0123456(37(& 18923:%;(?%/=3'>einstein.sc.mahidol.ac.th/~yuma/scpy155/scpy155_2017... ·...

บทท 15-17 ฟสกสยคใหมเบองตน ฟสกสอะตอมและฟสกสนวเคลยร

อาจารย ดร. สรพงษ อยมา

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดล

©Modern Physics by Serway, More, & Moyer

Planck Curie LorentzEinstein

DiracCompton

de Broglie

Bohr

Schrödinger Heisenberg

Pauli

เนอหา• บทท 15 ฟสกสยคใหมเบองตน

• แนะนำฟสกสยคใหม

• ปรากฏการณโฟโตอเลกตรก

• ความเปนคลนของอนภาค

• บทท 16 ฟสกสอะตอม

• สเปกตรม

• แบบจำลองอะตอมของบอหร

• บทท 17 ฟสกสนวเคลยร

• องคประกอบของนวเคลยส

• พลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยส และการ

สลายตว

©Yuma

ฟสกสยคใหม (Modern Physics)• ปรากฏการณตางๆในธรรมชาต สามารถอธบายไดดวยกฏการเคลอนทของนวตน ทฤษฎ

แมเหลกไฟฟา การสน พลงงานศกยและจลน และอนๆ

• สงเหลาน รวมเรยกวา ฟสกสยคดงเดม (Classical Physics)

• ตอมาในชวงศตวรรษท 20 มการทดลองและการคนพบสงตางๆทไมสามารถใชกฏทาง

ฟสกสทมอยอธบายไดอยางสมบรณ

• จงมการสรางทฤษฎขนมาใหม ซงรวมเรยกวา ฟสกสยคใหม (Modern Physics)

• เชน CPU ในคอมพวเตอร หรอ ฮารดดสกเกบขอมล หรอจอทว LCD

• ฟสกสยคใหม ประกอบดวย 2 ทฤษฎหลกๆ คอ

1. ทฤษฎสมพทธภาพ (Relativity theory)

• คอ การอธบายการเคลอนทของอนภาคทกรอบอางองทมความเรว

• โดยทวไปจะใชกบอนภาคทมความเรวสง (เขาใกลอตราเรวของแสง)

2. ทฤษฎควอนตม (Quantum theory)

ฟสกสยคใหม (Modern Physics)

พอ

ลก

https://www.youtube.com/watch?v=ECjYsWLgy3I

ทฤษฎควอนตม (Quantum Theory)

• อะตอมมขนาดอยทระดบ 10-10 m (องสตรอม,

Ångstrom)

• นวเคลยสยงมขนาดเลกลงไปอกเปน 10-15m (Fermi)

• อนภาคขนาดเลกแบบนไมสามารถอธบายไดดวย

ฟสกสยคดงเดม

• หลกการของทฤษฎควอนตม คอ “หลกความนาจะเปน”

ทไมไดอธบายตวตนของอนภาคตางในรปแบบทจบตอง

ได แตอธบายวา อนภาคจะมความนาจะเปนทจะอยท

ตำแหนงตางๆเทาไรเทานน

ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน• เมอแสงตกกระทบบนพนผวโลหะ จะทำใหอเลกตรอนในโลหะนน

หลดออกมา (ดงรป)

• อเลกตรอนทหลดออกมาจะเรยกวา โฟโตอเลกตรอน

(Photoelectron) ซงมคณสมบตดงน

1. จะเกดโฟโตอเลกตรอนขนไดกตอเมอ ความถของ

แสงทมาตกกระทบมคามากกวา ความถขดเรม

(Threshold frequency) ซงขนกบชนดวตถ

2. จะเกดโฟโตอเลกตรอนหรอไม ไมขนกบความเขม

ของแสง (ความถลวนๆ)

3. แต! จำนวนโฟโตอเลกตรอนทหลดออกมาจะขนกบ

ความเขมของแสงทมความถมากกวาความถขดเรม

4. พลงงานของโฟโตอเลกตรอน กไมขนกบความเขม

ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน

• เราพจารณาแสงทตกกระทบเปน อนภาค ซงเรา

เรยกวา “โฟตอน (Photon)”

• มลกษณะเปนกลมกอนของพลงงานทไมมมวล

• โดย h คอ คาคงทของพลงค (Planck’s

constant, 6.64x10-34 J.s)

