วิทยาศาสตร์ ม.5 นางสาว ธัญชนก ภู่คง ม.5/6 เลขที่29
คำ นำ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) มีอำ นาจหน้าที่ในการ พัฒนาหลักสูตร วิธีการเรียนรู้ การประเมินผล การจัดทำ หนังสือเรียน แบบฝึกหัด และสื่อการเรียนรู้ทุกประเภทที่ใช้ประกอบการเรียนรู้ในกลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของการจัดการศึกษาขั้นพื้นฐาน หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วิทยาศาสตร์กายภาพ ขั้นมัธยมศึกษาปีที่ ๕ เล่ม ๒ นี้ สถาบันการส่งเสริมการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) จัดทำ ขึ้นตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัด กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ ๒๕๖๐) ตามหลักสูตรแกนกลางการ ศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช ๒๕๕๑ โดยมีเนื้อหาเกี่ยวกับ การเคลื่อนที่ และแรง แรงในธรรมชาติ เทคโนโลยีด้านพลังงานซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการนำ ไปใช้ในการ ดำ รงชีวิต และรู้เท่าทันกับการเปลี่ยนแปลงของโลก รวมทั้งการพัฒนาความรู้ ทักษะ กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ และทักษะแห่งศตวรรษที่ ๒๑ ได้เป็นอย่างดี
สารบัญ บทที่ 1 การเคลื่อนที่และแรง เนื้อหา • แรง •กฎของการเคลื่อนที่ของนิวตัน 2 พลังงาน •เซลล์สุริยะ •พลังงานนิวเคลียร์ 3 คลื่นกล •การหักเหของคลื่น
การเคลื่อนที่และแรง แรง (Force) คืออำ นาจภายนอกที่สามารถกระทำ ให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง ทั้งทางลักษณะรูปร่าง ตำ แหน่งทิศทาง และการเคลื่อนที่ เป็นปฏิสัมพันธ์ (Interaction) ระหว่างวัตถุต่อวัตถุด้วยกันเอง หรือระหว่างวัตถุต่อสิ่งภายนอก ในทางวิทยาศาสตร์ แรงจึงถูกกำ หนดให้เป็นปริมาณเวกเตอร์ (Vector) ที่มี ทั้งขนาด (Magnitude) และทิศทาง (Direction)
ปริมาณทางฟิสิกส์จำ แนกออกได้ 2 ประเภท คือ ปริมาณสเกลาร์ (Scalar) คือ ปริมาณที่บ่งบอกเพียงขนาด เช่น มวล อุณหภูมิ เวลา พลังงาน ความหนาแน่น และระยะทาง ปริมาณเวกเตอร์ (Vector) คือ ปริมาณที่ต้องบ่งบอกทั้งขนาดและ ทิศทาง เช่น แรง โมเมนต์ การกระจัด และความเร็ว การเล่นสกีเป็นการเคลื่อนที่ตามแรงโน้มถ่วงโลก
แรงพื้นฐานทั้ง 4 แรงในธรรมชาติ แรงทั้งหมดในจักรวาลล้วนแล้วแต่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของการปฏิสัมพันธ์หรือแรง พื้นฐานทั้ง 4 ในธรรมชาติ ได้แก่ 1.แรงนิวเคลียร์เข้ม (Strong Nuclear Force) คือแรงยึดเหนี่ยวอนุภาคมูลฐาน และเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสารหรือ “ควาร์ก” (Quark) ภายในโปรตอน และนิวตรอน เป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคต่างๆภายในนิวเคลียสของอะตอม 2.แรงนิวเคลียร์อ่อน (Weak Nuclear Force) คือแรงที่ทำ หน้าที่เกี่ยวกับการ สลายตัวของอนุภาคหรือ “การแผ่กัมมันตภาพรังสี” 3.แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Force) คือแรงที่ก่อให้เกิดการกระทำ ระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า 4.แรงโน้มถ่วง (Gravitational Force) คือแรงดึงดูดระหว่างวัตถุหรือสสารที่มีมวล แรงดึงดูดระหว่างดาวเคราะห์เกิดจากแรงโน้มถ่วงในดาวเคราะห์
แรงก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ (Motion) หรือการเปลี่ยนตำ แหน่งของ วัตถุ โดยมีองค์ประกอบที่สำ คัญ ได้แก่ •ระยะทาง (Distance) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่จริงตามเส้นทางทั้งหมด เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วย เป็นเมตร •การกระจัด (Displacement) คือระยะทางที่สั้นที่สุดหรือความยาวของเส้นตรงสมมติที่ลากจากจุดเริ่มต้นถึง จุดสิ้นสุด เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร •เวลา (Time) คือระยะเวลาที่วัตถุใช้เดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง