ฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค

ฟิ สิกส์นิวเคลยี ร์และฟิ สิกส์อนุภาค

เสถียรภาพของนิวเคลียส

ฟิ สิกส์นิวเคลยี ร์

ศึกษาสมบตั ิของนิวเคลียส โครงสร้างของนิวเคลียส
และผลจากกระบวนการต่างๆเก่ียวกบั นิวเคลียส

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

จุดประสงค์การเรียนรู้
1.อธิบายธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์
2.อธิบายความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งแรงนิวเคลียร์กบั เสถียรภาพของนิวเคลียส
3.อธิบายความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานยดึ เหน่ียวกบั ส่วนพร่องมวล
4.คานวณพลงั งานยดึ เหน่ียวและพลงั งานยดึ เหน่ียวตอ่ นิวคลีออน
5.อธิบายความสมั พนั ธ์ระหวา่ งพลงั งานยดึ เหนี่ยวกบั เสถียรภาพของนิวเคลียส

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

นิวเคลยี ส ประกอบดว้ ยโปรตอนและนิวตรอน นิวคลีออน

เพราะเหตใุ ด โปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าบวกหลาย
อนุภาคจึงอยรู่ วมกนั ไดภ้ ายในนิวเคลียส โดยไม่

แยกออกจากกนั ดว้ ยแรงผลกั ทางไฟฟ้า

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

นิวเคลยี ส ประกอบดว้ ยโปรตอนและนิวตรอน นิวคลีออน

แรงที่เก่ียวขอ้ งกบั นิวคลีออนในนิวเคลียส
1) แรงผลกั ระหวา่ งประจุไฟฟ้า (มีค่ามาก)
2) แรงดึงดูดระหวา่ งมวล(มีค่านอ้ ย)
3) แรงนิวเคลียร์ คอยผกู มดั นิวคลีออนต่างเอาไวม้ ิใหฟ้ ้งุ

กระจายออกมานอกนิวเคลียส (มีคา่ มหาศาล เม่ือเทียบ
กบั แรงผลกั ประจุ)

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

แรงนิวเคลยี ร์ แรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดระหวา่ งโปรตอนกบั โปรตอน นิวตรอนกบั นิวตรอน
และโปรตอนกบั นิวตรอนในนิวเคลียส

แรงนิวเคลียร์ไม่ข้ึนกบั ประจุและมวลของนิวคลีออน
แรงนิวเคลียร์ระหวา่ งคูน่ ิวคลีออนเหล่าน้ี จึงมีคา่ เท่ากนั

แรงนิวเคลียร์ส่งผลเฉพาะในระยะใกลม้ าก (very short-range force)
จึงเป็นแรงท่ีกระทาระหวา่ งนิวคลีออนท่ีอยตู่ ิดกนั เท่าน้นั ไม่ส่งผลต่อนิวคลีออนอ่ืน ๆ ท่ีอยถู่ ดั ออกไป

แรงนิวเคลียร์ทาใหน้ ิวเคลียสของธาตแุ ละไอโซโทปของธาตุประมาณ 270 ชนิด มีเสถียรภาพ

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

ไอโซโทป นิวเคลียสของธาตุชนิดเดียวกนั ท่ีมีเลขอะตอม Z เท่ากนั แต่เลขมวล A ตา่ งกนั
(Isotope)

ไอโซโทปเสถียร และไอโซโทปกมั มนั ตรังสี

สมบตั ิทางเคมีเหมือนกนั

แมสสเปกโตรมิเตอร์

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

สญั ลกั ษณ์ของนิวเคลียร์



โดย Z แทน เลขอะตอม
A แทน เลขมวล
X แทน สัญลกั ษณ์ทางเคมี

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส สาหรับไอโซโทปที่มีมวลนอ้ ย หรือมีจานวนโปรตอน
นอ้ ยกวา่ 20 ( Z < 20) นิวเคลียสท่ีเสถียรคือนิวเคลียสท่ี

มีจานวนนิวตรอนประมาณเท่ากบั จานวนโปรตอน

สาหรับไอโซโทปที่มีจานวนโปรตอนมากกวา่ 20 (Z > 20)
นิวเคลียสท่ีเสถียร คือนิวเคลียสท่ีมีจานวนนิวตรอนมากกวา่
โปรตอน (N > Z) เน่ืองจากจานวนนิวตรอนท่ีเพ่ิมข้ึนอยา่ ง
เหมาะสมทาใหม้ ีแรงยดึ เหนี่ยวทางนิวเคลียร์มากพอสาหรับ

การทาใหน้ ิวเคลียสมีเสถียรภาพ

สาหรับไอโซโทปท่ีมีจานวนโปรตอนมากกวา่ 83 (Z > 83)
ไม่มีนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพ

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

ถา้ มีการใหพ้ ลงั งานกบั อะตอมมากพอ
สามารถทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนหลดุ ออกมาจาก
อะตอมได้ แลว้ ถา้ มีการใหพ้ ลงั งานกบั
นิวเคลียสมากพอ จะทาใหน้ ิวคลีออนแยก

ออกจากกนั ไดห้ รือไม่

เสถียรภาพของนิวเคลยี ส พลงั งานยดึ เหนี่ยว

ถา้ มีการใหพ้ ลงั งานกบั อะตอมมากพอ
สามารถทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนหลุดออกมาจาก
อะตอมได้ แลว้ ถา้ มีการใหพ้ ลงั งานกบั
นิวเคลียสมากพอ จะทาใหน้ ิวคลีออนแยก

