ฟิสิกส์

ห้ามลบ ขอให้เจ้าของผลงานประกวด แก้ไขข้อมูลได้จนถึงวันที่ 31 ธันวาคม 2551 เวลา 23.30 น.
หากเลยกำหนดเวลาดังกล่าวแล้ว ท่านเข้ามาแก้ไขข้อมูล ถือว่าโมฆะในการพิจารณาได้รับรางวัล
ซึ่งระบบของ Thaigoodview สามารถตรวจสอบได้ว่า ผลงานแต่ละชิ้น มีการแก้ไขเวลาใดบ้าง

ครูพูนศักดิ์ สักกทัตติยกุล


 ความอยากรู้อยากเห็นและความช่างสังเกตเป็นพฤติกรรมของมนุษย์ ซึ่งก่อให้เกิดการศึกษา ธรรมชาติที่อยู่รอบตัวเราตั้งแต่อดีตเป็นต้นมาด้วยวิธีการต่างๆ ธรรมชาติเป็นสิ่งที่อยู่ใกล้ตัวเรามากที่สุด และเป็นสิ่งที่น่าสนใจ และน่าเรียนรู้สำหรับทุกคน โดยเฉพาะในการศึกษาค้นคว้าหาความรู้เรื่องเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เรียกว่า ฟิสิกส์

                       

ฟิสิกส์ (Physics) เป็นวิทยาศาสตร์แขนงหนึ่งที่ศึกษาธรรมชาติของสิ่งไม่มีชีวิต ซึ่งได้แก่ การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ และปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา การค้นคว้าหาความรู้ทางฟิสิกส์ทำได้โดยการสังเกต การทดลองและเก็บรวบรวมข้อมูลมาวิเคราะห์เพื่อสรุปเป็นทฤษฎี หลักการหรือกฎ ความรู้เหล่านี้สามารถนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติหรือทำนายสิ่งที่อาจจะเกิดขึ้นในอนาคต และความรู้นี้สามารถนำไปใช้เป็นพื้นฐานในการแสวงหาความรู้ใหม่เพิ่มเติมและพัฒนาคุณภาพชีวิตของมนุษย์

 

                                 

  1. ฟิสิกส์ คือ การศึกษากฎธรรมชาติ


  2. ฟิสิกส์ คือ วิทยาศาสตร์ที่อธิบายวัตถุและพลังงาน


  3. ฟิสิกส์ คือ พื้นฐานของวิทยาศาสตร์ทั้งมวล


  4. ฟิสิกส์ คือ ความรู้ที่ได้จากการศึกษาและรวบรวมจากปรากฎการณ์ธรรมชาติ

การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

          ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่าง ๆ พบว่า มีธาตุใหม่เกิดขึ้นหลังจากที่ได้แผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาเสมอ เช่น เมื่อทอเรียมปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าทอเรียมประมาณเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาที่ปลดปล่อยออกมา นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมที่เกิดใหม่ก็มีค่าน้อยกว่าของทอเรียมเดิมอยู่ +2e ด้วย เนื่องจากมวลของธาตุ 1 อะตอมมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียสดังที่ทราบมาแล้ว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส ทั้งนี้เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับมวลของโปรตอน แสดงว่าอนุภาคแอลฟาได้มาจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ( nuclear transformation ) ของทอเรียมไปเป็นเรเดียม

 

 

 

       ในปี ค.ศ. 1896 เบ็กเคอเรล ( Henri Becquerel ) ได้ทำการทดลองการเรืองแสงของสารต่าง ๆ และได้พบว่าสารประกอบของยูเรเนียมสามารแผ่รังสีออกมาได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมเลย และจากการศึกษาเบื้องต้นของเบ็กเคอเรล เขาได้พบว่า รังสีนี้มีสมบัติบางประการคล้ายรังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุบางชนิดและทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ 


          ต่อมา ปีแอร์ คูรี ( Pierre Curie ) และมารี คูรี ( Maric Curie ) ได้ทำการทดลองกับธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด และพบว่าธาตุบางชนิดมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ( radioactivity ) และธาตุที่มีการแผ่รังสีได้เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี ( radioactive element )
จากการศึกษารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีทั่วไป

