พลังงานนิวเคลียร์

รายงาน เรื่อง พลังงานนิวเคลียรŤ จัดทำโดย สามเณรธิติพงศŤ ทิพยŤมณีจรุณ ชั้นมัธยมศึกษาปŘที่ 5/1 เลขที่ 3 สามเณรเอกรินทรŤ พิมพŤหมื่น ชั้นมัธยมศึกษาปŘที่ 5/2 เลขที่ 4 สามเณรพิชามญชุŤ ชูเกลี้ยง ชั้นมัธยมศึกษาปŘที่ 5/2 เลขที่ 5 สามเณรธนวัฒนŤจนัธรรมมา ชั้นมัธยมศกึษาปŘที่ 5/2 เลขที่ 12 เสนอ อาจารยŤบัณฑิต ผŠองผงึ้ รายงานเลŠมนี้เปŨ นสŠวนหนึ่งของวิชากายภาพ (ฟŗสิกสŤ) ภาคเรียนที่ 2 ปŘการศึกษา 2566 โรงเรียนมหาวชิราลงกรณราชวิทยาลัย

ก คำนำ รายงานเลŠมนี้เปŨ นสŠวนหนึ่งของวิชาวิทยาศาสตรŤกายภาพ (ฟŗสิกสŤ) ชั้นมัธยมศึกษาปŘที่5 เพ่อืใหšไดšศึกษาหาความรูšในเรื่อง พลังงานนิวเคลียรŤ และไดšศึกษาอยŠางเขšาใจ เพื่อเปŨ นประโยชนกบัการเรียน หวังวŠารายงานเลŠมนี้ จะเปŨนประโยชนŤกับผูšอŠานหรือนักเรียน นักศกึษา ที่กำลังหาขšอมูลเรื่องนอี้ยŠ หากมีขูšอผิดพลาดประการใดขอนšอมรับและขออภัย มา ณ ที่นี้ดšวย จัดทำโดย สามเณรธติิพงศŤ ทิพยŤมณีจรุณ สามเณรเอกรินทรŤพมิพŤหมื่น สามเณรพิชามญชุŤ ชูเกลี้ยง สามเณรธนวัฒนŤ จันธรรมมา

ข สารบัญ หัวขšอ หนšา คำนำ ก สารบัญ ข สารบัญ (ตŠอ) ค พลังงานนิวเคลยีรŤ 1 ชนิดของพลังงานนิวเคลยีร 1 Ť จำแนกพลังงานนิวเคลียรŤ 3 พลังงานในรูปแบบตŠางๆ 4 การคšนพบกัมมันตภาพรังสี 9 การเกิดกัมมันตภาพรังสี 11 ชนิดของกัมมันตภาพรังสี 11 สมบัติของกัมมันตภาพรังสี 11 ปฏิกิริยานิวเคลยีร 14 Ť เวลาครึ่งชีวิต 16 กฎการสลายตัว 18

ค สารบัญ (ตอŠ ) พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส 19 สรุปแรงยึดเหนี่ยว 22 ปฏิกิริยาฟŗชชนัและปฏิกิริยาฟŗวชัน 23 ปฏิกิริยาฟŗชชนั 24 ปฏิกิริยาฟŗวชัน 26 บรรณานุกรม 27

1 พลังงานนิวเคลียรŤ พลังงานนิวเคลียรŤเปŨนพลังงานที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และมนุษยŤสามารถสรšาง หรือผลิตขึ้นมาเอง ไดšพลังงานนิวเคลียรŤที่เกิด ขึ้นเองตามธรรมชาติ ไดšแกŠ ปฏิกิริยาฟŗวชัน ซึ่งเกิดขึ้นบนดวงอาทิตยŤ และดาวฤกษŤ สŠวนพลังงานนิวเคลียรŤที่มนุษยŤสามารถผลิตขึ้นมา ไดšแกŠ เครื่องปฏิกรณŤปรมาณู เครื่องเรŠงอนุภาค สารไอโซโทป และระเบิดปรมาณู พลังงานนิวเคลียรŤสามารถ ปลดปลŠอยออกมา ในรูปของอนุภาค และรังสี เชŠน รังสแีกมมา อนุภาคเบตา อนุภาคแอลฟา และอนุภาคนิวตรอน พรšอมกับปลŠอยพลังงานอื่นๆออกมาดšวย เชŠน พลังงานความรšอน พลังงานแสง พลังงานรังสี พลังงานกล และพลังงานอื่น ๆ ชนิดของพลังงานนิวเคลียรŤ พลังงานที่ถูกปลŠอยออกมาจากแรŠกัมมันตภาพรังสี จะปลŠอยออกมาเมื่อมีการแยกหรือ การรวม หรือเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสภายในอะตอม ซึ่งเรียกวŠา ปฏิกิริยานิวเคลียรŤ แบŠงไดšเปŨน 4 ชนิด คือ 1.ปฏิกิริยาฟŗชชัน (Fission) เปŨนพลังงานที่เกิดจากการแตกตัว หรือแยกตัวของธาตุหนัก เชŠน ยูเรเนียม พลูโตเนียม เมื่อถูกชนดšวยอนุภาคนิวตรอน เชŠน ระเบิดปรมาณู 2.ปฏิกิริยาฟŗวชัน (Fussion) เปŨนพลังงานที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุเบา เชŠน การรวมตัวของธาตุ H กับ He บนดวงอาทิตยŤ 3.ปฏิกิริยาที่เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี(Redioactivity) ไดšแกŠ ยูเรเนียม เรเดียม พลูโตเนียม ฯลฯ ธาตุเหลŠานี้จะปลดปลŠอยรังสีและอนุภาคตŠาง ๆ ออกมา เชŠน อนุภาค แอลฟา อนุภาคเบตา รังสีแกมมา และอนุภาคนิวตรอน

2 4.ปฏิกิริยาที่ไดšจากเคร่อืงเรŠงอนุภาคที่มีประจุ (Particale Accelerrator) เชŠน โปรตอนอิเลก็ตรอน ดิวทีเรียม และอัลฟา รูปแบบของพลังงานนิวเคลียรŤ ถูกจัดแบŠงออกไดš เปŨน 3 ประเภท ตามลักษณะวิธีการปลดปลŠอยพลังงานออกมา คือ 1.พลังงานนิวเคลียรŤที่ถูกปลดปลŠอยออกมาในลักษณะเฉียบพลัน เปŨนปฏิกิริยานิวเคลียรŤ ที่ควบคุมไมŠไดš (Uncontrolled nuclear reactions) พลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มสูงขึ้นอยŠางรวดเร็ว เปŨนเหตุใหšเกิดการระเบิด (Nuclear explosion) สิ่งประดิษฐŤที่ใชšหลักการเชŠนนี้ ไดšแกŠ ระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) หรือระเบิดไฮโดรเจน และหัวรบนิวเคลียรŤแบบตŠาง ๆ (ของอเมรกิาเรยีกวŠาจรวด Pershing, ของรสัเซียเรียกวŠา จรวด SS-20) 2.พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤ ซึ่งควบคุมไดš ในปŦจจุบันปฏิกิริยานิวเคลยีรŤ ซึ่งควบคุมไดšตลอดเวลา (Controlled nuclear reaction) ซึ่งมนุษยŤไดšนำเอาหลักการ มาพัฒนาขึ้นจนถึงขั้นที่นำมาใชšประโยชนŤในระดับขั้นการคšาหรือบริการสาธารณูปโภคไดšแลšว มีอยูŠแบบเดียว คือ ปฏิกิริยาฟŗชชันหŠวงโซŠของไอโซโทปยูเรเนียม -235 และของไอโซโทปที่แตกตัวไดš (Fissile isotopes) อื่น ๆ อีก 2 ชนิด (ยูเรเนียม -233 และพลูโตเนียม -239) สิ่งประดิษฐŤ ซึ่งทำงานโดยหลักการของปฏิกิริยาฟŗชชันหŠวงโซŠของเชื้อเพลิงนิวเคลียรŤ ซึ่งมีที่ใชšกันอยŠางแพรŠหลายอยูŠ ในปŦจจุบัน ไดšแกŠ เครื่องปฏิกรณŤนิวเคลยีรŤหรือเคร่อืงปฏิกรณŤปรมาณู (Nuclear reactors) 3.พลังงานนิวเคลียรŤจากสารกัมมันตรังสี สารกัมมันตรงัสีหรือสารรงัสี(Radioactive material) คือสารที่องคŤประกอบสŠวนหนึ่งมีลักษณะ เปŨนไอโซโทปที่มโีครงสรšางปรมาณูไมŠคงตัว (Unstable isotipe) และจะสลายตัวโดยการปลดปลŠอย พลังงานสŠวนเกินออกมาในรูปของรังสแีอลฟา รังสบีีตา รังสีแกมมา หรือรังสีเอกซŤรูปใดรปูหนึ่ง หรือมากกวŠาหนึ่งรูปพรšอม ๆ กัน ไอโซโทปที่มีคุณสมบัติดังกลŠาวนี้เรียกวŠา ไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือไอโซโทปรังสี(Radioisotope)

