ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน

1. ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอนุภาคมูลฐาน อ. อาทิตย์ ลภิรัตนากูล ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

2. ฟิสิกส์นิวเคลียร์ การศึกษาโครงสร้างภายในของนิวเคลียสของอะตอม การเปลี่ยนแปลง ตลอดจนสมบัติต่างๆ Rutherford เป็นคนแรกที่ทดลองให้เห็นว่าอะตอมจะมีนิวเคลียสขนาดเล็กอยู่ใจกลางอะตอม

3. เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ จึงต้องมีประจุบวกจำนวนเท่ากันอยู่ในนิวเคลียส ทำให้อะตอมของธาตุใดๆ เป็นกลางทางไฟฟ้า โปรตอน 1932 J. Chadwick ค้นพบนิวตรอน จึงทำให้เราเข้าใจองค์ประกอบ ของนิวเคลียส อะตอมและโครงสร้าง แต่ยังมีคำถามว่า โปรตอนซึ่งมีประจุบวกสามารถต้านแรงผลักทางไฟฟ้า ไปรวมกันอยู่ในนิวเคลียสรัศมี 10-15 เมตรได้อย่างไร

4. พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy) เป็นพลังงานที่ใช้ยึดเหนี่ยวอนุภาคภายในนิวเคลียสให้อยู่รวมกัน จำเป็นต้องเอาชนะแรงคูลอมบ์ได้ ตามกฎอนุรักษ์มวล : มวลของนิวเคลียส = ผลรวมของมวล p กับ n ทั้งหมด แต่จากการตรวจสอบ  มวลของนิวเคลียสมีค่าน้อยกว่า ดังนั้นผลต่างของมวลน่าจะกลายไปเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวตาม และนิยมวัดมวลในหน่วย u โดย 1 u = 1/12ของมวลอะตอมคาร์บอน-12 =1.6604x10-27kg

5. ไอโซโทป (Isotope) ไอโซโทปต่างกัน หมายถึง เลขอะตอมเท่ากัน แต่ เลขมวลต่างกัน เช่น นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน สัญลักษณ์ นิวเคลียสของดิวเทอเรียม สัญลักษณ์ นิวเคลียสของตริเตรียม สัญลักษณ์ Nuclear notation:

6. มวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆมวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุต่างๆ

7. ตัวอย่าง จงคำนวณ (ก) พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O วิธีทำ นิวเคลียสของ 16O ประกอบด้วย 8 นิวตรอน, 8 โปรตอน ดังนั้น แต่ มวลของ 16O = 15.994915 u จึงได้ มวลที่หายไป พลังงานยึดเหนี่ยว = 127.6 MeV

8. (ข) หาพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O วิธีทำ พลังงานยึดเหนี่ยวของ 16O = 127.6 MeV พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ของ 16O = 7.98 MeV/nucleons ปกติแล้ว สำหรับไอโซโทปที่มีเลขมวลมากกว่า 20จะมีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนโดยเฉลี่ย เท่ากับ 8 MeV จากการสังเกตการณ์ ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนที่สูงที่สุด มีค่าประมาณ 8.75 MeV ได้แก่ ไอโซโทป ซึ่งถือว่าเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากที่สุด

10. กัมมันตภาพรังสี(radioactivity) เกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของอะตอม รังสีแอลฟา รังสีเบตา รังสีแกมมา เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง => ปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอม

11. ค.ศ. 1896 Henri Becquerel ชาวฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่ค้นพบรังสีจากนิวเคลียสโดยบังเอิญ จากการเก็บฟิล์มถ่ายรูปไว้ใกล้สารประกอบของยูเรเนียม เขาได้แยกแยะจากการสังเกตที่รอบคอบว่ารังสีดังกล่าวไม่ใช่รังสีเอ็กซ์ แต่เป็นรังสีที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากสารให้รังสีอย่างไม่หยุดยั้ง สารกัมมันตรังสีส่วนใหญ่จะมีเลขอะตอมมากกว่า 81 แต่บางตัวเป็นนิวเคลียสของธาตุเบา เช่น , เป็นต้น