 

                                                                         

 

          โดยให้รังสีดังกล่าวผ่านเข้าไปในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ พบว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีแยกเป็น 3 แนว ดังรูป

4.1 รังสีที่เบนน้อยและไปทางซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา ( alpha ray ) รังสีที่เบนมากและในทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตา ( beta ray ) ส่วนรังสีที่พุ่งตรงไม่เบี่ยงเบนเลย เรียกว่า รังสีแกมมา ( gamma ray ) และนิยมเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และ  ตามลำดับ


           เราทราบแล้วว่า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเมื่อเคลื่อนที่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออนุภาคทำให้ทิศการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป ทำให้ทราบว่ารังสีแอลฟามีประจุไฟฟ้าบวก รังสีบีตามีประจุไฟฟ้าลบและรังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า


           การศึกษารังสีทั้งสามชนิด ทำให้ทราบสมบัติต่าง ๆ ของรังสีเหล่านี้เพิ่มขึ้นดังนี้


           รังสีแอลฟา มีส่วนประกอบเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมมีมวลประมาณ 4u มีประจุไฟฟ้า +2e มีพลังงานประมาณ 6 MeV รังสีแอลฟาสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟาจึงมีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคือสามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนติเมตร และเมื่อใช้แผ่นกระดาษบาง ๆ กั้น รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เนื่องจากรังสีนี้คือนิวเคลียสที่เป็นอนุภาค บางครั้งจึงเรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา


           รังสีบีตา เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า -1e มีมวลเากับมวลของอิเล็กตรอน รังสีบีตา คือิเล็กตรอน ( ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มิใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ) มีพลังงานประมาณ 1 MeV รังสีบีตาสามารถวิ่งผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อำนาจทะลุผ่านของรังสีบีตาจึงมากกว่ารังสีแอลฟา บางครั้งเรียกรังสีบีตาว่า อนุภาคบีตา 


           รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีพลังงานประมาณ 0.01 MeV สามารถทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมที่หนาหลายเซนติเมตรได้ จึงมีอำนาจทุลุผ่านมากที่สุดในบรรดารังสีทั้งสามชนิด

รังสีเบต้า

      

รังสีบีตาแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ b+ ซึ่งมีประจุไฟฟ้า +1e และเรียกว่า โพซิตรอน ( positron ) กับ b- ซึ่งมีประจุไฟฟ้า -1e และเรียกว่า เนกาตรอน ( negatron ) ธาตุกัมมันตรังสีส่วนมากจะปล่อย b- ออกมา ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงรังสีบีตามักจะหมายถึง b- เสมอ

   หน่วยมวลอะตอม ( atomic mass unit )

        
           หน่วยมวลอะตอม เป็นหน่วยที่ใช้วัดมวลของอะตอมหรืออนุภาค โดยนิยามให้ 1 หน่วยมวลอะตอมมีค่าเท่ากับ 1/12 เท่า ของมวลอะตอมคาร์บอน -12 หน่วยมวลอะตอมแทนด้วยสัญลักษณ์ u ดังนั้นจากนิยามจะเขียนได้ว่า

 

 

 

4.2 การเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส

ในการศึกษาธาตุกัมมันตรังสีต่าง ๆ พบว่า มีธาตุใหม่เกิดขึ้นหลังจากที่ได้แผ่รังสีแอลฟาหรือรังสีบีตาเสมอ เช่น เมื่อทอเรียมปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาจะกลายเป็นเรเดียม ซึ่งมีมวลอะตอมน้อยกว่าทอเรียมประมาณเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาที่ปลดปล่อยออกมา นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสของเรเดียมที่เกิดใหม่ก็มีค่าน้อยกว่าของทอเรียมเดิมอยู่ +2e ด้วย เนื่องจากมวลของธาตุ 1 อะตอมมีค่าใกล้เคียงกับมวลของนิวเคลียสดังที่ทราบมาแล้ว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียส ทั้งนี้เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับมวลของโปรตอน แสดงว่าอนุภาคแอลฟาได้มาจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส ( nuclear transformation ) ของทอเรียมไปเป็นเรเดียม 