3 พลังงานนิวเคลียรŤจำแนกออกเปŨน 3 ประเภท ตามลักษณะการปลดปลŠอยพลังงาน 1. พลังงานนิวเคลียรŤในลักษณะเฉียบพลัน หมายถึง พลังงานที่ถูกปลดปลŠอยออกจาก ปฏิกิริยานิวเคลียรŤที่มนุษยŤไมŠสามารถควบคุม โดยหลังจากปฏิกิริยาดังกลŠาว จะกŠอใหšเกิด พลังงานปริมาณมหาศาลที่มีการเพิ่มระดับขึ้นอยŠางรวดเร็วและตŠอเนื่อง และนำไปสูŠการระเบิด อยŠางรุนแรง (Nuclear explosion) เชŠน ระเบิดปรมาณู (Atomic Bomb) หรือระเบิดไฮโดรเจน รวมถึงหัวรบนิวเคลียรŤประเภทตŠาง ๆ ระเบิดปรมาณูถูกใชšในสงครามโลกคร้งัที่2 / ภาพถŠาย WikiImage 2. พลังงานนิวเคลียรŤในการควบคุม หมายถึง พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤที่มนุษยŤสามารถ ควบคุมไดšตลอดเวลา เชŠน พลังงานจากปฏิกิริยาฟŗชชันของยูเรเนียม -235 หรือพลูโทเนียม -239 ซึ่งถูกนำมาพัฒนาและนำมาใชšประโยชนŤในดšานตŠาง ๆ ทั้งในระดับการคšา การบริการสาธารณูปโภค รวมถึงการผลิตไฟฟŜา จากเคร่อืงปฏิกรณŤนิวเคลียรŤหรือเคร่อืงปฏิกรณŤปรมาณู (Nuclear Reactor)

4 3. พลังงานนิวเคลียรŤจากสารกัมมันตรังสี หมายถึง พลังงานจากการสลายตัว ของสารกัมมันตรังสหีรือสารรังสี(Radioactive Material) ซึ่งเปŨนสสาร ที่มีองคŤประกอบสŠวนหนึ่งไมŠเสถียร สามารถสลายตัวโดยการปลดปลŠอยพลังงานสŠวนเกิน ออกมาในรูปของรังสีชนิดตŠาง ๆ เชŠน รังสีแอลฟา รังสีเบตา รังสีแกมมา หรือรังสีเอกซŤ เปŨนตšน พลังงานในรูปแบบตŠางๆ พลังงานนิวเคลียรŤเปŨนพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของอะตอม ของธาตุบางธาตุ พลังงานนิวเคลียรŤสามารถปลดปลŠอยรังสี และอนุภาคตŠางๆ เชŠน รังสเีอกซŤ รังสีแกมมา อนุภาคแอลฟา อนุภาคบีตา อนุภาคโปรตอน และถšามีการปลดปลŠอย อนุภาคอิเล็กตรอน ที่อยูŠรอบนิวเคลียสดšวย ถือวŠาเปŨนการเปลี่ยนแปลงของอะตอม ซึ่งมีชื่อภาษาไทยวŠา ปรมาณู จึงเรยีกพลังงานชนิดนี้วŠา พลงังานปรมาณู พลังงานนิวเคลียรŤมีทั้งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เชŠน ในดวงอาทิตยŤ ในพื้นดิน และที่เกิดจากการกระทำของมนุษยŤ พลังงานนิวเคลียรŤนอกจากสามารถปลดปลŠอยออกมาในรูปของรังสีและอนุภาค ซึ่งบางคร้ัง เราเรยีกรวมๆ กันวŠา รังสี ตามที่กลŠาวมาแลšว ยังสามารถปลดปลŠอยพลังงานชนิดอื่น ออกมาดšวย เชŠน พลังงานความรšอน พลังงานแสง วิธีการปลดปลŠอยพลังงานมี 3 ลักษณะ คือ พลังงานนิวเคลียรŤ ที่ถูกปลดปลŠอยออกมาในลักษณะเฉียบพลัน พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤซึ่งควบคุมไดš และพลังงานนิวเคลียรŤจากสารกัมมันตรังสี เราจึงเลือกใชšลักษณะการปลดปลŠอยพลังงานใหšเหมาะสม กับการใชšงาน เชŠน การปลดปลŠอยแบบเฉียบพลัน ใชšในการขุดหลุมลึกขนาดใหญŠ การขุดทำโพรงใตšดิน สำหรบัการกระตุšนแหลŠงน้ำมันหรือกŢาซธรรมชาติพลังงานนิวเคลยีรŤที่ควบคุมไดš เชŠน เครื่องปฏิกรณŤปรมาณู หรือเคร่อืงปฏิกรณŤนิวเคลียรŤ ที่ใชšผลิตสารกัมมันตรังสี และโรงไฟฟŜานิวเคลียรŤ

5 โรงไฟฟŜานิวเคลียรŤที่แสดง ใหšเห็นปลŠองละอองน้ำจาก เคร่อืงหลŠอเย็น ที่ประเทศ สวิตเซอรŤแลนดŤ ประเทศไทยเปŨนประเทศแรก ในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใตšที่มีเคร่อืงปฏิกรณŤปรมาณูวิจัย โดยมีการใชšประโยชนŤ จากเครื่องปฏิกรณŤปรมาณูวิจัยดังกลŠาวนี้ ในดšานตŠางๆ คือ การวิจัยดšานนิวเคลียรŤฟŗสิกสŤ อันไดšแกŠ ปฏิกิริยานิวเคลียรŤ ที่เกิดจากนิวตรอน ในนิวเคลียสของธาตุ ตŠางๆ -งานผลิตไอโซโทปรังสี เพื่อใชšในการแพทยŤ โดยการใชšรังสีจากไอโซโทป สำหรับการตรวจวินิจฉัยโรค และการบำบัดรกัษาโรค -งานถŠายภาพวัสดุ เพื่อการถŠายภาพดูลกัษณะภายในของวัสดุวŠา เปŨนโพรง มีฟองอากาศ รอยรšาว รอยรั่ว โดยไมŠตšองทำลายชิ้นงาน -งานเปลี่ยนสีของอัญมณี เชŠน พลอยประเภทโทแพซ และทัวรŤมาลีน เพื่อเพิ่มมูลคŠา

6 ไดšมีการนำรังสีหรือสารกัมมันตรังสีโดยใชšเทคโนโลยีนิวเคลียรŤที่ไดšมีการคิดคšน และปรับปรุง เพื่อประโยชนŤในดšานตŠางๆ คือ การแพทยŤ และอนามัย อุตสาหกรรม การเกษตร และสิ่งแวดลšอม ตัวอยŠางดังนี้ พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤซึ่งควบคุมไดš พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลยีรŤซึ่งควบคุมไดš ปŦจจุบัน ไดšมีการพัฒนาจนถึงขั้นที่นำมา ใชšประโยชนŤ ในระดับขั้นการคšา หรือการบรกิารสาธารณูปโภคไดšแลšว เชŠนปฏิกิริยานิวเคลียรŤฟŗชชันแบบหŠวงโซŠ ของไอโซโทป ยูเรเนียม-๒๓๕ และของไอโซโทป ที่แตกตัวไดš (fissile isotopes) อื่นๆ อีก 2 ชนิด คือ ยูเรเนียม-233 และพลูโตเนียม-239 ภาพเขียนแสดงภายในอาคารปฏิกรณŤนิวเคลียรŤ

