τ

กฎการอนุรักษ์เลขความแปลก (S) “ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการสลายตัวที่เกิดขึ้นจากอันตรกิริยาแบบเข้ม ผลรวมของเลขความแปลกก่อนกระบวนการจะต้องเท่ากับผลรวมของเลขความแปลก หลังกระบวนการ (ในกระบวนการที่เกิดขึ้นจากอันตรกิริยาแบบอ่อนเลขความแปลกอาจ ไม่อนุรักษ์)”

แบบจำลองควาร์กดั้งเดิม (The Original Quark Model) 1) เมซอนประกอบด้วยควาร์ก 1 ตัวและแอนตี้ควาร์ก 1 ตัว โดยเลข แบริออนของเมซอนเท่ากับ 0 2) แบริออนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว 3) แอนตี้แบริออนประกอบด้วยแอนตี้ควาร์ก 3 ตัว

ข้อสังเกต โปรตอนและนิวตรอนไม่ใช่อนุภาคมูลฐาน ปฏิยานุภาคของอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าเช่น เดียวกันกับคู่อนุภาค แต่มีสมบัติทางควอนตัมบางอย่างที่แตกต่างกันจากคู่อนุภาค แรงเข้มไม่ใช่แรงนิวเคลียร์ แต่เป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวควาร์กให้อยู่รวมกันในนิว คลีออน ส่วนแรงนิวเคลียร์เป็นแรงยึดเหนี่ยวให้นิวคลีออนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดย แรงนิวเคลียร์เป็นผลข้างเคียงที่เกิดจากแรงเข้ม แรงอ่อนไม่เป็นแรงนิวเคลียร์ เพราะไม่เกี่ยวข้องกับการยึดเหนี่ยวกันระหว่าง นิวคลีออนในนิวเคลียส แต่เป็นแรงที่เกี่ยวข้องกับการสลายให้บีตา แรงเข้มเป็นแรงที่มีค่าความแรงมากที่สุดในแรงพื้นฐานทั้ง 4 แรง