ฟิสิกส์ของนิวเคลียส เป็นสาขาหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาองค์ประกอบต่าง ๆ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันของนิวเคลียสทั้งหลายของอะตอม การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ทราบกันดีที่สุดคือ การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์และเทคโนโลยีอาวุธนิวเคลียร์ แต่การวิจัยได้ประยุกต์ในหลายสาขา เช่น เวชศาสตร์นิวเคลียร์และการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก การปลูกฝังไอออนในวิศวกรรมศาสตร์วัสดุ และการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสีในวิชาภูมิศาสตร์และโบราณคดี
นิวเคลียสเป็นสิ่งที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจทางทฤษฏี เพราะมันประกอบไปด้วยอนุภาคจำนวนมาก (เช่น โปรตอน และนิวตรอน) แต่ไม่มีขนาดใหญ่พอที่จะอธิบายลักษณะได้ถูกต้องเหมือนอย่างผลึก จึงมีการใช้แบบจำลองของนิวเคลียสซึ่งใช้ศึกษาพฤติกรรมทางนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ได้ โดยอาจใช้เป็นวิธีการเดียวหรือร่วมกับวิธีการอื่น ๆ
ปฎิกิริยานิวเคลียร์ คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงาน ในทุกสมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลบวกของเลขอะตอมทั้งก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน ซึ่ง แสดงว่าประจุไฟฟ้ารวมมีค่าคงตัว และผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาก็จะต้องเท่ากัน ด้วย ซึ่งแสดงว่า จำนวนนิวคลียสรวมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องคงตัว
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
รูปแสดงการเบี่ยงเบนของรังสีชนิดต่างๆ ในสนามไฟฟ้า
การเกิดกัมมันตภาพรังสี
1. เกิดจากนิวเคลียสในภาวะพื้นฐาน รับพลังจำนวนมากทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ก่อนกลับสู่ภาวะพื้นฐานนิวเคลียร์จะคลายพลังงานออกมาในรูป “ โฟตอนที่มีพลังงานสูง “ ย่านความถี่รังสีแกมมา
2. เกิดจากการที่นิวเคลียร์บางอัน อยู่ในสภาพไม่เสถียร คือมีอนุภาคบางอนุภาคมากหรือน้อยเกินไป ลักษณะนี้นิวเคลียร์จะปรับตัว คายอนุภาคเบตาหรือแอลฟาออกมา
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
2) รังสีเบตา (Beta Ray – β) เกิดจากการสลายตัวของนิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไป โดยรังสีเบตาแบ่งได้ 2 แบบคือ
1. เบตาลบหรือหรืออิเล็กตรอน ใช้สัญลักษณ์ หรือ เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนนิวตรอน ลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ
แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาลบ
สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีเบตาลบ
2. เบตาบวกหรือหรือโพสิตรอน ใช้สัญลักษณ์ หรือ เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสที่มีโปรตอนมากเกินกว่านิวตรอน ดังนั้นจึงต้องลดจำนวนโปรตอนลงเพื่อให้นิวเคลียสเสถียรภาพ
แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีเบตาบวก
สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีเบตาบวก
เนื่องจากอิเล็กตรอนนั้นเบามาก จึงทำให้รังสีเบตาเกิดการเบี่ยงเบนได้ง่าย สามารถเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้ มีความเร็วสูงมากคือมากกว่าครึ่งของ ความเร็วแสงหรือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที มีอำนาจในการทะลุทะลวงมากกว่ารังสีแอลฟา แต่น้อยกว่ารังสีแกมมา
3) รังสีแกมมา(Gamma Ray) ใช้สัญลักษณ์ γ เกิดจากการที่นิวเคลียสที่อยู่ในสถานะกระตุ้นกลับสู่สถานะพื้นฐานโดยการปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมา รังสีแกมมา ก็คือโฟตอนของการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับรังสีเอ็กซ์ แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและมีอำนาจในการทะลุทะลวงสูงมากกว่ารังสีเอ็กซ์ ไม่มีประจุไฟฟ้าและมวล ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็กและ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าแสง
