nuclear physics1

ฟิ สิกส์นิวเคลียร์

โดย
ครู ธีรศกั ด์ิ จนั ทร์คณา

ฟิ สิกส์นิวเคลียร์(NUCLEAR PHYSICS)

•ศกึ ษาสมบตั ขิ องนิวเคลยี ส โครงสร้างของ
นิวเคลียสและผลจากระบวนการตา่ งๆ
เก่ียวกบั นิวเคลียส

การคน้ พบกมั มนั ตภาพรังสี(RADIOACTIVITY)

คน้ พบรังสีจากนิวเคลียสเป็นคนแรก จาก
การหาวา่ มีสารใดดูดกลืนแสงแดดแลว้
ปล่อยพลงั งานเป็น x-ray โดยใช้
สารประกอบของยเู รเนียม

กมั มนั ตภาพรังสี(radioactivity)
คือ รังสีที่แผอ่ อกมาจากสารกมั มนั ตรังสี

HENRI BECQUEREL (radioactive element)



MARIE CURIE

พบกมั มนั ตภาพรังสีจาก โพโล
เนียม และเรเดียม

รังสีจากสารกมั มนั ตรังสีเกิด
จากการเปล่ียนแปลงภายใน
นิวเคลียส นิวเคลียสท่ีไมเ่ สีียร
จะสลายตวั จนกวา่ จะเสีียร

ชนิดกมั มนั ตภาพรังสี

กระบวนการสลายแอลฟา

• รังสีแอลฟา

• มีสว่ นประกอบเป็นนิวเคลยี สของธาตฮุ ีเลยี มมีมวลประมาณ 4U มีประจไุ ฟฟ้ า +2E มี
พลงั งานประมาณ 6 MEV รังสีแอลฟาสามารถทาให้สารท่ีรังสผี ่านแตกตวั เป็นไอออนได้ดี จงึ เสยี พลงั งาน
อยา่ งรวดเร็ว

• รังสีแอลฟาจงึ มีอานาจทะลุผ่านน้อยมาก กล่าวคอื สามารถว่งิ ผ่านอากาศได้ประมาณ 5 เซนตเิ มตร
และเม่ือใช้แผ่นกระดาษบางๆ กัน้ รังสีแอลฟาก็ทะลุผ่านไม่ได้ เน่ืองจากรังสีนีค้ อื นิวเคลียสท่เี ป็ น
อนุภาค บางครัง้ จงึ เรียกรังสีแอลฟาว่า อนุภาคแอลฟา

กระบวนการสลายบีตา

• รังสีเบต้า

• เป็นอนภุ าคที่มีประจไุ ฟฟ้ า -1E มีมวลเทา่ กบั มวลของอเิ ลก็ ตรอน รังสบี ีตา คืออิเลก็ ตรอน
(ที่มาจากการสลายของนิวเคลียส มใิ ชอ่ ิเลก็ ตรอนที่เคลอื่ นท่ีรอบนิวเคลยี ส) มีพลงั งานประมาณ 1 MEV
รังสบี ตี าสามารถว่ิงผ่านไปในอากาศได้ประมาณ 0.5 เมตร อานาจทะลผุ ่านของรังสบี ตี าจงึ มากกว่ารังสี
แอลฟา บางครัง้ เรียกรังสบี ตี าว่า อนุภาคบตี า

กระบวนการสลายแกมมา

• เป็นรังสที ี่มสี ภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ า มีสมบตั ิของคลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟ้ า รังสีแกมมามพี ลงั งาน
ประมาณ 0.01 MEVสามารถทะลผุ ่านแผ่นอะลมู เิ นียมท่ีหนาหลายเซนตเิ มตรได้ จงึ มีอานาจทะลผุ า่ นมาก
ที่สดุ ในบรรดารังสที งั ้ สามชนิด

• การสลายตวั ของนิวเคลยี ส นิวเคลยี สใหมท่ ี่เกิดขนึ ้ มกั อยใู่ นสถานะกระต้นุ จงึ ต้องปลอ่ ยรังสีแกมาเพ่ือให้อย่ใู น
สภาวะปกติ

