บทที่ 9 ฟิสิกส์นิวเคลียร์

1. บทที่ 9 ฟิสิกส์นิวเคลียร์ • องค์ประกอบของนิวเคลียส • กัมมันตภาพรังสี • อัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี Physics : James S Walker Physics for scientists and Engineers: Raymond A. Serway, Robert J. Beichner.

2. Proton Neutron 1. องค์ประกอบของนิวเคลียส 1u = 1.660540 × 10-27 kg , 1e = 1.6022 × 10-19 C 1u = 931.5 MeV/c2

3. จาก พลังงานที่สมมูลกับมวล 1u คือ

4. รัศมีเฉลี่ยของนิวเคลียสรัศมีเฉลี่ยของนิวเคลียส r = ro A1/3 เลขมวล เลขอะตอม A = จำนวนโปรตอน + จำนวนนิวตรอน Z = จำนวนโปรตอน ro = 1.2 × 10-15 m

5. 2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) กัมมันตภาพรังสีคือ ปรากฏการณ์ที่นิวเคลียสของธาตุที่ไม่เสถียรปลดปล่อยอนุภาคหรือโฟตอน (รังสี) แล้วกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุใหม่ ธาตุที่แผ่รังสีได้เรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element)

6. คุณสมบัติของรังสีที่มาจากการสลายนิวเคลียส แอลฟา (a,) เป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม มีสามารถทำให้สารที่รังสีผ่านแตกตัวเป็นไอออนได้ดี จึงเสียพลังงานอย่างรวดเร็ว รังสีแอลฟามีอำนาจทะลุผ่านน้อยมาก วิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 5 cm ไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นกระดาษบาง ๆ ได้ บีตา(b -,) คือ อิเล็กตรอน ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส หรือ (b +)เรียกว่าโพสิตรอน มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน และมีประจุ +e สามารถวิ่งผ่านอากาศได้ประมาณ 0.5 m ทะลุผ่านแผ่นอะลูมิเนียมได้ 2-3 mm แกมมา(g ) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าสามารถทะลุผ่านแผ่นตะกั่วที่หนาหลายเซนติเมตรได้

7. การปล่อยรังสีแอลฟา (Alpha Decay) • การปล่อยรังสีบีตา (Beta Decay) • ถ้านิวเคลียสปล่อยอิเล็กตรอน (b -) ถ้านิวเคลียสปล่อยโพสิตรอนตรอน (b +) กระบวนการปลดปล่อยรังสี

8. การปล่อยรังสีแกมมา (Gamma Decay)

9. 3. อัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี l = decay constant กัมมันตภาพ [ decay/s], Bq 1 Ci = 3.7x1010 Bq

10. N No No/2 No/4 No/8 t จงพิสูจน์ว่าอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเป็นดังสมการ และ เมื่อAo คือ อัตราการสลายตัวตอนเริ่มต้น T1/2 2T1/2 3T1/2

11. จาก แทน t = T1/2และ N = No/2 จะได้ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ของการสลายตัว (l) และค่าครึ่งชีวิต (T1/2)

12. การวัดอายุวัตถุโบราณ (Carbon Dating) 14C ไม่เสถียร เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศโลกขณะที่มีการสลายตัวด้วยค่าครึ่งชีวิต 5730 ปี ทำให้อัตราส่วน 14C:12C=1.2 ×10-12 สิ่งมีชีวิตทั้งหลายขณะที่มีชีวิตอยู่ มีการแลกเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ กับบรรยากาศรอบตัว จึงมีอัตราส่วน14C:12C เดียวกัน ต่อเมื่อตายลง 14C จะสลายตัวด้วยค่าครึ่งชีวิต 5730 ปี

13. T1/2 = 5730 y = 1.811011 s  = 0.693/T1/2 = 1.2110-4 y-1 = 3.8310-12 s-1 12C จำนวน 1 g ประกอบด้วย = (6.021023)/12 = 5.02 1022 อะตอม และ 14C= (1.20 10-12)(5.02 1022) = 6.02 1010 อะตอม กัมมันตภาพของ C 1 กรัม คือ Ao = No = (3.8310-12 s-1)(6.02 1010) = 0.231 Bq