เป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็น วินาที •อัตราเร็ว (Speed) คือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยในการเคลื่อนที่แต่ละช่วงเวลา วัตถุอาจไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่เสมอไป อัตราเร็วเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (•mคว/sา)มเร็ว (Velocity) คือการกระจัดของวัตถุในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที •อัตราเร่ง (Magnitude of Acceleration) คืออัตราเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริ มาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2 •ความเร่ง (Acceleration) คือความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ มี หน่วยเป็นเมตร/วินาที2 เสือชีตาห์ เป็นสัตว์ที่วิ่งเร็วเป็นอันดับต้นๆ ของโลก เนื่องจากมีกล้ามเนื้อ และระบบสรีรวิทยา ที่เอื้อต่อการเป็นผู้ล่า
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s Law of Motion) ในปี 1687 หลังการให้นิยามต่อแรงโน้มถ่วงและบัญญัติกฎความโน้มถ่วงสากล เซอร์ ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้โด่งดัง ได้ ทำ การค้นคว้าและบัญญัติ “กฎการเคลื่อนที่” (Three Laws of Motion) ที่สำ คัญ ยิ่งให้กับวงการกลศาสตร์ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุ ต่างๆ
โดยกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันประกอบไปด้วย 1.กฎของความเฉื่อย (Law of Inertia) เมื่อไม่มีแรงจากภายนอกมากระทำ วัตถุดังกล่าวจะคงสภาวะเดิม ของการเคลื่อนที่ เช่น สภาพอยู่นิ่งกับที่หรือเคลื่อนที่ต่อไปอย่าง สม่ำ เสมอ 2.กฎของความเร่ง (Law of Acceleration) เมื่อมีแรงมากระทำ ต่อวัตถุ แรงนั้นนั้จะเปลี่ยนแปลงสภาพการ เคลื่อนที่ของวัตถุและทำ ให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง โดย ความเร็วของวัตถุจะแปรผันตามแรงดังกล่าวและผกผันกับมวล ของวัตถุ
3.กฎของแรงปฏิกิริยา (Law of Action and Reaction) เมื่อมีแรงมากระทำ ต่อวัตถุ วัตถุนั้นจะออกแรงโต้ตอบในทิศทาง ตรงกันข้ามกับแรงที่มากระทำ แรงทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันและ เกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันทั้ง 3 ข้อเป็นกฎกายภาพที่เกี่ยวข้อง กับพฤติกรรมของสสารและการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นจริงอยู่ เสมอ เป็นกฎของธรรมชาติที่มนุษย์เราไม่สามารถควบคุม ดัดแปลง หรือแก้ไขกฎแห่งความจริงเหล่านี้ได้
ปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อแรงและการเคลื่อนที่ •มวล (Mass) เป็นสมบัติของวัตถุที่ก่อให้เกิดการต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพ และการเคลื่อนที่ของวัตถุ จากการกระทำ ของแรง หรือที่เรียกว่า “ความเฉื่อย” (Inertia) วัตถุทุกชนิดมีความเฉื่อย โดยวัตถุที่มีมวลมากจะส่งผลให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ได้ยาก ดังนั้น วัตถุดังกล่าวจึงมีความเฉื่อยมากเมื่อเปรียบ เทียบกับวัตถุที่มีมวลน้อยกว่า มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (Kilogram) •น้ำ หนัก (Weight) คือแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำ ต่อวัตถุที่มีมวลซึ่งส่งผลให้วัตถุ เคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว น้ำ หนักเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็นนิวตัน (Newton)
พลังงาน พลังงานมีความสำ คัญต่อสิ่งมีชีวิตมาก เพราะสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจะ ดำ รงชีวิตอยู่ได้ต้องอาศัยพลังงานเพื่อทำ ให้เกิดกระบวนการและ ปฏิกิริยาต่าง ๆ กระบวนการหรือปฏิกิริยาต่าง ๆ นี้ จะเกิดขึ้นใน เซลล์ของสิ่งมีชีวิตซึ่งเราเรียก กระบวนการเมแทบอลิซึม (Metabolism) ซึ่งจะต้องอาศัยพลังงานเพื่อก่อให้เกิดปฏิกิริยานั้น ถ้าปราศจากพลังงานเซลล์ที่เป็นส่วนประกอบต่าง ๆ ของร่างกาย ของสิ่งมีชีวิตจะตาย หรือในที่สุดสิ่งมีชีวิตก็จะต้องตาย