แสดงการสลายตัวของสารแล้วให้รังสีแกมมา
สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้รังสีแกมมา
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 α
มีประจุ + 2 , มีมวล 4 amu
มีอัตราเร็ว 1/15 ความเร็วแสง
มีอำนาจทะลุทะลวงน้อยกว่ารังสีอื่น
2. สรุปอนุภาค β
คือ electron , มีมวลน้อยมาก , ประจุ – 1
ความเร็วสูงมาก เกือบเท่าความเร็วแสง
อำนาจทะลุทะลวงปานกลาง
3. สรุปรังสี γ
เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า , มีความถี่สูงสุด
มีความเร็วเท่าแสง
อำนาจทะลุทะลวงสูง
การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส
ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่างๆ พบว่า เวลามีการแผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีเบตาจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้นเสมอ จึงกล่าวได้ว่ารังสีเหล่านี้เกิดจากการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส ดังนั้นการศึกษากัมมันตภาพรังสีจะทำให้รู้องค์ประกอบของนิวเคลียสได้
โครงสร้างของนิวเคลียส
ภายในอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ซึ่งภายในนิวเคลียสมีอนุภาคหลักอยู่ 2 ชนิดคือ โปรตอนและนิวตรอน
แสดงอนุภาคภายในนิวเคลียส
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
สูตร
โดย λ เป็นค่าคงที่ของการแปรผัน เรียก ค่าคงตัวการสลาย (decay constant)
อัตราการแผ่รังสีออกมาในขณะหนึ่ง คือ กัมมันตภาพ(activity) มีสัญลักษณ์ A
A = λN
หน่วยวัดกัมมันตภาพ นิยมวัดเป็นหน่วยคูรี่ โดย Bq (เบคเคอเรล)
การหาจำนวนนิวเคลียสเมื่อเทียบกับฟังก์ชันของเวลา
กราฟแสดงการลดจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี ณ เวลาต่างๆ
ช่วงเวลาของการสลายที่จำนวนนิวเคลียสลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนเริ่มต้น เรียกว่า ครึ่งชีวิต (Half Life) มีสัญลักษณ์
สูตร
การหาจำนวนนิวเคลียสโดยตรงนั้นทำได้ยาก นิยมวัดจากกัมมันตภาพที่แผ่ออกมาดังสูตร
สภาพสมดุลของธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ในธรรมชาติมีธาตุกัมมันตรังสีที่สลายตัวแล้วกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ แต่ธาตุใหม่ที่ได้นี้ยังไม่เสถียรภาพทีเดียว จึงเกิดการสลายต่อไป จะพิจารณากรณีธาตุ A สลายตัวให้ธาตุ B สลายตัวให้ธาตุ C สูตรคือ
ดังนั้น
กราฟแสดงอัตราการสลายของธาตุ A จะเท่ากับอัตราการเกิดของธาตุ B
เมื่อเวลาเพิ่มขึ้นปริมาณนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีจะลดลงเรื่อยๆ แต่ปริมาณนิวเคลียสจะไม่ลดลงเป็นศูนย์ ไม่ว่าเวลาจะผ่านไปเท่าใดก็ตาม การพูดถึงเวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีสลายตัวหมดจึงไม่มีความหมาย ในทางทฤษฎีจึงพูดถึงเวลาที่ธาตุสลายตัวเหลือเป็นครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
สมการการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี
จากการทดลองพบว่าอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสจะเป็นปฏิภาคกับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่ขณะนั้น
โดยที่ λ แทนค่าคงที่ของการสลายตัว (decay constant)
ถ้าให้ เป็นจำนวนนิวเคลียสเริ่มต้นที่เวลา t = 0 และ เป็นจำนวนนิวเคลียสที่เหลือ เมื่อเวลาผ่านไป t จะได้
การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแสดงได้ดังรูป
กราฟการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี
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)
เสถียรภาพของนิวเคลียส
แรงนิวเคลียร์
จากการศึกษานิวเคลียส สรุปได้ว่าแรงที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกัน คือ แรงนิวเคลียร์
แรงนิวเคลียร์ คือ แรงที่ใช้ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกัน ซึ่งไม่ใช่ทั้งแรงระหว่างประจุและแรงดึงดูดระหว่างมวล แต่เป็นแรงที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเมซอนระหว่างนิวคลีอออนในนิวเคลียส