ค่าเปรียบเทียบรังสีท้งั สาม

• ความสามารถในการทาให้อากาศแตกตวั เป็นออิ อน 
• อานาจการทะลทุ ะลวง 
• มวล 
• ความเร็ว 
• พลงั งาน 

โครงสร้างของนิวเคลียส

•สมมติฐานโปรตอน-อเิ ลก็ ตรอน

นิวเคลียสประกอบดว้ ยโปรตอนและอิเลก็ ตรอนโดยมีจานวน
โปรตอนเป็นสองเท่าของอิเลก็ ตรอน
รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอวา่ มีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้ าใน

นิวเคลียสใหช้ ื่อวา่ นิวตรอน(neutron)ซ่ึงเป็นการยดึ กนั ของ

โปรตอนและอิเลก็ ตรอนอยา่ งแนบแน่น

จากหลกั ความไม่แน่นอน อิเลก็ ตรอนอยใู่ นนิวเคลียสไม่ไดเ้ พราะ

อิเลก็ ตรอนจะมีความเร็วมากกวา่ แสง

การคน้ พบนิวตรอน

James Chadwick รังสีที่ได้

 9 Be162C 01n
4

รังสีที่ไดช้ นโปรตอนในพาราฟิ นหลุดออกดว้ ยพลงั งาน

ประมาณ 5 MeV

ตอนแรกคิดวา่ รังสีที่ไดเ้ ป็นรังสีแกมมา แต่จากการคานวณีา้ เป็นรังสีแกมมา
จะตอ้ งมีพลงั งานีึง 55 MeV พลงั งานระดบั น้ีจะทาใหอ้ ากาศแตกตวั เป็นอิออน
คิดการชนแบบยดื หยนุ่ อนุภาคใหม่น้ีมีมวลใกลเ้ คียงโปรตอนมาก และเป็นกลาง

นิวตรอนไม่ใช่เป็นการยดึ กนั ของโปรตอนและอิเลก็ ตรอนเพราะ

•นิวตรอน โปรตอนและอิเลก็ ตรอนตา่ งมีสปิ น
แมเ่ หล็กเทา่ กบั ½ ถ้านิวตรอนเป็นการยดึ กนั
ของโปรตอนและอเิ ลก็ ตรอน นิวตรอนมีสปิ น
แม่เหลก็ เท่ากบั 0 หรือ 1 (จากการที่สปิ นหนั
ตไมร่ไงดก้ นั อขกี ้าทมงั้ หนริวือตหรนอั นทแางลเะดโียปวรกตนัอ)นจมะีโเคปร็นงส½ร้าง
ตา่ งกนั
uud udd

โครงสร้างโปรตอนและนิวตรอน

การสลายกมั มนั ตรังสี

เป็ นไปตามสีิติหรื อโอกาสตามธรรมชาติ

dN  N
dt

dN คือ อตั ราการสลายตวั

dt

N คือ จานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่
N0 คือ จานวนนิวเคลียสต้งั ตน้

dN  N

dt

เครื่องหมายลบ แสดงีึงการลดลง ค่าคงตวั ในการสลายตวั

อนุกรมการสลาย

สมการการสลายกมั มนั ตรังสี

N  N0et

เวลาท่ีสารกมั มนั ตรังสีใชใ้ นการสลายตวั จนเหลือคร่ึงหน่ึงของเดิม

เม่ือต้งั ตน้ เรียกวา่ เวลาคร่ึงชีวติ (half – life ), T1/2

1 N0  N eT1/ 2
2 0

T1/ 2  ln 2



หรือ T  0.693
1/ 2 

จาก dN  N0et
dt

เม่ือ dN  A A0  N0

dt

ดงั น้นั A  A0et

A0 เป็นกมั มนั ตภาพขณะเร่ิมตน้
A เป็นกมั มนั ตภาพท่ีเวลา t ใดๆ

กมั มนั ตภาพมีหน่วยเป็นคูรี(Ci)

1 คูรี(Ci) =3.7  1010 เบคเคอเรล(นิวเคลียสต่อวนิ าที),Bq

ตวั อยา่ ง สารกมั มนั ตรังสีชิ้นหน่ึงมี
อะตอม 1018 อะตอม มีเวลา
คร่ึงชีวิต 2 วนั เม่ือเวลาผา่ นไป
5 วนั จงหา
ก. จานวนอะตอมท่ีเหลือ
ข. กมั มนั ตภาพของสาร