• หมายความวา ตอใหมโฟตอนมาเพยงแคตว

เดยว ถาโฟตอนตวนนมความถมากกวาความถ

ขดเรม กสามารถทำใหเกดโฟโตอเลกตรอนได

• พลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอนทหลดออกไป มาจากการถายเทพลงงาน

จากโฟตอนทตกกระทบ ซงตองมคาอยางนอยเทากบพลงงานยดเหนยว หรอ

ฟงกชนงาน (work function, ) ทขนกบชนดของวสด

ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน

• พลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอน

• พลงงานจลนสงสดของโฟโตอเลกตรอนจะเกดเมอเปนการ

กระตนอเลกตรอนตวทอยใกลผวของวสดมากทสด เพราะ

จะไมเสยพลงงานไปกบการชนกบอนภาคอน

ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน

• สงทเราไดจากปรากฏการณโฟโตอเลกตรก คอ

• แสงประพฤตตวเปนอนภาค

• โฟตอนมคาพลงงานไดเฉพาะบางคาเทานน (มคาเปนจำนวนเทาของคาคงทพลงค

เทานน)

• การทโฟตอนมพลงงานไดแคบางคานน เรยกวา ควอนไทเซชน (Quantization)

ซงเปนคำทเชอมโยงกบควอนตม (Quantum) นนเอง

• หนวยของพลงงาน คอ จล (Joule, J)

• พลงงาน 1.6x10-19

J คอพลงงานททำใหอเลกตรอนซงมประจ 1.6x10-19

C

เคลอนทในความตางศกย 1 V หมายความวา 1eV = 1.6x10-19

J

ปรากฏการณโฟโตอเลกตรกและโฟตอน

ปรากฏการณคอมปตน (Compton Effect)

• เปนปรากฏการณทเกดจากการทโฟตอนวงชนกบอลกตรอนอสระแลวมการถายทอด

พลงงานจากโฟตอนไปยงอเลกตรอน

• การชนกนนเปนไปตามกฏการอนรกษพลงงาน เหมอนการชนกนของลกบลเลยด

ธรรมดาสองลก

https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering

ตวอยางท 1

1. คำนวณหาพลงงานของโฟตอนทมความถ 6.0x1014 Hz

• วธทำ จาก E=hf --> แทนคา ความถ f = 6.0x1014 Hz และ คาคงทพลงค

2.  ถาไฟฉายมกำลง 1W แสงจากไฟฉายนจะมโฟตอนกตวตอวนาท

• วธทำ กำลงไฟ 1 วตต คอ พลงงาน 1 จลตอวนาท

• จาก ขอ 1. โฟตอนมพลงงาน 3.98x10-19 J

• จำนวนโฟตอน เทากบ 2.51x1018 ตวตอวนาท

ความเปนคลนของอนภาค

• เดอ บรอกล (ในภาพ) เสนอวา ในเมอคลนแสงประพฤตตว

เปนอนภาคได อนภาคกตองสามารถประพฤตตวเปนคลนได

เชนเดยวกน

• ถาอนภาคมมวล m เคลอนทดวยอตราเรว v จะแสดงคณสมต

ของคลนทมความยาวคลน λ ทเปนไปตามความสมพนธ

• เมอโมเมนตมของอนภาค p = mv

Louis de Broglie 1892-1987

ความยาวคลนน เรยกวา ความยาวคลนของเดอ บรอกล (de Broglie Wavelength)

• การทดลองการเลยวเบน

ของรงสเอกซและลำ

อเลกตรอน เพอพสจนวา

อนภาคอยางอเลกตรอน

สามารถเกดการเลยวเบน

ไดเชนเดยวกบรงสเอกซ

ซงเปนคลนแมเหลกไฟฟา

ความเปนคลนของอนภาค

กลองจลทรรศนอเลกตรอน• อาศยหลกการการเปนคลนของอเลกตรอน ใชลำอเลกตรอนแทนแสง เพอกำลง

ขยายในการมองภาพใหชดเจนขน

©Modern Physics by Serway, More, & Moyer

https://www.hks.harvard.edu/sdn/sdnimages/large.butterfly.jpg

ฟสกสของอะตอม

• สสารทกประเภทประกอบขนมาจากอะตอม

• โครงสรางพนฐานของอะตอม ประกอบไปดวย

นวตรอน (neutron) โปรตอน (proton) และ

อเลกตรอน (electron)