7 สิ่งประดิษฐŤที่ทำงานโดยหลักการของปฏิกิริยาฟŗชชันแบบหŠวงโซŠของเชื้อเพลิงนิวเคลียรŤ ซึ่งมีใชšกันอยŠางแพรŠหลายในปŦจจุบัน ไดšแกŠ เครื่องปฏิกรณŤปรมาณูหรอืเครื่องปฏิกรณŤนิวเคลยีรŤ (nuclear reactor) และเนื่องจากเครื่องปฏิกรณŤนิวเคลยีรŤนี้ ใหšพลังงาน ความรšอนออกมาดšวย จึงนิยมเรียกกันวŠา เตาปฏิกรณŤ หรือเตาปรมาณู การที่มีผูšนิยมเรียกเครื่องปฏิกรณŤนิวเคลยีรŤวŠา “เตาปรมาณู” นั้น อาจกลŠาวไดšวŠา ถูกตšองตามแนวคิด เพราะเมื่อมองในแงŠของการใชšงานแลšว เครื่องปฏิกรณŤนิวเคลียรŤ ก็คือ ระบบอุปกรณŤที่ใชšปลดปลŠอย พลังงานที่ถูกกักไวšในแกนกลาง (นิวเคลียส) ของปรมาณู ของไอโซโทปทแี่ตกตัวไดš และใหšออกมา เปŨนพลังงานความรšอน และอนุภาคนิวตรอนซึ่งสามารถนำไปใชšใหšเกิดประโยชนŤ ไดšตŠอไป เครื่องปฏิกรณŤนิวเคลียรŤสามารถนำมาใชšประโยชนŤไดšดังนี้ 1. เครื่องปฏิกรณŤนิวเคลียรŤกำลัง (Nuclear Power Reactor) นำไปใชšสำหรับ การใชšพลังงานขับเคลื่อน โรงไฟฟŜานิวเคลียรŤ 2. เครื่องปฏิกรณŤนิวเคลียรŤวิจัย สำหรับผลิตอนุภาคนิวตรอน พลังงานนิวเคลียรŤจากสารกัมมันตรังสี รังสี (Ray หรือ Radiation) คือพลังงาน ที่แผŠออกมาจากตšนกำเนิด ในรูปของคลื่นแมŠเหล็กไฟฟŜา ไดšแกŠ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ แสงสวŠาง รังสีเอกซŤรังสแีกมมา และรังสีคอสมิก หรือในลักษณะของ อนุภาคที่มีความเร็วสูง เชŠน แอลฟา และบีตา เปŨนตšน

8 รังสีเกิดขึ้นไดš ทั้งจากธรรมชาติ และการกระทำของมนุษยŤ โดยแหลŠงที่กŠอใหšเกิดรังสีมากที่สุด ไดšแกŠ รังสีจากธรรมชาติอาทิสารกัมมันตรงัสีที่มีในพื้นดิน สินแรŠ และสิ่งแวดลšอมจากอากาศ ที่เราหายใจ ในอาหารที่เราบริโภคซึ่งเจือปนดšวยสารกัมมันตรังสตีามธรรมชาติแมšกระทั่งในรŠางกายของเรา นอกจากนั้น ในหšวงอวกาศก็มีรังสี ซึ่งนอก จากรังสีของแสงอาทิตยŤแลšว ก็ยังมีรังสี คอสมิก ที่แผŠกระจายอยูŠทั่วจักรวาลดšวย แหลŠงกำเนิดรงัสีที่มาจากการกระทำของมนุษยŤมีหลายรูปแบบ อาทิ จากการเดิน เครื่องปฏิกรณŤปรมาณู การระเบิดของระเบิดนิวเคลียรŤ การใชšเครื่องเรŠงอนุภาค และเคร่อืงเอกซเรยŤ รวมทั้งการผลิตสารกัมมันตรังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤตŠางๆ กัมมันตรังสี (radioactive) เปŨนคำคุณศัพทŤ หมายถึง “เกี่ยวขšองกับการแผŠรังสี” ตัวอยŠางเชŠน สารกัมมันตรงัสีหมายถึง วัสดุที่สามารถแผŠรังสีออกมาไดšดšวยตนเอง หรือกากกัมมันตรังสี หมายถึง ขยะหรือของเสียที่เจือปนดšวยสารกัมมันตรังสี

9 การคšนพบกัมมันตภาพรังสี ปลายคริสตŤศตวรรษที่ 19 ในปŘ ค.ศ. 1896 Henri Becquerel คšนพบวŠา เกลือของแรŠยูเรเนียม มีรังสีประหลาดสามารถทำใหšฟŗลŤมถŠายรูปดำไดšทำใหšเขาเปŨนคนแรกที่คšนพบกัมมันตภาพรังสี ซึ่งเปŨนปรากฏการณŤธรรมชาติซึ่งมีมาตั้งแตŠดึกดำบรรพŤ เบคเคอเรล เปŨนคนแรกที่ทำการทดลองเกี่ยวกับการแผŠรังสีเอกซŤจากสารชนิดตŠาง ๆ โดยการนำฟŗลŤมถŠายรูปหŠอสารประกอบยูเรเนียมแลšวใชšกระดาษหŠอทับไวšอีกชั้นหนึ่งเพื่อไมŠใหšแสงเขšา เมื่อนำชุดการทดลองไปวางไวšกลางแจšงใหšรับความรšอนจากแสงแดด แลšวนำฟŗลŤมไปลšางพบวŠาฟŗลŤม จะดำทุกครั้งตอนแรกเบคเคอเรลคิดวŠาการดำของฟŗลŤมเกิดจากรังสีเอกซŤที่แผŠออกมาจาก สารประกอบยูเรเนียม เมื่อถูกความรšอนจากแสงแดด แตŠมีครั้งหนึ่งเขาลืมชุดการทดลองไวšในลิ้นชัก (จึงไมŠถูกแสงเลย) ปรากฏวŠาฟŗลŤมที่หŠอชุดการทดลองดำคลšาย ๆ กับฟŗลŤมที่ถูกแสง เมื่อทำการทดลองหลาย ๆ ครั้งผลที่ปรากฏเปŨนเชŠนเดิม และยังพบวŠารอยดำจะมากหรือนšอย ขึ้นอยูŠกับจำนวนอะตอมในสารประกอบรังสีที่แผŠออกมานี้มีสมบัติเหมือนกับรังสีเอกซŤ กลŠาวคือ มีความเขšมนšอยกวŠารังสีเอกซŤ และแผŠออกมาตลอดเวลาโดยไมŠจำเปŨนตšองมีโฟตอนของแสงภายนอก มาใหšพลังงาน ทั้งยังทำใหšอากาศแตกตัวเปŨนอิออนไดšดีกวŠารังสเีอกซŤรังสดีังกลŠาวไดšชื่อวŠา กัมมันตภาพรังสี และธาตุที่แผŠรังสีนี้ออกมาเรียกวŠา ธาตุกัมมันตรังสี ภาพโรงงานพลังงานนิวเคลียรŤ

