หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 เรื่อง พลังงาน ( Energy )

หน่วยการเรียนรู้ที่ 4เรื่อง พลังงาน (Energy) วิทยาศาสตร์ (ว 40216) ฟิสิกส์ ม.6

พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) • 1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) • 2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)

ผลการเรียนรู้ • 1. อธิบายการเกิดกัมมันตภาพรังสี และการนำไปใช้ประโยชน์ด้านต่าง ๆ ได้ • 2. อธิบายถึงผลกระทบของธาตุกัมมันตรังสีได้

2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)

2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) • 1. กัมมันตภาพรังสี • 2. กัมมันตภาพ • 3. เครื่องวัดกัมมันตภาพรังสี • 4. การใช้กัมมันตภาพรังสี • 5. หน่วยวัดกัมมันตภาพรังสี • 6. โทษของกัมมันตภาพรังสี • 7. การป้องกันกัมมันตภาพรังสี

1. กัมมันตภาพรังสี • ในปี ค.ศ. 1896 เบ็กเคอเรล (Henri Becquerel) ได้ทำการทดลองการเรืองแสงของสารต่าง ๆ • ได้พบว่าสารประกอบของยูเรเนียมสามารแผ่รังสีออกมาได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมเลย • จากการศึกษาเบื้องต้นของเบ็กเคอเรล เขาได้พบว่า รังสีนี้มีสมบัติบางประการคล้ายรังสีเอกซ์ เช่น สามารถทะลุผ่านวัตถุบางชนิดและทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ • ปีแอร์ คูรี (Pierre Curie) และมารี คูรี (Maric Curie) ได้ทำการทดลองกับธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด และพบว่าธาตุบางชนิดมีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับธาตุยูเรเนียม • ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องนี้ เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) • ธาตุที่มีการแผ่รังสีได้เองเรียกว่า ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) จากการศึกษารังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีทั่วไป

สรุป • ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) คือ ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสี • กัมภาพรังสี (radioactivity) คือ ปรากฎการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่อง

Henri Becquerel • Henri Becquerel (พ.ศ. 2395-2451) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้รับรางวัลโนเบลทางฟิสิกส์ ในปีพ.ศ.2446 • จากผลงานการค้นพบกัมมันตรังสีในธรรมชาติพร้อมกับปิแอร์และ มารี คูรี • จากการค้นพบธาตุกัมมันตรังสีสองธาตุคือ เรเดียมและพอโลเนียม http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Gallery/

Pierre Curie and Marie Curie • Pierre Curie (พ.ศ. 2402-2449)นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Marie Curie นักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ • สามี ภรรยาคู่นี้ทำงานทางด้านกัมมันตภาพรังสี และได้รับรางวัลโนเบลเช่นกัน • เป็นที่น่าสังเกตว่า มาดามคูรีเสียชีวิตด้วยโรคลูคีเมีย หรือ มะเร็งในโลหิต ซึ่งอาจเนื่องมาจากการได้รับรังสีจากธาตุกัมมันตภาพรังสีเกินควรก็ได้ http://www.sn.ac.th/web61_3/activity.htm

การเคลื่อนที่ของรังสีต่าง ๆ ในสนามแม่เหล็กเดียวกัน • โดยให้รังสีดังกล่าวผ่านเข้าไปในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ พบว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีแยกเป็น 3 แนว ดังรูป • รังสีที่เบนน้อยและไปทางซ้ายของแนวเดิม เรียกว่า รังสีแอลฟา (alpha ray) • รังสีที่เบนมากและในทิศตรงข้ามกับรังสีแอลฟา เรียกว่า รังสีบีตา (beta ray) • รังสีที่พุ่งตรงไม่เบี่ยงเบนเลย เรียกว่า รังสีแกมมา (gamma ray) และ • นิยมเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ α , β และ Y ตามลำดับ http://www.sn.ac.th/web61_3/activity.htm