สเปกตรมแบบเสน

• ในเรองคลนแมเหลกไฟฟา ถาประจเคลอนทดวยความเรงจะทำใหเกดคลนแมเหลกไฟฟาออกมา

รอบๆ ยกตวอยางเชน การเคลอนทของประจดงกลาวทผวของดวงอาทตย ทำใหเกดคลนแสงมาถงเรา

• ประจทผวดวงอาทตยเคลอนทดวยความเรงคาตางๆมากมาย ทำใหเกดสเปกตรมทกชวง

ความยาวคลน เรยกวา สเปกตรมแบบตอเนอง (continuous spectrum)

• สเปกตรมทไดจากอะตอมชนดใดชนดหนง จะมลกษณะเปนเสน เรยกวา สเปกตรมแบบเสน (spectral

line) ซงจะแตกตางกนออกไปขนกบชนดของอะตอม

แบบจำลองอะตอมของบอหร• Neil Bohr เสนอสจพจนสองขอเพออธบายสเปกตรมแบบเสนของอะตอม คอ

1. อเลกตรอนจะอยในระดบพลงงานทมคาเฉพาะเพยงบางคาเทานน

• ระดบชนพลงงานน เรยกวา สถานะคงท (stationary states)

• แตละชนพลงงานถกระบดวยตวเลขจำนวนเตม n โดยชนในสด n=1 มพลงงานตำสด ตวเลขนมชอเรยกเฉพาะวา

เลขควอนตม (quantum number)

2. การดดกลนและปลดปลอยพลงงานของอะตอม จะเกดจากการกระโดดของอเลกตรอนระหวางระดบชนพลงงานทตางกน

• n=1 เปนสถานะทพลงงานตำสด เราเรยกวา สถานะพน (Ground state)

• n=2, n=3 เปนสถานะกระตนทหนง และสอง ตามลำดบ

• ถาอเลกตรอนดดกลนพลงงานจากโฟตอนไป พลงงานของอเลกตรอนจะเพมขนและขนไปอย

ระดบพลงงานทสงขน เรยกวา การดดกลนแสง (Light Absorption)

• ในทางกลบกน ถาอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานสงปลดปลอยพลงงานออกมา อเลกตรอน

จะลงไปอยในระดบพลงงานทตำกวา และมการปลดปลอยแสง (Light Emission) ออกมา

Ef = ระดบพลงงานสดทาย

Ei = ระดบพลงงานเรมตน

สเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน

• อะตอมไฮโดรเจน มโครงสรางท

ซบซอนนอยทสด เพราะเปนธาต

แรกในตารางธาต

• ประกอบดวย โปรตอนและ

อเลกตรอน อยางละหนงตว

• ระดบพลงงานแตละชน

คำนวณจาก

©UGA

• ทระดบพลงงาน n=∞ ระดบพลงงานจะมคาเปนศนย หมายความวา อเลกตรอนจะหลด

ออกจากอะตอมไดพอด

• พลงงานทใชในการทำใหอเลกตรอนทสถานะพนหลดออกจากวงโคจร เรยกวา พลงงาน

ไอออไนเซชน (Ionization energy)

สเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน

โครงสรางอะตอม• Exclusion principle:

• อเลกตรอนเปนอนภาคพนฐานทไมสามารถแยกแยะได (แยกไมได

วา อเลกตรอน ก หรอ อเลกตรอน ข)

• ในแตละระดบชนพลงงานของอะตอม จะบรรจอเลกตรอนไดเพยง

หนงตวเทานน

• (ทพดมาทงหมด เปนแบบจำลองอยางงาย ของจรงไมใชแบบน)

