แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
•
27 likes•11,384 views
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ม.6 โรงเรียนดรุณาราชบุรี Credit: อาจารย์ Harnchai Thiemsuwan Upload by: CTRLALTDEL FB: WWW.FB.COM/ANONCAD
Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (20)
Viewers also liked
Viewers also liked (16)
Similar to แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
Similar to แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (20)
แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
- 1. ความหมาย ฟิ สิกส์ นิวเคลียร์ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ เป็ นการศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยน แปลงที่เกิดขึนภายในนิวเคลียส ส่วนการเปลี่ยน ้ แปลงที่เกิดขึนที่วงโคจรของอิเล็กตรอนเรียกว่า ้ ฟิสิกสอะตอม ปฏิกิริยาที่เกิดขึนเนื่ องจากการ ์ ้ เปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์
- 2. Henri Becquerel Antoine ใส่ฟีล์มถ่ายรูปไว้ในซองกระดาษ สีดาซึ่งแสงผ่านทะลุไม่ได้ แล้ว ํ นําไปวางไว้ใต้สารที่สงสัย พบว่า มีรอยดําปรากฏบนฟิ ล์ม แต่ เขาสรุปเพียงว่า มีรังสีชนิดหนึงแผ่ ่ ออกมาจากสารนันทะลุผาน ้ ่ กระดาษไปกระทบฟิ ล์ม ทําให้ เกิด รอยดํา
- 3. แบ็กเกอแรล ยังได้ พบอีกว่า สาร ประกอบของยูเรเนียมทุกชนิด จะทําให้ เกิดรอยดําบนฟิ ล์ม เขา จึงเสนอความคิดว่า รังสีนี ้เกิด จากธาตุยเู รเนียม ปี แอร์ และมารี กูรี พบว่า ทอเรี ยม เรเดียม พอโลเนียม มีการแผ่รังสีเช่นเดียวกับ ธาตุยเู รเนียม
- 5. แร่เรเดียม
- 7. ต่อมาพบว่า รังสี มี 3 ชนิด ซึงแสดงความแตกต่างกัน ่ อยางชดเจนเมื่ออยในบริเวณที่มีสนามแมเ่ หลก ่ ั ู่ ็
- 10. When a beta particle leaves a nucleus, one of the neutrons changes into a proton
- 11. อนุภาคแอลฟา (เขียนแทนด้วยอักษรกรีก แอลฟา α ) คืออนุภาคที่ ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและ นิวตรอน 2 ตัว เหมือนกับ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุฮีเลียม (He) จึงสามารถเขียน 2+ 4 2+ สัญลักษณ์ได้อีกอย่างหนึ่ งเป็ น He หรือ 2 He สมบัติของแอลฟา 1. มีประจุไฟฟ้ า +2 2. มีมวลประมาณ 4 u ั ่ 3. รังสีแอลฟาสามารถทําให้ตวกลางที่รงสีผานแตกตัว ั เป็ นไอออนได้ดี (ข้อ 4 ในหน้ าถัดไป)
- 12. 4. รังสีแอลฟามีอานาจทะลุทะลวงตํามาก สามารถวิ่ง ํ ่ ผ่านอากาศได้ประมาณ 3-5 cm เพราะเมื่อรังสีแอลฟา วิ่งผ่านตัวกลาง สามารถทําให้ตวกลางนันแตกตัว ั ้ เป็ นไอออนได้ดี ทําให้เสียพลังงานอย่างรวดเร็ว
- 13. อนุภาคบีตา อนุภาคบตา หรอ รงสบตา (องกฤษ: Beta particle : b) คือ ี ื ั ี ี ั รงสชนิดหน่ึงซงมประจเป็น -1 และมวลเป็ น 0 (ประมาณ ั ี ่ึ ี ุ 1/2000 เท่าของโปรตอน) ซึงแสดงว่าบีตามีสมบัตเหมือน ่ ิ อเิ ลกตรอน มความเรวเทากบแสง สญลกษณ์นิวเคลยรของ ็ ี ็ ่ ั ั ั ี ์ บีตาคือ β รงสบตามอานาจทะลทะลวงปานกลาง ไมสามารถ ั ี ี ีํ ุ ่ ทะลผานอะลมเิ นียมหรอพลาสตก รงสบตาแบงออกเป็น 2 ุ ่ ู ื ิ ั ี ี ่ ชนิด คือ β+ เรียกว่า โพซตรอน (positron) มประจไฟฟ้า +1 ิ ี ุ และ β- เรยกวา เนกาตรอน (negatron) มประจไฟฟ้า -1 ี ่ ี ุ ธาตุกมมนตรงสสวนมากจะปลอย β- ออกมา ดังนันเมือ ั ั ั ี่ ่ ้ ่ กล่าวถึงรังสีบตามักจะหมายถึง β- เสมอ ี