10 มาดามคูร่ีเชื่อวŠารังสปีระหลาดมาจากธาตุเคมีในแรŠยูเรเนียม และไดšทำการทดลองคšนควšาอยŠางอดทน จนพบและแยกธาตุนั้นออกไดš แลšวใหšชื่อวŠา เรเดียม ซึ่งแปลวŠา ธาตุสŠองแสง สมบัติที่นŠาทึ่งของเรเดียม คือ ความสามารถในการปลŠอยพลังงานออกมาในสภาพรังสไีดšตลอดเวลา เมื่อไดšศึกษาการปลŠอยรังสี ของเรเดียมและยูเรเนียมอยŠางละเอียด พบวŠาเรเดียมมีน้ำหนักลดไปเลก็นšอยหลังจากทิ้งไวšนาน ๆ ค.ศ. 1899 รัทเธอรŤฟอรŤดพบวŠาธาตุยูเรเนียมแผŠรังสีไดš2 ชนิด และไดšตั้งชื่อรังสทีี่มีอำนาจ ทะลุทะลวงต่ำกวŠา รังสีแอลฟา และรังสทีี่มีอำนาจทะลุทะลวงสงูวŠา รังสีบีตา ค.ศ. 1900 วิลลารŤดพบรังสีแกมมา ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงสูงกวŠารังสบีีตา ค.ศ. 1900 เบคเคอเรล พบวŠารังสบีีตาคืออนุภาคอิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงมาก ค.ศ. 1903 แรมเชยŤ และซอดดี พบวŠารังสแีอลฟาคืออะตอมของฮีเลียมที่ขาดอิเล็กตรอน ไป 2 ตัว หรือนิวเคลียสของฮีเลียม และรังสีแกมมาคือคลื่นแมŠเหล็กไฟฟŜาที่มีความถี่สูงมาก (โดยมีความถี่สงูกวŠารังสเีอกซŤ) เลขมวล เลขอะตอมและสัญลักษณŤของ Nucleus นิวคลีออน คือ อนุภาคที่รวมกันอยูŠภายในนิวเคลียส ซึ่งหมายถึง โปรตอน (Proton, 1 1H) และนิวตรอน (Neutron, 0 1n) สัญลักษณŤของ Nucleus เขียนไดšเปŨน z AX X เปŨนสัญลักษณŤของ Nucleus นั้น A เปŨนเลขมวลของธาตุ หมายถึง จำนวน Nucleon ภายใน Nucleus หรือเปŨนเลขจำนวน เต็มที่มีคŠาใกลšเคียงกับมวล atom ในหนŠวย u ของธาตุนั้น Z เปŨนเลขอะตอม หมายถึง จำนวนโปรตอนภายใน Nucleus

11 การเกิดกัมมันตภาพรังสี 1. เกิดจากนิวเคลียสในภาวะพื้นฐานรับพลังงานจำนวนมากทำใหšนิวเคลียสกระโดดไปสูŠระดับ พลังงานที่สงูขึ้นกŠอนกลับสูŠภาวะพื้นฐาน Nucleus จะคายพลังงานออกในรปูโฟตอนที่มี พลังงานสูงยŠานความถี่รังสีแกมมา 2. เกิดจากการที่นิวเคลียสบางอัน อยูŠในสภาพไมŠเสถียร คือ มีอนุภาคบางอนุภาคมากหรือนšอย เกินไปลักษณะนี้นิวเคลียสจะปรับตัว คายอนุภาคแอลฟาหรือเบตาออกมา สมมติฐานของ Rutherford และ Soddy เกี่ยวกับการสลายตัวของธาตุกมัมันตรังสี 1. ธาตุกัมมันตรงัสีจะแตกตัวออกเปŨนสารใหมŠดšวยการปลดปลŠอยอนุภาคแอลฟาหรือบีตา, สารใหมŠที่ไดšจากการแตกตัวจะเปŨนอะตอมของธาตุใหมŠ ซึ่งมีสมบัติทางเคมีผิดแผกไปจาก อะตอมของธาตุเดมิและในบางครั้งอะตอมของธาตุใหมŠจะเปŨนธาตุกัมมันตรงัสีซึ่งสามารถ แยกกัมมันตรงัสีตŠอ ๆ ไปอีก 2. การสลายตัวที่เกิดขึ้นของธาตุกัมมันตรงัสีไมŠขึ้น กับอิทธิพลของสภาพแวดลšอมภายนอก ของนิวเคลียสเลย (เชŠน ความดัน, อุณหภูมิ) แตŠการสลายตัวนี้จะเปŨนไปตามหลักของทางสถิติ ที่เกี่ยวกับโอกาส และกระบวนการสุŠม และอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุ กัมมันตรังสี เปŨนสัดสŠวนโดยตรงกับจำนวนของนิวเคลียสที่พรšอมจะสลายตัว ชนิดของกัมมันตภาพรังสี กัมมันตภาพรังสีมี3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา (alpha) รังสีบีตา (Beta) และรังสแีกมมา (gamma) สมบัติของกมัมันตภาพรังสี รังสีแอลฟา (alpha) คือ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียมซึ่งประกอบดšวยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค มีมวลประมาณ 4U และมีประจุ +2e โดยเฉลี่ย มีพลังงาน ประมาณ 4 – 10 MeV เมื่อเคลื่อนที่ผŠานอากาศจะทำใหšอากาศที่รังสีผŠานเกิดการแตกตัวเปŨนอิออน ไดšจำนวนมาก (เพราะอนุภาคแอลฟามีขนาดใหญŠและมีประจุมากกวŠารังสชีนิดอื่น

12 จึงเกิดชน และเหนี่ยวนำอะตอมของอากาศใหšแตกตวัไดšมาก) ทำใหšอนุภาครังสีแอลฟามีการสูญเสีย พลังงานอยŠางรวดเร็วจึงมีอำนาจการทะลุผŠานนšอย (สามารถวิ่งผŠานอากาศไปไดšไกลเปŨนระยะทาง ประมาณ 3-5 เซนติเมตรเทŠานั้น) ดังน้นัเพียงกระดาษแผŠนบาง ๆ ก็จะสามารถกั้นรงัสีชนิดนี้ ไมŠใหšผŠานไดš และจากมวลและประจุของอนุภาคแอลฟา รังสีบีตา (Beta) คือ อิเล็กตรอน เปŨนอนุภาคมีมวล , มีประจุไฟฟŜาลบ , เคลื่อนที่ดšวยความเร็วสูงมาก เกือบเทŠาความเร็วแสง , มีมวลนšอยมากเมื่อเทียบกับอำนาจทะลุทะลวงปานกลาง 1. การสลายตัวใหšบีตาบวก (หรือโพซิตรอน (positron)) เกิดจากการที่ proton 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเปŨน Neutron 1 ตัว ทำใหšNucleus ใหมŠที่เกิด มีเลข atom ลดลง 1 แตŠเลขมวลคงเดิมพรšอมกับใหšโพซิตรอนออกมา 2. การสลายตัวใหšบีตาลบ (หรือ electron) เกิดจากการที่ neutron 1 ตัว ภายใน Nucleus เปลี่ยนสภาพกลายเปŨน proton 1 ตัว ภายใน Nucleus ทำใหšNucleus ที่เกิดใหมŠ มีเลข atom เพิ่มขึ้น แตŠเลขมวลคงเดิมพรšอมกับใหšอิเล็กตรอนออกมา เมื่อเคล่อืนที่ผŠานอากาศจะทำใหšอากาศแตกตัวเปŨนอิออนไดšแตŠนšอยกวŠารังสแีอลฟา และ สามารถวิ่งฝśาอากาศไดšเปŨนระยะทางประมาณ 1-3 เมตร รังสีบีตาจึงตšองใชšกระดาษหนา ๆ หรือแผŠนอะลูมิเนียมบาง ๆ กั้น ภาพความสามารถในการเคลื่อนที่ผŠานสิ่งกีดขวางของรังสี