เซลล์สุริยะ เซลล์สุริยะ เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ประโยชน์ของเซลล์สุริยะมีทั้งในแง่การใช้งาน และรักษา สิ่งแวดล้อมธรรมชาติมากมาย เซลล์สุริยะ (Solar cell) เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่สามารถแปลงรูป พลังงานจากแสงอาทิตย์ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง โดยทั่ว ทั่ ไปเซลล์สุริยะประกอบด้วยแผ่นกึ่งตัวนำ 2 ชั้น ชั้น บนทำ ด้วยซิลิคอนผสมฟอสฟอรัส ทำ หน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้า ลบ และชั้นล่างทำ ด้วยซิลิคอนผสมโบรอน ทำ หน้าที่เป็นขั้ว ไฟฟ้าบวก
ลักษณะเด่นของเซลล์แสงอาทิตย์ 1. เป็นพลังงานจากธรรมชาติ สะอาด และบริสุทธิ์ 2. เป็นพลังงานที่ไม่มีวันหมดไปจากโลก 3. สามารถนำ ไปใช้เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ทุกพื้นที่บนโลก 4. ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะด้านอากาศและน้ำ 5. ไม่เกิดของเสียขณะใช้งาน 6. ไม่เกิดมลภาวะด้านเสียง 7. เป็นอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่กับที่ 8. อายุการใช้งานยืนยาวและประสิทธิภาพคงที่
การทำ งานของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นขบวนการเปลี่ยนพลังงาน แสงเป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง โดยเมื่อแสงซึ่งเป็น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และมีพลังงานกระทบกับสารกึ่งตัวนำ จะเกิด การถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทำ ให้เกิด การเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนำ จึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้าดังกล่าวไปใช้งานได้ (ตามรูป)
ซิลิคอน ซึ่งอยู่ด้านหน้าของเซลล์ คือ สารกึ่งตัวนำ ที่ได้การโดปปิ้ง ด้วยสารฟอสฟอรัส มีคุณสมบัติเป็นตัวให้อิเล็กตรอนเมื่อรับ พลังงานจากแสงอาทิตย์ p - type ซิลิคอน คือสารกึ่งตัวนำ ที่ได้การ โดปปิ้งด้วยสารโบรอน ทำ ให้โครงสร้างของอะตอมสูญเสีย อิเล็กตรอน (โฮล) เมื่อรับพลังงาน จากแสงอาทิตย์จะทำ หน้าที่เป็น ตัวรับอิเล็กตรอน เมื่อนำ ซิลิคอนทั้ง 2 ชนิด มาประกบต่อกันด้วย p - n junction จึงทำ ให้เกิดเป็น “ เซลล์แสงอาทิตย์ “
1. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำ จากซิลิคอน ชนิด ผลึกเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell) หรือที่รู้จักกันในชื่อ Monocrystalline Silicon Solar Cell และชนิดผลึกรวม (Polycrystalline Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็นแผ่นซิลิคอนแข็งและบางมาก
2. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำ จากอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell) ลักษณะเป็น ฟิล์มบางเพียง 0.5 ไมครอน (0.0005 มม.) น้ำ หนักเบามาก และประสิทธิภาพเพียง 5-10%
3. เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำ จากสารกึ่งตัวนำ อื่นๆ เช่น แกล เลี่ยม อาร์เซไนด์, แคดเมียม เทลเลอไรด์ และคอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ เป็นต้น มีทั้งชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline) และผลึกรวม (Polycrystalline) เซลล์แสง อาทิตย์ที่ทำ จากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ จะให้ประสิทธิภาพสูง ถึง 20-25%