- 14. รังสีแกมมา พอล วิลลาร์ด (Paul Villard) นักฟิสิกส์ฝรังเศส ่ พอล วิลลาร์ด ค้นพบรังสีแกมมาจากการศึกษา กัมมันตภาพรังสีที่ออกมาจากยูเรเนี ยม ซึ่งถูกค้นพบมา ก่อนแล้วว่าบางส่วนจะเบนไปทางหนึ่ ง เมื่อผ่าน สนามแม่เหล็กบางส่วนจะเบนไปอีกทางหนึ่ ง กัมมันตภาพรังสีทงสองประเภทนี้ คือ รังสีแอลฟา และ ั้ รังสีบีตา
- 15. 1. ในวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ นิยมใช้คาว่า “รงสี” เรียกกล่ม ํ ั ุ อนุภาคเล็กๆที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงอย่าง ต่อเนื่ องกันมาเป็ นลําอนุภาค (beam of particle) 2. 1 u หมายถึง มวล 1 unified atomic mass unit มีค่า เท่ากับ 1.66 x 10-27 กิโลกรัม ซึ่งค่านี้ มาจากนิยามให้ 1 u มีค่าเท่ากับ 1/12 เท่าของมวลอะตอมของ คาร์บอน -12
- 18. การให้อนุภาคแอลฟาหรืออนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่ ง มักจะ ติดตามด้วยการแผ่รงสีแกมมา รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมา ั เมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูง ไปยังสถานะที่มีพลังงานตํากว่าเนื่ องจากรังสีแกมมาไม่มีทง ่ ั้ ประจุและมวล การแผ่รงสีแกมมาจึงไม่ทาให้มีการ ั ํ เปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียส อย่างใดอย่างหนึ่ ง
- 19. • นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาค หลักๆ สองชนิดคือโปรตอนและ นิวตรอน • โปรตอนคือนิวเคลียสของอะตอม ไฮโดรเจน ( 1H ) ซึ่งเป็ นไอโซโทปที่ 1 1H 1 เบาที่สด มีประจุ +e และมีมวลหนักกว่าอิเลกตรอน ุ ็ 1836 เท่า หรือมีค่าเท่ากับ 1.67252x10-27kg หรือ 1.007276 u หรือ 938.3 MeV หรือ 1.503x10-10J
- 20. • นิวตรอนมีความเป็นกลางและมีมวล 1.67482x10-27kg หรือ 1.008665 u หรือ 939.6 MeV หรือ 1.505x10-10J
- 22. Quarks (ควากซ์) เป็ นสสารที่เชื่อว่าเล็กที่สด ซึ่งเล็กกว่าอิเล็กตรอน การ ุ สังเกตของนักวิทยาศาสตร์ ต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาค นํา อนุภาคสองอันวิ่งเข้าชนกัน ปรากฎว่า มีอนุภาคที่อยู่ ภายในนิวเคลียสหลุดออกมาอย่างมากมาย นักฟิสิกส์ สามารถค้นพบอนุภาคควากซ์ 3 ชนิด ซึ่งเป็ นส่วนประกอบ พืนฐานสุดของสสารทังหมดในจักรวาล ้ ้
- 23. CERN is the European Organization for Nuclear Research. The name is derived from the acronym for the French Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, or European Council for Nuclear ResearchCERN-MOVIE-2010-176- Multirate-200-to-753-kbps-640x360-25-fps.wmv
- 25. One of the first lead-ion collisions in the LHC as recorded by the ALICE detector on November 8, 2010.