13 รังสีแกมมา (Gamma rays) เปŨนคลื่นแมŠเหล็กไฟฟŜามีความยาวชŠวงคลื่นสั้นมาก , ความถี่สูง (มากกวŠารังสีX) มีความเร็วเทŠากับแสงในสุญญากาศ, มีอำนาจทะลวงสูง, ไมŠมีประจุไฟฟŜา (จึงไมŠเบี่ยงเบนในสนามไฟฟŜาหรือในสนามแมŠเหล็ก) ผŠานคอนกรีตหนา 1/3 เมตร ไดšเชŠนเดียว กับรังสีเอกซŤ เนื่องจากรังสีแกมมาเปŨนรังสีที่ไมŠมีมวลและประจุไฟฟŜา จึงทำใหšสสารที่รังสนีี้ผŠานเกิด การแตกตัวไดšนšอยมาก การสลายตัวใหšรังสีแกมมา (Gamma decay ) รังสีเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงาน ใน Nucleus ถšา Nucleus อยูŠในระดับพลังงานสูงกŠอนที่จะกลับสูŠภาวะพื้นฐาน Nucleus จะตšองคายพลังงานออกในรูปของรังสีGamma ธรรมชาติของกัมมันตรังสี 1. ทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่ฉาบไวšที่ฟŗลŤมถŠายรูป เชŠนเดียวกับแสง 2. ทำใหšเกิดประจุไฟฟŜาขึ้นโดยรอบในอากาศเพราะรังสีทำใหšอะตอมของอากาศเกิด Ionization 3. ทำใหšเกิดการเรืองแสงขึ้นที่สารบางชนิดไดš 4. มีผลทางกายภาพตŠอสิ่งมีชีวิต เชŠน สามารถฆŠาแบคทีเรียไดš 5. จะแผŠรังสีอยูŠตลอดเวลาและตัวเองจะเปลี่ยนเปŨนธาตุอื่น ตามเวลาที่เปลี่ยนไป การตรวจสอบรังสี 1. ใชšฟŗลŤมถŠายรูปซึ่งเรียกวŠา Film Badges เปŨนกลักสี่เหลี่ยมบรรจุฟŗลŤมไวš 2. ใชšElectroscope (ถšาเปŨน Dosimeter จะบอกปริมาณรงัสีบนสเกลดšวย) 3. Geiger – Muller Counter

14 ปฏิกิริยานิวเคลียรŤ ปฏิกิริยานิวเคลียรŤ คือ กระบวนการเกิดการเปลี่ยนแปลงองคŤประกอบที่นิวเคลียส โดยทั่วไปปฏิกิริยา นิวเคลยีรŤเกิดจากการยิงอนุภาคตŠาง ๆ เชŠน นิวตรอน , โปรตอน , ดิวเทอรอน , แอลฟา ที่ถูกเรŠง ใหšมีความเร็วสูง ชนเปŜาซึ่งเปŨนนิวเคลียสของธาตุ ทำใหšเปลี่ยนองคŤประกอบของนิวเคลยีสเดิม หรือ เกิดนิวเคลียสของธาตุใหมŠขึ้น เชŠน ยิงดิวเทอรอนไปที่ C – 12 12 6C + 2 1H -----> 13 7N + 1 0n ปฏิกิริยานี้ อนุภาคที่วิ่งเขšาชน คือ 2 1H นิวเคลียสที่เปŨนเปŜา คือ 12 6C นิวเคลียสของธาตุใหมŠ คือ 13 7N อนุภาคที่เกิดขึ้นมา คือ 1 0n จึงเขียนเปŨนสมการไดšวŠา x + a ---> y + b หรือเขียนยŠอ ๆ วŠา x (a , b) y และเรยีกชื่อ ปฏิกิริยานี้วŠา (a , b) ของนิวเคลียส x ดังนั้น สมการตอนแรก ยŠอมเรยีก ชื่อปฏิกิรยิาวŠา (d , n) ของนิวเคลียส 12 6C การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียรŤ ตšองเปŨนไปตามหลกัดังนี้ 1. หลักการคงที่ของจำนวนนิวคลีออน คือ ผลบวกของเลขมวลกŠอนและหลังปฏิกิริยาตšองเทŠากัน 2. หลักการคงที่ของประจุไฟฟŜา

15 3. หลักการคงที่ของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและพลังงานกŠอนปฏิกิริยา กับหลังปฏิกิริยาตšองเทŠากัน 4. หลักการคงที่ของโมเมนตัมเชิงเสšน ไอโซโทปของไฮโดรเจนมี 3 ชนิด ไดšแกŠ 1. ไฮโดรเจนธรรมดามีอยูŠ99.985 เปอรŤเซ็นตŤ ในธรรมชาติ มีมวล 1.0078 u 2. ดิวทีเรียม (Deuterium) มีอยูŠ0.015 เปอรŤเซ็นตŤ ในธรรมชาติ มีมวล 2.0141 u 3. ทริเตียม (Tritium) สŠวนใหญŠเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียรŤ มีมวล 3.0160 u เพื่อความสะดวกในการเรียก นักวิทยาศาสตรŤ นิยามตŠอไปนี้ 1. ใชšสัญลักษณŤA แทนจำนวนนิวคลอีอนในนิวเคลียส เรยีกวŠา mass number 2. ใชšสัญลักษณŤZ แทนจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งเทŠากับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม ดังนั้น Z คือ atomic number 3. ใหšn แทน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส 4. ทั้งโปรตอนและนิวตรอนเรียกรวม ๆ กันวŠา นิวคลีออน (nucleon) 5. นิวเคลยีสของอะตอมไฮโดรเจนปกติเรยีกวŠา โปรตอน (p) 6. นิวเคลยีสของดิวทีเรียม เรียกวŠา ดิวเทอรอน (deuteron , d) 7. นิวเคลยีสของทริเตียม เรียกวŠา ทรติอน (triton , t) 8. สัญลักษณŤที่ใชšแทนนิวไคลดŤ คือ A ZX ที่ควรทราบไดšแกŠ

16 1 1H หมายถึง ไฮโดรเจนนิวเคลียส หรือ โปรตอน 2 1H หมายถึง ดิวทีเรียมนิวเคลียส หรือ ดิวทีรอน 3 1H หมายถึง ทริเตียมนิวเคลียส หรือ ทริตอน 1 0n หมายถึงนิวตรอน 0 -1e หมายถึง อิเล็กตรอน 0 +1e หมายถึง โพสิตรอน 3 2H หมายถึง Helium -3 เปŨนไอโซโทปของฮเีลียม 4 2H หมายถึง นิวเคลียสของฮีเลียมปกติ เวลาครึ่งชีวิต เวลาคร่งึชีวิต คือเวลาที่สารนั้นใชšในการสลายตัวไปจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม สมมติสารกัมมันตรังสอียŠางหนึ่ง มีมวล No กิโลกรัม มีมวลคร่งึชีวิต = t ชั่วโมง หมายความวŠา ในเวลา t ชั่วโมง ตŠอไป จะเหลือ N0 /2 กิโลกรัม ในเวลา t ชั่วโมง ตŠอไป จะเหลือ (N0 /2)/2 = N0 /22 กิโลกรัม ในเวลา t ชั่วโมง ตŠอไป จะเหลือ (N0 /22 )/2 = N0 /23 กิโลกรัม ในเวลา n = ชŠวงของเวลาครึ่งชีวิต (Half life) จะเหลือ N0 /2n จะไดš N = N0 /2n N คือ มวลที่เหลือ N0 คือ มวลในตอนแรก

17 N คือ จำนวนชŠวงของ เวลาคร่งึชีวิต (Half Life) หมายเหตุถšาเวลาครึ่งชีวิตเปŨน T ชั่วโมง เวลา t ชั่วโมง จะเปŨนกี่ชŠวงของ เวลาครึ่งชีวิต (Half Life) T ชั่วโมง เปŨน 1 ชŠวง ดังนั้น t ชั่วโมง เปŨน t /T ชŠวง จะไดš จำนวนชŠวง เวลาครึ่งชีวิต (Half Life) (n) = t /T การคำนวณ เวลาครึ่งชีวิต (Half Life) ที่ไมŠเปŨนครึ่งหนึ่งพอดี ถšาเวลาครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสีเปŨน T วัน ดังนั้น จะไดšวŠา t วัน ยŠอมเปŨน t /T ชŠวง (ของเวลาคร่งึชีวิต (Half Life)) N = N0 /2n N/N0 = 1/2n = (1/2) n จะไดš N/N0 = (1/2)t/T