ออกจากกนั ไดห้ รือไม่

พลงั งานที่พอดีทาใหน้ ิวคลีออนแยกออกจากกนั

เสถียรภาพของนิวเคลยี ส

พิจารณาการทดลองฉายรังสี
แกมมาไปยงั ดิวเทอรอน

เสถียรภาพของนิวเคลยี ส

ยงิ่ นิวคลีออนในนิวเคลียสมีแรงยดึ เหนี่ยวกนั มาก ยงิ่ ตอ้ งใหพ้ ลงั งานมาก เพื่อทาใหน้ ิวคลีออนแยกจากกนั

ในธรรมชาตินิวเคลียสของธาตแุ ละไอโซโทปของธาตุทุกชนิด มีมวลนอ้ ยกวา่ มวลรวมของนิวคลีออนที่อยู่
ภายในนิวเคลียส เน่ืองจากการที่นิวคลีออนจะมารวมกนั อยไู่ ดใ้ นนิวเคลียสตอ้ งมีการเปล่ียนมวลบางส่วนเป็น

พลงั งาน สาหรับใชใ้ นการยดึ เหนี่ยวใหอ้ ยรู่ ่วมกนั เพอื่ ทาใหน้ ิวเคลียสมีเสถียรภาพ

ส่วนของมวลท่ีแตกตา่ งระหวา่ งมวลรวมของนิวคลีออนท้งั หมดในนิวเคลียสกบั มวลของนิวเคลียสน้ี
เรียกวา่ ส่วนพร่องมวล (mass defect, Δm) ซ่ึงเทียบเท่าพลงั งานยดึ เหนี่ยว (E) ของนิวเคลียส
ตามสมการ B.E. = m x 931 หน่วย MeV

เสถียรภาพของนิวเคลยี ส

สูตรมวลพร่อง มวลพร่อง = มวลของโปรตอน + มวลของนิวตรอน – มวลนิวเคลียส
มวลพร่อง = มวลของไฮโดรเจน + มวลของนิวตรอน – มวลอะตอม

สูตรพลงั งานยดึ เหน่ียว E = m x 931 หน่วย MeV

พลงั งานยดึ เหนี่ยวมีคา่ มากข้ึนตามจานวนนิวคลีออนในนิวเคลียสที่มากข้ึน
แต่เสถียรภาพของนิวเคลียสไม่ไดข้ ้ึนกบั พลงั งานยดึ เหน่ียวเท่าน้นั แตข่ ้ึนกบั พลงั งานยดึ เหน่ียวต่อนิวคลอี อน

ซ่ึงเป็นพลงั งานเฉลี่ยท่ีตอ้ งใชใ้ นการทาใหน้ ิวคลีออนแต่ละอนุภาคในนิวเคลียสแยกออกจากกนั

เสถียรภาพของนิวเคลยี ส

แตเ่ สถียรภาพของนิวเคลียสไม่ไดข้ ้ึนกบั พลงั งานยดึ เหนี่ยวเท่าน้นั แตข่ ้ึนกบั พลงั งานยดึ เหนี่ยวตอ่ นิวคลอี อน
ซ่ึงเป็นพลงั งานเฉลี่ยท่ีตอ้ งใชใ้ นการทาใหน้ ิวคลีออนแต่ละอนุภาคในนิวเคลียสแยกออกจากกนั
พลงั งานยดึ เหนี่ยวตอ่ นิวคลีออน

E Δmx931 มีหน่วยเป็น MeV
A= A

นิวเคลียสที่มีพลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนิวคลีออนมาก อาจเป็นนิวเคลียสที่เสถียรหรือไม่เสถียรกไ็ ด้
เนื่องจากมีปัจจยั อื่น ๆ เก่ียวขอ้ งอีก

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส นิวเคลียสที่มีเลขมวลอยรู่ ะหวา่ งค่าใด
มีพลงั งานยดึ เหนี่ยวตอ่ นิวคลีออนสูง
กวา่ นิวเคลียสในช่วง เลขมวลอ่ืน ๆ

นิวเคลียสใดมีพลงั งานยดึ เหนี่ยว
ต่อนิวคลีออนนอ้ ยท่ีสุด

นิวเคลียสใดมีพลงั งานยดึ เหน่ียว
ตอ่ นิวคลีออนมากที่สุด

การทาใหน้ ิวคลีออนของเหลก็ (Fe-56) แยกออกจาก
กนั ง่ายหรือยากกวา่ การ ทาใหน้ ิวคลีออนของโซเดียม

(Na-23) แยกออกจากกนั เพราะเหตใุ ด

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

เพราะเหตใุ ดแรงผลกั ทางไฟฟ้าระหวา่ งโปรตอนในนิวเคลียสจึงไม่สามารถทาใหโ้ ปรตอนแยกออกจากกนั

เพราะเหตใุ ดนิวเคลียสของไอโซโทปที่เสถียรและมีเลขอะตอมระหวา่ ง 20 ถึง 83
จึงมีจานวนนิวตรอนมากกวา่ จานวนโปรตอน

จงใหค้ วามหมายของพลงั งานยดึ เหน่ียวและส่วนพร่องมวล

เสถยี รภาพของนิวเคลยี ส

พลงั งานยดึ เหน่ียวมีความสัมพนั ธก์ บั ส่วนพร่องมวลอยา่ งไร

พลงั งานยดึ เหน่ียวตอ่ นิวคลีออนของนิวเคลียสมีความสัมพนั ธ์
กบั เสถียรภาพของนิวเคลียส อยา่ งไร