 

ในกรณีที่มีการแผ่รังสีบีตา เช่น เมื่อตะกั่วปล่อยอนุภาคบีตาออกมา ตะกั่วจะกลายเป็นบิสมัท ซึ่งมีประจุเพิ่มขึ้น +1e แต่ทั้งตะกั่วและบิสมัทจะมีมวลใกล้เคียงกัน พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาที่ออกมานี้มีค่าสูงมากเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส แสดงว่าอนุภาคบีตานี้ไม่ใช่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส นั่นคือ อนุภาคบีตานี้ต้องเกิดจากการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียส
          ส่วนการแผ่รังสีแกมมานั้นยังพบว่า พลังงานของรังสีแกมมาที่ถูกปลดปล่อยออกมามีค่าสูงเกินกว่าที่จะเป็นพลังงานที่ได้จากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม จึงอาจกล่าวได้โดยสรุปว่า รังสีแอลฟา บีตาและแกมมาเกิดขึ้นจากกการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส
          ด้วยเหตุที่กัมมันตภาพรังสีมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสภาพของนิวเคลียส การศึกษาเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีจะทำให้ทราบองค์ประกอบของนิวเคลียสได้

การสลายกัมมันตรังสี

ในการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้น พร้อมกับปล่อยรังสีหรืออนุภาคมาเสมอ เราเรียกกระบวนการนี้ว่า การสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) หรือเรียกสั้นๆ ว่า การสลาย (decay)
          ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุหนึ่งปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมานั้นจะมีการเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสโดยที่เลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 เมื่อนิวเคลียสมีเลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอนเปลี่ยนไป ทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่ ขณะที่นิวเคลียสของธาตุเดิมสลายไป และเกิดเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ พร้อมกับมีการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา เรียกการสลายนี้ว่า การสลายให้อนุภาคแอลฟา (alpha decay) ตัวอย่างเช่น ในการสลายของยูเรเนียม -238 แล้วเกิดเป็นทอเรียม -234 พร้อมกับปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ดังรูป 4.9 ซึ่งอาจเขียนแทนได้ด้วยสมการการสลายดังนี้

 

 

 

 สำหรับนิวเคลียสที่ปล่อยอนุภาคบีตา พบว่าเลขอะตอมเพิ่มขึ้น 1 แต่เลขมวลไม่เปลี่ยน ซึ่งเป็นผลทำให้ได้นิวเคลียสของธาตุใหม่เกิดขึ้นเช่นกัน เรียกการสลายนี้ว่า การสลายให้อนุภาคบีตา (beta decay) ตัวอย่างเช่น การสลายของไอโอดีน -131 แล้วเกิดเป็นซีนอน -131 พร้อมกับปล่อยอนุภาคบีตาออกมา ดังรูป 4.10 ซึ่งอาจเขียนแทนได้ด้วยสมการการสลายดังนี้

 

 

 

การที่เป็นเช่นนี้ อธิบายได้ว่า เป็นเพราะนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตอนพร้อมกับให้อิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีตาออกมา ประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสจึงเพิ่มขึ้น แต่เลขมวลยังคงเดิม
          ในการสลายให้อนุภาคแอลฟาและบีตามักมีรังสีแกมมาออกมาด้วย เพราะภายหลังการสลายทั้งสองแบบนี้ นิวเคลียสจะเปลี่ยนระดับพลังงานมาสู่ระดับที่ต่ำกว่า เป็นผลให้มีการปล่อยรังสีแกมมา (gamma ray emission) ออกมา ในการปล่อยรังสีแกมมา เลขมวลและเลขอะตอมของนิวเคลียสไม่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างการปล่อยรังสีแกมมา ได้แก่ การสลายของตะกั่ว -214 เป็นบิสมัท -214 โดยนิวเคลียสของบิสมัท -214 อยู่ในสถานะกระตุ้น (มีเครื่องหมาย * กำกับ) ดังสมการ (ก) แล้วสลายต่อเป็นบิทมัส -214 ที่อยู่ในสถานะฟื้นและปลดปล่อยรังสีแกมมาดังสมการ (ข)