18 กฎการสลายตัว การสลายตัว คือ การที่นิวเคลียสของสารอยูŠในสภาวะถูกกระตุšน จะปลŠอยอนุภาคออกมาแลšว เปลี่ยนเปŨนนิวเคลียสของธาตุใหมŠ กัมมันตภาพ (Activity) คือ อัตราการสลายตัวของสารกัมมันตรงัสี ค.ศ. 1902 รัทเทอรŤฟอรŤดและซอดดี (Soddy) ไดšตั้งกฎการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี วŠา การสลายตัวของนิวเคลียสนั้น ไมŠสามารถบอกไดšวŠานิวเคลียสตัวใดจะสลายตัวเมื่อใด บอกไดšเพียงความนŠาจะเปŨน (Probability) ของการสลายตัวของนิวเคลียสเทŠานั้น อยŠางไรก็ตาม พบวŠา การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีจะเปŨนไปตามหลักสถิติของโอกาส และกระบวนการสุŠม คือ ในขณะที่จำนวนนิวเคลียสธาตุกัมมันตรงัสีนั้นมีอยูŠมากนิวเคลียสที่สลายตัว จะมีจำนวนมากและเมื่อจำนวนนิวเคลียสมีอยูŠนšอย นิวเคลียสที่สลายตัวก็จะมีจำนวนนšอย นิวเคลยีสจะไมŠไดšสลายตัวพรšอมกันหมด แตŠทุก ๆ นิวเคลียสจะมีโอกาสในการสลายตัวเทŠา ๆ กัน ดังนั้นที่เวลาหนึ่ง ๆ อัตราการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรัง จะแปรผันโดยตรงกับ จำนวนของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสชีนิดนั้นที่มีอยูŠในขณะนั้น ถšาใหšที่เวลา t ใด ๆ มีจำนวนนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสอียูŠจำนวน N นิวเคลียส (อะตอม) เมื่อเวลาผŠานไปชŠวงเวลาสั้น ๆ เปŨน Δt มีนิวเคลยีสสลายตัวไปเปŨนจำนวน ΔN (ในชŠวงเวลา Δt นั้น) อัตราการสลายตัว คือ จำนวนนิวเคลียสที่สลาย (ΔN) ตŠอเวลาที่ใชš (Δt) จะแปรผนัตรงกับจำนวน นิวเคลยีส (N) ขณะนั้น อัตราการสลายตัว = ΔN/Δt แปรผันตรงกับ N หรือเขียนเปŨนสมการไดšคือ ΔN/Δt = - λN เมื่อ λ คือ คŠาคงตัวของการสลายตัวของนิวเคลียสธาตุกัมมันตรังสี (ซึ่งจะขึ้นกับชนิดของธาตกุัมมันตรังสีหนึ่ง ๆ) เรียกวŠา คŠาคงตัวการสลายตัว

19 (decay constant หนŠวยเปŨนตŠอวินาที หรือ s -1) สŠวนเคร่อืงหมายลบ ในสมการแสดงถึง การสลายตัวที่เปŨนการเปลี่ยนแปลงแบบลดจำนวนลงของนิวเคลยีส นักวิทยาศาสตรŤ พบวŠา มีชŠวงเวลาอันหนึ่ง เปŨนชŠวงเวลาที่คงที่สำหรับการสลายตัว ของธาตุกัมมันตรังสีคือ เวลาที่จะทำใหšธาตุกัมมันรังสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งตšน (คือ เปŨนเวลาที่จะทำใหš m = m0 /2) ชŠวงเวลาดังกลŠาวนี้จะเรยีกวŠา เวลาครึ่งชีวิต Half Life ใชšสัญลักษณŤเปŨน (T1/2) กลŠาวคือ เมื่อเวลาผŠานไปเทŠากับเวลาครึ่งชีวิต (t = T1/2 ) จะทำใหš ธาตุกัมมันตรงัสีสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของจำนวนตั้งตšน (m = m0 /2) และเวลาครึ่งชีวิต จะสัมพันธŤกับคŠาคงที่การสลายตัวตามสูตร T1/2 = 0.693/ λ และเนื่องจากคŠาคงตัวการสลายเปŨนคŠาคงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสชีนิดหนึ่ง ๆ ดังนั้น ชŠวงเวลาครึ่งชีวิต (T1/2) จึงตšองเปŨนคŠาที่คงที่สำหรับธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง ๆ ดšวย กลŠาวคือ ไมŠวŠาจำนวนธาตุกัมมันตรังสีเร่มิตšนจะเปŨนเทŠาไรชŠวงเวลาที่จะสลายจนเหลือคร่ึงหนึ่งของจำนวน เร่มิตšนนั้นจะเทŠากันเสมอ เชŠน ถšามีกัมมันตรังสชีนิดหนึ่งเร่มิตšนมีอยูŠ 200 หนŠวย สลายตัวจนเหลือคร่งึหนึ่ง คือ 100 หนŠวย จะใชšเวลาเทŠากันกับ การสลายตัวจาก 100 หนŠวย ไปจนเหลือครึ่งคือ 50 หนŠวย และจะใชšเวลาเทŠากันกับการสลายตัวจาก 50 หนŠวยไปจนเหลือครึ่ง คือ 25 หนŠวย (ชŠวงเวลาดังกลŠาวจึงเรียกวŠา เวลาครึ่งชีวิต) พลังงานยึดเหนี่ยวของนวิเคลียส เมื่อเราใหšพลังงานที่พอเหมาะแกŠนิวเคลยีส จะสามารถทำใหšนิวคลีออนที่ประกอบเปŨนนิวเคลยีสนั้น แยกตัวออกจากกันเปŨนอนุภาคเด่ยีว ๆ เมื่ออนุภาคโปรตอน และนิวตรอน (ซึ่งเปŨนนิวคลีออน) เกิดการรวมตัวกันขึ้นเปŨนนิวเคลียสของอะตอมก็จะเกิดการคายพลังงานสŠวนหนึ่งออกมา พลังงานที่ทำใหšนิวเคลียสแยกตัวออกและพลังงานที่คายออกมาเมื่อนิวคลีออนรวมตัวเปŨนนิวเคลยีส จะมีคŠาเทŠากัน คŠาพลังงานนี้เรยีกวŠา พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding energy, BE.) จะพบวŠาจากการที่ไดšศึกษาพลังงานยึดเหนี่ยวจะทำใหšเราทราบวŠาพลังงานยึดเหนี่ยวเกิดขึ้น ไดšอยŠางไร ก็พบวŠาเมื่อเปรียบเทียบมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมตัวกันเพื่อเกิดเปŨนนิวเคลยีส กับมวลของนิวเคลียสที่เกิดจากการรวมตัวนั้น มีคŠาไมŠเทŠากัน กลŠาวคือ มวลของโปรตอนและนิวตรอน

20 ที่รวมกันจะมีคŠามากกวŠามวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวนั้นเสมอ แสดงวŠาการรวมกัน ของนิวคลีออนเพื่อเกิดเปŨนนิวเคลยีสจะมีมวลสŠวนหนึ่งหายไป มวลที่หายไปนี้เรียกวŠา มวลพรŠอง (mass defect ใชšสัญลักษณŤยŠอเปŨน Δm) ซึ่งมวลที่หายไปนี้ไอนŤสไตนŤอธิบายวŠา จะเปลี่ยนไปเปŨนพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาที่วŠา E = mc2 และพลังงานที่ไดšนี้ก็คือ พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนที่ประกอบกันเปŨนนิวเคลียสนั่นเอง พิจาณานิวเคลยีสธาตุ A ZX ที่มีเลขมวล A เลขอะตอม Z นิวเคลยีสนี้ประกอบดšวยโปรตอน Z ตัว และนิวตรอนจำนวน (A – Z) ตัว เขียนเปŨนปฏิกิริยาการรวมตัวของโปรตอน และนิวนิวตรอน เกิดเปŨนนิวเคลียส X คือ Z(1 1H) + (A –Z) 1 0n ---> A ZX ถšาใหšโปรตอนมีมวล mp ใหšนิวตรอนมีมวล mn และนิวเคลียสธาตุ X มีมวล mx มวลพรŠอง หรือมวลที่หายไปในการรวมตัวของโปรตอนกับนิวตรอนเพื่อเปŨนนิวเคลียส X จะเทŠากับมวลรวม ของโปรตอนกับนิวตรอน ลบดšวยมวลนิวเคลยีส เขียนเปŨนสมการ คือ Δm = (Z(mp ) + (A – Z) mn ) - mx มวลพรŠอง ที่เกิดขึ้นจะกลายเปŨนพลังงานที่คายออกมา ซึ่งจะเปŨนพลังงานยึดเหนี่ยว (BE.) ของนิวเคลียสตามสมการ BE. = (Δm) c2 เมื่อ c คือความเร็วแสง = 3 x 108 m/s หมายเหตุ จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอนŤสไตนŤ มวลและพลังงานสามารถจะเปลี่ยนรูปกันไดš ตามความสัมพันธŤ E = mc2 เมื่อ c คือความเรว็แสงในสุญญากาศ