แรงนิวเคลียร์(Nuclear Force)

MESONS:
PROTONS AND NEUTRONS ARE HELD TOGETHER IN THE

NUCLEUS BY THE "STRONG" NUCLEAR FORCE, WHICH
INVOLVES THE EXCHANGE OF SHORT-LIVED PARTICLES
CALLED MESONS. THERE IS ALSO A "WEAK" NUCLEAR FORCE

RESPONSIBLE FOR RADIOACTIVE DECAY.

แรงนิวเคลียร์คือแรงลกั ษณะใด

• เป็นแรงท่ีดงึ ดดู นิวคลอี อนในนิวเคลียสไว้ด้วยกนั มีคา่
มากกวา่ แรงคลู อมบ์ไมน่ ้อยกว่า 100 เทา่ เกิดจากการ
แลกเปลย่ี นอนภุ าคไพ-มีซอน(มีมวลประมาณ 273 เทา่
อิเลก็ ตรอน)ระหวา่ งนิวคลอี อนท่ีอยใู่ กล้ๆกนั

หลกั สาคญั ของแรงนิวเคลียร์

1 เกิดจากการแลกเปลีย่ นอนภุ าคไพ-มีซอน(นิวคลอี อนอยหู่ ่างกนั ไม่
เกิน 910- 15 เมตร)ในระยะทางสนั้ ๆ10- 15 เมตร(1 เฟอร์มี)หรือ
น้อยกว่า

2 ไม่ขนึ ้ กบั ประจไุ ฟฟ้ า
3 เป็นแรงกระทาระหวา่ งนวิ คลอี อนและ

เป็นอนั ตรกิริยาแบบ แรง

4 นิวคลีออนตวั หนงึ่ ๆจะมีแรงกระทากบั ตวั ที่อยตู่ ิดกนั เท่านนั้ ไม่มีแรง
กระทากบั นิวคลีออนตวั ที่อยถู่ ดั ไป

ขนาดของนิวเคลียส

•การใช้อนภุ าคแอลฟาในการทดลอง

ของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่สามารถหา

ขนาดของนิวเคลยี สท่แี ท้จริงได้

เพราะอนภุ าคแอลฟาไมส่ ามารถฝ่ ากาแพงคลู อมบ์
(COULOMB BARRIER)เข้าไปถงึ นิวเคลียสได้ จงึ ต้องใช้

อนภุ าคอิเลก็ ตรอนพลงั งานสงู หรือนิวตรอนเพือ่ ฝ่ าแรง
ไฟฟ้ าเขา้ ไปปะทะกบั นิวเคลียสได้

• ปริมาตรนิวเคลียสเป็นสดั ส่วนโดยตรงกบั จานวน
นิวคลีออน(เลขมวล)ที่มีอยใู่ นนิวเคลียสน้นั ๆ

R  1

A3

R  R0 1

A3

R0 = 1.2  10 -15 เมตร

•จงหารัศมีของนิวเคลยี สของอะลมู ิ
เนียม-27 และทองคา-197
(3.6 และ 7.0 เฟมโตเมตร)

พลงั งานยดึ เหน่ียว(BINDING ENERGY)

•เป็นพลงั งานทยี่ ดึ เหน่ียวอนภุ าคภายในนิวเคลยี สให้
อย่รู วมกนั ได้

การหาค่าพลงั งานยดึ เหน่ียว

มวลของนิวเคลยี สโดยทวั่ ไปน้อยกวา่ ผลบวกของมวลของ
อนภุ าคท่ีประกอบขนึ ้ เป็นนวิ เคลยี สในสภาวะอสิ ระ เชน่

ออกซิเจนมีมวล 15.994915 u
ออกซิเจนประกอบดว้ ยนิวตรอนและโปรตอนอยา่ งละ 8 ตวั

ออกซิเจนมีมวลนอ้ ยกวา่ ผลบวกของนิวตรอนและโปรตอน
เท่ากบั 0.1371055 u คิดเป็นพลงั งานยดึ เหน่ียว 127.6 MeV
พลงั งานยดึ เหนี่ยวต่อนิวคลีออน 7.98 MeV/ นิวคลีออน