 

ไอโซโทป

        

เมื่อพิจารณาอนุกรมการสลายของธาตุกัมมันตรังสีจะพบว่ามีนิวเคลียสบางกลุ่ม ที่มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน เช่น กลุ่มของยูเรเนียม ซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียม -234 ยูเรเนียม -235 และยูเรเนียม -238 นิวเคลียสต่างๆ ในกลุ่มนี้มีเลขอะตอมเท่ากัน คือ 92 แต่มีเลขมวลต่างกัน นั่นคือ นิวเคลียสเหล่านี้มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน เราเรียกนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันนี้ว่า เป็น ไอโซโทป (isotopes) ของธาตุเดียวกัน

          ไอโซโทปของธาตุหนึ่งอาจมีทั้งที่ไม่เสถียรคือมีการสลายต่อไป ที่เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotopes) และที่ไม่มีการสลายต่อไปซึ่งเรียกว่า ไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) เช่น ไอโซโทปของตะกั่วมี 5 ชนิด ซึ่งแบ่งออกเป็น ไอโซโทปกัมมันตรังสี 2 ชนิด คือ ตะกั่ว -210 และตะกั่ว -214 และไอโซโทปเสถียร 3 ชนิด คือ ตะกั่ว -206 ตะกั่ว -207 และตะกั่ว -208 สำหรับธาตุบางธาตุอาจมีไอโซโทปกัมมันตรังสีก็ได้

          ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ เพื่อใช้ในวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เราเรียกไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติว่า ไอโซโทปประดิษฐ์ (artificial radioisotopes) ธาตุกัมมันตรังสีในตาราง 4.5 ล้วนเป็นไอโซโทปประดิษฐ์ทั้งสิ้น

          ไอโซโทปของไฮโดรเจน

          ไฮโดรเจนมีไอโซโทป 3 ชนิด ชนิดแรก คือไฮโดรเจนธรรมดา มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน ชนิดที่สอง มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 1 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) และนิวเคลียสของดิวเทอเรียม เรียกว่า ดิวเทอเรียม (deuterium) ชนิดที่สาม มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว เรียกไอโซโทปนี้ว่า ทริเทียม (tritium) และนิวเคลียสของทริเทียม เรียกว่า ทริทอน (triton) ไอโซโทปสองตัวแรก เป็นไอโซโทปที่มีในธรรมชาติ ส่วนทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่มีในธรรมชาติ

              

 

เนื่องจากไอโซโทปของธาตุเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากันแต่เลขมวลต่างกัน จึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่สมบัติทางกายภาพต่างกัน ดังนั้นการวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุชนิดหนึ่ง จึงไม่สามารถกระทำได้โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี แต่ด้วยเหตุที่ไอโซโทปเหล่านี้มีสมบัติทางกายภาพต่างกัน เช่น มีมวลต่างกัน การวิเคราะห์ไอโซโทปเหล่านี้ จึงทำได้โดยจำแนกมวล เพราะเหตุว่ามวลของไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะแตกต่างกันน้อยมาก ดังนั้นการวิเคราะห์ ไอโซโทปจึงต้องใช้เครื่องมือ ที่วัดมวลได้ละเอียดมาก เครื่องมือประเภทนี้ได้แก่ แมสสเปกโทรมิเตอร์ (mass spectrometer) ดังจะได้ศึกษารายละเอียดในการใช้หามวลดังต่อไปนี้

           แมสสเปกโทรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้จำแนกมวลอะตอมของธาตุต่างๆ โดยอาศัยหลักการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบที่สำคัญของแมสสเปกโทรมิเตอร์ได้แก่ ส่วนเร่งอนุภาค ส่วนคัดเลือกความเร็ว และส่วนวิเคราะห์ ดังรูป 4.18 ส่วนเร่งอนุภาคมีหน้าที่ทำให้ไอโซโทปที่อยู่ในสภาพแก๊สกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า การเร่งอนุภาคนี้ให้มีความเร็วสูงขึ้นกระทำได้โดยใช้สนามไฟฟ้า

อนุภาคจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเล็กและเข้าไปยังส่วนคัดเลือก ความเร็วซึ่งประกอบ ด้วยบริเวณที่มีทั้งสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก  ในทิศตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังรูป 4.19 ดังนั้นแรงที่กระทำต่ออนุภาคอันเนื่องจากสนามทั้งสองนี้ จะมีทิศทางตรงข้ามกัน

                                                 

 

    ถ้าความเร็วของอนุภาคมีค่าที่ทำให้ขนาดของแรงอันเนื่องจากสนามทั้งสองมีค่าเท่ากัน จะเกิดสมดุลของแรง มีผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่คือวิ่งตรงผ่านช่องเปิดได้ ส่วนอนุภาคที่ความเร็วต่างไปจากค่านี้จะมีแนวการเคลื่อนที่ต่างไป ทำให้ไม่สามารถผ่านช่องเปิดได้

           ถ้าเราให้อนุภาคซึ่งเคลื่อนที่จากส่วนเร่งอนุภาคเข้ามาในส่วนคัดเลือกความเร็ว (ซึ่งเป็นบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก B ) มีอัตราเร็วเท่ากับ v และประจุไฟฟ้าของอนุภาคนั้นเป็น q จะได้ว่า


                                                                           qvB = qE
                                                                                        หรือ 


           จะเห็นได้ว่า อัตราเร็ว v หาได้จากอัตราส่วนของขนาดสนามไฟฟ้าและขนาดสนามแม่เหล็กในบริเวณส่วนคัดเลือกความเร็ว กลุ่มอนุภาคที่มีอัตราเร็วดังกล่าวนี้จะวิ่งเข้าสู่ส่วนวิเคราะห์ซึ่งมีสนามแม่เหล็ก B่ที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของอนุภาค แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กนี้ จะทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ตามแนวโค้งรูปวงกลม ดังรูป 4.20

                 

 

 ถ้าให้ R เป็นรัศมีความโค้งของวงกลม และ m เป็นมวลของอนุภาคจะได้ 

                                         
                                 
                               และ 

                                      


                                    
           จากสมการ (4.9) จะเห็นได้ว่า มวลของอนุภาคแปรผันตรงกับรัศมีความโค้งและเนื่องจากมวลของแต่ละไอโซโทปต่างกัน ดังนั้นรัศมีความโค้งของแต่ละไอโซโทปจะมีค่าไม่เท่ากัน เมื่อกระทบแผ่นฟิล์ม จะทำให้เกิดรอยดำ เราจึงใช้เครื่องมือนี้จำแนกไอโซโทปได้ ในการวิเคราะห์ผลนั้น E,B,B',R เป็นปริมาณที่วัดได้จากการทดลอง และ q คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาค ดังนั้นจึงหามวล m ได้ โดยวิธีการนี้ ทำให้เราสามารถหามวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ ได้ มวลอะตอมของไอโซโทป บางชนิดแสดงไว้ในตาราง 4.6

       

 

  จากสมมติฐานเรื่องโครงสร้างของนิวเคลียสทำให้ทราบว่า องค์ประกอบของนิวเคลียสคือโปรตอนและนิวตรอนแต่เหตุใดอนุภาคทั้งสองชนิดนี้จึงอยู่รวมกันเป็นนิวเคลียสได้ ทั้งๆที่มีแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนด้วยกันและไม่มีแรงไฟฟ้าระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงว่าต้องมีแรงรูปแบบใหม่ที่ยึดอนุภาคเหล่านี้ไว้ด้วยกัน แรงนี้เป็นแรงอะไร 

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

            