21 นั่นคือ ถšามีมวล m = 1 กิโลกรัม หายไปจะกลายเปŨนพลังงานที่มีคŠา E = (1) (3 x 108 ) 2 = 9 x 1016 จูล ในทำนองกลับกัน พลังงานจำนวน 9 x 1016 จูล ถšาหายไปก็จะกลายเปŨนมวลขนาด 1 กิโลกรัม แตŠในระดับของอะตอม มวลที่หายไปจะนšอยมากมีหนŠวยเปŨน u (unified atomic mass unit) จึงอาจคิดคŠาพลังงานเทียบกับมวลในหนŠวยของ u คือ สำหรับมวล 1 u = 1.6605 x 10-27 กิโลกรัม เมื่อเปลี่ยนกลายเปŨนพลังงานจะเทียบเทŠากับพลังงาน E = (1.6605 x 10-27) (2.9979 x 108 ) 2 = 1.4923 x 10-10 จูล เมื่อเปลี่ยนเปŨนหนŠวย eV; E = (1.4923 x 10-10)/(1.6022 x 10-19) = 931.44 x 106 = 931 MeV ดังนั้น มวล 1 u จะเทียบเทŠากับพลังงานประมาณ 931 MeV ดังนั้นถšามีมวล (Δm) u หายไปจะกลายเปŨนพลังงานตามความสัมพันธŤ BE. = (Δm) (931) MeV

22 สิ่งที่ควรรูš คŠามวลที่นำมาคำนวณคŠาพลังงานยึดเหนี่ยวนั้น (Δm) จะตšองเปŨนมวลของนิวเคลียสจริง ๆ (คือมวลอะตอมลบดšวยมวลอิเล็กตรอนในอะตอมนั้น) แตŠในทางปฏิบัติเราสามารถใชšมวลอะตอม มาคำนวณไดšเลย เพราะในการรวมตัวนั้นทั้งสองขšางสมการจะตšองมีประจุเทŠากันคือมวลอะตอม ทั้งสองขšางจะถูกลบดšวยอิเล็กตรอนในจำนวนที่เทŠากัน ทำใหšการนำมวลอะตอมมาคำนวณ จึงไมŠตŠางกับการนำมวลนิวเคลียสมาคำนวณ จากการคำนวณคŠาพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลยีสธาตุตŠาง ๆ พบวŠา คŠาพลังงานยึดเหนี่ยว จะแปรผันตรงกับจำนวนนิวคลอีอนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงวŠานิวคลีออนที่เพิ่มขึ้นจะไมŠทำใหšความสัมพันธŤ ระหวŠางนิวคลอีอนเดิมเปลี่ยนแปลง ทำใหšไดšขšอสรุปวŠา แรงนิวเคลียรŤซึ่งเปŨนแรงยึดเหนี่ยวระหวŠาง นิวคลีออนในนิวเคลียสนั้น จะเปŨนแรงที่กระทำเฉพาะนิวคลอีอนที่ติดกันเทŠานั้น (คือเปŨนแรงในชŠวงสั้น ๆ พšนจากระยะนี้แลšวอำนาจดึงดูดของแรงจะหมดไป) ดังน้นัการจะพิจารณาวŠา นิวเคลยีสใดมีเสถียรภาพมากกวŠากัน (นิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากคือ นิวคลีออนของนิวเคลียสหลุด ออกไปไดšยาก หรือตšองใชšพลังงานสูงในการแยกนิวคลีออน) จึงตšองพิจารณาจากพลังงานยึดเหนี่ยว ตŠอนิวคลีออนของนิวเคลียสนั้น นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวตŠอนิวคลีออนสูงกวŠาก็จะมีเสถียรภาพ มากกวŠา (แตกตัวไดšยากกวŠา) พลังงานยึดเหนี่ยวตŠอนิวคลีออน (BE./nucleon) = (พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส)/(จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส) สรุปพลังงานยึดเหนี่ยว(Binding Energy) การที่โปรตอนและนิวตรอนสามารถอยูŠกันไดšในนิวเคลียส เพราะมีพลังงานยึดเหนี่ยว 1. มวลของนิวเคลียสนšอยกวŠา ผลรวมของมวลโปรตอนและนิวตรอน (ในสภาพอิสระ) ที่ประกอบเปŨนนิวเคลยีสเสมอ 2. มวลสŠวนที่หายไป เรียกวŠา มวลพรŠอง (mass defect) 3. เทียบมวลเปŨนพลังงานไดšจาก E = mc2

23 ปฏิกิริยาฟŗชชันและปฏิกิริยาฟŗวชัน ในที่นี้จะขอกลŠาวถึงปฏิกิริยาของนิวเคลียส (Nuclear Reaction) กŠอน ซึ่งปฏิกริยิาของนิวเคลียส สŠวนมากเกิดจากการยิงอนุภาคแอลฟา โปรตอนและนิวตรอนเขšาไปชน Nucleus ทำใหšNucleus แตกออก ปฏิกิริยาของนิวเคลียส มีสŠวนสำคัญ คือ 1. ปฏิกิริยานิวเคลียรŤเกิดใน Nucleus ตŠางจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกิดกับ electron ภายในอะตอม เทŠานั้น 2. ปฏิกิริยานิวเคลียรŤตšองใชšพลังงานเปŨนจำนวนมากเพื่อทำใหšเกิดการเปลี่ยนแปลง Nucleus 3. แรงจากปฏิกิรยิานิวเคลียรŤเปŨนแรงแบบใหมŠเรียกวŠา แรง Nuclear ซึ่งมีอัตรกิรยิาสูง และอาณาเขตกระทำสั้นมากและแรงนี้เกิดระหวŠางองคŤประกอบของ Nucleus เทŠานั้น 4. ในปฏิกิริยานิวเคลียรŤเราสามารถนำกฎตŠาง ๆ มาใชšไดšเปŨนอยŠางดี คือ กฎการคงที่ของพลังงาน กฎทรงมวล และการคงที่ของประจุไฟฟŜา จากการศึกษาเรื่องของพลังงานนิวเคลียรŤของปฏิกิรยิานิวเคลียรŤ เราสามารถสรุปไดšวŠา ถšาผลรวมของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสกŠอนเกิดปฏิกิรยิามีคŠานšอยกวŠาผลรวม ของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส หลังเกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยานิวเคลียรŤนั้นจะเปŨนปฏิกิริยา ที่คายพลังงานใหšแกŠสิ่งแวดลšอม เมื่อพิจารณาความสัมพันธŤของพลังงานยึดเหนี่ยวตŠอนิวคลีออน กับเลขมวลนิวเคลียส ธาตุตŠาง ๆ ในธรรมชาติ จะแบŠงกลุŠมออกไดšเปŨน 3 กลุŠม คือนิวเคลียสขนาดเล็ก (เลขมวล 1 ถึง 50) นิวเคลียสขนาดกลาง(เลขมวล 51 ถึง 150) และ นิวเคลียสขนาดใหญŠ (เลขมวลมากกวŠา 150 ขึ้นไป) นิวเคลยีสขนาดกลางจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวตŠอนิวคลีออนมากกวŠา นิวเคลยีสขนาดใหญŠและนิวเคลยีสขนาดเล็ก ดังนั้นธาตุในธรรมชาติจะสามารถนำมา ทำใหšเกิดปฏิกิรยิานิวเคลียรŤแลšวคายพลังงานออกมาใหšเราไดš2 แบบ คือ 1. ทำใหšนิวเคลยีสขนาดใหญŠ เชŠน U – 235 แตกตัวออกเปŨนนิวเคลียสขนาดกลาง 2 นิวเคลียส เรยีกวŠา ปฏิกิริยานิวเคลียรŤแบบฟŗชชัน (fission)

