1

เคมนวเคลยร (Nuclear Chemistry)

โดย อ.ดร. สายรง เมองพล

- 3 ชวโมง - 6.5% - สอบกลางภาค 5 ม.ค. 58 (8.00–11.00 น.)

ความแตกตางระหวางปฏกรยาเคมทวไปกบปฏกรยานวเคลยร Chemical Reaction Nuclear Reaction

1. ไอโซโทปของธาตมสมบตทางเคม

เหมอนกน

2. สลายพนธะเคมเดมและเกด

พนธะใหม

3. เกยวของเฉพาะอเลกตรอนวงนอกสด

4. มการดดหรอคายพลงงานปรมาณ

เลกนอย

5. อตราเรวของปฏกรยา ขนกบอณหภม

ความดน ความเขมขน ตวเรงปฏกรยา

1. ไอโซโทปมสมบตทางนวเคลยร

ตางกน

2. เปลยนไอโซโทปของธาตเดม หรอ

เปลยนเปนธาตอน

3. เกยวของกบ p , n , e-

4. เกยวของกบพลงงานปรมาณมาก

5. อตราเรวของปฏกรยาไมขนกบปจจย

ภายนอก

2

3

https://shschemistry1.wikispaces.com/Chemical+Equations+and+Reactions

acetylene gas calcium carbide

http://cikguwong.blogspot.com/2011/08/physics-form-5-chapter-5-radioactive.html

4

สมบตของนวเคลยส - อะตอม: ประกอบดวยนวเคลยส (n และ p)

และม electron (e) กระจายอยในทวางรอบ ๆ - นวเคลยส: มขนาดเลกมากและมปรมาตรนอยมาก แตมมวลมาก มวล p = 1.007276 amu n = 1.008665 amu e = 0.000549 amu

(amu = atomic mass unit, 1 amu = 1.66 10-24 กรม) - รปรางของนวเคลยสถอเปน ‘ทรงกลม’ - บางครงถกเรยกวา ‘nucleon’ XA

Z

อะตอม

A = mass number (เลขมวล) = p + n Z = atomic number (เลขอะตอม) = p = e

5

ประเภทของอะตอม แบงเปน 3 ประเภท ตามจ านวนของ โปรตอน (p) นวตรอน (n) และ เลขมวล (A) 1. เมอ p เทากน เชน - สมบตทางเคมเหมอนกน - เลขอะตอมเทากน (p เทากน) - เลขมวล (A) ตางกน (n ตางกน) - เรยกวา ไอโซโทป (isotope)

11 12 13 14

6 6 6 6C C C C

2. เมอ n เทากน เชน - จ านวน n เทากน n = 6 - เลขมวล (A) และเลขอะตอม (p) ตางกน - เรยกวา ไอโซโทน (isotone)

9 10 11 12

3 4 5 6Li Be B C

3. เมอเลขมวล (A) เทากน เชน - เลขมวล (A) เทากน - เลขอะตอม (p) และ จ านวน n ตางกน - เรยกวา ไอโซบาร (isobar)

12 12 12

5 6 7B C N

6

ขนาดของนวเคลยส - ปรมาตรของนวเคลยสเปนสดสวนโดยตรงกบเลขมวล

V A เมอ V = ปรมาตร A = เลขมวล - รปรางนวเคลยสเปนทรงกลม

V R3 เมอ R = รศมของนวเคลยส แสดงวา R3 A หรอ R A1/3

จากการทดลองของรทเทอรฟอรด: R = R0A

1/3 เมอ R0 = 1.2 – 1.5 f (f = Fermi, 1 f = 10-13 cm) แทนคา R0 (1.4 f) แลวค านวณหารศมของนวเคลยส ไดคาตงแต

1.45 10-13 ถง 9.2 10-13 cm

- รศมของอะตอม (Ra) ค านวณจาก

Ra = 9.6 10-8 (A/)1/3 cm = ความหนาแนนของธาตในสถานะของแขง

เสถยรภาพของนวเคลยส (Nuclear Stability) นวเคลยสทเสถยร - ไมแผรงส นวเคลยสทเสถยร – แผรงส เรยก ไอโซโทปกมมนตรงส (radioactive isotope)