นอกจากการศึกษากาเปลี่ยนสภาพนิวเคลียสที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่า นิวเคลียสสามารถสลายไปเป็นนิวเคลียสใหม่และแตกตัวออกเป็นนิคลีออนได้ เช่น ดิวเอรอนจะแตกตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอนเมื่อได้รับรังสีแกมาที่มีพลังงาน 2.2 MeV หรือการยิงอนุภาคแอลฟาไปชนนิวเคลียสของไนโตรเจน แล้วได้นิวเคลียสของออกซิเจนและโปรตอน หรือการสลายของยูเรเนียม -238 ไปเป็นทอเรียม -234 และอนุภาคแอลฟา เป็นต้น กระบวนการที่นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบหรือระดับพลังงาน เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียส (nuclear reaction)

           

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ข้างต้นเขียนเป็นสมการได้ตามลำดับดังนี้


 

ในสมการของปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้น ผลบวกของเลขอะตอมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากัน ซึ่งแสดงว่า ประจุไฟฟ้าคงตัว และผลบวกของเลขมวลก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องเท่ากันด้วย ซึ่งแสดงว่า จำนวนนิวคลีออนก็คงตัวด้วย 


           สำหรับการชนกันระหว่างนิวเคลียสกับนิวเคลียสหรือนิวเคลียสกับอนุภาคนั้น อาจเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ เป็หรือเขียนได้อีกรูปแบบหนึ่งเป็น X (a,b) Y โดยที่ 


                                    X แทนนิวเคลียสทีเป็นเป้า
                               a แทนอนุภาคที่ชนเป้า
                               b แทนอนุภาคที่เกิดใหม่หลังการชน
                               Y แทนนิวเคลียสของธาตุใหม่ทีเกิดขึ้นหลังการชน


           และเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยา (a,b) ของนิวเคลียส X เช่น 147N (a , p) 178O ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยา (a , p) ของ 147N หมายถึงปฏิกิริยาที่สองในตัวอย่างข้างต้น

          จะเห็นได้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นมีทั้งการสลายของธาตุกัมมันตรังสีที่เกิดเองตามธรรมชาติ และการแตกตัวของนิวเคลียสเมื่อมีอนุภาคมาชน ปฏิกิริยาประเภทหลังนี้มีความสำคัญในการศึกษาองค์ประกอบของนิเคลียสเป็นอย่างยิ่ง คือ ทำให้รู้ว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส นอกจากนี้ก็ยังใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในการผลิตไอโซโทปกัมมันตรังสีที่ไม่มีในธรรมชาติ เช่น 19778Pt 21082Pb 23392U อีกด้วย ตัวอย่างเช่นการผลิตแพลินัม -197 ซึ่งเป็นไอโซโทปทีไม่มีในธรรมชาติ โดยการยิงนิวตรอนไปชนแพลทินัม -196 ดังสมการ

 

 นอกจากนี้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์อาจนำไปใช้ในการทำให้เกิดนิวเคลียสของธาตุชนิดไม่ เช่น ใช้ Pt Hg ในการทำให้เกิดทองคำ ดังปฏิกิริยาต่อไปนี้

  ปฏิกิริยานิวเคลียร์เหล่านี้จะเกิดขึ้นได้ต้องใช้อนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก ในการพุ่งเข้าชนนิวเคลียสที่เป็นเป้า แต่ในการเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายในการลงทุนผลิตกับมูลค่าของทองคำที่ผลิตได้ พบว่าไม่คุ้มกับการลงทุนผลิต ถึงอย่างไรก็ตามปฏิกิริยาทั้งสี่นี้ชี้ให้เห็นว่า ความฝันของนักเล่นแร่แปรธาตุในยุคโบราณสามารถทำให้เป็นจริงได้
           นอกจากทองคำแล้วยังมีนิวเคลียสอื่นๆ ที่น่าสนในอีกคือนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่า 92 ซึ่งนิวเคลียสประเภทนี้ไม่มีในธรรมชาติ แต่เราก็สามารถผลิตนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอม 93 ได้โดยการยิงนิวตรอนไปยังยูเรเนียม
           ในปัจจุบันนิวเคลียสที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้คือ นิวเคลียสที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 93 ถึง 111 และนักวิทยาศาสตร์ก็ยังพยายามผลิตธาตุที่มีเลขอะตอมสูงยิ่งขึ้น
           ในการวิเคราะห์พลังงานที่เกิดในปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นพบว่า บางปฏิกิริยาต้องการพลังงานเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาการแตกตัวของดิวเทอรอนเป็นโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อได้รับรังสีแกมมาที่มีพลังงาน 2.2 MeV ดังที่กล่าวมาแล้วเราสามารถคำนวณหาพลังงานที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ลักษณะดังกล่าวโดยพิจารณาตัวอย่างปฏิกิริยา 147N ( , p) 178O ดังนี้