- 26. Illustration of two colliding lead ions just after impact in the Large Hadron
- 27. อนุภาคควาร์ก มีด้วยกัน 3 คู่ คู่ที่เล็กที่สดมีชื่อเรียกว่า Up Quark (แปลว่า ควาร์ก ุ "ขึน") และ Down Quark (แปลว่า ควาร์ก "ลง") ซึ่งค้นพบจากการให้โปรตอนพลังงาน ้ สูงวิ่งชนกัน โดยที่ควาร์กดังกล่าวมีมวลและประจุไฟฟ้ าตามตารางที่ 1 และพบว่า โปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กดังนี้ คือ u + u + d ทําให้ประจุไฟฟ้ าของ โปรตอนเป็ น 2/3+2/3-1/3 = +1e พอดี ส่วนนิวตรอนเกิดจากการรวมกันของ u + d + d ถ้าบวกประจุของควาร์กทังสามตัวดู จะพบว่าประจุรวมเป็ นศูนย์พอดี ปฏิอนุภาคของ ้ นิวตรอนหรือแอนไทนิวตรอนประกอบด้วย แอนไทควาร์กสามอนุภาค คือ anti u + anti d + anti d ประจุรวมเป็ น -2/3 + 1/3 + 1/3 = 0 ดังนัน แอนไทนิวตรอน จึงเป็ นกลาง ้ ทางไฟฟ้ าเหมือนกับนิวตรอน
- 28. ชนิดของควาร์ ก ประจุไฟฟา ้ มวล (จํานวนเท่าของเล็กตรอน) (GeV/c2) Up Quark, u +2/3 0.003 Down Quark, d -1/3 0.006 Charm Quark, c +2/3 1.3 Strange Quark, s -1/3 0.1 Top Quark, t +2/3 175 Bottom Quark, b -1/3 4.3 ....ขณะทควารกแบบชารม สเตรนจ์ ทอป และบอททอม จะเกดขนไดก็ ่ี ์ ์ ็ ็ ็ ิ ้ึ ้ จากการชนทมพลงงานสงเทานน (เช่นทีอยูในรังสีคอสมิกและในเครือง ่ี ี ั ู ่ ั้ ่ ่ ่ เรงอนุภาค) ่
- 29. ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 เฟลเวอร์ (flavor) ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ทอป (top), และ ็ บอททอม (bottom) ควารกแบบอพและดาวน์เป็นแบบทมมวลต่า ็ ็ ์ ั ่ี ี ํ ทีสดในบรรดาควาร์กทังหมด ควาร์กทีหนักกว่าจะเปลียนแปลงมา ุ่ ้ ่ ่ เป็นควารกแบบอพและดาวน์อยางรวดเรวโดยผานกระบวนการการ ์ ั ่ ็ ่ เสอมสลายของอนุภาค (particle decay) ซงเป็นกระบวนการท่ี ่ื ่ึ เปลียนสถานะมวลมากกว่ามาเป็ นสถานะมวลตํ่ากว่า ่ ด้วยเหตุน้ี ควารกแบบอพและดาวน์จงเป็นชนิดทเี่ สถยร และพบได้ทวไปมาก ์ ั ึ ี ั่ ทสดในเอกภพ ขณะทีควาร์กแบบชาร์ม สเตรนจ์ ทอป และบอททอม ่ี ุ ่ ็ ็ ็ จะเกดขนไดกจากการชนทมพลงงานสงเทานน ิ ้ึ ้ ็ ่ี ี ั ู ่ ั้ (เช่นทีอยูในรังสี ่ ่ คอสมกและในเครองเรงอนุภาค) ิ ่ื ่
- 30. เนื่ องจาก quark มีพลังงานจลน์ = eV 2 1 mc 2 → = 2eV / c 2 m ดังนัน หน่ วยมวลของ quark คือ MeV/c2 ้