พลงั งานยดึ เหน่ียวต่อนิวคลีออน

• คา่ พลงั งานยดึ เหน่ียว
ตอ่ นิวคลอี อนสงู สดุ
ประมาณ 8.75 MEV

ตวั อยา่ ง จงหาค่าพลงั งานยดึ เหนี่ยวของ
ไนโตรเจน (N - 14)

N – 14 มมี วล = 14.003074 u

หลกั สาคญั ปฏิกิริยานิวเคลียร์

•1 ผลรวมของประจไุ ฟฟ้ าและเลขมวลกอ่ น
เกิดปฏิกิริยาและหลงั ปฏิกิริยาจะต้องเท่ากนั

•2 กฎอนรุ ักษ์โมเมนตมั เชงิ เส้นและโมเมนตมั เชงิ มมุ

•3 หลกั การสมมลู ของมวลและพลงั งาน ตามทฤษฎี
สมั พทั ธภาพของไอน์สไตน์ มวลสารและพลงั งาน
ทงั้ หมดของระบบต้องคงตวั

ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์(NUCLEAR REACTION)

• เมือ่ นิวเคลยี ส สองตวั เคลือ่ นที่ฝ่ าแรงคลู อมบ์เข้ามาใกล้กนั ภายในระยะของแรงนิวเคลียร์ อาจทาให้เกิดการจดั ระเบยี บการเรียงตวั
ของนิวคลีออนภายในนิวเคลียสขนึ ้ ใหม่ ผลท่ีได้อาจกลายเป็นหนง่ึ นิวเคลียสใหมห่ รือมากกวา่ ก็ได้ เขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้เป็น

X + A →Y + B หรือ X ( A ,B )Y ******

X = นิวเคลียสทีเ่ ป็นเป้ า
A = อนภุ าคทีช่ นเป้ า
Y = นิวเคลียสธาตใุ หม่ทีเ่ กิดขึ้นหลงั การชน
B = อนภุ าคทีเ่ กิดขึ้นหลงั การชน

• รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนแรกทพ่ี บปฏกิ ิริยานิวเคลียร์ โดยใช้อนภุ าคแอลฟา
7.68 MEV ยิงนิวเคลยี สไนโตรเจน แล้วได้กาซออกซิเจนกบั โปรตอน

 174N 187O11H   174N , P 187O

• ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดจากการยิงนิวเคลยี สด้วยอนภุ าคของนิวเคลียส
เบาเชน่ นิวตรอน โปรตอน ดวิ เทอรอน ไมใ่ ช้นิวเคลียสของธาตหุ นกั หรือ
อาจใช้โฟตอนหรือแกมมาก็ได้

หลกั สาคญั ปฏิกิริยานิวเคลียร์

1 ผลรวมของประจไุ ฟฟ้ าและเลขมวลกอ่ นเกิดปฏกิ ิริยาและหลงั
ปฏิกิริยาจะต้องเทา่ กนั
2 กฎอนรุ ักษ์โมเมนตมั เชงิ เส้นและโมเมนตมั เชิงมมุ
3 หลกั การสมมลู ของมวลและพลงั งาน ตามทฤษฎีสมั พทั ธภาพ
ของไอน์สไตน์ มวลสารและพลงั งานทงั้ หมดของระบบต้องคงตวั

กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส

นิวเคลียสธาตุหนกั ีกู ทาใหแ้ บ่งตวั

กระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียสอธิบายไดด้ ว้ ยแบบจาลอง
หยดของเหลว นนั่ คือ