- ใช้พลังงานจากธรรมชาติ คือ แสงอาทิตย์ ซึ่งสะอาดและบริสุทธิ์ ไม่ก่อปฏิกิริยาที่จะ ทำ ให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษ - เป็นการนำ พลังงานจากแหล่งธรรมชาติมาใช้อย่างคุ้มค่าและไม่มีวันหมดไป จากโลกนี้ - สามารถนำ ไปใช้เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ทุกพื้นที่บนโลก และได้พลังงาน ไฟฟ้าใช้โดยตรง - ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงอื่นใดนอกจากแสงอาทิตย์ รวมถึงไม่มีการเผาไหม้ จึง ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะด้านอากาศและน้ำ - ไม่เกิดของเสียขณะใช้งาน จึงไม่มีการปล่อยมลพิษทำ ลายสิ่งแวดล้อม - ไม่เกิดเสียงและไม่มีการเคลื่อนไหวขณะใช้งาน จึงไม่เกิดมลภาวะด้านเสียง - เป็นอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่กับที่ และไม่มีชิ้นส่วนใดที่มีการเคลื่อนไหวขณะ ทำ งาน จึงไม่เกิดการสึกหรอ - ต้องการการบำ รุงรักษาน้อยมาก - อายุการใช้งานยืนยาวและประสิทธิภาพคงที่ - มีน้ำ หนักเบา ติดตั้งง่าย เคลื่อนย้ายสะดวกและรวดเร็ว - เนื่องจากมีลักษณะเป็นโมดูล จึงสามารถประกอบได้ตามขนาดที่ต้องการ - ช่วยลดปัญหาการสะสมของก๊าซต่างๆ ในบรรยากาศ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์, ซัลเฟอร์ไดออกไซด์, ไฮโดรคาร์บอน และก๊าซไนโตรเจน ออกไซด์ ฯลฯ ซึ่งเป็นผลจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจำ พวกน้ำ มัน ถ่านหิน และ ก๊าซธรรมชาติ ล้วนแล้วแต่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เกิดปฏิกิริยาเรือนกระจก ทำ ให้โลกร้อนขึ้น เกิดฝนกรด และอากาศเป็นพิษ ฯลฯ
การนำ เซลล์สุริยะไปใช้งานจริง จะต้องมีอุปกรณ์ประกอบ ดังนี้
พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ หรือ พลังงานปรมาณู (อังกฤษ: nuclear power, nuclear energy) เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่ได้จาก การคายความร้อนในปฏิกิริยานิวเคลียร์[1] เพื่อประโยชน์ใน การสร้างความร้อนและผลิตไฟฟ้า นิวเคลียร์ เป็นคำ คุณศัพท์ของคำ ว่า นิวเคลียส ซึ่งเป็นแก่นกลางของอะตอม ธาตุ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน และนิวตรอน ซึ่งยึด กันได้ด้วยแรงของอนุภาคไพออน
พลังงานนิวเคลียร์ หมายถึง พลังงานไม่ว่าลักษณะใด ๆ ก็ตาม ซึ่ง เกิดจากนิวเคลียสอะตอมโดย 1.พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิซชั่นชั่(Fission) ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของ นิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม เมื่อถูกชนด้วยนิวตรอน หรือโฟตอน 2.พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิวชั่นชั่(Fusion) เกิดจากการรวมตัวของ นิวเคลียสธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน 3.พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Nuclear Decay) ซึ่งให้รังสีต่าง ๆ ออกมา เช่น อัลฟา เบตา แกมมา และนิวตรอน เป็นต้น 4.พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการเร่งอนุภาคที่มีประจุโดยเครื่องเร่ง อนุภาค เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน ดิวทีรอน และอัลฟา เป็นต้น
พลังงานนิวเคลียร์ บางครั้งใช้แทนกันกับคำ ว่า พลังงานปรมาณู นอกจากนี้พลังงานนิวเคลียร์ยัง ครอบคลุมไปถึงพลังงานรังสีเอกซ์ด้วย (พ.ร.บ. พลังงานเพื่อสันติ ฉบับที่ 2 พ.ศ. 2508) พลังงาน นิวเคลียร์ สามารถปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงาน หลายรูปแบบ เช่น พลังงานความร้อน รังสีแกมมา อนุภาคเบต้า อนุภาคอัลฟา อนุภาคนิวตรอน เป็นต้น
-อุตสาหกรรมด้านพลังงาน เช่น การผลิตเรือสินค้า เรือตัดน้ำ แข็ง การ สร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ -อุตสาหกรรมการฉายรังสี เช่น การฉายรังสีอาหาร และผลิตผล การเกษตร การทำ ให้ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ปลอดเชื้อโรค การผลิต สารพวกพอลิเมอร์ต่างๆ -การตรวจวัดและควบคุมในโรงงานอุตสาหกรรม โดยการใช้เทคนิค นิวเคลียร์ ด้วยการใช้วัสดุกัมมันตรังสี และเทคนิคทางรังสี ซึ่งเรียกว่า “เทคนิคนิวเคลียร์” มาใช้ประโยชน์ในระบบวัดและควบคุมของโรงงาน อุตสาหกรรม การใช้ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ในด้านอุตสาหกรรม ได้มีการนำ พลังงานนิวเคลียร์มาใช้ให้เกิดประโยชน์ทางด้าน อุตสาหกรรมอย่างแพร่หลาย จำ แนกได้ 3 แบบ ตามวิธีการ ของเทคโนโลยีนิวเคลียร์ ดังนี้