7

2. พจารณาจากจ านวน n และ p - ธาตทม n หรอ p = 2(He), 8(O), 20(Ca), 50(Sn), 82(Pb), 126 จะม ความเสถยรสงและมจ านวนไอโซโทปมาก (เลข 2, 8, 20, 50, 82, 126 เรยกวา เลขมหศจรรย (magic number))

- ธาตทมจ านวน p, n เปนเลขค (even) เสถยรกวาเลขค (odd)

นวเคลยสจะเสถยรหรอไม พจารณาจาก 1. อตราสวนของ n / p

- ธาตทม atomic no. ต า จะเสถยรถา n / p 1 - ธาต atomic no. สงขน จะเสถยรถา n / p > 1 เพราะตองม neutron มากขน เพอตานการผลกกนของ proton

จ านวน p จ านวน n จ านวนไอโซโทปทเสถยร

เลขค เลขค 4

เลขค เลขค 61

เลขค เลขค 69

เลขค เลขค 201

8

จ านวนไอโซโทปทเสถยรทมอยในธรรมชาต

9

แถบเสถยรภาพทางนวเคลยร (Belt of Stability)

นวเคลยสทเสถยร: - กลม Z ≤ 20, n/p = 1 - กลม Z สงๆ, n/p > 1, n > p นวเคลยสทไมเสถยร: - ธาตทม Z > 83 ทก isotopes เปน radioactive (ไมเสถยร) นวเคลยสทเสถยร: - n/p (หรอ N/Z) อยบน Belt of stability

http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif

0

120

100

80 60 40 20

80

60

40

20

10

ปฏกรยานวเคลยร (Nuclear reactions) 1. การสลายตวของธาตกมมนตรงส (Radioactive decay)

2. การแปรนวเคลยร (Nuclear transmutation) 2.1 ปฏกรยาการแยกนวเคลยส (Nuclear fission reaction)

2.2 ปฏกรยาการหลอมนวเคลยส (Nuclear fusion reaction)

1. การสลายตวของธาตกมมนตรงส (Radioactive decay) เกดจากนวเคลยสทไมเสถยรเกดการสลายตว และปลดปลอยอนภาค (particles) หรอ รงสแมเหลกไฟฟา (radioactive radiation) ออกมา ซงปรากฏการณน เรยกวา กมมนตภาพรงส (radioactivity)

Positive charge plate

Negative charge plate

Beta particle = electron

(-1 electric charge)

Alpha particle = helium nucleus

(+2 electric charge)

Gamma ray = ultra high energy

nonvisible light

(no electric charge)

Radioactive

sample

11

อนภาคพนฐานทคายออกมาจากไอโซโทปกมมนตรงส

1 amu = 1.66 10-24 กรม

12

อนภาค สญลกษณ ประจ มวล (amu) สมบต

+2 4 อนภาค

หรอ - -1 0 อนภาค

หรอ 0 0 คลนแมเหลกไฟฟา

นวตรอน (n) 0 1 อนภาค

โปรตอน (p) +1 1 อนภาค

โพสตรอน (+) +1 0 อนภาค

He4

2

e0

1-

n1

0

H1

1

e0

1

0

0 γ

13

ปลอยอนภาค ออกมาจาก nucleus ประจ +2, มวล 4 อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล ลดลง 4 เลขอะตอม ลดลง 2 มกเกดกบ radioactive isotope ทมเลขมวล (A) สงๆ หรอเลขอะตอม (Z) > 83 เพอใหไดธาตทมเลขมวลและเลขอะตอมต าลง และเสถยรมากขน เชน

-decay

He4

2

240 236 4

94 92 2Pu U + He

241

95Am

238

92 U 234 4

90 2Th + He

237 4

93 2Np + He

14

ปลอยอนภาค - ออกมาจาก nucleus ประจ -1, ไมมมวล อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม เพมขน 1 radioactive isotope ทม เลขมวล (A) ต าๆ

สามารถเกดกระบวนการ -decay เพอใหไดอะตอมทมเสถยรภาพมากขน เชน

-decay

e0

1-

14 14 0

6 7 1C N + e

8

3Li 8 0

4 1Be + e

15

Positron (+ ) emission: ปลอยอนภาค + ออกมาจาก nucleus ประจ +1, ไมมมวล อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม ลดลง 1 เชน

