ศึกษาสมบ ตัิของนิวเคลียส ... · 2015-11-20 ·...

ฟสกสนวเคลยร(NUCLEAR PHYSICS)

• ศกษาสมบตของนวเคลยส โครงสรางของ

นวเคลยสและผลจากระบวนการตางๆ

เกยวกบนวเคลยส

การคนพบกมมนตภาพรงส(radioactivity)

Henri Becquerel

คนพบรงสจากนวเคลยสเปนคนแรก จาก

การหาวามสารใดดดกลนแสงแดดแลว

ปลอยพลงงานเปน x-ray โดยใชสารประกอบของยเรเนยม

กมมนตภาพรงส(radioactivity)

คอ รงสทแผออกมาจากสารกมมนตรงส(radioactive element)

Marie Curie

พบกมมนตภาพรงสจาก โพโล

เนยม และเรเดยม

รงสจากสารกมมนตรงสเกด

จากการเปลยนแปลงภายใน

นวเคลยส นวเคลยสทไมเสถยร

จะสลายตวจนกวาจะเสถยร

ชนดกมมนตภาพรงส

กระบวนการสลายแอลฟา

กระบวนการสลายบตา

คาเปรยบเทยบรงสทงสาม

• ความสามารถในการทาใหอากาศแตกตวเปนอออน

• อานาจการทะลทะลวง

• มวล

• ความเรว

• พลงงาน

โครงสรางของนวเคลยส

• สมมตฐานโปรตอน-อเลกตรอน

นวเคลยสประกอบดวยโปรตอนและอเลกตรอนโดยมจานวน

โปรตอนเปนสองเทาของอเลกตรอน

รทเทอรฟอรดเสนอวามอนภาคทเปนกลางทางไฟฟาใน

นวเคลยสใหชอวานวตรอน(neutron)ซงเปนการยดกนของ

โปรตอนและอเลกตรอนอยางแนบแนน

จากหลกความไมแนนอน อเลกตรอนอยในนวเคลยสไมไดเพราะ

อเลกตรอนจะมความเรวมากกวาแสง

การคนพบนวตรอน

James Chadwick

nCBe 10

126

94

ตอนแรกคดวารงสทไดเปนรงสแกมมา แตจากการคานวณถาเปนรงสแกมมา

จะตองมพลงงานถง 55 MeV พลงงานระดบนจะทาใหอากาศแตกตวเปนอออน

คดการชนแบบยดหยนอนภาคใหมนมมวลใกลเคยงโปรตอนมาก และเปนกลาง

รงสทไดชนโปรตอนในพาราฟนหลดออกดวยพลงงาน

ประมาณ 5 MeV

รงสทได

นวตรอนไมใชเปนการยดกนของโปรตอนและอเลกตรอนเพราะ

• นวตรอน โปรตอนและอเลกตรอนตางมสปนแมเหลกเทากบ ½ ถานวตรอนเปนการยดกนของโปรตอนและอเลกตรอน นวตรอนมสปนแมเหลกเทากบ 0 หรอ 1 (จากการทสปนหนตรงกนขามหรอหนทางเดยวกน) จะเปน ไมได อกทงนวตรอนและโปรตอนมโครงสรางตางกน uud udd

โครงสรางโปรตอนและนวตรอน

อนกรมการสลาย

การสลายกมมนตรงส

NdtdN

dtdN

เปนไปตามสถตหรอโอกาสตามธรรมชาต

คอ อตราการสลายตว

N คอ จานวนนวเคลยสทเหลออย

N0 คอ จานวนนวเคลยสตงตน

NdtdN

เครองหมายลบ แสดงถงการลดลง คาคงตวในการสลายตว

สมการการสลายกมมนตรงส

teNN 0

2/1002

1 TeNN

เวลาทสารกมมนตรงสใชในการสลายตวจนเหลอครงหนงของเดม

เมอตงตนเรยกวา เวลาครงชวต(half – life ), T1/2

2ln

2/1 T

หรอ 693.0

2/1 T

จากteN

dtdN 0

teNdtdN 0

AdtdN

00 NA

teAA 0teAA 0

เมอ

ดงนน

A0 เปนกมมนตภาพขณะเรมตน

A เปนกมมนตภาพทเวลา t ใดๆกมมนตภาพมหนวยเปนคร(Ci)

1 คร(Ci) =3.7 1010 เบคเคอเรล(นวเคลยสตอวนาท),Bq

ตวอยาง สารกมมนตรงสชนหนงม

อะตอม 1018 อะตอม มเวลา

ครงชวต 2 วน เมอเวลาผานไป

5 วน จงหา

ก. จานวนอะตอมทเหลอ

ข. กมมนตภาพของสาร

Mesons: Protons and neutrons are held together in the nucleus by the "strong" nuclear force, which involves the exchange of short-lived particles called mesons. There is also a "weak" nuclear force responsible for radioactive decay.