การเอกซเรย์กระดูก การใช้ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ทางด้านการเกษตร มีการใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์เพื่อกิจการต่างๆ เช่น ส่งเสริมการเกษตร เพื่อเพิ่ม ปริมาณเพิ่มคุณภาพผลผลิตทางการเกษตร เช่น ปรับปรุงพันธุ์พืช การถนอมอาหาร ด้วยรังสี ศึกษาเกี่ยวกับการดูดซึมแร่ธาตุและปุ๋ยของต้นไม้และพืชเศรษฐกิจต่างๆ เพื่อปรับปรุงการใช้ปุ๋ยให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
การใช้ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ทางด้านสิ่งแวดล้อม มี 2 ทาง คือ การรักษา และพัฒนาสภาพของสิ่งแวดล้อม ให้ดีขึ้น และการตรวจและควบคุมปริมาณรังสี ที่มีอยู่ใน ธรรมชาติ ให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยต่อมนุษย์ เช่น การใช้ รังสีแกมมาจากโคบอลต์-60 ฆ่าเชื้อโรคต่างๆ ในน้ำ ทิ้ง จากชุมชน และโรงพยาบาล เพื่อป้องกันโรคระบาด เจ้าหน้าที่กำ ลังควบคุมการฉายรังสีอาหารและผลิตผลการเกษตร
ตัวอย่างสาระสำ คัญของพระราชบัญญัติและกฎกระทรวงที่เกี่ยวข้อง มีดังนี้ -ผู้ผลิต ผู้ใช้ ผู้ครอบครอง การขนย้าย หรือนำ เข้า และส่งออกสารกัมมันตรังสี และต้นกำ เนิด พลังงานนิวเคลียร์ชนิดอื่นใด จะต้องได้รับใบอนุญาตจากคณะกรรมการพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ -ต้องมีผู้รับผิดชอบดำ เนินการทางด้านเทคนิคในเรื่องรังสี มีเครื่องมือตรวจรังสี และเครื่องมือระงับ หรือป้องกันอันตรายจากรังสี -ต้องติดป้ายเตือนภัยอันตรายจากรังสีอย่างชัดเจน -การทิ้งหรือกำ จัดวัสดุกัมมันตรังสีต้องปฏิบัติตามวิธีที่คณะกรรมการฯ เห็นชอบ โรงเก็บกากกัมมันตรังสี
พลังงานนิวเคลียร์มีอยู่ 4 แบบ คือ 1. พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน (fusion) เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยการรวมตัวกันของนิวเคลียสของธาตุ เบา เช่น ธาตุไฮโดรเจน และธาตุฮีเลียม เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ฟิวชัน ปฏิกิริยานี้จะให้พลังงานออกมาอย่างมากมาย ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดวงอาทิตย์ ที่ให้พลังงานแสง และ พลังงานความร้อนจำ นวนมหาศาลแก่โลกของเรา 2. พลังงานนิวเคลียร์ฟิชชัน (fission) เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยการแยกตัว หรือแตกตัวของ นิวเคลียสของธาตุหนัก เช่น ธาตุยูเรเนียม ธาตุพลูโตเนียม การ แตกตัวแต่ละครั้งของนิวเคลียสของธาตุหนัก จะให้พลังงานออกมา มากมาย และมีอนุภาคนิวตรอนออกมาด้วย 2 - 3 ตัว ซึ่งนิวตรอน เหล่านี้จะวิ่งต่อไป และชนกับนิวเคลียสของอะตอมอื่น ต่อเนื่องกัน ไป เรียกว่า “ปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction)” พร้อมทั้งให้พลังงาน ความร้อนออกมาอย่างมากมายด้วย เราใช้ประโยชน์จากพลังงาน นิวเคลียร์แบบฟิชชัน ในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ และ การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย
3. ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotope) เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี ซึ่งมีคุณสมบัติในการ สลายตัวโดยการปลดปล่อยรังสี หรืออนุภาคต่างๆ ออกมาจาก นิวเคลียร์ เช่น รังสีแกมมา รังสีเอกซ์หรือเอกซเรย์ อนุภาค แอลฟา อนุภาคบีตา อนุภาคนิวตรอน และอนุภาคโปรตอน เราใช้ ประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์จากรังสีแกมมา ที่ถูกปลดปล่อย ออกมาจากนิวเคลียสของไอโซโทปโคบอลต์-60 ในการรักษาโรค มะเร็งและเนื้องอก 4. พลังงานนิวเคลียร์จากการเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูง เกิดจากการเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน อนุภาคโปรตอน และอนุภาค แอลฟา ด้วยเครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ตัวอย่างเช่น เครื่องกำ เนิดรังสีเอกซ์ได้จากการเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่มี พลังงานสูงถึง 1 แสนโวลต์ เครื่องเร่งอนุภาคไซโคลตรอน (cyclotron) ซึ่งสามารถเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน อนุภาคโปรตอน และอนุภาคแอลฟาในแนววงกลม ให้มีพลังงานสูงถึงหลายสิบล้าน โวลต์ เราใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการเร่ง อนุภาคอิเล็กตรอน ในการรักษาโรคมะเร็งในโรงพยาบาลต่างๆ มากกว่า 10 แห่งในประเทศไทย
ปัจจุบัน มีการใช้ระเบิดนิวเคลียร์ในโครงการด้านสันติ เช่น การขุดเจาะหลุมลึกขนาดใหญ่ การขุดทำ โพรง ใต้ดิน สำ หรับการกระตุ้นแหล่งน้ำ มัน หรือก๊าซ ธรรมชาติในชั้นหินลึกใต้ดิน การขุดอ่างเก็บน้ำ การ ทำ ท่าเรือน้ำ ลึก และการตัดช่องเขา ในประเทศไทยเคย มีผู้เสนอความคิดให้นำ ระเบิดนิวเคลียร์มาใช้ขุดคลอง ที่ คอคอดกระ ในภาคใต้ เพื่อสร้างคลองน้ำ ลึก สำ หรับให้ เรือสินค้า และเรือเดินสมุทรขนาดใหญ่ แล่นผ่าน ระหว่างทะเลอันดามันกับอ่าวไทยได้ โดยไม่ต้องเดินเรือ อ้อมประเทศมาเลเซีย และสิงคโปร์
พลังงานนิวเคลียร์ที่ถูกปลดปล่อยออกมาอย่างเฉียบพลัน การปลดปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมาในลักษณะเฉียบพลัน จากปฏิกิริยา นิวเคลียร์ ที่ควบคุมไม่ได้ จะทำ ให้พลังงานของปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เป็นผลให้มีความร้อน และความดัน ในบริเวณนั้นสูงมาก จนสามารถก่อให้เกิด การระเบิดอย่างรุนแรงขึ้นได้ สิ่งประดิษฐ์ที่ใช้หลักการเช่นนี้ ได้แก่ ระเบิดปรมาณู ระเบิดไฮโดรเจน หัวรบนิวเคลียร์แบบต่างๆ ที่บรรจุไว้ในจรวดนำ วิถี เพื่อใช้ทำ ให้ เกิดการระเบิดในระยะไกล พลังงานนิวเคลียร์ที่ถูกปลดปล่อยออกมาในลักษณะเฉียบพลัน
พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งควบคุมได้ พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งควบคุมได้ ปัจจุบัน ได้มี การพัฒนาจนถึงขั้นที่นำ มาใช้ประโยชน์ในระดับขั้นการค้า หรือการบริการสาธารณูปโภคได้แล้ว เช่น ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิชชันแบบห่วงโซ่ของไอโซโทป ยูเรเนียม-๒๓๕ และของไอโซโทปที่แตกตัวได้ (fissile isotopes) อื่นๆ อีก 2 ชนิด คือ ยูเรเนียม-233 และพลูโตเนียม-239
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถนำ มาใช้ประโยชน์ได้ดังนี้ 1. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำ ลัง (Nuclear Power Reactor) นำ ไป ใช้สำ หรับ การใช้พลังงานขับเคลื่อน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 2. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย สำ หรับผลิตอนุภาคนิวตรอน
พลังงานนิวเคลียร์จากสารกัมมันตรังสี รังสี (Ray หรือ Radiation) คือพลังงาน ที่แผ่ออกมา จากต้นกำ เนิด ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ แสงสว่าง รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา และรังสีคอสมิก หรือในลักษณะของอนุภาคที่มี ความเร็วสูง เช่น แอลฟา และบีตา เป็นต้น
กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) เป็นปรากฏการณ์การสลายตัว ที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของ อะตอม ที่ไม่เสถียร ซึ่งจะมีการแผ่รังสีออกมาด้วย เช่น รังสี แกมมา รังสีแอลฟา และรังสีบีตา โดยทั่วทั่ไปมักเรียกกันว่า “กัมมันตภาพรังสี” หรือ “ความแรงรังสี” ซึ่งมีหน่วยวัดเป็น เบ็กเคอเรล (Becquerel, Bq) โดย 1 เบ็กเคอเรล มีค่าเท่ากับการ สลายตัวของสารกัมมันตรังสีจำ นวน 1 อะตอม ใน 1 วินาที หน่วย “เบ็กเคอเรล” นี้ตั้งขึ้น เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้ค้นพบ ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี คือ อองรี เบ็กเคอเรล (Henri Becquerel) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งรั่เศส เมื่อ พ.ศ. 2439