0

+1e

10 10 0

6 5 1C B + e

18 0 18

9 1 8F + e O

+ emission (positron emission)

0

+1e

Electron capture (EC): นวเคลยสจบ (capture) อเลกตรอนทโคจรอยใกล นวเคลยสมากทสด ซงสวนใหญมาจากชน K (K-capture) อะตอมใหมทเกดขน: เลขมวล คงเดม เลขอะตอม ลดลง 1 เชน

electron capture

0

-1e

-emission ไอโซโทปเสถยร (stable isotope) ทอยในสภาวะเรา (excited state) ปลดปลอย

พลงงานในรปของรงสแมเหลกไฟฟาพลงงานสง (-ray or -photon) ไมมประจ, ไมมมวล ไดอะตอมเดมอยในสภาวะพนทเสถยร 0

0 γ

excited state

nucle

ar

energ

y (

MeV

)

- emission

ground state

- - emission

0

1.2

0.66

137

55Cs

137

56 Ba

137

56 Ba

เชน การเกด --emission ของ Cs-137 ท าใหเกด Ba-137 ทสภาวะเรา เพอใหได Ba-137 ในสภาวะพนทเสถยร ตองมการปลดปลอย -photon ออกมา

16

17

อะตอมทอยนอก belt of stability - ไมเสถยร - เกด radioactive decay เพอให ได isotope ใหมทมอตราสวน ของ n/p เขาส belt of stability

แถบเสถยรภาพ (Belt of stability)

http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif

0

120

100

80 60 40 20

80

60

40

20

-emission

-emission

Positron (+) emission or electron capture

1

2

3

- high n/p

- -emission - reduces Z and A remains the same

- Z > 83

- -emission - reduces both A and Z

- low n/p

- Positron (+) emission or E.C. - reduces Z and A remains the same

1

3

2

18 http://people.uwplatt.edu/~sundin/114/image/BELT1.gif

0

120

100

80 60 40 20

80

60

40

20

-emission

-emission

Positron (+) emission or electron capture

1

2

3

ธาตเหลานเกดการสลายตวแบบใด? 12

5 B

*สามารถดตารางธาตประกอบได

234

92 U

127

57 La

20

15 P

12 0

6 1 C + e

n = 7

P = 5 n/p = 1.4 -emission

0 127

1 56 e Ba

n = 70

P = 57 n/p = 1.22

Positron (+) emission or electron capture

E.C. 127 0

56 1 Ba e

+ - emission

อนกรมการสลายตว (Decay series)

เมอ radioactive isotope ปลดปลอยอนภาคหรอรงสแมเหลก ไฟฟาแลวไดผลตภณฑทไมเสถยร จะมการสลายตวอยางตอ เนองจนไดอะตอมทเสถยรในทสด ซงเรยกวา ‘อนกรมการสลายตว’ (Decay series)

อะตอมเรมตน = parent atom (unstable) ผลตภณฑ = daughter atom (unstable) อะตอมสดทาย = end product (stable)

19

20

ม 4 อนกรมหลก: 1. อนกรมทอเรยม (Thorium series) (4n) parent atom: Th-232 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n 2. อนกรมเนปทเนยม (Neptunium series) parent atom: Np-237 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+1 3. อนกรมยเรเนยม (Uranium series) parent atom: U-238 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+2 4. อนกรมเอกทเนยม (Actinium series) parent atom: U-235 ทกธาตในอนกรมมเลขมวล = 4n+3

21

ธาตตอไปนอยในอนกรมการสลายตวแบบใด?

210

82 Pb 210 = 4(52) + 2 = 4n + 2 Uranium series

215

85At

209

83Bi

220

86 Rn

217

85At221

87 Fr 207

81Tl

215 = 4(53) + 3 = 4n + 3 Actinium series

220 = 4(55) = 4n Thorium series

209 = 4(52) + 1 = 4n + 1 Neptunium series

การดลสมการนวเคลยร หลกการ: จ านวน p, n ซาย = ขวา (ผลรวมของ A และ Z ตองเทากนทงซายและขวาของสมการ) ตวอยาง

22

212 20884 82Po Pb + ..........

137 055 -1Cs ........... + e

20 2011 10Na Ne + ..........