แรงนวเคลยร(NUCLEAR FORCE)

แรงนวเคลยรคอแรงลกษณะใด

• เปนแรงทดงดดนวคลออนในนวเคลยสไวดวยกนมคา

มากกวาแรงคลอมบไมนอยกวา 100 เทา เกดจากการ

แลกเปลยนอนภาคไพ-มซอน(มมวลประมาณ 273 เทา

อเลกตรอน)ระหวางนวคลออนทอยใกลๆกน

หลกสาคญของแรงนวเคลยร

1 เกดจากการแลกเปลยนอนภาคไพ-มซอน(นวคลออนอยหางกน

ไมเกน 910- 15 เมตร)ในระยะทางสนๆ10- 15 เมตร(1 เฟอรม)

หรอนอยกวา

2 ไมขนกบประจไฟฟา

3 เปนแรงกระทาระหวางนวคลออนและ

เปนอนตรกรยาแบบ แรง

4 นวคลออนตวหนงๆจะมแรงกระทากบตวทอยตดกนเทานน ไม

มแรงกระทากบนวคลออนตวทอยถดไป

ขนาดของนวเคลยส

• การใชอนภาคแอลฟาในการทดลอง

ของรทเทอรฟอรดไมสามารถหา

ขนาดของนวเคลยสทแทจรงได

เพราะอนภาคแอลฟาไมสามารถฝากาแพงคลอมบ

(coulomb barrier)เขาไปถงนวเคลยสได จงตองใช

อนภาคอเลกตรอนพลงงานสงหรอนวตรอนเพอฝาแรง

ไฟฟาเขาไปปะทะกบนวเคลยสได

• ปรมาตรนวเคลยสเปนสดสวนโดยตรงกบจานวน

นวคลออน(เลขมวล)ทมอยในนวเคลยสนนๆ

31

AR 31

0 ARR

R0 = 1.2 10 -15 เมตร

• จงหารศมของนวเคลยสของอะลมเนยม-27 และทองคา-197

(3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)

พลงงานยดเหนยว(binding energy)

• เปนพลงงานทยดเหนยวอนภาคภายในนวเคลยสใหอยรวมกนได

การหาคาพลงงานยดเหนยว

มวลของนวเคลยสโดยทวไปนอยกวาผลบวกของมวลของอนภาคทประกอบขนเปนนวเคลยสในสภาวะอสระ เชน

ออกซเจนมมวล 15.994915 u

ออกซเจนประกอบดวยนวตรอนและโปรตอนอยางละ 8 ตว

ออกซเจนมมวลนอยกวาผลบวกของนวตรอนและโปรตอน

เทากบ 0.1371055 u คดเปนพลงงานยดเหนยว 127.6 MeV

พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน 7.98 MeV/ นวคลออน

พลงงานยดเหนยวตอนวคลออน

• คาพลงงานยด

เหนยวตอนวคลออ

นสงสดประมาณ

8.75 MeV

ตวอยาง จงหาคาพลงงานยดเหนยวของ

ไนโตรเจน (N - 14)

N – 14 มมวล = 14.003074 u

หลกสาคญปฏกรยานวเคลยร

• 1 ผลรวมของประจไฟฟาและเลขมวลกอน

เกดปฏกรยาและหลงปฏกรยาจะตองเทากน

• 2 กฎอนรกษโมเมนตมเชงเสนและโมเมนตม

เชงมม

• 3 หลกการสมมลของมวลและพลงงาน ตาม

ทฤษฎสมพทธภาพของไอนสไตน มวลสาร

และพลงงานทงหมดของระบบตองคงตว

ปฏกรยานวเคลยร(NUCLEAR REACTION)

ปฏกรยานวเคลยร(NUCLEAR REACTION)