- 31. Sir James Chadwick (พ.ศ. 2434 – 2517) นักฟิสิกสชาว์ องกฤษ ได้รบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ั ั จากผลงานการค้นพบอนุภาคนิวตรอน ในช่วงที่มีการค้นพบนี้ แชดวิก กาลง ํ ั ทํางานกับ รัทเทอร์ฟอร์ด เมอแชดวกพบอนุภาคนิวตรอนแลว ได้มการ ่ื ิ ้ ี ตงสมมตฐานเรองโครงสรางของนิวเคลยส ั้ ิ ่ื ้ ี ใหม่ ว่านิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอนุภาคนิวตรอน รวม เรยกอนุภาคซงเป็นองคประกอบของนิวเคลยสวา นิวคลีออน เรียกผลรวม ี ่ึ ์ ี ่ ของโปรตอนและนิวตรอน วา เลขมวล และเรียกจํานวนโปรตอนใน ่ นิวเคลียสว่า เลขอะตอม
- 32. A 238 Z X → 92 U A คือผลบวกของจํานวนโปรตอน และ นิวตรอน ซึ่งจะมี ค่าใกล้เคียงกับมวลของอะตอมมาก Z คือจํานวนโปรตอน และยังหมายถึงจํานวนประจุไฟฟ้ า ของนิวเคลียสด้วย เช่น ยูเรเนี ยมนิวเคลียส มีประจุไฟฟ้ า เท่ากับ +92e เป็นต้น
- 33. ( ) 1 0− 3 + 4 2 1 1β e 0H 2n +H −He 11 A A Z ั ั ิ X สญลกษณ์ที่ใช้แทนนวไคลด ์ (Nuclide) คือ Z X ที่ควรทราบได้แก่ 1 หมายถง ไฮโดรเจนนิวเคลียส หรือ โปรตอน ึ 1 H 2 หมายถึง นิวเคลียสของดิวทีเรียม เรียกว่ า ดิวทีรอน 1H 3 หมายถง นิวเคลียสของทริเตยม เรียกว่า ทริตอน ึ ี 1 H 1 หมายถง นิวตรอน ึ A 0 n ZX 0 e หมายถง อเล็กตรอน (β− ) ึ ิ −1 0 หมายถง โพสตรอน (β+ ) (เม่ ือเกดขนมาแล้วไม่สามารถอย่ ูลาพงได้ ึ ิ ิ ึ้ ํ ั +1 e ต้องรวมกับ อเล็กตรอน) ิ 3 2 He หมายถึง Helium – 3 เป็นไอโซโทปของฮีเลียม 4 2 He หมายถง นิวเคลียสของฮีเลียมปกติ ซ่งกคือ อนุภาค α ึ ึ ็
- 34. n = 59 → 51 238 206 4 0 92 U→ 82 Pb + 8 2 α + 6 −1e การสลายตัวแบบ อนุกรมยูเรเนี ยม 4n + 2 และ n 59 → 51 = ( 4x59 + 2 = ) 238 สมการของการ สลายตวคือ ั 238 206 4 0 92 U → 82 Pb + 8 2 α + 6 −1 e
- 35. เลขนิวตรอน (NN) เลขนิวตรอน ( ) การสลายตัวแบบอนุกรมแอกทีเนี ยม (Actinium series) ธาตุเริ่มต้น U-235 235 ธาตุสดท้าย Pb-207 ุ 144 144 U 142 142 231 เรียกว่าอนุกรม 4n + 3 และ 140 140 227 Th 231 Pa n 58 → 51 = Ac 138 138 223 227 Th สมการของการสลายตัว คือ Fr 235 207 4 0 92 U → 82 Pb + 7 2 α + 4 −1 e 136 136 223 134 Ra 219 134 Rn 132 215 132 Po α 130 211 130 Pb 211 128 Bi β 211 128 207 Bi Po 126 Tl 207 126 Pb Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