42 He

13756 Ba

01 e

23

อตราการสลายตวของสารกมมนตรงส - อตราการสลายตวของสารกมมนตรงส หาไดจากการนบจ านวนหรอปรมาณ ของอนภาคทไดออกมาตอเวลา - การสลายตวของสารกมมนตรงสเปนปฏกรยาอนดบหนง อตราการสลายตวทเวลา t อนทเกรต หรอ N0 = จ านวนหรอปรมาณเรมตนของสารกมมนตรงส Nt = จ านวนหรอปรมาณของสารกมมนตรงสทเวลา t

= คาคงทอตราของการสลายตว

dN

- Ndt

0 0

1- dN dt

N

tN t

N

0

t

Nln t

N

0

t

N tlog

N 2.303

24

คาครงชวต (half life, t1/2): ระยะเวลาทใชในการสลายตวของสารกมมนตรงสจนมปรมาณเหลออยครงหนงของสารเดม

1/2

0.693t

ตวอยาง 1 นกเคมพบวา หลงจากหนงอาทตยพอดท Rn-222 ทมปรมาณเรมตน

10.0 g สลายตวใหอนภาคอลฟาแลวเหลอ Rn-222 อย 2.82 g จงค านวณหาคาคงทอตราของการสลายตว ( = 0.181 ตอวน)

วธท า หา จาก

0

t

N2.303log

N =

t

1

10.0 g2.303log

2.82 g = = 0.181 day7 day

25

ตวอยาง 2 Ra-226 มคาครงชวต 1620 ป จงค านวณ

ก. คาคงทอตราของการสลายตวของ Ra-226 ( = 4.28 10-4 ตอป) ข. อตราสวนของตวอยางนทเหลออยเมอเวลาผานไป 100 ป (Nt/N0 = 0.958)

วธท า (ก) หา จาก

1/2

0.693t =

1/2

0.693 =

t 4 10.693

= = 4.28 10 year1620 year

(ข) หาอตราสวนของตวอยางทเหลออย (Nt/N0) เมอเวลา (t) ผานไป 100 ป

0

t

N tlog

N 2.303 4 1

0

t

N (4.28 × 10 year )(100 year)log = = 0.0186

N 2.303

0.01860

t

N = 10 = 1.044

Nt

0

N 1 = = 0.958

N 1.044

26

กมมนตภาพรงส (Radioactivity หรอ activity) Radioactivity หรอ activity หมายถงจ านวนอะตอมของธาตกมมนตรง สทสลายตวภายในหนงหนวยเวลา

Activity สง สลายตวเรวt1/2 สน

หนวยของ activity 1. Becquerel (Bq) (Henri Becquerel ผคนพบ radioactivity) 1 Bq = การสลายตวทางกมมนตภาพรงส 1 ครง ตอวนาท (s-1)

2. Curie (Ci) (Pierre and Marie Curie ผคนพบ Radium) 1 Ci = ปรมาณกมมนตภาพรงสทไดจากการสลายตวของ Ra 1 กรม

1 Ci = 3.7 1010 Bq

Activity (A) = N

= คาคงทอตราของการสลายตว N = จ านวนอะตอมของธาตกมมนตรงส

ตวอยาง 3 1 มลลกรมของ 14C บรสทธ มคาครงชวต 5730 ป จะม

activity เปนเทาใด (ก าหนด Avogadro’s number = 6.02 1023) (ตอบ 2.151 1010 Bq หรอ 5.81 10-3 Ci)

วธท า หา A = N

1/2

0.693 =

t 1 12 10.693

= s = 3.835 × 10 s5730 × 365 × 24 × 60 × 60

N ของ 14C 1 mg = 1 × 10-3 โมล = 1 × 10-3 × 6.02 × 1023 อะตอม 14 14

A = N = 3.835 × 10-12 × 10-3 × 6.02 × 1023 s-1 14 = 2.151 × 108 s-1 = 2.151 × 108 Bq

= (2.151 × 108 )/(3.7 × 1010) = 5.81 × 10-3 Ci 27

28

ประโยชนของ 14C: เนองจาก 14C มครงชวต 5730 ป ดงนนการค านวณหาอตราสวนระหวาง 14C กบ 12C (stable isotope) จงเปนประโยชนมากในการหาอายของวตถโบราณทมอายในชวง 1000–10000 ป เรยกเทคนคนวา ‘Radiocarbon dating’