24 2. ทำใหšนิวเคลยีสขนาดเล็ก เชŠน ไฮโดรเจน หรือดิวเทอเรียมรวมตัวกันเปŨนนิวเคลียสที่ใหญŠขึ้น เรยีกวŠา ปฏิกิริยานิวเคลียรŤแบบฟŗวชัน (fusion) ซึ่งปฏิกิริยาทั้ง 2 แบบขšางตšนจะเปŨนปฏิกิริยาคายพลังงาน เพราะเปŨนการเปลี่ยนนิวเคลียส ที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวนšอยไปเปŨนนิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวมาก หมายเหตุ การทำใหšนิวเคลยีสขนาดกลางแตกตัวเปŨนนิวเคลยีสขนาดเล็กจะไมŠเรยีกวŠาฟŗชชัน หรือการทำ ใหšนิวเคลยีสขนาดกลางรวมตัวเปŨนนิวเคลียสขนาดใหญŠก็จะไมŠเรยีกวŠา ฟŗวชัน เพราะ เปŨนปฏิริยาที่ดูดพลังงานจากสิ่งแวดลšอม ปฏิกิริยาฟŗชชัน ในปŘ พ.ศ. 2477 เฟอรŤมิ นักฟŗสิกสŤชาวอิตาลีไดšพบวŠา เมื่อยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียส ของยูเรเนียมจะทำใหšยูเรเนียมแตกตัวออกเปŨน 2 นิวเคลียสที่มีเลขมวลใกลšเคียงกัน พรšอมกับปลดปลŠอยพลังงานออกมาประมาณ 200 MeV ตŠอหนึ่งปฏิกิรยิา เราเรียกปฏิกิรยิา ที่มีนิวตรอนพุŠงชนนิวเคลียสของยูเรเนียม แลšวทำใหšนิวเคลยีสของยูเรเนียมแตกตัวเปŨน 2 นิวเคลียส ขนาดกลางนี้วŠา ปฏิกิริยานิวเคลียรŤแบบฟŗชชัน

25 สิ่งที่ควรรูš นิวตรอนที่จะทำใหšเกิดปฏิกิรยิาฟŗชชัน จะตšองมีพลังงานที่เหมาะสม ในกรณฟี ŗชชัน ของ U – 235 นี้ นิวตรอนตšองมีพลังงานต่ำประมาณ 1 eV. หรือนšอยกวŠา ภาพการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียรŤฟŗวชันบริเวณใจกลางดวงอาทิตยŤ ในการเกิดปฏิกิรยิาฟŗชชันแตŠละปฏิกิริยาจะไดšพลังงานประมาณ 200 MeV. พลงังานนี้ แมšจะมีคŠามากสำหรับอะตอมหรืออนุภาคเล็ก ๆ แตŠสำหรับในชีวิตประจำวันพลังงานนี้ถือวŠา นšอยมาก (200 MeV = 3.2 x 10-11 จูล) การจะใชšพลังงานจากปฏิกิริยาฟŗชชันจึงตšองทำใหšเกิดฟŗชชัน เปŨนจำนวน มาก ๆ ในเวลาเดียวกัน ซึ่งก็ตšองใชšจำนวนนิวตรอนเปŨนจำนวนมากดšวย (การจะทำใหšเกิดฟŗชชันไดตš šองยิงนิวตรอนไปยังนิวเคลียสเปŜาหมาย) และจากฟŗชชันของ U – 235 จะสามารถใหšนิวตรอนเกิดขึ้นอีก 2-3 ตัว ดังนั้นถšายิงนิวตรอนตัวแรกไปยังนิวเคลียสของ U – 235 เมื่อเกิดฟŗชชันจะเกิดนิวตรอนขึ้น 2-3 ตัว นิวตรอนเหลŠานี้จะถูกทำใหšพลังงานลดลงจนเหมาะสม แลšววิ่งชนนิวเคลียสของ U – 235 ขšางเคียง ทำใหšเกิดฟŗชชันตŠอไป ทำใหšเกิดนิวตรอนเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งจะวิ่งชนนวิเคียสของ U – 235 ขšางเคียงตŠอไป ทำใหšเกิดปฏิกิรยิาฟŗชชันอยŠางตŠอเนื่อง และมีจำนวนปฏิกิรยิาที่เพิ่มขึ้นเร่อืย ๆ เรียกวŠา เกิดเปŨนปฏิกิริยาลูกโซŠ (chain reaction) ทำใหšไดšพลังงานจำนวนมหาศาลในเวลาสั้น ๆ อยŠางไรก็ตามในการเกิดปฏิกิริยาฟŗชชัน นิวเคลียส ขนาดกลาง ที่ไดšสŠวนใหญŠเปŨนนิวเคลยีสกัมมันตรังสีซึ่งจะสลายตัวและแผŠรังออกมา กŠอใหšเกิดอันตรายไดšจึงตšองมีการควบคุมและเก็บรักษาไวšอยŠางดี

26 ปฏิกิริยาฟŗวชัน เปŨนปฏิกิริยาการรวมตัวของธาตุเบา คือ ไฮโดรเจน ทำใหšเกิดเปŨนนิวเคลยีสที่ใหญŠขึ้น ปฏิกิริยาการรวมตัวแบบฟŗวชันของไฮโดรเจนนี้จะเกิดไดšตšองใชšอุณหภูมิสงูมาก (มากกวŠาลšานองศาเซลเซยีส) เพราะนิวเคลียสเปŨนประจุบวกจะผลกักันไมŠสามารถมารวมกันไดšงŠาย ๆ การจะใหšนิวเคลียสรวมกันไดšตšองทำใหšนิวเคลยีสมาอยูŠใกลš ๆ เปŨนระยะนšอยกวŠา 10-15 เมตร เพื่อใหšเกิดแรงนิวเคลียรŤยึดอนุภาคของนิวเคลียสเขšาไวšดšวยกัน และเชื่อกันวŠาดาวฤกษŤและดวงอาทิตยŤ ผลิตพลังงานจำนวนมหาศาลดšวยวิธีการแบบนี้ และในหšองปฏิบัติการบนโลกมนุษยŤ ปฏิกิริยาฟŗวชัน ที่ทำไดšคือ การรวมตัวของดิวเทอเรียมไปเปŨนฮีเลยีม จากความรูšเกี่ยวกับปฏิกิริยาฟŗชชันและปฏิกิริยาฟŗวชัน ซึ่งเปŨนปฏิกิริยานิวเคลียรŤที่สามารถ ใหšพลังานจำนวนมากเมื่อเทียบกับมวลของเช้อืเพลิง ปŦจจุบันมีการใชšพลังงานนิวเคลียรŤใน 2 รูปแบบ คือ ทำเปŨนระเบิดนิวเคลยีรŤ ซึ่งจะมีอำนาจในการทำลายอยŠางมหาศาล (สามารถทำไดšทั้งแบบฟŗชชันและฟŗวชัน) และทำเปŨนเครื่องปฏิกรณŤนิวเคลียรŤที่จะควบคุมพลังงาน นิวเคลยีรŤใหšเกิดขึ้นในขนาดที่พอเหมาะอยŠางตŠอเนื่อง (ปŦจจุบันสามารถทำไดšเฉพาะแบบฟŗชชัน เพราะแบบฟŗวชันตšองใชšอุณหภูมิสูงมากในการควบคุมซึ่งยังควบคุมไมŠไดš) มีการนำไปใชš ในการผลิตพลังงานไฟฟŜา ขับเคล่อืนเรือดำน้ำหรือเรือเดินสมุทรทดแทนการใชšพลังงาน จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เชŠน น้ำมัน ถŠานหิน กŢาซธรรมชาติ

27 บรรณนานุกรม