12. รังสีแอลฟา หรือ อนุภาคแอลฟา คือนิวเคลียสของฮีเลียม ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว จึงมีประจุบวกเป็น 2 เท่าของค่าประจุอิเล็กตรอน และมีมวลประมาณ 4 เท่าของโปรตอนหรือนิวตรอน มีอำนาจทะลุผ่านต่ำมาก มีความเร็วในระดับ 107เมตรต่อวินาที เมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีแอลฟามา นิวเคลียสนั้นจะมีประจุลดลง 2 หน่วยและมวลลดลง 4 หน่วย เป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ • รังสีเบตา หรือ อนุภาคเบตา คืออนุภาคประจุลบเหมือนอิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุผ่านสูงกว่ารังสีแอลฟา สามารถเคลื่อนผ่านในอากาศได้ระยะทางเป็นฟุต ความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสงเมื่อนิวเคลียสปล่อยรังสีเบตามา เลขอะตอมของนิวเคลียสนั้นจะเพิ่มขึ้น 1 หน่วย แต่เลขมวลไม่เปลี่ยนแปลง • รังสีแกมมา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก ไม่มีประจุไฟฟ้า ความเร็วเท่าแสง

14. กลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสีกลไกการเกิดกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียร สลายตัว นิวเคลียสของอะตอมที่เสถียรกว่า รังสีพลังงานสูง

15. กฎการสลายตัว อัตราการสลายตัว (R) (การลดลงของจำนวนนิวเคลียสตามเวลา) จะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับจำนวนนิวเคลียสที่มีอยู่เดิม นั่นคือ ถ้ามีจำนวนนิวเคลียสอยู่มากย่อมมีการสลายตัวมันเองได้มาก ถ้ามีเหลือน้อยก็สลายได้น้อย ถ้าให้ N คือ จำนวนนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ในขณะใดขณะหนึ่ง ----(1) lคือค่าคงที่ของการสลายตัว มีหน่วยเป็น (วินาที)-1

16. อินทิเกรตสมการ (1) จะได้ว่า ----(2) N0คือจำนวนนิวเคลียสเมื่อเวลาเริ่มแรกคือ t=0 ถ้าให้ T1/2เป็นช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือเพียงครึ่งหนึ่งจากเดิม ----(3) เรียกระยะเวลา T1/2ว่า “ครึ่งชีวิต” (Half-life)

17. และจากสมการ (3) ----(4) หรือ นั่นคือ ช่วงเวลาที่นิวเคลียสสลายตัวเหลือครึ่งนึง หรือครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีใดๆ จะแปรผกผันกับค่าคงที่ของการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีนั้น

19. ตัวอย่าง จงคำนวณมวลของคาร์บอน-14 ปริมาณ 3.7x1010เบกเคอเรล กำหนดให้ครึ่งชีวิตของคาร์บอน-14 เท่ากับ 5570 ปี วิธีทำ ครึ่งชีวิต = 5570ปี = 1.758x1011วินาที ดังนั้น (วินาที)-1 ปริมาณกัมมันตภาพ R = 3.7x1010เบกเคอเรล = 3.7x1010(วินาที)-1 จาก นิวเคลียส แต่มวลอะตอมของคาร์บอน-14เท่ากับ 14.0077 u กิโลกรัม

20. ปฏิกริยานิวเคลียร์ คือปฏิกริยาระหว่างอนุภาคกับนิวเคลียส เช่น ยิงอนุภาค a ใส่เข้าไปในนิวเคลียส X จะทำให้เกิดการแตกออกเป็นนิวเคลียส Y และอนุภาค b หรือเขียนแบบกะทัดรัดเป็น ตามปกติ ปฏิกริยานิวเคลียร์จะมีทั้งการคายความร้อน (Exothermal Reaction)และการดูดกลืนความร้อน (Endothermic Reaction) ความร้อน Q ที่เกิดขึ้น จะหาได้จาก

21. ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน(Fission)ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชัน(Fission) คือการที่นิวเคลียสธาตุหนักรับนิวตรอนเข้าไปแล้วเกิดการแตกออกเป็นสองส่วน เช่น เมื่อยิงนิวตรอนพลังงานต่ำเข้าชนนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 จะได้

22. ทั้ง 140Xe และ94Sr ต่างก็สามารถสลายตัวต่ออีก ดังนี้ และ ดังนั้น สามารถคำนวณหาพลังงานความร้อนที่ปลดปล่อยจากปฏิกริยาดังกล่าวได้จาก Dm = มวลหลังเกิดปฏิกริยา - มวลก่อนเกิดปฏิกริยา จะได้ ซึ่งเป็นพลังงานความร้อนที่มีค่าสูงมาก

23. นิวตรอนที่เป็นผลิตผลจากปฏิกริยา ยังสามารถชนกับ 235U ได้อีก เกิดเป็น “ปฏิกริยาลูกโซ่” (Chain Reaction)

24. ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน(Fusion)ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน(Fusion) คือการที่นิวเคลียสธาตุเบามาหลอมรวมกันแล้วกลายเป็นนิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ปฏิกริยาหลอมรวมระหว่างดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นดังนี้

27. อนุภาคมูลฐาน หลังจาก Thomson (1897)ค้นพบอิเล็กตรอน และ Chadwick (1932) ค้นพบนิวตรอน ทำให้มนุษย์ทราบว่าอะตอมไม่ใช่อนุภาคมูลฐานอีก • 1927Dirac เสนอสมการเชิงสัมพัทธภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างที่ส่งผลให้ต้องมีอนุภาคคู่อนุภาคปกติเรียกว่าปฏิยานุภาค (antiparticle) ที่มีสมบัติเหมือนกันกับอนุภาคปกติทุกประการยกเว้นประจุ • 1931Anderson ค้นพบ positron คู่อนุภาคของอิเล็กตรอนนำไปสู่ข้อสรุปทั่วไปว่าอนุภาคทุกชนิดจะมีปฏิยานุภาค (antiparticle) เสมอ

28. Pair production

29. Pair annihilation

30. นิวตริโน เป็นอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์สมมติขึ้นเพื่ออธิบายการไม่คงตัวของพลังงานในปฏิกริยาปลดปล่อยรังสีเบตา หลักการอนุรักษ์พลังงานทำให้ต้องเพิ่มอนุภาคอีกชนิดเข้าไป โดยต้องเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล ไม่มีประจุ แต่มีพลังงาน โมเมนตัม และสปิน

31. ในปี ค.ศ. 1956 มีการทดลองให้เห็นว่า นิวตริโนมีอยู่จริง โดยการศึกษาปฏิกริยานิวเคลียร์ในเตาปฏิกรณ์ นิวตริโนจึงไม่ใช่อนุภาคสมมติอีกต่อไป ปัจจุบัน ทราบว่านิวตริโนมีอยู่ 3 ชนิด • อิเล็กตรอนนิวตริโน (electron neutrino) • เทานิวตริโน (tau neutrino) • มิวออนนิวตริโน (muon neutrino) โดยพบอิเล็กตรอนนิวตริโนมากที่สุด จากปฏิกริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์ เนื่องจากอนุภาคนิวตริโนถือว่า ไม่มีมวล ไม่มีประจุ (ปัจจุบันเชื่อว่ามีมวลน้อยมาก) จึงทำให้มีสมบัติทะลุผ่านสสารได้อิสระ โดยเฉลี่ยสามารถทะลุผ่านเหล็กหนาถึง 130 ปีแสง ได้ก่อนถูกดูดกลืน

32. ตามทฤษฎี Standard model สามารถแบ่งอนุภาคมูลฐานได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ • เฟอร์มิออน (Fermion) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร มีสปินเป็น half-integer แบ่งออกเป็น ควากซ์ และ เลปตอน • โบซอน (Boson) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่ได้ประกอบเป็นสสาร แต่ทำหน้าที่เป็น สื่อนำแรง (force carriers)

34. สมบัติของควากซ์