- 36. เลขนิวตรอน (N) การสลายตัวแบบชุดทอเรียม 142 232 Th (Thorium series) 140 228 Ra 228 ธาตุเริ่มต้นคือ Th-232 138 Ac ธาตุสดท้าย Pb-208 เรียกว่า ุ 224 228 136 Ra Th อนุกรม 4n และ 134 220 Rn n 58 → 52 = 216 132 Po 130 212 Pb สมการของการสลายตัว คือ 212 Bi α 232 128 208 212 90 Th → 208 Pb + 6 4 α + 4 −0 e 82 2 1 Tl Po 126 β 208 Pb 124 Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
- 37. เลขนิวตรอน (N) การสลายตัวแบบชุดเนปจูเนียม 237 Np (Neptunium series) 144 233 Pa เป็ นอนุกรมที่ มนุษย์ประดิษฐ์ 233 ธาตุเริ่มต้ น 142 U 140 229 เนปทูเนี ยม Np-237 Th 138 225 Ra 225 Ac ธาตุสดท้าย Bi-209 ุ เรียกว่า อนุกรม 4n + 1 และ 136 134 221 Fr n 59 → 52 = 132 217 α 213 Bi At 130 213 209 Po 128 Tl สมการของการสลายตว β ั 209 237 209 4 0 93 Np → 83 Bi + 7 2 α + 4 −1 e 126 Pb 209 Bi Z 80 82 84 86 88 90 92 94 96
- 38. ∴O NN O N2 2 x 2 O 2x กิโกิโลกรัม ลกรัม เวลาครึงชีวิต (Half life) ่ 2n กิโลกรัม เวลาครึ่งชีวิต คือ เวลาที่สารนันใช้ในการสลายตัวไปจน ้ เหลือครึงหนึ่ งของปริมาณเดิม ่ สมมติสารกัมมันตรังสีอย่างหนึ่ ง มีมวล NO กิโลกรม ั มีเวลาครึ่งชีวิตเท่ากับ T1/2 ชัวโมง ่ NO ดังนัน ในเวลา T1/2 ชัวโมงต่อไปจะเหลือ 2 กิโลกรม ้ ่ ั NO ในเวลา 2T1/2 ชัวโมงต่อไป จะเหลือ 2x2 กิโลกรัม ่ NO ในเวลา 3T1/2 ชัวโมงต่อไป จะเหลือ 2x2x2 กิโลกรัม ่ NO ในเวลา n ช่วงของ Half Life จะเหลือ n กิโลกรัม 2
- 39. No N= n 2 เมื่อ N คือจํานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่, No คือจํานวนนิวเคลียสที่มีอยู่เมื่อเริ่มพิจารณา n คือจํานวนช่วงเวลา ครึ่งชีวิต
- 40. −λt N = No e เมื่อ N คือจํานวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่, No คือจํานวนนิวเคลียสที่มีอยู่เมื่อเริ่มพิจารณา e คือค่าคงตัวซึ่งเท่ากับ 2.7182818 t คือเวลา λ คือค่าคงตัวของการสลาย หมายเหตุ สูตรนี้ สามารถใช้กบ มวลในหน่ วยเป็ นกรัมได้ ั ( m = mo e ) −λt
- 41. 0.693 T1/2 = λ เมื่อ T1/2 คือเวลาของช่วงครึ่งชีวิต λ คือค่าคงตัวของการสลาย
- 43. ไอโซโทป คือ อะตอมของธาตุเดียวกัน ซึ่งมีจานวน ํ โปรตอนและจํานวนอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่มีจานวน ํ นิวตรอนต่างกัน การที่มีจานวนนิวตรอนต่างกันในแต่ละ ํ ไอโซโทป หมายถึง การมีประจุที่เท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน Isotope เป็ นคําภาษากรีก แปลว่าอยูทตาแหน่งเดียวกันใน ่ ่ี ํ ตารางธาตุ
- 44. Oxygen-16 and Oxygen-18 isotopes. White spheres are neutrons and blue spheres are 8 protons.