147N + 42He 178O + 11H
           ก่อนปฏิกิริยา หลังปฏิกิริยา
                               147N มีมวล 14.0030 u 178O มีมวล 16.9991 u
                               42He มีมวล 4.0026 u 11H มีมวล 18.0069 u
           มวลรวมหลังปฏิกิริยามีค่ามากกว่ามวลรวมก่อนปฏิกิริยาเท่ากับ 0.0013 u ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงาน 0.0013 u * 931.5 MeV/u หรือเท่ากับ 1.2 MeV


           ในปฏิกิริยานี้ต้องมีการยิงอนุภาคแอลฟาเข้าชนเป้าแล้วมีโปรตอนออกมา พลังงาน 1.2 MeV ที่เกิดขึ้นเป็นผลต่างระหว่างพลังงานจลน์ของอนุภาคทั้งสอง ซึ่งในกรณีนี้โปรตอนมีพลังงานจลน์น้อยกว่าอนุภาคแอลฟาอยู่ 1.2 MeV สมการของปฏิกิริยานี้ จึงเขียนได้เป็น

147N + 42He + 1.2MeV 178O + 11H

            ในปฏิกิริยาข้างต้นนี้จะพบว่า ผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวก่อนปฏิกิริยาจะมีค่ามากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยา ซึ่งอาจแสดงได้ดังนี้
           เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของ 147N 42He และ 178O เท่ากับ 104.7 28.3 และ 131.8 MeV ตามลำดับ ดังนั้นผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวก่อนปฏิกิริยามีค่ามากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยาอยู่เท่ากับ (104.7 + 28.3 - 131.8) MeV หรือ 1.2 MeV ซึ่งค่านี้จะเท่ากับพลังงานที่ใช้เพื่อให้เกิดปฏิกิริยานั่นเอง
           ในปฏิกิริยานิวเคลียร์บางปฏิกิริยาจะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งในกรณีนี้ ผลรวมของมวลหลังปฏิกิริยามีค่าน้อยกว่าผลรวมของมวลก่อนปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นการรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเป็นดิวเทอรอนกับรังสีแกมมาที่มีพลังงาน 2.2 MeV ดังที่กล่าวมาแล้ว นอกจากนี้ยังมีกรณีอื่นๆอีก เช่น การยิงอนุภาคโปรตอนไปชนนิวเคลยสของลิเทียม ซึ่งคำนวณพลังงานที่เกิดในปฏิกิริยาได้ดังนี้

                               

11H + 73Li 42He + 42He
           ก่อนปฏิกิริยา หลังปฏิกิริยา
                               73Li มีมวล 7.0160 u 42He มีมวล 4.0026 u
                               11H มีมวล 1.0078 u 42He มีมวล 4.0026 u
                                 รวม 8.0238 u รวม 8.0052 u
           มวลรวมก่อนปฏิกิริยามีค่ามากกว่ามวลรวมหลังปฏิกิริยาเท่ากับ 0.0186 u ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงาน 0.0186 u x 931.5 MeV/u หรือ 17.3 MeV