การเบนในสนามแม่เหล็ก การเบนในสนามแม่เหล็ก http://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/main1.html

สรุปสมบัติของรังสี http://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/main1.html

2. กัมมันตภาพ • กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เป็นปรากฏการณ์การสลายตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรตามปกติแล้วการที่ อะตอมสลายตัวมักมีการแผ่รังสีติดตามมาด้วย เช่น รังสีแอลฟา บีตา และแกมมา เป็นต้น • โดยทั่วไปมักเรียก สั้น ๆ ว่า "กัมมันตภาพ" หรือ "ความแรงรังสี" (activity) กัมมันตภาพ หรือความแรงรังสีนี้มีหน่วยวัดเป็นเบคเคอเรล (Becquerel) • 1 เบคเคอเรล เท่ากับ การสลายตัวของสารรังสี 1 อะตอมในหนึ่งวินาที ผู้ค้นพบปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี คือ อองรี เบคเคอเรล ชาวฝรั่งเศส ซึ่งได้ค้นพบเมื่อ ปี พ.ศ. 2439 • กัมมันตรังสี (radioactive) เป็นคำคุณศัพท์เพื่อขยายคำนาม หมายถึง "เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสี" • ตัวอย่างเช่น • สารกัมมันตรังสี (radioactive substance) หมายถึง วัสดุที่สามารถแผ่รังสีได้ด้วยตนเอง • กากกัมมันตรังสี (radioactive waste) หมายถึง ขยะหรือของเสียที่เจือปนด้วยสารกัมมันตรังสี เป็นต้น

Radioactive Half-Life http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/halfli.html

Half - Life http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

Half - Life http://www.btinternet.com/~j.doyle/SR/Emc2/Fission.htm

3. เครื่องวัดกัมมันตภาพรังสี เครื่องวัดกัมมันตภาพรังสีมีหลายชนิดที่น่าสนใจ คือ • 1. เครื่องนับไกเกอร์ (Gerger counter) • 2. เครื่องนับซินทิลเลชัน (scintillation counter) • 3. ฟิล์มแบดจ์ (film badge)

The Geiger Counter http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

scintillation counter http://www.tpub.com/content/doe/h1013v2/css/h1013v2_71.htm http://www.chm.bris.ac.uk/ms/theory/detection.html

film badge http://www.personal.u-net.com/~landauer/loading.html

4. การใช้กัมมันตภาพรังสี • 1. การผลิตแผ่นโลหะแบบบาง • 2. การใช้กัมมันตภาพรังสีทางการแพทย์ • ใช้รังสีแกมมา รักษาโรคมะเร็ง • ใช้รังสีบีตา รักษาโรคมะเร็งในต่อมไทรอยด์ • ใช้กัมมันตภาพรังสีในการวินิจฉัยโรค • กล้องถ่ายรูปรังสีแกมมา • 3. กัมมันตภาพรังสีกับระเบิดนิวเคลียร์ • 4. กัมมันตภาพรังสีกับอุตสาหกรรม • 5. กัมมันตภาพรังสีกับการเกษตร • 6. การใช้กัมมันตภาพรังสีในการหาอายุของวัตถุโบราณ

The Atomic Nucleus http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

5. หน่วยวัดกัมมันตภาพรังสี • มีหน่วยวัดกัมมันตภาพรังสีที่สำคัญ 2 แบบ คือ • 1. หน่วยวัดจำนวนนิวเคลียสที่สลายตัว ใช้หน่วยเป็น Becquerel (Bq) • 2. หน่วยวัดพลังงานที่กัมมันตภาพรังสีสูญเสียให้กับตัวกลาง (โดส :dose) มีหน่วยเป็น เกรย์ (Gray : Gy) , ซีเวอร์ต (sievert)

หน่วยวัดกัมมันตภาพรังสีหน่วยวัดกัมมันตภาพรังสี • Dose equivalent (H) measures the biological effects of ionising radiations. It takes account of • the type of radiation • the energy carried by the radiation • how much tissue absorbs the energy • Dose equivalent is the product of absorbed dose and quality factor. The equation can be written asH = DQDose equivalent is measured in sieverts (Sv).