- 46. หลักการทํางานของ Mass Spectrometer ใช้ลาอิเล็กตรอนทีม ี ํ ่ พลังงานสูงวิงชนโมเลกุล ่ ทาใหเกดเป็นไอออนทม ี ํ ้ ิ ่ี ประจถาไอออนทเี่ กดขนมมวลต่างกน เมอเขาสสนามแมเหลก ุ ้ ิ ้ึ ี ั ่ ื ้ ู่ ่ ็ จะวิงด้วยรัศมีความโค้งทีต่างกัน สนามแม่เหล็ก จึงแยกไอออน ่ ่ ทีมมวลต่างกันออกจากกันได้ และแสดงผลเป็ นกราฟเรียกว่า ่ ี Mass Spectrum ทงมวลและประจของไอออน วดไดจาก ั้ ุ ั ้ ตําแหน่งทีปรากฏในสเปคตรัม จึงสามารถวิเคราะห์ไอโซโทปได้ ่
- 56. 23 1 24 11Na + 0 n → 11Na + γ
- 57. (1) หลกการคงทของจานวนนิวคลออน คอ ผลบวกของเลขมวล ั ่ี ํ ี ื ก่อนและหลังปฏิกรยาต้องเท่ากัน ิิ (2) หลกการคงทของประจไฟฟ้า ั ่ี ุ (3) หลักการคงทีของมวลและพลังงาน คือ ผลรวมของมวลและ ่ พลังงานก่อนปฏิกรยากับหลังปฏิกรยาต้องเท่ากัน ิิ ิิ (4) หลกการคงทของโมเมนตมเชงเสน ั ่ี ั ิ ้
- 58. ธาตุเบาที่ควรจําได้ 1H, 2 He, 3 Li, 4 Be, 5 B, 6 C, 7 N, 8 O, 9 F ธาตุหนักที่ควรจําได้ 82 Pb, 83 Bi, 84 Po, 86 Rn, 88 Ra, 90Th, 92 U, 94 Pu
- 61. ปฏิกรยาฟิชชันเป็ นปฏิกรยาแยกตัวของนิวเคลียส โดยมี ิิ ่ ิิ นิวตรอนเป็นตววงเขาชนนิวเคลยสหนกๆ (A>230) ั ิ่ ้ ี ั ทาใหเกดนิวเคลยสใหม่ 2 นิวเคลียสทีมเี ลขมวลปานกลางใกล้ ํ ้ ิ ี ่ เคยงกน และมนิวตรอนทมความเรวสงเกดขนประมาณ 2-3 ตัว ี ั ี ่ี ี ็ ู ิ ้ึ ทังมีการคายพลังงานออกมาด้วย ดังตัวอย่างปฏิกรยาต่อไปนี้ ้ ิิ 235 1 141 92 1 92 U + 0 n → 56 Ba + 36 Kr + 3 0 n + E นิวเคลียสขนาดปานกลางทีเกิดขึนนี้เรียกว่า ่ ้ Fission Fragment ซงจะมอตราสวนของเลขมวลประมาณ 1.5 ่ึ ี ั ่
- 62. 235 1 140 94 1 92 U + 0 n → 54 Xe + 38 Sr + 2 0 n + γ + 200MeV 235 1 139 94 1 92 U + 0 n → 54 Xe + 38 Sr + 3 0 n 235 1 138 96 1 92 U + 0 n → 55 Cs + 37 Rb + 2 0 n
- 63. 2 3 4 1 1H + 1H → 2 He + 0 n
- 64. 2 2 3 1 1) 1H + 1H → 1H + 1H + 4MeV 2 3 4 1 2) 1H + 2 He → 2 He + 1H + 18.3MeV 2 2 3 1 3) 1H + 1H → 2 He + 0 n + 3.3MeV 2 3 4 1 4) 1H + 1H → 2 H + 0 n + 17.6MeV