คลื่นกล คลื่นกลเป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สิ่งที่คลื่นนำ ไปด้วยพร้อมกับการเคลื่นที่คือพลังงาน พลังงานเคลื่อนที่ผ่าน ตัวกลางต่างๆ จะมีปริมาณต่างๆกันไปในแต่ละกรณี เช่น พลังงานของคลื่นในทะเลขณะที่พายุจะมีค่ามากกว่าพลังงานที่เกิด จากคลื่นเสียงที่เราตะโกนออกไป
ชนิดของคลื่น เราสามารถแบ่งคลื่นออกเป็น 2 ชนิดเมื่อพิจารณาจาก ลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่ ผ่าน คือ คลื่นตามยาว และคลื่นตามขวางคลื่นตามยาว เป็น คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นสั่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ ของคลื่น ตัวอย่างคลื่นตามยาว เช่น คลื่นในสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น
คลื่นตามขวาง เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นสั่ในแนวตั้งฉาก กับการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างคลื่นตามยาว เช่น คลื่นในเส้น เชือก เป็นต้น เมื่อพิจารณาลักษณพของการทำ ให้เกิดคลื่น เราอาจแบ่งคลื่น ออกเป็น คลื่นดล และคลื่นต่อเนื่อง โดยคลื่นที่เกิดจากการสั่นสั่ ของแหล่งกำ เนิดในช่วงเวลาสั้นๆ หรือการไปรบกวนแหล่ง กำ เนิดคลื่นเพียงครั้งเดียว เรียกคลื่นนี้ว่า คลื่นดล และถ้าแหล่ง กำ เนิดคลื่นสั่นสั่ต่อเนื่องหรือการรบกวนแหล่งกำ เนิดคลื่นอย่าง ต่อเนื่องเรียกคลื่นต่อเนื่อง
ส่วนประกอบของคลื่น เมื่อพิจารณาส่วนประกอบของคลื่น จะเห็นลักษณะทางกายภาพที่ สำ คัญของคลื่น 3 ประการ คือ ความยาวคลื่น ความถี่และอัตราเร็ว ของคลื่น นอกจากนี้คลื่นยังมีองค์ประกอบอื่น ๆ อีก ดังต่อไปนี้ ความยาวคลื่น หมายถึงระยะที่น้อยที่สุดระหว่างจุด 2 จุดบน คลื่นที่มีลักษณะการเคลื่อนที่ เหมือนกันทุกประการ เราใช้ สัญลักษณ์ λ แทนความยาวคลื่น มีหน่วยเป็น เมตร ความถี่ของคลื่น หมายถึงจำ นวนคลื่นที่ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ในหนึ่ง หน่วยเวลาหรือจำ นวนรอบที่ แหล่งกำ เนิดคลื่นหรือตัวกลางสั่นสั่ ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา ใช้สัญลักษณ์ f มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hz)
คาบของคลื่น หมายถึงช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ความยาวคลื่น หรือเวลาที่แหล่งกำ เนิดคลื่น หรือตัวกลางที่คลื่น เคลื่อนที่ผ่านครบ 1 รอบ ใช้สัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาที แอมพลิจูด หมายถึงขนาดของการกระจัดสูงสุดของอนุภาคของ ตัวกลางที่คลื่นผ่านจากตำ แหน่ง สมดุลเดิม ใช้สัญลักษณ์ A มี หน่วยเป็น เมตร อัตราเร็วคลื่น หมายถึงระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วย เวลา ใช้สัญลักษณ์ v มีหน่วยเป็น เมตร/วินาที ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และคาบของคลื่น เมื่อพิจารณาจากความหมายของคาบและความถี่ของคลื่น จะได้ ความสัมพันธ์ดังนี้
ตัวอย่าง คลื่นต่อเนื่องขบวนหนึ่งมีความถี่ 90 เฮิรตซ์ ขณะเวลา หนึ่งมีลักษณะดังรูป ถ้าแกน x และแกน y แทนระยะ ทางในหน่วยเซนติเมตร จงหาแอมพลิจูด ความยาวคลื่น คาบ อัตราเร็วของคลื่น ตามลำ ดับ
จากรูปวัดค่าแอมพลิจูดของคลื่นได้เท่ากับ 1 เซนติเมตร ค่าความยาวคลื่นได้ 2 เซนติเมตร หาคาบของคลื่น อัตราเร็วของคลื่นมีค่าเท่ากับ 1.8 เมตรต่อวินาที
เฟสของคลื่น เฟสของคลื่นเป็นการบอกตำ แหน่งต่าง ๆ บนคลื่น โดยบอกเป็นมุมใน หน่วยองศาหรือเรเดียน ลักษณะของคลื่นสามารถนำ มาเขียนในรูปของ คลื่นรูปไซน์ได้ ดังนั้นตำ แหน่งต่าง ๆ บนคลื่นรูปไซน์จึงระบุตำ แหน่ง เป็นมุมในหน่วยองศาหรือเรเดียนได้ ซึ่งมุม 1 เรเดียนเทียบได้เท่ากับ 57.3 องศา มุม 360 องศาเทียบได้เท่ากับ 2π เรเดียน เราสามารถเปรียบเทียบลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลาง ณ 2 ตำ แหน่งขณะคลื่นขบวนหนึ่งเคลื่อนที่ผ่านได้ว่า 2 ตำ แหน่งนั้น มีเฟสตรง กันหรือเฟสตรงข้ามกันได้