          ในปฏิกิริยาดังกล่าวนี้ ทั้งโปรตอนและอนุภาคแอลฟาต่างก็มีพลังงานจลน์ พลังงาน 17.3 MeV ที่ได้คือ ผลต่างระหว่างจลน์ของอนุภาคแอลฟาทั้งสองกับโปรตอนสมการของปฏิกิริยานี้ จึงเขียนได้เป็น

11H + 73Li 42He + 42He +17.3 MeV

            

พลังงานที่เกิดในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เรียกว่า พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) ซึ่งพลังงานนี้อาจปรากฏในรูปพลังงานจลน์ของอนุภาคหรือของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ 


           สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ให้พลังงาน จะพบว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวก่อนปฏิกิริยามีค่าน้อยกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยา ซึ่งแสดงให้เห็นได้ดังนี้


           เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของ 73Li มีค่า 39.2 MeV และผลรวมของพลังงานยคดเหนี่ยวของ 42He ทั้งสองเท่ากับ 56.6 MeV ดังนั้นผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยาเท่ากับ 17.4 MeV ซึ่งเท่ากับพลังงานนิวเคลียร์ที่คำนวณหาได้จากข้างต้นนั่นเอง


           จากการวิเคราะห์พลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทำให้สรุปได้ว่า ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการปล่อยพลังงานออกมา ผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยามีค่ามากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวก่อนปฏิกิริยา ซึ่งถ้าพิจารณาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจากกราฟ ในรูป 4.24 แล้วจะเห็นว่า ถ้าสามารถทำให้นิวเคลียสที่มีเลขมวลมาก เช่น 23592U แตกตัวออกเป็นสองนิวเคลียสที่มีขนาดใกล้เคียงกัน พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีอนจะเพิ่มขึ้น หรือถ้าสามารถทำให้นิวเคลียสที่มีเลขมวลน้อยๆ เช่น 21H จำนวนสองนิวเคลียสมารวมกันเป็นอนุภาคแอลฟาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน จะเห็นได้ว่าในทั้งสองกรณีที่กล่าวมานี้ ผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวหลังปฏิกิริยามีค่ามากกว่าผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวก่อนปฏิกิริยา จึงทำให้มีการปล่อยพลังงานอกมารายละเอียดของปฏิกิริยาทั้งสองรูปแบบดังกล่าวมีดังต่อไปนี้

ประโยชน์ของกัมมันตภาพรังสีและพลังงานนิวเคลียร์

          การศึกษานิวเคลียสและกัมมันตภาพรังสีที่กล่าวมาแล้วนั้น นำไปสู่การใช้ประโยชน์ 2 ทาง คือ การนำกัมมันตภาพรังสีมาใช้ และการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

สร้างโดย: 
จำเริญ บุญยืน

มหาวิทยาลัยศรีปทุม ผู้ใหญ่ใจดี
 
 

 ช่วยด้วยครับ
นักเรียนที่สร้างบล็อก กรุณาอย่า
คัดลอกข้อมูลจากเว็บอื่นทั้งหมด
ควรนำมาจากหลายๆ เว็บ แล้ววิเคราะห์ สังเคราะห์ และเขียนขึ้นใหม่
หากคัดลอกทั้งหมด จะถูกดำเนินคดี
ตามกฎหมายจากเจ้าของลิขสิทธิ์
มีโทษทั้งจำคุกและปรับในอัตราสูง

ช่วยกันนะครับ 
ไทยกู๊ดวิวจะได้อยู่นานๆ 
ไม่ถูกปิดเสียก่อน

ขอขอบคุณในความร่วมมือครับ

อ่านรายละเอียด

ด่วน...... ขณะนี้
พระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ (ฉบับที่ 2) พ.ศ. 2558 
มีผลบังคับใช้แล้ว 
ขอให้นักเรียนและคุณครูที่ใช้งาน
เว็บ thaigoodview ในการส่งการบ้าน
ระมัดระวังการละเมิดลิขสิทธิ์ด้วย
อ่านรายละเอียดที่นี่ครับ

 

สมาชิกที่ออนไลน์

ขณะนี้มี สมาชิก 0 คน และ ผู้เยี่ยมชม 102 คน กำลังออนไลน์