• เมอนวเคลยส สองตวเคลอนทฝาแรงคลอมบเขามาใกลกนภายในระยะของแรง

นวเคลยร อาจทาใหเกดการจดระเบยบการเรยงตวของนวคลออนภายใน

นวเคลยสขนใหม ผลทไดอาจกลายเปนหนงนวเคลยสใหมหรอมากกวากได เขยน

ปฏกรยานวเคลยรไดเปน

X + a →Y + b หรอ X ( a ,b )Y ******

X = นวเคลยสทเปนเปา

a = อนภาคทชนเปา

Y = นวเคลยสธาตใหมทเกดขนหลงการชน

b = อนภาคทเกดขนหลงการชน

• รทเทอรฟอรดเปนคนแรกทพบปฏกรยานวเคลยร โดยใชอนภาคแอลฟา

7.68 MeV ยงนวเคลยสไนโตรเจน แลวไดกาซออกซเจนกบโปรตอน

• ปฏกรยานวเคลยรเกดจากการยงนวเคลยสดวยอนภาคของนวเคลยสเบา

เชน นวตรอน โปรตอน ดวเทอรอน ไมใชนวเคลยสของธาตหนก หรอ

อาจใชโฟตอนหรอแกมมากได

HON 11

178

147 OPN 17

8147 ,

หลกสาคญปฏกรยานวเคลยร

1 ผลรวมของประจไฟฟาและเลขมวลกอน

เกดปฏกรยาและหลงปฏกรยาจะตองเทากน

2 กฎอนรกษโมเมนตมเชงเสนและโมเมนตม

เชงมม

3 หลกการสมมลของมวลและพลงงาน ตาม

ทฤษฎสมพทธภาพของไอนสไตน มวลสาร

และพลงงานทงหมดของระบบตองคงตว

กระบวนการแบงแยกนวเคลยส

นวเคลยสธาตหนกถกทาใหแบงตว

• เมอยงนวตรอนเขาไปในนวเคลยสธาตหนก นวเคลยสนน

จะดดกลนนวตรอนไวทาใหเกดการสนขนภายในและทาให

สญเสยสภาพทเปนทรงกลม แรงนวเคลยรซงเปนแรงระยะ

สนจะเสยประสทธภาพในการยดเหนยว เนองจาก

นวเคลยสมพนทผวมากขน เมอเวลาผานไปแรงดงดดออน

แรงลง แรงผลกทางไฟฟาจะมคามากกวา นวเคลยสกจะ

เสยรปทรงมากขนๆ จนในทสดนวเคลยสแตกเปน 2 เสยง

กระบวนการแบงแยกนวเคลยสอธบายไดดวยแบบจาลอง

หยดของเหลว นนคอ

ขนตอนกระบวนการแบงแยกนวเคลยส

1 นวเคลยสธาตหนกจบนวตรอน

2 ผลของการจบนวตรอนนวเคลยสธาตหนกอยใน

สถานะกระตน มการสนอยางรนแรง

3 แรงผลกระหวางโปรตอนจะทาใหเกดการบดเบยว

ยงขน

4 นวเคลยสแตกออกเปนสองสวน โดยมนวตรอน

จานวนหนง 2-3 ตว และพลงงาน

• กระบวนการแบงแยกนวเคลยสจะมนวตรอน

จานวนหนง 2-3 ตวในแตละปฏกรยา ซง

นวตรอนใหมนอาจวงชนนวเคลยสของ

ยเรเนยมตอไป ทาใหเกดปฏกรยาตอเนอง

ปฏกรยาทเกดขนเรยกวาปฏกรยาลกโซ

( ) ปฏกรยานเกดขนใน

ชวงเวลานอยกวา 10-6 วนาท จงใหคาพลงงาน

มหาศาล

กระบวนการหลอมนวเคลยส

• Hans Bethe อธบายวา การเกดปฏกรยานวเคลยรแบบ

หลอมนวเคลยสเกดจากการหลอมตวของนวเคลยสเบาสอง

นวเคลยสแลวกลายเปนนวเคลยสหนกหนงนวเคลยส และปลอย

พลงงานมหาศาลออกมา

• กระบวนการหลอมนวเคลยสเกดขนทอณหภม

ประมาณ 10 ลานเคลวน ภายใตความดนสง

1 วฏจกรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)

• นวเคลยสของไฮโดรเจน 4 ตว รวมกนไดอนภาคแอลฟา 1 ตว

โปรตอน 2 ตว และโพซตรอนอก 2 ตว พรอมกบใหพลงงาน

ประมาณ 25 MeV

4...................2

3...................

2..........................

1......................

11

42

32

32

01

42

11

32

32

21

11

01

21

11

11

HHeHeHe

eHeHHe

HeHH

eHHH

ขนตอนของวฏจกรโปรตอน-โปรตอน

หรอ

พลงงานทไดจากกระบวนการหลอมนวเคลยสมชอเรยกอกอยางวา พลงงานเทอร

โมนวเคลยร

กระบวนการหลอมนวเคลยสใหพลงงานมากกวากระบวนการแบงแยกนวเคลยส

เมอเทยบตอนวคลออนประมาณ 10 เทา

นอกจากวฏจกรโปรตอน-โปรตอน(proton – proton cycle)แลวยงมวฏจกร

คารบอนทเกดขนบนดาวทมอณหภมสงกวาดวงอาทตย โดยมกระบวนการดงน

HeCNH

eNO

ONH

NCH

eCN

NCH

22

126

157

11

01

157

158

158

147

11

137

136

11

01

136

13

7

137

126

11