Antoine Henri Becquerel (1852-1908)Otto Hahn, (1879-1968) http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.html http://dr-albert-finck-ghs.nw.bildung-rp.de/hahnotto.html

6. โทษของกัมมันตภาพรังสี • ถ้าร่างกายได้รับจะทำให้โมเลกุลภายในเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลง ไม่สามารถทำงานตามปกติได้ • ถ้าเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดลักษณะก็จะเกิดการผ่าเหล่า เมื่อเข้าไปในร่างกายจะไปสะสมในกระดูก • แสงอนุภาคแอลฟาที่เปล่งออกมาจะไปทำลายเซลล์ที่ทำหน้าที่ผลิตเม็ดเลือดแดง ทำให้เกิดมะเร็งในเม็ดเลือดได้

6. โทษของกัมมันตภาพรังสี • ผลของรังสีต่อมนุษย์สามารถแยกได้เป็น 2 ประเภท คือ • ความป่วยไข้จากรังสี เนื่องจากเมื่ออวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับรังสี โมเลกุลของธาตุต่างๆ ที่ประกอบเป็นเซลล์จะแตกตัว ทำให้เกิดอาการป่วยไข้ได้ • ผลทางพันธุกรรมจากรังสี จะมีผลทำให้การสร้างเซลล์ใหม่ในร่างกายมนุษย์เกิดการกลายพันธุ์ โดยเฉพาะเซลล์สืบพันธุ์

7. การป้องกันกัมมันตภาพรังสี หลักในการป้องกันอันตรายจากรังสีมีดังนี้ • ใช้เวลาเข้าใกล้บริเวณที่มีกัมมันตภาพรังสีให้น้อยที่สุด • พยายามอยู่ให้ห่างจากกัมมันตภาพรังสีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ • ใช้ตะกั่ว คอนกรีต น้ำ หรือพาราฟิน เป็นเครื่องกำบังบริเวณที่มีการแผ่รังสี

http://www.btinternet.com/~j.doyle/SR/Emc2/Fission.htm

References • พูนศักดิ์ อินทวี และจำนง ฉายเชิด. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ : ฟิสิกส์ ม.4-ม.6. กรุงเทพฯ : อักษรเจริญทัศน์, 2547. 262 หน้า. • http://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/ • http://www.sn.ac.th/web61_3/activity1.htm

Thank you Miss Lampoei Puangmalai Department of science St. Louis College Chachoengsao

ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ • ด้านเกษตรกรรม งานในด้านนี้ที่ประสบความสำเร็จมากคือ การวิจัยด้านการฉายรังสีอาหารโดยใช้รังสีแกมมาช่วยยืดอายุการเก็บของอาหารทั้งพืชผัก ผลไม้ และเนื้อสัตว์ต่างๆ ได้เป็นอย่างดี โดยจะช่วยยับยั้งการงอกของพืชผัก ชะลอการสุกของผลไม้และช่วยทำลายแมลง พยาธิ หรือจุลินทรีย์ ในอาหารและผลิตผลทางการเกษตร ซึ่งอำนวยประโยชน์ให้ประชาชนได้บริโภคอาหารที่ถูกอนามัยปราศจากเชื้อโรคและพยาธิ ช่วยการถนอมอาหารและเก็บรักษาอาหารและพืชผลไว้บริโภคในช่วงฤดูกาลที่ขาดแคลนลดการนำเข้าจากต่างประเทศและเพิ่มรายได้ของประเทศโดยส่งเสริมการส่งออกของอาหารและผลิตผลการเกษตรจากการฉายรังสี • นอกจากนี้ยังนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในงานอื่นอีก เช่น ใช้วิเคราะห์ดินเพื่อการจำแนกพื้นที่เพาะปลูกหรือการใช้เทคนิคทางรังสีเพื่อศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุและปุ๋ยโดยต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ ส่งเสริมการใช้ปุ๋ยให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น หรือการนำเทคนิคดังกล่าวมาปรับปรุงพันธ์พืช และสัตว์ เป็นต้น • ด้านการแพทย์ ปัจจุบันมีการนำเทคนิคด้านนิวเคลียร์มาใช้ในทางการแพทย์หลายด้าน เช่น ด้านการตรวจและวินิจฉัย โดยการใช้เทคนิค Radioimmunoassay (RIA) สำหรับตรวจวัดสารที่มีประมาณน้อยในร่างกาย หรือเทคนิคฉีดสารกัมมันตรังสีเข้าร่างกาย เพื่อหาตำแหน่งของอวัยวะที่เสียหน้าที่ และปัจจุบันสามารถตรวจดูรูปร่างและการทำงานของอวัยวะด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า เครื่องเอ็กซเรย์คอมพิวเตอร์ ซึ่งทันสมัยที่สุด ในด้านการบำบัดรักษาโดยเฉพาะโรคมะเร็งได้มีการใช้สารกัมมันตรังสีร่วมกับการใช้ยาหรือสารเคมีและการผ่าตัด นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีในการทำให้ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อ หรือใช้รังสีในการเตรียมวัคซีนและแอนติเจนโดยยังคุณสมบัติของวัคซีนเอาไว้ และใช้รังสีหยุดยั้งการเจริญเติบโตของเม็ดเลือดขาวในผลิตภัณฑ์เลือด เพื่อทำให้ผู้ป่วยมีความปลอดภัยในการรับและถ่ายเลือด เป็นต้น • ด้านอุตสาหกรรม ปัจจัยหลักที่จะทำให้อุตสาหกรรมก้าวหน้าไปได้ในสภาวะเศรษฐกิจของโลก ในขณะนี้ คือ การเพิ่มผลผลิต การควบคุมคุณภาพ และการลดต้นทุนการผลิต เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวในปัจจุบันไทยได้นำเทคโนโลยีนิวเคลียร์มาใช้ในการประกอบอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้น เช่น การผลิตเส้นใยสังเคราะห์สำหรับทอผ้า การผลิตปูนซีเมนต์ ไม้อัดแผ่นเรียบ กระเบื้อง กระดาษ ผลิตภัณฑ์แก้ว เหล็ก หรือโลหะอุตสาหกรรมปิโตรเลียม และปิโตรเคมี การผลิตยางรถยนต์ การผลิตน้ำอัดลม การเปลี่ยนสีอัญมณี การควบคุมคุณภาพในการก่อสร้างถนน เป็นต้น โดยการใช้เทคนิคที่สำคัญคือ การตรวจสอบโดยไม่ทำลาย หรือการใช้รังสีเป็นสารติดตามและใช้เป็นระบบควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น • ด้านการศึกษาวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เช่น การวิเคราะห์ธาตุปริมาณน้อยและสารพิษในสิ่งแวดล้อม การศึกษาอายุของวัตถุโบราณ ศึกษาวัฏจักรหรือวงชีวิตของพืชและสัตว์บางชนิด การศึกษาการเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดิน ศึกษาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ ศึกษาการสะสมการเคลื่อนที่ของตะกอนในเขื่อน แม่น้ำ ลำคลอง และแหล่งน้ำต่างๆ นอกจากนี้ยังมีการใช้รังสีเพื่อการกำจัดน้ำเสีย การผลิตปุ๋ยธรรมชาติ การพัฒนาที่ดินทางการเกษตร กิจกรรมทางป่าไม้และอุทกวิทยา เป็นต้น

หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 เรื่อง พลังงาน ( Energy )