Wolfgang Pauli 1900-1958

ฟสกสนวเคลยร

Antoine Henri Becquerel

1852-1908

Pierre Curie

1859-1906

Marie Curie

1867-1934

• เปนการศกษาองคประกอบภายในใจกลางของอะตอม หรอ นวเคลยส (Nucleus) นนเอง

• ในป 1896 นกฟสกสชาวฝรงเศส Antoine Henri Becquerel ไดคนพบรงสทมความสามารถในการทะล

ทะลวงสงโดยบงเอญ รงสนเกดจากแรทชอพชเบลนด ซงมธาตยเรเนยมเปนองคประกอบ

• ตอมาในป 1898 Marie Curie & Pierre Curie ไดสกดธาตบรสทธออกจากแรพชเบลนด ไดเปน

เรเดยม และ ยเรเนยม ซงพบวามการปลดปลอยรงสเหมอนกบท Becquerel พบ

• รงสน ถกเรยกวา กมมนตรงส และสสารทสามารถใหกมมนตรงสได เรยกวา สารกมมนตรงส

Pitchblende

องคประกอบของนวเคลยส

• นวเคลยสของอะตอม ประกอบดวยสองสวน คอ โปรตอน (Proton) ทมประจบวก และ

นวตรอน (Neutron) ทเปนกลางทางไฟฟา

• มวลของโปรตอนและนวตรอนมคาเทากบ

• โดย u คอหนวย unified atomic mass unit หรอยออกอยางวา amu

สญลกษณนวเคลยร• เปนวธระบจำนวนโปรตอนและนวตรอนใน

นวเคลยสของธาตตางๆ

• X คอ สญลกษณอะตอมทบอกชนดของธาต

• Z คอ เลขอะตอม (Atomic number) ทบอก

จำนวนโปรตอนในนวเคลยส

• A คอ เลขมวล (Mass number) ใชบอกจำนวน

โปรตอนกบนวตรอนรวมกน

• ดงนน จำนวนนวตรอน N มคา N= A-Z

ไอโซโทป (Isotope)

• เราอาจเจอนวเคลยสทมจำนวนโปรตอนเทากน แตจำนวนนวตรอนตางกน

• เนองจากจำนวนโปรตอน เปนตวบงบอกชนดของธาต ถาอะตอมสองตวม

โปรตอนเทากน นนหมายความวา เปนอะตอมของธาตเดยวกน

• เราเรยกธาตทมจำนวนโปรตอนเทากน แตจำนวนนวตรอนตางกน วา ไอโซโทป

(Isotope)

• ถงแมจะเปนธาตเดยวกน แตการทมจำนวนนวตรอนตางกน ทำใหสมบตทาง

นวเคลยรของไอโซโทปตางๆแตกตางกนออกไป เชน

เสถยร ไมเสถยร

แรงนวเคลยรและพลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยส• แรงนวเคลยร

• ทำไมโปรตอนซงมประจบวก ถงอยรวมกนไดในพนทเลกๆในนวเคลยส?

• แรงทชวยทำใหโปรตอนเหลานและนวตรอนสามารถอยรวมกนไดคอ แรง

นวเคลยร (Nuclear force) โดยในปจจบน เราอาจเรยกวา strong force

• แรงนวเคลยรจะไมขนกบประจ ทำใหมผลตอทงโปรตอนและนวตรอน และม

ผลในระยะไมเกน 10-15m เทานน

• พลงงานยดเหนยวภายในนวเคลยสc คออตราเรวแสง

m คอมวลE คอพลงงาน

กระบวนการสลายตว (Decay process)

©kentchemistry

• นวเคลยสทเสถยรจะไมมการสลายตว (Decay)

และจะคงสภาพเชนนนตลอดไป

• แตนวเคลยสทไมเสถยร จะมการสลายตวเกดขน

พรอมๆกบการปลดปลอยรงส (Radiation)

• กระบวนการสลายตวน เราเรยกวา

กมมนตรงส (Radioactivity)

• แบงออกเปนประเภทยอยตามรงสทเกดขน 4 ชนดคอ

1. การสลายตวแอลฟา (α)

2. การสลายตวเบตา (β-)

3. การสลายตวโพซตรอน (β+)

4. การสลายตวแกมมา (γ)

กระบวนการสลายตว (Decay process)

พลงงานการแยกสลาย

แอนไทนวตรโน

นวตรโน

อะตอมในสถานะถกกระตน

การจำแนกประเภทของกมมนตรงส

• เนองจากรงสมประจ เมอรงสเคลอนทผาน

สนามแมเหลก จะมการเปลยนทศทางการ

เคลอนท

• ทำใหเราสามารถรไดวา รงสทเปลงออก

มามาจากกระบวนการสลายตวแบบใด

©วชาการ.คอม

อตราการสลายตว และครงชวต (Half-Life)