•เมื่อยงิ นิวตรอนเข้าไปในนวิ เคลียสธาตหุ นกั นวิ เคลียสนนั้
จะดดู กลืนนวิ ตรอนไว้ทาให้เกิดการสน่ั ขนึ ้ ภายในและทาให้
สญู เสียสภาพทีเ่ ป็นทรงกลม แรงนวิ เคลยี ร์ซง่ึ เป็ นแรงระยะ
สนั้ จะเสยี ประสิทธิภาพในการยดึ เหน่ียว เนื่องจาก
นิวเคลยี สมีพืน้ ท่ผี ิวมากขนึ ้ เมือ่ เวลาผา่ นไปแรงดงึ ดดู ออ่ น
แรงลง แรงผลกั ทางไฟฟ้ าจะมคี า่ มากกวา่ นิวเคลยี สก็จะ
เสยี รูปทรงมากขนึ ้ ๆ จนในทีส่ ดุ นิวเคลียสแตกเป็น 2 เสยี่ ง



ข้นั ตอนกระบวนการแบ่งแยกนิวเคลียส

1 นวิ เคลียสธาตหุ นกั จบั นิวตรอน
2 ผลของการจบั นวิ ตรอนนิวเคลียสธาตหุ นกั อยใู่ น
สถานะกระต้นุ มีการสนั่ อยา่ งรุนแรง
3 แรงผลกั ระหวา่ งโปรตอนจะทาให้เกดิ การบิดเบีย้ ว
ยิ่งขนึ ้
4 นิวเคลียสแตกออกเป็นสองสว่ น โดยมนี ิวตรอน
จานวนหนง่ึ 2-3 ตวั และพลงั งาน

•กระบวนการแบง่ แยกนิวเคลยี สจะมีนิวตรอน
จานวนหนงึ่ 2-3 ตวั ในแตล่ ะปฏิกิริยา ซง่ึ นวิ ตรอน
ใหมน่ ีอ้ าจวง่ิ ชนนิวเคลยี สของยเู รเนียมต่อไป ทา
ให้เกิดปฏกิ ิริยาตอ่ เนื่อง ปฏกิ ิริยาที่เกิดขนึ ้ เรียกวา่

ปฏกิ ิริยาลกู โซ(่ CHAIN REACTION)
ปฏิกิริยานีเ้กิดขนึ ้ ในชว่ งเวลาน้อยกว่า 10-6 วินาที
จงึ ให้คา่ พลงั งานมหาศาล

กระบวนการหลอมนิวเคลียส

• HANS BETHE อธิบายวา่ การเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบหลอม
นิวเคลียสเกิดจากการหลอมตวั ของนิวเคลียสเบาสองนิวเคลียสแลว้
กลายเป็นนิวเคลียสหนกั หนึ่งนิวเคลียส และปล่อยพลงั งานมหาศาล
ออกมา

•กระบวนการหลอมนวิ เคลียสเกิดขนึ ้ ท่ีอณุ หภมู ิประมาณ
10 ล้านเคลวิน ภายใต้ความดนั สงู

1 วฏั จกั รโปรตอน-โปรตอน(PROTON – PROTON CYCLE)

ข้นั ตอนของวฏั จกั รโปรตอน-โปรตอน

11H 11H 12H 10e  ......................1

11H 12H 23He   ..........................2

3 He11H 24He10e  ...................3
2

หรือ 3 He 23He24He 211H ...................4
2

• นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตวั รวมกนั ได้อนภุ าคแอลฟา 1 ตวั
โปรตอน 2 ตวั และโพซติ รอนอกี 2 ตวั พร้อมกบั ให้พลงั งาน
ประมาณ 25 MEV



 พลงั งานท่ีได้จากกระบวนการหลอมนิวเคลียสมีช่ือเรียกอีกอยา่ งวา่ พลงั งานเทอร์โมนิวเคลียร์

 กระบวนการหลอมนิวเคลยี สให้พลงั งานมากกวา่ กระบวนการแบง่ แยกนิวเคลยี สเม่ือเทียบตอ่ นิวคลอี อนประมาณ 10 เท่า

 นอกจากวฏั จกั รโปรตอน-โปรตอน(PROTON – PROTON CYCLE)แล้วยงั มีวฏั จกั รคาร์บอนที่เกิดขนึ ้ บนดาวที่มอี ณุ หภมู สิ งู กว่าดวง
อาทติ ย์ โดยมีกระบวนการดงั นี ้

11H 162C173N

13 163C 10e

7N

11H 163C173N

11H 174N 185O
185O175N 10e
11H 175N 162C 22He