อตราสวนของ 14C/12C ในบรรยากาศมคาประมาณ 1.2 10-12

การบาน(ไมตองสง): วตถโบราณชนหนงมกมมนตภาพรงส (activity) ของ 14C เทากบ 11.6 s-1 ถาวตถชนนเรมตนม activity เทากบ 15.2 s-1 และครงชวตของ 14C เทากบ 5730 ป จงหาอายของวตถโบราณชนน (ตอบ 2236 ป)

- การตรวจสอบนวเคลยสตางๆ มกพบวา มวลของนวเคลยส (มวลอะ ตอมในตารางธาต) มคานอยกวาผลรวมของมวลของอนภาคทเปน องคประกอบของนวเคลยส (p + n)

- ผลตางของมวล (m) เรยกวา มวลพรอง (mass defect) - มวลทหายไป (m) เปลยนเปนพลงงานทยดเหนยว p และ n ใหอย รวมกนไดในนวเคลยส - เรยกพลงงานนวา Nuclear Binding Energy (NBE) - NBE ค านวณไดจาก

29

มวลนวเคลยสและพลงงานยดเหนยว

Einstein’s equation: E = mc2

30

ตวอยางท 1 จงค านวณ NBE ของ 199 F

atomic mass = 18. 9984 amu --- (1)

Mass ของ p + n ม 9p 1.0078 = 9. 0702 amu 10n 1.0087 = 10.0870 amu รวม = 19.1572 amu --- (2)

199 F

199 F

m = (1) - (2) = 19.1572 - 18. 9984 amu = 0.1588 amu

m = มวลทหายไปเปลยนเปนพลงงานยดเหนยว

ตามสมการของ Einstein: E = mc2 = (0.1588 amu)(3 108 m/s)2 = 1.43 1016 amu. m2/s2

(เนองจาก 1 amu. m2/s2 = 1.66 10-27 J) E = (1.43 1016)(1.66 10-27) E = 2.37 10-11 J/atom

31

E = NBE = พลงงานทคายออกมาเมอน าโปรตอนและนวตรอนมา หลอมรวมกนเปนนวเคลยส พลงงานทถกคายออกมามคานอย เพราะคดตอ 1 นวเคลยส (อะตอม) แตหากคดตอ 1 โมลของธาต จะพบวาพลงงานทคายออกมามหาศาล

ถาคดตอ 1 โมลของ

1 โมล ม 6.02 1023 อะตอม ตอ 1 โมล E = (2.37 10-11)(6.02 1023) E = 1.43 1013 J/mol E = 1.43 1010 kJ/mol

ขอสงเกต: mass defect สง m มาก = พลงงานสง

32

199 F

การบาน (ไมตองสง) จงค านวณ NBE ของ (ก าหนด atomic mass ของ = 126. 9004 amu)

(ตอบ 1.73 10-10 J/atom)

12753 I

12753 I

33

2. การแปรนวเคลยร (Nuclear transmutation) เกดจากการยง (bombardment) นวเคลยสทเสถยรดวยอนภาคตางๆ เชน โปรตอน นวตรอน อนภาคอลฟา หรอรงสแกมมา ท าใหเกดการเปลยนแปลงภายในนวเคลยส ไดเปนอะตอมใหมและมอนภาคหรอรงสถกปลดปลอยออกมาดวย

http://library.thinkquest.org/27954/proton.html

34

เขยนสมการทวไปของปฏกรยา

X + a Y + b เขยนเปน X(a, b)Y X คอ นวเคลยสทเปนเปา (target nucleus) Y คอ นวเคลยสของธาตใหมทได (product nucleus) a คอ อนภาคทใชยง (bombarding particle or radiation) b คอ อนภาคหรอรงสทปลดปลอยออกมา (induced particle or radiation)

14 4 17 17 2 8 1N + He O + H

14 177 8N ( , p) O

35

H Be n B

He He H Li

n Al H Mg

Sin) ,( Mg n Si He Mg

11

104

10

105

42

42

11

73

10

2713

11

2412

2714

2412

10

2714

42

2412

ตวอยางปฏกรยาการแปรนวเคลยส

Aln) (p, Mg 2713

2412

ไอโซโทปสงเคราะห (Artificial Isotope) กระบวนการแปรนวเคลยส (nuclear transmutation ) ใชสงเคราะหหรอสรางธาตกมมนตรงสได โดย