มวลและพลังงาน
เสถียรภาพของนิวเคลียส คือ เสถียรภาพของนิวคลียสขึ้นอยู่กับพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน นิวเคลียสใดมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงจะมีเสถียรภาพสูง
พลังงานยึดเหนี่ยว
พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy)คือ“พลังงานที่ใช้ในการยึดนิวคลีออน เข้าได้ด้วยกันในนิวเคลียสของธาตุ” หรือเป็น “พลังงานที่น้อยที่สุด ที่สามารถทำให้นิวเคลียสแตกตัวเป็นองค์ประกอบย่อย”
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
แทนมวลพร่อง มีหน่วยเป็น u (atomic mass unit)
โดย พลังงานยึดเหนี่ยว นี้เปลี่ยนรูปมาจากมวลพร่อง นั่นเองโดยการหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวได้จาก การเปลี่ยนแปลงของมวลเปลี่ยนเป็นพลังงาน โดยถ้าให้ B.E. แทนพลังงานยึดเหนี่ยว มีหน่วยเป็นเมกกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) และ แทนมวลพร่อง มีหน่วยเป็น u โดยที่ มวล 1 u เทียบเท่ากับพลังงาน 931 MeV
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction) คือ กระบวนการที่นิวเคลียสเกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบซึ่งเกิดจากการยิงด้วยนิวคลีออน หรือกลุ่มนิวคลีออน หรือรังสีแกมมา แล้วทำให้มีนิวคลีออนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสหรือออกไปจากนิวเคลียสหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงจัดตัวใหม่ภายในนิวเคลียส สามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาได้
โดยที่ X เป็นนิวเคลียสที่เป็นเป้า , a คืออนุภาคที่วิ่งเข้าชนเป้า , b คืออนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่หลังจากการชน และ Y คือนิวเคลียสของธาตุใหม่หลังจากการชน
เช่น แสดงถึงว่า เป็นนิวเคลียสเป้าหมายที่ถูกยิง เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ที่เกิดขึ้น n คือนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ใช้ในการยิง และ เป็นรังสีที่เกิดขึ้นใหม่ เป็นต้น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ส่วนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเข้าไปในชน Nucleus ทำให้ Nucleus แตกออก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีส่วนสำคัญคือ
1. ปฏิกิริยา Nuclear เกิดในนิวเคลียส ต่างจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับอิเลกตรอนภายในอะตอม
2. ปฏิกิริยา Nuclear ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากเพื่อจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียส
3. แรงจากปฏิกิริยา Nuclear เป็นแรงแบบใหม่ เรียก แรงนิวเคลียร์ ซึ่งมีอันตรกริยาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสเท่านั้น
4. ในปฏิกิริยานิวเคลียส เราสามารถนำกฎต่างๆ มาใช้ได้เป็นอย่างดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟ้า
ข้อควรจำ
1. ในสมการของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหลายที่เกิดขึ้น ผลรวมของเลขอะตอมก่อนเกิดปฏิกิริยาและภายหลังปฏิกิริยาย่อมเท่ากัน และผลรวมของมวลอะตอมก่อนเกิดปฏิกิริยาและภายหลังปฏิกิริยาย่อมเท่ากัน เช่น ปฏิกิริยา
เขียนได้เป็น
เลขอะตอมคือ 7 + 2 = 8 + 1
มวลอะตอมคือ 14 + 4 = 17 + 1
2. ในปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นพลังงาน หรือ มวล-พลังงาน (mass – energy) ก่อนปฏิกิริยาและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากันเสมอ ซึ่งเป็นไปตามกฎทรงพลังงาน ดังเช่น ในการยิงอนุภาคโปรตอนไปยังนิวเคลียสของลิเทียมแล้วทำให้เกิดนิวเคลียสของฮีเลียม 2 นิวเคลียส ดังสมการ
โดยที่ มีมวล 7.0160 u มีมวล 4.0026 u
มีมวล 4.0026 u
มวลก่อนเกิดปฏิกิริยา = 7.0160 u + 1.0078 u = 8.0238 u
มวลหลังเกิดปฏิกิริยา = 4.0026 u + 4.0026 u = 8.0052 u
มวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยามากกว่ามวลรวมหลังปฏิกิริยา = 8.0238 u – 8.0052 u = 0.0186 u