พิจารณารูป จะเห็นว่าจุด A กับจุด B อยู่ห่างกัน 1 ความยาวคลื่น มี เฟสต่างกัน 360 องศาหรือ 2π เรเดียน เรากล่าวได้ว่าจุด A และ จุด B มีเฟสตรงกัน สำ หรับจุด A กับจุด C อยู่ห่างกัน 2 เท่าของ ความยาวคลื่น มีเฟสต่างกัน 720 องศาหรือ 4π เรเดียน จุด A กับจุด C ก็มีเฟสตรงกัน เมื่อพิจารณาจุด A กับจุด X อยู่ห่างกัน λ/2 มีเฟสต่างกัน 180 องศา หรือ π เรเดียน สำ หรับจุด A กับจุด Y อยู่ห่างกัน 3λ/2 มีเฟสต่างกัน 540 องศาหรือ 3π เรเดียน เราเรียกว่าจุด A มีเฟสตรงข้ามกับจุด X และจุด A ก็มีเฟสตรงข้ามกับจุด Y ดังนั้นสรุปได้ว่า จุดสองจุดที่อยู่ห่างกัน λ, 2λ , 3λ , ........... จะมีเฟส ตรงกัน สำ หรับจุดสองจุดที่ อยู่ห่างกัน λ/2 , 3λ/2 , 5λ/2 , ........... จะ มีเฟสต่างกัน
สมบัติของคลื่น คลื่นมีสมบัติ 4 ประการได้แก่ การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และ การแทรกสอด การสะท้อนของคลื่น คุณสมบัติประการหนึ่งของคลื่น คือ การสะท้อน ลักษณะการสะท้อนเป็น ไปตามสภาพของคลื่น การสะท้อนเกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่ง กีดขวางแล้วเคลื่อนที่กลับมาในตัวกลางเดิมในการสะท้อนของคลื่น รังสี ตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อน อยู่ในระนาบเดียวกัน โดย มุมตกกระทบ (θi ) = มุมสะท้อน (θr )
การหักเหของคลื่น เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่เปลี่ยนไปจากเดิม ความเร็ว และความยาวคลื่นจะเปลี่ยนไป มีผลทำ ให้ทิศการเคลื่อนที่ เบนไปจากแนวเดิม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การหักเห” (1) คลื่นเดินทางจากตัวกลางที่โปร่งไปยังตัวกลางที่ทึบกว่า (2)คลื่นเดินทางจากตัวกลางที่ทึบไปยังตัวกลางที่โปร่งกว่า จากรูป (1) เมื่อคลื่นเดินทางจากตัวกลางที่โปร่งเข้าไปยังตัวกลางที่ทึบ คลื่นเบนเข้าหาเส้นปกติ ความเร็ว และความยาวคลื่นหักเหในตัวกลางที่ 2 มีค่าลดลง ในกรณีกลับกัน จากรูป (2) เมื่อคลื่นเดินทางจากตัวกลางที่ทึบ เข้าไปยังตัวกลางที่โปร่ง คลื่นเบนออกจาก เส้นปกติ ความเร็ว และ ความยาวคลื่นหักเหในตัวกลางที่ 2 มีค่าเพิ่มขึ้น นิยามให้ “ดัชนีหักเห (n)” หมายถึง อัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสง ในสุญญากาศ (c) ต่อความเร็วของแสงในตัวกลางใด ๆ (v) ดังนั้น
ดังนั้น
ตัวอย่าง คลื่นผิวน้ำ มีความถี่ 12 เฮิรตซ์ เคลื่อนที่จากบริเวณน้ำ ลึกเข้าสู่บริเวณน้ำ ตื้น ด้วยความเร็ว 0.18 เมตรต่อวินาที โดยหน้าคลื่นตกกระทบทำ มุม 45 องศา กับเส้นรอยต่อน้ำ ลึกกับน้ำ ตื้น ก) เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านเส้นรอยต่อน้ำ ลึกกับน้ำ ตื้น มุมหักเหเป็นเท่าใด กำ หนดความยาวคลื่นในน้ำ ตื้นเท่ากับ 1.0 เซนติเมตร ข) ความถี่ของคลื่นในน้ำ ตื้นเท่ากับกี่เฮิรตซ์ ก) จากสิ่งที่โจทย์กำ หนดให้ สามารถหาความยาวคลื่นบริเวณน้ำ ลึกได้ ข) ความถี่ของคลื่นในน้ำ ตื้นเท่ากับ 12 เฮิรตซ์ เช่นกันเพราะความถี่ขึ้นอยู่กับแหล่งกำ เนิดไม่ใช่ตัวกลาง
การแทรกสอดของคลื่น เมื่อคลื่นต่อเนื่องจากแห่งกำ เนิดคลื่นสองแหล่งเดินทางมาพบกันจะเกิดการซ้อน ทับของคลื่นเรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า การแทรกสอดของคลื่น เพื่อให้การพิจารณา ง่ายขึ้น สมมติว่ามีคลื่นเพียง 2 ขบวนเข้ามาอยู่ในบริเวณเดียวกัน โดยคลื่นทั้ง สองมีความถี่เท่ากัน และมีเฟสตรงกันหรือเฟสต่างกันคงที่ การทำ ให้คลื่นสอง ขบวนมีความถี่และเฟสเท่ากันทำ ได้โดยให้คลื่นทั้งสองเกิดจากแหล่งกำ เนิดอา พันธ์ (coherent source) การแทรกสอดของคลื่นที่เสริมกันจนมีแอมปลิจูดมาก สุด เรียกว่า “ปฏิบัพ” (antinode) ถ้าคลื่นหักล้างกันจนมีแอมปลิจูดต่ำ สุดหรือ เป็น 0 เรียกว่า “บัพ” (node) ลักษณะการแทรกสอดจะเป็นไปตามรูป