ผลตภณฑของ nuclear transmutation อาจไดเปน stable nuclide หรอเปน radioactive nuclide กได ถาเปน radioactive กจะสลายตว ตอไป นยมใช neutron อนภาคทใชยงเนองจาก neutron เปอนภาคทเปน กลาง ไมมประจ ไมถกตอตานโดยนวเคลยสเปาหมาย

ถาใชอนภาคอนทมประจ เชน (+2) หรอ p (+1) แทน neutron จะ มแรงผลกระหวางนวเคลยสกบอนภาค จงตองเรงความเรว เพอเพม พลงงานใหเอาชนะแรงตานจากนวเคลยสของอะตอมเปาหมาย ดวย เครองเรงอนภาค (Particle accelerator)

36

37

เครองเรงอนภาค (Particle accelerator) ใชในการเรงอนภาคใหมพลงงานมากพอทจะเอาชนะแรงตานจากนวเคลยสเปาหมาย เครองเรงอนภาค ไดแก ซนโครตรอน (synchrotron) ใชสนามแมเหลกและการสลบขว +,- เพอชวยเพมพลงงานจลน ของอนภาค สามารถออกแบบใหความเรวสงสดของอนภาค กอนชน nucleus ≈ 90% ของความเรวแสง

http://universe-review.ca/R15-20-accelerators.htm

http://www.xente.mundo-r.com/rcid/pages/phy_9.html

http://www.esrf.eu/about/synchrotron-science/synchrotron

การสงเคราะหธาตใหมจากปฏกรยาการแปรนวเคลยส

ธาตถดจากยเรเนยม (Transuranium Elements): ไดจากการแปรนวเคลยสโดยใชเครองเรงอนภาคสงเคราะหธาตจาก U-238 (Z = 92) ไดธาตทม 92 < Z < 109 ซงธาตทงหมดทไดเปน radioactive isotope

38

39

ตวอยางไอโซโทปสงเคราะหทไดจาก bombardment ของ U-238

(สวนใหญถกสงเคราะหขนท University of California, Berkeley, USA)

Atomic number (z) Name Symbol

92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium

U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt

40

ปฏกรยาการแยกนวเคลยส (Nuclear fission reaction)

การแตกตวของนวเคลยสหนก (mass number (A) > 200) ทไมเสถยรได ผลตภณฑเปนนวเคลยสทเลกลง และ อนภาคนวตรอนอยางนอย 1 อนภาค ตองมการยงนวตรอนไปทนวเคลยสหนก

ใหพลงงานมหาศาล เชน 1 mole ของ U-235 ปลอยพลงงาน 2.0 1013 J (ถานหน 1 ตน ใหพลงงาน 8 107 J)

41 http://www.chm.bris.ac.uk/motm/uf6/uf6v.htm

42

นวตรอนทปลอยจากปฏกรยา fission ขนแรกจะยงอะตอมอนๆ ท อยถดไปจนเกดปฏกรยาลกโซ ทไมสามารถควบคมได มกใชในระเบดอะตอม (atomic bomb) หรอระเบดนวเคลยร

* ระเบดนวเคลยร 1 ลก 1 กโลกรม อ านาจท าลายลางเทยบเทากบระเบด TNT 20,000 ตน

เครองปฏกรณนวเคลยร (Nuclear Reactor): เปนการน า nuclear fission ไปใชประโยชนในทางสนต โดยการน าพลงงานความรอนไปผลตกระแสไฟฟา

43

Cd rod Absorb excess neutron

พลงงานความรอนปรมาณมหาศาลทไดจาก nuclear fission ถกถายโอนให เครองจกรไอน า ซงจะเปลยนพลงงานความรอนไปเปนพลงงานไฟฟาตอไป

http://ouledali.wordpress.com/2011/05/08/nuclear-energy-or-renewable-energy/

ปฏกรยาการหลอมนวเคลยส (Nuclear fusion reaction)

เปนการหลอมรวมนวเคลยสเลกๆ ใหเปนนวเคลยสใหญขน ซงตรงขามกบ nuclear fission ตองเกดในสภาวะทอณหภมสงมากๆ เรยกวา thermonuclear reactions