แต่มวลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้โดย E = 0.0186 u × 931 MeV = 17.32 MeV
โดยพลังงานที่ให้ออกมาอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ จึงเรียก ว่าพลังงานนิวเคลียร์ ดังนั้นเขียนสมการข้างต้นใหม่ได้ว่า
ปฏิกิริยานิวเคลียร์บางปฏิกิริยาต้องดูดพลังงานเข้าไปจึงจะเกิดปฏิกิริยาขึ้นได้ เช่น ปฏิกิริยา เขียนเป็นสมการได้
โดยที่ มีมวล = 14.003074 u มีมวล = 4.002603 u
มีมวล = 18.005677 u มีมวล = 1.007825 u
มวลก่อนเกิดปฏิกิริยา = 14.003074 u + 4.002603 u = 18.005677 u
มวลหลังเกิดปฏิกิริยา = 18.005677 u + 1.007825 u = 18.006958 u
ผลต่างของพลังงานก่อนเกิดปฏิกิริยากับหลังเกิดปฏิกิริยามีค่าดังนี้
E = (18.005677 u – 18.006958 u) × 931MeV = –1.193 MeV
ดังนั้น เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ขึ้นจะต้องให้พลังงานแก่ โดยเขียนเป็นสมการได้
สรุปปฏิกิริยานิวเคลียร์
1. การหานิวเคลียสของธาตุจากปฏิกิริยา ใช้หลักดังนี้
ผลรวมของประจุทางซ้ายมือและขวามือของสมการมีค่าเท่ากัน
จำนวนนิวคลีออนทางซ้ายมือและขวามือของสมการมีค่าเท่ากัน
2. การคำนวณพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ มีหลักดังนี้
ถ้ามวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยา > มวลรวมหลักเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะคายพลังงาน
ถ้ามวลรวมก่อนเกิดปฏิกิริยา < มวลรวมหลังเกิดปฏิกิริยา ; ปฏิกิริยานี้จะดูดพลังงาน
พลังงานที่คายหรือดูดจะหาได้จาก ผลต่างของมวลรวมก่อนทำปฏิกิริยากับหลังทำปฏิกิริยาคูณด้วย 931 โดยมวลอยู่ในหน่วย amu และพลังงานอยู่ในหน่วย MeV
มวลที่ใช้อาจเป็นมวลนิวเคลียสโดยตรง หรือ มวลอะตอมก็ต้องเป็นมวลอะตอมหมดจะปนกันไม่ได้
นิวเคลียสก็ต้องเป็นนิวเคลียสหมด หรือมวลอะตอมก็ต้องเป็นมวลอะตอมหมดจะปนกันไม่ได้
ปฏิกิริยาฟิชชัน
ปฏิกิริยาฟิชชั่น (Fission) เป็นปฏิกิริยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมีนิวตรอนเป็นตัววิ่งเช้าชนนิวเคลียสหนัก (A>230) เป็นผลทำให้ได้นิวเคลียสที่มีขนาดปานกลาง และมีนิวตรอนที่มีความเร็วสูงเกิดขึ้นประมาณ 2-3 ตัว ทั้งมีการคายพลังงานออกมาด้วย เช่น ปฏิกิริยาลูกโซ่
การเกิดปฏิกิริยาการแตกตัว
ตัวอย่างการแบ่งแยกนิวเคลียส เช่น การยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสของ ซึ่งจะแตกออกเป็น 2 ส่วนเกือบเท่ากัน คือ เกิดนิวเคลียสของแบเรียมและคริปตัน ดังสมการ
เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear Reactor) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ โดยที่เราสามารถควบคุมการเกิดฟิชชั่นและปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ พลังงานที่ได้เราสามารถนำไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้
เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ปฏิกิริยาฟิวชัน
ปฏิกิริยาฟิวชั่น (Fusion) เป็นปฏิกิริยาหลอมตัวของนิวเคลียสและมีพลังงานคายออกมาด้วย นิวเคลียสที่ใช้หลอดจะต้องเป็นนิวเคลียสเล็กๆ (A<20) หลอมรวมกลายเป็นนิวเคลียสเบาที่ใหญ่กว่าเดิม ในปัจจุบันเชื่อกันว่าบนดาวฤกษ์ต่างๆ พลังงานมหาศาลที่ปล่อยออกมาเกิดจากปฏิกิริยาฟิวชั่นทั้งสิ้น
ข้อสังเกต
จะเห็นว่าในแต่ละปฏิกิริยาของฟิชชั่นและฟิวชั่นเมื่อเทียบพลังงานแล้ว ในฟิชชั่นหนึ่งปฎิกิริยาจะให้พลังงานมากกว่าฟิวชั่นหนึ่งปฏิกิริยา แต่ในขนาดมวลที่พอกันของสารที่ทำให้เกิดฟิวชั่น กับ สารที่ทำให้เกิดฟิชชั่น จำนวนปฏิกิริยาฟิวชั่นจะมากกว่าฟิชชั่นมากเป็นผลทำให้พลังงานรวมที่ได้จากฟิวชั่นมากกว่าฟิชชั่นนั่นเอง
ข้อควรจำ
1) ปฏิกิริยาฟิชชั่น 1 ปฏิกิริยา จะให้พลังงานมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชั่น 1 ปฏิกิริยา
2) ขนาดของมวลนิวเคลียสที่เท่ากันเข้ากันทำปฏิกิริยาฟิชชั่นและปฏิกิริยาฟิวชั่น พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชั่นจะมากกว่าพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชั่น
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 , ,