เชน ในดวงอาทตย temp. 15 106 oC อะตอม H รวมเปน He ได ตลอดเวลา นวเคลยสของธาตเบา 2 นวเคลยสหลอมรวมกนเปนนวเคลยสเดยวทหนก กวาเดมและเสถยรกวาเดม จะมการคายพลงงานออกมาเปนจ านวนมาก กวาพลงงานทไดจาก nuclear fission ขอด – ใชเชอเพลงราคาถกกวา - เกดของเสยทเปนกมมนตรงส (radioactive waste) นอย ขอเสย - เกด thermal pollution เพราะปฏกรยาเกดทอณหภมสงมาก

44

45

ตวอยาง nuclear fusion

H + H HeHe + He He + 2 HH + H H +

11

21

32

32

32

42

11

11

11 1

2 01

Li + H 2 HeH + H H + H

63

21

42

21

21

3 11 1

Hydrogen bomb ใช solid lithium deuteride (LiD) ขนท 1. nuclear fission ให heat 2. heat ท าใหเกด nuclear fusion

Li + H 2 HeH + H H + H

63

21

42

21

21

3 11 1

46

หนวยการวดรงส

1. ปรมาณสารกมมนตรงส วดการสลายตวของนวเคลยสใหรงสออกมาเปนจ านวนครงตอวนาท ใชหนวย Becquerel, Bq (SI unit) หรอ Curie (Ci) 1 Ci = 3.7 x 1010 ครง/วนาท = 3.7 x 1010 Bq

2.ปรมาณรงสในอากาศทถกแผออกมาจากสารกมมนตรงส (exposure หรอ exposure dose) หนวย Roentgen, R หรอ Coulomb/kg (SI unit) 1 R = ปรมาณรงสเอกซ หรอแกมมา ทท าใหอากาศ 1 cm3 ท STP แตกตวเกดเปนไอออน 2.08 x 109 ค

47

3. ปรมาณรงสทถกดดกลน (absorbed dose) เมอรงสตกกระทบวตถ รงสบางสวนจะทะลทะลวงผานไป สวนทเหลอจะถกวตถดดกลนไว absorbed dose จะมากนอยขนกบชนดของวตถและชนดของรงส หนวย rad หรอ Gray, Gy (SI unit) 1 rad = พลงงานปรมาณ 100 ergs ถกดดกลนโดยวตถ 1 g (1 erg = 1 g·cm2/s2 = 10−7 J) 1 Gy = 100 rad = 1 J/kg 1 rad ≈1 R

48

4.ปรมาณรงสสมมลทบคคลไดรบ (dose equivalent) หนวย rem (Roentgen equivalent for man) หรอ Sievert, Sv พจารณาจากผลทางชววทยาทเกดขนกบเนอเยอ ซงจะขนกบชนด ของอวยวะในรางกายและชนดของรงส บคคลใดไดรบรงสแลวรงสนนกอใหเกดผลทางชววทยาเทยบเทากบ ผลทเกดจากรงสเอกซ หรอแกมมา 1 rad เรยกวาบคคลนนไดรบรงส 1 rem 1 rem = 1 rad x 1 RBE, RBE (relative biological effectiveness) 1 Sv = 100 rem

49

การประยกตใชงานไอโซโทปกมมนตรงส 1. แหลงพลงงาน - nuclear power plant 2. อตสาหกรรม - ลดการสกหรอวงแหวนลกสบ 3. Tracer (ตวตดตาม) : ใช radioactive isotope ศกษาตดตามการ เปลยนแปลงของธาตปกตในกระบวนการทางชวภาพ การเกษตร : 32P ในปยฟอสเฟต 14CO2 การสงเคราะหแสง การแพทย : 131 I ตอม thyroid ผดปกต 4. ศกษาโครงสรางของสาร 5. รกษาโรค 60Co รกษามะเรง 131I รกษาตอม thyroid 6. ค านวณอายวตถโบราณ เชน C-14

50

การปองกนการไดรบรงส

1. เวลา: ใชเวลาปฏบตงานใหสนทสด 2. ระยะทาง: รกษาระยะทางใหหางจากตนก าเนดรงสใหมากทสด 3. เครองก าบง: จดใหมเครองก าบงรงสใหเหมาะสม

Source: http://www.oaep.go.th/images/news/20110603145031.pdf